CN102374005B - 发动机排放控制系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于利用单块基板还原排气NOx物质的系统和方法，该单块基板具有构造有径向变化的单元密度的多个通道。该构造使得还原剂能够径向混合，由此提高所喷射的还原剂与排气流的混合和雾化。

Description

发动机排放控制系统

技术领域

本申请涉及一种发动机排放控制系统。

背景技术和发明内容

可以采用诸如选择性催化还原(SCR)之类的技术用于发动机中的NOx还原并用于实现排放适应。在一种方法中，将含水尿素喷射到排气流中，该排气流随后与SCR催化器的表面上NOx物质反应，从而降低发动机排出的NOx排放。为了改善NOx还原，所喷射的尿素必须均匀地散布在SCR催化器的整个表面上。

可以使用各种方法将所喷射的还原剂均匀地散布在SCR催化器的表面上。一个示例性混合方法由Brück等在美国专利7,380,395中示出。这里，在尿素喷射部位与SCR催化器之间的排气管道中包括有混合器，使得所喷射的尿素被雾化并在其到达催化器基板之前与排气充分混合。Brück的方法还包括具有微结构的过滤元件，该过滤元件位于混合器的上游，用于产生紊流以有助于尿素混合。在又一个方法中，可以与混合器一起包括雾化器以进一步提高所喷射的尿素的雾化和与排气的混合。

然而，本申请的发明人已经认识这种方法的潜在问题。举例来说，微结构可能不会提供所喷射的尿素的充分混合和雾化。因而，系统可能主要依赖于混合器来提供期望的尿素混合。再举例来说，金属雾化器和混合器会增加显著重量并给部件制造增加成本。另外，可能需要各种支撑结构将混合器和/或雾化器保持在排气通道中的适当位置。通常由金属材料制成的支撑结构还可能进一步增加重量和部件制造的成本。再举例来说，混合器和/或雾化器以及相关支撑结构的存在可能导致排气流出上游催化器(诸如柴油机氧化催化器)的时间到流入下游SCR催化器的时间温度下降。由于排气温度下降，SCR催化器可能需要更长时间起燃，从而导致排气排放降低。

因而，在一个实施例中，上述问题中的一些问题可以[通过本发明来解决。]

应理解，提供上述概要描述是为了以简化形式引入在随后的详细说明中进一步描述的概念的片段。其并不意味着确定了所要求保护的主题内容的关键或主要特征，所述主题内容的范围仅由详细说明之后的权利要求来限定。所要求保护的主题内容并不限于解决了上述任何缺点或该公开中任何部分中的实施方案。

附图说明

图1示出了联接至发动机排气管道的发动机排放控制系统；

图2示出了包含在图1的排放控制系统中的具有多个通道的示例性单块基板；

图3-5描述了基板的多个通道的布置的示例性实施方式；

图6示出了沿着基板的长度的示例性变型扭转角；

图7描述了操作图1的排放控制系统的示例性方法。

具体实施方式

本公开涉及联接至排气管道的发动机排放控制系统的实施方式，诸如图1的系统。可以采用这种排放控制系统用于排气流中的NOx还原。该排放控制系统可以包括位于还原剂喷射器下游的如图2所示的具有多个通道的圆柱形单块基板。所述多个通道可以构造有径向变化的单元密度，如图3至图6所示。发动机控制器可以被构造成执行程序，例如图7中所示的程序，以在基板上游喷射一定量的还原剂并且使得排气流过基板。所述单元密度径向变化的多个通道在所述单块基板中产生有利地将所喷射的还原剂与排气混合的流动紊流，由此减少对专用混合器和/或雾化器的需要。混合的排气然后可以流过SCR催化涂层(诸如位于单块基板上和/或下游基板上)，以便能够对排气NOx物质进行还原。

