CN101936203A - 选择性催化还原排气后处理系统和包括该系统的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及选择性催化还原排气后处理系统和包括该系统的发动机。在本发明的一个实施例中，公开了一种排气后处理系统。所述系统包括配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)。所述系统还包括配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)。所述系统还包括排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF。此外，所述系统包括配置成从未涂层PF接收排气流的选择性催化还原(SCR)催化剂，其中，所述OC、未涂层PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。尿素喷射器可作为EF计量装置设置且被布置成喷射尿素，例如喷射到未涂层PF上游的排气流中。

Description

选择性催化还原排气后处理系统和包括该系统的发动机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年6月26日提交的临时专利申请序列号61/220,667的优先权，上述申请的公开内容在此作为参考全文引入。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及排气处理系统，且更具体地涉及用于稀燃内燃机的排气处理系统和包括该系统的车辆。
背景技术
内燃机的制造商必须满足顾客要求且满足用于降低排放和改进燃料经济性的各种规定。改进燃料经济性的方法的一个示例是以稀于化学计量比(氧过量)的空气/燃料比操作发动机。稀燃发动机的示例包括压缩点火(柴油)发动机和稀燃火花点火发动机。然而，虽然稀燃发动机改进了燃料经济性，但是它们往往具有更高的氮氧化物(NOX)排放物。由于缺乏有效的方法来在排气流离开尾管之前从稀的排气流去除足够的NOX以满足规定，稀燃发动机的商业应用受到限制。因而，在排气离开尾管之前从稀燃汽油和柴油排气充分地还原NOX对于满足未来的排放标准和改进车辆燃料经济性来说是重要的。
从包括过量氧的排气流还原NOX排放物对于车辆制造商是一个挑战。据估计，基于当前预期的发动机排出NOX水平，遵循美国Bin 5规定可需要柴油和汽油发动机的后处理系统能够在FTP(联邦试验过程)循环上具有70-90％的NOX转化效率。这种转化效率必须在前述FTP循环的各个部分或者例如US 06联邦试验过程期间在200-550℃之间范围内的各个操作温度下获得。
已经提出了用于车辆应用的多种潜在后处理系统。这些系统采用各种排气后处理装置。一种这样的后处理系统采用尿素选择性催化还原(SCR)催化剂和NOX还原剂(例如，尿素)，尿素被喷射到催化剂的上游且被转化成用于将NOX还原成N2的氨。使用尿素作为还原剂需要用于该二次流体的尿素分配基础设施和车载监测系统，且由于尿素溶液的相对高的凝固点(-12℃)，在冷的天气气候中可能具有潜在问题。NOX存储催化剂通常需要大的催化剂体积、大量的铂族金属和低硫燃料，以便进行有效的存储操作。这种系统需要周期性催化剂再生，包括燃料喷射或还原剂喷射以再生催化剂的存储材料。
虽然采用SCR催化剂的系统已经用于具有过量氧的排气流中的NOX还原，但是由于可用于封装催化剂的期望组合的减小的空间，各种催化剂的封装是有问题的，特别是在具有相对较短轴距的相对较小的车辆中。例如，在一些较小的重型车辆中，期望在距发动机最远以及排气系统操作温度最低的地方封装SCR维持物(SCR last)，以便使得SCR催化剂材料的热降解最小化，从而使得SCR催化剂的操作寿命最大化。虽然期望该设置，但是在也提供用于将喷射的尿素转化为氨的所需混合长度的同时，通常没有足够的空间来封装SCR维持物，特别是在系统也采用用于还原NOX或氧化或还原其它排气成分(包括一氧化碳(CO)、各种碳氢化合物(HC)、颗粒物质(PM)等)的一个或多个附加排气处理装置时。
