專利名稱：用于氮氧化物的選擇性催化還原的操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于管理來自柴油發(fā)動機(jī)或其它稀燃發(fā)動機(jī)的排出氣流中的氮氧化物(大部分為NO和NO2，總稱為NOx)的選擇性催化還原的方法。更具體地，本發(fā)明涉及控制將適當(dāng)?shù)难趸療N類-例如乙醇添加到預(yù)備的排出氣體中的方法，以便當(dāng)排出氣體流動從而與非貴金屬、選擇性還原催化劑接觸時將排出氣流中的NOx予以還原。
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動機(jī)、某些汽油燃料發(fā)動機(jī)以及許多烴類燃料動力設(shè)備在高于化學(xué)計量的空氣_燃料質(zhì)量比的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)以便得到改進(jìn)的燃料經(jīng)濟(jì)性。然而，這種稀燃發(fā)動機(jī)以及其他動力源產(chǎn)生具有相對較高含量的氧、水和氮氧化物(NOx)的熱排放氣。就柴油發(fā)動機(jī)來說，來自預(yù)熱的發(fā)動機(jī)的排出氣流的溫度通常在大約200°C至400°C的范圍內(nèi)，該溫度取決于發(fā)動機(jī)的燃料消耗(負(fù)載)的當(dāng)前比率。排出氣體具有代表性、示例性的成分，按體積大約為氧10%、二氧化碳6%，一氧化碳(CO) 0. 1%、烴類(HC) 180ppm、N0x235ppm，剩余部分基本上是氮氣和水。排出氣體經(jīng)常含有一些非常小的富碳顆粒。而且就烴類燃料含有硫的情況來說，來自燃燒源的排出氣體還可能含有二氧化硫。期望處理這種排出氣體的成分以使除氮、 二氧化碳和水之外的任何排放到大氣的物質(zhì)最少化。NOx氣體通常包括帶有少量一氧化二氮(N2O)的氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的不同混合物，該NOx氣體難于還原為氮(N2),這是因為熱排出氣流有相對高的氧(O2)含量(以及水含量)。三元催化系統(tǒng)成功地使用于以大約化學(xué)計量空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，然而并沒有效地在這種富氧排出氣體中將NOx還原至可接受的水平。稀薄NOx捕集器可有效地從排出氣流中去除NOx，但是所述捕集器需要昂貴的貴金屬且它們的長期耐用性不確定。人們已經(jīng)考慮選擇性催化還原方法，其中稀燃排出氣體已經(jīng)被氧化從而完成未燃燒的烴類向二氧化碳和水的氧化、一氧化碳向二氧化碳的氧化以及某些氧化氮(NO)向二氧化氮(NO2)的氧化。將還原劑材料-例如NH3或NH3前體(尿素的水溶液)噴射到氧化的排出氣流，而所述排出氣流穿過適當(dāng)?shù)拇呋瘎┮詫⒋罅康腘Ox還原為氮氣和水。這種實踐被稱為NOxW “選擇性催化還原”(SCR)，因為在不影響排出氣流中的其他氧化物的情況下實現(xiàn)了該步驟。但是尿素SCR和氨SCR必須是車上存儲的附加還原劑材料，并且當(dāng)以尿素作為還原劑時，必須避免尿素的水溶液在寒冷的天氣時凍結(jié)。使用具有更低成本的、更便利的方法實現(xiàn)來自稀燃發(fā)動機(jī)的排出氣流的NOx還原將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于管理乙醇或其他適當(dāng)?shù)牡头肿恿垦趸療N類(OHC)-例如此類醇中的甲醇、丙醇、丁醇或醛的使用和添加的方法，乙醇或所述其他適當(dāng)?shù)牡头肿恿垦趸臒N類(OHC)作為OHC-SCR過程中的氧化烴類還原劑并且被用作含氧且含水稀燃排出氣體中的NOx的催化還原反應(yīng)器。根據(jù)某些條件和排出氣流的特性以及下面在本說明書中標(biāo)識的還原催化劑的特性，持續(xù)監(jiān)測和調(diào)節(jié)添加到排出氣流的氧化烴類的量。持續(xù)管理OHC添加的一個目標(biāo)是避免對用于OHC-SCR反應(yīng)器下游的氨的排出氣體的隨后處理的需求。大量使用氧化烴類的進(jìn)一步的目標(biāo)是使車輛發(fā)動機(jī)及其排氣系統(tǒng)的總?cè)剂舷牧孔钚』４蠖鄶?shù)現(xiàn)有車輛發(fā)動機(jī)使用烴類燃料與空氣的燃燒作為它們的功率源。所述發(fā)動機(jī)包括多個氣缸，每個氣缸都具有連接至用于車輛的推進(jìn)的動力系系統(tǒng)和曲軸的往復(fù)式活塞。