CN112727570A - 后处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及后处理系统和方法。一种用于处理来自内燃式发动机的废气的后处理系统包括串联的柴油机氧化催化剂(DOC)，在DOC下游的柴油机微粒过滤器(DPF)和在DPF下游的主要选择性催化还原(SCR)催化剂。补充SCR催化剂布置在DOC、DPF和主要SCR催化剂的上游以接收来自内燃式发动机的原始废气。补充SCR催化剂可以对原始废气进行SCR反应，直到补充SCR催化剂达到反应温度，此时补充SCR催化剂可以进行SCR反应。

Description

后处理系统和方法
技术领域
本专利公开总体上涉及一种用于处理来自内燃式发动机的废气的排气后处理系统，并且更具体地，涉及一种利用选择性催化还原的系统和方法。
背景技术
已经开发出各种系统和方法以减少从内燃式发动机排放的废气中的某些排放物和副产物，其中一些是响应于政府针对此类排放物的规定而直接开发的。这些系统可以在现场与燃烧过程配合，例如燃料添加剂等。其他系统可以布置在排气系统的下游以与废气相互作用，并且可以被称为后处理系统。后处理系统的一个示例是诸如柴油机微粒过滤器(DPF)的过滤系统，所述过滤系统从废气中过滤并去除例如由于燃料的不完全燃烧而可能出现的诸如微粒物质和烟灰的元素。由于过滤器物理上捕获并积聚微粒物质，因此它将最终将开始阻碍排气流，因此通常需要定期清洁，这可以通过称为“过滤器再生”的过程来完成。过滤器再生可以是主动的也可以是被动的。主动再生通常使用补充热源完成，例如通过在排气系统中引入和燃烧额外的燃料以燃烧掉过滤器捕获的微粒物质。被动再生在正常排气温度下发生并且不需要补充热源。然而，被动再生通常要求过滤器涂有特殊的催化材料以启动在被动再生期间发生的化学转化，或者要求在过滤器的上游设置特殊的催化涂层以引起相关的化学反应从而实现被动再生。
后处理系统的其他示例是那些使用布置在排气流中的催化剂以将废气直接转化为更温和的化学物质的系统。例如，在称为选择性催化还原(SCR)的化学过程中，具有由诸如钒的贱金属制成或涂覆有诸如钒的贱金属的流过基底的催化剂接收从内燃式发动机排放的热废气。气态或液态还原剂被引入到排气系统中，并且可以混合废气或可以被吸收到催化剂上。常见的还原剂或柴油机排出流体(DEF)是尿素，但是在SCR过程中也可以使用其他合适的物质，例如氨。氮氧化物(例如NO和NO2，有时也称为NOX)在催化剂存在下与DEF反应，从而将NOX转化为氮(N2)和水(H2O)。催化后处理系统的另一示例是柴油机氧化催化剂(DOC)，其中由钯，铂或其他贵金属制成的催化剂与废气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CXHX)催化氧化以形成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。
在内燃式发动机具有很大的尺寸，例如数百马力或千瓦的大小的情况下，发动机可以与旨在与废气中的不同排放物和副产物相互作用的多个后处理系统可操作地关联。然而，将理解的是，将几种不同的后处理系统组合在一起会带来包装挑战以及对尺寸、重量和成本的关注。美国专利第9,879,581号(“’581专利”)描述了一种后处理系统，其包括以一起协同操作的方式布置的柴油机氧化催化剂，柴油机微粒过滤器和选择性催化还原催化剂。本申请还涉及用于发动机废气的后处理的新颖的装置和方法。
发明内容
在一方面，本公开描述了一种用于处理来自内燃式发动机的废气的后处理系统。后处理系统包括柴油机氧化催化剂(DOC)以将废气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CXHX)氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)。后处理系统还包括柴油机微粒过滤器(DPF)，所述柴油机微粒过滤器布置在DOC的下游以接收废气并且可操作地配置成从废气捕获微粒物质。包括在DPF的下游是主要选择性催化还原(SCR)催化剂以将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)。补充SCR催化剂可以布置在DOC的上游并与其紧密联接以接收原始废气，并且可以在主要SCR催化剂不操作时将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)。
