稀混合气发动机，或以具有化学计量空气量大于燃料量的空燃混合气运转的发 动机，相对于配置为以化学计量组成的空燃混合气运转的发动机来说可以提供更好 的燃料节约。
然而，稀混合气发动机也具有各种缺点。例如，燃烧稀空燃混合气会降低现有 的三元催化转化器中氮氧化合物(统称为“NOx”)的还原。
已开发了各种机制来减少稀混合气发动机中的NOx排放。一种机制是称为NOx 捕集器的催化剂。NOx捕集器是催化装置，通常位于排放系统中的催化转化器下游， 并配置为在发动机使用稀空燃混合气运转时保留NOx以便在发动机使用较浓的空燃 混合气运转时被还原和再生。
典型的NOx捕集器包括一种或多种如铂、铑和/或钯的贵金属将排放流中的NOx 转化为NO2和如钡或钙氧化物的碱或碱金属氧化物，在发动机使用稀空燃混合气运 转时将NO2作为硝酸盐吸附其上。然后发动机可以配置为周期性地使用更浓的空燃 混合气运转。硝酸盐在这样条件下分解，释放出NOx，然后NOx在贵金属表面与排 气中的一氧化碳、氢气和各种碳氢化合物反应形成N2，因此减少了NOx的排放并再 生捕集器。
使用NOx捕集器可以充分减少稀混合气发动机的NOx排放。然而，在高负载条件 下，发动机通常以化学计量组成的空燃混合气工作。在这样的操作条件下，部分碳 氢化合物、CO和NOx可以到达NOx捕集器并在NOx捕集器的贵金属位点被转化为CO2、 H2O和N2。这些转化是使NOx捕集器老化的放热过程，从而会导致NOx存储容量降低。
NOx捕集器的NOx存储与转化性能通常在温度200至400℃之间随着铂负载增加 而提高，特别是在热老化之后。在400℃以上，因为NOx的氧化速率提高，贵金属 浓度的影响下降。在这些较高的温度，NOx存储性能更多地受NOx存储位点的数量限 制，存储位点的数量是捕集器体积的函数。这鼓励使用具有较高的铂水平的较大体 积的NOx捕集器，以在较低和较高的温度都能提供较好的NOx存储性能。然而，这 会增加排放处理系统的成本。

上述问题可以通过本发明的系统和方法来解决。本发明揭示了一种机械装 置，该机械装置包括发动机；用于从发动机中输出排气流的导管；沿所述导管布 置的第一催化NOx存储与转化区域；沿所述导管布置并位于所述第一催化NOx存储 与转化区域下游的第二催化NOx存储与转化区域，其中所述第一催化NOx存储与转 化区域和第二催化NOx存储与转化区域中的每一个都包括至少一种配置为在向发动 机提供稀空燃混合气时将NOx转化为NO2的催化金属，及至少一种配置为在向发动 机提供稀空燃混合气时吸附NO2以进行存储的NOx吸附化合物，且其中所述第一催 化NOx存储与转化区域具有比所述第二催化NOx存储与转化区域更低的催化金属浓 度；及用于根据至少所述第一和第二区域之间的NOx分布调整发动机操作参数的控 制器。
根据本发明的另一个方面，一种设置在具有发动机的机械装置中、为处理所 述发动机产生的排气的排放系统，所述排放系统包括：用于从发动机中输出排 气的导管；与所述导管流体连接的NOx捕集器，其中所述NOx捕集器包括配置为 在向发动机提供稀空燃混合气时将NOx转化为NO2的催化金属，及配置为在向发 动机提供稀空燃混合气时将NO2转化为硝酸盐以进行存储的NOx吸附化合物，且 所述NOx捕集器包括催化金属以第一、较低的浓度散布其中的上游催化区域， 及催化金属以第二、较高的浓度散布其中的下游催化区域；用于根据所述还原 剂在所述上游或下游区域中是否充分反应，调整向所述NOx捕集器提供的还原 剂的量的控制器。
根据本发明的另一个方面，一种在具有发动机的机械装置中，用于处理排气 流以便从所述排气流中去除NOx化合物的方法，所述方法包括：使排气流通过 第一催化区域；在使排气流通过所述第一催化区域之后，使排气流通过第二催 化区域，其中所述第一催化区域和第二催化区域中的每一个都具有配置为将NOx 转化为NO2的催化金属，和配置为吸附NO2的NOx吸附剂，且其中第一催化区域 具有比第二催化区域更低的催化金属浓度；使还原剂通过所述第一和第二区 域，其中向所述第一区域提供的还原剂的量不同于向所述第二区域提供的还原 剂的量。
根据本发明的另一个方面，一种机械装置，包括：发动机；用于从发动机中 输出排气流的导管；沿所述导管布置的第一催化NOx存储与转化区域；沿所述 导管布置并位于所述第一催化NOx存储与转化区域下游的第二催化NOx存储与转 化区域，其中所述第一催化NOx存储与转化区域和第二催化NOx存储与转化区域 中的每一个都包括至少一种配置为在向发动机提供稀空燃混合气时将NOx转化 为NO2的催化金属，及至少一种配置为在向发动机提供稀空燃混合气时吸附NO2 以进行存储的NOx吸附化合物，且其中所述第一催化NOx存储与转化区域和第二 催化NOx存储与转化区域中的一个具有比所述第一催化NOx存储与转化区域和第 二催化NOx存储与转化区域中的另一个更低的催化金属浓度；及控制器，用于 估计存储在所述第一区域中的NOx的第一个量和存储在所述第二区域中的NOx 的第二个量，并根据所述第一个和第二个估计调整燃烧空燃比，其中所述第一 个估计基于所述第一个浓度，所述第二个估计基于所述第二个浓度。
