CN110268144A - 内燃机后处理加热回路 - Google Patents

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Abstract

一种具有SCR催化剂后处理系统的发动机，包括：涡轮增压器的排气通道，其与涡轮增压器的出口流体连通；以及加热回路段，其包括入口和出口。该入口和出口与排气通道流体连通，并且入口从排气通道中抽出一部分排气。发动机还包括在加热回路段上的排气压力驱动的空气放大器、电预热器、燃料喷射器、氧化催化剂、尿素喷射器和温度传感器。

Description

内燃机后处理加热回路
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月21日提交的美国临时申请号62/424,914的优先权，该临时申请的公开内容通过引用的方式并入本文。
背景技术
背景技术的第一部分涉及发动机后处理系统在低排气温度下运行的挑战。北卡罗来纳州的混合后处理系统(BATS)项目的一个发现是尿素注入和蒸发的排气温度对于(尿素)早期分解需要220℃，但整个SCR系统和大量排气温度可能会在165℃范围内冷却，并且SCR系统在低负荷和空气流动下仍具有良好的NOx还原效率。
虽然BATS解决方案适用于既有大型原动机又有较小发电机且在较高负荷和排气温度下运行的客运机车，但它并没有为大多数只有单个大型原动机的机车提供解决方案。这些大型中速发动机非常有效，并且在怠速和低负荷下花费相当多的时间，其中排气温度将低于蒸发和处理UREA液体和排气的混合物所需的220℃。
对于以天然气作为主要燃料运行的机车发动机，这种低温运行还阻碍了氧化催化剂(OC)的使用，氧化催化剂(OC)是减少一氧化碳(CO)排放并帮助减少非甲烷碳氢化合物(NMHC)排放所需的，美国环保署规定的两项标准排放量在柴油发动机转换为天然气(发动机)时会产生较高的排放量。使OC有效降低CO并开始降低NMHC的温度范围与有效SCR运行所需温度范围相同，均为200+摄氏度。
在引入以非常稀薄的空气燃料比运行的重型天然气发动机，以便提高热效率并降低NOx排放的情况下，在不同的温度范围内的类似的问题变得明显。在道路应用的排放法规中，甲烷排放没有例外(未排除对甲烷排放的限定)，因此需要减少总碳氢化合物(HC)。甲烷具有超过500℃的非常高的起燃温度，因此在有效氧化甲烷之前，OC需要处于高于400℃的温度，这构成了高效稀薄燃烧发动机的HC排放所面临的主要挑战。
有助于解决上述问题的有效解决方案是：在最小化额外的燃料消耗和复杂性的情况下，增加这些发动机上的发动机排气温度。
发明内容
作为第二发动机在较高的排气温度下运行以补偿如在第一BATS系统中的低的主发动机排气温度的替代，可以存在单独的排气加热回路，在此尿素与主发动机排气的一部分混合。在该回路中，在需要时使尿素蒸发，并开始分解过程。如果该回路中的热排气在某些运行条件下不够热，则可以通过注入跨越小氧化催化剂燃烧的燃料来局部加热。重型发动机上的典型后处理系统将原燃料和/或UREA与所有排气进行混合(dose)。在这种情况下新颖的是在添加燃料或UREA之前，总排气流的一部分被移除并被局部加热到适当的温度。这个单独的外部排气回路称为加热回路。
该系统不仅仅针对需要UREA添加的SCR系统。该系统适用于在低的排气温度下对于减少排放存在挑战的、包括OC本身或与SCR串联的任何排气后处理系统。
加热回路的第一个挑战是诱导总排气质量的正确部分通过单独的回路。最简单的技术是使用主排气动能来驱动部分排气通过回路。在主排气管道中，入口可以面向排气流，从而使用冲压空气压力(ram air pressure)驱动排气进入环路。在加热回路气体重新引入主排气流的情况下，出口可以指向主排气流的方向，从而在回路出口处产生低压区域，并进一步增加吸入和通过加热回路的排气流量。
