处理排放气体的设备和方法技术领域
本发明涉及用于处理车辆的排放气体的设备和方法。更具体地，
本发明涉及用于处理排放气体的设备和方法，其使用氧传感器和温度
传感器而不使用NOx传感器以将氮氧化物(NOx)降低性能最大化。
背景技术
由于对车辆的排放气体的规定正在变严，将脱NOx催化器技术，
如稀油NOx捕集器(LNT)和选择性催化还原(SCR)用于后处理设备
中以减少排放气体中的NOx。脱NOx催化器为一种配置为除去排放气
体中含有的NOx的催化净化器，并且当还原剂如尿素、氨(NH3)、一
氧化碳(CO)、或碳氢化合物(HC)被传送至排放气体，在脱NOx
催化器中通过使用还原剂的氧化还原反应而还原氮氧化物(NOx)。
在近些年中，LNT已被用作后处理设备以除去运转稀燃发动机时
产生的排放气体中的NOx，LNT在贫气氛中吸附或吸留排放气体中含
有的NOx，并在富气氛中释放吸附或吸留的NOx。
SCR系统适于通过向SCR催化器供应还原剂来有效地减少NOx，并
采用向排放气体供应还原剂而减少NOx的方法，不同于与通过再循环
排放气体降低燃烧室的燃烧温度而减少NOx的排放气体再循环(EGR)
系统。SCR系统被称为选择性催化还原系统，这意味着使得还原剂如
尿素、氨、一氧化碳、或碳氢化合物更容易与氧和NOx中的NOx反应。
此外，已经开发出如柴油氧化催化器(DOC)，柴油颗粒过滤器
(DPF)或催化颗粒过滤器(CPF)等技术用以后处理减少车辆排放气
体中的颗粒物质(PMs)。此外，在最近几年，已经开发和使用柴油颗
粒过滤器(SDPF)上的SCR，其既收集颗粒物质，又减少NOx。所述
SDPF通过将SCR催化剂涂布在多孔DPF上使得排放气体中的NH3和
NOx在SCR催化器上反应，以将此类分子净化为水和氮气，并经由过滤
功能(例如DPF功能)收集排放气体中的颗粒物质。
在确定SCR催化器与SDPF催化器的老化的方法中，将NOx传感器
安装在SCR或SDPF的上游和下游，并通过NOx传感器测定NOx，以当
SCR或SDPF净化性能相当低时确定所述SCR催化器或SDPF催化器是
否老化。可直接使用这样的方法测量老化，然而，由于单个的NOx传
感器的价格是温度传感器的许多倍，执行需要设置于催化器的上游和
下游的NOx传感器的方法的成本有所增加。
发明内容
因此，本发明提供用于处理排放气体的设备和方法，其使用氧传
感器和温度传感器而不使用NOx传感器来改进或最大化氮氧化物
(NOx)降低性能。应当理解NOx可包含一氧化氮(NO)、二氧化氮
(NO2)和一氧化二氮(N2O)中的任一个或全部。
根据本发明的一个方面，排放气体处理设备可包括可沿着排放气
体流动方向依次设置的稀油NOx捕集器(LNT)、选择性催化还原(SCR)
催化器、含有储氧材料以及贵金属的储氧催化器。此外，还可提供可
设置于LNT的上游的前置氧传感器、可设置于储氧催化器的下游的后
置氧传感器、以及可配置为测量排放气体的温度的温度传感器。
根据本发明的一个方面，在排放气体处理方法中，稀油NOx捕集
器(LNT)、选择性催化还原(SCR)催化器、和含有储氧材料和贵金
属的储氧催化器可沿着排放气体流动方向依次设置，且前置氧传感器
可设置于LNT的上游侧，后置氧传感器可设置于储氧催化器的下游侧。
该方法可包括通过温度传感器测量排放气体的温度。此外，在车辆发
动机的富油操作(richoperation)中，可通过SCR催化器除去NOx，此
时在SCR催化器中，LNT产生的NH3和排放气体中的NOx相互反应。
因此，根据本发明的排放气体处理设备及其控制方法可使用氧传
感器和温度传感器而不使用NOx传感器来改进或最大化氮氧化物
(NOx)降低性能。
附图说明
提供附图用于参考以描述本发明的示例性实施方案，并且本发明
的精神不应仅通过附图解释。通过下文结合附图所呈现的详细描述将
会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其他优点，在
这些附图中：
接下来将参照由所附附图显示的本发明的某些示例性实施方案来
详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅以显示的
