排氣後處理系統和用於運行該系統的方法

2023-07-31 00:35:26

排氣後處理系統和用於運行該系統的方法
【專利摘要】本發明的目的是提供的用於接收排氣的排氣系統(6)。排氣系統(6)包括第一SCR催化器(10)和定位在所述第一SCR催化器(10)下遊的第二SCR催化器(16)。第一噴射器(44)設置在所述第一SCR催化器(10)上遊，且第二噴射器(64)設置在所述第二SCR催化器(16)上遊。排氣系統(6)進一步包括：氣態氨供給裝置(40)，其被流體地連接到所述第一噴射器(44)，以通過所述第一噴射器(44)將氣態氨供給到所述排氣；以及含氨還原劑存儲器(60)，其被流體地連接到所述第二噴射器(64)，以通過所述第二噴射器(64)將諸如尿素的流體含氨還原劑供給到所述排氣。第一SCR催化器(10)具有比所述第二SCR催化器(16)小的體積以快速加熱所述第一SCR催化器(10)。
【專利說明】排氣後處理系統和用於運行該系統的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及用於接收排氣的排氣系統，其中排氣系統包括第一 SCR催化器、定位在所述第一 SCR催化器下遊的第二 SCR催化器、設置在所述第一 SCR催化器上遊的第一噴射器和設置在所述第二 SCR催化器上遊的第二噴射器。

【背景技術】
[0002]發動機，特別是柴油驅動的內燃機、但也包括現有技術的其他發動機產生了包含數種空氣汙染物的排氣，包括一氧化碳(CO)，碳氫化合物(HC)，氮氧化物NO和NO2 (NOx)以及包含含碳物質的微粒物質(PM)，或碳煙。
[0003]隨著對於環境問題和健康危險防護的日益增加的關注，排氣法規變得越來越嚴格。
[0004]為降低排氣中的NOx的量，一些發動機裝配有選擇性催化還原(SCR)系統，所述系統將NOx和氨(NH3)的混合物轉化為氮氣(N2)和水(H2O)。例如，文獻US2008/0060348A1示出了用於還原NOx的排氣系統，所述排氣系統包括第一 SCR催化器、第二 SCR催化器和定位在所述第一和第二 SCR催化器之間的微粒過濾器。然而，在低溫排氣條件期間，諸如在發動機冷啟動之後，或在低溫運行期間，例如低速城市行駛條件下，此系統具有有限的去除以上所述的汙染物的效率。因此，為了在低溫排氣條件期間將在微粒過濾器中存儲的PM的有效的基於NO2的氧化與移除以上所述的NOx汙染物的最大效率結合，根據本發明的還原劑配給限定和專門的運行策略的進一步改進是有益的。
[0005]與有效的排氣處理系統相關的另一個問題一般是對於SCR催化器的運行所要求的氨源的相對短的再填充的間隔。
[0006]與有效的排氣處理系統相關的再另一個問題是系統的物理尺寸和現代車輛中的有限的可利用空間，從而使得排氣後處理系統的安放是困難的。
[0007]因此，需要去除以上所述缺點的改進的排氣後處理系統。


【發明內容】

[0008]本發明的目的是提供用於接收排氣的本發明的排氣系統和用於運行該系統的方法，其中避免了前述問題。所述排氣系統包括第一 SCR催化器、定位在所述第一 SCR催化器下遊的第二 SCR催化器、設置在所述第一 SCR催化器上遊的第一噴射器和設置在所述第二SCR催化器上遊的第二噴射器。
[0009]本發明的目的至少部分地通過權利要求1的特徵部分的特徵實現，其中所述排氣系統進一步包括:氣態氨供給裝置，該氣態氨供給裝置被流體地連接到所述第一噴射器，以通過所述第一噴射器將氣態氨供給到所述排氣；以及含氨還原劑存儲器，該含氨還原劑存儲器被流體地連接到所述第二噴射器，以通過所述第二噴射器將諸如尿素的流體含氨還原劑供給到所述排氣。所述第一 SCR催化器具有與所述第二 SCR催化器相比較小的體積以快速加熱所述第一 SCR催化器。
[0010]本發明的布置優選地具有兩個清晰的運行模式:低溫排氣運行模式和高溫排氣運行模式。在低溫排氣運行模式中，氣態氨被噴射到第一 SCR催化器上遊，這有效地還原了排氣的NOx。一般地，在此運行模式中，不通過第二噴射器噴射含氨還原劑。在高溫排氣運行模式中，將含氨還原劑噴射到第二 SCR催化器上遊，這有效地還原了排氣的NOx。一般地，在此運行模式中，不通過第一噴射器噴射氣態氨。本發明的布置總體上不僅導致冷啟動和低溫排氣運行條件期間的明顯改進的NOx排放控制，而且導致排氣後處理系統的維持得長的維護間隔，以及改進的排氣系統的封裝。
[0011]本發明的排氣系統設計為與現有技術相比在降低的排氣溫度下也通過第一 SCR催化器執行有效的NOx還原，使得NOx的催化還原可在發動機冷啟動的較早階段執行。在此技術效果方面，存在多個潛在原因:
[0012]第一 SCR催化器具有比第二 SCR催化器小的體積。對於任何給定的物質，物體的熱容量與其所含的物質的量直接成比例。因此，與體積較大的SCR催化器相比，體積較小的SCR催化器的溫度更迅速地升高，原因是與較大的SCR催化器相比小的SCR催化器的熱容量較小。
[0013]SCR催化器需要氨，以用於催化去除排氣中的NOx排放物。當噴射諸如尿素的流體含氨還原劑時，所述還原劑的在排氣通道內分解為活性反應劑氣態氨的分解反應需要在噴射位置處的排氣的一定的溫度水平以大體上完全分解，所述溫度水平例如一般大約為200°C。含氨還原劑的噴射因此不能在遠低於所述溫度水平下初始化，因此明顯地限制了NOx排放物降低效率。然而，通過提供氣態氨而不是流體含氨還原劑，不需要等到排氣已達到所述的溫度水平才噴射。因此，NOx排放物降低可在較低的溫度下初始化，從而允許使用SCR催化器的完全活性溫度窗，例如低到大約150°C的溫度。
[0014]此外，本發明的布置因此也導致當進入低溫排氣允許條件，諸如交通堵塞、低速城市行駛條件等時的改進的NOx排放物控制，因為系統可總是在需要時如上所述從高溫排氣運行模式返回到低溫排氣運行模式。
