CN102639828A - 降低发动机排气中形成尿素沉积物的可能性 - Google Patents

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Abstract

用于在燃烧过程中的气态产物进入大气之前对气态产物中的氮氧化物进行催化还原的装置和方法。燃烧过程的气态和颗粒产物径向地流过径向流颗粒过滤构件（24），然后轴向地引过收集器（26），其中颗粒过滤构件会有效地捕获颗粒物质。喷射器（30）将还原剂引入收集器的轴向端部中，用以由沿远离喷射器的方向流过收集器的轴向流卷带。离开收集器的流体流引导通过SCR催化剂（40），在此发生氮氧化物的催化还原。

Description

降低发动机排气中形成尿素沉积物的可能性
技术领域
本发明涉及内燃发动机、尤其是类似于那些用于推进大卡车的柴油发动机，具体地说本发明涉及发动机排气后处理，且该发动机排气后处理包括将尿素溶液喷入发动机排气系统，用以促使发动机排气的某些成分进行选择性的催化还原（SCR）。
背景技术
使用选择性催化还原（SCR）的柴油机排气后处理系统的一个示例包括喷射器，含水尿素溶液通过该喷射器喷入废气流中。理想的是，在废气流流经催化表面之前，溶液应完全汽化并与废气彻底混合。
废气后处理系统的几何形状和尿素喷射器的喷流型式可致使其中一些喷射出的溶液在汽化之前将排气系统的内表面润湿。当那些内表面的温度足够低时，尿素可能会从溶液析出并在那些内表面上形成沉积物。固体沉积物的聚积随着时间会例如通过改变排气系统的流动特性和/或尿素喷射器的喷流型式而影响后处理系统的有效性，和/或它们会损坏排气和后处理系统的部件。
尿素甚至可能会沉积在喷射器的喷嘴上，而如果发生此种情形的话，会不利地影响喷流质量和均匀性，从而可能会致使由于选择性催化还原产生的氮氧化物转换效率较低。移除大量尿素沉积物通常需要将各部件进行拆解，因为在不进行此种拆解的情形下，缺乏有效的方式来令人满意地将尿素沉积物移除。
为了避免冷表面被所喷射的溶液润湿而导致尿素沉积在那些冷表面上，在首先启动冷发动机时、尤其是在寒冷环境条件下，需要暂时延迟尿素喷射。然而，这会使废气由选择性催化还原进行处理的初始时间延迟。
发明内容
本发明提供用于降低在发动机排气系统中形成尿素沉积物的可能性的系统和方法，尤其是在寒冷环境条件下，例如低于通常尿素溶液的大约-10°C凝固点的环境条件。
一个或多个电加热器构件与排气系统的某些表面相关联。当指示存在有在那些表面上形成尿素沉积物的可能性时，这些电加热器构件有效地加热那些表面。
这些表面包括尿素喷射凸部、该凸部上游和下游的排气系统壁、诸如用于使喷射小滴破裂的栅格之类的壁内结构以及用于使流入流体混合的混合器。当经由居中地位于喷射点上游的传感器测出的排气气体温度低于选定温度（通常示例为200°C）时，会进行电加热，而在该选定温度以下尿素喷射被禁止。持续进行加热，直到所测得的排气温度足够高，以适度地确保被加热表面的温度会保持在一定最小值之上，而在该最小值之上不会形成尿素沉积物。加热器构件的供电需求基于将最小温度保持于至少约150°C至约200°C（对最后一句进行解释）。
一个或多个加热器构件可与排气系统的壁、尤其是与尿素喷射的直接通路中的加热表面以及在缺少电加热的情形下进行尿素喷射之前和过程中会具有过低温度的表面成一体。
例如如果执行大量尿素喷射以更快速地馈入SCR催化剂的话，在较温暖的条件下也可短时间启动加热器。
所披露的系统和方法能在冷发动机首次启动时、降低尿素沉积物形成的可能性和/或减小尿素喷射的时长。
本发明的总的方面涉及内燃发动机，该内燃发动机包括：排气系统，由于在发动机燃烧室中燃烧产生的废气通过该排气系统通入大气，且该排气系统包括用于在废气离开排气系统之前对废气进行处理的后处理装置，喷射器，该喷射器用于将后处理装置对废气进行处理所用的液态还原剂在后处理装置上游喷入废气系统，用以由通过所述排气系统的废气流卷带并在所述废气流中汽化，以及一个或多个电加热器构件，这些电加热器构件用以将会由液态还原剂润湿的表面加热至这样一温度，该温度足够高到能防止还原剂从液态还原剂析出并沉积在表面上。
