專利名稱：具有涂有NO_x還原催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種與廢氣后處理系統(tǒng)聯(lián)接的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，更特別地涉及在涂有NOx還原催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器上在沒(méi)有主動(dòng)再生的條件下使碳煙負(fù)載密度穩(wěn)定。
背景技術(shù)：
常規(guī)的知識(shí)局限于，柴油顆粒過(guò)濾器必須周期性地再生，以便降低在發(fā)動(dòng)機(jī)上的背壓以及/或者防止在過(guò)濾器所捕集的碳煙塊中發(fā)生不受控制的放熱的碳煙氧化反應(yīng)。降低在發(fā)動(dòng)機(jī)上的背壓通常與更有效的運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)，因此與進(jìn)一步減少發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗相關(guān)。不受控制的放熱的氧化反應(yīng)通常是不希望的，因?yàn)闇囟葧簳r(shí)會(huì)變得很高以致于過(guò)濾器基底(例如沸石)可能會(huì)破裂或者不然就損壞到可能危及過(guò)濾器的程度。當(dāng)像在許多常規(guī)系統(tǒng)中那樣，柴油顆粒過(guò)濾器涂有柴油氧化催化劑時(shí)，柴油顆粒過(guò)濾器中的、可能會(huì)發(fā)生不受控制的放熱氧化反應(yīng)的臨界碳煙負(fù)載密度減小。柴油氧化催化劑用于催化廢氣中的氮氧 化物與可利用的氧氣之間的反應(yīng)，以產(chǎn)生二氧化氮。柴油顆粒過(guò)濾器的主動(dòng)再生與以下過(guò)程有關(guān)在該過(guò)程中通過(guò)為了促進(jìn)碳煙氧化而提高過(guò)濾器處的溫度，柴油顆粒過(guò)濾器中積聚的碳煙被氧化。主動(dòng)的再生過(guò)程有時(shí)通過(guò)將燃料從柴油顆粒過(guò)濾器上游噴入后處理系統(tǒng)中或通過(guò)使用電加熱器等來(lái)執(zhí)行。通過(guò)在相對(duì)低的碳煙負(fù)載密度下開(kāi)始再生過(guò)程，可以控制氧化反應(yīng)，并且避免不受控制的放熱反應(yīng)和與這樣一種反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的損壞危險(xiǎn)。經(jīng)常在執(zhí)行柴油顆粒過(guò)濾器的主動(dòng)再生所必需的額外燃料消耗和發(fā)動(dòng)機(jī)為克服與在柴油顆粒過(guò)濾器上的碳煙積聚相關(guān)的背壓而需要的額外燃料之間權(quán)衡。除了處理碳煙之外，大多數(shù)后處理系統(tǒng)也嘗試通過(guò)添加還原劑(例如尿素)催化NOx還原反應(yīng)來(lái)降低排氣管處存在的N0X。在許多傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，尿素在柴油顆粒過(guò)濾器下游噴射到后處理系統(tǒng)中。在與廢氣混合之后，通過(guò)NOx還原催化劑促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以在離開(kāi)排氣管之前將二氧化氮和尿素中的氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。通常，噴入后處理系統(tǒng)中的尿素量必須平衡廢氣中存在的NOx量，以避免不充分的反應(yīng)而在排氣管處生成NOx(NOx逸出)或噴入太多而導(dǎo)致所不希望的氨從排氣管的排出(氨逸出)。為了更少地消耗尿素，常識(shí)通常是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定以產(chǎn)生更少的NOx但同時(shí)仍滿足發(fā)動(dòng)機(jī)上的需求。通常，NOx的生成像發(fā)動(dòng)機(jī)效率一樣，隨著燃燒溫度的增加而增加。因此，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定以產(chǎn)生更少的NOx通常導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率的下降，因而導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的燃料消耗的遞增。因此關(guān)于NOx方面的權(quán)衡經(jīng)常涉及燃料消耗的遞增，以便在燃燒的時(shí)候生成更少的NOx且同時(shí)對(duì)為了達(dá)到平衡的還原反應(yīng)而進(jìn)行的尿素噴射的要求降低。因此，常識(shí)是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定、柴油顆粒過(guò)濾器再生頻率和尿素噴射量的研究，這些能在滿足排放規(guī)章的同時(shí)使得全部的液體消耗(燃料加上尿素)是可接受的。這些策略典型地通過(guò)后處理系統(tǒng)執(zhí)行，該后處理系統(tǒng)包括相互串聯(lián)的用于促進(jìn)再生的燃料噴射器、涂有柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器、尿素噴射系統(tǒng)、混合器以及最后還包括NOx還原催化劑。
