用于控制火花點火直噴式發動機的排氣排放的方法和設備的制作方法

專利名稱：用于控制火花點火直噴式發動機的排氣排放的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機和排氣后處理系統的操作和控制，更具體地涉及貧化學計量操
作的發動機以及相關的排氣后處理系統。
背景技術：
這部分的陳述僅提供與本公開相關的背景信息，有可能并不構成現有技術。
構造成火花點火燃燒的發動機可適于在預定速度/負載操作狀態下以分層充量 燃燒模式操作。公知利用分層燃燒充量的貧化學計量操作可提高燃料經濟性，但會增加包 括氮氧化物(以下稱為N0x)的排氣排放。公知利用氨-選擇性催化還原裝置在存在還原 劑(例如，尿素)的情況下還原N0x。公知再填充尿素箱會給操作人員造成負擔。
公知的貧化學計量操作內燃機用后處理系統可包括三效催化轉化器，其后是包括 貧N0x還原催化器，也稱為貧N0x吸收器(以下稱為LNT裝置)，以及選擇性催化還原(SCR) 催化裝置在內的其它排氣后處理裝置。公知的三效催化轉化器(以下稱為TWC)用于減少發 動機化學計量操作期間發動機輸出的碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)以及氮氧化物(N0x) 排放以及貧操作期間的HC和CO排放。 公知SCR裝置包括催化劑材料，其促進N0x與還原劑(例如氨(NH3)或尿素)反 應，以產生氮氣和水。可將還原劑噴射到SCR裝置的排氣供應流上游，這需要噴射系統、箱 和控制體系。所述箱可能需要定期再填充，并且在寒冷環境下有可能凍結，從而需要增設加 熱器并絕熱。 SCR裝置中所用的公知催化劑材料包括鈦(Ti)上的釩(V)和鴇(W)。移動應用包 括具有沸石涂層的包括鐵(Fe)或銅(Cu)的基金屬作為催化劑材料。催化劑材料主要關 注的包括溫度操作范圍、熱穩定性以及還原劑儲存效率。對于移動應用，SCR裝置通常具有 20(TC至60(TC的優選操作溫度范圍，并可根據所選催化劑材料而異。在較高負載操作期間 或其后，操作溫度范圍可降低。溫度高于60(TC會致使還原劑滲漏并使SCR催化劑劣化，而 在溫度低于20(TC時可降低N0x還原的有效性。

發明內容
—種用于控制構造成火花點火直噴燃料操作的發動機的排氣排放的方法，該方法 包括將后處理系統連接至所述發動機的排氣口，以輸送排氣供應流。該后處理系統包括第 一后處理裝置，其流體連接在第二后處理裝置的上游。該第一后處理裝置包括氧化催化裝 置，該第二后處理裝置包括具有儲存氨還原劑能力的選擇性催化還原裝置。在所述第二后 處理裝置的上游將還原劑噴射裝置的噴嘴插入所述后處理系統中。以第一燃燒模式操作所 述發動機，以在所述第二后處理裝置的上游在所述排氣供應流中產生氨還原劑。該氨還原 劑儲存在所述第二后處理裝置上。以貧化學計量操作所述發動機，并利用儲存在所述第二 后處理裝置上的所述氨還原劑還原所述排氣供應流中的氮氧化物。


以下將參照附圖以實施例方式描述一個或多個實施方式，在附圖中 圖1是根據本公開的發動機系統的示意圖； 圖2是根據本公開的排氣后處理系統的示意框圖；以及 圖3和圖4是根據本公開的數據曲線圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，其中所示僅用于說明某些示例性實施方式而不用于對其進行限 制，圖1示意性示出根據本公開的一個實施方式構造的內燃機10以及在控制模塊5中執行 的相關控制系統。發動機IO包括多氣缸直噴式四沖程內燃機，其具有可在氣缸15中滑動 運動的往復活塞14，氣缸15限定可變容積燃燒室16。各活塞14連接至旋轉曲軸12，通過 旋轉曲軸12將線性往復活塞行程轉換成旋轉運動。圖1中示出了氣缸15中的單個氣缸。
