通过借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生对催化的柴 油机颗粒过滤器 (DPF) 进行再生的方法和设备 技术领域 本申请涉及与本申请同一天提交的、 名称为 “用于使用再循环的 NOX 的柴油机 颗粒过滤器的 NO2 基再生的方法和设备” 的共同转让、 共同未决的申请 No._( 代理所卷号 No.000009-261)， 并要求 2009 年 2 月 7 日提交的、 名称为 “用于使颗粒过滤器的主动 NO2 再 生的 NO2 反应物的烟灰减少能力最大化的方法” 的美国临时申请 61/063,900 的优先权。
本发明涉及再生柴油机颗粒过滤器 (DPF)( 即， 从 DPF 中除去积累的颗粒物质或烟 灰 ) 的方法和设备， 更具体地， 本发明涉及包括用 NO2 进行氧化反应的方法和设备。
背景技术
从 DPF 中除去烟灰的最普通的方法是氧化捕集的烟灰以制备可以通过过滤器介 质的气态产物 (CO2 和 CO) ； 该过程称为再生。有两种用于再生的主要机理 ： 称为 O2 基再生 的由 O2 氧化烟灰 ((C+O2 → CO2) 和 / 或 (2C+O2 → 2CO)) ； 和称为 NO2 基再生的由 NO2 氧化烟 灰 ((C+2NO2 → CO2+2NO) 和 / 或 (C+NO2 → CO+NO))。
目前已知并用于 DPF 再生的实施方案包括主动 O2 基再生系统、 被动 NO2 基再生系 统或其组合。主动 O2 基再生系统通过多种方法升高反应物的温度， 以建立并维持 O2/ 烟灰 的反应。在主动 O2 基再生过程中， 基本上所有烟灰都通过和 O2 的反应而除去。被动 NO2 基 系统使用催化剂以由排气中已经存在的 NO 形成 NO2( 通常在 DPF 上游的氧化催化剂中 )， 并 降低 NO2/ 烟灰反应所要求的活化能， 以使所述反应在通常发动机操作范围的一些部分中可 实现的温度水平下发生， 而无需反应物的主动热管理。
已经证实了用于 DPF 再生的主动 O2 基和被动 NO2 基概念的许多实施方式。被动 NO2 基再生的主要限制是其不能确保 DPF 在所有应用中都能充分地再生。为了解决该问题， 可选择地或除被动 NO2 基再生以外， 实施主动 O2 基再生。O2 基再生的主要限制是较低的最 大 DPF 烟灰负荷水平 ( 这是一定会观察到的 )， 和要求比 NO2 基再生所需温度明显更高的温 度。更高的温度要求以及需要进行更频繁的再生， 会导致所有受到影响的排气后处理装置 的性能和耐久性劣化， 包括烟灰过滤和再生组件下游的那些， 例如 SCR 系统。温度问题的解 决方案必须通过如下方式解决 ： 开发更耐用的后处理装置和 / 或实施另外的装置、 系统和 / 或方法来降低后 DPF 温度。
人们已经提出一些方法来对主动 O2 基和被动 NO2 基再生概念进行补充。美国 专利申请公开 No.2007/0234711 讨论了一种在操作规程过程中引进具有最佳 NOx 生成的 可选择的控制策略， 在所述操作规程中已经被动地建立了足够的反应物温度。美国专利 No.6,910,329B2 讨论了这样一种方法， 通过该方法主动控制反应物温度和 DPF 体积流量 ( 和从而控制 DPF 停留时间 ) 以扩展 (extend) 操作规程， 在所述操作规程中可以获得足够 的被动 NO2 基再生活性。发明内容 根据本发明的一个方面， 一种通过借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生对催 化的柴油机颗粒过滤器 (DPF) 进行再生的方法包括 ：
将含 NOx 的气体引入所述 DPF 中 ； 以及
控制所述 DPF、 所述含 NOx 的气体和所述 DPF 中的烟灰中的至少一种的温度， 同时 控制所述 DPF 入口处的 NOx 水平， 使得所述含 NOx 的气体和催化剂反应以形成 NO2 分子， 所 述 NO2 分子此后和烟灰颗粒反应以形成 CO、 CO2 和 NO 分子， 并且 NO2 效率大于 0.52gC/gNO2， 以及使得小于三分之二的从所述 DPF 中除去的烟灰质量被所述气体中的 O2 分子氧化， 以形 成 CO 和 CO2 分子。
根据本发明的又一方面， 一种柴油发动机装置， 包括 ：
柴油发动机， 其被设置以将含 NOx 的气体引入催化的柴油机颗粒过滤器 (DPF) 中；