方式给出，因而对本发明是非限定性的，在这些附图中：
图1为示出根据本发明的示例性实施方案的排放气体处理设备的
构造的示例性图；
图2为示出图1中所示的示例性实施方案的构造中的整体SDPF/铈
土催化器的构造的示例性剖视图；
图3为示意性地示出根据本发明的示例性实施方案的排放气体处
理设备的构造的示例性图。
图4为示出图3所示的示例性实施方案中分区涂布型SCR催化器和
铈土催化器的示例性图；
图5为用于说明在本发明中在LNT中的NH3生成机理的示例性图；
和
图6为描述在本发明中NH3生成温度范围的示例性图。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基
本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设
计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所
要应用和使用的环境来确定。在这些图中，贯穿附图中的多幅图，附
图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一
般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共车辆、
卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空
器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车
辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非汽油的能源的
燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源
的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
虽然示例性实施方案被描述为使用多个单元来执行示例性过程，
应当理解示例性过程也可以由一个或多个模块执行。此外，应该理解
的是，术语控制器/控制单元是指一种硬件设备，其包括存储器和处理
器。存储器被构造成储存模块，处理器特别被构造为执行所述模块以
进行一个或多个过程，下文进一步描述。
此外，本发明的控制逻辑可以在包括通过处理器、控制器/控制单
元等执行的可执行程序指令的计算机可读媒介上体现为永久性计算机
可读媒体。计算机可读媒介的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘
(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据储存设备。
计算机可读记录媒介也可以分布在网络联接的计算机系统中使得计算
机可读媒介以分布方式储存和执行，例如通过远程信息处理服务器或
控制器局域网络(CAN)。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不旨在限
制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也
包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中
使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、整体、步骤、操
作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、
整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群体。正如本文所使用的，术
语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。
除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“约”
被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均2个标准偏差内。
