运转具有排气道的车辆的方法与流程

本申请要求于2015年7月3日提交的德国专利号102015212485.1的优先权，为了所有目的，其整个内容在此通过引用被并入本文。

技术领域

本发明大体涉及用于发动机的排气后处理系统的方法和系统。

背景技术：

本公开涉及用于内燃发动机(特别是以稀燃料混合物运转的车辆内燃发动机)的具有排气净化的排气道。在运转期间，内燃发动机通常产生大量的氮氧化合物(NOx)。特别是在用于机动车辆中的柴油发动机和火花点火式发动机的情况下，排气中的氮氧化合物体积一般在允许的极限之上，并且因此会需要排气后处理来减少NOx排放。在许多发动机的情况下，氮氧化合物借助于三元催化剂由排气的未氧化的成分(即通过一氧化碳(CO)和未燃的碳氢化合物(HC))来还原。然而，特别是在柴油发动机和以稀燃料混合物运转的发动机的情况下，该方法是不可用的，因为由于排气的高氧气含量而不存在或几乎不存在NOx的还原。特别是在柴油发动机的情况下，因此根据广泛使用的方法采用SCR催化剂(SCR：选择性催化反应)，所述催化剂借助于被引入排气管路中的还原剂将来自内燃发动机的排气中含有的氮氧化合物转化为无害物质(N₂和H₂O)。在SCR催化剂中，这些反应能够仅在一定温度范围内发生。

SCR催化剂的最小起燃温度(TLO)的达到以阈值的达到为特征，阈值的达到进而是NOx转化的有效性的指示符。该阈值的达到一般被本领域技术人员称为“起燃”。“转化速率”的阈值(包含有效性指示符)通常例如为90％的NOx转化速率。取决于SCR催化剂的设计，常规的“起燃”温度TLO为200℃至250℃。在该方面，有意义的是，将SCR催化剂尽可能靠近内燃发动机布置在排气道中以便能够尽可能快地达到TLO。然而，SCR催化剂的转化速率从大约500℃的温度急剧下降。

技术实现要素：

发明人在此已经认识到，希望具有在低排气温度下和/或在短暂的暖机时间之后和在高排气温度下都提供良好的NOx转化的排气道(或排气后处理系统)。

在一个示例中，一种用于具有内燃发动机的车辆的排气道包括：第一排气后处理装置和被布置在其下游的计量装置。第一排气后处理装置的沿排气的主要流动方向位于排气道下游的第一区域被设计为SCR区域，并且计量装置被设计为与排气的主要流动方向相反将还原剂喷射到第一排气后处理装置的面向下游侧上。

应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步地描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题的范围由随附的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示出了根据本公开的实施例的第一图示性排气道。

图2示出了根据本公开的实施例的第二图示性排气道。

图3示出了用于根据本公开的实施例的排气后处理系统的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述涉及用于被设置在发动机的排气道(例如，通道)中的排气后处理系统的系统和方法。

在本公开的一个实施例中，排气道包含至少一个第一排气后处理装置和被布置在其下游的计量装置(例如喷射器)。第一排气后处理装置的位于第一排气后处理装置的最下游的区域被设计为SCR区域，并且计量装置以它能够与排气的主要流动方向相反将还原剂喷射到第一排气后处理装置的面向下游侧上的方式进行设计。根据实施例的排气道能够被设计为具有被布置在计量装置下游的第二排气后处理装置。根据实施例的排气道还能够包含被布置在计量装置的喷射区域中的第一混合装置。该第一混合装置影响喷射的还原剂在第一排气后处理装置的面向下游侧上面的分布。根据实施例的排气道还能够被设计为具有被布置在计量装置下游的第二混合装置。该第二混合装置帮助引入的还原剂与排气的混合。在一个示例中，根据实施例的排气道的第一排气后处理装置能够包含氧化催化剂。此外或作为替代，第一排气后处理装置还能够包含NOx存储催化剂。第一排气后处理装置或被设计的那些区域的氧化催化剂或NOx存储催化剂因此能够以导热的方式被连接至第一排气后处理装置的SCR区域。这促进第一排气后处理装置的SCR区域的迅速变暖。根据实施例的排气道的第二排气后处理装置能够包含SCR催化剂。根据实施例的排气道的第二排气后处理装置还能够包含柴油微粒过滤器或选择性涂覆催化剂(selectively catalytically coated)的柴油微粒过滤器。

