排气后处理系统的制作方法

本公开总体上涉及发动机系统，更具体地涉及排气后处理系统和方法。

背景技术

一种用于减少某些柴油发动机排气成分的已知方法是使用排气后处理系统，其利用了氮氧化物的选择性催化还原(scr)。在典型的scr系统中，将尿素或基于尿素的水溶液与废气混合。在一些应用中，将尿素溶液通过专门的喷射器装置直接喷射到排气通道中。所喷射的尿素溶液(其有时被称为柴油机排气流体(def))与废气混合并分解以提供排气流中的氨(nh3)。然后，氨在催化器处与排气中的氮氧化物(nox)反应以提供氮气(n2)和水(h2o)。

在典型应用中，特别是对于大型发动机，将高效柴油微粒过滤器(dpf)与nox还原系统诸如使用了scr的系统结合使用。此类系统通常在过滤烟灰方面非常有效，同时还转换来自柴油机排气的一氧化二氮排放物，但此类系统的体积也相对较大。例如，典型的组合式dpf/scr后处理系统(其也可包括amox和doc催化器)可以是发动机排量容积的约3至6倍，这使得设计和集成到车辆或发动机系统中具有挑战性，还会增加整机重量和成本。

在过去已经提出将scr催化剂涂覆到dpf过滤器基材上来消除用于scr催化剂的单独基材并允许在dpf上游喷射def，但低温烟灰氧化反应和快速scr反应将在发动机操作期间争夺no2，这通常会形成高的dpf平衡点，即dpf上的高烟灰负载量下的系统平衡，已知这使得dpf易于遭受破裂或严重损伤，并且需要在高温下进行dpf再生。高温再生通常需要所谓的主动再生，这需要使用热源或高燃料浓度进行再生，两者都会降低机器的燃料经济性。

在授予mullins等人的美国专利no.8,413,432(“mullins”)中可以看到先前提出的后处理系统的一个实例。mullins描述了一种用于车辆的再生控制系统，其包括再生控制模块和再生中断模块。对于在冻结的定量给料剂的预定熔融期间发生的微粒过滤器的再生事件，再生控制模块选择性地向氧化催化器提供燃料。当定位于氧化催化器与微粒过滤器之间的定量给料剂喷射器的温度大于预定温度时，再生中断模块选择性地中断再生事件并禁止在再生事件完成之前向氧化催化器提供燃料。因此可以理解，mullins的系统需要主动再生。

技术实现要素：

在一个方面，本公开描述了一种后处理系统。该后处理系统适用于例如包括具有排气导管的发动机的机器，该排气导管适于在操作期间为来自发动机的废气流规定路线。该后处理系统可连接到排气导管并设置成接收和处理来自发动机的废气流。该后处理系统包括：柴油机氧化催化器(doc)，其连接到排气导管并布置成接收来自发动机的废气流；传输导管，其连接在doc的下游端；柴油机排气流体(def)输送装置，其与传输导管相关联并适于将def选择性地喷射到传输导管中，以在操作期间由通过传输导管的气体沿下游方向载送；烟灰减少装置，其连接到传输导管的下游端，该烟灰减少装置被布置成在操作期间接收通过传输导管的气体；以及选择性催化还原(scr)催化器，其连接到dpf的与传输导管相对的下游端，该scr催化器被布置成在操作期间接收通过烟灰减少装置的气体。

附图说明

图1为具有已知scr系统的发动机的框图，并且图2为已知排气处理模块的局部剖开的轮廓视图。

图3为根据本公开的后处理系统的框图。

图4a和图4b为已知系统包装封套的示意性构型，图5a和图5b为根据本公开的并且关于已知包装封套的后处理系统的第一实施方案的示意性构型，并且图6a和图6b为根据本公开的并且关于已知包装封套的后处理系统的第二实施方案的示意性构型。

图7为根据本公开的示出后处理系统随时间推移的操作的图表。

具体实施方式

图1和图2为本领域已知的排气后处理系统100的表示。在例示的实施方案中，系统100包括第一模块104，该第一模块流体地连接到发动机102的排气导管106。在发动机操作期间，第一模块104被布置成在内部接收来自导管106的发动机废气。第一模块104包含柴油机氧化催化器(doc)108，其在柴油机微粒过滤器(dpf)110的上游串联地布置，其中的每一个都具有相对大的框架。应当注意，cdpf110为涂覆的dpf(cdpf)。由发动机102提供给第一模块104的废气首先通过doc108，然后通过cdpf110，再进入传输导管112。