在另一方面，本公开描述了一种处理来自内燃式发动机的废气的方法。根据该方法，在内燃式发动机的启动模式期间，原始废气在补充选择性催化还原(SCR)催化剂处被接收并与柴油机排出流体(DEF)反应以将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)。此后，废气从补充SCR催化剂引导到柴油机氧化催化剂(DOC)并引导到补充SCR催化剂下游的柴油机微粒过滤器(DPF)。在内燃式发动机的运行模式期间，主要SCR催化剂可以接收混合有DEF的来自DOC和DPF的废气以将NOX还原为N2和H2O。
在又一方面，本公开描述了一种用于后处理来自内燃式发动机的废气的紧凑模块。紧凑模块包括以紧密联接关系容纳补充选择性催化还原(SCR)催化剂和柴油机氧化催化剂DOC的上游模块壳体。补充SCR催化剂位于上游模块壳体的入口附近以接收原始废气以及补充SCR催化剂下游的DOC。紧凑模块还包括容纳柴油机微粒过滤器(DPF)和主要SCR催化剂的下游模块壳体。DPF位于下游模块壳体的入口附近并且主要SCR催化剂位于DPF的下游。输送导管在上游模块壳体和下游模块壳体之间建立流体连通，并且与主要柴油机排出流体(DEF)喷射器流体连通以将DEF引入到从上游模块壳体传到下游模块壳体的废气。
附图说明
图1是与根据本公开的用于处理废气的后处理系统可操作地关联的内燃式发动机的框图。
图2是示出柴油机微粒过滤器的壁流配置中的废气流的示意图。
图3是根据本公开的配置为紧凑模块的排气后处理系统的部分截面图。
图4是沿着图3中的线4-4截取的容纳在紧凑模块中的后处理装置的相对尺寸差的示意图。
图5是当从紧凑模块中观察时容纳在紧凑模块中的后处理装置的相对尺寸差的另一示意图。
图6是示出根据本公开的用于处理来自内燃式发动机的废气的计算机实现的方法或过程的示例的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相似的元件参考相似的附图标记，示出了与多个发动机系统关联以支持操作的内燃式发动机100。内燃式发动机100配置成燃烧诸如空气的氧化剂和基于碳氢化合物的燃料的混合物，以将其中的化学能转化为旋转运动形式的机械动力，所述机械动力可以用于其他工作。内燃式发动机100可以具有任何尺寸，但是本申请特别适合于数百马力或千瓦的大小的大型重工业发动机。内燃式发动机100可以用于为各种工业机械提供动力，包括在建筑、采矿、农业和其他工业中使用的移动机械。这样的移动机械可以包括推土机、挖掘机、轮式装载机、自卸车、拖拉机、联合收割机等。替代地，内燃式发动机100可以在固定应用中用于为发电机、泵等提供动力。
内燃式发动机100可以配置成燃烧任何合适的基于碳氢化合物的燃料，并且可以是压缩点火式柴油发动机，火花点火式汽油发动机，混合动力发动机，燃烧液体燃料和天然气的双燃料发动机，或者发动机可以是燃油涡轮、蒸汽锅炉或其他类型的燃式发动机。然而，本公开的方面可以特别地适合于燃烧柴油的压缩点火式发动机。内燃式发动机100可以包括其中布置有多个气缸的发动机缸体102，在其中发生燃料和空气的燃烧。活塞106往复地布置在每个气缸104中，所述活塞可在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间移动。活塞106可操作地连接至曲轴108，所述曲轴将活塞106的线性往复运动转换成可以传递至其他应用的旋转运动。内燃式发动机100可以以熟悉的四冲程燃烧循环操作，其中活塞106在进气冲程期间顺序地移动到BDC位置以吸入空气；移动到TDC位置以压缩空气；当引入气缸104的燃料与空气燃烧时，在动力冲程期间移回到BDC位置；以及移回到TDC位置以从气缸104排出燃烧副产物。然而，内燃式发动机100可以配置成以其他燃烧循环操作。
为了将燃料输送到多个气缸104，内燃式发动机100可以与燃料系统110可操作地关联。为了储存用于燃烧的基于碳氢化合物的燃料，燃料系统110包括通常位于与内燃式发动机100关联的机械上的燃料储存器或燃料箱112。燃料管线114可以将燃料从燃料箱112引导至多个燃料喷射器116，其中至少一个燃料喷射器116与气缸104中的相应一个流体连通。燃料系统110还可以包括燃料泵118，所述燃料泵对燃料加压并且经由公共燃料导轨将其引导至多个燃料喷射器116。在燃烧柴油的压缩点火式发动机中，由于引入了由压缩冲程而导致的气缸104中的高压状态，因此燃料自动点火，且因此，可以对燃料喷射器116进行定时以增加效率和动力生成。