加热装置， 其被设置以控制所述 DPF、 所述含 NOx 的气体和所述 DPF 中的烟灰中的 至少一种的温度 ； 和
控制器， 其被设置以控制所述加热设备， 从而通过下列方式进行借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 ： 通过控制所述温度和通过控制所述 DPF 入口处的 NOx 水平， 使
得所述含 NOx 的气体和催化剂反应以形成 NO2 分子， 所述 NO2 分子此后和烟灰颗粒反应以形 成 CO、 CO2 和 NO 分子， 并且 NO2 效率大于 0.52gC/gNO2， 以及使得小于三分之二的从所述 DPF 中除去的烟灰质量被所述气体中的 O2 分子氧化， 以形成 CO 和 CO2 分子。
根据本发明的又一方面， 一种再生柴油机颗粒过滤器 (DPF) 的方法包括 ：
进行第一再生， 以通过进行借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生来至少部分 再生所述 DPF， 所述借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生包括 ：
将含 NOx 的气体引入所述 DPF 中 ； 以及
控制所述 DPF、 所述含 NOx 的气体和所述 DPF 中的烟灰中的至少一种的温度， 同时 控制所述 DPF 入口处的 NOx 水平， 使得所述含 NOx 的气体和催化剂反应以形成 NO2 分子， 所 述 NO2 分子此后和烟灰颗粒反应以形成 CO、 CO2 和 NO 分子， 并且 NO2 效率大于 0.52gC/gNO2， 以及使得小于三分之二的从所述 DPF 中除去的烟灰质量被所述气体中的 O2 分子氧化， 以形 成 CO 和 CO2 分子 ； 和
进行第二再生， 以通过进行常规 NO2 基再生和主动 O2 基再生中的至少一种来至少 部分再生所述 DPF。 附图说明 通过阅读下面的详细说明并结合附图， 将很好地理解本发明的特征和优点， 其中 类似的附图标记表示类似的元件， 其中 ：
图 1 在局部横截面图中， 示意性示出 DPF 通道壁的一部分， 说明根据本发明一个方 面的 NO 再循环 ；
图 2 是样品柴油机氧化催化剂 (DOC) 在各种排气质量流速下的 NO2 转化效率对温 度的图， 其示出了平衡线， 在该平衡线上 NO2 转化为 NO ；
图 3A 是烟灰负荷对再生时间的图， 其比较了常规 NO2 基再生和根据本发明一个方
面的借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生， 并且图 3B 是图 3A 中图示的数据表 ； 以及
图 4 示意性示出根据本发明一个方面的排气后处理系统。
发明详述
本发明应该首先描述如本发明人目前理解的通常理论性更强的术语， 然后再描述 更具体的方面。除非这些理论清楚地包括在权利要求中， 本发明不能被认为受限于本文中 阐述的理论， 所述理论用来解释本发明人目前对于本发明如何起作用的理解。
本发明人认识到 DPF 中的烟灰的反应速度受到限制的方式有两种。所述反应将或 者受到动力学控制 ( 由于太低的反应物温度 ) 或受扩散限制 ( 由于太低的反应物供应 )。 简言之， 必须供应所需的反应物， 并且必须获得所述反应的最低活化能。 这些条件可通过在 正常操作过程中的主动控制来满足或被动地实现。
对于任何类型的使用主动热控制的主动再生过程， 反应物的温度升高到这样的 点， 此时对于所需反应建立了足够的反应速度。这通常通过外部方式 ( 通过烃的催化氧化、 燃烧器系统、 电加热、 微波等 ) 将过滤器介质、 排气和 / 或捕获的烟灰的温度升高到它们的 正常操作温度 ( 该正常操作温度将不足以支持再生 ) 之上而实现。主动再生过程可以实施 反应物供应的主动控制， 尽管这并未进行过。 例如， O2 基再生为动力学控制的并且具有大量 O2， 而常规 NO2 策略通常不会主动调节 NO2 或 NOx 供应。 根据定义， 被动再生系统将不会为了促进再生的目的而主动控制反应物温度或反 应物供应。然而， 一些被动方式也用于促进再生活性。具体而言， 和捕获的烟灰接触的催化 剂 ( 例如 DPF 中的催化剂涂层 ) 用于降低相关反应所需要的活化能 ( 温度 )， 从而减少反应 的动力学控制 ( 即， 能够具有更高的反应速度 )。 如果存在足够高的反应物温度 ( 该温度将 不仅限于支持所有反应物的完全反应 )， 则反应受到扩散限制。在 DPF 充满烟灰的情况下， 扩散限制的反应意味着含氧反应物的供应受到限制。因此， 催化剂可用于被动地增加反应 物供应 ( 例如将不可用的 NO 转化为有用的 NO2)， 从而减少反应的扩散限制 ( 即， 能够具有 更高的反应速度 )。