[0015]具有小的第一 SCR催化器的本發明的另外的優點是所述催化器的靠近發動機或渦輪增壓器的空間非常有限的出口的簡化的設計。第一 SCR催化器的相對小的尺寸允許其更接近發動機的布置。因此，第一 SCR催化器的尺寸的限制是支持本發明的改進的NOx排放物還原的因素。在第一 SCR催化器上遊添加氣態氨實現了非常短的混合距離，這利用了在渦輪增壓器出口的正下遊處造成的湍流，從而進一步實現了緊湊的封裝方案。
[0016]本發明的另外的發明優點是由將活性反應劑氨布置到本發明的第一和第二 SCR催化器的特定供給布置導致的。將氣態氨供給到第一 SCR催化器與將諸如尿素的流體含氨還原劑供給到第二 SCR催化器的結合通過對於所述第一和第二氨源的智能的配給策略而允許了排氣後處理系統的延長的維護間隔，從而使得所述系統更有效、可靠和成本有效。例如，通過僅在低溫排氣運行模式期間，諸如冷啟動和一定的城市行駛條件期間經由第一噴射器將氣態氨供給到第一 SCR催化器，且當第二 SCR催化器處達到一定的排氣溫度時經由第二噴射器將含氨還原劑供給到第二 SCR催化器同時停止氣態氨的供給，第一以及第二SCR催化器或多或少地非同時地運行。可通過本發明的布置實現的該類型的配給策略不僅實現了非常高的NOx轉化效率而無任何對於燃料經濟性的負面影響，而且導致了排氣後處理系統的明顯地延長的維護間隔，即在氨源的再填充或更換之間的更長的時間段。當然，在第一或第二噴射器處的噴射之間可具有更不明顯的過渡，且第一或第二 SCR催化器和兩個SCR催化器的催化運行可構造為在過渡階段同時具有催化活性。
[0017]具有大體上非同時的配給策略的優點是當排氣系統中設置有微粒過濾器時微粒過濾器的更有效的基於NO2的PM再生過程，因為基本上僅當氣態氨向第一 SCR催化器的配給已停止時才可能進行的基於NO2的PM再生過程導致催化成分的更低的熱降級和更低的燃料經濟性負面影響，如在下文的詳細描述中更詳細地描述。在基於NO2的PM再生過程可進行的溫度範圍內，例如250至450°C，含氨還原劑例如尿素向第二 SCR催化器的配給完全地活化，使得即使當氣態氨向第一 SCR催化器的配給已停止也維持了排放物合格。
[0018]另外的優點通過實施從屬權利要求的特徵的一個或數個來實現。根據本發明，所述第一 SCR催化器的體積在所述第二 SCR催化器的體積的5%至60%的範圍內，特別地在所述第二 SCR催化器的體積的5%至40%的範圍內，且更特別地在所述第二 SCR催化器的體積的10%至25%的範圍內。在用於重型卡車的柴油發動機中，所述體積的常用值對於第一 SCR催化器是大約5至10升，且對於第二 SCR催化器是大約40升。第一 SCR催化器的有限的體積導致更快的加熱和所述第一 SCR催化器的靠近發動機或渦輪增壓器出口的簡化的定位。由於有限的體積，第一 SCR催化器可能不具有單獨地提供足以去除發動機的上運行載荷區中的即在高功率需求時的NOx排放物的催化器的容量，但在通常與冷啟動和低溫排氣城市行駛相關的發動機運行條件下，即對於相對低的發動機運行載荷，所述容量是足夠的。
[0019]根據本發明，所述排氣系統進一步包括位於所述第二 SCR催化器下遊的氨氧化催化器。在排氣後處理系統的端部處的氨氧化催化器可去除排氣內的在第二 SCR催化器中未反應的任何殘餘氨，這通過殘餘氨的氧化實現。
[0020]根據本發明，所述排氣系統進一步包括定位在所述第一和第二 SCR催化器之間的微粒過濾器。取決於所使用的燃料類型，產生了或多或少的碳煙和微粒物質。例如，柴油燃料產生了更多的碳煙且因此通常需要微粒過濾器以實現合法的排放規格，而諸如天然氣或二甲醚的燃料一般產生小量的碳煙，因此通常消除了對於微粒過濾器的需求。
[0021]根據本發明，所述排氣系統進一步包括氧化催化器，該氧化催化器位於所述第一SCR催化器下遊且位於所述微粒過濾器上遊。氧化催化器用於將碳氫化合物和一氧化碳氧化為二氧化碳和水。氧化催化器也升高了排氣的溫度。氧化催化器布置在第二 SCR催化器上遊，該第二 SCR催化器構造為在正常公路行駛期間和其他正常和高溫排氣運行條件期間用作單獨的SCR催化器。
[0022]根據本發明，第一 SCR催化器是釩基(例如，V205/Ti02/W03)催化器，且所述第二SCR催化器是沸石基催化器。使用釩基催化器作為第一 SCR催化器是有利的，因為此類型的催化器不要求NO2進行NOx排放物的有效的選擇性催化還原。基本上在就在發動機或渦輪增壓器出口後方的排氣內不存在N02。此外，在帶有高硫燃料(例如，>300ppm的硫)的混合燃料的情況中，一些沸石基SCR催化器需要高溫，例如600°C的溫度，以去除吸收的硫樣品以恢復SCR催化器性能。釩基SCR催化器一般非常耐受硫，且不需要高溫以去除吸收的硫樣品。
[0023]第二 SCR催化器優選地通過沸石基催化器形成，因為沸石基催化器具有寬的活性溫度窗，良好的耐熱性和有效的NOx還原，但第二 SCR催化器可替代地也由釩基催化器形成。
[0024]根據本發明，氣態氨供給裝置可通過數個方式實施。例如，可提供一個或更多個保持加壓氨氣的氣瓶且將其聯接到第一噴射器，使得可在冷啟動時或類似的條件下立即在第一 SCR催化器上遊噴射氣態氨。氣瓶的替換和處理也相對容易。根據替代實施例，可提供存儲容器，所述存儲容器構造為存儲鹼土金屬氯化物鹽，該鹼土金屬氯化物鹽用作所述氣態氨的來源。容器優選地通過電線等加熱，因此便於氣態氨的釋放。在固體存儲介質諸如鹼土金屬氯化物鹽中運輸氨導致滿意的安全性和氨源的處理，且僅需要小量的熱來釋放氣態氨。根據另一個替代，氣態氨供給裝置可包括存儲容器，該存儲容器保持溶解在諸如水的溶劑中的氨的溶液。
[0025]根據本發明，所述第一噴射器通過金屬管形成，所述金屬管通過所述排氣系統的排氣通道的側壁，且具有在所述排氣通道內的排氣開口，使得來自所述氣態氨供給裝置的氣態氨可通過所述金屬管被供給到所述排氣通道內的排氣流。如前所述，第一 SCR催化器優選地定位為非常靠近發動機或渦輪增壓器出口以迅速加熱。然而，構造為向第一 SCR催化器供給以氣態氨且布置在第一 SCR催化器上遊的第一噴射器必須因此定位為更靠近所述出口。因此存在的問題是在第一噴射器的位置處的極高的熱。通過僅由金屬管來形成第一噴射器，其中該金屬管被布置為接收來自氨供給裝置的氣態氨且利用排氣開口將氣態氨釋放在排氣通道內，第一噴射器極為耐熱，從而導致第一噴射器的可靠的且成本有效的設計和實施。
