CN104061046B - 用于柴油器件的紧凑废气处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种废气处理系统，包括SCR装置和设置在SCR装置上游的DOC转化器。DEF配量系统包括设置在DOC转化器上游的喷射器，用于将氨还原剂喷射到DOC转化器上游的废气流中。DOC转化器包括褶皱的金属基质，其具有氨‑中性氧化催化剂组分，该组分可操作为氧化废气流中的碳氢化合物和一氧化碳，而不与废气流中的氨还原剂反应。氨‑中性氧化催化剂组分允许废气流中的氨还原剂穿过DOC转化器，用于与SCR装置中的选择性催化还原组分反应。

Description

用于柴油器件的紧凑废气处理系统
技术领域
本发明总体涉及用于柴油发动机的废气处理系统。
背景技术
车辆废气处理系统被用来处理来自车辆发动机的废气。从柴油发动机排放的废气是异质混合物，其包括气态排放物，比如一氧化碳(“CO”)、未燃烧的碳氢化合物(“HC”)和氮氧化物(“NOX”)，还包括构成颗粒物质的凝相材料(液体和固体)。催化剂组分，其通常设置在废气处理系统内的催化剂支撑件或基质上，被提供用来将这些废气成分中的一些或全部转化为不受限制的气体成分。例如，柴油废气处理系统可包括用于还原CO和过量的HC的包含贵金属的柴油氧化催化剂(“DOC”)转化器、用于在柴油机排出流体(“DEF”)的协助下降低NOX的选择性催化还原(“SCR”)装置、以及用于颗粒物质的去除的柴油颗粒过滤(“DPF”)装置中的一个或多个。当要求周期性再生(或烟灰氧化)时，DOC将氧化被喷射的柴油燃料，即碳氢化合物，以产生放热反应来烧掉DPF内积累的烟灰。废气系统要求DOC上游的碳氢化合物混合器和SCR上游的DEF混合器，以提供分别用于有效的DOC和SCR操作的碳氢化合物和DEF的更均匀的还原分布。
废气处理系统，比如上述的废气处理系统，特别适用于处理来自柴油发动机的废气。然而，由于局限的可用封装空间，这种复杂的废气处理系统难以封装到客车、轻型运货车和厢式汽车中。
发明内容
还提供了一种用于柴油发动机的废气处理系统。该废气处理系统包括与柴油发动机流体连通的废气导管。该废气导管配置为接收来自柴油发动机的废气流。选择性催化还原(SCR)装置包括与废气导管流体连通的入口和出口。SCR装置包括选择性催化还原组分，用于在氨还原剂存在的情况下还原废气流中的氮氧化物(NOX)。柴油氧化催化剂(DOC)转化器包括与废气导管流体连通的入口和出口。DOC转化器在废气导管中设置在SCR装置的上游。柴油排出流体(DEF)配量系统包括与废气导管流体连通的喷射器。喷射器在废气导管中设置在DOC转化器的上游。DEF配量系统可操作为将氨还原剂喷射到DOC转化器上游的废气流内。DOC转化器包括氨-中性氧化催化剂组分，其可操作为氧化废气流中的碳氢化合物和一氧化碳，而不与废气流中的氨还原剂反应。氨-中性氧化催化剂组分允许废气流中的氨还原剂穿过DOC转化器，用于通过SCR装置中的选择性催化还原组分降低NOX。
还提供了一种处理来自柴油发动机的废气的方法。该方法包括将氨还原剂喷射到DOC转化器上游的废气流中。DOC转化器包括氨-中性氧化催化剂组分，其可操作为氧化废气流中的碳氢化合物和一氧化碳，而不与废气流中的氨还原剂反应。氨-中性氧化催化剂组分允许氨还原剂经过DOC转化器。废气流中的氨还原剂与SCR装置中的选择性催化还原组分反应。该选择性催化还原装置设置在DOC转化器下游，以降低废气流中的NOX。
因此，氨还原剂，即DEF溶液，被喷射到DOC转化器上游的废气流中。DOC转化器操作为在SCR装置上游混合、蒸发氨还原剂、并可能为氨还原剂提供水解，以实现SCR装置中的有效的NOX还原。因此，用于将氨还原剂与废气流混合的废气处理系统的长度被极大地降低，由此允许废气处理系统在更小的车辆中使用，比如客车、轻型运货车和厢式汽车。
