CN106555645A - 用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。所述方法包括：使得还原剂的注射在较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率之间振荡。较高还原剂注射速率足够高从而导致已分解形式的还原剂在进行选择性催化还原的过滤器(SCR+F)上的储存，并且较低还原剂注射速率足够低从而导致SCR+F上的已分解形式的还原剂的耗尽，SCR+F包括柴油颗粒过滤器和施加到该柴油颗粒过滤器上的选择性催化还原催化剂。

Description

用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法
技术领域
本公开涉及一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。
背景技术
发动机制造商经由后处理系统满足规定的排放法规。例如Tier 3，过渡Tier 4和最终Tier 4排放法规要求颗粒物(“PM”)和氮氧化物(“NOx”)的显著降低。在最终Tier 4排放规定之外，由于后处理系统的持续演化，驱动器可以包括更严格的排放标准、更低的拥有成本(尤其是，购买的初始成本)；以及更紧凑和模块化的解决方案。一些后处理系统包括用于降低PM的柴油颗粒过滤器以及用于去除NOx的选择性催化还原(SCR)催化剂。这些系统可能具有相对高的拥有成本并且需要相对大的设计空间。
用于潜在地降低成本和最小化这些系统的设计空间的一种解决方案是替代地在过滤器上使用选择性催化还原法(SCR+F)。该“SCR+F”包括带有施加在其上的选择性催化还原催化剂的柴油颗粒过滤器(diesel Particulate filter，DPF)。然而SCR+F解决方案引入了一些操作挑战，挑战中的一种是PM的通过NOx的被动再生与NOx的通过与氨(NH3)选择性反应的转化的反应之间具有竞争。
发明内容
公开了一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。所述方法包括：使得还原剂的注射在较高还原剂注射速率/注射量(injection rate)和较低还原剂注射速率/注射量(injection rate)之间振荡。较高还原剂注射速率足够高从而导致已分解形式的还原剂在SCR+F上的储存，并且较低还原剂注射速率足够低从而导致SCR+F上的已分解形式的还原剂的耗尽。较高和较低注射速率的组合可以促进SCR+F中的PM的被动再生。
附图说明
参照附图对图进行详细说明，其中：
图1是动力系统的示例的示意图；
图2是用于注射还原剂的方法的示例；
图3是用于调整较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率相对于基准还原剂注射速率的差值的映射图的示例；
图4是用于计算第一时间段和第二时间段的映射图的示例；
图5是当SCR+F中的已分解的还原剂的储量处于较高水平时废气中的NO2浓度水平的示意图；以及
图6是当SCR+F中的已分解的还原剂的储量处于较低水平时废气中的NO2浓度水平的示意图。
在多个附图中类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
参考图1，示出了用于向各种机械提供动力的动力系统100的示意图，多个机械包括公路上行驶的卡车，工程车辆、海洋船舶、静止的发电机、汽车、农业车辆和露营车辆。动力系统100的发动机106可以是能够产生废气的任何种类的发动机，其中废气和流动方向由方向箭头192指示。发动机106可以是内燃机，诸如汽油发动机、柴油发动机、气体燃料燃烧发动机(例如，天然气)，或任何其他产生废气的发动机。发动机106可以是任何尺寸，并且具有任何数量的缸体，并且是任何构造(例如，“V”型，纵列型和放射形)。
动力系统100包括废气系统108，该废气系统108具有用于将废气从发动机106引导到大气的部件。废气系统108包括后处理系统113，废气的至少一些穿过该后处理系统113。后处理系统113去除例如存在于从发动机106的接收的废气中的PM和NOx排放物。
后处理系统113示出为具有氧化催化剂(DOC)110和SCR系统152。SCR系统152可以包括被SCR+F 120所接续的还原剂输送系统124。SCR+F 120包括DPF和施加到该DPF上的选择性催化还原催化剂。通过将SCR和DPF功能整合到单个部件SCR+F 120中，可以有助于降低成本，满足包装限制和/或增强SCR系统152的性能。
如图所示，SCR+F 120可以被例如氨氧化催化剂(AOC)122和第二SCR催化剂132接续，它们可以相对于彼此分开或集成。后处理系统113的替代实施例，仅列举几个例子，可以包括(1)DOC 110，该DOC110由SCR+F 120接续，但是不具有第二SCR催化剂132且不具有AOC122，或者(2)DOC 110，该DOC110由SCR+F 120接续，该SCR+F 120由第二SCR催化剂132接续，但是不具有AOC 122，或者(3)带有被直接涂覆在其后侧上的AOC的SCR+F 120，但是不具有第二SCR催化剂132。
