CN112983603B - 后处理系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理来自具有燃烧室的内燃式发动机的废气的系统，包括被设置成将DEF引入到燃烧室的上游DEF喷射器以及在所述内燃式发动机下游且与所述内燃式发动机成紧密联接关系的紧密联接SCR催化剂。紧密联接SCR催化剂的下游可以是初级SCR催化剂和初级DEF喷射器。所述系统可操作以在内燃式发动机的低负载状况下还原紧密联接SCR催化剂中的NO2，并且在负载状况下还原初级SCR催化剂中的NO2。
Description
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，其中一些系统和方法是响应于政府针对此类排放物的规定而已经直接开发的。这些系统可以在现场与燃烧过程配合，例如燃料添加剂和类似物。其他系统可以布置在排气系统的下游以与废气相互作用，并且被称为后处理系统。后处理系统的一个示例是称为选择性催化还原(SCR)的化学过程，其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位于排气导管中，以接收从内燃式发动机排放的热废气。通常被称为柴油机排气处理液(DEF)的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。常见的还原剂包括纯无水氨或纯氨与水混合的氨水溶液。氮氧化物(例如NO和NO2，有时也称为NOX)在催化剂存在的情况下与DEF反应，从而将NOX转化为氮(N2)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，SCR催化剂可以与旨在与废气中的不同排放物和副产物相互作用的其他后处理系统可操作地关联。另一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。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)。
美国专利No.8,656,703('703专利)描述了一种用于内燃式发动机的排气净化系统，其中包括SCR催化剂、柴油机氧化催化剂和柴油机微粒过滤器的多个后处理系统和技术被容纳在第一催化转换器和第二催化转换器中，并且在排气通道中串联组织。'703专利还描述了一种技术，其中DEF可以被引入到发动机的燃烧室，使得它将在引导到排气通道中的催化转换器的所得废气中被部分地再调教。本公开还涉及用于将DEF引入到废气以用于在内燃式发动机的后处理系统中进行反应的新颖布置形式和方法。
发明内容
在一方面，本公开描述了一种具有包括至少一个燃烧室的内燃式发动机的机器。内燃式发动机与上游进气系统操作地相关联以将进气引导至燃烧室，并且与排气系统操作地相关联以从燃烧室引导废气。所述机器包括上游柴油机排气处理液(DEF)喷射器，以选择性地将DEF引入到燃烧室。在排气系统中，内燃式发动机下游是紧密联接的选择性催化还原(SCR)催化剂，该催化剂在低负载状况下接收原始废气，并将氮氧化物(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，在内燃式发动机的低负载状况下，柴油机排气处理液(DEF)由上游DEF喷射器引入内燃式发动机的燃烧室，并且包括DEF的原始废气从燃烧室引导到紧密联接的选择性催化还原(SCR)催化剂，以将氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)和水(H2O)。另外，根据该方法，废气从紧密联接的SCR催化剂引导到包括初级DEF喷射器和初级SCR催化剂的初级后处理系统。在内燃式发动机的负载状况的情况下，初级DEF喷射器将DEF引入到初级SCR催化剂，以在负载状况下降NOX还原为N2和H2O。
在又一个方面中，本公开描述了用于控制来自内燃式发动机的废气的选择性催化还原的系统。该系统包括：上游柴油机排气处理液(DEF)喷射器，其处于内燃式发动机的上游，将DEF引入到燃烧室中；以及紧密联接选择性催化还原(SCR)催化剂，其处于内燃式发动机的下游并且与内燃式发动机成紧密联接的关系。所述系统还包括在紧密联接SCR催化剂下游的初级SCR催化剂和定位为将DEF引入到初级SCR催化剂的初级DEF喷射器。电子控制器被配置成测量施加到内燃式发动机的发动机负载，并评估发动机负载是指示低负载状况还是负载状况。在低负载状况下，电子控制器启用上游DEF喷射器，在负载状况下，电子控制器启用初级DEF喷射器。
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操作地关联的内燃式发动机的示意性框图。
