專利名稱：用于減少NO_x突破的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本公開總體涉及用于減少NOx突破的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
為了減小對環(huán)境的影響以及遵守諸如美國環(huán)境保護局(EPA)所頒布的條例的政 府命令，需要最小化車輛發(fā)動機排放。在典型的后處理結構中，發(fā)動機排放通過三元轉換器(TWC)而送出，在三元轉換 器后且在通過排氣管離開前，排放經(jīng)過稀NOx阱(LNT)。在稀發(fā)動機操作期間，LNT儲存NOx， 并且當達到了 LNT的存儲容量時，通過富補料(tip-in)(富操作)減少儲存的NOx。在從稀 發(fā)動機操作到富發(fā)動機操作的過渡期間，NOx將會泄漏或突破，該泄漏相當于大量的排氣管 排放物。因此，有必要減少LNT NOx突破。

發(fā)明內容
通過提供用于減少NOx突破的系統(tǒng)和方法，本公開的各實施方式克服了現(xiàn)有技術 的缺點。根據(jù)本公開的一方面，稀NOx阱(LNT)包括具有沿LNT的縱軸線非均勻分布的催 化劑的核。催化劑分布成使得存儲部位朝向LNT的上游端加權，而氧化和還原部位朝向LNT 的下游端加權。根據(jù)本公開的另一方面，排氣系統(tǒng)包括帶有三元轉換器(TWC)的主管線和定位于 TffC下游的LNT。排氣系統(tǒng)還包括被配置成允許排氣流旁路繞過TWC的旁路管線。前面已經(jīng)寬泛概述了本公開的一些方面和特征，這些方面和特征應被認為是僅用 于說明各潛在應用。通過將所公開的信息以不同的方式應用或通過將本公開的實施方案的 各方面加以組合，可以獲得其它有益結果。因此，通過參考對提供的示范實施方案的具體介 紹，并結合附圖以及權利要求限定的范圍，可以獲得其它方面以及更全面的理解。本發(fā)明還提供如下方案方案1. 一種稀NOx阱LNT，其包括包括沿所述LNT縱軸線非均勻分布的催化劑的核，所述催化劑分布成使得存儲部 位朝向所述LNT的上游端加權并且氧化部位及還原部位朝向所述LNT的下游端加權。方案2.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述存儲部位包括鋇Ba、K ；所述還原部 位包括銠Mi ；所述氧化部位包括鈰Ce。方案3.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述核是包括串聯(lián)布置的至少兩核的復 合核。方案4.如方案3所述的LNT，其特征在于，所述至少兩核中的第一個與所述至少兩 核中的第二個具有不同的催化劑分布。方案5.如方案1所述的LNT，其特征在于，所述縱軸線基本平行于通過所述LNT的流。
方案6. —種排氣系統(tǒng)，其包括主管線，包括三元轉換器TWC;以及定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT ；以及配置成允許排氣流旁路繞過所述TWC的旁路管線。方案7.如方案6所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路管線在位于發(fā)動機與所 述TWC之間的上游點處以及在位于所述TWC與所述LNT之間的下游點處與所述主管線連接。方案8.如方案7所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括在所述上游點處的閥。方案9.如方案8所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括被配置成將所述閥的操 作與所述發(fā)動機的操作同步的控制器。方案10.如方案8所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述閥被配置成在稀循環(huán)期間引 導排氣流通過所述TWC以及在富循環(huán)期間引導所述排氣流通過所述旁路管線。