专利名称：包括催化粉尘过滤器的排放系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于贫燃内燃机的排放系统，排放系统包括催化
粉尘过滤器(CSF)、控制单元以及通过控制单元控制的装置，以便增 加流到CSF的排放气体内的可燃烧碳氢化合物(HC )和/或一氧化碳(CO ) 的含量，由此在CSF中燃烧HC和/或C0，从而增加CSF的温度并燃烧 其上收集的颗粒物质(PM)。
背景技术：
公知的是使用CSF来满足轻型柴油车辆内PM、 CO和HC的规定排 放气体排放物(如相关立法限定那样)。使用CSF的公知问题是例如在 长时间闲置和/或緩慢驾驶状态的过程中，排放气体温度相对冷，例如 150-200"C， PM可在CSF上积累。通常，这种问题通过采用使得CSF 主动再生的装置来克服，即将能量主动地输入到CSF，以便燃烧PM。
一种这样的优选再生方法涉及增加流入CSF的排放气体内的可燃 烧HC (通常是为发动机供能的燃料或者从中得到的产品)和/或CO, 由此在CSF中燃烧HC和/或CO，以便增加CSF的温度，并燃烧其上收 集的PM。这种主动再生(active regeneration )操作可在检测到CSF 状态的适当指示器时触发，例如系统内的背压增加到预定阈值以上、 从上一次再生流逝的预定时间或者从上一次再生车辆运行预定距离。 这种过程通常通过接收适当传感器输入的适当编程发动机控制单元 (ECU)来控制。
通常，使用两种增加排放气体内的可燃烧HC和/或CO的含量的方 式将HC直接喷射到排放系统中流动的排放气体内；以及控制HC喷 射到一个或多个发动机缸内。后一方式在原始设备制造商(OEM)应用 中更加常见，并且使用常见的轨道喷射器系统可增加灵活性和喷射定 时。例如，两种常见轨道喷射器可在膨胀冲程中进行，以便增加燃烧 温度，并且增加HC中排放气体
(i) 在排放阀打开之前(底部死点)出现的晚后-喷射；以及另
外
(ii) 刚好在顶部死点中心最好添加的早后-喷射(称为随后-喷
射)。
在当前生产中的排放系统中，柴油机氧化催化剂(D0C)位于发动 机的任何涡轮机的下游，并且CSF布置在DOC的下游。在正常操作过 程中，PM在氧或冊2 (后者从DOC或CSF上的排放气体中的氧化NO产 生)内被动燃烧。在希望主动再生CSF时，排放气体中的HC和/或CO 含量增加，并且HC和/或CO在CSF的上游的D0C上燃烧，并且CSF暴 露于得到的增加排放气体温度，使得PM在其上燃烧。CSF的入口温度 通过控制喷射到排放气体内的HC和/或CO的数量来控制。实际上，这 种控制通过使用热电偶测量流过CSF的排放气体的温度来完成(或者 后DOC)，并且如果温度过低，增加HC喷射，或者如果温度过高，减小 HC喷射。这种配置是使用ECU的所谓的闭环控制的实例.
DOC用来设计成在缸内燃烧之后增强排放气体中保留的CO和/或 HC的氧化，以便满足立法的排放标准。
如这里限定那样，"热电偶"包括在其端部处结合的两个不同的金
属丝，以便形成回路，其中两个结合部之间的温度差使得触点电位不
平衡，造成电流围绕回路流动。如果一个结合部的温度保持恒定，另
一个结合部的温度通过测量电流来指示。
立法和车辆制造商要求对于包括用于处理排放气体的催化剂的排
放系统组分具有增加的耐用性。因此，需要仔细控制能量输出到CSF,
以避免催化剂和/或过滤器衬底的热损坏。因此，所需的主动再生的控
制程度是将CSF的温度增加到足以促进PM燃烧的预定程度，但是不超
过预定最大入口温度，由此确保CSF内从PM氧化的温度增加在预定设
计容差内。
最好是排放系统不需要D0C和CSF的存在，以便处理PM、 C0和HC， 并且相反涂覆有催化剂的CSF能够进行D0C和CSF的供能，因此提供 单个催化剂单元。实际上，可以充分地升高CSF的温度，以便通过燃 烧CSF本身上的可燃烧HC和/或CO来燃烧PM。但是，还存在的问题是 准确控制输入到CSF的能量，以避免将催化剂涂层和过滤器衬底暴露 于有害的高温，例如大于650X:,但是确保足够的能量被引入CSF以便 燃烧其上的PM。热电偶可放置在CSF本身内，以便测量温度，但是这 种配置存在多种缺陷。首先，来自于PM燃烧的另外热量不能与来自于 排放气体的燃烧HC和/或CO的热量区分，因此使得入口气体状态的直