本公开还包含用于使根据上述的实施例的排气道运转的方法，并且进一步包含具有被设计为具有根据实施例的排气道的内燃发动机的车辆。该方法可以包括利用根据本公开的实施例的排气道经由与排气的主要流动方向相反被喷射到第一排气后处理装置的面向下游侧上以便净化排气的还原剂来净化内燃发动机的排气。

根据本公开的车辆装有根据本公开的实施例的排气道和用于执行根据本公开的实施例的方法的控制装置。

根据两个图示性实施例的在下面给出的详细描述，本公开的进一步特征、特点和优点将变得显而易见。

图1示出了根据本公开的内燃发动机14，所述内燃发动机14具有排气道的下游第一图示性实施例，所述排气道包括排气后处理系统100。在该示例中，排气道包含第一排气后处理装置8、计量装置1、可选的第一混合装置2、可选的第二混合装置3和第二排气后处理装置9。内燃发动机14产生排气(例如，排气流)5，所述排气5来自内燃发动机14，首先经过第一排气后处理装置8，然后经过第二排气后处理装置9，且最后到达排气出口。这给出了排气5的主要流动方向。当然，使排气5经过诸如消声器的进一步装置或进一步的排气后处理装置也是可能的。此外，分支和/或阀门能够被布置在排气流中，以便使排气转向到例如排气再循环系统中。

第一排气后处理装置8包含SCR区域10，所述SCR区域10包括在排气后处理装置8中被布置在下游的SCR催化剂。因此，相比于排气后处理装置8的其他区域或催化剂，SCR区域10可以在排气后处理装置中被设置在更下游。此外，第一排气后处理装置8能够包含被布置在SCR区域10下游的用于排气后处理的进一步区域。在根据图1中图示的本公开的排气道的设计中，该区域被设计为氧化催化剂4。氧化催化剂4被主要用来利用存在于排气中的存于氧气O2来完全氧化存在于排气中的不完全燃烧的产物(诸如CO和HC)。然而，氧化催化剂4还促进NO到NO2的氧化，这有利于SCR催化剂的运转。

第一排气后处理装置8内的区域能够是在共同的支撑结构上具有不同的催化剂涂层的区域。区域因此以导热的方式进行连接。在内燃发动机14下游的紧密耦合的布置能使在装有根据本公开的排气道的车辆运转之后迅速地达到SCR区域10的起燃温度。在图1中以示例的方式示出的实施例中，这通过在氧化催化剂4中发生的放热反应来促进。

被设置在第一排气后处理装置8下游的计量装置(在一个示例中，其可以是喷射器)1以这样的方式进行设计，即它能够与排气5的主要流动方向相反将还原剂6应用于SCR区域10的面向下游侧10A。例如，计量装置1的中心轴线15以从第一排气后处理装置8的纵向轴线16的钝角进行布置，纵向轴线16沿着排气通过排气道和第一排气后处理装置8的主要流动方向进行布置。因此，中心轴线15与SCR区域10的面向下游侧10A相交，并且从计量装置1喷射的还原剂6撞击SCR区域的面向下游侧10A。换言之，计量装置(例如，喷射器)1的喷嘴面向SCR区域的面向下游侧10A。这样能够使SCR反应在位于计量装置1上游的SCR区域10中发生，将氮氧化物和还原剂6或还原剂6的反应产物转化为无害物质，诸如水H₂O和氮气N₂。

在一个示例中，还原剂6是尿素溶液(诸如“AdBlue”)。该尿素溶液在排气5中并且尤其是在SCR区域10中反应以产生氨(“水解”)，并且以此方式使SCR反应成为可能。适合于SCR反应的其他还原剂也能够代替尿素溶液被用作还原剂6。例如，氨能够被直接引入排气5中。