因而，期望开发一种在过量氧(稀燃)条件下使用SCR催化剂提供所需NOX转化且能够被封装在具有相对短轴距和小空间包迹的车辆上的排气后处理系统。也期望也在车辆上的可用空间内包括其它排气处理装置的同时定位SCR维持物，同时提供所需NOX还原效率。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，公开了一种排气后处理系统。所述系统包括配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)。所述系统还包括配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)。所述系统还包括排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF。此外，所述系统包括配置成从PF接收排气流的SCR催化剂，其中，所述OC、未涂层PF、EF计量装置和SCR催化剂构成排气后处理系统。
在本发明的另一个示例性实施例中，公开了一种内燃机和排气后处理系统。内燃机包括排气后处理系统。排气后处理系统包括配置成从发动机接收排气流的OC。所述排气后处理系统还包括配置成从所述OC接收排气流的未涂层PF。所述系统还包括排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF。此外，所述系统还包括配置成从PF接收排气流的SCR催化剂，其中，所述OC、未涂层PF、EF计量装置和SCR催化剂构成排气后处理系统。
在本发明的又一个示例性实施例中，公开了一种制造排气后处理系统的方法。所述方法包括提供配置成从发动机接收排气流的OC。所述方法还包括将未涂层PF流体地连接到所述OC以从所述OC接收排气流。所述方法还包括将EF计量装置流体地连接到PF的上游，用于计量进入排气流中的EF。此外，所述方法包括流体地连接SCR催化剂以从PF接收排气流，其中，所述OC、EF计量装置、PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。
方案1.一种排气后处理系统，包括：
配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)；
排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF；和
配置成从未涂层PF接收排气流的选择性催化还原(SCR)催化剂，其中，所述OC、EF计量装置、未涂层PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。
方案2.根据方案1所述的排气后处理系统，还包括配置成从SCR催化剂接收排气流的第二OC。
方案3.根据方案1所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂被容纳在单个壳体中。
方案4.根据方案1所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂各被容纳在独立壳体中。
方案5.根据方案2所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF、SCR催化剂和第二OC被容纳在单个壳体中。
方案6.根据方案2所述的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于金属或陶瓷基底或者其组合上。
方案7.根据方案6所述的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于单体流通基底上。
方案8.根据方案1所述的排气后处理系统，还包括位于OC上游的HC计量装置。
方案9.根据方案1所述的排气后处理系统，其中，EF计量装置包括尿素喷射器。
方案10.一种内燃机和排气后处理系统，包括：
内燃机，所述内燃机包括排气处理系统，所述排气处理系统包括：
配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)；
排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF；和
配置成从PF接收排气流的选择性催化还原(SCR)催化剂。
方案11.根据方案10所述的用于内燃机的排气后处理系统，还包括配置成从SCR催化剂接收排气流的第二OC。
方案12.根据方案10所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂被容纳在单个壳体中。
方案13.根据方案10所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂各被容纳在独立金属壳体中。