[0026]根據本發明，所述第一噴射器不含由熱塑性材料或其他熱敏材料製成的部分。如所述，提供耐熱的第一噴射器改進了系統穩定性且降低了成本。將氣態氨添加到第一 SCR催化器上遊與相應地噴射諸如尿素的含氨流體相比也實現了非常短的混合距離。
[0027]根據本發明，電子控制器構造為控制利用所述第一噴射器的氣態氨的噴射，使得氣態氨通過所述第一噴射器向所述排氣的供給限制於如下運行模式，其中與所述第一 SCR催化器相關的溫度Tsm高於第一溫度T1,且與所述第二 SCR催化器相關的溫度Tsai2低於第二溫度T2,因此在所述排氣利用所述第二 SCR催化器的NOx轉化效率低的溫度下，至少部分地促進所述排氣的高NOx轉化效率。第一 SCR催化器的活性溫度窗的下端由所述第一值T1限定，低於所述溫度水平不再完成有效的NOx還原。此外，如前所述，系統構造為當與所述第二 SCR催化器相關的溫度Tsai2已達到第二值T2時停止在第一 SCR催化器上遊的氣態氨的噴射。
[0028]本發明的另一個發明優點是由將活性反應劑氨布置到本發明的第一和第二 SCR催化器的特定供給布置導致的。向第一 SCR催化器的氣態氨供給和向第二 SCR催化器的流體含氨還原劑諸如尿素的供給的結合通過對於所述氨源的智能的配給策略而允許了排氣後處理系統的延長的維護間隔，從而使得所述系統更有效、可靠和成本有效。例如，通過僅在低溫排氣運行模式期間，諸如冷啟動和一定的城市行駛條件期間經由第一噴射器將氣態氨供給到第一 SCR催化器，且當第二 SCR催化器處達到一定的排氣溫度時經由第二噴射器將含氨還原劑供給到第二 SCR催化器同時停止氣態氨的供給，第一以及第二 SCR催化器或多或少地非同時地運行。可通過本發明的布置實現的該類型的配給策略不僅實現了非常高的NOx轉化效率而無任何對於燃料經濟性的負面影響，而且還導致了排氣後處理系統的明顯地延長的維護間隔，即在氨源的再填充或更換之間的更長的時間段。更具體而言，含氨存儲容器的更換可在正常的車輛維護間隔期間執行，例如在發動機機油維護間隔期間執行。
[0029]根據本發明，與所述第一 SCR催化器相關的溫度Tsail是所述第一 SCR催化器正上遊區域中的排氣的溫度，且與所述第二 SCR催化器相關的溫度Tsai2是所述第二 SCR催化器正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值T1大約為120°C，優選地大約為150°C，且所述第二值T2大約為270°C，優選地大約為250°C。
[0030]根據本發明，電子控制器構造為控制利用所述第二噴射器的流體含氨還原劑的噴射，使得含氨還原劑通過所述第二噴射器向所述排氣的供給限制於如下運行模式，其中與所述第二 SCR催化器相關的溫度水平Tsai2高於第三值T3,所述第三值T3與第二 SCR催化器的活性溫度窗的下端對應。第二值T2可設定為等於T3，使得當第二噴射器處的噴射開始時，第一噴射器處的噴射結束。
[0031]替代地，第二值可布置為高於第三值T3 —定的水平，使得通過第一和第二噴射器發生一定的噴射重疊。換言之，通過第二值T2和第三值T3限定的重疊溫度範圍意味著在從一個SCR催化器到另一個SCR催化器的NOx催化還原的轉換和啟動期間，第一和第二 SCR催化器都臨時地處於同時運行模式中。電子控制器一般地允許排氣後處理系統的快速和經濟的控制，特別是對於本發明的系統所使用的特定的配給策略。
[0032]根據本發明，與所述第二 SCR催化器相關的所述溫度TSCR2是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第三值T3為200°C，優選地為250°C。
[0033]根據本發明，所述第一 SCR催化器布置為在下遊距所述發動機的排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.6米處，優選地在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.4米處，且更優選地在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.25米處。通過將第一SCR催化器布置為更靠近排氣歧管出口或如果設置了渦輪增壓器布置為更靠近渦輪機排氣出口，經過第一 SCR催化器的排氣將變得更熱，因此便於所述催化器的更迅速的加熱。
[0034]根據本發明，電子控制器構造為控制利用所述第二噴射器的流體含氨還原劑的噴射。電子控制器一般地允許排氣後處理系統的快速和經濟的控制，特別是對於本發明的系統所使用的特定的配給策略。
[0035]根據本發明，所述第二噴射器設置在所述微粒過濾器的下遊。該布置防止含氨還原劑進入DPF。
[0036]本發明的目的至少部分地通過權利要求17的特徵實現，更具體地通過排氣系統的運行方法實現，所述排氣系統包括:第一 SCR催化器；第二 SCR催化器，其定位在所述第一SCR催化器下遊；第一噴射器，其設置在所述第一 SCR催化器的上遊，和第二噴射器，其設置在所述第二 SCR催化器上遊，其中，所述方法包括如下步驟:控制利用第一噴射器的氣態氨的噴射，使得氣態氨通過所述第一噴射器向所述排氣的供給限制於如下運行模式，其中與所述第一 SCR催化器相關的溫度(Tsail)高於第一值(T1),且與所述第二 SCR催化器相關的溫度(Tsai2)低於第二值(T2),因此在所述排氣利用所述第二 SCR催化器的NOx轉化效率低的溫度下至少部分地促進所述排氣的高NOx轉化效率。
