具有用于除水的薄膜模塊的排氣處理系統的制作方法

本披露涉及一種具有用于除水的薄膜模塊的排氣處理系統。

背景技術：

此部分提供與本披露相關的背景信息，其并不一定是現有技術。

排氣后處理系統總體上包括催化器部件，如催化劑涂敷的排氣處理部件，以便處理發動機排氣以除去有害的燃燒副產品，如nox、co等等。然而，在催化器部件的運行過程中，催化器部件性能可能受制于氣態水的存在，如通過起燃溫度隨著氣態排放物中水含量的增加而增加來證實的。盡管，水含量可以通過排放氣體冷卻和冷凝而被減少，但是這個過程會需要能量消耗以用于冷凝和下游催化器部件的功效所需要的氣體再加熱。因此，減少排氣中的水含量而不冷卻氣體流將顯著地改善一些催化器(尤其是用于低溫甲烷氧化、nox的選擇性催化還原(scr)、以及稀nox捕集和還原(lnt)的那些催化器)的起燃特性(和低溫性能特性)。

技術實現要素：

此部分提供本披露的總體概述而不是其全部范圍或其所有特征的全面披露。

在一個實施例中，本披露提供了一種用于處理發動機所產生的排氣的排氣后處理系統。該排氣后處理系統包括排氣通道、與該排氣通道連通的用于處理排氣的至少一個催化排氣后處理部件、以及與該排氣通道連通并接收其中一部分排氣的薄膜容器，該除水裝置處于定位在該催化排氣后處理部件上游的位置處。該薄膜容器包括分子薄膜，該分子薄膜將至少一種成分從該部分的排氣中分離出來，并且該薄膜容器提供滲透氣體，該滲透氣體富含從該部分排氣中被除去的該成分，并且產生除去了該成分的滲余氣體，該滲余氣體利于由該催化排氣后處理部件進行的排氣的處理。

在另一個實例中，本披露提供了一種用于處理發動機所產生的排氣的排氣后處理系統，其中該排氣后處理系統包括排氣通道、與該排氣通道連通的用于處理排氣的至少一個催化排氣后處理部件、以及與該排氣通道連通并接收其中一部分排氣的除水裝置，該除水裝置處于定位在該催化排氣后處理部件上游的位置處。該除水裝置由包括除水薄膜的殼體限定，該除水薄膜將水從該部分的排氣中分離出來，以便提供富含水的滲透物，并產生除去了水的滲余物，該滲余物利于由該催化排氣后處理部件進行的排氣的處理。此外，至少一個再循環管線可以將該除水裝置與該發動機互連，該再循環管線使該滲透物的至少一部分再循環回到該發動機中。

在以上說明的各個實施例中，該催化排氣后處理部件可以包括柴油顆粒過濾器(dpf)、柴油氧化催化器(doc)部件、選擇性催化還原(scr)部件、稀nox捕集器(lnt)、氨逃逸催化器(asc)、三元催化器(twc)、甲烷氧化催化器(moc)、碳氫化合物脫nox催化器(hc-denox)、稀nox催化器(lnc)、或其組合。

在以上說明的各個實施例中，該薄膜容器或除水裝置可以至少部分地安裝在該排氣通道內。

以上說明的各個實施例可以進一步包括與該排氣通道連通的旁通通道，該旁通通道接收部分的排氣，該薄膜容器或除水裝置定位在該旁通通道內。

在以上說明的各個實施例中，該薄膜容器或除水裝置可以包括進氣閥，該進氣閥被配置成用于允許該部分排氣進入該薄膜容器或除水裝置中。

以上說明的各個實施例可以進一步包括與該進氣閥通信的控制器，該控制器被配置成用于打開和關閉該閥。

以上說明的各個實施例可以進一步包括被配置成用于將該排氣與排氣處理流體互相混合的混合裝置，該混合裝置定位在該排氣通道中該薄膜容器或該除水裝置的下游并且位于該催化排氣處理部件的上游。

