專利名稱：降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中形成尿素沉積物的可能性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、尤其是類似于那些用于推進(jìn)大卡車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具體地說本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理，且該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理包括將尿素溶液噴入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，用以促使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的某些成分進(jìn)行選擇性的催化還原(SCR)。
背景技術(shù)：
使用選擇性催化還原(SCR)的柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的一個(gè)示例包括噴射器，含水尿素溶液通過該噴射器噴入廢氣流中。理想的是，在廢氣流流經(jīng)催化表面之前，溶液應(yīng)完全汽化并與廢氣徹底混合。 廢氣后處理系統(tǒng)的幾何形狀和尿素噴射器的噴流型式可致使其中一些噴射出的溶液在汽化之前將排氣系統(tǒng)的內(nèi)表面潤(rùn)濕。當(dāng)那些內(nèi)表面的溫度足夠低時(shí)，尿素可能會(huì)從溶液析出并在那些內(nèi)表面上形成沉積物。固體沉積物的聚積隨著時(shí)間會(huì)例如通過改變排氣系統(tǒng)的流動(dòng)特性和/或尿素噴射器的噴流型式而影響后處理系統(tǒng)的有效性，和/或它們會(huì)損壞排氣和后處理系統(tǒng)的部件。尿素甚至可能會(huì)沉積在噴射器的噴嘴上，而如果發(fā)生此種情形的話，會(huì)不利地影響噴流質(zhì)量和均勻性，從而可能會(huì)致使由于選擇性催化還原產(chǎn)生的氮氧化物轉(zhuǎn)換效率較低。移除大量尿素沉積物通常需要將各部件進(jìn)行拆解，因?yàn)樵诓贿M(jìn)行此種拆解的情形下，缺乏有效的方式來令人滿意地將尿素沉積物移除。為了避免冷表面被所噴射的溶液潤(rùn)濕而導(dǎo)致尿素沉積在那些冷表面上，在首先啟動(dòng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)、尤其是在寒冷環(huán)境條件下，需要暫時(shí)延遲尿素噴射。然而，這會(huì)使廢氣由選擇性催化還原進(jìn)行處理的初始時(shí)間延遲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于降低在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中形成尿素沉積物的可能性的系統(tǒng)和方法，尤其是在寒冷環(huán)境條件下，例如低于通常尿素溶液的大約-10° C凝固點(diǎn)的環(huán)境條件?！獋€(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件與排氣系統(tǒng)的某些表面相關(guān)聯(lián)。當(dāng)指示存在有在那些表面上形成尿素沉積物的可能性時(shí)，這些電加熱器構(gòu)件有效地加熱那些表面。這些表面包括尿素噴射凸部、該凸部上游和下游的排氣系統(tǒng)壁、諸如用于使噴射小滴破裂的柵格之類的壁內(nèi)結(jié)構(gòu)以及用于使流入流體混合的混合器。當(dāng)經(jīng)由居中地位于噴射點(diǎn)上游的傳感器測(cè)出的排氣氣體溫度低于選定溫度(通常示例為200° C)時(shí)，會(huì)進(jìn)行電加熱，而在該選定溫度以下尿素噴射被禁止。持續(xù)進(jìn)行加熱，直到所測(cè)得的排氣溫度足夠高，以適度地確保被加熱表面的溫度會(huì)保持在一定最小值之上，而在該最小值之上不會(huì)形成尿素沉積物。加熱器構(gòu)件的供電需求基于將最小溫度保持于至少約150° C至約200° C(對(duì)最后一句進(jìn)行解釋)。一個(gè)或多個(gè)加熱器構(gòu)件可與排氣系統(tǒng)的壁、尤其是與尿素噴射的直接通路中的加熱表面以及在缺少電加熱的情形下進(jìn)行尿素噴射之前和過程中會(huì)具有過低溫度的表面成一體。例如如果執(zhí)行大量尿素噴射以更快速地饋入SCR催化劑的話，在較溫暖的條件下也可短時(shí)間啟動(dòng)加熱器。所披露的系統(tǒng)和方法能在冷發(fā)動(dòng)機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)、降低尿素沉積物形成的可能性和/或減小尿素噴射的時(shí)長(zhǎng)。