具有用于除水的薄膜模块的排气处理系统 |
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| 申请号 | CN201710100002.1 | 申请日 | 2017-02-23 | 公开(公告)号 | CN107100696A | 公开(公告)日 | 2017-08-29 |
| 申请人 | 天纳克汽车经营有限公司; | 发明人 | 迈克尔·C·布拉德福德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种排气后处理系统，用于处理 发动机 所产生的排气。该排气后处理系统包括排气通道、与该排气通道连通的用于处理排气的至少一个催化排气后处理部件、以及与该排气通道连通并接收其中一部分排气的除 水 装置，该除水装置处于 定位 在该催化排气后处理部件上游的 位置 处。该除水装置由包括除水 薄膜 的壳体限定，该除水薄膜将水从该部分的排气中分离出来，以便提供富含水的渗透物，并产生除去了水的渗余物，该渗余物利于由该催化排气后处理部件进行的排气的处理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于处理发动机所产生的排气的排气后处理系统，该排气后处理系统包括： |
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| 说明书全文 | 具有用于除水的薄膜模块的排气处理系统技术领域[0001] 本披露涉及一种具有用于除水的薄膜模块的排气处理系统。 背景技术[0002] 此部分提供与本披露相关的背景信息，其并不一定是现有技术。 [0003] 排气后处理系统总体上包括催化器部件，如催化剂涂敷的排气处理部件，以便处理发动机排气以除去有害的燃烧副产品，如NOx、CO等等。然而，在催化器部件的运行过程中，催化器部件性能可能受制于气态水的存在，如通过起燃温度随着气态排放物中水含量的增加而增加来证实的。尽管，水含量可以通过排放气体冷却和冷凝而被减少，但是这个过程会需要能量消耗以用于冷凝和下游催化器部件的功效所需要的气体再加热。因此，减少排气中的水含量而不冷却气体流将显著地改善一些催化器(尤其是用于低温甲烷氧化、NOx的选择性催化还原(SCR)、以及稀NOx捕集和还原(LNT)的那些催化器)的起燃特性(和低温性能特性)。发明内容 [0004] 此部分提供本披露的总体概述而不是其全部范围或其所有特征的全面披露。 [0005] 在一个实施例中，本披露提供了一种用于处理发动机所产生的排气的排气后处理系统。该排气后处理系统包括排气通道、与该排气通道连通的用于处理排气的至少一个催化排气后处理部件、以及与该排气通道连通并接收其中一部分排气的薄膜容器，该除水装置处于定位在该催化排气后处理部件上游的位置处。该薄膜容器包括分子薄膜，该分子薄膜将至少一种成分从该部分的排气中分离出来，并且该薄膜容器提供渗透气体，该渗透气体富含从该部分排气中被除去的该成分，并且产生除去了该成分的渗余气体，该渗余气体利于由该催化排气后处理部件进行的排气的处理。 [0006] 在另一个实例中，本披露提供了一种用于处理发动机所产生的排气的排气后处理系统，其中该排气后处理系统包括排气通道、与该排气通道连通的用于处理排气的至少一个催化排气后处理部件、以及与该排气通道连通并接收其中一部分排气的除水装置，该除水装置处于定位在该催化排气后处理部件上游的位置处。该除水装置由包括除水薄膜的壳体限定，该除水薄膜将水从该部分的排气中分离出来，以便提供富含水的渗透物，并产生除去了水的渗余物，该渗余物利于由该催化排气后处理部件进行的排气的处理。此外，至少一个再循环管线可以将该除水装置与该发动机互连，该再循环管线使该渗透物的至少一部分再循环回到该发动机中。 [0007] 在以上说明的各个实施例中，该催化排气后处理部件可以包括柴油颗粒过滤器(DPF)、柴油氧化催化器(DOC)部件、选择性催化还原(SCR)部件、稀NOx捕集器(LNT)、氨逃逸催化器(ASC)、三元催化器(TWC)、甲烷氧化催化器(MOC)、碳氢化合物脱NOx催化器(HC- deNOx)、稀NOx催化器(LNC)、或其组合。 [0008] 在以上说明的各个实施例中，该薄膜容器或除水装置可以至少部分地安装在该排气通道内。 [0009] 以上说明的各个实施例可以进一步包括与该排气通道连通的旁通通道，该旁通通道接收部分的排气，该薄膜容器或除水装置定位在该旁通通道内。 [0010] 在以上说明的各个实施例中，该薄膜容器或除水装置可以包括进气阀，该进气阀被配置成用于允许该部分排气进入该薄膜容器或除水装置中。 [0011] 以上说明的各个实施例可以进一步包括与该进气阀通信的控制器，该控制器被配置成用于打开和关闭该阀。 [0012] 以上说明的各个实施例可以进一步包括被配置成用于将该排气与排气处理流体互相混合的混合装置，该混合装置定位在该排气通道中该薄膜容器或该除水装置的下游并且位于该催化排气处理部件的上游。 [0013] 以上说明的各个实施例可以进一步包括注入器，该注入器用于将排气处理流体定量给送到该排气通道中。 [0014] 在以上说明的各个实施例中，该排气处理流体可以是碳氢化合物排气处理流体或包括尿素的排气处理流体。 [0016] 在以上说明的各个实施例中，该分子薄膜或除水薄膜可以包括陶瓷材料。 [0017] 在以上说明的各个实施例中，该陶瓷材料可以是多孔的，每个孔具有0.3nm或更小的直径。 [0018] 在以上说明的各个实施例中，该陶瓷材料可以包括沸石。 [0019] 在以上说明的各个实施例中，沸石可以包括方钠石结构。 [0020] 在以上说明的各个实施例中，富含该成分的渗透气体可以被循环至该发动机或被循环至该催化排气后处理部件下游位置处的排气中。 [0022] 在此描述的附图仅是出于对所选择实施例的而不是对所有可能实施方式的说明性目的，并且不旨在限制本披露的范围。 [0023] 图1是根据本披露原理的排气系统的示意性展示； [0024] 图2是根据本披露第一实施例的排气系统的部分示意性展示；并且 [0025] 图3是根据本披露第二实施例的排气系统的部分示意性展示。 [0026] 贯穿附图的若干视图，相应的参考数字表明相应的部分。 具体实施方式[0027] 现在将参考附图更全面地描述多个示例性实施例。 [0028] 提供了多个示例性实施例从而使得本公开将是详尽的，并将其范围充分地告知本领域的技术人员。阐述了许多特定的细节，例如特定的部件、装置和方法的示例，以提供对本披露的实施例的详尽理解。对本领域的技术人员来说显然地不必采用特定的细节，而可以用多种不同的形式实施示例性实施例、并且这些特定的细节都不应解释为是对本披露的范围的限制。在一些示例性实施例中，对周知过程、周知装置结构、以及周知技术不做详细描述。 [0029] 在此所使用的术语仅是出于描述特定示例性实施例的目的而并不旨在限制。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”可以旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。术语“包括”、“含有”、“包含”和“具有”都是包括性的并且因此指定所陈述特征、整合物、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或加入一种或多种其他特征、整合物、步骤、操作、元件、部件和/或它们的集合。在此所描述的这些方法步骤、过程和操作不应当被解释为必须要求它们按所讨论或示出的特定顺序执行，除非特别指出执行顺序。还应当理解的是，可以采用另外的或替代性的步骤。 [0030] 当一个元件或层涉及“在……上”、“接合到”、“连接到”、或“联接到”另一元件或层时，它可以是直接在该另一元件或层上、接合、连接或联接到该另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当一个元件涉及“直接在……上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，就可能不存在中间元件或层。用于描述这些元件之间关系的其他词语应该以类似的方式进行解释(例如，“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目的一项或多项的任意和所有组合。 [0031] 虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等在此可以用来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语的限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分开。术语诸如“第一”、“第二”和其他数字术语在此使用时并不暗示序列或顺序，除非上下文明确指出。因此，在下文中讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离这些示例性实施例的传授内容。 [0032] 空间相关术语，诸如“内”、“外”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等在此是为了使得对如这些附图中所示出的一个元件或特征相对于另一个或多个元件或者一个或多个特征的关系的描述易于阐释。空间相关术语可以旨在涵盖除了在附图中描绘的取向之外的、装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果装置在这些附图中被翻转，则被描述为“下方”或“之下”的元件或特征将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种取向。装置可以被另外取向(旋转90度或以其他取向)，并且在此所使用的空间相关描述符做出了相应的解释。 [0033] 图1示意性地展示了根据本披露的实施例的排气系统10。排气系统10可以包括与燃料源(未示出)连通的至少一个发动机12，燃料一旦消耗掉就将产生排放气体，排放气体排入具有排气后处理系统16的排气通道14中。发动机12的下游可以布置排气处理部件18，该排气处理部件包括催化剂、基材、催化剂涂覆的基材或过滤器20，其可以是以下各项的任一者：柴油颗粒过滤器(DPF)、柴油氧化催化器(DOC)部件、选择性催化还原(SCR)部件、稀NOx捕集器(LNT)、稀NOx催化器(LNC)、氨逃逸催化器(ASC)、三元催化器(TWC)、甲烷氧化催化器、碳氢化合物脱NOx催化器(HC-deNOx)、或本领域技术人员已知的任何其他类型的排气处理装置。如果使用的是DPF，则它可以是催化剂涂覆的(例如，SCR催化剂涂覆的)。在所展示的实施例中，基材20包括LNC部件。尽管仅展示了单个排气处理部件18，但应理解的是排气处理系统16可以包括多个排气处理部件18，每个排气处理部件包括相同的催化剂、基材、催化剂涂覆的基材或过滤器20，或其中每个排气处理部件18包括具有不同催化剂的过滤器 20。 [0034] 尽管本披露没有要求，但是排气后处理系统16可以进一步包括诸如热增强装置或燃烧器25的部件以便提高经过排气通路14的排放气体的温度。提高排放气体的温度有利于实现在寒冷天气条件下以及在发动机12的启动时使得在排气处理部件18中的催化剂起燃，以及当排气处理部件18是DPF时激活排气处理基材20的再生。 [0035] 为协助对发动机12所产生的排放加以还原，排气后处理系统16可以包括注入器22以用于周期性地将排气处理流体定量投加到排气流中。如图1所展示的，注入器22可以是定位在排气处理部件18的上游、并且可运行来注入合适的试剂。协助使得该试剂与排气流混合的混合装置23可以定位在排气通道14中注入器22与排气处理部件18之间。在图1中所示的LNC催化部件的情况下，注入器22可以将碳氢化合物处理流体(例如，乙醇、E85、超低硫柴油燃料、或一些其他碳氢化合物或碳氢化合物混合物(如乙醇汽油混合物))注入到该排气流中。注入器22可以通过泵26从试剂储箱24接收该排气处理流体。该排气处理流体由泵26通过入口管线28供应至注入器22，并且未使用的排气处理流体被返回管线30返回到储箱24。如果排气处理部件18包括SCR基材，则储箱24所容纳的试剂排气处理流体可以是包括尿素的排气处理流体。排气处理流体通过入口管线28、注入器22、和返回管线30的流动还协助了冷却注入器22从而使得注入器22不会过热。 [0036] 有效地处理排气流的所需的排气处理流体的量可以随载荷、发动机速度、排放气体温度、排放气体流量、发动机燃料注入正时、所希望的NOx还原、气压计压力、相对湿度、EGR比率以及发动机冷却剂温度而变化。NOx传感器或量计32可以被定位在LNC 20的下游。NOx传感器32可运行为将指示排气NOx含量的信号输出给发动机电子控制单元(ECU)34。可以经发动机/车辆的数据总线将所有或一些发动机运行参数从ECU 34提供给排气后处理系统控制器36。控制器36还可以作为ECU 34的一部分被包括在内。如图1中所指示的，可以通过该排气后处理装置上游或下游的相应传感器测量排气温度、排气流量和排气背压以及其他诸如排气相对湿度(未示出)的车辆运行参数。 [0037] 然而，在催化器部件的运行过程中，排气处理部件18的催化性能可能受制于气态水的存在，如通过催化器的起燃温度随着气态排放物中水含量的增加而增加来证实的。