CN103104323A - 用于内燃机的排气系统 - Google Patents

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Abstract

在本发明的示范性实施例中，一种用于内燃机的排气系统包括排气管，被设置用于将废气从内燃机输送至废气处理系统中的废气处理设备。与废气后处理系统信号通信的控制器被设置用于监测选择性催化还原设备的温度，其中控制器可操作用于在选择性催化还原设备处于或高于工作温度时将阀件移动至打开位置以及在选择性催化还原设备低于工作温度时将阀件移动至关闭位置以从废气中带走NOx成分。

Description

用于内燃机的排气系统
技术领域
本发明的示范性实施例涉及用于内燃机的废气处理系统，并且更具体地涉及一种用于存储和处理废气系统中氮氧化物的高效系统。
背景技术
从内燃机排出的废气是包含气体排放物例如一氧化碳(“CO”)、未燃烧烃类(“HC”)和氮氧化物(“NOx”)以及构成颗粒物的凝聚相材料(液体和固体)的非均匀混合物。通常设置在位于内燃机排气系统内的催化剂载体或基底上的催化剂组合物被提供用于将某些或全部的这些废气成分都转化为非受管制废气组分。例如，用于内燃机的排气系统可以包括用于减少CO和过多HC的包含贵金属的氧化催化(“OC”)设备、用于减少NOx的选择性催化还原催化(“SCR”)设备、捕集和存储NOx直到SCR设备达到工作温度为止的吸附器以及用于从发动机废气中去除颗粒物的颗粒物过滤(“PF”)设备中的一种或多种。
如上所述，已经发展用于在以过量氧气燃烧燃料的稀燃发动机(例如柴油和汽油燃料发动机)中降低NOx排放水平的技术包括选择性催化还原催化(“SCR”)设备。SCR催化剂组合物可以包含沸石以及一种或多种基底金属组分例如铁(“Fe”)、钴(“Co”)、铜(“Cu”)或钒(“V”)，能够有效地操作用于在存在还原剂例如氨(“NH3”)的情况下转化废气中的NOx成分。尽管使用催化剂有助于减少SCR设备还原NOx所需的活化能，但是柴油机和其他稀燃发动机不断提高的效率造成在稳定运行时较低的废气温度以及随后的发动机冷启动。这种较低的工作温度延迟了SCR设备必须达到最低工作温度才能有效还原NOx的有效启动。通常，SCR可能要一直到发动机启动几分钟之后才达到合适的工作温度。
发明内容
在本发明的示范性实施例中，一种用于内燃机的废气后处理系统包括：排气管，被设置用于将废气从内燃机输送至废气处理系统中的废气处理设备；氧化催化设备，被设置用于氧化废气中未燃烧的气态和非挥发性HC与CO；位于氧化催化设备下游的选择性催化还原设备，被设置用于在有还原剂的情况下在活化温度范围内转化废气中的NOx成分；以及位于选择性催化还原设备上游介于选择性催化还原设备和氧化催化设备之间的NOx吸附器装置。NOx吸附器装置包括其上加有吸附剂化合物以从废气中带走NOx成分的基板流动通道，旁路以及设置为与旁路流体连通的阀件。阀可操作用于从打开位置移动到关闭位置，在打开位置废气流过旁路并流至选择性催化还原设备，在关闭位置阻止废气流过旁路并迫使其流过流动通道再流至选择性催化还原设备。与废气后处理系统信号通信的控制器被设置用于监测选择性催化还原设备的温度，其中控制器可操作用于在选择性催化还原设备处于或高于工作温度时将阀件移动至打开位置以及在选择性催化还原设备低于工作温度时将阀件移动至关闭位置以从废气中带走NOx成分。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点根据以下结合附图给出的本发明的详细说明即可变得显而易见。
附图说明
在以下仅作为示例的实施例详细说明中体现出其他的目标、特征、优点和细节，详细说明参照附图给出，在附图中：
图1是用于内燃机的废气处理系统的示意图；以及
图2是示出了实施本发明应用的一部分废气处理系统的示范性工作模式的操作流程图。
具体实施方式
以下的说明内容在本质上仅仅是示意性的而绝不是为了限制本公开、其应用或用途。应该理解贯穿附图始终的对应附图标记表示相似或对应的部件和特征。
