CN110761874A - 车辆废气处理***及废气处理方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于车辆的废气处理***，包括具有氧化能力的第一级催化器(110)，颗粒捕集器(120)，和钒基选择催化还原装置，其中，所述废气处理***还包括用于所述钒基选择催化还原装置(130)的进气温度反馈控制单元，所述进气温度反馈控制单元包括用于测量进入钒基选择催化还原装置(130)的废气的第一实际进气温度(T3)的第一进气温度检测器(130I)，以及在所述实际进气温度(T3)不满足用于所述钒基选择催化还原装置(130)的预定进气温度临界值或临界范围时改变车辆发动机后喷射的喷射参数的控制器(130K)。本申请还涉及利用上述废气处理***进行废气处理的方法，以及包括上述废气处理***的车辆。

Description

车辆废气处理***及废气处理方法
技术领域
本申请涉及车辆废气处理领域，具体提供了一种包括颗粒搜集器(在 下文中，以英文简写“DPF”指代)和钒基选择催化还原(在下文中， 以英文简写“V-SCR”指代)装置的车辆废气处理***，以及利用该废 气处理***进行车辆废气处理的方法。
背景技术
采用钒基选择催化还原装置的选择性催化还原后处理技术是使中重 型柴油车达到欧IV/欧V排放水平的一项重要技术。特别是由于其在成 本和性能上的显著优势，V-SCR装置已经广泛应用于欧IV/欧V车辆中。 单单为了满足欧IV/欧V的废气排放标准，很多车辆配置了只有V-SCR 装置、没有DPF的废气处理***。
然而，随着国家对车辆废气排放标准的规定越来越严格，要求对这 些只配置V-SCR装置但没有DPF的废气处理***进行改进，加装DPF， 以满足更高的废气排放标准。
为原本具有V-SCR装置的车辆废气***加装DPF，也就是提供同时 使用V-SCR装置和DPF的废气处理***，面临着由于对DPF进行再生 而使V-SCR装置的进气温度过高、导致V-SCR装置工作效率低下、甚 至无法工作的技术问题。不同于DPF与铜基或其他类型的SCR装置同 时使用的情况，由于铜基或其他类型的SCR装置的容许进气温度较高， 即便在激活DPF再生产生热量很多致使流出DPF的废气温度很高的情 况下，也能够满足或者很容易满足SCR装置的进口温度条件。V-SCR 装置和DPF同时使用的情况则不然，因为与铜基或其他类型的SCR装 置相比，V-SCR装置高温性能较差，而且钒基催化剂在高温时(例如， 对于某些V-SCR装置来说为550℃，或者对于某些其它的V-SCR装置 来说为600℃)还会释放出有毒的钒基化合物，例如V2O5，而其毒性会 影响环境。
除此之外，为了控制车辆废气有害物的排放，通常会向车辆的发动 机进行多次燃料的喷射，例如，可以包括一次或多次预喷射、主喷射、 一次或多次后喷射等。后喷射的喷射参数、废气管道中的废气量等也会 影响到V-SCR装置的进气温度。
所以，在上述情况下，远远低于用于铜基或其他类型的SCR装置正 常工作的容许进气温度的V-SCR装置的容许进气温度很难得到满足，这 成为阻碍在实际应用中实施V-SCR装置和DPF同时配置的关键问题。
如果在加装PDF装置的情况下，将V-SCR装置更换成不存在上述 进气温度超高问题的铜基SCR装置，则需要增加对铜基SCR装置进行 标定的操作步骤以及相关成本，费时费力，价格劣势明显。
所以，在面临同时配置DPF和V-SCR装置的废气处理***配置时， 如何解决V-SCR装置的进气温度控制是一个重要的技术挑战。
发明内容
本申请通过设置用于提供V-SCR装置的进气温度反馈控制功能的 进气温度反馈控制单元而确保了V-SCR装置在设置于DPF下游时仍能 保持其进气温度满足预设的进气温度临界值或临界范围，从而V-SCR装 置能够正常、高效地工作。
根据本申请的第一方面，提供了一种用于车辆的废气处理***，包 括沿着从车辆发动机排出的废气在废气管道中的废气流动方向顺序地设 置的：