本发明的一个优点是，具有不同催化金属浓度的区域的NOx捕集器与具有相 等体积和相等催化金属总量且分散在捕集器中的催化金属浓度基本一致的NOx 捕集器相比，通常具有更高的NOx存储与转化容量。此外，在上游区域具有相 对于下游区域更低的催化金属浓度的NOx捕集器，通常具有更高的NOx存储与转 化容量并对由于热老化容量降低具有更高的抵抗力。使用此布置，较高负载的 区域得到保护，使免遭NOx捕集器中催化金属位点上的碳氢化合物、CO和NOx 转化导致的热老化过程时的多数放热反应，而较高负载的区域有助于在发生部 分老化之后在较低的温度下提供良好的NOx存储性能。
附图说明
图1为发动机的例子的示意图；
图2为具有第一催化NOx存储与转化区域和第二催化NOx存储与转化区域的NOx 捕集器的例子的示意图；
图3为具有均匀的贵金属浓度的NOx捕集器和具有可变的贵金属浓度的NOx捕集 器于恒定空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图4为具有均匀的贵金属浓度的NOx捕集器和具有可变的贵金属浓度的NOx捕集 器于变化的空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图5为在捕集器前部比后部具有更高的贵金属浓度的NOx捕集器、在捕集器前 部比后部具有更低的贵金属浓度的NOx捕集器，以及在前部和后部具有恒定负载的 NOx捕集器于恒定空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图6为在捕集器前部比后部具有更高的贵金属浓度的NOx捕集器、在捕集器前 部比后部具有更低的贵金属浓度的NOx捕集器，以及在前部和后部具有恒定负载的 NOx捕集器于变化的空速下的NOx存储与转化效率的图表；
图7为具有第一、第二和第三催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器的例子的示 意图；
图8为具有第一、第二、第三和第四催化NOx存储与转化区域的NOx捕集器的例 子的示意图；
图9为示意图，图示具有沿着其长度连续增加的催化金属浓度的NOx捕集器的 例子；
图10为显示NOx存储在装置上的变化的图表；
图11显示催化剂砖的部分的例子；
图12-13显示高级流程图的例子；
图14展示不同的催化剂负载的NOx效率的例子。

图1展示发动机10的示意图。发动机10通常包括多个汽缸，图1显示了其中 一个汽缸，且由发动机电子控制器12来控制。发动机10包括燃烧室14和汽缸壁 16。活塞18放置在汽缸壁16内并与曲轴20连接，燃烧室14通过相应的进气门 26和排气门28与进气歧管22和排气歧管24相连。排气氧传感器30连接到发动 机10的排气歧管24，排放处理节40连接到排气氧传感器下游的排气歧管。所述 的发动机可以配置在汽车中使用，例如，客车或多功能车。
进气歧管22经过节流板44与节流阀体42相连。如所示进气歧管22也具有与 其相连的燃料喷射器46，用来供应与来自控制器12的信号的脉冲宽度(fpw)成比 例的燃料。燃料被供应给燃料喷射器46是通过包括燃料箱、燃料泵，及燃料导管(未 展示)的常规的燃料系统(未展示)。发动机10还包括常规的无分电器点火系统48， 通过火花塞50向燃烧室14提供点火火花以响应控制器12。在此所述的实施形态 中，控制器12是常规的微计算机，包括：微处理器单元52、输入/输出端口54、 电子存储器芯片56、随机存取存储器58，及常规的数据总线，电子存储器芯片56 在此具体例子中是电子可编程存储器。
控制器12从连接到发动机10的传感器接收各种信号，除上述那些信号之外， 还包括：由连接到节流阀体42的质量空气流量传感器60所感应的质量空气流量 (MAF)值；来自连接到冷却套管64的温度传感器62的发动机冷却液温度(ECT)；来 自连接到进气歧管22的歧管绝对压力传感器66的歧管压力(MAP)值；来自耦连到 节流板44的节流阀位置传感器68的节流阀位置(TP)值；及来自耦连到曲轴20并 指示发动机转速(N)的霍尔效应传感器70的齿面点火传感器信号(PIP)。
