处理来自发动机的排气的系统和方法

专利名称：处理来自发动机的排气的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于处理来自发动机的排气的系统和方法，具体涉及具有氧化催化 器、选择性催化还原催化器和涡轮增压器的排气处理系统和方法。
背景技术：
发动机排气系统可包括多种改善发动机运转并减少排放的部件。这些部件可包括 选择性催化还原(SCR)催化器、氧化催化器、N0x捕集器、涡轮增压器、排气再循环 装置等。
美国专利申请US 2006/0080953中描述了这种发动机排气系统的一个例子。在美 国专利申请US 2006/0080953中描述的该排气系统中，将还原剂供应至涡轮增压器的 上游的排气流，其在排气流到达下游氧化催化器和SCR催化器之前帮助分解和分布还 原剂(悬浮在排气流中)。此外，在这个例子中，来自多个汽缸的多个分离的排气流 汇集通过(funneled through)单独的氧化催化器，每个单独的氧化催化器布置在排 气歧管的各自的管道内。因此，如在美国专利申请US 2006/0080953中描述的，分离 的排气流由发动机排出并直接通过单独的氧化催化器。然后这些分离的排气流组合成 单个排气流并且在到达下游混合器之前有液体还原剂喷射至其中。
本申请的发明人已经认识到上面的方法带来多个问题。具体地，因为排气从汽缸 中分离地输送至上游催化器，各自的排气歧管管道内的多个氧化催化器的装配 (packaging)会增加对其他关键发动机部件的装配制约。相应地，降低了这种排气 系统的制造容易性并增加了相关的制造成本。

发明内容
在一个方法中，提供了用于处理来自发动机的排气的系统，该排气通过排气道从 发动机传送到大气中。该系统包括将还原剂喷雾引导进排气中的喷射器；第一气流组 合通道，其组合来自多个汽缸的排气；第一气流组合通道下游的排气分离通道，其将
排气流分离为多个分离排气流；多个氧化催化器，其中每一个氧化催化器接收多个分 离排气流中的一个；第二下游气流组合通道，其接收多个分离排气流并将它们组合为 再组合排气流；涡轮增压器，其接收再组合排气流；以及位于涡轮增压器下游的选择 性催化还原催化器。
在另一个方法中，提供了用于处理来自发动机的排气的系统，该排气通过排气道 从发动机传送到大气中。该系统包括第一气流组合通道，其将来自多个汽缸的排气组合为排气流；排气分离通道，其将直接从发动机接收的排气流至少分离为第一分离排
气流和第二分离排气流；连接在第一分离排气流中的第一氧化催化器；连接在第二分 离排气流中的第二氧化催化器；第二下游气流组合通道，其接收第一分离排气流和第 二分离排气流并在第一氧化催化器和第二氧化催化器下游将它们组合为再组合排气 流；喷射器，其将液体还原剂喷射到气流组合通道中；接收再组合排气流的涡轮增压 器；及位于涡轮增压器下游的选择性催化还原催化器。
在另一个方法中，提供了一种处理来自发动机的排气的方法，所述排气通过排气 道从发动机传送至大气。所述方法包括将还原剂的喷雾引导进所述排气中；将来自多 个汽缸的排气组合为排气流；将所述排气流分离为多个分离排气流；使所述多个分离 排气流中的每一个通过单独的氧化催化器；将所述多个分离排气流组合为再组合排气 流；使所述再组合排气流通过涡轮增压器以扩张所述再组合排气流；以及使扩张的再 组合排气流通过选择性催化还原催化器。
