催化劑溫度控制方法及配有λ可分離的廢氣凈化系統的多缸發動機的制作方法

專利名稱：催化劑溫度控制方法及配有λ可分離的廢氣凈化系統的多缸發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于對布置在可貧氣運行的多缸發動機的廢氣凈化系統之中的至少一種催化劑的溫度進行控制的方法，其中能量可借助λ的分離而被注入廢氣凈化系統中。本發明還涉及一種相應的配有可實現λ分離的廢氣凈化系統的多缸發動機。
為了對內燃機的廢氣作后處理，通常要對廢氣做催化劑凈化處理。為此要讓廢氣通過至少一種可對廢氣的一個或多個有害成分進行轉化的催化劑。已知有多種不同類型的催化劑。氧化型催化劑可以促進未燃的碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，而還原型催化劑則有助于減少廢氣中的氮氧化合物(NOx)。使用三元催化劑則可以對前面提到的三種成分(HC，CO，NOx)同時進行催化轉化。
此外，公知地還有一種存儲型催化劑，例如NOx存儲型催化劑。此類催化劑常用于內燃機的廢氣凈化。為了優化油耗，內燃機至少臨時地會以貧氣運行模式操作(即，帶有λ＞1的富氧的廢氣)，從而生成大量的氮氧化合物NOx。在對未燃的碳氫化合物HC和一氧化碳CO進行氧化催化轉化時，NOx不能被完全轉化成有利于環境中和的氮。作為一種補救措施，可在內燃機的廢氣通路中置放上述提到的NOx存儲型催化劑。它們在貧氣的運行階段中把NOx作為硝酸鹽儲存起來。此類NOx存儲型催化劑必須每隔一段時間就通過把內燃機換轉到富氣或低化學計量的運行模式(λ≤1)而加以再生。
當運行于高溫之下時，前面提到的催化劑會發生老化，從而與無損害催化劑相比它會降低峰值轉化率。為了延緩催化劑的老化，就需要調節發動機的運行參數(優選地是調節燃燒過程的λ值)，以監控和限制廢氣系統中的最大允許溫度。
另一方面對催化劑加溫也是必要的，即，需要向廢氣系統中注入能量以達到催化劑的最佳溫度窗并對NOx存儲催化劑進行脫硫處理。這是因為催化劑會由于燃油中所含的硫而被毒化。對催化劑加熱可去除存儲在NOx存儲型催化劑中的硫。對以硫酸鹽形式儲存的硫進行解吸所需的最低溫度約為600℃。
加熱催化劑會帶來問題，尤其在當使用預催化劑和主催化劑時。因為在主催化劑被加熱到所需溫度時，預催化劑可能會熱負荷過載。
為了有目的地將能量注入廢氣凈化系統以優選地用于使NOx存儲型催化劑脫硫，可對催化劑(尤其是主催化劑)進行加熱，并使催化劑同時暴露于貧廢氣和富廢氣。例如，為了使主催化劑之前的廢氣達到1.0的所需λ值，可使廢氣在兩個廢氣路徑之一中朝向“富氣”方向移動預定的量，并類似地使廢氣在另一個路徑中朝相反的方向移動預定的量。此方法的優點在于，催化劑之前的混合廢氣同時含有高濃度的氧和有害物質。結果，大量的化合能量被在催化劑中轉化。因為加熱催化劑所需的能量只在催化劑中被能轉化成熱，所以就可消除經過非絕熱廢氣系統的路徑上的熱損耗。另外，由于任何現有的預催化劑不會出現熱負荷過載，因此其使用壽命的可靠性會大大提高。
但是，該工藝的問題在于它可能導致主催化劑過載危險性的提高，因在主催化劑中高化學能轉化所產生的劇烈催化作用至少無法避免局部的過熱負荷。另外，如果催化劑至少部分有活性(即，被加熱)，則催化劑只能借助于λ的分離來升溫，因為催化劑必須通過注入化學能以具備熱活性。
因此本發明的目的就是提供一種用于對布置在可貧氣運行的多缸發動機的廢氣凈化系統之中的催化劑的溫度進行控制的方法，其中能量可借助λ的分離而被注入廢氣凈化系統中。它還提供了一種相應的配有具備λ分離能力的廢氣凈化系統的可貧氣運行的多缸發動機，該多缸發動機能夠可靠地避免催化劑的過熱負荷危險。
上述目的可通過一種具有權利要求1中所述的特征的方法和具有權利要求13中所述的特征的多缸發動機來實現。
根據本發明所述，它提供了一種用于對布置在可貧氣運行的多缸發動機的廢氣凈化系統之中的催化劑的溫度進行控制的方法，其中能量可借助λ的分離而被注入廢氣凈化系統中，其中注入能量的量可根據以下參數中的至少一個被確定或限制催化劑溫度，廢氣溫度以及廢氣質量流量，并且/或者根據以下參數中的至少一個被確定或限制催化劑溫度的變化，廢氣溫度的變化以及廢氣質量流量的變化(對時間的1階導數)，并且/或者根據以下參數中的至少一個被確定或限制催化劑溫度的變化率，廢氣溫度的變化率以及廢氣質量流量的變化率(對時間的2階導數)。