本发明的又一总体方面涉及一种用于减少液态还原剂中析出的还原剂沉积在内燃发动机排气系统的表面上的方法，由发动机燃烧室中燃烧所产生的废气通过排气系统通入大气，且排气系统包括后处理装置和喷射器，该后处理装置用于在废气离开排气系统之前对废气进行处理，而喷射器用于将后处理装置对废气进行处理所用的液态还原剂在后处理装置上游喷入废气系统，用以由通过排气系统的废气流卷带并在废气流中汽化。
该方法包括操作一个或多个电加热器构件，以将会由液态还原剂润湿的表面加热至这样一温度，该温度足够高到能防止还原剂从液态还原剂析出并沉积在表面上。
通过本发明进一步详细说明而实现的前述发明内容将存在于参见作为本发明一部分的以下附图的下文详细说明中。
附图说明
图1是包括后处理在内的发动机及其排气系统的总体示意图。
图2是排气系统中尿素喷射型式的示意图。
具体实施方式
图1示出了涡轮增压柴油发动机10的一例子，该柴油发动机10具有增压空气进入所通过的进气系统12和燃烧产生的废气从其中排出所通过的排气系统14，图中并未包括这两种系统通常具有的所有细节。发动机10包括多个形成燃烧室的气缸16，燃料由燃料喷射器喷入燃烧室中，以用通过进气系统12进入的增压空气进行燃烧。通过燃烧产生的能量经由连接于曲柄轴的活塞为发动机提供动力。
当用在诸如卡车的机动车辆中时，发动机10通过传动系统联接至推进车辆的从动车轮。进气阀控制允许增压空气进入气缸16，排气阀控制废气通过排气系统14流出并最终流动到大气中。然而在进入大气之前，由后处理系统18中的一个或多个后处理装置来处理废气。
后处理系统18包括带壁外壳20，该带壁外壳包围废气通路并具有废气进口22，来自气缸16的废气通过该废气进口进入用以通过外壳。外壳内部从进口22沿着废气流通路按序地包含柴油颗粒过滤（DPF）构件24、穿孔冲击板或网26以及混合器28。
尿素喷射器30安装在外壳壁中的凸部32中，用以作为液态还原剂的含水尿素溶液从喷嘴34喷入通过外壳流动的废气。穿过混合器28的流体流被传送以流过SCR催化剂36的催化表面，在流体流通过尾管离开排气系统之前，在该催化表面处产生通过还原剂进行的氮氧化物催化还原。
含水尿素溶液的供源存储在槽罐38中。典型的尿素溶液按重量具有大约32.5％的浓度。
通过与槽罐38中供源并且与喷射器30相关联的控制器40来对溶液喷入废气流进行控制。控制器40的控制输入是从温度传感器42所获得的废气温度测量值，该温度传感器42设置在流体流的大体中心位置以测量喷射器上游废气的温度。
喷射器喷嘴34基本上位于瞄准流体流下游的假想中心线上，但相对于来自过滤构件24的主要轴向流体流成锐角。如图2所示，喷射器30将尿素溶液喷射成具有典型型式44的喷流。
板或网26设置在喷流通路中，并且意图通过使尿素溶液喷流中的小滴偏流/分散/破裂来促使这些小滴快速汽化。混合物28意图促使蒸气与废气流在废气流到达SCR36处之前彻底混合。SCR催化剂40促使废气成分与尿素溶液汽化的分解产物进行反应。
由图1中点划线46示意地示出的一个或多个电加热器构件与排气系统的某些表面相关联。当指示存在有在那些表面上形成尿素沉积物的可能性时，这些电加热器构件会加热那些表面。这些表面包括凸部32、外壳20中在凸部32上游和下游的壁、板或网26以及混合器28。
由于考虑到沉积物会形成在由液态还原剂所润湿的表面上，因而控制器40静止尿素喷射低于选定温度，而当由传感器42测得的废气温度低于该选定温度时，加热器构件46会发生典型的使用。启动加热器构件，并持续进行加热，直到所测得的排气温度足够高，以适度地确保被加热表面的温度会保持在一定最小值之上，而在该最小值之上不会形成尿素沉积物。
加热器构件可与外壳壁和凸部、尤其是与尿素喷射的直接通路中的加热表面以及在缺少电加热的情形下进行尿素喷射之前和过程中会具有过低温度的表面成一体。例如，加热器构件在凸部中可具有足够高的比率，以致使热量流过凸部并流入其中通有液体的喷射器。
例如如果执行大量尿素喷射以更快速地馈入SCR催化剂的话，在较温暖的条件下也可短时间启动加热器。
所披露的系统和方法能在冷发动机首次启动时、降低尿素沉积物形成的可能性和/或减小尿素喷射的时长。