方案11.如方案6所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括被配置成控制所述LNT 溫度的裝置。方案12.如方案11所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括被配置成將所述裝置 的操作與發(fā)動機的操作同步的控制器。方案13.如方案11所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述裝置被配置成在富循環(huán)期 間降低所述LNT的溫度。方案14.如方案6所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述LNT包括沿著所述LNT的所 述縱軸線非均勻分布的催化劑，所述催化劑分布成使得存儲部位朝向所述LNT的所述上游 端加權并且氧化部位和還原部位朝向所述LNT的所述下游端加權。方案15.如方案14所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲部位包括鋇Ba、K ；所 述還原部位包括銠Mi ；所述氧化部位包括鈰Ce。方案16. —種排氣系統(tǒng)，其包括稀NOx 阱 LNT ；以及被配置成控制所述LNT溫度的裝置。方案17.如方案16所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括被配置成將所述裝置 的操作與發(fā)動機的操作同步的控制器。


圖1是根據(jù)示例性實施方案的帶有排氣系統(tǒng)的車輛的透視圖。圖2是圖1排氣系統(tǒng)的三元轉換器(TWC)的局部透視圖。圖3是圖1排氣系統(tǒng)的稀NOx阱(LNT)的局部透視圖。圖4是圖1排氣系統(tǒng)的示意圖。圖5是根據(jù)示范實施方案的發(fā)動機循環(huán)的圖示。圖6是根據(jù)示范實施方案的在稀操作期間的化學反應的示意圖。圖7是根據(jù)示范實施方案的在富操作期間的化學反應的示意圖。圖8是根據(jù)示范實施方案的典型LNT的示意圖。
圖9是根據(jù)示范實施方案的改進LNT的示意圖。圖10是圖8典型LNT和圖9改進LNT的NO和CO濃度的示意曲線圖。圖11是典型LNT和改進LNT的若干循環(huán)內的總計NOx的示意曲線圖。圖12是圖1的典型排氣系統(tǒng)以及圖4排氣系統(tǒng)的CO濃度的示意曲線圖。
具體實施例方式根據(jù)要求，本文公開了具體實施方案。必須理解的是，所公開的實施方案僅是本公 開的示例，本公開可以以不同的、可供選擇的形式，以及其組合來具體實現(xiàn)。如本處所用的， 詞匯“示例性”被可擴展地用于指用作說明、樣本、模型或模式的實施方案。圖不必是按比 例的，某些特征可以擴大或縮小，以顯示特定部件的細節(jié)。在其它示例中，沒有介紹已知的 部件、系統(tǒng)、材料或方法，以避免模糊本公開。因此，本文公開的特定結構以及功能細節(jié)將不 被理解為限制，而是僅作為權利要求的基礎以及作為指導本領域技術人員的代表性基礎。本文介紹的示例性系統(tǒng)和方法配置成減少排放、提高去NOx的效率、提高燃料經(jīng) 濟性、以及提高在稀NOx阱(LNT)中使用的催化劑或催化劑部位的效率。這樣的系統(tǒng)和方 法包括具有催化劑部位加權分布的任意LNT、用于在富的加燃料操作期間旁路通過三元轉 換器(TWC)的后處理結構、以及在富的加燃料操作(富操作)期間用于控制LNT溫度的裝 置。通常而言，本文介紹的系統(tǒng)和方法是在具有稀燃發(fā)動機的車輛的背景下介紹的。 然而，該系統(tǒng)和方法也能應用于其他機器上，如具有發(fā)動機包括大火花點火(LSI)發(fā)動機、 火花點火(汽油)發(fā)動機、液化石油氣(LPG)發(fā)動機、燃燒E85與汽油的各種混合物的靈活 燃料車輛發(fā)動機、壓縮天然氣(CNG)發(fā)動機以及壓縮點火(柴油)發(fā)動機的叉車、氣動升降 機、冰面重整機(ice resurface machine)、建筑設備等。