SCR区域10的涂层能够以它促进还原剂6的转化的方式进行设计。例如，从尿素到氨的水解能够被促进。因此帮助被布置在更远的下游的第二排气后处理装置9的运转是可能的。也可能的是：SCR区域10的涂层被有利地设计为存储物质(例如氨)使得它可用于随后的反应。

第一混合装置2能够被布置在计量装置1的喷射区域中，以便影响还原剂6的分布以及其与排气5的混合。具体地，计量装置1可以被耦接至排气后处理装置被设置在其中的排气通道(例如，排气道)的锥形形状部分17的顶部表面。锥形形状部分17的更大直径的第一侧被直接耦接至SCR区域10，而锥形形状部分17的更小直径的第二侧被直接耦接至排气通道的管道18，锥形形状部分17的顶部表面和底部表面将锥形形状部分17的第一侧耦接至第二侧。管道18的第一端被直接耦接至锥形形状部分17的第二侧，而管道18的第二端被直接耦接至第二排气后处理装置9。

第二混合装置3能够被布置在计量装置1的下游，以便例如影响还原剂6与排气5的混合，以便在位于更远的下游的第二排气后处理装置9中进一步处理。如在图1中示出的，第二混合装置3被设置在管道18内。

第二排气后处理装置9能够被布置在计量装置1和可选的第二混合装置3的下游。在图1中以示例的方式示出的实施例中，这被设计为SCR催化剂7。特别是在内燃发动机14的相对高的负荷下，SCR区域10中的排气的温度和流率能够是如此高，以至于一些NOx不能在SCR区域10中进行转化。在SCR催化剂7中，在SCR区域10中在相关的边界条件下未被转化的氮氧化物能够被转化为无害物质。

对于NOx在SCR催化剂7中的转化，必要条件包括存在足够还原剂6或还原剂6的反应产物和SCR催化剂7的足够高的温度。SCR催化剂7中的足够高的温度能够特别是在内燃发动机14的高负荷下被预期。在高负荷和排气5的相应高的温度下，自初步反应(诸如蒸发和水解)以后更易于引入大量的还原剂6也是可能的。

在图1中示出的排气道的图示性实施例中，SCR区域10与SCR催化剂7之间存在特别有利的互补性。SCR区域10在低发动机负荷下或在发动机启动之后不久并且在计量装置1的给定的适当控制下达到NOx转化所需的起燃温度能够减少NOx排放。在这些运转情况下，SCR催化剂7一般未达到其起燃温度，并且因此仅能够转化少量的NOx或根本不能转化NOx。

在更高的发动机负荷下或在发动机启动之后的更长时间内，SCR区域10中的温度增加，并且能够超过对于NOx转化来说可允许的运转范围。此外，更高的排气体积流量能够导致通过计量装置1引入的还原剂6不再到达或仅部分地到达SCR区域10。那么SCR区域10单独确保充分的NOx转化不再是可能的。在这些运转情况下，然而，SCR催化剂7能够达到其起燃温度。如果足够的还原剂6被引入，那么SCR催化剂7能够转化NOx并且因此减少NOx排放。

图2示出了根据本公开的内燃发动机14，所述内燃发动机14具有排气道的下游第二图示性实施例，所述排气道包括排气后处理系统200。在图2中示出的布置中，由内燃发动机产生的排气(例如，排气流)5首先穿过进入排气涡轮增压器涡轮11，然后朝向排气出口通过第一排气后处理装置8和第二排气后处理装置9。排气5进入第一排气后处理装置8的主要流动方向平行于第一排气后处理装置8的纵向轴线16。

在图2中以示例的方式示出的排气道的变体还包含计量装置1、可选的第一混合装置2和可选的第二混合装置3。在该图示性实施例中，排气5当然也能够经过诸如消声器的进一步装置或进一步的排气后处理装置。此外，分支和/或阀门能够被布置在排气流中，以便使排气转向用于排气再循环。

