用于内燃发动机的排气后处理装置的制作方法

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用于内燃发动机的排气后处理装置的制造方法

本发明涉及用于内燃发动机的排气后处理装置。本发明特别地涉及用于催化NOx转化的还原剂的导入。



背景技术:

为了满足当前的排放法规,大多数带有内燃发动机的车辆当今设置有排气后处理装置,排气后处理装置包括设置在排气管内用于减少尾气排放的催化转化器。催化转化器通常由带有入口和出口的管状的纵向本体构成,其中入口与出口流体连通。催化转化器通常包括设置在入口与出口之间的通道结构内的至少一个催化转化器基底。排气可通过该通道结构并且同时暴露于催化转化器的较大表面区域。催化转化器的入口接收来自内燃发动机的尾气排放,并且出口被构造为排出在催化转化器内处理过的排放尾气。

最常使用的用于汽油发动机的催化转化器结构通常是三元催化剂(TWC)。对于柴油机来说,最常使用的通常是柴油机氧化催化剂(Diesel Oxidation Catalyst,简称DOC)和稀燃NOx捕集器(Lean NOx Trap,简称LNT)。用催化氧化氮(NOx)转化器例如作为带有用于改进的NOx还原的选择性催化还原(SCR)功能的基底添加于上述催化转化器结构也是常见的。对于具有SCR功能的基底来说,液体或气体还原剂被导入SCR基底上游的排气流从而还原剂可在SCR基底之前与排放的尾气混合。

当使用液体还原剂例如尿素溶液(“AdBlue”)时,液体还原剂被喷洒至催化NOx转化器上游的排气管内从而液体还原剂可汽化并且在进入催化NOx转化器之前与排气混合。从排气传递的热量用于汽化液体还原剂。还原剂的充分混合对于SCR基底内NOx的最理想还原和SCR基底的正确工作来说是很重要的。

US 2007/0036694公开了排气后处理系统的一个示例,其中喷洒器将尿素水形式的液体还原剂喷洒在排气管内并且其中NOx催化剂配置在喷洒器下游。液体还原剂在该示例中喷洒在设置在排气管内的带角度多孔板上,从而喷洒的液体还原剂液滴在到达排气管的壁面之前碰撞在板上。根据US 2007/0036694,防止了液体还原剂在壁面上的沉积并且液体还原剂在排气内均匀分散。

当排气温度相对较高时常规的SCR排气后处理系统在正常操作状况下通常工作良好。然而,常规SCR排气后处理系统的常规缺陷是液体还原剂在较低温度水平下(即典型地低负载情况下)汽化得不充分。这可能导致排气管内壁的润湿和在排气管的壁和其它部件上还原剂沉积物的形成。

因而需要改进适于低温状况下的SCR排气后处理装置。



技术实现要素:

本发明的一个目的是提供用于内燃发动机的SCR排气后处理装置,其中液体还原剂的汽化在更低的排气温度下也是有效的。

本发明涉及一种用于内燃发动机的排气后处理装置,其中所述装置包括:允许排气贯穿流过的排气管、设置在排气管内的催化NOx转化器、以及被设置在催化NOx转化器上游将液体还原剂导入排气管内的结构中或上的流体入口。

在本发明的装置中,所述结构是具有孔隙的吸附结构,孔隙被构造为保留液态形式的液体还原剂直至其汽化。

这意味着吸附结构具有孔隙,孔隙能够在还原剂处于液态时吸收或吸附还原剂且将还原剂保持在吸附结构上直至其汽化和混入排气流。这还意味着所指的孔隙形成可从吸附结构的表面接近的开放腔室或通道。除了这些开口孔隙外,吸附结构可以包括或可以不包括闭口孔/空隙。

使用根据本发明的装置,有可能防止或至少减少(过多)液体还原剂释放到排气中,这就防止或降低了在较低排气温度下形成沉积物等等的风险。此外,由于液体还原剂可存储在排气管内的吸附结构内或上,更容易控制还原剂的释放。例如,存储在吸附结构内的液体还原剂可自动地汽化并且随着排气温度或质量流的增加以更高速率释放。由于存储的效果,有时具有延迟直至吸附结构需要补给更多的液体还原剂。

这与液体还原剂被简单地喷入排气管的最常规的系统形成明显对比。除了与沉积物等等有关的问题外,很难设计与存储在吸附结构内的液体还原剂一样根据排气的温度或质量流变化快速和正确起反应的用于喷洒还原剂的系统。本发明也与US2007/0036694形成鲜明对比,US2007/0036694的主要目的是在排气中适当地分散液体还原剂,并且其没有具有被构造为将液体还原剂保持在液态直至其汽化的孔隙的吸附结构(而仅仅具有设置有对于吸附或吸收任何液体还原剂来说过大的孔的板)。