如本處所用，“NOx”指單氮的氧化物一一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)兩者，“HC” 指碳氫化合物，“Co”指一氧化碳。如本處所用，術語“稀燃”、“稀操作”以及“稀循環(huán)”指當相對于燃料的氧多于化學 計量的氧時發(fā)動機循環(huán)的部分或操作。這會導致在稀循環(huán)期間排氣流中相對高的空氣-燃 料比。另外，術語“富燃”、“富操作”、“富循環(huán)”以及“富補料”指當較多的燃料被噴射到排 氣流中并且相對于燃料的氧少于化學計量的氧時發(fā)動機循環(huán)的部分或操作。這會導致在富 循環(huán)期間相對低的空氣-燃料比。如本處所用，術語“均勻”以及“非均勻”描述催化劑部位的分布，如在催化轉換器 的入口和出口之間催化劑部位的分布。術語“分布”指催化轉換器的區(qū)域中或沿其長度或 軸線的催化劑部位的集中度。如本處所用，術語“上游”以及“下游”指相對于排氣流的流動方向F的位置。此 術語可以用來描述元件相對于彼此的相對位置。通常而言，本文所介紹的系統(tǒng)以及方法被設計用來減少LNT中的NOx突破。該系 統(tǒng)和方法包括各種催化劑和排氣結構或設計。如下面進一步詳細介紹，LNT催化劑設計包 括沿著LNT轉換器長度非均勻分布的催化劑部位。排氣系統(tǒng)結構包括在富補料期間旁路通 過TWC的換向器閥的使用，以及在富補料的開始期間用以降低LNT溫度的溫度控制裝置的 使用。每種改進都能顯著減少突破。這些改進可以被單獨地或組合地使用。
參考圖1-4，車輛10包括發(fā)動機20及排氣系統(tǒng)30。排氣系統(tǒng)30包括位于發(fā)動機 20下游的三元轉換器(TWC) 32以及位于TWC 32下游的稀NOx阱(LNT) 34。主排氣管線36 將發(fā)動機20與TWC 32、TWC32與LNT 34、LNT34與出口 38相連。旁路管線40在TWC 32的 相對側上與主排放管線36相連。上游旁路管線連接點39a在發(fā)動機20與TWC 32之間，下 游旁路管線連接點39b在TWC 32與LNT 34之間。閥42位于上游旁路管線連接點39a處， 并且控制或引導排氣流44從發(fā)動機20流動通過TWC 32或旁路管線40。如下面進一步介 紹，閥42引導排氣流44通過TWC 32或旁路管線40，這取決于發(fā)動機操作是稀操作還是富 操作。相比于典型的排氣結構，利用閥42和旁路管線40可以改變順序地流動通過兩個部 件TWC 32和LNT 34的排氣流44。排氣系統(tǒng)30還包括耦接于LNT 34、被配置成在富操作期間冷卻LNT 34的LNT溫 度控制裝置46?，F(xiàn)在簡要介紹排氣系統(tǒng)30的一般操作。排氣系統(tǒng)30被配置成將排氣流44中的 污染物，如N0x、C0以及HC轉換成毒性更小的物質。如在稀循環(huán)期間，較高的空氣-燃料比 結合TWC 32中的催化劑，促進氧化過程例如一氧化碳(CO)到二氧化碳、未燃的碳氫化合物 (HC)到二氧化碳(CO2)與水(H2O)的氧化過程。在稀操作期間，NOx不會因示例性的TWC 32 而被大量還原，而繼續(xù)通過主排放管線36到達LNT34，在LNT 34其被存儲。在LNT 34變滿 之時或之前，富循環(huán)典型運行以再生LNT 34。例如，在富循環(huán)期間，較低的空氣-燃料比結 合LNT的催化劑促進氮氧化物(NOx)還原成氮。作為示例，在富循環(huán)期間形成還原劑諸如 一氧化碳(CO)被用在NOx的還原中。圖5-7圖示LNT 34的一般操作。由發(fā)動機20產(chǎn)生的NOx在稀周期52 (存儲周 期)中被存儲在LNT 34上。當達到存儲容量時，提供富脈沖M(高燃料、低氧氣)以將存 儲的NOx轉換為隊。富脈沖M由空氣-燃料比55中的下降來圖示。圖6和圖7描繪了在 稀循環(huán)52期間和在富循環(huán)56期間的典型化學反應。在圖中，CO用作還原劑。