方案14.根据方案11所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，未涂层PF、SCR催化剂和第二OC被容纳在单个壳体中。
方案15.根据方案11所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于独立金属或陶瓷基底或者其组合上。
方案16.根据方案15所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于相同的单体流通基底上。
方案17.根据方案10所述的用于内燃机的排气后处理系统，还包括位于OC上游的HC计量装置。
方案18.根据方案10所述的用于内燃机的排气后处理系统，其中，EF计量装置包括尿素喷射器。
方案19.一种制造排气后处理系统的方法，包括：
提供配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
将未涂层颗粒过滤器(PF)流体地连接到所述OC以从所述OC接收排气流；
将排气流体(EF)计量装置流体地连接到未涂层PF的上游，用于计量进入排气流中的EF；以及
流体地连接选择性催化还原(SCR)催化剂以从未涂层PF接收排气流，其中，所述OC、EF计量装置、未涂层PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。
方案20.根据方案19所述的方法，还包括流体地连接第二OC以从SCR催化剂接收排气流。
附图说明
其它特征、优势和细节通过示例的方式在实施例的以下说明中显而易见，所述说明参考附图，在附图中：
图1是本文公开的内燃机和排气处理系统的示例性实施例的示意图；和
图2是本文公开的内燃机和排气处理系统的第二示例性实施例的示意图。
具体实施方式
现在参考图1和2，示意图描绘了特别适合用于多种类型的机动车辆1(例如，汽车、轻型火车、海上运输工具、ATV等)以及各种固定安装应用(例如，发电机、泵等)的内燃机10的示例性实施例。发动机10包括包含多个排气后处理装置的排气后处理系统2。排气后处理系统2的这些示例性实施例包括OC 14，例如，柴油氧化催化剂，用于氧化排气流4中的某些成分。OC 14位于PF 26(例如，柴油颗粒过滤器(DPF))的上游，PF 26用于从排气流4过滤PM。OC 14也可用于通过生成用于氧化PM的热量而再生PF 26，如本文所述。排气后处理系统2还包括位于未涂层PF 26下游的尿素选择性催化还原(SCR)催化剂28。任选地，系统2还可包括位于SCR催化剂28下游的第二OC 40，以氧化任何剩余的HC并减少HC、氨或CO逃逸通过系统(即在没有转化的情况下通过系统)的可能性。OC 14和SCR催化剂28被未涂层PF 26物理隔开提供了尿素可以蒸发和混合且通过散热和水解反应被转化成氨的更大距离，从而改进了尿素的转换效率并为发生该反应提供充分的机会，因而提高了SCR催化剂28的NOX转化能力。由OC 14中的氧化反应产生的热量进一步利于尿素转化。由于后喷射燃料仅用于发热，OC 14刚好处于PF 26的上游的位置增加了后喷射燃料的使用效率，且该布置将OC 14设置成紧邻PF 26，从而在燃料从车辆燃料箱抽吸的情况下减少燃料使用的热损失并增加PF 26以及发动机10或车辆1或者其二者的效率。
排气后处理系统2可与任何内燃机和发动机控制系统3一起使用。示例性发动机10和控制系统3包括常规四循环柴油、汽油或天然气燃料内燃机和电子发动机控制模块(ECM)5。发动机10可包括具有操作区域的压缩点火或柴油发动机，使得其主要是稀燃发动机且基于燃料量比燃烧所需的化学计量比量更低或更稀(或者从另一方面看，氧气超过化学计量比量)的空气/燃料混合物操作。替代地，发动机10可包括采用以稀于化学计量比操作的多种发动机控制策略中的任何一种的发动机，例如，均质充气压缩点火发动机和稀燃火花点火发动机。发动机10包括附连到曲轴的一个或多个往复活塞，曲轴操作性地附连到车辆1的传动系或者动力系，以将牵引扭矩传输给传动系。在操作期间，发动机10中的内部燃烧过程产生排气供应流或者排气流，排气供应流或者排气流以箭头4所示的方向行进且包含作为燃烧副产物的管制成分，且必须在从系统2释放(例如，释放到外部环境)之前由后处理系统转化。其中，由发动机10在稀燃条件下产生的排气流4的成分包括HC、CO、NOX和PM。
