CN103261603A - 具有dco再生策略的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与燃烧发动机(10)一起使用的排气系统(18)。该排气系统可以具有配置成从燃烧发动机接收排气流的排气通道(26)和布置在排气通道内的氧化催化剂(44)。该排气系统还可以具有配置成在氧化催化剂的上游位置处选择性地将燃料喷射到排气中的燃料喷射器(38)、配置成产生表示流经排气通道的排气的温度的信号的温度传感器(54)以及与燃料喷射器和温度传感器通信的控制器(52)。该控制器(52)可以配置成基于所述信号做出已经在氧化催化剂上形成氧化物层的判断以及基于所述判断来调节燃料喷射器的操作以喷射燃料并还原氧化物层。

Description

具有DCO再生策略的排气系统
技术领域
本发明涉及一种排气系统，更特别地，涉及一种具有用于再生柴油氧化催化剂(DOC)的策略的排气系统。
背景技术
柴油氧化催化剂(DOC)通常用在内燃发动机的排气系统中以促进不同的排放减少处理。例如，DOC可以用于在发动机排气流中形成所期望的NO与NO2的比例，以增强下游选择性催化还原(SCR)装置内的NOX还原。在另一个示例中，DOC可以用于增加经过柴油颗粒过滤器(DPF)的排气流中NO2的总量，以降低捕集在DPF中的颗粒物质的燃烧温度并从而增强DPF的被动再生。
DOC尽管如排气处理工具那样有效，但是其在某些情况下也是有问题的。即，已经发现通常包括诸如铂之类的昂贵材料的DOC的活性催化材料在暴露于高温时变得活性不够。结果，当DOC在达到高温后冷却或者在高温下操作较长时间段时，DOC不太能够产生NO2。
在由W.Hauptmann等人撰写的于2009年9月16出版的名称为“Inverse Hysteresis During The NO Oxidation on Pt Under LeanConditions(在稀条件下Pt上的NO氧化期间的逆滞后)”的期刊论文(“Hauptmann论文”)中讨论了上面提到的DOC在暴露于高温后降低的功能性。在Hauptmann论文中，还讨论了一种再生DOC的方法。特别地，Hauptmann论文描述了在含有高浓度NO的排气流中在延长的时间内慢慢地冷却DOC如何能够改进DOC后续的性能。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种与燃烧发动机一起使用的排气系统。该排气系统可以包括配置成从燃烧发动机接收排气流的排气通道以及布置在所述排气通道内的氧化催化剂。该排气系统还可以包括配置成在所述氧化催化剂的上游位置处选择性地将燃料喷入排气中的燃料喷射器、配置成产生表示流经所述排气通道的排气的温度的信号的温度传感器以及与所述燃料喷射器和所述温度传感器通信的控制器。该控制器可以配置成基于所述信号做出已经在所述氧化催化剂上形成氧化物层的判断并基于所述判断调节所述燃料喷射器的操作以喷射燃料和还原所述氧化物层。
本发明的另一个方面涉及一种操作排气系统的方法。该方法可以包括引导排气经过氧化催化剂以及做出已经在所述氧化催化剂上形成氧化物层的判断。该方法还包括基于所述判断将燃料引入被引导经过所述氧化催化剂的排气中以还原所述氧化物层。
附图说明
图1是示例性披露的动力系统的示意性概略图示；以及
图2是图示了图1的动力系统操作的曲线图。
具体实施方式
图1图示了一种示例性动力系统10。为了披露本发明的目的，示出并描述的动力系统10是以柴油作为燃料的内燃发动机。然而，可以设想，动力系统10可以具体体现为任何其他类型的燃烧发动机，比如汽油发动机或者燃烧压缩或液化天然气、丙烷或甲烷的以气态燃料提供动力的发动机。动力系统10可以包括发动机缸体12，其至少部分地限定多个燃烧室14，经由多个燃料喷射器15向这些燃烧室供应燃料。可以设想，动力系统10可以包括任何数量的燃烧室14并且这些燃烧室14可以以“直列”构型、“V”形构型或者以任何其他传统的构型来布置。
