CN208885371U - 发动机排气后处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种发动机排气后处理系统，并且其包括颗粒过滤器和设置在颗粒过滤器下游的选择性催化还原装置。第一氧化催化器装置设置在颗粒过滤器上游，且第二氧化催化器装置设置在颗粒过滤器和选择性催化还原装置之间。第一旁通装置在控制系统的控制下选择性地可操作以绕过第一氧化催化器装置。控制系统在排气流的温度高于第一阈值数值且颗粒过滤器中的烟尘载量低于第二阈值数值时启用第一旁通装置，以减少颗粒过滤器的过度被动再生，而过度被动再生会增大颗粒排放物计数。

Description

发动机排气后处理系统
技术领域
本实用新型涉及用于控制发动机排气中的排放物的发动机排气后处理系统。
背景技术
后处理装置用于减少内燃机的排气流中的排放物。后处理装置的运行会导致副产物堆积在后处理装置中。如果堆积过量的副产物，则发动机或后处理装置的性能和耐久性会受损害，因此需要使得后处理装置周期性地再生，以移除其中一些或所有堆积的副产物。
最近的排放法规已针对从发动机排出的排气流引入了颗粒计数限制，从而需要使用颗粒过滤器后处理装置。在柴油发动机的情形中，使用柴油颗粒过滤器（DPF）后处理装置。如果DPF中的烟尘载量过高，则排气背压升高且造成不可控再生的风险，导致可能损坏DPF或下游装置的过高温度。升高的排气背压例如通过增大燃料消耗也会不利地影响发动机性能。
DPF的再生通过氧化来减少DPF中的烟尘载量。DPF再生方案包括主动再生，例如碳氢化合物投加或使用燃烧器，这提供DPF的高温、快速再生。被动再生利用排气温度在较低温度下提供较缓慢的DPF再生。在DPF上游的柴油氧化催化器（DOC）提供被动再生所需的NO2。来自DOC的NO2也用于加速在DPF下游的选择性催化还原（SCR）装置中的NOx还原。
控制方法应用于后处理系统，以控制后处理装置的操作，并且改进整个系统的性能。例如，控制器可确定何时需要DPF的主动再生和启动碳氢化合物投加，以减少DPF中的烟尘载量。
在美国专利8,562,924中描述了应用于DOC装置的控制方法的示例，其中，采用控制排气流中NO/NOx的比值的方法，以改进SCR装置的性能并且降低来自发动机的NOx排放物。排气流可在其中绕过DOC装置的DOC旁通部用于控制排气流中NO2的量并且优化SCR反应，以避免尾管NO2排放物过多。
在使得DPF被动地再生的后处理系统中已遇到问题，由此被动再生会在某些发动机和后处理系统条件下发生，且该被动再生随后导致颗粒排放物计数过多。在DPF中烟尘载量较低时，这会发生的一个示例是在发动机高负载期间、例如在峰值转矩下。在这些条件下，发动机排气流的温度可能相对较高并且导致DPF的被动再生，从而减小烟尘载量和DPF过滤效率并且导致尾管颗粒计数过多的排放物。消除DPF上游的DOC会降低导致颗粒排放物计数很高的过度被动再生的风险，但会导致不良的DPF再生和高背压，并且还会降低导致较高的尾管NOx排放物的SCR NOx转换。
实用新型内容
根据本实用新型的一个方面，提供一种发动机排气后处理系统，用于接收来自发动机的排气流。后处理系统包括颗粒过滤器和设置在颗粒过滤器下游的选择性催化还原装置。第一氧化催化器装置设置在颗粒过滤器上游，且第二氧化催化器装置设置在颗粒过滤器和选择性催化还原装置之间。第一旁通装置与第一氧化催化器装置相关联，该第一旁通装置选择性地可操作以绕过第一氧化催化器装置。提供控制系统，该控制系统响应于与来自发动机的排气流的温度和颗粒过滤器中烟尘载量相对应的信号。控制系统构造成在同时满足第一标准和第二标准时启用第一旁通装置，该第一标准包括排气流的温度高于第一阈值数值，而该第二标准包括颗粒过滤器中的烟尘载量低于第二阈值数值。
所述第一旁通装置包括第一旁通导管和第一旁通阀，所述第一旁通导管围绕所述第一氧化催化器装置设置，且所述第一旁通阀选择性地可操作，以将所述排气流引导至所述第一氧化催化器装置或者所述第一旁通导管。
所述第二氧化催化器装置邻近于所述颗粒过滤器的出口与所述颗粒过滤器一体地形成。
所述第二氧化催化器装置包括涂层，所述涂层设置在所述颗粒过滤器的邻近于所述颗粒过滤器的出口的一部分上。
进一步包括第二旁通装置，所述第二旁通装置与所述第二氧化催化器装置相关联。
所述第二旁通装置包括第二旁通导管和第二旁通阀，所述第二旁通导管围绕所述第二氧化催化器装置设置，而所述第二旁通阀选择性地可操作，以将所述排气流引导至所述第二氧化催化器装置或者所述第二旁通导管。