以上說明的各個實施例可以進一步包括注入器，該注入器用于將排氣處理流體定量給送到該排氣通道中。

在以上說明的各個實施例中，該排氣處理流體可以是碳氫化合物排氣處理流體或包括尿素的排氣處理流體。

在以上說明的各個實施例中，該碳氫化合物排氣處理流體可以包括乙醇、乙醇汽油混合物、和超低硫柴油中的至少一者。

在以上說明的各個實施例中，該分子薄膜或除水薄膜可以包括陶瓷材料。

在以上說明的各個實施例中，該陶瓷材料可以是多孔的，每個孔具有0.3nm或更小的直徑。

在以上說明的各個實施例中，該陶瓷材料可以包括沸石。

在以上說明的各個實施例中，沸石可以包括方鈉石結構。

在以上說明的各個實施例中，富含該成分的滲透氣體可以被循環至該發動機或被循環至該催化排氣后處理部件下游位置處的排氣中。

從本文所提供的描述中將清楚其他適用范圍。本概述中的描述和具體實例僅旨在用于說明的目的而并非旨在限制本披露的范圍。

附圖說明

在此描述的附圖僅是出于對所選擇實施例的而不是對所有可能實施方式的說明性目的，并且不旨在限制本披露的范圍。

圖1是根據本披露原理的排氣系統的示意性展示；

圖2是根據本披露第一實施例的排氣系統的部分示意性展示；并且

圖3是根據本披露第二實施例的排氣系統的部分示意性展示。

貫穿附圖的若干視圖，相應的參考數字表明相應的部分。

具體實施方式

現在將參考附圖更全面地描述多個示例性實施例。

提供了多個示例性實施例從而使得本公開將是詳盡的，并將其范圍充分地告知本領域的技術人員。闡述了許多特定的細節，例如特定的部件、裝置和方法的示例，以提供對本披露的實施例的詳盡理解。對本領域的技術人員來說顯然地不必采用特定的細節，而可以用多種不同的形式實施示例性實施例、并且這些特定的細節都不應解釋為是對本披露的范圍的限制。在一些示例性實施例中，對周知過程、周知裝置結構、以及周知技術不做詳細描述。

在此所使用的術語僅是出于描述特定示例性實施例的目的而并不旨在限制。如在此所使用的，單數形式“一”、“一個”和“該”可以旨在也包括復數形式，除非上下文清楚地另外指明。術語“包括”、“含有”、“包含”和“具有”都是包括性的并且因此指定所陳述特征、整合物、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或加入一種或多種其他特征、整合物、步驟、操作、元件、部件和/或它們的集合。在此所描述的這些方法步驟、過程和操作不應當被解釋為必須要求它們按所討論或示出的特定順序執行，除非特別指出執行順序。還應當理解的是，可以采用另外的或替代性的步驟。

當一個元件或層涉及“在……上”、“接合到”、“連接到”、或“聯接到”另一元件或層時，它可以是直接在該另一元件或層上、接合、連接或聯接到該另一元件或層，或者可以存在中間元件或層。相比之下，當一個元件涉及“直接在……上”、“直接接合到”、“直接連接到”或“直接聯接到”另一元件或層時，就可能不存在中間元件或層。用于描述這些元件之間關系的其他詞語應該以類似的方式進行解釋(例如，“之間”與“直接之間”，“相鄰”與“直接相鄰”等)。如在此所使用的，術語“和/或”包括相關聯的所列項目的一項或多項的任意和所有組合。

雖然術語“第一”、“第二”、“第三”等在此可以用來描述不同的元件、部件、區域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區域、層和/或部分不應當受這些術語的限制。這些術語可以僅用于將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個區域、層或部分區分開。術語諸如“第一”、“第二”和其他數字術語在此使用時并不暗示序列或順序，除非上下文明確指出。因此，在下文中討論的第一元件、部件、區域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分，而不脫離這些示例性實施例的傳授內容。

空間相關術語，諸如“內”、“外”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等在此是為了使得對如這些附圖中所示出的一個元件或特征相對于另一個或多個元件或者一個或多個特征的關系的描述易于闡釋。空間相關術語可以旨在涵蓋除了在附圖中描繪的取向之外的、裝置在使用或操作中的不同取向。例如，如果裝置在這些附圖中被翻轉，則被描述為“下方”或“之下”的元件或特征將被取向為在其他元件或特征“上方”。因此，示例性術語“下方”可以涵蓋上方和下方兩種取向。裝置可以被另外取向(旋轉90度或以其他取向)，并且在此所使用的空間相關描述符做出了相應的解釋。

