本公开涉及排气后处理系统，例如在柴油发动机排气中使用的排气后处理系统，并且更具体地涉及催化剂在减少来自排气的有害排放物方面的改进性能。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
在机动车辆运行期间，产生在排气后处理系统中处理的排放物以减少有害污染物。这些污染物除其他之外还包括未燃烧的碳氢化合物(hc)、一氧化碳(co)、氮氧化物(nox)和颗粒物质(pm)等。排气的处理通常包括催化剂(例如选择性催化还原(selectivecatalystreduction，scr)催化剂)，其转化或去除排气中所包含的污染物。
在发动机启动后的最初几分钟或“冷启动”期间，发动机缸体和冷却剂温度较低。因此，排气处于较低温度，与较高温度下的稳态操作相比，这降低了催化剂的效率。
而且，现代重型发动机通常是涡轮增压的。当排气通过涡轮增压器时，由于热能被提取到压缩机并加热涡轮机壳体，因此排气温度降低。这种温度降低延迟了冷启动期间下游氧化催化剂和scr(选择性催化剂还原)催化剂的起燃。在某些情况下，大约90％的气体排放物在下游催化剂加热和发挥作用之前逃逸到排气尾管。
通过本公开解决了排气后处理系统中的这些冷启动问题。
技术实现要素：
在本公开的一种形式中，提供了一种用于提高排气后处理装置(例如选择性催化还原(scr)装置)上游的排气后处理系统中的温度的系统。该系统包括暴露于排气流和至少200℃的温度的排气流内的部件，其中该部件的至少一个表面包括粘附的陶瓷涂层，该陶瓷涂层起到催化剂的作用以加速靠近该部件的排气流的加热。此外，第二催化剂可以粘附到陶瓷涂层。在这种形式的变体中，第二催化剂可以浸渍在陶瓷涂层内。第二催化剂涂覆在陶瓷涂层上，可以是至少一种稀土金属并且可以选自包括氧化催化剂和选择性催化还原(scr)催化剂及其组合的组。一种形式的陶瓷涂层是选自包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铈锆及其组合的组的材料，其中陶瓷涂层还可以包含至少一种稀土稳定剂。稀土稳定剂可以选自包括氧化镧和氧化铈、以及它们的组合的组。
在一种形式中，陶瓷涂层是通过沉积工艺粘附的。一种形式的沉积工艺是阴极等离子体电沉积(cathodeplasmaelectrodeposition，cped)工艺，其具有100v-2000v的脉冲电压和50hz-2000hz的频率。在另一种形式中，沉积工艺选自包括热喷涂、等离子喷涂、薄膜、厚膜和溶胶-凝胶的组。
此外，陶瓷涂层和第二催化剂中的至少一个通过热处理进一步粘附到部件上。部件还可以包括在沉积工艺之前暴露于陶瓷涂层的氧化层，可以使用热处理工艺形成该氧化层。
在本公开的另一形式中，提供了一种用于提高排气后处理装置上游的排气后处理系统中的温度的涡轮增压器。涡轮增压器被构造成布置在排气流内并暴露于排气流和至少200℃的温度，其中涡轮增压器的部件的至少一个表面包括充当催化剂以加速靠近涡轮增压器的排气流的加热的粘附的陶瓷涂层和第二催化剂。作为示例，涡轮增压器部件可以包括喷嘴、叶轮、流道和叶片以及它们的组合。在一种形式中，涡轮增压器的部件是金属材料，其选自包括ni超合金、tial合金、陶瓷基复合材料和不锈钢的组。
在又一种形式中，提供了一种排气后处理系统。排气后处理系统包括位于排气后处理装置上游的部件，该部件设置在排气后处理系统的排气流内并暴露于排气流和至少200℃的温度，其中该部件的至少一个表面包括起到催化剂的作用以加速靠近部件的排气流的加热的粘附的陶瓷涂层。排气后处理系统还包括粘附到陶瓷涂层的第二催化剂，其中在施加粘附的陶瓷涂层和第二催化剂之前或之后中至少一个，通过对部件进行热处理以将陶瓷涂层和第二催化剂的至少一个进一步粘附。
根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不意图限制本公开的范围。
附图说明