传输导管112将第一模块104与第二模块114流体地互连，使得来自发动机102的废气可通过串联的第一模块104和第二模块114，然后在连接到第二模块的烟囱120处释放出来。在例示的实施方案中，第二模块114包封scr催化器116和氨氧化催化器(amox)118，它们各自形成在其自身相应的基材上。scr催化器116和amox118用于在存在氨的情况下处理来自发动机102的废气，氨是在喷射到传输管道112中的废气中的def降解之后提供的。再生装置130沿导管106设置在第一模块104的上游。对于cdpf110的主动再生，再生装置130(其可实现为燃料燃烧加热器)在操作期间选择性地增大废气温度，如已知的那样。

def121由def喷射器122喷射到传输导管112中。def121包含在贮存器128内并由泵126提供给def喷射器122。随着def121喷射到传输导管112中，它与从中通过的废气混合，并因此被载送到第二模块114。为了促进def与排气的混合，混合器124可沿传输导管112设置。图2为系统100的局部剖开的轮廓视图，其中与先前描述的对应结构相同或相似的结构为了简单起见用先前使用的相同的附图标记来表示。如图2所示，第一模块104和第二模块114彼此相邻设置，其中传输导管112设置在它们之间。def喷射器122相对于废气流的方向f设置在传输导管112的上游端。

图3为根据本公开的后处理系统200的框图。系统200被配置成替换发动机102的系统100(图1)，但不必使用再生装置130并且包装尺寸较小，如下文所述。系统200包括doc202，其在该实施方案中具有比doc108(图1)更小的直径和更小的总体积。任选地，doc202还可包括相对小的nox吸收器，以改善流过其中的废气温度的流动温度。系统200被布置成使得来自发动机102(图1)的排气导管106将来自发动机102的废气提供给以已知的方式操作的doc202。传输导管204将doc202流体地互连到处理模块206，该处理模块直接地或通过消声器(未示出)连接到烟囱120(也参见图1)。处理模块206包括串联紧凑型装置208，在例示的实施方案中，该串联紧凑型装置包括dpf210和组合式scr加amox(scr/amox)212。def喷射器214沿传输导管204设置并且被布置成在操作期间在其中在doc202与串联紧凑型装置208之间喷射def，使得def的喷射在doc202的下游和串联紧凑型装置208的上游发生。

为了实现期望的排放，在例示的实施方案中，dpf210为可由高级堇青石(ac)或钛酸铝(at)制成的整体式壁流型基材，其具有入口通道较大且出口通道较小的不对称通道(act)构造。所示的dpf210每平方英寸具有约300个通道并且是未涂覆的、未催化的或包括水解涂层。在操作期间，doc202由排气流中存在的no和o2产生no2。由doc202形成的no2被载送到dpf210，以在约200℃的相对低的温度下支持dpf210的被动再生。

在例示的实施方案中，系统200的scr/amox212建立在每平方英寸具有约600个通道的基材上，该基材物理地连接到dpf210的基材，或者在处理模块206内以其他方式与其紧密接近，以充当单个基材。在例示的实施方案中，系统200用于基于质量或微粒计数来除去超过98％的发动机烟灰，并基于质量减少超过96％的nox。

一般来讲，后处理系统200可包括附加的或另选的结构用于处理从发动机102提供的废气流。例如，在另选的实施方案中，在后处理系统200中，可使用烟灰减少装置、烟灰过滤装置或烟灰去除装置诸如静电除尘器、等离子燃烧器或任何其他已知的烟灰去除装置来代替或辅助dpf210。如本文所用，可以设想，术语烟灰减少装置包括用于在排气流通过烟灰减少装置、在烟灰减少装置上方或在烟灰减少装置周围时，从发动机的废气流中至少部分地去除烟灰和/或其他微粒的任何结构。此外，在另选的实施方案中，后处理系统200可被配置成和/或尺寸设定成基于质量或微粒计数来去除优化分率(例如，在10％和90％之间)的烟灰，并基于质量从来自发动机的排气流中减少优化分率(例如，超过70％)的nox。

工业适用性

本公开涉及单独使用或与机器中的其他动力源和类型结合使用的柴油发动机的后处理系统。更具体地，本公开描述了未催化的或水解涂覆的低背压dpf的使用，这允许利用串联的dpf和scr催化器在单个罐的上游进行def定量给料。设计和集成用于机器中的发动机的组合式dpf/scr系统的一项挑战是要求在doc或催化型dpf的下游喷射def以避免氨氧化成nox。与已知系统相比，所述实施方案有利地减小了后处理装置的包装尺寸和重量，同时保持了被动烟灰氧化能力，即避免使用主动dpf再生的能力，这避免了与主动再生相关联的成本、复杂性和燃料消耗增加。因此，所描述的系统和方法提供了比必须集成低温或高温热管理的已知系统更大的灵活性。另外，根据本公开的系统提供了将dpf从与doc串联(如同已知系统中的情况一样)移动或重新定位到远程位置例如发动机上的能力。这种灵活性还允许针对包装优化doc纵横比，与先前已知系统相比，导致高度和宽度发生了相当大的减小，达15％或更多。总之，所公开的系统和方法提供了适用于低温或高温dpf再生的紧凑、高效的包装。