排气涡轮增压器涡轮11在内燃发动机14的正下游的布置是具有内燃发动机的目前车辆的商业化可得的实施例。在排气涡轮增压器涡轮11中，焓从排气5被移除，一般为了驱动压缩机。然而，在替代实施例中，排气道可以不包括排气涡轮增压器涡轮11。

作为与在图1中示出的图示性实施例的区别，图2中的第一排气后处理装置8包含在SCR区域10上游的NOx存储催化剂12。此外，第一排气后处理装置8包括环绕(并且容纳)NOx存储催化剂12和SCR区域10两者的共同壳体(例如，罐)。当第一排气后处理装置8中的温度仍然在SCR区域10的起燃温度之下时，NOx存储催化剂12能够存储NOx。同样地，作为与在图1中示出的示例的区别，在图2中示出的变体中的第二排气后处理装置9被设计为选择性涂覆催化剂的柴油微粒过滤器(SDPF)13。

如在图2中示出的，SDPF 13(和第二排气后处理装置9)的第一纵向轴线19垂直于第一排气后处理装置8的第二纵向轴线16，其中第一纵向轴线19沿排气流通过SDPF 13的方向进行布置，而第二纵向轴线16沿排气流通过第一排气后处理装置8的方向进行布置。因此，排气流通过SDPF 13的方向从排气流通过第一排气后处理装置8的方向被转动90度。第一排气后处理装置8和第二排气后处理装置9经由包括U形弯曲部的管道20被耦接至彼此。如在图2中示出的，管道20的第一端包括第一U形弯曲部21，而管道20的第二端包括第二U形弯曲部22。包括第一U形弯曲部21、第一U形弯曲部21与第二U形弯曲部22之间的相对直的管道的区段和第二U形弯曲部22的管道20的几何形状能使流动方向从第一排气后处理装置8改变为第二排气后处理装置9。

此外，计量装置(在一个示例中，其是喷射器)1被耦接至排气后处理系统被设置在其中的排气通道(例如，排气道)的锥形形状部分17的顶部表面。锥形形状部分17的更大直径的第一侧被直接耦接至SCR区域10，并且锥形形状部分的底部表面被直接耦接至弧形管道20。锥形形状部分17的顶部表面和底部表面将锥形形状部分17的第一侧耦接至更小直径的第二侧。如在图2中示出的，管道20的第一端被直接耦接至锥形形状部分17的底部表面，而该管道的第二端被直接耦接至SDPF 13。此外，如在图2中示出的，第一混合装置2可以在计量装置1与SCR区域10的面向下游侧10A之间被设置在锥形形状部分17内。另外，第二混合装置3可以在第一U形弯曲部21与第二U形弯曲部22之间被设置在通道20的中间部分中。

如在图2中示出的，计量装置1的中心轴线15以从第一排气后处理装置8的纵向轴线16的钝角进行布置。因此，中心轴线15与SCR区域10的面向下游侧10A相交，并且从计量装置1喷射的还原剂6撞击SCR区域的面向下游侧10A。由于计量装置1、锥形形状部分17和管道20的上述布置，从计量装置1喷射的还原剂6还撞击第一U形弯曲部21，其中排气流在第一时间内转动。因此，还原剂6的微滴在排气流开始沿不同的方向转动(例如，向下转动，如在图2中示出的)之前逆着排气流(例如，沿逆流方向)进入排气流。逆流喷射降低了还原剂6聚集在U形弯曲部21的底部处的可能性。另外，还原剂6以上述角度(例如，相对于纵向轴线16的钝角)的逆流喷射允许还原剂6的第一部分进入SCR区域10的上游SCR，并且允许还原剂6的其余部分向下游行进至SDPF 13。使SDPF 13取向为垂直于第一排气后处理装置8并且在第一排气后处理装置8竖直下方(相对于竖直方向23，所述竖直方向23相对于发动机被安装在其中的车辆位于的表面)(如在图2中示出的)和沿逆流方向喷射还原剂的组合增加了排气流的湍流和还原剂与排气流的混合。这种布置通过允许发动机的部件在发动机系统内紧密地配合在一起来降低发动机的总体封装尺寸。