盡管傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認(rèn)為是成功的且逐漸廣泛使用，但仍努力通過(guò)給柴油顆粒過(guò)濾器涂上NOx還原催化劑而在該柴油顆粒過(guò)濾器處進(jìn)行NOx還原反應(yīng)。例如，公開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)2010/0058746教導(dǎo)了一種涂有柴油氧化催化劑和NOx還原催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器。然而，此參考文獻(xiàn)教導(dǎo)了柴油顆粒過(guò)濾器頻繁主動(dòng)再生的必要性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種替代的與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的后處理策略，該后處理策略可以有效地與傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相競(jìng)爭(zhēng)。一方面，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的方法包括通過(guò)燃燒壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的柴油燃料產(chǎn)生具有一溫度和NOx碳煙比的廢氣。通過(guò)在與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)給后處理系統(tǒng)提供碳煙的速度大約相同的速度下氧化碳煙而使在與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)流體連接的后處理系統(tǒng)的柴油顆粒過(guò)濾器中的碳煙負(fù)載密度穩(wěn)定。通過(guò)涂在柴油顆粒過(guò)濾器上的NOx還原催化劑來(lái)催化NOx還原反應(yīng)。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括電子控制的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠燃燒柴油燃料以產(chǎn)生具有一溫度和NOx碳煙比的廢氣。后處理系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)流體連接并且包括柴油氧化催化劑、還原劑供給裝置和涂有NOx還原催化劑而不是柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器。NOx碳煙比和溫度對(duì)應(yīng)于在沒(méi)有主動(dòng)再生的柴油顆粒過(guò)濾器中的穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的分別具有穩(wěn)定的低碳煙負(fù)載和高碳煙負(fù)載的柴油顆粒過(guò)濾器的部分剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的、在運(yùn)行區(qū)域中的柴油顆粒過(guò)濾器溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的NOx碳煙比的關(guān)系曲線圖；和圖4是針對(duì)一系列不同的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配置，發(fā)動(dòng)機(jī)流體消耗與制動(dòng)器特定NOx輸出的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DI，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10包括電子控制的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)11，該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠燃燒柴油燃料以產(chǎn)生具有一溫度和煙比的廢氣。后處理系統(tǒng)12與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)11流體連接，并且包括柴油氧化催化劑13、還原劑(例如尿素)供應(yīng)裝置14和涂有NOx還原催化劑而不是柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器15(CDS)。術(shù)語(yǔ)“CDS”僅是涂有選擇性催化還原催化劑的組合式柴油顆粒過(guò)濾器(Combined Diesel particulate filtercoated with a Scr catalyst)的縮寫。電子控制器16與發(fā)動(dòng)機(jī)11處于控制通信。電子控制器16可以包括后處理穩(wěn)定性算法，該算法能夠估算柴油顆粒過(guò)濾器15中的碳煙負(fù)載密度，并且所述電子控制器16能夠調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10可以包括廢氣再循環(huán)系統(tǒng)19，該廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可以包括由電子控制器16控制的控制閥，用來(lái)調(diào)整再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)11的廢氣(如果有的話)的量。電子控制器16能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)11使得廢氣中的NOx碳煙比和廢氣的溫度對(duì)應(yīng)于沒(méi)有主動(dòng)再生的柴油顆粒過(guò)濾器15中的、穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度。在本發(fā)明上下文中，穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度意思是沒(méi)有繼續(xù)增加直到變得塞緊、而是到達(dá)恒穩(wěn)態(tài)碳煙負(fù)載密度的碳煙負(fù)載密度。