在优选实施例中，冲压(ram)入口和下出口压力将产生所需的所有加热回路流。所述需要的不通过这些压力差移动的任何额外流动可以使用类似于US4046492中披露的空气放大器以简单的方式产生。压缩空气是驱动空气放大器的现成的源。卡车、机车、公共汽车和许多其它重型发动机应用通常具有压缩空气供应以操作车辆上的空气制动器。空气放大器(一种喷射泵)简单且维护成本低。唯一的移动部件是气流控制机构，通常是控制合理低压(可能是100至150psi)和接近环境温度空气的电磁线圈(螺线管)。此外，通过使用一个以上的螺线管来控制加压空气流，或者以可变的占空比(duty cycles)脉动一个或多个螺线管以改变空气放大器吸入到加热回路的额外的排气的量，可以操纵流向空气放大器的加压空气流。
在涡轮发动机上，涡轮机上游的排气背压可以用作加压空气源，以驱动空气放大器在接近环境压力下运行，通过后处理的排气在该环境压力下运行。由于大多数涡轮增压器在较高负荷下在排气门略微打开的情况下的运行，因此绕过涡轮机用一些排气驱动加热回路中的空气放大器应该对发动机效率没有影响或影响很小。来自涡轮机的压缩空气的压力低于来自空气制动压缩机的常规压缩空气，因此它将以较低的质量放大率运行。涡轮机背压也随发动机负荷而变化，在怠速时可忽略不计。随着发动机负荷的涡轮压力变化将在与空气放大器诱导排气流的要求相同的方向上变化。与空气制动器压缩空气供应系统一样，可以使用控制流速的阀来操纵预涡轮机(preturbine)加压排气供应流或压力。因为在这些高温下操作的阀可能存在问题，所以在优选实施例中，加压排气供应将由没有移动部件的固定孔口控制。
如果在较低的排气温度下使孔口更大是有益的，则一种变型可以是在热膨胀的前提下使用随温度变化的孔口。这可以是双金属弹簧，当加热时双金属弹簧移动到位以限制孔口。虽然在技术上是移动部件，但双金属弹簧系统可以设计成没有摩擦部件(诸如随着时间的推移会磨损并改变其特性的轴承)。优选实施例将使流量控制孔口为实际的喷射喷嘴，在此压缩的排气与加热回路排气混合。
在一些空气放大器中，固定孔口实际上是几乎接触部件的两个径向面之间的连续径向间隙。在Nex Flow Air Products公司部件号为30003TS的情况下，该间隙设定为0.004英寸，并且可通过将螺纹主体部件相对于彼此旋转来调节。这两个部件可以这样设计：该间隙在较高温度下闭合，这对应于较高的发动机负荷和较高的涡轮增压压力。如果一个部件由不锈钢制成而一个部件由碳钢制成，则不锈钢部件的长度将是钢部件的1.5倍，从而改变间隙距离。
在使用加热回路的天然气燃料发动机中，如果将天然气燃料喷射到加热回路中以增加温度，则天然气喷射器也可用于驱动空气放大器。如果空气放大器具有如Nex Flow PN30003TS那样用于孔口的连续的径向间隙，则这将具有有助于均匀混合空气和燃料的次要益处。
天然气动力空气放大器可以改进混合并获得回收用于压缩天然气的能量的好处，可能仍然需要额外的压缩空气动力空气放大器来增加和控制流过加热回路的排气量。
现在存在足够和可控量的排气流过加热回路，需要实施一个系统来升高其温度。这种额外的热量通常通过使喷射的燃料和排气中的过量氧气跨越安装在添加回路(dosingloop)流动路径内的OC燃烧来提供。与明火燃烧器相比，使燃料跨越催化剂燃烧将使在额外燃料燃烧时添加到总排气流中的标准排放量最小化。
如果或当进入添加回路的排气温度不足以热到在到达给料回路OC时点燃喷射的燃料时，将需要额外的系统来暂时向排气流提供额外的热量直到OC处于足够高的温度以点燃并确保喷射的燃料的连续催化燃烧。这样做的一种简单的方法是使用类似于Watlow ECO加热单元的电排气加热器。该电加热器可用于柴油喷射或天然气喷射。电加热器更有可能在柴油燃料喷射的情况下有效，因为柴油燃料在OC处的起燃温度低得多。