为了良好地理解本公开，现在将参考作为示例给出的附图的各种形式，其中：
图1是排气后处理系统的示意图，其中应用了本公开的原理；
图2是根据本公开的教导采用的涡轮增压器的透视局部剖视图；
图3是根据本公开的教导的具有粘附的陶瓷涂层和第二催化剂的部件的局部横截面图；
图4是根据本公开的原理的排气温度对氧化催化剂效率的图表；以及
图5是示出使用本公开的教导在排气后处理系统内的各个位置处实现的提高的温度的图表。
本文中描述的附图仅用于说明的目的，且其并不意图以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，且其并不意图限制本公开、应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分和特征。
参考图1，示例性动力系统被示出并且总体上由附图标记10表示。动力系统10大体上包括发动机12、中间冷却器14、涡轮增压器16和排气后处理系统18。排气后处理系统18布置在涡轮增压器16下游并且处理燃烧后排气以减少排放物释放到大气中。典型地，排气后处理系统18包括后处理装置(例如柴油氧化催化剂(dieseloxidationcatalyst，doc)20)和选择性催化还原装置(selectivecatalyticreductiondevice，scr)22以及未示出的其他部件。
应该理解的是，排气后处理系统18仅仅是示例性的，且因此可以包括其他后处理部件，例如柴油微粒过滤器(dieselparticulatefilter，dpf)、nox吸收器、氨氧化催化剂等，而可能不采用其他部件例如doc20和scr22。此外，虽然示出了用于柴油发动机的排气系统，但应该理解的是，本公开的教导也可应用于汽油发动机排气系统以及其他发电和排气生产设备(例如发电机组)。因此，用于柴油发动机的动力系统10不应被解释为限制本公开的范围。
现在参照图2，涡轮增压器16大体上包括诸如喷嘴30、叶轮32、通向涡轮增压器16的流道34以及叶片36/38(压缩机叶片36和涡轮叶片38)等部件。应该理解的是，该图中所示的涡轮增压器16仅仅是示例性的，并且其构造和部件不应被解释为限制本公开的范围。例如，所示出的喷嘴30仅仅是一个示例，并且涡轮增压器16可以包括连接到在该图中未示出的流道的其他喷嘴。因此，本公开的教导可以应用于涡轮增压器的部件的任何一个或其组合，而仍然在本公开的范围内。
如上所述，涡轮增压器16布置在排气后处理系统18和(一个或多个)后处理装置的上游。因此，由于被提取以驱动压缩机40并加热涡轮机壳体42的热能，排气的温度在通过涡轮增压器16时实际上降低。这在发动机12被加热之前的“冷启动”期间尤其明显。
参考图3，用于提高排气后处理装置(例如doc20、scr22)上游的排气后处理系统18中的温度的系统被示出并且总体上由附图标记50表示。系统50包括至少一个布置在排气流内并且在(一个或多个)排气后处理装置的上游的部件52(例如如上所述的涡轮增压器16的部件)。如图所示，部件52的至少一个表面54包括粘附的陶瓷涂层56，其起到氧化催化剂的作用以加速接近部件52的排气流的加热。为了使粘附的陶瓷涂层56开始氧化并提高排气温度，部件52暴露于排气流和至少200℃的温度。
如本文中所使用的，术语“粘附”应被解释为意指陶瓷涂层56与部件52的表面54的分子连接或机械连接，使得陶瓷涂层56能够承受排气后处理装置上游的热和机械环境(例如移动涡轮增压器16的部件(例如涡轮叶片38))。另外，由于涡轮增压器16部件通常由耐高温材料制成，所以陶瓷涂层56被配制成还粘附到这些高温材料。如本文中所使用的，术语“高温”应被解释为至少约800℃的温度。这种高温材料可以包括但不限于镍超合金、钛-铝合金、陶瓷基复合材料和不锈钢等等。
