内燃机，包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料动力发动机 和现有技术中已知的其他发动机，会排出空气污染物的复杂混合物。 这些空气污染物可以包括固体物料，如已知的颗粒物质或烟灰。由 于对环境的日益关注，废气排放标准已经变得更加严格，并且从发 动机排出的颗粒物质的量可以根据发动机的类型、规格、和/或级别 进行管制。
为了遵守关于排放到环境中的颗粒物质的排放标准，发动机制 造商已执行一种办法，该办法是利用被称为微粒捕集器的装置将颗 粒物质从发动机的废气流中去除。微粒捕集器是过滤器，其通常包 括被设计用于捕集颗粒物质的金属丝网或蜂窝陶瓷介质。遗憾的是， 使用微粒捕集器过长时间会导致颗粒物质在介质中堆积，由此降低 过滤器的功能性并随后降低发动机性能。
通过被称为再生的过程可以将堆积的颗粒物质从过滤器移除。 为了开始过滤器的再生，夹带在过滤器中的颗粒物质的温度必须被 提升到燃烧阈值，在该燃烧阈值，颗粒物质被慢慢地烧掉。通常， 由发动机排出的废气流的温度将颗粒温度提升至足以用于再生的温 度。但是，在一些情形中，例如在低发动机载荷下或在冬季的各个 月中，废气的温度可能不足以将颗粒物质的温度提升到所需的燃烧 阈值。
解决该问题的一种方式是将所收集的颗粒物质的燃烧阈值人工 地降低至废气温度以下，从而可以实现再生。实施该方法的系统的 一个例子公开在2002年6月4日授权给Salvat等人的美国专利 No.6397584(’584专利)中。具体地，’584专利公开了一种用于辅 助颗粒过滤器再生的系统，该颗粒过滤器集成在机动车辆柴油机的 排气管中。该系统包括添加剂供应源，该添加剂供应源被连续地喷 射到发动机的燃料箱中。添加剂与燃料混合，并且该混合物被燃烧 以产生包含与金属化合物相结合的烟灰颗粒的废气流。结合化合物 的颗粒比未结合化合物的颗粒的燃烧温度低。当发动机的废气流达 到较低的燃烧温度时，烟灰颗粒和金属化合物燃烧且留下灰烬，该 灰烬在发动机的周期性维护过程中可以从过滤器被有效地去除。
虽然’584专利的系统可以使颗粒过滤器适当地再生，但费用昂 贵且存在问题。具体地，需要喷射添加剂的低温条件是间歇性的， 并且由于’584专利的系统始终喷射添加剂，一些添加剂被浪费。被 浪费的添加剂提高了系统的成本。另外，由于添加剂在再生过程中 被转化为灰烬，因此过量的添加剂会产生过量的灰烬。由于发动机 的维护间隔至少部分地基于颗粒过滤器中的灰烬的堆积速率，因此 过量的灰烬会明显减小维护间隔。减小的维护间隔除了会给车主带 来不便之外还会增加车辆的运行成本。

根据本发明的系统解决了上述一个或多个问题。
本发明的一个方面涉及一种废气处理系统。该废气处理系统可 以包括：催化剂供应源，其能够降低废气组分的燃烧阈值；和喷射 器，其可操作地且选择性地将催化剂传送到废气组分。该废气处理 系统还可包括与喷射器通信的控制器。该控制器能够确定废气流的 温度并且响应于燃烧阈值大于所确定的温度而操作喷射器传送催化 剂。
本发明的另一方面涉及一种处理废气的方法。该方法可以包括 收集废气组分并且确定所收集的废气组分的温度。该方法还可以包 括在所收集的废气组分的燃烧阈值高于所确定的温度时，将催化剂 与废气组分混合以降低所述燃烧阈值。
附图说明
图1是根据本发明的一种示例性的动力系统的示意图；以及
图2是描述图1的动力系统的一种示例性公开的操作的流程图。

图1示出了一种动力系统，该动力系统包括动力单元10、燃料 系统12和废气处理系统14。在一种实施方式中，动力系统可以与移 动车辆，例如客车、专业车、农用车或工程车相关联。替代地，动 力系统可以与固定式机器，例如工业用发电机或熔炉相关联。
出于本发明的目的，动力单元10被示出并描述为四冲程柴油机。 然而，本领域技术人员可以认识到，动力单元10可以是任何其它类 型的内燃机，例如汽油机、气态燃料动力发动机或涡轮机。动力单 元10可以包括气缸体16，该气缸体16至少部分地限定多个燃烧室 18。在所示实施方式中，动力单元10包括四个燃烧室。但是，可以 设想，动力单元10可以包括更多数量或更少数量的燃烧室，并且燃 烧室可以布置成“直列式”结构、“V型”结构或任何其它适当的 结构。