此外,本发明的装置能够有效汽化液体还原剂,因为可使用有效的传热,即来自被排气加热的吸附结构的热传递直接传递至液体还原剂。从实体结构至液体的传热比从(排气)气体至液体(还原剂)的常规传热方式更有效。

此外,在传统系统中,因为所谓的莱登弗罗斯特效应(Leidenfrost effect),排斥力常常存在于液体还原剂与固体不锈钢表面/混合物之间。当液体与具有比尾气处理液(AdBlue)的100℃液体沸点更高温度的表面相接触时因为水的含量是67%(32.5%的尿素和67.5的去离子水),因此液体产生防止液体快速沸腾的绝缘汽化层。使用带有多孔材料表面的吸附结构的附加优点在于这种表面影响液体还原剂与所述表面之间的表面张力特性从而更有效地吸附液体还原剂并且防止或至少减少莱登弗罗斯特效应。

本发明还可能通过加热吸附结构即通过将吸附结构设置在加热元件上或将加热元件集成在吸附结构中而在较低温度情况下提供加强的汽化。加热元件能以受控的方式例如通过电力或排气热交换来加热。这种加热元件可用于控制吸附结构的温度从而控制还原剂的汽化。

当今低油耗的轻型载货汽车通常具有较低的排气温度。对于常用作催化NOx转化器的SCR基底来说,较低的排气温度限制了在排气流内添加液体还原剂的可能性。本发明非常适合于这种车辆。

在液体还原剂被直接喷入排气管内排气流的当今传统车辆应用中的最低温度范围为大约180-200℃从而确保以有效方式汽化液体还原剂。SCR催化剂基底的最小工作温度为大约150℃并且因而在SCR催化剂基底的工作温度与发生液体还原剂喷洒的温度之间有差距。如果在传统车辆应用中以低于180-200℃的最低温度范围的温度喷洒液体还原剂,具有润湿排气管内壁以及在排气管的壁和其它部件上形成还原剂沉积物的风险。通过使用根据本发明的吸附结构,液体还原剂可以比传统应用更低的温度例如大约150℃被导入排气管。

吸附结构可被认为是三维的多孔结构,其能保持液体还原剂直至液体还原剂汽化进入排气流。这与US2007/0036694中例示的结构类型形成对比,US2007/0036694中例示的结构类型可以说是二维结构类型因为孔的长度(即板的厚度)与孔的直径相比非常小。

优选地,多孔结构的表面特性改进了液体还原剂与吸附结构表面之间的润湿从而增强了液体还原剂的吸附。

吸附结构可由具有能够吸收或吸附液体还原剂的孔隙的任何适宜材料制成,只要它也能承受排气中的温度和化学环境即可。吸附结构可由复合材料、陶瓷材料、烧结金属结构例如烧结钢材料、钛合金、二氧化钛或泡沫复合材料制成。吸附结构的孔隙结构根据所使用的材料而变化。

在本发明的实施例中,吸附结构包括呈现三维孔隙结构的多孔材料。

不同的孔隙直径/宽度范围和分配可根据应用正确地工作。5μm左右的孔隙直径/宽度是适宜孔径大小的示例。

在本发明的一个实施例中,吸附结构包括具有直径或宽度在50nm-100μm之间的孔隙的大孔隙结构(macro-porous structure)。通常地,宽度大于50nm的孔隙被表示为大孔隙(Rouquerol J.等,(1994)“多孔固体特征的提议”,Pure and Appl.Chem.66:1739-1758)。大孔隙结构具有50nm-100μm的孔隙宽度范围,认为这是适合于本发明的。在本发明的一个实施例中,大孔隙结构具有500nm-100μm之间直径或宽度的孔隙。

在本发明的一个实施例中,吸附结构包括具有直径或宽度小于50nm的孔隙的中孔隙或微孔隙结构。在某些应用中,这种小孔隙对于获得特定表面效应是非常有用的。通过将这种中孔隙或微孔隙结构设置在大孔隙结构上,在某些应用中可获得特定的有利影响。

没有必要吸附结构的所有孔隙呈现给定范围内的直径或长度;即使一部分孔隙处于某个范围之外吸附结构的功能也是有效的。

在本发明的一个实施例中,吸附结构的孔隙呈现每平方毫米至少10个孔隙开口的孔隙开口表面密度,优选每平方毫米至少100个孔隙开口。孔隙开口的数量甚至可以高于每平方毫米1000个开口,典型地取决于孔隙直径/宽度(的分布)。孔隙开口表面密度对应于表面结构的表面处每个面积单位的开孔数量。