这样，在喷射液体还原剂和使再组合排气流通过涡轮增压器之前，通过首先组合 并且随后分离由发动机排出的排气，排气处理系统可更紧凑和灵活地装配并且因此在 其他关键车辆部件的布置和装配上可有更多的灵活性。相应地，这种排气处理系统的 制造更为容易并降低了相关的制造成本。此外，通过首先组合由各自汽缸排出的排气， 分离所得到的单个排气流并且随后将排气流再组合为再组合排气流，可配置在由第二 下游气流组合通道再组合的多个分离排气流之间的几何关系以实现更湍流的再组合 气流。这种在再组合气流中的增强湍流可增进喷射于其内的液体还原剂的分解(成为 氨)和(在再组合排气流中的)分布。
通过将氧化催化器布置在涡轮增压器上游，氧化催化器和SCR催化器可位于更暖 的位置(即更接近发动机)并且因此使得氧化催化器和SCR催化器更快速地达到起燃 温度。因此，在发动机的初始暖机阶段期间释放到大气中的排放会较少。另外，增加 的热效率可降低对暖机阶段通常附带的快速加热(parasitic rapid warming conventions)(这会降低总体燃料经济性)的需要，该情况下可能出于加热目的使 用燃料。
本发明的另一潜在优点为，在一些实施例中，排气施加在与涡轮增压器一体的并 在其内部的旋转叶片上的冲击可帮助将(悬浮在排气中的)喷射的尿素分解为氨并且 有助于使悬浮在排气中的氨液滴均匀分布。同样地，涂在涡轮增压器的叶片上的SCR 涂层可进一步促进尿素分解为氨。因此，布置在涡轮增压器下游的SCR催化器去除NOx 的总体效率得到了改善。


图l说明了依照本发明一个实施例的用于传送并处理由内燃发动机产生的排气的 排气系统。
5图2更详细地说明了作为依照本发明实施例的图l中的排气系统的纵向横截面的 侧视图。
图3说明了依照本发明的实施例通过图l中的排气系统用于输送并处理排气的处 理流程。
具体实施例方式
图1说明了用于输送并处理由内燃发动机110产生的排气的排气系统100。作为一个 非限制性例子，发动机110包括通过燃烧空气和柴油燃料混合物产生机械输出的柴油发动 机。可替代地,发动机110可包括其他类型的发动机例如汽油燃烧发动机等。而且，发动 机110可配置在车辆的推进系统中。可替代地，发动机110可以运转于固定应用下，例如 作为发电机。尽管，排气系统100可适用于固定应用，应该明白的是本申请描述的排气系
统ioo尤其适合于车辆应用。
排气系统100可包括下面的一个或多个:用于接收由发动机110的一个或多个汽缸产 生的排气的排气歧管120、设置在排气歧管120下游用于降低排气流中的未燃烧的碳氢化 合物和一氧化碳的氧化催化器134和136、可从氧化催化器134和136接收排气流的涡轮 增压器166、可喷射液体还原剂至涡轮增压器166上游的排气内的喷射器132、位于涡轮 增压器166下游的选择性催化还原(SCR )催化器140和设置在SCR催化器140下游的噪 声抑制装置150。
如图1中所说明，柴油微粒过滤器(DPF) 142可位于SCR催化器140的下游。在其 他实施例中，DPF 142可位于SCR催化器140的上游或设置在涡轮增压器166的下游和另 外的柴油微粒过滤器的上游。在另外的实施例中，柴油微粒过滤器可集成至SCR催化器 140。另外，排气系统110可包括多个用于流体连接多种排气系统部件的排气管或排气道。 例如，如图l所说明的，排气歧管120可通过一个或多个排气道162, 164和165流体连 接至氧化催化器134和136。类似地，SCR催化器140可通过排气道168和169 (经过DPF 142)流体连接至噪声抑制装置150。最后，可允许排气经过排气道170从噪声抑制装置 150流至周围环境中。注意的是尽管未由图l说明，排气系统100可包括设置在SCR催化 器140上游的微粒过滤器。此外，应该明白的是排气系统IOO可包括两个或更多的催化器。