为了在燃烧过程期间从周围环境(可能是大气)输送用作氧化剂的空气，内燃式发动机100可以与进气系统120可操作地关联。为了从环境接收空气，进气系统120可以包括空气过滤器122和可调调节器124。空气过滤器122可以从进气去除污染物，灰尘和碎屑，并且可调调节器124可以是诸如蝶阀等的阀，其被控制以调节并计量引入进气系统120的进气量。进气导管126(例如管或通道)从可调调节器124延伸到可操作地布置在气缸体102上的进气歧管128。进气歧管128可以包括用于将空气从进气导管126引导到多个气缸104的通道或路径。为了选择性地建立进气歧管128和气缸104之间的流体连通，气缸104可以与进气阀关联，所述进气阀可以在期望的时间选择性地打开和关闭以从进气歧管128接收进气。进气阀可以是电动的或凸轮操作的，并且可以配置成实现可变阀定时。
为了从气缸104去除燃烧过程的副产物，内燃式发动机100可以与排气系统130可操作地关联。排气系统可以包括排气歧管132，所述排气歧管可操作地布置在气缸体102上并且经由选择性地致动的排气阀与多个气缸104流体连通。在排气冲程期间当活塞106移动到TDC位置时打开排气阀将气缸104的内容物强制排放到排气歧管132中。在实施例中，多个进气阀和排气阀可以与每个气缸104关联。排气歧管132还与排气导管134连通，所述排气导管延伸并最终将排放的废气引导至烟道136，在那里将废气排放到大气。
在实施例中，为了提高内燃式发动机100的效率，涡轮增压器140可以与进气系统120和排气系统130可操作地关联。特别地，涡轮增压器140可以包括布置在排气歧管132下游的排气导管134中的涡轮142，所述涡轮接收从气缸104排放的加压废气。涡轮142可以包括多个叶片，所述叶片布置在旋转毂144上并围绕旋转毂设置。当加压废气被引导通过涡轮142越过叶片时，加压流可以驱动叶片，由此旋转旋转毂144。毂144可以可旋转地联接到布置在调节器124下游的进气导管126中的压缩机146，通过所述压缩机接收大气。压缩机146可以在旋转毂144上具有类似的叶片装置，所述叶片装置用作鼓风机以在进气导管126中向更下游输送和加压进气并输送到进气歧管128中。由于进气歧管128中的进气被加压，因此更多的进气可以强制进入气缸104，因此每个发动机循环可以引入和燃烧更多的燃料，由此提高发动机效率和/或功率输出。
在实施例中，为了减少排放，尤其是减少废气中的氮氧化物(NOX)，内燃式发动机100可以可操作地配置有废气再循环(EGR)系统150以将来自排气系统130的废气的一部分再引导到进气系统120。特别地，EGR系统150可以包括EGR导管152，所述EGR导管在涡轮增压器140的上游与排气导管134流体连通，并且可以由EGR阀154选择性地打开和关闭。EGR导管152还通过EGR冷却器156与进气歧管128流体连通，所述EGR冷却器可以是辐射式空气冷却装置。当EGR阀154打开时，废气的一部分通过EGR导管被重引导到EGR冷却器156，在那里气体温度降低，然后被引导到进气歧管128，在那里气体与来自进气系统120的新鲜进气一起被重新引入气缸104。在发动机操作期间的适当时间再循环来自较早发动机循环的废气可以降低燃烧温度，从而减少NOX形成，并且可以排代新鲜进气中的过量氧O2，从而进一步减少NOX形成。
为了进一步解决并减少废气中的排放，内燃式发动机100可以与后处理系统160可操作地关联，所述后处理系统包括布置在发动机下游的排气导管134中的一个或多个后处理装置。后处理装置可以以一种方式布置并且彼此连通以与废气相互作用并与废气反应以促进排放减少。例如，为了减少废气中未燃烧的燃料产生的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CXHX)，可以包括柴油机氧化催化剂DOC 162以启动氧化反应，将那些成分转化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)。DOC可以包括流过配置的蜂窝状或丝网状DOC基底164，所述基底具有通过其布置的平行的、无阻碍的通道，所述通道呈现出相对小的排气流的阻力。DOC基底164可以由配制为引起催化反应的贵金属(如钯或铂)制成。与DOC关联的二次反应是废气中的氮氧化物(NO)和氧(O2)产生二氧化氮(NO2)，其需要进一步处理。