图1示出了联接至排气管道45的排放控制系统100。在发动机10的操作过程中由一个或多个气缸产生的排气可以从排气歧管120输送至排气管道45，其中排放控制系统100的各种部件可以将在将排气通过尾管168释放到大气之前对排气中的一种或更多种成分进行催化转化。作为一个非限制性实施例，发动机10包括通过燃烧空气和柴油燃料的混合物产生机械输出的柴油发动机。另选的是，发动机10除此之外还可以包括其他类型的发动机，例如燃烧汽油的发动机。

排放控制系统100可以包括多个排放控制装置，诸如柴油机氧化催化器130、柴油机颗粒过滤器132和SCR催化器136。还可以设置附加的催化转化器。布置在排气歧管120的下游的柴油机氧化催化器(DOC)130可以被构造成将至少一些排气CO和碳氢化合物氧化成CO₂和水。布置在DOC130下游的柴油机颗粒过滤器(DPF)132可以被构造成保留至少一些排气颗粒物质(PM)或煤烟。在一些实施方式中，DPF132可以联接至再生装置(例如燃烧器或加热器)，以通过燃烧存储的煤烟周期性地使颗粒过滤器再生，从而恢复过滤器的存储性能。

SCR系统140可以布置在DPF132的下游，用于还原至少一些排气NOx物质。作为非限制性实施例，SCR系统140可以包括用于向排气管道中喷射一定量的还原剂的还原剂喷射器136、第一上游单块基板134和第二下游基板138。噪音降低装置150可以在SCR系统140的下游联接至排气管道45。

还原剂喷射器136可以在单块基板134的上游选择性地将还原剂喷射到排气管道中。作为一个非限制性实施例，由喷射器136喷射的还原剂可以包括液体还原剂178，诸如氨或尿素。液体还原剂178可以通过管路174从存储箱176借助于中间泵172供应至喷射器136。然而，在另选实施方式中，所喷射的还原剂可以是固体或气态尿素。可以在单块基板134的入口与喷射器136的作为喷射部位的顶端之间包含自由空间133，从而所喷射的还原剂可以不受阻碍地从喷射器流动到基板。在一个实施例中，该自由空间从喷射器的顶端完全延伸至基板的入口表面或端面，并且向外完全延伸到排气管道的内表面。

在一个实施例中，单块基板134可以被构造成圆柱形基板。然而，应意识到，在另选的实施方式中，该基板可以以另选的形状例如矩形形状来构造。如图2至4进一步详细所述，单块基板134可以具有变化单元密度的多个通道。所述多个通道中的至少一些通道可以被堵住。在一个实施例中，每隔一个通道可以被堵住。变化单元密度的多个通道可以布置成使得通道的单元密度径向地变化。在一个实施方式中，如图3A至3B所示，内侧通道(即更靠近圆柱形单块基板的中心的通道)可以具有较高的单元密度，而外侧通道(即更靠近圆柱形单块基板的周边的通道)可以具有较低的单元密度。通过将具有较高开口端面面积的通道沿着单块基板的外侧边缘定位，可以使得流过基板的排气的更大部分流向基板的外侧边缘。因而，可以在单块基板中产生流动紊流(例如漩涡效应)，这可以使得排气与所喷射的还原剂(这里是尿素)能够进行径向混合。这样，无需使用专用雾化器和/或混合器就可以改善尿素混合。然而，应意识到，在另选实施方式中，可以在排放控制系统中进一步包括雾化器和/或混合器，例如联接在单块基板的下游，以进一步增强尿素的混合和雾化。

所示出的构造还使得单块基板134能够具有低热质量，例如比下游的基板138低的热质量。单块基板134也可以具有比专用还原剂混合器和雾化器低的热质量。这样，单块基板的低热质量也降低了对附加支撑结构的需要。因而，通过降低基板的热质量，以及对专用混合器、雾化器和/或相关支撑结构的需要，可以获得部件减少的益处。另外，可以降低(上游)DOC和(下游)单块基板之间的排气温度的下降，由此加速到达SCR催化器起燃温度并改善排气排放。