具有氧化能力的第一级催化器，在其中能够发生氧化反应从而降低 从发动机排出的废气中的一氧化碳和碳氢化合物和氮氧化物中至少一者 的含量；颗粒捕集器，其配置所述第一级催化器的下游并且用于捕捉排 气管道中的废气中的颗粒物质；和钒基选择催化还原装置，其配置在所 述颗粒捕集器的下游并且用于在钒基催化剂的催化作用下通过还原反应 降低废气中的NOx含量，其中，所述废气处理***还包括用于所述钒 基选择催化还原装置的进气温度反馈控制单元，所述进气温度反馈控制 单元包括用于测量进入钒基选择催化还原装置的废气的第一实际进气温 度的第一进气温度检测器，以及在所述实际进气温度不满足用于所述钒 基选择催化还原装置的预定进气温度临界值或临界范围时改变车辆发动 机后喷射的喷射参数的控制器。
根据本申请的另一方面，提供了包括上述废气处理***的车辆。
根据本申请的第三方面，提供了一种利用上述废气处理***进行车 辆废气处理的方法，所述方法包括利用第一进气温度检测器测量钒基选 择催化还原的第一实际进气温度的步骤；利用控制器比较所测得的第一 实际进气温度与用于钒基选择催化还原装置的预设进气温度临界值或临 界范围、以及在第一实际进气温度不满足所述预设进气温度临界值或临 界范围的情况下改变车辆发动机的后喷射的喷射参数的步骤。
根据本申请的车辆废气处理***，通过设置用于V-SCR装置的进气温 度反馈控制单元，通过改变远后喷射的喷射参数能够将V-SCR装置的进气 温度控制到预设的进气温度临界值或临界范围，以便设置于DPF下游的 V-SCR装置能够正常、高效地工作。
采用本车辆废气处理***，确保了V-SCR装置在设置于DPF下游时其 进气温度也能满足其容许的预定进气温度，V-SCR装置也能正常、高效地 工作。这使得采用DPF和V-SCR装置同时设置、并且V-SCR装置设置于 DPF下游的技术方案的车辆废气处理***和方法成为现实。尤其对于原来 只配置有V-SCR装置的车辆来说，提供了一种最经济、高效的改进方式来 满足更加严格的废气排放标准。
附图说明
本领域内的技术人员在参考附图阅读了本说明书之后能够充分地理 解本申请的上述和其它特征和优势，图中：
图1是根据本申请的原理的车辆废气处理***的一部分的示意框图；
图2a-2c分别是在ETC，ESC和WHTC发动机循环测试工况下进行 的关于本申请的V-SCR装置的进气温度反馈控制方法的有效性实验曲 线。
具体实施方式
本申请针对的是包括颗粒收集器(DPF)以及在DPF下游设置的钒基 选择催化还原(V-SCR)装置的车辆废气处理***。
图1示出了根据本申请的原理的一种优选实施例。在图1的实施例中， 燃料在发动机100中燃烧后，燃烧产生的废气排放到废气管道102中。废 气从发动机100排出后在废气管道内流动的方向D被称为废气流动方向。 沿着废气流动方向D，废气处理***依次包括设置于发动机100的废气管 道102中、相比于其他废气处理装置最靠近发动机100的具有氧化能力的第 一级催化器110，位于第一级催化器110下游的颗粒捕集器(DPF)120，以及 位于DPF 120下游的V-SCR装置130。根据本申请的原理，第一级催化器 110可以是氧化催化器(DOC)或氮氧化物存储式催化器(NSC)，抑或其 他类型的具有氧化能力的催化器。
根据本申请的废气处理***还可以包括分别实时地检测第一级催化器 110、DPF120和V-SCR装置130的实际进气温度T1、T2和T3的第一进 气温度检测器110I，第二进气温度检测器120I和第三进气温度检测器130I。
在图1的实施例中，根据对发动机100的需求以及改变发动机的输出 压力的目的，向车辆的发动机100进行的燃料喷射包括预喷射PiI、主喷射 MI和后喷射PI1和PI2。
首先在主喷射之前进行小油量的预喷射PiI，预喷射PiI的燃料在发动 机气缸内产生冷焰反应，使气缸内温度和压力在主喷射前已经预先升高。 预喷射发生在发动机气缸活塞距离上止点仍具有很大的提前角时。预喷射 步骤是可选的，并且可以进行一次或多次。
之后，向车辆发动机100进行主喷射MI。主喷射MI作为发动机动力 的来源，一旦启动即有大量燃料喷入气缸内。主喷射MI的燃料喷入气缸后， 由于预喷射的引燃作用主喷射的燃料可以在很短的着火延迟期内燃烧，滞 燃期被缩短，燃烧温度被降低。本文中，燃料可以是天然气或其它气体燃 料，也可以是液体燃料，例如燃油。