本發(fā)明的總的方面涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括排氣系統(tǒng)，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃燒產(chǎn)生的廢氣通過該排氣系統(tǒng)通入大氣，且該排氣系統(tǒng)包括用于在廢氣離開排氣系統(tǒng)之前對(duì)廢氣進(jìn)行處理的后處理裝置，噴射器，該噴射器用于將后處理裝置對(duì)廢氣進(jìn)行處理所用的液態(tài)還原劑在后處理裝置上游噴入廢氣系統(tǒng)，用以由通過所述排氣系統(tǒng)的廢氣流卷帶并在所述廢氣流中汽化，以及一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件，這些電加熱器構(gòu)件用以將會(huì)由液態(tài)還原劑潤(rùn)濕的表面加熱至這樣一溫度，該溫度足夠高到能防止還原劑從液態(tài)還 原劑析出并沉積在表面上。本發(fā)明的又一總體方面涉及一種用于減少液態(tài)還原劑中析出的還原劑沉積在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的表面上的方法，由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的廢氣通過排氣系統(tǒng)通入大氣，且排氣系統(tǒng)包括后處理裝置和噴射器，該后處理裝置用于在廢氣離開排氣系統(tǒng)之前對(duì)廢氣進(jìn)行處理，而噴射器用于將后處理裝置對(duì)廢氣進(jìn)行處理所用的液態(tài)還原劑在后處理裝置上游噴入廢氣系統(tǒng)，用以由通過排氣系統(tǒng)的廢氣流卷帶并在廢氣流中汽化。該方法包括操作一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件，以將會(huì)由液態(tài)還原劑潤(rùn)濕的表面加熱至這樣一溫度，該溫度足夠高到能防止還原劑從液態(tài)還原劑析出并沉積在表面上。通過本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明而實(shí)現(xiàn)的前述發(fā)明內(nèi)容將存在于參見作為本發(fā)明一部分的以下附圖的下文詳細(xì)說明中。


圖I是包括后處理在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)及其排氣系統(tǒng)的總體示意圖。圖2是排氣系統(tǒng)中尿素噴射型式的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10的一例子，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)10具有增壓空氣進(jìn)入所通過的進(jìn)氣系統(tǒng)12和燃燒產(chǎn)生的廢氣從其中排出所通過的排氣系統(tǒng)14，圖中并未包括這兩種系統(tǒng)通常具有的所有細(xì)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括多個(gè)形成燃燒室的氣缸16，燃料由燃料噴射器噴入燃燒室中，以用通過進(jìn)氣系統(tǒng)12進(jìn)入的增壓空氣進(jìn)行燃燒。通過燃燒產(chǎn)生的能量經(jīng)由連接于曲柄軸的活塞為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)用在諸如卡車的機(jī)動(dòng)車輛中時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)10通過傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)接至推進(jìn)車輛的從動(dòng)車輪。進(jìn)氣閥控制允許增壓空氣進(jìn)入氣缸16，排氣閥控制廢氣通過排氣系統(tǒng)14流出并最終流動(dòng)到大氣中。然而在進(jìn)入大氣之前，由后處理系統(tǒng)18中的一個(gè)或多個(gè)后處理裝置來處
理廢氣。后處理系統(tǒng)18包括帶壁外殼20，該帶壁外殼包圍廢氣通路并具有廢氣進(jìn)口 22，來自氣缸16的廢氣通過該廢氣進(jìn)口進(jìn)入用以通過外殼。外殼內(nèi)部從進(jìn)口 22沿著廢氣流通路按序地包含柴油顆粒過濾(DPF)構(gòu)件24、穿孔沖擊板或網(wǎng)26以及混合器28。
尿素噴射器30安裝在外殼壁中的凸部32中，用以作為液態(tài)還原劑的含水尿素溶液從噴嘴34噴入通過外殼流動(dòng)的廢氣。穿過混合器28的流體流被傳送以流過SCR催化劑36的催化表面，在流體流通過尾管離開排氣系統(tǒng)之前，在該催化表面處產(chǎn)生通過還原劑進(jìn)行的氮氧化物催化還原。含水尿素溶液的供源存儲(chǔ)在槽罐38中。典型的尿素溶液按重量具有大約32. 5%的濃度。通過與槽罐38中供源并且與噴射器30相關(guān)聯(lián)的控制器40來對(duì)溶液噴入廢氣流進(jìn)行控制?？刂破?0的控制輸入是從溫度傳感器42所獲得的廢氣溫度測(cè)量值，該溫度傳感器42設(shè)置在流體流的大體中心位置以測(cè)量噴射器上游廢氣的溫度。噴射器噴嘴34基本上位于瞄準(zhǔn)流體流下游的假想中心線上，但相對(duì)于來自過濾構(gòu)件24的主要軸向流體流成銳角。