[0037]根據所述方法的第一實施例，與所述第一 SCR催化器(10)相關的溫度(TSCRl)是所述第一 SCR催化器(10)正上遊區域中的排氣的溫度，且與所述第二 SCR催化器(16)相關的溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器(16)正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值(T1)為120°C，優選地為150°C，且所述第二值(T2)為270°C，優選地為250°C。
[0038]根據第二實施例，該方法包括如下步驟:控制利用所述第二噴射器的流體含氨還原劑的噴射，使得含氨還原劑通過所述第二噴射器向所述排氣的供給限制於如下運行模式，其中與所述第二 SCR催化器相關的溫度水平(Tsai2)高於第三值(T3)。
[0039]根據所述方法的第一實施例，與所述第二 SCR催化器相關的所述溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第三值(T3)為200°C，優選地為250。。。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]現在將參考附圖詳細描述本發明，其中:
[0041]圖1示出了根據本發明的排氣系統的示意性結構；並且
[0042]圖2示出了根據本發明的典型的配給策略。

【具體實施方式】
[0043]在後文中將結合附圖描述本發明的多個方面，所述附圖用於進行說明，而並非對於本發明的限制。
[0044]在汽車工業中，選擇性催化還原(SCR)廣泛用於還原NOx排放物，其中最常用的技術是使用尿素(NH2CONH2)作為用於催化去除NOx排放物的氨(NH3)的前體。本發明不限制於將尿素作為含氨還原劑，且可替代地使用當前使用在SCR應用中的其他還原劑類型，諸如氨水。SCR催化器的NOx效率的降低具有雙重溫度依賴性，這限制了低溫排氣條件期間的效率。用於NOx去除的催化還原的反應率取決於溫度，其中活性溫度窗一般地在例如150°C的催化器溫度下開始，也取決於供應氣體的NOx排放物的NO = NO2的比值。
[0045]在尿素用作SCR的還原劑的情況中，分解反應、即尿素發生熱解和水解以產生氣態氨和二氧化碳對於溫度有很大的依賴性。如果SCR催化器上遊的排氣溫度低於一定的溫度水平，例如200°C，則存在尿素分解不完全的風險，因此限制了 NOx的去除效率。也存在聚合反應期間形成不希望的固體副產物的風險，從而導致SCR催化器的阻塞和排氣後處理系統的增加的背壓。
[0046]在具有多種類型的催化器的組合的排氣後處理系統中，有益的是將柴油機氧化催化器(DOC)和柴油機微粒過濾器(DPF)布置在SCR催化器上遊。原因之一是對於D0C，溫度需要高於一般稱為啟動溫度的一定閾值水平，以激活CO和HC的轉化以及NO到NO2的氧化。
[0047]對於DPF，執行通常已知為再生的過程，以氧化且去除收集在微粒過濾器內的含碳的PM，且存在兩個已知的主要氧化機構。為了利用排氣流內的殘餘氧實現相對迅速的再生，微粒過濾器的溫度需要升高到明顯高於在柴油機運行中通常地遇到的排氣溫度的水平，例如550至650°C。如果將NO2、而非氧用作氧化劑，則DPF的再生可在明顯更低的溫度(例如，250至450°C)下執行。而基於NOJ^PM再生過程比基於氧的再生慢，優點包括催化器部件的熱降級更低，以及對於燃料經濟性的負面影響更低。另外，更低的排氣溫度能夠使得對於NOx排放物的下遊的選擇性催化還原具有更高的效率。
[0048] 基於NO2的再生過程一般地通過將DPF定位在DOC下遊來得以增強。如果SCR催化器布置在DPF上遊，則由於在SCR催化器下遊不存在NOx排放而使基於NO2的再生的效率較低。因此，最佳的解決方案一般是將SCR催化器定位在DOC和DPF下遊。
[0049]雖然該構造對於DPF中的有效的PM再生是有利的，但該排氣後處理系統設計的缺點在於，SCR催化器的冷啟動特性以及對於NOx排放的控制非常不理想。需要大量的熱量來升高DOC和DPF單元的溫度，以獲得對於SCR催化器的足夠高的工作溫度，且實現諸如尿素的含氨還原劑的配給。另外，可能在排氣後處理中在SCR催化器前造成溫度損失。由於以上所述原因，SCR催化器的NOx降低效率可能由於其在所選擇的排氣後處理系統設計中的相對地遠離發動機的位置而受到限制。
[0050]將SCR催化器定位在DPF上遊導致其他的問題。必須將氨還原劑噴射器定位在SCR催化器上遊，因此非常靠近渦輪增壓器。然而，氨還原劑噴射器一般地對於高溫暴露非常敏感，且具有龐大的設計，這可能導致在靠近渦輪增壓器出口處的、可利用的封裝空間通常非常有限的封裝問題。另外，一般需要一定的混合長度，例如最少0.50m,以用於諸如尿素的氨還原劑在SCR催化器前的分解，從而對安裝進一步提出了幾何封裝的要求。另外，為使尿素在SCR催化器前完全分解，排氣溫度應大致為200°C。在低溫下或在冷啟動後短期內，NOx降低效率因此主要受到尿素分解率的限制，而非受到SCR催化器的SCR反應率的限制。
[0051]在本發明中，SCR的活性溫度範圍明顯地增加，這通過改進SCR催化器的溫度條件並且通過去除對於活性反應劑氨的除尿素分解的溫度限制來實現。DPF的再生可進一步主要是基於NO2的再生，從而保證有效的、有害性更低的且更經濟的再生。
[0052]在圖1中示出了根據本發明的發明性的排氣系統。對於壓燃式發動機2，排氣流4包含排氣系統6，所述排氣系統6依次包括較小的第一選擇性催化還原催化器10，也稱為柴油機氧化催化器(DOC)的氧化催化器12，用於收集來自發動機的微粒物質的微粒過濾器14，和用於降低NOx排放物的較大的第二選擇性催化還原催化器16。氨氧化催化器18可定位在第二選擇性催化還原催化器16下遊以用於轉化過剩的氨。
[0053]氣態氨的供應源定位在第一選擇性催化還原催化器10上遊。來自氣態氨供給裝置40的受控的配給率的氨氣被引導通過管道42，且通過第一噴射器44進入到第一選擇性催化還原催化器10上遊的排氣流4內。第一噴射器44定位在第一選擇性催化還原催化器10的正上遊。
