[发明专利]内燃发动机和排气后处理系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月29日提交的美国专利申请号61/817068的优先权，该申请在此通过引用全文并入本文。

技术领域

本发明实施例涉及内燃发动机的排气处理系统，更具体地，涉及能在较短的物理长度完全混合并蒸发喷射入排气流的排气处理系统。

背景技术

从内燃发动机排放到排气处理系统的排气是包括如一氧化碳(“CO”)，未燃烧碳氢化合物(“HC”)和氮氧化物(“NOx”)的气态排放物以及包括颗粒物的缩相物质(液态和固态)的非均质混合物。催化剂成分，典型的布置在催化剂支撑体或基体上，用来提供在各种排气系统装置中来转化某些或所有这些排气组分成为不受限制的排气成分。

排气处理技术用于高水平的颗粒物减少，尤其在柴油发动机中，被称作颗粒过滤器(“PF”)装置。有一些已知的过滤器结构用于PF装置中，其已经在从排气中移除颗粒物显示了有效性，如陶瓷蜂窝状壁流过滤器，缠绕式或封装的纤维过滤器，开孔泡沫，烧结金属纤维等等。陶瓷壁流过滤器在汽车应用中已经被广泛接受。

PF装置中的过滤器是用于移除排气中颗粒的物理结构，因此，过滤的颗粒的聚积会产生使发动机承受的排气系统背压增加的影响。为了应对由排气颗粒聚积引起的背压增加，PF装置周期性清洗或再生。再生操作烧掉碳和收集在过滤器基体上的颗粒物，并再生PF装置。

在车辆应用中PF装置的再生通常是自动地，和由发动机或其他控制器来控制，是以发动机和例如温度传感器或背压传感器的排气系统传感器产生的信号为基础。再生事件包括增加PF装置的温度到通常高于600C的水平以燃烧聚积的颗粒。

一种在排气系统中产生所需的温度以实现PF装置再生的方法是将未燃烧的HC(通常以原燃料的形式)输送到布置在PF装置上游的氧化催化(“OC”)装置上。HC可以通过使用HC喷射器/喷雾器喷射燃料(为液态或预蒸发态)直接到排气中来输送。HC在OC装置中氧化产生放热反应以提高排气的温度。加热的排气向下游流动到PF装置来燃烧(氧化)聚积的颗粒。

一个对设计者的挑战，尤其是那些包含在限定空间的汽车应用场合中，是喷射例如HC的流体进入到OC装置或任何其他类似装置的上游排气中，必须在排气流中有足够的停留时间，扰动和距离使喷射的流体在进入装置之前与排气充分混合并在排气中蒸发。没有适当的准备，该喷射的流体不会在OC装置中适当地氧化，一些未燃烧的HC会穿过该装置。结果是浪费的燃料穿过排气处理系统并使得装置中的温度不均匀。湍流器(即静态混合器)或其他混合装置可安装在与各种排气处理装置流体联通的排气导管中，以助于混合喷射的流体。这样的混合装置，当起作用时，会给排气处理系统增加不期望的背压，从而降低了发动机性能。

一种技术已经发展用来在过量的氧气中燃烧燃料的包括选择性催化还原(“SCR”)装置的稀燃发动机(例如柴油发动机)中减少NOx排放水平。SCR催化剂成分布置在SCR装置中，优选包括沸石和一个或多个贱金属成分，例如铁(Fe)，钴(Co)，铜(Cu)或钒(V)，其可有效作用以还原排气中的NOx成分并以还原剂例如氨(NH₃)形式存在。SCR催化剂可作为洗涤涂层用在常规的流动穿过基体上或在颗粒过滤器的基体上。该还原剂一般作为液体输送到SCR装置的上游，以和前面讨论过的HC方法类似的方式，并向下游流动到SCR装置中来和SCR催化剂成分发生反应；降低了流经SCR装置的排气中的NOx水平。如前面讨论的HC，没有合适的混合和蒸发，喷射的还原剂，例如尿素或氨，将不会在SCR装置中起到适当的作用，且一些流体会穿过装置并导致浪费还原剂和降低NOx转化效率。

典型的排气处理系统可包括几个上面描述的排气处理装置。在很多情况下，不管是否有根据，装置可包括沿着从内燃发动机的排气歧管出口延伸到排气处理系统的排气管出口的排气导管连续布置的独立组件。该配置的一个挑战是有必要选择各部件之间合理的长度，以及布置在排气管道中足够的混合装置，以实现喷射流体(例如HC和尿素(氨)还原剂)的充分混合。当车辆框架变得更小时，排气处理系统所需长度并非必然合适。

因此，需要提供一种装置，该装置将实现在紧凑的距离中喷射到排气处理系统的排气中的流体的均匀混合和分配。

发明内容