图2是根据本公开的配置为紧凑模块的初级排气后处理系统的部分截面图。
图3是内燃式发动机的燃烧室的截面图解视图，示出了用于将DEF引入燃烧室的部件可能的布置形式。
图4是示出用于在发动机的低负载和负载状况期间调节来自内燃式发动机的废气的处理的计算机实施过程、例程或算法的示例的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中在任何可能的情况下，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燃烧室104的发动机缸体102，在燃烧室中发生燃料和空气的燃烧。每个燃烧室104可以包括气缸106，活塞108往复地布置在该气缸中，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108可操作地连接至曲轴109，所述曲轴将活塞108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108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106的燃料与空气燃烧时，在做功冲程期间移回到BDC位置；以及移回到TDC位置以从气缸106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燃烧室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。燃料泵114可加压燃料并通过燃料管线116将燃料从燃料箱112引导到与相应燃烧室104流体连通的多个燃料喷射器118。在柴油燃烧压缩点火发动机中，燃料在引入燃烧室104中的由压缩冲程引起的高度加压条件时自动点燃。在实施例中，例如出于效率原因或因为某些燃料可能更清洁地燃烧并减少排放，燃料系统110可以是双燃料系统，其被配置成在不同时间燃烧不同的燃料或燃料的不同混合物。因此，燃料系统110可以包括经由第二燃料泵122和次级燃料管线124与内燃烧室流体连通的第二燃料箱120。第一燃料箱112中的燃料可以是例如柴油的液体燃料，并且第二燃料箱120中的燃料可以是例如甲烷或丙烷的天然气。可以使用相同或不同的燃料喷射器118将液体和气体燃料引入燃烧室104。不同燃料的燃烧可以单独地或同时发生，例如当使用柴油燃料来引燃天然气时。
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130可操作地关联。为了从环境接收空气，进气系统130可以包括空气过滤器132和可调调节器134。空气过滤器132可以从进气去除污染物、灰尘和碎屑，并且可调调节器134可以是诸如蝶阀等的阀，其可以被控制以调节并计量引入进气系统130的进气量。进气导管136(例如管或通道)从可调调节器134延伸到可操作地布置在气缸体102上的进气歧管138。进气歧管138可以包括用于将空气从进气导管136引导到多个燃烧室104的通道或路径。为了选择性地建立进气歧管138和燃烧室104之间的流体连通，燃烧室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138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106去除燃烧过程的副产物，内燃式发动机100可以与排气系统140可操作地关联。排气系统可以包括排气歧管142，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燃烧室104流体连通。在排气冲程期间当活塞108移动到TDC位置时打开排气阀将气缸106的内容物强制排放到排气歧管142中。在实施例中，多个进气阀和排气阀可以与每个燃烧室104关联。排气歧管142还与排气导管144连通，所述排气导管延伸并最终将排放的废气引导至烟道146，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150可以与进气系统130和排气系统140可操作地关联。特别地，涡轮增压器150可以包括布置在排气歧管142下游的排气导管144中的涡轮152，所述涡轮接收从燃烧室104排放的加压废气。涡轮152可以包括多个叶片，所述叶片布置在旋转毂154上并围绕旋转毂设置。当加压废气被引导通过涡轮152越过叶片时，加压流可以驱动叶片，由此旋转毂154。毂154可以直接联接到布置在调节器134下游的进气导管136中的压缩机156，通过所述压缩机接收大气。压缩机156可以在旋转毂154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136中向更下游输送和加压进气并输送到进气歧管138中。由于进气歧管138中的进气被加压，因此更多的进气可以强制进入燃烧室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，因为经由压缩机156压缩进气可增加其温度，所以增压空气冷却器158可设置在涡轮增压器150下游的进气导管136中。