圖1示意性地展示了根據本披露的實施例的排氣系統10。排氣系統10可以包括與燃料源(未示出)連通的至少一個發動機12，燃料一旦消耗掉就將產生排放氣體，排放氣體排入具有排氣后處理系統16的排氣通道14中。發動機12的下游可以布置排氣處理部件18，該排氣處理部件包括催化劑、基材、催化劑涂覆的基材或過濾器20，其可以是以下各項的任一者：柴油顆粒過濾器(dpf)、柴油氧化催化器(doc)部件、選擇性催化還原(scr)部件、稀nox捕集器(lnt)、稀nox催化器(lnc)、氨逃逸催化器(asc)、三元催化器(twc)、甲烷氧化催化器、碳氫化合物脫nox催化器(hc-denox)、或本領域技術人員已知的任何其他類型的排氣處理裝置。如果使用的是dpf，則它可以是催化劑涂覆的(例如，scr催化劑涂覆的)。在所展示的實施例中，基材20包括lnc部件。盡管僅展示了單個排氣處理部件18，但應理解的是排氣處理系統16可以包括多個排氣處理部件18，每個排氣處理部件包括相同的催化劑、基材、催化劑涂覆的基材或過濾器20，或其中每個排氣處理部件18包括具有不同催化劑的過濾器20。

盡管本披露沒有要求，但是排氣后處理系統16可以進一步包括諸如熱增強裝置或燃燒器25的部件以便提高經過排氣通路14的排放氣體的溫度。提高排放氣體的溫度有利于實現在寒冷天氣條件下以及在發動機12的啟動時使得在排氣處理部件18中的催化劑起燃，以及當排氣處理部件18是dpf時激活排氣處理基材20的再生。

為協助對發動機12所產生的排放加以還原，排氣后處理系統16可以包括注入器22以用于周期性地將排氣處理流體定量投加到排氣流中。如圖1所展示的，注入器22可以是定位在排氣處理部件18的上游、并且可運行來注入合適的試劑。協助使得該試劑與排氣流混合的混合裝置23可以定位在排氣通道14中注入器22與排氣處理部件18之間。在圖1中所示的lnc催化部件的情況下，注入器22可以將碳氫化合物處理流體(例如，乙醇、e85、超低硫柴油燃料、或一些其他碳氫化合物或碳氫化合物混合物(如乙醇汽油混合物))注入到該排氣流中。注入器22可以通過泵26從試劑儲箱24接收該排氣處理流體。該排氣處理流體由泵26通過入口管線28供應至注入器22，并且未使用的排氣處理流體被返回管線30返回到儲箱24。如果排氣處理部件18包括scr基材，則儲箱24所容納的試劑排氣處理流體可以是包括尿素的排氣處理流體。排氣處理流體通過入口管線28、注入器22、和返回管線30的流動還協助了冷卻注入器22從而使得注入器22不會過熱。

有效地處理排氣流的所需的排氣處理流體的量可以隨載荷、發動機速度、排放氣體溫度、排放氣體流量、發動機燃料注入正時、所希望的nox還原、氣壓計壓力、相對濕度、egr比率以及發動機冷卻劑溫度而變化。nox傳感器或量計32可以被定位在lnc20的下游。nox傳感器32可運行為將指示排氣nox含量的信號輸出給發動機電子控制單元(ecu)34。可以經發動機/車輛的數據總線將所有或一些發動機運行參數從ecu34提供給排氣后處理系統控制器36。控制器36還可以作為ecu34的一部分被包括在內。如圖1中所指示的，可以通過該排氣后處理裝置上游或下游的相應傳感器測量排氣溫度、排氣流量和排氣背壓以及其他諸如排氣相對濕度(未示出)的車輛運行參數。

然而，在催化器部件的運行過程中，排氣處理部件18的催化性能可能受制于氣態水的存在，如通過催化器的起燃溫度隨著氣態排放物中水含量的增加而增加來證實的。盡管，水含量可以通過排放氣體冷卻和冷凝而被減少，但是這個過程需要能量消耗以用于冷凝和下游催化器部件起功效所需要的氣體再加熱。因此，本披露提供了有效減少氣態排放物中的水含量而不冷卻氣體流的排氣后處理系統16，該排氣后處理系統顯著改善了可以在排氣后處理系統16中使用的這若干催化器(尤其是用于低溫甲烷氧化、nox的選擇性催化還原、以及稀nox捕集和還原的那些催化器)的起燃特性(和低溫性能特性)。具體地，如圖1中可以看到的，排氣后處理系統包括薄膜容器或除水裝置38，該薄膜容器或除水裝置有效減少排氣流中的至少一種成分(例如，水)的含量。