使用天然气代替电加热器，可以使用具有火焰稳定器和起燃系统的常规燃烧器来将OC驱动至起燃和连续催化燃烧所需的温度。可以操纵天然气到天然气喷射器的供应压力以控制预热器和催化燃烧系统的热耗率。火焰稳定器系统应该只需要起燃源来启动燃烧。从火焰稳定器处的燃烧切换到催化剂系统燃烧的一种方法是暂时关闭向加热回路的天然气供应，并将所述关闭保持足够长的时间以熄灭火焰稳定器处的火焰，但随后足够快地恢复天然气燃料，使得OC仍然足够热，以起燃并保持连续的催化燃烧。
上述系统的各种实施例对于仅需要OC的发动机将是有效的。对于将使用SCR的系统，该系统与燃烧添加的燃料以加热排气的OC相同。在OC之后将注入UREA，并且然后需要一段直的和良好绝热的管道，以使UREA有时间在开始分解成氨之前与热排气混合，并且来自加热回路的排气在其通往SCR单元的途中与主排气系统中的大量排气混合。
对于仅具有OC的后处理系统，加热回路系统不需要在较高负荷下增加流量，因为主发动机排气温度应该变得足够高以保持后处理操作，在这种情况下可以关闭加热回路的空气放大器和燃料喷射。
另一方面，对于SCR系统，系统排气质量流量和加热容量将需要随着所需的UREA量的增加而增加。这使得涡轮增压发动机对于SCR应用稍微更容易，因为用于驱动空气放大器的排气背压比从发动机驱动的压缩机供应以驱动通过加热回路的增加量的排气的压缩空气所需的能量更少。
排气加热也可用于主排气系统。由于高效发动机能够在较低和较低的排气温度下运行，因此两个问题变得明显。首先，排气温度变得非常低，以至于在中等负荷下，排气温度不足以氧化主腔室中未燃烧的任何甲烷。此外，这些较低的温度使驱动涡轮增压器成为一项挑战。在现有技术中已经研究了将OC放置在涡轮增压器的上游，但是当时发现它不实用。如上所述，对加热回路的改进可以是预涡轮机和后处理系统。优选实施例是具有预涡轮后处理系统的天然气发动机，预涡轮后处理系统具有OC基质和SCR基质。这可以在第一OC基质前面具有加热系统，然后是UREA喷射系统，然后是第二加热器，然后在排气到达涡轮增压器之前具有最终OC。在这种情况下，增加排气温度所需的额外燃料足以燃尽最初留在发动机汽缸而未燃烧的甲烷和氧化甲烷，这些甲烷和氧化甲烷现在将为涡轮增压器涡轮提供能量。在SCR之后需要加热器的原因是最终OC中甲烷的起燃温度高于SCR应该工作的温度。
为了给该系统增加进一步的益处，涡轮增压器可以通电。通过消除排气门的需要并尽可能多地利用排气涡轮机捕获能量，这将极大地加速发动机响应并提高发动机效率。为了提高效率，第二电动压缩机可与涡轮增压器串联使用。
对于气体燃料，该系统中的加热器可以首先使用燃烧器，直到OC基质达到起燃温度，然后暂时关闭气体供应以熄灭燃烧器火焰，使得随后燃烧再次启动并继续在燃烧器下游的OC燃烧。
附图说明
图1是具有包括加热回路的后处理系统的涡轮增压发动机的侧视图。
图2是具有包括加热回路的后处理系统的自然吸气式发动机的侧视图。
图3是具有SCR后处理系统的涡轮增压柴油发动机的优选实施例。
图4是具有传感器和阀门的控制系统的框图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，将许多术语和短语定义如下：
混合后处理系统(BATS)：如以引用的方式并入本文的US9,752,481中所述，BATS系统使用进入单个较大SCR组件中的两个发动机中较小的发动机的排气中的仅一个UREA注入点来减小来自所述两个发动机的混合排气的NOx排放。
气体燃料：内燃机中使用的主要气体燃料是主要由甲烷组成的天然气，但是稍作变型，这些发动机可以消耗任何气体燃料，包括但不限于丙烷、天然气和氢气。在本文中，术语天然气和气体燃料可互换使用。
碳氢化合物(HC)：燃料和发动机润滑油不完全燃烧产生的排放物。
主料(Main Charge)：活塞顶部和气缸盖之间的主燃烧室空间中的空气燃料混合物。如果是对置活塞发动机，则这将是对置活塞面之间的空间。