本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。
附图说明
图1是用于柴油发动机的废气处理系统的示意图。
图2是显示了废气处理系统的替换性实施例的示意图。
具体实施方式
具有本领域常规技术的人将认识到，诸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等的术语用来描述附图，且不表示对本发明的范围的限制，所述范围由所附的权利要求所限定。此外，这里可能根据功能和/或逻辑块部件和/或各种进行步骤描述本发明。应意识到，这种部件可实施为任何数量的硬件、软件和/或配置为执行特定功能的固件部件。
参考附图，其中相同的幅图标记在几幅图中指向相同的部件，废气处理系统在20处大致示出。废气处理系统20处理柴油发动机21的受调节的废气组分。
废气处理系统20包括废气导管22，该废气导管可以包括若干个区段，用来大致如箭头24所示地将废气从柴油发动机21输送到废气处理系统20的各个废气处理装置(如下文中详细叙述)和输送到所述装置之间。该废气处理装置包括但不限于柴油氧化催化剂(DOC)转化器26、选择性催化剂还原(SCR)装置28、和柴油颗粒过滤器(DPF)装置30。
DOC转化器26在废气导管22中设置在SCR装置28的上游。DOC转化器26包括流动经过基质32，该基质封装在DOC转化器26的入口36和出口38之间的刚性容纳罐34中。DOC转化器26的基质32优选地可操作为混合和蒸发包括氨还原剂40的柴油机排放流体(DEF)，该流体在氨还原剂40到达SCR装置28之前被喷射到废气流内。DOC转化器26的基质32可以包括褶皱金属基质(corrugated metallic substrate)32，该褶皱金属基质适用于用在催化转化器中，以便于将氨还原剂40与DOC转化器26中的废气混合和将其和所述废气蒸发。
DOC转化器26的入口36和出口38与废气导管22流体连通，并有助于废气穿过DOC转化器26流动。DOC转化器26包括氨-中性氧化催化剂组分42，该组分设置在DOC转化器26的基质32上。DOC转化器26的氨-中性氧化催化剂组分42可以包括钯(Pd)、贱金属(Ce,Cu,Mo,Fe,Mn,La等)、碱金属(Na,K)，或钯、贱金属、碱金属的任何组合。DOC转化器26处理未燃烧气体和非挥发性碳氢化合物以及一氧化碳，其是从发动机排放的废气的一部分，或经由气缸内后燃料喷射过程或内排放碳氢化合物喷射过程(in-exhaust hydrocarbon injection)特地喷射到废气中。
氨-中性氧化催化剂组分42以放热反应氧化废气中的碳氢化合物和一氧化碳，以形成二氧化碳和水，而不与废气流中的氨还原剂40反应，以允许氨还原剂40穿过DOC转化器26，用于与SCR装置28中的选择性催化还原组分44反应。来自DOC转化器26的放热反应的热量可用来加热废气，使其达到足以再生DPF的温度，即足以燃烧掉DPF装置30中的累积的烟灰的温度。
SCR装置28布置在DOC转化器26下游。SCR装置28包括流动经过基质46，该基质封装在SCR装置28的入口50和出口52之间的刚性容纳罐48中。SCR装置28的入口50和出口52与废气导管22流体连通，并有助于废气穿过SCR装置28流动。SCR装置28包括选择性催化还原组分44，该组分设置在SCR装置28的基质46上。选择性催化还原组分44优选地包括沸石和一个或多个贱金属组分，比如铁(Fe)、钴(Co)或铜(Cu)，其可有效地操作以在氨还原剂40(比如但不限于氨(NH3))存在的情况下转化废气中的氮氧化物(NOX)组分。另外，选择性催化还原组分可以基于是vanadia/二氧化钛的、基于铂的或其组合。也可以使用其它不含vanadia的配方(例如酸性氧化锆)。
