排气系统的制作方法
【专利摘要】一种排气系统（18），包括被配置成接收来自内燃发动机（12）的排气的排气通道（26）、设置在排气通道（26）内的热交换器（32），以及流体地连接到热交换器（32）的还原剂供应元件（50），还原剂供应元件（50）包括甲烷。排气系统（18）还包括流体地连接到热交换器（32）且被配置成经由热交换器（32）接收来自还原剂供应元件（50）的甲烷的第一催化剂元件。排气系统进一步包括设置在排气通道（26）内且被配置成经由热交换器（32）接收来自内燃发动机（12）的排气的第二催化剂元件。排气系统还包括设置在排气通道（26）内且被配置成接收组合流的清洁催化剂元件。所述组合流包括离开第一催化剂元件的排气和甲烷。
【专利说明】排气系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种排气系统，且特别是涉及一种能够处理包括NOx的排气成分的排气系统。
【背景技术】
[0002]内燃机，包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机，以及本领域中已知的其他发动机，可排出包含固体、液体和气体组分的复杂混合物的排气。例如，排气的气体组分可包括诸如氮氧化物(“NOx”)和CO之类的化合物，且排气中的固体和/或液体组分可包括水溶性有机馏分、煤烟，和/或未燃烧的碳氢化合物。由内燃机排放的可溶性有机馏分、煤烟，以及未燃烧的碳氢化合物通常一起被称作“颗粒物质”。
[0003]政府基于发动机的类型、尺寸，和/或类别调节从此类发动机排放到大气中的排气。这些排放法规不断变得更加严格，且发动机制造商通常使用排气催化处理系统，以遵守这些法规。在此类系统中，还原剂，诸如，尿素或氨水，可注入到选择性催化还原(“SCR”)催化剂元件的排气上游，并且SCR催化剂元件中的催化剂材料可在还原剂存在情况下还原排气中所携带的NOx。此外，微粒过滤器可以捕获排气中所携带的颗粒物质的一部分。
[0004]SCR催化剂元件的有效性是基于其将排气中所携带的NOx转化成N2和其它气态物，诸如，O2和H2O的能力。使SCR催化剂元件保持在所需温度范围内，并为其提供具有足够水平的NO2的排气流是协助最大化SCR催化剂元件的NOx转化效率的两个因素。但是，离开发动机的排气的温度通常远高于SCR催化剂元件的最佳温度范围。一般地，此类排气也具有远低于SCR催化剂元件的最佳的NOx还原所需范围的NO2水平。因此，排气处理系统常常包括氧化催化剂元件，所述氧化催化剂元件设置在SCR催化剂元件上游，以协助使排气中存在的相对丰富的NO氧化。使NO氧化可增加存在于进入SCR催化剂元件的排气中的NO2的量，并且可以协助使SCR催化剂元件对NOx的转化最大化。
[0005]美国专利号6，928，806 (“’ 806专利”)示出一种用于控制内燃机的NOx和颗粒物质排放的示例性的排气处理系统。具体地，’806专利公开了一种氧化催化剂元件、耦合在氧化催化剂元件下游的SCR催化剂元件，和耦合在SCR催化剂元件下游的微粒过滤器。所公开的氧化催化剂元件提高了进入SCR催化剂元件的NO2的水平，且微粒过滤器在排气被释放到大气中之前去除排气中的颗粒。
[0006]尽管’ 806专利中公开的系统可协助去除颗粒物质，并减少排气中NOx的含量，但是’ 806专利的系统有几个缺点。例如，由于排气温度的动态性质和流速，可能难以将’ 806专利所采用的SCR催化剂元件的操作维持在其最佳温度和NO2水平内。此外，’806专利所采用的SCR催化剂元件和微粒过滤器大且难以取出或更换进行维修。这些组件的尺寸也使其难以将排气处理系统封装在，例如，车辆或空间有限的其他机器的发动机舱中。此外，此类微粒过滤器需要使用各种加热装置的频繁的车载再生。此类加热装置难以使用，并且进一步增加了排气处理系统的成本和复杂性。此外，使用此类加热装置主动再生微粒过滤器需要将排气加热到可能有害于氧化和SCR催化剂元件中所用的催化剂材料的温度。
[0007]本实用新型的实施例旨在克服上述不足之处。
【发明内容】