進氣系統將進氣引至進氣歧管29，進氣歧管29將空氣指引并分配至通向各燃燒 室16的進氣通路。進氣系統包括氣流管道以及用于監測并控制氣流的裝置。這些裝置優 選包括用于監測空氣質量流量和進氣溫度的空氣質量流量傳感器32。優選包括電子控制裝 置的節氣門34響應于來自控制模塊5的控制信號(ETC)控制流向發動機10的氣流。歧管 壓力傳感器36監測進氣歧管29中的歧管絕對壓力以及大氣壓力。具有流動控制閥38 (排 氣再循環閥或EGR閥)的外部流路37可使來自排氣歧管39的殘余排氣再循環至進氣歧管 29。控制模塊5優選通過控制EGR閥38的開度大小控制流向進氣歧管29的再循環排氣的 流量。 通過一個或多個進氣門20控制從進氣歧管29流入燃燒室16中的氣流。通過一個 或多個排氣門18控制流出燃燒室16流向排氣歧管39的排氣流。優選通過雙凸輪軸(如 所示)控制進氣門20和排氣門18的開啟和閉合，雙凸輪軸的旋轉與曲軸12的旋轉相關聯 并由其標引(index)。 VCP/VLC裝置22優選包括可控機構，其可操作以響應于來自控制模 塊5的控制信號(INTAKE)可變地控制用于各氣缸15的進氣門20的氣門升程(VLC)和凸輪 相位(VCP) 。 VCP/VLC裝置24優選包括可控機構，其可操作以響應于來自控制模塊5的控 制信號(EXHAUST)可變地控制用于各氣缸15的排氣門18的氣門升程(VLC)和相位(VCP)。 VCP/VLC裝置22和24均優選包括可控兩級氣門提升機構，其可操作以將進氣門20和排氣 門18的氣門升程或開度大小控制成兩個離散階段中的一個。這兩個離散階段優選包括用 于低速、低負載操作的低升程氣門開啟位置(約4 6mm)以及用于高速和高負載操作的高 升程氣門開啟位置(約8 10mm) 。 VCP/VLC裝置22和24優選包括可變凸輪相位機構以分 別控制進氣門20和排氣門18的開啟和閉合的定相(即，相對正時)。所述定相是指相對于 曲軸12和相應氣缸15中活塞14的位置改變進氣門20和排氣門18的開啟時刻。VCP/VLC 裝置22和24的可變凸輪相位系統優選具有約60。 90°曲柄旋轉的定相權限范圍，從而 允許控制模塊5相對于各氣缸15的活塞14的位置提前或延遲進氣門20和排氣門18其中 之一的開啟和閉合。所述定相權限范圍由VCP/VLC裝置22和24限定并限制。VCP/VLC裝 置22和24包括凸輪軸位置傳感器(未示出)，以確定進氣凸輪軸和排氣凸輪軸(未示出) 的旋轉位置。VCP/VLC裝置22和24利用受控制模塊5控制的電液、液壓和電氣控制力的其 中之一致動。
發動機10包括燃料噴射系統，該燃料噴射系統包括多個高壓燃料噴射器28，每個 噴射器均適于響應于來自控制模塊5的控制信號(INJ_PW)將一定量的燃料直接噴射到燃 燒室16中。用在這里時，燃料供給指的是燃料流噴射到其中一個燃燒室16中。燃料噴射 器28被從燃料分配系統(未示出)供應加壓燃料。發動機10包括火花點火系統，火花能 量通過該系統提供給火花塞26，以響應于來自控制模塊5的控制信號(IGN)點燃或輔助點 燃各燃燒室16中的氣缸充量。控制信號控制燃燒室16中相對于活塞14的位置的火花正 時以及火花駐留時間。 