該混合氣裂變力(λ可分離的)廢氣凈化系統被有利地設計成在多缸發動機與至少一種催化劑之間至少具有兩個可采用預定的λ值的通路或廢氣路徑，由此使廢氣凈化系統有利地包括至少一種其溫度可利用該方法得到控制的主催化劑以及位于上游的至少兩種預催化劑，其中各個預催化劑被分別布置在各自的廢氣路徑中。
化學能量的注入通過限制分離因子而有利地得到控制，該因子在這里被定義作為廢氣路徑之一中的富化程度的一個標度。在混合λ的額定值為1.0時，25％的分離因子意味著在一臺四缸發動機中有兩個缸以λ＝0.35運行，另兩個缸則以λ＝1.5運行。在要求對催化劑加熱時，將能量注入廢氣凈化系統中的要求可根據催化劑的實際溫度、或者是催化劑的實際溫度與預設的目標溫度之間的溫差來界定。通常希望將催化劑快速加熱到目標溫度，這就需要將很高的能量注入到廢氣系統中并因此要求有較高的初始分離因子。為了取得最佳的轉化率，需要使混合λ的額定值為1.0。與主要采用熱加溫的常規加熱方法相比，在加熱過程中的化學成分較高時，從技術水平來看會增加催化劑過載的風險。因此，根據本發明所述的通過限制能量的注入來控制催化劑溫度的做法是特別有利的。
根據本發明所述，在下述情況下要根據本發明前述的參數來對化學能量的注入或分離因子進行限制-提高所測量的或所模擬的催化劑溫度而不受目標溫差的限制，從而避免損害催化劑，尤其是在目標溫度接近最低的、不能超過的不可逆熱損害溫度時；-在主催化劑中存在高的正溫差梯度，尤其是當主催化劑中的溫度高時。考慮到主催化劑中的溫度分布線具有潛在的不均衡性，如果正的溫度梯度(d2T/dt2)也呈現漸進趨高的情況，則限制必需變得更加嚴格。因為這表明此時催化劑“失控”的風險特別高；-廢氣質量流量降低，它減少了廢氣質量流量的冷卻效應，其低于催化劑的溫度。例如在換檔時、過渡到低的負載狀況或點火條件下的超程期間，在高的負廢氣質量流量梯度處的限制應該變得更加嚴格，這是因為在此種操作狀態下，廢氣中的HC和O2含量會陡然急劇增加。
可在催化劑中轉化的那部分廢氣化學能可通過能夠獲得的還原劑和氧氣的質量流量加以測定。因此，當調節至催化劑之前的所需λ值時，優選地根據在主催化劑前面或后面所測的λ值將貧氣路徑中的λ值控制為根據所需分離因子算出的貧氣進氣量值，從而實現對富氣管路的預控制。這樣就可以防止在調整時因通常置于催化劑后面的傳感器或在富氣路徑預催化劑后面安裝的λ傳感器產生問題，比如因氫氣的橫向靈敏度產生的測量誤差。
在貧氣路徑被設置為非常貧氣時，即λ值＞1.4、優選地λ值＞1.55時，燃燒過程的穩定性接近其極限，以至于會發生多次滅火的情況。因此根據本發明的一個實施方案所述，在貧氣路徑具有一個極度貧氣的λ值時，總混合氣可以在富氣管路沒有得到適當的預控制的情況下被臨時地進行富化處理，或者容許采用分離因子再循環以通過讓其注入能量來影響對趨向貧氣的富氣管路的預控制。此情況多發生在貧氣管路中的λ值＞1.3、優選地為＞1.45時發生。
符合本發明的方法主要是在必要時可預置預催化劑用來脫硫的NOx存儲型催化劑中應用。
本發明方法的優點在于，其催化劑系統的負荷要比現有技術中公知的常規方法小，同時對λ分離設置了更小的限制。
根據本發明所述的可貧氣運行的多缸發動機配有具備λ分離能力的廢氣凈化系統并且在廢氣凈化系統中設置有至少一種催化劑，該多缸發動機包括本發明所述的用于控制至少一種催化劑的溫度的裝置，該裝置可通過對至少一個運行參數優選地為多缸發動機的λ值做出影響，并基于下述參數中的至少一個參數，采取與廢氣相關的措施來控制至少一種催化劑的溫度催化劑溫度、廢氣溫度及廢氣質量流量；并且/或者根據以下參數中的至少一個催化劑溫度的變化、廢氣溫度的變化及廢氣質量流量的變化(1階導數)；并且/或者根據以下參數中的至少一個催化劑溫度的變化率、廢氣溫度的變化率及廢氣質量流量的變化率(2階導數)。因此，多缸發動機的具有λ分離能力的廢氣凈化系統被設計成使得在多缸發動機和至少一種催化劑之間設置有至少兩個廢氣路徑，這兩個路徑都可以應用預定的λ值。按照一個特別優選的實施方案所述，該廢氣凈化系統至少具有一種主催化劑，并且其上游設置有至少兩種預催化劑，其中每種預催化劑被設置在各自的廢氣路徑中，并且其中預定的λ值可被應用于各個廢氣路徑。
