CN102628391A - 具有导热性计量通道的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有导热性计量通道的排气系统。公开了一种用于内燃发动机的排气系统。该排气系统可具有排气通路、设置在该排气通路内的还原催化剂、以及配置成将还原催化剂喷射入该还原催化剂上游的排气通路内的喷射装置。该排气系统还可具有形成排气通路一部分的计量通道。该计量通道可具有与排气通路相邻的上游部和下游部不同的导热率，并且向喷射装置的上游延伸足够的距离以将足够的热量传输到喷射装置下游的计量通道延伸部，从而促使动力附着到下游延伸部的还原剂的气化。

Description

具有导热性计量通道的排气系统
技术领域
本发明涉及排气系统，特别涉及具有导热性计量通道/分配管(dosingchannel)的排气系统。
背景技术
内燃发动机，包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料驱动发动机和其他本领域已知的发动机，排放出空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物由诸如氮氧化物(NOx)的气态化合物组成。由于对于环境问题关注度的增加，排气排放标准也日益严格，且从发动机排放的NOx的量可以根据发动机的类型、发动机的大小和/或发动机的级别而被调节。为了确保与这些化合物的调节相适应，一些发动机制造厂实行所谓的“选择性催化还原(SCR)”的策略。
SCR是将气态或液态的还原剂(大多数情况下为尿素固体和水的溶液)添加到发动机排气流中并使之被吸附到下游催化剂的过程。还原剂被分解为氨(NH3)，该氨与排气中的NOx反应而生成可被安全地释放到大气中H2O和N2。尽管SCR可能是一种有效的用于还原NOx的方法，但在排气流中引入还原剂在某些情况下可能存在困难。例如，当还原剂被引入到排气通路的相对较冷的部位时，还原剂的副产品例如氰尿酸、缩二脲和三聚氰胺可能会沉积到靠近引入位置的通路壁上。这些沉积物可能会造成排气流和/或还原剂阻塞，这导致NOx转化过程和发动机性能的恶化。
2010年3月31日公开的、Kuenkel等人的欧洲专利申请1,781,908(’908公报)中记载了一种减少与SCR过程相关的沉积物的尝试。’908公报公开了一种将还原介质供给到内燃发动机的排气内的装置。该装置包括排气管以及安置于该排气管中的管状元件，从而形成经过该管状元件的第一排气通路和在管状元件的外表面与排气管的内表面之间的第二排气通路。该管状元件由具有良好导热性能的材料制成，从而使得来自于第二排气通路的热被输送到管状元件中，以使该管状元件免受环境的冷却作用并且将该管状元件保持在被喷射入第一排气通路内的介质的蒸发点。在一个可选的实施例中，略去了管状元件，并且排气管在位于还原剂喷射位置的部分由具有高隔热性能的材料制成，以减小在喷射位置的环境冷却作用。
尽管对于减少还原剂沉积的形成可能是有效的，’908公报中的系统仍然并非最佳方案。特别是，’908公报中的管状元件仅从还原剂引入位置向下游延伸。在该实施例中，整个管状元件可能由于还原剂的引入而被持续冷却且仅有一定限量的热可被输送到管状元件中。在前述可选实施例中，对沉积物形成的抑制仅取决于隔热性能，这在某些情况下是不够的。
本发明的排气系统解决了上述提及的一个或多个问题和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于燃烧发动机的排气系统。该排气系统可包括排气通路、设置在排气通路内的还原催化剂、以及配置成将还原剂喷射入还原催化剂上游的排气通路内的喷射装置。该排气系统还可包括形成排气通路的一部分的计量通道(分配管)。该计量通道可具有不同于相邻的排气通路上游部和下游部的导热率，并且在喷射装置的上游延伸足够的距离以将足够的热量传输到喷射装置下游的计量通道延伸部，从而引起动力附着到下游延伸部的还原剂的气化(蒸发)。