本發(fā)明提供用以將空氣和燃料計算機(jī)控制地、順序地、定時地置入到每個氣缸的方法。隨著活塞在它們對應(yīng)的氣缸中往復(fù)運(yùn)動，受控的空氣與燃料混合物順序地進(jìn)入對應(yīng)的氣缸，其中可燃燒的混合物被壓縮和點燃。在動力沖程中每個氣缸中的燃燒驅(qū)動活塞，接著是排氣沖程_在該排氣沖程中燃燒副產(chǎn)物從氣缸排入到排氣歧管中，然后排入到車輛的排出氣體導(dǎo)管中。這種稀燃發(fā)動機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)在上面所示的本說明書的背景技術(shù)部分中的成分和溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的排出氣流。例如，所述燃料可以是柴油、汽油、天然氣、液化石油氣(大部分是丙烷)、二甲醚、乙醇、乙醇和汽油的混合物或類似燃料。氫也可以被用作燃料。含氧且含水的排出氣體首先可導(dǎo)向至氣流穿過的、含催化劑的氧化轉(zhuǎn)化器，以用于一氧化碳和未完全燃燒的烴類燃料組分的氧化。所述氧化轉(zhuǎn)化器還可促進(jìn)某些氧化氮至二氧化氮的氧化以準(zhǔn)備排出氣流，使該排出氣流在選擇性催化還原反應(yīng)器中進(jìn)行下游處理，該選擇性催化還原反應(yīng)器用于在排出氣流離開車輛的排氣系統(tǒng)之前將NO2和其他NOji 分還原為氮氣。根據(jù)本發(fā)明，在選擇性催化還原反應(yīng)器上游的適當(dāng)位置將氧化烴類添加至排出氣流。用于本發(fā)明的實踐的適當(dāng)?shù)难趸療N類選擇性催化還原(OHC-SCR)催化劑的示例是包括納米尺寸的銀(或氧化銀)的顆粒材料，該材料被沉積并支撐在微米尺寸的氧化鋁顆粒上。例如，被支撐的銀催化劑顆粒可被適當(dāng)?shù)爻练e為擠制成的、蜂窩狀陶瓷整料的多個氣流穿過的小通道的壁上的薄涂層。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，將乙醇(或其他適當(dāng)?shù)难趸療N類)噴入(或以其他方式置入)OHC-SCR催化劑上游的排出氣體。為了隨著排出氣流與OHC-SCR催化劑的緊密接觸而更有效地影響NOx組分的還原，如同本發(fā)明人在此確定的，持續(xù)監(jiān)測OHC-SCR催化劑和排出氣體的某些持續(xù)變化的參數(shù)，并且基于確定的參數(shù)值持續(xù)調(diào)節(jié)添加到排出氣流的氧化烴類的量以便使之與預(yù)定策略一致。進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的方法的示例的圖示，下面四種(至少)參數(shù)中的每種的測量值或確定值被以適時的時間間隔持續(xù)獲得并且被用于管理氧化烴類的添加(i ) OHC-SCR催化劑的溫度、正好在OHC-SCR催化劑上游的排出氣體中NOx的量的代表值(ii)和氧的量的代表值(iii)，以及(iv)經(jīng)過或穿過催化劑的排出氣體的流動速率的測量值。就排出氣體流動速率來說，可測量或確定測量值_例如氣時空速(Slh—1)或等效值。例如，在確定特定時刻的空間速度時，使用在溫度和壓力的標(biāo)準(zhǔn)條件下的當(dāng)前每小時排出氣體的單位體積與預(yù)定的OHC-SCR催化劑的固定體積的比率。在本發(fā)明的實踐中，獲取OHC-SCR催化劑上游的排出氣體中的準(zhǔn)確且可靠的氧含量的代表值對于至排出氣體的OHC添加的每次確定是重要的。用于測量選擇性還原催化劑的當(dāng)前溫度以及用于確定排出氣體的流動速率的有用值的適當(dāng)傳感器是可得到的。類似地，用于持續(xù)地提供或確定氧(例如，以總排出氣體的百分比)和NOx (例如，以排出氣體成分的百萬分之幾)的有用的瞬時濃度的傳感器也是可得到的。被適當(dāng)?shù)仡A(yù)編程的、基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)可用于從相應(yīng)的傳感器接收此類數(shù)據(jù)，并且可用于使用此類可用數(shù)據(jù)以便持續(xù)且快速地分析這些參數(shù)，這些參數(shù)用于確定在車輛發(fā)動機(jī)的每次運(yùn)轉(zhuǎn)中添加到排出氣流中的氧化烴類還原劑的量。