上述裝置還包括有控制裝置，該控制裝置優選地被集成入發動機控制器中，其中用來對與廢氣和性能相關的措施進行調控的模型和算法可按照數字化的形式存儲。
上述方法及其他通用方法的控制與協調均可通過控制器或發動機控制器來完成。
根據本發明所述的多缸發動機可以是汽油機、特別是直噴式汽油機，或者也可以是柴油機。
廢氣凈化系統，或者說是根據本發明所述的多缸發動機的廢氣凈化系統中的至少一種催化劑具有貴金屬含量低的優點。尤其在加了預催化劑后，其貴金屬含量與現有的系統相比顯著降低。
符合新歐洲循環行駛NEFZ(New European Driving Cycle)的使用直噴式、具有分層進氣能力的汽油機的車輛利用熱無損催化劑系統達到了HC廢氣排放＜0.07g/km、NOx廢氣排放＜0.05g/km的標準，該熱無損催化劑系統包括設置在發動機附近的一種或多種預催化劑以及位于其下游的可存儲硫質量＜0.2g/L的催化劑容量的NOx存儲型催化劑，并且以至少250秒、優選為300秒的分層進氣進行工作。這種車輛采用了貴金屬含量≥4.67g/dm3(130g/ft3)的催化劑。
而在本發明所述的多缸發動機中，至少一種或多種預催化劑的貴金屬含量可被有利地降到≤3.59g/dm3(100g/ft3)并且優選地≤2.87g/dm3(80g/ft3)。
利用前面所述的方法，對于同一輛車，即使在2％的O2、10％的H2的大氣環境下以1100℃的溫度對已降低了貴金屬含量的預催化劑進行4小時的爐內退火以及在2％的O2、10％的H2的大氣環境下以850℃的溫度對NOx存儲型催化劑進行4小時的爐內退火之后，HC廢氣排放也不會超過符合NEFZ標準的0.1g/km，NOx廢氣排放也不會超過符合NEFZ標準的0.08g/km。
本發明的其他優點在各從屬權利要求中表明。
下面將結合附圖對本發明的實施方案做出詳細說明。在附圖中

圖1本發明所述的內燃機設備的示意圖，及圖2本發明所述方法的示意流程圖。
圖1示出了多缸發動機10以及設置在多缸發動機10下游的雙通道廢氣凈化系統12。多缸發動機10的各對汽缸14，14’分別與廢氣凈化系統12的廢氣路徑16，16’之一對接。每個廢氣路徑16，16’都配有一種預催化劑18，18，其上游分別設置有λ傳感器20，20’。兩個廢氣路徑16，16’在預催化劑18，18’的下游合并成一個單個的廢氣路徑22，廢氣路徑22中設置有主催化劑24。在主催化劑24的下游設置有λ測量裝置26，它可以由λ傳感器或NOx傳感器組成。在主催化劑24的上游設置有溫度傳感器28，其用于分別確定廢氣溫度或催化劑溫度。富廢氣流經一個廢氣路徑16，而貧廢氣流經第二廢氣路徑16’。這兩個廢氣路徑16，16’的λ值優選地是分離的，從而在兩個廢氣路徑16，16’被合并成終止于主催化劑24的單一的廢氣路徑22之后使λ值保持為1左右。由λ傳感器、λ測量裝置26及溫度傳感器28提供的信號在一控制裝置中或在一發動機控制器中(未示出)得到處理。
圖2示出了本發明的方法的流程圖。一開始，在S10，根據例如催化劑溫度TKAT與主催化劑24的所需溫度或目標溫度之差請求一個熱流。然后，分離因子在S12中被確定，該定義出的分離因子經受S14，S16和S18限制因子的處理。第一個限制因子S14是根據催化劑溫度TKAT以及催化劑溫度梯度TKATG而由發動機操作域K10確定的。因此，能量的注入受到增加的催化劑溫度TKAT的限制，而無需考慮催化劑溫度TKAT與目標溫度的差異。催化劑溫度TKAT與催化劑溫度梯度的變化TKATGAE還被用于第二限制因子S16的第二發動機操作域K12，它考慮到了主催化劑24中的溫度分布的不一致性。在主催化劑24中正溫度梯度較大時，尤其是主催化劑24中的溫度TKAT已經很高時，就要限制分離因子。如果正的溫度梯度TKATG也逐漸增大，則分離因子被進一步減小，以安全地消除主催化劑24中出現“失控”情況的風險。第三限制因子S18根據廢氣質量流量AMS以及廢氣質量流量梯度AMSG利用第三發動機操作域K14來限制分離因子。此舉可能是必需的，這是因為減少的廢氣質量流量提供了較少的冷卻、并且因為在需要高的負廢氣流量梯度的操作條件下廢氣中的HC和O2含量及注入的化學能量會瞬時陡增。然后，具有富廢氣的廢氣路徑16之中的所需λ值S20和具有貧廢氣的廢氣路徑16’之中的所需λ值S22被預設出來，其中，利用主催化劑24之后所測得的λ值，用于具有富廢氣的廢氣路徑16的所需λ值在步驟S24中受到預控制，用于具有貧廢氣的廢氣路徑16’的所需λ值在步驟S26中受到控制。