排气后处理系统2是一体系统，旨在处理排气流4中的管制成分以产生包括未管制成分或者可以从系统释放到外部环境的量的管制成分的流，例如通过将管制成分的量减少至可接受水平或者通过将管制成分化学转化为可释放的未管制成分。排气歧管11(或多个歧管)和相关管道13将排气流4输送并引导至排气后处理系统2和通过排气后处理系统2。参考图1-2，本文所述的排气后处理系统2(包括本文所述的部件或装置)采用具有用于处理排气供应流的成分的各种能力的技术，包括氧化、选择性催化还原、HC(例如，燃料)或还原剂(例如，尿素)计量和颗粒过滤，如本文进一步描述的那样。所述装置使用已知管或管道13和连接器串联地流体地和操作性地连接且彼此流体连通，以容纳和引导通过排气后处理系统2的排气流4。
再次参考图1和2的示例性实施例，OC 14与发动机10流体连通，且参照排气流4位于发动机10的下游，并配置成氧化排气流4的某些成分，以产生适合于在排气后处理系统2的其它部件中进一步处理的未管制副产物或成分，如本文所述。通常，OC 14是流通装置，如本文所述，由具有蜂窝状结构的金属或陶瓷单体或基底构成，所述结构包括多个大致平行的纵向延伸的互连单元，所述单元提供包括用于接收排气流4的多个流动通道的网络且由单元壁的相应网络隔开。基底具有沿单元壁的大表面面积。单元壁具有涂层，涂层包括多孔陶瓷基体，带有用催化有效量的Pt族金属催化剂涂覆的表面。合适的铂族金属包括Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir、或其组合。其中，Pt或Pd、或其组合(包括其合金)特别有用。包括Pt和Pd两者的金属特别有用，例如具有约2∶1至约4∶1的Pt∶Pd比的金属。当排气流4经过OC 14的长度(特别是流动通道和涂层的单元壁)时，铂族金属催化剂催化CO氧化为CO2，以及催化各种HC(包括气体HC和液体HC颗粒，包括未燃烧燃料或油、或者引入排气后处理系统中的燃料或其它HC反应物)氧化以形成CO2和H2O，从而减少有害的排放物。在一种配置中，在发动机的提前燃烧操作期间，控制系统3(包括ECM 5)可用于引起燃烧，导致在排气流4中的HC水平高于在正常燃烧期间产生的水平。OC 14配置成催化增加的HC量的至少一部分的分解，以便减少或者替代地防止排气流中的HC到达SCR催化剂28并通过降低其催化NOX的能力来减少或者替代地防止损害该装置，或者通过从排气后处理系统2释放而减少或者替代地防止到达外部环境。
OC 14，在用于柴油发动机10的排气后处理系统2的情况下例如柴油氧化催化剂(DOC)，可以配置成通过氧化将各种管制排气成分转化为其它管制或未管制排气成分。例如，OC 14可配置成将HC氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)，将CO转化为二氧化碳(CO2)，将二氧化硫(SO2)转化为三氧化硫(SO3)和/或硫酸(H2SO4)，以及将一氧化氮(NO)转化为二氧化氮(NO2)或其它。OC 14预期的示例性氧化反应提供如下：
HC+O2＝CO2+H2O                                   (1)
CO-1/2O2＝CO2                                    (2)
2SO2+O2＝2SO3                                    (3)
SO3+H2O＝H2SO4                                   (4)
NO+1/2O2＝NO2                                    (5)
应当理解的是，取决于排气流4中存在的反应物化合物及其浓度、OC 14的温度、以及选择作为催化剂的铂族金属，OC 14可配置成执行上述转化反应中的任何一个、上述转化反应中的组合、或者甚至所有上述转化反应。也可设想其它氧化反应，例如乙醛、多环芳香烃或其它的氧化。此外，OC 14中的反应可用于减少某些排放组分的气味。
OC 14可以容纳在独立壳体15中，壳体15包括金属壳体，例如具有入口开口和出口开口的金属罐或其它，配置成提供支撑并将流体流引导到OC 14，如图1和2所示。壳体15可包括具有圆柱形隔舱的任何合适形状或尺寸。在示例性实施例中，OC 14的壳体15是具有大约5.0公升体积的大致圆柱形形状，具有渐缩入口和出口以及相关安装凸缘，以将圆柱壁的尺寸减小，用于与具有相关安装凸缘的相应排气管道接合且流体联接到相应排气管道。隔舱以及本文所述的其它隔舱还可包括附连特征，例如位于隔舱的入口开口附近的圆柱形入口管和位于出口开口附近的圆柱形出口管，用于将OC 14流体联接到排气后处理系统2的排气管和/或其它部件。应当理解的是，OC 14(包括壳体15)可包括利于OC 14、或排气后处理系统2或控制系统3的操作的一个或多个附加部件，包括但不限于各种气体或温度传感器、喷射器(尿素或燃料喷射器)或其它。这种附加特征可特别利于监测排气流4的特性，例如某些排放成分(例如，颗粒物质或其它)的流率，其可特别利于确定启动某些系统过程(例如，PF 26或SCR催化剂28的再生)的必要性。