[0008]在本实用新型的示例性实施例中，一种排气系统包括被配置成接收来自燃烧发动机的排气的排气通道、配置在排气通道内的热交换器，和流体地连接到热交换器的还原剂供应元件，还原剂供应元件包括甲烷。排气系统还包括流体地连接到热交换器且被配置成经由热交换器接收来自还原剂供应元件的甲烷的第一催化剂元件。排气系统进一步包括配置在排气通道内且被配置成经由热交换器接收来自燃烧发动机的排气的第二催化剂元件。排气系统还包括配置在排气通道内且被配置成接收组合流的清洁催化剂元件。组合流包括离开第一催化剂元件的排气和甲烷。
[0009]在本实用新型的另一个示例性实施例中，一种排气系统包括被配置成将从燃烧发动机接收的排气的温度降至约250° C到约400° C之间的热交换器。排气系统包括流体地连接到热交换器且被配置成使由热交换器加热的甲烷至少部分氧化的第一催化剂元件。排气系统进一步包括与第一催化剂元件并联地流体连接到热交换器的第二催化剂元件，第二催化剂元件被配置成使排气的成分氧化。排气系统进一步包括配置在第一和第二催化剂元件下游的清洁催化剂元件。清洁催化剂元件被配置成还原组合流的成分。组合流包括排气中的氧化成分和至少部分氧化的甲烷。
[0010]在本实用新型的另一示例性实施例中，一种处理来自燃烧发动机的排气的方法包括将从排气的温度降至约250° C到约400° C之间，其中排气包含至少约500 ppm的NOx。所述方法还包括将排气中的至少百分之50的NO转化成NO2,使甲烷和空气的混合物至少部分氧化，以及在至少部分氧化的混合物存在的情况下还原N02。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是根据本实用新型的示例性实施例的动力系统的示意图。
[0012]图2是根据本实用新型的示例性实施例的排气系统的一部分的示意图。
[0013]图3是根据本实用新型的另一个示例性实施例的排气系统的一部分的示意图。
[0014]图4是绘示排气温度与由氧化催化剂元件形成的NO2的百分比之间的示例性关系的图式。
【具体实施方式】
[0015]图1示出示例性动力系统10。出于本实用新型的目的，动力系统10被绘示并描述为包括柴油为燃料的内燃机12。然而，可以设想，动力系统10可包括任何其他类型的燃烧发动机，诸如，举例而言，汽油发动机或由气体燃料提供动力的发动机燃烧压缩或液化天然气、丙烷或甲烷。此类内燃发动机12可连接和/或以其他方式配置成向任何已知的车辆或机器，不论是静态的还是移动的，提供动力。例如，动力系统10可包括发动机12,发动机12包括经由多个燃料喷射器15提供燃料的多个燃烧室14。可以设想，发动机12可包括任意数目的燃烧室14，且燃烧室14可配置成“直列”构型、“V”构型，或任何其他常规的构型。
[0016]多个独立的子系统可包括在动力系统10内。例如,动力系统10可包括空气引入系统16、排气系统18，和控制系统20。空气引入系统16可被配置成将空气引入发动机12的燃烧室14，以与来自喷射器15的燃料混合，供后续燃烧用。排气系统18可将燃烧的废气排至大气。控制系统20可调节空气引入和排放系统16，18的操作，以减少调节的成分和/或其大气排出物的产生。
[0017]空气引入系统16可包括配合以调节压缩空气并将其导入到燃烧室14中的多个组件。例如，空气引入系统16可包括位于一个或多个压缩机24下游的空气冷却器22。可以连接压缩机24以对直接穿过冷却器22的进入空气加压。节流阀(未示出)可位于压缩机24的上游和/或下游以选择性地调节(即，限制)进入动力系统10的进入空气流。对进入空气流的限制可能会导致较少的空气进入动力系统10，并因此，影响动力系统10的空气燃比。可以设想，如果需要的话，空气引入系统16可包括与上述组件不同或额外的组件，诸如，举例而言，与每个燃烧室14相关联的可变阀致动器、过滤组件、压缩机旁路组件，以及可被选择性地控制以影响动力系统10的空燃比的其他已知的组件。进一步设想，如果使用的是自然吸气的发动机12，那么压缩机24和/或冷却器22可以被省略。
[0018]排气系统18可包括处理排气并将排气从燃烧室14引导到大气的多个组件。例如，排气系统18可包括排气通道26、通过流经排气通道26的排气驱动的一个或多个涡轮机28，以及流体地连接到和/或以其他方式设置在排气通道26内，涡轮28的下游位置的多个排气处理装置。可以设想，如果需要的话，排气系统18可包括与上述组件不同或额外的组件，诸如，举例而言，排气再循环(EGR)组件、旁路组件、排气压缩或限制制动装置、衰减装置，以及其他已知的组件。
