CN107787395A - 引擎废气排放处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种发动机系统，其包括与后处理系统相连的压缩点火柴油发动机。可以具有高含硫量的柴油燃料源与发动机流体连接。后处理系统包括流体地定位在发动机与排气尾管之间的颗粒捕集器、以及流体地定位在颗粒捕集器上或在颗粒捕集器与发动机之间的选择性催化还原(SCR)催化剂。SCR催化剂是耐硫的SCR催化剂。非热颗粒捕集再生系统包括流体地定位在颗粒体与颗粒捕集器入口之间的阀。还原剂系统具有可以定位在废气歧管内的加料器，用来将还原剂递送到后处理系统的SCR催化剂的上游处。

Description

引擎废气排放处理系统
技术领域
本发明大体涉及发动机系统废气后处理，更具体涉及改进的用于处理发动机废气排放的配置和催化剂。
背景技术
内燃机特别是压缩点火柴油机通常产生被认为是燃烧的废弃副产品且有害于环境的颗粒物。世界各国的政府已经创建了专注于减少颗粒物(PM)以及氮氧化物(NOX)、未燃碳氢化合物(UHC)和一氧化碳(CO)的水平的法规。由于NOX的形成与产生的颗粒物成反比，已经开发出许多技术成果例如超高燃料喷射压力系统，在保持或减少颗粒物排放的同时使得NOX减排技术得以施行。超高喷射压力(例如30,000psi或更高)产生更好的燃料雾化，从而可以利用有限可得的氧和NOX还原技术例如废气再循环(EGR)来降低发动机排出NOX，同时保持或减少颗粒物的排放。尽管超高喷射压力减少颗粒物排放，发动机的附加载荷增加，且发动机系统的成本增加。
应该注意的是，尽管颗粒物的量下降，发动机输出的超细颗粒的数量增加会提高内燃机废气造成的健康风险。为减少排气尾管中排出的颗粒，目前现有的商用发动机技术典型地包括颗粒过滤器(PF)，其用来捕集在发动机废气中的还未被排放到空气的颗粒。尽管颗粒过滤器的商用历史已达几十年，取决于发动机的工作循环，用于去除所产生的颗粒物的技术拥有不同的成功度。这与由过滤器限制和提供无用输出的再生热能所导致的燃料效率下降一起，需要政府法规来实现该技术的主流商用。
商用的主动废气处理系统利用了热再生的颗粒过滤器。燃料是这种再生的便利能量来源。在主动过滤再生期间，通过使用专门的硬件以及使用下列方法之一在废气系统中燃烧额外量的燃料，废气温度会增加：
延迟喷射燃烧——燃料在膨胀冲程中延后注入，从而较低的有效压缩比产生较高的废气温度。
火焰燃烧——使用进入废气系统的火焰，通常在专门供应的燃烧气体下，燃料在燃料燃烧器中燃烧。
催化燃烧——燃料经由废气喷射器引入，蒸发并与废气混合，并且在氧化催化剂的作用下氧化。
组合的火焰与催化燃烧——上述方法的组合，其中燃料燃烧器之后设置有催化燃烧系统。
更多的细节请见W.Addy Majewski的“燃料燃烧再生的过滤器”。简而言之，所去除的颗粒被燃烧并产生排入大气中的CO2。
如上所述，目前的热解决方案都过于复杂，需要一些主动热再生的方法，或者需要用于热再生的高废气温度工作循环。这些主动热再生技术使用额外的燃料以提高废气温度，其不提供有用输出功。无后续输出功的燃料使用并不顺应当前全球对于温室气体(GHG)、二氧化碳(CO2)排放的担心，也不符合终端用户对于高燃料价格(运营成本)的担心。除了利用燃料以外，当前的系统要求复杂的控制算法、传感器、燃烧器或加料器，并且通常会利用稀有且昂贵的稀土元素。这类技术的可持续性是需要考虑的。美国专利7992382描述了使用过滤后废气的回流，从而以非热量的方式再生过滤器。该配置的利用并未改善催化SCR系统的NOX效率。
为减少NOX的排放，目前的方法是在废气系统中设置选择性催化还原剂(SCR)以将NOX还原为氮和水。这需要废气温度的范围不能涵盖整个发动机工作范围，并且在达到起燃温度之上的温度后才能有效工作。由于这些技术要求升高的工作温度，通常在250℃以上，这些技术在启动时或在低温停车和开车去市区期间并不会被实施。由于当前主动热PF再生技术需要部分的被动再生以保持用于主动再生的燃料以及使随后的总体制动比燃料消耗(BSFC)最小化，更加加重了上述问题。当前针对被动再生的方法是使用经氧化催化剂(DOC)中的稀土金属而由NOX转化而成的NO2。由于NOX仅在SCR之前以足量存在，PF必须放置在SCR的上游，以进行NO2的被动热再生。PF的上游位置在系统中产生热沉，并降低下游SCR温度在启动和市区驾驶循环期间升高的速率。这些最初的几分钟明显有助于对随后需要通常高于90％效率的后处理的车辆的整个循环排放。目前的高NOX效率要求、以及NOX捕集器中使用的昂贵的贵金属的去除，已经使SCR成为移动式和固定式发动机的主要技术点。
出于对SCR催化剂比如五氧化二钒的高温耐久性的考虑，目前主动热系统方法已经对能够被实施的SCR催化剂增加额外限制。铜沸石催化剂目前用于包括热再生在内的SCR解决方案，同时使用超低硫燃料进行操作，这是由于催化剂的高温能力和对低含量的燃料硫的合理的硫忍耐度。即使在使用超低硫(<15ppm)燃料的情况下，铜沸石催化剂也需要富空气/燃料比的硫再生以利用高于700℃的温度来释放硫。这种周期性的硫解吸再生需要在SCR中获得高温的方法，无论是氧化催化剂(oxy-cat)还是全燃烧器再生以保持其性能。再生要求增加了系统的成本和复杂性，并降低了发动机的整体热效率。此外，废气能量回收系统的使用受限于该再生事件发生所需的最高温度。消除热脱硫将是所期望的热效率改善。