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160以将来自排气系统140的废气的一部分再引导到进气系统130。特别地，EGR系统160可以包括EGR导管162，所述EGR导管在涡轮增压器150的上游与排气导管144流体连通，并且可以由EGR阀164选择性地打开和关闭。EGR导管162还通过EGR冷却器166与进气歧管138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164打开时，废气的一部分通过EGR导管被重引导到EGR冷却器166，在那里气体温度降低，然后被引导到进气歧管138，在那里气体与来自进气系统130的新鲜进气一起被重新引入燃烧室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170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144和涡轮增压器150中的一个或多个后处理装置。后处理装置可以以一种方式紧密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)172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174，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174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)与氧(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)180，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182以捕获和保持微粒物质。与DOC 172的流通构型相比，DPF 180可以是具有多个平行通道的整体壁流动构造，其中入口和出口以交替布置插入，使得加压废气被迫横穿内部通道壁。因此DPF180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，为了周期性地去除捕获的颗粒，DPF将需要周期性再生，其可通过使用补充热源主动地实现，例如在DPF中燃烧额外燃料，或可通过化学工艺在常温下被动地实现。
布置在更下游以减少废气中存在的氮氧化物(包括由DOC 172产生的NO2)，后处理系统170可以包括主要或初级选择性催化还原(SCR)催化剂190。初级SCR催化剂190可以包括由例如钒的催化材料制成的初级SCR基底192，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气处理液(DEF)引入到排气，初级DEF喷射器194可以布置在初级SCR催化剂190上游。初级DEF喷射器194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。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196或储存器中。理想的是在化学计量上平衡引入到初级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)的状况下离开后处理系统170。在实施例中，为了处理过量的氨，可以将氨氧化催化剂(AMOX)198布置在初级SCR催化剂190的下游以将氨(NH3)和氧(O2)催化为氮(N2)和水(H2O)。
参考图2，在一个实施例中，为了限制空间和重量，并简化内燃式发动机100上的安装和固定，特别是当与大型重型工业发动机一起使用时，初级后处理系统170的装置可以被布置和封装为紧凑型外部模块200。将初级后处理系统170包装为外部模块200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。为了容纳后处理装置，外部模块200可以包括第一或上游模块壳体202和第二或下游模块壳体204，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202可以限定第一轴向流动路径206，用于使废气在入口开口208和出口开口210之间流动。类似地，圆柱形下游模块壳体204可以限定第二轴向流动路径212，用于使废气在入口开口214和出口开口216之间流动。
