本申請(qǐng)要求2016年2月17日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)第62/296,302號(hào)的優(yōu)先權(quán)。該申請(qǐng)全文以參見的方式納入本文。

本公開涉及在內(nèi)燃機(jī)中通過烴燃料的燃燒產(chǎn)生的廢氣的后處理，具體是通過選擇性催化還原對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的氮氧化物(nox)的催化還原。

背景技術(shù)：

選擇性催化還原(scr)是用于還原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox的已知技術(shù)。目前制造的由內(nèi)燃機(jī)(例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī))推進(jìn)并且使用scr作為廢氣后處理策略的一部分的車輛攜帶柴油機(jī)廢氣流體(def)的機(jī)載源，def從其被計(jì)量以控制量進(jìn)入scr催化器上游的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣系統(tǒng)。def是標(biāo)準(zhǔn)化的尿素水溶液，其包含32.5％尿素和67.5％去離子水。使用def的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的scr后處理的化學(xué)是有據(jù)可查的。當(dāng)def被引入足夠高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中時(shí)，水蒸發(fā)并且尿素分解以產(chǎn)生氨。在催化劑存在下進(jìn)行的反應(yīng)將nox還原為氮?dú)狻⒍趸己退?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

某些機(jī)動(dòng)車輛有時(shí)可以以使得使用def用于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的scr后處理的方式運(yùn)行是不希望的。當(dāng)不使用scr后處理時(shí)，廢氣中的nox大部分保持未處理，因此從尾管流出并進(jìn)入周圍大氣。

可以發(fā)生這種情況的一個(gè)示例是在廢氣溫度保持低于def計(jì)量閾值的同時(shí)在冷起動(dòng)之后的發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，這設(shè)定將def引入后處理系統(tǒng)中的最小溫度要求。在允許將def引入后處理系統(tǒng)中之前要求廢氣溫度達(dá)到劑量閾值溫度避免def中的尿素的不完全水解。尿素的不完全水解產(chǎn)生除氮、二氧化碳和水以外的反應(yīng)產(chǎn)物，這將損害后處理系統(tǒng)。通過這種反應(yīng)產(chǎn)物堵塞后處理系統(tǒng)是在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)通過機(jī)動(dòng)車輛的重復(fù)冷啟動(dòng)操作可能發(fā)生的一個(gè)已知的示例。

本公開涉及用于在機(jī)動(dòng)車輛的冷啟動(dòng)操作期間實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的有效scr后處理的解決方案，使得在冷起動(dòng)操作期間可以比在當(dāng)前時(shí)間在機(jī)動(dòng)車輛中顯著更早地處理nox，其使用def用于nox的選擇性催化還原。

本發(fā)明的總體方面涉及一種內(nèi)燃機(jī)，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)，包括：用于通過選擇性催化還原來還原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox的催化器，還原劑源，以及控制器，所述控制器通過在小于def計(jì)量閾值溫度的廢氣溫度下沉積和收集在后處理系統(tǒng)的部件上而在小于和大于所述def計(jì)量閾值溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度下將還原劑計(jì)量到所述催化器上游的所述后處理系統(tǒng)中，以使所述催化器有效地還原nox，而不產(chǎn)生會(huì)損害后處理系統(tǒng)的有效性的反應(yīng)產(chǎn)物。

另一個(gè)一般方面涉及一種用于通過選擇性催化還原來減少通過發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流中的nox的方法。

該方法包括在小于和大于所述def計(jì)量閾值溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度下而將還原劑計(jì)量到所述催化器上游的后處理系統(tǒng)中，以在小于和大于所述def計(jì)量閾值溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度下使所述催化器有效地還原nox，而不會(huì)通過在小于def計(jì)量閾值溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度下沉積和收集在后處理系統(tǒng)的部件上而產(chǎn)生會(huì)損害后處理系統(tǒng)的有效性的反應(yīng)產(chǎn)物。

上述發(fā)明內(nèi)容通過參考作為本公開的一部分的以下附圖在下面的具體實(shí)施方式中給出的公開內(nèi)容的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

附圖說明

圖1是機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)的廢氣后處理系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。

圖2是用于解釋后處理系統(tǒng)的操作的曲線圖。

圖3是機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)的廢氣后處理系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖。

