CN101149011A - 将还原剂注入废气馈送流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了包括将还原剂注入废气馈送流的设备和方法的用于内燃机的排气后处理系统。包括适合将还原剂注入废气馈送流的燃料计量装置和可控制的压力调节装置。控制模块操作地连接到还原剂计量装置和可控制的压力调节装置，并且适合在可控制的流量范围实现进入废气馈送流的还原剂的流量。

Description

将还原剂注入废气馈送流的设备和方法
政府合约权利
美国政府在本发明中具有已付的许可和在受限制的场合要求专利所有者在如通过由美国能源部授予的DE-FC26-02NT41218的条款规定的合理的条款上许可其它人的权利。
技术领域
本发明一般地属于用于内燃机的排气后处理系统，和将还原剂注入内燃机的排气后处理系统的上游的设备和方法。
背景技术
内燃机的制造厂商开发发动机控制策略以满足消费者需求并且满足对于排放和燃料经济性的不同的规定。一个这样的发动机控制策略包括以稀化学当量(stoichiometry)的空气/燃料比率操作发动机以改进燃料经济性和减少温室气体排放。使用压缩点火(柴油机)和稀燃的火花点火发动机，这样的操作是可能的。当发动机以稀(过量氧量)空气/燃料比率操作时，结果的燃烧温度更低，导致降低的发动机排出的NOx排放；然而，由于缺乏在稀排气条件下移除NOx的有效的方法，稀操作的发动机的商业应用受限制。从而，从柴油机和稀燃的汽油排气有效地减少氮氧化物(NOx＝NO+NO2)对于满足未来的排放标准并且改进车辆燃料经济性是重要的。
从包含过量氧量的排气馈送流减少NOx排放是对于车辆制造厂商的挑战。作为示例，估计服从美国的Bin5规定可能需要基于当前预期的发动机排出的NOx水平在FTP(联邦测试程序)周期上能够达到70％～90％的NOx转化效率的后处理系统。对于实际应用，必须在前面提到的FTP周期期间发生的低温度操作范围(例如，200～350摄氏度)和在高速测试周期(例如，US06联邦测试程序)期间发生的更高的温度操作范围(例如，450～550摄氏度)获得转化效率。
已经为车辆应用提出了数种可能的后处理系统。一种方法包括使用包括在尿素SCR催化剂的上游注入例如尿素的NOx还原剂以将NOx还原为N2的后处理系统。使用尿素作为还原剂需要尿素分配基础设施和用于此次级流体的车辆上的监测系统，并且由于尿素溶液的相对高的凝固点(-12摄氏度)，可能在冷的天气气候中具有潜在的问题。NOx存储催化剂通常需要大的催化剂体积、大量的铂系金属和低硫燃料用于有效的存储操作。这样的系统需要定期的催化剂再生，包括燃料注入以产生高废气温度和还原剂注入以再生催化剂的存储材料。
需要在宽范围的操作条件将还原剂引入废气馈送流的用于车辆和其它内燃机应用的有效的设备和方法。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了包括将还原剂注入废气馈送流的设备的用于内燃机的排气后处理系统。包括适合将还原剂注入废气馈送流的流体计量装置和可控制的压力调节装置。控制模块操作地连接到还原剂计量装置和可控制的压力调节装置，并且适合在可控制的流量范围实现进入废气馈送流的还原剂的流量。
本领域中的普通技术人员将通过阅读和理解接下来对实施例的详细描述明白本发明的这些和其它方面。
附图说明
本发明可以采取某些零件和零件的设置的物理形式，详细描述并且在形成本发明的部分的附图中示出这些零件和零件的设置的实施例，并且其中：
图1和2为根据本发明的动力系统的示意图。
具体实施方式
现在参考附图，其中，绘图仅是为了说明本发明的目的而不是限制本发明的目的，图1和2示出了根据本发明的实施例构造的内燃机10、排气后处理系统、和控制系统的示意图。
示例性的发动机和控制系统包括传统的四冲程内燃机10和电子发动机控制模块(‘ECM’)5。发动机10包括具有主要稀化学当量的操作方式的已知的压缩点火发动机。替代地，发动机10可以包括使用稀化学当量操作的许多发动机控制策略中的任何一个的发动机，例如，均质加载的压缩点火发动机，和稀燃的火花点火发动机。发动机10包括接附到曲轴的多个往复的活塞，曲轴可操作地接附到车辆传动系统以将牵引扭距输送到车辆传动系统。发动机10产生包括规定的组成元素的废气馈送流，通常包括碳氢化合物(‘HC’)、一氧化碳(‘CO’)、氮氧化物(‘NOx’)、和微粒物质(‘PM’)和其它物质。在排气后处理系统中通过诸如氧化和还原的过程将规定的组成元素部分地或完全地转化为无害的气体。