在一个实施方式中，SCR催化涂层可以可选地位于单块基板上。SCR催化涂层可以包括沸石，例如浸渍金属的沸石。然而，该催化涂层可以另选地包括适用于还原NOx的任何催化剂。在单块基板上包括SCR催化涂层，除了改善尿素混合之外，所喷射的尿素还可以均匀地分布在涂覆有SCR催化剂的基板的表面上。即在该实施方式中，单块基板134可以被构造成除了将排气与所喷射的还原剂混合之外还还原至少一些排气NOx物质。

在另一个实施方式中，代替(或除了)SCR催化涂层，在单块基板134上可以包括另选的催化涂层。该另选的催化涂层可以包括例如热解或水解的助催化剂。所选择的催化涂层可以适合于处理由于发动机10的燃料燃烧产生的另选的排气燃烧产物(即，除了NOx之外的燃烧产物)。在又一个实施方式中，单块基板134可以还具有使得至少一些排气PM能够被捕集或截留在基板的多个通道中的孔隙率。

在排放控制系统100的一些实施方式中，可以在单块基板134的下游包括具有多个通道的第二下游基板138。相比而言，该下游基板138的多个通道可以具有均匀的单元密度。另外，下游基板的通道的单元密度可以与单块基板的通道的单元密度不同。SCR催化涂层可以定位在下游基板上，使得混合排气(即在流过单块基板时与尿素混合的排气)中的至少一些NOx物质可以在流过下游基板时被还原。

排放控制系统100可以进一步包括控制系统14。控制系统14被示出为从多个传感器16接收信息并将控制信号发送到多个致动器81。作为一个实施例，传感器16可以包括排气传感器(位于排气歧管120中)、各种温度传感器和压力传感器(位于DOC130、DPF132和SCR系统140的上游和/或下游)、一个或多个NOx传感器(位于SCR系统140的基板的上游和/或下游)等。可以在排放控制系统100中的各种位置联接诸如附加的压力、温度、空气/燃料、和成分传感器之类的其他传感器。作为另一个实施例，致动器可以包括还原剂喷射器136、泵172、用于DPF再生的燃烧器和/或加热器、各种阀(未示出)等。控制系统14可以包括控制器12。控制器可以从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，并且基于与一个或多个程序对应的在这里编程的指令或编码响应于所处理的输入数据触发致动器。这里参照图7描述一个示例性控制程序。

注意，对于车辆应用，排放控制系统100可以布置在车辆底盘的下侧。另外，应意识到，在一些实施方式中，排放可控制系统100可以包括在图1中未示出的附加元件，并且/或者可以省略这里描述的元件。

应意识到，前面在图1中引入的元件在如下附图中进行类似的编号，并且可能不再重复介绍。

图2示出了在排气管道45中的图1的单块基板134的放大视图200。如图所示，单块基板134可以被构造成圆柱形形状，不过在另选实施方式中可以使用其他不同形状。位于圆柱形单块基板134的上游的还原剂喷射器136可以向基板的上游喷射还原剂，诸如液体尿素。在喷射器136和单块基板之间可以存在自由空间208(由虚线表示)，使得所喷射的还原剂能够不受阻碍地从喷射部位流到基板134的入口206。具体地说，自由空间208[sic：203]可以代表排气管道内的一区域，该区域在长度上从还原剂喷射器136的顶端延伸至单块基板134的入口206上的表面。自由空间208还可以朝向排气管道45的表面横向地延伸，从而具有与排气管道的直径基本相等的直径。在图示实施例中，在围绕圆柱形单块基板134的区域处排气管道45的直径可以大于排气管道在还原剂喷射器136及喷射部位附近的区域的直径。自由空间208[sic：203]还可以在喷射器136的顶端附近的端部处具有较小直径而在单块基板134的入口206附近的端部具有较大直径。

基板134可以包括沿着基板的长度204的多个通道202。在一个实施例中，如图3所示，每个通道可以具有矩形横截面。然而，在另选的实施方式中，通道横截面可以具有不同的形状，例如蜂窝状结构。另外，多个通道可以具有变化的单元密度。具体地说，单元密度可以沿着图3中的单块基板134的线3-3径向变化，如剖视图所示。

