CN113167160B - 后处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种后处理系统(100)，其连接在内燃机装置(102)的下游，以用于接收在内燃机装置(102)的运行期间从内燃机装置(102)输送的废气，其中，所述后处理系统包括串联的第一催化设备和第二催化设备，其中，在第一催化设备和第二催化设备之间存在间隙。

Description

后处理系统
技术领域
本公开涉及一种后处理系统。本公开还涉及一种用于控制对应的后处理系统的方法。所述后处理系统和方法适用于车辆，特别是通常称为卡车的轻型、中型、重型车辆。尽管将主要关于卡车来描述本公开，但是本公开也可以适用于其他类型的车辆。
背景技术
多年来，对内燃机的需求稳步增长，并且为了满足市场的各种需求而不断开发发动机。此外，在卡车领域，存在适用的法律指导，例如已经确定某些废气排放的最大允许量。
为了减少有害的排放气体且特别是减少氮氧化物(NOx)，车辆的发动机排气后处理系统(EATS)已经配备有通过还原将NOx转化为气态氮的系统。EATS在达到预定温度阈值之后以其最佳状态运行。因此，EATS应优选地是相对温暖的，即高于温度阈值，以根据需要运转。例如，在内燃机的频繁空转运行或低负荷运行期间，废气可能未达到阈值温度，并且EATS将冷却下来。如果EATS冷却下来过多，则可能无法再根据需要还原NOx。而且，当未将尿素添加到EATS上游的废气时，长时间空转可能导致EATS中的尿素缓冲液变空，这也对NOx的还原产生负面影响。
因此，期望进一步开发EATS，以便能够在内燃机的整个运行范围内更一致地还原NOx。
发明内容
本公开描述了一种后处理系统，该后处理系统被布置用以特别是在车辆的特定驾驶模式期间还原NOx气体，即在通常难以还原这种NOx气体的不同运行模式期间也还原NOx气体。这至少部分地通过根据本发明的后处理系统来实现。
根据第一方面，提供了一种后处理系统，该后处理系统可连接在内燃机装置的下游，以用于接收在内燃机装置的运行期间从内燃机装置输送的废气，该后处理系统包括催化还原装置，该催化还原装置包括第一催化设备和第二催化设备，其中，第一催化设备和第二催化设备在废气的流动方向上彼此串联布置，其中，在第一催化设备的出口与第二催化设备的入口之间存在几何间隙，其中，后处理系统还包括：壳体，该壳体容纳催化还原装置，该壳体在第一催化设备的一部分与第二催化设备的一部分之间延伸；以及旁路导管，该旁路导管布置在壳体的外侧，以用于允许废气绕过第一催化设备，其中，壳体包括至少一个通孔，该至少一个通孔布置在几何间隙的位置处，以用于允许废气绕过第一催化设备以进入第二催化设备的入口。
术语“催化还原装置”在下文中应理解为是指这样一种装置，该装置被配置为在内燃机装置的运行期间还原从内燃机装置输送的废气中所含的NOx气体。因此，催化还原装置还原NOx气体，其被转化为例如氮气N2。至少所述第二催化设备被布置用以还原NOx气体。第一催化设备也优选地布置用以还原NOx气体，但它可以是颗粒捕集器，该颗粒捕集器被布置用以捕集NOx气体，随后将NOx气体释放并供应到第二催化设备。在下面进一步详细描述第一催化设备和第二催化设备的示例实施例。
此外，“几何间隙”应被解释为第一催化设备与第二催化设备之间的非零距离。因此，所述几何间隙是第一催化设备的出口侧与第二催化设备的入口侧之间的间隙。更详细地，来自第一催化设备的废气因此将在进入第二催化设备之前进入几何间隙。
此外，“旁路导管”应被解释为这样一种通道，在所述通道中，废气可以绕过第一催化设备并被引导到几何间隙中。因此，旁路导管布置在第一催化设备的外侧。
本公开基于以下见解：通过在壳体中设置至少一个通孔，废气可以布置成选择性地绕过第一催化设备。优点在于，例如在内燃机的低负荷运行期间，废气可以绕过第一催化设备。因此，第一催化设备的温度将不会由于废气的流过而降低。而且，在低负荷运行期间，将不排空存在于第一催化设备中的还原剂的缓冲液。当随后以正常运行模式运行内燃机时，废气布置成通过第一催化设备和第二催化设备。由此，由于第一催化设备保持相对温暖，即，其不被较冷的废气冷却，并且填充有还原剂，所以由于可以相对瞬时地开始还原，从而实现了将NOx还原为N2的还原过程的改进。
