用於內燃發動機的排氣後處理裝置的製作方法

2024-04-08 00:56:05

本發明涉及用於內燃發動機的排氣後處理裝置。本發明特別地涉及用於催化nox轉化的還原劑的導入。

背景技術：

為了滿足當前的排放法規，大多數帶有內燃發動機的車輛當今設置有排氣後處理裝置，排氣後處理裝置包括設置在排氣管內用於減少尾氣排放的催化轉化器。催化轉化器通常由帶有入口和出口的管狀的縱向本體構成，其中入口與出口流體連通。催化轉化器通常包括設置在入口與出口之間的通道結構內的至少一個催化轉化器基底。排氣可通過該通道結構並且同時暴露於催化轉化器的較大表面區域。催化轉化器的入口接收來自內燃發動機的尾氣排放，並且出口被構造為排出在催化轉化器內處理過的排放尾氣。

最常使用的用於汽油發動機的催化轉化器結構通常是三元催化劑(twc)。對於柴油機來說，最常使用的通常是柴油機氧化催化劑(dieseloxidationcatalyst，簡稱doc)和稀燃nox捕集器(leannoxtrap，簡稱lnt)。用催化氧化氮(nox)轉化器例如作為帶有用於改進的nox還原的選擇性催化還原(scr)功能的基底添加於上述催化轉化器結構也是常見的。對於具有scr功能的基底來說，液體或氣體還原劑被導入scr基底上遊的排氣流從而還原劑可在scr基底之前與排放的尾氣混合。

當使用液體還原劑例如尿素溶液(「adblue」)時，液體還原劑被噴灑至催化nox轉化器上遊的排氣管內從而液體還原劑可汽化並且在進入催化nox轉化器之前與排氣混合。從排氣傳遞的熱量用於汽化液體還原劑。還原劑的充分混合對於scr基底內nox的最理想還原和scr基底的正確工作來說是很重要的。

us2007/0036694公開了排氣後處理系統的一個示例，其中噴灑器將尿素水形式的液體還原劑噴灑在排氣管內並且其中nox催化劑配置在噴灑器下遊。液體還原劑在該示例中噴灑在設置在排氣管內的帶角度多孔板上，從而噴灑的液體還原劑液滴在到達排氣管的壁面之前碰撞在板上。根據us2007/0036694，防止了液體還原劑在壁面上的沉積並且液體還原劑在排氣內均勻分散。

當排氣溫度相對較高時常規的scr排氣後處理系統在正常操作狀況下通常工作良好。然而，常規scr排氣後處理系統的常規缺陷是液體還原劑在較低溫度水平下(即典型地低負載情況下)汽化得不充分。這可能導致排氣管內壁的潤溼和在排氣管的壁和其它部件上還原劑沉積物的形成。

因而需要改進適於低溫狀況下的scr排氣後處理裝置。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供用於內燃發動機的scr排氣後處理裝置，其中液體還原劑的汽化在更低的排氣溫度下也是有效的。

本發明涉及一種用於內燃發動機的排氣後處理裝置，其中所述裝置包括：允許排氣貫穿流過的排氣管、設置在排氣管內的催化nox轉化器、以及被設置在催化nox轉化器上遊將液體還原劑導入排氣管內的結構中或上的流體入口。

在本發明的裝置中，所述結構是具有孔隙的吸附結構，孔隙被構造為保留液態形式的液體還原劑直至其汽化。

這意味著吸附結構具有孔隙，孔隙能夠在還原劑處於液態時吸收或吸附還原劑且將還原劑保持在吸附結構上直至其汽化和混入排氣流。這還意味著所指的孔隙形成可從吸附結構的表面接近的開放腔室或通道。除了這些開口孔隙外，吸附結構可以包括或可以不包括閉口孔/空隙。