尽管，水含量可以通过排放气体冷却和冷凝而被减少，但是这个过程需要能量消耗以用于冷凝和下游催化器部件起功效所需要的气体再加热。因此，本披露提供了有效减少气态排放物中的水含量而不冷却气体流的排气后处理系统16，该排气后处理系统显著改善了可以在排气后处理系统16中使用的这若干催化器(尤其是用于低温甲烷氧化、NOx的选择性催化还原、以及稀NOx捕集和还原的那些催化器)的起燃特性(和低温性能特性)。具体地，如图1中可以看到的，排气后处理系统包括薄膜容器或除水装置38，该薄膜容器或除水装置有效减少排气流中的至少一种成分(例如，水)的含量。 [0038] 由发动机12产生并由排气通道14运载的排气流包括诸如氧气(O2)、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)和甲烷(CH4)以及其他成分。为了从排气流中除去诸如水的成分，如图2中最佳示出的，该薄膜容器或除水装置38与排气通道14连通。更具体地说，在所展示的实施例中，除水装置38定位在包括入口42和出口44的旁通管线40中，该除水装置38定位在入口42与出口44之间。可能希望将除水装置38定位在旁通管线40中，这是因为只在一定的温度范围中被需要使用除水装置38，在该温度范围中从排气中除去水是最有利的(即，在低温条件下)。此外，除水装置38可能包括由于暴露于超过具体阈值的温度(例如，高于450℃)而可能受损的材料。 [0039] 可以用可以受ECU 34或控制器36控制的进气阀46来将排气流从排气通道14引导到入口42中。类似地，同样可以受ECU 34或控制器36控制的排气阀48可以允许再次引导的排气流在通过除水装置38后再次进入排气通道14。然而，应当理解的是，在所展示的实施例中排气阀48的使用是任选的。此外，应理解的是进气阀46可以将全部的排气流引导到入口 42中，或仅将部分的排气流引导到入口42中。此外，应理解的是ECU 34或控制器36可以基于指示排气温度的信号来打开和关闭阀46和48。 [0040] 当希望从排气流中除去水时，ECU 34或控制器36命令进气阀46打开，这引导富含水的渗透排气经由入口42进入除水装置38。除水装置38包括类似储箱的壳体50。除水薄膜52定位在壳体50之中，该除水薄膜被配置成用于从该排气流中除去水，以便生成富含水的渗透气体和缺水的渗余气体。缺水的渗余气体通过出口44离开壳体50，并且再次进入排气通道14用于由排气处理部件进行的后续处理，同时富含水的渗透气体被限制通过排气处理部件18。 [0041] 除水薄膜52可以是流通的可渗透的多孔整体材料，具有多个孔或平行的通道，这些孔或平行的通道被配置成用于选择性地除去具有特定分子尺寸(即，小于约0.30nm)的分子(例如，水)。除水薄膜52被配置成用于防止在排气后处理系统16中出现高背压。就是说，除水薄膜是针对低压降来配置的。 [0042] 该整体材料可以包括金属、陶瓷、聚合物、或其任何合适的组合。优选地，除水薄膜52包括无机成分，这些无机成分使得在高于150℃的高温中能够连续操作和有水热稳定性，更优选地在150℃与450℃之间，并且最优选地在250℃与450℃之间。一些包括孔直径小于 0.3nm的无机沸石薄膜的陶瓷材料是优选的，并且具有方钠石(SOD)结构的沸石是最优选 的，以便使得能够实现几何尺寸的排除或能够减小对动力直径大于0.28nm的分子的可渗透性。在这种孔或通道尺寸的条件下，除水薄膜52被配置成用于选择性地只使诸如水、氦、以及可能氢之类的分子从其中渗透穿过。换言之，除水薄膜52充当了分子筛。 [0043] 渗透穿过除水薄膜52形成富含水的渗透气体的该部分排气流聚集在壳体50的存储部54中。气态形式的水随后可以通过气体再循环管线56从存储部54被再循环回到发动机 12和/或可以通过气体出口管线58被引导回到排气通道14中排气处理部件18下游的位置 处。如果存储部54中的水冷凝，则液态水60可以聚集在存储部54的凹陷部62中。类似于存储部54中的气态水，液态水60随后可以通过液体再循环管线64从凹陷部62被再循环回到发动机12和/或可以通过液体出口管线66被引导回到排气通道14中排气处理部件18下游的位置处。可以用任选的再循环阀68来将液态水60引导至液体再循环管线64或液体出口管线66。 [0044] 因为液态水60可以聚集在壳体50中，并且具体地，在不使用发动机12的过程中聚集在壳体50的凹陷部62中，所以应当理解的是除水装置38可以在其中包括加热装置70。