如圖2所示，噴射器30將尿素溶液噴射成具有典型型式44的噴流。板或網(wǎng)26設(shè)置在噴流通路中，并且意圖通過使尿素溶液噴流中的小滴偏流/分散/破裂來促使這些小滴快速汽化?；旌衔?8意圖促使蒸氣與廢氣流在廢氣流到達(dá)SCR36處之前徹底混合。SCR催化劑40促使廢氣成分與尿素溶液汽化的分解產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)。由圖I中點(diǎn)劃線46不意地不出的一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件與排氣系統(tǒng)的某些表面相關(guān)聯(lián)。當(dāng)指示存在有在那些表面上形成尿素沉積物的可能性時(shí)，這些電加熱器構(gòu)件會(huì)加熱那些表面。這些表面包括凸部32、外殼20中在凸部32上游和下游的壁、板或網(wǎng)26以及混合器28。由于考慮到沉積物會(huì)形成在由液態(tài)還原劑所潤(rùn)濕的表面上，因而控制器40靜止尿素噴射低于選定溫度，而當(dāng)由傳感器42測(cè)得的廢氣溫度低于該選定溫度時(shí)，加熱器構(gòu)件46會(huì)發(fā)生典型的使用。啟動(dòng)加熱器構(gòu)件，并持續(xù)進(jìn)行加熱，直到所測(cè)得的排氣溫度足夠高，以適度地確保被加熱表面的溫度會(huì)保持在一定最小值之上，而在該最小值之上不會(huì)形成尿素沉積物。加熱器構(gòu)件可與外殼壁和凸部、尤其是與尿素噴射的直接通路中的加熱表面以及在缺少電加熱的情形下進(jìn)行尿素噴射之前和過程中會(huì)具有過低溫度的表面成一體。例如，加熱器構(gòu)件在凸部中可具有足夠高的比率，以致使熱量流過凸部并流入其中通有液體的噴射器。例如如果執(zhí)行大量尿素噴射以更快速地饋入SCR催化劑的話，在較溫暖的條件下也可短時(shí)間啟動(dòng)加熱器。所披露的系統(tǒng)和方法能在冷發(fā)動(dòng)機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)、降低尿素沉積物形成的可能性和/或減小尿素噴射的時(shí)長(zhǎng)。權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 排氣系統(tǒng)，由在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃燒產(chǎn)生的廢氣通過所述排氣系統(tǒng)通入大氣，且所述排氣系統(tǒng)包括用于在所述廢氣離開所述排氣系統(tǒng)之前對(duì)所述廢氣進(jìn)行處理的后處理裝置； 噴射器，所述噴射器用于將所述后處理裝置對(duì)所述廢氣進(jìn)行處理所用的液態(tài)還原劑在所述后處理裝置上游噴入廢氣系統(tǒng)，用以由通過所述排氣系統(tǒng)的廢氣流卷帶并在所述廢氣流中汽化； 以及一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件，所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件用以將會(huì)由所述液態(tài)還原劑潤(rùn)濕的表面加熱至一溫度，該溫度足夠高到能防止還原劑從所述液態(tài)還原劑析出并沉積在所述表面上。
2.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述后處理裝置包括SCR催化劑，并且還包括尿素溶液的供源，所述供源用于作為所述液態(tài)還原劑來由所述噴射器進(jìn)行噴射。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述噴射器包括接納在凸部的孔中的本體以及所述尿素溶液通過其中噴入所述廢氣流的噴嘴，其中加熱器構(gòu)件設(shè)置在所述凸部上用以加熱所述凸部。
4.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述加熱器構(gòu)件設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁的一部分上并且位于所述凸部下游。
5.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述加熱器構(gòu)件設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁的一部分上并且位于所述凸部上游。
6.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述排氣系統(tǒng)包括設(shè)置在來自所述噴嘴的尿素噴流的通路中的結(jié)構(gòu)，用以在所述噴流中的至少一些部分會(huì)接觸所述表面之前、使所述噴流中的所述部分偏流/分散/破裂，其中所述加熱器構(gòu)件在所述結(jié)構(gòu)位置處設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁上。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述排氣系統(tǒng)在所述結(jié)構(gòu)下游還包括混合器，且所述加熱器構(gòu)件在所述混合器位置處設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)中的壁上。