這種基于傳感器和計算機(jī)的系統(tǒng)可作為發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的一部分工作或與所述發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)作，所述發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)用于_例如測量、確定并且控制至發(fā)動機(jī)的空氣以及燃料的添加和其他發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并且通過說明性的示例，適當(dāng)?shù)奶砑覱HC-SCR還原劑的控制系統(tǒng)可考慮上面指定的排出氣體/OHC-SCR參數(shù)的當(dāng)前值，并且確定添加到排出氣流的還原劑的量(質(zhì)量或體積)。例如，所述控制系統(tǒng)可被編程為每摩爾NOx組分添加1摩爾數(shù)值的還原劑(如乙醇)，然后基于所述四個參數(shù)的當(dāng)前值的組合確定或估計排出氣體中的每摩爾NOx組分。如下面說明書中將更詳細(xì)描述的，對于任何(或每個)預(yù)期在用于特定發(fā)動機(jī)和車輛的具體OHC-SCR系統(tǒng)中使用的還原劑，可預(yù)定參數(shù)組合與對應(yīng)的還原劑添加值的表格。可將所述表格存儲在用于管理正在進(jìn)行的至排出氣流的還原劑添加的車輛計算機(jī)控制系統(tǒng)的存儲器中。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，不同車輛中的相同發(fā)動機(jī)可使用不同的還原劑、不同的機(jī)構(gòu)或裝置用以添加還原劑到排出氣流以及參數(shù)組合與對應(yīng)的還原劑添加值的不同表格。 管理OHC添加的一個主要目標(biāo)是實現(xiàn)NOx到氮氣的高效還原，同時使還原反應(yīng)器中的氨的形成最小化，并且使還原劑添加對發(fā)動機(jī)車輛系統(tǒng)的總?cè)剂辖?jīng)濟(jì)性的影響最小化。在本發(fā)明的其他實施方式中，四個參數(shù)的當(dāng)前值可用于車輛計算機(jī)系統(tǒng)中以便基于存儲的數(shù)據(jù)或計算程序的使用來計算當(dāng)前的還原劑量。氧化烴類還原劑材料將被承載于車輛上的適當(dāng)儲存器中，并且通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管被輸送以便添加到發(fā)動機(jī)或排出氣流。優(yōu)選地，還原劑材料是乙醇，并且，乙醇當(dāng)然可以是車輛的燃料或燃料組分。例如，當(dāng)燃料是乙醇和柴油燃料的混合物或乙醇和汽油的混合物_例如氧化烴類/烴類混合物可用作附加OHC-SCR還原添加劑。通過對本發(fā)明的實踐的具體實施方式
的詳細(xì)說明的參閱，其他目的和優(yōu)點將變得清楚，本發(fā)明的實踐下面將在本說明書中給出(作為非限制性的說明)。


圖1是來自柴油發(fā)動機(jī)(或其他稀燃發(fā)動機(jī)或動力設(shè)備)的排氣歧管通過排出氣體導(dǎo)管系統(tǒng)的排出氣流的流動的示意圖，所述排出氣體導(dǎo)管系統(tǒng)包括氧化催化反應(yīng)器和 OHC-SCR催化反應(yīng)器。傳感器位置和還原劑添加位置的說明也在本圖中示出。圖2是OHC-SCR反應(yīng)器的示意圖。在該實施方式中，銀_氧化鋁催化劑的顆粒作為涂層材料被施加到堇青石整料的蜂窩狀本體的流通通道。含該銀_氧化鋁催化劑的整料被具有排出氣流的入口和出口的適當(dāng)?shù)慕饘贇んw封閉。實施方式
本發(fā)明提供一種將乙醇和其他適當(dāng)?shù)难趸療N類用作稀燃發(fā)動機(jī)的排出氣體中的 OHC-SCR還原劑的操作策略。在使用銀-氧化鋁催化劑的情況下，乙醇對NOx而言是適當(dāng)且優(yōu)選的還原劑，在較寬的柴油和汽油發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件范圍內(nèi)產(chǎn)生70%-99%的NOx轉(zhuǎn)化效率。 氧化烴類與NOx和氧氣在放置催化劑處反應(yīng)形成氮氣、二氧化碳和水。由此NOx和還原劑的相當(dāng)大部分因此被轉(zhuǎn)化為釋放排出氣體的環(huán)境所容許的物質(zhì)。更具體地，在重載聯(lián)邦測試程序(Heavy-Duty Federal Test Procedure schedule)步驟中實現(xiàn)了 81%的平均NOx轉(zhuǎn)化效率，所述重載聯(lián)邦測試程序在乙醇噴入排出氣流的情況下在6. 6升柴油發(fā)動機(jī)上運(yùn)行。乙醇是一種特別高效的OHC-SCR還原劑，允許 NOx的還原的催化溫度可以低至250°C。