圖4是圖3的一部分的分解立體圖。

圖5是機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)的廢氣后處理系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出具有發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)的第一實(shí)施例12的內(nèi)燃機(jī)10。發(fā)動(dòng)機(jī)10代表推進(jìn)機(jī)動(dòng)車輛例如像公共汽車或貨車的商用職業(yè)車輛的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

來自發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣歧管14的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣在通過后處理系統(tǒng)12的廢氣流動(dòng)路徑的入口16處進(jìn)入后處理系統(tǒng)12，并沿著流動(dòng)路徑流動(dòng)以在出口18處離開，該出口18通向尾管(未示出)。在沿著流動(dòng)路徑通過期間，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過一個(gè)或多個(gè)處理元件，其中一個(gè)是通過選擇性催化還原(scr)還原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox的催化器20。在催化器20存在的化學(xué)還原nox的還原劑通過位于催化器20上游的噴射器22引入到廢氣流動(dòng)路徑中。噴射器22是噴射器/混合器組件的一部分，其還包括在噴射器22下游的混合器24，用于促進(jìn)還原劑與廢氣的混合，以在混合物沿催化器20的表面通過之前適當(dāng)?shù)胤峙洹?/p>

后處理系統(tǒng)12可包含的其它廢氣處理元件包括柴油機(jī)氧化催化器(doc)和柴油顆粒過濾器(dpf)中的一個(gè)或兩者，其在圖1中由附圖標(biāo)記26表示為僅doc、僅dpf、或者dpf和doc兩者。

控制器28根據(jù)各種廢氣參數(shù)(例如nox、溫度和壓力)控制還原劑到廢氣流動(dòng)路徑中的引入，用于控制從出口18出來的廢氣中的nox濃度。這些參數(shù)由后處理系統(tǒng)12中各個(gè)位置處的各傳感器測量。nox傳感器30、32分別位于入口16和出口18附近。各溫度傳感器34、36位于催化器20之前和之后，壓力傳感器38、40也如此。溫度傳感器42位于入口16附近。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)10是用于推進(jìn)機(jī)動(dòng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，用于后處理系統(tǒng)12的還原劑從機(jī)動(dòng)車輛機(jī)載的氨存儲(chǔ)箱44和柴油機(jī)廢氣流體(def)存儲(chǔ)箱46提供。每種還原劑從后處理系統(tǒng)12中的相應(yīng)儲(chǔ)存箱通過相應(yīng)的計(jì)量閥48、50輸送，計(jì)量閥48、50由控制器28控制以計(jì)量控制量的還原劑到噴射器22。每種還原劑的使用取決于廢氣溫度，并且計(jì)量的還原劑的量取決于廢氣中的nox濃度。氨可以以已知的方式儲(chǔ)存在儲(chǔ)存箱44內(nèi)，并作為由噴射器22噴入的氣體釋放。def作為尿素溶液儲(chǔ)存在儲(chǔ)存箱46內(nèi)，如前面提到的那樣。

如先前所解釋的，當(dāng)廢氣溫度小于def計(jì)量閾值溫度時(shí)，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)之后加熱時(shí)，不使用def作為還原劑，因?yàn)槠渑c未充分加熱的廢氣的反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)物可以沉積在后處理系統(tǒng)中并積聚到堵塞系統(tǒng)的點(diǎn)。換句話說，尿素不完全水解。在發(fā)動(dòng)機(jī)10的冷啟動(dòng)操作期間未處理廢氣的nox導(dǎo)致離開廢氣歧管14的“發(fā)動(dòng)機(jī)排出”廢氣通過后處理系統(tǒng)12并通過出口16進(jìn)入周圍環(huán)境。

通過計(jì)量從車載氨存儲(chǔ)箱44到噴射器22的氨，當(dāng)廢氣溫度小于def計(jì)量閾值溫度時(shí)，可以對(duì)廢氣進(jìn)行nox處理。一旦廢氣溫度變得大于def計(jì)量閾值溫度，就停止使用氨，并且通過def計(jì)量閥50計(jì)量來自儲(chǔ)箱46的def，而不產(chǎn)生導(dǎo)致堵塞的不期望的產(chǎn)物。這樣，控制器28在小于和大于def計(jì)量閾值溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣溫度下而將還原劑計(jì)量到后處理系統(tǒng)12中，以使催化器20有效地還原nox，而不會(huì)通過在小于def計(jì)量閾值溫度的廢氣溫度下沉積和收集在后處理系統(tǒng)的部件上而產(chǎn)生損害后處理系統(tǒng)12的有效性的反應(yīng)產(chǎn)物。