所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在70-99%的范围内。
所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在85-99%的范围内。
所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在95-99%的范围内。
所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率是99%。
根据本实用新型的又一方面，提供一种用于控制发动机排气后处理系统的方法，该发动机排气后处理系统包括颗粒过滤器、选择性催化还原装置以及第一氧化催化器装置，该选择性催化还原装置设置在颗粒过滤器下游，且该第一氧化催化器装置设置在颗粒过滤器上游。该方法包括：提供第一旁通装置，该第一旁通装置与第一氧化催化器装置相关联，该第一旁通装置选择性地可操作以绕过第一氧化催化器装置，以及提供控制系统，该控制系统构造成响应于与来自发动机的排气流的温度和颗粒过滤器中烟尘载量相对应的信号。该方法进一步包括通过控制系统来确定排气流的温度是否高于第一阈值数值，并且通过控制系统确定颗粒过滤器中的烟尘载量是否低于第二阈值数值。第一旁通装置操作，以在控制系统确定排气流的温度高于第一阈值数值且颗粒过滤器中的烟尘载量低于第二阈值数值时，绕过第一氧化催化器装置。
本实用新型能够减少颗粒过滤器的过度被动再生，因此可减少排放物，例如颗粒排放物计数。
从以下描述和附图中，本实用新型的其它特征和方面将会清楚理解。
附图说明
图1示出根据本实用新型各实施例的第一发动机排气后处理系统；
图2示出根据本实用新型各实施例的第二发动机排气后处理系统；
图3示出根据本实用新型各实施例的第三发动机排气后处理系统；
图4示出根据本实用新型各实施例的用于控制发动机排气后处理系统的方法。
具体实施方式
现将详细地参照特定实施例或特征，其示例在附图中示出。在可能的情形下，对应的或类似的附图标记会在整个附图中用于指代相同或对应的部件。
图1示出根据本实用新型各实施例的用于接收来自发动机（未示出）、例如来自发动机的排气歧管的排气流的发动机排气后处理系统10。后处理系统10会参照柴油发动机进行描述，然而，会意识到的是，该系统可用于其中需要排放物控制的其它形式发动机，例如燃气发动机。
后处理系统10包括颗粒过滤器12和设置在颗粒过滤器12下游的选择性催化还原（SCR）装置14。在本实用新型的一些实施例中，颗粒过滤器12可以是柴油颗粒过滤器（DPF）。术语上游和下游在本描述中用作相对于排气流从发动机至尾管的流动方向的术语。因此，术语上游指代朝向或更靠近于发动机，而下游指代朝向或更靠近于尾管并且由此进一步远离发动机。
第一氧化催化器装置16设置在颗粒过滤器12上游，且第二氧化催化器装置18设置在颗粒过滤器12和SCR装置14之间。在本实用新型的各实施例中，第一和第二氧化催化器装置16和18可以是柴油氧化催化器装置（DOC）。
后处理系统10进一步包括第一旁通装置20，该第一旁通装置20与第一氧化催化器装置16相关联。第一旁通装置20选择性地可操作以绕过第一氧化催化器装置16。当第一旁通装置20操作以绕过第一氧化催化器装置16时，来自发动机的排气流通过旁通装置20并且进入颗粒过滤器12，而无需通过第一氧化催化器装置16。在一些实施例中，第一旁通装置20可包括旁通导管22，该旁通导管具有相关联的阀，以选择性地将排气流引导到旁通导管22中或者第一氧化催化器装置16中。可使用对于本领域技术人员众所周知的任何其它合适形式的旁通装置。
发动机系统10进一步包括控制系统30，该控制系统响应于与来自发动机的排气流的温度以及颗粒过滤器中的烟尘载量相对应的信号，以如下文详细描述地那样启用第一旁通装置20。烟尘载量可限定为每升DPF体积的烟尘克数，并且还可描述为相对于DPF的最大可容许烟尘载量的%数值（即，如果8 g/l是最大可容许烟尘载量，则2 g/l会是25%）。控制系统30可采取本领域那些技术人员众所周知的任何合适形式，包括诸如微控制器、处理器或嵌入式控制器的电路。在一些实施例中，控制系统30可与发动机控制单元或ECU成一体，（未示出）其的一个示例是控制系统30是在处理器上执行的过程，且ECU也在该处理器上执行。在替代的实施例中，控制系统30可与ECU分开。
