CN101457681A - 一种柴油机后处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柴油机后处理系统，包括一紧耦合部分流通式金属过滤器，还包括一壁流式陶瓷过滤器，其中，第一级紧耦合式部分流通式金属过滤器设置于排气歧管出口处，其后设有一级壁流式陶瓷过滤器，所述部分流通式金属过滤器和壁流式陶瓷过滤器均涂覆有氧化型催化剂，整个后处理系统的能量利用率较高，主动再生过程中其内部出现烧熔或者开裂等失效形式的风险被大大降低，系统可靠性提高。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机排气后处理技术，具体涉及一种柴油机后处理系统。
背景技术
随着全球变暖和化石燃料的日益枯竭，具有较高燃油经济性和较少CO2排放的柴油机日益受到消费者和汽车厂商的青睐。据最新统计，现在欧洲有三分之一以上的新车都是柴油车。另外为了更好地保护人类赖以生存的自然环境，世界各国都制定了更加严格的排放法规。对于柴油机来讲，由于其自身工作的特点，微粒物PM(particulate matters)和氮氧化物NOx(nitrogen oxides)是它的两大主要排放物。为了满足各国排放法规对PM不断严格的排放要求，柴油机微粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)技术逐步发展起来。
DPF一般采用壁流式陶瓷载体，进出气侧分别有一侧的通道被堵塞，且每一个通道与相邻通道的堵塞侧都不一样。这样在排气通过过滤器时只能穿过多孔介质壁面，其中携带的细小颗粒物被捕集下来。由于所有的排气都经过过滤，所以壁流式载体的过滤效率较高，可以达到95％以上。但随着颗粒物被捕集到壁流式陶瓷内部，由于有效的流通面积逐步减少，因此排气背压也逐步增加。而且当背压上升到一定程度，会对发动机工作产生恶劣影响，导致发动机熄火。此外还有一种部分流通式金属载体，当排气流过时部分气体直接穿通载体，另外一部分穿过不同载体通道之间的壁面后再流出载体，其中所含的颗粒物在穿越多孔壁面时被捕集。由于有部分排气是直接穿过捕集器的，所以对颗粒物的捕集效率不如壁流式陶瓷那样高，只有大约50％左右。但由于相同时间内颗粒物捕集的较少，因此背压随发动机运行时间上升的速率不像壁流式陶瓷那样快。且由于部分通道一直开通，所以背压上升有一定的限值，也就是不会导致发动机由于背压较高而熄火。
此外为了保证DPF能够长期重复使用，并使发动机能够在较低的排气背压下工作，需要通过一定措施将捕集到的微粒物去除，这种过程一般称为再生。现在常见的再生过程主要分为主动再生和被动再生两种方式。被动再生是通过在载体表面涂覆贵金属催化剂或者在燃油中添加催化剂，降低微粒物的氧化反应温度，或者利用NO2替代O2在较低的温度下将颗粒物氧化，从而在发动机正常运行过程中将捕集到的大多数微粒物再生掉。由于这种化学反应需要在一定的温度条件下才能进行(最低要250℃)，而在某些应用如城市公交车上，大部分运行工况条件下排气温度都满足不了要求，这样就会不断有颗粒物在过滤器内聚集。这种情况下就需要在颗粒物累计到一定程度以后采用主动再生的方法将颗粒物强制再生。所指主动再生是指通过电加热或者向排气管中直接喷射燃油燃烧等外加手段提高通过DPF载体的排气温度，从而将DPF中的微粒物再生掉。由于需要添加额外能量用于加热排气，所以主动再生需要消耗一定额外的燃油。另外由于顆粒物在DPF内的分布很不均匀，而且颗粒物燃烧过程中空气与颗粒物的局部混合条件及温度条件差异较大，因此主动再生过程一方面容易产生局部高温区，当超过载体材料的熔点时导致烧熔；另外载体内部也容易产生较大的温度梯度，在温度梯度下也会导致开裂等失效形式。因此在实际应用中如何加强对主动再生过程的控制成为现在DPF应用中的关键问题。
另外在主动再生方面，近期开发的采用电控喷油系统的柴油机主要采用缸内二次喷射技术，同时在排气系统中布置一级紧耦合柴油机氧化催化器DOC(Diesel Oxidation Catalyst)，后面紧跟DPF(多为催化型)。其中DOC的作用有多个方面：一是氧化排气中的HC和CO，并能部分氧化微粒物，主要是其中的可溶性有机物成分；二是将排气中的NO氧化成NO2，在排气温度250℃以上时将DPF捕集到的颗粒物氧化，这种形式属于被动再生；最后当在缸内进行二次燃油喷射时，由于喷射在做功冲程后期，缸内气体压力和温度都不满足着火条件，所以这部分燃油以气态形式排出气缸；在经过DOC时在一定的温度条件下(DOC起燃温度以上)被DOC氧化燃烧，从而将排气温度提高到550℃以上，将下游DPF内的颗粒物烧掉，这个过程属于主动再生。也就是说对于这种DPF系统，再生方式属于被动再生与主动再生的混合再生方式。对于该系统来讲，主动再生的控制仍是关键。