SCR催化器140在发动机运转期间可降低最终排放至周围环境中的NOx的量。该SCR 催化器可利用喷射进SCR催化器上游的排气中的液体还原剂例如尿素水溶液。在到达SCR 催化器之前，喷射溶液中的水滴可汽化。然后剩余的尿素组分水解并且分解为氨，其随后 通过排气流进入SCR催化器中。SCR催化器内的催化剂涂层促进排气流的NOx成分与氨之 间的反应以将NOx分解为水蒸汽和氮气。这种NOx还原的效率可与尿素水溶液的汽化程度 和SCR催化器上游的发动机排气内所得到的氨的分布均匀性直接成比例。
如图1所说明的，由发动机IIO(通过歧管120)排出的排气可进入排气处理区域135, 在这里排气首先可由第一气流组合通道164组合。然后，排气流可通过排气分离通道165
6分离成两个或多个分离的排气流。在其他实施例中，例如通过排气分离通道165可将排气 流分离成三个或四个分离排气流。尽管说明为包括具有两个基本上分别彼此平行的两个通 道的两个分支，其他实施例可包括具有多个分支的排气分离通道，每个分支由具有多个曲 线和/或弯曲和/或其横截面区域/形状可变的一个通道(或多个通道)组成。
然后分离的排气流可由氧化催化器134和136接收。在其他实施例中，分离的排气流 可由例如三个或四个氧化催化器接收。通过利用多个氧化催化器和将它们定位于涡轮增压 器166的上游，氧化催化器134和136以及SCR催化器140可更接近于发动机设置。因此， 氧化催化器和SCR催化器，通过更接近于发动机110,可有效地位于更暖的位置。另外， 通过首先组合由各自的汽缸排出的排气，分离所产生的单个排气流并随后将排气流再组合 为再组合排气流，可配置在由第二下游气流组合通道再组合的多个分离排气流之间的几何 关系以实现更湍流的再组合气流。再组合气流内的增加湍流可增进喷射于其内的液体还原 剂的分解(成为氨)和(在再组合的排气流内的)分布。
在车辆开始起动与包括氧化催化器和SCR催化器的排气处理系统达到工作温度(即， 起燃温度)的时间之间的时间段期间，包含高水平的N0x和 一氧化碳的排放可排出到大气 中。因此，通过将氧化催化器功能分散在多于一个氧化催化器中并将多个氧化催化器放置 于涡轮增压器的上游，氧化催化器和SCR催化器可更接近于发动机设置(即，与单个氧化 催化器位于涡轮增压器上游或下游的线性设置相比)。随着通过从发动机接收额外的热能 使多个氧化催化器和SCR催化器的有效热惯量减少，达到排气处理系统的起燃温度的时间 縮短。对于氧化催化器和SCR催化器，这会导致更短的起燃时间，其因此可导致在发动机 110的开始起动阶段期间随后释放到周围环境中的排放量的减少。另外，增加的热效率可 降低对可使用燃料用于加热目的暖机阶段通常附带的快速加热(这会降低总体燃料经济 性)的需要。
如图l所说明的，分离的排气流可在第二下游气流组合通道167内再组合。尽管显示 为组合从排气分离通道165 (和氧化催化器134和136)接收的两个分离的排气流，在其 他实施例中，下游气流组合通道167可接收三个或四个分离的排气流并将它们组合为单个 再组合排气流。随后该再组合排气流可由涡轮增压器166和SCR催化器140接收。然而， 在由涡轮增压器166和SCR催化器140接收之前，可将液体还原剂例如尿素喷射进再组合 排气流中。SCR催化器140可利用喷射进SCR催化器140的排气流中的液体还原剂(例如 尿素水溶液)。在到达SCR催化器之前，喷射的溶液内的水滴可汽化。剩余的尿素成分随 后水解并分解为随后通过排气流进入SCR催化器的氨。SCR催化器内的催化剂促进排气流 NOx成分与氨之间的反应以将NOx分解成水蒸汽和氮气。该NOx还原的效率可直接地与尿 素水溶液的汽化程度和SCR催化器上游的发动机排气内的氨的分布均匀性成比例。