PF 26是壁流装置，由具有蜂窝状结构的陶瓷单体或基底构成，所述结构包括多个大致平行的纵向延伸的互连单元，所述单元提供包括用于排气流4的多个流动通道的网络且由多孔单元壁的相应网络隔开。基底具有沿单元壁的大表面面积。交替的相邻单元的入口或出口中的一个被堵塞，使得交替的入口阵列被堵塞，而直接相邻单元的入口敞开；交替的出口阵列被堵塞，而直接相邻单元的出口敞开。所述结构在单元壁中具有开孔。因而，排气流4经过所述多个入口且被强制通过多孔单元壁并进入相邻出口单元，其中，其然后流出所述多个未堵塞的出口。孔允许气体成分通过单元壁，同时PM被捕获在孔中，从而提供PF 26的PM过滤动作。PF 26可具有预定数量的孔，其被选择以在排气后处理系统2内的预定排气流率范围内选择性地过滤排气流4中的PM，孔尺寸被选择为小于排气流4中存在的PM的预定颗粒尺寸。在示例性实施例中，平均孔尺寸被选择为小于PM颗粒的平均尺寸。例如，在汽油燃料发动机中PM的平均颗粒尺寸通常小于柴油发动机中的PM的平均颗粒尺寸，因而，用于汽油发动机中的PF 26的孔尺寸可选择为小于用于柴油发动机中的PF 26(例如，DPF)的平均孔尺寸。可使用任何合适的孔尺寸。任何合适的材料可用于PF 26，包括各种高温陶瓷材料。在示例性实施例中，PF 26可包括陶瓷材料，包括堇青石或矾土或其组合。在示例性实施例中，PF 26未涂层，即，未用配置成催化排气流4的成分的氧化或还原的材料处理。
可设置SCR催化剂28，例如作为设置在具有蜂窝状结构的陶瓷流通单体或基底上的涂层，所述结构包括多个大致平行的纵向延伸的互连单元，所述单元提供包括用于排气流4的多个流动通道的网络且由单元壁的相应网络隔开。基底具有沿单元壁的大表面面积。涂层包括设置在陶瓷基体上的还原催化剂。涂层可沿单元壁以任何合适的配置设置。例如，涂层可邻近单元入口或单元出口或其组合、或者沿单元的整个长度定位。涂层包括多孔基体，带有用催化有效量的合适还原催化剂涂覆的表面。陶瓷壁流单体可由任何合适的陶瓷制成，包括堇青石或矾土等。
PF 26和SCR催化剂28适合于在排气后处理系统2和发动机10的大多数操作温度范围(包括从约302°F(约150℃)至约1202°F(约650℃)的典型排气处理系统操作温度)内提供NOX的还原(SCR催化剂28)和PM的收集和转化(PF 26)。PF 26未涂层且配置成在发动机10的整个操作温度范围(包括但不局限于从约-40°F(约-40℃)至约120°F(约49℃)的典型环境车辆存储/启动温度至高达约1292°F(约700℃)的操作温度)内过滤碳烟。在482°F(250℃)至约842°F(450℃)的温度范围内在存在NOX时发生PF 26的被动再生和碳烟颗粒的氧化，而大约500℃或更高的温度下(更优选在约1112°F(600℃)至约1202°F(650℃)的温度范围内)在存在O2时发生主动再生和碳烟颗粒的氧化。
SCR催化剂涂层包括多孔陶瓷基体，带有用催化有效量的贱金属催化剂(即，足以催化期望化学反应的量)涂覆的表面。合适的贱金属催化剂包括铜(Cu)、铬(Cr)或铁(Fe)、或其组合，包括其合金和化合物。多孔基体可包括任何合适的多孔基体。合适的多孔基体包括各种沸石。在Cu催化剂的情况下，合适的沸石在商业上称为ZSM-5。使用贱金属催化剂允许在不使用贵金属的情况下转化氮氧化物。SCR催化剂28使用氨来还原NOX。例如，在示例性实施例中，计量装置(例如，尿素计量装置17)设置在未涂层PF 26的上游，用于将排气流体(EF)(且在与柴油排气后处理系统一起使用的排气流体的情况下，将柴油EF(DEF)(例如，尿素))引入排气流4，例如通过将尿素溶液引入排气流4中。EF在距未涂层PF 26上游的足以允许流体(例如，尿素溶液)在排气流4中反应以在进入SCR催化剂28之前形成氨的距离引入。以下是SCR催化剂28预期的示例性转化化学反应：
尿素分解：
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2                                (6)
SCR催化剂28中的NOX还原反应：
6NO+4NH3→5N2+6H2O                                    (7)