同样如图1所示，动力单元10可以包括曲轴20，该曲轴20可 转动地布置在气缸体16中。连杆(未示出)可以将多个活塞(未示 出)连接到曲轴20，使得每个活塞在其各自的燃烧室中的滑动动作 导致曲轴20转动。类似地，曲轴20的转动可以引起活塞的滑动动 作。曲轴20的转动可以用作来自动力单元10的输出，用于执行期 望的工作，例如用于使发电机转动或使相关联的车辆的一个或多个 驱动轴转动。
燃料系统12可以包括燃料箱22。燃料箱22能够存储燃料源， 例如柴油。来自燃料箱22的燃料最初由输送泵24抽入到燃料管路 系统中，其中，该输送泵24可以与燃料箱和高压泵26流体连通。 输送泵24至少具有足以将燃料从燃料箱22传送至高压泵26的动力。 高压泵26通过曲轴20的转动直接或间接地被供以动力。例如，在 曲轴20和输入到高压泵26的轴之间的啮合齿轮系统可以提供成比 例的期望转动。根据一种实施方式，曲轴20的转动会使来自高压泵 26的燃料的压力达到大约300MPa。
高压泵26也可以与共轨28流体连通并且能够将加压燃料传送 至共轨28。共轨28(也被称作燃料歧管)可以与一个或多个燃料喷 射器30流体连通。如图1所示，每个喷射器可以设置在四个燃烧室 18中的一个内。因此，当通过高压泵26将燃料引入到每个燃料喷射 器30时，共轨28可以以期望压力提供燃料供应。在根据本发明的 燃料供应系统的这种结构中，喷射器30的每个燃料喷射器可以将来 自共轨28的加压燃料选择性地传送到一个相应的燃烧室18。
燃料系统12也可以结合废气处理系统14工作。废气处理系统 14可以包括具有废气通道的排气歧管32，每个通道与动力单元10 的一个相关联的燃烧室18流体连通。排气歧管32可以使废气流远 离动力单元10并且朝向位于排气歧管32下游的壳体34排出。
废气处理系统14的壳体34可以是柱状或管状的管道，用于引 导废气和颗粒远离动力单元10以便由各种排放控制装置来处理。在 一种实施方式中，排气歧管32可以与壳体34形成为一体。例如， 排气歧管和壳体可以通过冲压或锻造金属而一体地制成。替代地， 排气歧管32可以通过一个或多个紧固件(例如，铆钉、螺母和螺栓 等)或者通过变形(例如，卷边)固定到壳体34。壳体34也可以构 成系统的至少一个排放控制装置的结构支撑件。
废气处理系统14的至少一个排放控制装置可以包括颗粒过滤器 36。颗粒过滤器36可以横过壳体34的圆柱形宽度(即，横截面) 设置。此外，颗粒过滤器36的周边可拆卸地或固定地安装到壳体34 上。颗粒过滤器36可以是任何类型的柴油机颗粒过滤器(“DPF”)， 例如，堇青石或碳化硅壁流式过滤器、金属纤维通流式过滤器或分 流式过滤器。根据本发明的一种实施方式，颗粒过滤器36可以是颗 粒过滤效率至少为99％的壁流式过滤器。而且，可以设想，废气处 理系统14可以包括其它部件，例如涡轮、废气再循环系统、催化处 理装置、或本领域已知的任何其它废气系统部件。
废气处理系统14也可以包括向燃料或废气流供应催化剂溶液的 装置。具体地，废气处理装置14可以包括能够存储催化剂供应源的 催化剂箱38。催化剂(也被称为燃料燃烧催化剂(“FBC”))可 以包括例如铂、铜、铈、锰和/或铁化合物。可以想到的示例性的且 商业上可以获得的催化剂包括Rhodia的商标为Clean Diesel Technologies的商标为PlatinumOctel的商标为Octimax 以及Ethyl Corporation的商标为MMT的催化剂。通过泵40从催化 剂箱38中抽吸催化剂，该泵40与催化剂箱38流体连通。泵40也 可以与催化剂喷射器42流体连通，使得其可以向喷射器供应催化剂。
如图1所示，催化剂喷射器42可以设置在共轨28的上游端处。 特别是，催化剂喷射器42可以安装到共轨28，使喷射器的喷嘴与其 中的加压燃料流体连通。虽然仅描述了与共轨28流体连通，催化剂 喷射器42可以替代地将催化剂直接喷射到燃料箱22、燃料箱22和 共轨28之间的燃料管路、或共轨28和单个喷射器30之间的燃料管 路中。特别有利的是，沿着燃料流或废气流的长度喷射催化剂并使 催化剂尽量接近颗粒过滤器36，以改善喷射催化剂对检测出的温度 不足的响应性。另一方面，将催化剂喷射在过于接近颗粒过滤器36 的位置处会导致催化剂与燃料流或废气流充分混合的时间不足。本 领域技术人员也可以想到在沿着燃料系统12或废气处理系统14的 长度的不同位置处结合催化剂喷射器的其它优点以及变型。
