内燃机尾气净化后处理系统的先导加热装置与方法

摘要

本发明公开一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置与方法。所述装置包括在催化剂或催化过滤器(1000)上游安装有颗粒物收集器(200)，所述颗粒物收集器(200)内置点火起燃装置(300)。所述方法为利用颗粒物收集器(200)内置的点火起燃装置(300)输入热量点燃颗粒物收集器(200)内所收集的颗粒物，并利用颗粒物收集器(200)内的颗粒物燃烧所产生的热量对下游的催化剂或催化过滤器(1000)进行加热，令催化剂升温或引发催化过滤器再生。本发明装置和方法可以大量减少后处理系统在需要对发动机排气进行加热时对外来输入热量的需求，从而大大减少能量消耗，简化后处理系统及其配套系统设计，显著提高整套后处理系统的经济性、可靠性和安全性。

权利要求

1.一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置，其特征在于：在催化过滤器（1000）上游安装有颗粒物收集器（200），所述颗粒物收集器（200）内置点火起燃装置（300）；其中，所述催化过滤器为多种功能催化剂与颗粒过滤器或捕捉器的组合，所述颗粒物收集器（200）与封装壳体（100）之间留有间隙，所述催化过滤器（1000）与封装壳体（100）抵接；

所述先导式加热装置应用于先导式加热，包括如下步骤：

在催化过滤器（1000）上游安装颗粒物收集器（200）；

利用颗粒物收集器（200）内置的点火起燃装置（300）输入热量点燃颗粒物收集器（200）内所收集的颗粒物，并利用颗粒物收集器（200）内的颗粒物燃烧所产生的热量对下游的催化过滤器（1000）进行加热，催化过滤器再生。

2.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置，其特征在于：所述点火起燃装置（300）采用电加热方式或喷射添加剂方式起燃；所述起燃装置（300）为永久固定在封装壳体上的装置或者为可拆卸更换的装置。

3.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置，其特征在于：所述先导式加热装置至少包括封装壳体（100）、颗粒物收集器（200）、点火起燃装置（300）、控制器（400）、传感器（500）以及催化过滤器（1000）；所述封装壳体（100）内部靠近进气端安装有颗粒物收集器（200），颗粒物收集器（200）的下游安装有催化过滤器（1000）；

所述颗粒物收集器（200）内置点火起燃装置（300）；所述催化过滤器（1000）内置传感器（500）；所述点火起燃装置（300）和传感器（500）分别通过导线与壳体外部的控制器（400）相连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置，其特征在于：所述颗粒物收集器（200）的上游能够引入环境空气，为点燃颗粒物收集器内的颗粒物并使之燃烧提供氧气。

5.一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热降颗粒物装置，其特征在于：所述先导式加热降颗粒物装置至少包括封装壳体（100）、颗粒物收集器（200）、点火起燃装置（300）、控制器（400）、第一温度传感器（500）、第二温度传感器（550）、压差传感器（600）以及催化过滤器（1000-1）；所述封装壳体（100）内部靠近进气端安装有颗粒物收集器（200），颗粒物收集器（200）的下游安装有催化过滤器（1000-1）；所述颗粒物收集器（200）内置点火起燃装置（300）；所述催化过滤器（1000-1）的两端分别安装有第一温度传感器（500）和第二温度传感器（550）；所述压差传感器（600）通过两根通气管（620和640）分别与催化过滤器（1000-1）两端排气相连通；所述点火起燃装置（300）、第一温度传感器（500）、第二温度传感器（550）和压差传感器（600）分别通过导线与壳体外部的控制器（400）相连接。

6.根据权利要求3或5任一所述的装置，其特征在于：所述控制器（400）与车辆和发动机的通讯系统相连。

说明书

内燃机尾气净化后处理系统的先导加热装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种先导式加热方法与装置。更具体地，涉及一种内燃机尾气净化后处理系统的先导加热装置与方法。