接测量非常困难或者实际上是不可能的。其次，存在与将小直径热电
偶放置在CSF的隔室结构内相关的耐用性问题热电偶或过滤器会损 坏。
我们现在开发了一种控制CSF的主动再生的方式，而不需要DOC 来燃烧CSF上游的HC和/或C0。
美国专利No. 4029472披露一种用于检测特别是内燃机中的排放气 体的排放气体内的残留可燃烧物的传感器。传感器包括一对热电偶结 合部，其中一个结合部被催化，结合部之间的温度差与排放气体中的 残留可燃烧物成正比。该文件提出传感器可布置在流过催化转换器的 上游，以便检测排放气体流中的未燃烧HC和/或CO的实际残留量。作 为选择，在传感器安装在催化转换器的下游时，它可用来监测其效率。
EP1580411披露一种用于柴油机发动机的排放系统，包括氧化催化 剂，随后是颗粒过滤器。氧化催化剂包括铂和钯，其中比例是0.05S (Pd/Pd+Pt)S0. 75。为了增加过滤器温度，燃料被供应到氧化催化剂。
发明内容
按照一个方面，本发明提供一种用于贫燃内燃机的排放系统，包 括(a)催化粉尘过滤器(CSF); (b)控制单元；(c)通过控制单元控 制的装置，用于增加流入CSF内的排放气体内的可燃烧HC和/或CO的 含量，由此燃烧CSF内的HC和/或C0，从而增加CSF的温度并且燃烧 其上收集的PM;以及(d )布置在发动机歧管和CSF之间的催化传感器 装置，以便燃烧流入排放系统的排放气体中的CO和/或HC,并且为控 制单元输入与排放气体中的HC和/或CO的燃烧热焓相关的数据，由此 控制单元在使用时控制可燃烧HC和/或CO的引入装置，以响应数据输 入，由此控制CSF与可燃烧HC和/或CO的接触速度(rate )。
传感器装置可使得控制单元内的处理器估计CSF内由于流入CSF 的排放气体内的HC和/或CO燃烧造成的升高的放热温度。
在一个实施例中，催化传感器装置包括催化热电偶结合部。在特 定实施例中，热电偶催化剂包括用于CSF的催化剂，例如支承在氧化 铝上的铂。由于热电偶催化剂燃烧排放气体内的HC和/或CO,产生加 热热电偶结合部的放热曲线(exotherm)，适当的校正催化热电偶可提 供下游CSF的温度的直接关系。由此产生的信号可用来通过闭环回路 反馈来控制HC和/或CO的引入，由此将CSF的温度保持在预定范围内。在另一实施例中，催化传感器装置包括第一实施例的催化热电偶 结合部以及另外的未催化参考热电偶结合部。这种传感器在美国专利
No. 40290472中描述，该专利整体结合于此作为参考。两个热电偶结合 部的这种配置提供的优点在于传感器能够确定从CSF上的HC和/或CO 燃烧得到的热量以及预-CSF排放气体温度，使得另外的反馈控制可提 供给控制单元。
CSF中的催化剂通常包括至少一种铂族金属(PGM)，但是在特定实 施例中，它单独地或与一种或多种另外的PGM相结合地包括Pt，例如 Pt和Pd，或者Pt和Rh，或者Pt、 Pd和Rh，包括例如Mg、 Ba或例如 Ce的稀土金属的适当促进剂。制成过滤器衬底单体(monolith)的材 料可支承催化剂，或者它可支承在增强修补基面涂层(washcoat)成 分的表面区域上，例如颗粒的氧化铝。
在特定实施例中，催化传感器装置是布置在发动机和CSF之间的 排放系统内的唯一的催化剂部件。
在一个实施例中，控制单元适用于在CSF的主动再生过程中防止 CSF的温度超过650TC (不包括从粉尘氧化中得出的热量)，由此减小 或防止CSF中催化剂损坏的可能性。
在一个实施例中，排放系统包括用于通过燃烧发动机歧管和催化 传感器装置之间定位的排放气体中的只包括可燃烧HC和/或CO的部分 来产生放热曲线的氧化催化剂。氧化催化剂可包括村底单体，具有设 计安装排放系统的发动机的排量的1/10-1/3倍的容积。
此实施例的氧化催化剂完全不同于DOC之处在于它不用来满足CO 和HC的立法排放标准。相反，其任务在于燃烧只包括引入排放气体的 另外的HC和/或CO的一部分，以便增加CSF的温度。
氧化催化剂设计成使得氧化催化剂活性和衬底单体的容积的结合 不足以满足HC和CO的相关排放标准。实际上，氧化催化剂可包括一 种或多种铂族金属。在一个实施例中，唯一的PGM是铂。在另一实施 例中，使用铂和钯。加栽到催化剂内的总共PGM可以高达240gft 3。