排气通过与排气歧管24相连的常规的排气回流管(EGR)72、EGR阀部件74及 EGR开口76被送到进气歧管22。可选地，管72可以是发动机中连接在排气歧管 24和进气歧管22之间的内部的传送通道。
歧管绝对压力传感器66在阀部件74和开口76之间与EGR管72相连。歧管绝 对压力传感器66也与进气岐管22相连。换句话说，排气从排气歧管24首先流经 EGR阀部件74，然后流经EGR开口76，到达进气歧管22。因而可以说EGR阀部件 74位于开口76的上游。
歧管绝对压力传感器66向控制器12提供歧管压力(MAP)值和开口76上的压力 降(DP)。从而使用信号MAP和DP来计算EGR流。EGR阀部件74在EGR管72内具 有控制变区域限制的阀位置(未展示)，从而控制EGR流。EGR阀部件74可最低限 度地限制通过管72的EGR流或完全限制通过管72的EGR流。真空调节器78连接 到EGR阀部件74。真空调节器78通过线80接收来自控制器12的驱动信号来控制 EGR阀部件74的阀位置。在较佳实施形态中，EGR阀部件74是真空驱动的阀。然 而，对本领域的技术人员是显而易见的，可以使用任何类型的流控制阀，例如，电 螺线管动力阀或步进电机动力阀。注意，也可以使用另一种EGR系统，如那些在 EGR控制阀上游具有开口的EGR系统。此外，使用没有开口的步进电机阀的系统也 可采用。
图2显示排放处理节40的一种典型配置的示意图。排放处理节40包括三元催 化转化器100，及位于催化转化器100下游的NOx捕集器110。排放物首先流经催 化转化器100，然后流经NOx捕集器110。在浓混合气和化学计量组成的混合气发 动机条件下，碳氢化合物、CO和NOx化合物被三元催化剂100转化为CO2、H2O和 N2，从而使这些放热反应与NOx捕集器110分离，并有助于减少NOx捕集器110内催 化金属的热老化。然而，当发动机10使用稀空/燃混合气运转时，在排放流中产生 的还原剂会不足，导致在三元催化转化器100中NOx向N2的转化减少。因此，NOx 捕集器110包括配置为将NOx转化为NO2的催化金属，及配置为将NO2作为硝酸盐吸 附的NOx吸附剂。NOx吸附剂通常是碱或碱土金属氧化物，但也可以是其他适合的化 合物。NOx吸附剂在稀混合气条件下存储多余的NOx，并在浓混合气条件下催化存储 的NOx到N2的转化，从而再生NOx捕集器110。
在发动机高负载期间，当发动机使用化学计量组成的(或浓的)空/燃混合气 运转时，部分碳氢化合物、CO和NOx会到达NOx捕集器110。这些化合物由NOx捕集 器110中的贵金属位点转化为CO2、H2O和N2会导致NOx捕集器110的热老化。如上 所述，这些过程的放热曲线在NOx捕集器前部趋于最大，并沿着NOx捕集器的长度 随着排放流中HC、CO和NOx的浓度的降低而下降。这往往是老化NOx捕集器前部比 NOx捕集器后部更严重。
现有的对由于热老化而使得NOx存储容量减少的解决方案包括使用更大的NOx 捕集器，和/或在NOx捕集器中使用更高的催化金属浓度。然而，这样的解决方案 会增加捕集器的成本。现有的帮助防止热老化的解决方案也包括在NOx前面设置紧 连着的催化转化器，以在浓混合气和化学计量组成的混合气操作期间，在NOx转化 器上游并与其隔开的位置上执行碳氢化合物、CO和NOx的转化。然而，与NOx捕集 器联合使用于配置为使用稀空燃混合气运转的发动机中的所述紧连着的催化剂通 常体积较小。因此，在高负载情形的时候部分碳氢化合物、CO和NOx仍然可以到达 NOx捕集器，从而使NOx捕集器热老化。
为了克服这些问题，NOx捕集器110包括多个具有不同金属催化剂浓度的催化 NOx存储与转化区域。在具体实施例中，设于NOx捕集器110上游位置的催化NOx存 储区域比位于NOx捕集器110下游位置的催化NOx存储区域具有更低的催化金属浓 度。例如，在图2所示实施形态中，NOx捕集器110包括具有第一、较低催化金属 浓度的第一催化NOx存储与转化区域112，及具有第二、较高的催化金属浓度的第 二催化NOx存储与转化区域114，其中第二催化NOx存储与转化区域位于第一催化 NOx存储与转化区域的下游。
在此使用的术语“上游”和“下游”指排放流经NOx捕集器110的方向；排放在流经 NOx捕集器110“下游”区域之前流经NOx捕集器110的“上游”区域。在此使用的术语 “金属催化剂”或“催化金属”指用于将NOx转化为NO2的金属，而不是用于将NOx作为 硝酸盐存储的金属氧化物。适合的金属催化剂的例子包括，但不限于，铂、钯、铑 及它们的组合。