废气流过后处理系统113的每一个部件，并且在被处理之后，经由尾管125被排出到大气中。从该尾管125中逸出的废气明显比未处理的废气具有更少的污染物，诸如PM、NOx以及碳氢化合物。
DOC 110可以被构造成多种方式，并且包括在收集、吸收、吸附和/或转化包含在废气中的碳氢化合物、一氧化碳和/或氮氧化物中有用的的催化剂材料。此种催化剂材料可以包括例如铝、铂、钯、铑、钡、铈和/或碱金属，碱土金属，稀土金属或其组合。DOC 110可以包括例如陶瓷基体、金属网、泡沫或本领域已知的其他任何多孔材料，并且催化剂材料可以位于例如DOC 110的衬底上。DOC 110也可以氧化包含在废气中的NO，由此在SCR+F 120上游将NO转化为NO2。
还原剂输送系统124可以包括用于储存还原剂的还原剂罐136。还原剂的一个示例是具有32.5％的高纯度尿素和67.5％的去离子水(例如，DEF)的溶液，随着该溶剂行进通过分解管114，该溶液分解以生成氨。
还原剂输送系统124可以包括被安装到还原剂罐136的还原剂集管130，还原剂集管130在一些实施例中还包括用于测量还原剂罐136中的还原剂的量的液位传感器128。液位传感器128可以包括悬浮件，该悬浮件被构造为悬浮在包含在还原剂罐136中的还原剂的液/空气接合表面处。
分解管114可以被定位在还原剂注射器116的下游但是在SCR+F 120的上游。还原剂注射器116可以是例如注射器，该注射器被选择性地可控以将还原剂直接注射到废气中。如图所示，SCR系统152可以包括还原剂混合器118，该还原剂混合器118被定位在SCR+F 120的上游以及还原剂注射器116的下游。为了增大还原剂的注射速率/注射量(injectionrate)，还原剂注射器116可以在每次开口期间保持开放较长的时间段。并且为了降低还原剂的注射速率/注射量(injection rate)，还原剂注射器116可以在每次开口期间保持开放较短的时间段。
还原剂输送系统124可以额外地包括还原剂压力源和还原剂抽取通道176。还原剂抽取通道176可以在还原剂罐136和还原剂压力源之间流体连接至还原剂罐136和还原剂压力源。还原剂输送系统124还可以包括还原剂供给模块143。控制器115可以控制还原剂供给模块143，并且因此控制还原剂注射器116的注射速率。
控制器115可以是控制动力系统100的多个元件的发动机控制单元(ECU)或发动机控制模块(ECM)，这些元件包括燃料注射器的持续时间和相位，或者可以是另一控制器。控制器115可以与动力系统100的其他部件通信地连接，诸如高压燃料泵，废气再循环系统，和/或用于监视和控制动力系统的多种功能的后处理系统113。在一些实施例中，控制器115可以是控制器局域网络(CAN)的一部分，其中，在该CAN中，动力系统100的控制器115、传感器和致动器经由数字CAN信息通信。
还原剂输送系统124还可以包括还原剂配料通道178和还原剂返回通道180。虽然在动力系统100的一些实施例中，返回通道180可以经由还原剂集管130被连接到返回管，但返回通道180被示出为延伸到还原剂罐136中。还原剂输送系统124除了这些之外还可以包括被定位在抽取通道176、还原剂配料通道178和返回通道180中的阀、孔口、传感器和泵。
如上所述，随着还原剂行进通过分解管114，该还原剂分解以生成NH3。NH3在存在SCR+F 120的情况下与NOx发生反应，并且将NOx降解为危害较小的排放物，诸如N2和水。SCR+F 120可以是本领域中已知的多种催化剂中的任意一种。例如，在一些实施例中，SCR+F 120可以是矾基催化剂。但是在其他实施例中，SCR+F 120可以是沸石基催化剂，诸如铜沸石，或铁沸石。
AOC 122可以是多种流经催化剂中的任一种，用于与NH3发生反应并且由此生成氮气。一般地，AOC 122被用于去除从SCR+F 120中漏出或逸出的NH3。
在SCR+F 120中，PM的通过NOx的被动再生和NOx的通过与还原剂的选择性反应的转化反应之间处于竞争中。这是因为PM的成功被动再生需要足够的NO2含量，但是同时NO2含量经由与NH3的反应而降低。在中温至高温下，SCR+F 120中的NO2的减少与NO2氧化PM相比发生得快的多。并且如果此情况发生，那么NO2在SCR+F 120的上游位置降低得如此快，以至于没有NO2能够用于氧化PM。
在图2中示出的是用于将还原剂注射到从发动机106中逸出的废气中的方法200。方法200可以解决PM的通过NOx的被动再生和NOx的通过与还原剂的选择性反应的转化之间的竞争。
在步骤202中，控制器115可以计算用于给定时间段的基准还原剂注射速率/注射量(injection rate)。基准注射速率可以基于动力系统100的物理状态，或者基于对动力系统100的物理状态的控制。例如，该基准注射速率可以基于后处理系统113中的NOx值，并且可以是g/s(克/秒)的形式。此外，基准注射速率可以是取决于废气中的NOx水平、空间速度、废气流量、催化剂温度和NH3的储存量的瞬时量。