在包括产生放热曲线的氧化催化剂的排放系统的实施例中，该排 放系统包括用于在预定操作状态下旁通催化剂的装置。这种旁通装置 包括通过由控制单元控制的阀配置控制的导管。此实施例提供增加的 设计选项，使得本领域普通技术人员对于输入到CSF的能量进行更好
控制。
按照另一方面，本发明提供一种内燃机和按照本发明的排放系统。 发动机可以是柴油发动机，例如轻型柴油发动机(按照相关的立法)。 其中发动机自然吸气或增压，催化传感器装置可布置在发动机歧管和
CSF之间。作为选择，在发动机涡轮增压时，催化传感器装置可布置在 涡轮增压器出口和CSF之间。
在一个实施例中，用于增加排放气体中可燃烧HC和/和C0的含量 的装置包括发动机缸内的燃料喷射器。作为选择，或者另外，增加排 放系统内的可燃烧HC的含量的装置可以包括用于将可燃烧HC喷射到 发动机位置下游的排放气体中的喷射器。如果排放系统如上所述包括 氧化催化剂，喷射器位于氧化催化剂的上游。
按照另 一方面，本发明提供一种控制内燃机的排放系统中的催化 粉尘过滤器(CSF)的主动再生的方法，该方法包括如下步骤
(i)增加流入CSF的排放气体中的可燃烧碳氢化合物(HC)和/ 或一氧化碳(C0)的含量，由此在CSF中燃烧HC和/或C0，以便增加 CSF的温度，并燃烧其上收集的颗粒物质；
(ii )在催化传感器装置上燃烧CSF上游的排放气体中的HC和/ 或C0，以便产生指示排放气体中的HC和/或C0的浓度的信号；
(iii )将该信号与排放气体中的HC和/或CO的燃烧热焓值相关；
以及
(iv)控制步骤(i )中的HC和/或CO的含量，以响应步骤(iii ) 确定的热焓值，由此将CSF的温度保持在所述预定范围内。
为了更加完全地理解本发明，现在将参考附图描述本发明的实施 例，附图中
图1表示包括轻型柴油发动机和包括本发明第一实施例的排放系 统的设备的示意图；以及
图2表示本发明的第二实施例。
具体实施例方式
参考图1，按照本发明的设备通过标号IO来表示，其中12是轻型 柴油发动机主体，14是活塞，16是燃烧室，18是常见轨道燃料喷射器， 20是吸入口， 22是排放口， 24是吸气阀，26是排放阀，28是排放歧
管，30是排放管，32是CSF， 34是包括排放气体扩散器的罐，以便容 纳CSF并使其保持与排放管连通，36是传感器，包括催化热电偶结合 部和未催化参考热电偶结合部，并且38是发动机控制单元(ECU)，在 使用时该单元被编程以便在CSF的主动再生过程中控制常见轨道燃料 喷射器，以响应来自于传感器36的检测输入。
在使用中，ECU 38确定从上一次主动再生的里数。在里数超过预 定量时，例如1000km, ECU控制喷射器18，以便开始一系列喷射，从 而增加温度，并作为由于燃烧传感器上的HC和/或CO造成的局部温度 增加的函数来任选地增加进入CSF的可燃烧HC和/和CO的HC和/或CO 含量。通过一系列速查表或图表，ECU 38确定CSF 32中由于燃烧检测 量的HC和/或CO所造成的可能的温度升高，并且相应地控制经由喷射 器18喷射可燃烧的HC和/或C0。
如果ECU 38确定进入CSF 32的可燃烧HC和/或CO的速度将造成 CSF 32的温度超过预定最大温度，例如在大约650"C之上，ECU 38减 小喷射速度和/或数量；或者如果所计算的温度低于促进CSF 32的主 动再生的预定最小阈值，例如在大约550"C以下，ECU 38增加喷射的 速度和/或数量。当然，假设影响CSF温度的例如加速器位置、空间速 度等所有因素保持大致相同，如果计算温度在预定温度窗口内，不需 要改变喷射的速度和/或数量。本领域普通技术人员能够适当地编程 ECU 38，以实现所需闭环控制，并且这里不给出进一步的细节。
参考图2，参考标号IOO指的是本发明的第二实施例，其中来自于 图1的类似的部件带有相同的参考标号。在图2中，110是例如2英寸 (5cm)短、5.6英寸(l4. 2cm)长直径村底单体(或者"切片，，)，具 有例如400cpsi ((每平方英寸隔室)62隔室/cm—2)，涂覆例如Pt/氧 化铝的氧化催化剂。传感器136包括位于"切片，，IIO之后的催化热电 偶结合部，传感器与ECU 38连通。