当针对NOx存储催化剂12中的温度的阈值被超过时，NOx存储催化剂12再次释放存储的NOx。考虑到合适的设计，SCR区域10在此时间点已经达到其起燃温度，并且能够转化由NOx存储催化剂12释放的NOx。NOx存储催化剂12通过内燃发动机14的“加浓”运转(“亚化学计量比”或“利用过多燃料”)而被再生也是可能的。来自排气5的碳氢化合物HC和一氧化碳CO然后与被存储在NOx存储催化剂12中的氮氧化物反应，从而形成CO2、N₂和H₂O。在加浓的发动机运转期间，还能够在NOx存储催化剂12中形成氨，并且这能够被存储在SCR区域10中用于随后的NOx转化。

另一方面，图2中的图示性实施例中的SDPF 13执行与图1中的SCR催化剂7类似的功能。如果例如SCR区域10中的温度如此高以至于NOx转化是不充足的，那么在SDPF 13中的温度在合适的设计的情况下是足够高的，以确保剩余NOx的充分转化。作为进一步的功能，SDPF 13能够将颗粒从排气5中过滤出来。考虑到SDPF 13的适当设计，存储的颗粒的氧化并且因此SDPF的再生在一定温度下开始。

在图2中示出的实施例因此代表了用于减少具有以稀混合物运转的内燃发动机14的车辆的NOx排放的有利系统。取决于根据本公开的排气道的温度状态，NOx存储催化剂12、SCR区域10或SDPF 13中的任一个均能够减少NOx排放。考虑到适当的实施例，因此，能够为车辆和内燃发动机14的任何运转状态提供有利地有效的NOx减少。

用于控制根据本公开的排气道的根据本公开的方法利用控制装置24(例如，包括存储器并且被耦接至发动机的一个或多个传感器和/或致动器的电子控制单元)确定内燃发动机的运转状态，诸如排气5的温度和排气道的部件的温度。取决于这些，控制装置24控制计量装置1，并且因此开始合适体积的还原剂6的供应。尽管控制时间的调节/变化同时允许排气5的主要流率，但是影响因而产生的计量装置1的喷射型式也是可能的。因此，影响被喷射的还原剂6的体积如何被分布在SCR区域10和第二排气后处理装置9上方是可能的。

包含根据本公开的排气道的车辆也是本公开的一部分。原则上，具有内燃发动机的所有车辆在这里都是合适的。本公开能够被应用于装有以稀混合物(利用过多空气或超化学计量比)运转的内燃发动机的车辆中的具体优点。这些通常是装有柴油发动机或直喷火花点火式发动机的卡车或客车。然而，如宇宙飞船、船舶、轨道车辆或机车的实施例也是可想得到的。

图3呈现了用于排气后处理系统(诸如在图2中示出的排气后处理系统200)的方法300。在302处，该方法包括，使排气沿第一方向流过包括NOx存储催化剂和SCR催化剂的第一排气后处理装置，SCR催化剂在第一排气后处理装置的共同罐内被布置在NOx存储催化剂的下游。在304处，该方法包括，沿与第一方向相反的第二方向将还原剂喷射在SCR催化剂的面向下游表面上。作为一个示例，与第一方向相反可以包括沿以从第一方向的钝角进行布置的方向。在306处，该方法包括，使包括还原剂的排气流向位于第一排气后处理装置下游的SDPF。作为一个示例，在304处使包括还原剂的排气流动包括，使包括还原剂的排气流过被耦接在第一排气后处理装置与SDPF之间的管道中的第一弯曲部，然后使包括还原剂的排气沿第三方向流过管道，第三方向与第一方向相反但是与第一方向平行，并且然后使包括还原剂的排气流过管道中的第二弯曲部。在308处，该方法包括，使包括还原剂的排气沿第四方向流入并且流过SDPF，第四方向垂直于第一方向和第三方向中的每一个。

注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中并且可以通过包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作和/或功能可以所示顺序执行、并行地执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现在本文中所描述的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器的代码，其中通过配合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。

应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

以下权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求而要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。