背景技术

[0002] 目前用于柴油机后处理分别采用两个主要装置：即降颗粒物(DePM)系统和降氮氧化物(DeNOx)系统或者两者的集成，即DePM+DeNOx系统。

[0003] DePM系统通常采用DOC(柴油氧化催化剂)+POC(颗粒物氧化催化剂)、PF(部分流颗粒捕捉器)或DPF(柴油颗粒捕捉器)等催化剂和过滤器的组合。当颗粒物积累到一定程度，这些催化剂过滤装置的组合(以下简称“催化过滤器”)就需要进行再生，即在较高的(再生)温度下将颗粒物氧化掉。这个再生过程可以是自动自发产生的，即被动再生；也可以是按事先约定的某些条件通过控制器来点燃的，即主动再生。当前主动再生技术所采用的通过直接加热发动机排气，比如电加热，或喷射燃料(比如柴油)，来进行加热再生。喷射燃油是目前比较流行的办法，但是增加油耗，系统复杂，成本高，安装困难，难以控制再生温度，最为关键的是燃油喷射系统带来火灾隐患。电加热相对比较安全简便，但是，不仅需要消耗大量电能(导致油耗增加)，而且往往由于大量电能消耗会极大地影响电池使用寿命和汽车供电系统的正常工作，所以很难得到真正的实际应用。

[0004] 如今的尿素SCR(选择性还原催化剂)降氮氧化物(DeNOx)系统同样也需要一定的排气温度才能达到一定的NOx转化率。随着政府环保要求逐步提高，对车辆在低载荷低速(比如怠速)状态的NOx排放也要求足够减少。而此时由于SCR载体温度太低，其效率经常满足不了环保法规要求。这就要求进行一定的热控制。除了对发动机本身控制参数可以做相应的调整以外，另外一个有效的办法就是对排气进行后置加热升温。与DePM系统类似，当今的加热技术包括上述的同样的加热方法，也带来了同样的毛病和缺陷。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的在于提供一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置。本发明装置利用一个颗粒物(PM)收集器来收集发动机排气中的颗粒物，在必要时点燃收集器内的颗粒物燃烧，达到加热发动机排气，进而加热整个后处理器的效果。

[0006] 本发明的另一个目的在于提供一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热方法。本发明方法利用少量外来热量点燃柴油机排气中颗粒物(PM)并使其自身燃烧所产生的热量来加热后处理器。

[0007] 为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

[0008] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置，其示意图如图1所示，在催化剂或催化过滤器1000上游安装有颗粒物收集器200，所述颗粒物收集器200内置点火起燃装置300。其设计特征是确保在催化剂或催化过滤器1000需要加热时，PM收集器200已经收集到足够多的颗粒物。在必要时，可以直接输入热量(比如电加热)或者通过输入某种添加剂(比如柴油、酒精、助燃剂等)产生热量来点燃PM收集器200内的颗粒物燃烧，最终起到对下游催化剂或催化过滤器1000加热升温的作用。

[0009] 优选地，所述点火起燃装置300采用电加热方式或喷射添加剂方式起燃；所述颗粒物收集器200为永久固定在封装壳体上的装置。而所述起燃装置300为永久固定装置或者为可拆卸更换的装置。

[0010] 优选地，所述点火起燃装置300可以采用电加热方法，比如电阻丝加热(加热棒)、微波加热、感应加热等。

[0011] 可选地，所述点火起燃装置300可以通过加注燃料引起升温，比如喷射酒精、柴油、其它低燃点燃料、助燃剂、氧化催化剂等。

[0012] PM收集器200同时还可以起到过滤颗粒物、对排气进行均匀分配，对尿素与空气混合产生良好提升作用。

[0013] 优选地，所述催化剂为SCR催化剂或者多种功能催化剂的组合；所述催化过滤器为多种功能催化剂与颗粒过滤器或捕捉器的组合。

[0014] 优选地，所述先导式加热装置至少包括封装壳体100、颗粒物收集器200、点火起燃装置300、控制器400、传感器500以及催化剂或催化过滤器1000；所述封装壳体100内部靠近进气端安装有颗粒物收集器200，颗粒物收集器200的下游安装有催化剂或催化过滤器1000；所述颗粒物收集器200内置点火起燃装置300；所述催化剂或催化过滤器1000内置传感器500；所述点火起燃装置300和传感器500分别通过导线与壳体外部的控制器400相连接。

