專利名稱:發動機排放控制系統的制作方法
技術領域:
本申請涉及一種發動機排放控制系統。
背景技術:
和
發明內容
可以采用諸如選擇性催化還原(SCR)之類的技術用于發動機中的NOx還原并用于實現排放適應。在一種方法中,將含水尿素噴射到排氣流中,該排氣流隨后與SCR催化器的表面上NOx物質反應,從而降低發動機排出的NOx排放。為了改善NOx還原,所噴射的尿素必須均勻地散布在SCR催化器的整個表面上。可以使用各種方法將所噴射的還原劑均勻地散布在SCR催化器的表面上。一個示例性混合方法由Brilck等在美國專利7,380,395中示出。這里,在尿素噴射部位與SCR催化器之間的排氣管道中包括有混合器,使得所噴射的尿素被霧化并在其到達催化器基板之前與排氣充分混合。Brilck的方法還包括具有微結構的過濾元件,該過濾元件位于混合器的上游,用于產生紊流以有助于尿素混合。在又一個方法中,可以與混合器一起包括霧化器以進一步提高所噴射的尿素的霧化和與排氣的混合。然而,本申請的發明人已經認識這種方法的潛在問題。舉例來說,微結構可能不會提供所噴射的尿素的充分混合和霧化。因而,系統可能主要依賴于混合器來提供期望的尿素混合。再舉例來說,金屬霧化器和混合器會增加顯著重量并給部件制造增加成本。另外, 可能需要各種支撐結構將混合器和/或霧化器保持在排氣通道中的適當位置。通常由金屬材料制成的支撐結構還可能進一步增加重量和部件制造的成本。再舉例來說,混合器和 /或霧化器以及相關支撐結構的存在可能導致排氣流出上游催化器(諸如柴油機氧化催化器)的時間到流入下游SCR催化器的時間溫度下降。由于排氣溫度下降,SCR催化器可能需要更長時間起燃,從而導致排氣排放降低。因而,在一個實施例中,上述問題中的一些問題可以[通過本發明來解決。]應理解,提供上述概要描述是為了以簡化形式引入在隨后的詳細說明中進一步描述的概念的片段。其并不意味著確定了所要求保護的主題內容的關鍵或主要特征,所述主題內容的范圍僅由詳細說明之后的權利要求來限定。所要求保護的主題內容并不限于解決了上述任何缺點或該公開中任何部分中的實施方案。
圖1示出了聯接至發動機排氣管道的發動機排放控制系統;圖2示出了包含在圖1的排放控制系統中的具有多個通道的示例性單塊基板;圖3-5描述了基板的多個通道的布置的示例性實施方式;圖6示出了沿著基板的長度的示例性變型扭轉角;圖7描述了操作圖1的排放控制系統的示例性方法。
具體實施例方式本公開涉及聯接至排氣管道的發動機排放控制系統的實施方式,諸如圖1的系統。可以采用這種排放控制系統用于排氣流中的NOx還原。該排放控制系統可以包括位于還原劑噴射器下游的如圖2所示的具有多個通道的圓柱形單塊基板。所述多個通道可以構造有徑向變化的單元密度,如圖3至圖6所示。發動機控制器可以被構造成執行程序,例如圖7中所示的程序,以在基板上游噴射一定量的還原劑并且使得排氣流過基板。所述單元密度徑向變化的多個通道在所述單塊基板中產生有利地將所噴射的還原劑與排氣混合的流動紊流,由此減少對專用混合器和/或霧化器的需要。混合的排氣然后可以流過SCR催化涂層(諸如位于單塊基板上和/或下游基板上),以便能夠對排氣NOx物質進行還原。圖1示出了聯接至排氣管道45的排放控制系統100。在發動機10的操作過程中由一個或多個氣缸產生的排氣可以從排氣歧管120輸送至排氣管道45,其中排放控制系統 100的各種部件可以將在將排氣通過尾管168釋放到大氣之前對排氣中的一種或更多種成分進行催化轉化。作為一個非限制性實施例,發動機10包括通過燃燒空氣和柴油燃料的混合物產生機械輸出的柴油發動機。另選的是,發動機10除此之外還可以包括其他類型的發動機,例如燃燒汽油的發動機。排放控制系統100可以包括多個排放控制裝置,諸如柴油機氧化催化器130、柴油機顆粒過濾器132和SCR催化器136。