主動(dòng)再生是指給后處理系統(tǒng)12增加熱能以開(kāi)始和/或維持碳煙的氧化反應(yīng)從而使柴油顆粒過(guò)濾器上的碳煙負(fù)載密度降低的構(gòu)思。因此，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10在后處理系統(tǒng)12中可以不包括主動(dòng)地再生柴油顆粒過(guò)濾器15的任何燃料噴射器和/或電加熱元件等。盡管電子控制器16可以設(shè)置用于，在沒(méi)有反饋控制的條件下，控制與在柴油顆粒過(guò)濾器15處產(chǎn)生穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度時(shí)的NOx碳煙比和廢氣溫度相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，但是本發(fā)明也預(yù)期有反饋策略，通過(guò)該反饋策略，電子控制器利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何適當(dāng)方式，評(píng)估過(guò)濾器15處的溫度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)輸出NOx碳煙比和/或在柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器15中的碳煙負(fù)載密度。在此方面，不管發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10是開(kāi)環(huán)工作還是閉環(huán)工作，系統(tǒng)10可
以包括與電子控制系統(tǒng)16通信的溫度傳感器17，該溫度傳感器定位于后處理系統(tǒng)12中。電子控制器16的后處理穩(wěn)定性算法可以包括過(guò)濾器溫度評(píng)估算法，用于利用來(lái)自溫度傳感器17的溫度對(duì)柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度進(jìn)行評(píng)估。盡管在所示實(shí)施例中的溫度傳感器17位于柴油顆粒過(guò)濾器15處，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解溫度傳感器可以位于后處理系統(tǒng)12的其他位置，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。在這種情況下，在柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度可以利用預(yù)先確定的、在后處理系統(tǒng)12中其他位置感測(cè)到的溫度和在柴油顆粒過(guò)濾器15處的相應(yīng)溫度之間的關(guān)系進(jìn)行評(píng)估。除了溫度傳感器17，后處理系統(tǒng)12可以包括定位于后處理系統(tǒng)12中的與電子控制器16通信的NOx傳感器18。電子控制器16的后處理穩(wěn)定性算法可以包括NOx碳煙評(píng)估算法，用于評(píng)估柴油顆粒過(guò)濾器15處廢氣的煙比。評(píng)估從發(fā)動(dòng)機(jī)11出來(lái)的碳煙在現(xiàn)有技術(shù)中已知，在此不再贅述。本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解，NOx傳感器18可以位于后處理系統(tǒng)12中的任意適合的位置并且利用相互關(guān)系和其他工具來(lái)評(píng)估后處理系統(tǒng)12中其他位置處的煙比。電子控制器16可以包括任意已知的傳感器、預(yù)先確定的數(shù)據(jù)和已知的技術(shù)，用來(lái)評(píng)估在后處理系統(tǒng)12中(包括在柴油顆粒過(guò)濾器15中)任意位置處的煙比。像大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10包括電子控制器16，該電子控制器對(duì)還原劑(例如尿素)噴入后處理系統(tǒng)12中的質(zhì)量流速進(jìn)行控制，以在柴油顆粒過(guò)濾器15中提供在NOx還原催化劑下平衡的NOx還原反應(yīng)。因此，電子控制器16可以包括適合的還原劑噴射控制算法，該算法利用已知的技術(shù)，用于使在柴油顆粒過(guò)濾器15下游的排氣管處的NOx逸出或氨逸出事件最小化和/或避免這些事件。柴油顆粒過(guò)濾器15可以具有任意適合的結(jié)構(gòu)，例如現(xiàn)有技術(shù)中普遍已知的沸石壁流動(dòng)結(jié)構(gòu)類型。其他適合的基底包括，但不局限于，礬或鈦。柴油顆粒過(guò)濾器壁的進(jìn)入側(cè)和/或排出側(cè)可以涂有任何適合的NOx還原催化劑，例如銅。其他適合的催化劑包括，但不局限于，鐵和混合金屬氧化物。為了提供根據(jù)本發(fā)明的、能夠在穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，柴油顆粒過(guò)濾器15可能需要小于70000/hr的體積空間速度，其對(duì)應(yīng)于額定條件下的廢氣流速除以過(guò)濾器的體積。通常，此限制條件對(duì)應(yīng)于與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其它等同的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比體積更大的SCR催化劑。過(guò)去，應(yīng)對(duì)排放規(guī)章時(shí)的常識(shí)通常是尋求使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生較少量NOx/和碳煙的策略，于是依賴于后處理系統(tǒng)移除殘余的不希望的排放物。