乙醇的部分氧化產(chǎn)物-例如乙醛，以及其他醇也是同等高效的OHC-SCR還原劑。通過實驗和數(shù)學(xué)建模的組合，已開發(fā)出操作策略在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間使用乙醇作為OHC-SCR還原劑從排出氣體中高效地去除N0X。僅需對本說明書中公開的還原劑添加的操作策略稍做改動，適用于OHC-SCR的其他氧化烴類(或氧化烴類與烴類的混合物)也可被使用?？刂七€原劑添加的方法的實踐在對柴油發(fā)動機(jī)(或其他稀燃發(fā)動機(jī))和它的排出氣體系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行說明之后可被更好地理解，所述排出氣體系統(tǒng)包括在排出氣體路徑中用于NOx組分的還原的含催化劑的反應(yīng)器。圖1是用于排出氣體的NOx含量的OHC-SCR處理的示例性柴油發(fā)動機(jī)和排出氣體系統(tǒng)的示意功能框圖?，F(xiàn)參閱圖1，圖中示出了示例性發(fā)動機(jī)排出氣體系統(tǒng)10的示意功能框圖。例如，發(fā)動機(jī)12可以是汽油型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、柴油型內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、混合動力發(fā)動機(jī)和/或其他適當(dāng)類型的發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)12通過在發(fā)動機(jī)12的氣缸14內(nèi)燃燒空氣/燃料混合物而產(chǎn)生扭矩。 發(fā)動機(jī)12可包括任何適當(dāng)數(shù)量的氣缸-例如氣缸14。例如，發(fā)動機(jī)12可包括2、3、4、5、6、 8、10或12個氣缸。通過進(jìn)氣歧管13，空氣被順序吸入發(fā)動機(jī)12的每個氣缸14。由電子節(jié)氣門控制器(ETC) 13’’’致動的節(jié)氣門13 "控制進(jìn)入發(fā)動機(jī)12的每個氣缸14的空氣流動?？諝馀c來自一個或多個燃料噴射器15的燃料混合以形成空氣與燃料的混合物，就柴油發(fā)動機(jī)和其他稀燃發(fā)動機(jī)來說該混合物具有大幅高于燃料的化學(xué)計量比的空燃質(zhì)量比，柴油燃料和汽油的該空燃質(zhì)量比大約為14. 7。在每個氣缸14中的空氣/燃料混合物被順序點燃且燃燒以產(chǎn)生扭矩從而推進(jìn)車輛。且空氣/燃料混合物的燃燒產(chǎn)生排出氣體，所述排出氣體從每個氣缸14排入排氣歧管17中。排出氣流作為持續(xù)流在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間從排氣歧管17流出，并且流入排出氣體系統(tǒng)16。排出氣體系統(tǒng)16包括處理催化劑、傳感器、計算機(jī)控制模塊等，所述部件相互配合以降低排出氣體中氮氧化物(NOx)的量。排出氣體系統(tǒng)16通常包括氧化催化劑20、還原劑材料噴射器22和OHC-SCR催化劑24。所述OHC-SCR催化劑24通常被承載于OHC-SCR反應(yīng)容器中，所述OHC-SCR反應(yīng)器的示例在圖2中示出。在圖1中，來自排氣歧管17的排出氣流通過第一排出氣體導(dǎo)管部分21到達(dá)氧化催化劑20。被氧化的排出氣流通過第二排出氣體導(dǎo)管部分23到達(dá)OHC-SCR催化劑24，然后通過第三導(dǎo)管部分25。排出氣體可通過第三導(dǎo)管部分25從排出氣體系統(tǒng)流出。排出氣體系統(tǒng)16還可包括其他裝置-例如用于從排出氣流去除含碳微粒物質(zhì)的過濾器或捕集器(未示出)。在本示例中，還原劑材料噴射器22將氧化烴類還原劑材料(例如，乙醇)噴入第二排出氣體導(dǎo)管部分23、OHC-SCR催化劑24的上游。OHC-SCR催化劑24可吸收乙醇或其他氧化烴類還原劑，并且促進(jìn)還原劑與流動的排出氣流中的NOx組分和氧氣的還原反應(yīng)以將 NOx組分還原為氮氣。OHC-SCR催化劑24優(yōu)選地是支撐在氧化鋁顆粒上的銀粒子的催化劑。 OHC-SCR催化劑24可與柴油微粒過濾器組合使用或以任何其他適當(dāng)?shù)臉?gòu)造組合使用。通過NOx與氧化烴類還原劑反應(yīng)從排出氣體中去除的NOx的百分比被稱為轉(zhuǎn)化效率或NOxR化率。