使用根據本發明的裝置，有可能防止或至少減少(過多)液體還原劑釋放到排氣中，這就防止或降低了在較低排氣溫度下形成沉積物等等的風險。此外，由於液體還原劑可存儲在排氣管內的吸附結構內或上，更容易控制還原劑的釋放。例如，存儲在吸附結構內的液體還原劑可自動地汽化並且隨著排氣溫度或質量流的增加以更高速率釋放。由於存儲的效果，有時具有延遲直至吸附結構需要補給更多的液體還原劑。

這與液體還原劑被簡單地噴入排氣管的最常規的系統形成明顯對比。除了與沉積物等等有關的問題外，很難設計與存儲在吸附結構內的液體還原劑一樣根據排氣的溫度或質量流變化快速和正確起反應的用於噴灑還原劑的系統。本發明也與us2007/0036694形成鮮明對比，us2007/0036694的主要目的是在排氣中適當地分散液體還原劑，並且其沒有具有被構造為將液體還原劑保持在液態直至其汽化的孔隙的吸附結構(而僅僅具有設置有對於吸附或吸收任何液體還原劑來說過大的孔的板)。

此外，本發明的裝置能夠有效汽化液體還原劑，因為可使用有效的傳熱，即來自被排氣加熱的吸附結構的熱傳遞直接傳遞至液體還原劑。從實體結構至液體的傳熱比從(排氣)氣體至液體(還原劑)的常規傳熱方式更有效。

此外，在傳統系統中，因為所謂的萊登弗羅斯特效應(leidenfrosteffect)，排斥力常常存在於液體還原劑與固體不鏽鋼表面/混合物之間。當液體與具有比尾氣處理液(adblue)的100℃液體沸點更高溫度的表面相接觸時因為水的含量是67％(32.5％的尿素和67.5的去離子水)，因此液體產生防止液體快速沸騰的絕緣汽化層。使用帶有多孔材料表面的吸附結構的附加優點在於這種表面影響液體還原劑與所述表面之間的表面張力特性從而更有效地吸附液體還原劑並且防止或至少減少萊登弗羅斯特效應。

本發明還可能通過加熱吸附結構即通過將吸附結構設置在加熱元件上或將加熱元件集成在吸附結構中而在較低溫度情況下提供加強的汽化。加熱元件能以受控的方式例如通過電力或排氣熱交換來加熱。這種加熱元件可用於控制吸附結構的溫度從而控制還原劑的汽化。

當今低油耗的輕型載貨汽車通常具有較低的排氣溫度。對於常用作催化nox轉化器的scr基底來說，較低的排氣溫度限制了在排氣流內添加液體還原劑的可能性。本發明非常適合於這種車輛。

在液體還原劑被直接噴入排氣管內排氣流的當今傳統車輛應用中的最低溫度範圍為大約180-200℃從而確保以有效方式汽化液體還原劑。scr催化劑基底的最小工作溫度為大約150℃並且因而在scr催化劑基底的工作溫度與發生液體還原劑噴灑的溫度之間有差距。如果在傳統車輛應用中以低於180-200℃的最低溫度範圍的溫度噴灑液體還原劑，具有潤溼排氣管內壁以及在排氣管的壁和其它部件上形成還原劑沉積物的風險。通過使用根據本發明的吸附結構，液體還原劑可以比傳統應用更低的溫度例如大約150℃被導入排氣管。

吸附結構可被認為是三維的多孔結構，其能保持液體還原劑直至液體還原劑汽化進入排氣流。這與us2007/0036694中例示的結構類型形成對比，us2007/0036694中例示的結構類型可以說是二維結構類型因為孔的長度(即板的厚度)與孔的直徑相比非常小。

優選地，多孔結構的表面特性改進了液體還原劑與吸附結構表面之間的潤溼從而增強了液體還原劑的吸附。

吸附結構可由具有能夠吸收或吸附液體還原劑的孔隙的任何適宜材料製成，只要它也能承受排氣中的溫度和化學環境即可。吸附結構可由複合材料、陶瓷材料、燒結金屬結構例如燒結鋼材料、鈦合金、二氧化鈦或泡沫複合材料製成。吸附結構的孔隙結構根據所使用的材料而變化。