为了去除微粒物质和烟灰，可以在DOC的下游包括柴油机微粒过滤器(DPF)170，所述柴油机微粒过滤器可以包括由堇青石，钛酸铝或类似的陶瓷材料制成的DPF基底172以捕获和保持微粒物质。与DOC 162的流过配置相反，DPF 170可以是具有入口和出口通道的整体式壁流构造。参考图2，在壁流配置中，DPF基底172包括多个小的、平行的通道174，所述通道从DPF基底172的进入面176轴向延伸到离开面178。通道174由形成内部通道壁175的过滤介质围绕和分离，并且相邻通道在进入或离开面176、178处用塞子179交替地塞住，使得由于排气冲程而被加压的废气被迫穿过内部通道壁175进入开放通道。因此DPF 170的壁流配置比流过配置可以捕获更多数量或百分比的微粒物质。然而，如上所述，DPF将需要定期再生。
在实施例中，DPF 170可以是裸DPF，意味着DPF基底172处于未催化状态并且没有任何催化剂。没有将贵金属、贱金属或其他催化剂涂覆到可以仅由堇青石组成的DPF基底172。如下所述，裸DPF仍然可以在二氧化氮(NO2)存在的情况下进行被动再生。
布置在更下游以减少废气中存在的氮氧化物(包括由DOC 162产生的NO2)，后处理系统160可以包括主要或主选择性催化还原(SCR)催化剂180。主要SCR催化剂180可以包括由钒、钨、铜沸石和/或铁沸石及其组合制成的主要SCR基底182，其也可以是开放的流过配置，例如蜂窝状或丝网状，其呈现出相对较小的流动阻力。为了将还原剂或柴油机排出流体(DEF)引入到排气，主要DEF喷射器184可以布置成与主要SCR催化剂182上游的排气导管134流体连通。主要DEF喷射器184可以是机电操作的喷射器，其配置成在有时称为加料的过程中将加压DEF作为喷雾引入排气流。为了在遇到主要SCR催化剂182之前将DEF与废气充分混合，挡板186可以位于主要DEF喷射器184和主要SCR催化剂180之间。DEF本身可以保持在与内燃式发动机100关联的机械上的可再填充DEF罐188或储存器中。理想的是在化学计量上平衡引入到主要SCR催化剂180的DEF，使得为反应提供足够的DEF，但几乎没有或没有过量的DEF在未处理(称为氨泄漏的状况)的情况下离开后处理系统。在实施例中，为了处理过量的氨，可以将氨氧化催化剂(AMOX)布置在主要SCR催化剂180的下游以将氨(NH3)和氧(O2)催化为氮(N2)和水(H2O)。
由主要SCR催化剂180进行的选择性催化反应取决于经常随内燃式发动机100的操作状态而变化的几个变量和因素。这些因素包括排气温度和废气离开SCR催化剂之前的反应持续时间。例如，SCR反应可能要求主要SCR催化剂180已经达到200℃或更高，可能225℃或更高的活化温度。由于主要SCR催化剂180位于包括DOC 162和DPF 170的其他后处理部件的下游，并且与排气歧管132和涡轮142的排放间隔一定距离，因此废气的温度可能不足以迅速将SCR催化剂加热到操作温度，尤其是在内燃式发动机100的启动状态或冷启动期间。因此，NOX可以排放到大气，直到主要SCR催化剂180已达到反应温度。根据本公开的方面，为了允许主要SCR催化剂180达到反应温度，后处理系统160可以包括布置在包括主要SCR催化剂180的其他装置的上游的辅助或补充SCR催化剂190。
在实施例中，补充SCR催化剂190可以以紧密联接关系在DOC 162的紧上游布置在某个位置，在所述位置补充SCR催化剂190经由排气导管134直接从涡轮142接收原始废气。如本文所用，术语“紧密联接”是指不存在影响排气组分，即NOx，未燃烧的碳氢化合物(HC)微粒物质或其他排气成分的中间部件。“原始”是指未处理，因此说补充SCR催化剂190接收来自内燃式发动机100的原始排气意味着未发生后处理。由于补充SCR催化剂190从内燃式发动机100接收热废气，因此它可以迅速加热到反应温度以迅速降低气体的NOX含量。