根據(jù)本發(fā)明，NOx轉(zhuǎn)化率與持續(xù)確定添加到OHC-SCR催化劑24上游的排出氣流的還原劑的多少緊密相關(guān)。在此用于確定添加到OHC-SCR催化劑24的還原劑量的實踐使用了一組可考慮作為排出氣體系統(tǒng)16的部件的傳感器。排出氣體系統(tǒng)16可包括NOx傳感器28和30以及溫度傳感器(經(jīng)常為熱電偶)32,34和36。排出氣體系統(tǒng)16還包括氧傳感器38，該氧傳感器 38也在本發(fā)明的實踐中起到重要作用。一個NOx傳感器28位于氧化催化劑20的上游，而另一個NOx傳感器30定位于OHC-SCR催化劑24的下游。在其他實施方式中，NOx傳感器28 定位于氧化催化劑20與OHC-SCR催化劑24之間。溫度傳感器也可定位在OHC-SCR催化劑 24的內(nèi)側(cè)或附近。在本發(fā)明的某些實踐中，在第三導(dǎo)管部分25、0HC-SCR催化劑24的下游感測其他組分_例如氨的存在也可能是有用的。NOx傳感器和氧傳感器以不同的形式出現(xiàn)，并且可以不同的形式使用。它們經(jīng)常是電化學(xué)器件，該電化學(xué)器件將排出氣流與空氣或其他參照材料比較。它們的信號由發(fā)動機(jī)控制模塊或其他基于計算機(jī)的模塊接收和使用。并且可通過與其他傳感器信號-例如質(zhì)量空氣流傳感器組合的控制模塊使用來自NOx傳感器或氧傳感器的信號，以獲取排出氣流中的當(dāng)前NOx濃度或氧濃度的有用值。由此NOx傳感器28和30分別用于獲取OHC-SCR催化劑24的上游和下游的NOx濃度的測量值。換句話說，NOx傳感器28和30用于獲取流入和流出OHC-SCR催化劑24的NOx 的測量值或數(shù)值。所述NOx傳感器28和30產(chǎn)生對應(yīng)于在它們的對應(yīng)位置的NOx濃度(ppm) 的數(shù)值的信號，所述信號分別稱為NOXin和N0X。ut。溫度傳感器32、34和36定位于遍及排出氣體系統(tǒng)16的各種位置。例如，如圖1 所示，溫度傳感器34定位于氧化催化劑20的下游和OHC-SCR催化劑24的上游，而溫度傳感器36定位于OHC-SCR催化劑24的下游。溫度傳感器32定位于氧化催化劑20的上游。 溫度傳感器32、34和36中的每個都測量在它們對應(yīng)位置處的排出氣體的溫度，并且輸出一個對應(yīng)于測量溫度的信號。所述信號通過溫度傳感器32、34和36輸出，并且在圖1中分別稱為Ta、Tb和Tco 發(fā)動機(jī)控制模塊(ECM) 40控制發(fā)動機(jī)12的扭矩輸出。在這個功能中，ECM40可接收來自一個或多個傳感器的信號，所述傳感器包括進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器(MAP)、質(zhì)量空氣流傳感器(MAF)、節(jié)氣門位置傳感器(TPS)、進(jìn)氣空氣溫度傳感器(IAS)以及用于發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制的其他發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的傳感器。在本發(fā)明的實踐中，ECM40還包括還原劑添加控制模塊42，所述還原劑添加控制模塊42控制由還原劑材料噴射器22噴射的氧化烴類還原劑的質(zhì)量流率。以這種方式，還原劑添加控制模塊42控制供至OHC-SCR催化劑24的還原劑材料的量。還原劑添加控制模塊42是根據(jù)本發(fā)明的原理預(yù)編程以管理還原劑材料的添加的計算機(jī)元件，所述還原劑材料用于與OHC-SCR催化劑24流動接觸的排出氣流中的NOx組分的還原。例如，還原劑材料可被存儲于燃料箱或其他適當(dāng)?shù)膬Υ嫫髦?，并且通過導(dǎo)管(未示出)輸送至還原劑材料噴射器22。 如在圖1中示意性地示出的，還原劑添加控制模塊42接收來自溫度傳感器、一個或多個NOx成分傳感器和至少一個氧傳感器的信號。除了溫度傳感器和排出氣體組分傳感器，還在OHC-SCR催化劑24的上游設(shè)置了檢測排出氣體質(zhì)量流率的傳感器，所述傳感器用于通過模塊42進(jìn)行排出氣體容積流率的持續(xù)確定，從而用于與OHC-SCR催化劑24接觸的排出氣體的空間速度(或類似的排出氣體體積)的計算。例如，在本發(fā)明的某些實施方式中，還原劑添加控制模塊可使用進(jìn)入發(fā)動機(jī)的質(zhì)量空氣流和燃料流的數(shù)據(jù)以確定或估計當(dāng)前排出氣體流率。在圖1中，將還原劑傳送至排出氣流是通過將還原劑在OHC-SCR催化劑上游噴射到排出氣流來實現(xiàn)的。