[0019]每个涡轮28可被设置成接收从燃烧室14排出的排气，并且可通过共用轴30连接到空气导入系统16的一个或多个压缩机24，以形成涡轮增压器。由于离开发动机12的热排气移动通过涡轮28且扩张到其叶片(未示出)上，涡轮28可以旋转并驱动所连接的压缩机24以对进入空气加压。在一个实施例中，涡轮28可以是可变几何涡轮(VGT)，或者包括可变和固定几何形状涡轮的组合。VGT是这样一种涡轮增压器，其几何形状是可调节的，以达到不同的纵横比，使得足够的增压压力可在一系列操作条件下供给燃烧室14。随着涡轮28的流动面积变化，动力系统10的空气燃比，且因此性能，也可能改变。另外，如果需要的话，可以包括使用或不使用电子控制的排气泄压阀的固定几何形状的涡轮增压器。
[0020]排气系统18的处理装置可以从涡轮28接收排气，并且可以催化地氧化、催化地还原，和/或以其他方式转化排气中的成分。此外，排气系统18的处理装置可以根据需要增加或降低排气的温度。在其他示例性实施例中，排气系统18的处理装置可过滤、捕捉，和/或以其他方式去除排气中的成分。在一个例子中，排气处理装置可包括热交换器32、一对氧化催化剂元件34，36，和清洁催化剂元件38。排气处理装置还可包括流体地连接到热交换器32的还原剂供给物50，和流体地连接到还原剂供给物50的加压装置54。加压装置54也可以流体地连接到热交换器32，并且可被设置在热交换器32和还原剂供给物50之间。
[0021]虽然图1中未示出，但是在示例性实施例中，排气处理装置还可以包括由金属丝网、陶瓷蜂窝，和/或设计成捕获颗粒物质的其它类似介质组成的微粒过滤器。当挟带着颗粒物质的排气穿过微粒过滤器时，颗粒物质可能会被介质阻塞，并从排气中除去。可替代地，在图1-图3中所示的示例性实施例中，这种微粒过滤器可以被省略，以减少排气系统18的尺寸、成本和复杂性。
[0022]还原剂供给物50可包括被配置成使还原剂保持液态或气态形式的罐或其它类似容器。还原剂供给物50可被配置成选择性地将气体或液体还原剂，最常见的甲烷、尿素、水/尿素混合物、醇、氢气，或氨/尿素混合物推进到热交换器32中。例如，此类还原剂和/或混合物可在压力下被存储在还原剂供给物50内，并且可通过适当的阀、限制、通道，和/或其它已知的流量控制装置被选择性地释放到热交换器32。或者，加压装置54可以流体地连接到还原剂供给物50和热交换器32，以协助将加压还原剂提供给热交换器32。在示例性实施例中，加压装置54可包括泵、混合器，和/或其它已知的加压和/或流体混合装置。加压装置54可以加以调节和/或以其它方式控制，以将还原剂和空气的所希望的混合物提供给热交换器32，且加压装置54可以可操作以响应地控制空气和还原剂在混合物中的比例。例如，加压装置54可以被控制成将甲烷和空气的加压混合物引导到热交换器32，并且空气与甲烷在混合物中的比例可以响应地和/或以其它方式由加压装置54可控制地改变。
[0023]热交换器32可包括本领域已知的任何类型的流体温度调节和/或热传递装置。例如，热交换器32可包括任何已知的平行流或交叉流热交换器，其被配置成降低经由排气通道26接收的排气的温度，和/或增加还原剂或从加压装置54和/或还原剂供给物50接收的空气和还原剂的混合物的温度。在示例性实施例中，氧化催化剂元件36的上游的热交换器32的尺寸、位置可以被设置成，和/或以其它方式配置成将排气的温度降低至约250°C和约400°C之间。热交换器32可包括，例如，壳管、板、板翅、绝热轮，和/或任何其它类型的热交换器，从而使经过热交换器32的流体之间的热传递最大化，而不使流体混合。