控制系统30接收来自传感器（未示出）的信号，这些信号与来自发动机的排气流的温度并且与颗粒过滤器中的烟尘载量相对应。在本实用新型的各实施例中，指示发动机和后处理系统状态的其它信号也可由控制系统30接收。可使用对于本领域技术人员众所周知的任何合适形式和布置的传感器。例如，温度传感器可布置在颗粒过滤器12的入口处或附近。各种传感器类型可用于提供与颗粒过滤器12中的烟尘载量相对应的信号，例如在颗粒过滤器12的入口和出口处的压力传感器，藉此从入口和出口处的压力差中确定烟尘载量（较高的烟尘载量与较大的压力差相对应），或者例如位于颗粒过滤器12的出口附近的射频传感器（因为烟尘吸收射频）。本领域那些技术人员众所周知的其它传感器类型也可用于本实用新型的各实施例。
传感器可直接地与控制系统30通信，替代地其中一些或所有传感器可与ECU通信，而ECU再与控制系统30通信。在一些实施例中，诸如发动机速度之类的其它发动机参数可通过ECU传送至控制系统30。传感器可通过经由有线、光学或无线连接发送的任何合适的数字或模拟信号与控制系统30和/或ECU通信。
控制系统30构造成在同时满足第一标准和第二标准时启用第一旁通装置20，该第一标准包括排气流的温度高于第一阈值数值，而该第二标准包括颗粒过滤器中的烟尘载量低于第二阈值数值。控制系统30识别高排气温度和低烟尘载量的组合何时使颗粒过滤器12处于过度被动再生的风险，该过度被动再生会将烟尘载量减小至低于实现有效颗粒过滤的最低水平，这会导致从尾管的颗粒排放物计数很高。当控制系统30检测到这些条件时，控制系统30启用第一旁通装置20来绕过第一氧化催化器装置16。绕过第一氧化催化器装置16减少存在于进入颗粒过滤器12的排气流中的NO2量，由此减少或防止再生。
第二氧化催化器装置18确保进入SCR装置14的排气流中存在充足的NO2，以使得SCR装置14能减少NOx排放物。第二氧化催化器装置18可定尺寸成产生充足的NO2以维持SCR装置14中的可接受NOx转换效率，同时并不产生以至NO2水平超过并不绕过第一氧化催化器装置16时的50%的NO2。在包括柴油排放流体（DEF）喷射器的后处理系统中，较佳地是将第二氧化催化器装置18设置在DEF喷射器上游。
第一阈值数值可从发动机参数（例如，排气温度）和颗粒过滤器12操作特征中确定，以使得第一标准会在排气流的温度处于发生被动再生的区域中时得以满足。在本实用新型的各实施例中，第二阈值数值可与颗粒过滤器12中的烟尘载量相当，在该烟尘载量下，颗粒过滤器12的过滤效率处于70-99%的范围内、更佳地在85-99%且最佳地在95-99%的范围内。在本实用新型的各实施例中，第二阈值数值可与颗粒过滤器12中的烟尘载量相当，在该烟尘载量下，颗粒过滤器12的过滤效率为99%。
现参照图2，示出根据本实用新型各实施例的用于接收排气流的发动机排气后处理系统100。后处理系统100具有与图1中示出的后处理系统10相同的通用形式，且类似的附图标记用于指代类似的部件。
后处理系统100与后处理系统10的不同之处在于，第二氧化催化器装置18邻近于颗粒过滤器12的出口与该颗粒过滤器12一体地形成。后处理系统100的第二氧化催化器装置18可包括涂层，该涂层设置在颗粒过滤器12的邻近于其出口的一部分上。此种构造可提供更紧凑的结构，该结构可适合于具有有限空间来用于后处理系统的发动机。
现参照图3，示出根据本实用新型各实施例的用于接收排气流的发动机排气后处理系统200。后处理系统200具有与图1中示出的后处理系统10相同的通用形式，且类似的附图标记用于指代类似的部件。
后处理系统200与后处理系统10的不同之处在于，后处理系统200进一步包括第二旁通装置40，该第二旁通装置与第二氧化催化器装置18相关联。第二旁通装置40可包括第二旁通导管42和第二旁通阀（未示出），该第二旁通导管围绕第二氧化催化器装置18设置，而该第二旁通阀选择性地可操作，以将排气流引导至第二氧化催化器装置18或者第二旁通导管42。第二旁通装置40的操作由控制系统30控制，并且可用于改进SCR装置14的性能，例如若NO2水平超过SCR装置14的入口处的50%，则通过绕过第二氧化催化器装置18来改进SCR装置14的性能，如果并不绕过第一氧化催化器装置16，则这可能会发生。
现参照图4，示出根据本实用新型各实施例的用于控制发动机排气后处理系统的方法400，该发动机排气后处理系统包括颗粒过滤器、选择性催化还原装置以及第一氧化催化器装置，该选择性催化还原装置设置在颗粒过滤器下游，且该第一氧化催化器装置设置在颗粒过滤器上游。
方法400在步骤410处包括提供第一旁通装置，该第一旁通装置与第一氧化催化器装置相关联，该第一旁通装置选择性地可操作以绕过第一氧化催化器装置。