還原劑傳送的其他方法包括2)在膨脹沖程的后期噴入點火的發(fā)動機(jī)氣缸；3)噴射到未點火且未添加燃燒燃料的停用氣缸；4)在通過關(guān)閉進(jìn)氣和排氣閥停缸之前噴射到氣缸內(nèi)，接著在后續(xù)循環(huán)中打開排氣閥，以便允許還原劑以及還原劑的任何反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入排出氣體系統(tǒng)。在實踐中，氧化烴類通過車輛發(fā)動機(jī)加入，從而優(yōu)選地可以減小或免除排出氣流中氧化反應(yīng)器的使用。在描述持續(xù)確定添加到排出氣流以便用于NOx的有效還原的適當(dāng)質(zhì)量的還原劑的方法之前，先說明用于含NOx且含還原劑的排出氣體的穿過以及所述氣體與放置在催化反應(yīng)器中的OHC-SCR還原催化劑24的有效接觸的反應(yīng)器(或容器)的示例是有幫助的。圖2 示出了 OHC-SCR反應(yīng)器60。參閱圖2，OHC-SCR反應(yīng)器60可包括不銹鋼圓管體62，所述不銹鋼圓管體62用于緊密密封_例如擠制的、圓柱狀的、蜂窩形的堇青石催化劑支撐體64，所述支撐體64在圓管體62側(cè)面的剖面窗口內(nèi)可見。支撐體64可由其他已知的適當(dāng)?shù)奶沾苫蚪饘俨牧闲纬伞?在該實施方式中，堇青石支撐體64由從上游一催化劑支撐體的排出氣體入口面65延伸到下游一催化劑支撐體的排出氣體出口面(在圖2中不可見)的多個排出氣體流通通道形成。 這些小流通通道在排出氣體入口面65的圖示中被表示為交叉線。例如，在陶瓷體的擠制期間，在入口面每平方英寸通常形成400個流通通道。氧化鋁上覆銀的顆粒催化劑是以涂層的形式涂覆在蜂窩結(jié)構(gòu)的每個通道的壁上。鋼體62與密封的銀基還原催化劑支撐體64的直徑比排出氣體導(dǎo)管的上游和下游大，以便在排出氣流占據(jù)催化劑支撐體64的入口面65 并且流過涂層通道時降低排出氣流的阻力。支撐體64被密封到鋼體62內(nèi)以便排出氣流被導(dǎo)引從而與支撐體64的通道壁上支撐的OHC-SCR催化劑接觸。如從圖2中可以看出的，鋼封閉體62的上游端(如排出氣流方向箭頭66所示)由擴(kuò)展的不銹鋼排出氣體入口部分68密封。入口部分68的排出氣體入口 70大小設(shè)置為且適于接收來自排出氣體導(dǎo)管23 (圖1)的排出氣流。排出氣體入口部分68焊接至鋼封閉體 62。以類似的方法，鋼封閉體62的下游端(排出氣流方向箭頭72)由流動斷面收縮的、鋼制排出氣體部分74密封，所述鋼制排出氣體部分74具有適于焊接至下游排出氣體導(dǎo)管零件的排出氣體出口 76。溫度傳感器(未在圖2中示出)可定位在鋼制封閉體62內(nèi)。例如，這種傳感器可定位在催化劑支撐體64的上游65和/或下游端。根據(jù)本發(fā)明的實踐，必須獲取經(jīng)過氧化鋁上覆銀的選擇性還原催化劑的含NOx排出氣流的體積流率的測量值。如圖2所示，排出氣流在催化劑支撐體64的入口面65被分開，然后流過多個非常小的通道，而涂層顆粒形式的銀催化劑已施加至所述通道。在該實施方式中，經(jīng)常優(yōu)選的是使用支撐體64的外部的、表面的體積作為催化劑的體積。由此，含NOx 的排出氣流的相對于涂層的、多通道支撐體的空間速度的有用測量值可通過用含排出氣流通道的堇青石體的外部體積除以排出氣體的每小時容積流率來確定。例如，容積流率可在排出氣體的實際溫度和壓力或排出氣體的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下確定。在這些用于將氧化烴類還原劑添加至排出氣流的操作策略中，一個重要的控制變量是OHC-SCR催化劑上游的還原劑濃度與NOx濃度的比率。如圖1所示，傳感器在給定操作條件下用于測量NOx濃度，并且將適量的還原劑引入排出氣體。還原劑濃度以包含在還原劑中的相對于氮氧化物的濃度的碳微粒濃度來表示，并且將標(biāo)識為Cl (還原劑)/NOx比率。 因此，當(dāng)乙醇被用作還原劑材料時，在C1/N0X比率中，1摩爾乙醇提供2摩爾Cl還原劑。用于OHC-SCR的還原劑添加的隨機(jī)過稈津樽
