氨气在废气系统中的生成和输送的制作方法

本发明总体上涉及一种废气系统，且更具体地涉及氨气在废气系统中的生成和输送。

背景技术：

废气系统用于还原和处理各种可在燃烧过程中形成的氮氧化物(其在本文中统称为nox气体)。废气系统通常采用选择性催化还原(scr)装置，该装置使用能够与nox气体发生反应的还原剂。喷射器通常用于将还原剂选择性地喷射入选择性催化还原装置中。还原剂的直接喷射可能会留下沉淀物，该沉淀物会限制并减少可用还原剂的量。

技术实现要素：

用于产生废气的发动机的废气系统包括被配置成接收废气的废气管。微粒过滤器与废气管流体连通，并被配置成在微粒过滤器中的废气加热至再生温度以上时进行热再生。生成器单元位于微粒过滤器的下游处，并包括第一催化剂。槽可操作地连接至生成器单元，并被配置成储存前驱体材料。生成器单元被配置成在第一催化剂的存在下，采用前驱体材料和产生用于微粒过滤器的热再生的热量来由前驱体材料生成氨气。

系统可包括具有处理器和有形非瞬变存储器的控制器，其中该有形非瞬变存储器中记录指令，这些指令用于执行控制氨气在生成器单元中的生成和氨气到废气管的输送的方法。第一流量控制装置可位于槽与生成器单元之间。处理器对指令的执行致使控制器确定热再生是否发生。如果热再生发生了，则控制器被配置成打开第一流量控制装置以至少部分地允许前驱体材料从槽流向生成器单元。

系统可包括热交换单元，其具有被配置成用于第一流体的流动的第一通路和被配置成用于第二流体的流动的第二通路。第一通路和第二通路被至少一个壁间隔开，使得第一和第二流体在物理上不会相混合，且产生用于热再生的热量通过该至少一个壁从第一流体传递至第二流体。

第二流量控制装置可以可操作地连接至控制器，并可位于微粒过滤器与生成器单元之间。生成器单元和热交换单元可共用共同壳体，使得生成器单元的第一催化剂放置在热交换单元的第二通路中。控制器可被编程成在微粒过滤器的热再生期间引导第二流量控制装置来至少部分地允许废气从微粒过滤器流向热交换单元的第一通路。

储存单元可以可操作地连接至生成器单元，并包括被配置成吸附在生成器单元中生成的氨气的储存材料。第三流量控制装置可以可操作地连接至控制器，并可位于生成器单元与储存单元之间。控制器可被编程成在微粒过滤器的热再生期间引导第三流量控制装置来至少部分地允许氨气从生成器单元流向储存单元。

热源可以可操作地连接至控制器，且控制器可被编程成引导热源来选择性地向储存单元提供热能，以释放储存材料所吸附的氨气。第四流量控制装置可以可操作地连接至控制器，并可位于储存单元与废气管之间。控制器可被编程成引导第四流量控制装置来至少部分地允许氨气从储存单元流向废气管，无论微粒过滤器的热再生是否发生。选择性催化还原装置可与废气管流体连通，并包括第二催化剂。氨气被配置成与选择性催化还原装置中的第二催化剂相互作用，以降低废气中的nox水平。

通过以下结合附图对实施本公开的最佳方式进行的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1是示出了废气系统和控制器的示意图；

图2是示出了用于图1的控制器的方法的示意性流程图；以及

图3是示出了图1的废气系统的示例性信号图。

具体实施方式

参照附图，其中，在几幅附图中，相同的参考标号对应于相同或类似的部件。图1示出了装置10的部分。装置10可为汽车、自行车、机器人、农用机具、与运动相关的设备或任何其他移动平台。装置10可包括产生废气14的发动机12。在一个示例中，发动机12为柴油发动机。然而，本公开适用于任何类似的发动机。装置10包括用于处理废气14中的成分(例如，氮氧化物(nox))的废气系统16。废气管18与发动机12或装置10的任何其他产生废气14的部分流体连通，并被配置成从其接收废气14。

参照图1，废气系统16包括与废气管18流体连通的微粒过滤器20。微粒过滤器20被配置成滤除发动机12所产生的颗粒或微粒物质。这些颗粒可包括烟灰、碳氢化合物、灰和硫酸。微粒过滤器20必须定期进行热再生，以移除积聚的颗粒。参照图1，微粒过滤器20可包括多个流道22，该多个流道为单端流道，并具有相应的多孔壁。废气14流动穿过流道22的多孔壁，进而使得颗粒被过滤在流道22的壁上。流道22可由陶瓷或任何其他合适的材料构成。微粒过滤器20被配置成在微粒过滤器20中的废气14加热至再生或燃烧温度以上时进行热再生，由此使得能够燃烧或烧毁颗粒。在一个示例中，再生温度在600℃至750℃之间。可采用任何合适的再生执行方法，包括但不限于使用燃料燃烧器、使用电阻加热线圈和使用微波能。