本发明的另一方面涉及另一种排气系统。该排气系统可包括排气通路、设置在排气通路内的还原催化剂、以及配置成将还原剂喷射入还原催化剂上游的排气通路内的喷射装置。该还原剂可被选择成在还原催化剂中有利于排气成分的还原。该排气系统还可包括形成排气通路一部分的计量通道，以接收经过该排气通路的全部排气流。该计量通道可具有大于相邻的排气通路上游部和下游部的导热率。
附图说明
图1是示例性公开的动力系统的示意图；以及
图2是可用于图1的动力系统的示例性公开的计量通道的截面图。
具体实施方式
图1示出了一个示例性的动力系统10。为了说明的目的，动力系统10被描绘和描述为柴油驱动的内燃发动机。但是，可以预见，该动力系统10可以实施为任何其他类型的内燃发动机，例如，汽油发动机或燃烧经过压缩或液化的天然气、丙烷、甲烷的气态燃料驱动发动机。动力系统10可包括发动机缸体12，其至少部分地限定多个燃烧室14。可以预见，动力系统10可包括任意数目的燃烧室14，并且燃烧室14可以以“直列”配置、“V形”配置或任何其他常规的配置进行布置。
多个独立的子系统可包括于动力系统10中。例如，动力系统10可包括空气引入系统16和排气系统18。空气引入系统16可配置成将空气或空气和燃料的混合物引入动力系统10的燃烧室14中用于后续燃烧。排气系统18可将燃烧的副产品排出到大气中。
空气引入系统16可包括多个部件，所述部件相互配合以将压缩空气调节和引入到燃烧室14中。例如，空气引入系统16可包括位于一个或多个压缩机22的下游的空气冷却器20。压缩机22可被连接成加压被引导通过冷却器20的进入空气。可在压缩机22的上游和/或下游处设置节气门(未示出)，以选择性地调节(即限制)进入动力系统10的进入空气流量。对进入空气的限制可以减少进入动力系统10的空气，从而影响动力系统10的空燃比。可以预见，如有需要的话，空气引入系统16可包括与前述不同的部件或附加的部件，例如，与各燃烧室14相连接的可变气门致动器、过滤部件、压缩机旁通部件以及可被控制以影响动力系统10的空燃比的其他已知部件。还可以预见，如果需要的是自然进气的动力系统10，则可以略去压缩机22和/或冷却器20。
排气系统18可包括多个部件，所述部件将来自燃烧室14的排气调节和引导到大气中。例如，排气系统18可包括排气通路24、一个或多个由流经排气通路24的排气驱动的涡轮26以及在涡轮26下游的位置流体连接到排气通路24内的还原催化剂28。可以预见，如有需要的话，排气系统18可包括与前述不同的部件或附加的部件，例如，旁通部件、排气压缩或限制制动器、衰减装置、附加排气处理装置以及其他已知部件。
各涡轮26可被设置成接收从燃烧室14排出的排气，并且可通过共用轴30连接到空气引入系统16的一个或多个压缩机22以形成涡轮增压器。随着从动力系统10排出的热排气通过涡轮26并且膨胀冲击其叶片(未示出)，涡轮26可转动并且驱动相连接的涡轮22以加压进入空气。在一个实施例中，涡轮26可以是可变形状涡轮(VGT)或者包括可变和固定形状技术的组合。VGT是具有可进行调节以获得不同长宽比的形状这一类型的涡轮，使得在一定运行工况范围下可通过相连接的压缩机22向燃烧室14供给足够的增压压力。随着涡轮26的流道截面变化，空燃比并且因而动力系统10的性能可能也会变化。可选地，如有需要，还可包括具有电动控制的废气旁通阀的固定几何形状涡轮。