由發動機12產生并由排氣通道14運載的排氣流包括諸如氧氣(o2)、氮氣(n2)、二氧化碳(co2)、水(h2o)和甲烷(ch4)以及其他成分。為了從排氣流中除去諸如水的成分，如圖2中最佳示出的，該薄膜容器或除水裝置38與排氣通道14連通。更具體地說，在所展示的實施例中，除水裝置38定位在包括入口42和出口44的旁通管線40中，該除水裝置38定位在入口42與出口44之間。可能希望將除水裝置38定位在旁通管線40中，這是因為只在一定的溫度范圍中被需要使用除水裝置38，在該溫度范圍中從排氣中除去水是最有利的(即，在低溫條件下)。此外，除水裝置38可能包括由于暴露于超過具體閾值的溫度(例如，高于450℃)而可能受損的材料。

可以用可以受ecu34或控制器36控制的進氣閥46來將排氣流從排氣通道14引導到入口42中。類似地，同樣可以受ecu34或控制器36控制的排氣閥48可以允許再次引導的排氣流在通過除水裝置38后再次進入排氣通道14。然而，應當理解的是，在所展示的實施例中排氣閥48的使用是任選的。此外，應理解的是進氣閥46可以將全部的排氣流引導到入口42中，或僅將部分的排氣流引導到入口42中。此外，應理解的是ecu34或控制器36可以基于指示排氣溫度的信號來打開和關閉閥46和48。

當希望從排氣流中除去水時，ecu34或控制器36命令進氣閥46打開，這引導富含水的滲透排氣經由入口42進入除水裝置38。除水裝置38包括類似儲箱的殼體50。除水薄膜52定位在殼體50之中，該除水薄膜被配置成用于從該排氣流中除去水，以便生成富含水的滲透氣體和缺水的滲余氣體。缺水的滲余氣體通過出口44離開殼體50，并且再次進入排氣通道14用于由排氣處理部件進行的后續處理，同時富含水的滲透氣體被限制通過排氣處理部件18。

除水薄膜52可以是流通的可滲透的多孔整體材料，具有多個孔或平行的通道，這些孔或平行的通道被配置成用于選擇性地除去具有特定分子尺寸(即，小于約0.30nm)的分子(例如，水)。除水薄膜52被配置成用于防止在排氣后處理系統16中出現高背壓。就是說，除水薄膜是針對低壓降來配置的。

該整體材料可以包括金屬、陶瓷、聚合物、或其任何合適的組合。優選地，除水薄膜52包括無機成分，這些無機成分使得在高于150℃的高溫中能夠連續操作和有水熱穩定性，更優選地在150℃與450℃之間，并且最優選地在250℃與450℃之間。一些包括孔直徑小于0.3nm的無機沸石薄膜的陶瓷材料是優選的，并且具有方鈉石(sod)結構的沸石是最優選的，以便使得能夠實現幾何尺寸的排除或能夠減小對動力直徑大于0.28nm的分子的可滲透性。在這種孔或通道尺寸的條件下，除水薄膜52被配置成用于選擇性地只使諸如水、氦、以及可能氫之類的分子從其中滲透穿過。換言之，除水薄膜52充當了分子篩。

滲透穿過除水薄膜52形成富含水的滲透氣體的該部分排氣流聚集在殼體50的存儲部54中。氣態形式的水隨后可以通過氣體再循環管線56從存儲部54被再循環回到發動機12和/或可以通過氣體出口管線58被引導回到排氣通道14中排氣處理部件18下游的位置處。如果存儲部54中的水冷凝，則液態水60可以聚集在存儲部54的凹陷部62中。類似于存儲部54中的氣態水，液態水60隨后可以通過液體再循環管線64從凹陷部62被再循環回到發動機12和/或可以通過液體出口管線66被引導回到排氣通道14中排氣處理部件18下游的位置處。可以用任選的再循環閥68來將液態水60引導至液體再循環管線64或液體出口管線66。

因為液態水60可以聚集在殼體50中，并且具體地，在不使用發動機12的過程中聚集在殼體50的凹陷部62中，所以應當理解的是除水裝置38可以在其中包括加熱裝置70。加熱裝置70可以是熱敏電阻器或一些其他類型的加熱裝置，并且可以與ecu34或控制器36(未示出)通信，這樣使得在發動機12點火之后，信號在低溫條件下被通信給加熱裝置70以對除水裝置加熱并且使得任何可能已經結冰的液態水融化。此外，可能的是，除水薄膜52可能隨著長期使用變得堵塞，這樣可能需要對流動空氣進行定期的電加熱以便移除捕集到的碳煙顆粒、被吸收的含硫化合物、以及類似的部分，從而隨著時間的推移保持適當的流通性能。因此，加熱裝置70可以被配置成用于提供這種所希望的加熱。替代地，利用操作燃燒器25和允許被加熱的氣體進入除水裝置38則可以省略加熱裝置70。