除了孔隙直径/宽度和孔隙开口表面密度外,孔隙体积,单孔体积的分布和总孔隙体积有可能均对吸附结构的性能有影响。已经注意到,通过已知的方法例如烧结制造的吸附结构典型获得的孔隙体积对于此处描述的应用来说工作的较好。应注意到,通常很难既以正确和客观的方式测量孔隙体积又以准确指定的孔隙体积制造孔隙固体。虽然某些孔隙特性很难控制和测量,也应注意意图展示某些多孔特性的孔隙固体即本发明涉及的材料种类明显区别于不意图展示任何特定的其它材料,例如规则钢板(不可避免地展示某种孔隙度)。

在本发明的一个实施例中,吸附结构是烧结材料。烧结是用于制造带有适于保持液体还原剂的孔隙的结构的适宜方法。

在本发明的一个实施例中,吸附结构由不锈钢制成。在另一实施例中,吸附结构由金属氧化物优选TiO2和/或ZrO2制成。吸附结构可由不锈钢和金属氧化物(优选TiO2和/或ZrO2)的组合制成,其中金属氧化物优选形成不锈钢上的外层。例如,金属氧化物可形成中或微孔隙结构,其形成由不锈钢制成的大孔隙结构的外层。

在本发明的一个实施例中,吸附结构设置在排气管内部的壁上。可选地或额外地,吸附结构以开式构造设置在排气管内部,在所述开式构造中,吸附结设置在允许排气流过的托架上或形成该托架。例如,孔隙吸附结构可为施加于排气管壁、施加于设置在排气管内且允许排气流过的托架、或施加于系统的其它部分的相对薄的膜。孔隙吸附结构也可形成具有结构强度的物体并且可例如形成上述托架的一部分或整个托架。

在本发明的一个实施例中,流体入口包括喷嘴,喷嘴被构造为以一定的喷雾图案朝吸附结构喷洒液体还原剂从而在吸附结构外侧上形成相应喷雾目标区域,其中喷雾目标区域对应于吸附结构的外周或位于吸附结构的外周内。这意味着还原剂仅直接喷洒在吸附结构上而非装置的壁上或其它部分上,这增加了吸收全部液体还原剂的可能性并且降低了将(过多)液体还原剂释放入排气流的可能导致壁等润湿的风险。

在本发明的一个实施例中,流体入口设置在吸附结构的内侧上。这至少基本上意味着能在吸附结构内侧上保持还原剂的液态并且汽化的还原剂仅在吸附结构的与排气流相接触的外侧处离开它。这种情况下,大部分孔隙优选在两端开口并且贯穿吸附结构以允许液体还原剂在其内开口处进入并且允许汽化还原剂在其外部开口处离开。

在本发明的一个实施例中,所述装置包括与吸附结构结合设置的可控加热元件,从而允许吸附结构经由加热元件的可控加热。如上所述,这就可能在较低温度的情况下也有效地汽化还原剂。

本发明还涉及包括上述类型的排气后处理装置的车辆。

附图说明

现在将参照附图详述本发明,其中:

图1示意性地示出根据本发明的排气后处理装置的第一示例,

图2示意性地示出根据本发明的排气后处理装置的第二示例,

图3示意性地示出根据本发明的带角度排气后处理装置的第三示例,

图4示意性地示出根据本发明的带角度排气后处理装置的第四示例,

图5示意性地示出根据本发明的排气后处理装置的第五示例,并且

图6示意性地示出根据本发明的排气后处理装置的第六示例。

具体实施方式

下面将结合示出而非限定本发明的附图描述本发明的不同方面,其中相同的附图标记表示相同的元件,并且所述方面的变型不局限于特定示出的实施例而是可应用于本发明的其它变型。

图1示意性地示出用于(典型地在车辆应用中的)内燃发动机的排气后处理装置12的第一示例,包括排气管1,排气管1包括具有用于排气的入口9和出口10的管状纵向本体,其中入口9与出口10流体连通。当内燃发动机运转时,从发动机排出的排气沿图1箭头所示的流向穿过排气管1。氧化催化剂6被布置为靠近入口9。也可设置粒子过滤器用于去除颗粒物质。在氧化催化剂6的下游,喷洒嘴形式的流体入口3被设置以将流体还原剂4导入排气管1内。