如下面更详细的说明所述，已发现具有不同催化金属浓度的区域的NOx捕集器 与具有相等体积和相等催化金属总量且分散在捕集器中的催化金属浓度基本一致 的NOx捕集器相比，通常具有更高的NOx存储与转化容量。此外，还发现在上游区 域具有相对于下游区域更低的催化金属浓度的NOx捕集器，通常具有更高的NOx存 储与转化容量并对由于热老化容量降低具有更高的抵抗力。使用此布置，较高负载 的区域得到保护，使免遭NOx捕集器中催化金属位点上的碳氢化合物、CO和NOx转 化导致的热老化过程时的多数放热反应，而较高负载的区域有助于在发生部分老化 之后在较低的温度下提供良好的NOx存储性能。
应说明一下，和NOx捕集器相反，某些已知的三元催化剂系统具有交错或分区 的贵金属分布。然而，在这些系统中，较高负载的区域通常是催化剂系统的上游部 分，其用于改进系统的活化性能。因此，贵金属在NOx捕集器110的布置中，较高 负载的部分位于后部的情形，是意想不到和独特的。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114每个都可 以具有任何适合的催化金属浓度。例如，在某些实施形态中，第一催化NOx存储与 转化区域112可以具有约在0.35克/升至2.1克/升(10至60克/立方英尺(gpcf)， 1???gpcf≈0.035克/升)范围内的催化金属浓度，而第二催化NOx存储与转化区域114 可以具有约在1.75克/升至5.25克/升(50至150gpcf(克/立方英尺))范围内 的催化金属浓度。在另外的实施形态中，第一催化NOx存储与转化区域112可以具 有约在1.0至2.2克/升范围内的催化金属浓度，而第二催化NOx存储与转化区域 114可以具有约在1.8至5.2克/升范围内的催化金属浓度。在一种具体实施形态 中，第一催化NOx存储与转化区域具有约1.8克/升的催化金属浓度，而第二催化 NOx存储与转化区域具有约4.8克/升的催化金属浓度。应理解，这些范围只是示意 性的，且第一和第二催化NOx存储与转化区域112和114也可以具有这些范围之外 的催化金属浓度。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114相对于彼 此及相对于发动机10中的其他组件可以具有任何适当的空间关系。例如，第一催 化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114可以容纳在单个外 壳116内，或可以容纳在以包含了排放流的导管(未展示)流体连接的各自的外壳 内。在某些实施形态中，可以通过将不同的催化金属浓度载于单个支撑结构的不同 部分上的方式，在该支撑结构上形成第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化 NOx存储与转化区域114，而在另外的实施形态中，可以在物理上分开的支撑结构 上形成第一和第二催化NOx存储与转化区域。类似地，三元催化剂100可以和NOx 捕集器110一起容纳在相同的外壳内，或可以容纳在不同的外壳118内，如图2 所示，并通过导管120连接到NOx捕集器110。
第一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114相对于彼 此可以具有任何适当的尺寸和/或体积。例如，当在一个支撑结构上形成第一催化 NOx存储区域112和第二催化NOx存储区域114时，每个催化NOx存储与转化区域都 可以占据NOx捕集器的体积、表面积，或其他尺寸和/或容量值的大约二分之一。 或者，第一或第二催化NOx存储与转化区域可以占据少于或多于NOx捕集器的体积、 表面积，或其他尺寸和/或容量值的二分之一。例如，第一或第二催化NOx存储与 转化区域可以占据NOx捕集器体积、表面积等等的1/2，1/3，1/4，1/5，1/6，等 等，或大于、小于和在这些分数之间的值。当在分离的支撑结构(未展示)上形成第 一催化NOx存储与转化区域112和第二催化NOx存储与转化区域114时，支撑结构 可以具有类似的或不同的尺寸、体积、表面积等等。
试验结果
