专利名称：引导排气的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明整体上涉及一种引导排气的方法和系统，更具体而言，涉 及一种在后处理系统中引导排气的方法和系统。
背景技术：
发动机(包括柴油机、汽油机、气体燃料驱动的发动机以及现 有技术中已知的其它发动机)会排放空气污染物的复杂的混合物。 所述空气污染物可以由气态的和固态的材料组成，包括颗粒物质、
氮氧化物("NOx")以及含硫化物。
随着对环境问题的关注，近年来排气排放标准变得日益严格。 发动机排出的污染物的量由发动机的类型、尺寸和/或级别而定。为 了符合颗粒物质和NOx排向环境中的标准，发动机制造商采用这样 一种方法，即，利用包括过滤器的后处理系统从发动机的排气流中 除去这些污染物。然而，延长期限使用过滤器会导致污染物累积在 过滤器的部件中，由此致使过滤器的功能性和发动机性能降低。
收集到的颗粒物质可以通过所谓的再生过程从过滤器材料除 去。通过使过滤器材料以及捕集到的颗粒物质的温度高于颗粒物质 的燃烧温度并由此烧掉收集到的颗粒物质可以使颗粒捕集器再生。 这种温度升高可以通过各种方式进行。例如， 一些系统可以利用加 热元件直接加热颗粒捕集器的一个或多个部分(例如，过滤器材料 或外壳)。其它系统被构造用于加热颗粒捕集器上游的排气。被加 热的气体随后流过颗粒捕集器并将热量传递给过滤器材料和被捕获 的颗粒物质。这种系统可以改变发动机的一个或多个操作参数，诸 如燃烧室内的空燃比，以使排气升温。替代地，这种系统可以利用 例如设置在通向颗粒捕集器的排气管道内的燃烧器加热颗粒捕集器
上游的排气。
Wade等人的英国专利申请公开文献No.GB2134408A ( " '408 公开文献，，)中描述了使柴油机排气过滤器再生的一种方法。'408 公开文献中描述的用于使排气过滤器再生的方法包括使所有排气 通过导管绕过过滤器、以低流速向过滤器供应可燃气体，并且升高 可燃气体的温度以点燃过滤器。当离开过滤器的被加热的可燃气体 的温度超过预定限值时，再生过程完成，并允许排气再次流过过滤 器。
尽管'408公开文献中的系统包括用于捕获颗粒物质的颗粒捕集 器，然而当过滤器再生时所有排气直接绕过过滤器。因此，在再生 过程中并没有从排气中去除任何颗粒物质。
同样，尽管'408公开文献中的颗粒捕集器能够从排气中去除颗 粒物质，然而该捕集器无法去除排气中的诸如NOx排放物和硫化物 等其它类型的污染物。
此外，流向颗粒捕集器的被加热的气体可能损坏位于颗粒捕集 器下游的温度敏感部件。上述在高温下可能被损坏或效率低下的部
成耐更高温度诸如再生所需的温度的部件通常更加昂贵。 本发明的系统和方法用于克服上述 一 个或多个问题。
发明内容
在 一 个方面，本发明提供了 一种引导排气流的方法。该方法包括
引导所述排气流的第一部分通过第一流动路径并且引导所述排气流 的第二部分通过第二流动路径。提高所述第 一 流动路径中的排气流
的至少 一部分的温度，并且将所述第 一流动路径中的排气流输送通 过过滤器。使排气流的所述第 一 部分和第二部分在所述过滤器的下 游混合，以形成混合流。将所述混合流的温度保持在预定温度范围 内，并且将所述混合流引导至催化剂。
在另一个方面，本发明提供了一种后处理系统，所述后处理系统
包括第 一 和第二流动路径。所述流动路径中的每 一 个接收单独的一 部分气流。所述后处理系统还包括定位在所述第 一 流动路径中的过 滤器和再生装置。所述再生装置与所述过滤器的入口流体连接，并 且被构造用于提高所述第 一 流动路径中的气流的至少 一 部分的温 度。所述第一和第二流动路径在所述过滤器和所述再生装置的下游 混合，以形成混合流。所述后处理系统还包括催化剂和控制器，其 中，所述催化剂定位在所述第一和第二流动路径的混合处的下游， 所述控制器被构造用于将所述混合流的温度保持在预定温度范围 内。