“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、
2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文清楚的，
本文提供的所有数值通过术语“约”修饰。
在下文中将参考附图具体描述本发明的示例性实施方案，从而使
本发明所属领域的技术人员能够容易地实现本发明。本发明涉及一种
排放气体处理设备和处理排放气体的方法，通过其可以应对增强的EU6
排放气体法则，其基本上包括LNT，SCR催化器，和储氧催化器。
图1是示出根据本发明的示例性实施方案的排放气体处理设备的
构造的示例性图。稀油NOx捕集器(LNT)、选择性催化还原(SCR)
催化器、和储氧催化器可沿着排放气体流动方向依次设置，使得从发
动机排出的排放气体顺序经过LNT、SCR、和储氧催化器。LNT可以是
涂布有高温吸留材料(如Ba)的催化器，并且可被配置以在贫气氛中
(例如在贫油操作期间)吸附或吸留排放气体中含有的NOx，并在富
气氛中(例如在富油操作期间)转化NOx时产生NH3作为副产物。在本
发明中，SCR催化器可以是被配置以收集颗粒物质(PM)和减少NOx
的柴油颗粒过滤器(SDPF)上的SCR。
SDPF可通过在被配置以收集柴油机排放气体中的颗粒材料的柴
油颗粒过滤器(DPF)上涂布SCR催化剂材料来进行配置。排放气体中
的NH3和NOx可在SCR催化器上彼此反应以被转化为排放气体中的水
和N2且颗粒材料可通过过滤器功能收集(例如，DPF功能)。LNT和
SDPF的组合可被包括在被动SCR催化器系统中，以在富气氛中将LNT
吸留的NOx转化时产生NH3作为副产物，且由LNT产生的NH3和排放气
体中的NOx在SDPF中彼此反应以被净化(例如，被转化为氨和水)。
储氧催化器可包括铈土催化器，其中二氧化铈(CeO2)(即，铈的氧
化物也被称为铈土)充当储氧材料。在本发明的示例性实施方案中，
SDPF和铈土催化器可采用一个多孔过滤器整体构成。
图2为示出图1中所示的示例性实施方案的构造中的整体SDPF/铈
土催化器的构造的示例性剖视图。整体SDPF/铈土催化器可以包括配置
以收集柴油机排放气体中的颗粒物质的多孔过滤器、涂布在过滤器的
排放气体入口上的选择性催化还原(SCR)催化剂层12、以及涂布在
过滤器的排放气体出口上并含有铈土和贵金属的铈土催化剂层13。
SCR催化剂层12可以包括含有沸石催化剂的涂布层，铈土催化剂层13
可通过在铈土中浸渍贵金属(例如，贵金属材料可以包括但不限于铂、
钯和铑)形成。
过滤器可包括多个多层过滤器壁11，且其中多个过滤器壁的相向
表面可形成交替的排放气体入口和出口。特别是，可将SCR催化剂层
(沸石类型)12涂布在多孔过滤器的一个表面上，且可将含有铈土(储
氧材料)和贵金属的铈土催化剂层13涂布在多孔过滤器的相对表面上。
该催化剂可以通过在DPF过滤器的入口的表面上涂布SCR催化剂层12
形成，并将铈土催化剂层13(其中贵金属被负载在铈土上)涂布在DPF
过滤器的出口的表面上。可首先将铈土涂布在DPF过滤器的出口的表面
上，可在其中贵金属被铈土负载的涂布铈土催化剂层13被涂布之前附
加地涂布其中可负载贵金属的铈土催化剂层。
可通过提供用于收集柴油机排放气体的颗粒材料的多孔过滤器作
为基体，并在过滤器的排放气体入口上涂布SCR催化剂层12、在过滤
器的排放气体出口上涂布铈土催化剂层13，配置整体SDPF/铈土催化
器。过滤器可以包括多个多层过滤器壁11，其可以以预定距离彼此间
隔开。多个过滤器壁11的相向表面可形成交替的排放气体入口和出口。
此外，配置为阻塞入口的后端和出口的前端的塞14可设置于过滤
器壁11之间，以仅允许打开入口的前端，而入口的后端可通过塞14阻
塞，并且仅可打开出口的后端，而出口的前端通过塞14阻塞。在图1的
示例性实施方案中，被配置为检测排放气体中的氧的浓度的氧传感器
L1和L2可被设置于LNT的上游侧和储氧催化器的下游侧。上游侧氧传
感器(以下，称为‘前置氧传感器’)L1可被设置于LNT的上游侧，下游
侧氧传感器(以下，称为‘后置氧传感器’)L2可被设置于铈土催化器(其
为储氧催化器)的下游。即，SDPF/铈土催化器的下游侧，其中SDPF