另外，当前催化剂装置的紧耦合性质限制了完全尿素水解的停留时间，使得尿素可能沉积在催化的PF基板和废气管上。已经表明在颗粒过滤器上的尿素沉积对老化后的NOX效率具有额外的不利影响。为达成在低于200℃的温度下的超低排放，需要使用静态混合器、先进的喷射器或增加喷射部位与催化剂之间的距离。水解需要温度和时间才能完成。尿素喷射部位和SCR催化剂之间的距离的增加将进一步提高尿素水解的效率，而无需通过高尿素喷射压力或上述静态混合器的方式增加系统的复杂性。
SCR系统的热老化是已知的问题，其通过颗粒过滤器的主动热再生和硫解吸而显著增加，且需要过大的基板或额外的催化剂材料来实现可接受的老化催化剂状态的NOX效率。在涂层中的额外的催化剂增加由基板所产生的背压以及额外的成本。尽管催化剂公司已经试图用五氧化二钒催化剂实现更高的温度，但是与铜沸石相比，它们的操作仍不具有承受热再生的高温要求的耐热性。需要去除高温再生以获得更长的后处理寿命、低温NOX有效催化剂和废气能量回收。
在热系统中，使用单独的PF的灰分积聚也会降低被动再生的有效性并且增加对发动机的背压。随着灰分的积聚，PF基板上SCR催化剂的涂层产生了额外的NOX效率性能的下降。由于灰分靠近基板的末端而积聚，因此废气流动减少，并在之后被完全堵塞。流动面积的减小减少了有效催化剂表面积/可用的位置，进而导致降低的NOX效益和被动再生，同时增加背压。为了保持该区域的活性和功能，需要连续或增加频率的灰分去除。
另外，将多个后处理模块组合成单个单元而无需牺牲NOX效率或更高背压的能力需要非常高孔隙率的PF基板。随着孔隙率的增加，由于高的热再生温度和在正常运行废气温度与所需再生温度设定点之间的温度的快速上升和下降期间所施加的热梯度，基板的耐久性降低。高温再生的去除使得颗粒过滤器基板孔隙率可以显著增加。孔隙率的增加提供了额外催化剂所需的体积和改善的NOX效率，而不增加背压。
催化剂公司BASF已经显示，通过涂覆有SCR催化剂的PF下游的SCR基板的单独流的使用，会使NOX性能增加5％，同时底板容量增加50％。增加的孔隙率、更高的催化剂负荷以及过大的基板提供与现有技术所期待的相类似的改善的效率。长径比大于1.3的颗粒过滤器由于过滤器末端的过高温度而受损已经为人所知。
除了SCR解决方案之外，现有技术中已经显示出，使用被动NOX吸收器(PNA)能够在低温运行下于NOX离开发动机时捕集NOX，并且在温度在工作温度范围内爬升时释放NOX。目前的PNA文献指出，NOX的解吸发生在当前的铜沸石或铁沸石类金属催化剂能够显著地降低NOX的效率之前。对于当前使PNA正常工作的设计，PNA需要在175℃或更高温度下开始解吸，且SCR与PNA的紧耦合，或者可选地需要能够将NOX显著降低至150℃的SCR。
固定式发动机长期以来使用在100℃至350℃的温度范围下作用的五氧化二钒的配方。对于废气温度保持在有限的温度范围内的固定式发动机而言，可以使用较低的温度范围。温度范围的上限并不顺应于发动机附近的废气温度可能超过450℃的移动市场。由于后处理系统内的最高温度与装置相对于发动机的位置密切相关，随着发动机距离的增加，辐射和对流热损失降低了所得到的峰值温度。后处理行业已经聚焦于减少在后处理与发动机之间的距离，以便在尽可能快的时间内达到更高的温度。将后处理系统布置在发动机附近被业界称为紧耦合。为了利用低温SCR催化剂，例如固定式五氧化二钒配方，行为必须要相反。装置离发动机越远，峰值温度越低。废气系统末端附近的废气温度已经显示为，在没有热再生PF时最高为203℃，相对而言，在主动热再生期间为418℃。除了对于低温SCR催化剂有约350℃的最高有效工作温度限制之外，将尿素喷射到废气中的能力受限于足以完成水解和适当混合的温度。在发动机附近或恰在发动机下游的SCR内使用PNA，使得可以储存NOX，而在PNA之后发动机废气达到能够喷射尿素的阈值。此外，尿素喷射部位与SCR基板之间的增加的长度，通过在与SCR催化剂接触之前完成完全水解和与废气混合，改善了NOX还原效率。
取决于国家排放法规，目前的后处理系统还要求安装颗粒过滤器，以满足严格的颗粒物的质量和数量排放。由于这些系统目前利用热高温再生来氧化颗粒物，通常产生高于500℃的温度，这将使低温固定式和移动钒V2O5催化剂配方失活并损坏。辅助被动再生将温度升高到能够完成被动再生的水平，但是这种方法仅用于利用显著被动再生的系统。为了将温度保持在低于SCR温度限制，需要在低温SCR催化剂的下游施行主动热再生。将温度从低于SCR阈值的水平升高到高于用氧进行碳氧化所需的温度，需要大量额外的燃料。燃料将利用下游氧化催化剂或燃料燃烧器来氧化，以提供高温，从而进一步降低发动机的整体热效率。另一种可能的方法是将PF放置在发动机附近，并且主动地冷却废气或在过滤器的周围用管道输送废气。将来自这些热再生温度的废气冷却到能够发生有效SCR NOX还原的点，将需要冷却系统，该冷却系统需要太多的组装空间和过多的成本。另一种方法是在高温下用管道运输低温催化剂。为了在热再生期间绕过过滤器而又不将NOX释放到环境中，过滤器将不得不另外涂覆有高温SCR催化剂并安装独立的尿素喷射器。第二个不耐硫SCR催化剂和尿素喷射部位的复杂性增加也将增加系统的成本和复杂性，超出市场的承受能力。因此，对于实现PNA解吸和高SCR效率的重叠操作，并同时提供有效和高效的颗粒物再生，行业并没有答案。被动再生仅在所产生的颗粒物低于发动机的被动再生水平的应用中才是可行的。由于许多应用在低于被动再生所需温度的低温下工作，其余应用仍需要主动系统。