還可以設置附加的催化轉化器。布置在排氣歧管120 的下游的柴油機氧化催化器(DOC) 130可以被構造成將至少一些排氣CO和碳氫化合物氧化成CO2和水。布置在DOC 130下游的柴油機顆粒過濾器(DPF) 132可以被構造成保留至少一些排氣顆粒物質(PM)或煤煙。在一些實施方式中,DPF 132可以聯接至再生裝置(例如燃燒器或加熱器),以通過燃燒存儲的煤煙周期性地使顆粒過濾器再生,從而恢復過濾器的存儲性能。SCR系統140可以布置在DPF 132的下游,用于還原至少一些排氣NOx物質。作為非限制性實施例,SCR系統140可以包括用于向排氣管道中噴射一定量的還原劑的還原劑噴射器136、第一上游單塊基板134和第二下游基板138。噪音降低裝置150可以在SCR系統140的下游聯接至排氣管道45。還原劑噴射器136可以在單塊基板134的上游選擇性地將還原劑噴射到排氣管道中。作為一個非限制性實施例,由噴射器136噴射的還原劑可以包括液體還原劑178,諸如氨或尿素。液體還原劑178可以通過管路174從存儲箱176借助于中間泵172供應至噴射器136。然而,在另選實施方式中,所噴射的還原劑可以是固體或氣態尿素。可以在單塊基板134的入口與噴射器136的作為噴射部位的頂端之間包含自由空間133,從而所噴射的還原劑可以不受阻礙地從噴射器流動到基板。在一個實施例中,該自由空間從噴射器的頂端完全延伸至基板的入口表面或端面,并且向外完全延伸到排氣管道的內表面。在一個實施例中,單塊基板134可以被構造成圓柱形基板。然而,應意識到,在另選的實施方式中,該基板可以以另選的形狀例如矩形形狀來構造。如圖2至4進一步詳細所述,單塊基板134可以具有變化單元密度的多個通道。所述多個通道中的至少一些通道可以被堵住。在一個實施例中,每隔一個通道可以被堵住。變化單元密度的多個通道可以布置成使得通道的單元密度徑向地變化。在一個實施方式中,如圖3A至;3B所示,內側通道 (即更靠近圓柱形單塊基板的中心的通道)可以具有較高的單元密度,而外側通道(即更靠近圓柱形單塊基板的周邊的通道)可以具有較低的單元密度。通過將具有較高開口端面面積的通道沿著單塊基板的外側邊緣定位,可以使得流過基板的排氣的更大部分流向基板的外側邊緣。因而,可以在單塊基板中產生流動紊流(例如漩渦效應),這可以使得排氣與所噴射的還原劑(這里是尿素)能夠進行徑向混合。這樣,無需使用專用霧化器和/或混合器就可以改善尿素混合。然而,應意識到,在另選實施方式中,可以在排放控制系統中進一步包括霧化器和/或混合器,例如聯接在單塊基板的下游,以進一步增強尿素的混合和霧化。所示出的構造還使得單塊基板134能夠具有低熱質量,例如比下游的基板138低的熱質量。單塊基板134也可以具有比專用還原劑混合器和霧化器低的熱質量。這樣,單塊基板的低熱質量也降低了對附加支撐結構的需要。因而,通過降低基板的熱質量,以及對專用混合器、霧化器和/或相關支撐結構的需要,可以獲得部件減少的益處。另外,可以降低(上游)D0C和(下游)單塊基板之間的排氣溫度的下降,由此加速到達SCR催化器起燃溫度并改善排氣排放。在一個實施方式中,SCR催化涂層可以可選地位于單塊基板上。SCR催化涂層可以包括沸石,例如浸漬金屬的沸石。然而,該催化涂層可以另選地包括適用于還原NOx的任何催化劑。在單塊基板上包括SCR催化涂層,除了改善尿素混合之外,所噴射的尿素還可以均勻地分布在涂覆有SCR催化劑的基板的表面上。即在該實施方式中,單塊基板134可以被構造成除了將排氣與所噴射的還原劑混合之外還還原至少一些排氣NOx物質。 在另一個實施方式中,代替(或除了)SCR催化涂層,在單塊基板134上可以包括另選的催化涂層。該另選的催化涂層可以包括例如熱解或水解的助催化劑。