颗粒物质(PM)：颗粒物质是从许多来源排放的标准污染物。在本文中，我们通常将其简称为PM。PM可能包括在加利福尼亚被认为有毒的柴油烟尘PM或由发动机的润滑油的消耗和燃烧产生的PM类型。虽然仍将PM视为标准排放物，但来自润滑油消耗的PM被认为比柴油烟灰毒性低。
还原剂：在如选择性催化还原(SCR)系统那样的活性NOx还原系统中，还原剂与热排气混合，并且与排气一起被催化剂系统化学处理，以将NOx排放还原成N2和水。柴油机排气处理液(DEF)是目前移动应用中SCR系统最常用的还原剂。DEF实际上是32.5％UREA和67.5％水的混合物。一旦注入发动机，DEF首先被蒸发，然后UREA晶体分解成氨和CO2分子。SCR催化剂使用氨颗粒将NOx还原成N2和水。SCR系统可用于燃烧任何燃料的热机，因此DEF术语可能会产生误导，在德国DEF属于AdBlue商标。DEF也经常被简称为UREA。在一些情况下，氨气从一些其它系统中提取，并在排气和氨混合物到达SCR催化剂之前作为气体直接喷射到排气流中。在全文中，注入任何主动还原NOx的后处理装置中的还原剂通常称为UREA。另外，术语SCR将用于识别使用还原剂的任何活性NOx还原系统。
图1是具有加热回路的涡轮增压中速发动机的侧视图。排气歧管3位于发动机1的顶部，并将加压的排气引导到涡轮增压器2中。主排气通道4将来自涡轮增压器2的排气引导至后处理器5。在排气在后处理器5中被处理之后，排气通过主排气口20离开发动机系统。后处理器5可包含OC基质、SCR基质或两者的组合。如果后处理系统5包括两种类型的基质，则其以与仅具有SCR基质的系统相同的方式进行控制。
加热回路入口6从主排气通道4中抽出一部分排气并将其引导通过加热器回路7。一旦该一部分排气已经通过沿加热器回路管道7的所有装置而被处理，则该一部分排气随后通过加热器回路出口8被注回主排气通道4中。空气放大器EP 10将被供给源自排气歧管3的加压排气，以帮助将更多的排气吸入加热器回路管道7中。空气放大器CA 11由来自车辆某处的外部源的压缩空气驱动。这可以由发动机驱动的空气压缩机提供，该空气压缩机向空气制动系统供应空气。如果车辆还没有空气压缩机，则可以由涡轮3中的压缩机供应，尽管这可能效率较低，因为涡轮3增压压力可能是空气制动系统的1/4，并且等同效果需要4倍的空气质量，并且需要通过向加热回路7中添加更多的热能来加热所有这些空气。电预热器12用于将所述一部分排气的温度升高到OC 15将起燃(light off)并燃烧燃料和稀薄排气混合物的程度。电预热器12通常仅与除具有较低起燃温度的甲烷以外的燃料一起使用，柴油燃料将是与电预热器12一起使用的最合适的燃料。燃料喷射器13用于将燃料喷射到加热回路7中。燃料很可能是用于为发动机1提供动力的相同燃料，燃料可以是液态碳氢化合物燃料，诸如柴油或任何气体燃料等。在加压气体燃料的情况下，燃料喷射器13还可以用作由加压气体燃料提供动力的空气放大器。燃料燃烧器14通常用于诸如甲烷等气体燃料，该气体燃料具有非常高的起燃温度，这对于使用电预热器12是不合理的。燃料燃烧器14可以包括火焰稳定器和起燃系统以开始燃烧。OC 15是一旦加热回路7处于工作温度就会发生无焰燃烧的地方。温度传感器16是控制系统将监测的参数，以确定系统状态并确定何时喷射燃料、喷射多少燃料、以及何时从燃料燃烧器14过渡到OC 15以最高效率且最低排放地催化燃烧喷射的燃料。可以在任何时间喷射气体燃料，但是柴油燃料应该仅在所述一部分排气流已经被电预热器12预热到阈值温度之后喷射，该阈值温度将导致OC 15的起燃。在起燃之后，温度传感器16将监测OC 15的出口温度，并且该温度将用于确定是否应该由燃料喷射器13喷射更多或更少的燃料以实现加热回路7中的目标温度。
对于仅具有OC基质的后处理器5单元，温度传感器16将是加热回路7配备的最后一个装置，然后现在被加热的一部分排气将通过加热回路出口8注入回到主排气通道4。