为了使废气能够进入旁路导管，可以使用阀，如下文所述。然而，旁路的入口可以被构造为靠近第一催化设备的入口的开口，因此可以借助于通过第一催化设备的压降与旁路导管中的压降之间的差异来实现绕过第一催化设备。详细地，所述至少一个通孔能够用于相比于旁路导管的通过第一催化设备的压力水平不同降低。此气体压力水平的差(即，通过第一催化设备的压降与旁路导管中的压降之差)将导致具有相对低流速(即，在低负荷运行期间)的废气进入旁路导管，而不是进入第一催化设备。因此，与通过第一催化设备的压降相比，所述至少一个通孔在旁路导管中提供减小的压降，这允许低流速废气绕过第一催化设备。通过所述至少一个通孔的流动将继续，直到旁路导管中的压降与通过第一催化设备的压降相同为止。所述至少一个通孔的尺寸和构造可以使得旁路导管中的压降增加/减小。
根据示例实施例，后处理系统还可以包括在壳体中布置于几何间隙的位置处的多个通孔。所述多个通孔可以以多个穿孔的形式布置在壳体中。由此，可以更大程度地控制旁路导管中的压降，并且可以将基本连续的废气流从旁路导管引导到几何间隙中。
根据示例实施例，壳体可以在第一催化设备的入口端与第二催化设备的出口端之间延伸。
因此，壳体在轴向方向上(即，在废气的流动方向上)包围第一催化设备和第二催化设备两者。
根据示例实施例，第一催化设备可以是第一选择性催化还原设备，该第一选择性催化还原设备布置用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)。
根据示例实施例，第二催化设备可以是第二选择性催化还原设备，该第二选择性催化还原设备布置用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)。
选择性催化还原设备(SCR)应该理解为是指这样一种设备，其被布置用以借助于催化剂将氮氧化物(NOx)转化为至少双原子氮(N2)。优选地，在废气进入催化还原装置之前，将还原剂(诸如尿素)添加到废气中。
根据上述构造，提供彼此串联的两个SCR的优点在于，它使得能够连续还原NOx，并且能够在低负荷运行期间保持第一SCR温暖并填充还原剂。
根据示例实施例，后处理系统还可以包括阀装置，该阀装置被定位成在内燃机装置与催化还原装置之间流体连通，该阀被布置为用以可控制地将来自内燃机装置的废气引导到第一催化设备的入口或引导到旁路导管。
废气的流动可以借助于阀装置来控制。如下文所述，阀装置可以被以机械方式控制，或者被连接到用于其控制的控制单元。
根据示例实施例，阀装置可以包括电子控制阀，其中，后处理系统还包括电连接到电子控制阀以控制其运行的控制单元。
控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。控制单元还可以或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或数字信号处理器。在控制单元包括可编程设备(诸如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可以包括控制可编程设备的运行的计算机可执行代码。
根据示例实施例，控制单元可以被配置用以：接收指示从内燃机装置输送的废气的流速的信号；将流速与预定阈值进行比较；以及如果流速低于预定阈值，则控制电子控制阀将废气引导到旁路导管。
根据示例实施例，阀装置可以包括机械控制阀。机械控制阀可优选地包括基于燃烧气体的流速来进行控制的弹簧。
使用机械控制阀的优点在于，由于当流速低于预设极限时，它可以“自动”将废气引导到旁路导管中。
根据示例实施例，后处理系统还可以包括容纳催化还原装置的外壳，旁路导管由外壳与壳体之间的空间形成。由此，外壳的内壁和壳体的外壁可以形成生成旁路导管的空间。
根据示例实施例，催化还原装置可以是第一催化还原装置，其中，后处理系统还包括与第一催化还原装置平行定位的第二催化还原装置。因此，提供了改进还原过程的并行系统。