氨还原剂40可通过DEF配量系统54供应。DEF配量系统54可包括还原剂供应容器56，该供应容器与还原剂喷射器58流体连通。还原剂喷射器58与废气导管22流体连通，且在废气导管22中设置在DOC转化器26上游。DEF配量系统54可操作为经由还原剂喷射器58将氨还原剂40喷射到DOC转化器26上游的废气流内。氨还原剂40可以是气体、液体或尿素水溶液的形式。氨还原剂40可以与还原剂喷射器58中的空气混合，以有助于被喷射的喷雾的分散。控制器60，比如动力传动系或车辆控制器60，控制氨还原剂40到废气导管22的喷射。
参考图1，用于在DOC转化器26中反应的碳氢化合物经由气缸内后燃料喷射过程被喷射到废气流中。气缸内后燃料喷射过程是被本领域技术人员已知的，且因此在这里没有详细叙述。参考图2，用于在DOC转化器26中反应的碳氢化合物经由内排放碳氢化合物喷射过程的碳氢化合物喷射器62被喷射到废气流中。碳氢化合物喷射器62设置在还原剂喷射器58的下游，且在DOC转化器26的上游。内排放碳氢化合物喷射过程是被本领域技术人员已知的，且因此在这里没有详细叙述。混合器64设置在废气导管22中在碳氢化合物喷射器62和还原剂喷射器58的下游，且在DOC转化器26上游。混合器64可操作为将喷射到废气导管22中的碳氢化合物与废气流混合。
DPF装置30操作为从废气流过滤碳和其他颗粒物质。DPF装置30可使用过滤器基质66构成。如图2所示，过滤器基质66可以封装在作为单个单元的刚性容纳罐68中。如图1所示，过滤器基质66封装在DOC转化器26的刚性容纳罐34中。被过滤的颗粒物质堆放在过滤器基质66上。DPF装置30周期性地再生，以燃烧掉积累的颗粒物质。DPF装置30的再生通常是自动的，且基于发动机和废气系统传感器产生的信号而由发动机或其他适当的控制器60控制。再生事件涉及提高过滤器基质66的温度，通常通过DOC转化器26上发生的放热反应，使所述温度达到通常高于600℃的水平，以便燃烧积累的颗粒物质。
参考图1，DPF装置30设置在DOC转化器26的刚性容纳罐34中，在SCR装置28上游。因此，DOC转化器26和DPF装置30作为单个单元整体地形成，以限定紧密联接的DOC转化器/颗粒过滤器，该DOC转化器/颗粒过滤器具有形成DOC转化器26的上游部分和形成颗粒过滤器的下游部分。参考图2，DPF装置30作为分开的且不同的排放处理装置被显示，其设置在SCR装置28的下游。然而，应意识到，SCR装置28和DPF装置30可作为单个单元整体地形成，即选择性催化还原过滤器(SCRF)。
DPF装置30的过滤基质66可包括分布在其中的氧化催化剂组分。DPF装置30的氧化催化剂组分的添加提供双向排放处理装置，其能够降低废气的受调节的组分，即碳氢化合物和一氧化碳，并且去除碳和其他颗粒物质。如果颗粒过滤器设置在SCR装置28的上游，比如图1中所示的那样，并包括氧化催化剂组分，则DPF装置30的氧化催化剂组分是氨-中性氧化催化剂组分72，其不与废气流中的氨还原剂40反应。DPF装置30上的氨-中性氧化催化剂组分72允许氨还原剂40穿过DPF装置30，用于与SCR装置28中的选择性催化还原组分44反应。DPF装置30的氨-中性氧化催化剂组分72可以包括钯(Pd)、贱金属(Ce,Cu,Mo,Fe,Mn,La等)、碱金属(Na,K)，或钯、贱金属、碱金属的任何组合。DPF装置30的氨-中性氧化催化剂组分72以放热反应氧化废气中的碳氢化合物，一氧化碳和颗粒物质(烟灰)，以形成二氧化碳和水，同时允许废气中的氨还原剂40穿过DPF装置30。应意识到，DPF装置30不必须包括氧化催化剂组分。非催化的DPF装置30在性质上是氨中性的，且氨还原剂40可穿过颗粒过滤器。