所選擇的催化涂層可以適合于處理由于發動機10的燃料燃燒產生的另選的排氣燃燒產物(即,除了 NOx 之外的燃燒產物)。在又一個實施方式中,單塊基板134可以還具有使得至少一些排氣PM 能夠被捕集或截留在基板的多個通道中的孔隙率。在排放控制系統100的一些實施方式中,可以在單塊基板134的下游包括具有多個通道的第二下游基板138。相比而言,該下游基板138的多個通道可以具有均勻的單元密度。另外,下游基板的通道的單元密度可以與單塊基板的通道的單元密度不同。SCR催化涂層可以定位在下游基板上,使得混合排氣(即在流過單塊基板時與尿素混合的排氣)中的至少一些NOx物質可以在流過下游基板時被還原。排放控制系統100可以進一步包括控制系統14。控制系統14被示出為從多個傳感器16接收信息并將控制信號發送到多個致動器81。作為一個實施例,傳感器16可以包括排氣傳感器(位于排氣歧管120中)、各種溫度傳感器和壓力傳感器(位于DOC 130、DPF 132和SCR系統140的上游和/或下游)、一個或多個NOx傳感器(位于SCR系統140的基板的上游和/或下游)等。可以在排放控制系統100中的各種位置聯接諸如附加的壓力、 溫度、空氣/燃料、和成分傳感器之類的其他傳感器。作為另一個實施例,致動器可以包括還原劑噴射器136、泵172、用于DPF再生的燃燒器和/或加熱器、各種閥(未示出)等。控制系統14可以包括控制器12。控制器可以從各種傳感器接收輸入數據,處理輸入數據,并且基于與一個或多個程序對應的在這里編程的指令或編碼響應于所處理的輸入數據觸發致動器。這里參照圖7描述一個示例性控制程序。注意,對于車輛應用,排放控制系統100可以布置在車輛底盤的下側。另外,應意識到,在一些實施方式中,排放可控制系統100可以包括在圖1中未示出的附加元件,并且 /或者可以省略這里描述的元件。應意識到,前面在圖1中引入的元件在如下附圖中進行類似的編號,并且可能不再重復介紹。圖2示出了在排氣管道45中的圖1的單塊基板134的放大視圖200。如圖所示, 單塊基板134可以被構造成圓柱形形狀,不過在另選實施方式中可以使用其他不同形狀。 位于圓柱形單塊基板134的上游的還原劑噴射器136可以向基板的上游噴射還原劑,諸如液體尿素。在噴射器136和單塊基板之間可以存在自由空間208(由虛線表示),使得所噴射的還原劑能夠不受阻礙地從噴射部位流到基板134的入口 206。具體地說,自由空間 208[sic 203]可以代表排氣管道內的一區域,該區域在長度上從還原劑噴射器136的頂端延伸至單塊基板134的入口 206上的表面。自由空間208還可以朝向排氣管道45的表面橫向地延伸,從而具有與排氣管道的直徑基本相等的直徑。在圖示實施例中,在圍繞圓柱形單塊基板134的區域處排氣管道45的直徑可以大于排氣管道在還原劑噴射器136及噴射部位附近的區域的直徑。自由空間208[sic 203]還可以在噴射器136的頂端附近的端部處具有較小直徑而在單塊基板134的入口 206附近的端部具有較大直徑。基板134可以包括沿著基板的長度204的多個通道202。在一個實施例中,如圖3 所示,每個通道可以具有矩形橫截面。然而,在另選的實施方式中,通道橫截面可以具有不同的形狀,例如蜂窩狀結構。另外,多個通道可以具有變化的單元密度。具體地說,單元密度可以沿著圖3中的單塊基板134的線3-3徑向變化,如剖視圖所示。轉到圖3,圖3示出了單塊基板中的通道的布置的示例性實施方式,其中單元密度徑向變化。具體地說,圖3表示沿著平面210(圖幻即沿著虛線3-3(圖幻截取的單塊基板134的示例性剖視圖。圖3示出了單元密度徑向變化的單塊基板134的多個通道的第一實施方式300。這里,所述多個通道可以布置成使得內側通道302(即位于基板中心或附近的通道)具有第一較高單元密度(例如400cpsi),而外側通道304(即位于基板周邊或附近的通道)具有第二較低單元密度(例如50cpsi)。