通过在使排气流过SCR催化器140之前让排气(带有液体还原剂悬浮于其内)汇集通 过涡轮增压器166可增加SCR催化器上游排气内所产生的氨的分布均匀性和汽化程度。排 气施加在与涡轮增压器166 —体并位于其内部的旋转叶片上的冲击可帮助将(悬浮在排气中的)喷射的尿素分解为氨并且有助于悬浮在排气中的氨液滴均句分布。在一些实施例中， 涡轮增压器166内的叶片可涂有可进一步增进尿素分解为氨的水解催化剂或SCR涂层。随 后，可由SCR催化器140从涡轮增压器166接收排气流。注意的是SCR催化器140可包括 用于降低由发动机110燃烧燃料产生的N0x和其他燃烧产物的多种SCR催化器。在一些实 施例中，还原剂喷射的参数可由电子控制器(图l中未显示)控制。例如，可通过电子控 制器改变还原剂喷射压力、和/或喷射容积流速和/或每次喷射的还原剂的总量。作为一个 非限制性的例子，在一些实施例中，可响应涡轮增压器运转速度通过电子控制器改变喷射 的还原剂的量。例如，由于还原剂接近SCR催化材料的停留时间可根据涡轮增压器速度而 改变，相对于涡轮增压器速度调节喷射的还原剂的量可能是有利的。
注意的是关于车辆应用，排气系统100可设置在车辆底盘的下侧。另外，应该明白的 是连接多种排气系统部件的排气通道部分可包括一个或多个弯曲或曲线以适应特定的车 辆布置。此外，多种排气系统部件和连接多种排气系统部件的排气通道部分的横截面可为 圆形、椭圆形、矩形、六边形或任何其他合适的形状。更进一步地，应该明白的是在一些 实施例中，排气系统100可包括未在图1中说明的额外的部件，或可省略这里描述的部件。
图2更为详细地说明了排气处理区域135在纵向横截面上的侧视图。喷射器202显示 为通过喷射器凸部(injector boss) 204连接至下游气流组合通道167的壁上。喷射器 202能够响应经由通讯线路(图1中未显示)从发动机110的电子控制系统接收到的控制 信号，通过气流组合通道的壁上的开口喷射供应至气流组合通道的液体。
如说明，喷射器202能够以基本上垂直于由氧化催化器134和136排出的分离的排气 流的方向的入射角喷射液体。在其他的实施例中，喷射器202可以相对于由氧化催化器中 的一个排出的分离排气流中的一个气流方向以大于或小于90度的入射角喷射液体。作为 非限制性例子，喷射器202可以45。 、 65° 、 80°或120°的入射角将液体喷射进分离的 排气流中的一个。然而，应该明白的是可利用其他角度。在又一个实施例中，喷射器202 可位于下游气流组合通道167上在所分离的排气流被再组合为再组合排气流的点的下游 处以及在再组合排气流进入涡轮增压器166的点的上游处的位置。在其他实施例中，可设 置喷射器202以使得液体还原剂可被直接地喷射进涡轮增压器166内。这会使得还原剂以 较大速度冲击在涡轮增压器叶片上，其可以增进还原剂的分解和在组合的排气流中的散 布。
同样地，尽管图2中显示为基本上直角，在其他实施例中在由单个氧化催化器排出的 分离的排气流的气流方向与气流组合通道167内的再组合排气的气流方向之间的角度可 为非直角。例如，在其他实施例中，在由单个氧化催化器排出的分离的排气流的气流方向 与再组合排气的气流方向之间的角度可为95° 、 105° 、 120°或150° 。由喷射器202
提供的喷射模式可包括用于改善液体还原剂的汽化速率和在排气流内的分散的多种模式。 例如，喷射器可提供配置为层状喷雾(sheets )、实心喷雾(solids )、空心锥形喷雾(hollow coiies)的喷雾模式。然而，应该明白的是可利用多种其他合适的喷雾模式和/或形状。另外，喷射器提供的喷雾可基本上配置为液体喷雾(即没有相当多的气体包含于其中)。在 其他实施例中，喷射器提供的喷雾可配置为空气辅助喷雾(即空气包含于其中)。