在步骤204中，控制器115可以基于例如基准注射速率、废气温度206、空间速度208、压力、温度和/或一些其他值210计算较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率。较高注射速率足够高以导致已分解形式的还原剂的在SCR+F 120上的储存，并且较低注射速率足够低以导致SCR+F 120上的已分解形式的还原剂的耗尽。
在方法200的一些实施例中，较高注射速率可以是单个较高注射速率或多个较高注射速率中的一个。在单个较高注射速率的情况下，例如，基准注射速率可以是0.1克/秒，并且较高注射速率可重复为0.11克/秒。在多个较高注射速率的情况下，相反地，基准注射速率可再次为0.1克/秒，然而较高注射速率可以在0.1克/秒之上的不同值之间改变(例如，(1)在半个周期内从基准注射速率线性地增大到较高注射速率，并且在第二个半周期内从较高注射速率线性地降低到基准注射速率；或者(2)跟随半正弦波的轨迹，起始于基准注射速率，在半周期时达到较高注射速率，并且在周期结束时下降回到基准注射速率)。相同的方法也可以对一个或更多较低注射速率使用。
废气温度206可以是与SCR+F 120、AOC 122或者第二SCR催化剂132或者后处理系统113中的任何位置相关的温度。废气温度206可以是测量出的温度或计算出的温度。
空间速度208可以是SCR+F 120、AOC 122、第二SCR催化剂132或者后处理系统113中的其他部件的空间速度208。空间速度208可以是废气体积流速除以部件的体积(例如，每单位时间整体体积的废气在其中被更换的次数)。能够被用于空间速度208的一个单位可以是千次每小时(即，千次/时)
其他值210可以是例如NOx浓度值，湿度值、大气温度值、负载值、速度值或对发动机106的控制器115可用的其他任何物理状态。这些值可以被测量、被建模、或被计算，仅仅列举几个示例。
在步骤212中，控制器115可以计算用于完成一组较高注射速率的注射的第一时间段，以及用于完成一组较低注射速率的注射的第二时间段。在此实施例中，这些组相对于彼此在时序上紧邻。根据解决被动再生和利用还原剂对NOx的还原之间的竞争的需求，第一时间段和第二时间段的长度在一些实施例中可以相等，但是在其他实施例中可以不同。在一些实施例中，在步骤212中，控制器115可以基于废气温度206、空间速度208或者一些其他值210来计算第一和第二时间段。在其他实施例中，控制器115可以基于其可以获得的其他值来计算第一和第二时间段。
在步骤214中，控制器115可以使得注射速率在第一时间段期间的较高注射速率和第二时间段期间的较低注射速率之间振荡。在步骤214中，振荡可以包括在SCR+F 120的上游(即，DPF的功能的上游)、AOC 22和第二SCR催化剂132的上游注射还原剂。在方法200的一些操作模式中，较高注射速率和较低注射速率的组合的平均注射速率可以基本上等于还原剂注射速率(例如，±20％以内)。
随着方法200重复，当空间速度208减小时，控制器115可以增大较高注射速率和基准注射速率之间的差值。替代地或附加地，当空间速度208减小时，控制器115也可以增大基准注射速率和较低注射速率之间的差值。这种差值的增大可以在步骤204中被计算，然后在步骤214中实施。在一些操作模式中，差值可能已经跳转(即，太高或太低)，从而导致与增大或减小相反的维持。
替代地，随着方法200重复，当空间速度208增大时，控制器115可以减小较高注射速率和基准注射速率之间的差值。替代地或附加地，当空间速度208增大时，控制器115也可以减小基准注射速率和较低注射速率之间的差值。与上类似，此种增大可以在步骤204中被计算，然后在步骤214中实施。
在图3中示出了用于调节差值的映射图的示意图。给出此调整的一个示例，随着空间速度208在大约330℃的废气温度206下从大约10k/小时增到到30k/小时，差值从大约32％降低到大约4％。在此种示例中，如果基准注射速率是0.1克/秒，那么较高和较低注射速率在初始模式下可以增大和降低32％，但是在下一模式中仅仅增大和降低4％。图3中的映射图仅仅是用于设置和调节差值的一个示例性方法。此种图形可以被储存在控制器115中。
随着方法200重复，当废气温度206降低时，控制器115可以增大第一和第二时间段，或者替代地当废气温度206增大时可以减小第一和第二时间段。此种增大和减小可以在步骤204中被计算并且在步骤214中实施。在一些操作模式中，时间段可能已经被跳转(即，太长或太短)，从而导致与增大或减小相反的保持。
图4示出了用于调节时间段的映射图的示意图。仅给出此调整的一个示例，随着废气温度206在大约20k/小时的空间速度208下从大约250℃增大到大约330℃，时间段可以从大约55秒降低到大约2秒。