在本发明的另一种实施方式中，作为替代方案，催化剂喷射器 可以被设置成将催化剂直接喷射到废气处理系统14的废气流中。例 如，如图1所示，在与喷射到燃料供应源中相比更期望喷射到废气 流中的情况下，催化剂喷射器48可以替代催化剂喷射器42。在该实 施方式中，催化剂喷射器48可以安装到壳体34，使得喷射器的喷嘴 与其中的废气流流体连通。由于催化剂喷射器48可以设置在颗粒过 滤器36的上游，因此喷射催化剂会影响颗粒过滤器36的再生。
同样如图1所示，传感器46可以设置在颗粒过滤器36的下游。 具体地，传感器46可以安装到壳体34，使得该传感器46可以测量 壳体34中的废气流的温度。替代地，传感器46可以测量颗粒过滤 器36的温度和/或被颗粒过滤器36捕获的颗粒的温度。即，传感器 46可以与颗粒过滤器36热连接，以便确定其温度。根据需要，传感 器46还可以位于过滤器36的上游。在任一种实施方式中，传感器 46可操作地产生指示被捕集在过滤器36中的颗粒物质的温度的信 号。
废气处理系统14也可以包括控制器44，例如发动机电控模块 (“ECM”)或喷射器控制模块。控制器44可以被设置成与传感器 46和催化剂喷射器42通信，以接收来自传感器46的温度信号并响 应于该信号向催化剂喷射器42传输喷射信号。各种电路可以与控制 器44相关联，例如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动电路和其 它适当的电路。此外，由于传感器46和催化剂喷射器42可以通过 有线传输或无线传输与控制器44通信，因此根据需要控制器44可 以设置在远离壳体34或共轨28的位置处。
在本发明的另一种实施方式中，废气流和颗粒过滤器的温度可 以由控制器44来评估而不是由传感器46来测量。即，控制器44可 以通过将温度作为涉及动力单元10和/或与其相关联的车辆的一个 或多个已知的运行条件的变量的函数来确定该温度。例如，涉及燃 料量、点火正时、动力输出、发动机转速、增压压力、发动机温度、 空/燃比、和/或其它已知参数的一个或多个发动机性能图可以存储在 控制器44的存储器中。这些图中的每一个可以是表格、图表和/或方 程的形式，并且包括对从动力单元10的实验室和/或室外操作中收集 的数据的编译。控制器44可以参考这些图中的一个或多个，以便评 估与颗粒过滤器36相关联的在动力单元10的给定运行条件下的温 度。
因此，控制器44可以形成并存储所测量或评估的温度数据的连 续的历史数据，并且基于此可以作出关于喷射催化剂的决定。
图2的流程图示出了根据本发明的一种实施方式的示例性的方 法。在下文中将描述图2以便更好地示出根据本发明的系统。
工业实用性
根据本发明的废气处理系统可以应用于任何燃烧式装置，例如 发动机、熔炉或本领域已知的任何其它装置，其中，期望从废气流 中去除颗粒污染物。根据本发明的废气处理系统是一种简单且廉价 的方案，并且该系统为紧凑型的，其用于在必要时基于所测量或评 估的温度选择性地喷射燃料燃烧催化剂溶液到燃料流或废气流中。 现在将对动力单元10、燃料系统12和废气处理系统14的操作进行 说明。
参照图1，燃料供应源可以存储在燃料箱22中并且通过输送泵 24抽吸用于输送到高压泵26。在该高压泵26处，燃料压力可以增 大且基本上用于输送到共轨28，该共轨28与燃料喷射器30流体连 通。燃料可以通过燃料喷射器30喷射到动力单元10的燃烧室18中、 与其中的空气进行混合，并且通过动力单元10燃烧以产生机械工作 输出和热气的废气流。废气流可能包含空气污染物的复杂混合物， 其可以包括例如烟灰的固体颗粒。通过使废气流经过壳体34的颗粒 过滤器36，可以使排放到环境中的烟灰量最少化。随着携载有烟灰 的废气流被从燃烧室引导通过颗粒过滤器36，烟灰在过滤器中堆积， 由此对发动机性能产生不利影响。