本發(fā)明人在此已使用隨機(jī)過程建模(SPM)來提供排出氣體參數(shù)與銀催化劑溫度之間的數(shù)量關(guān)系，以便管理添加至含NOx的排出氣流的氧化烴類。隨機(jī)過程建模是先進(jìn)的經(jīng)驗建模方法，其在調(diào)節(jié)存在于用于構(gòu)造模型的數(shù)據(jù)中的噪音之后在數(shù)據(jù)點之間進(jìn)行插值操作。所使用的SPM工具基于Matlab且通過動力工程實驗設(shè)計(DEPE)組從Ricardo獲得。在使用該建模的一個示例中，在兩個不同的已知柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)期間，基于發(fā)生NOx轉(zhuǎn)化的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)開發(fā)隨機(jī)過程模型重載聯(lián)邦測試程序(HDFTP)和輔助排放測試(SET)，其也是美國聯(lián)邦測試程序。確定需要從實驗獲得的輸入數(shù)據(jù)將是催化劑入口溫度、催化劑入口處N0X、C1烴類(乙醇)和氧氣中的每個的濃度以及穿過催化劑的氣時空速。輸出變量是NOx轉(zhuǎn)化率或相關(guān)的后OHC-SCR NOx濃度。用6. 6升渦輪增壓式柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行實驗。由排氣歧管下游的柴油氧化催化劑組成排出氣體系統(tǒng)，接著是10升Ag/Al203 OHC-SCR催化劑。當(dāng)測量的噴射點處的排出氣體溫度高于220°C時，將乙醇噴入氧化催化劑與銀催化劑床之間的排出氣體系統(tǒng)。用快速傅里葉變換紅外分光(FTIR)光度計獲得排出氣體物質(zhì)的測量值，并且在每個發(fā)動機(jī)循環(huán)期間每秒都會產(chǎn)生該測量值。隨著發(fā)動機(jī)在兩個聯(lián)邦測試循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)的測試產(chǎn)生幾千個數(shù)據(jù)點。使用 164個數(shù)據(jù)點構(gòu)造用于HDFTP的符合要求的模型，該模型成功地由在發(fā)動機(jī)控制模塊中實施的隨機(jī)過程建模分析，從而隨著柴油發(fā)動機(jī)在與測試循環(huán)類似或重合的循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)而控制至具體柴油發(fā)動機(jī)的乙醇添加。然而，為了提供本測試中的示例性操作參數(shù)的綜述，將選定的操作變量范圍任意地分為高溫類型和低溫類型。用于說明目的，這些操作變量的值被分為低范圍和高范圍。這些變量的低范圍如下所示
溫度<300°C NOx 濃度 <200ppm O2濃度<11% 空間速度<50000hr<。這些變量的高范圍是指超過低范圍的這些上限的值。這種分組導(dǎo)致產(chǎn)生16個示例性的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，構(gòu)成4個操作變量的低值和高值的16個不同組合。因為每個示例性的運(yùn)轉(zhuǎn)條件代表一個變量值的范圍，所以實現(xiàn)最大NOx轉(zhuǎn)化所需的Cl (還原劑)/N0x比率也可以是一個范圍。在16個示例性運(yùn)轉(zhuǎn)條件中的每個內(nèi)示出了實現(xiàn)最大NOx轉(zhuǎn)化所需的Cl (還原劑)/NOx比率的范圍。已通過在HDFTP和輔助排放測試(SET)中得到的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)的隨機(jī)過程建模確定了該范圍。用乙醇作為還原劑，如表格1所示
表格1為用乙醇作為HC-OHC-SCR還原劑的操作策略
權(quán)利要求
1.一種確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，所述還原劑材料用于來自由稀燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的車輛的排出氣體中的NOx組分的催化劑促進(jìn)還原；所述車輛發(fā)動機(jī)包括多個燃燒氣缸以及連接至所述氣缸的排氣歧管，在所述燃燒氣缸中燃料與空氣被混合并點燃以便驅(qū)動氣缸中的往復(fù)式活塞，在所述排氣歧管中來自氣缸的燃燒產(chǎn)物被組合成包括氧氣、水、 