[0024]排气系统18的第一氧化催化剂元件34可位于热交换器32和清洁催化剂元件38之间。第二氧化催化剂元件36可以流体地连接在热交换器32的下游，平行于第一氧化催化剂元件34。氧化催化剂元件34，36可含有在收集、吸收、吸附，和/或转化流中所含的碳氢化合物、一氧化碳、甲烷，和/或氮氧化物方面有用的催化剂元件材料。此类催化剂材料通常包括一种或多种贵金属，诸如，举例而言，铝、钼、钯、铑、钡、铈、碱金属、碱土金属、稀土金属，或其组合。催化剂材料可位于氧化催化剂元件34，36内，以便使可用于排气和/或还原剂成分的收集和/或转换的表面积最大化。氧化催化剂元件34，36可包括，例如，由陶瓷、金属丝网、泡沫，或本领域中已知的任何其它多孔材料制成的各自的基板40，64，68 (图2和图3)，且催化剂材料可位于，例如，氧化催化剂元件34，36的基板40，64，68上。氧化催化剂元件34，36可以是基本上类似的，或者，单独的氧化催化剂元件34，36可包括不同的催化剂材料，或可以具有不同的形状、大小、容量、流动模式，和/或其它构型，使得各自的氧化催化剂元件34，36可被优化用于排气系统18内的不同流体的转化。
[0025]氧化催化剂元件34可以，例如，被配置成使热交换器32的下游的还原剂氧化。在示例性实施例中，氧化催化剂元件34可经由通道42流体地连接到热交换器32和/或排气通道26。氧化催化剂元件34可被配置成协助使经由热交换器34引导到氧化催化剂元件34的甲烷和/或甲烷和空气的混合物至少部分地氧化。在示例性实施例中，经由热交换器32提供给氧化催化剂元件34的流体的温度可由于经由同时穿过热交换器32的排气对流体的净热传递提高。在示例性实施例中，氧化催化剂元件34可被配置成使清洁催化剂元件38上游氧化的甲烷的量最大化，且任何上述催化剂元件材料可用于促成甲烷的氧化。在示例性实施例中，此类材料可以另外包括任何已知的钼族金属、尖晶石、钙钛矿、沸石、金属氧化物、氢氧化物，和/或其混合物。此类材料可被加载到由，例如，氧化铝、二氧化硅、T1xjt酸化氧化铈、氧化锆、氧化钇、WOx、VOxJP /或本领域中已知的其它固体超强酸制成的基板40上。除其它外，此类示例性部分甲烷氧化反应可以产生0)、!12、队和0)2。例如，氧化催化剂元件36可使甲烷和空气的混合物部分地氧化，以产生约28%至约30%的CO，约20%至约25%的H2,约0.1 %至约0.5%的CO2,且余量为N2。甲烷和空气的混合物的部分氧化可以是吸热反应，并且，如上所述，此反应可以通过加入经由热交换器32热传递给混合物的热来辅助。
[0026]另一方面，氧化催化剂元件36可以辅助使热交换器32下游的排气中的一种或多种组分氧化，诸如，举例而言，颗粒物质、碳氢化合物，和/或CO。氧化催化剂元件36也可以被配置成使排气中所含NO氧化，从而将其转化成NO2。因此，氧化催化剂元件36可以协助实现清洁催化剂元件38的上游的NO与NO2的所需比率。在示例性实施例中，氧化催化剂元件36可被配置成使转化为NO2的NO的量最大化，并且离开氧化催化剂元件36的催化排气可能具有比NO更大百分比的N02。上文相对于氧化催化剂元件34所述的任何催化剂材料可以由氧化催化剂元件36用于促成将NO氧化成NO2。此外，这些材料中的任一种可以加载到由，例如，氧化铝、二氧化硅、T1x、硫酸化氧化铈、氧化锆、氧化钇、WOx、VOxjP /或本领域已知的其它固体超强酸制成的氧化催化剂元件36的基板64上。如图4中所示的图式所示，由此类催化剂材料形成的NO2的百分比可以最大化为介于约250°C与约400°C之间的排气温度。在示例性实施例中，氧化催化剂元件36可被配置成将排气中至少40%的NO转化成NO2，并且在其它示例性实施例中，氧化催化剂元件36可被配置成将排气中至少50%的NO转化成N02。在此类示例性实施例中，动力系统10的发动机12可以在高NOx，低颗粒物质模式下工作，且经过氧化催化剂元件36的排气可包括至少约500 ppm的NOx。在这种情况下，热交换器32可将高NOx排气冷却至约250°C和约400°C之间的温度，以促成氧化催化剂元件36将排气中至少50%的NO转化成NO2。
[0027]如图1所示，在示例性实施例中，氧化催化剂元件36可被设置在外壳62中，其独立于外壳63且在与清洁催化剂元件38相关联的外壳63的上游。在此类示例性实施例中，离开氧化催化剂元件34的甲烷和空气的至少部分氧化的混合物可以与离开清洁催化剂元件38的上游和/或氧化催化剂元件36下游的第二催化剂元件36的氧化排气混合和/或以其他方式结合。特别是，甲烷和空气的混合物的部分氧化的副产品可通过通道42离开氧化催化剂元件34，并且可以与NO、NO2，和氧化催化剂元件36的下游的排气通道26中的其它催化的排气成分结合。然后，此结合流可经由排气通道26传递给清洁催化剂元件38。