如果DPF装置30在SCR装置28的下游，比如图2中所示的那样，并包括氧化催化剂组分，则颗粒过滤器的氧化催化剂组分可包括某其他组分，该其他组分可以或可以不与废气流中的氨还原剂40反应。
图1和2中所示的废气处理系统20的两个实施例将氨还原剂40喷射到DOC转化器26的上游的废气流中，并包括设置在DOC转化器26下游的SCR装置28。DOC转化器26的氨-中性氧化催化剂组分42不与被喷射到废气流中的氨还原剂40反应，由此允许氨还原剂40穿过DOC转化器26并进入SCR装置28。氨还原剂40在穿过DOC转化器26(其配备有褶皱金属基质或类似的具有混合提高性能的基质)时在到达SCR装置28之前与废气混合，由此减少废气处理系统20的长度，这允许废气处理系统20并入到更小的车辆中，比如客车、厢式汽车、轻型货车等。
详细描述和附图或视图支持和描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行要求保护的发明的最佳模式和其他实施例，存在各种替换设计和实施例，用于实践限定在所附权利要求中的本发明。

Claims (10)

1.一种用于柴油发动机的废气处理系统，该废气处理系统包括：
废气导管，与柴油发动机流体连通，用于从柴油发动机接收废气流；
选择性催化还原装置，即SCR装置，具有与废气导管流体连通的入口和出口，且包括选择性催化还原组分，用于在氨还原剂存在的情况下降低废气流中的氮氧化物；
柴油氧化催化剂转化器，即DOC转化器，具有与废气导管流体连通的入口和出口，且设置在废气导管中的选择性催化还原装置的上游；和
柴油机排放流体配量系统，即DEF配量系统，包括与废气导管流体连通且设置在废气导管中的DOC转化器的上游的喷射器；
其中DEF配量系统可操作为将氨还原剂喷射到DOC转化器上游的废气流内；和
其中DOC转化器包括氨-中性氧化催化剂组分，该氨-中性氧化催化剂组分可操作为氧化废气流中的碳氢化合物和一氧化碳，而不与废气流中的氨还原剂反应，以允许氨还原剂通过DOC转化器，用于与SCR装置中的选择性催化还原组分反应。
2.如权利要求1所述的废气处理系统，其中DOC转化器包括在其上支撑所述氨-中性氧化催化剂组分的基质。
3.如权利要求2所述的废气处理系统，其中DOC转化器的基质可操作为将氨还原剂与废气流混合。
4.如权利要求3所述的废气处理系统，其中DOC转化器的基质是褶皱的金属基质。
5.如权利要求2所述的废气处理系统，其中DOC转化器的基质可操作为，在氨还原剂到达SCR装置之前，混合并蒸发氨还原剂。
6.如权利要求1所述的废气处理系统，其中DOC转化器的氨-中性氧化催化剂组分包括钯、贱金属、碱金属，或钯、贱金属和碱金属的任何组合。
7.如权利要求1所述的废气处理系统，进一步包括柴油颗粒过滤装置，即DPF装置，其与废气导管流体连通，且可操作为从废气流过滤颗粒物质。
8.如权利要求7所述的废气处理系统，其中DPF装置设置在废气导管中的SCR装置的上游。
9.如权利要求8所述的废气处理系统，其中DPF装置包括氨-中性氧化催化剂组分，该氨-中性氧化催化剂组分不与废气流中的氨还原剂反应，以允许氨还原剂穿过颗粒过滤装置，用于与SCR装置中的选择性催化还原组分反应。
10.如权利要求9所述的废气处理系统，其中DPF装置的氨-中性氧化催化剂组分包括钯、贱金属、碱金属，或钯、贱金属和碱金属的任何组合。
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