排气后处理系统包括作用为将废气馈送流的组成元素转化为无害的气体的集成的系统。排气集合管将发动机废气携带并且引导到排气后处理系统。示例性的后处理系统包括包含氧化催化剂(‘DOC’)14、碳氢化合物选择性的催化剂还原(‘SCR’)催化剂20、和包含与柴油机微粒过滤器(‘CDPF’)结合的第二氧化催化剂(‘DOC’)的催化剂24的催化反应器装置。催化反应器装置中的每个包括利用具有用于处理废气馈送流的组成元素的不同的能力的技术的装置，包括氧化、还原、还原剂定量给料、和微粒过滤。装置优选地使用已知的管和连接器串联连接。参考图1和2描述的特定的催化反应器装置的设置和使用打算是示例性的并且不限于特定的设计和布局。
SCR装置20包括在存在碳氢化合物还原剂的情况下操作以将排气内的NOx气体的大部分选择地还原为惰性的氮气的催化装置。示例性的SCR装置20使用银氧化铝(“AgAl”)作为催化材料，并且包括支撑在氧化铝修补基面涂层(washcoat)上的预先选择的重量百分比的Ag2O。催化材料的示例性的范围为2到4wt.％AgAl，支撑在400室每平方英寸堇青石单块底层上的修补基面涂层负载在2到3克每立方英寸范围内。替代地，HC-SCR装置可以利用数种已知的催化材料和具有负载范围并且支撑在底层装置上的修补基面涂层中的一种。应该理解，催化剂的细节打算仅是示例性的，以论证这里描述的系统和控制策略。
后处理系统包括优选地信号地连接到ECM5的感测装置和系统。感测装置优选地包括NOx传感器12、温度传感器26、和第二和废气感测装置22。NOx传感器12操作以监测排出发动机10的废气。温度传感器操作以在SCR催化剂20的上游监测排出DOC14的废气的温度，或者替代地，传感器能够放置在SCR装置20的底座上，在任一情况中确定SCR装置20的操作温度。废气感测装置22为操作以监测SCR催化剂20后面的废气的组成元素的第二传感器。NOx传感器12优选地包括操作以产生能够与废气馈送流内的NOx浓度的参数值相关的电信号并且还操作以产生能够与废气馈送流的空气/燃料比率的参数值相关的第二电信号的传感器，能够通过其确定废气氧含量。替代地，NOx传感器12可以为虚拟的NOx感测装置，包括操作以基于发动机操作条件确定NOx的参数值的驻留在控制模块内的算法。废气感测装置22能够包括操作以产生能够与SCR装置20后面的废气馈送流内的NOx浓度的参数值相关的电信号的NOx传感器。替代地，废气感测装置22能够包括操作以产生能够与SCR装置20后面的废气馈送流内的HC浓度的参数值相关的电信号的碳氢化合物传感器，用于反馈控制方案。替代地，废气感测装置22能够包括操作以产生能够与SCR装置20后面的废气馈送流内的O2浓度的参数值相关的电信号的氧传感器，用于反馈控制方案。根据需要可以在SCR装置20上游的后处理系统内使用其它传感器18，例如，用于诊断和反馈控制的氧传感器。
控制系统优选地包括包含ECM5的分布式控制模块体系结构。控制系统的控制模块适合提供对包括这里描述的动力系统的不同的车辆系统的协同控制。控制系统可操作以监测来自感测装置(例如，传感器12、18、22、26)的输入、综合有关的信息、并且执行算法以控制不同的执行器(例如，16、32)以实现控制目标，包括诸如燃料经济性、排放、性能、驱动性能、和对硬件的保护的参数。分布式控制模块体系结构包括ECM5，和使用者接口(‘UI’)13，其可操作地连接到多个其它装置车辆操作者通常通过其控制或指导车辆和动力系的操作。车辆操作者通过其将输入提供到UI13的示例性的装置包括加速器踏板、刹车踏板、传动齿轮选择器、和车辆速度巡航控制。前面提到的控制器和装置中的每个经由通常示出为项目6的高速局域网(‘LAN’)总线与其它控制器、装置、传感器、和执行器通信。LAN总线6允许在不同的处理器、控制模块、和装置之间结构化地通信控制参数和命令。利用的特定的通信协议是专用的。LAN总线和适合的协议提供前面提到的控制器和提供诸如防锁刹车、牵引控制、和车辆稳定性的功能性的其它控制器之间的稳健的信息传递和多控制器接口。