进一步地，随着方法200的重复，当空间速度208降低时，控制器115可以增大第一和第二时间段，或者替代地当空间速度208增大时可以减小第一和第二时间段。此种增大和减小可以在步骤204中被计算并且在步骤214中实施。在一些操作模式中，时间段可能已经跳转(即，太长或太短)，从而导致与增大或减小相反的维持恒定。图4中的映射图仅是用于基于空间速度208设置和调节时间段的一个示例性方法。该映射图可以被储存在控制器115中。
参考图5，示出了当SCR+F 120中的已分解的还原剂的储量处于较高水平时废气中的NO2浓度水平的简化的示意图。NO2浓度水平是SCR+F 120中的给定位置处的NO2浓度水平的夸大表示(即，在上游位置更高并且之后降低)。如上所述，还原剂的一个示例是具有32.5％的纯化尿素和67.5％的去离子水(例如，DEF)的溶液，随着该溶液行进通过分解管114，该溶剂分解以生成NH3。SCR+F 120的载体涂料可以吸收NH3，并且抑制NH3浓度水平和NOx转化水平的改变。
如图5所示，当例如SCR+F 120上的氨的储量高时，NO2浓度在SCR+F 120的上游部可以根本地降低。当例如在步骤214中以较高注射速率注射一段时间的还原剂时，可以发生如图5所示的操作模式。
总体上SCR+F 120和后处理系统113的一个目的是还原NO2。然而，在如图5所示的操作模式下，该还原发生的如此之快以至于在SCR+F 120的中部和下游部没有NO2可用于被动地降低烟尘水平。在该模式下连续地操作SCR+F 120可能需要主动再生，该主动二再生可能加大燃料的用量并且增大对动力系统100的标准操作的干扰。虽然存在此缺点，但是当SCR+F 120基本上耗尽NH3时，较高注射速率对于将NH3储存在SCR+F 120上可以是有用的。
相反地，参考图6，示出了当SCR+F 120中的已分解的还原剂(例如，NH3)的储量处于较低水平时废气中的NO2浓度水平的简化的示意图。
当例如在步骤214中以较低注射速率注射一段时间的还原剂时，可以发生如图6所示的操作模式。例如，如果以较低注射速率注射还原剂时，储存的NH3在SCR+F 120的上游部等开始耗尽。当NH3在SCR+F 120的上游部耗尽时，废气中的NO2可以沿着该部分(例如，图6中的NO2浓度高的部分)在SCR+F 120上将烟尘被动地再生。储存在SCR+F 120的中部和下游部的NH3然后与NO2反应并且快速还原NO2。最终，通过以较低注射速率注射还原剂，NO2可以渗透SCR+F 120的较长部分，促进被动再生，并且将对于主动再生的需求最小化。
返回参考图3，在较低空间速度和275℃和380℃的之间的废气温度下，增大较高和较低注射速率相对于基准注射速率的差值可能是尤其有利的。这部分地是由于(1)当以较低注射速率注射一段时间的还原剂时，随着NH3在SCR+F 120中耗尽，在此温度下可能发生被动再生，并且由于(2)此种温度不是很高而不会导致从SCR+F 120中快速释放NH3。在该范围之外的温度下和/或较高空间速度下，减小较高和较低注射速率相对于基准注射速率的差值可能不那么有利。在此种情形下，还原剂可被更接近基准注射速率地注射，从而集中于在SCR+F 120的整个长度上的NOx的还原，并且等待更好的被动再生SCR+F 120的机会。
返回参考图4，在较高空间速度的情况下，较短的第一和第二时间段可能是有利的。这是因为当与储存在SCR+F 120上的NH3的量相比时，NOx和NH3的流速增大。这加快了SCR+F 120的动态响应。在较高空间速度的情况下，NO2还原工作面(reduction front)将更加快速地从SCR+F 120的前面进行到后面。NH3的储量也是如此。由于类似但是相反的原因，在较低空间速度的情况下，较长的第一和第二时间段可能是有利的。
在较高废气温度下，较短的第一和第二时间段可能更加合适。这是因为随着催化剂温度增大，SCR+F 120上的NH3储量降低。这降低了储存的NH3的量并且从根本上加快了SCR+F 120的动态响应。NH3的储量也是如此。由于类似但是相反的原因，在较高空间速度的情况下，较长的第一和第二时间段可以是有利的。
虽然在图4中未示出，但是在较高的NOx浓度下，较短的第一和第二时间段可以是更合适的。这是因为：NOx浓度的增加会增大NOx相对于储存在SCR+F 120上的NH3的量流过SCR+F 120的流速。该动态效应与增大空间速度208和废气温度206类似，从而加快SCR+F120的动态响应。
虽然在附图和前述的说明中已经详细地示出和说明了本公开，但是此种图示和说明应当被理解为在特征方面是示例性的并且非限制性的，应当理解图示的实施例已经被示出和说明，并且落在本公开的范围内的所有改变和修改都期望被保护。应当注意的是，本公开的替代实施例可能不包括描述的所有特征，但是还是从这些特征的至少一些优点中受益。本领域的技术人员可以容易地想到他们自己的实施方式，该实施方式包含本公开的特征的一个或多个，并且落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内。

Claims (20)