还原催化剂28可接收来自涡轮26的排气并且将该排气的成分还原为无害气体。在一个示例中，还原催化剂28可以是选择性催化还原(SCR)装置，其具有位于喷射装置34下游的催化剂基体32。可通过喷射装置34将经压缩的气态或液态还原剂，通常为尿素(NH2)2CO，输送至催化剂基体32上游的排气。在所公开的实施例中，还原剂可从喷射装置34径向向内喷射入经过排气通路24的排气内。但是，可以预见，如有需要的话，喷射装置34可以可选地配置成将还原剂沿轴向输送入排气通路24中的排气流内。车载的还原剂供给源36和加压装置38可与喷射装置34相连接，以提供加压的还原剂。随着所喷射的还原剂被喷射并被分解为氨(NH3)，其可能被吸附到催化剂基体32的表面上并与排气中的NOx(NO和NO2)发生反应而形成水(H2O)和二原子氮(N2)。当供给到还原催化剂32的NO对NO2的浓度大约为1∶1时，由还原器32执行的还原过程可最为有效。
为了有助于提供正确的NO对NO2的浓度，在一些实施例中可在还原催化剂32的上游设置氧化催化剂(未示出)。该氧化催化剂可以是，例如，柴油氧化催化剂(DOC)。DOC可包括多孔陶瓷蜂窝结构或涂覆有例如是稀有金属的材料的金属丝网基质，该材料用来催化化学反应以改变排气的组成成分。具体地，DOC可包括有利于NO到NO2的转化的钯、铂、钒或它们的混合物。在一些实施例中，如有需要的话，氧化催化剂还可执行颗粒捕集功能(即，氧化催化剂可以是催化颗粒捕集器，例如持续再生捕集器(CRT)或催化持续再生捕集器(CCRT))。
在动力系统10的运行期间，有可能会有过量的尿素要喷射入排气内(即，超过适宜的NOx还原所需量的尿素)。在此种情况下，如果没有其他因素影响，则一部分氨会经过催化剂基体32排放到大气中，这被称为“氨滑移”。如有需要，为了降低氨滑移的程度，可以在还原催化剂32的下游设置另外一个氧化催化剂(未示出)。该附加的氧化催化剂可包括涂覆有氧化排气中的残留NH3以形成水和二原子氮的催化剂的基质。
如图2所示，喷射装置34可大致垂直于经过排气通路24的排气流并且设置在计量通道40的侧壁内，该计量通道形成排气通路24的组成部分。计量通道40可具有与相邻的排气通路24的上游部42和下游部44的内径大致相等的内径，并且配置成接收排气通路24的全部排气流。计量通道40可向喷射装置34和/或排气通路24的还原剂喷射位置的上游延伸为距离“L”的至少一半的距离，该距离“L”是计量通道40向喷射装置34下游延伸的距离。在一个实施例中，计量通道40在喷射装置34的上游可以比沿下游方向延伸更远的距离，例如两倍远。该上游延伸距离可有利于促进从排气通路24的较热的上游段向下游延伸部的还原剂动力附着表面的热传递。该还原剂动力附着表面可以是专门用于还原剂动力附着的表面，或者可选地仅是排气通路24的一部分，还原剂在某些情况下会动力附着于该部分。该上游延伸部可足以传递足够的热量到下游延伸段以促使动力附着在下游延伸段的任何还原剂的气化。已经发现，上游延伸部小于下游延伸部的大约一半可能会提供过少的热传递，而如果上游延伸部大于下游延伸部的两倍则可能成本不利并且仅能提供少量的附加热传递。
计量通道40可以由与上游部42和下游部44中的一者或两者不同的材料制成。具体地，计量通道40可以由具有较大导热率(λ)的材料制成。例如，计量通道40可以由铝(λ≈250W/mK)、铜(λ≈400W/mK)或铜合金例如铜/镍合金(λ≈50W/mK)制成，而上游部42和下游部44可以由较低成本的材料例如不锈钢(例如，具有λ≈20W/mK的铁/铬合金)制成。在所公开的实施例中，如有需要，被选择用来制造计量通道40的材料的导热率可以为被选择用来制造上游部42和/或下游部44的材料的导热率的至少两倍。计量通道40可以以本领域已知的方式，例如通过焊接、钎焊或机械紧固，接合到上游部42和/或下游部44。