ECM5包括经由数据总线信号地电连接到易失和非易失存储器装置的中央处理器。如图所示，ECM5可操作地接附到感测装置和其它输出装置以正在进行地监测和控制发动机10和排气系统的操作。输出装置优选地包括适当地控制和操作发动机必需的子系统，包括例如，进气系统、燃料注入系统、火花点火系统(当使用火花点火发动机时)、废气再循环系统、和蒸发控制系统。发动机感测装置包括可操作以监测发动机操作和外部条件并且通常经由配线信号地接附到ECM5的装置。
存储在非易失存储器装置内的算法通过中央处理器执行并且可操作以监测来自感测装置的输入并且执行发动机控制和诊断程序以使用预置校准信息控制发动机和排气后处理装置的操作。算法通常在预置周期期间执行，每个周期每个控制算法执行至少一次。在发动机操作期间，周期通常每个3.125、6.25、12.5、25和100毫秒执行。替代地，控制算法可以响应事件的发生执行。周期性的事件，例如，发动机加燃料的计算，可以每个发动机周期执行。诊断算法可以每个发动机接通周期执行一次。诊断算法可以具有更进一步的限制，包括在执行之前需要实现特定的使能标准。本领域中的普通技术人员能够通常地理解使用ECM5控制和诊断内燃机10的不同的方面的操作。
再次参考图1，本发明包括优选地在内燃机5的稀操作期间在催化装置中的一个(这里示出为SCR装置20)的上游将碳氢化合物还原剂注入示例性的内燃机10的废气馈送流的设备。设备优选地包括包含例如燃料注入器的流体或燃料计量装置的还原剂注入装置16，适合将碳氢化合物还原剂注入废气馈送流并且流体地连接到可控制的压力调节装置32。ECM5操作地连接到还原剂注入装置16和可控制的压力调节装置32，并且在可控制的流量范围控制进入废气馈送流的还原剂的流量。碳氢化合物还原剂优选地包括碳氢化合物燃料。排气系统包括感测装置，例如，传感器12、18、22、和26，操作以监测废气馈送流的参数，ECM5能够从这些参数确定废气温度、流速和排放的参数。ECM5包括包含前馈控制方案和反馈控制方案以基于HC1/NOx的优选的比率和废气馈送流参数特别是NOx浓度控制燃料计量装置和压力调节装置的算法。内燃机能够包括许多在稀空气/燃料比率区操作的发动机中的任何一个，包括例如，压缩点火发动机，和均质加载的压缩点火发动机。现在详细描述此实施例。
此实施例的还原剂注入装置16包括适合将柴油机燃料注入废气馈送流的普通轨道柴油机燃料注入器。改造柴油机注入器优选地包括添加适合用于将装置插入排气系统的接头，和材料改变以适应废气馈送流环境。来自发动机的燃料线路30将加压的燃料提供给可控制的压力调节器装置32，压力调节器装置32的输出流体地连接到还原剂注入装置16。还原剂注入装置16和可控制的压力调节器装置32每个操作地连接到ECM5，ECM5通过控制可控制的压力调节器装置32以控制燃料压力并且控制注入器打开脉冲宽度和重复速率以控制从还原剂注入装置16出来的燃料的质量流量来控制进入废气馈送流的还原剂的质量流量。
使用普通轨道柴油机燃料注入器注入燃料还原剂需要非常高的动态范围，或调节比(‘TDR’)，限定为来自注入器的最大流量和最小流量的比率。基于在多种测试周期的测试数据结合预期的发动机排出的NOx水平，在某些操作条件下需要在1.0克每秒的范围内的还原剂注入装置16的最大流速来有效地还原NOx，并且在某些操作条件下需要低到0.001克每秒的范围内的最小流速来有效地还原NOx，而没有对应的HC滑动或HC排放的突破。因此，预期具有超过已知的现有的碳氢化合物燃料注入装置的动态范围的1000∶1的TDR的还原剂注入系统。使用可控制的压力调节器32促进来自还原剂注入装置16的流速的宽范围，以实现规定的最大和最小流量。
可控制的压力调节装置32能够包括操作以以受控的压力在燃料线路内提供一定量的加压的燃料的许多已知的装置中的任何一个。示例性的调节器包括设计为提供为信号或参考压力和偏置压力的和的受控的压力的差压调节器。偏置可以是正的或负的。通过控制偏置压力，能够变化受控的压力。