參考標號列表10 多缸發動機12 廢氣凈化系統14，14’ 汽缸16，16’ 廢氣路徑18，18’ 預催化劑20，20’ λ傳感器22 廢氣管路24 主催化劑26 λ測量裝置28 溫度傳感器S10 熱流要求S12 確定初始的分離因子S14 第一限制因子S16 第二限制因子S18 第三限制因子S20 確定用于富廢氣路徑的所需λ值S22 確定用于貧廢氣路徑的所需λ值S24 預控制S26 控制K10 第一發動機操作域K12 第二發動機操作域K14 第三發動機操作域TKAT催化劑溫度TKATG 催化劑溫度梯度TKATGAE 催化劑溫度梯度變化AMS 廢氣質量流量AMSG廢氣質量流量梯度
權利要求
1.一種用于對布置在可貧氣運行的多缸發動機(10)的廢氣凈化系統(12)之中的至少一種催化劑的溫度進行控制的方法，其中能量借助λ分離而被注入所述廢氣凈化系統(12)之中，所述方法的特征在于，所述能量的注入根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度、廢氣溫度和廢氣質量流量；并且/或者根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度的變化、廢氣溫度的變化以及廢氣質量流量的變化；并且/或者根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度的變化率，廢氣溫度的變化率以及廢氣質量流量的變化率。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述廢氣凈化系統(12)在所述多缸發動機(10)與所述至少一種催化劑之間具有至少兩個廢氣路徑，其中預定的λ值可被加載給所述至少兩個廢氣路徑以用于能量的注入。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述廢氣凈化系統(12)具有至少一種主催化劑(24)并且帶有位于所述主催化劑(24)上游的至少兩種預催化劑(18，18’)，其中各個所述預催化劑(18，18’)被設置在可以加載預定的λ值的相應的廢氣路徑(16，16’)中。
4.根據權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述對注入能量的限制是利用所述至少一種催化劑或所述主催化劑(24)的測量到的或模擬出的升高的溫度而實現的。
5.根據權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在所述至少一種催化劑或所述主催化劑(24)中呈現高的正溫度梯度時，所述能量的注入受到限制。
6.根據權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述能量的注入是在當廢氣質量流量降低時受到限制的。
7.根據權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述注入能量的總量是由分離因子定出的，所述分離因子是根據注入能量的要求來確定的，所述廢氣凈化系統(12)中各個廢氣路徑(16，16’)的λ值是通過注入能量定出的。
8.根據權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在將所述至少一種催化劑或所述主催化劑(24)之前的λ值控制為λ額定值時，要根據在所述至少一種催化劑或所述主催化劑(24)之前或之后所測得的λ值，將所述貧廢氣路徑(16’)中的λ值控制為由所需的分離因子產生的貧氣λ值，而所述富廢氣路徑(16)則會得到預控制。
9.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，利用在所述貧廢氣路徑(16’)上的非常貧氣的設定，或者在若不適合對富廢氣路徑(16)作預控的情況下允許對總混合氣至少作臨時的富化處理，或者將富廢氣路徑(16)預控制為貧氣λ值，由此使所述分離因子被可選地降低并且/或者注入較少的能量。