现参照图1，本发明的示范性实施例涉及用于减少内燃机12中受管制废气成分的废气处理系统10。应该意识到内燃机12可以包括但不限于柴油发动机机系统、汽油发动机系统和均质充量压燃发动机系统。
废气处理系统包括排气管14，其可以包括用于将废气16从内燃机12输送至废气处理系统10中不同废气处理设备的若干段。废气处理设备可以包括氧化催化(“OC”)设备18。在一个示范性实施例中，OC设备18包括被封装在与排气管14流体连通并且被设置用于促进废气16经此流过的入口和出口之间的刚性壳体或罐22内的流通式金属或陶瓷整体基底(“基底”)20。基底20具有设置在其上的氧化催化剂化合物24。氧化催化剂化合物24可以被施加为涂层并且可以包含铂族金属例如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)或其他合适的氧化催化剂或其组合。OC设备18用于处理作为废气16的一部分从发动机12排出的未燃烧气态和非挥发性HC与CO并且在放热反应中将其氧化以生成二氧化碳和水。
在一个示范性实施例中，选择性催化还原(“SCR”)设备38位于OC设备18的下游。以类似于OC设备的方式，SCR设备38可以包括被封装在具有与排气管14流体连通并且被设置用于促进废气16经此流过的入口和出口的刚性壳体或罐42内的流通式陶瓷或金属整体基底(“基底”)40。基底40具有向其施加的SCR催化剂组合物44。SCR催化剂组合物可以包含沸石以及一种或多种基底金属组分例如铁(“Fe”)、钴(“Co”)、铜(“Cu”)或钒(“V”)，能够有效地操作用于在有还原剂例如氨(“NH3”)的情况下以处于200℃及以上范围内的“活化温度”转化废气16中的NOx成分。当SCR设备38的工作温度低于活化工作温度时，未处理的废气16(也就是过量的NOx)可以绕过该设备并从废气后处理系统10排出。
在一个示范性实施例中，可以利用与排气管14流体连通的还原剂喷射器54在SCR设备38上游的位置将NH3还原剂48喷入排气管14内，或者使用其他合适的方法将还原剂输送到废气16中。还原剂可以是气体、液体或尿素水溶液的形式并且可以在还原剂喷射器54内与空气混合以有助于在废气16中散布喷雾。类似地，燃料喷射器58可以位于OC设备18上游并与排气管14中的废气16流体连通。燃料喷射器58如本文中所述被设置用于在废气处理系统10的某些工作状态期间将未燃烧燃料(“HC”)60引入废气流以输送至OC设备18。可以使用用于将过量HC引入废气16中的其他方法例如向发动机气缸内延迟喷射燃料以导致有过量的未燃烧燃料作为废气16中的组分离开气缸。
NOx吸附器装置68位于SCR设备38上游，介于SCR设备和OC设备18之间。NOx吸附器装置68可以装在其自己的罐内，或者可以如图1所示位于SCR设备38的罐42内，由此在内燃机12的车辆应用情况下减少有限封装空间内必须封装的独立废气处理设备的数量。在一个示范性实施例中，NOx吸附器装置68可以包括从壳体或罐42的内壁46径向向内延伸的柱状基板70以在基板内界定出轴向延伸的流动通道(未示出)以及在其中心延伸的轴向延伸直通通道或废气旁路72。阀件75被设置为与柱状基板70中的轴向延伸直通通道或废气旁路72流体连通并且可操作用于移动至关闭位置(如图1所示)以及移动至打开(或部分打开)位置（未示出），在关闭位置阻止废气16流过直通通道72并迫使其流过柱状基板70中的流动通道再流至SCR设备38，在打开位置废气16流过直通通道或废气旁路72再流至SCR设备38。在打开位置，废气16由于基板给出的较高流动阻力而无法流过(或者可以部分流过)柱状基板70并且将主要流过直通通道72再流至SCR设备38。尽管图1中所示NOx吸附器装置68示出了具有轴向延伸直通通道或旁路72的柱状基板70的用法，但是这种结构在本质和结构上仅是示范性的，并且对本领域技术人员显而易见的是封装和性能要求也可能需要将其他的结构用于基板和废气旁路72。
