高溫切換期間控制選擇性催化還原(scr)催化劑氨逸出的方法、設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】高溫切換期間控制選擇性催化還原(SCR)催化劑氨逸出的方法、設(shè)備和系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請根據(jù)35 U.S.C.§ 119要求2012年11月30日提交的美國臨時(shí)申請系列第61/731，546號的優(yōu)先權(quán)，并且根據(jù)35 U.S.C.§ 120要求2013年3月15日提交的美國申請系列第13/837492號的優(yōu)先權(quán)，本文以其內(nèi)容為基礎(chǔ)并將其通過引用全文納入本文。
【背景技術(shù)】
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的示例性實(shí)施方式涉及在選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)中控制氨逸出的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。
[0004]背景討論
[0005]選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)最常用的NOx還原技術(shù)之一，如在全世界例如美國和歐洲用于道路行駛(on-road)重載和輕載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用。SCR系統(tǒng)中使用的主要試劑是尿素。一種在SCR系統(tǒng)中所用尿素的一種形式在美國稱為柴油排氣流體(Diesel Exhaust Fluid,DEF)并且在歐洲稱為AU32或ADBLUE?，兩者都是水中含32.5%尿素的水溶液。噴射的尿素在熱和水分存在的情況下分解形成氨和二氧化碳。然后氨在SCR催化劑存在下與NOx反應(yīng)以將NOx還原成氮?dú)夂退CR系統(tǒng)的最優(yōu)操作可取決于高效控制策略，其有助于以最小的氨逸出來最小化總體NOx排放。氨逸出是指未反應(yīng)的氨排放出SCR系統(tǒng)?？赡茉赟CR催化劑下游需要氨氧化(ΑΜ0Χ)催化劑來將大多數(shù)越過SCR催化劑逸出的氨轉(zhuǎn)化成N2和其他有害程度較低的化合物以避免氨從尾管處排放。
[0006]氨逸出是SCR催化反應(yīng)不需要的副產(chǎn)物并且希望能將氨逸出保持在最低水平。氨在歐洲是受到監(jiān)管的排放物；在認(rèn)證周期中，對于道路行駛，平均氨逸出被要求低于lOppm，而對于非道路行駛，平均氨逸出被要求低于25ppm，并且預(yù)期美國在不久的將來在也進(jìn)行監(jiān)管。大多數(shù)的SCR催化劑在低溫條件(低于約300°C)下吸附氨，其然后可在SCR催化劑存在下用于NOx還原。當(dāng)SCR催化劑基材暴露于高溫(超過約350至約400°C )時(shí)可解吸氨并且這可能產(chǎn)生短暫的氨尖峰。短暫的氨尖峰不僅產(chǎn)生增加的氨逸出，但也產(chǎn)生未使用(浪費(fèi))的氨。因此，從監(jiān)管角度和SCR系統(tǒng)操作效率角度來看，都希望有方法來避免這種氨逸出。
[0007]背景部分中公開的上述信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明技術(shù)背景的理解并且因此可能含有不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)任意部分的信息或并非現(xiàn)有技術(shù)對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的可能啟示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的示例性實(shí)施方式提供了在選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)中控制氨逸出的方法。
[0009]本發(fā)明的示例性實(shí)施方式也提供了控制內(nèi)燃機(jī)的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的設(shè)備。
[0010]本發(fā)明的示例性實(shí)施方式也提供了控制選擇性催化還原(SCR)催化劑中氨逸出的系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明的其他特征將列于以下的說明書中，并且部分會(huì)由說明書顯見，或者可由本發(fā)明的實(shí)踐而習(xí)得。
[0012]一個(gè)示例性實(shí)施方式公開了在選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)中控制氨逸出的方法。該方法包括檢測發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換事件，增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中NOx濃度，和降低向排氣流加入的還原劑的量。
[0013]—個(gè)示例性實(shí)施方式也公開了配置用于控制內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的設(shè)備。該設(shè)備包含設(shè)置為響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換信號使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中NOx濃度增加的NOx增加模塊。該設(shè)備也包含設(shè)置為響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換信號使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流中加入的還原劑減少的還原劑控制模塊。
[0014]一個(gè)示例性實(shí)施方式也公開了內(nèi)燃機(jī)的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含設(shè)置為產(chǎn)生排氣流的內(nèi)燃機(jī)，接收排氣流并在還原劑存在下還原排氣流中的NOx排放物的選擇性催化還原(SCR)催化劑，設(shè)置為檢測發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換事件并響應(yīng)該檢測產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換信號的切換傳感器模塊。該系統(tǒng)包含SCR系統(tǒng)控制器，設(shè)置為接收發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換信號，并且響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換信號使排氣流中NOx增加和往SCR催化劑的還原劑添加減少。
[0015]應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是示例和說明性的，并且意在對要求保護(hù)的發(fā)明提供進(jìn)一步解釋。
[0016]附圖簡要說明
[0017]附圖用來幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，納入說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，附圖顯示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。