计量通道40可以在内部涂覆有材料薄层46。在一个实施例中，薄层46可包括与计量通道40的较厚的基底材料相比具有改善的抗腐蚀性能的电镀层。例如，锌、钛、不锈钢或其他材料的电镀层可被施加于铝、铜或铜合金基底。以这种方式，计量通道40可具有相对高的导热率并且在其内表面仍保持足够的抗腐蚀性能。在另一个实施例中，薄层46可包括水解催化剂涂层，其配置成有利于将尿素分解为氨气以在后续的SCR过程中使用。水解催化剂涂层可包括，例如，金属氧化物覆层、沸石覆层或金属氧化物和沸石的混合物。可以预见，如有需要，可在计量通道40的基层材料上施加多个材料薄层46，例如内部抗腐蚀层和与排气直接接触的外部水解催化剂涂层上。
计量通道40还可以或可选地设有材料外层48，其将计量通道40与环境进行热隔离以降低计量通道40的冷却。在一个实施例中，外层48可以是环绕计量通道40覆盖的隔热层(热毯)。在另一个实施例中，外层48可以是喷射涂层或者是具有较低导热率的材料的附加壁。可以预见，如有需要，可以在计量通道40和外层48之间保持空气间隙(未示出)，以提高与环境的隔离。
工业实用性
本发明的排气系统可以应用于减少还原剂沉积的形成非常重要的、任何具有还原催化剂的动力系统。可通过在还原剂引入部位进行局部加热和降低在该引入部位的环境冷却作用来减少沉积物形成。下面对动力系统10的运行进行说明。
参见图1，空气引入系统16可对空气或者空气与燃料的混合物进行加压并将其输送到动力系统10的燃烧室14内以进行后续燃烧。燃料和空气的混合物可以由动力系统10进行燃烧以产生机械功输出以及热气体的排气流。该排气流可能包括由气态材料组成的空气污染物的复杂混合物，其中可能包括氮氧化物(NOx)。该排气流可以被引导通过涡轮26流向还原催化剂32，在存在还原剂的情况下NOx可以被还原为水和双原子氮。在催化剂32中还原后，排气可以排放至大气中。
在到达还原催化剂32之前，可将还原剂束有选择地通过喷射装置34引入到排气流中。如图2所示，还原剂束可在总体长度的中间部被径向地引入到计量通道40内。计量通道40由于其长度、位置和组成而可以吸收经过它的排气中的热量并且利用该热量减小还原剂被冷却和沉积在排气通路24的表面上的可能性。具体地，计量通道40在喷射装置34上游和下游的延伸长度，再加上其增大的导热率，可促使计量通道40吸收在上游位置和下游位置来自排气的大量的热。该被吸收的热量，再加上由外层48的隔离性能所提供的环境冷却作用的减小，可有助于将计量通道40的壁维持在高于所喷射的还原剂的气化温度之上。
动力系统10可能具有多个优点。例如，由于计量通道40可以在喷射装置34的上游和下游都延伸，因此与计量通道40仅在喷射装置34的下游延伸的情况相比，计量通道40的壁可能吸收更多的热量。实际上，所吸收的热量的大部分可能来自于上游位置。此大量的吸收热量可能是由于上游方向的计量通道40的长度增加，以及上游位置的排气的温度通常更高。也就是说，与下游位置的排气相比，上游位置的排气可能经历较少的环境冷却，并且在计量通道40中的还原剂的喷射可起到进一步冷却经过下游位置的排气的作用。
本领域技术人员可以理解，针对本发明所公开的系统，在不脱离本发明的范围的情况下可进行各种修改和变化。在考虑本申请公开的系统的具体实例的情况下本领域技术人员作出其他实施例也是显而易见的。这些具体说明和实例仅作为示例，本发明的准确保护范围由所附的权利要求及其等同物来表示。

Claims (20)

1.一种排气系统，包括：
排气通路；
设置在所述排气通路内的还原催化剂；
喷射装置，该喷射装置配置成将还原剂喷射入所述还原催化剂上游的排气通路内；以及
计量通道，该计量通道形成所述排气通路的一部分并且为所喷射的还原剂提供附着表面，
其中：
所述计量通道具有与所述排气通路的相邻上游部和下游部不同的导热率；并且