[0015] 在必要时，控制器400控制点火起燃装置300产生一定的热量首先点燃颗粒物(PM)收集器200内的颗粒物燃烧，释放大量热量，对下游的催化剂或催化过滤器1000进行加热。

[0016] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热降颗粒物装置(如图2所示)，所述先导式加热降颗粒物装置至少包括封装壳体100、颗粒物收集器200、点火起燃装置300、控制器400、第一温度传感器500和第二温度传感器550、压差传感器600以及催化过滤器1000-1；所述封装壳体100内部靠近进气端安装有颗粒物收集器200，颗粒物收集器200的下游安装有催化过滤器1000-1；所述颗粒物收集器200内置点火起燃装置300；所述催化过滤器1000-1的两端分别安装有第一温度传感器500和第二温度传感器550，用于测量这两端排气温度；所述压差传感器600通过两根通气管620和640分别与催化过滤器1000-1两端排气相连通，用于测量这两端的排气压力差；所述点火起燃装置300、第一温度传感器500、第二温度传感器550和压差传感器600以及可能存在的整车和发动机CAN通讯线路分别通过导线与壳体外部的控制器400相连接。

[0017] 在必要时，控制器400控制根据再生控制策略以及从上述各种传感器以及CAN通讯获得的信息启动再生程序，控制点火起燃装置300以少量的热量输入首先点燃颗粒物收集器200内的颗粒物燃烧，释放大量热量，引发下游的催化过滤器1000-1再生过程。

[0018] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热降氮氧化物装置(如图3所示)，所述先导式加热降氮氧化物装置至少包括封装壳体100、颗粒物收集器200、点火起燃装置300、控制器400、温度传感器500、尿素喷嘴800以及催化剂1000-2；所述封装壳体100内部靠近进气端安装有颗粒物收集器200，颗粒物收集器200的下游安装有催化剂1000-2；所述颗粒物收集器200内置点火起燃装置300；所述催化剂1000-2内置传感器500，用于测量催化剂温度；所述尿素喷嘴800安装在进气管道上，通过尿素喷射管与尿素计量泵相连(图中未显示)；所述点火起燃装置300、传感器500、尿素喷嘴800以及可能存在的整车和发动机CAN通讯线路分别通过导线与壳体外部的控制器400相连接。所述催化剂为SCR催化剂。

[0019] 在必要时，控制器400控制根据尿素喷射策略以及从上述各种传感器以及CAN通讯获得的信息启动SCR催化剂1000-2加热程序，控制点火起燃装置300以少量的热量输入首先点燃颗粒物收集器200内的颗粒物燃烧，释放大量热量，使得下游的SCR催化剂加热升温，从而提高SCR催化剂的效率。

[0020] 优选地，所述先导式加热降氮氧化物装置还包括氮氧化物传感器900；在开环系统中，一个氮氧化物传感器900安装在封装壳体100的出气端；在闭环系统中，两个氮氧化物传感器900分别安装在封装壳体100的进气端和出气端；所述氮氧化物传感器900通过导线与控制器400相连接。

[0021] 优选地，所述控制器400与车辆和发动机的通讯系统相连。

[0022] 为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

[0023] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热方法，包括如下步骤：

[0024] 在催化剂或催化过滤器1000上游安装颗粒物收集器200；

[0025] 利用颗粒物收集器200内置的点火起燃装置300输入热量点燃颗粒物收集器200内所收集的颗粒物，并利用颗粒物收集器200内的颗粒物燃烧所产生的热量对下游的催化剂或催化过滤器1000进行加热，令催化剂升温或引发催化过滤器再生。

[0026] 在必要时这种加热，对于降氮氧化物(DeNOx)系统，可以使SCR催化剂升温，提高SCR效率；对于降颗粒物(DePM)系统，可以引发整个催化过滤器的再生；对于DePM+DeNOx系统组合，可以同时引发DePM系统再生和提高SCR效率。