在另一个方面，本发明提供了一种引导排气流的方法。所述方法
包括引导所述排气流的第一部分通过第一流动路径并且引导所述 排气流的第二部分通过第二流动路径。提高所述第 一 流动路径中的 氺—气流的至少 一 部分的温度，并且将所述第 一 流动路径中的排气流 输送通过过滤器。当提高所述第 一 流动路径中的排气流的至少 一 部 分的温度时对引导通过所述第二流动路径的排气流的量进行控制。 排气流的第 一和第二部分在所述过滤器的下游混合，以形成混合流， 所述混合流被引导至NOx还原催化剂。
图1是带有后处理系统的示例性公开的发动机的示意图2是示例性公开的后处理系统的示意图；以及
图3是示例性公开的另一种后处理系统的示意图。
具体实施例方式
图1示出了带有后处理系统20的一种示例性实施方式的内燃机 10,所述内燃机10例如是柴油机、汽油4几、气体燃料驱动的发动机 或者本领域技术人员公知的任何其它发动机。发动机10可以包括排 气歧管12,该排气歧管12使来自发动机10的排气流经由输入流线 3各14与后处理系统20的入口相连。替代地，发动机10可以是另一
种动力源，诸如炉子或任何其它适当的用于例如工厂或发电厂等动 力系统的动力源。
发动机10和后处理系统20连接到控制器40。替代地，控制器 40可以集成在发动机10中。控制器40能够向后处理系统20发送信 号，如下面所描述的。控制器40例如可以是电子控制模块("ECM，，)、 中央处理单元、个人计算机、笔记本电脑或本领域公知的任何其它 控制装置。控制器40可以接收来自多个源的输入，所述多个源包括 例如温度传感器42 (以下参照图2更加详细地描述)和发动机传感 器(未示出)，所述发动机传感器例如是被构造用于测量温度、速 度、所消耗的燃料量和/或发动机10的其它操作特性的传感器。控 制器40可以使用这些输入，以基于预设控制算法形成控制信号。所 述控制信号可以经过通信线路44 (如图1和2中虛线所示)从控制 器40传递到各个致动装置(以下将更加详细地描述)。
图2示出了后处理系统20。该后处理系统20从排气中去除污染 物。排气被分成第一部分和第二部分，第一部分沿第一路径(箭头A) 流动，第二部分沿第二路径(箭头B)流动。后处理系统20可以包 括过滤器系统22,该过滤器系统22经由沿第一路径(箭头A)的第 一流动线路16接收由发动机10的排气歧管12接收的排气流的至少 一部分。
过滤器系统22从排气流中捕获颗粒、灰或其它材料，以防止它 们从后处理系统20排放到周围环境中。该过滤器系统22可以包括 过滤器24，该过滤器24诸如柴油颗粒过滤器(DPF)或其它类型的 用物理方法从排气中捕获颗粒、灰或其它材料的装置。
过滤器系统22还可以包括再生装置26，其位于过滤器24的上 游。在示例性实施方式中，使用辅助再生装置(ARD)来使过滤器系 统22再生。再生过程包括通过使过滤器24暴露于高温而从过滤器 24去除收集到的颗粒。所述高温致使过滤器24上的颗粒被烧掉。例 如，根据一种示例性实施方式，可以使过滤器24经受大约600-700°C 的温度。作为选择地，替代直接将过滤器24暴露于高温中或者除了直接将过滤器24暴露于高温中之外，可以将过滤器24上游的排气 加热到高温，这使得过滤器24被间接地暴露于高温。
再生装置26可以是用于有源再生(active regeneration )的装置。 如这里所使用的，术语"有源再生，，是指利用再生装置或一些其它 加热源使例如容纳在过滤器中的煤烟烧灼和/或燃烧。