氮氣和NOx的排出氣流的連續(xù)部分；并且所述車輛包括排出氣體導(dǎo)管，所述排出氣體導(dǎo)管用于將排出氣流傳導(dǎo)至反應(yīng)器以便與包含在所述反應(yīng)器內(nèi)的銀/氧化鋁催化劑接觸，從而通過與所添加的氧化烴類還原劑反應(yīng)而使NOx組分發(fā)生化學(xué)還原；當(dāng)車輛運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生排出氣流時，所述方法包括在氣流進(jìn)入含還原催化劑的反應(yīng)器之前，持續(xù)測量(a)排出氣流的一部分的氧含量以及(b)排出氣流的一部分的NOx含量；持續(xù)測量(c)含還原催化劑的反應(yīng)器中的還原催化劑的溫度；持續(xù)測量(d)與還原催化劑流動接觸的排出氣流的氣時空速；并且使用至少四個測量值(a-d)持續(xù)確定還原劑材料的量，以使通過銀催化劑還原的NOx量最大化，所述還原劑材料在排出氣流進(jìn)入還原反應(yīng)器之前被添加到排出氣流的當(dāng)前部分，所述確定使用預(yù)編程的、車載計算機(jī)并且使用至少當(dāng)前的四個測量值來進(jìn)行；以及在排出氣流流動到與還原催化劑接觸之前，將還原劑的當(dāng)前確定的量添加到排出氣流。
2.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原劑材料包括從下述各項組成的集合中選出的醇甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或此類醇的醛。
3.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原劑材料包括乙醇。
4.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原催化劑包括支撐在氧化鋁顆粒上的銀顆粒。
5.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原劑材料的添加在還原催化劑上游的排出氣體導(dǎo)管中進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中添加還原劑材料是將其噴射入發(fā)動機(jī)氣缸中的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，然后其進(jìn)入排氣歧管和排出氣體導(dǎo)管。
7.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原劑材料被添加至發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，并且在無需燃燒還原劑材料的情況下從氣缸排入排氣歧管中。
8.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中車輛發(fā)動機(jī)的燃料是從下述各項組成的集合中選出的一種或多種材料柴油、汽油、氫氣、天然氣、液化石油氣，乙醇、甲醇和乙烷。
9.如權(quán)利要求1所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中添加到排出氣流的還原劑材料的量的持續(xù)確定包括通過車載計算機(jī)來參考用于四個測量值的選定范圍的選定還原劑材料的添加量的預(yù)定查表。
10.如權(quán)利要求9所述的確定氧化烴類還原劑材料的添加量的方法，其中還原劑材料是乙醇，并且添加到排出氣流的乙醇的量的持續(xù)確定包括通過車載計算機(jī)來參考用于四個測量值的選定范圍的乙醇的添加量的預(yù)定查表。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于氮氧化物的選擇性催化還原的操作方法，其中氧化烴類-例如乙醇可考慮用作添加到柴油或汽油發(fā)動機(jī)排出氣體的還原劑，所述還原劑用于促進(jìn)NOX至N2的催化還原反應(yīng)，當(dāng)發(fā)動機(jī)和催化劑的操作條件改變時，需要持續(xù)調(diào)節(jié)添加的還原劑的量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用適當(dāng)編程的車載計算機(jī)執(zhí)行的有用方法，可基于被選擇用于NOX至氮氣的還原的乙醇或其他具體還原劑與催化劑溫度、排出氣體的氧和NOX含量以及穿過還原催化劑-例如支撐在氧化鋁上的銀的排出氣體的體積流率的持續(xù)測量值的相關(guān)性。至少使用這些參數(shù)來可靠地確定用于大體上還原NOX的還原劑的有效量。
文檔編號B01D53/86GK102441327SQ20111029662
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月5日
發(fā)明者L. 希爾登 D., H. 李 J., L. 佩里 K., B. 維奧拉 M., D. 布林克曼 N., J. 施米格 S., M. 斯隆 T. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司