10.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在貧廢氣路徑(16’)上的λ值＞1.3時，或者在若不適合對富廢氣路徑(16)作預控的情況下允許對總混合氣至少作臨時的富化處理，或者將富廢氣路徑(16)預控制為貧氣λ值，由此使所述分離因子被可選地降低并且/或者注入較少的能量。
11.根據權利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在貧廢氣路徑(16’)上的λ值＞1.45時，或者在若不適合對富廢氣路徑(16)作預控的情況下允許對總混合氣至少作臨時的富化處理，或者將富廢氣路徑(16)預控制為貧氣λ值，由此使所述分離因子被可選地降低并且/或者注入較少的能量。
12.根據權利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，所述至少一種催化劑特別是所述主催化劑(24)為NOx存儲型催化劑，它的溫度可通過注入到所述廢氣凈化系統中的能量來調控，由此使NOx存儲型催化劑得到脫硫處理。
13.一種配有具備λ分離能力的廢氣凈化系統(12)的可貧氣運行的多缸發動機(10)，所述廢氣凈化系統(12)中設置有至少一種催化劑，其中所述多缸發動機(10)包括用于控制所述至少一種催化劑的溫度的裝置，其中所述裝置通過對所述多缸發動機(10)的至少一個運行參數做出影響，并基于下述參數中的至少一個參數，采取與廢氣相關的措施來控制至少一種催化劑的溫度催化劑溫度、廢氣溫度及廢氣質量流量；并且/或者基于以下參數中的至少一個催化劑溫度的變化、廢氣溫度的變化及廢氣質量流量的變化；并且/或者基于以下參數中的至少一個催化劑溫度的變化率、廢氣溫度的變化率及廢氣質量流量的變化率。
14.根據權利要求13所述的多缸發動機，其特征在于，所述廢氣凈化系統(12)在所述多缸發動機(10)與所述至少一種催化劑之間具有至少兩個廢氣路徑(16，16’)，預定的λ值可被加載給所述至少兩個廢氣路徑。
15.根據權利要求13或14所述的多缸發動機，其特征在于，所述廢氣凈化系統(12)具有至少一種主催化劑(24)并且帶有位于所述主催化劑(24)上游的至少兩種預催化劑(18，18’)，其中，各個所述預催化劑(18，18’)被設置在所述可以加載預定的λ值以注入能量的相應的廢氣路徑(16，16’)中。
16.根據權利要求13至15之一所述的多缸發動機，其特征在于，所述至少一種催化劑和/或所述主催化劑(24)為NOx存儲型催化劑。
17.根據權利要求15或16所述的多缸發動機，其特征在于，所述至少兩種預催化劑(16，16’)的貴金屬含量≤3.59g/dm3。
18.根據權利要求15或16所述的多缸發動機，其特征在于，所述至少兩種預催化劑(16，16’)的貴金屬含量≤2.87g/dm3。
19.根據權利要求15至18之一所述的多缸發動機，其特征在于，所述裝置包括控制裝置，在所述控制裝置中以數字化方式儲存有用來調控與廢氣和功能相關的措施的模型和算法。
20.根據權利要求1至5之一所述的多缸發動機，其特征在于，所述多缸發動機(10)為汽油機、特別為直噴式汽油機，或者為柴油機。
全文摘要
本發明涉及一種用于對安裝在貧混合氣多缸發動機(10)的廢氣凈化系統(12)中的至少一種催化劑進行控制的方法，由此使能量通過λ分離而被注入到廢氣凈化系統(12)中。本發明還涉及一種相應的多缸發動機(10)。本發明的特征在于，能量的供應根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度、廢氣溫度和廢氣質量流量；并且/或者根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度的變化、廢氣溫度的變化以及廢氣質量流量的變化；并且/或者根據以下參數中的至少一個而受到限制催化劑溫度的變化率，廢氣溫度的變化率以及廢氣質量流量的變化率。
文檔編號F01N13/02GK1732337SQ200380107563
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月12日 優先權日2002年12月30日
發明者埃克哈德·波特, 凱·菲利普, 埃里克·布雷 申請人:大眾汽車股份公司