在考虑烟灰氧化方法 ( 即， 从 DPF 中除去烟灰 ) 的实际应用时， 必须使反应速度、 烟灰氧化速度、 发动机烟灰产生速度和烟灰除去速度之间产生差异。人们可以从实际的最 终目标 ( 即除去 DPF 烟灰 ) 开始， 并继续回到化学反应速度的更加基础的理论概念。烟灰 质量除去速度简单地是每单位时间 DPF 烟灰质量的变化。烟灰除去速度在再生事件过程中 将不是不变的， 因为其是捕获的烟灰质量 ( 其随着时间而改变 ) 的函数。烟灰除去速度等 于烟灰氧化速度和发动机烟灰产生速度之间的差。等式 1 描述了作为时间函数的 DPF 中的 烟灰质量。
式I烟灰负荷密度、 烟灰氧化速度和烟灰产生之间的关系有几种结果。对于稳定的再 生过程 ( 其中再生条件， 包括温度和反应物供应， 已经稳定 )， 在再生事件开始获得最高的 烟灰氧化速度和烟灰除去速度。随着再生的进行， 烟灰氧化速度将减小直到其最终和烟灰 产生速度相交， 在该点处烟灰除去速度将等于零。因此， 所有再生过程 ( 包括主动 O2 基再 生 ) 将接近非零的平衡烟灰负荷。对于特别有效的策略， 可以接近几乎完全的烟灰再生， 但不会达到。
等式 2 中表示的烟灰氧化速度等于捕获的烟灰质量乘以化学反应速度。反应速度 主要是温度和参与反应的 NO2 的量的函数， 参与反应的 NO2 的量是 NO2 供应、 烟灰质量和再 循环次数的函数， 其中 “再循环” 定义为平均一个 NO2 分子参与超过一个 C 原子的氧化反应。 由于再循环是 NO 氧化反应， 因此再循环的次数主要由 NO 氧化反应速度和停留时间确定。 NO 氧化反应速度主要是温度、 反应物有效性和催化剂有效性的函数。
式2m ＝烟灰质量
C ＝常数
[NO2] ＝ DPF 中参与反应的 NO2 的浓度
T ＝反应温度
E ＝活化能
R ＝普适气体常数
α、 β、 γ 为指数
再生过程主要由必须另外 ( 通常 ) 接触催化剂的非均匀分布的固态和气态反应物 之间的表面反应组成。因此， 随着烟灰密度增加， 移动的含氧气体分子 ( 迅速 ) 定位于不动 的 ( 并且非均匀分布的 ) 烟灰颗粒上的可能性将增加， 在存在不动的固体催化剂的情况下 也是这样。因此， 随着烟灰负荷密度增加， 立即发生更多的反应。如果不是全部的话， 对于 大部分动力学限制的再生过程这都是真实情况。本发明人认识到， 对于大部分 ( 如果不是 全部的话 ) 扩散限制反应 ( 其中限制性反应物被再循环 )， 这都是真实情况。 再循环现象示 意性示于图 1 中， 其示出在 DPF11 上存在催化剂 10 的情况下， NO 和 O2 反应形成 NO2 ； NO2 和 DPF 上的烟灰 12 反应以形成物质， 例如 NO+CO+CO2 ； NO 在催化剂存在下再次和 O2 反应以形 成 NO2 等， 直到 NO 或 NO2 离开所述系统。本发明人认识到下列情况通常不是真实的 ： 对于具 有大量烟灰 ( 其中限制性反应物不能或不会再循环 ) 的扩散限制反应， 随着烟灰负荷密度 增加将立即发生更多的反应。 在该情况下， 所有限制性反应物已经被消耗并且无法再使用 ； 因此已经发生最多的反应次数。因此， 根据本发明方面的方法优于常规 NO2 基法， 即随着烟 灰负荷的增加， 再生效率和 NOx 效率将显著增加。
柴油机排气中存在的 NOx 主要由 NO 组成， 只有少部分的 NO2。因此， 在被动再生系 统中， 催化剂 ( 例如柴油机氧化催化剂 (DOC)) 通常用于由 NO 形成 NO2。
通常期望通过下列方式来增加对于给定的 NOx 量， 可获得的被动 NO2 基再生活性 ： 增加 NO2/NO 比， 从而增加总 NO2 或反应物的量。换句话说， 通常期望通过增加限制性反应 物 NO2 的供应来增加 DPF 中烟灰的反应速度。然而， 如图 2 中所示， 对于给定的排气质量流 量， 催化剂将 NO 转化为 NO2 的效率最初随着温度的增加而增加， 之后其开始降低并最终沿 着 NO-NO2 平衡线下降。一旦与平衡线重合， 则 NO2 供应处于平衡限。实际测定的 NO2 供应 ( 其等于或小于平衡限 ) 应被称为 “平衡限制的 NO2 供应” 。