在另一实施例中，补充SCR催化剂190可以位于后处理系统160的其他部件的更上游，例如，补充SCR催化剂可以在排气导管134中位于涡轮增压器140的涡轮142附近。如本实施例中所述，通过将补充SCR催化剂190在排气导管134中定位在更上游，补充SCR催化剂可以在足够高的温度下接收废气以迅速升高到进行SCR过程的操作温度。应当理解，补充SCR催化剂190的位置可以取决于内燃式发动机100的尺寸和排气导管134的长度，并且可以被选择为使得补充SCR催化剂190暴露于废气的高温。
补充SCR催化剂190可以在设计和配置上类似于主要SCR催化剂180并且可以包括以开放的流过配置由钒或钨制成的补充SCR基底192。为了接收DEF以引发SCR反应，补充DEF喷射器194可以布置在补充SCR催化剂190上游的排气导管134中。在实施例中，补充DEF喷射器194可以布置在包括一个或多个弯头或肘弯的排气导管134的一部分中，使得DEF和热废气可以在遇到补充SCR催化剂之前充分混合。在实施例中，补充DEF喷射器194可以在排气导管132中位于涡轮142附近，使得在达到补充SCR催化剂190之前DEF的温度由热废气升高，并避免由于湍流产生的沉积物形成。补充DEF喷射器194可以与DEF罐188流体连通以接收DEF；然而，在其他实施例中，补充DEF喷射器可以与其自身的DEF罐或储存器可操作地关联。
为了协调和调节内燃式发动机100及其关联系统的操作，电子控制单元(ECU)200(也称为发动机控制模块(ECM)或可能仅称为控制器)可以与发动机可操作地关联并且可以布置在发动机为其提供动力的机械上。ECU 200可以是可编程计算装置，并且可以包括一个或多个微处理器202，非暂时性计算机可读和/或可写存储器204或类似的存储介质，输入/输出接口206，以及用于处理计算机可执行指令、程序、应用程序和数据以调节发动机100的性能的其他适当电路。ECU 200可以配置成处理二进制位和字节形式的数字数据。ECU 200可以与各种传感器通信以接收关于发动机性能和操作特性的数据，并且可以响应地控制各种致动器以调节该性能。
为了发送和接收电子信号以输入数据和输出命令，ECU 200可以与通信网络可操作地关联，所述通信网络具有通过数据链路或通信通道连接的多个终端节点。例如，如汽车技术领域的技术人员所熟悉的，可以利用控制器区域网络(“CAN”)，所述控制器区域网络是标准化的通信总线，包括在ECU 200和与内燃式发动机100关联的传感器和致动器之间传导传送信息的信号的物理通信通道。然而，在可能的实施例中，ECU 200可以利用其他形式的数据通信，例如诸如Wi-Fi的射频波，光波导和光纤，或其他技术。在实施例中，ECU 200可以是预编程的专用设备，例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。为了可能与操作员或技术员对接，ECU 200可以与操作员接口显示器可操作地关联，所述操作员接口显示器也可以称为人机接口(HMI)。
为了调节后处理系统160的操作，ECU可以与如图1中由虚线所示的传感器、致动器和调节器进行电子通信。例如，为了测量和确定离开涡轮142的热废气的温度，可以将原始排气传感器210布置成与从后处理系统160的上游的涡轮142延伸的排气导管134流体连通。因此原始排气传感器210可以在任何后处理之前测量原始废气的温度和其他量。原始排气传感器210可以是热电偶，红外传感器，或以其他合适的温度感测参数操作。原始排气传感器210可以配置成测量或感测原始废气的其他参数，例如排气导管134中的体积或质量流率或原始废气中的NOX含量或浓度。为了测量和确定主要SCR催化剂180的温度，ECU 200可以与布置在主要SCR催化剂180中或与其可操作地关联的主要SCR传感器212电子通信。类似地，为了测量补充SCR催化剂190的温度，ECU 200可以与布置在补充SCR催化器190中或与其可操作地关联的补充SCR传感器214电子通信。类似于原始排气传感器210，主要和补充SCR传感器212、214可以配置成测量或感测其他参数和/或属性，例如在其相应位置处的质量流率和NOX浓度。在可能的实施例中，主要和补充SCR传感器212、214可以是虚拟传感器，其基于与废气或发动机操作相关的其他参数间接地感测NOX浓度。ECU 200还可以与主要和补充DEF喷射器184、194电子通信以选择性地操作它们，并可能调节引入到相应催化剂的DEF的量。ECU 200还可以控制入口调节器124和EGR阀154的操作以分别调节进气系统120和EGR系统150的操作。