在Illinois Valley控股公司的申请PCT_US_053456(WO 2014025647 A3)中，利用节流阀来在颗粒沉降体积内产生低于大气条件的压力。尽管这种方法改变了压差的实现方式，该系统并不提供SCR NOX还原能力，而是用于PF的非热量再生的策略。
需要具有高耐硫性而在再生期间不增加系统温度的全球解决方案，从而开发成本可以在所有市场之间共享。另外，由于在发动机/车辆可用寿命期间车辆和发动机通常从发达国家运输/转移到发展中国家，后处理系统应该能够靠高硫燃料工作。转售价值的提高以及发动机保持原有超低排放的环保优势，将具有显著的全球减排意义。这个全球性问题变得甚为重要，因为如果系统变得不那么有效，则规划为高效率的发动机和随后的高发动机NOX输出需要较高的后处理减排效率和随后的高排放水平。如果不去除后处理系统并完成对电子控制模块(ECM)的修改，那么发展中国家燃料中较高的硫含量对后处理将有不良影响。特别是，NOX排放将比甚至十年前生产的内燃机高得多。
即使在高发动机排放的情况下，发动机后处理也具有被允许的超低排放。后处理的加入已经降低了对复杂发动机燃烧系统的需求。如果颗粒过滤再生系统是有效的，则用于减少颗粒物的高压燃料喷射的优点会减弱。SCR催化剂NOX还原效率使得燃料喷射正时的提前，以进一步帮助混合低压喷射燃料与空气，从而使得改善的燃烧效率、完全燃烧和热有效发动机性能成为可能。需要以增加的发动机输出颗粒水平工作的能力，以利用较低的压力和成本的燃料喷射系统并仍然实现NOX和PM排放。通过增加发动机在加速期间产生的颗粒物来增强发动机性能和驾驶性能。富空气/燃料比使得可以实现增加的功率输出，从而减少对可变几何涡轮增压器的需求及其相关费用。用低成本的发动机和后处理系统实现低排放可以降低进入发展中市场的财政障碍。
本发明旨在克服现有技术的这些缺陷中的一个或多个。
发明内容
一方面，发动机系统包括压缩点火柴油发动机，该发动机的废气出口与终止于排气尾管的后处理系统流体连接。柴油燃料源与发动机流体连接。后处理系统包括流体定位在发动机与排气尾管之间的颗粒捕集器、以及流体定位在颗粒捕集器上或在颗粒捕集器与发动机之间的SCR催化剂。SCR催化剂是耐硫SCR催化剂。非热量颗粒捕集再生系统包括流体定位在颗粒沉降体与颗粒捕集器的入口之间的阀。还原剂系统包括定位成将还原剂传送到后处理系统的SCR催化剂的上游处的加料器。
另一方面，操作发动机系统的方法包括，在发动机启动之后立即迅速地比颗粒捕集器更早地加热SCR催化剂。NOX与还原剂的还原反应用耐硫SCR催化剂催化。在压缩点火柴油发动机中燃烧柴油燃料所产生的颗粒物被捕集在颗粒捕集器中。颗粒捕集器通过将颗粒物从颗粒捕集器内移出，穿过颗粒捕集器的入口，通过阀，并且移入颗粒沉降体而再生。
附图说明
图1是体现用于内燃机运行的现有技术方法的系统的示意图，该系统利用被动和主动热颗粒过滤(PF)再生以及选择性催化还原(SCR)来减少发动机的NOX排放；
图2是非热主动再生PF在SCR下游的第一实施方式的示意图；
图3是与图2相似但没有氧化催化剂(OC)的第二实施方式的示意图；
图4是SCR催化材料直接涂覆在PF基板上的非热主动再生配置的另一个实施方式的示意图；
图5是与图4相似但没有氧化催化剂(OC)的另一个实施方式的示意图。
图6是与图5相似但具有过大的PF的另一个实施方式的示意图；
图7是与图6相似但具有可选的被动和主动废气冷却的另一个实施方式的示意图；
图8是与图7相似但在SCR/PF组合之前有被动NOX吸附器的又一个实施方式的示意图；
图9是与图5、6、7或8相似但具有被动NOX吸附器、PNA催化剂直接涂覆在PF上、且具有下游尿素喷射器和SCR的另一个实施方式的示意图；
图10是与图5、6、7或8相似但具有被动NOX吸附剂、PNA催化剂直接涂覆在高孔隙和/或入口膜上、且具有极高孔隙率PF的又一个实施方式的示意图；
图11是与图5、6、7、8、9或10相似但PNA/DOC/SCR/DPR组合与节气门一起操作产生非热量主动再生方法的又一个实施方式的示意图；