[0054]氨供給裝置40可通過多種方式構成。根據第一優選示例，氨供給裝置40通過保持加壓氨氣的氣體容器來形成。氨氣的供應率可通過電子控制單元30通過例如質量流量控制裝置來控制。
[0055]根據第二示例，氨供給裝置40通過帶有鹼土金屬氯化物鹽(SrC12、CaCl2或MgC12)的容器形成，所述氨供給裝置40易於存儲氨，氨具有鹼土金屬氯化物與氨的化學絡合物的形式，例如Sr(NH3)6C12、Ca (NH3) 8C12或Mg (NH3) 6C12。包含氨的容器可裝配有加熱裝置，以將化絡合物初步分解成鹼土金屬氯化物鹽和氨，因此升高氣態氨的分壓。氣態氨的配給率在此也可由電子控制單元30通過例如質量流量控制裝置來控制。
[0056]根據第三示例，通過保持了溶解在例如水的溶劑內的氨的溶液的容器形成氨供給裝置40。氨氣的供應率可由電子控制單元30通過例如泵單元來控制。
[0057]包含諸如尿素的含氨還原劑的存儲器60被連接到泵送單元62。電子控制單元30控制泵送單元62和流體向第二噴射器64的流速，該第二噴射器64定位在第二選擇性催化還原催化器16上遊。第二噴射器64定位在第二選擇性催化還原催化器16的正上遊。第二噴射器64定位在氧化催化器12的下遊。第二噴射器64定位在微粒過濾器14的下遊。
[0058]向燃料配給單元70供應來自燃料容器(未示出)的燃料供給72，且燃料配給單元70可將燃料配給到所述排氣後處理系統6內的氧化催化器12的上遊。燃料配給單元70通過電子控制單元30控制，且其運行目的是將排氣溫度升高到如下水平，即使得在微粒過濾器14上加載的含碳PM的氧化效率得以增強，以將PM快速氧化，而既不破壞氧化催化器12也不破壞微粒過濾器14的整體性。未燃燒的燃料可替代地由內燃機的燃料噴射器在合適的噴射時機被臨時供給到排氣系統。
[0059]排氣後處理系統6的控制藉助於多個氣體感測裝置執行。第一 NOx排放物傳感器20可裝配在發動機2的正下遊，以評價供應氣體NOx排放物水平。第二 NOx排放物傳感器28裝配在氨氧化催化器18的正下遊，以評價釋放到外界環境的排氣的NOx排放物水平。第一溫度傳感器22定位在較小的第一選擇性催化還原催化器10的上遊。第二溫度傳感器24定位在微粒過濾器14的上遊，且第三溫度傳感器26定位在微粒過濾器14的下遊。
[0060]感測單元20、22、24、26和28的相應的測量信號被供應到電子控制單元30，由所述電子控制單元30如前所述地控制第一和第二噴射器44、64以及燃料配給單元70。來自NOx傳感器20和28的測量信號被引導到電子控制單元30作為還原劑配給策略的輸入。
[0061]圖2中圖示了在通常的發動機冷啟動期間的配給策略。在上部的圖中，時間沿X軸線繪製且各SCR催化器的溫度在y軸上繪製，中部的圖很示意性地圖示了在y軸上繪製的第一噴射器44的對應的配給活動的而時間沿X軸繪製，且下部的圖相同地示意性地圖示了在I軸上繪製的第二噴射器64的對應的配給活動，其中時間沿X軸繪製。所述每個噴射器44,64的配給活動通過的電子控制單元30控制，且在此僅通過兩個狀態圖示:開或關。最初，在發動機剛冷啟動的時刻h時，第一和第二 SCR催化器10、16的溫度Tsail、Tsai2接近環境溫度Ta,且不通過第一或第二噴射器44、64執行噴射。隨著發動機的運行，由於第一 SCR催化器10的位置靠近發動機或渦輪增壓器出口以及第一 SCR催化器10的相對小的熱容量，熱排氣迅速將所述第一 SCR催化器10加熱。如清晰地圖示，第一 SCR催化器10比第二SCR催化器16升溫快得多。
[0062]在時刻&時，與第一 SCR催化器10相關的溫度已達到第一值T1，例如150°C，該第一值T1表示了所述第一 SCR催化器10的活性溫度窗的下端，且初始化利用第一噴射器44的氣態氨噴射，如在中部的圖中所圖示。在所公開的實施例中，電子控制單元30基於由第一溫度傳感器22測量到的排氣的溫度來確定第一 SCR催化器的溫度。時刻h取決於許多因素，諸如SCR催化器的類型，發動機尺寸，功率輸出等，且可通常為大約I分鐘。
[0063]在時刻t2時，與第二 SCR催化器相關的溫度已達到第二值T2，例如250°C，該第二值T2表示了可通過第二 SCR催化器16實現有效的NOx還原的最低溫度，且可實現含氨還原劑的通過熱解和水解的有效分解以產生氣態氨。時刻t2取決於許多因素，諸如SCR催化器的類型，發動機尺寸，功率輸出，含氨還原劑等，且可通常為大約10分鐘。在該時間點，利用第一噴射器44的氣態氨噴射被中斷且替代地初始化利用第二噴射器64的流體含氨還原劑的噴射，如在圖2的中部的圖和下部的圖中所圖示。從利用第一噴射器44的噴射到利用第二噴射器64的噴射的過渡可瞬時地實現，或具有一定的重疊，在所述重疊中第一和第二噴射器44、64同時運行以總是保證NOx排放物的有效還原。在所公開的實施例中，電子控制單元30基於由第二溫度傳感器26測量到的排氣的溫度確定第二 SCR催化器的溫度。
[0064]如果在隨後的運行中，在低溫運行條件下運行發動機，且排氣溫度下降到低於第二SCR催化器的前述閾值(例如250°C )，則在第一噴射器44處又可重新開始氣態氨的噴射，且可停止或限制在第二噴射器64處的含氨還原劑的噴射，以避免尿素的不完全分解和在第二 SCR催化器上遊的排氣管線中形成固體副產物。
[0065]該類型的動態配給策略實現了非常高的NOx轉化效率，並且對於燃料經濟性的沒有負面影響。此外，策略可被調試，以通過在基於NO2的PM再生過程開始變得具有活性的溫度下例如在250°C的溫度下停止向第一 SCR催化器10的氨配給來允許微粒過濾器14的有效的基於NO2的PM再生過程。
[0066]另外，氣態氨的消耗可被限制，以延長氨供給裝置40的全部氨內容物被排空前的時間。