当组装在外部模块200中时，上游和下游模块壳体202、204可以彼此平行地布置，其中第一和第二轴向流动路径206、212同样平行，并且还可以在相同的方向上定向。为了在上游模块壳体202和下游模块壳体204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220，使得废气从上游模块壳体202的出口开口210流动到下游模块壳体204的入口开口214。输送导管220可以是直径小于上游模块壳体202或下游模块壳体204的圆柱形细长管。由于上游模块壳体202和下游模块壳体204相对于彼此共延且第一轴向流动路径206和第二轴向流动路径212沿相同方向定向，因此输送导管220需要反转和重新引导废气流。特别地，输送导管220可以建立平行于第一和第二轴向流动路径206、212并在其相反方向上的第三轴向流动路径222。
初级后处理系统170的装置可以串联布置在外部模块200的上游和下游模块壳体202、204中以有利地分阶段进行与废气的不同反应。具体地，DOC 172可设置在邻近入口开口208的上游模块壳体202中，且DPF 180可邻近出口开口210轴向设置在DOC 172后方。因此，废气沿着第一轴向流动路径206流过DOC 172和DPF 180，然后必须重新引导到输送导管220中且重新引导180°以相对于第三轴向流动路径222流动。在实施例中，初级DEF喷射器194可与输送导管220流体连通以将DEF引入到废气，使得两种流体有机会沿着第三轴向流动路径222混合。在进入第二模块壳体204的入口开口214处，废气再次从第三轴向流动路径222重新引导180°到第二轴向流动路径212，且进入初级SCR催化剂190，其中在DEF存在的情况下，氮氧化物(NOX)可以还原为氮(N2)和水(H2O)。经处理的废气通过下游模块壳体204的出口开口216离开紧凑模块200，AMOX催化剂198位于所述出口开口处以减少氨滑移。尽管前述是初级后处理系统170的部件的示例性布置，但是应当理解，其他布置是可能的并且是可以设想的。
由初级SCR催化剂190进行的选择性催化反应取决于经常随内燃式发动机的操作状况而变化的几个变量。包括废气和催化剂的温度。例如，SCR反应可能要求初级SCR催化剂190在存在DEF的情况下NOX发生显著还原之前达到200℃或更高、可能的225℃或更高的温度。因为初级SCR催化剂190可以定位与内燃式发动机100上的排气歧管142相距显著距离，并且可以在包括DOC 172和DPF 180的其它后处理装置的下游，所以初级SCR催化剂可以不达到或维持足够的温度，特别是在发动机的起动或低负载状况期间，例如在怠速时。在初级SCR催化剂190设置在紧凑模块200的下游壳体204中的实施例中，可能进一步阻碍达到或维持SCR反应所需的温度，在所述实施例中，所述初级SCR催化剂进一步从内燃式发动机100移除。因此，在图1所示的实施例中，紧密联接SCR催化剂230可以设置在排气导管144中，充分地处于初级后处理系统170的上游，并且与内燃式发动机100紧密联接以接收高温原始废气。
例如，紧密联接SCR催化剂230可以是设置在涡轮增压器150的涡轮152紧下游的独立装置，其间没有任何介入的后处理部件。特别地，紧密联接SCR催化剂230可以紧邻涡轮152的出口，所述出口将热废气从内燃式发动机100的燃烧室104直接引导在其中。在其它实施例中，紧密联接SCR催化剂可以直接联接到排气歧管142。如本文所使用，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或HC、颗粒物质，或其他排气成分)的中间部件。“原始废气”是指未被其它后处理装置处理以影响组成成分的那些废气。因此，紧密联接SCR催化剂230可快速加热到所需温度，以在初级SCR催化剂190下游之前很好地引发SCR反应。
在下面更详细地描述的实施例中，当排气温度和/或排气流速与负载或峰值功率状况相比可能降低时，可以调节紧密联接SCR催化剂230的操作，使得其中SCR反应在内燃式发动机100的低负载状况或低功率输出状况期间发生。紧密联接SCR催化剂230可包括具有流通配置的SCR基底232，例如可以用材料涂布或处理以引发SCR催化反应的蜂窝。在实施例中，紧密联接SCR催化剂230的材料可以与初级SCR催化剂190不同，并且可以包括例如铜-氮杂盐和/或铁-氮杂盐。此类替代材料的可能优点在于，它们可在比为初级SCR催化剂190选择的材料更低的温度下启动SCR反应。此外，因为紧密联接SCR催化剂230可能仅在具有降低的排气温度和/或流量的低负载或低功率输出状况期间操作，所以与初级SCR催化剂190相比，紧密联接SCR催化剂230的相对尺寸可以被减小以将紧密联接SCR催化剂更快地加热到启用温度。