对于这种系统，在具体应用中根据DPF后处理系统在整车上的布置空间，有几种不同的结构方案。一种常见的布置方式是采用紧耦合式的DOC布置，后面紧跟DPF(一般涂覆催化剂)。这种布置方案可以充分利用发动机排气热量，减少高温排气到达DOC和DPF时的热量散失和温度降低。这样DOC可以在相对较低的发动机排气温度下达到本身需要的催化剂起燃温度，同时当发生主动再生时，DOC氧化燃油喷雾释放的热量也可以尽可能多地用于DPF载体温度的提高，从而减少对应的后喷燃油量和主动再生持续时间。
对于这种DPF应用系统，实际应用中主要有两方面的问题：第一，主动再生过程中，紧耦合式DOC本身也要吸收一部分氧化燃油产生的热量，而其温度升高到600℃除了对催化剂造成极大的热损伤以外，没有任何的其他作用，因为其本身并不捕集颗粒物，所以被其吸收的热量白白浪费掉；当DOC体积较大时，这部分热量就比较可观；第二，当DPF采用壁流式陶瓷载体时，由于陶瓷载体本身的热传导性能较差，主动再生过程中陶瓷载体内部容易产生较大的温度梯度，以及局部高温区，从而生成开裂和烧熔等失效形式；在实际应用中为了避免这种失控再生的发生，一般通过控制主动再生开始时DPF内的颗粒物质量(通常称为颗粒物装载水平，用单位体积内的颗粒物质量加以衡量)来加以解决。这样对于一定体积的DPF载体，容积利用率就比较低，两次主动再生之间的间隔也较短，对于载体寿命以及系统油耗都是不利的。
即现有技术的处理系统在浪费大量热量的同时，还极有可能被高温损坏柴油机后处理系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型柴油机后处理系统，解决这种采用紧耦合式DOC和DPF布置，并通过采用缸内燃油二次喷射实现主动再生的DPF系统在实际应用中，整个系统热量利用效率不高，燃油消耗率较高的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
首先在靠近排气歧管出口的位置布置一级紧耦合部分流通式金属过滤器(涂覆氧化型催化剂)，其后再布置一级壁流式陶瓷过滤器(涂覆氧化型催化剂)。主动再生过程中，紧耦合部分流通式金属过滤器将缸内未燃后喷燃油喷雾氧化放热，部分热量用于自身温度提高，将其自身捕集到的颗粒物氧化燃烧；同时燃油喷雾燃烧释放的剩余热量以及金属过滤器主动再生过程释放的热量，都可以用于加热废气，为陶瓷过滤器的主动再生创造温度条件。另外金属过滤器分担了陶瓷过滤器过滤颗粒物的任务，这样主动再生开始时壁流式陶瓷过滤器内的颗粒物装载水平就可以控制在较低的水平，从而降低主动再生过程中发生烧熔和开裂等失效危险，提高系统可靠性和陶瓷过滤器使用寿命。
具体技术方案如下：
一种柴油机后处理系统，包括一金属过滤器和一陶瓷过滤器，该金属过滤器设于排气歧管出口处，该陶瓷过滤器设于该金属过滤器后，连接排气出口。
所述金属过滤器为一级紧耦合部分流通式过滤器。
所述陶瓷过滤器为一级壁流式陶瓷过滤器。
所述金属过滤器和/或陶瓷过滤器涂覆有氧化型催化剂。
所述金属过滤器可捕集部分颗粒物。
所述金属过滤器内涂覆的氧化型催化剂可对排气中的HC，CO、NO以及部分颗粒物进行氧化。
与目前现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)涂覆了氧化型催化剂的部分流通式金属过滤器，在氧化排气中残余的燃油喷雾时，同时将自身捕集到的颗粒物氧化燃烧，这样金属过滤器本身吸收的由缸内二次喷射燃油氧化燃烧释放的热量就得到了应用，整个后处理系统的能量利用率较高。
(2)部分流通式金属过滤器部分分担了壁流式陶瓷过滤器对排气中颗粒物的过滤任务，这样主动再生开始时壁流式陶瓷过滤器内的颗粒物装载水平就可以控制在较低的水平，主动再生过程中其内部出现烧熔或者开裂等失效形式的风险被大大降低，系统可靠性提高。
(3)部分流通式金属过滤器同样还可以部分氧化排气中的微粒物，并且将部分NO氧化成NO2用于DPF被动再生，从而延长两次主动再生之间的间隔，提高部分流通式金属载体和壁流式陶瓷载体的使用寿命，并能够相对降低发动机油耗。
附图说明
图1：典型DPF系统工作原理图
图2：新型柴油机后处理系统工作原理图
1：紧耦合式DOC 2：壁流式陶瓷过滤器 3：紧耦合部分流通式金属过滤器A：排气入口 B：排气出口
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
