[发明专利]用于缓解柴油机排气流体沉积和关联条件的装置、系统和方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年12月21日提交的美国临时专利申请61/288661的权益，其全部内容合并于此以供参考。

技术领域

本公开的主题涉及具有排气后处理系统的内燃发动机系统，并且更具体地涉及减少来自关联的排气后处理系统的部件上的还原剂沉积物堵住内燃发动机系统的有害作用。

背景技术

排气后处理系统接收并处理由内燃发动机生成的排气。典型的排气后处理系统包括被配置为减少排气中存在的有害废气排放水平的各种部件的任何一种。例如，用于柴油机动力内燃发动机的一些排气后处理系统包括各种部件，例如柴油机氧化催化器（DOC）、颗粒物质过滤器或者柴油机颗粒过滤器（DPF）以及选择性催化还原（SCR）催化器。在一些排气后处理系统中，排气首先穿过柴油机氧化催化器，然后穿过柴油机颗粒过滤器，并且随后穿过SCR催化器。

DOC、DPF和SCR催化器部件中的每一个都被配置为对穿过部件的排气实施特定的废气排放处理操作。通常，DOC通过氧化技术减少排气中存在的一氧化碳和碳氢化合物的量。DPF过滤废气中存在的有害柴油机颗粒物质和烟尘。最终，SCR催化器减少排气中存在的氮氧化物（NO_x）的量。

SCR催化器被配置为将NO_x还原成较不有害的排放物，例如以氨（NH₃）形式存在的N₂和H₂O。因为氨不是燃烧过程的自然副产物，所以必须在排气进入SCR催化器之前被人工地引入排气中。通常，由于与气态氨的存储相关联的安全考虑，所以氨气不是被直接注入排气中。因此，常规系统被设计为将柴油机排气流体（DEF）或还原剂注入排气中，其能够在一定条件下分解成以排气形式存在的气态氨。通常由常规排气后处理系统使用的DEF是尿素水溶液。

通常，将DEF分解为气态氨包括三个阶段。第一，DEF与排气混合，并且通过汽化过程从DEF中去除水。第二，排气的温度导致DEF中热解诱导的相变并且使DEF分解为异氰酸（HNCO）和NH₃。第三，异氰酸在特定压力和温度浓度下在水解过程中与水反应，从而分解为氨气和二氧化碳（CO₂）。然后，气态氨在SCR催化器的入口面处被引入，流过催化器，并且在NO_x还原过程中被消耗。从SCR系统出来的任何未被消耗的氨气能够使用氨氧化催化器还原为N₂及其他较不有害或者较不有毒的组分。

SCR系统通常包括DEF源和与该源耦连并且位于SCR催化器上游的DEF注入器或定量加料器。DEF注入器将DEF注入到分解空间或分解管中，排气流流过该分解空间或分解管。一旦注入排气流中，所注入的DEF喷雾被排气流加热，从而触发DEF分解为氨气。随着DEF和排气混合物流过分解管，DEF在进入SCR催化器之前进一步与排气混合。理论上，DEF被充分分解并且在进入SCR催化器之前与排气混合，从而提供氨气在SCR催化器的入口面处足够均匀的分布。

然而，一些现有技术排气后处理系统没有提供注入的DEF的足够分解和混合。通常，常规系统导致DEF分解管内的排气再循环或者分解管内的低温区域。排气再循环和低温区域可能导致不充分的混合或分解，这可能导致在分解管和DEF注入器的内壁上形成固体DEF沉积物。固体DEF沉积物包括来自尿素不完全分解的固体副产物，例如双缩脲（biuret）、氰尿酸（cyanuric acid）、氰尿酰胺（ammelide）和氰尿二酰胺（ammeline）。另外，不充分混合可能导致低的氨蒸汽均匀度指数，其能够导致氨气在SCR催化器表面上的不均匀分布、较低的NO_x转换效率及其他缺点。

固体DEF沉积物的形成和氨气的不均匀分布也可能由DEF喷雾被偏转远离预定目标导致。在注入后，由于携带排气进入喷雾中，DEF喷雾通常迅速减速。迅速减速降低了DEF的喷射深度和冲量，这使得当接触排气流气体时注入的DEF喷雾容易被实质地改变方向。不希望的DEF喷雾改变方向可能导致DEF喷雾意外地接触分解管的某些表面（例如分解管的内壁和混合器的上部）并且在其上形成固体DEF沉积物。在分解管内形成固体DEF沉积物通常导致较低的氨气浓度量以及在SCR催化器的入口面处较低的氨气分布均匀度指数，这能够降低SCR催化器的性能和控制。另外，分解管中的固体DEF沉积物能够引起排气后处理系统内的排气背压，其能够不利地影响发动机和排气后处理系统的性能。