[发明专利]一种柴油机后处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机排气后处理技术，具体涉及一种柴油机后处理系统。

背景技术

随着全球变暖和化石燃料的日益枯竭，具有较高燃油经济性和较少CO₂排放的柴油机日益受到消费者和汽车厂商的青睐。据最新统计，现在欧洲有三分之一以上的新车都是柴油车。另外为了更好地保护人类赖以生存的自然环境，世界各国都制定了更加严格的排放法规。对于柴油机来讲，由于其自身工作的特点，微粒物PM(particulate matters)和氮氧化物NO_x(nitrogen oxides)是它的两大主要排放物。为了满足各国排放法规对PM不断严格的排放要求，柴油机微粒捕集器DPF(Diesel Particulate Filter)技术逐步发展起来。

DPF一般采用壁流式陶瓷载体，进出气侧分别有一侧的通道被堵塞，且每一个通道与相邻通道的堵塞侧都不一样。这样在排气通过过滤器时只能穿过多孔介质壁面，其中携带的细小颗粒物被捕集下来。由于所有的排气都经过过滤，所以壁流式载体的过滤效率较高，可以达到95％以上。但随着颗粒物被捕集到壁流式陶瓷内部，由于有效的流通面积逐步减少，因此排气背压也逐步增加。而且当背压上升到一定程度，会对发动机工作产生恶劣影响，导致发动机熄火。此外还有一种部分流通式金属载体，当排气流过时部分气体直接穿通载体，另外一部分穿过不同载体通道之间的壁面后再流出载体，其中所含的颗粒物在穿越多孔壁面时被捕集。由于有部分排气是直接穿过捕集器的，所以对颗粒物的捕集效率不如壁流式陶瓷那样高，只有大约50％左右。但由于相同时间内颗粒物捕集的较少，因此背压随发动机运行时间上升的速率不像壁流式陶瓷那样快。且由于部分通道一直开通，所以背压上升有一定的限值，也就是不会导致发动机由于背压较高而熄火。

此外为了保证DPF能够长期重复使用，并使发动机能够在较低的排气背压下工作，需要通过一定措施将捕集到的微粒物去除，这种过程一般称为再生。现在常见的再生过程主要分为主动再生和被动再生两种方式。被动再生是通过在载体表面涂覆贵金属催化剂或者在燃油中添加催化剂，降低微粒物的氧化反应温度，或者利用NO₂替代O₂在较低的温度下将颗粒物氧化，从而在发动机正常运行过程中将捕集到的大多数微粒物再生掉。由于这种化学反应需要在一定的温度条件下才能进行(最低要250℃)，而在某些应用如城市公交车上，大部分运行工况条件下排气温度都满足不了要求，这样就会不断有颗粒物在过滤器内聚集。这种情况下就需要在颗粒物累计到一定程度以后采用主动再生的方法将颗粒物强制再生。所指主动再生是指通过电加热或者向排气管中直接喷射燃油燃烧等外加手段提高通过DPF载体的排气温度，从而将DPF中的微粒物再生掉。由于需要添加额外能量用于加热排气，所以主动再生需要消耗一定额外的燃油。另外由于顆粒物在DPF内的分布很不均匀，而且颗粒物燃烧过程中空气与颗粒物的局部混合条件及温度条件差异较大，因此主动再生过程一方面容易产生局部高温区，当超过载体材料的熔点时导致烧熔；另外载体内部也容易产生较大的温度梯度，在温度梯度下也会导致开裂等失效形式。因此在实际应用中如何加强对主动再生过程的控制成为现在DPF应用中的关键问题。

另外在主动再生方面，近期开发的采用电控喷油系统的柴油机主要采用缸内二次喷射技术，同时在排气系统中布置一级紧耦合柴油机氧化催化器DOC(Diesel Oxidation Catalyst)，后面紧跟DPF(多为催化型)。其中DOC的作用有多个方面：一是氧化排气中的HC和CO，并能部分氧化微粒物，主要是其中的可溶性有机物成分；二是将排气中的NO氧化成NO₂，在排气温度250℃以上时将DPF捕集到的颗粒物氧化，这种形式属于被动再生；最后当在缸内进行二次燃油喷射时，由于喷射在做功冲程后期，缸内气体压力和温度都不满足着火条件，所以这部分燃油以气态形式排出气缸；在经过DOC时在一定的温度条件下(DOC起燃温度以上)被DOC氧化燃烧，从而将排气温度提高到550℃以上，将下游DPF内的颗粒物烧掉，这个过程属于主动再生。也就是说对于这种DPF系统，再生方式属于被动再生与主动再生的混合再生方式。对于该系统来讲，主动再生的控制仍是关键。