再生装置26可以包括例如燃料喷射器和引燃器(未示出)、加 热线圈(未示出)、燃料动力燃烧器(未示出)、电阻加热器(未 示出)、发动机控制策略和/或本领域公知的其它加热源。这种加热 源可以设置在再生装置26中，并且可以被构造成有助于通过对流、 燃烧和/或其它方法提高排气流的温度。再生装置26可以接收可燃物 质供应和氧气供应，以利于在再生装置26内燃烧。可燃物质可以是 例如汽油、柴油、重整油和/或本领域公知的任何其它可燃物质。除 了通过第一流动线路16引导至再生装置26的具有相对较低压力的 排气流之外，还可提供氧气供应。
使用再生装置26可以获得高温。再生装置26使燃料燃烧以提 高过滤器24的温度或过滤器24上游的排气的温度，由此使高温排 气通过第一流动线路16输送到过滤器24，以烧掉过滤器24内的颗 粒。结果，离开过滤器24的排气具有高温。
因此，排气的第一部分经由第一流动线路16经过过滤器系统22 并且通过再生装置26在再生过程中加热。排气的第二部分流过沿第 二路径(箭头B)的第二流动线路18并且绕过过滤器系统22和再 生装置26。
后处理系统20的阀28定位在第二路径(第二流动线路18)中。 阀28可以通过例如螺线管或者本领域公知的其它致动装置(未示出) 致动或控制。
阀28通常是关闭的。然而，在再生过程中，阀28可以被致动 打开。阀28和再生装置26能够经由通信线路44接收来自控制器40 的控制信号。例如，控制器40可以经由通信线路44发送信号以致 动阀28并激活再生装置26。 温度传感器42可以设置在过滤器24的下游。温度传感器42测 量过滤器24下游的排气的温度并且经由通信线路44向控制器40发 送指示所测量温度的信号。
控制器40可以确定输送通过阀28的排气(排气的第二部分) 的量。未被输送通过阀28的排气(排气的第一部分)随后被输送到 过滤器系统22。
在过滤器系统22和阀28的下游，排气的第一部分和第二部分 在被引导至催化剂30之前混合在一起，所述催化剂30同样包含在 后处理系统20中。催化剂30沿着排气流的方向定位在过滤器24和 阀28的下游。
如图2所示，温度传感器42可以设置在过滤器24的出口附近。 温度传感器42可以靠近后处理装置定位，该后处理装置的温度是受 控制的。例如，在示例性实施方式中，对催化剂30的温度进行控制。 因此，在该实施方式中，温度传感器42也可以被设置成更靠近催化 剂30。
根据一种示例性实施方式，催化剂30是选择性催化还原(SCR) 催化剂，该催化剂通过化学反应从排气中去除诸如NOx等污染物。 SCR催化剂使用氨或尿素将排气中的NOx催化还原。
可选择地，可以在第一催化剂30的下游设置另一种催化剂32, 例如，选择性催化氧化(SCO)催化剂之类的净化催化剂，以从排 气中去除其它污染物。
在通过催化剂30、 32处理之后，排气流过输出流线路34并且 从后处理系统20输出。
图3示出了一种替代的示例性实施方式，其中，第二过滤器24 和第二再生装置26设置第二流动线路18中并位于阀28的下游。在 该替代的实施方式中的过滤器和再生装置为平行构造。第二阀28也 可以定位在第二流动线路18中，第二温度传感器42可以定位在第 二过滤器24的出口附近。
工业实用性
本发明的用于引导排气流的方法和系统可以应用到包括产生排 气的动力源的任何动力系统上。本发明的用于引导排气流的方法和
系统允许对流过过滤器2 4和催化剂3 0的排气的温度单独进行控制。 因此，流过过滤器24的排气的温度可以保持较高，而流向催化剂30 的排气的温度可以较低。现在将对引导排气流的操作方法和系统进 行说明。
在正常的工作状态中，再生装置26是非活化的，过滤器24不 进行再生过程，并且阀28是关闭的。所有排气经由输入流线路14、 第一流动线路16 (沿箭头A的方向)和输出流线^各34引导通过过 滤器系统22。通过过滤器系统22的排气未被再生装置26加热。