根据示例实施例，后处理系统还可以包括定位在第一催化还原装置和第二催化还原装置的第二催化设备的下游的出口，所述出口共用于第一催化还原装置和第二催化还原装置。因此，为第一催化装置和第二催化装置两者提供了单个出口。
根据示例实施例，后处理系统还可以包括消声器装置，其中，催化还原装置位于消声器装置的内部。
根据第二方面，提供了一种用于控制后处理系统的方法，该后处理系统连接在内燃机装置的下游，以用于接收在内燃机装置的运行期间从内燃机装置输送的废气，该后处理系统包括催化还原装置，该催化还原装置包括第一催化设备和第二催化设备，其中，第一催化设备和第二催化设备彼此串联布置，其中，在第一催化设备的出口与第二催化设备的入口之间存在几何间隙，该方法的特征在于：确定从内燃机装置输送的废气的流速；将所述流速与预定阈值进行比较；以及如果所述流速低于预定阈值，则控制废气绕过第一催化设备并进入第一催化设备与第二催化设备之间的几何间隙处的第二催化设备的入口。
第二方面的效果和特征在很大程度上类似于以上关于第一方面所描述的效果和特征。
根据第三方面，提供了一种车辆，该车辆包括内燃机装置和根据以上关于第一方面所描述的实施例中的任一个的后处理系统。所述后处理系统布置成与内燃机装置在下游流体连通，以用于接收从内燃机装置输送的废气。
根据第四方面，提供了一种包括程序代码装置的计算机程序，当程序在计算机上运行时，该程序代码装置用于执行第二方面的步骤。
根据第五方面，提供了一种承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序装置，当该程序装置在计算机上运行时，该程序装置用于执行第二方面的步骤。
第三、第四和第五方面的效果和特征在很大程度上类似于以上关于第一方面所描述的效果和特征。
当研究所附权利要求书和以下说明书时，本公开的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合本公开的不同特征以创建不同于以下描述的实施例的实施例。
附图说明
通过以下对本公开示例性实施例的说明性和非限制性的详细描述，将更好地理解本公开的以上以及附加目的、特征和优点，其中：
图1是示出了卡车形式的车辆的示例实施例的侧向侧视图；
图2是根据示例实施例的后处理系统的示意图；
图3是根据另一示例实施例的后处理系统的示意图；
图4是根据另一示例实施例的后处理系统的示意图；以及
图5是根据示例实施例的用于控制后处理系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开，在附图中示出了示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了透彻性和完整性。在整个说明书中，相同的参考标记表示相同的元件。
特别参考图1，提供了卡车形式的车辆10。车辆10包括内燃机装置102形式的原动机102。内燃机装置102可优选地通过例如常规燃料(诸如柴油)来供应燃料，但可想到其他替代燃料。内燃机102优选地是以四冲程方式运行(即，通过进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程运行)的活塞-气缸装置。
参考图2，其示意性地示出了后处理系统100，所述后处理系统100借助于排气管101连接到内燃机装置102。因此，后处理系统100在内燃机装置102的运行期间接收从内燃机装置102输送的废气。后处理系统100包括催化还原装置104，该催化还原装置104布置用以例如将NOx转化为N2。应当容易理解，后处理系统100可以包括图2的视图中未包括的其他部件，这些部件可以布置成在内燃机装置102与催化还原装置104之间流体连通。例如，颗粒过滤器、氧化催化剂、颗粒捕集器、还原剂喷射器等可以布置成在内燃机装置102与催化还原装置104之间流体连通。