对于具有SCR基质的后处理器5单元，将额外的组件添加到加热回路7中。UREA喷射器17用于将UREA喷射到加热回路7中。温度传感器19将用于测量首先被加热然后通过将UREA注入其中而被冷却的一部分排气的温度。利用SCR功能，温度传感器19成为用于确定通过燃料喷射器13的燃料流量以保持加热回路7的出口处的目标温度的参数。在一些实施例中，如果安装了温度传感器19，则可以取消OC 15之后的温度传感器16。
最近的研究表明，UREA的分解通过在高温下通过催化剂来辅助。在常规的SCR系统中，当空气和UREA混合物进入SCR基质时，UREA通常通过分解过程仅分解50％的进度，并且分解成氨的剩余分解发生在排气和分解UREA沿着基质的长度流动移动时。这降低了基质的整体有效性。如果在排气开始通过SCR基质之前所有的UREA已经分解成氨，则它将具有更高的NOx还原效率并且能够在更低的温度下运行。OC 18用于增加UREA和加热的排气混合物在它们到达后处理器5内部的SCR基质的途中、离开加热回路7之前的分解量。
图2是具有加热回路的自然吸气式中速发动机的侧视图。图2具有与图1相同的所有部件和功能，除了涡轮主排气通道4'将排气歧管3直接连接到后处理器5和涡轮3，并且排气压力驱动的空气放大器EP 10已被删除。由于空气放大器EP 10已被删除，因此压缩空气驱动的空气放大器CA 11可能必须提供更大的动力以引起足够的排气流过加热回路7。
图3是具有SCR后处理系统和简化的加热回路的中速涡轮增压柴油发动机的优选实施例。排气歧管3位于发动机1的顶部，并将加压的排气引导到涡轮增压器2中。主排气通道4将来自涡轮增压器2的排气引导至后处理器5。在排气在后处理器5中被处理之后，排气通过主排气口20离开发动机系统。
加热回路入口6从主排气通道4中抽出一部分排气并将其引导通过加热器回路7。一旦该一部分排气已经通过沿加热器回路管道7的所有装置而被处理，则该一部分排气随后通过加热器回路出口8被注回主排气通道4中。空气放大器EP10将被供给源自排气歧管3的加压排气，以帮助将更多的排气吸入加热器回路管道7中。电预热器12用于将所述一部分排气的温度升高到OC 15将起燃并燃烧柴油燃料和稀薄排气混合物的程度。燃料喷射器13用于将柴油燃料喷射到加热回路7中。OC 15是一旦加热回路7处于工作温度就会发生无焰燃烧的地方。温度传感器19是控制系统将监测的参数，以确定系统状态并确定何时喷射燃料、以及喷射多少燃料。柴油燃料应该仅在所述一部分排气流已经被电预热器12预热到阈值温度之后喷射，该阈值温度将导致OC 15的起燃。在起燃之后，温度传感器19将监测OC 15的出口温度，并且该温度将用于确定是否应该由燃料喷射器13喷射更多或更少的燃料以实现加热回路7中的目标温度。一旦OC 15处于(工作)温度并催化燃烧喷射的燃料，就可以关小或关闭电预热器12。
在温度传感器19确定加热回路7的温度足够热之后，使用UREA喷射器17将UREA喷射到加热回路7中。随着更多的UREA通过喷射器17喷射，温度传感器19将检测加热回路7中的下降温度，并且控制系统将命令更多的燃料通过喷射器13喷射，以使加热回路排气口温度回到其目标温度。
图4是用于加热回路7的简化控制系统的框图。控制器单元30电连接到各种传感器和控制阀。温度传感器31将从加热回路7读取排气口温度，并且根据其控制模式控制流过喷射器3的燃料量。该燃料流可以由阀32控制，阀32可以是开关式(on or off)电磁阀，阀32被调节以控制到喷射器13的燃料的流速，或者该控制阀32可以是喷射器13的组成部分。如果系统如此配备，则控制电磁线圈(螺线管)33将控制到电预热器12的电流。该电流可以由几个不同的电气装置控制，这些电气装置包括从简单的开关到PWM控制的晶体管模块。