盡管圖3的第一實施方式300示出了布置在變化單元密度的兩個區域內的多個通道,應意識到在另選實施方式中,所述多個通道可以分成更大數量的變化單元密度的區域。作為非限制性實施例,圖3的第二實施方式 310示出了以如下方式布置的多個通道,其中位于基板中心或附近的第一內側區域312具有第一較高單元密度,位于基板周邊或附近的第二外側區域314具有第二較低單元密度, 而位于內側區域312和外側區域314之間的第三中間區域316具有第三中間單元密度。如圖所示,第三中間單元密度可以低于第一內側區域312的第一單元密度而大于第二外側區域314的第二單元密度。盡管圖示實施例示出了單個中間區域,但在另選實施方式中,在單塊基板的中心和周邊之間可以包括更多數量的中間區域。在一個實施例中,單元密度可以沿著徑向方向逐漸變化(例如從中心處的400cpsi逐漸到周邊處的50cpsi)。在另一個實施例中,單元密度可以沿著徑向方向步進變化(例如從中心處的400cpsi步進到周邊處的50cpsi)。另外, 盡管圖3的實施方式示出了徑向變化的單元密度基本均勻地沿著徑向方向分布,但應意識到,在另選實施方式中,單元密度可以沿著徑向方向非均勻地變化。這樣,通過將基板構造成在中心處具有較高單元密度而在外側邊緣處具有較低單元密度,能夠使更大部分的排氣流流向外側邊緣,由此提供充足紊流以改善所噴射的還原劑與排氣在單塊基板處的混合。圖4示出了單塊基板134的另一個實施例實施方式400,其中單元密度徑向變化的多個通道還具有沿著基板134的長度204的扭曲。通過比較選定通道在沿著線5-5橫跨基板的第一端(靠近基板的入口 206)截取的第一剖視圖中的位置與在沿著線5’ -5’橫跨基板的第二端(靠近基板的出口 405)截取的第二剖視圖中的位置,則看到該扭曲。圖5中示出了這種比較的一個非限制性實施例。轉到圖5,圖5示出了在靠近基板的入口 206的第一區域處,單塊基板134的沿著平面402(圖4)即沿著虛線5-5(圖4)的第一剖視圖501。圖5還示出了在靠近基板的出口 405的第二區域處,單塊基板134沿著平面404(圖4)即沿著虛線5’ -5’(圖4)的第二剖視圖502。通過例如沿著軸線503比較選定通道在第一剖視圖501中的位置與該選定通道在第二剖視圖502中的位置可以看出,所述通道沿著基板的長度即從入口端到出口端逐漸地扭曲。通道的扭矩可以通過扭曲角504(這里稱為Θ)來限定。因而,沿著位于基板134的入口附近的平面402 (圖4)定位的第一通道可以從沿著位于基板出口附近的平面 404(圖4)的第二通道扭曲一扭轉角504,該扭轉角504沿著橫向軸線503測量。圖6示出了曲線圖600,其示出了多個通道的扭轉角θ沿著單塊基板的長度的示例性變化。在一個實施例中,如線601所示,該扭轉角可以沿著基板的長度保持恒定。在另一個實施例中,如線602、604和606所示,該扭轉角可以作為基板長度的函數沿著基板的長度變化。即,通道旋轉的扭轉角可以變化,使得給定通道的扭轉角基于該通道距離單塊基板的入口的距離。例如,扭轉角可以沿著基板的長度線性變化,如線602所示。另選的是,該扭轉角可以沿著基板的長度以指數變化,如線604所示。在另一個實施例中,如線606所示, 扭轉角可以變化成提供基本上成Z字型分布的單元密度。在又一個實施例中,扭轉角可以與通常在扭轉型還原劑混合器葉片中使用的角一致。在另一個實施例中,扭矩角可以作為基板長度的交錯函數變化。現在轉到圖7,描述程序700,程序700用于操作圖1的排放控制系統以便對排氣流中的至少一些NOx物質進行還原。在一個實施例中,圖7的程序可以由發動機控制器響應于超過閾值的排氣NOx水平、超過閾值的排氣溫度(諸如起燃溫度)和/或在發動機操作閾值持續時間之后執行。