为了在紧密联接SCR催化剂230中提供SCR反应的DEF，上游DEF喷射器234可设置在内燃式发动机100的上游操作位置中以将DEF引入到燃烧室104。为了接收DEF流体，上游DEF喷射器234可经由可包括上游泵238以对液体DEF加压的上游DEF管线236与DEF罐196流体连通。DEF可以是无水氨或可以是具有大约三分之一氨和三分之二水的混合物的氨水。在各种实施例中，上游DEF喷射器234可定位成将DEF引入到进气系统130或直接引入到燃烧室104。因此，DEF被引入到内燃式发动机100的上游或入口侧，并且在实施例中，DEF可以在燃烧室104中的燃烧过程期间经历或存在。因此，DEF存在于从燃烧室104排出到排气歧管142的废气中，并且由排气导管144直接引导到紧密联接SCR催化剂230。由于DEF存在于燃烧室104中且可接收其中释放的燃烧热，因此燃烧过程可蒸发或汽化DEF以确保其夹带在用于SCR反应的废气中。
在图1所示的实施例中，上游DEF喷射器234可以和与多个燃烧室104直接连通的燃料喷射器118组合。例如，燃料/DEF喷射器118、234可以是双喷嘴或双喷射器，其配置有两个流体路径，每个流体路径都终止于孔口中以引入两种不同的流体。因此，上游DEF管线236可延伸到多个燃料/DEF喷射器118、234且终止于所述多个燃料/DEF喷射器处。在另一实施例中，DEF可用引入的燃料乳化，使得两种流体可在燃烧期间一起引入到腔室中。来自第一燃料贮存器112的燃料管线116和来自DEF贮存器196的上游DEF管线236可在燃料/DEF喷射器118、234上游合并，使得流体混合以在喷射到燃烧室104中之前形成乳液或混合物。可包括合适的管道连接器、混合器等以促进燃料和DEF的乳化。此外，在燃料系统110是双燃料系统的实施例中，上游DEF管线236可与第一燃料管线116和第二燃料管线124两者连结，使得DEF可与第一燃料和第二燃料乳化或混合。因此，共用喷射器118、234可用于将所有三种流体直接引入燃烧室104中，且第一和第二燃料泵114、122和上游DEF泵238可被选择性启用以调节第一和第二燃料和DEF的相对比率。
然而，在其它实施例中，上游DEF喷射器234可以是不同的喷射器且位于其它地方。参考图3，例如，上游DEF喷射器234可以是直接喷射器，且可设置在气缸106的壁中以将DEF直接引入燃烧室104中。直接喷射的定时可以使得DEF在自发燃烧事件之前或之后存在，并且可以在活塞108的做功冲程之前、期间或之后发生。在其它示例中，上游DEF喷射器234可以是端口喷射器，并且可以设置在气缸106的上游，例如在进气浇道240中并且朝向由进气阀244选择性打开的进气端口242定向。因此，在燃烧之前在活塞108的进气冲程期间应引入DEF。DEF对进气阀242的冲击可有助于使DEF与进气分散。在其它实施例中，上游DEF喷射器234可位于进气歧管138中的更上游，使得单个喷射器可将DEF引入发动机缸体102中的多个燃烧室104。
返回参考图1，为了监测和调节内燃式发动机100的操作，并且为了在负载和低负载状况下在操作初级SCR催化剂190与紧密联接SCR催化剂230之间选择性地切换，内燃式发动机100可以与电子控制器250可操作地关联，该电子控制器也称为电子控制单元(ECU)，或作为发动机控制模块(ECM)，或者可能只是控制器，并且其可以设置在发动机为之提供动力的机器上。电子控制器250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252、非暂时性计算机可读和/或可写存储器254或类似的存储介质、输入/输出接口256、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。电子控制器250可以配置成处理二进制位和字节形式的数字数据。电子控制器250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，电子控制器250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，包括在电子控制器250与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，电子控制器250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，电子控制器250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，电子控制器250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)。