在使用中，某些HC和/或CO在氧化催化剂IIO上燃烧，并且除了 检测燃烧催化传感器本身上的HC和/或CO产生的放热曲线的传感器之 外，使用传感器136检测排放气体中产生的放热曲线。在排放气体中 的检测的温度增加和CSF中的所期望温度增加之间形成关联。
权利要求
1. 一种用于贫燃内燃机的排放系统，包括(a)催化粉尘过滤器(CSF)；(b)控制单元；(c)通过控制单元控制的装置，用于增加流入CSF内的排放气体内的可燃烧HC和/或CO的含量，由此燃烧CSF内的HC和/或CO，从而增加CSF的温度并且燃烧其上收集的PM；以及(d)布置在发动机歧管和CSF之间的催化传感器装置，以便燃烧流入排放系统的排放气体中的CO和/或HC，并且为控制单元输入与排放气体中的HC和/或CO的燃烧热焓相关的数据，由此控制单元在使用时控制可燃烧HC和/或CO的引入装置，以响应数据输入，由此控制CSF与可燃烧HC和/或CO的接触速度。
2. 如权利要求1所述的排放系统，其特征在于，催化传感器装置 包括催化热电偶结合部。
3. 如权利要求2所述的排放系统，其特征在于，催化传感器装置 包括催化热电偶结合部和未催化热电偶结合部。
4. 如权利要求1或2所述的排放系统，其特征在于，CSF内的催 化剂包括至少一种铂族金属，最好是Pt，或者Pt和Pd。
5. 在从属于权利要求2或3时，如权利要求4所述的排放系统， 其特征在于，催化热电偶包括与CSF相同的催化剂。
6. 如上述权利要求任一项所述的排放系统，其特征在于，控制单 元适用于在CSF的主动再生过程中防止CSF的温度超过预定温度。
7. 如上述权利要求任一项所述的排放系统，其特征在于，控制单 元适用于在CSF的主动再生过程中将CSF保持在预定温度以上。
8. 如上述权利要求任一项所述的排放系统，其特征在于，包括在 发动机歧管和催化传感器装置之间涂覆在衬底单体上的氧化催化剂， 以便燃烧只具有可燃烧HC和/或C0的一部分。
9. 如权利要求8所述的排放系统，其特征在于，氧化催化剂衬底 的容积是设计安装有排放系统的发动机的排量的10/1到3/1倍。
10. 如权利要求8或9所述的排放系统，其特征在于，包括用于 在预定操作状态下旁通氧化催化剂的装置。
11. 如权利要求1-7任一项所述的排放系统，其特征在于，包括 用于将可燃烧HC喷射到CSF上游的排放气体的装置。
12. 如权利要求8、 9或10所述的排放系统，其特征在于，包括 用于将可燃烧HC喷射到氧化催化剂上游的排放气体中的装置。
13. —种包括内燃机和如权利要求l-12任一项所述的排放系统的 设备。
14. 如权利要求13所述的设备，其特征在于，用于增加排放气体 中的可燃烧HC和/或C0含量的装置包括发动机缸内的燃料喷射器。
15. —种控制内燃机的排放系统中的催化粉尘过滤器(CSF)的主 动再生的方法，该方法包括如下步骤(i)增加流入CSF的排放气体中的可燃烧碳氢化合物(HC)和/ 或一氧化碳(C0)的含量，由此在CSF中燃烧HC和/或CO,以便增加 CSF的温度，并燃烧其上收集的颗粒物质；(ii )在催化传感器装置上燃烧CSF上游的排放气体中的HC和/ 或C0，以便产生指示排放气体中的HC和/或C0的浓度的信号；(iii )将该信号与排放气体中的HC和/或CO的燃烧热焓值相关；以及(iv)控制步骤(i )中的HC和/或CO的含量，以响应步骤(iii ) 确定的热焓值，由此将CSF的温度保持在所述预定范围内。
全文摘要
一种用于贫燃内燃机的排放系统包括(a)催化粉尘过滤器(CSF)(32)；(b)控制单元(38)；(c)通过控制单元控制的装置(18)，用于增加流入CSF内的排放气体内的可燃烧HC和/或CO的含量，由此燃烧CSF内的HC和/或CO，从而增加CSF的温度并且燃烧其上收集的PM；以及(d)布置在发动机歧管(28)和CSF之间的催化传感器装置(36)，以便燃烧流入排放系统的排放气体中的CO和/或HC，并且为控制单元输入与排放气体中的HC和/或CO的燃烧热焓相关的数据，由此控制单元在使用时控制可燃烧HC和/或CO的引入装置，以响应数据输入，由此控制CSF与可燃烧HC和/或CO的接触速度。
文档编号F01N3/025GK101395347SQ200780007057
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年2月28日
发明者M·V·崔格, P·R·菲利普斯 申请人:约翰逊马西有限公司