因此，在常識(shí)中在一定程度上分開(kāi)對(duì)待發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)。本發(fā)明尋求將后處理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)集成，使得更好地平衡發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。例如，本發(fā)明教導(dǎo)了相對(duì)于與常識(shí)相關(guān)的低NOx教導(dǎo)產(chǎn)生相對(duì)高的NOx輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這通常產(chǎn)生更熱的更有效率的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。通常，更熱的燃燒與更高的NOx水平和改進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率相關(guān)，其對(duì)應(yīng)于改進(jìn)的燃料經(jīng)濟(jì)性。常識(shí)可能教導(dǎo)高的廢氣再循環(huán)量和/或低的NOx發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)定以抑制燃燒溫度并由此降低NOx生成，而本發(fā)明朝相反的方向進(jìn)行教導(dǎo)，即較少地依賴廢氣再循環(huán)或較低效率的低NOx發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定以便產(chǎn)生相對(duì)較高的燃燒溫度和較高的NOx生成輸出。在常識(shí)中，在后處理系統(tǒng)中在一定程度上分開(kāi)處理NOx和碳煙。另ー方面，本發(fā)明尋求平衡在后處理系統(tǒng)中出現(xiàn)的高的NOx量以幫助碳煙氧化，而不是引起甚至更高地依賴于尿素噴射和NOx還原反應(yīng)以在排氣管處排出之前移除N0X。本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)的ー種方式是將柴油氧化催化劑與柴油顆粒過(guò)濾器完全分開(kāi)。如眾所周知的，柴油氧化催化劑執(zhí)行幫助將廢氣中的氮氧化物轉(zhuǎn)化為ニ氧化氮的功能。在常識(shí)中，柴油氧化催化劑可以涂在顆粒過(guò)濾器上，并且固有地需要將碳煙負(fù)載充分地維持在可能發(fā)生不受控制的放熱的碳煙氧化反應(yīng)的碳煙負(fù)載以下。例如，常識(shí)可能教導(dǎo)，在碳煙負(fù)載處于2-5克每升的數(shù)量級(jí)時(shí)，再生涂有柴油氧化催化劑的顆粒過(guò)濾器，以避免、大約6克每升左右的負(fù)載，這可能導(dǎo)致碳煙塊中不受控制的放熱的氧化反應(yīng)，這會(huì)并且非常有可能損壞和/或使過(guò)濾器基底裂開(kāi)并危及過(guò)濾器。本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10可能以小于6克每升的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度運(yùn)轉(zhuǎn)，但根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10在大于6克每升的碳煙負(fù)載密度下可以得到更好的總效率，這在常識(shí)中是想象不到的。根據(jù)本發(fā)明的這些更高的碳煙負(fù)載密度仍然受到限制，需維持碳煙負(fù)載密度小干與在柴油顆粒過(guò)濾器15的碳煙塊中的不受控制的放熱碳煙氧化反應(yīng)相關(guān)的那些碳煙負(fù)載密度。然而，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的柴油顆粒過(guò)濾器15不包括柴油氧化催化劑，與不受控制的放熱反應(yīng)相關(guān)的碳煙負(fù)載密度基本上高于與現(xiàn)有技術(shù)的柴油氧化催化劑顆粒過(guò)濾器相關(guān)的碳煙負(fù)載密度。柴油氧化催化劑的存在基本上可以降低會(huì)發(fā)生不受控制的放熱反應(yīng)即碳煙氧化反應(yīng)時(shí)的碳煙負(fù)載密度，未涂層或涂有NOx還原催化劑的顆粒過(guò)濾器基本上更高，在可能發(fā)生不受控制的放熱反應(yīng)之前可能在101/2或更多克每升的數(shù)量級(jí)上。幸運(yùn)地，在某些運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10中的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度可以在基本上低于會(huì)發(fā)生不受控制的放熱碳煙氧化反應(yīng)的低密度下穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的恒穩(wěn)態(tài)碳煙負(fù)載密度的例子可以簡(jiǎn)單地在3至11克每升的范圍內(nèi)，但也可以根據(jù)其他的考慮在9-10克每升的范圍內(nèi)，這些考慮包括提高的尿素供應(yīng)要求和提高的燃料消耗以克服與柴油顆粒過(guò)濾器上更高的碳煙負(fù)載相關(guān)的背壓。根據(jù)本發(fā)明有一定應(yīng)滿足的約束，以創(chuàng)造可以在柴油顆粒過(guò)濾器15中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的條件。例如，柴油顆粒過(guò)濾器15應(yīng)位于后處理系統(tǒng)12中與通常超過(guò)180°C的溫度相對(duì)應(yīng)的位置。通常在柴油顆粒過(guò)濾器15處的廢氣溫度低于180°C時(shí)是不能得到穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的。