参照图1，生成器单元24位于微粒过滤器的下游处，并包括第一催化剂26。第一催化剂26可为具有第一层和第二层的固体，其中该第一层由活性材料构成，且该第二层由基底金属衍生物构成，并刚性地附着至生成器单元24的内表面28。生成器单元24被配置成在第一催化剂26的存在下，采用前驱体材料32和微粒过滤器20的热再生所产生的热量来生成氨气30。槽34可操作地连接至生成器单元24，并被配置成储存前驱体材料32。参照图1，第一流量控制装置36位于槽34与生成器单元24之间，以控制前驱体材料32从槽34到生成器单元24的流动。

将理解的是，可采用任何类型的本领域技术人员已知的前驱体材料32和第一催化剂26。前驱体材料32可为脲[(nh2)2co]，第一催化剂26可为水解催化剂。在另一示例中，前驱体材料32为柴油机废气流体[(nh2)2co+h2o(32.5wt％)]。前驱体材料32可为液态氨(nh3)。前驱体材料32的其他示例包括但不限于：氨基甲酸铵[nh4coonh2]、碳酸铵[(nh4)2co3]、甲酸铵[nh4cho2]、镁氯化胺[mg(nh3)6cl2]、钙氯化胺[ca(nh3)8cl2]和锶氯化胺[sr(nh3)8cl2]。前驱体材料32可为聚脲，聚脲是一种弹性体，该弹性体从异氰酸酯成分和合成树脂掺和物成分通过嵌段-生长聚合反应得到的反应产物中获得。异氰酸酯本质上可为芳香族或脂肪族。其可为单体、聚合物或异氰酸酯、半预聚物或预聚物的任何变体反应物。预聚物或半预聚物可由胺封端聚合物树脂或羟基封端聚合物树脂制成。树脂掺合物可由胺封端聚合物树脂和/或胺封端扩链剂制成。

参照图1，废气系统16包括热交换单元38。热交换单元38包括被配置成用于第一流体42的流动的第一通路40和被配置成用于第二流体46的流动的第二通路44。为了清楚起见，第二通路44在图1中被轻微地遮蔽住。第一通路40和第二通路44被间隔开，使得第一和第二流体42、46在物理上不会相混合。第一通路40和第二通路44被至少一个壁48间隔开，使得热量通过该至少一个壁48从第一流体42传递至第二流体46，或反之亦然。参照图1，第一通路40可构造为一系列由嵌板62支撑的管。第一通路40可包括第一管50、第二管52、第三管54和第四管56。第二通路44可包括多个互连的通道，其包括第一通道57、第二通道58和第三通道60。多个管和通道使得能够获得较大的热传递面积，并因此获得高效的热传递。

参照图1，生成器单元24和热交换单元38可共用共同壳体，使得生成器单元24的第一催化剂26放置在热交换单元38的第二通路44中。在微粒过滤器20的热再生期间，废气加热至再生温度以上；热废气由14a指示(冷却废气由14b指示)。第一通路40被配置成从微粒过滤器20接收热废气14a，且第二通路44被配置成从槽34接收前驱体材料32。热量从热废气14a传递至第二通路44。由于生成器单元24的第一催化剂26放置在第二通路44中，且来自槽34的前驱体材料32流入第二通路44，因此氨气30在第二通路44中生成。在一个示例中，前驱体材料32为脲，且第一催化剂26为水解催化剂。在该示例中，水解反应在第二通路44中进行，从而将脲转化成氨气30。水解反应为两嵌段反应，且一个脲分子转变为两个氨(nh3)分子，如下所示：

co(nh2)2→nh3+hnco

hnco+h2o→nh3+co2

因此，通过使用第一催化剂26和前驱体材料32，生成器单元24利用从微粒过滤器20的热再生获得的热量来生成氨气30。参照图1，热量可传递穿过至少一个壁48以及额外的壁(包括第二壁64、第三壁66和第四壁68)。参照图1，热交换单元38包括允许冷却废气14b(废气通过热交换单元38进行热量消除后冷却)再流入废气管18的再流入流道69。热交换单元38还可与生成器单元24分开容纳。