在本發明的實施例中，吸附結構包括呈現三維孔隙結構的多孔材料。

不同的孔隙直徑/寬度範圍和分配可根據應用正確地工作。5μm左右的孔隙直徑/寬度是適宜孔徑大小的示例。

在本發明的一個實施例中，吸附結構包括具有直徑或寬度在50nm-100μm之間的孔隙的大孔隙結構(macro-porousstructure)。通常地，寬度大於50nm的孔隙被表示為大孔隙(rouquerolj.等，(1994)「多孔固體特徵的提議」，pureandappl.chem.66：1739-1758)。大孔隙結構具有50nm-100μm的孔隙寬度範圍，認為這是適合於本發明的。在本發明的一個實施例中，大孔隙結構具有500nm-100μm之間直徑或寬度的孔隙。

在本發明的一個實施例中，吸附結構包括具有直徑或寬度小於50nm的孔隙的中孔隙或微孔隙結構。在某些應用中，這種小孔隙對於獲得特定表面效應是非常有用的。通過將這種中孔隙或微孔隙結構設置在大孔隙結構上，在某些應用中可獲得特定的有利影響。

沒有必要吸附結構的所有孔隙呈現給定範圍內的直徑或長度；即使一部分孔隙處於某個範圍之外吸附結構的功能也是有效的。

在本發明的一個實施例中，吸附結構的孔隙呈現每平方毫米至少10個孔隙開口的孔隙開口表面密度，優選每平方毫米至少100個孔隙開口。孔隙開口的數量甚至可以高於每平方毫米1000個開口，典型地取決於孔隙直徑/寬度(的分布)。孔隙開口表面密度對應於表面結構的表面處每個面積單位的開孔數量。

除了孔隙直徑/寬度和孔隙開口表面密度外，孔隙體積，單孔體積的分布和總孔隙體積有可能均對吸附結構的性能有影響。已經注意到，通過已知的方法例如燒結製造的吸附結構典型獲得的孔隙體積對於此處描述的應用來說工作的較好。應注意到，通常很難既以正確和客觀的方式測量孔隙體積又以準確指定的孔隙體積製造孔隙固體。雖然某些孔隙特性很難控制和測量，也應注意意圖展示某些多孔特性的孔隙固體即本發明涉及的材料種類明顯區別於不意圖展示任何特定的其它材料，例如規則鋼板(不可避免地展示某種孔隙度)。

在本發明的一個實施例中，吸附結構是燒結材料。燒結是用於製造帶有適於保持液體還原劑的孔隙的結構的適宜方法。

在本發明的一個實施例中，吸附結構由不鏽鋼製成。在另一實施例中，吸附結構由金屬氧化物優選tio2和/或zro2製成。吸附結構可由不鏽鋼和金屬氧化物(優選tio2和/或zro2)的組合製成，其中金屬氧化物優選形成不鏽鋼上的外層。例如，金屬氧化物可形成中或微孔隙結構，其形成由不鏽鋼製成的大孔隙結構的外層。

在本發明的一個實施例中，吸附結構設置在排氣管內部的壁上。可選地或額外地，吸附結構以開式構造設置在排氣管內部，在所述開式構造中，吸附結設置在允許排氣流過的託架上或形成該託架。例如，孔隙吸附結構可為施加於排氣管壁、施加於設置在排氣管內且允許排氣流過的託架、或施加於系統的其它部分的相對薄的膜。孔隙吸附結構也可形成具有結構強度的物體並且可例如形成上述託架的一部分或整個託架。

在本發明的一個實施例中，流體入口包括噴嘴，噴嘴被構造為以一定的噴霧圖案朝吸附結構噴灑液體還原劑從而在吸附結構外側上形成相應噴霧目標區域，其中噴霧目標區域對應於吸附結構的外周或位於吸附結構的外周內。這意味著還原劑僅直接噴灑在吸附結構上而非裝置的壁上或其它部分上，這增加了吸收全部液體還原劑的可能性並且降低了將(過多)液體還原劑釋放入排氣流的可能導致壁等潤溼的風險。