图12是除PNA/DOC/SCR/DPR组合之外还利用废气能量回收系统的另一个实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出现有的发动机系统10，其中示出了，选择性催化还原(SCR)13被放置成，使颗粒过滤器(PF)18在上游，以用于同时减少来自于内燃机11的氧化氮(NOX)和颗粒物(PM)。发动机11是配备有包括共轨14和多个电控燃料喷射器15的高压(＞15,000psi喷射压力)共轨燃料系统12的压缩点火柴油发动机。提前喷射正时产生带有大量NO的NOX排放，并且在与氧化催化剂(OC)16中的昂贵的稀土元素接触之后，一部分转化成NO2。由于NO2比NO或NO3的稳定性差，如果温度高于～350℃，则NO2将与PF 13中所储存的碳烟(soot)反应，将颗粒物氧化成CO2。如果工作温度低于～350℃，则颗粒仍储存在过滤器13中并且需要通过许多不同的热方法来清洁，热方法包括例如延迟燃料喷射到发动机11的汽缸中以将废气温度典型地提高到远高于～250℃的氧化点，在该氧化点至少能够发生被动催化的被动再生。在PF13的下游，尿素喷射器17将尿素从尿素箱20喷洒到SCR 13前面的废气管19，SCR 13通常为不耐硫的以铜沸石为主的催化剂。以NO、NO2和NO3形式存在的氧化氮(NOX)与已经经水解转换成氨的尿素一起流动，在排出废气尾管之前经SCR 13而将氧化氮转化成氮和水。
图2示出在现有技术上的改善，通过调换SCR 37与PF 36的顺序，从而在SCR 37之前减少热质量。尽管该配置去除了利用NO2被动再生的能力，该配置减少了SCR 37催化剂需要用来变得有效的时间。该时间通过位于SCR 37下游的颗粒过滤器36的热质量和后续的热沉来减少。SCR 37的更快起燃使得废气再循环(EGR)的量更低，而众所周知，EGR增加颗粒产生，特别是在冷启动条件下。
在图2至图10和图13的实施方式中，PF的再生是非热颗粒捕集再生系统38，例如转让给Illinois Valley控股公司的美国专利7,992,382所述的系统，在该系统中，经由在该专利中公开的过滤后废气的回流实现再生。贯穿本公开，相同的编号用来指代相同或等同物。这样的再生通过关闭阀70(可以是废气制动结构或简单的开/关阀)并关闭正常为打开的阀71来产生。回流经由PF 36的过滤器往回并且通过打开正常为闭合的阀39而导入到颗粒体40或者在专利中所示的其他部件中，颗粒体40为例如图2、3、4、8、9、10和13中所示的管。颗粒体40可以是沉降体、搅拌体或者甚至是用于将颗粒物移回到发动机中以在发动机中燃烧的管道。在该非热的再生方法中，PF 36的再生是超高效率的，并且利用再生制动力的操作使得产生主动再生，而无需燃料经济的任何下调，且无需氧化颗粒物。
发动机31的启动产生废气流以及废气温度的大幅提升。由于SCR37现在是第一催化后处理，该单元首先升温，使单元在更短的时段内达到起燃温度。催化剂“起燃”是SCR催化剂能够开始还原NOX排放物的温度。排放物测试是排放总量的测量，因此催化剂越快达到温度，在催化剂开始工作之后会有更少的排放物减少，且将满足相关的排放法规。SCR技术通常有效率超过90％。在较低的温度下操作将使得该百分比进一步朝着总的95％增加，或者使得在排气尾管34处的更多的NOX还原成为可能。
本领域技术人员将认识到，废气再循环(EGR)通常与SCR一起使用，以达到低温发动机输出NOX还原以及实现超低排气尾管NOX排放。在以下公开的配置中，提高了SCR的效率，从而减少对EGR的需要或甚至在一些用途中排除对EGR的需求。再一次，这是因为利用所公开的配置，SCR的有效工作温度会更快地达到并且更有效地在较低的发动机负荷下得以保持。
图2和图3示出了非热主动再生PF 36位于SCR 37的下游的实施方式。在该配置中，发动机废气首先进入SCR 37并且被SCR 37处理。因此，SCR 37基板在废气处于较高温度时接收废气，因而其被更快地加热且随后更有效地加以利用。同样地，PF 36与发动机31进一步分开并且接收已去除一些热之后的废气。由于PF 36中的过滤器是非热再生型的，OC 48、SCR 37和PF 36均不暴露于用于燃烧PF 36中所积聚的颗粒所需的高温。PF 36的下游位置与热再生的去除共同引起更小的热梯度并且给整个系统带来更长的寿命。如图3所示，被动热再生的去除，以及随后的在某些热再生方法中所需的催化剂下氧化燃料所产生的温度升高，引起OC 24的去除可能性。这取决于所选择的SCR催化剂，因为许多SCR催化剂，包括五氧化二钒，在NOX：NO比率为1:1时更有效。由OC 24生成的NO2所带来的反应被称作快速NOx反应。快速NOx反应提高在较低发动机废气温度下的NOx效率，但是可能对在较高发动机负荷下的NOx还原不利。更高的工作条件发动机要求更少的OC 48催化剂，以使得其涂覆在PF 36上成为可能。所利用的催化剂的量为去除未被SCR去除的CO和任何其他HC排放物所需的量。由于五氧化二钒已知会氧化碳氢化合物排放物，除非严格排放法规要求CO和HC减少效率，OC 48可以被消除。五氧化二钒的额外益处是耐硫，使得操作在发展中国家通常使用的高硫(＞15ppm)燃料成为可能。应该注意的是，如果在图2中所示配置中使用铜沸石催化剂，将要求高温再生，以从铜沸石催化剂解吸硫。所需的解吸温度可能可以使用利用OC 48进行氧化的氧化催化热系统、以及由在OC 48、尿素喷射器43或SCR 37的上游的发动机31电子控制模块或者独立的燃烧器(未图示)所添加的碳氢化合物的氧化而引起的温度增加而达到。如在本公开中所使用的，“耐硫SCR催化剂”是一种能够耐受与每百万份中硫含量大于十五份的柴油燃料燃烧相关的废气化学的催化剂。因此，五氧化二钒可以被视为根据本公开的耐硫SCR催化剂，但是铜沸石不是。