多个单独的子系统可以包含在动力系统10内。例如，动力系统10可以包括进气系统16、排气系统18和控制系统20。进气系统16可以配置成将空气引入到动力系统10的燃烧室14中以与来自于喷射器15的燃料混合以用于后续的燃烧。排气系统18可以将燃烧的副产品排放到大气中。控制系统20可以调节进气系统16和排气系统18的操作以减少被调节成分的产生和/或它们向大气的排放。
进气系统16可以包括多个元件，它们协同作用来调节压缩空气并将压缩空气引入到燃烧室14中。例如，进气系统16可以包括位于一个或多个压缩机24下游的空气冷却器22。压缩机24可以连接成加压被引导经过冷却器22的进入空气。可以在压缩机24的上游和/或下游设置节气门(未示出)，以选择性地调节(即限制)进入到动力系统10的进入空气的流量。对进入空气的流量的限制会导致更少的空气进入动力系统10，因此影响动力系统10的空燃比。可以设想，如果需要，进气系统16除了上面描述的元件之外可以包括不同的或者另外的元件，比如与每个燃烧室14连接的可变气门致动器、过滤元件、压缩机旁通元件以及可以被选择性地控制成影响动力系统10的空燃比的其他已知的元件。还可以设想，如果需要自然吸气的动力系统10，则可以省去压缩机24和/或冷却器22。
排气系统18可以包括多个元件，它们调节来自于燃烧室14的排气并将排气引导到大气中。例如，排气系统18可以包括排气通道26、由流经通道26的排气驱动的一个或多个涡轮机28以及在涡轮机28的下游位置处流体连接在通道26内的多个排气处理装置。可以设想，如果需要，排气系统18除了上面描述的元件之外可以包括不同的或者另外的元件，例如排气再循环(EGR)元件、旁通元件、排气压缩或限制制动器、稀薄化/稀释(attenuation)装置以及其他已知的元件。
每个涡轮机28可以定位成接收从燃烧室14排出的排气，并且可以通过共用的轴30连接到进气系统16的一个或多个压缩机24以形成涡轮增压器。当从动力系统10出来的热的排气经过涡轮28并扩张到其叶片(未示出)上时，涡轮机28可以转动并驱动所连接的压缩机24以加压进气。在一个实施方式中，涡轮机28可以是可变截面涡轮机(VGT)或者包括可变截面涡轮机和固定截面涡轮机的结合。VGT是一种截面可调节的涡轮增压器，以获得不同展弦比(aspect ratio)，使得在操作条件范围下可以将适当的增压压力供应到燃烧室14。当涡轮机28的流动面积改变时，空燃比并且因此动力系统10的性能也可以改变。替代性地，如果需要，可以包括具有或不具有电子控制排气门的固定截面涡轮增压器。
排气系统18的处理装置可以接收来自于涡轮机28的排气并且减少或移除排气成分。在一个示例中，排气处理装置可以包括柴油颗粒过滤器(DPF)32和选择性催化还原(SCR)装置34中的一个或多个。颗粒过滤器是设计成捕集颗粒物质并且一般由金属丝网或陶瓷蜂窝状介质构成的装置。当载有颗粒物质的排气经过过滤器时，颗粒物质被过滤器阻挡并从排气悬浮出来。SCR装置34可以包括位于喷射器38下游的催化剂基体36。可以通过喷射器38选择性地将加压的气态或液体还原剂(最常见的是尿素(NH2)2CO或者水/尿素混合物)推入到催化剂基体36上游的排气中。车载还原剂源40和加压装置42可以与喷射器38相连接以提供加压的还原剂。当喷射出的还原剂被吸收到催化剂基体36表面上时，还原剂可以与排气中的NOX(NO和NO2)反应以生成水(H2O)和氮气(N2)。