沒(méi)有可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的實(shí)際的溫度上限。然而，當(dāng)柴油顆粒過(guò)濾器處的溫度開(kāi)始超過(guò)大約450°C數(shù)量級(jí)的溫度時(shí)，可能會(huì)漸漸破壞NOx還原反應(yīng)效率。但通過(guò)増加給后處理系統(tǒng)12的還原劑供應(yīng)，可以在一定程度上補(bǔ)救升高溫度的NOx還原反應(yīng)。因此，實(shí)際工作者可能想要對(duì)他們的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度在不破壞NOx還原反應(yīng)的條件下盡可能地高。例如，柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度在180°C至400°C的范圍內(nèi)，主要在此范圍內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)可能是值得希望的。
參照?qǐng)D2，示意性示出了本發(fā)明的柴油顆粒過(guò)濾器以及其相關(guān)的碳煙負(fù)載是如何影響NOx和碳煙塊之間的相互作用以及在NOx還原催化劑涂層23處發(fā)生的NOx還原反應(yīng)。特別地，當(dāng)顆粒過(guò)濾器具有相對(duì)低的碳煙負(fù)載時(shí)，有増大的驅(qū)動(dòng)ニ氧化氮穿過(guò)碳煙層25的驅(qū)動(dòng)力，這降低了ニ氧化氮和碳煙相互作用的時(shí)間。另ー方面，在較高的碳煙負(fù)載下，驅(qū)動(dòng)ニ氧化氮穿過(guò)較大的碳煙塊層25的驅(qū)動(dòng)カ較小，使得ニ氧化氮和碳煙相互作用時(shí)間更類似于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)柴油顆粒過(guò)濾器。通常，在ニ氧化氮和碳煙層之間可利用的更多的相互作用時(shí)間致使被ニ氧化氮氧化的碳煙的反應(yīng)速度更快，其與從發(fā)動(dòng)機(jī)引入碳煙的速度相結(jié)合，產(chǎn)生穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度。因此，在其他所有條件都相同的情況下，如果可以容許在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10中的更高的碳煙負(fù)載密度，那么可以為了凈碳煙積聚速度為零，使碳煙氧化的速度與在過(guò)濾器上捕集碳煙的速度相同。當(dāng)碳煙被NO2氧化吋，NO2轉(zhuǎn)化為NO。可以預(yù)期消耗更多的燃料以克服由根據(jù)本發(fā)明的、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的常識(shí)更高的碳煙負(fù)載密度產(chǎn)生的背壓，該燃料消耗的遞增通過(guò)與更高的NOx生成相關(guān)的改進(jìn)的效率以及沒(méi)有如在現(xiàn)有技術(shù)那樣開(kāi)始和執(zhí)行主動(dòng)再生的燃料消耗來(lái)得到更多的補(bǔ)償。 如所期待的，如在圖3中所示，穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的實(shí)現(xiàn)很大程度上是溫度的函數(shù)。一方面，碳煙氧化反應(yīng)速度隨著溫度而增加，但NOx還原催化劑在促進(jìn)NOx還原反應(yīng)的有效性隨著溫度増加到400-450°C數(shù)量級(jí)的某ー閾值以上而下降。因此，根據(jù)本發(fā)明的、涂有NOx還原催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器應(yīng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的下游，充分使得溫度在催化劑處足夠低以促進(jìn)有效的NOx還原反應(yīng)，但不是會(huì)破壞碳煙與ニ氧化氮的充分氧化那么低，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度。換句話說(shuō)，如果根據(jù)本發(fā)明的柴油顆粒過(guò)濾器15太熱，總是更多量的尿素是必要的以實(shí)現(xiàn)有效的NOx還原。另ー方面，如果柴油顆粒過(guò)濾器太冷，例如低于180°C，碳煙負(fù)載密度會(huì)變得過(guò)大，因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)隨著碳煙從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出開(kāi)始的穩(wěn)定的碳煙氧化反應(yīng)速度。除了柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度之外，根據(jù)本發(fā)明的另ー約束涉及NOx碳煙比，其通常比普遍的與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的常識(shí)更高。在本發(fā)明的情況下，NOx碳煙比可能需要比大約20比I更大，以確保充足的ニ氧化氮以能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度。另ー方面，可能需要最高330比I數(shù)量級(jí)的NOx碳煙比，以維持系統(tǒng)處于與穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，特別是當(dāng)該柴油顆粒過(guò)濾器在較低溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如圖3的曲線圖所示。