在一些例子中，伴随车辆的排气系统的几何约東可增加在排气流内将对所喷射的液体 还原剂执行的混合和汽化的速率以使得液体喷雾在被催化剂吸收之前很好地雾化。而且， 一些排气系统配置会要求喷雾中的液滴小于特定大小以实现进入排气的液体的特定的汽 化速率和/或混合。作为一个非限制性例子，对于一些排气系统，喷雾内的液滴直径可小 于40微米。然而，随着喷雾所提供的液滴尺寸的减小，喷射器的成本会成比例地增加。 因此，为了减少喷射器的成本，期望的是改善混合速率和汽化速率以使得可以使用产生由 较大液滴组成的喷雾的喷射器。
参考图2如上所描述,排气在与涡轮增压器166—体的并在其内部的旋转叶片上的冲 击可帮助将(悬浮在排气中的)喷射的尿素分解为氨并且有助于悬浮在排气中的氨液滴均 匀分布。如上提及，在一些实施例中，涡轮增压器166内的叶片可涂有水解催化剂涂层来 增进喷射的尿素分解为氨。在一些实施例中，涡轮增压器166内的叶片可涂有可增进喷射 的尿素分解为氨并提高NOx转化的选择性催化还原(SCR)涂层。在叶片经过热处理和/ 或化学表面处理之后，SCR涂层可应用至每个涡轮增压器叶片。这样，可减小下游SCR催 化器140的大小并因此减小其总体成本。在一些实施例中，在涡轮增压器166的叶片上增 加SCR涂层时可考虑到使得与DPF 142 —体的过滤器基底会涂有SCR涂层，这样得以与较 小的SCR催化器一起或在没有SCR催化器的情况下去除NOx以及微粒物质。从而可减小排
气处理系统的总体成本。
如上所提及，由于在涡轮增压器166上游设置氧化催化器134和136,可将氧化催化 器和SCR催化器140设置为更接近于发动机110。这样，由于催化器从发动机110接收的 热能的量增加，可减少氧化催化器和SCR催化器的起燃时间。另外，这些与改善的SCR NOx 转化效率相一致的减少的起燃时间可实现更低的进气NOx排放。换句话说，可在轻发动机 负荷下降低排气循环(EGR)率，可改善燃料经济性和发动机瞬时响应，并且可降低涡轮 增压器166的工作负荷。
图3说明了通过排气系统IOO传输和处理排气的处理流程图。在302处，由发动机 IIO的各自汽缸排出的排气可组合为单个排气流。在304处，单个排气流可被分离成分离 排气流。在306处，分离排气流每股均可通过单独的氧化催化器。在308处，可通过气流 组合通道从氧化催化器接收分离排气流，这里它们可再组合为单个再组合排气流。在310 处，液体还原剂可被喷射进再组合排气流中。然而应该明白的是在一些实施例中，液体还 原剂可被喷射至气流组合通道的上游《即在分离排气流被再组合之前)。换句话说，在分 离排气流到达气流组合通道之前可喷射液体还原剂至单个的分离排气流或多个分离排气 流。
在312处，再组合排气流可通过涡轮增压器。如上面所述，再组合排气流(与喷射在 其中的所喷射的液体还原剂)在312处施加在涡轮增压器的叶片上的冲击可辅助液体还原剂分解成氨。相应地，在312处再组合排气流通过SCR催化器时，可增加N0x转化的效率。 应该明白的是，这里公开的配置实际上为范例性的，并且这些具体实施例不应被认为 是限制，因为有许多可能的变化。本发明主题包括所有本文公开的多种系统和配置以及其 他特征、功能和/或特性的新颖和非显而易见的组合和次组合。