颗粒捕集器32和/或SCR装置34的性能可以通过位于上游的柴油氧化催化剂(DOC)44增强。特别地，当DPF32操作时，颗粒物质会在其中积聚，如果不加以处理，最终将会以不期望的量限制流经DPF32的排气。因此，可以选择性地再生DPF32以减少颗粒物质积聚的量。为了开始DPF32的再生，必须将夹带在DPF32内的颗粒物质的温度升高到使捕集的颗粒物质烧掉的燃烧阈值温度以上，例如大约600℃以上。然而，在大多数情况下，不会自然达到该阈值温度。正如下面将更详细说明的，DOC44可以在流经DPF32的排气流中产生一定量的NO2，这有助于将燃烧阈值温度降低到在通常操作条件下允许被捕集的颗粒物质燃烧的水平。这种再生可以称作被动再生。类似地，由SCR34执行的还原过程在供应到SCR装置的NO与NO2的浓度比为约1∶1时是最有效的，DOC44可以有助于提供这种浓度。
DOC44可以包括涂有例如含有贵金属的涂层的材料的多孔陶瓷蜂窝状结构或者金属网基体，其对化学反应起催化作用以改变排气的组分。例如，DOC44可以包括促进在动力系统10的排气流中已经存在的NO的一部分转化成NO2的钯、铂、钒或者它们的混合物的涂层。然后可以将具有增加量NO2的排气流引入DPF32中以促进其中的被动再生和/或引入SCR装置34中以促进NOX的还原。
如上所述，DOC的贵金属/活性催化剂成分在暴露于高温之后会变得活性不够。特别地，已经确定当暴露于高温一段较长的时间之后，由于其产生的NO2，DOC可以被覆有氧化物层，该氧化物层导致DOC的性能退化。在图2中绘出了这种现象。具体地，图2图示了表示当动力源加热时在相应的动力源初始操作期间一般的DOC的操作的第一曲线200，以及表示在升高的温度下一较长的时间段之后和在动力源冷却期间相同的DOC的操作的第二曲线210。正如从这些曲线的比较中可以看出的，一般的DOC最初执行得很好并且将增加量的NO转化成NO2，直到排气温度达到大约180℃。然而一旦排气温度达到大约180℃并且继续升高，一般的DOC的转化效率就会降低。还有，当DOC在升高的温度下延长操作之后冷却时，转化效率显著降低。例如，当从250℃冷却到200℃时，曲线210中示出的效率大约是曲线200中示出的初始效率的一半。此外，如果已发生在充分冷却之前的再次加热，一般DOC的效率将遵循降低效率曲线210而不是曲线200。
为了帮助确保DOC44以期望的水平延长操作，可以在DOC44上游的位置处布置喷射器46，该喷射器46配置成选择性地将碳氢化合物，例如柴油燃料，喷入到排气通道26中。当碳氢化合物与DOC44的金属基体上的氧化物层相接触时，可以发生化学反应，移除或者还原氧化物层。车载碳氢化合物源48和加压装置50可以与喷射器46连接以提供加压的碳氢化合物。
控制系统20可以包括配置成调节在排放到大气中之前对来自于动力系统10的排气进行的处理的部件。具体地，控制系统20可以包括与一个或多个排气传感器54、喷射器38和喷射器46通信的控制器52。基于来自于排气传感器54的输入和/或其他输入，控制器52可以确定由动力源10产生的NOX的量、SCR装置34的性能、DOC44上氧化物层的形成、应该由喷射器38喷射到排气流中的期望的尿素量、应该由喷射器46喷射到排气流中的期望的碳氢化合物的量和/或其他类似的控制参数。控制器52然后可以调节喷射器38和46的操作以使得分别将所期望量的尿素和碳氢化合物喷射到催化剂基体36和DOC44上游的排气流中。