图3为图表，展示在均匀负载2.45克/升(70 gpcf)Pt/Rh(铂/铑)的NOx捕集 器的2.54厘米(一英寸)芯和成分相同且其中前半部分负载1.4克/升(40gpcf) Pt/Rh而后半部分负载3.5克/升(100gpcf)Pt/Rh的两个1.27厘米(半英寸) 芯(“40/100系统”)的NOx存储与转化效率之间进行比较的试验结果。在60秒 稀混合气/5秒浓混合气的循环中做出测量。这些测试在25000hr-1的恒定空速下执 行。在测试之前，每个NOx捕集器样品在根据预定的例程以1000℃的最高温度在老 化的1/2＂三元催化剂之后在脉冲火焰燃烧反应器上以800℃的入口温度老化50小时。 对40/100系统，单独老化1.4克/升(40gpcf)和3.5克/升(100gpcf)的1＂ 芯，然后在3.5克/升(100gpcf)部件的后半部分前面测试1.4克/升(40gpcf) 部件的前半部分。
如图3所示，负载于400℃及以下，40/100系统优于均匀负载的2.45克/升(70 gpcf)负载，此情形贵金属浓度对NOx存储性能具有显著影响。然而，在大约450 至500℃的范围内，贵金属浓度具有较少的影响时，两个系统的性能很接近。
如上所述，图3中的测试在25000hr-1的恒定空速下执行。然而，在汽车上，排 放流过NOx捕集器110的流量通常随着温度增加而增加。因此，用随着温度变化的 流量进行测试来确定NOx捕集器110的性能。1.8g/升Pt/Rh，4.8g/升Pt/Rh，及 3.3g/升Pt/Rh的样品根据预定的例程用最高1000℃的温度老化了50小时，而在 老化过程中没有三元催化剂在前面。在测量这些样品的NOx转化效率期间，流量是 随着温度升高而增加，因此随着温度从200℃升高到600℃，空速从10,000hr-1线 性地增加到50,000hr-1。在4.8g/L样本的后1/2＂部的前面测试1.8g/L样本的前1/2＂ 部，并将其与具有3.3g/L负载包含了相同的贵金属总量的1＂样本的性能进行比较。 图4表明，1.8+4.8g/L组合在所有的温度上都优于均匀的3.3g/L负载。
已发现当具有较高催化金属浓度的催化NOx存储与转化区域114放置在具有较 低催化金属浓度的催化NOx存储与转化区域112之后时，催化金属的耐久性(即， 对热老化的抵抗力)提高。由于这样的布置，具有较高催化金属浓度的区域114在 化学计量组合的混合气或浓混合气操作期间得到保护，免于催化金属上的碳氢化合 物、CO和NOx的反应所导致的大部分的热老化，而具有较高催化金属浓度的区域 114有助于在老化之后在较低的温度下提供良好的NOx存储性能。
图5将图3的40/100系统与其上游催化NOx存储与转化区域(3.5克/升(100 gpcf))具有比下游催化NOx存储与转化区域(1.4克/升(40gpcf))更高的催化金 属浓度的100/40系统的性能作比较。在恒定的空速下进行测量。如所示，40/100 系统在300℃和350℃优于100/40系统。在较低温度上的这种提高归功于在后面的 位置上被老化的3.5克/升(100gpcf)区域的低温性能的更好的保持力。100/40 系统的表现与在这些温度下的均匀的2.45克/升(70gpcf)系统相似，这归因于 3.5克/升(100gpcf)区域在前面的位置上已被老化了更多这一事实。
图6将图4的1.8+4.8g/L系统与对应的4.8+1.8g/L系统(即，其中上游催化 NOx存储与转化区域具有4.8g/L的催化金属浓度，而下游催化NOx存储与转化区域 具有1.8g/L的催化金属浓度)的结果作比较。在线性增加的空速下进行图6的测 量。又，如所示，在捕集器下游部分具有较高的催化金属浓度的NOx捕集器优于在 捕集器上游部分具有较高催化金属浓度的系统。应注意，1.8/4.8和4.8/1.8NOx 捕集器两者都优于均匀负载的NOx捕集器。
虽然图2所述的NOx捕集器实施例包括两个催化NOx存储与转化区域，但应理解， 在此揭示的概念可以扩展到包含两个以上具有不同催化金属浓度的催化NOx存储与 转化区域的NOx捕集器。例如，图7在210概括地展示了包含三个催化NOx存储与 转化区域212、214和216的例子的NOx捕集器。催化NOx存储与转化区域212具有 比催化NOx存储与转化区域214更低的催化金属浓度，而区域214具有比区域216 更低的催化金属浓度。类似地，图8在310概括地展示了包含四个催化NOx存储与 转化区域312、314、316和318的例子的NOx捕集器。催化NOx存储与转化区域312 具有比区域314更低的催化金属浓度，而区域314具有比区域316更低的催化金属 浓度，依次地区域316又具有比区域318更低的催化金属浓度。此外，如果需要的 话NOx捕集器可以包含五个、六个、七个或更多不同的催化金属区域。此外，如图 9中的410所示，金属催化剂浓度可以按连续方式沿着NOx捕集器的长度增加，而 不是具有离散的区域。此外，也可以使用图2和7-9中未展示出的催化金属浓度变 化。例如，金属催化剂浓度可以沿着排放流流过NOx捕集器的方向按指数或对数方 式增加，或可以按任何其他非线性方式增加。