例如可以基于从发动机10或发动机传感器(未示出)的输入或 者基于预定的时间间隔使用控制器40内通过编程得到的控制算法来 确定何时使过滤器24开始再生。
为了开始再生过程，控制器40可以通过通信线路44发送控制 信号，以分别致动阀28和再生装置26。发送到阀28的控制信号也 可以包括用于控制排气流通过阀28的信息，诸如允许通过阀28的 排气量。
通常，阀28处于关闭状态，这使得整个发动机排气流过第一流 动线路16中的过滤器系统22。当阀28被致动时，阀28打开，排气 能够在从发动机10的排气歧管12中流出之后沿两个路径向下游流 动。如图2所示，排气的第一部分沿第一路径(箭头A)流动，排 气的第二部分沿第二路径(箭头B)流动。
阀28大约在再生过程开始的同时接收来自控制器40的打开控 制信号。例如，控制器40在大约当其向再生装置26发送致动信号 以开始再生过程，即，向过滤器24施加热量的同时可以向阀28发 送致动信号。控制器40通过通信线路44(如图2中虚线所示)向再 生装置26和阀28发送这些指令信号。
阀28定位在第二路径中，以控制被引导通过第二流动线路18
的气流量。排气的被沿着第二流动线路18 (沿着图2中箭头B的方 向)引导的部分绕过过滤器系统22和再生装置26。因此，该部分未 被再生装置26加热至用于使过滤器24再生所需要的高温。
气流的剩余部分被朝向第一路径(第一流动线路16)、朝向在 再生过程中加热气体的再生装置26、并随后向过滤器系统22引导。 在再生过程中，排气的被加热的第 一部分和排气的未被加热的第二 部分在到达催化剂30、 32之前混合。因此，排气的该混合流的总的 溫度比排气在再生过程中达到的温度低。
当控制器40确定再生过程完成时，控制器40可以向阀28发送 关闭阀28的控制信号并且向再生装置26发送停止再生过程的控制 信号。
包含在控制信号中的打开和/或关闭阀28的信息通过使用在控 制器40内通过编程得到的控制算法来确定。例如，通过第二流动线 路18输送通过阀28的排气(排气的第二部分)的量可以是恒定的 预设量或者可以使用闭环程序来确定。
如果流过阀的排气部分的量是恒定的预设量，那么阀28连续地 允许相同量的排气通过，直到接收到来自控制器40的停止排气流过 阀28的控制信号为止。
然而，如果流过阀28的排气部分的量使用闭环程序来确定，那 么阀28可以在规则的时间间隔或者在控制器40确定流速应当改变 的任何时候接收来自控制器40的信号。
例如，在向阀28和再生装置26发送致动信号之后，控制器40 可以使用温度传感器42接收对过滤器系统22下游的排气温度的测 量值。
如果所测量的温度T等于或大于临界温度Tth,即，T^Tth，那 么控制器40可以向阀28发送以增量方式增大允许通过阀28的排气 量的控制信号。更多的排气绕过过滤器系统22，而更少的排气被加 热以使过滤器24再生。因此，排气的被加热部分和未被加热部分的 混合流的温度降低。
然而，如果测量温度小于临界温度，即，T<Tth，那么控制器40 可以向阀28发送减小允许通过阀28的排气量的控制信号。更少的 排气绕过过滤器系统22,而更多的排气被加热以使过滤器24再生。 因此，排气的被加热部分和未^皮加热部分的混合流的温度升高。
替代地，当T < Tth时，代替改变通过阀28的气流量，控制器 40例如可以通过使用信号或者不使用信号来控制阀28，以保持通过 阀28的排气量不变。
控制器40可以监测所测量的温度T，并且以规则的间隔和/或当 所测量的温度T超过临界温度Tth的任何时候向阀2 8发送控制信号。 在一种示例性实施方式中，当将在高于600°C的温度下工作效率较低 或者会被损坏的催化剂设在排气的被加热部分和未被加热部分混合 处的下游时，临界温度例如可以为大约600°C。但是，取决于所设置 的一个或多个后处理装置以及维持所述后处理装置具有最佳效率所 需的温度，临界温度可能更高或更低。