在步驟701,程序包括估計和/或測量發動機操作條件。這些條件例如可能包括發動機轉速、負載、扭矩、發動機溫度、排氣溫度、排氣NOx水平等。在步驟702,可以基于所估計的發動機操作條件確定還原劑噴射量。在步驟704,可以通過位于第一(上游)單塊基板的上游的還原劑噴射器噴射確定量的還原劑,使得所噴射量的還原劑不受阻礙地從噴射器流動到基板中。在步驟706,排氣可以通過單塊基板的多個通道流動以將排氣與所噴射的還原劑混合。由于通道的單元密度徑向變化而可以在單塊基板中產生漩渦效應和/或局部紊流,從而改善所噴射的還原劑的霧化和霧化的還原劑與排氣的混合。在步驟708,混合有還原劑的排氣可以流過SCR催化涂層以催化轉化混合的排氣的NOx成分。在一個實施例中, 在SCR催化涂層被包括在單塊基板上的情況下,至少一些排氣NOx物質可以在單塊基板處被還原。在另一個實施例中,在SCR催化涂層被包含在位于第一單塊基板下游的第二基板上的情況下,控制器可以進一步使得混合的排氣通過第二基板流動,使得至少一些排氣NOx 物質可以在第二下游基板處被還原。這樣,通過使用用于尿素的單塊基板,可以提供低熱質量的“混合器”,該混合器能夠代替更重且更大的混合器和霧化器或除了更重且更大的混合器和霧化器之外來使用。通過將單塊基板的多個通道布置成使得單元密度徑向變化,使得能夠進行徑向尿素混合和尿素在SCR催化器上的均勻分布。具體地說,通過將通道構造成在基板的中心附近具有較高單元密度,在基板的周邊具有較低單元密度,可以使大部分排氣流流向基板的外邊緣,由此提高尿素與排氣流的混合,而無需使用專用的混合器或霧化器。通過降低對專用混合器以及相關支撐結構的需要,可以實現部件減少的益處。另外,通過降低混合裝置的熱質量以及混合所需的部件數量,可以維持排氣溫度,由此加速到達SCR催化器起燃溫度。注意,盡管在圖示實施例中徑向變化開始于中心點,但是變化的單元密度的中心可以從塊的端面的幾何中心偏離,如果期望的話。通過在基板的表面上進一步包括一個或多個催化涂層或覆蓋層,可以實現所噴射的尿素在SCR催化器表面上的更均勻的分布,由此增加基板的催化性能。例如,通過在基板的表面上包括SCR催化涂層可以使至少一些排氣NOx物質在基板上還原。類似地,通過在基板的表面上包括另選的催化涂層,可以增強催化反應例如水解或熱解,并且可以提高至少一些排氣成分的處理。此外,通過堵塞基板的至少一些通道(諸如間隔的通道),以及通過在基板中包括孔隙率,可以使得至少一些排氣PM留在基板中。這樣,可以改善排氣排放。注意,這里包括的示例性控制和估計程序可以與各種發動機和/或車輛系統構造一起使用。這里所描述的具體程序可以表示任意數量的處理策略中的一種或多種,諸如事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等。這樣,圖示的各種動作、操作或功能可以以圖示順序執行、并行地執行,或者在一些情況下也可以省略。同樣,獲得這里所描述的示例性實施方式的特征和優點并不必然需要所述的處理順序,這些處理順序是為了容易圖示和描述而提供的。圖示動作或功能中的一個或多個可以反復地執行,這取決于所使用的策略。另外,所描述的動作可以以圖形方式代表在發動機控制系統中的計算機可讀存儲介質中編程的代碼。應該知道,這里公開的構造和程序在本質上是示例性的,并且這些具體的實施方式并不應被認為是限制性的,因為可以進行各種變型。例如,上述技術可以應用于V6、14、 16、V12、對置四缸和其他發動機類型。本公開的主題內容包括各種系統和構造的所有新穎且非顯而易見的組合及子組合、以及這里公開的其他特征、功能和/或特性。
權利要求
1.一種聯接至發動機排氣管道的排放控制系統,所述排放控制系統包括單塊基板,所述單塊基板具有變化單元密度的多個通道;位于所述基板的上游的還原劑噴射器,其中所噴射的還原劑不受阻礙地從所述噴射器流向所述基板;以及位于所述基板上或所述基板的下游的SCR催化涂層。