接著圖5，與典型LNT的運行相關的問題是，當從稀循環(huán)52切換到富循環(huán)56時，一 些NOx在沒有還原的情況下從典型LNT散逸。在富循環(huán)56 (再生周期)期間散逸的NOx用 NOx外出58a中的尖峰顯示。59中的NOx是為了說明目的而顯示。如下面的進一步介紹， 在圖示的實施方案中，不同催化劑的分布是可變的，以便減少散逸出LNT 34的NOx量。再參考圖2，圖示的TWC 32包括殼60、核62或基材、載體涂層64、以及催化劑或 催化劑部位66。核62是典型的陶瓷蜂巢或不銹鋼金屬箔蜂巢。蜂巢表面支撐催化劑部位 66，并且通常被稱為“催化劑支撐”。載體涂層64是典型的硅和鋁的混合物，當應用于核62 時，為核26提供粗糙的、不規(guī)則的表面以及較大的表面積。較大的表面積為活性的催化劑 部位66提供了更多的面積。催化劑66在應用于核62之前被添加到載體涂層64。催化劑 66包括稀有金屬如鉬(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、鈰(Ce)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋇 (Ba)和鉀(K)等。如本處所用，不同的催化劑66提供不同的功能，如NOx的存儲、NOx的還 原以及CO的氧化?，F(xiàn)在參考圖3，圖示的LNT 34包括殼70、核72、載體涂層74以及催化劑或催化劑 部位76。通常而言，除了 LNT 34催化劑包括用于NOx存儲的額外活性物之外，LNT 34催化 劑在成分和結構上與TWC 32催化劑相似。額外活性物可包括諸如鋇之類的堿土金屬。在典型的轉換器或LNT中，催化劑66在載體涂層74中的每一處都均勻分布。與此相反，在示例性實施方案中，為了獲得各活性物的梯度，催化劑66的成分沿著縱軸線78 非均勻分布。示例性的非均勻催化劑分布在圖9中示出。如下面進一步所述，為了便于沿著LNT 34的長度或縱軸線78來分布催化劑部位 66，圖示的核72包括上游核7 和下游核72b。上游核7 與下游核72b在中點77處可以 是物理分離的或是名義上分離的。如下面進一步所述，通過利用多核72a、72b形成復合核， 可以便于制造具有催化劑部位66的非均勻分布的核72。用于指導目的，參考圖8以及圖9，示意性圖示及更加詳細地描繪示例性的典型 LNT 34a以及示例性的改進LNT 34b。通常，典型LNT3^具有沿著縱軸線78均勻的催化劑 裝載或催化劑部位66的分布，而改進LNT 34b則具有沿著縱軸線78非均勻的催化劑裝載 或催化劑部位66的分布。圖示的縱軸線78與通過LNT 3如、34b的流動方向F基本平行。參考圖8，鈰(Ce)、銠( )和鋇(Ba)催化劑部位66沿著典型LNT 34a的縱軸線 78均勻分布。均勻分布通過催化劑部位66之間的恒定間距表示。用于說明之目的，在富循 環(huán)期間在典型LNT 34a內發(fā)生的某些釋放、還原及氧化反應被示出包括NO的還原以及CO 的氧化。暫時參考圖10，因為在鈰(Ce)和銠(Rh)催化劑部位66處的NO還原中分別氧化 以及使用了⑶，所以CO濃度8 沿著典型LNT 3 的縱軸線78減少。NO在鋇(Ba)催化 劑部位66處釋放，并且因為CO濃度向下游移動減少且不能用于有效還原NO，NO濃度80a 沿著縱軸線78增加。這導致NO在沒有還原的情況下的排放。參考圖9，鈰(Ce)、銠( )和鋇(Ba)催化劑部位66沿著改進LNT34b的縱軸線78 非均勻分布。非均勻分布通過催化劑部位66之間的不同間距、距離改進LNT34b的上游端 和下游端的不同間距或不同加權朝向來表示。通常而言，釋放NO的鋇(Ba)催化劑部位66 加權朝向改進LNT34b的先前的或上游部分(例如，上游核72a)，用于還原NO以及氧化CO 的鈰(Ce)、銠(1 )催化劑部位66加權朝向改進LNT34b的在后的或下游部分(例如，下游 核72b)。反應通常按照示出的進行。參考圖9以及圖10，在改進LNT34b的上游核72a中， NO被釋放，一些NO利用CO來還原。