本發(fā)明教導(dǎo)了通過(guò)認(rèn)真地具體規(guī)定廢氣成分(NOx與碳煙之比)作為燃燒特征的結(jié)果并且認(rèn)真地具體規(guī)定在柴油顆粒過(guò)濾器15處的廢氣條件(溫度)，可以被動(dòng)地以可接受的速度發(fā)生碳煙再生，而不會(huì)有不受控制的放熱的碳煙氧化反應(yīng)的危險(xiǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上不會(huì)有過(guò)度的背壓，并且不會(huì)有與現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)再生系統(tǒng)相關(guān)的執(zhí)行花費(fèi)。換句話說(shuō)，通過(guò)仔細(xì)地設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10，可以通過(guò)以與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)給后處理系統(tǒng)提供碳煙大致相同的速度使碳煙氧化，且同時(shí)也通過(guò)用涂在柴油顆粒過(guò)濾器15上的NOx還原催化劑來(lái)催化NOx還原反應(yīng)，來(lái)穩(wěn)定在后處理系統(tǒng)12的柴油顆粒過(guò)濾器15中的碳煙負(fù)載密度。措辭“以大致相同的速度”意思是如果其他所有條件保持不變，隨著時(shí)間這兩個(gè)速度將會(huì)逐漸變得相同。換句話說(shuō)，碳煙形成是穩(wěn)定的，其是不穩(wěn)定的反面。エ業(yè)實(shí)用性本發(fā)明通?？蓱?yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒柴油燃料以產(chǎn)生具有一定溫度和NOx碳煙比的廢氣。本發(fā)明特別地可用于具有柴油顆粒過(guò)濾器的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該柴油顆粒過(guò)濾器涂有NOx還原催化劑而不是柴油氧化催化劑，并且其可在大多數(shù)時(shí)間呈現(xiàn)大約180°C數(shù)量級(jí)的最小溫度的位置處定位在后處理系統(tǒng)中。此外，本發(fā)明通?？蓱?yīng)用于其柴油顆粒過(guò)濾器15具有小于大約70000/hr的體積空間速率的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中。此外，本發(fā)明通?？蓱?yīng)用于能夠產(chǎn)生20比I最高到330比I之間的范圍內(nèi)的NOx碳煙比的發(fā)動(dòng)機(jī)。再來(lái)參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10需要具有為了柴油顆粒過(guò)濾器15而在可能被維持在圖3的曲線圖之內(nèi)或以上(更高的溫度)的溫度下工作的能力。換句話說(shuō)，在柴油顆粒過(guò)濾器處的180和280°C之間的溫度范圍內(nèi)并且以20至330數(shù)量級(jí)的NOx碳煙比，在柴油顆粒過(guò)濾器上可以維持穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的寬的范圍。在圖3曲線圖以上的較高的溫度下，可以預(yù)期有相對(duì)低的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度，但仍需要大約20比I的最小NOx碳煙比。然而，如之前所述，過(guò)高的溫度可能會(huì)破壞NOx還原反應(yīng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10正在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定正在運(yùn)轉(zhuǎn)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)11中通過(guò)燃燒柴油燃料以一定的溫度和NOx-煙比產(chǎn)生廢氣。碳煙負(fù)載密度在后處理系統(tǒng)12的柴油顆粒過(guò)濾器15中通過(guò)在反應(yīng)中以與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)11給后處理系統(tǒng)12提供碳煙大致相同的速度將碳煙氧化而得以穩(wěn)定。圖3的曲線圖針對(duì)不同溫度和NOx碳煙比示出了不同碳煙平衡點(diǎn)。除了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度之外，NOx還原反應(yīng)通過(guò)涂在柴油顆粒過(guò)濾器15上的NOx還原催化劑被催化。在柴油顆粒過(guò)濾器15上游，廢氣中的將氮氧化物與氧氣結(jié)合成為ニ氧化氮的反應(yīng)在柴油氧化催化劑13的幫助下完成。通過(guò)在柴油顆粒過(guò)濾器15的上游給后處理系統(tǒng)12中的廢氣供應(yīng)還原劑14，例如尿素，促進(jìn)NOx還原反應(yīng)。電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制器16可以連續(xù)地評(píng)估柴油顆粒過(guò)濾器15處的溫度和廢氣的NOx碳煙比，以便根據(jù)圖3的曲線圖確定在這些條件下穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度對(duì)應(yīng)于什么。如果正控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10到某一目標(biāo)碳煙負(fù)載密度，發(fā)動(dòng)機(jī)可能響應(yīng)于評(píng)估的溫度和NOx碳煙比從第一發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件變化到第二發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，以便移到某一目標(biāo)碳煙負(fù)載密度平衡點(diǎn)，例如9克每升。