在本發明的一個實施例中，流體入口設置在吸附結構的內側上。這至少基本上意味著能在吸附結構內側上保持還原劑的液態並且汽化的還原劑僅在吸附結構的與排氣流相接觸的外側處離開它。這種情況下，大部分孔隙優選在兩端開口並且貫穿吸附結構以允許液體還原劑在其內開口處進入並且允許汽化還原劑在其外部開口處離開。

在本發明的一個實施例中，所述裝置包括與吸附結構結合設置的可控加熱元件，從而允許吸附結構經由加熱元件的可控加熱。如上所述，這就可能在較低溫度的情況下也有效地汽化還原劑。

本發明還涉及包括上述類型的排氣後處理裝置的車輛。

附圖說明

現在將參照附圖詳述本發明，其中：

圖1示意性地示出根據本發明的排氣後處理裝置的第一示例，

圖2示意性地示出根據本發明的排氣後處理裝置的第二示例，

圖3示意性地示出根據本發明的帶角度排氣後處理裝置的第三示例，

圖4示意性地示出根據本發明的帶角度排氣後處理裝置的第四示例，

圖5示意性地示出根據本發明的排氣後處理裝置的第五示例，並且

圖6示意性地示出根據本發明的排氣後處理裝置的第六示例。

具體實施方式

下面將結合示出而非限定本發明的附圖描述本發明的不同方面，其中相同的附圖標記表示相同的元件，並且所述方面的變型不局限於特定示出的實施例而是可應用於本發明的其它變型。

圖1示意性地示出用於(典型地在車輛應用中的)內燃發動機的排氣後處理裝置12的第一示例，包括排氣管1，排氣管1包括具有用於排氣的入口9和出口10的管狀縱向本體，其中入口9與出口10流體連通。當內燃發動機運轉時，從發動機排出的排氣沿圖1箭頭所示的流向穿過排氣管1。氧化催化劑6被布置為靠近入口9。也可設置粒子過濾器用於去除顆粒物質。在氧化催化劑6的下遊，噴灑嘴形式的流體入口3被設置以將流體還原劑4導入排氣管1內。

流體還原劑4被導入(在該示例中噴灑)到在該示例中被設置在排氣管1的壁上的吸附結構5上。催化nox轉化器2設置在流體入口3和吸附結構5的下遊。液體還原劑4被存儲在罐8內並且被泵7增壓。泵7被控制為調整所噴灑的液體還原劑4的量從而根據發動機的運行狀態將適當的量添加於排氣流。

氧化催化劑6可為用於汽車工業的任何常規類型並且氧化催化劑基底可為任何適宜的類型。此處不描述用作氧化催化劑基底的可能催化基底的功能，因為這被認為是公知常識部分。

在剛剛從內燃發動機排出後，排氣含有主要由一氧化氮(no)構成的氧化氮(nox)。氧化催化劑6將排出的no的一部分氧化為二氧化氮(no2)。液體還原劑4(例如尿素水或氨水)被添加於排氣以減少其含有的nox。尿素水解並且形成氨(nh3)。

通過使用添加或製造的氨，nox在催化nox轉化器2中被還原為氮和水。將nox還原為氮和水的反應在no與no2的摩爾比為1：1時在相對較低的排氣溫度下進行的最快，因此氧化催化劑6可控制氧化過程以獲得該摩爾比從而促進有害nox的反應。no與no2的摩爾比為1：1時根據以下公式用氨還原nox：

no+no2+2nh3→2n2+3h2o

如果nox與氨之間的反應以不理想的方式進行，則未反應的有害氨可能從催化nox轉化器2出來，因此可在催化nox轉化器2的下遊設置用於處理氨的又一催化劑。

催化nox轉化器2可為常用於在內燃發動機應用中還原nox的傳統催化nox轉化器，例如帶有scr功能的基底。此處不描述用作催化nox轉化基底的可能催化基底的功能，因為這被認為是公知常識部分。