如下确定还原剂的需要的质量流量。操作中，使用通过排气流内的NOx传感器12感测的数据测量发动机排出的NOx排放，通常以百万分率(‘ppm’)表示。ECM5使用发动机排出的NOx和废气温度(通过传感器26测量)确定与NOx还原相关的排气温度。基于进入发动机10的空气的质量空气流速和燃料和平均废气性质计算排气流速。基于催化剂体积和流速确定催化剂空间速度。空间速度表示以体积的形式的催化剂的每单位体积的废气的馈送速率，并且单位为小时倒数(1/h)。
通过确定峰值NOx还原和通过HC-SCR催化剂20的最小HC滑动需要的HC1∶NOx比率计算使用还原剂注入装置16注入排气的还原剂例如柴油机燃料的质量流量。用于确定峰值NOx还原和通过HC-SCR催化剂的最小HC滑动需要的HC1∶NOx比率的示例性的策略在作为参考加入的共同未决的题目为“METHOD AND APPARATUS TO SELECTIVELYREDUCE NOX IN AN EXHAUST GAS FEEDSTREAM”的美国专利申请_/_,_(律师案号GP-308485)中描述。能够使用柴油机燃料性质基于C1计算示例性的发动机10的整个操作范围需要的碳对NOx比率，HC1∶NOx。以表格形式存储在ECM5的存储器装置内的校准信息包括在废气温度的范围和催化剂空间速度参数的范围确定的多个优化的HC1∶NOx比率。在前馈控制方案中，ECM5内的算法使用对于给定的温度和给定的SV优化的HC1∶NOx比率实现通过HC-SCR装置20的NOx还原。此外，能够使用来自注入装置16后面和SCR催化剂20上游的排气馈送流内的氧传感器(没有示出)的反馈调节HC定量给料的幅度。例如，排气内的低氧水平趋于导致改进的NOx效率。因此，当废气馈送流内的氧水平下降时，能够减小HC注入的幅度。
如下确定注入的还原剂的质量。通过ECM5使用来自传感器的信息确定废气馈送流内的NOx排放的幅度。从前面提到的对于特定的废气温度和催化剂空间速度的表格形式的校准信息确定优化的HC1∶NOx比率的特定的值。NOx排放的幅度乘以优化的HC1∶NOx比率以确定基于C1的注入废气馈送流的注入的燃料的需要的量。作为示例，1ppm蒸发的柴油机燃料具有大约14个碳原子；因此，HC1∶NOx比率为10并且排气馈送流内具有100ppm输入NOx需要注入10×100/14＝71ppm柴油机燃料。从而，使用HC1/NOx比率计算和注入正确的燃料量用于在催化剂处的NOx还原。
现在参考图2，描述了系统的替代的实施例。第二系统包括参考图1描述的第一系统的全部方面，并且还包括流体地连接到可控的压力调节器装置32的输出的第二还原剂注入装置17。第二还原剂注入装置17通过ECM5控制并且操作以将受控的量的碳氢化合物注入第二催化装置的上游，在此实施例中示出为氧化催化剂14，以实现其脱硫。替代地(没有示出)，第二系统能够机械化为注入包括柴油机微粒过滤器(‘CDPF’)的催化剂24的上游，以实现其再生。
上文中参考实施例描述的系统适用于不同的压缩点火发动机和火花点火发动机的后燃注入方案。如上文中所述，这样的系统包括用于再生柴油机微粒过滤器的后燃HC注入，用于脱硫柴油机氧化催化剂的后燃HC注入，和用于再生和脱硫稀NOx催化剂的后燃HC注入。
这里描述的排气后处理系统包括催化反应器装置14，多个废气感测装置12、22、26，和还原剂注入系统。还原剂注入系统将还原剂分配到催化反应器装置20的上游的废气馈送流内，并且包括适合将还原剂注入废气馈送流的还原剂注入装置16和可控制的压力调节装置32。控制系统确定废气馈送流的参数和优选的还原剂馈送速率。在稀操作期间将还原剂注入系统控制到优选的还原剂馈送速率。使用这样的控制允许在获得催化剂上的最大的NOx还原的同时优化车辆燃料经济性。
已经特定地参考优选的实施例和对优选的实施例的修改描述了本发明。本领域中的普通技术人员通过阅读和理解本说明书可以想到更进一步的修改和改变。本发明打算包括属于本发明的范围的全部这样的修改和改变。

Claims (16)

1.将还原剂注入内燃机的废气馈送流的设备，其包括：