当废气流的温度高于烟灰的氧化温度时，随着时间的流逝会将 烟灰从颗粒过滤器上慢慢地“烧掉”。但是，当废气流的温度低于 烟灰的氧化温度时，例如在低负载过程中或在冬季里的月份时，期 望的是喷射催化剂到燃料流或废气流中，以便降低烟灰的氧化温度。 具体地，喷射催化剂可以将烟灰的氧化速率提高至足以用于无源再 生(即，烟灰去除速率等于或大于烟灰过滤速率)。催化剂(也被 称为燃料燃烧催化剂(“FBC”))可以包括例如铂、铜、铈、锰 和/或铁化合物。这些氧化金属最终会粘结到被捕集在颗粒过滤器中 的烟灰上，以便起到催化烟灰氧化的作用。即，氧化金属可以使烟 灰的燃烧阈值温度降低至低于废气温度，由此有利于相对较低温度 的再生。替代地，在FBC喷射仍然不足以催化无源再生的情况下， 可以采用无源-“加”结构(passive-“plus”configuration)，其中， 附加的热源促进再生。
现在返回图2，可以通过传感器46确定废气流、颗粒过滤器和/ 或颗粒的温度(步骤201)。温度数据可以从传感器46向控制器44 通信。替代地，控制器44可以基于动力单元10的已知操作评估废 气流温度(即，作为涉及动力单元10和/或与其相关联的车辆的变量 的函数来确定)。控制器44可以将所测量或评估的废气温度与颗粒 的燃烧阈值温度进行比较，以便确定废气温度是否足以支持再生(步 骤203)。然后，控制器44可以响应于确定废气温度不足以支持再 生而发送指示喷射催化剂的信号到催化剂喷射器，例如催化剂喷射 器42和44(步骤205)。在一种实施方式中，控制器44响应于确 定在特定的时间间隔内废气温度持续不足以支持再生而发送喷射信 号。
催化剂可以(例如通过如图所示的催化剂喷射器42)喷射到燃 料箱22或共轨28、燃料箱22和共轨28之间的燃料管路、或共轨 28和燃料喷射器30之间的燃料管路中。作为替代方案，催化剂可以 通过催化剂喷射器48喷射到在颗粒过滤器36的上游位置处的废气 流中。一旦颗粒过滤器36已经再生或者发动机已经达到足够高的温 度，控制器44就可以指令一个或多个催化剂喷射器停止FBC喷射。
根据本发明选择性使用催化剂喷射可能是用于促使被捕集的颗 粒被更有效地氧化的一种理想的方式。例如，已经发现，当利用壁 流式过滤器时，大约99％的燃料燃烧催化剂被过滤出或者留在发动 机油或气缸套中。而且，FBC喷射可以降低无源再生的阈值温度， 使该温度从300-350℃的平均燃烧温度降低差不多100℃。也就是说， 即使仅在250-300℃下，颗粒物料被从废气中过滤的速率与其被氧化 的速率相等。但是，在FBC粘结的颗粒的氧化过程中产生的灰烬使 得尤其期望通过利用本发明的构思来使催化剂喷射简化。
选择性添加催化剂的好处可以通过以下得到证明：即使仅在5 ppm(百万分之五)的FBC添加量下，由过滤器捕集的灰烬量是不 使用添加剂时捕集的量的两倍(250000英里：来自润滑油的大致25 克/升灰烬，由于FBC的25克/升灰烬)。通过研究MECA于2005 年6月的“Diesel Particulate Filter Maintenance：Current Practices and Experience”可以进一步理解FBC定量减少对灰烬产生的优点。可以 发现，FBC定量从FBC为25ppm减少到FBC为10ppm导致FBC 灰烬质量的比例从大约80％降低到大约57％。因此，很期望降低催 化剂的添加量。
由于根据本发明催化剂仅在废气温度历史数据指示持续地不足 以支持再生条件时喷射到燃料流或废气流中，因此，减少了对过多 催化剂的浪费、减少了灰烬的产生量并且延长了维护间隔。由于灰 烬累积减少而延长了维护间隔与这里公开的使用这种选择性催化剂 喷射而使车辆的运行成本降低相关联。此外，由于维护次数更少， 因此给车辆操作者带来了更多的便利。
对于本领域普通技术人员来说可以想到的是，在不脱离本发明 的保护范围的情况下，可以对本发明的系统进行各种变型和变化。 另外，本领域技术人员从说明书的描述和根据本发明的系统的实际 应用中可想到其他实施方式。说明书和实施例仅仅是示例性的，本 发明的真正保护范围通过后附的权利要求书并按照等同原则加以确 定。