如果系统如此配备，则控制阀34调节到空气放大器CA 11的压缩空气的供应。控制阀34可以是具有一种设定(with one setting)的简单的双位阀(on off valve)，控制阀34也可以通过PWM控制来线性调节流量。
控制阀35将控制UREA流向UREA喷射器17。这可以是调节流量的电磁阀或提供UREA的计量数的某种泵送系统。
控制器30可以具有其自身的发动机运行参数表，但是它很可能与主控制器通信，主控制器将发送其发动机负荷信息和更新的运行参数，诸如加热回路7的目标排气温度。这些控制阀或电磁线圈(螺线管)中的任何一个都可以物理地集成到控制器30中而不改变其功能。控制器单元30本身可以集成到控制其它装置甚至整个发动机系统或车辆的另一个控制器中。
应注意，对本文所述的当前优选的实施方案的各种变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行这些改变和修改，并且不会减少其附带的优点。

Claims (14)

1.一种具有SCR催化剂后处理系统的发动机，包括：
涡轮增压器的排气通道，其与所述涡轮增压器的出口流体连通；
加热回路段，其包括入口和出口，其中所述入口和所述出口与所述排气通道流体连通，所述入口从所述排气通道中抽出一部分排气；
所述加热回路段上的排气压力驱动的空气放大器；
所述加热回路段上的电预热器；
所述加热回路段上的燃料喷射器；
所述加热回路段上的氧化催化剂；
所述加热回路段上的尿素喷射器；以及
所述加热回路段上的温度传感器。
2.根据权利要求1所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的压缩空气放大器。
3.一种具有氧化催化剂后处理系统的发动机，包括：
排气通道，其与所述发动机的出口流体连通；
加热回路段，其包括入口和出口，其中所述入口和所述出口与所述排气通道流体连通，所述入口从所述排气通道中抽出一部分排气；
所述加热回路段上的压缩空气放大器；
所述加热回路段上的燃料喷射器；
所述加热回路段上的氧化催化剂；以及
所述加热回路段上的温度传感器。
4.根据权利要求3所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的燃烧器系统。
5.根据权利要求4所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的电预热器。
6.根据权利要求3所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的电预热器。
7.根据权利要求3所述的发动机，其中所述发动机是天然气发动机。
8.根据权利要求3所述的发动机，其中所述燃料喷射器包括空气放大器。
9.一种具有氧化催化剂后处理系统的发动机，包括：
排气通道，其与所述发动机的出口流体连通；
加热回路段，其包括入口和出口，其中所述入口和所述出口与所述排气通道流体连通，所述入口从所述排气通道中抽出一部分排气；
所述加热回路段上的压缩空气放大器；
所述加热回路段上的燃料喷射器；
所述加热回路段上的氧化催化剂；
所述加热回路段上的尿素喷射器；以及
所述加热回路段上的温度传感器。
10.根据权利要求9所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的燃烧器系统。
11.根据权利要求10所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的电预热器。
12.根据权利要求9所述的发动机，还包括在所述加热回路段上的电预热器。
13.根据权利要求9所述的发动机，其中所述发动机是天然气发动机。
14.根据权利要求9所述的发动机，其中所述燃料喷射器包括空气放大器。
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