根据本公开的方面，为了限制空间和重量并简化在内燃式发动机100上的装配和安装，后处理系统160的装置可以布置和包装为紧凑模块220。将后处理系统160包装为紧凑模块220减小了尺寸和重量，同时以增加系统的协同相互作用的方式允许各种装置的布置和废气的选路。参考图3，为了容纳后处理装置，紧凑模块220可以包括第一或上游壳体222和第二或下游壳体224，它们都为大致圆柱形并且可以由例如不锈钢或铝制造为金属桶或罐。圆柱形上游模块壳体222可以限定第一轴向流动路径226，用于使废气在上游模块壳体222的入口228和出口229之间流动。进入上游模块壳体222的上游端的入口228可以与第一轴向流动路径226轴向对准。在实施例中，上游模块壳体222的下游轴向端可以关闭，使得出口229直接径向地通过壳体。类似地，圆柱形下游模块壳体224可以限定轴向流动路径230，用于使废气在下游模块壳体224的入口232和出口234之间流动。下游模块壳体224的上游轴向端可以封闭，使得入口232径向地布置在壳体中，而出口234可以与轴向流动路径230轴向对准。
当组装在紧凑模块220中时，上游和下游模块壳体222、224可以彼此平行地布置，其中第一和第二轴向流动路径226、230同样平行，并且还可以在相同的轴向方向上定向。为了在上游模块壳体222和下游模块壳体224之间建立流体连通，可以在它们之间布置输送管或输送导管240，使得废气从上游模块壳体222的出口228流动到下游模块壳体224的入口232。输送导管240可以是直径小于上游模块壳体222或下游模块壳体224的圆柱形细长管。由于上游和下游模块壳体222、224的上游轴向端可以相对于彼此共延布置，并且上游和下游模块壳体222、224的下游轴向端可以相对于彼此共延布置，因此输送导管240需要使废气流反向和重定向。特别地，输送导管240可以建立平行于第一和第二轴向流动路径226、230并在其相反方向上的第三轴向流动路径242。
在实施例中，后处理系统160的装置可以串联布置在上游和下游模块壳体222、224中以有利地分阶段进行与废气的不同反应。例如，补充SCR催化剂190可以邻近入口228布置在上游模块壳体222中以接收原始废气。为了容纳在圆柱形上游模块壳体222中，与补充SCR催化剂190相关的补充SCR基底可以形成为具有基底基质的圆柱形基底砖，例如蜂窝或金属丝网，其布置在可以邻近上游模块壳体222的内壁固定的管状壳中。因此，补充SCR催化剂190和圆柱形上游模块壳体222可以具有互补直径。补充DEF喷射器194可以布置在入口228的上游以向补充SCR催化剂190提供DEF，但是在其他实施例中，补充DEF喷射器194可以布置在入口228的内部。DOC 162可以串联布置在补充SCR催化器190的紧下游并与其轴向对准，并且可以邻近上游模块壳体222的出口229。DOC 162也可以形成为直径与上游模块壳体222互补的圆柱形砖。在可能的实施例中，氨氧化催化剂(AMOX)可以包括在上游模块壳体222中的补充SCR催化剂190和DOC162之间。
离开上游模块壳体222的出口229的废气由输送导管240沿着第三轴向流动路径242重定向大约180°。在实施例中，为了为主要SCR催化剂180提供DEF，主要DEF喷射器184可以在靠近输送导管240连接上游模块壳体222的出口229的位置处与输送导管240流体连通。当废气横穿输送导管240的长度到达下游模块壳体224的入口232时，DEF将有足够的机会与废气混合。此外，将主要DEF喷射器184布置在输送导管240中并在DOC的下游引入DEF确保了DEF将不会过早与DOC 162反应，其可能会被贵金属或反应金属催化。
废气再次从第三轴向流动路径242重定向180°到达第二轴向流动路径230并进入邻近入口232布置在第二模块壳体224内部的DPF 170以去除微粒物质。DPF 170可以沿着第二轴向流动路径230轴向对准，而主要SCR180布置在下游模块壳体224的下游。主要SCR 180还原废气中的NOX，然后其从下游模块壳体224通过出口234轴向排出。DPF 170和主要SCR180都可以形成为圆柱形砖以容纳在圆柱形下游模块壳体224中。