回到图2，发动机系统30可以被支撑在移动车辆80上并且可操作地联接以推动移动车辆80。事实上，在不偏离本公开的情况下，任一个所公开的实施方式均可以同样地被支撑在移动车辆80上并且可操作地联接以推动移动车辆80。发动机系统30包括压缩点火柴油发动机31，其废气出口32与终止于排气尾管34的后处理系统33流体连接。柴油燃料源35与发动机31流体连接。后处理系统33包括流体地定位在发动机31与排气尾管34之间的颗粒捕集器或过滤器36。SCR催化剂37定位在颗粒捕集器36与发动机31之间。SCR催化剂是耐硫SCR催化剂。非热颗粒捕集再生系统38包括流体地定位在颗粒沉降体40与颗粒捕集器36的入口41之间的阀39。还原剂系统42包括定位成将还原剂44例如尿素递送到后处理系统33的SCR催化剂37上游的加料器或喷射器43。在所示出的实施方式中，耐硫SCR催化剂37以五氧化二钒为主。柴油燃料源35可以具有大于百万分之十五的硫含量。发动机31可以包括低压燃料喷射系统65，例如最大喷射压力小于15,000psi的共轨燃料喷射系统66。
参考图3，发动机系统30与图2实施方式的发动机系统相似，除了低压燃料喷射系统65采用了泵-管路燃料喷射系统67的形式且省略了图2的氧化催化剂48。不然的话，发动机系统30与图2的发动机系统基本相同。然而，图3也以虚线示出了带有加料器43的还原剂系统42，加料器43向压缩点火柴油发动机31的废气歧管45开口。该策略可以在冷启动之后立即对发动机31产生的NOX进行更快的处理。
图4示出了以上结合图2描述的非热主动再生配置38的实施方式，其中SCR催化材料直接涂覆在PF基板的入口通道上、出口通道上、内壁上或者任何催化剂涂覆组合，从而将SCR的NOX还原功能与PF的还原功能结合起来。所提升的NOX还原效率通过SCR催化剂涂覆在整个基板51上来实现。以这样的方式，可以除去如图2和图3所示的独立的SCR基板。独立的SCR基板的除去可以极大改善后处理系统的组装灵活性和成本。换言之，图4示出了定位在共用容器50内的组合后的颗粒捕集器/SCR催化剂55。图4的实施方式与图2的实施方式的相似点在于，氧化催化剂48定位在还原剂系统42与发动机31之间。尽管未示出，压缩点火柴油发动机31可以配备有低压燃料喷射系统，其可以是图2所示的共轨系统66或者可以是图3所示的泵-管路系统67。在任何情形下，根据本公开的低压燃料喷射系统是指直接将燃料以小于15,000PSI的喷射压力喷射到独立的汽缸内的系统。本领域技术人员将意识到，现代趋势倾向于更高的喷射压力，目前基本超过30,000PSI。所有其他所公开的实施方式也可以利用低压燃料喷射系统。
图5与图4相似，除了也除去了氧化催化剂外(见图2和图4中的OC 48)。图5实施方式中的氧化催化剂的除去使得可以移动还原剂系统42，从而加料器43定位成直接向发动机31的废气歧管45开口并将还原剂例如尿素直接递送到发动机31的废气歧管45。这可以使得还原剂系统42在冷启动之后不久就变得有效，因为废气歧管中较高的温度使得还原剂在喷射到后处理系统30之后在进入到废气歧管45时而不是在后处理系统30中的某些下游位置时更早地转变成可用的氨。尽管不是必须的，用于组合的SCR/PF 55的基板51的一部分可以涂覆有合适的氧化催化剂，以氧化废气流中存在的某些碳水化合物和一氧化碳。因此，多种催化剂可以涂覆在图5的SCR/PF 55的基板51上。
图6与图5相似，但是具有过大的组合基板SCR/PF 56，该基板的长径比超过1.5。本领域技术人员应该意识到，热再生的颗粒捕集器基本受限于长径比为约1或更低的量级，因为较大的L/D比(长度/直径)会带来增大的温度梯度，这会导致基板的开裂或熔融。与图5的实施方式相似，图4的氧化催化剂的除去可以再次使得还原剂系统42向上游移动，比如加料器43定位成将尿素喷射到废气歧管45中，以在发动机冷启动之后更快地还原NOX。过大的基板降低了发动机背压，通过降低空间速度来改善NOX效率，并且减少氨泄漏。通过去除热再生和热梯度以及由这样的再生所施加的后续应力，使得实现SCR/PF 56基板的过大尺寸成为可能。特别地，增加长径比来改善组装，比如装在具有改善的车辆离地间隙的车辆80的底板下。
图7与图4、5和6相似，但是在组合的SCR/PF 56中使用在固定式发动机中历来使用的固定式五氧化二钒V2O5催化剂配方。这些催化剂有效度常常较低，并且会在发动机高负荷运转下被永久损坏。如在前面的实施方式中那样，氧化催化剂的除去可以使得还原剂系统42将加料器43定位成将还原剂喷射到废气歧管45中。如在图6的实施方式中那样，组合的SCR/PF 56的长径比可以大于1.5，以进一步提高效率并减小对发动机31的背压。更大的L/D比使得在更慢的反应速率下的有效NOX还原成为可能。