另ー方面，穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度可能響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的變化而發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件的變化例如為由操作員出于不管什么樣的原因改變速度和發(fā)動(dòng)機(jī)11上的負(fù)荷需求。圖3的曲線圖也示出了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10具有通過(guò)在圖3曲線圖的范圍內(nèi)調(diào)整溫度和NOx碳煙比而從第一穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度調(diào)整到第二穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度的能力。
在圖3曲線圖之上，穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度變得對(duì)NOx碳煙比非常敏感，但可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)相對(duì)低的碳煙負(fù)載密度。事實(shí)上，在一定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，可以實(shí)現(xiàn)接近零的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度，且不脫離本發(fā)明的范圍。從另ー視角，在寒冷多風(fēng)的周圍環(huán)境條件下在特殊的工作周期中運(yùn)轉(zhuǎn)的相同發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10與在炎熱沉悶的周圍環(huán)境條件下以相同的工作周期運(yùn)轉(zhuǎn)的相同發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，可能引起更高的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度。參照?qǐng)D4，示出了流體(燃料和尿素)消耗隨一系列發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx輸出變化的曲線圖，以示出發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)在何處運(yùn)轉(zhuǎn)。由橢圓形所示的區(qū)域表示可以設(shè)計(jì)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10運(yùn)轉(zhuǎn)的總體區(qū)域。可以預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)不包括后處理，以生成高的NOx量并且以在本發(fā)明指定的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域的右側(cè)更好的燃料消耗更有效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。另ー方面，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以預(yù)期基本上在畫出的區(qū)域的左側(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)槠鋬A向于更低效率地運(yùn)轉(zhuǎn)以生成更少的N0X，因此傾向于燃燒更多的燃料，但使用更少的尿素來(lái)消除生成的N0X。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)通常也需要為主動(dòng)再生其柴油顆粒過(guò)濾器而要消耗的燃料。
總體上，可以預(yù)期根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10逐漸地燃燒更少的燃料，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)以產(chǎn)生較高NOx輸出的較高溫度運(yùn)轉(zhuǎn)，但可能逐漸地燃燒更多的燃料以便克服由于柴油顆粒過(guò)濾器上較高的碳煙負(fù)載密度而升高的背壓，也消耗更多的尿素量以便令人滿意地降低較高的NOx水平。然而，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10的總?cè)剂霞幽蛩叵慕?jīng)濟(jì)性會(huì)比根據(jù)常識(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)好得多，根據(jù)常識(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)需要主動(dòng)再生和降低的發(fā)動(dòng)機(jī)效率以產(chǎn)生較低的NOx輸出率。應(yīng)該理解的是，上面的描述僅是為了說(shuō)明的目的，并且決不是打算限制本發(fā)明的 范圍。因此，本發(fā)明的技術(shù)人員易于理解的是，通過(guò)研究附圖、說(shuō)明書和所附的權(quán)利要求書可以得到本發(fā)明的其他方案。