虽然如图2和7-9的实施例描述的NOx捕集器在捕集器的上游区域具有更低的 催化金属浓度而在捕集器的下游区域具有更高的催化金属浓度，但应理解，上游区 域也可以具有比下游区域更高的催化金属浓度。虽然这种配置对热老化的抵抗力可 能不象上游区域具有更低的催化金属浓度的配置那样强，但图5和6中所示的试验 结果表明，这样的配置仍然可以提供比具有均匀的催化金属负载的NOx捕集器更好 的NOx存储与转化性能。
控制系统和方法
此外，应理解，在此揭示的反应条件本质上是示意性的，且这些具体实施形态 不应视为具有限制含义，因为大量的变化都是可能的。本发明的主旨包括各种催化 金属浓度、分区配置、NOx捕集器设计，以及与在此揭示的NOx捕集器有关的其他方 面的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。本申请的权利要求只是特别指出被 视为新颖和非显而易见的特定的组合及子组合。这些权利要求可能提到“一”要素 或“第一”要素或其等同。这样的权利要求应被理解为包括一个或多个这样的要素， 而并不要求或排除两个或多个这样的要素。催化金属浓度、分区配置、NOx捕集器 设计的其他组合及子组合，和/或其他特征、功能、要素，和/或属性可以通过在本 申请或相关申请中提出新的权利要求来要求其权利。这样的权利要求，无论是更宽 更窄、等同或不同于原始权利要求的范围，也被视为包括在本发明的主旨之内。
现参考图10-14，描述了考虑氧化剂(如NOx)的轴向负载的改进的控制系统和 方法。在一个具体例子中，可以在稀混合气工作期间估计捕集器中的NOx的轴向负 载，然后在浓混合气清除期间调整提供给捕集器的额外的还原剂的比率。
如上所述，可以基于各种参数调整在清除操作期间排气的空-燃比率(称为清除 空-燃比)，以尝试减少从排气管中释放出的未反应的NOx的量及由于过度清除造 成的HC/CO排放。这些参数可以包括温度、自清除开始以后的时间、排气质量流量， 及存储在捕集器中的NOx或氧化剂的总量。然而，如此所述，简单地依赖存储的组 分(如NOx)的总量可能会导致不合适的还原剂供给。参考图10对此进行更加全面 的描述。
图10展示沿着催化剂砖(catalyst brick)可如何对NOx进行轴向分布的两个 例子。例A具有较高的假设为均匀分布的NOx存储总量，而例B具有较低的假设为 均匀分布的NOx存储总量(两个例子展示相同的可用NOx位点总数量)。
在NOx清除期间，还原剂波阵面(wave-front)可以视为沿着排放控制装置的 轴向长度移动，如下面参考图11更详细地描述的那样。例如，当向捕集器提供还 原剂时，还原剂首先遇到存储在前部表面附近的NOx。然后，随着提供更多的还原 剂，还原剂逐渐移过催化剂的轴向长度，与存储的氧化剂反应，直到出现突破(这 时清除可以终止)。以此方式，发生在催化剂上游部分中的反应影响催化剂下游部 分中的反应(和可用的反应物)，从催化剂的前部到后部也是如此。
因此，回到图10，在任何给定位置，如x，如果所供给的还原剂的量是基于假 设的均匀分布的量，则可能有过多的还原剂(x2)(或过大的流量，或过大的质量 流量等等)或过少的还原剂(x1)。只有还原剂波阵面处于当均匀分布假设与存储 量(在x3)匹配时的点时，才是合适的可用还原剂的量。
因此，虽然存储的氧化剂的总量或百分比总量在确定还原剂的适当的量时可能 是有用的值，但是在一种方法中，也可以使用氧化剂的轴向负载来调整空-燃比(或 还原剂的流量)，从而可以获得改进的曲线。换句话说，通过确定NOx沿催化剂位 置(如，轴向长度)的存储分布，至少部分地基于NOx存储分布信息(可以是测量 出的、估计的或两者的组合)调整发动机空燃比(和/或空气流、燃料流等等)是 可能的。
现参考图11，其展示了可以划分(如，可以是在需要时为了评估目的的划分， 或物理上的划分)为多个部分的催化剂砖1110的例子。在此例中，所示的几个示 例部分(A-E)起始于催化剂砖的前部表面。虽然此例展示的是一个催化剂砖，但 可以同样地将其应用于任何数量的催化剂砖或排放控制装置，或催化剂砖的一部分 或排放控制装置的一部分。
这些部分通过水平线(和斜填充影线)在概念上表示存储在不同位置/部分的氧 化剂(如，NOx加上氧)的量。同时，图中还显示了还原剂波阵面在示例设置的示 例位置。这说明了对于给定的波阵面位置，如何使可用于与存储的氧化剂反应的还 原剂的量、能够与存储在将要面对的部分(如，在此例中为部分C)中的存储量相 匹配。换句话说，当波阵面经过前一个部分时(部分B)，可以调整排气空燃比(和 /或质量流量，或排气组分)以在通过部分B时包含更多还原剂，然后波阵面通过 部分C。此外，当波阵面到达部分D时，正好有较少的还原剂可用。并且，当波阵 面到达部分E时，理论上已没有可用的还原剂。