在一个示范性实施例中，NOx吸附器装置68的柱状基板70具有向其施加的吸附剂化合物76，例如沸石。吸附剂化合物76被选择用于在SCR设备38尚未获得合适的工作温度时(或者已经降至该温度以下)的时段期间临时性地从废气16中带走NOx成分。已知这样的吸附剂76具有有限的NOx存储容量和NOx存储温度范围，并且一旦达到其存储极限就必须在重新使用之前进行净化。
控制器例如发动机、动力传动系或车辆的控制器78被有效连接至监测废气处理系统10并通过分别与多个传感器例如第一和第二温度传感器80和82的信号通信监测废气处理系统10。第一温度传感器80监测OC设备18出口附近的温度，并且第二温度传感器82监测SCR设备38上游的SCR设备和NOx吸附器装置68之间的温度。如本文中所用的术语控制器可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、运行一种或多种软件或固件程序的(共享、专用或群组)处理器和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。
参照图1和图2，现介绍废气处理系统10的一种示范性工作模式。所述工作模式可具体应用于以下内燃机12的冷启动，但是也可以在内燃机工作期间SCR设备38降至最低工作温度以下时使用。这样的场合可以包括将内燃机12用作混合电动车系统的一部分，此时例如在时走时停的城市行驶中会出现发动机的频繁停机。
在一个示范性实施例中，工作模式从100开始。在102，控制器78从第二温度传感器82获取关于SCR设备38的温度信息。在104，如果SCR设备38处于或高于其工作温度，操作即可终止或返回步骤102。如果SCR设备在104尚未达到最低工作温度或者已经降至最低工作温度以下，那么控制器就在106从第一温度传感器80获取关于OC设备18的温度信息。在108，控制器判定OC设备18是否处于通过废气16向SCR设备38输送足够的热量以将SCR设备升温至其最低工作温度所必须满足的最低工作温度下。如果OC设备18低于通过废气16向SCR设备38输送足够的热量以将SCR设备升温至其最低工作温度所必须满足的最低工作温度，那么控制器就在110命令阀件75到达关闭位置以由此迫使废气16流过柱状基板70用于从中吸附NOx。与在110处关闭阀件75同时地，控制器激活燃料喷射器58以在OC设备18上游将燃料(“HC”)60送入废气16中。喷射的燃料60在其经过OC设备18时氧化，并且放热反应将快速升高废气16的温度。在112，控制器通过第一温度传感器80监测废气16的温度。当废气16的温度在114已经升高至足以将SCR设备38快速升温至最低工作温度的水平时，控制器就在116命令阀件75到达打开位置以由此允许加热的废气16绕过柱状基板70并直接流过轴向延伸直通通道或废气旁路72再流至SCR设备38，在此将SCR设备38的温度升高至工作温度。
通过监测温度传感器82由控制器在118确定激活SCR设备38之后，在118即可停用燃料喷射器58并且可以激活还原剂喷射器54。在120激活还原剂喷射器54导致SCR设备38全力工作之后，控制器在122再次判定离开OC 18的废气温度是否处于足以再生或解除吸附由NOx吸附器装置68的柱状基板70上的吸附剂化合物76吸附的NOx成分的水平。如果就是这样的情况，那么控制器78就在124关闭阀件75，迫使废气16流过柱状基板70，在此可以解除吸附携带的NOx并将其输送至SCR设备38用于在其中还原。如果控制器在122判定离开OC 设备18的废气温度尚未达到足以将NOx吸附器装置68中NOx解除吸附的温度水平，那么控制器在128重新激活燃料喷射器58以向OC设备18输送燃料，由此在124关闭阀件75之前将离开OC设备的废气16的温度升高至足以将NOx吸附器装置68中NOx解除吸附的水平。在预定时间之后或者根据用于确定NOx吸附器装置68中Nox完全解除吸附的其他设定参数，控制器78在126命令阀件75到达打开位置，然后废气16即可流过排气通道72或废气旁路并流至SCR 38。废气处理系统的工作模式在130终止。
尽管已经完整介绍了上述工作模式，但是应该注意并且可以想到的是某些步骤可以打乱顺序执行或者并不完全依赖于任何特定废气处理设备或废气处理系统10中废气16的温度在任意指定时刻的状态。