現參考圖3，展示了排氣后處理系統16的第二實施例。圖3中所展示的實施例與圖1和圖2中所展示的實施例的區別在于除水裝置38至少部分地定位在排氣通道14中而不是在排氣通道14以外。盡管除水裝置38被展示為部分地定位在排氣通道14之中，這方便了必要時對除水裝置38的迅速維修，但是應當理解的是，如果希望的話除水裝置38可以全部定位在排氣通道14之中。類似于圖2中所展示的實施例，除水裝置38包括入口42和出口44。然而，入口42被整個定位在排氣通道14中使得入口42與排氣通道14同軸地延伸或軸向平行地延伸。因為入口42被整個定位在排氣通道14中，所以只有一部分的排氣流進入除水裝置38，同時剩下的排氣在除水裝置38周圍或上方流動而不從其中穿過。

可以用可以受ecu34或控制器36控制的進氣閥46來將排氣流從排氣通道14引導到入口42中。類似地，同樣可以受ecu34或控制器36控制的排氣閥48可以允許經處理的排氣流(即，缺水滲余物)在其通過除水裝置38后再次進入排氣通道14。就此而言，出口44也被整個定位在排氣通道14之中。然而，應當理解的是，在所展示的實施例中排氣閥48的使用是任選的。

當希望從排氣流中除去一種成分(如水)時，ecu34或控制器36命令進氣閥46打開，這允許該排氣流的一部分經由入口42進入除水裝置38。除水裝置38與以上與第一實施例相關地描述的相同，這是在于除水裝置包括類似儲箱的殼體50和定位在其中的除水薄膜52，該除水薄膜被配置成用于從該排氣流中除去水，以便生成富含水的滲透氣體和缺水的滲余氣體，其中滲余氣體通過出口44離開殼體50，并且滲透氣體被阻止通過排氣處理部件18。

富含水的滲透氣體聚集在殼體50的存儲部54中。氣態形式的水隨后可以通過氣體再循環管線56從存儲部54被再循環回到發動機12和/或可以通過氣體出口管線58被引導回到排氣通道14中排氣處理部件18下游的位置處。如果存儲部54中的水冷凝，則液態水60可以聚集在存儲部54的凹陷部62中。類似于存儲部中的氣態水，液態水60隨后可以通過液體再循環管線64從凹陷部62被再循環回到發動機12和/或可以通過液體出口管線66被引導回到排氣通道14中排氣處理部件18下游的位置處。可以用任選的再循環閥68來將液態水60引導至液體再循環管線64或液體出口管線66。

因為液態水60可以聚集在殼體50中，并且具體地，在不使用發動機12的過程中聚集在殼體50的凹陷部62中，所以應當理解的是除水裝置38可以在其中包括加熱裝置70(見圖2)，該加熱裝置對除水裝置加熱并且使得可能已經在其中結冰的水融化。此外，由于除水薄膜52可能隨著長期使用變得堵塞，所以加熱裝置70可以被配置成用于在流動空氣中提供定期的電加熱，需要這種電加熱以便移除捕集到的碳煙顆粒、被吸收的含硫化合物、以及類似的部分，從而隨著時間的推移保持適當的流通性能。替代地，利用操作燃燒器25和允許被加熱的氣體進入除水裝置38則可以省略加熱裝置70。

在以上說明的各個實施例中，由于取決于具體應用跨越薄膜52的低壓降通過除水裝置52的氣體流量可能不足。因此，可以將小型壓縮機(未示出)結合到入口42中，或者可以將真空管線(例如，通過與車輛進氣歧管連通)結合到出口44中，以便增大通過薄膜52的氣體流量的流速，從而進一步改善包括催化劑的排氣處理部件18的下游性能。

以上對這些實施例的描述是出于展示和描述的目的提供的。這些描述并不旨在是窮盡的或限制本披露。具體實施例的單獨的要素或特征通常并不局限于該具體實施例，而是在適用時是可互換的、并且可以用在甚至并未明確示出或描述的選定實施例中。也可以用多種方式來對其加以變化。這樣的變化不應視作是脫離本披露，并且所有這樣的改動都旨在包括在本披露的范圍之內。