参照图1，储存单元70可以可操作地连接至生成器单元24，并包括被配置成吸附在生成器单元24中生成的氨气30的储存材料72。储存单元70可由惰性材料(例如，不锈钢)制成。储存单元70可为碳聚合物。在一个示例中，储存单元70能够承受高达5巴的压力和高达150～200℃的温度。在一个示例中，储存材料72为氨基甲酸铵[nh4coonh2]。在另一示例中，储存材料72为硼酸[(nh4)3bo3]。储存材料72的其他示例包括但不限于：碳酸铵[(nh4)2co3]、甲酸铵[nh4cho2]、镁氯化胺[mg(nh3)6cl2]、钙氯化胺[ca(nh3)8cl2]、锶氯化胺[sr(nh3)8cl2]和def[(nh2)2co+h2o(32.5wt％)]。可采用任何类型的本领域技术人员已知的储存材料72。

参照图1，第二流量控制装置74可位于微粒过滤器20与生成器单元24之间。第三流量控制装置76可位于生成器单元24与储存单元70之间，并可被配置成控制氨气30从生成器单元24到储存单元70的流动。第四流量控制装置78可位于储存单元70与废气通路之间。第四流量控制装置78使得能够快速地进行响应，并准确地控制要输送至废气管18的氨气30的量。

参照图1，控制器80可操作地连接至第一流量控制装置36，并包括处理器82和有形非瞬变存储器84，该有形非瞬变存储器中记录指令，这些指令用于执行控制氨气30在生成器单元24中的生成和氨气30到废气管18的输送的方法200。下面参照图2对方法200的执行进行描述。

作为对来自控制器80的控制信号的响应，图1的第一、第二、第三和第四流量控制装置36、74、76、78均可独立地由螺线管、机械恒温器、蜡电机、真空致动器或其他装置进行移动或操作。第一、第二、第三和第四流量控制装置36、74、76、78均可在二元模式(即“开启”(允许100％流量)或“关闭”(允许0％流量或不允许任何流量))中进行操作。第一、第二、第三和第四流量控制装置36、74、76、78均可包括多个模式，例如，用于允许0％流量或不允许任何流量的第一模式、用于允许25％流量的第二模式、用于允许75％流量的第三模式和用于允许100％流量的第四模式。将理解的是，第一、第二、第三和第四流量控制装置36、74、76、78均可采用任何本领域技术人员已知的机构，并可包括任何数量的模式。

参照图1，选择性催化还原装置86与废气管18流体连通。选择性催化还原装置86包括第二催化剂88，其目的在于通过将废气14中的氮氧化物(nox)转化成氮和水蒸气来还原氮氧化物。第二催化剂88可为基底金属的氧化物，例如钒、钼、钨和沸石。在一个示例中，第二催化剂为铁或铜交换沸石。第二催化剂88可包含在涂层中，该涂层覆盖在选择性催化还原装置86上。

参照图1，废气系统16可包括氧化催化剂90，其位于选择性催化还原装置86的上游处。氧化催化剂90将no(一氧化氮)气体转化成no2，其易于在选择性催化还原装置86中进行处理。废气系统16可在各种位置处包括一个或多个用于感测废气14的温度、压力、nox水平和各种其他性能的传感器。

现参照图2中的方法200，将理解的是，控制器80可消除一个或多个框，或可以以不同于上述顺序的顺序确定这些框。开始和结束函数在图2中分别表示为“s”和“e”。方法200可开始于框202，在该框中，图1的控制器80确定微粒过滤器20中是否发生热再生。如果没有发生热再生，则方法200可进行到框210，如线203所示，该内容将在下文中进行描述。如果微粒过滤器20的热再生发生了，则方法200进行到框204。

在图2的框204中，控制器80被编程成打开第一流量控制装置36以至少部分地允许前驱体材料32从槽34流向生成器单元24。控制器80可基于若干因素确定被允许进入生成器单元24的前驱体材料32的量。这些因素可包括但不限于微粒过滤器20上游和下游的废气14中的nox的相应量以及发动机12的废气管18处的废气流率。

方法200从框204进行到框206。在图2的框206中，(在微粒过滤器20的热再生发生的条件下)，控制器80被编程成引导第二流量控制装置74(其位于微粒过滤器20与生成器单元24之间)来至少部分地允许热废气14a从微粒过滤器流向热交换单元38的第一通路40，使得热量通过至少一个壁48从热废气14a传递至前驱体材料32。在第一催化剂26的存在下，利用前驱体材料32来将微粒过滤器的再生所产生的热量用于生成氨气30。

方法200从框206进行到框208。在图2的框208中，控制器80可被编程成引导第三流量控制装置76来至少部分地允许所生成的氨气30从生成器单元24流向储存单元70。如上所述，储存单元70采用储存材料72来吸附或结合氨气30。

在图2的框210中，控制器80被编程成选择性地引导或控制氨气30从储存单元70的释放。例如，在框210中，控制器80可被编程成通过热源92引导热量到储存单元70的施加。热源92可为由开关致动的电线。热量的施加释放结合至储存材料72的氨气30。所施加的热量的程度和持续时间可基于废气管18中所需的氨气30的量进行确定，而该量可基于通过废气系统16中的各种传感器(未示出)测得的废气14中的nox水平之上。