[0028]如图2和图3中所示，在附加的示例性实施例中，氧化催化剂元件36可以被设置在与清洁催化剂元件38相同的外壳62内。例如，氧化催化剂元件36可以设置在清洁催化剂元件38的上游和氧化催化剂元件34的下游，使得上述组合流在氧化催化剂元件36的上游形成。如图2所示，在此类示例性实施例中，氧化催化剂元件36的催化剂材料可以被设置在外壳62内的基板64上，并且清洁催化剂元件38的催化剂材料可以被设置在外壳62内的独立的各自的基板66上。另外，如图3所示，催化剂元件36，38的催化剂材料均可被设置在外壳62内的单个基板68上。在此类示例性实施例中，催化剂元件36，38的催化剂材料可以以任何方便的方式设置在基板68上。例如，各催化剂元件36，38的催化剂材料可以，例如，洗涂或喷涂在基板68上，且基板68可部分地或完全地涂覆有这样的材料。在示例性实施例中，每种催化剂元件36，38的催化剂材料可以被设置在基板68上的单独的相邻的频带或层内。图3中所示的基板68的局部示意图示出这种示例性实施例。或者，催化剂元件36，38的催化剂材料可以物理混合在一起，并设置在单个基板68上作为大致均匀的涂层。
[0029]清洁催化剂元件38可以设置在排气通道26内，并被配置成接收上述组合流。例如，清洁催化剂元件38可以设置在氧化催化剂元件34和/或氧化催化剂元件36的下游，并且清洁催化剂元件38可被配置成催化氧化和/或催化还原上述组合流的成分。在示例性实施例中，清洁催化剂元件38可包括被配置成将组合流转化为无害的和/或环境可接受的元素，诸如，N2、C02和H2O等的氧化还原催化剂元件。例如，清洁催化剂元件38可以被配置成捕获、存储，和/或转化由离开氧化催化剂元件36的排气中未反应成分组成的组合流的组分，以及可滑过氧化催化剂元件34的甲烷和/或其它还原剂。这种示例性清洁催化剂元件38可包括上述催化剂材料、基板，和/或基板材料中的任一种。而且，如本文所用，术语“氧化”是指元素或化合物获得氧的一种化学反应。同样地，如本文所用，术语“还原”是指元素或化合物失去氧的一种化学反应。因此，可以理解的是，在“氧化还原”反应过程中，氧化和还原均可发生在基本上相同的时间和/或在相同的催化剂材料/基板上。例如，在清洁催化剂元件38包括氧化还原催化剂元件的实施例中，清洁催化剂元件38可促成组合流的成分在清洁催化剂元件基板66，68上氧化和还原。发生在清洁催化剂元件38中的这种氧化还原反应可将组合流转化为N2、CO2和H2O,等等。
[0030]应该理解的是，在某些操作条件下，排气所携带的NOx的量可能不会被氧化催化剂元件36转化成N02。此类条件可包括，例如，何时氧化催化剂元件36高于或低于上文所讨论的最佳NOx转化温度范围(在约250°C和约400°C之间)，和/或何时氧化催化剂元件基板64/68的基本上所有的NOx转化位置被占用。此外，甲烷和空气的混合物中未被氧化催化剂元件34氧化的甲烷可连同在氧化催化剂元件34上发生的部分氧化反应的副产品一起离开氧化催化剂元件34。离开催化剂元件34，36的流体可在清洁催化剂元件38的上游混合，并且此组合流的成分可在清洁催化剂元件38上反应以形成N2、CO2和H2O等等。
[0031 ] 控制系统20可包括被配直成在动力系统10的排气排放到大气中之如调节动力系统10的排气的处理的组件。具体地说，控制系统20可包括与一个或多个排气传感器56、加压装置54和喷射器15通信的控制器52。基于一个或多个排气传感器56和/或其它输入端的输入，控制器52可确定动力系统10所产生的NOx的量、应该被引导到热交换器32的甲烷和/或其它还原剂的所需量、被引导到热交换器32的甲烷和空气的混合物的所需比例，和/或其它类似的控制参数。然后，控制器52可以调节，例如，加压装置54的操作，使得所需量的甲烷和/或其它还原剂被传递给氧化催化剂元件34。例如，被引导到氧化催化剂元件34的甲烷和/或甲烷和空气的混合物的量可能影响存在于组合流中的部分氧化甲烷的量。在示例性实施例中，排气传感器56可包含N0x、02、CH4、C0，和/或H2传感器，或本领域已知的任何其它类型的流体传感器。例如，排气传感器56可以设置在排气通道26内和/或以其他方式设置在氧化催化剂元件36的上游，且排气传感器56可被配置成产生指示排气的NOx浓度的信号。控制器52可以与排气传感器56和加压装置54通信，并且控制器52可被配置成响应于所述信号来调节加压装置54的操作。这种调节可以控制被引导到氧化催化剂元件34的甲烷的量和/或甲烷和空气的混合物的量。