[0027] 优选地，所述点火起燃装置采用电加热起燃。

[0028] 优选地，所述点火起燃装置采用喷射添加剂来起燃。

[0029] 优选地，必要时，所述颗粒物收集器200的上游能够引入环境空气，为点燃收集器内的颗粒物并使之燃烧提供氧气。

[0030] 现有技术中，DePM系统中催化过滤器的再生主要通过直接加热发动机排气，比如电加热，或喷射燃料(比如柴油)，来进行加热再生。但是该方法会增加油耗，系统复杂，成本高，安装困难，并且难以控制再生温度。DeNOx系统同样也需要一定的排气温度才能达到一定的NOx转化率。与DePM系统类似，现有技术中的加热技术也采用上述直接加热方法，也带来了同样的毛病和缺陷。

[0031] 针对于现有技术的不足，本发明公开了一种内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置和方法。该装置的主要特征是在催化剂或催化过滤器的上游配备一个颗粒物(PM)收集器，其设计确保该PM收集器在其下游的催化剂需要加热升温，或者催化过滤器需要加热再生(即系统再生)之前收集到足够的颗粒物；所述PM收集器内置一个起燃装置，这样，在催化剂需要加热升温时，或者催化过滤器需要加热再生时，该起燃装置首先加热并点燃PM收集器内的颗粒物并燃烧起来，使穿过收集器的排气升温，使得下游的催化剂得到加热升温，或者引发下游的催化过滤器再生过程。相对于当前内燃机尾气净化后处理系统中所采用的直接加热技术，本发明所公开的先导式加热方法与装置利用了发动机排气中颗粒物自身燃烧所产生的热量进行加热，只需要及少量的能量输入，比如通过电加热或者注入某种燃料加热点燃所收集的颗粒物即可实现同样的加热效果，从而大大减少能量消耗，简化后处理系统及其配套系统设计，显著提高整套后处理系统的经济性、可靠性和安全性。

[0032] 本发明的有益效果如下：

[0033] 本发明的装置和方法可以大量减少后处理系统在需要对发动机排气进行加热时对外来输入热量的需求，从而大大减少能量消耗，简化后处理系统及其配套系统设计，显著提高整套后处理系统的经济性、可靠性和安全性。

附图说明

[0034] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0035] 图1示出内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热装置示意图。

[0036] 图2示出内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热降颗粒物(DePM)装置示意图。

[0037] 图3示出内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热降氮氧化物(DeNOx)装置示意图。

具体实施方式

[0038] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

[0039] 实施例1

[0040] 一种内燃机尾气净化后处理系统的主动再生先导式加热降颗粒物(DePM)装置，如图2所示：至少包括DePM后处理器封装壳体100，排气从左边一端进入，从右边一端排除,壳内腹腔内靠近进气端安装有一个颗粒物(PM)收集器200，在其下游安装有催化过滤器1000-1，将该腹腔分割成两部分，进气端内腔120与出气端内腔140。

[0041] 所述催化过滤器1000-1两端，即进气端内腔120和出气端内腔140分别安装有第一温度传感器500和第二温度传感器550，用于测量催化过滤器1000-1两端的排气温度；另外在催化过滤器1000-1的两端还各自安装有一根通气管620和640，将两端的内腔120和140与压差传感器600相连接，用于测量催化过滤器1000-1两端的排气压力之差。

[0042] 所述PM收集器200内置一个点火起燃装置300，该点火起燃装置300可以采用电加热也可以采用喷射燃料(或发应剂)加热来点燃颗粒物(PM)，可以永久固定在封装壳体100上，也可以做成是可拆卸更换的装置。该收集器200设计的一个重要特征是优先于催化过滤器1000-1，即在催化过滤器1000-1需要再生之前收集到足够的颗粒物PM，以确保这些颗粒物的燃烧能够产生足够的热量引发整个催化过滤器1000-1的再生；

[0043] 所述催化过滤器1000-1通常是多种不同催化剂和颗粒过滤或捕捉器，比如DOC+POC、PF、DPF和/或SCRF(选择性还原催化过滤器)等的组合。

[0044] 所述点火起燃装置300、第一温度传感器500和第二温度传感器550以及压差传感器600通过导线与控制器400相连接；控制器400还可能与车辆和发动机的通讯系统，比如CAN通讯系统，相连接获取发动机与整车信号。