废气可以被主动地或被动地冷却，以将最大废气温度降低到发生热损坏的水平以下。这可以通过增加相对于发动机31的距离来增加辐射冷却和对流冷却，或通过主动冷却方法来实现。如果因组装的限制而无法实现增加的距离，则可以使用冷却发动机废气的方法。可以使用暴露在废气管22的外表面上的被动散热片62、由风扇63进行的主动冷却、或被动散热片62与主动风扇63诸如电或机械风扇63冷却的组合，来冷却高负荷下的废气。仅使用散热片62的被动冷却具有的固有优点为，被动地改变高车速下的冷却，并同时减少市区驾驶期间的冷却效果，其中市区驾驶时的废气温度不应下降到低于尿素能够以完全水解状态喷射而不会在基板51或废气管22上冷凝并形成沉积物的温度。在优选处于冷却系统上游且可以在废气歧管45中的尿素喷射位置之间的增加的长度可以改善混合并在尿素与SCR催化剂接触之前更完全地水解，以进一步改善系统NOX效率和耐久性。
图8与图7相似，但是增加了单独的被动NOX吸附器47，所应用的是PNA催化剂。PNA47吸收在温度低于有效SCR工作所要求的水平的发动机启动期间的NOX排放物。组合的过大尺寸的SCR/PF 56具有的优点是，在与NOX从PNA 47释放(解吸)相对应的温度水平下达到催化剂的起燃点。这种配置使得PNA 47和SCR/PF 56被放置得离发动机更远，从而由于排气管22的辐射和对流热释放，降低SCR/PF 56催化剂将经受的最高温度。降低的温度将确保低温V2O5SCR催化剂不受损并进一步提高整个废气后处理系统33的耐久性和可靠性。
图9示出被动NOX吸附器、PNA或类似的催化剂涂层被添加到PF 58。PNA/PF 58将在冷启动和低温运行期间吸附NOX，并随后随着温度升高到下游SCR 37催化剂处于工作温度的点而释放所存储的NOX。
图10是与图8相似的又一个实施方式，但是具有过大且按以下顺序排列的PNA/OC/SCR/PF 49。单个PF基板的加大尺寸可以使得多于一种的催化剂被涂覆在PF基板上。PF的第一部分74，优选为单个PF基板的一部分，在过滤器的两侧上涂覆有PNA催化剂。基板过滤器的第二部分75结合有低温V2O5SCR催化剂。在该实施方式中，第三部分76可以是氨泄漏和CO催化剂涂层，或者作为第四部分而添加以用于简化尿素喷射控制。由于SCR催化剂的有效NOX还原以及PF基板74、75、76的有效非热颗粒物再生/清洁，在这个和其他实施方式(图2-9)中，可以在发动机31中使用低压燃料喷射系统65(图2和3)。
图11是与图10相似的又一个实施方式的示意图，但是具有单容器PNA/DGC/SCR/PF59组合，其与节气门产生的非热主动再生方法一起工作。通过在发动机的进气歧管79中关闭节气门82而在沉降体40中产生局部真空以使得废气通过单向止回阀69被吸入来完成再生。再生将在阀39打开时发生或者增加废气压的组合能够通过在阀82关闭时关闭阀70来完成。通过在阀39打开之前关闭阀71，能够进一步增强再生。阀71隔离了上游的废气体积，其与引起非热逆向低压波的清洁后的废气回流相抗争。与图10的实施方式同样地，组合的被动NOX吸附器/氧化催化剂/SCR/PF 59可以如就图10的实施方式所描述的那样被分割并分开涂覆。图11也着重显示了用于以不同方式产生的反向压力来再生过滤器基板的另一种非热再生系统38。本领域的技术人员将意识到，这种非热再生策略可以替代或增强较早实施方式所讨论的非热再生系统38。
图12是结合有废气能量回收系统94以增加整体热效率的系统的实施方式。低温组合的PNA/DOC/PF/SCR 59或低温五氧化二钒的使用通过去除热再生要求而降低了废气能量回收系统所要经受的最高温度，这提高了可靠性和耐用性，同时降低了后处理系统33所需材料的成本。此外，PNADOC/PF/SCR 59的温度将减少或免除废气在进入PNADOC/PF/SCR 59之前的主动或被动冷却的需求。由于废气能量回收系统的热交换器或热电物质的上游热质，废气能量回收系统94可能需要PNADOC/PF/SCR 59具有额外的PNA NOX存储能力。尽管显示出了PNA/DOC/PF/SCR 59，任何在颗粒过滤器基板上的后处理的组合都将基于应用而起作用。尿素喷射器可以有利地位于如虚线所示的废气能量回收系统94的上游，这取决于材料的兼容性和/或对于尿素沉积物结垢或腐蚀热交换器94的关注。
由于非热过滤再生系统38的较低温度运转以及颗粒物减少，使得除去部件而不除去其各自的功能成为可能，如上所述，从而可以使用被动NOX吸附器、具有低温能力的耐硫SCR并去除EGR系统来进行发动机的被动再生。
低温催化剂和被动NOx吸附器的增加显著地增强了低温NOx效率，这很重要，可以拓宽混合发动机和普通发动机的启动/停止技术的实施。
尽管不同的催化剂和基板的组合不受图11的利用真空产生的再生的影响，应当注意的是，利用比大气压低的沉降体的另一种非热再生方法能够用于颗粒过滤器的再生，而不偏离本公开。在PCT US 053456申请中讨论了一种这样的系统，其需要以不同但是等效的NOX还原的方式诱导逆向低压波。
现在认为显然的是，已经描述了废气处理系统33的多个实施方式，其中，颗粒过滤器在SCR的下游或是与SCR组合，从而更好地利用发动机废气热量并储存NOX直到温度可用于超高效的SCR催化剂性能发挥，具有实际消除在排气尾管34处的NOX排放的可能性。当组合时，SCR催化剂被考虑涂覆在颗粒过滤器基板上。
工业应用性
