CN106164431B - 用于废气处理***的加热*** - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及用于废气处理***的加热***。加热***包括第一加热元件(31)和第二加热元件(32、33)，该第一加热元件(31)包括用于接收还原剂流体的接收表面，该第二加热元件(32、33)可以环绕第一加热元件(31)。第二加热元件(32、33)可以是热化学装置或热物理装置。在第一操作模式中，第二加热元件(32、33)被布置为接收来自发动机废气的热能。在第二操作模式中，第二加热元件(32、33)传递热能，以加热第一加热元件(31)。
Description
技术领域
本公开内容涉及用于发动机的废气处理***的加热***，该加热***间接利用废热，以向加热元件提供加热以用于还原剂流体。
背景
发动机，例如燃烧汽油、柴油或生物燃料的内燃机，输出各种有害物质，该有害物质必须被处理以满足当前和未来的排出法规。最常见地，那些物质包括烃(HC)、一氧化碳(CO)、单氮氧化物(NOx)以及颗粒物质，比如碳(C)、煤烟的成分。那些物质中的一些可以通过仔细控制发动机的操作条件来减少。然而，通常必需在发动机的下游提供***，比如废气处理***(还称作后处理***)，以处理排出流体中夹带的那些物质中的至少一些。用于减少和/或消除排出物中的成分的各种***是已知的。例如，已知的是提供氧化装置，比如柴油氧化催化剂，以减少或以消除烃(HC)和/或一氧化碳(CO)。氧化装置通常包括催化剂，以将那些物质转化成二氧化碳和水，二氧化碳和水是明显危害较小的。
此外，已知的是使用选择性催化还原(SCR)后处理***，以通过与废气中夹带的还原剂化学品比如氨(NH3)发生催化反应来转化成双原子氮(N2)和水(H2O)而减少或消除柴油燃烧排出物中的单氮氧化物(NOx)。通常，氨不存在于废气中，并且因此必须被引入催化剂的上游，通常通过将还原剂流体比如尿素溶液注入废气中。在足够高的温度(在尿素的情况下180℃)下，溶液中的液滴蒸发，并且尿素分解并水解以产生氨。还原剂可以被添加至废气并且被吸收到催化剂上，之后还原剂与穿过SCR***的废气中的NOx反应。当所使用的还原剂是氨时，氨可以作为例如无水氨、氨水或尿素被添加至废气，该尿素在被吸收至催化剂上之前在SCR***内热分解成氨。
通过这些方法，废气可以被清洁，意味着将以其他方式释放至大气的一定比例的有害物质反而被转化成二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和水(H2O)。
然而，许多SCR后处理***受限于仅在废气的温度超过还原剂流体开始分解的温度时操作。在尿素SCR后处理***的情况下，该温度是180℃，因为该温度是尿素开始分解成氨时的温度。在一些现有技术***中，该缺点已经通过使用加热后处理催化剂的其他方法避免，以确保所需的温度尽可能快地达到启动和/或被保持。
US-B-6,969,492描述了微波发生器用于为蒸发器提供热源的用途，该蒸发器定位于用于还原剂的计量点的下游。可选择地，可以使用可加热蒸发挡板。US-B-6,601,385描述了冲击器的用途，该冲击器保持还原剂溶液直至液滴已经蒸发。挡板的加热可以借助于电热源实现。
公开内容概述
本公开内容涉及用于废气处理***的加热***，该加热***包括：
第一加热元件，其包括用于接收还原剂流体的接收表面；
第二加热元件；
其中，在第一操作模式中，第二加热元件被布置为接收来自发动机废气的热能，并且在第二操作模式中，第二加热元件被布置为传递热能以加热第一加热元件。
本公开内容还涉及发动机，该发动机包括：
废气处理***，其被配置为接收在发动机操作期间产生的废气，所述废气处理***包括还原剂流体注射器和位于还原剂流体注射器下游的催化剂；
排出通道；
如在前述权利要求中任一项所述的加热***，其位于还原剂流体注射器的下游和催化剂的上游；以及
废气反馈通道，其流体地联接在排出通道和第二加热元件之间，以将废气的一部分输送至第二加热元件。
本公开内容还涉及加热废气处理***中的还原剂流体的方法，该方法包括以下步骤：
在第一操作模式中，将来自废气的热能传递至第二加热元件；以及
在第二操作模式中，将来自第二加热元件的热能传递至第一加热元件。
附图简要说明
现在将参考附图并如附图中示出的，仅通过实例的方式描述本公开内容的加热***的优选实施方案，附图中：
图1是内燃机的示意图，该内燃机包括本公开内容的废气处理***和加热***；