为了确定如何在第一流动线路16和第二流动线3各18之间分配 排气流，控制器40所使用的控制算法也可以考虑除所测量的温度之 外的其它变量。例如，可以在流动线路16、 18之间分配气流，以在 使足量的气流通过第二流动线路18来保持被引导至催化剂30的排 气具有适当的温度和使足量的气流通过第 一 流动线路16以从排气流
中去除颗粒物质这二者之间进行权衡。当大量的排气被分配至第一 流动线路16,而少量的排气被分配至第二流动线路18时，可以从排 气流中去除更多的颗粒物质，但被引导至催化剂30的总的排气处于 更高的温度。这可能存在损坏催化剂30或导致催化剂30的工作效 率低下的风险。另一方面，当大量的排气被分配至第二流动线路18, 而少量的排气被分配至第一流动线路16时，被引导至催化剂30的 总的排气处于较低的温度，如果催化剂30对较高的温度敏感，则催 化剂30能高效地工作。然而，当少量的气流通过过滤器系统22时， 可以从排气流中去除的颗粒物质较少，而更多的颗粒物质可以通过 阀28而未浮皮过滤。
可以通过编程得到控制算法，以允许通过阀28的排气量最小， 即，使排气的第二部分最小化，这是因为排气的第二部分不能通过
过滤器系统22过滤。可以对被允许通过阀28的排气量进行控制， 使得所述排气量足以使被引导至催化剂30的混合排气的温度维持在 临界温度或稍低于临界温度。
还可以通过编程得到控制算法，以确保将最佳排气量输送通过 过滤器系统22，用以使过滤器24再生。用于使过滤器24再生的最 佳排气量基于几个变量确定，例如，来自排气歧管12的排气流速、 过滤器24的尺寸、发动机10的类型以及在再生过程中发动机10的 动作。因此，控制器40所使用的控制算法在确定如何在第一流动线 路16和第二流动线路18之间分配排气流时也可以考虑这些变量。
因此，在再生过程中流过过滤器2 4的排气的温度可以保持较高， 而流向催化剂30的混合排气的温度则较低。所以，催化剂以及其它 后处理部件可以由价格较低的材料制成。不再需要能够在再生过程 中耐高温的特殊材料来构造位于排气的未加热部分和加热部分混合 处的下游的后处理部件。可以使用通常用于再生的高温敏感的催化 剂30、 32，例如钒基SCR催化剂。例如，如果过滤器24暴露于大 约600- 70(TC的温度下，那么在保持后处理系统20具有较高效率的 同时，可以使用由在大约600°C以上的温度时效率较低的材料制成的 催化剂30、 32。催化剂30、 32不易损坏，因为它们未暴露于再生所 需要的高温下。
由于在再生过程中排气的一部分绕过过滤器系统22，因此较少 的排气被输送通过过滤器系统22。需要较少的能量用于加热排气以 使过滤器24再生。因此，再生过程需要的燃料较少。
如图3所示，另一过滤器24、再生装置26、温度传感器42以 及可选择的阀28也可以设置在第二流动线路18中。在该示例性实 施方式中，在第二流动线路18中的这些附加部件的操作与在第一流 动线路16中的类似部件相同。被沿着第二流动线路18引导的排气 部分在第二流动线路18中使用过滤器系统22过滤。因此，使用两
个过滤器系统22对通过输入流线路14提供的整个排气流进行过滤。
此外，可以使用相应的再生装置26使两个过滤器24单独地再生。 控制器40可以控制在单独的流动线路16、 18中的再生装置26的操 作，以确保未加热的排气流过流动线路16、 18中的至少一个，而此 时再生装置26在另一个流动线路中操作。因此， 一次仅仅可以操作 一个再生装置26。因此，在确保甚至在过滤器24中的一个再生的过 程中从流过流动线路16、 18的排气中过滤颗粒的同时，也可以对混 合排气流的温度进行控制。
