[发明专利]用于发动机排气催化剂操作的方法和系统

说明书

本申请涉及用于发动机排气催化剂操作的方法和系统，提供了用于在发动机冷起动期间通过水喷射控制排气催化剂温度的方法和系统。在一个示例中，一种方法包括：在发动机冷起动期间，基于排气催化剂温度将水喷射到发动机的进气装置内，以及在排气催化剂内积聚水分子以在排气催化剂内产生热。以此方式，通过产生热并将热存储在排气催化剂内，排气催化剂可以被迅速地加热，因此减少催化剂起燃时间。

技术领域

本发明总体涉及用于通过在发动机起动期间将水喷射到发动机进气装置内来控制排气催化剂温度的方法和系统。

背景技术

发动机排放控制系统可以包括一种或更多种排气催化剂，诸如三元催化剂、NOx存储催化剂、起燃催化剂和SCR催化剂。在催化剂起燃温度(例如，工作温度)下，排气催化剂可以氧化和还原排气中的成分，由此将排气中的有毒气体和污染物转换为较低毒性的污染物或惰性成分，然后该较低毒性的污染物或惰性成分被释放到大气内。作为一个示例，当在400℃与600℃之间进行工作时，三元催化剂将活性氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)转换成诸如双原子氮(N₂)、二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)的惰性成分。然而，在发动机的冷起动期间，当排气催化剂的温度在起燃温度以下时(例如，三元催化剂温度降至400℃之下时)，排气催化剂可能不能有效地处理排气的活性成分，并且因此，冷起动排放物会增加，并且排气中的有毒成分会被直接释放到大气内。

一种减少冷起动排放物的方法是减少排气催化剂达到起燃温度所花费的时间。因此，为了加快获得催化剂起燃温度，发动机系统可以包括加热器泵和/或催化剂加热器以预热主排气催化剂。Parise在美国专利第5,968,456号中提供了这种发动机系统的一个示例。在其中，在车辆冷起动期间，热电式发电机被用作热泵来加热排气催化剂基底，以减少排气催化剂起燃的时间。以此方式，排气催化剂更快地达到工作温度，由此减少车辆起动时的污染排放物的量。

然而，发明人在此已经认识到这种系统的潜在问题。作为一个示例，为了在车辆冷起动期间加热排气催化剂的唯一目的而添加热电式发电机会增加制造成本。此外，此类系统可能增加发动机系统的封装要求和复杂性。在一些情况下，这些额外的加热器可能增加排气背压。增加的排气背压可能导致增加的泵送功、降低的进气歧管升压压力，引起汽缸扫气和燃烧效果，并且进一步导致涡轮增压器问题。

发明内容

在一个示例中，上述问题可以通过一种方法来解决，该方法包含：在冷起动期间，基于排气催化剂的温度将水喷射到发动机的进气装置内。就此而言，水喷射系统可能已经存在于发动机系统中，以冷却进气歧管中的空气充气，减少爆震，控制排气温度，并且用于发动机稀释。发明人已经认识到，在冷起动期间使用现有的水喷射系统将水喷射到进气歧管内以增加排气内的水浓度是可能的。通过增加被喷射到进气歧管内的水量，水可以被积聚在排气催化剂的多孔材料内。因此，排气催化剂内部的水可以被用来在排气催化剂内产生热。以此方式，可以减少催化剂起燃时间，并且可以满足排放顺应性要求而无需任何额外的成本。

作为一个示例，当排气催化剂温度在阈值温度以下时，少量的水(例如，薄雾)可以被喷射到进气歧管内。随着发动机转速增加并且达到阈值转速(例如，起动转动转速)，更多水可以被喷射到进气歧管内，并且因此排气中的水浓度会开始增加。在此，排气中的水分子会开始被积聚并且被存储在排气催化剂的多孔材料中。被存储在排气催化剂中的水分子的动量会开始增加。将水存储在排气催化剂中的技术效果是被存储在排气催化剂中的水分子的动量可以被转换为排气催化剂内的热能。因此，排气催化剂会开始升温。另外，被存储在排气催化剂的多孔材料中的水可以提供额外的容量以存储排气热。增加的动量和增加的容量可以配合在一起，导致迅速地加热排气催化剂。因此，可以减少排气催化剂达到起燃温度所花费的时间(或催化剂起燃时间)。通过减少催化剂起燃时间，可以减少冷起动排气排放物。总体来说，水喷射的益处可以在更宽范围的发动机工况内延伸，由此改善发动机效率。