在步骤420处，该方法包括提供控制系统，该控制系统构造成响应于与来自发动机的排气流的温度和颗粒过滤器中烟尘载量相对应的信号。
接下来，在步骤430处，该方法包括通过控制系统来确定排气流的温度是否高于第一阈值数值，并且确定颗粒过滤器中的烟尘载量是否低于第二阈值数值。在本实用新型的各实施例中，第二阈值数值可与颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在该烟尘载量下，颗粒过滤器的过滤效率在70-99%的范围内、更佳地在85-99%且最佳地在95-99%的范围内。
在步骤440处，该方法包括操作第一旁通装置操作，以在控制系统确定排气流的温度高于第一阈值数值且颗粒过滤器中的烟尘载量低于第二阈值数值时，绕过第一氧化催化器装置。
工业实用性
已描述了本实用新型的各实施例，其提供用于控制发动机的发动机排气后处理系统和方法，该方法可改进后处理系统的性能并且可减少排放物，例如颗粒排放物计数。这些系统和方法可有利地通过在DPF中烟尘载量较低时减少DPF的过度被动再生来降低颗粒排放物计数过多的风险。
虽然已参照上述实施例具体地说示出并且描述了本实用新型的各方面，但本领域技术人员会理解的是，可通过修改所公开的机器、系统和方法来设想各种附加的实施例，而不会偏离在权利要求中阐述的本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种发动机排气后处理系统，用于接收来自发动机的排气流，其特征在于，所述发动机排气后处理系统包括：
颗粒过滤器和设置在所述颗粒过滤器下游的选择性催化还原装置；
第一氧化催化器装置，其设置在所述颗粒过滤器上游；
第二氧化催化器装置，其设置在所述颗粒过滤器和所述选择性催化还原装置之间；
第一旁通装置，其与所述第一氧化催化器装置相关联，所述第一旁通装置选择性地可操作以绕过所述第一氧化催化器装置；以及
控制系统，其响应于与来自所述发动机的所述排气流的温度和所述颗粒过滤器中的烟尘载量相对应的信号，且所述控制系统构造成在同时满足第一标准和第二标准时启用所述第一旁通装置，所述第一标准包括所述排气流的温度高于第一阈值数值，而所述第二标准包括所述颗粒过滤器中的所述烟尘载量低于第二阈值数值。
2.根据权利要求1所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第一旁通装置包括第一旁通导管和第一旁通阀，所述第一旁通导管围绕所述第一氧化催化器装置设置，且所述第一旁通阀选择性地可操作，以将所述排气流引导至所述第一氧化催化器装置或者所述第一旁通导管。
3.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二氧化催化器装置邻近于所述颗粒过滤器的出口与所述颗粒过滤器一体地形成。
4.根据权利要求3所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二氧化催化器装置包括涂层，所述涂层设置在所述颗粒过滤器的邻近于所述颗粒过滤器的出口的一部分上。
5.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，进一步包括第二旁通装置，所述第二旁通装置与所述第二氧化催化器装置相关联。
6.根据权利要求5所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二旁通装置包括第二旁通导管和第二旁通阀，所述第二旁通导管围绕所述第二氧化催化器装置设置，而所述第二旁通阀选择性地可操作，以将所述排气流引导至所述第二氧化催化器装置或者所述第二旁通导管。
7.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在70-99%的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在85-99%的范围内。
9.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率在95-99%的范围内。
10.根据权利要求1或2所述的发动机排气后处理系统，其特征在于，所述第二阈值数值与所述颗粒过滤器中的烟尘载量相当，在所述烟尘载量下，所述颗粒过滤器的过滤效率是99%。
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