[0018]圖1是具有本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的示意框圖。
[0019]圖2是來自SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖，其顯示發(fā)動(dòng)機(jī)條件切換后的氨逸出和溫度響應(yīng)延遲。
[0020]圖3是來自正常操作下的SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖，其顯示響應(yīng)步驟切換發(fā)動(dòng)機(jī)條件的約650ppm的氨(NH3)峰。
[0021]圖4是來自本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖，顯示在發(fā)動(dòng)機(jī)條件切換后短期增加NOx并停止尿素噴射以減少氨逸出。
[0022]圖5是來自圖3和圖4中所示SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖，顯示在圖4所示的本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中累積還原劑消耗減少。
[0023]圖6是來自本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的SCR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖，顯示氨逸出隨著增加的NOx脈沖而減少。
[0024]圖7是本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于控制SCR系統(tǒng)中氨逸出的方法的流程示意圖。
[0025]圖8是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式設(shè)置為檢測發(fā)動(dòng)機(jī)操作切換，使排向SCR催化劑的排氣流中NOx增加并使排向SCR催化劑的還原劑減少的控制系統(tǒng)的流程示意圖。
[0026]說明實(shí)施方式的詳述
[0027]下文將參照附圖更完整地描述本發(fā)明，附圖中給出了示例性實(shí)施方式。然而，權(quán)利要求可以以許多不同的方式實(shí)施，不應(yīng)被解讀成限定于在此提出的實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式使得說明透徹，并能夠向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全地展示本發(fā)明的范圍。附圖中，層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸可能為了清楚而有夸大。附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)描述一種元件在另一元件“之上”或“連接到”另一元件時(shí)候，該元件可以直接位于另一元件上或直接連接到另一元件，或者可存在插入元件。相反，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“直接”在另一元件“之上”或“直接連接到”另一元件時(shí)，不存在插入元件。應(yīng)理解，對于本發(fā)明的目的，“X、Y和Z中的至少一個(gè)”可表示僅X，僅Y，僅Z，或兩個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目X、Y和Z的任意組合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
[0029]圖1是具有本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的示意框圖。內(nèi)燃機(jī)100可以是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等，其排放排氣流。輸入控制裝置110可向內(nèi)燃機(jī)100輸入控制信號以控制內(nèi)燃機(jī)100的操作。輸入控制裝置110可檢測踏板移動(dòng)并將踏板移動(dòng)傳輸至發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU) 111。然后ECU 111響應(yīng)踏板移動(dòng)控制內(nèi)燃機(jī)100。ECU 111可響應(yīng)踏板移動(dòng)或其他檢測到的輸入基于查找表格或計(jì)算通過閉環(huán)控制或開環(huán)控制來控制內(nèi)燃機(jī)100。
[0030]內(nèi)燃機(jī)100在排氣歧管120處排放排氣流。排氣再循環(huán)(EGR)閥130可將一部分的排氣流在入口 140處導(dǎo)回內(nèi)燃機(jī)100。圖1中也顯示攝入空氣(IA)、排氣(Ex)、渦輪增壓器(Tc)和后冷卻機(jī)(Ac)。在設(shè)置為去除各種化學(xué)化合物和/或顆粒物質(zhì)的處理系統(tǒng)200后的排氣可連接至內(nèi)燃機(jī)100的排氣歧管120。處理系統(tǒng)200之后的排氣可包含氧化催化劑(0C)和/或顆粒物質(zhì)(PM)過濾器210，和具有SCR催化劑230、還原劑噴射器240、還原劑源250、還原劑控制閥260以及SCR催化劑控制器270的SCR系統(tǒng)220。在一些示例性實(shí)施方式中，SCR催化劑230可以是具有SCR催化劑功能的顆粒物質(zhì)過濾器。處理系統(tǒng)200后的排氣也可包含氨氧化(ΑΜ0Χ)催化劑280。也可在處理系統(tǒng)200之后的排氣中采用溫度傳感器“T”、質(zhì)量流傳感器“m”、NOx傳感器“NOx”和氨傳感器“Am”用于由EOT 111或SCR催化劑控制器270進(jìn)行閉環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制。例如，可在0C和/或PM過濾器210之前，在SCR催化劑230之前，在SCR催化劑230之后，以及在尾管290處包括溫度傳感器“T”?？稍?C和/或PM過濾器210之前包括NOx傳感器“NOx”。
[0031]內(nèi)燃機(jī)100排氣流離開內(nèi)燃機(jī)100進(jìn)入排氣系統(tǒng)歧管120。EGR閥130可將一部分的排氣流導(dǎo)回內(nèi)燃機(jī)100。一部分通過EGR130的排氣流可進(jìn)入可選的0C和/或PM過濾器210。在通過0C和/或PM過濾器210之后，可用在還原劑噴射器240處向排氣流添加的還原劑處理0C和/或PM過濾器210下游的排氣流。然后，夾帶有還原劑的排氣流通過SCR催化劑230。離開SCR催化劑230的排氣流然后通過可選的ΑΜ0Χ過濾器280并從尾管290排出。
[0032]SCR系統(tǒng)220包含還原劑遞送系統(tǒng)，其包含還原劑源250和遞送機(jī)制，如還原劑噴射器240。還原劑源250可以是能夠留存還原劑，例如氨(NH3)或尿素的容器或罐。SCR系統(tǒng)220從還原劑源250通過還原劑控制閥260向遞送機(jī)制(還原劑噴射器240)供應(yīng)還原劑?？捎蒘CR催化劑控制器270控制還原劑控制閥260。SCR催化劑控制器270可以是EOTIll的部分、ECU 111中的模塊，或者可以是單獨(dú)的模塊。還原劑噴射器240可位于SCR催化劑230的上游。噴射器240可選擇性控制以在進(jìn)入SCR催化劑230之前直接向排氣流中遞送還原劑。在一些示例