转到图3，图3示出了单块基板中的通道的布置的示例性实施方式，其中单元密度径向变化。具体地说，图3表示沿着平面210(图2)即沿着虚线3-3(图2)截取的单块基板134的示例性剖视图。图3示出了单元密度径向变化的单块基板134的多个通道的第一实施方式300。这里，所述多个通道可以布置成使得内侧通道302(即位于基板中心或附近的通道)具有第一较高单元密度(例如400cpsi)，而外侧通道304(即位于基板周边或附近的通道)具有第二较低单元密度(例如50cpsi)。尽管图3的第一实施方式300示出了布置在变化单元密度的两个区域内的多个通道，应意识到在另选实施方式中，所述多个通道可以分成更大数量的变化单元密度的区域。作为非限制性实施例，图3的第二实施方式310示出了以如下方式布置的多个通道，其中：位于基板中心或附近的第一内侧区域312具有第一较高单元密度，位于基板周边或附近的第二外侧区域314具有第二较低单元密度，而位于内侧区域312和外侧区域314之间的第三中间区域316具有第三中间单元密度。如图所示，第三中间单元密度可以低于第一内侧区域312的第一单元密度而大于第二外侧区域314的第二单元密度。

尽管图示实施例示出了单个中间区域，但在另选实施方式中，在单块基板的中心和周边之间可以包括更多数量的中间区域。在一个实施例中，单元密度可以沿着径向方向逐渐变化(例如从中心处的400cpsi逐渐到周边处的50cpsi)。在另一个实施例中，单元密度可以沿着径向方向步进变化(例如从中心处的400cpsi步进到周边处的50cpsi)。另外，尽管图3的实施方式示出了径向变化的单元密度基本均匀地沿着径向方向分布，但应意识到，在另选实施方式中，单元密度可以沿着径向方向非均匀地变化。

这样，通过将基板构造成在中心处具有较高单元密度而在外侧边缘处具有较低单元密度，能够使更大部分的排气流流向外侧边缘，由此提供充足紊流以改善所喷射的还原剂与排气在单块基板处的混合。

图4示出了单块基板134的另一个实施例实施方式400，其中单元密度径向变化的多个通道还具有沿着基板134的长度204的扭曲。通过比较选定通道在沿着线5-5横跨基板的第一端(靠近基板的入口206)截取的第一剖视图中的位置与在沿着线5’-5’横跨基板的第二端(靠近基板的出口405)截取的第二剖视图中的位置，则看到该扭曲。图5中示出了这种比较的一个非限制性实施例。

转到图5，图5示出了在靠近基板的入口206的第一区域处，单块基板134的沿着平面402(图4)即沿着虚线5-5(图4)的第一剖视图501。图5还示出了在靠近基板的出口405的第二区域处，单块基板134沿着平面404(图4)即沿着虚线5’-5’(图4)的第二剖视图502。通过例如沿着轴线503比较选定通道在第一剖视图501中的位置与该选定通道在第二剖视图502中的位置可以看出，所述通道沿着基板的长度即从入口端到出口端逐渐地扭曲。通道的扭矩可以通过扭曲角504(这里称为θ)来限定。因而，沿着位于基板134的入口附近的平面402(图4)定位的第一通道可以从沿着位于基板出口附近的平面404(图4)的第二通道扭曲一扭转角504，该扭转角504沿着横向轴线503测量。