加热装置70可以是热敏电阻器或一些其他类型的加热装置，并且可以与ECU 34或控制器36(未示出)通信，这样使得在发动机12点火之后，信号在低温条件下被通信给加热装置70以对除水装置加热并且使得任何可能已经结冰的液态水融化。此外，可能的是，除水薄膜52可能随着长期使用变得堵塞，这样可能需要对流动空气进行定期的电加热以便移除捕集到的碳烟颗粒、被吸收的含硫化合物、以及类似的部分，从而随着时间的推移保持适当的流通性能。因此，加热装置70可以被配置成用于提供这种所希望的加热。替代地，利用操作燃烧器 25和允许被加热的气体进入除水装置38则可以省略加热装置70。 [0045] 现参考图3，展示了排气后处理系统16的第二实施例。图3中所展示的实施例与图1和图2中所展示的实施例的区别在于除水装置38至少部分地定位在排气通道14中而不是在排气通道14以外。尽管除水装置38被展示为部分地定位在排气通道14之中，这方便了必要时对除水装置38的迅速维修，但是应当理解的是，如果希望的话除水装置38可以全部定位在排气通道14之中。类似于图2中所展示的实施例，除水装置38包括入口42和出口44。然而，入口42被整个定位在排气通道14中使得入口42与排气通道14同轴地延伸或轴向平行地延伸。因为入口42被整个定位在排气通道14中，所以只有一部分的排气流进入除水装置38，同时剩下的排气在除水装置38周围或上方流动而不从其中穿过。 [0046] 可以用可以受ECU 34或控制器36控制的进气阀46来将排气流从排气通道14引导到入口42中。类似地，同样可以受ECU 34或控制器36控制的排气阀48可以允许经处理的排气流(即，缺水渗余物)在其通过除水装置38后再次进入排气通道14。就此而言，出口44也被整个定位在排气通道14之中。然而，应当理解的是，在所展示的实施例中排气阀48的使用是任选的。 [0047] 当希望从排气流中除去一种成分(如水)时，ECU 34或控制器36命令进气阀46打开，这允许该排气流的一部分经由入口42进入除水装置38。除水装置38与以上与第一实施例相关地描述的相同，这是在于除水装置包括类似储箱的壳体50和定位在其中的除水薄膜 52，该除水薄膜被配置成用于从该排气流中除去水，以便生成富含水的渗透气体和缺水的渗余气体，其中渗余气体通过出口44离开壳体50，并且渗透气体被阻止通过排气处理部件 18。 [0048] 富含水的渗透气体聚集在壳体50的存储部54中。气态形式的水随后可以通过气体再循环管线56从存储部54被再循环回到发动机12和/或可以通过气体出口管线58被引导回到排气通道14中排气处理部件18下游的位置处。如果存储部54中的水冷凝，则液态水60可以聚集在存储部54的凹陷部62中。类似于存储部中的气态水，液态水60随后可以通过液体再循环管线64从凹陷部62被再循环回到发动机12和/或可以通过液体出口管线66被引导回到排气通道14中排气处理部件18下游的位置处。可以用任选的再循环阀68来将液态水60引导至液体再循环管线64或液体出口管线66。 [0049] 因为液态水60可以聚集在壳体50中，并且具体地，在不使用发动机12的过程中聚集在壳体50的凹陷部62中，所以应当理解的是除水装置38可以在其中包括加热装置70(见图2)，该加热装置对除水装置加热并且使得可能已经在其中结冰的水融化。此外，由于除水薄膜52可能随着长期使用变得堵塞，所以加热装置70可以被配置成用于在流动空气中提供定期的电加热，需要这种电加热以便移除捕集到的碳烟颗粒、被吸收的含硫化合物、以及类似的部分，从而随着时间的推移保持适当的流通性能。替代地，利用操作燃烧器25和允许被加热的气体进入除水装置38则可以省略加热装置70。 [0050] 在以上说明的各个实施例中，由于取决于具体应用跨越薄膜52的低压降通过除水装置52的气体流量可能不足。因此，可以将小型压缩机(未示出)结合到入口42中，或者可以将真空管线(例如，通过与车辆进气歧管连通)结合到出口44中，以便增大通过薄膜52的气体流量的流速，从而进一步改善包括催化剂的排气处理部件18的下游性能。 [0051] 以上对这些实施例的描述是出于展示和描述的目的提供的。这些描述并不旨在是穷尽的或限制本披露。具体实施例的单独的要素或特征通常并不局限于该具体实施例，而是在适用时是可互换的、并且可以用在甚至并未明确示出或描述的选定实施例中。也可以用多种方式来对其加以变化。这样的变化不应视作是脱离本披露，并且所有这样的改动都旨在包括在本披露的范围之内。 |
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