Claims (15)

1.一种内燃发动机，包括：
排气系统，由在发动机燃烧室中燃烧产生的废气通过所述排气系统通入大气，且所述排气系统包括用于在所述废气离开所述排气系统之前对所述废气进行处理的后处理装置；
喷射器，所述喷射器用于将所述后处理装置对所述废气进行处理所用的液态还原剂在所述后处理装置上游喷入废气系统，用以由通过所述排气系统的废气流卷带并在所述废气流中汽化；
以及一个或多个电加热器构件，所述一个或多个电加热器构件用以将会由所述液态还原剂润湿的表面加热至一温度，该温度足够高到能防止还原剂从所述液态还原剂析出并沉积在所述表面上。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于，所述后处理装置包括SCR催化剂，并且还包括尿素溶液的供源，所述供源用于作为所述液态还原剂来由所述喷射器进行喷射。
3.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，所述喷射器包括接纳在凸部的孔中的本体以及所述尿素溶液通过其中喷入所述废气流的喷嘴，其中加热器构件设置在所述凸部上用以加热所述凸部。
4.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，所述加热器构件设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁的一部分上并且位于所述凸部下游。
5.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，所述加热器构件设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁的一部分上并且位于所述凸部上游。
6.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，所述排气系统包括设置在来自所述喷嘴的尿素喷流的通路中的结构，用以在所述喷流中的至少一些部分会接触所述表面之前、使所述喷流中的所述部分偏流/分散/破裂，其中所述加热器构件在所述结构位置处设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁上。
7.如权利要求6所述的内燃发动机，其特征在于，所述排气系统在所述结构下游还包括混合器，且所述加热器构件在所述混合器位置处设置在所述排气系统中的壁上。
8.如权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于，温度传感器设置成测量所述喷射器上游废气的温度，且用于所述一个或多个加热器构件的控制器使用测量值来控制所述一个或多个加热器构件的操作。
9.一种用于减少液态还原剂中析出的还原剂沉积在内燃发动机排气系统的表面上的方法，由发动机燃烧室中燃烧所产生的废气通过所述排气系统通入大气，且所述排气系统包括后处理装置和喷射器，所述后处理装置用于在所述废气离开所述排气系统之前对所述废气进行处理，而所述喷射器用于将所述后处理装置对所述废气进行处理所用的液态还原剂在所述后处理装置上游喷入废气系统，用以由通过所述排气系统的废气流卷带并在所述废气流中汽化，并且所述方法包括：
操作一个或多个电加热器构件，以将会由所述液态还原剂润湿的表面加热至一温度，该温度足够高到能防止还原剂从所述液态还原剂析出并沉积在所述表面上。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一个或多个电加热器构件的步骤包括对设置在凸部上的电加热器构件进行操作，所述凸部具有其中接纳有所述喷射器的本体的孔。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一个或多个电加热器构件的步骤包括对设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁的一部分上并位于所述凸部下游的电加热器构件进行操作。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一个或多个电加热器构件的步骤包括对设置在所述排气系统的包围所述废气流壁的一部分上并位于所述凸部上游的电加热器构件进行操作。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一个或多个电加热器构件的步骤包括：对在一结构的位置处设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁的一部分上的电加热器构件进行操作，所述结构设置在来自所述喷嘴的尿素喷流的通路中，用以在所述喷流中的至少一些部分会接触所述表面之前、使所述喷流中的所述部分偏流/分散/破裂。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，操作所述一个或多个电加热器构件的步骤包括：对在所述结构下游的混合器位置处设置在所述排气系统的包围所述废气流的壁的一部分上的电加热器构件进行操作。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括测量所述喷射器上游废气的温度，使用所测量出的温度来选择性地允许或禁止所述喷射器喷射尿素溶液并且选择性地操作所述一个或多个加热器构件。
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