所述计量通道在所述喷射装置的上游延伸足够的距离以将足够的热量传输到所述计量通道的在所述喷射装置下游的延伸部，从而促使附着于下游延伸部的还原剂的气化。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述计量通道的导热率为所述排气通路的相邻上游部和下游部的导热率的至少两倍。
3.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述计量通道向所述喷射装置的上游延伸的距离大于所述计量通道向所述喷射装置的下游延伸的距离。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其中，所述计量通道向所述喷射装置的上游延伸的距离为所述计量通道向所述喷射装置的下游延伸的距离的大约两倍。
5.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述计量通道从外部热隔离于所述排气通路的环境。
6.根据权利要求5所述的排气系统，其中，所述计量通道设置有隔热层。
7.根据权利要求5所述的排气系统，其中，所述计量通道包括隔热材料涂层。
8.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述计量通道由铜、铝或铜/镍合金之一制成。
9.根据权利要求8所述的排气系统，其中，所述计量通道包括不同于铜、铝或铜/镍合金的材料的内涂层。
10.根据权利要求9所述的排气系统，其中，所述内涂层是锌、钛或镍之一。
11.根据权利要求9所述的排气系统，其中，所述内涂层是水解催化剂涂层。
12.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述计量通道具有与所述排气通路的相邻上游部和下游部的内径大致相同的内径。
13.一种排气系统，包括：
排气通路；
设置在所述排气通路内的还原催化剂；
喷射装置，该喷射装置配置成将还原剂喷射入所述还原催化剂上游的排气通路；以及
计量通道，该计量通道形成所述排气通路的一部分以接收经过所述排气通路的全部排气流，其中，所述计量通道具有为所述排气通路的相邻上游部和下游部的导热率的至少两倍的导热率。
14.根据权利要求13所述的排气系统，其中，所述计量通道从外部热隔离于所述排气通路的环境。
15.根据权利要求13所述的排气系统，其中，所述计量通道由铜、铝或铜/镍合金之一制成。
16.根据权利要求15所述的排气系统，其中，所述计量通道包括不同于铜、铝或铜/镍合金的材料的内涂层。
17.根据权利要求16所述的排气系统，其中，所述内涂层是锌、钛或镍之一。
18.根据权利要求16所述的排气系统，其中，所述内涂层是水解催化剂涂层。
19.根据权利要求13所述的排气系统，其中，所述计量通道具有与所述排气通路的相邻上游部和下游部的内径大致相同的直径。
20.一种动力系统，包括：
配置成燃烧燃料并产生排气流的内燃发动机；
从内燃发动机通向大气的排气通路；
设置在所述排气通路内的SCR催化剂；
喷射装置，该喷射装置配置成将尿素溶液喷射入所述SCR催化剂上游的排气通路；以及
计量通道，该计量通道形成所述排气通路的一部分以接收经过所述排气通路的全部排气流，
其中：
所述计量通道具有与所述排气通路的相邻上游部和下游部的内径大致相同的内径；
所述计量通道具有为所述排气通路的相邻上游部和下游部的导热率的至少两倍的导热率；
所述计量通道向所述喷射装置的上游延伸的距离为所述计量通道向所述喷射装置的下游延伸的距离的大约两倍；以及
所述计量通道从外部热隔离于所述排气通路的环境。
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