如图2的放大图中所示，催化还原装置104包括第一催化设备106和第二催化设备108。第一催化设备和第二催化设备优选地为第一选择性催化还原设备106和第二选择性催化还原设备108，其可以被构造为承载催化材料的基底，该基底在行业中通常称为“石头”或“砖块”。在下文中，第一催化设备106将被称为第一SCR 106，第二催化设备108将被称为第二SCR 108。
第一SCR 106和第二SCR 108在流动方向上彼此串联布置，由此与第二SCR 108相比，第一SCR 106定位成更靠近内燃机102。因此，来自内燃机102的废气首先到达第一SCR106。如从图2可以看出，第一SCR 106和第二SCR 108布置成这样一种构造：在第一SCR 106的出口112与第二SCR 108的入口114之间存在几何间隙110。
此外，后处理系统100还包括壳体116。可以看出，第一SCR 106和第二SCR 108位于壳体116内，在示例性实施例中，该壳体116在第一SCR 106的入口端122与第二SCR 108的出口端124之间延伸。附图中示意性地示出了壳体116，并且壳体116同样可以与第一SCR106和第二SCR 108非常接近地布置。因此，在第一SCR和第二SCR中的每一个与壳体116之间在径向方向上可能基本上没有间隙。
此外，壳体116包括多个通孔120。如从图2可以看出，通孔120布置为多个径向延伸的通孔。特别地，所述多个通孔120在壳体116的外周中位于几何间隙110的位置处。由此并且如下面将进一步描述的，允许从内燃机装置102输送的废气通过所述多个通孔120进入几何间隙110。
此外，壳体116进而位于外壳202内，该外壳可以布置为形成车辆的消声器装置的一部分。如图进一步所示，后处理系统包括旁路导管118，该旁路导管位于壳体116的径向外侧。因此，旁路导管118由外壳202与壳体116之间的空间形成。
在内燃机装置102的运行期间，将废气引向第一SCR 106的入口端122。由于在第一SCR 106的入口端122与多个通孔120之间、通过第一SCR 106的压降相比于旁路导管118中的压降存在差异，所以废气将进入第一SCR 106或绕过第一SCR 106。在内燃机装置102的正常运行期间，当废气的流速相对较高、即高于预定阈值时，废气将在入口端122处进入第一SCR 106，并被输送通过第一SCR 106。此后，废气将进入几何间隙110，并且被进一步引导到第二SCR 108并通过第二SCR 108，之后离开后处理系统100的出口204。
然而，在内燃机装置102的低负荷运行期间，例如空转期间，当废气的流速较低、即低于预定阈值并且温度较低时，废气将不会进入第一SCR 106。相反，当旁路导管118中的压降低于通过第一SCR 106的压降时，废气将进入旁路导管118。在低负荷运行期间的废气将通过所述多个通孔120进入几何间隙110，并被进一步引导到第二SCR 108。基本上没有废气流或者至少少量的废气将被引导通过第一SCR，否则该废气将冷却第一SCR 106。因此，例如在空转期间，可以维持第一SCR 106的温度水平。
因此，图2所示的实施例基于以下见解：废气的压降差和流速将引导废气通过第一SCR 106或绕过第一SCR 106。另一种方法是使用阀装置来控制废气的流动方向。因此，参考图3，其示出了根据示例实施例的阀装置的使用。除非明确指出，否则将不再更详细地描述以上已经关于图2描述的图3的特征。
如从图3可以看出，后处理系统100包括阀装置302，所述阀装置302用于将废气通过壳体116中的所述多个通孔120引导到几何间隙110中或引导到第一SCR 106中。因此，阀装置302位于第一SCR 106的上游，并且在内燃机装置与催化还原装置之间流体连通。
根据图3所示的实施例，阀装置302可以优选地是电子控制阀装置，该电子控制阀装置连接到控制其运行的控制单元304。控制单元可以进而例如连接传感器等(未示出)，以用于接收用于确定废气的期望流动方向的输入信号。这样的传感器可以例如是被配置用以确定废气的流速或废气的气压水平等的传感器。因此，控制单元304应优选地接收指示从内燃机装置输送的废气的流速的信号。如果流速低于预定阈值，则控制单元将控制阀装置302以引导废气通过旁路导管。否则，即如果流速高于阈值水平，则控制单元应将废气引导到第一SCR106。