噴灑在吸附結構5上的液體還原劑4以液態形式吸附在吸附結構5的孔隙中。當噴射入排氣管1時一部分還原劑4可能直接汽化，並且一部分可能以液態形式散布在排氣中，這是可以接受的。吸附在吸附結構5上/內的液體還原劑4被從吸附結構5傳遞的熱所汽化，吸附結構5又已經被和由排氣加熱。來自吸附結構5的汽化還原劑的釋放速度取決於排氣(溫度、質量流動、流動模式)和吸附結構(溫度、存儲在吸附結構內的液體還原劑的量)的狀況以及所使用的特定吸附結構5的特性(孔隙尺寸、總孔隙容積等等)。

液體還原劑4的添加除了內燃發動機的運行狀態外，還適合於所使用的特定吸附結構。

流體入口3可位於排氣管1內的任何適宜位置並且貫穿排氣管1的壁。流體入口3在該示例中是噴嘴，其產生被導入吸附結構5內或上的液體還原劑4的噴霧小液滴。

噴嘴3被設置為使得液體還原劑4的噴射以預定的噴霧圖案(如圖所示)進行。液體還原劑4通過噴霧圖案被控制為匹配吸附結構5的表面形狀以確保液體還原劑4不導入吸附結構5外部的排氣管部分上。換句話說，噴射噴嘴3被構造為以一定的噴霧圖案向吸附結構5噴灑液體還原劑4以便在吸附結構5外側上形成相應的噴霧目標區域，其中噴霧目標區域對應於吸附結構5的外周或位於吸附結構5的外周內。噴霧圖案可為適於所述應用的任何形狀，例如正方形、長方形、圓形、橢圓形、三角形或任何其它規則或不規則的形狀。

當液體還原劑4汽化時它與排氣流混合。通過在排氣管內在吸附結構5下遊設置的混合裝置可改進汽化的還原劑與排氣的混合，使得得到的到達催化nox轉化器2的氣流被徹底混合，這就改進了催化nox轉化器2內nox的還原。

吸附結構5被排氣流加熱，並且通過存儲在吸附結構5內的熱量，液體還原劑4的受控汽化的足夠能量通常通過從排氣經由吸附結構5傳遞至液體還原劑4的熱量獲得。

可控的和這種情況下的電加熱元件13被設置為與吸附結構5緊密連接從而能夠給吸附結構5傳遞附加熱量。當吸附結構5用於以足夠速度汽化液體還原劑4的情況下溫度過低時，加熱元件13用作附加熱源。

還有一個可能是根據排氣後處理裝置12的設計在排氣管1內的不同位置設置帶有相應流體入口3的兩個或更多吸附結構5。

圖2-6示出根據本發明用於內燃發動機的排氣後處理裝置12的其它示例。與圖1所示示例相關的如上所述內容通常也適用於圖2-6所示的示例，例如排氣管1具有類似的入口9和出口10，催化轉化器2、6可以是類似的類型，泵7和罐8是類似，可適於混合，可使用用於加熱吸附結構5的加熱元件13，噴嘴3和噴霧圖案在大多數情形下大體上類似，等等。圖1使用的附圖標記也用於圖2-6中的相應部件。下面的焦點主要放在與圖1所示示例相比的區別上。

圖2示意性地示出用於內燃發動機的排氣後處理裝置12的第二示例。在該實施例中，吸附結構5以開式構造設置在排氣管1內部，在該處吸附結構5也形成設置有允許排氣流過的更大流道的託架結構。可選地，吸附結構5可施加於由其它材料製成的託架結構上。這種設置提供了吸附結構5與排氣流之間的較大接觸面，這提供了液體還原劑4的有效汽化。

圖3示意性地示出用於內燃發動機的排氣後處理裝置12的第三示例，其中排氣管1形成帶角度本體。該帶角度結構提供了排氣後處理裝置12的更緊湊設計。

在該實施例中，吸附結構5在排氣管1的第一直部的末端處、排氣管彎頭處的外壁處設置在排氣管的壁表面上。該示例中的吸附結構5是壁上的層或塗層的形式。該實施例中的吸附結構5較好地暴露於排氣流，這提供了有效的傳熱和還原劑汽化。此外，由於能沿著排氣流的方向形成液體還原劑4的噴灑，就簡化了該噴灑。