为了调节初级后处理系统170和紧密联接SCR催化剂190的操作，电子控制器250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152的热废气的温度，可以将原始排气传感器260布置成与在涡轮152的出口处且在紧密联接SCR催化剂190下游的排气导管144流体连通。因此原始排气传感器260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260可以是热电偶、红外传感器，或对其它合适的温度感测参数操作，并且可以测量其它参数，例如原始排气中的NOX含量或浓度。在实施例中，原始排气传感器260可以被配置成测量原始排气的NOX含量或浓度。为了测量和确定初级SCR催化剂190的温度和/或其中的NOX含量，电子控制器250可以与布置在初级SCR催化剂190中或与其可操作地关联的初级SCR传感器262电子通信。在可能的实施例中，初级SCR传感器262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测量NOX浓度。
为了确定内燃式发动机100是否在运行状况下或在低负载或较低功率状况下操作，电子控制器250可以与操作地设置和配置成直接或间接确定此类条件的一个或多个传感器操作地相关联。举例来说，发动机负载和/或功率输出可通过到多个燃烧室104的质量气流速率或进气气流量间接地测量。由内燃式发动机汲取的当前气流与在峰值操作状况下的气流(如根据经验预先确定或从制造商说明书中得出)的比率指示发动机正承受的做功量，这又指示发动机的相对负载或功率输出。为了测量质量气流速率，电子控制器250可以与设置在调节器134下游的进气导管136中的质量气流传感器264通信。质量气流传感器264可以是热线传感器，其中电加热线设置在进气气流中，并且所得冷却效应指示通过内燃式发动机100由进气系统130吸入的进气量。
为了更直接地测量发动机负载或功率，电子控制器250可与一个或多个缸内传感器266通信，所述一个或多个缸内传感器被配置成直接测量缸内参数，例如，部分地设置在燃烧室104中的缸内压力传感器，以测量气缸106中的压力状况。在实施例中，缸内传感器266可测量在发动机循环期间作用于气缸106中的活塞108上的平均有效压力。燃烧室104中的平均有效压力可转换成曲轴109中的扭矩，且可用于瞬时或超过单位时间测量发动机功率输出。尽管图1示出了单个缸内压力传感器166，但是每个燃烧室104可包括传感器。为了测量内燃式发动机100的实际速度，电子控制器250可以与发动机速度传感器268通信，所述发动机速度传感器被配置成测量曲轴109的转速(以每分钟转数(RPM)为单位)。发动机速度传感器268可以光学或直接接触技术操作。还可包括用于测量与发动机负载或功率输出相关的额外变量和参数例如空气温度、燃料温度等的传感器。除前述内容之外，电子控制器250可与初级DEF喷射器194和上游DEF喷射器234操作地相关联，以选择性地致动任一者或两者以引入DEF。
工业适用性
结合图1参考图4，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电子控制器250关联的一个或多个处理器252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电子控制器250关联的存储器244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。
在内燃式发动机100运行的情况下，燃料和空气作为氧化剂被引入到燃烧室104并在燃烧步骤304中燃烧。可以理解，燃烧步骤304进行一段持续时间，并且可以在需要来自内燃式发动机100的动力时继续。另外，在燃料系统110的双燃料实施例中，燃烧步骤可酌情涉及第一燃料和/或第二燃料的燃烧。在测量步骤306中，由燃烧步骤304施加的发动机负载或产生的功率输出可由电子控制器250测量。测量步骤306可利用任何合适的方法来测量或估计发动机负载或功率输出，包括例如利用从质量气流传感器264确定的进气气流或利用从缸内参数传感器266确定的平均有效压力。此外，测量步骤306可以以任何合适的单位测量发动机负载或功率输出，包括当前发动机负载与发动机负载的峰值发动机负载的相对比率或用于功率输出的马力。