图2是图1的废气处理***的一个节段的示意图，更详细地示出本公开内容的加热***；
图3是图2的加热***的加热装置和还原剂混合元件的一个节段的横截面平面图；以及
图4是示出在给定时间段内将金属基质从20°加热至200°所需的功率的曲线图。
详细描述
图1示出具有废气处理***11的发动机5比如柴油内燃机的一个示例。发动机5可以是任何其他类型的燃烧发动机，并且可以具有未示出的另外的特征或不同配置。
在该示例中，简单地说，发动机5可以包括容纳多个燃烧室13的机体12。压缩机14可以经由空气入口通道10连接至机体12。空气冷却器15可以位于空气入口通道10中。排出通道16的一个节段可以将机体12连接至涡轮机17。涡轮机17可以经由共同轴18可驱动地连接至压缩机14。
涡轮机17的出口可以通过排出通道16的另一个节段连接至废气处理***11。废气处理***11可以包括位于排出通道16中的有源再生装置19和柴油颗粒过滤器20。柴油颗粒过滤器20可以从废气中除去颗粒比如煤烟，并且有源再生装置19可以用于从柴油颗粒过滤器20中除去颗粒，以防止其变得堵塞并且以最小化对发动机性能的产生的影响。
废气处理***11可以包括选择性催化还原(SCR)装置，该SCR装置可以包括柴油氧化催化剂(DOC)21、还原剂注射器22、水解催化剂(H)23、催化剂基质24以及另外的氧化催化剂(AMOx)25。SCR装置可以接收来自涡轮机17的废气并且将废气的成分还原为无害气体。如在已知的废气处理***中，还原剂流体(也称作柴油排出流体(DEF))，最常见地为尿素或水/尿素混合物，可以通过还原剂注射器22喷射或以其他方式进入至催化剂基质24上游的排出物中。当还原剂被吸收到催化剂基质24的表面上，还原剂可以与废气中的NOx(NO和NO2)反应，以形成水(H2O)和元素氮(N2)。在一些实施方案中，水解催化剂(H)23可以与催化剂基质24相关联，以促进还原剂流体比如尿素的均匀分布和还原剂流体比如尿素转化为分解产物比如氨(NH3)。
当供应至催化剂基质24的NO对NO2的浓度是大约1:1时，通过催化剂基质24进行的还原工艺可能是最有效的。为了帮助提供NO对NO2的正确浓度，柴油氧化催化剂21可以位于催化剂基质38的上游。柴油氧化催化剂21可以包括涂覆有材料例如贵金属的多孔陶瓷蜂窝结构或金属网基质，该贵金属催化化学反应以改变排出物的组成。例如，柴油氧化催化剂21可以包括铂和/或钒，铂有助于NO转化为NO2，钒抑制该转化。
在发动机5的操作期间，可能的是，太多尿素被注入排出物中(即尿素超过用于适当的NOx还原所需的尿素)。在这种情况下，称作“氨泄漏”，如果不考虑其他，则一些量的氨可能穿过催化剂基质24输送至大气。为了最小化氨泄漏的量，另外的氧化催化剂(AMOx)25可以位于催化剂基质24的下游。另外的氧化催化剂(AMOx)25可以包括涂覆有催化剂的基质，该催化剂氧化排出物中的残余NH3，以形成水和元素氮。
废气处理***11还可以包括再循环回路26，该再循环回路26用于在废气已经穿过柴油颗粒过滤器20之后将来自排出通道16的一定比例的废气再引导返回至压缩机14。再循环的废气可以减少在燃烧室13内的氧气的浓度，并且同时降低其中的最大燃烧温度。降低的氧气水平可能提供与存在的氮发生化学反应的较少的机会，并且较低的温度可以减缓导致NOx形成的化学过程。另外的空气冷却器27可以位于再循环回路26内，以在压缩之前冷却废气。
本公开内容的废气处理***11包括与还原剂注射器22相关联的加热***30。该加热***30为还原剂流体提供热源，以用于废气的温度不足以将还原剂流体加热至其蒸发温度/分解温度的情况，例如在发动机5的冷启动期间。因此，还原剂注射器22可以被布置为将还原剂流体喷射至催化剂基质24上游的加热***30中。
加热***30包括第一加热元件和第二加热元件。第一加热元件是还原剂混合元件31，并且提供还原剂流体被喷射到其上的接收表面，以用于加热还原剂流体。在一个操作模式中，第一加热元件被第二加热元件加热。第二加热元件是可以使用热化学工艺或热物理工艺的装置，热化学工艺或热物理工艺在一个操作模式中通过来自后处理的废气的热(废热)实现，并且在另一操作模式中升高还原剂混合元件31的温度。这可以通过热存储即将热存储在比如熔融盐的物体中(热物理工艺)并且在稍后的时间点释放该热，或通过使用热来实现可以在稍后的时间点再次逆转的化学反应(热化学工艺)以释放热来实现。用于第二加热元件的合适装置的示例是热泵和热(heat)(热(thermal))电池。