流体还原剂4被导入(在该示例中喷洒)到在该示例中被设置在排气管1的壁上的吸附结构5上。催化NOx转化器2设置在流体入口3和吸附结构5的下游。液体还原剂4被存储在罐8内并且被泵7增压。泵7被控制为调整所喷洒的液体还原剂4的量从而根据发动机的运行状态将适当的量添加于排气流。

氧化催化剂6可为用于汽车工业的任何常规类型并且氧化催化剂基底可为任何适宜的类型。此处不描述用作氧化催化剂基底的可能催化基底的功能,因为这被认为是公知常识部分。

在刚刚从内燃发动机排出后,排气含有主要由一氧化氮(NO)构成的氧化氮(NOx)。氧化催化剂6将排出的NO的一部分氧化为二氧化氮(NO2)。液体还原剂4(例如尿素水或氨水)被添加于排气以减少其含有的NOx。尿素水解并且形成氨(NH3)。

通过使用添加或制造的氨,NOx在催化NOx转化器2中被还原为氮和水。将NOx还原为氮和水的反应在NO与NO2的摩尔比为1:1时在相对较低的排气温度下进行的最快,因此氧化催化剂6可控制氧化过程以获得该摩尔比从而促进有害NOx的反应。NO与NO2的摩尔比为1:1时根据以下公式用氨还原NOx:

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

如果NOx与氨之间的反应以不理想的方式进行,则未反应的有害氨可能从催化NOx转化器2出来,因此可在催化NOx转化器2的下游设置用于处理氨的又一催化剂。

催化NOx转化器2可为常用于在内燃发动机应用中还原NOx的传统催化NOx转化器,例如带有SCR功能的基底。此处不描述用作催化NOx转化基底的可能催化基底的功能,因为这被认为是公知常识部分。

喷洒在吸附结构5上的液体还原剂4以液态形式吸附在吸附结构5的孔隙中。当喷射入排气管1时一部分还原剂4可能直接汽化,并且一部分可能以液态形式散布在排气中,这是可以接受的。吸附在吸附结构5上/内的液体还原剂4被从吸附结构5传递的热所汽化,吸附结构5又已经被和由排气加热。来自吸附结构5的汽化还原剂的释放速度取决于排气(温度、质量流动、流动模式)和吸附结构(温度、存储在吸附结构内的液体还原剂的量)的状况以及所使用的特定吸附结构5的特性(孔隙尺寸、总孔隙容积等等)。

液体还原剂4的添加除了内燃发动机的运行状态外,还适合于所使用的特定吸附结构。

流体入口3可位于排气管1内的任何适宜位置并且贯穿排气管1的壁。流体入口3在该示例中是喷嘴,其产生被导入吸附结构5内或上的液体还原剂4的喷雾小液滴。

喷嘴3被设置为使得液体还原剂4的喷射以预定的喷雾图案(如图所示)进行。液体还原剂4通过喷雾图案被控制为匹配吸附结构5的表面形状以确保液体还原剂4不导入吸附结构5外部的排气管部分上。换句话说,喷射喷嘴3被构造为以一定的喷雾图案向吸附结构5喷洒液体还原剂4以便在吸附结构5外侧上形成相应的喷雾目标区域,其中喷雾目标区域对应于吸附结构5的外周或位于吸附结构5的外周内。喷雾图案可为适于所述应用的任何形状,例如正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形或任何其它规则或不规则的形状。

当液体还原剂4汽化时它与排气流混合。通过在排气管内在吸附结构5下游设置的混合装置可改进汽化的还原剂与排气的混合,使得得到的到达催化NOx转化器2的气流被彻底混合,这就改进了催化NOx转化器2内NOx的还原。

吸附结构5被排气流加热,并且通过存储在吸附结构5内的热量,液体还原剂4的受控汽化的足够能量通常通过从排气经由吸附结构5传递至液体还原剂4的热量获得。

可控的和这种情况下的电加热元件13被设置为与吸附结构5紧密连接从而能够给吸附结构5传递附加热量。当吸附结构5用于以足够速度汽化液体还原剂4的情况下温度过低时,加热元件13用作附加热源。

还有一个可能是根据排气后处理装置12的设计在排气管1内的不同位置设置带有相应流体入口3的两个或更多吸附结构5。

图2-6示出根据本发明用于内燃发动机的排气后处理装置12的其它示例。与图1所示示例相关的如上所述内容通常也适用于图2-6所示的示例,例如排气管1具有类似的入口9和出口10,催化转化器2、6可以是类似的类型,泵7和罐8是类似,可适于混合,可使用用于加热吸附结构5的加热元件13,喷嘴3和喷雾图案在大多数情形下大体上类似,等等。图1使用的附图标记也用于图2-6中的相应部件。下面的焦点主要放在与图1所示示例相比的区别上。