圖4示意性地示出用於內燃發動機的排氣後處理裝置12的第四示例，其中排氣管1形成類似於圖3的帶角度本體。在該實施例中，吸附結構5設置在氧化催化劑6上。氧化催化劑6的下遊側的一部分或全部塗覆有吸附結構5的層。可選地，吸附結構5可連同氧化催化劑6形成或設置在獨立的託架結構(允許排氣如上所述貫通流動)上。在該實施例中，吸附結構5也較好地暴露於排氣流，其提供了有效傳熱和還原劑汽化。

在不具有角構造的排氣管中，吸附結構5可與圖4一樣地設置在氧化催化劑6上。

圖5示意性地示出用於內燃發動機的排氣後處理裝置12的第五示例。在該實施例中，吸附結構5以開式構造設置在排氣管1內部，該開式構造形成或設置在類似於圖2所示允許排氣通過的託架結構上。

如圖5所示，流體入口3在該示例中包括三個平行的入口，設置在吸附結構5的內側上。液體還原劑因而從內部即經由託架結構供給至吸附結構5，並且液體還原劑4不先穿過排氣流被導入吸附結構5內而非吸附結構5上。這樣，可實現液體還原劑4的特定有效和受控的配料和汽化。在該示例中，還原劑經由吸附結構5的孔隙被運出排氣管1，在這種情況下，所述孔隙在吸附結構供給液體還原劑的內側處和吸附結構與排氣流接觸的外側處均具有開口。流體入口3的設置和液體還原劑至吸附結構的輸送具有各種可能性。例如，附加通道或更大的孔可設置在託架結構內以將液體還原劑從入口3輸送至吸附結構的外部孔隙部分。

當吸附結構5施加於例如排氣管1的壁上(例如為附加於圖1和3中例示的壁上的層的形式)時，液體還原劑這樣直接導入到吸附結構即不將還原劑噴灑在吸附結構外側上也是可能的。還原劑可經由吸附結構後面的壁內的開口直接供給至這種層的內側、後側。吸附結構在這種情況下可設置在支承板上，所述支承板特別適於輸送和分配從一個或若干個設置在排氣管1的壁的開口處的流體入口供給的液體還原劑。在這種情況下，流體入口可形式上被視為位於支承板與吸附結構之間的接口處。

圖6示意性地示出排氣後處理裝置12的第六示例。在該實施例中，一部分排氣流被引入與排氣管1流體連通的旁路管道11。被引入旁路管道11的該部分排氣流用於汽化保留在吸附結構5內的液體還原劑4。吸附結構5被設置在旁路管道11的壁面上，例如通過吸附結構5的層或塗層。流體入口3延伸穿過旁路管道11的壁。

可選地，吸附結構5可以對應於如上所述的開式構造設置在旁路管道11內部。

旁路管道11與排氣管1可以比圖6所示的更分開。此外，由於排氣的溫度通常上遊高於下遊，因此將吸附結構5定位在旁路管道11的起點即旁路管道11的上遊部分內是有利的。

同樣在吸附結構5位於旁路管道11內的情況下，有可能利用如圖5所示的直接將液體還原劑引入吸附結構5內。

排氣後處理裝置12典型地用於設置有控制單元的車輛中，控制單元適於控制排氣後處理裝置12。控制單元連接於車輛的控制系統，其例如控制液體還原劑4的噴灑和加熱元件13的電力供應。

附圖標記

1：排氣管

2：催化nox轉化器

3：流體入口(用於液體還原劑)

4：液體還原劑(噴霧圖案)

5：吸附結構

6：氧化催化劑

7：泵

8：罐

9：排氣入口

10：排氣出口

11：旁路管道

12：排氣後處理裝置

13：加熱元件