圖2示出了職業(yè)車輛中的發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)操作的示例。當(dāng)車輛以頻繁的起動(dòng)和停止操作時(shí)，與在沒有任何停止的情況下操作相比，發(fā)動(dòng)機(jī)需要較長的時(shí)間來加熱到正常操作溫度。在圖2的底部的跡線52表示作為時(shí)間函數(shù)的車輛速度。跡線52包括峰值54和谷值56的序列，谷值56表示車輛停止，發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行或關(guān)閉狀態(tài)。跡線58表示廢氣溫度。水平線60表示def計(jì)量閾值溫度。跡線58和線60示出在該示例中在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)之后約1000秒內(nèi)不應(yīng)計(jì)量def。

圖3示意性地示出具有發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)的第二實(shí)施例62的內(nèi)燃機(jī)10。圖3中與圖1中已經(jīng)描述的部件共同的部件在兩圖中由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。后處理系統(tǒng)62與后處理系統(tǒng)12的不同之處在于省略了氨存儲(chǔ)箱44和氨計(jì)量閥46，并且在噴射器22的下游，在廢氣流動(dòng)路徑中在混合器24和催化器20之間的位置增加電加熱器64，從而位于催化器20的上游和噴射器22的下游。

圖4示出加熱器64的細(xì)節(jié)。在功能實(shí)施例中，加熱器64可以具有其自身的殼體，該殼體包括內(nèi)覆蓋件66和外覆蓋件68，而不是如圖3中示意性地示出的那樣放置。當(dāng)覆蓋件66、68裝配在一起時(shí)，電加熱元件70被支承在加熱器殼體內(nèi)。來自混合器24的廢氣和def的混合物通過入口進(jìn)入加熱器殼體，并通過出口離開殼體到達(dá)催化器20。商業(yè)電加熱器的實(shí)例是由大陸電氣公司(continentalemitecgmbh)出售的商標(biāo)為的emicat的電加熱器。

電加熱器64的操作由控制器28通過位于加熱器外殼外部的繼電器(未示出)控制。來自繼電器的電導(dǎo)體通過配件72進(jìn)入加熱器殼體以與加熱元件70連接。

加熱器64用于加熱通過后處理系統(tǒng)62的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣，使得廢氣流到達(dá)def計(jì)量閾值溫度60比如果進(jìn)入后處理系統(tǒng)62的入口16的廢氣的溫度僅是用于確定何時(shí)def注入可以啟動(dòng)的溫度時(shí)顯著更快。這在圖2中圖示地證實(shí)，跡線74示出了在該示例中早680秒達(dá)到def計(jì)量閾值60。

加熱元件70包括發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流過的表面，并且其可選地包含用于通過選擇性催化還原來還原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的nox的催化涂層。包含催化涂層的加熱元件的表面的表面積小于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣在流經(jīng)加熱器64之后所流過的催化器20的表面積。因?yàn)榧訜崞鞯拇呋繉拥谋砻娣e為小于催化器20的表面積，加熱器可用于提供額外的nox還原而不增加催化器20的表面積。

圖5示意性地示出具有發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理系統(tǒng)的第三實(shí)施例76的內(nèi)燃機(jī)10。圖5中與圖1和3中已經(jīng)描述的部件共同的部件在兩圖中由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。后處理系統(tǒng)76與后處理系統(tǒng)76的不同之處僅在于，電加熱器64重新定位在由附圖標(biāo)記26表示的元件之前。

加熱器64的這種放置允許廢氣流過一個(gè)或多個(gè)元件26以更快地加熱它或它們，并且該考慮在一些后處理策略中可能是有用的，即使其意味著催化器20不被同樣快速加熱。圖5還示出了在渦輪增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)10中直接來自渦輪增壓器78的出口的廢氣。

圖2示出了作為在150℃和200℃之間的范圍內(nèi)的恒定溫度的def計(jì)量溫度(線60)。線60的位置旨在表示溫度或溫度范圍，該溫度或溫度范圍將發(fā)生尿素的完全水解的較高溫度區(qū)域與在尿素的完全水解是有問題的較低溫度區(qū)域分界。相信在這時(shí)，190℃和200℃之間的溫度范圍可以提供適當(dāng)?shù)姆纸纭?/p>