[0032]在另一个示例性实施例中，排气传感器56可以是温度传感器，其被配置成产生对应于经过热交换器32上游和/或下游的排气通道26的排气的温度的信号，且排气传感器56可以被配置成将此信号发送给控制器52。在这个例子中，当信号与高于阈值温度的排气温度对应时，控制器52可判定，可能有氧化层已经在氧化催化剂元件36的基板64/68上形成。基于这种信号，控制器52可确定，氧化催化剂元件36需要维护，并且可发送指示需要维护氧化催化剂元件36的通知给动力系统10的操作者。
[0033]进一步设想，排气传感器56可以替代地具体化为虚拟传感器。虚拟传感器可基于动力系统10、排气系统18，和/或排气的一种或多种已知的或感测的操作参数产生模型驱动的估计。例如，基于动力系统10的已知的操作速度、负载、温度、增压压力、环境条件(湿度、压力、温度)，和/或其他参数，可以引用模型来确定排气中NOx的浓度。同样地，基于动力系统10的已知的或估计的NOx生成量、排气离开动力系统10的流速，和/或排气的温度，可以引用该模型来确定氧化层的形成。因此，如果需要的话，从排气传感器56引导到控制器52的信号可基于计算出的和/或估计出的值，而不是直接测量值。可以设想，如果需要的话，这些虚拟传感功能可以由控制器52，而不是单独的元件来完成。
[0034]控制器52可以具体化为单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等，包括用于响应于从上述各种排气传感器56接收的信号来控制动力系统10的操作的装置。许多市售微处理器可以被配置成执行控制器52的功能。应当理解的是，控制器52可以容易地体现为与控制其它非排气相关的动力系统功能的微处理器分离的微处理器，或者，控制器52可以与一般动力系统的微处理器集成在一起,且能够控制许多动力系统功能和操作模式。如果与一般动力系统的微处理器分离，那么控制器52可以经由数据链或者其他方法与一般动力系统的微处理器通信。各种其他已知的电路可以与控制器52，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动电路(S卩，电路供电的螺线管、马达，或压电致动器)、通信电路和其它适当的电路相关联。
[0035]工业实用性
[0036]本实用新型的排气系统18可与向环境排放排气的任何动力系统10 —起使用。利用这种排气系统18的动力系统10可并入用于采矿、建造、移动或固定发电、农业，和/或其他应用的机器。现在将描述动力系统10和排气系统18的操作。
[0037]参照图1，空气导入系统16可对空气或空气和燃料的混合物加压，并迫使空气或空气和燃料的混合物进入动力系统10的燃烧室14供后续燃烧用。燃料和空气的混合物可以由动力系统10的发动机12来消耗，以产生机械功输出，以及热气体和颗粒物质的排气。例如，排气可包含由可包括NOx的气体物质组成的空气污染物的复杂混合物。
[0038]为了大幅减少和/或消除通过燃烧过程产生的颗粒物质，动力系统10的发动机12可在“高NOx”操作模式下操作。在这种高NOx操作模式下，可操作发动机12用以燃烧贫燃料空气混合物，由喷射器15注入各自的燃烧室14的时序可以是偏移量(每个各自的燃烧室14内的活塞通过上死点之前或之后)，被引导返回发动机12的再循环排气的数量可减少，和/或其它已知的发动机控制参数可以被修改。由于这种高NOx操作，排气可包含至少约500 ppm的NOx。此外，由于这种高NOx操作过程中已知的燃料燃烧过程中产生的NOx和颗粒物质的量之间的反比关系，排气中颗粒物质的量可以忽略不计和/或在环境可接受的范围内。因此，微粒过滤器可能没有必要从在高NOx操作模式过程中产生的排气中除去颗粒物质，且如图1所示，这种微粒过滤器可以从排气系统18中被省略。