控制器52可以具体体现为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等等，其包括用于响应于从各个传感器接收到的信号控制动力系统10的操作的器件。许多可买到的微处理器可以配置成执行控制器52的功能。应该意识到的是，控制器52可以容易地具体体现为与控制其他非排气相关的动力系统功能的微处理器分开的微处理器，或者控制器52可以与总体动力系统微处理器是一体的并且能够控制许多动力系统功能和操作模式。如果与总体动力系统微处理器分开，则控制器52可以经由数据线或其他方法与总体动力系统微处理器通信。控制器52可以连接各种其他已知的电路，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动器电路(即对螺线管、电机或压电致动器供电的电路)、通信电路以及其他合适的电路。
控制系统20的排气传感器54可以配置成产生表示DOC44的金属基体上的氧化物层的形成的信号。在一个实施方式中，排气传感器54可以是温度传感器，其配置成产生对应于经过DOC44的排气的温度的信号并且将该信号发送到控制器52。在该示例中，当该信号对应于排气温度在阈值温度以上，控制器52可以做出氧化物层可能已经形成的判断。所述阈值温度可以是大约180-250℃并且对应于DOC44的基体的大约60-100％由氧化物层覆盖。在另一个示例中，当该信号表示排气温度已经保持在阈值温度以上一阈值时间段时，控制器52可以做出氧化物已经形成的判断。所述阈值时间段可以是大约2-30秒。可以设想，如果需要，排气传感器54可以是除了温度传感器之外的一种传感器，并且控制器52可以配置成类似地基于来自于该传感器的相应信号做出与氧化物层的形成有关的判断。例如，排气传感器54可以替代性地具体体现为NOX传感器，其配置成检测从DOC44出来的排气中的NO和/或NO2的量，其中控制器52然后配置成基于感测到DOC44的转化性能来确定氧化物层的形成。在另一个示例中，排气传感器54可以替代性地具体体现为颗粒过滤器传感器，其配置成产生表示低于正如由在DPF32内或下游检测到的烟灰的量和/或DPF32两侧的压差所确定的DPF32的期望的再生比例的信号。
还可以设想，传感器54可以替代性地具体体现为虚拟传感器。虚拟传感器可以基于一个或多个已知的或者感测到动力系统10和/或DOC44的操作参数产生模型驱动的评估。例如，基于已知的操作速度、载荷、温度、增压压力、环境条件(湿度、压力、温度)和/或动力系统10的其他参数，可以参照所述模型来确定DOC44上氧化物层的形成。类似地，基于已知的或者评估的动力系统10的NOX产量、从动力源10出来的排气的流速和/或排气的温度，可以参照所述模型以确定氧化物层的形成。结果，如果需要，从传感器54引向控制器52的信号可以以计算出的和/或评估出的值为基础而不是以直接测量结果为基础。可以设想，如果需要，除了单独的元件之外，这些虚拟感测功能可以由控制器52完成。
当控制器52确定氧化物层可能已经形成在DOC44的基体上时，控制器52可以选择性地使喷射器46将一阵或多阵碳氢化合物喷射到在DOC44上游位置处的排气中。例如，在DOC44处的排气的温度超过180℃之后和/或保持在180℃以上至少2秒之后，控制器52可以使喷射器46通电以喷射一定量的对于移除或还原相应的氧化物层所必需的碳氢化合物。在一个实施方式中，在单次氧化物去除事件期间喷射的碳氢化合物的量可以为大约100-1000ppm或者在该事件期间由动力系统10消耗的燃料总量(即包括用于正常燃烧目的的燃料)的大约1/100-1/1000，并且具有大约5-300秒的喷射持续时间。该碳氢化合物的量可以主要用于移除一些或者所有的氧化物层并且对通道26内排气的空燃比或者温度几乎没有影响。例如，喷射的碳氢化合物可以使通道26内的排气的空燃比升高小于大约5％并且使排气的温度升高小于大约30℃。在一个示例中，已经示出了碳氢化合物的喷射以根据应用在短至大约5-300秒内将氧化物层移除到小于DOC44的基体表面的大约20％。