4NO+4NH3+O2→4N2-6H2O                                 (8)
6NO2+8NH3→7N2+12H2O                                  (9)
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O                                (10)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O                                 (11)
应当理解的是，SCR催化剂28可配置成执行上述转化反应中的任何一个、或上述转化反应中的组合，包括所有上述转化反应。如上所述，SCR催化剂28在大约356°F(180℃)的操作温度下开始起作用，且可更优选地在大约482°F(250℃)至大约1022°F(550℃)的范围内操作。
参考图2，PF 26和SCR催化剂28可例如容纳在单个壳体25中，例如金属罐，配置成提供支撑并将排气流4引导进入PF 26并排出SCR催化剂28。壳体25可具有任何合适形状或尺寸，包括圆柱形形状。壳体25也可包括邻近入口开口定位的附连特征(例如入口管)和邻近出口开口定位的附连特征(例如，出口管)，用于将壳体25流体联接到排气后处理系统2的排气管和/或其它部件。应当理解的是，壳体25可包括利于排气后处理系统2的操作的一个或多个附加部件，包括但不限于各种传感器、计量装置(尿素或燃料喷射器)或其它。这种附加特征可特别利于监测排气流4的特性，例如某些排放成分的量或流率，其可特别利于控制排气后处理系统2，包括PF 26的再生。
排气后处理系统2还可任选地包括(单独地或者组合)附加排气后处理装置，包括催化或未催化颗粒过滤器、附加氧化催化剂、催化碳烟过滤器、碳烟过滤器、NOX捕集器、NSR催化剂、部分碳氢化合物氧化催化剂、空气泵、外部加热装置、贵金属催化剂、硫捕集器、磷捕集器、POX重整器等。每个附加排气后处理装置采用具有用于处理排气流4的成分的各种能力的技术。这些装置可使用已知管、管道和连接器串联地或并联地流体连接。在示例性实施例中，如图1和2所示，排气后处理系统2可包括第二OC 40以确保排气流4中的某些成分的氧化并防止其从系统释放，包括未燃烧的HC、氨、尿素或CO。第二OC 40可容纳在独立壳体45(图1)中，例如在上文针对OC 14所述，或者替代地，可与SCR 28或PF 26和SCR催化剂28一起容纳在单个壳体25(图2)中。
参考图1，未涂层PF 26和SCR催化剂28也可以例如分别容纳在独立壳体25.1、25.2中，例如金属罐，配置成提供支撑并将排气流4引导进入、通过并排出这些装置。壳体25可具有任何合适形状或尺寸，包括上文结合壳体15所述的圆柱形。在示例性实施例中，壳体25.1(PF26)和25.2(SCR催化剂28)是分别具有大约8.7公升和13.2公升体积的大致圆柱形形状，具有渐缩入口和出口，以将圆柱壁的尺寸减小，用于与相应排气管道接合且流体联接到相应排气管道。壳体25.1和25.2均还可包括位于入口开口附近的附连特征(例如入口管)和位于出口开口附近的附连特征(例如出口管)，用于将所述装置流体联接到排气后处理系统2的排气管和/或其它部件。应当理解的是，壳体25.1和25.2可包括利于排气后处理系统2的操作的一个或多个附加部件，包括但不限于各种传感器、计量装置(尿素或燃料喷射器)或其它。
后处理系统包括被信号地连接到控制系统3(包括ECM 5)且与控制系统3信号连通的传感装置和系统。传感装置可包括可操作感测离开发动机10的排气的NOX传感器12、可操作测量排气温度的温度传感器27或感测由PM积聚引起的PF 26的单元壁的多孔通道的限制的压力传感器(未示出)。NOX传感器12优选包括这样的传感器，所述传感器可操作产生能与排气流4中的NOX浓度的参数值相关的电信号，且还可操作产生能与排气供应流的空气/燃料比的参数值相关的第二电信号，据此可以确定氧气含量。排气传感装置22可任选地包括可操作产生能与排气供应流中的NOX浓度的参数值相关的电信号的第二NOX传感器、温度传感器或压力传感器、或其组合。替代地，NOX传感器12可包括虚拟传感装置，其中，排气流4中的NOX浓度基于发动机操作条件来确定，这是已知的技术。