本公开在发动机系统中具有普遍适用性。本公开对于以压缩点火柴油发动机和后处理系统为特征的发动机系统具有特别的适用性。本公开还在燃烧硫含量超过百万分之十五以及更高含量的柴油燃料的发动机系统中具有更加的适用性。最后，与通过燃烧而去除颗粒物的热策略相比，本公开对利用非热再生系统来将颗粒物移出过滤器并移入到沉降体的任何后处理系统具有普遍适用性。
现在具体参考图2至图13的实施方式，操作发动机系统30的方法包括在发动机冷启动之后立即迅速地比颗粒捕集器基板36更早地加热SCR催化剂37。这通过将SCR催化剂37定位成比下游颗粒过滤器36更靠近发动机31或定位在PF基板上来实现。NOX与还原剂的还原反应用耐硫SCR催化剂37催化。通过在压缩点火发动机31中燃烧柴油燃料所产生的颗粒物被捕集在颗粒捕集器36中。颗粒捕集器36通过在通常不氧化颗粒物的情况下将颗粒物从颗粒捕集器36内移出，穿过颗粒捕集器36的入口41而出，通过阀39并且移入颗粒沉降体40来进行非热地再生。
在一些实施方式中，通过将SCR催化剂37定位在远离压缩点火柴油发动机31的下游、冷却废气流和可能的暂时使压缩点火柴油发动机31降速中的至少一种方法，来将由SCR催化剂37接触的废气温度保持在低于350℃。通过使废气经过涂有耐硫SCR催化剂并且长径比超过1.5的过大颗粒捕集器56，可以提高NOX还原效率。发动机启动之后的NOX还原反应的初始发生可以通过将还原剂喷射到压缩点火柴油发动机31的废气歧管45中来促进。本领域技术人员将意识到，由于改进的后处理系统33，发动机31可以配备有最大喷射压力小于15,000PSI的低压燃料喷射系统。该燃料喷射系统可以采用如之前讨论的共轨燃料喷射系统67(图2)或泵-管路燃料喷射系统66(图3)的形式。因为SCR催化剂是耐硫SCR催化剂，压缩点火柴油发动机31可以燃烧硫含量至少百万分之十五的柴油燃料，而不污染SCR催化剂。
与热再生颗粒捕集器不同，非热颗粒捕集再生系统38的再生可以通过暂时地在废气系统中产生升高的背压或通过在进气歧管中产生真空或通过以上两者来使压缩点火柴油发动机31减速。通过使用上述的发动机系统30，发动机系统能够满足当前以及也许未来的排气尾管34排放法规。相关的排放法规可以是美国环境保护局US Tier 2Bin 5、加州空气资源委员会Lev III或欧盟Euro VI中的至少一个。这些严格的排放法规能够被满足，同时可以利用较低成本的低压燃料喷射系统和较不复杂且低成本的后处理系统33，同时还可以利用非热颗粒捕集再生系统38和具有增加的硫含量的柴油燃料。热再生颗粒捕集器要求由被动再生期间高负荷所产生的高温或者通过在废气系统中燃烧燃料或激活辅助加热器来产生更高的温度，与此不同，本公开的非热再生系统38可以在发动机怠速时(比如当移动车辆80处于停车标志或停车灯时)执行，或者可以在车辆减速时执行本公开的非热再生系统38，其中由于关闭阀70而暂时关闭废气系统所致，非热再生系统38提供发动机制动。
本公开的优点。根据本公开，提供了一种颗粒捕集再生系统，其提供一个或多个以下的优点：1-使具有受到最大温度限制的催化剂的低温SCR能够与主动非热再生的颗粒过滤器(PF)共同工作；2-提供更快的SCR催化剂起燃，以减少在启动和低温市区运行条件下的排放；3-减少因升温热再生循环的去除而引起的催化剂劣化；4-降低废气再循环(EGR)水平，有去除该系统的可能性；5-提高NOX效率并减少氨泄漏，从而可能去除氨泄漏催化剂；6-使得可以符合当前和未来的排放法规，并用>15ppm硫的燃料运行；7-降低启动/停止电动和液压混合动力车辆的排放；8-提高整体热效率；9-使得可以使用过大长径比的SCR催化颗粒过滤器，改善NOX效果，简化控制，并实现较低的氨泄漏；10-使得较老式的发动机设计可以符合当前的排放法规；11-使得可以改造传统发动机，使其具有符合当前排放法规的可能性；12-减少或消除在PF再生期间的排气尾管排放物的增加，使得在正常运行条件下有更提前的正时以及随后总体热效率的改善；13-通过实施被动NOX吸附器、SCR基板之前的PNA或在组合系统基板的入口上PF的可能的PNA涂层，将冷启动NOX减排进一步减少至接近零，上述的益处是在启动和市区驾驶期间超低的NOX排放；14-使得在提供主动非热再生颗粒过滤器的情况下可以利用废气能量回收系统，整体热效率可以提高>10％。另一个潜在的优点是可以有能力将尿素直接喷射到废气歧管中以缩短启动与有效的NOX催化还原之间的时间。图2的发动机系统30可以利用以共轨燃料喷射系统66形式存在的低压燃料喷射系统65。如在本公开中所使用的，“低压燃料喷射系统”是指最大喷射压力小于15,000PSI的系统。
上述的其他益处是混合动力车可以使其燃料经济优势最大化，同时提供低输出NOX排放。发动机可以根据需要尽可能多地关闭，在启动期间减少NOX排放。
应当理解的是，以上描述仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。尽管本发明由所列的权利要求所限定，这些权利要求的任何排列组合也将落入本公开的预期范围内。例如，与从属权利要求2-11中的一项或多项的任何组合进行结合的权利要求1发动机系统，也将落入本公开的预期范围内。例如，结合了权利要求1、2和5的特征的发动机系统也将落入本公开的预期范围内。因此，根据欧洲的实践，组合了权利要求1、2和5的专利权利要求或者权利要求1与从属权利要求2-11中的任何一个或任何子集的任何其他排列组合也明确地在本公开中教导，而不需要在递交该申请时使其具有多重引用的权利要求。因此，本领域技术人员将意识到，本公开的其他方面可以从对附图、公开内容和所附权利要求的研读中获得。