8.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，溫度傳感器設(shè)置成測(cè)量所述噴射器上游廢氣的溫度，且用于所述一個(gè)或多個(gè)加熱器構(gòu)件的控制器使用測(cè)量值來控制所述一個(gè)或多個(gè)加熱器構(gòu)件的操作。
9.一種用于減少液態(tài)還原劑中析出的還原劑沉積在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的表面上的方法，由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的廢氣通過所述排氣系統(tǒng)通入大氣，且所述排氣系統(tǒng)包括后處理裝置和噴射器，所述后處理裝置用于在所述廢氣離開所述排氣系統(tǒng)之前對(duì)所述廢氣進(jìn)行處理，而所述噴射器用于將所述后處理裝置對(duì)所述廢氣進(jìn)行處理所用的液態(tài)還原劑在所述后處理裝置上游噴入廢氣系統(tǒng)，用以由通過所述排氣系統(tǒng)的廢氣流卷帶并在所述廢氣流中汽化，并且所述方法包括 操作一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件，以將會(huì)由所述液態(tài)還原劑潤(rùn)濕的表面加熱至一溫度，該溫度足夠高到能防止還原劑從所述液態(tài)還原劑析出并沉積在所述表面上。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件的步驟包括對(duì)設(shè)置在凸部上的電加熱器構(gòu)件進(jìn)行操作，所述凸部具有其中接納有所述噴射器的本體的孔。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件的步驟包括對(duì)設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁的一部分上并位于所述凸部下游的電加熱器構(gòu)件進(jìn)行操作。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件的步驟包括對(duì)設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流壁的一部分上并位于所述凸部上游的電加熱器構(gòu)件進(jìn)行操作。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，操作所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件的步驟包括對(duì)在一結(jié)構(gòu)的位置處設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁的一部分上的電加 熱器構(gòu)件進(jìn)行操作，所述結(jié)構(gòu)設(shè)置在來自所述噴嘴的尿素噴流的通路中，用以在所述噴流中的至少一些部分會(huì)接觸所述表面之前、使所述噴流中的所述部分偏流/分散/破裂。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，操作所述一個(gè)或多個(gè)電加熱器構(gòu)件的步驟包括對(duì)在所述結(jié)構(gòu)下游的混合器位置處設(shè)置在所述排氣系統(tǒng)的包圍所述廢氣流的壁的一部分上的電加熱器構(gòu)件進(jìn)行操作。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括測(cè)量所述噴射器上游廢氣的溫度，使用所測(cè)量出的溫度來選擇性地允許或禁止所述噴射器噴射尿素溶液并且選擇性地操作所述一個(gè)或多個(gè)加熱器構(gòu)件。
全文摘要
用于在燃燒過程中的氣態(tài)產(chǎn)物進(jìn)入大氣之前對(duì)氣態(tài)產(chǎn)物中的氮氧化物進(jìn)行催化還原的裝置和方法。燃燒過程的氣態(tài)和顆粒產(chǎn)物徑向地流過徑向流顆粒過濾構(gòu)件(24)，然后軸向地引過收集器(26)，其中顆粒過濾構(gòu)件會(huì)有效地捕獲顆粒物質(zhì)。噴射器(30)將還原劑引入收集器的軸向端部中，用以由沿遠(yuǎn)離噴射器的方向流過收集器的軸向流卷帶。離開收集器的流體流引導(dǎo)通過SCR催化劑(40)，在此發(fā)生氮氧化物的催化還原。
文檔編號(hào)F01N3/00GK102639828SQ201080054644
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者B·J·阿德爾曼, E·M·德雷保斯基, S·桑莎納姆, V·O·斯特羅茲 申請(qǐng)人:萬國(guó)引擎知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限責(zé)任公司