排气后处理系统2任选地包括用于将受控量的HC还原剂喷射到OC 14的上游的HC计量装置16。示例性HC计量装置包括燃料喷射器，例如在发动机10是柴油发动机的情况下是柴油燃料喷射器，用于将柴油燃料喷射到排气流4中。在示例性实施例中，来自于发动机10的燃料管线30将增压燃料提供给可控压力调节器装置32，例如阀，其输出通过管道34被流体地连接到HC计量装置16。HC计量装置16和压力调节器装置32均操作性地连接到控制系统3(包括ECM 5)且与控制系统3信号连通，其适合于控制HC(通常是车辆燃料的形式)喷射到排气流4的定时和量(例如，质量流量)。替代地，可使用来自于碳氢化合物贮存器(未示出)或重整器装置(未示出)的碳氢化合物。
参考图1和2，在示例性实施例中，排气后处理系统2还包括排气流体(EF)计量装置17，例如尿素喷射器，用于将受控量的EF 19作为还原剂从EF贮存器23通过管道21喷射到未涂层PF 26的上游。如本文使用的那样，术语EF包括所有形式的尿素，包括含水溶液，且也可以包括使用氨(NH3)作为还原剂，因为尿素分解产生氨作为反应副产物，且在SCR催化剂28中发生的催化反应中是氨用作反应物质。也可包括可以用于直接提供氨以喷射到排气流4中或者在喷射到排气流4中时直接或间接提供氨的其它材料。合适的EF贮存器23的示例是尿素箱。EF计量装置17操作性地连接到ECM 5且与ECM 5信号连通，且适合于控制EF 19喷射到排气流4中的定时和量。当尿素用作还原剂时，喷射应当在未涂层PF 26的上游足够距离发生，以允许在进入SCR催化剂28之前尿素分解为氨。
控制系统3优选地包括分布控制模块结构，包括适合于提供各个车辆系统(包括本文所述的动力系统)的协调控制的多个控制模块。控制系统可操作监测来自于传感装置的输入，综合相关的信息，并执行算法来控制各种致动器，从而满足操作者需求和实现控制目标，所述目标包括诸如燃料经济性、排放、性能、驾驶性能、以及硬件保护的参数。分布控制器结构包括ECM 5和用户接口(UI)7，UI 7操作性地连接到其它装置且与其它装置信号连通，车辆操作者通常通过所述其它装置来控制或指导车辆和动力学的操作。车辆操作者通过其提供输入给UI 7的装置通常包括加速踏板、制动踏板、变速器档位选择器和车速巡航控制器。每个前述控制模块和装置都经由高速局域网络(LAN)总线(总体上以项6示出)与其它控制模块、装置、传感器和致动器通信。LAN总线6允许各种处理器、控制模块和装置之间进行控制参数和指令的结构化通信。所采用的具体通信协议是专用的。LAN总线和合适的协议在前述控制模块和其它控制模块之间提供牢固的通信联系和多控制模块交互，所述其它控制模块提供例如防抱死制动、牵引力控制和车辆稳定等功能。
ECM 5包括经由数据总线信号地电连接到易失性和非易失性存储器装置的中央处理单元。ECM 5操作性地附连到传感装置和其它输出装置且与传感装置和其它输出装置信号连通，以监测和控制发动机10和排气后处理系统2的操作，如图所示。输出装置优选包括发动机的适当控制和操作所需的子系统，例如包括空气进气系统、燃料喷射系统、火花点火系统(在使用火花点火发动机时，例如，均质充气压缩点火发动机)、排气再循环(EGR)系统和蒸发控制系统。发动机传感装置包括可操作监测发动机操作、外部条件和操作者指令的装置，且通常经由布线信号附连到ECM 5。
存储在非易失性存储器装置中的算法由中央处理单元执行，且可操作监测来自于传感装置的输入并使用预设标定值执行发动机控制和诊断例程来控制发动机的操作。使用ECM 5来控制和诊断内燃机10的各个方面的操作是本领域技术人员熟知的。然而，ECM 5可被调节以利用本文所述的排气后处理系统2的独特优势，以便使得在发动机10的各个操作区域下NOX的还原最大化，且也在车辆1和发动机10的操作期间(包括在PF 26或SCR催化剂28的再生期间)保持可接受水平的NOX还原。
发动机10和排气后处理系统2提供这样一种组合，其中排气后处理系统的性能不会由于车辆上的空间限制而被约束且能借助于现有处理系统以足以满足Bin 5和FTP循环尾管规定的NOX转化效率以有竞争力的成本提供。在许多现有设计中，虽然这将是期望的，但是没有足够的空间来封装SCR维持物，同时为DEF(例如，尿素)喷射提供充分的混合长度。这包括例如短轴距、重型货车，需要使用能够处理显著的排气体积的排气处理装置，但是具有在轴之间封装所需排气处理装置的受限空间。作为示例，本发明的排气后处理系统2允许在后轴之前封装5公升的OC 14、8.7公升的未涂层DPF 26和13.2公升的SCR催化剂28。本发明的排气后处理系统2提供这样的后处理系统，其中，SCR催化剂28位于车辆上可用的空间包迹内PF 26的下游，而不损害NOX转化效率。