Claims (20)

1.一种发动机系统，其包括：
压缩点火柴油发动机，其具有与终止于排气尾管的后处理系统流体连接的废气出口；
柴油燃料源，其与所述发动机流体连接；
所述后处理系统，其包括流体地定位在所述发动机与所述排气尾管之间的颗粒捕集器、以及流体地定位在所述颗粒捕集器上或在所述颗粒捕集器与所述发动机之间的SCR催化剂，其中，所述SCR催化剂是耐硫SCR催化剂；以及
非热颗粒捕集再生系统，其包括流体地定位在颗粒体与所述颗粒捕集器的入口之间的阀；
还原剂系统，其具有加料器，所述加料器定位成将还原剂递送到所述后处理系统的SCR催化剂的上游处。
2.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述耐硫SCR催化剂以五氧化二钒为主。
3.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述柴油燃料源为高硫含量，每百万份中硫含量大于15份。
4.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述颗粒捕集器的长径比大于1.5。
5.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述颗粒捕集器和所述SCR催化剂定位在共用容器内。
6.如权利要求5所述的发动机系统，其中，
所述SCR催化剂涂覆在所述颗粒捕集器的基板上。
7.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述后处理系统包括定位在所述SCR催化剂的上游的NOX吸收器。
8.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述压缩点火柴油发动机包括最大喷射压力小于15,000psi的低压燃料喷射系统。
9.如权利要求8所述的发动机系统，其中，
所述低压燃料喷射系统是泵-管路燃料喷射系统和共轨燃料喷射系统中的一种。
10.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述还原剂系统的加料器向所述压缩点火柴油发动机的废气歧管开口。
11.如权利要求1所述的发动机系统，其中，
所述压缩点火柴油发动机放置在移动车辆上，并且可操作地联接以推动所述移动车辆。
12.一种操作发动机系统的方法，
发动机系统包括：压缩点火柴油发动机，其具有与终止于排气尾管的后处理系统流体连接的废气出口；柴油燃料源，其与所述发动机流体连接；所述后处理系统，其包括流体地定位于所述发动机与所述排气尾管之间的颗粒捕集器、以及流体地定位在所述颗粒捕集器上或在所述颗粒捕集器与所述发动机之间的SCR催化剂，其中所述SCR催化剂是耐硫催化剂；非热颗粒捕集再生系统，其包括流体地定位在颗粒体与所述颗粒捕集器的入口之间的阀；以及还原剂系统，其具有定位成将还原剂递送到所述后处理系统的SCR催化剂的上游处的加料器；
所述方法包括如下步骤：
在发动机启动后立即迅速地比所述颗粒捕集器更早地加热所述SCR催化剂；
使用所述耐硫SCR催化剂来催化NOX与所述还原剂的还原反应；
在所述颗粒捕集器中捕集在所述压缩点火柴油发动机中通过燃烧柴油燃料所产生的颗粒物；
通过将所述颗粒物从所述颗粒捕集器内移出，穿过所述颗粒捕集器的入口，通过所述阀门并进入所述颗粒沉降体，从而非热地再生所述颗粒捕集器。
13.如权利要求12所述的方法，包括：
通过将所述SCR催化剂定位在远离所述压缩点火柴油发动机的下游、冷却废气流、以及暂时地使所述压缩点火柴油发动机降速中的至少一种，将所述SCR催化剂处的废气温度限制为低于350℃。
14.如权利要求12所述的方法，包括：
通过使废气经过涂覆有所述SCR催化剂且长径比大于1.5的所述颗粒捕集器来改善NOX还原效率。
15.如权利要求12所述的方法，包括：
通过将还原剂喷射到所述压缩点火柴油发动机的废气歧管中来促进NOX还原反应的发生。
16.如权利要求12所述的方法，其中，
所述发动机装配有最大喷射压力小于15,000psi的低压燃料喷射系统。
17.如权利要求12所述的方法，包括：
向所述压缩点火柴油发动机供应每百万份中硫含量至少为15份的柴油燃料。
18.如权利要求12所述的方法，包括：
响应于所述颗粒捕集器的再生而使所述压缩点火柴油发动机减速。
19.如权利要求12所述的方法，包括：
满足排气尾管处的排放标准，且
所述排放标准为美国环境保护局US Tier 2Bin 5、加州空气资源委员会LEV III和欧盟Euro VI中的至少一个。
20.如权利要求12所述的方法，其中，
在所述压缩点火柴油发动机进行发动机制动时，执行所述再生颗粒捕集器的步骤。
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