發動機10配備有用于監測發動機操作的各種感測裝置，包括可操作以監測曲軸 旋轉位置(即，曲柄角和速度)的曲柄傳感器42、適于監測排氣供應流中空燃比的寬范圍空 燃比傳感器40。在一個實施方式中，燃燒傳感器30可在發動機10正在進行操作期間實時 監測缸內燃燒。 示例性發動機利用分層燃料充量設計，包括以高壓縮比操作，其中各燃料噴射器 28旨在將燃料噴射到燃燒室16的在活塞14的頂部形成的輔助燃燒室區，向火花塞26附近 提供富充氣以易于點燃并使燃燒快速且順暢。在各燃燒循環期間，火焰前鋒從富區移動到 貧區，從而改善燃燒并減少N0x形成。 控制系統執行控制模塊5中的一組控制算法，以控制發動機10的操作。控制模塊 5優選包括通用數字計算機，該通用數字計算機包括微處理器或中央處理單元、包括非易失 性存儲器的存儲介質(包括只讀存儲器和可編程只讀存儲器、隨機存取存儲器)、高速時 鐘、模數轉換電路和數模轉換電路、輸入/輸出電路和裝置、以及適當的信號調節和緩存電 路。控制模塊5執行控制算法以控制發動機10的操作。所述控制算法包括存儲在非易失 性存儲器中并被執行以提供各計算機的相應功能的駐留程序指令和標定值。在預定循環周 期期間執行所述算法，使得每個循環周期至少執行一次所述算法。通過中央處理單元來執 行算法，以監測來自前述感測裝置的輸入，并執行控制和診斷程序以使用預定標定值來控 制致動器的操作。在正在運行的發動機和車輛操作期間，循環周期以規則間隔執行，例如每 3. 125、6. 25、 12. 5、25和100毫秒。另選地，可響應于事件的發生來執行算法。發動機10受 到控制而以優選的空燃比操作，從而實現與操作者請求、燃料消耗、排放和駕駛性能相關的 性能參數，其中控制進氣流以實現所述優選空燃比。 圖2示意性示出排氣后處理系統45，其可與發動機10的排氣歧管39流體聯接， 以管理并處理排氣供應流。排氣后處理系統45包括以串聯方式流體連接的多個后處理裝 置。如圖2的實施方式所示，可具有第一、第二、第三和第四后處理裝置50、60、70和80。第 一、第二、第三和第四后處理裝置50、60、70和80可組裝成單獨的結構，這些結構流體連接 并裝配于車身底部，且其間設置有一個或多個感測裝置(未示出)。另選的是，第一和第二 后處理裝置50和60可組裝成第一結構，第三和第四后處理裝置70和80可設置成第二結 構。本領域技術人員可構想其它裝配構造。 第一后處理裝置50可包括HC重整催化裝置，優選包括具有氧化鋁基涂層的堇青 石載體，所述涂層包含一種或多種鉑族金屬，例如Pt、Pd和Rh。在其中利用燃燒技術在發 動機10中產生重整物的實施方式中，第一后處理裝置50可以省略。 第二后處理裝置60包括三效/氧化催化裝置，優選包括具有氧化鋁基涂層的堇青 石載體，所述涂層包含一種或多種鉑族金屬，例如Pt、Pd、Rh和鈰，用于氧儲存和釋放功能。
第三后處理裝置70包括氨-SCR催化裝置，優選包括具有沸石基涂層的堇青石載
體，所述涂層包含一種或多種金屬，例如Fe、Cu、釩(V)、鎢(W)和鈦(Ti)。 第四后處理裝置80優選包括氨逃逸催化裝置，其包括具有氧化鋁基涂層的堇青
石載體，所述涂層包含操作成氧化NH3和排氣供應流組份的一種或多種鉑族金屬，例如Pt、