[0067]當氨供給裝置40的全部氨內容物被排空時需要執行將氨再填充到氨供給裝置40中，這通過以氨飽和的單元替換整個單元來實現。對於許多車輛應用，此替換必須相對頻繁地進行，特別是對於以高載荷運行並且具有供應氣體NOx排放物的大質量流量的車輛。由於缺少廣泛分布此單元的基礎設施而產生了對於維護的實際問題。相比之下，用於廣泛分布以商品名AdBlue?或DEF命名的商用尿素溶液的基礎設施在許多市場中建立，且甚至正在世界範圍內在更多的市場中建立。
[0068]本發明的明顯的優點是氨供給裝置40的尺寸設定以及涉及氣態氨和諸如尿素的含氨還原劑的動態配給策略可被控制，使得氨供給裝置40僅需要在正常的車輛維護間隔時替換。氨供給裝置40的分布僅需延伸到常規的維護站，使得省去了用於該氨供給裝置40的廣泛分布的基礎設施。諸如尿素的含氨還原劑到存儲器60的再填充可利用例如Ad BI ue?或DEF的商用尿素溶液的廣泛分布來執行。
[0069]本發明與以上所述的構思相比的優點是第一配給設備包括帶有非常簡單的設計的金屬管42和第一噴射器44，這可容易地抵抗高溫且具有最小的空間要求。第一噴射器44優選地由金屬管的端部處的開口形成。質量流量控制裝置一般是溫度敏感的，且在本發明中可定位為遠離靠近渦輪增壓器的熱表面。對於氨氣配給，要求例如0.25m的相對短的混合長度以實現在第一 SCR催化器10的橫截面上的均勻的氨氣分布。與使用尿素作為還原劑相比，在本發明中在低溫下的NOx減少效率不受到氨分解率的限制，因為還原劑以希望的反應劑氨的形式被添加。可因此使用第一 SCR催化器10的完全活性溫度窗。
[0070]術語「SCR催化器」的體積在此考慮為限定了從催化器基體的外部幾何尺寸導出的幾何體積。
[0071]在權利要求中提及的附圖標記不應視作限制權利要求所保護的主旨的程度。如所認識到的，本發明能夠在多個明顯方面變型，而所有變型不偏離所附權利要求的範圍。因此，附圖及其描述被視作本質上是說明性的且不是限制性的。
【權利要求】
1.一種用於接收排氣的排氣系統(6)，所述排氣系統(6)包括: 第一 SCR催化器(10)； 第二 SCR催化器(16)，所述第二 SCR催化器(16)位於所述第一 SCR催化器(10)的下遊； 第一噴射器(44)，所述第一噴射器(44)設置在所述第一 SCR催化器(10)的上遊；和 第二噴射器(64)，所述第二噴射器(64)設置在所述第二 SCR催化器(16)的上遊， 其特徵在於，所述排氣系統(6)進一步包括: 氣態氨供給裝置(40)，所述氣態氨供給裝置(40)被流體連接到所述第一噴射器(44)，以通過所述第一噴射器(44)將氣態氨供給到所述排氣； 含氨還原劑存儲器(60)，所述含氨還原劑存儲器(60)被流體連接到所述第二噴射器(64)，以通過所述第二噴射器(64)將諸如尿素這樣的流體含氨還原劑供給到所述排氣，其中，所述第一 SCR催化器(10)的體積小於所述第二 SCR催化器(16)的體積，以快速加熱所述第一 SCR催化器(10)。
2.根據權利要求1所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第一SCR催化器(10)的體積是所述第二 SCR催化器(16)的體積的5%至60%，優選地是所述第二 SCR催化器(16)的體積的5%至40%， 更優選地是所述第二 SCR催化器(16)的體積的10%至25%。
3.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述排氣系統(6)進一步包括氨氧化催化器(18)，所述氨氧化催化器(18)位於所述第二 SCR催化器(16)的下遊。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，微粒過濾器(14)位於所述第一 SCR催化器(10)和所述第二 SCR催化器(16)之間。
5.根據權利要求4所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述排氣系統(6)進一步包括氧化催化器(12)，所述氧化催化器(12)位於所述第一 SCR催化器(10)的下遊和所述微粒過濾器(14)的上遊。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第一SCR催化器(10)是釩基催化器，所述第二 SCR催化器(16)是沸石基催化器。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述氣態氨供給裝置(40)包括: 存儲容器，所述存儲容器被構造為存儲鹼土金屬氯化物鹽，所述鹼土金屬氯化物鹽是所述氣態氨的來源，或 對溶解在諸如水這樣的溶劑內的氨溶液進行保持的存儲容器；或 用於對加壓氨氣進行保持的氣瓶。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第一噴射器(44)由金屬管(42)形成，所述金屬管穿過所述排氣系統(6)的排氣通道的側壁，且在所述排氣通道內具有排氣開口，從而使得來自所述氣態氨供給裝置(40)的氣態氨能夠通過所述金屬管(42)而被供給到所述排氣通道內的排氣流。
9.根據權利要求8所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第一噴射器(44)不含由熱塑性材料或其他熱敏材料製成的部分。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，電子控制器(30)被構造為對利用所述第一噴射器(44)所進行的氣態氨的噴射加以控制，使得通過所述第一噴射器(44)來向所述排氣供給氣態氨限制於如下運行模式:其中，與所述第一 SCR催化器(10)相關的溫度(Tsm)高於第一值(T1),與所述第二 SCR催化器(16)相關的溫度(Tsck2)低於第二值(T2),從而在所述排氣的、利用所述第二 SCR催化器(16)進行的NOx轉化效率較低的溫度下，至少部分地促進所述排氣具有較高的NOx轉化效率。