[0039]当示例性高NOx排气排出燃烧室14时，排气可经由排气通道26被引导通过涡轮28到达热交换器32。排气可经过设置在热交换器32上游和/或下游的排气通道26中的一个或多个排气传感器56附近，并且所述一个或多个排气传感器56可产生指示排气特性的信号。例如，排气传感器56可产生指不热交换器32的上游和/或氧化催化剂兀件36的上游的排气的NOx浓度的信号。排气传感器56可将此信号引导到控制器52，用于处理和/或用于控制动力系统10的组件。例如，如果该信号指示NOx浓度高于NOx浓度阈值，那么控制器52可以调节和/或控制加压装置54以增加被引导到热交换器32的甲烷或其它还原剂的量。另一方面，如果该信号指示NOx浓度低于NOx浓度阈值，那么控制器52可以调节和/或控制加压装置54，以减少被引导到热交换器32的甲烷的量。
[0040]排气可穿过热交换器32，而单独的甲烷流、甲烷和空气的混合物，和/或其它还原剂或还原剂混合物(为了便于描述，在本实用新型中统称为“甲烷”)同时穿过热交换器32。如上所述，从还原剂供给物50引导到热交换器的甲烷的量、流量，和/或压力可以改变和/或由控制器52控制。特别是，响应于从所述一个或多个排气传感器56接收的信号，控制器52可调节加压装置54的操作，以控制以闭环或开环方式被引导到热交换器32的甲烷的量。当相对较热的排气和相对较冷的甲烷同时穿过热交换器32时，热可以从排气传递到甲烷，从而将排气主动冷却至约250°C和约400°C之间的温度。这样的热传递可能也会增加甲烷的温度。冷却的排气可在箭头48所在方向上经由排气通道26从热交换器32传递至氧化催化剂元件36。另一方面，加热的甲烷可在箭头44所在方向上经由通道42从热交换器32传递到氧化催化剂元件34。
[0041]穿过氧化催化剂元件36的排气的各种成分可通过设置在氧化催化剂元件36的基板64上的催化剂材料被氧化。特别是，氧化催化剂元件36可将高NOx排气中至少40%的NO转化为NO2,并且在示例性实施例中，氧化催化剂元件36可将排气中至少50%的NO转化成N02。如图4中的图式所指出的，由氧化催化剂元件36形成的NO2的百分比可能与排气的温度有关，并且当被冷却的排气的温度介于约250°C和约400°C之间时，这种NO2形成可被最大化。排气可在箭头58所在方向上离开氧化催化剂元件36。
[0042]穿过氧化催化剂元件34的被加热的甲烷可以被设置在氧化催化剂元件34的基板40上的催化剂材料至少部分地氧化。由于甲烷被称为是一种难以氧化的分子，甲烷在氧化催化剂元件34的催化剂材料上的吸热反应可仅使穿过氧化催化剂元件34的甲烷部分地氧化。例如，仅穿过氧化催化剂元件34的约25%到约40%的甲烷可被氧化。如上所述，利用氧化催化剂元件34上游的热交换器32主动加热甲烷可能会增加此吸热反应的效率。甲烷的部分氧化的副产品可包括C0、H2、N2，和CO2,且这些副产品可在箭头46所在方向上经由通道42离开氧化催化剂元件34。
[0043]如图1示意性所示，这样的副产品可以与离开氧化催化剂元件36的排气混合，以形成清洁催化剂元件38的上游的组合流，并且组合流可在箭头60所在方向上进入清洁催化剂元件38。参照关于图2和图3，另一方面，这样的副产品可以与氧化催化剂元件36和清洁催化剂元件38的上游的排气混合。因此，在这样的实施例中，组合流可以在氧化催化剂元件36的上游形成，并且可以在存在于组合流中的NO被氧化催化剂元件36氧化后从氧化催化剂元件36传递给清洁催化剂元件38。
[0044]继续参考图1，含有富NO2排气成分和部分甲烷氧化反应的副产品的组合流可在清洁催化剂元件38上反应。应理解的是，在清洁催化剂元件38上发生的反应可包括组合流的各种成分的氧化和还原反应。进一步理解的是，部分甲烷氧化反应的副产品可促成存在于清洁催化剂元件38的基板66上的催化剂元件材料的这种氧化和还原反应。这种反应可能会产生N2、CO2和H2O,等等，且这些副产品可在箭头70所在方向上经由排气通道26离开清洁催化剂元件38。
[0045]各种有利方面可以与所公开的动力系统10、排气系统18,和/或处理排气的方法相关联。例如，在高NOx模式下操作发动机12可产生从根本上消除燃烧过程中产生且夹带在发动机排气中的颗粒物质的所希望的效果。因此，这种高NOx操作无需微粒过滤器和通常与此类过滤器相关联的主动再生装置。因此，本排气系统18可以更紧凑，使用和维修不太复杂，并且比采用微粒过滤器技术的常规排气系统更便宜。