在一个实施方式中，控制器52可以延迟碳氢化合物的喷射直到排气温度已达到峰值并且观察到排气的冷却。这种冷却例如可以对应于动力系统10的怠速或者挖掘循环的诸如倾卸之类的特殊段或者需要来自于动力系统10的更少的输出的返回段。当控制器52检测到在一分钟时间段内大约5-20℃的温度降时，控制器52可以确定温度已经达到峰值并且排气正在冷却。
在一些情况下，动力系统10的排气温度可以保持升高一段延长的时间。在这些情况下操作期间，控制器52在根据上面概述的策略触发初始的碳氢化合物喷射之后，只要排气温度保持升高就可以继续喷射碳氢化合物。例如，在碳氢化合物初始喷射之后，可以将喷射器46控制成大约每五分钟就喷射后续的碳氢化合物。
工业实用性
本发明的排气系统可以适用于具有氧化催化剂的任何动力系统，其中在所需水平上持续的性能是重要的。DOC44的性能可以通过当确定氧化物层可能已经形成在DOC44上时在DOC44上游位置处将碳氢化合物选择性地喷入动力系统10的排气流中来延伸。现在将描述动力系统10的操作。
参见图1，进气系统16可以将空气或者空气和燃料的混合物增压并将其推入动力系统10的燃烧室14中用于后续的燃烧。燃料和空气混合物可以被动力系统10燃烧以产生机械功输出和热气体的排气流。排气流可以包含由气态材料组成的空气污染物的复杂混合物，其可以包括氮氧化物(NOX)。当引导该载有NOX的排气流从燃烧室14通过氧化催化剂44时，流中的一些NO可被转化成NO2。
在经过氧化催化剂44之后，包含增加量NO2的排气流可被引导通过DPF32和SCR34。当排气经过这些处理装置时，排气中的颗粒物质可以由DPF32移除，且排气中的NOX可被还原成无害物质。如上所述，由DOC44产生的增加量NO2可以促进DPF32的被动再生并且增强了SCR34内的NOX的还原。
当经过DOC44的排气流的温度达到大约180℃和/或保持在180℃以上达至少2秒时，在DOC44的金属基体上会形成氧化物层。该氧化物层如果不加以处理，则可能会降低DOC44的性能。为了保持DOC44性能的所需水平，DOC44的基体可能需要被选择性地再生。因此，控制器52可以监视来自于排气传感器54的信号(步骤300)并且判断排气温度是否已经保持在180℃以上达至少2秒(步骤310)。当控制器52确定步骤310的条件已经满足时(步骤310：是)，控制器52可以等待下一个排气冷却事件(例如，在一分钟的时间段内排气温度冷却5-20℃的事件)(步骤310)，然后通过在DOC44上游的位置处使喷射器46选择性地将碳氢化合物(即柴油燃料)喷射到通道26的排气中来开始DOC44的再生(步骤330)。该喷射的碳氢化合物——当其与氧化物层接触时——可以促进移除氧化物层并恢复DOC44的功能性的化学反应。只要控制器52确定排气温度保持升高(例如，高于180℃)，控制器52就可以使喷射器46以规则时间间隔——例如每隔五分钟——喷射额外的碳氢化合物(步骤340)，而无需等待冷却事件发生。
多个方面可以与动力系统10关联。例如，所披露的碳氢化合物的喷射能够在非常短的时间内用非常少的碳氢化合物去除DOC的氧化物层。特别地，已经显示，相对少的碳氢化合物(即所消耗的燃料总量的大约1/100-1/1000)的喷射可以在大约5-300秒内去除氧化物层，效率比单独使用提高的NO浓度高大约二十倍。因此，所披露的系统可以非常反应灵敏并有效的。此外，许多动力系统可能已经装备有用于主动再生DPF和/或加热SCR装置的位于排气中的燃料喷射器。因此，再生DOC的这种相同燃料喷射器的选择性使用可能需要很少或者根本不需要新的硬件。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围的前提下可以对本发明的系统做出各种修改和变型。