11.根據權利要求10所述的排氣系統(6)，其特徵在於，與所述第一SCR催化器(10)相關的所述溫度(Tsm)是所述第一 SCR催化器(10)的正上遊區域中的排氣的溫度，與所述第二 SCR催化器(16)相關的所述溫度(Tscr2)是所述第二 SCR催化器(16)的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值(T1)為120°C，優選為150°C，且所述第二值(T2)為270°C，優選為250°C。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，電子控制器(30)被構造為對利用所述第二噴射器(64)所進行的流 體含氨還原劑的噴射加以控制，使得通過所述第二噴射器(64)來將含氨還原劑供給至所述排氣限於如下運行模式:與所述第二SCR催化器(16)相關的溫度(Tsai2)高於第三值(T3)。
13.根據權利要求12所述的排氣系統(6)，其特徵在於，與所述第二SCR催化器(16)相關的所述溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器(16)的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第三值(T3)為200°C，優選為2500C ο
14.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第一SCR催化器(10)被布置為在下遊距所述發動機(2)的排氣歧管出口或潤輪機排氣出口小於0.6米，優選地，所述第一 SCR催化器(10)被布置為在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.4米，且更優選地，在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.25米。
15.根據前述權利要求中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，電子控制器(30)被構造為對利用所述第二噴射器(64)所進行的流體含氨還原劑的噴射加以控制。
16.根據權利要求4或5中的任一項所述的排氣系統(6)，其特徵在於，所述第二噴射器(46)被設置在所述微粒過濾器(14)的下遊。
17.—種運行排氣系統(6)的方法，所述排氣系統包括: 第一 SCR催化器(10)； 第二 SCR催化器(16)，所述第二 SCR催化器(16)位於所述第一 SCR催化器(10)的下遊； 第一噴射器(44)，所述第一噴射器(44)設置在所述第一 SCR催化器(10)的上遊；和 第二噴射器(64)，所述第二噴射器(64)設置在所述第二 SCR催化器(16)的上遊， 其中，所述方法包括如下步驟: 對利用第一噴射器(44)所進行的氣態氨的噴射加以控制，使得通過所述第一噴射器(44)將氣態氨供給至所述排氣供給限制於如下運行模式:其中，與所述第一 SCR催化器(10)相關的溫度(Tsm)高於第一值(T1),與所述第二 SCR催化器(16)相關的溫度(Tsck2)低於第二值(T2),從而在所述排氣的、利用所述第二 SCR催化器(16)進行的NOx轉化效率較低的溫度下，至少部分地促進所述排氣具有較高的NOx轉化效率。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，與所述第一SCR催化器(10)相關的溫度(Tsail)是所述第一 SCR催化器(10)的正上遊區域中的排氣的溫度，與所述第二 SCR催化器(16)相關的溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器(16)的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值(T1)為120°C，優選為150°C ;所述第二值(T2)為270°C，優選為250°C。
19.根據權利要求17或18所述的方法，包括如下步驟: 對利用所述第二噴射器(64)所進行的流體含氨還原劑的噴射加以控制，使得通過所述第二噴射器(64)來將含氨還原劑供給至所述排氣限制於如下運行模式:與所述第二 SCR催化器(16)相關的溫度(Tsai2)高於第三值(T3)。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，與所述第二SCR催化器(16)相關的所述溫度(Tsce2)是所述第二 SCR催化器(16)的正上遊的區域中的排氣的溫度，且所述第三值(T3)為200°C，優選為 250°C。
21.一種用於接收排氣的排氣系統，所述排氣系統包括: 第一 SCR催化器； 第二 SCR催化器，所述第二 SCR催化器位於所述第一 SCR催化器的下遊； 第一噴射器，所述第一噴射器設置在所述第一 SCR催化器的上遊；和 第二噴射器，所述第二噴射器設置在所述第二 SCR催化器的上遊， 其中，所述排氣系統進一步包括: 氣態氨供給裝置，所述氣態氨供給裝置被流體地連接到所述第一噴射器，以通過所述第一噴射器將氣態氨供 給到所述排氣； 含氨還原劑存儲器，所述含氨還原劑存儲器被流體地連接到所述第二噴射器，以通過所述第二噴射器將諸如尿素這樣的流體含氨還原劑供給到所述排氣； 其中，所述第一 SCR催化器的體積小於所述第二 SCR催化器的體積，以快速加熱所述第一 SCR催化器。
22.根據權利要求21所述的排氣系統，所述第一SCR催化器的體積是所述第二 SCR催化器的體積的5 %至60 %，優選地是所述第二 SCR催化器的體積的5 %至40 %，且更優選地是所述第二 SCR催化器的體積的10%至25%。
23.根據權利要求21或22所述的排氣系統，其中，所述排氣系統進一步包括氨氧化催化器，所述氨氧化催化器位於所述第二 SCR催化器的下遊。
24.根據權利要求21至23中的任一項所述的排氣系統，其中，微粒過濾器位於所述第一 SCR催化器和所述第二 SCR催化器之間。