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的方法，包括下列步驟 通過(guò)在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒柴油燃料產(chǎn)生具有一溫度和NOx碳煙比的廢氣； 通過(guò)以與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)給后處理系統(tǒng)提供碳煙大致相同的速度氧化碳煙，使與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)流體連接的所述后處理系統(tǒng)的柴油顆粒過(guò)濾器中的碳煙負(fù)載密度穩(wěn)定；以及用涂在柴油顆粒過(guò)濾器上的NOx還原催化劑催化NOx還原反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括用后處理系統(tǒng)的位于柴油顆粒過(guò)濾器上游的柴油氧化催化劑催化廢氣中的反應(yīng)，將氮氧化物與氧氣結(jié)合為二氧化氮；以及 從柴油顆粒過(guò)濾器的上游給后處理系統(tǒng)中的廢氣供應(yīng)還原劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括評(píng)估在柴油顆粒過(guò)濾器處的廢氣的溫度和煙比的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括評(píng)估柴油顆粒過(guò)濾器上的碳煙負(fù)載密度；以及 將評(píng)估的碳煙負(fù)載密度限制在與在柴油顆粒過(guò)濾器的碳煙塊中不受控制的放熱碳煙氧化反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的預(yù)定碳煙負(fù)載密度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括將第一穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度調(diào)整到第二穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，調(diào)整步驟包括從第一廢氣溫度變化到第二廢氣溫度; 其中，變化步驟在與柴油顆粒過(guò)濾器處的在180與400°C之間的溫度相對(duì)應(yīng)的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行；以及 其中，調(diào)整步驟包括從第一 NOx碳煙比變化到第二 NOx碳煙比。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，穩(wěn)定的碳煙負(fù)載密度在3至11克每升的負(fù)載范圍內(nèi)。
8.一種發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，包括 電子控制的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其能夠燃燒柴油燃料以產(chǎn)生具有一溫度和NOx碳煙比的廢氣; 與發(fā)動(dòng)機(jī)流體連接的后處理系統(tǒng)，所述后處理系統(tǒng)包括柴油氧化催化劑、還原劑供應(yīng)裝置以及涂有NOx還原催化劑而不是柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器；以及 其中，NOx碳煙比和溫度對(duì)應(yīng)于沒(méi)有主動(dòng)再生的柴油顆粒過(guò)濾器中的穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，穩(wěn)定碳煙負(fù)載密度小于與在柴油顆粒過(guò)濾器的碳煙塊中不受控制的放熱碳煙氧化反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的預(yù)定碳煙負(fù)載密度。
10.一種后處理系統(tǒng),包括 涂有NOx還原催化劑而不是柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器；以及碳煙塊，該碳煙塊是在超過(guò)3克每升但小于與在碳煙塊中不受控制的放熱碳煙氧化反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的預(yù)定碳煙負(fù)載密度的碳煙負(fù)載密度下在過(guò)濾器中捕集的。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有涂有NOX還原催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括電子控制的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其能夠燃燒柴油燃料以產(chǎn)生具有一溫度和NOX碳煙比的廢氣。后處理系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)流體連接并且包括柴油氧化催化器、還原劑供應(yīng)裝置以及涂有NOX還原催化劑而不是柴油氧化催化劑的柴油顆粒過(guò)濾器。通過(guò)以與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)在沒(méi)有主動(dòng)再生的情況下正給后處理系統(tǒng)提供碳煙大致相同的速度氧化碳煙，使柴油顆粒過(guò)濾器中的碳煙負(fù)載密度穩(wěn)定。NOX還原反應(yīng)由柴油顆粒過(guò)濾器上的NOX還原催化劑催化。
文檔編號(hào)F01N9/00GK102733909SQ20121009403
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者A·V·普拉特斯, D·M·海頓, J·J·德里肖爾, L·麥克威廉姆, R·G·希弗 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司