基于对这里所披露的系统的说明书和实践的考虑，其他实施方式对于本领域技术人员是显而易见的。例如，在氧化物层形成之后除了使用喷射器46来增加经过DOC44的碳氢化合物的量之外，可以设想还可以利用上面讨论的空燃比调节装置(例如节气门、可变气门致动器、VGT等等)来帮助移除氧化物层。此外，可以设想代替利用喷射器46来喷射燃料并选择性地从DOC44移除氧化物层，可以另外地使用燃料喷射器15来在喷射的燃料在气缸14内不能完全燃烧的定时喷射移除所需的少量燃料(例如在后期的后喷射中或者在相应的气缸14失效时的喷射期间)。当使用燃料喷射器15来再生DOC44时，可以省去喷射器46、源48和装置50。说明书和示例应认为仅是示例性的，本发明的真实范围由所附的权利要求以及它们的等价方式表示。

Claims (10)

1.一种用于燃烧发动机(10)的排气系统(18)，包括：
配置成从燃烧发动机(10)接收排气流的排气通道(26)；
布置在所述排气通道(26)内的氧化催化剂(44)；
配置成在所述氧化催化剂(44)上游的位置处选择性地将燃料喷射到排气中的燃料喷射器(38)；
温度传感器(54)，该温度传感器配置成产生表示流经所述排气通道(26)的排气的温度的信号；以及
与所述燃料喷射器(38)和所述温度传感器(54)通信的控制器(52)，该控制器(52)配置成：
基于所述信号做出已经在所述氧化催化剂(44)上形成氧化物层的判断；以及
基于所述判断调节所述燃料喷射器(38)的操作以喷射燃料并还原所述氧化物层。
2.根据权利要求1所述的排气系统(18)，其中，所述控制器(52)配置成当所述信号表示流经所述排气通道(26)的排气的温度已经超过一阈值温度时做出已经形成氧化物层的判断。
3.根据权利要求2所述的排气系统(18)，其中，所述控制器(52)配置成当所述信号表示流经所述排气通道(26)的排气的温度已经保持在所述阈值温度以上达一阈值时间段时做出已经形成氧化物层的判断。
4.根据权利要求2所述的排气系统(18)，其中，所述阈值温度是所述氧化催化剂(44)的约60-100％被所述氧化物层覆盖时的温度。
5.根据权利要求4所述的排气系统(18)，其中，由所述燃料喷射器(38)喷射的用来还原所述氧化物层的燃料使排气流的空燃比改变小于约5％的程度。
6.根据权利要求4所述的排气系统(18)，其中，由所述燃料喷射器(38)喷射的用来还原所述氧化物层的燃料使温度升高小于约30℃。
7.根据权利要求4所述的排气系统(18)，其中，在单次喷射期间由所述燃料喷射器(38)喷射的用来还原所述氧化物层的燃料是在排气流中约100-1000ppm，并且所述控制器(52)配置成只要流经所述排气通道(26)的排气的温度保持在所述阈值温度以上就继续以约五分钟的时间间隔喷射。
8.根据权利要求2所述的排气系统(18)，其中，所述控制器(52)配置成调节所述燃料喷射器(38)的操作以在所述信号表示流经所述排气通道(26)的排气正在冷却时喷射燃料。
9.根据权利要求1所述的排气系统(18)，还包括在所述氧化催化剂(44)下游布置在所述排气通道(26)内的颗粒过滤器(32)或还原装置中的一个，所述颗粒过滤器配置成在存在由所述氧化催化剂(44)产生的NO2的情况下再生，所述还原装置配置成在存在由所述氧化催化剂(44)产生的NO和NO2的情况下还原排气的组分。
10.一种操作排气系统(18)的方法，包括：
引导排气经过氧化催化剂(44)；
做出已经在所述氧化催化剂(44)上形成氧化物层的判断；以及
基于所述判断将燃料选择性地引入被引导经过所述氧化催化剂(44)的排气中以还原所述氧化物层。
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