前述布置允许后处理系统160的较小包装，这减小了系统的整体尺寸和重量。例如，由于DPF 170通常是需要废气穿过内壁的壁流装置，因此DPF170通常具有足够的尺寸以具有显著表面积并降低否则产生的背压。主要SCR催化剂180的尺寸也足够大以具有显著表面积以延长SCR反应时间并明显减少NOX，同时防止氨泄漏。相比之下，补充SCR催化剂190和DOC162在尺寸和/或体积上可能趋于小于主要SCR催化剂180和DPF 170。参考图4，后处理装置的相对尺寸允许紧凑模块220的整体尺寸的减小。在图4中可以看到，上游模块壳体222的轴向长度可以短于下游模块壳体224的相应轴向长度。类似地，在图5中可以看到，相对较小的补充SCR催化剂180和DOC 162允许上游模块壳体222具有比下游模块壳体224更小的直径，并且可以尺寸确定成仅在启动状态期间产生NOX还原。因此，根据前述设计的紧凑模块220的总体尺寸和体积可以明显小于其中每个后处理装置具有基本上相同的尺寸和形状的常规系统。
工业适用性
参考6，示出了用于公开的后处理过程的示例性例程或算法的流程图300。流程图300可以包括一系列步骤，包括动作和决策，其可以实现为可以由与ECU 200关联的处理器202执行的应用或程序形式的计算机可执行软件指令或代码。此外，软件形式的流程图300可以在非暂时状态下存储在与ECU 200关联的存储器204中。流程图300可以通过在启动步骤302中初始启动内燃式发动机100而开始，所述启动步骤可以包括冷启动和/或在寒冷的周围环境中的启动。
在传导步骤304中，将原始废气从内燃式发动机100传导到后处理系统160，所述后处理系统可以布置在图3的紧凑模块220中。在第一DEF引入步骤310中，ECU 200可以指示补充DEF喷射器194将DEF引入到紧凑模块220上游的原始废气中。因此，当混合物进入补充SCR催化剂190时，可以发生初步SCR反应步骤312，其中将原始废气中的NOX还原为N2和H2O。这可能部分是因为补充SCR催化剂190由于其上游位置接收热的未处理原始废气以及其相对较小的尺寸和体积而可以在相对较短的时间内迅速加热至反应温度。作为示例，补充SCR催化剂190可以在约30秒内加热至约200℃至225℃的反应温度。在启动模式或其他冷启动状态期间，主要SCR喷射器1484不会引入DEF，使得主要SCR催化剂不能与废气反应。
可能期望在有限的时间内运行初步SCR反应。因此，ECU 200可以在温度测量步骤320中例如使用主要SCR传感器210监测主要SCR催化剂180的温度。ECU 200可以使用主要SCR催化剂180的温度来执行决策步骤322，其中ECU 200将催化剂温度与反应温度324(例如，约200℃至225℃)进行比较。如果主要SCR催化剂180保持在反应温度324以下，则ECU200可以返回到第一DEF引入步骤310以继续通过补充DEF喷射器194引入DEF。
然而，如果决策步骤322确定主要SCR催化剂180处于或超过反应温度324，则可以认为后处理系统160已进入运行模式。作为示例，主要SCR催化剂180可能需要300秒或以上来达到反应温度324并进入运行模式。那时，ECU 220可以执行第二DEF引入步骤330以指示主要SCR喷射器184开始向主要SCR催化剂180和DOC 162上游的废气引入DEF。在紧凑模块220的实施例中，例如，可以在下游模块壳体224中的DPF 170的上游将DEF引入到输送导管240。第二DEF引入步骤330导致主要SCR反应步骤332，其中主要SCR催化剂180将NOX还原为N2和H2O。由于主要SCR催化剂180是可操作的，因此ECU 220在停止步骤334中可以引导补充DEF喷射器194停止引入DEF，使得补充SCR催化剂190中的初步SCR反应中止。
后处理系统160的前述布置的可能的优点在于，在启动模式期间或由内燃式发动机100的冷启动而产生的NOX显著减少。在可能的变化中，在启动模式期间，ECU 220可以进行EGR步骤340，其中在发生初步SCR反应时打开EGR阀154以将废气再循环到进气系统120，从而进一步减少燃烧循环期间的NOX产生。在另一可能的变化中，主要SCR传感器212可以继续监测主要SCR催化剂180的温度，使得如果其降低到反应温度324以下，例如在极端寒冷的天气条件下的发动机空转期间，则后处理系统可以切换回使用补充SCR催化剂190来还原NOX。在这样的极端寒冷条件下操作补充SCR催化剂190而不是主要SCR催化剂180还减少了氨泄漏。