图2和图3示出使用由热泵实现的热化学工艺的加热***30。使用由热电池实现的热物理工艺的加热***30可以不同方式配置。
还原剂混合元件31可以由具有高热导率性质的材料比如金属制成。不锈钢由于其操作所处的环境条件可以是合适的金属。另外的合适的材料可以是FeCrAlY，其是尤其适合于作为催化剂载体的钢合金。还原剂混合元件31可以呈具有波纹横截面的挤压管的形式。这样的结构提供用于废气和用于流动通过的多个流动路径，以及用于接收还原剂流体的大的表面区域，这可以改进热传递速率。设计可以为使得，由于废气流动的最小阻力由在废气穿过时还原剂混合元件31提供。因此，任何流动路径可以与废气的流动方向对齐。然而，也提供这些特征的其他设计可以是合适的。
还原剂混合元件31可以被加热到的目标温度可以至少为还原剂流体开始分解的温度，即对于尿素是180℃。目标温度可以高于还原剂流体分解温度，并且可以根据还原剂混合元件31的设计、发动机5的操作模式以及还原剂流体的性质变化。这在图4的曲线图中部分地示出，图4示出对于不同长度和直径的三种不同金属管在有限的时间段内将金属基质从20°加热至200℃所需的功率。
用作第二加热元件的一个合适的热泵在US-A-2012/0060537中描述，并且可以包括环形反应器容器32和冷凝器容器33。容器32、33可以通过连接管道35流体地连接在一起。阀门(未显示)可以被定位以使连接管道35能够关闭，使得容器32、33可以彼此隔离。反应器容器32可以容纳吸附剂比如金属盐和工作流体比如氨，它们可以呈盐浴的形式。反应器容器32可以经由废气反馈通道36连接至排出通道16的另一个节段，以接收后处理后的废气的一部分。废气可以围绕反应器容器32的外表面定路线，以向反应器容器32提供热源。后处理后的废气的热可以用于触发吸热反应，以蒸发反应器容器32中的工作流体。然后，废气可以经由排出导管(未显示)被排出至大气。
第一加热元件和第二加热元件或其零件可以彼此直接接触，以使热能够从第二加热元件传递至第一加热元件。因此，还原剂混合元件31可以是大体上圆柱形的，并且可以部分地或完全地被第二加热元件的一部分环绕，比如可以是环形的反应器容器32。因此，反应器容器可以具有内壁37，该内壁37由具有良好的热导率性质的材料制成，该内壁37提供与封闭的还原剂混合元件31的热交换表面。然而，在其他配置中，第二加热元件可以以另一方式将热传递至还原剂混合元件31(即第一加热元件)。
工业实用性
在发动机5的操作期间，来自压缩机14的压缩空气可以经由空气冷却器15进给至燃烧室13。在燃烧之后，废气可以穿过排出通道16以驱动涡轮机17，该涡轮机17又可以驱动压缩机14。然后，废气可以被引导至柴油颗粒过滤器20，该柴油颗粒过滤器20将颗粒从废气中除去。在废气已经穿过柴油颗粒过滤器20之后，废气的一部分可以返回至压缩机14，在压缩机14中废气可以与引入的大气空气混合用于压缩。
剩余的废气可以被引导至选择性催化还原装置的柴油氧化催化剂21，然后进入加热***30中。还原剂流体通过还原剂注射器22被喷射至还原剂混合元件31上。在发动机5的正常操作期间，还原剂混合元件的温度可以通过来自废气的热保持在至少200℃的温度下，从而升高还原剂流体的温度。还原剂流体的液滴蒸发，并且活性组分(例如尿素)分解和水解(例如成氨)。蒸发的还原剂与废气混合并且由废气通过还原剂混合元件31携带至催化剂基质24。当还原剂被吸收在催化剂基质24的表面上，还原剂可以与废气中的NOx(NO和NO2)反应，以形成水(H2O)和元素氮(N2)。处理后的废气的一部分被引导回到加热***30以装载第二加热元件，并且剩余的经处理的废气经由排出通道16的最后节段和排出出口被排出至大气。
在发动机5的正常操作期间，第二加热元件以第一操作模式操作。在这种模式中，来自处理后的废气的热能可以用于引起吸热反应，在吸热反应中反应器容器32中的工作流体从吸附剂中吸热地蒸发。产生的蒸汽可以通过连接管道35转至冷凝器容器33，在反应器容器32中留下干燥的固体吸附剂。蒸汽可以收集在冷凝器容器33中，并且可以被冷却以在冷凝器容器33中提供液体工作流体。当发动机5的操作终止时，阀门可以关闭，留下彼此隔离的容器32、33。作为蒸发过程的结果，部分真空在反应器容器32中形成。因此，第二加热元件被装载备用。