和铈土催化器通过使用一个多孔过滤器整体形成。
在本发明的一个示例性实施方案中，温度传感器T1和T2可以设置
在SDPF的上游(LNT的下游)以及铈土催化器的下游，温度传感器T1
和T2可以设置在整体SDPF/铈土催化器的上游和下游。
图3是示出根据本发明的另一示例性实施方案的排放气体处理设
备的构造的示例性图。LNT、DPF(用于减少H2S)、SCR催化器和储
氧催化器可沿着排放气体流动方向依次设置，使得从发动机排出的排
放气体顺序流经它们。在图3的示例性实施方案中，配置为减少H2S的
单独的DPF可设置于LNT和SCR催化器之间，亦即，LNT的下游和SCR
催化器的上游，并且SCR催化器和储氧催化器可顺序设置于DPF的下
游。储氧催化器可以包括铈土催化器。
SCR催化器和铈土催化器可以通过在载体的表面上涂布SCR催化
剂材料和含有贵金属和铈土的铈土催化剂而形成，其中排放气体通过
载体的表面。因此SCR催化器和铈土催化器可为共用一个载体的整体
催化器，并且载体可被划分成两个区域，使得SCR催化剂材料可被涂
布在一个区域，含有贵金属和铈土(例如，储氧材料)的铈土催化剂
材料可被涂布在另一区域，以形成分区涂布型催化器(即，整体SCR
催化器/铈土催化器)。亦即，在分区涂布方法中，可将SCR催化剂材
料和铈土催化剂材料涂布于载体的前部区域和后部区域，如图4中所
示。前侧可以用作SCR催化器(例如沸石型)，后侧可以用作具有在
其中贵金属负载于铈土的催化层的铈土催化器。此外，可以通过在载
体上涂布SCR催化剂材料和铈土催化剂材料来创建具有两个块的催化
器构造。亦即，可将其中SCR催化器和铈土催化器被分别地组合的两
个块的构造施用至载体。
在图3的示例性实施方案中，氧传感器L1和L2可以被安装在LNT的
上游和储氧催化器的下游。在这样的示例性实施方案中，上游氧传感
器(以下，称为‘前置氧传感器’)L1可被设置于LNT的上游侧，下游氧
传感器(以下，称为‘后置氧传感器’)L2可被设置于铈土催化器(其为
在LNT下游侧的储氧催化器)的下游。温度传感器T1、T2和T3可以设
置于DPF的上游(LNT的下游)和下游，以及铈土催化器的下游。
尽管已经参照图1至3描述了根据本发明的示例性实施方案的排放
气体处理设备的构造，这种排放气体处理设备在通过发动机空气/燃料
比控制(例如经由λ(lambda)控制)周期性地形成富气氛时，可有效
地使用从LNT产生的NH3减少或消除来自SCR催化器的NOx，以减少存
储于LNT中的NOx。亦即，在贫气氛(贫油操作)中NOx可被存储在
LNT中，当周期性地形成富气氛时，NH2可通过在LNT中的反应产生。
特别是NH3和NOx可以在SCR催化器中彼此反应以消除NOx，负载了少
量贵金属的铈土催化剂可以净化在富气氛中过量产生的CO和HC。然
后，为了有效地产生足量的NH3，在LNT中的氧完全被富气氛耗尽之后
应当维持富气氛数秒。
通过将SCR催化器定位在LNT的下游，在SCR催化器的下游增加储
氧催化器(铈土催化器)，并在储氧催化器的下游安装后置氧传感器
L2，可以使用后置氧传感器的信号保持附加的富气氛。使用后置氧传
感器L2的信号，可在响应中扩展富气氛可存在的时间的时间段，以确
定在后置氧传感器L2的上游氧未耗尽，因为在富气氛中即使在LNT中
的氧已被耗尽，在储氧催化器可未被耗尽。因此，可以保持附加的富
气氛，并因此可增加从LNT产生的NH3的量，从而提高整个NOx净化性
能。当然，在SCR催化器中，从LNT产生的NH3可以与SCR催化器中的
NOx反应，且在SCR催化器中，NH3可被用于净化NOx。根据本发明，
通过在SCR催化器的下游沉积含有储氧材料和很少量贵金属的铈土催
化剂，可人为增长可以存在富气氛的时间段。当氧传感器L2被安装在
铈土催化器的下游，使得可以保持附加的富气氛(即，增长可以存在
富气氛的时间段)，可以有效地产生足够量的NH3，可以在SCR催化器
中进行NH3和NOx的净化，可从负载贵金属的铈土催化剂消除CO和
HC。
图5是用于说明在本发明中在LNT中的NH3产生机理的示例性图。
在图5中，水平轴表示时间，垂直轴表示(a)λ值，(b)温度，和(c)