适合将还原剂注入废气馈送流的流体计量装置；
可控制的压力调节装置；及
控制模块：操作地连接到还原剂计量装置和可控制的压力调节装置，并且适合在可控制的流量范围实现进入废气馈送流的还原剂的流量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，流体计量装置包括适合在内燃机的稀操作期间在选择性的催化剂还原装置的上游将碳氢化合物燃料注入废气馈送流的燃料计量装置。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括控制模块：操作地连接到燃料计量装置和压力调节装置，并且适合：基于发动机排出的NOx浓度控制燃料计量装置和压力调节装置。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括控制模块：操作地连接到燃料计量装置和压力调节装置，并且适合：基于HC1/NOx的优选的比率控制燃料计量装置和压力调节装置。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括控制模块：信号地连接到操作以监测废气馈送流的参数并且操作以确定废气温度、流速和排放的参数的多个感测装置。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，适合在可控制的流量范围实现进入废气馈送流的还原剂的流量的控制模块包括适合执行前馈控制方案以基于HC1/NOx的优选的比率和废气馈送流参数控制燃料计量装置和压力调节装置的控制模块。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括适合执行反馈控制方案以基于HC1/NOx的优选的比率和废气馈送流参数控制燃料计量装置和压力调节装置的控制模块。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，可控制的流量范围包括在大约0.001克每秒到大约1.0克每秒的范围的来自燃料计量装置的燃料流量的范围。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，内燃机包括压缩点火发动机。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，内燃机包括均质加载的压缩点火发动机。
11.用于适合在稀空气/燃料比率区操作的内燃机的排气后处理系统，包括：
催化反应器装置；
多个废气感测装置；
操作以在催化反应器装置的上游将还原剂分配到废气馈送流内的还原剂注入系统，包括：适合将还原剂注入废气馈送流的流体计量装置，和可控制的压力调节装置；及
控制系统，适合：
确定废气馈送流的参数；
确定优选的还原剂馈送速率；并且
在内燃机的稀操作期间选择地将还原剂注入系统控制到优选的还原剂馈送速率。
12.根据权利要求11所述的排气后处理系统，还包括：还原剂注入系统操作以分配碳氢化合物还原剂；催化反应器装置包括碳氢化合物选择性的催化剂还原装置；并且，优选的还原剂馈送速率包括对通过碳氢化合物选择性的催化剂还原装置减小NOx浓度有效的碳氢化合物/NOx比率。
13.根据权利要求12所述的排气后处理系统，其中，催化反应器装置包括银氧化铝催化反应器装置。
14.根据权利要求11所述的排气后处理系统，还包括：还原剂注入系统操作以分配碳氢化合物还原剂；催化反应器装置包括柴油机微粒过滤器装置；并且，优选的还原剂馈送速率对再生柴油机微粒过滤器装置有效。
15.根据权利要求11所述的排气后处理系统，还包括：还原剂注入系统操作以分配碳氢化合物还原剂；催化反应器装置包括柴油机氧化催化装置；并且，优选的还原剂馈送速率对脱硫柴油机氧化催化装置有效。
16.将还原剂注入内燃机的废气馈送流的方法，包括：
提供操作以控制到适合将还原剂注入废气馈送流的燃料计量装置的流体压力的可控制的压力调节装置；及
选择地控制到燃料计量装置的流体压力并且控制燃料计量装置以控制进入废气馈送流的还原剂的流量。
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