當被釋放的NO多于被還原的NO時，NO濃度80b迅速 增強，CO濃度82b逐漸降低。在改進LNT34b的下游核72b中，較少的NO被釋放，而上游部 中釋放的NO由相對高濃度的CO還原。較高的NO和CO濃度、充足的活性部位、以及充足的 停留時間提供了較高的NO還原，導致NOx排放減少。如此，NO濃度80b以及CO濃度82b從 中點77附近向著改進LNT34b的下游端快速下降。由于有效利用來自富循環(huán)的C0，所以改 進LNT34b還能提高燃料經(jīng)濟性。較少的CO流失到鈰(Ce)部位的氧化反應。參考圖10，在LNT3^、34b的下游端或輸出處，NO濃度80b小于NO濃度80a，CO濃 度8 與82b相似。因此，通過將催化劑部位66按照關于改進LNT 34b所描述的分布，更 大量的NOx被還原，因而突破(離開)的NOx量會減少。另外，催化劑66被更有效使用，因 為在所實現(xiàn)的結果相當于或優(yōu)于典型LNT3^的結果的情況下在改進LNT34b中使用更少量 的某些催化劑66。因為催化劑66成本高，所以材料費用的差別可能是相當重要的。現(xiàn)在描述裝配或制作LNT34的示例性方法。參考圖3，可以獲得具有由核72a、72b 組成的復合核72的催化劑部位66的非均勻分布。這里，催化劑位66在每個核72a、72b中 的分布是均勻的，但是在核72a、72b之間的催化劑66的量或催化劑66的差異賦予復合核 72沿著縱軸線78非均勻分布。根據(jù)示范實施方案，60mol/m3的鋇(Ba)和8mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd)被裝入LNT34 的上游核 72a 中，Omol/m3 的鋇(Ba)和 16mol/m3 的(PGM, Pt/Rh/Pd)被裝入 LNT 34 的 下游核72b中。在該實施例中，與包括60mol/m3的鋇(Ba)和16mol/m3的(PGM，Pt/Rh/Pd) 中每一個沿縱軸線78均勻分布的典型LNT相比，LNT 34中使用的(PGM，Pt/Rh/Pd)減少 25%。然而，如上，具有非均勻分布的催化劑66的改進LNT 34優(yōu)于具有均勻分布的催化劑 66的典型LNT 34。而且，催化劑用量上的減少導致了顯著的費用節(jié)省。為了說明性能上的 差異，圖11顯示了在一個時間周期內由改進LNT 34輸出的NO累積量90a與在該時間周期 內由典型LNT34輸出的NO累積量90b的對比。參考圖1以及圖12，進一步描述排氣系統(tǒng)30的操作。通常，在稀操作和富操作期 間，典型的排氣系統(tǒng)(未示出)引導排氣流44(圖2和圖3，流動方向F)從發(fā)動機20通過 TffC 32然后通過LNT 34。相反，圖示的排氣系統(tǒng)30的閥42在稀操作期間引導排氣流44通 過TWC 32然后通過LNT 34，在富操作期間引導排氣流44通過旁路管線40(旁路繞過TWC 32)和LNT 34。閥42的操作與發(fā)動機20中的燃料噴射同步以再生LNT 34。在富循環(huán)56期間，燃料被噴射入發(fā)動機以產(chǎn)生類似CO的還原劑，用來再生LNT34。 圖12顯示了在發(fā)動機20中的排氣流44的空氣-燃料比92以及在排氣流44進入LNT 34 前在主排放管線36中的位置96處(圖1和圖4)的排氣流44中的CO的濃度。描繪了對 于被引導通過TWC 32 (在典型的排氣系統(tǒng)中)的排氣流44的CO濃度94a。描繪了對于被 引導通過旁路管線40的排氣流44的CO濃度94b。比較CO濃度94a、94b，注意到TWC 32消耗了相當多量的⑶，因此在發(fā)動機中產(chǎn)生 的大量CO沒有被用于再生LNT。例如，申請人發(fā)現(xiàn)TWC32能夠消耗多于50%的在發(fā)動機20 中產(chǎn)生的CO。再生效率可以通過將在排氣流進入LNT34時排氣流44中由噴射到發(fā)動機20中的 燃料所導致的CO濃度除以噴射到發(fā)動機20中的燃料量來測量。