1.一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法，所述方法包括：
使还原剂的注射在较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率之间振荡，较高还原剂注射速率足够高从而导致已分解形式的还原剂在进行选择性催化还原的过滤器(SCR+F)上的储存，并且较低还原剂注射速率足够低从而导致在进行选择性催化还原的过滤器上的已分解形式的还原剂的耗尽，进行选择性催化还原的过滤器包括柴油颗粒过滤器和施加到该柴油颗粒过滤器上的选择性催化还原催化剂。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括基于动力系统的一个或多个物理状态计算较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于废气温度计算较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括基于空间速度计算较高还原剂注射速率和较低还原剂注射速率。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算基准还原剂注射速率；
基于基准还原剂注射速率计算较高还原剂注射速率，较高还原剂注射速率高于基准还原剂注射速率；以及
基于基准还原剂注射速率计算较低还原剂注射速率，较低还原剂注射速率低于基准还原剂注射速率。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在空间速度减小时，增大较高还原剂注射速率和基准还原剂注射速率之间的差值。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括在空间速度降低时，增大基准还原剂注射速率和较低还原剂注射速率之间的差值。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括在空间速度增大时，减小较高还原剂注射速率和基准还原剂注射速率之间的差值。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括在空间速度增大时，减小基准还原剂注射速率和较低还原剂注射速率之间的差值。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算用于以较高还原剂注射速率完成一组注射的第一时间段；以及
计算用于以较低还原剂注射速率完成一组注射的第二时间段，
这两组注射在时序上紧邻。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：当废气温度增大时，减小第一时间段和第二时间段。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：当废气温度降低时，增大第一时间段和第二时间段。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：当空间速度降低时，减小第一时间段和第二时间段。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：当空间速度增大时，增大第一时间段和第二时间段。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述较高还原剂注射速率是多个较高还原剂注射速率中的一个，所述较低还原剂注射速率是多个较低还原剂注射速率中的一个，并且所述方法还包括：
计算用于以所述多个较高还原剂注射速率完成第一组注射的第一时间段；以及
计算用于以所述多个较低还原剂注射速率完成第二组注射的第二时间段。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
计算基准还原剂注射速率；
基于基准还原剂注射速率计算所述多个较高还原剂注射速率，所述多个较高还原剂注射速率高于基准还原剂注射速率；以及
基于基准还原剂注射速率计算所述多个较低还原剂注射速率，所述多个较低还原剂注射速率低于基准还原剂注射速率。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：当废气温度降低时，增大第一时间段和第二时间段。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：当废气温度增加时，减小第一时间段和第二时间段。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括：当空间速度降低时，增大第一时间段和第二时间段。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：当空间速度增大时，减小第一时间段和第二时间段。
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