Pd、Rh。 各催化裝置的設計特征(例如，容積、空速、單元密度、涂層密度以及金屬負載)可 根據具體應用確定，并可由本領域普通技術人員確定。 在利用第一實施方式的操作中，發動機IO可操作成產生包括排氣供應流中的 N0x、C0和氫的重整物。在一個實施方式中，這包括以介于14. 2 : 1和19 : l之間的空燃 比操作發動機10，并使火花點火正時提前以產生重整物。在一個實施方式中，這包括以化學 計量或接近化學計量操作發動機10并利用燃燒晚期燃料噴射或燃燒后燃料噴射策略噴射
附加燃料以產生重整物。在一個實施方式中，這包括以介于14.6 : l和30 : i之間的空
燃比操作發動機10，并利用晚期燃燒燃料噴射或后期燃燒燃料噴射策略噴射附加燃料以產
生重整物。可通過在各燃燒循環的燃燒階段結束時，或另選地在各燃燒循環的排氣階段期 間，向燃燒室內噴射一定量的燃料而產生重整物。形成重整物的這種操作優選在特定操作 條件下進行，例如在加速或高負載操作條件下，以及在某些穩態巡航駕駛條件下。 重整物在第一后處理裝置50中發生反應而由NOx和氫形成M^還原劑。對發動機 10的操作進行控制從而在排氣供應流中形成NH3還原劑的過程被稱為被動NH3 SCR操作。 NH3還原劑可儲存在第三后處理裝置70中。穿過第三后處理裝置70的過量NH3還原劑被稱 為氨逃逸，其可在第四后處理裝置80中被氧化。在后繼發動機操作期間，例如在低負載及 穩態條件下，發動機IO以優選在大于20 : 1的范圍內的貧空燃比操作。排氣供應流包含 穿過第一后處理裝置50和第二后處理裝置60的NOx，其在第三后處理裝置70中在存在儲 存的NH3還原劑的情況下被還原成N2。發動機10可在這樣的條件下操作，直至NH3還原劑 基本耗盡，或者存在產生NH3還原劑的其它機會，例如在高負載操作期間或在加速期間以及 在某些巡航駕駛條件下。當儲存的NH3還原劑基本耗盡時，可對發動機10進行控制以使其 以化學計量或接近化學計量操作，從而最小化NOx的產生并允許第二后處理裝置60操作， 并利用三效催化功能和氧氣儲存/釋放功能在存在儲存的氧氣的情況下氧化HC和CO并還 原NOx。對此進行說明，當儲存在第三后處理裝置70中的NH3還原劑不足以將排氣供應流 中的NOx減少至滿足預定NOx濃度時NH3還原劑基本被耗盡，作為示例這以相對于行駛距 離的NOx量來計量，例如mg (NOx) /km。 在一個實施方式中，排氣后處理系統45包括還原劑噴射裝置55，其具有流體連接 至可重復充填的容器57的噴射機構和噴嘴(未示出)，該容器57優選容納有尿素或包括 NH3的其它合適還原劑。還原劑噴射裝置55的噴嘴在第三后處理裝置70的上游插入排氣 系統45中。還原劑噴射裝置55受控制模塊5控制而對應于排氣供應流中的NOx排放量將 一定質量流率的尿素噴射到排氣供應流中，優選以N0x/NH3化學計量點或略富于該化學計 量點。操作還原劑噴射裝置55以將尿素噴射到排氣供應流中的過程稱為主動尿素定量給 料。在存在尿素中的NH3的情況下，N0x排放物在第三后處理裝置70中還原成氮氣。可在 高負載發動機操作和低負載發動機操作期間在儲存在第三后處理裝置70中的氨基本耗盡 時以及在發動機操作的其它階段，利用主動尿素定量給料。
在一個實施方式中，主動尿素定量給料與被動NH3 SCR操作結合使用以減少NOx 排放。在發動機操作期間，例如在低負載和穩態條件下，發動機10以優選在大于20 : l的 范圍內的貧空燃比操作。排氣供應流包含穿過第一后處理裝置50和第二后處理裝置60的 N0x，其在第三后處理裝置70中在存在儲存的NH3的情況下被還原成^。在特定操作條件下， 當被動NH3操作實際上不能實現時，例如在高發動機負載或加速時，可與被動NH3 SCR操作 結合使用主動尿素定量給料，以減少NOx排放。發動機10可在這樣的條件下操作，直至朋3 基本耗盡或者存在被動產生NH3的其它機會，例如在高負載操作期間或在加速事件期間。