主喷射MI之后不久向发动机100进行第一次燃料后喷射，也称为近后 喷射PI2。在距近后喷射结束一时间间隔后，在发动机100气缸的活塞距上 止点最远处，向发动机的气缸进行第二次燃料后喷射，在本文中称为远后 喷射PI1。
其中，近后喷射PI2的燃料的一部分在发动机气缸内进行燃烧，另一部 分随废气一起进入废气管道之后在废气管道内进行燃烧。此燃烧直接影响 由第一进气温度检测器110I测得的进入第一级催化器110的废气的温度T1。
近后喷射PI2的燃料燃烧产生的热量使进入和离开第一级催化器110 的废气的温度、以及因此进入DPF 120的废气的温度升高。与此同时，废 气在经过第一级催化器110的过程中，其中的一氧化碳和碳氢化合物和/或 一部分氮氧化物被转化为无害的水和二氧化碳或氮气。此外，通过远后喷 射PI1操作喷射的燃料在第一级催化器110内燃烧。
自第一级催化器110排出的废气进入DPF 120。DPF 120，作为颗粒过 滤器，能够捕获废气中的微粒排放物、例如颗粒的绝大部分，例如90％以 上。另一方面，如上所述，由于远后喷射PI1的燃料在第一级催化器110 内燃烧生成的热量导致进入DPF 120的废气温度较高，从而在DPF 120处 捕获沉积的颗粒发生氧化燃烧，这使得DPF 120的过滤性能能够得以恢复。 颗粒氧化燃烧以恢复DPF 120的过滤性能的过程被称为DPF 120的再生， 此过程使得DPF 120内的温度、以及因此自DPF 120排出而进入V-SCR装 置130的废气也较高。
离开DPF 120的废气继续进入V-SCR装置130，以便在钒基催化剂的 催化作用下利用还原剂的作用将废气中的氮氧化物转变为无害的氮气和水。 然而，V-SCR装置130具有用于确保其高效工作和高效行驶功能的进气温 度临界值或临界范围。例如，V-SCR装置130的可容许的进气温度临界值 可以是550度，如果进气温度高于此温度，V-SCR装置130可能失效。
在激活DPF 120的再生的温度可能高于V-SCR装置130的进气温度临 界值或临界范围的情况下，为了确保进入V-SCR装置130的废气的温度不 高于上述进气温度临界值或者满足上述进气温度临界值或临界范围，本申 请的废气处理***包括用于V-SCR装置130的进气温度反馈控制单元。根 据本申请的进气温度反馈控制单元主要包括进气温度检测器130I和控制器 130K。
根据本申请的原理，控制器130K经由与进气温度检测器130I的通信 连接从进气温度检测器130I获取所测得的V-SCR装置130的实际进气温 度T3，将该实际进气温度T3与预设的进气温度临界值或临界范围相比较， 并且在实际进气温度T3不满足所述进气温度临界值或临界范围的情况下改 变发动机的近或远后喷射的喷射参数，以直接或间接地影响V-SCR装置 130的实际进气温度T3，直到实际进气温度T3满足上述进气温度临界值或 临界范围为止。
在本申请一个优选实施例中，在进气温度检测器130I测得的实际温度T3满足所述预定进气温度临界值或临界范围时，控制器130K不改变远后 喷射PI1的喷射参数，在V-SCR装置130的实际进气温度T3不满足所述 进气温度临界值或临界范围时，控制器130K控制通过远后喷射PI1操纵喷 射到发动机内的燃料量，具体地，使当前喷射燃料量乘以一控制因子。经 实验证明，控制因子在0-1之间。改变远后喷射PI1喷射到发动机内的燃料 量改变了燃料在第一级催化器110内的燃烧，影响到从第一级催化器110 排放到DPF 120内的废气温度，例如由第二进气温度检测器120I测得的进 气温度T2，进而影响DPF 120的再生过程，最后改变从DPF 120排放到 V-SCR装置130的废气的温度，即由第三进气温度检测器130I测得的实际 进气温度T3。以这种方式，确保V-SCR装置130的进气温度T3满足进气 温度临界值或临界范围。