在发动机排气温度低于时250℃时，涂覆了氧化型催化剂的部分流通式金属过滤器一方面对柴油机排气中的大多数HC和CO，以及部分微粒物进行氧化，并且还能将排气中的NO氧化成NO2，同时还要捕集排气中一部分颗粒物。而未经过滤的废气在流经壁流式陶瓷过滤器时，其中所含的绝大多数颗粒物将被过滤，两级过滤器总的过滤效率可以达到95％以上。由于金属过滤器氧化了部分微粒物(包括粘附在微粒物上面的HC等)，因此相同条件下两级过滤器捕集到的颗粒物质量与单一的主动再生类型的DPF系统相比就减少了，从而延长了两次再生过程之间的时间间隔，对DPF系统的使用寿命非常有利。
在发动机排气温度超过250℃的工况下，排气中的NO在流经金属过滤器时被氧化成NO2，后者将金属过滤器和壁流式陶瓷过滤器内积累的颗粒物氧化消除，同时NO2被还原成NO，该过程为典型的被动再生。此外由于陶瓷过滤器本身也涂覆氧化催化剂，可以将NO再次氧化生成NO2，多次对颗粒物进行氧化，提高被动再生效率。
当陶瓷微粒过滤器中颗粒物装载水平达到主动再生的需要时，主动再生开始。除了为进行缸内燃烧进行的正常燃油喷射，在做功冲程晚期缸内进行二次后喷。由于此时缸内气体的压力和温度都不满足燃油点燃的条件，这部分燃油只是雾化后与其他废气一起排出气缸。这部分燃油喷雾首先在部分流通式金属过滤器处被催化剂氧化放热，将本身的温度提高到到500℃以上，这样金属过滤器内积累的颗粒物在高温下被氧化燃烧。由于金属载体具有较好的热传导性，因此再生过程中金属载体内部的温度梯队相对于陶瓷载体较小，不易发生由于温度梯度较大导致的开裂等失效。同时金属载体的热容也较小，流通阻力也较小，这样金属载体再生过程中温升也会较低，主要的再生热量将被高温排气带到陶瓷过滤器。也就是说，金属过滤器不仅完成了氧化燃油喷雾的作用，而且其吸收的排气热量也被用于自身捕集到的颗粒物的主动再生，系统热量利用效率较高。此外对于壁流式陶瓷过滤器处的主动再生，由于金属过滤器分担了部分颗粒物的过滤要求，所以对于相同体积的陶瓷过滤器，主动再生开始时过滤器内的颗粒物装载水平与单独采用壁流式陶瓷过滤器相比可以控制在较低的水平，这样主动再生过程中陶瓷过滤器出现烧融或者开裂等失效形式的风险将被大大降低。这样整个系统的可靠性和壁流式陶瓷的使用寿命均得到提高。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1、一种柴油机后处理系统，其特征在于，包括一金属过滤器和一陶瓷过滤器，该金属过滤器设于排气歧管出口处，该陶瓷过滤器设于该金属过滤器后，连接排气出口。
2、如权利要求1所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器为一级紧耦合部分流通式过滤器。
3、如权利要求1或阿2所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述陶瓷过滤器为一级壁流式陶瓷过滤器。
4、如权利要求3所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器和/或陶瓷过滤器涂覆有氧化型催化剂。
5、如权利要求1或2所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器内设有捕集装置，可捕集部分颗粒物。
6、如权利要求4所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器内设置的氧化型催化剂可对排气中的HC，CO，NO以及部分微粒物进行氧化。
7、一种柴油机后处理系统，其特征在于，包括一紧耦合式DOC，一金属过滤器和一陶瓷过滤器，该紧耦合式DOC设于靠近排气歧管出口处，该金属过滤器位于底盘下，连接该紧耦合式DOC，陶瓷过滤器设于该金属过滤器后。
8、如权利要求7所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器为一级部分流通式过滤器，所述陶瓷过滤器为一级壁流式陶瓷过滤器。
9、如权利要求8所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器和陶瓷过滤器均涂覆有氧化型催化剂。
10、如权利要求9所述的柴油机后处理系统，其特征在于，所述金属过滤器可捕集部分颗粒物并对排气中的HC，CO以及微粒物进行氧化。
11、一种柴油机后处理系统，包括一壁流式陶瓷过滤器，其特征在于，还包括一紧耦合部分流通式金属过滤器，其中，第一级紧耦合式DOC设置于排气歧管出口处，一级部分流通式金属过滤器布置在底盘下，其后设有一级壁流式陶瓷过滤器，所述部分流通式金属过滤器和壁流式陶瓷过滤器均涂覆有氧化型催化剂。
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