在示例性实施方式中描述的后处理系统20可以去除颗粒物质和 其它类型的污染物，诸如NOx排放物。这些颗粒物质和其它污染物 可以在诸如再生过程中被连续地去除。
本领域技术人员能够理解，可以对本发明的用于引导排气流的 方法和系统作出各种变型和改变。通过本说明书以及对本发明的方 法和系统的应用，其它实施方式对本领域技术人员而言是可以想到 的。本说明书和例子仅为示例性的，本发明的范围通过所附权利要 求书及其等效来限定。
权利要求
1.一种引导排气流的方法，包括:引导所述排气流的第一部分通过第一流动路径(16)；引导所述排气流的第二部分通过第二流动路径(18)；提高所述第一流动路径中的排气流的至少一部分的温度；将所述第一流动路径中的排气流输送通过过滤器(24)；使排气流的所述第一部分和第二部分在所述过滤器的下游混合，以形成混合流；将所述混合流的温度保持在预定温度范围内；并且将所述混合流引导至催化剂(30，32)。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括控制引导通过所述第二 流动路径的排气流的量。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，当提高所述第一流动路 径中的排气流的所述至少一部分的温度时对引导通过所述第二流动 路径的排气流的量进行控制。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制引导通过所述第二流动路径的排气流的量包括将所述混合流的检测温度与所述预定温度范围进行比较；并且 根据所述比较来改变引导通过所述第二流动路径的排气流的量。
5. 根据权利要求1所述的方法 小于60(TC的温度。
6. 根据权利要求1所述的方法， 催化剂(30)。
7. 根据权利要求5所述的方法 的排气流的所述至少 一部分的温度提高到用于使所述过滤器再生的温度。
8. 根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第二流动路径中 的排气流输送通过第二过滤器(24)。,其中，所述预定温度范围包括 其中，所述催化剂是NOx还原 ,其中，将所述第一流动路径中
9. 一种后处理系统(20),包括第一和第二流动路径(16, 18),所述流动路径中的每一个接收 单独的一部分气流；定位在所述第一流动路径(16)中的过滤器装置(24)和再生装 置(26),所述再生装置与所述过滤器装置的入口流体连接并且被 构造成用于提高所述第 一 流动路径中的气流的至少 一 部分的温度， 所述第一和第二流动路径在所述过滤器装置和所述再生装置的下游 混合，以形成混合流；催化剂装置(30， 32)，其定位在所述第一和第二流动路径的混 合处的下游；以及控制器装置(40),其被构造成用于将所述混合流的温度保持在 预定温度范围内。
10. 根据权利要求9所述的后处理系统，还包括定位在所述第二 流动路径中的阀装置(28)，所述阀装置被构造成用于控制所述第 二流动路径中的气流的量。
全文摘要
一种引导排气流的方法，包括引导所述排气流的第一部分通过第一流动路径(16)和引导所述排气流的第二部分通过第二流动路径(18)。提高所述第一流动路径中的排气流的至少一部分的温度，并且将所述第一流动路径中的排气流输送通过过滤器(24)。使排气流的所述第一部分和第二部分在所述过滤器的下游混合，以形成混合流。将所述混合流的温度保持在预定温度范围内，并且将所述混合流引导至催化剂(30，32)。
文档编号F01N3/032GK101375028SQ200780003945
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月19日 优先权日2006年1月31日
发明者S·D·鲁曾布姆 申请人:卡特彼勒公司