当发动机5在间歇期之后接着启动时，还原剂混合元件31的温度可能已经下降至低于还原剂流体的分解所需的温度的温度。废气的初始温度还可能不足以将还原剂流体加热至必需的分解温度。为了使选择性催化还原装置能够在发动机启动时立即操作，加热***30可以被激活并且第二加热元件以第二操作模式操作。加热***30的激活可以由发动机控制模块(ECM)控制。在激活时，阀门可以打开以重新建立容器32、33之间的流体连接。作为反应器容器32中的部分真空的结果，冷凝器容器33中的工作流体可以蒸发并且输送返回至反应器容器32中，在反应器容器32中工作流体可以被干盐放热地吸附，从而释放热。热能可以经由反应器容器32的内壁37被引导至还原剂混合元件31，并且可以实现还原剂混合元件31的温度的快速增加。当还原剂流体被喷射至还原剂混合元件31上，还原剂流体影响还原剂混合元件31的热表面，导致还原剂流体的任何水含量的快速蒸发和还原剂流体的快速水解反应。在尿素SCR中，尿素被加热并且快速地分解成氨，从而避免尿素沉积物形成。在发动机5升温后，废气可以用于重新蒸发反应器容器32中的工作流体。第二加热元件的重新装载可以由容器32、33之间的连接管道35中的阀门控制。该阀门可以由ECM控制并且可以取决于发动机的数目和排出参数。
因此，加热***30能够通过升高还原剂混合元件31的温度实现冷启动活动的改进，使得还原剂流体的注射可以在废气已经达到还原剂分解所需的温度之前开始。这对于比如尿素的还原剂流体是特别的问题，因为需要热来释放氨。
Claims (9)
1.一种用于废气处理***的加热***，包括：
第一加热元件，其包括用于接收还原剂流体的接收表面；
第二加热元件，所述第二加热元件利用来自废气的热能来实现热化学工艺，所述第二加热元件是热泵，所述热泵包括由连接管道流体地连接的反应器容器和冷凝器容器以及可操作以打开和关闭所述连接管道的阀门；
其中，在第一操作模式中，所述第二加热元件被布置为接收来自发动机废气的热能，并且在第二操作模式中，所述第二加热元件被布置为传递热能以加热所述第一加热元件，
其中，所述第一加热元件包括多个流动通道，并且所述第一加热元件至少部分地被所述反应器容器环绕且与所述反应器容器接触。
2.如权利要求1所述的加热***，其中，所述还原剂流体是尿素或尿素组合物。
3.一种发动机，包括：
废气处理***，其被配置为接收在所述发动机的操作期间产生的废气，所述废气处理***包括还原剂流体注射器和位于所述还原剂流体注射器下游的催化剂；
排出通道；
如任一前述权利要求所述的加热***，其位于所述还原剂流体注射器的下游和所述催化剂的上游；以及
废气反馈通道，其流体地联接在所述排出通道和所述第二加热元件之间，以将废气的一部分输送至所述第二加热元件。
4.如权利要求3所述的发动机，其中，所述废气反馈通道在所述废气处理***下游流体地联接至所述排出通道。
5.一种加热废气处理***中的还原剂流体的方法，包括以下步骤：
提供如权利要求1或权利要求2所述的用于废气处理***的加热***；
在第一操作模式中，将来自废气的热能传递至所述第二加热元件；以及
在第二操作模式中，将来自所述第二加热元件的热能传递至所述第一加热元件。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述第一操作模式中，所述废气被用于实现热化学工艺，所述热化学工艺包括以下步骤：在所述反应器容器中在吸热反应中将工作流体从吸附剂中蒸发、将蒸汽转至与所述反应器容器具有流体连接的所述冷凝器容器、冷凝所述蒸汽并且关闭所述容器之间的所述流体连接，其中，在所述反应器容器中形成部分真空。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在所述第二操作模式中，所述容器之间的所述流体连接被打开并且所述冷凝器容器中的所述工作流体蒸发并且进入所述反应器容器中，在所述反应器容器中，所述工作流体被所述吸附剂放热地吸附，从而释放热并且加热所述第一加热元件。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在所述第二操作模式中，还原剂流体被引入至所述第一加热元件上，从而所述还原剂流体被加热至所述还原剂流体分解的温度。
9.如权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，所述还原剂流体是尿素或尿素组合物，并且所述第一加热元件被所述第二加热元件加热到至少180℃。
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