然而，应当容易理解，图3中的阀装置同样可以由机械控制阀(未示出)代替。这样的机械控制阀可以包括诸如弹簧形式的弹性构件的装置，该装置基于流速将废气引导到旁路导管或第一SCR 106。
为了描述本公开的又一实施例，参考图4。在图4中，后处理系统100包括彼此平行定位的催化还原装置。因此，该实施例示出了第一催化还原装置104和第二催化还原装置104'。催化还原装置均可以以与以上关于图2至图3描述的催化还原装置相同的方式布置。因此，第一催化还原装置104和第二催化还原装置104'均被包括多个通孔的相应的壳体116、116'包围。在图4的实施例中，后处理系统100的出口204对于第一催化还原装置和第二催化还原装置是共用的。因此，第一催化还原装置和第二催化还原装置共享相同的出口。
为了总结，现在参考图5，其示出了用于控制任何上述后处理系统的流程图的示例实施例。首先，确定从内燃机装置102输送的废气的流速(S1)。将流速与预定阈值进行比较(S2)。优选地，阈值被设定为在内燃机装置的正常运行与低负荷运行之间进行区分。低负载可以包括例如内燃机装置的空转运行。
如果流速低于预定阈值，则控制从内燃机装置102输送的废气绕过第一SCR 106(S3)。由此，废气通过所述多个通孔120被引导到旁路导管118，并引导到几何间隙。此后，废气被引导通过第二SCR 108，之后通过出口204离开后处理系统100。
另一方面，如果流速高于预定阈值，则控制从内燃机装置102输送的废气进入第一SCR 106的入口(S4)。因此，废气被引导通过第一SCR 106、几何间隙110并通过第二SCR108，之后通过出口204离开后处理系统100。
应当理解，本公开不限于上文描述的和附图中示出的实施例；相反，技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。

Claims (13)

1.一种后处理系统(100)，所述后处理系统能够连接在内燃机装置(102)的下游，以用于在所述内燃机装置(102)的运行期间接收从所述内燃机装置(102)输送的废气，所述后处理系统(100)包括：
-催化还原装置(104，104')，所述催化还原装置包括第一选择性催化还原设备(106，106')和第二选择性催化还原设备(108，108')，所述第一选择性催化还原设备布置为用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)，所述第二选择性催化还原设备布置用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)，其中，在所述第一选择性催化还原设备(106，106')的出口(112)与所述第二选择性催化还原设备(108，108')的入口(114)之间存在几何间隙(110)；
-壳体(116，116')，所述壳体容纳所述催化还原装置(104，104')，所述壳体在所述第一选择性催化还原设备(106，106')的一部分与所述第二选择性催化还原设备(108，108')的一部分之间延伸；以及
-旁路导管(118)，所述旁路导管布置在所述壳体(116，116')的外侧，以用于允许废气绕过所述第一选择性催化还原设备(106，106')，其中，所述壳体包括多个通孔(120)，所述多个通孔布置在所述几何间隙的位置处，以用于允许废气绕过所述第一选择性催化还原设备(106，106')以进入所述第二选择性催化还原设备(108，108')的入口，
其特征在于，所述第一选择性催化还原设备和所述第二选择性催化还原设备在所述废气的流动方向上彼此串联布置，使得来自所述第一选择性催化还原设备的废气流将进入所述几何间隙，并且被进一步引导到所述第二选择性催化还原设备并通过所述第二选择性催化还原设备。