陶瓷涂层56的配方可以包括选自包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铈锆及其组合的组的高表面积陶瓷。在一个变型中，陶瓷涂层56可以进一步包括选自包括氧化镧和氧化铈以及它们的组合的组的稀土稳定剂。如上所述，稀土稳定剂提供与高温金属材料的更强的粘附。
如进一步所示，部件52还可以包括粘附到陶瓷涂层56的第二催化剂58，以进一步改善氧化和提高温度。在一个变型中，如图所示第二催化剂58浸渍在陶瓷涂层56内，而不是沉积/施加在陶瓷涂层56上。第二催化剂58可以是单独或组合的贱金属或贵金属。可以采用稀土金属稳定第二催化剂58。第二催化剂58可以是选自包括氧化催化剂和scr催化剂及其组合的组的催化剂，并涂覆到陶瓷涂层56上。
陶瓷涂层56与部件52的粘附可以通过沉积工艺(例如具有100v-2000v的电压和50hz-2000hz的频率的阴极等离子体电沉积(cathodeplasmaelectrodeposition，cped)工艺)完成，以确保陶瓷涂层56的合适的孔隙率和形态。该沉积工艺仅仅是示例性的，因此可以采用其他沉积工艺，示例性的例如热喷涂、等离子喷涂、薄膜、厚膜和溶胶-凝胶工艺等。因此，cped工艺仅仅是示例性的，不应被解释为限制本公开的范围。
可以通过热处理工艺进一步增强陶瓷涂层56和/或第二催化剂58与部件52的粘附。例如，在将陶瓷涂层56在400℃至800℃下热处理0.5小时至10小时的时间段之后，使用cped技术涂覆在镍合金上的具有或不具有稀土掺杂剂的氧化铝层显示出高达30-40mpa的结合强度，这比未处理的涂层高一至二倍。此外，为了在沉积陶瓷涂层56和第二催化剂56之前形成暴露于陶瓷涂层56的氧化层，可以对部件52自身进行热处理或以其他方式处理(例如盐浴)。这些处理工艺，无论是单独还是组合施加于部件52、陶瓷涂层56和第二催化剂58，通常用于使材料氧化并改善它们彼此之间的粘附性。
尽管图示了陶瓷涂层56和第二催化剂58的连续层，但应理解的是，这些材料可以连续地、不连续地或以预定的模式施加而保持在本公开的范围内。因此，本文中所示的连续层不应被解释为限制本公开的范围。
通常，可操作具有陶瓷涂层56和可选的第二催化剂58的部件52以提高排气后处理装置(例如scr22)上游的排气后处理系统16的温度，以改善其效率。当陶瓷涂层56设置在涡轮增压器16的部件(例如在压缩机叶片36、涡轮叶片38和/或其它部件上)上时，由于陶瓷涂层56和第二催化剂58的氧化而使温度升高，这允许更快的加热和更高的温度来改善(一个或多个)下游排气后处理装置的效率。
在图4中示出该有益效果，其中示出了沿着涡轮增压器16的排气流的温度分布和相应的氧化催化剂效率(例如，涡轮机叶片38和doc上涂覆的氧化催化剂)。在更高的排气温度下，氧化催化剂效率更高。更具体地说，当doc入口处排气温度低时，doc效率低。当排气以这种形式通过作为两级涡轮增压器的涡轮增压器16并且排气温度升高时，doc效率提高。因此，通过应用本公开的教导，氧化催化剂(即，陶瓷涂层56、和第二催化剂58)处于更有利的位置以更快起燃，因此以更高的速率增提高排气温度。
如图5所示，这种改进已经在测试中得到了进一步的证明。如图所示，通过使用根据本公开的创新的陶瓷涂层56(和任选的第二催化剂58)，随时间增加，温度在doc60的上游、doc62的下游以及dpf64的下游的提高得到证明。从该测试明显可见，温度提高，而其中涡轮增压器壳体42内的较强的热量和质量转移可以在冷启动的加热期间将氧化催化剂效率从大约0-5％加速到20-30％。此外，由于来自陶瓷涂层56和任选的第二催化剂58的催化剂反应的放热能量，加速了下游排气后处理装置(例如scr22催化剂)的加热。与陶瓷涂层56和任选的第二催化剂58结合使用下游柴油氧化催化剂(doc)装置可以进一步改善排气后处理装置的效率。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本公开的实质的变化意图纳入本公开的范围内。这样的变化不被认为是背离本公开的精神和范围。