對于噴射到發(fā)動機20中 的燃料的脈沖98，所獲得的CO濃度94b中的脈沖IOOb大于(例如，在幅度和持續(xù)時間上) CO濃度94a中的脈沖100a。因此，在富操作期間，為了將CO傳送給LNT 34，旁路繞過TWC 32會更有效率。效率的增加允許較短的富循環(huán)或者使用更少的燃料。另外，在富補料或富循環(huán)期間，當通過溫度控制裝置46降低LNT34的溫度時，NOx 的還原會增加。在富補料期間，進入LNT34的排氣流44中的NOx量很低，促使NOx存儲率 為零，因為NOx存儲率與氣相中的NOx濃度基本成正比。因此，相對于其存儲率NOx釋放率 會變高，導致NOx突破。隨著NOx釋放率隨著溫度升高呈指數(shù)增加，通過降低LNT 34的溫 度以降低釋放率能夠減少NOx突破。溫度控制裝置46能夠控制LNT的溫度，例如，通過使用風扇或利用外部夾套的對 流器(流體或冷卻劑被泵送通過該對流器)來強制空氣冷卻。溫度控制裝置46的操作被 配置成在富循環(huán)的起始時用燃料噴射開始冷卻。例如，溫度控制裝置46的操作能夠與發(fā)動 機20的操作同步。參考圖4，控制器102將發(fā)動機20、閥42以及溫度控制裝置46的操作同步。上述的實施方案僅是用于清楚理解本公開原理而闡述的實施方案的示例性說明。 可以對上述實施方案實現(xiàn)變型、改進、以及組合，而不脫離權利要求的范圍。所有這些變型、 改進以及組合都被本公開和所附權利要求的范圍所包括。
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權利要求
1.一種稀NOx阱LNT，其包括包括沿所述LNT縱軸線非均勻分布的催化劑的核，所述催化劑分布成使得存儲部位朝 向所述LNT的上游端加權并且氧化部位及還原部位朝向所述LNT的下游端加權。
2.如權利要求1所述的LNT，其特征在于，所述存儲部位包括鋇Ba、K；所述還原部位包 括銠Mi ；所述氧化部位包括鈰Ce。
3.如權利要求1所述的LNT，其特征在于，所述核是包括串聯(lián)布置的至少兩核的復合核。
4.如權利要求3所述的LNT，其特征在于，所述至少兩核中的第一個與所述至少兩核中 的第二個具有不同的催化劑分布。
5.如權利要求1所述的LNT，其特征在于，所述縱軸線基本平行于通過所述LNT的流。
6.一種排氣系統(tǒng)，其包括 主管線，包括三元轉換器TWC ；以及定位于所述TWC下游的稀NOx阱LNT ；以及配置成允許排氣流旁路繞過所述TWC的旁路管線。
7.如權利要求6所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，所述旁路管線在位于發(fā)動機與所述TWC 之間的上游點處以及在位于所述TWC與所述LNT之間的下游點處與所述主管線連接。
8.如權利要求7所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括在所述上游點處的閥。
9.如權利要求8所述的排氣系統(tǒng)，其特征在于，其還包括被配置成將所述閥的操作與 所述發(fā)動機的操作同步的控制器。
10.一種排氣系統(tǒng)，其包括 稀NOx阱LNT ；以及被配置成控制所述LNT溫度的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減少NOx突破的系統(tǒng)和方法。具體地，提供了一種排氣系統(tǒng)，其包括貫穿三元轉換器TWC以及稀NOx阱LNT的主管線。排氣系統(tǒng)進一步包括配置成旁路繞過TWC的旁路管線。LNT包括沿縱軸線非均勻分布的催化劑。催化劑分布成使得存儲部位朝向LNT的上游端加權而氧化部位和還原部位朝向LNT的下游端加權。
文檔編號B01D53/56GK102068907SQ20101056265
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日2009年11月25日
發(fā)明者A·潘特, K·拉馬納坦 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司