在框212中，控制器80被编程成引导第四流量控制装置78来至少部分地允许(其可基于上文确定的所需氨气30的量之上)氨气30流入废气管18中。一旦输送入废气管18中，氨气30就与选择性催化还原装置86形成流体连通，在该装置中，nox在第二催化剂88的帮助下进行还原反应，由此减少废气14中的nox排放物的量。相较于将前驱体材料32(例如，脲)直接喷射入废气管18中，将氨气30添加入选择性催化还原装置86中可消除将前驱体材料32直接喷射入废气管18中所引起的沉淀物问题。此外，由于氨气30相对易于与废气相混合，因此减少了废气管18中的混合长度。由于氨气30是通过利用微粒过滤器20的再生所产生的热能在生成器单元24中生成的，因此节省了能量，且不需要额外的热能输入。

方法200可从框208(微粒过滤器的热再生在该框中发生)或如线203所示的框202(在该框中没有发生热再生)进行到框210和212。换言之，控制器80可引导储存在储存单元70中的氨气30到废气管18的输送，无论热再生是否发生。方法200可在发动机12的操作期间连续地执行。

参照图3，示出了用于废气系统16的示例性信号图，其中时间t示出在横轴中。图3所示的示例意在成为非限制性示例。纵轴示出了微粒过滤器再生信号302、前驱体进入信号304和氨气添加信号306。在所示实施例中，信号302、304和306中的每一个都可设置至“开启”或“关闭”状态。微粒过滤器再生信号302表示微粒过滤器20的热再生是否发生。前驱体进入信号304表示前驱体材料32是否被引导入生成器单元24中。氨气添加信号306表示氨气30是否被输送入废气管18中。

参照图3，在初始时间(例如，t＝0)与t1之间，微粒过滤器20的热再生没有发生，且微粒过滤器再生信号302(参见部分302a)和前驱体进入信号304(参见部分304a)都设置至“关闭”状态。氨气添加信号306(参见部分306a)可设置至“开启”状态。参照图3，在时间t1与时间t2之间，微粒过滤器20的热再生发生，且微粒过滤器再生信号302(参见部分302b)和前驱体进入信号304(参见部分304b)都设置至“开启”状态。氨气添加信号306可设置至“开启”状态(参见部分308)或“关闭”状态(参见部分310)。

参照图3，在时间t2之后，微粒过滤器20的热再生不再发生，且微粒过滤器再生信号302(参见部分302c)和前驱体进入信号304(参见部分304c)都设置至“关闭”状态，而氨气添加信号306(参见部分306c)可设置至“开启”状态。总之，氨气30在微粒过滤器20的热再生期间生成，并储存在储存单元70中(例如，通过结合至储存材料72)，以用于选择性地输送至废气管18(例如，通过应用热源92)。根据废气系统16的要求，控制器80可随时引导储存在储存单元70中的氨气30到废气管18的输送，无论热再生是否发生。

图1的控制器80可包括具有中央处理单元、存储器(ram和/或rom)和相关联的输入和输出总线的微处理器或计算机。控制器80可为专用集成电路，或可由其他本领域中已知的逻辑装置形成。控制器80可包括组合成单个集成控制模块的中央车辆主控制单元(例如，发动机控制模块(ecm))通路、交互车辆动态模块、主控制模块和具有电源的控制电路，或可为独立的控制模块。

图1的控制器80可包括计算装置，该计算装置采用用于存储和执行计算机可执行指令的操作系统或处理器。计算机可执行指令可根据利用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序进行编译或解释，其中这些编程语言和/或技术单独或组合地包括但不限于：java^tm、c、c++、visualbasic、javascript、perl等。一般而言，例如，处理器(例如，微处理器)从存储器、计算机可读介质等接收指令，并执行这些指令，由此执行一个或多个流程，包括本文所述的流程中的一个或多个。可利用各种计算机可读介质来储存和传输此类指令和其他数据。计算机可读介质(也被称为处理器可读介质)包括任何非瞬变(例如，有形)介质，该非瞬变介质参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)。此类介质可采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。例如，非易失性介质可包括光盘或磁盘以及其他持久性存储器。例如，易失性介质可包括动态随机存取存储器(dram)，其可构成主存储器。此类指令可通过一个或多个传输介质进行传输，该传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，该光纤包括包含耦接至计算机处理器的系统总线的线缆。例如，计算机可读介质的某些形式包括软盘片、软盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、cd-rom、dvd、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他带有穿孔图案的物理介质、ram、prom、eprom、闪速-eeprom、任何其他存储芯片或存储盒或任何其他计算机可读的介质。

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