图6示出了曲线图600，其示出了多个通道的扭转角θ沿着单块基板的长度的示例性变化。在一个实施例中，如线601所示，该扭转角可以沿着基板的长度保持恒定。在另一个实施例中，如线602、604和606所示，该扭转角可以作为基板长度的函数沿着基板的长度变化。即，通道旋转的扭转角可以变化，使得给定通道的扭转角基于该通道距离单块基板的入口的距离。例如，扭转角可以沿着基板的长度线性变化，如线602所示。另选的是，该扭转角可以沿着基板的长度以指数变化，如线604所示。在另一个实施例中，如线606所示，扭转角可以变化成提供基本上成Z字型分布的单元密度。在又一个实施例中，扭转角可以与通常在扭转型还原剂混合器叶片中使用的角一致。在另一个实施例中，扭矩角可以作为基板长度的交错函数变化。

现在转到图7，描述程序700，程序700用于操作图1的排放控制系统以便对排气流中的至少一些NOx物质进行还原。在一个实施例中，图7的程序可以由发动机控制器响应于超过阈值的排气NOx水平、超过阈值的排气温度(诸如起燃温度)和/或在发动机操作阈值持续时间之后执行。

在步骤701，程序包括估计和/或测量发动机操作条件。这些条件例如可能包括发动机转速、负载、扭矩、发动机温度、排气温度、排气NOx水平等。在步骤702，可以基于所估计的发动机操作条件确定还原剂喷射量。在步骤704，可以通过位于第一(上游)单块基板的上游的还原剂喷射器喷射确定量的还原剂，使得所喷射量的还原剂不受阻碍地从喷射器流动到基板中。在步骤706，排气可以通过单块基板的多个通道流动以将排气与所喷射的还原剂混合。由于通道的单元密度径向变化而可以在单块基板中产生漩涡效应和/或局部紊流，从而改善所喷射的还原剂的雾化和雾化的还原剂与排气的混合。在步骤708，混合有还原剂的排气可以流过SCR催化涂层以催化转化混合的排气的NOx成分。在一个实施例中，在SCR催化涂层被包括在单块基板上的情况下，至少一些排气NOx物质可以在单块基板处被还原。在另一个实施例中，在SCR催化涂层被包含在位于第一单块基板下游的第二基板上的情况下，控制器可以进一步使得混合的排气通过第二基板流动，使得至少一些排气NOx物质可以在第二下游基板处被还原。

这样，通过使用用于尿素的单块基板，可以提供低热质量的“混合器”，该混合器能够代替更重且更大的混合器和雾化器或除了更重且更大的混合器和雾化器之外来使用。通过将单块基板的多个通道布置成使得单元密度径向变化，使得能够进行径向尿素混合和尿素在SCR催化器上的均匀分布。具体地说，通过将通道构造成在基板的中心附近具有较高单元密度，在基板的周边具有较低单元密度，可以使大部分排气流流向基板的外边缘，由此提高尿素与排气流的混合，而无需使用专用的混合器或雾化器。通过降低对专用混合器以及相关支撑结构的需要，可以实现部件减少的益处。另外，通过降低混合装置的热质量以及混合所需的部件数量，可以维持排气温度，由此加速到达SCR催化器起燃温度。注意，尽管在图示实施例中径向变化开始于中心点，但是变化的单元密度的中心可以从块的端面的几何中心偏离，如果期望的话。

通过在基板的表面上进一步包括一个或多个催化涂层或覆盖层，可以实现所喷射的尿素在SCR催化器表面上的更均匀的分布，由此增加基板的催化性能。例如，通过在基板的表面上包括SCR催化涂层可以使至少一些排气NOx物质在基板上还原。类似地，通过在基板的表面上包括另选的催化涂层，可以增强催化反应例如水解或热解，并且可以提高至少一些排气成分的处理。此外，通过堵塞基板的至少一些通道(诸如间隔的通道)，以及通过在基板中包括孔隙率，可以使得至少一些排气PM留在基板中。这样，可以改善排气排放。

注意，这里包括的示例性控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统构造一起使用。这里所描述的具体程序可以表示任意数量的处理策略中的一种或多种，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，图示的各种动作、操作或功能可以以图示顺序执行、并行地执行，或者在一些情况下也可以省略。同样，获得这里所描述的示例性实施方式的特征和优点并不必然需要所述的处理顺序，这些处理顺序是为了容易图示和描述而提供的。图示动作或功能中的一个或多个可以反复地执行，这取决于所使用的策略。另外，所描述的动作可以以图形方式代表在发动机控制系统中的计算机可读存储介质中编程的代码。