本公开适用于在移动或固定应用中操作的内燃机。有利的是，所公开的系统使具有同等减排性能的系统更紧凑。根据本公开的系统操作更简单且更具成本效益，因为所使用的dpf既适合被动再生，又适合主动再生，这使得主动再生装置的使用是可选的。

为说明根据本公开的系统的包装尺寸的益处，比较了各种定性表示。一般来讲，虽然dpf210和scr/amox212可具有与scr催化器116和amox118(图1)相当的直径，但组合式串联紧凑型装置208的总长度远小于系统100(图1)中所使用的所有装置的总组合基材长度，这极大地减小了各种系统的总体包装尺寸。与图5a、图5b、图6a和图6b相比，这在下面相对于图4a和图4b进行了讨论。

更具体地，图4a以块形式定性地示出了系统100(图1)的各部件的包装封套302的顶部透视图，而图4b示出了包装封套302的前部透视图。从这些图中可以看出，箭头“f”表示通过穿过每个系统的废气的流动，包装封套302的覆盖区由在所示取向上容纳doc108和cdpf110在右侧以及scr催化器116和amox118在图4a的左侧的布置所需的空间限定。类似地，包装封套302的横截面由上述各种基材的直径以及传输导管112的直径限定，如图4b所示。

图5a和图5b示出了根据本公开的系统200的布置在系统100的包装封套302内的各部件以进行比较，并且说明与系统100相比，系统200的节省空间的性质。如图所示，较小直径doc202的布置允许dpf210和scr/amox212的串联组合式基材的中心线移动得更靠近doc202的中心线，这导致这些部件的总体组合宽度更窄并且有更多空间可用于为传输导管112规定路线。因此，从图5a和图5b中可以看出，容纳或包装系统200所需的体积304比包装封套302所占据的体积小约15％，在部件周围可获得额外的空间来为其他机器部件规定路线、增加屏蔽等。

图6a和图6b示出了根据本公开的另选的实施方案的系统的部件，其中doc202远离系统200的其余部件安装，例如，安装在发动机上或沿将来自发动机的废气供应给系统200的排气管道的任何位置。在该实施方案中，doc202由于其远程安装而被布置在包装封套302的外部。用于dpf210和scr/amox212的串联组合式基材移动到封套的一侧，从而使得相对于包装封装302所占据的体积，容纳或封装系统200所需的体积306减小约50％或更多。

在图7中示出了定性图表，其示出与系统100相比，随着时间的推移，系统200的dpf中的烟灰负载量。在图表中，水平轴线308表示时间(例如，以小时为单位)，并且垂直轴线310表示烟灰负载量(例如，作为临界烟灰负载量312的百分比)，在临界烟灰负载量下，烟灰微粒引起的dpf堵塞超出期望程度并且可能使dpf基本上堵塞。该图表示出了两条曲线，即第一曲线314和第二曲线316。第一曲线314表示系统100的cdpf110(图1)随时间推移的烟灰负载量，该系统被认为是基线系统。第二曲线316表示根据本公开的系统200的系统200(图3)的dpf210随时间推移的烟灰负载量。

从图表中可以看出，这两个dpf中的烟灰负载量一开始增大，然后稳定，并且随时间推移达到平衡点，因为在这两个系统100、200中，dpf在操作期间连续地再生并达到稳态烟灰负载量。在比较曲线314和316时，可以看出，系统200的dpf210中的负载量在比系统100的cdpf110中的对应烟灰负载量更高的烟灰负载量处稳定下来。然而，尽管dpf210中的烟灰负载量高于cdpf110中的负载量，但这两者仍然低于临界烟灰负载量312。实际上，考虑到与系统100相比，系统200中所使用的scr/amox212的相对较高的单元密度，dpf210中较高的烟灰负载量(其可能会增加dpf上的压降)将不会对发动机操作造成明显影响。

应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的实例。然而，可以设想，本公开的其他实现方式可以在细节上与前述实例不同。对本公开或其实例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定实例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。

除非本文另外指明，否则本文所述的数值的范围仅仅用作分别指代落在该范围内的每个独立的值的简化方法，并且每个独立的值与它在本文被单独引述一样结合到说明书中。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。