尽管已经参照示范性实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解可以进行各种修改并且可以用等价形式代替其中的元素而并不背离本发明的保护范围。另外，可以根据本发明的教导得到多种变形以适应特定情况或材料而并不背离其实质的保护范围。因此，应该认定本发明并不局限于公开的特定实施例，而且本发明应该包括落入本申请保护范围内的所有实施例。

Claims (8)

1. 一种用于内燃机的废气后处理系统，包括：
排气管，被设置用于将废气从内燃机输送至废气处理系统中的废气处理设备；
氧化催化设备，被设置用于氧化废气中未燃烧的气态和非挥发性HC与CO；
位于氧化催化设备下游的选择性催化还原设备，被设置用于在有还原剂的情况下在活化温度范围内转化废气中的NOx成分；
位于选择性催化还原设备上游介于选择性催化还原设备和氧化催化设备之间的NOx吸附器装置，所述NOx吸附器装置包括：
基板，界定出其上加有吸附剂化合物以从废气中带走NOx成分的排气通道和排气旁路；
阀件，设置为与排气旁路流体连通并且可操作用于从打开位置移动到关闭位置，在打开位置废气流过排气旁路并流至选择性催化还原设备，在关闭位置阻止废气流过旁路并迫使其流过排气通道再流至选择性催化还原设备，以及
控制器，与废气后处理系统信号通信并且被设置用于监测选择性催化还原设备的温度，其中控制器可操作用于在选择性催化还原设备处于或高于工作温度时将阀件移动至打开位置以及在选择性催化还原设备低于工作温度时将阀件移动至关闭位置以从废气中带走NOx成分。
2. 如权利要求1所述的废气后处理系统，进一步包括：
位于氧化催化设备的出口附近并与控制器信号通信的第一温度传感器以及位于选择性催化还原设备的入口附近并与控制器信号通信的第二温度传感器；第二温度传感器可操作用于向控制器发信号以将阀件相对于排气旁路从打开位置移动到关闭位置和从关闭位置移动到打开位置。
3. 如权利要求2所述的废气后处理系统，进一步包括：
烃类喷射器，与控制器信号通信并且可操作用于以来自第一和第二温度传感器的信号为基础，在选择性催化还原设备的温度低于工作温度时以及在相对于排气旁路打开移动阀件从关闭位置移动到打开位置之前废气温度低于将NOx吸附器装置中的NOx解除吸附所需的温度时，在氧化催化设备上游向废气输送烃类以供在氧化催化设备中氧化，由此升高从中流过的废气的温度。
4. 如权利要求2所述的废气后处理系统，进一步包括：
还原剂喷射器，与控制器信号通信并且可操作用于以来自控制器的信号为基础，在选择性催化还原设备的温度处于或高于工作温度时以及在阀相对于排气旁路处于打开位置时，在选择性催化还原设备上游向废气输送还原剂以还原废气中的NOx。
5. 如权利要求1所述的废气后处理系统，其中NOx吸附器装置进一步包括：
柱状基板，从装置中罐的内壁径向向内部分延伸以界定出其上加有用于从废气中带走NOx成分的吸附剂化合物的流动通道和轴向延伸的直通通道；以及
阀件，设置为与柱状基板中轴向延伸的直通通道流体连通并且可操作用于从打开位置移动到关闭位置，在打开位置废气流过直通通道并流至选择性催化还原设备，在关闭位置阻止废气流过直通通道并迫使其流过柱状基板的流动通道再流至选择性催化还原设备。
6. 一种操作废气处理系统的方法，所述废气处理系统包括：
排气管，被设置用于将废气从内燃机输送至废气处理系统中的废气处理设备；氧化催化设备，被设置用于氧化废气中未燃烧的气态和非挥发性HC与CO；选择性催化还原设备，位于氧化催化设备下游并且被设置用于在有还原剂的情况下在活化温度范围内转化废气中的NOx成分；位于选择性催化还原设备上游介于选择性催化还原设备和氧化催化设备之间的NOx吸附器装置，NOx吸附器装置包括基板，基板界定出其上加有吸附剂化合物以从废气中带走NOx成分的流动通道，排气旁路和阀件，阀件设置为与排气旁路流体连通并且可操作用于从打开位置移动到关闭位置，在打开位置废气从中流过并流至选择性催化还原设备，在关闭位置阻止废气从中流过并迫使其流过基板中的流动通道再流至选择性催化还原设备，所述废气处理系统进一步包括与废气后处理系统信号通信并且被设置用于监测选择性催化还原设备温度的控制器，其中控制器可操作用于在选择性催化还原设备处于或高于工作温度时将阀件移动至打开位置以及在选择性催化还原设备低于工作温度时将阀件移动至关闭位置以从废气中带走NOx成分，所述方法包括：