应该知道，这里公开的构造和程序在本质上是示例性的，并且这些具体的实施方式并不应被认为是限制性的，因为可以进行各种变型。例如，上述技术可以应用于V6、I4、I6、V12、对置四缸和其他发动机类型。本公开的主题内容包括各种系统和构造的所有新颖且非显而易见的组合及子组合、以及这里公开的其他特征、功能和/或特性。

Claims (14)

1.一种联接至发动机排气管道的排放控制系统，所述排放控制系统包括：

单块基板，所述单块基板具有变化单元密度的多个通道，所述通道从所述单块基板的入口端延伸到出口端，所述通道具有依据所述单块基板的长度指数变化的通道扭转角；

下游基板；

上游的还原剂喷射器，用于喷射还原剂以使其不受阻碍地流向所述单块基板而不使用混合器；以及

位于所述单块基板上或所述下游基板上的SCR催化涂层。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述催化涂层包括沸石。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述单块基板是圆柱形的，并且其中所述通道的单元密度径向变化，且内侧通道具有较高单元密度，外侧通道具有较低单元密度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述通道具有矩形横截面。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个通道中的至少一些通道被堵塞。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述下游基板具有多个通道，并且其中在所述下游基板上定位有SCR催化涂层，所述下游基板的通道的单元密度与所述单块基板的通道的单元密度不同。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述还原剂是尿素或氨。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述单块基板具有比所述下游基板更低的热质量。

9.一种联接至发动机的排气管道的排放控制系统，所述排放控制系统包括：

单块上游基板，所述单块上游基板具有变化单元密度的多个通道，所述单元密度通过使所述上游基板在所述上游基板的中心具有较高单元密度而在所述上游基板的周边具有较低单元密度而径向变化，所述通道沿所述通道的长度扭转，其中所述通道的扭转角基于距所述上游基板的入口的距离并且依据该距离而指数变化；

还原剂喷射器，所述还原剂喷射器位于所述上游基板的上游，用于喷射还原剂，所述还原剂不受阻碍地从所述喷射器流到所述上游基板的入口而不使用混合器；

下游基板，所述下游基板具有均匀单元密度的多个通道；以及

SCR催化涂层，所述SCR催化涂层涂覆在所述下游基板上并且涂覆在所述上游基板上。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述上游基板是圆柱形的，并且每个通道的横截面都是矩形的。

11.根据权利要求10所述的系统，其中位于所述上游基板的入口处的第一通道相对于位于所述上游基板的出口处的第二通道扭转一角度，所述角度沿着所述上游基板的横向轴线测量。

12.一种操作联接至发动机排气管道的排放控制系统的方法，所述方法包括：

将一定量的还原剂喷射到第一圆柱形基板的上游，所述圆柱形基板具有单元密度径向变化的多个通道，所述径向变化包括内侧通道具有较高单元密度而外侧通道具有较低单元密度，所喷射量的还原剂不受阻碍地从喷射器流到所述第一圆柱形基板内而不使用混合器；

使排气流过所述第一圆柱形基板以使排气与所喷射的还原剂混合；以及

使混合的排气在SCR催化涂层上流过以催化转化混合排气的成分，

其中所述通道沿着所述第一圆柱形基板的长度，并且其中所述通道沿着所述第一圆柱形基板的长度沿着横向轴线逐步旋转，旋转的扭转角依据所述通道距离所述第一圆柱形基板的入口的距离而指数变化。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述SCR催化涂层包括在所述第一圆柱形基板上。

14.根据权利要求13所述的方法，其中使混合排气在SCR催化涂层上流过包括使混合排气流过位于所述第一圆柱形基板的下游的第二基板，所述SCR催化涂层包括在所述第二基板上。