在比较或查询步骤308中，电子控制器250可分析测量步骤306的输出，以确定内燃式发动机与负载状况相比是否在低负载状况下操作或者与功率状况相比是否在低功率状况下操作。在低负载或低功率状况下，如在内燃式发动机100怠速或没有做功时可能发生的，与当发动机有负载或产生操作功率(即，发动机正在做功以驱动负载)时的温度和排气流速相比，热输出和排气流量可能减小。因此，内燃式发动机100排出的能量不足以加热并将初级SCR催化剂190保持在足够高的温度下以维持SCR反应。为了执行查询步骤308，电子控制器250可使用阈值基准309，其可与来自测量步骤306的测量输出进行比较。阈值基准309例如可以是电流峰值负载或电流峰值功率的阈值比，或者可以是用于确定内燃式发动机100的当前操作或性能的另一值。阈值基准309理论上可以通过设计或经验确定。低于阈值基准309，发动机可被视为没有进行操作性工作。阈值基准309可以作为电子数据存储在电子控制器250的存储器254中。
如果查询步骤308确定内燃式发动机100在低负载或低功率状况下操作，则流程图300可以进行子例程310以利用紧密联接SCR催化剂230来还原废气中的NOX。为了利用紧密联接SCR催化剂230，在一个实施例中，DEF和燃料两者可被引导到上游燃料/DEF喷射器118、234以在燃烧事件期间引入到燃烧室104。在可能的实施方案中，DEF和燃料可以在乳化步骤312中混合在一起，并且在随后的喷射步骤314中，DEF和燃料可以由共同的上游喷射器234直接引入到燃烧室104。然而，在其它实施例中，DEF和燃料可使用不同喷射器单独地引入到燃烧室104。低负载或低功率状况可有利地使得燃烧不会基本上氧化DEF。换句话说，因为内燃式发动机100没有进行显著工作，所以与负载或操作状况相比，燃烧室104中的燃烧温度可能相对较低。此外，当在燃烧期间燃烧室104中存在DEF时，可消耗热释放的一部分以蒸发或汽化DEF，特别是当呈氨水溶液形式时，从而减小燃烧室104中的温度升高。由于氮(N)和氧(O2)的NOX形成随着温度增加，蒸发冷却效果可有利地减少燃烧室104中的NOX形成。
在排气引导步骤316中，作为燃烧过程的副产物的原始废气从排气歧管142引导到排气导管144中的紧密联接SCR催化剂230，所述紧密联接SCR催化剂可以紧接在涡轮152的下游。原始废气的温度仍被充分升高以加热紧密联接SCR催化剂230至反应温度，使得发生紧密联接SCR反应步骤318以还原紧密联接SCR催化剂230中的NOX。可进一步选择紧密联接SCR催化剂230的材料和大小以鼓励快速加热并在低负载或低功率状况下维持反应。为了避免来自初级SCR催化剂190的氨滑移，流程图300可包括关断步骤319，其中电子控制器250确认初级DEF喷射器194未主动投加DEF或将DEF引入到初级SCR催化剂190。
如果查询步骤308相反确定内燃式发动机100在负载状况下操作或产生显著的功率输出，则流程图300可以进行到子例程320以利用初级SCR催化剂190来还原NOX。特别地，在排气引导步骤322中，废气通过紧密联接SCR催化剂230从排气歧管142引导到更下游的初级后处理系统170。因为初级SCR催化剂190可以与诸如DOC 172和DPF 180的其它后处理部件一起设置在紧凑模块中，所以废气可以在进入初级SCR催化剂190之前进行初步修改。此外，在负载或操作状况期间排放的废气的温度可显著升高以将初级SCR催化剂190加热到必要的反应温度。在注入步骤324中，电子控制器250可启用初级DEF喷射器194以将DEF引入到初级SCR催化剂190。因此，初级SCR反应步骤326可发生以还原初级SCR催化剂190中的NOX。初级SCR催化剂190可以由材料制成，并且尺寸可显著设定成有利地还原在负载状况期间或在显著功率输出期间由内燃式发动机100产生的量中的NOX。例如，初级SCR催化剂190可以是用于长时间进行反应过程的高效、高体积催化剂。为了在此类条件下保持否则将在燃烧室104中现行的升高燃烧温度下氧化的DEF，流程图300可包括关断步骤328，其中电子控制器250验证上游DEF喷射器234不再将DEF引入到燃烧室104。
子例程310、320之后可以为返回步骤330，通过所述返回步骤，流程图300返回到负载测量步骤306以连续地测量内燃式发动机的负载状况或功率输出。因此，如果发动机的操作状况改变，则由电子控制器250实施的流程图300可在子例程310、320之间选择性地切换，以引导SCR反应在最适合于当前条件的初级或紧密联接SCR催化剂190、230中发生。在可能的变化中，在启动模式期间，流程图300可以进行EGR步骤340，其中在低负载或负载状况期间打开EGR阀164以将废气再循环到进气系统130，从而进一步减少燃烧循环期间的NOX产生。
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 (9)
1.一种处理来自内燃式发动机的废气的系统，其包括：