[0046]此外，已知在高NOx模式下操作发动机产生具有升高的NOx浓度，诸如，约500 ppm的NOx或更高的燃烧排气。虽然已知的氧化和/或SCR催化剂元件可能足以净化含有约250ppm和约300 ppm之间的NOx的典型的排气排放物，这样的催化剂元件不能净化具有这种升高的NOx浓度的排气。另一方面，排气系统18的排气冷却，部分甲烷氧化，和组合流氧化还原能力促成此类高NOx气体安全且可接受地转化成无害的成分。特别是，冷却氧化催化剂元件36上游的高NOx排气使可用于在清洁催化剂元件38中反应的NO2最大化。此外，使甲烷部分氧化产生副产品，促成富NO2排气在清洁催化剂元件38上基本上完全转化。对标准SCR技术来说，此类排气的基本上完全的转化是不可能，即使是使用甲烷作为还原剂也是如此。
[0047]本领域技术人员显而易见的是在不脱离本实用新型的范围的情况下可以对本实用新型的系统进行各种修改和变型。例如，虽然未在本文中更详细地描述，但是在其他示例性实施例中，离开热交换器32的加热的甲烷的一部分可被引导到空气导入系统16，用于输入到发动机12中。将这样的加热的甲烷提供给发动机12可以，其中包括，提高各个燃烧室14的燃烧效率。在其他示例性实施例中，尿素和空气的混合物可以用作还原剂。在这样的实施例中，催化剂元件34可包括本领域已知，且被配置成根据以下示例性方程式转化尿素/空气混合物的任何类型的尿素水解催化剂:
[0048]N2H4CO + H2O -> 2NH3 + CO2。
[0049]通过这种示例性部分氧化反应，尿素水解催化剂可以将气态NH3提供给清洁催化剂38。
[0050]考虑到对本文所公开的系统的说明和实践，其它实施例对本领域的技术人员是显而易见的。说明书和实例的意图在于仅被视为示例性的，本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物确定。
【权利要求】
1.一种排气系统(18),其特征在于,包括: 排气通道(26)，被配置成接收来自内燃发动机(12)的排气； 热交换器(32)，设置在排气通道(26)内； 还原剂供应元件(50)，流体地连接到热交换器(32)，还原剂供应元件(50)包括甲烷； 第一催化剂元件，流体地连接到热交换器(32)且被配置成经由热交换器(32)接收来自还原剂供应元件(50)的甲烷； 第二催化剂元件，设置在排气通道(26)内且被配置成经由热交换器(32)接收来自内燃发动机(12)的排气；以及 清洁催化剂元件，设置在排气通道(26)内且被配置成接收组合流，所述组合流包括离开第一催化剂元件的排气和甲烷。
2.如权利要求1所述的排气系统(18)，其特征在于，第一催化剂元件包括被配置成使由还原剂供应元件(50)接收的甲烷至少部分氧化的氧化催化剂元件(34)。
3.如权利要求1所述的排气系统(18)，其特征在于，进一步包括流体地连接到还原剂供应元件(50)的加压装置(54)，加压装置(54)被配置成将甲烷和空气的加压混合物引导到热交换器(32)。
4.如权利要求3所述的排气系统(18)，其特征在于，进一步包括设置在第二催化剂元件的上游的排气通道(26)中的排气传感器(56)，排气传感器(56)被配置成产生指示排气的NOx浓度的信号，以及 控制器(52 )，与传感器和加压装置(54 )通信，控制器(52 )被配置成响应于所述信号来调节加压装置(54)的操作。
5.如权利要求1所述的排气系统(18)，其特征在于，第二催化剂元件包括被配置成将排气中的NO转化成NO2的氧化催化剂元件(34)。
6.如权利要求1所述的排气系统(18)，其特征在于，清洁催化剂元件(38)包括被配置成将组合流转化成N2、CO2和H2O的氧化还原催化剂元件。
7.如权利要求1所述的排气系统(18)，其特征在于，热交换器(32)将排气冷却至250°C到400° C之间。
【文档编号】F01N3/28GK203978568SQ201390000183
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月31日
【发明者】S·M·惹姆斯科娃 申请人:卡特彼勒公司