控制系統在特定操作條件下優選利用被動NH3 SCR操作控制發動機操作，所述特 定操作條件包括在第三后處理裝置70上儲存有充足或預定量的NH3時。當發動機10在低 負載和中等負載操作條件(包括具有充足量的儲存NH3的穩態操作)下操作時可停用主動 尿素定量給料。當第三后處理裝置70上儲存的NH3基本耗盡時，啟用主動尿素定量給料并 根據主動尿素定量給料控制發動機操作和尿素噴射，以在第三后處理裝置70中實現化學 計量尿素/NOx比。在檢測到還原劑噴射裝置55中的故障的情況下(包括氨容器箱57為 空)，可控制發動機IO以化學計量或接近化學計量操作，從而最小化NOx的產生。第二后處 理裝置60利用三效催化功能和氧氣儲存/釋放功能操作，從而在存在儲存的氧氣的情況下 氧化HC和CO并還原NOx。 圖3以曲線圖示出根據本公開構造并操作的示例性發動機的操作，包括在一系 列加速和減速循環期間操作發動機10。這一系列加速和減速循環基于新歐洲運行循環 (NEDC， New EuropeanDriving Cycle)。該曲線圖示出作為以被動NH3SCR操作對發動機進 行操作的結果而產生并輸入至第三后處理裝置70的朋3的量。該曲線圖還示出在主動尿 素定量給料期間優選利用還原劑噴射裝置55以尿素形式噴射的NH3的量。
圖4以曲線圖示出與圖3對應的示例性發動機的操作。該曲線圖示出了第一條線， 該第一條線描繪了作為以被動NH3 SCR操作對發動機進行操作的結果從排氣后處理系統45 輸出的累積NOx排放(g/km)。該曲線圖示出了第二條線，該第二條線描繪了作為以被動朋3 SCR操作來操作發動機與采用主動尿素定量給料(優選利用還原劑噴射裝置55)相結合的 結果從排氣后處理系統45輸出的累積N0x排放(g/km)。圖4的結果表明利用被動NH3 SCR 操作對示例性動力系統進行操作產生約.045g/km的NOx排放水平，以及利用被動NH3 SCR 操作與主動尿素定量給料相結合操作動力系統產生約.037g/km的NOx排放水平，這使NOx 排放減少了 .008g/km或減少了約18%。在發動機預熱之后的穩態操作期間得到利用被動 NH3 SCR操作與主動尿素定量給料相結合的發動機操作的最大優點。 本公開描述了某些優選實施方式及其變型。本領域技術人員通過閱讀并理解本說 明書會想到其它變型和變更。因此，本公開不應局限于作為實施本公開構想的最佳模式而 被披露的具體實施方式
，而是包括落于所附權利要求范圍內的所有實施方式。
權利要求
一種用于控制火花點火直噴式內燃機的排氣排放的方法，該方法包括將后處理系統連接至所述發動機的排氣口，以輸送排氣供應流，該后處理系統包括第一后處理裝置，其流體連接在第二后處理裝置的上游，該第一后處理裝置包括氧化催化裝置，該第二后處理裝置包括具有儲存氨還原劑能力的選擇性催化還原裝置；在所述第二后處理裝置的上游將還原劑噴射裝置的噴嘴插入所述后處理系統中；以第一燃燒模式操作所述發動機，以在所述第二后處理裝置的上游在所述排氣供應流中產生氨還原劑，并將該氨還原劑儲存在所述第二后處理裝置上；以及以貧化學計量操作所述發動機，并利用儲存在所述第二后處理裝置上的所述氨還原劑還原所述排氣供應流中的氮氧化物。
2. 如權利要求1所述的方法，還包括以所述第一燃燒模式操作所述發動機，從而產生 可在所述氧化催化裝置中重整成氨還原劑的重整物。