[0045] 所述控制器400根据从第一温度传感器500和第二温度传感器550传来的温度信号、从压差传感器600所传来的压差信号、可能获得的发动机及整车其他信号，以及再生控制策略来确定对DePM装置进行再生的时机与时间。

[0046] 实施例2

[0047] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热方法，采用实施例1所述的主动再生先导式加热降颗粒物(DePM)装置，包括如下过程：

[0048] 利用颗粒物收集器200内置的点火起燃装置300输入热量点燃颗粒物收集器200内所收集的颗粒物，并利用颗粒物收集器200内的颗粒物燃烧所产生的热量对下游的催化过滤器1000-1进行加热，引发催化过滤器再生。

[0049] 在正常使用过程中，PM收集器200不断地、优先于催化过滤器1000-1收集颗粒物(PM)，这样在催化过滤器1000-1内积累PM到一定程度需要再生时，PM收集器200已经收集到足够多的PM；此时，控制器400发出再生信号，控制点火起燃装置300加热点燃PM收集器内的颗粒物，使其燃烧起来，可以产生足够的热量来引发下游的催化过滤器1000-1的再生。

[0050] 实施例3

[0051] 一种内燃机尾气净化后处理系统的主动再生先导式加热降氮氧化物(DeNOx)SCR装置，如图3所示：包括SCR封装壳体100，排气从左边一端进入，从右边一端排除；在进口端排气管上安装有一个尿素喷嘴800，使尿素雾化并喷入排气管；同时，在壳体100中间(或者两端)安装有温度传感器500，测量SCR装置内部排气温度；另外，在壳体100出气端安装有一个氮氧化物(NOx)传感器900(开环系统)，或者在进气端和出气端分别安装有一个NOx传感器900(闭环系统)，用于测量该部位排气中NOx浓度。

[0052] 所述SCR催化剂1000-2封装腹腔内，在靠近进气端安装有一个颗粒物(PM)收集器200，在收集器200的下游安装有SCR催化剂1000-2，或者某种催化剂组合，比如DOC+DPF+SCR，等等。

[0053] 所述PM收集器200内置一个点火起燃装置300，该点火起燃装置300可以采用电加热也可以采用喷射燃料(或发应剂)加热来点燃颗粒物(PM)，可以永久固定在封装壳体100上，也可以做成是可拆卸更换的装置。

[0054] 所述起燃装置300、温度传感器500以及尿素喷嘴800通过导线与控制器400相连接，尿素喷嘴800同时还通过尿素喷射管道与尿素计量泵(图中未显示)相连接，控制器400还可能与车辆和发动机的通讯系统，比如CAN通讯系统，相连接获取发动机与整车信号(图中未显示)；

[0055] 所述控制器400根据从温度传感器500传来的温度信号、可能获得的发动机及整车其他信号，以及尿素喷射控制策略来喷射尿素。

[0056] 实施例4

[0057] 一种用于内燃机尾气净化后处理系统的先导式加热方法，采用实施例3所述的主动再生先导式加热降氮氧化物(DeNOx)SCR装置，包括如下过程：

[0058] 利用颗粒物收集器200内置的点火起燃装置300输入热量点燃颗粒物收集器200内所收集的颗粒物，并利用颗粒物收集器200内的颗粒物燃烧所产生的热量对下游的催化剂1000-2进行加热，令催化剂升温。

[0059] 在正常使用过程中，PM收集器200不断地收集颗粒物(PM)，这样在SCR催化剂1000-2需要加热时，控制器400可以控制点火起燃装置300加热点燃PM收集器200内的颗粒物，使其燃烧起来，可以产生足够的热量来加热下游的SCR催化剂1000-2，使其升温，最终达到提高SCR催化剂效率的目的。

[0060] 上文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。另外本文中虽然使用尿素或尿素溶液为例来说明计量系统的功能，但是本发明适用于任何其他流体尿素。

[0061] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。