图2示意性地示出用于内燃发动机的排气后处理装置12的第二示例。在该实施例中,吸附结构5以开式构造设置在排气管1内部,在该处吸附结构5也形成设置有允许排气流过的更大流道的托架结构。可选地,吸附结构5可施加于由其它材料制成的托架结构上。这种设置提供了吸附结构5与排气流之间的较大接触面,这提供了液体还原剂4的有效汽化。

图3示意性地示出用于内燃发动机的排气后处理装置12的第三示例,其中排气管1形成带角度本体。该带角度结构提供了排气后处理装置12的更紧凑设计。

在该实施例中,吸附结构5在排气管1的第一直部的末端处、排气管弯头处的外壁处设置在排气管的壁表面上。该示例中的吸附结构5是壁上的层或涂层的形式。该实施例中的吸附结构5较好地暴露于排气流,这提供了有效的传热和还原剂汽化。此外,由于能沿着排气流的方向形成液体还原剂4的喷洒,就简化了该喷洒。

图4示意性地示出用于内燃发动机的排气后处理装置12的第四示例,其中排气管1形成类似于图3的带角度本体。在该实施例中,吸附结构5设置在氧化催化剂6上。氧化催化剂6的下游侧的一部分或全部涂覆有吸附结构5的层。可选地,吸附结构5可连同氧化催化剂6形成或设置在独立的托架结构(允许排气如上所述贯通流动)上。在该实施例中,吸附结构5也较好地暴露于排气流,其提供了有效传热和还原剂汽化。

在不具有角构造的排气管中,吸附结构5可与图4一样地设置在氧化催化剂6上。

图5示意性地示出用于内燃发动机的排气后处理装置12的第五示例。在该实施例中,吸附结构5以开式构造设置在排气管1内部,该开式构造形成或设置在类似于图2所示允许排气通过的托架结构上。

如图5所示,流体入口3在该示例中包括三个平行的入口,设置在吸附结构5的内侧上。液体还原剂因而从内部即经由托架结构供给至吸附结构5,并且液体还原剂4不先穿过排气流被导入吸附结构5内而非吸附结构5上。这样,可实现液体还原剂4的特定有效和受控的配料和汽化。在该示例中,还原剂经由吸附结构5的孔隙被运出排气管1,在这种情况下,所述孔隙在吸附结构供给液体还原剂的内侧处和吸附结构与排气流接触的外侧处均具有开口。流体入口3的设置和液体还原剂至吸附结构的输送具有各种可能性。例如,附加通道或更大的孔可设置在托架结构内以将液体还原剂从入口3输送至吸附结构的外部孔隙部分。

当吸附结构5施加于例如排气管1的壁上(例如为附加于图1和3中例示的壁上的层的形式)时,液体还原剂这样直接导入到吸附结构即不将还原剂喷洒在吸附结构外侧上也是可能的。还原剂可经由吸附结构后面的壁内的开口直接供给至这种层的内侧、后侧。吸附结构在这种情况下可设置在支承板上,所述支承板特别适于输送和分配从一个或若干个设置在排气管1的壁的开口处的流体入口供给的液体还原剂。在这种情况下,流体入口可形式上被视为位于支承板与吸附结构之间的接口处。

图6示意性地示出排气后处理装置12的第六示例。在该实施例中,一部分排气流被引入与排气管1流体连通的旁路管道11。被引入旁路管道11的该部分排气流用于汽化保留在吸附结构5内的液体还原剂4。吸附结构5被设置在旁路管道11的壁面上,例如通过吸附结构5的层或涂层。流体入口3延伸穿过旁路管道11的壁。

可选地,吸附结构5可以对应于如上所述的开式构造设置在旁路管道11内部。

旁路管道11与排气管1可以比图6所示的更分开。此外,由于排气的温度通常上游高于下游,因此将吸附结构5定位在旁路管道11的起点即旁路管道11的上游部分内是有利的。

同样在吸附结构5位于旁路管道11内的情况下,有可能利用如图5所示的直接将液体还原剂引入吸附结构5内。

排气后处理装置12典型地用于设置有控制单元的车辆中,控制单元适于控制排气后处理装置12。控制单元连接于车辆的控制系统,其例如控制液体还原剂4的喷洒和加热元件13的电力供应。

附图标记

1:排气管

2:催化NOx转化器

3:流体入口(用于液体还原剂)

4:液体还原剂(喷雾图案)

5:吸附结构

6:氧化催化剂

7:泵

8:罐

9:排气入口

10:排气出口

11:旁路管道

12:排气后处理装置

13:加热元件

再多了解一些
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