3. 如權利要求2所述的方法，還包括以貧空燃比操作所述發動機，并在各燃燒循環的 后期噴射燃料，從而產生可在所述氧化催化裝置中重整成氨的重整物。
4. 如權利要求3所述的方法，還包括在所述氧化催化裝置的下游為所述后處理系統配 備含有鈰的三效催化裝置。
5. 如權利要求4所述的方法，還包括在所述第二后處理裝置的下游為所述后處理系統 配備催化裝置，以控制氨逃逸。
6. 如權利要求2所述的方法，還包括以化學計量空燃比操作所述發動機，并在各燃燒 循環期間控制點火正時，從而產生在所述氧化催化裝置中可重整成氨的重整物。
7. 如權利要求1所述的方法，還包括以貧化學計量操作所述發動機，并且利用儲存在 所述第二后處理裝置上的所述氨還原劑并有選擇地操作所述還原劑噴射裝置以向所述排 氣供應流中噴射還原劑，從而還原所述排氣供應流中的氮氧化物。
8. 如權利要求7所述的方法，還包括 監測發動機負載；以及在高發動機負載操作期間，以所述第一燃燒模式操作所述發動機，從而在所述第二后 處理裝置的上游在所述排氣供應流中產生氨還原劑，并將該氨還原劑儲存在所述第二后處 理裝置上。
9. 如權利要求8所述的方法，還包括在所述高發動機負載操作期間經由所述噴嘴在所 述第二后處理裝置的上游將還原劑噴射到所述后處理系統中。
10. 如權利要求8所述的方法，在低發動機負載操作期間以貧化學計量操作所述發動 機，并利用儲存在所述第二后處理裝置上的所述氨還原劑還原所述排氣供應流中的氮氧化 物。
11. 一種用于控制火花點火直噴式內燃機的排氣排放的方法，該方法包括 將后處理系統連接至所述發動機的排氣口 ，以輸送排氣供應流，該后處理系統包括氧化催化器，其流體連接在選擇性催化還原裝置的上游，該選擇性催化還原裝置具有儲存氨 還原劑能力并可操作以還原氮氧化物；在所述選擇性催化還原裝置的上游將還原劑噴射裝置的噴嘴插入所述后處理系統中；有選擇地控制火花點火正時和所述內燃機的燃料噴射，以產生重整物；在所述氧化催化器中將所述重整物重整為氨； 將所述氨儲存在所述選擇性催化還原裝置上；以及以貧化學計量操作所述發動機，并利用儲存在所述選擇性催化還原裝置上的所述氨還 原所述排氣供應流中的氮氧化物。
12. 如權利要求11所述的方法，還包括在高發動機負載操作期間，以貧化學計量操作 所述發動機，并控制所述還原劑噴射裝置，從而經由所述噴嘴在所述第二后處理裝置的上 游將還原劑噴射到所述后處理系統中。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括在所述高發動機負載操作期間，控制火花點火 正時及所述內燃機的燃料噴射，從而產生重整物。
全文摘要
本發明涉及用于控制火花點火直噴式發動機的排氣排放的方法和設備，對來自火花點火直噴式發動機的排氣排放進行控制，該發動機連接至氧化催化裝置和具有儲存氨還原劑能力的選擇性催化還原裝置。該發動機以第一燃燒模式操作，從而產生儲存在第二后處理裝置上的氨還原劑。該發動機以貧化學計量操作，并且排氣供應流中的氮氧化物在第二后處理裝置上被還原。
文檔編號F01N3/20GK101749086SQ20091025315
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月4日 優先權日2008年12月5日
發明者J·H·李, K·L·佩里, K·納拉雅納斯瓦米, P·M·納特, T·M·斯隆, W·李 申請人:通用汽車環球科技運作公司