本申请的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次组合。这 些权利要求可提到"一个"元素或"第一"元素或其等同物。这些权利要求应该理解为包 括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的特征、 功能、元件和/或特性的其他组合和次组合可通过修改现有权利要求或通过在这个申请或 关联申请中提出新的权利要求得到主张。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，也被认为包括在本发明主题内。
权利要求
1.一种用于处理来自发动机的排气的系统，所述排气通过排气道从所述发动机传送至大气，所述系统包括将还原剂的喷雾引导进所述排气的喷射器；第一气流组合通道，其将来至多个汽缸的排气组合为排气流；所述第一气流组合通道下游的排气分离通道，其将所述排气流分离为多个分离排气流；多个氧化催化器，其中每一个氧化催化器接收所述多个分离排气流中的一个；第二下游气流组合通道，其接收所述多个分离排气流并将它们组合为再组合排气流；涡轮增压器，其接收所述再组合排气流；以及位于所述涡轮增压器下游的选择性催化还原催化器。
2. 如权利要求l所述的系统，其特征在于所述涡轮增压器的叶片涂有水解催化剂。
3. 如权利要求l所述的系统，其特征在于所述涡轮增压器的叶片涂有选择性催 化还原涂层。
4. 如权利要求l所述的系统，其特征在于所述喷射器配置以将所述还原剂的喷 雾引导进所述涡轮增压器内。
5. 如权利要求l所述的系统，其特征在于所述喷射器配置以将所述还原剂的喷 雾引导进所述涡轮增压器的上游的所述再组合排气流内。
6. 如权利要求l所述的系统，其特征在于所述喷射器配置以在所述多个氧化催 化器中的一个的下游将所述还原剂的喷雾引导进所述多个分离排气流中的至少一个 中。
7. 如权利要求l所述的系统，其特征在于通过所述排气分离通道从所述发动机 接收被所述排气分离通道分离的所述排气流。
8. 如权利要求l所述的系统，其特征在于通过所述涡轮增压器从所述第一气流 组合通道接收再组合排气流。
9. 如权利要求l所述的系统，其特征在于进一步包括控制器，其响应涡轮增压 器运转速度调节所喷射的还原剂的量。
10. —种处理来自发动机的排气的方法，所述排气通过排气道从发动机传送至大 气，所述方法包括将还原剂的喷雾引导进所述排气中；将来自多个汽缸的排气组合为排气流；将所述排气流分离为多个分离排气流；使所述多个分离排气流中的每一个通过单独的氧化催化器；将所述多个分离排气流组合为再组合排气流；使所述再组合排气流通过涡轮增压器以扩张所述再组合排气流；以及使扩张的再组合排气流通过选择性催化还原催化器。
全文摘要
本发明描述了处理来自发动机的排气的系统和方法。该系统包括排气通过排气道从发动机传送至大气，该系统包括将还原剂喷雾引导进从发动机传送至大气的排气中的喷射器；排气分离通道，其将从发动机接收的排气流分离为多个分离排气流；多个氧化催化器，其中每一个氧化催化器接收多个分离排气流中的一个；气流组合通道，其接收所述多个分离排气流并将它们组合为再组合排气流；涡轮增压器，其从气流组合通道接收再组合排气流；以及位于涡轮增压器下游的选择性催化还原催化器。通过本发明，可更紧凑和灵活地装配排气处理系统，还可以提高发动机暖机阶段中的总体燃料经济性。
文档编号B01D53/96GK101550860SQ20091000448
公开日2009年10月7日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年4月4日
发明者克里斯多佛·奥伯斯基, 克里斯廷·凯·兰伯特, 孙惠民, 黄银燕 申请人:福特环球技术公司