25.根據權利要求24所述的排氣系統，其中，所述排氣系統進一步包括氧化催化器，所述氧化催化器位於所述第一 SCR催化器的下遊，且位於所述微粒過濾器的上遊。
26.根據權利要求21至25中的任一項所述的排氣系統，其中，所述第一SCR催化器是釩基催化器，所述第二 SCR催化器是沸石基催化器。
27.根據權利要求21至26中的任一項所述的排氣系統，其中，所述氣態氨供給裝置包括: 存儲容器，所述存儲容器被構造為存儲鹼土金屬氯化物鹽，所述鹼土金屬氯化物鹽是所述氣態氨的來源，或 對溶解在諸如水這樣的溶劑內的氨溶液進行保持的存儲容器；或 用於對加壓氨氣進行保持的氣瓶。
28.根據權利要求21至27中的任一項所述的排氣系統，其中，所述第一噴射器由金屬管形成，所述金屬管穿過所述排氣系統的排氣通道的側壁，且在所述排氣通道內具有排氣開口，從而使得來自所述氣態氨供給裝置的氣態氨能夠通過所述金屬管而被供給到所述排氣通道內的排氣流。
29.根據權利要求28所述的排氣系統，其中，所述第一噴射器不含由熱塑性材料或其他熱敏材料製成的部分。
30.根據權利要求21至29中的任一項所述的排氣系統，其中，電子控制器被構造為對利用所述第一噴射器所進行的氣態氨的噴射加以控制，使得通過所述第一噴射器來向所述排氣供給氣態氨限制於如下運行模式:其中，與所述第一 SCR催化器相關的溫度(Tsm)高於第一值(T1),與所述第二 SCR催化器相關的溫度(Tsai2)低於第二值(T2),從而在所述排氣的、利用所述第二 SCR 催化器進行的NOx轉化效率較低的溫度下，至少部分地促進所述排氣具有較高的NOx轉化效率。
31.根據權利要求30所述的排氣系統，其中，與所述第一SCR催化器相關的所述溫度(Tscei)是所述第一 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，與所述第二 SCR催化器相關的所述溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值(T1)為120°C，優選為150°C ;所述第二值(T2)為270°C，優選為250°C。
32.根據權利要求21至31中的任一項所述的排氣系統，其中，電子控制器被構造為對利用所述第二噴射器所進行的流體含氨還原劑的噴射加以控制，使得通過所述第二噴射器來將含氨還原劑供給至所述排氣限制於如下運行模式:其中，與所述第二 SCR催化器相關的溫度水平(Tsai2)高於第三值(T3)。
33.根據權利要求32所述的排氣系統，其中，與所述第二SCR催化器相關的所述溫度(Tsce2)是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第三值(T3)為200°C，優選為250°C。
34.根據權利要求21至33中的任一項所述的排氣系統，其中，所述第一SCR催化器被布置為在下遊距所述發動機的排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.6米，優選地，所述第一 SCR催化器被布置為在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.4米，且更優選地在下遊距排氣歧管出口或渦輪機排氣出口小於0.25米。
35.根據權利要求21至34中的任一項所述的排氣系統，其中，電子控制器(30)被構造為對利用所述第二噴射器(64)所進行的流體含氨還原劑的噴射加以控制。
36.根據權利要求34或35中的任一項所述的排氣系統，其中，所述第二噴射器被設置在所述微粒過濾器的下遊。
37.一種運行排氣系統的方法，所述排氣系統包括: 第一 SCR催化器； 第二 SCR催化器，所述第二 SCR催化器位於所述第一 SCR催化器的下遊； 第一噴射器，所述第一噴射器被設置在所述第一 SCR催化器的上遊；和 第二噴射器，所述第二噴射器被設置在所述第二 SCR催化器的上遊， 其中，所述方法包括如下步驟: 對利用第一噴射器所進行的氣態氨的噴射加以控制，使得通過所述第一噴射器將氣態氨供給至所述排氣限制於如下運行模式:其中，與所述第一 SCR催化器相關的溫度(Tsail)高於第一值(T1),與所述第二 SCR催化器相關的溫度(Tsai2)低於第二值(T2),從而在所述排氣的、利用所述第二 SCR催化器(16)進行的NOx轉化效率較低的溫度下，至少部分地促進所述排氣具有較高NOx的轉化效率。
38.根據權利要求37所述的方法，其中，與所述第一SCR催化器相關的溫度(Tsail)是所述第一 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，與所述第二 SCR催化器相關的所述溫度(Tsce2)是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第一值(T1)為120°C，優選為150°C ;所述第二值(T2)為270°C，優選為250°C。
39.根據權利要求37或38所述的方法，所述方法包括如下步驟:對利用所述第二噴射器所進行的流體含氨還原劑的噴射加以控制，使得通過所述第二噴射器將含氨還原劑供給至所述排氣限制於如下運行模式:其中，與所述第二 SCR催化器相關的溫度水平(Tsai2)高於第三值(T3)。
40.根據權利要求39所述的方法，其中，與所述第二SCR催化器相關的所述溫度(Tsai2)是所述第二 SCR催化器的正上遊區域中的排氣的溫度，且所述第三值(T3)為200°C，優選為250。
【文檔編號】F01N3/20GK104053871SQ201180075859
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2011年12月23日 優先權日:2011年12月23日
【發明者】澤倫·烏德, 約翰·科斯格倫 申請人:沃爾沃拉斯特華格納公司