本申請要求2016年2月17日提交的美國臨時專利申請序列號第62/296,302號的優(yōu)先權(quán)。該申請全文以參見的方式納入本文。

本公開涉及在內(nèi)燃機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發(fā)動機廢氣中的氮氧化物(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)動機廢氣中的nox的已知技術(shù)。目前制造的由內(nèi)燃機(例如柴油發(fā)動機)推進并且使用scr作為廢氣后處理策略的一部分的車輛攜帶柴油機廢氣流體(def)的機載源，def從其被計量以控制量進入scr催化器上游的發(fā)動機廢氣系統(tǒng)。def是標準化的尿素水溶液，其包含32.5％尿素和67.5％去離子水。使用def的發(fā)動機廢氣的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)動機廢氣中時，水蒸發(fā)并且尿素分解以產(chǎn)生氨。在催化劑存在下進行的反應(yīng)將nox還原為氮氣、二氧化碳和水。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

可以發(fā)生這種情況的一個示例是在廢氣溫度保持低于def計量閾值的同時在冷起動之后的發(fā)動機的操作期間，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)短的時間內(nèi)通過機動車輛的重復(fù)冷啟動操作可能發(fā)生的一個已知的示例。

本公開涉及用于在機動車輛的冷啟動操作期間實現(xiàn)發(fā)動機廢氣的有效scr后處理的解決方案，使得在冷起動操作期間可以比在當(dāng)前時間在機動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，包括：發(fā)動機廢氣后處理系統(tǒng)，包括：用于通過選擇性催化還原來還原發(fā)動機廢氣中的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計量閾值溫度的發(fā)動機廢氣溫度下將還原劑計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)生會損害后處理系統(tǒng)的有效性的反應(yīng)產(chǎn)物。

另一個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)動機廢氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機廢氣流中的nox的方法。

該方法包括在小于和大于所述def計量閾值溫度的發(fā)動機廢氣溫度下而將還原劑計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計量閾值溫度的發(fā)動機廢氣溫度下使所述催化器有效地還原nox，而不會通過在小于def計量閾值溫度的發(fā)動機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施方式中給出的公開內(nèi)容的進一步細節(jié)。

附圖說明

圖1是機動車輛中的內(nèi)燃機的廢氣后處理系統(tǒng)的第一實施例的示意圖。

圖2是用于解釋后處理系統(tǒng)的操作的曲線圖。

圖3是機動車輛中的內(nèi)燃機的廢氣后處理系統(tǒng)的第二實施例的示意圖。

圖4是圖3的一部分的分解立體圖。

圖5是機動車輛中的內(nèi)燃機的廢氣后處理系統(tǒng)的第三實施例的示意圖。

具體實施方式

圖1示意性地示出具有發(fā)動機廢氣后處理系統(tǒng)的第一實施例12的內(nèi)燃機10。發(fā)動機10代表推進機動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)動機。

來自發(fā)動機廢氣歧管14的發(fā)動機廢氣在通過后處理系統(tǒng)12的廢氣流動路徑的入口16處進入后處理系統(tǒng)12，并沿著流動路徑流動以在出口18處離開，該出口18通向尾管(未示出)。在沿著流動路徑通過期間，發(fā)動機廢氣通過一個或多個處理元件，其中一個是通過選擇性催化還原(scr)還原發(fā)動機廢氣中的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氧化催化器(doc)和柴油顆粒過濾器(dpf)中的一個或兩者，其在圖1中由附圖標記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)動機10是用于推進機動車輛的發(fā)動機時，用于后處理系統(tǒng)12的還原劑從機動車輛機載的氨存儲箱44和柴油機廢氣流體(def)存儲箱46提供。每種還原劑從后處理系統(tǒng)12中的相應(yīng)儲存箱通過相應(yīng)的計量閥48、50輸送，計量閥48、50由控制器28控制以計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存在儲存箱44內(nèi)，并作為由噴射器22噴入的氣體釋放。def作為尿素溶液儲存在儲存箱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計量閾值溫度時，例如當(dāng)發(fā)動機在冷啟動之后加熱時，不使用def作為還原劑，因為其與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。換句話說，尿素不完全水解。在發(fā)動機10的冷啟動操作期間未處理廢氣的nox導(dǎo)致離開廢氣歧管14的“發(fā)動機排出”廢氣通過后處理系統(tǒng)12并通過出口16進入周圍環(huán)境。

通過計量從車載氨存儲箱44到噴射器22的氨，當(dāng)廢氣溫度小于def計量閾值溫度時，可以對廢氣進行nox處理。一旦廢氣溫度變得大于def計量閾值溫度，就停止使用氨，并且通過def計量閥50計量來自儲箱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計量閾值溫度的發(fā)動機廢氣溫度下而將還原劑計量到后處理系統(tǒng)12中，以使催化器20有效地還原nox，而不會通過在小于def計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)動機的冷起動操作的示例。當(dāng)車輛以頻繁的起動和停止操作時，與在沒有任何停止的情況下操作相比，發(fā)動機需要較長的時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)動機處于運行或關(guān)閉狀態(tài)。跡線58表示廢氣溫度。水平線60表示def計量閾值溫度。跡線58和線60示出在該示例中在發(fā)動機冷啟動之后約1000秒內(nèi)不應(yīng)計量def。

圖3示意性地示出具有發(fā)動機廢氣后處理系統(tǒng)的第二實施例62的內(nèi)燃機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記標示。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箱44和氨計量閥46，并且在噴射器22的下游，在廢氣流動路徑中在混合器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的細節(jié)。在功能實施例中，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，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入加熱器殼體，并通過出口離開殼體到達催化器20。商業(yè)電加熱器的實例是由大陸電氣公司(continentalemitecgmbh)出售的商標為的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)動機廢氣，使得廢氣流到達def計量閾值溫度60比如果進入后處理系統(tǒng)62的入口16的廢氣的溫度僅是用于確定何時def注入可以啟動的溫度時顯著更快。這在圖2中圖示地證實，跡線74示出了在該示例中早680秒達到def計量閾值60。

加熱元件70包括發(fā)動機廢氣流過的表面，并且其可選地包含用于通過選擇性催化還原來還原發(fā)動機廢氣中的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)動機廢氣在流經(jīng)加熱器64之后所流過的催化器20的表面積。因為加熱器的催化涂層的表面積為小于催化器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)動機廢氣后處理系統(tǒng)的第三實施例76的內(nèi)燃機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記標示。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或多個元件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)動機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，190℃和200℃之間的溫度范圍可以提供適當(dāng)?shù)姆纸纭?/p>