在PF 26之后封装SCR催化剂28具有这样的优势：在所有操作条件(包括再生)下将经历较低的排气温度，尤其是与SCR位于单个罐中DPF上游的其它系统相比。PF 26的壁流基底提供确保在SCR催化剂28的表面处的NH3均匀性所需的混合环境。PF 26也在未涂层壁流基底中提供一些NH3存储能力，这也提高了SCR催化剂28的NH3还原能力。PF 26将更接近发动机，这对于热管理(尤其是用于PF 26中以分解PM的热量的保持)来说更好。NOX将均首先与碳烟反应，从而提供改进的催化剂还原温度(CRT)效应，导致更长的再生间隔，改进的燃料经济性和PF耐用性。此外，在SCR催化剂28下游使用第二OC 40可以被添加以控制任何HC、尿素、氨或CO逃逸。由于PF 26没有涂层或铂族金属，因此可使用从PF 26节省的相关成本，例如以提供第二OC 40，而不增加排气后处理系统2的成本(相对于常规排气后处理系统)。在该设置中，由于在到达SCR催化剂28之前尿素转化可用的空间和从PF 26的壁流基底实现的混合效应，将最小化对排气管道13中的尿素混合器的需要，从而导致成本相对于常规后处理系统进一步减少。由于PF 26的壁流基底引起的背压在PF 26的入口处提供尿素/氨的高流动均匀性。由于排气流4被强制通过基底壁，因而这提供EF进一步混合的充分机会，从而在其到达SCR催化剂28入口时，NH3分布将大致均匀。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解，可以作出各种变化且等价物可替代其元件，而不偏离本发明的范围。此外，可以作出许多修改以使得具体情形或材料适合于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因而，本发明并不旨在限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种排气后处理系统，包括：
配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)；
排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF；和
配置成从未涂层PF接收排气流的选择性催化还原(SCR)催化剂，其中，所述OC、EF计量装置、未涂层PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，还包括配置成从SCR催化剂接收排气流的第二OC。
3.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂被容纳在单个壳体中。
4.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF和SCR催化剂各被容纳在独立壳体中。
5.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其中，未涂层PF、SCR催化剂和第二OC被容纳在单个壳体中。
6.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于金属或陶瓷基底或者其组合上。
7.根据权利要求6所述的排气后处理系统，其中，SCR催化剂和第二OC各位于单体流通基底上。
8.根据权利要求1所述的排气后处理系统，还包括位于OC上游的HC计量装置。
9.一种内燃机和排气后处理系统，包括：
内燃机，所述内燃机包括排气处理系统，所述排气处理系统包括：
配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
配置成从所述OC接收排气流的未涂层颗粒过滤器(PF)；
排气流体(EF)计量装置，所述EF计量装置配置成用于计量进入未涂层PF上游的排气流中的EF；和
配置成从PF接收排气流的选择性催化还原(SCR)催化剂。
10.一种制造排气后处理系统的方法，包括：
提供配置成从发动机接收排气流的氧化催化剂(OC)；
将未涂层颗粒过滤器(PF)流体地连接到所述OC以从所述OC接收排气流；
将排气流体(EF)计量装置流体地连接到未涂层PF的上游，用于计量进入排气流中的EF；以及
流体地连接选择性催化还原(SCR)催化剂以从未涂层PF接收排气流，其中，所述OC、EF计量装置、未涂层PF和SCR催化剂构成排气后处理系统。
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