控制器获取选择性催化设备的温度；
如果选择性催化设备尚未达到最低工作温度或者已经降至最低工作温度以下，那么控制器就获取氧化催化设备的温度；
控制器判定氧化催化设备是否处于通过废气向选择性催化设备输送足够的热量以将选择性催化设备升温至其最低工作温度所必须满足的最低工作温度；
如果氧化催化设备低于其最低工作温度，那么控制器就命令阀件到达关闭位置以由此迫使废气流过基板用于从中吸附NOx；
与关闭阀件同时地，控制器升高氧化催化设备的温度和废气的温度；
控制器监测废气温度，并且当废气温度已经升高至足以将选择性催化设备升温至最低工作温度的水平时，控制器就命令阀件到达打开位置以由此允许加热的废气绕过基板并直接流过废气旁路再流至选择性催化设备，在此可操作用于将选择性催化设备的温度升高至工作温度。
7. 如权利要求6所述的操作废气处理系统的方法，所述方法进一步包括：
在激活选择性催化设备之后，控制器再次判定离开氧化催化设备的废气温度是否足以将已由NOx吸附器装置基板内的吸附剂化合物吸附的NOx成分解除吸附；并且
如果废气温度足够，那么控制器就关闭阀件，迫使废气流过基板，在此可以将携带的NOx解除吸附并将其输送至选择性催化设备用于在其中还原。
8. 一种操作废气处理系统的方法，所述废气处理系统包括：
排气管，被设置用于将废气从内燃机输送至废气处理系统中的废气处理设备；氧化催化设备，被设置用于氧化废气中未燃烧的气态和非挥发性HC与CO；选择性催化还原设备，位于氧化催化设备下游并且被设置用于在有还原剂的情况下在活化温度范围内转化废气中的NOx成分；位于选择性催化还原设备上游介于选择性催化还原设备和氧化催化设备之间的NOx吸附器装置，NOx吸附器装置包括基板，基板界定出其上加有吸附剂化合物以从废气中带走NOx成分的流动通道，排气旁路和阀件，阀件设置为与排气旁路流体连通并且可操作用于从打开位置移动到关闭位置，在打开位置废气流过排气旁路并流至选择性催化还原设备，在关闭位置阻止废气流过排气旁路并迫使其流过基板中的流动通道再流至选择性催化还原设备，所述废气处理系统进一步包括与废气后处理系统信号通信并且被设置用于监测选择性催化还原设备温度的控制器，其中控制器可操作用于在选择性催化还原设备处于或高于工作温度时将阀件移动至打开位置以及在选择性催化还原设备低于工作温度时将阀件移动至关闭位置以从废气中带走NOx成分，所述方法包括：
控制器获取选择性催化设备的温度；
如果选择性催化设备尚未达到最低工作温度或者已经降至最低工作温度以下，那么控制器就获取氧化催化设备的温度；
控制器判定氧化催化设备是否处于通过废气向选择性催化设备输送足够的热量以将选择性催化设备升温至其最低工作温度所必须满足的最低工作温度；
如果氧化催化设备低于其最低工作温度，那么控制器就命令阀件到达关闭位置以由此迫使废气流过基板用于从中吸附NOx；
与关闭阀件同时地，控制器升高氧化催化设备的温度和废气温度；
控制器监测废气的温度，并且当废气的温度已经升高至足以将选择性催化设备升温至最低工作温度的水平时，控制器就命令阀件到达打开位置以由此允许加热的废气绕过基板并直接流过废气旁路再流至选择性催化设备，在此可操作用于将选择性催化设备的温度升高至工作温度；
在激活选择性催化设备之后，控制器再次判定离开氧化催化设备的废气温度是否足以将已由NOx吸附器装置基板内的吸附剂化合物吸附的NOx成分解除吸附；
如果废气温度足够，那么控制器就关闭阀件，迫使废气流过基板，在此可以将携带的NOx解除吸附并将其输送至选择性催化设备用于在其中还原；并且
在预定时间之后或者根据用于确定将NOx吸附器装置中NOx完全解除吸附的其他设定参数，控制器命令阀件到达打开位置，然后废气流过排气旁路并流至选择性催化设备。
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