在排出气体中NH3和CO的浓度。参照图5A，λ突破产生时间点被称为突
破点。突破点可能是在富气氛中，位于LNT上游的氧传感器(前置氧
传感器)的λ值和位于LNT下游的氧传感器的λ值相互一致的时候。
应当注意的是，位于LNT下游的氧传感器可与本文中所述的后置
氧传感器L2不同。亦即，设置于铈土催化器(其为储氧催化器)的下
游的后置氧传感器L2可为位于LNT(其为设置在图1的SCR催化器
(SDPF)上游和图3的DPF的上游的)后侧的下游氧传感器。以下，位
于LNT下游的氧传感器可与后置氧传感器不同，且位于LNT下游的氧
传感器可为设置于LNT的后端的下游的氧传感器，其中后置氧传感器
是指设置于铈土催化器(其为储氧催化器)后端的氧传感器。根据现
有技术，在λ突破产生时间点(定义为上游氧传感器和下游氧传感器的
λ值一致的时候)富油操作控制完成，如在图5中表示为突破点。
此外，图5B示出了排放气体的示例性温度(例如，通过LNT下游
的温度传感器T1感测到的温度值)。图5C示出了一个突破点(tbt)。
一个突破点可以被定义为富油操作过程中位于LNT上游的氧传感器L1
的λ值和位于LNT下游的氧传感器的λ值一致的时间。当富气氛(例如，
具有λ值(λ)<1)是通过发动机操作生成时，在突破点产生前，还原
化学反应式(例如，通过在富气氛中的NOx存储进行的NOx化学反应)
可以如下。
Ba(NO3)2+3CO→2NO+2CO2+BaCO3
2NO+2CO→N2+2CO2
当在富气氛中，排放气体中的氧浓度降低且还原剂如CO或HC的含
量增加时，在极高温吸留材料如Ba中吸留的硝酸盐可被分离以在被还
原剂如CO或HC还原的同时被转化为氮气N2。突破点产生之后的反应式
可为如下。
CO+H2O→CO2+H2(水/气体-转换)
HC3+3H2O→3CO+6H2(蒸汽重整)
5H2+2NO→2NH3+2H2O
从存储在LNT的储氧材料中的氧和存储在NOx吸留材料中的NOx
耗尽和消除时，在LNT中产生NH3，在富气氛环境中NOx和O2耗尽后，
H2和NO(从LNT分离或从排放气体供给)彼此反应以产生NH3。在tbt
(突破点)后在时间段α内，NH3最可生成，如图5C中所示。另外，当
在tbt(突破点)后保持富气氛时间段α，可以增加NH3的量。
尽管根据现有技术，富油控制可在突破点时完成，此时上游氧传
感器的λ值和下游氧传感器的λ值相互一致，根据本发明，富油控制可
在前置氧传感器(位于LNT上游侧的氧传感器)L1的λ值和后置氧传感
器L2的λ值相互一致时完成，由此在现有技术的tbt之后可进一步保持附
加的富油控制时间段α。由于当α设定得太短可减少NH3的产生，而当α
设定得太长在增加NH3的产生的同时可过度增加CO的产生，这可能不
利地影响燃料比，因此需要根据发动机状态适当调整或优化α。
可以根据下游储氧催化器(铈土催化器的铈土量或存储的氧的量)
来增加附加的富油操作时间ɑ(例如，在大约5秒之内)，然而通过这
样的延续的富油操作环境可产生过量的NH3。
在附加的富油操作时间内产生的增加的NH3可与通过位于LNT下
游的SCR催化器与NOx反应以减少NOx，且可通过使用铈土催化剂中含
有的贵金属，进一步减少在附加的富油操作时间内产生的增加的CO和
HC。影响NH3产生的主要因素，发动机/催化器条件，可包括排放气体
的温度、排放气体的流速、催化器老化程度(劣化)和tbt，随着tbt减
小，α时间可减少。虽然根据现有技术，可在tbt之后立刻移除用于脱
NOx的富气氛，根据本发明示例性的实施方案，在用于脱NOx的tbt之
后，通过保持富气氛达附加的时间段α(如图5中所示)可有效地产生
大量的NH3，由此可在SCR催化器中进一步减少排放气体中的NOx的
量。
图6为描述NH3生成温度范围的示例性图；在约200℃的相当低的温
度下开始产生NH3，在约300℃可产生最大量的NH3。NH3也可在约
350℃或更高温度下产生。所产生的NH3的量取决于：λ值、排放气体的
流速、以及浓度。
虽然已经详细描述了本发明的示例性实施方案，本公开的权利范
围不限于上述示例性实施方案，并且本领域技术人员使用附带权利要
求书中限定的本公开的基本原理做出的各种改变和改进形式也属于本
公开的权利范围。