前述布置的另一可能的优点在于，可以是裸的、未涂覆的DPF的DPF170可以被动地再生。在操作期间，DOC 162从废气中的NO和O2产生NO2。NO2经由输送导管240输送到裸DPF170以参与被动再生DPF 170。此外，没有催化剂的裸DPF 170将不与上游的主要DEF喷射器184引入的DEF反应，使得DEF将不会退化或变为非活动。从前面的描述和附图，本公开的这些和其他可能的优点和特征将是显而易见的。
应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可设想，本公开的其它实施方式可在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。
除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。
因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。

Claims (10)

1.一种后处理系统，包括：
柴油机氧化催化剂(DOC)，所述柴油机氧化催化剂接收废气并且可操作地配置成将废气中的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(CXHX)氧化为二氧化碳(CO2)和水(H2O)；
柴油机微粒过滤器(DPF)，所述柴油机微粒过滤器布置在所述DOC的下游以接收废气并且可操作地配置成从废气捕获微粒物质；
布置在所述DPF的下游的主要选择性催化还原(SCR)催化剂，所述主要SCR催化剂可操作地配置成在所述后处理系统的运行模式期间将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)；以及
补充SCR催化剂，所述补充SCR催化剂布置在所述DOC的上游并与所述DOC紧密联接以接收原始废气，所述补充SCR催化剂可操作地配置成在所述后处理系统的启动模式期间将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)。
2.根据权利要求1所述的后处理系统，其中所述补充SCR催化剂和所述DOC紧密联接并且彼此相邻。
3.根据权利要求2所述的后处理系统，还包括：
布置在所述补充SCR催化剂的上游的补充柴油机排出流体(DEF)喷射器；以及
布置在所述DOC和所述DPF之间的主要DEF喷射器。
4.根据权利要求3所述的后处理系统，其中所述DPF是被配置成在存在被所述DOC部分氧化的二氧化氮(NO2)的情况下进行被动再生的未催化裸DPF。
5.根据权利要求4所述的后处理系统，其中所述DPF具有将废气引导通过多个内部通道壁的壁流配置。
6.根据权利要求5所述的后处理系统，其中所述DOC、所述主要SCR催化剂和所述补充SCR催化剂具有包括多个开放通道的流过配置。
7.根据权利要求6所述的后处理系统，还包括主要SCR传感器，所述主要SCR传感器与所述主要SCR催化剂可操作地关联并且配置成监测所述主要SCR催化剂的温度。
8.根据权利要求7所述的后处理系统，其中所述主要SCR传感器与电子控制模块(ECU)电连通，所述电子控制模块配置成在所述主要SCR催化剂达到反应温度时指示所述主要SCR喷射器引入DEF。
9.根据权利要求8所述的后处理系统，其中所述ECU配置成在所述主要SCR催化剂达到反应温度时指示所述补充SCR催化剂停止引入DEF。
10.一种处理来自内燃式发动机的废气的方法，包括：
在所述内燃式发动机的启动模式期间，在补充选择性催化还原(SCR)催化剂处接收原始废气，并使原始废气与柴油机排出流体(DEF)反应以将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)；
将废气从所述补充SCR催化剂引导到柴油机氧化催化剂(DOC)并引导到所述补充SCR催化剂下游的柴油机微粒过滤器(DPF)；
在所述内燃式发动机的运行模式期间，在主要SCR催化剂处接收来自所述DOC和DPF的废气并使废气与DEF反应以将NOX还原为N2和H2O。
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