2.根據權利要求1所述的系統,其中所述催化涂層包括沸石。
3.根據權利要求1所述的系統,其中所述基板是圓柱形的,并且其中所述通道的單元密度徑向變化,且內側通道具有較高單元密度,外側通道具有較低單元密度。
4.根據權利要求3所述的系統,其中所述通道具有矩形橫截面。
5.根據權利要求4所述的系統,其中,所述多個通道中的至少一些通道被堵塞。
6.根據權利要求5所述的系統,所述系統還包括位于所述單塊基板下游的下游基板, 所述下游基板具有多個通道,其中在所述下游基板上定位有SCR催化涂層,所述下游基板的通道的單元密度與所述單塊基板的通道的單元密度不同。
7.根據權利要求1所述的系統,其中所述還原劑是尿素或氨。
8.根據權利要求6所述的系統,其中徑向變化的通道還包括沿著所述基板的長度具有扭曲的通道,所述扭曲由扭轉角限定。
9.根據權利要求8所述的系統,其中所述扭轉角沿著所述基板的長度是恒定的。
10.根據權利要求8所述的系統,其中所述扭轉角沿著所述基板的長度變化。
11.根據權利要求1所述的系統,其中所述單塊基板具有比所述下游基板更低的熱質量。
12.—種聯接至發動機的排氣管道的排放控制系統,所述排放控制系統包括上游基板,所述上游基板具有變化單元密度的多個通道,所述單元密度通過使所述基板在所述基板的中心具有較高單元密度而在所述基板的周邊具有較低單元密度而徑向變化;還原劑噴射器,所述還原劑噴射器位于所述上游基板的上游,用于噴射還原劑,所述還原劑不受阻礙地從所述噴射器流到所述上游基板的入口 ;下游基板,所述下游基板具有均勻單元密度的多個通道;以及SCR催化涂層,所述SCR催化涂層涂覆在所述下游基板上并且可選地涂覆在所述上游基板上。
13.根據權利要求12所述的系統,其中所述上游基板是圓柱形的,并且每個通道的橫截面都是矩形的。
14.根據權利要求13所述的系統,其中位于所述基板的入口處的第一通道相對于位于所述基板的出口處的第二通道扭轉一角度,所述角度沿著所述基板的橫向軸線測量。
15.根據權利要求14所述的系統,其中所述角度在所述基板的長度上恒定。
16.根據權利要求14所述的系統,其中所述角度在所述基板的長度上變化。
17.一種操作聯接至發動機排氣管道的排放控制系統的方法,所述方法包括將一定量的還原劑噴射到第一圓柱形基板的上游,所述基板具有單元密度徑向變化的多個通道,所述徑向變化包括內側通道具有較高單元密度而外側通道具有較低單元密度, 所噴射量的還原劑不受阻礙地從所述噴射器流到所述第一基板內;使排氣流過所述第一基板以使排氣與所噴射的還原劑混合;以及使混合的排氣在SCR催化涂層上流過以催化轉化混合排氣的成分。
18.根據權利要求17所述的方法,其中所述SCR催化涂層包括在所述第一基板上。
19.根據權利要求18所述的方法,其中使混合排氣在SCR催化涂層上流過包括使混合排氣流過位于所述第一基板的下游的第二基板,所述SCR催化涂層包括在所述第二基板上。
20.根據權利要求17所述的方法,其中單元密度徑向變化的通道沿著所述第一基板的長度沿著橫向軸線旋轉,旋轉的扭轉角基于所述通道距離所述第一基板的入口的距離而變化。
全文摘要
提供了一種用于利用單塊基板還原排氣NOx物質的系統和方法,該單塊基板具有構造有徑向變化的單元密度的多個通道。該構造使得還原劑能夠徑向混合,由此提高所噴射的還原劑與排氣流的混合和霧化。
文檔編號F01N13/00GK102374005SQ20111021326
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月28日 優先權日2010年8月9日
發明者G.卡維塔歐, J.Y.科姆 申請人:福特環球技術公司