另外，如上述，通过近后喷射PI2操作喷射的燃料的燃烧直接影响由第 一进气温度检测器110I测得的进入第一级催化器110的废气的温度T1。由 此，在图1的实施例中，本发明的废气处理***可以包括用于第一级催化 器110的进气温度反馈控制单元。此用于第一级催化器110的进气温度反 馈控制单元包括上述第一进气温度检测器110I和第一控制器110K，其中第 一控制器110K被配置为根据需要改变近后喷射PI2的喷射参数以将第一级催化器110的进气温度T1改变或控制到期望值或范围。改变近后喷射PI2 的喷射参数包括使近后喷射PI2的燃料喷射量乘以一控制因子，此控制因子 经由试验方式获得。
最后，通过远后喷射PI1操作喷射的燃料在第一级催化器110中的燃烧 直接影响由第二进气温度检测器120I测得的进入DPF 120的废气的温度T2。 由此，在图1的实施例中，本发明的废气处理***还可以包括用于DPF 120 的进气温度反馈控制单元。此用于DPF120的进气温度反馈控制单元包括 上述第二进气温度检测器120I和第二控制器120K，其中第二控制器120K 被配置为根据需要改变远后喷射PI1的喷射参数以将DPF 120的进气温度T2改变或控制到期望值或范围。改变远后喷射PI1的喷射参数包括使远后 喷射PI1的燃料喷射量乘以一控制因子，此控制因子也经由试验方式获得。
根据本申请的原理，控制器110K，120K和130K可以是同一控制器， 可以是各自独立的控制器，或者可选地，其中的任两者可以集成在一起。
与上述废弃处理***相对应地，本申请提供了一种上述废弃处理*** 的操作方法，本方法包括利用第三进气温度检测器130I测量V-SCR装置 130的实际进气温度T3的步骤；利用控制器130K比较所测得的实际进气 温度T3与V-SCR装置130的预设进气温度临界值或临界范围的步骤；以 及在实际进气温度T3不满足V-SCR装置130的预设进气温度临界值或临 界范围的情况下，控制器130K改变车辆发动机的近或远后喷射的喷射参数 的步骤。进一步地，改变车辆发动机的近或远后喷射的喷射参数的步骤包 括使近或远后喷射的燃料喷射量乘以一控制因子，其中控制因子通过经验 方式获得。
本申请的废气处理***和方法的有效性已经通过实验方式进行验证。 图2a-2c是发明人分别以ETC，ESC和WHTC发动机排放测试循环进行了 验证。在图2a的ETC测试循环工况中实验测得T6最大值为513℃，在图 2a的ETC测试循环工况中实验测得T6最大值为540℃，而在图2a的ETC 测试循环工况中实验测得T6最大值为525℃。从实验数据可知，本申请的 反馈控制方案有效地即V-SCR装置130的进气温度控制在进气温度临界值 550℃一下，从而V-SCR装置130能够有效地通过还原反应除去废气中的 氮氧化物。
由于近后喷射PI2喷射的燃料在第一级催化器110内燃烧能够直接影响 其进气温度T1，所以也间接地影响DPF 120和V-SCR装置130的进气温度 T2和T3。因而，在本申请未示出的实施例中，与控制器130K控制远后喷 射PI1的喷射参数相类似地，控制器130K还可以通过控制或改变近后喷射 PI2的喷射参数的方式改变DPF 120和V-SCR装置130的进气温度T2和 T3，使它们满足工作需求。
根据本申请的车辆废气处理***，通过设置用于V-SCR装置的进气温 度反馈控制单元，通过改变远后喷射的喷射参数能够将V-SCR装置的进气 温度控制到预设的进气温度临界值或临界范围。这确保了V-SCR装置在设 置于DPF下游时其进气温度也能满足其容许的预定进气温度，V-SCR装置 也能正常、高效地工作。这使得采用DPF和V-SCR装置同时设置、并且 V-SCR装置设置于DPF下游的技术方案的车辆废气处理***和方法成为现 实。尤其对于原来只配置有V-SCR装置的车辆来说，提供了一种最经济、 高效的改进方式来满足更加严格的废气排放标准。
此外，适用于本申请的原理的废气处理***除包括第一级催化器、DPF 和V-SCR装置之外，还可以包括其他废气处理装置，比如颗粒物催化氧化 器(POC)或废气再循环装置(EGR)。