因此，可以在上游(如，在发动机排气，或催化剂砖810上游的排气中)调整 排气空燃比(和/或质量流速，或排气组分)从而当波阵面到达E时，例如，空燃 比已回到化学计量组成的混合气或稀混合气，及波阵面的空燃比是化学计量组成的 混合气或稀混合气。还应注意，由于传输延时以及根据在特定部分上游可能发生反 应，可以在想要的波阵面还原剂的量设置之前调整排气空燃比，。可以按闭环方式 根据来自位于稀混合气NOx捕集器砖之间或之内的传感器的空燃信息反馈，修改/ 修正想要的空燃比分布。注意，存在用来调整提供给该装置的还原剂的量和/或比 率的各种方法，其包括改变空燃比、改变排气质量流、改变喷入排气中的还原剂的 量，或其他。
此方法，或任何其他在此所示的方法，都可以应用于在各种位置和尺寸的排放 控制装置或催化剂砖，包括并联或串联的装置。例如，在这样的情况下，如果存在 多个位于独立箱体中的NOx捕集器的话，可以基于每个箱体执行对轴向负载的估计 和对应的清除控制。
现参考图12，图示是用于执行轴向NOx和/或氧分布的确定的流程图。在此具体 例子中，描述了假设氧为均匀分布时用于估计NOx的轴向负载的例程。然而，如果 需要的话，这也可以扩展到包括氧及其他氧化剂的轴向分布。然后在发动机操作期 间产生在线可用的估计参数，以在控制操作(如清除期间的发动机或排气空燃比) 中和在确定装置性能降级(如发动机或催化剂劣化)中有利使用。
首先，在步骤1210，例程为了估计目的将催化剂划分为多个部分。各部分的尺 寸可以是恒量或沿着长度改变，以在更多存储或反应活动发生时提供更高的分辨 力。同时，也可以在所有的条件下使用固定数量和尺寸的部分，如此可以跳过步骤 1210。或者，各部分的数量或尺寸可以基于其他操作条件变化，这些操作条件如装 置温度、发动机起动以来的时间、催化剂劣化，和/或其他。
然后，在步骤1212中，对每个部分，例程估计进入的还原剂、进入的氧化剂、 存储的氧化剂、释放的氧化剂、流出的还原剂，和/或流出的氧化剂。注意，对多 数上游部分，可以基于排气内容、或发动机输出组分来估计组分。为此估计的输入 可以包括：每个部分的温度、部分的尺寸、部分(沿排气流长度)的轴向位置、每 个部分的劣化(如老化和/或硫磺污染和去除)、每个部分的贵金属负载，它们的 组合，及其他。此外，此估计可考虑空速对氧化剂(如NOx)的存储/清除的影响。
最后，在步骤1214，例程使用部分估计来调整各种发动机和/或排气参数。例 如，例程可以使用部分估计来确定何时终止稀混合气操作并清除存储的氧化剂、在 NOx清除期间选择空燃比，如清除期间的空燃比分布，和/或估计何时终止浓混合气 清除操作。
在一个例子中，估计可以包括对每个部分确定所需要进入的还原剂的量，以致 当实际的还原剂到达该部分时，有正确的进入的还原剂的量可用于存储在该位置的 NOx和氧的量(并考虑对下游部分或排气管排放的任何影响)。然后，此所需的进 入还原剂的量可以用于确定排气中在时间上的所需空燃比分布，以及其他的参数， 如所需的排气温度、所需的排气质量流量，及其他。
现参考图13，其中描述了基于在排放控制装置中的轴向信息来控制发动机操作 的例程。具体来说，在步骤1310中，例程监视存储在该装置中的NOx的量，及NOx 存储沿催化剂长度的分布。例如，可以使用上述估计。也可以使用来自上游和/或 下游排气传感器的更多的附加信息来监视沿催化剂长度的NOx存储量和位置。例如， 可以使用排放控制装置上游、下游或其中的NOx和/或氧传感器来改进任何对氧化 剂存储量和/位置的确定。
然后，在步骤1312中，例程确定存储的量/位置评价是否触发从稀混合气到化 学计量组成的混合气或浓混合气的临时空燃比变化，以便清除存储的氧化剂，如 NOx。例如，可以使用存储在不同轴向位置的NOx的加权平均来触发这样的操作。在 另外的实施形态中，可以使用下游的NOx传感器确定每段距离的排放量来触发这样 的操作。
接下来，当对步骤1312的回答为是时，例程进入步骤1314。或者，例程继续 保持或返回稀混合气或化学计量组成的混合气的操作。在步骤1314中，例程基于 存储的NOx、存储位置，和/或还原剂波阵面的轴向位置、装置温度(或温度沿轴向 长度的分布)或它们的组合，选择所需的排气空燃比值。可以使用来自位于稀混合 气NOx捕集器砖之间或内部的传感器的空燃信息反馈，按闭环方式修改/修正所需 的空燃比分布。然后可以使用所需的空燃比来调整发动机操作(如，燃料喷射、空 气流量等等)，以提供所需的空燃比。