所述内燃式发动机，所述内燃式发动机包括燃烧室；
进气系统，所述进气系统处于所述内燃式发动机上游，以将进气引导到所述燃烧室；
排气系统，所述排气系统处于所述内燃式发动机下游，以从所述燃烧室引导废气；
上游柴油机排气处理液喷射器，其设置成选择性地将柴油机排气处理液引入到所述燃烧室；
紧密联接选择性催化还原催化剂，其设置在所述排气系统中，与所述内燃式发动机成紧密联接关系，以从所述内燃式发动机接收原始废气，并且在所述内燃式发动机的低负载状况期间将氮氧化物还原为氮和水；
初级选择性催化还原催化剂和初级柴油机排气处理液喷射器，所述初级选择性催化还原催化剂和所述初级柴油机排气处理液喷射器处于所述紧密联接选择性催化还原催化剂下游，所述初级柴油机排气处理液喷射器设置成将柴油机排气处理液引入所述废气，所述初级柴油机排气处理液喷射器被选择性启用以在所述内燃式发动机的负载状况期间将氮氧化物还原为氮和水。
2.根据权利要求1所述的系统，其还包括与所述上游柴油机排气处理液喷射器和所述初级柴油机排气处理液喷射器电子通信的电子控制器，所述电子控制器配置成在在所述低负载状况期间通过所述上游柴油机排气处理液喷射器引入柴油机排气处理液和在所述负载状况期间通过所述初级柴油机排气处理液喷射器引入柴油机排气处理液之间切换。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电子控制器配置成测量发动机负载和功率输出中的一个或多个以在所述内燃式发动机的所述低负载状况与所述负载状况之间进行评估。
4.根据权利要求3所述的系统，其还包括与所述进气系统操作地相关联以测量质量气流速率的质量气流传感器；并且所述电子控制器使用质量气流速率来在所述低负载状况与所述负载状况之间进行评估。
5.根据权利要求3所述的系统，其还包括与所述燃烧室操作地相关联以测量平均有效压力的缸内参数传感器；并且所述电子控制器使用平均有效压力来在所述低负载状况与所述负载状况之间进行评估。
6.根据权利要求1所述的系统，其还包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括与所述进气系统流体连通的压缩机和与所述排气系统流体连通的涡轮，并且所述紧密联接选择性催化还原催化剂直接连接到所述涡轮的出口。
7. 根据权利要求1所述的系统，其还包括双燃料系统，所述双燃料系统包括：
第一燃料递送系统，所述第一燃料递送系统与燃料喷射器连通以将柴油机排气处理液和第一燃料递送到所述燃烧室；以及
第二燃料递送系统，所述第二燃料递送系统与所述燃料喷射器连通以将柴油机排气处理液和第二燃料递送到所述燃烧室。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述柴油机排气处理液是配制成在所述燃烧室中汽化和/或蒸发的氨水。
9.一种处理来自内燃式发动机的废气的方法，其包括：
在所述发动机的低负载状况期间，经由上游柴油机排气处理液喷射器将柴油机排气处理液引入到所述内燃式发动机的燃烧室；
将包括所述柴油机排气处理液的原始废气从所述燃烧室引导到紧密联接选择性催化还原催化剂，以在所述内燃式发动机的低负载状况期间将氮氧化物还原为氮和水；
将所述废气从所述紧密联接选择性催化还原催化剂引导到包括处于所述紧密联接选择性催化还原催化剂下游的初级选择性催化还原喷射器和初级选择性催化还原催化剂的初级后处理系统；以及
在所述内燃式发动机的负载状况期间经由初级柴油机排气处理液喷射器将柴油机排气处理液引入到所述初级选择性催化还原催化剂，以在所述负载状况期间将氮氧化物还原为氮和水。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US16/717,409 US11143078B2 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Aftertreatment system and method |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2006029147A (ja) * | 2004-07-13 | 2006-02-02 | Isuzu Motors Ltd | 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006029147A (ja) * | 2004-07-13 | 2006-02-02 | Isuzu Motors Ltd | 排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法 |
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