以上提供具体的特定实施方式描述了本申请。本领域内的技术人员应 理解本申请并不限制于在上面描述的以及附图中示出的具体细节。在不偏 离本申请的基本原理和权利要求限定的保护范围的情况下，本领域内的技 术人员可以对各细节进行多种修改或替换。

Claims (11)

1.一种用于车辆的废气处理***，包括沿着从车辆发动机(100)排出的废气在废气管道(102)中的废气流动方向(D)顺序地设置的：
具有氧化能力的第一级催化器(110)，在其中能够发生氧化反应从而降低从发动机排出的废气中的一氧化碳和碳氢化合物和氮氧化物中至少一者的含量；
颗粒捕集器(120)，其配置所述第一级催化器(110)的下游并且用于捕捉排气管道中的废气中的颗粒物质；和
钒基选择催化还原装置，其配置在所述颗粒捕集器(120)的下游并且用于在钒基催化剂的催化作用下通过还原反应降低废气中的NOx含量，
其中，所述废气处理***还包括用于所述钒基选择催化还原装置(130)的进气温度反馈控制单元，所述进气温度反馈控制单元包括用于测量进入钒基选择催化还原装置(130)的废气的第一实际进气温度(T3)的第一进气温度检测器(130I)，以及在所述实际进气温度(T3)不满足用于所述钒基选择催化还原装置(130)的预定进气温度临界值或临界范围时改变车辆发动机后喷射的喷射参数的控制器(130K)。
2.根据权利要求1所述的废气处理***，其中，所述后喷射包括紧邻在车辆发动机的主喷射之后进行的燃料的近后喷射以及在近后喷射之后、在车辆发动机(100)的活塞距上止点最远位置附近时向车辆发动机(100)进行的燃料的远后喷射中的至少一者。
3.根据权利要求2所述的废气处理***，其中，所述改变车辆发动机后喷射的喷射参数包括改变所述远后喷射和所述近后喷射中的所述至少一者的燃料喷射量。
4.根据权利要求3所述的废气处理***，其中，所述控制器(130K)被配置成在所述第一实际进气温度(T1)不满足用于所述钒基选择催化还原装置(130)的预定进气温度临界值或临界范围时通过使所述远后喷射和所述近后喷射中的所述至少一者的燃料喷射量乘以一变化因子来改变所述燃料喷射量。
5.根据权利要求4所述的废气处理***，其中，在所述后喷射为所述远后喷射时，所述变化因子在0-1之间。
6.根据权利要求2所述的废气处理***，还包括用于测量进入所述颗粒捕集器(120)的废气的第二实际进气温度(T2)的第二进气温度检测器(120I)，和/或用于测量进入所述第一级催化器(110)的废气的第三实际进气温度(T1)的第三进气温度检测器(110I)。
7.根据权利要求6所述的废气处理***，其中，所述控制器(130K)是第一控制器(130K)，并且所述废气处理***还包括：
用于在所述第二实际进气温度(T2)不满足用于所述颗粒捕集器(120)的预定进气温度要求时控制所述远后喷射的喷射参数的第二控制器(120K)，和/或
用于在所述第三实际进气温度(T1)不满足用于所述第一级催化器(110)的预定进气温度要求时控制所述近后喷射的喷射参数的第三控制器(110K)。
8.根据权利要求7所述的废气处理***，其中，所述第一控制器(130K)、所述第二控制器(120K)、和所述第三控制器(110K)是单独的控制器，或者其中的至少两个被集成在一起。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的废气处理***，其中，所述是氮氧化物存储式催化器或氧化催化器。
10.一种车辆，其配置有根据权利要求1-9中任一项所述的废气处理***。
11.一种利用根据权利要求1-9中任一项所述的废气处理***进行车辆废气处理的方法，所述方法包括利用第一进气温度检测器(130I)测量钒基选择催化还原(130)的第一实际进气温度(T3)的步骤；利用控制器(130K)比较所测得的第一实际进气温度(T3)与用于钒基选择催化还原装置(130)的预设进气温度临界值或临界范围、以及在第一实际进气温度(T3)不满足所述预设进气温度临界值或临界范围的情况下改变车辆发动机(100)的后喷射的喷射参数的步骤。
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