然后，例程从步骤1314进入步骤1316，通过监视还原剂波阵面的位置和波阵 面处的还原剂的量确定NOx清除是否完全。这可以使用上述估计以及来自排放控制 装置上游、下游或其中的排气传感器的信息做出。例如，如果氧传感器位于给定的 轴向位置，则它可以基于测量得到的氧浓度检测还原剂波阵面的移动。在一个例子 中，当检测到缺乏氧(例如，在某阈值之外)时，可以确定还原剂波阵面的位置。
如果清除不完全，则例程返回步骤1314。如果清除完全(如，波阵面已到达选 择的具有给定强度的轴向位置)，则例程进入步骤1318以回到稀混合气(或化学 计量组成的混合气)操作。
以此方式，例程可以使用存储的NOx的量和存储的位置来控制发动机和/或汽车 操作的各个方面。例如，可以使用此信息来确定何时清除催化剂、用多长时间清除 催化剂，及排气在不同的时间段的浓度水平和/或用于清除催化剂的还原剂质量流 量。此外，可以使用此信息来获得对催化剂性能下降的改进的估计，及改进脱硫控 制、温度控制，或其他。
现在更详细地描述操作方法和系统配置之间的几种交互作用。例如，在本发明 的控制策略中处理的两个问题是：利用排放控制装置中(如，稀混合气NOx捕集器) 的贵金属分区的能力，及利用较高负载和较低负载区域之间潜在的不同温度窗口的 能力。
如上所述，因为沿催化剂砖长度的至少一部分上的负载(如，Pt负载)可以不 均匀，沿着该催化剂砖长度的NOx存储容量也可以不均匀(其中位点的数量可以均 匀也可以不均匀，因为容量也可以取决于贵金属)。因此，在一个例子中，对NOx 捕集器行为的估计可以将催化剂砖明确划分为至少两个区域，一个具有较低的每单 位体积位点密度，而另一个具有较高的每单位体积位点密度。或者，可以将模型划 分为两个以上的区域，以解决沿催化剂砖长度发生的有差别的老化。例如，催化剂 的前部可能比催化剂的后部劣化更快。
因此，白金族金属(PGM)分区的一个优点是它允许增加老化部分的容量，由于 起初在催化剂砖后部设置了更多位点放置。捕集器的容量作为位置的函数可以使用 下面形式的方程式来调整：
Cap(z)＝Cap0(z)*exp(-k*t)
其中Cap是作为轴向位置z的函数的容量，Cap0是作为轴向位置z的函数的初 始容量，t是时间，而k表示作为温度和/或空燃比的函数的劣化相对比率。可以 调整此模型来确保作为位置的函数的容量总和等于通过传感器或其他方法测量的 催化剂砖总容量。这允许对存储在催化剂砖中的NOx的量作为时间和位置的函数进 行精确预测，然后可以将其用在控制策略(如，确定所需空燃比、所需催化剂温度 等等)中来改进性能。
然而，请注意，即使NOx捕集器负载可以在轴向上有变化，氧存储仍然可以沿 着一特定的催化剂均匀分布(或可以假设如此)。换句话说，对特定的催化剂砖(具 有特定的氧存储贵金属负载)，即使NOx存储在轴向上改变，也可以假设氧存储是 均匀地分布在该催化剂砖上。然而，不同的催化剂砖可以有不同的、取决于给定催 化剂砖上的总负载的氧存储容量。或者，也可以包括催化剂不同部分中氧存储的变 化，其中氧存储容量随着PGM负载而增加。
使用沿着长度具有变化的负载的装置的另一个潜在优点是更靠前的区域的氧存 储容量可以少于更靠后的区域的氧存储容量。具体来说，在较高温度的稀混合气条 件下，更高的PGM负载可以催化硝酸盐的分解。因此，在较高温度操作期间，在靠 前的区域中会比靠后的区域存储更多的NOx。因为由于更低的PGM使得在靠前的区 域中存在更少的氧存储容量，所以清除靠前的区域所需的还原剂更少了(因为更少 的还原剂被用来和氧发生反应)。换句话说，对比更高PGM被存储在更靠前的区域 中(且更多的NOx存储在后部)的情形(这情形需要首先清除在更靠前的区域中的 更高的氧量)，可能需要较少的还原剂总量来清除给定量的NOx。以此方式，可以 实现更加高效的清除，及更好的燃料经济性。
可以使用于本发明的第二个控制特征可以利用高负载和低负载区域之间潜在的 不同温度窗口。图14展示了具有四种不同的PGM负载的四个装置老化之后在标准 实验室中试验的功效。如图14所示，具有更高PGM负载的装置在较低的温度上有 更好的性能，而具有更低PGM负载的捕集器在较高的温度上有更好的性能。再次， 这些效应和交互作用都可以包括在上述的控制和估计方法中，可以将排放控制装置 沿着轴向划分为离散的部分，从而使有能力解决任何性能区别，例如可以从催化剂 中释放NOx的温度(这可能取决于局部温度、空燃比、PGM负载，及存储的NOx量)。 由于这些因素中的一个或多个会作为位置的函数改变，可以充分利用NOx捕集器轴 向上的离散模型。