2.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述壳体在所述第一选择性催化还原设备(106，106')的入口端(122)与所述第二选择性催化还原设备(108，108')的出口端(124)之间延伸。
3.根据权利要求1所述的后处理系统，还包括阀装置(302)，所述阀装置定位成在所述内燃机装置与所述催化还原装置之间流体连通，所述阀装置被布置用以以可控制方式将来自所述内燃机装置的废气引导到所述第一选择性催化还原设备的入口或引导到所述旁路导管。
4.根据权利要求3所述的后处理系统，其中，所述阀装置包括电子控制阀，其中，所述后处理系统还包括控制单元(304)，所述控制单元电连接到所述电子控制阀，以控制所述电子控制阀的运行。
5.根据权利要求4所述的后处理系统，其中，所述控制单元(304)被配置用以：
-接收指示从所述内燃机装置输送的所述废气的流速的信号；
-将所述流速与预定阈值进行比较；并且
-如果所述流速低于所述预定阈值，则控制所述电子控制阀将所述废气引导到所述旁路导管。
6.根据权利要求3所述的后处理系统，其中，所述阀装置包括机械控制阀。
7.根据权利要求1所述的后处理系统，还包括外壳，所述外壳容纳所述催化还原装置，所述旁路导管由所述外壳与所述壳体之间的空间形成。
8.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述催化还原装置是第一催化还原装置(104)，其中，所述后处理系统还包括与所述第一催化还原装置平行定位的第二催化还原装置(104')。
9.根据权利要求8所述的后处理系统，还包括位于所述第一催化还原装置和所述第二催化还原装置的所述第二选择性催化还原设备的下游的出口，所述出口共用于所述第一催化还原装置和所述第二催化还原装置。
10.根据权利要求1所述的后处理系统，还包括消音器装置，其中，所述催化还原装置位于所述消音器装置的内部。
11.一种用于控制后处理系统的方法，所述后处理系统连接在内燃机装置的下游，以用于接收在所述内燃机装置的运行期间从所述内燃机装置输送的废气，所述后处理系统包括：催化还原装置，所述催化还原装置包括第一选择性催化还原设备和第二选择性催化还原设备，所述第一选择性催化还原设备布置为用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)，所述第二选择性催化还原设备布置用以将氮氧化物(NOx)转化成双原子氮(N2)，其中，所述第一选择性催化还原设备和所述第二选择性催化还原设备彼此串联布置，其中，在所述第一选择性催化还原设备的出口与所述第二选择性催化还原设备的入口之间存在几何间隙；壳体，所述壳体容纳所述催化还原装置，所述壳体在所述第一选择性催化还原设备的一部分与所述第二选择性催化还原设备的一部分之间延伸；以及旁路导管，所述旁路导管布置在所述壳体的外侧，以用于允许废气绕过所述第一选择性催化还原设备，其中，所述壳体包括多个通孔，所述多个通孔布置在所述几何间隙的位置处，以用于允许废气绕过所述第一选择性催化还原设备以进入所述第二选择性催化还原设备的入口，其特征在于，所述方法包括：
-确定从所述内燃机装置输送的所述废气的流速(S1)；
-将所述流速与预定阈值进行比较(S2)；以及
-如果所述流速低于所述预定阈值，则控制所述废气绕过所述第一选择性催化还原设备(S3)，并且在所述第一选择性催化还原设备与所述第二选择性催化还原设备之间的所述几何间隙处进入所述第二选择性催化还原设备的所述入口。
12.一种车辆，所述车辆包括内燃机装置和根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述后处理系统被布置成与所述内燃机装置在下游流体连通，以用于接收从所述内燃机装置输送的废气。
13.一种承载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序装置，当所述程序装置在计算机上运行时，所述程序装置用于执行权利要求11所述的步骤。
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