平衡限制的 NO2 供应涉及具有和不具有 DPF 上游的催化剂的系统。 在系统具有 DPF
上游的有效催化剂的情况下， 平衡限制的 NO2 供应将是指实际的 NO2 量， 其在 DPF 上游形成 并通入 DPF。 应该理解对于具有 DPF 上游的催化剂的系统， 在再生事件过程中催化剂必须有 效地实质上增加含 NOx 的气体的 NO2 供应 ； 否则为了确定平衡限制的 NO2 供应之目的， 考虑 使所述系统不包括 DPF 上游的催化剂。当没有 NO2 参与烟灰氧化反应时 ( 例如在 DPF 不存 在烟灰的情况下 )， 如果到达 DPF 的可由自催化剂获得的 NO2 的量明显少于离开 DPF 的 NO2 的量， 在再生事件过程中认为催化剂没有有效地实质上增加 NO2 供应。 在系统不具有 DPF 上 游的催化剂， 和其中 NO2 在催化的 DPF 中形成的情况下， 平衡限制的 NO2 供应将是指当没有 NO2 参与烟灰氧化反应时从 DPF 中消失的 NO2 的量。
在被动 NO2 基再生的过程中， 烟灰氧化反应可能是动力学控制或扩散限制。在全 负荷的 DPF 的情况下， 限制类型取决于反应物温度以及供应至反应中的 NO2 的量。
动力学控制的 NO2/ 烟灰反应是指并非所有通过 DPF 的 NO2 均可进行反应， 尽管其 仍在 DPF 内， 并且因此被 “浪费” 。和在主动 O2 基再生的情况中的 O2 不同， NO2( 和 NOx) 是受 控的排放物， 因此应该避免不必要地产生未参与烟灰再生的 NO2。
可选择地， 扩散限制的 NO2/ 烟灰反应是指供应的 NO2 的量少于在给定停留时间内 在优势温度下可能反应的量。类似地， 如果反应受烟灰扩散限制， 这是指 DPF 烟灰负荷较 低。反应物 (NO2) 在反应器 (DPF) 内消耗的时间被称为停留时间。在扩散限制的反应的情 况下， 增加 NO2 供应烟灰再生将可以更快地完成。在被动 NO2 基再生事件中， 最佳 NOx 的量 将是产生平衡限制的 NO2 供应 ( 其将大致匹配在优势温度下的动力学反应速度 ) 的量。因 此， 反应将接近动力学控制和扩散限制之间的平衡点。 可以以此目标， 设计出主动控制反应 物温度和 / 或供应和 / 或停留时间的主动 NO2 基再生概念。无论被动还是主动实施， 这些 方案在本文中将被称为 “常规” NO2 基再生概念。常规 NO2 基再生概念将寻求接近动力学和 扩散限制之间的最佳平衡点， 从而使 NO2/ 烟灰反应速度最大。
无论是否认识到， 常规 NO2 基再生方法寻求通过最佳地增加供应至反应的 NOx 的 量中的 NO2 百分比 ( “NO2％” ) 和 / 或最佳地调节反应物温度， 来增加烟灰再生功效和 / 或效 率到这样的程度， 在所述程度实现动力学控制和扩散限制的烟灰氧化反应之间的平衡点。 如果常规方法寻求增加供应至反应的 NO2 百分比， 这通过增加供应至 DPF 的 NO2 百分比或可 选择地增加 DPF 内的潜在平衡 NO2％来实现， 其中潜在平衡 NO2％由供应至 DPF 的 NO 和 NO2 组合、 DPF 内的优势条件和 NO-NO2 平衡关系来确定。
本发明人认识到， 根据本发明这些方面的方法可以实现大于常规方法的烟灰再生 功效和效率。 本发明人认识到， 和烟灰反应的 NO2 的量可以远远大于供应至反应器 (DPF) 的 NO2 的量。此外， 本发明人认识到， 在给定时间周期内和烟灰反应的 NO2 的量可以甚至还大 于在相同时间周期内将通过反应器的 NO2 的理论平衡量。根据本发明这些方面的方法通过 增加烟灰氧化反应速度和 NO 氧化反应速度， 增加了和烟灰反应的 NO2 的量， 即使这可能使 供应至 DPF 的 NO2 浓度和 DPF 内的平衡 NO2 浓度降低。在这样做时， 根据本发明这些方面的 方法可将 NO 再循环机理的优点极大地赋予烟灰再生过程， 从而认识到明显高于常规 NO2 基 方法的烟灰再生功效和效率。
本发明的这些方面不必寻求使平衡限制的 NO2 供应最大化或建立在动力学控制和 扩散限制之间大致平衡的烟灰氧化反应。本发明的这些方面也不必寻求主动扩展 ( 通过 热、 体积流量或反应物供给管理 ) 发动机操作范围 ( 其中可发生常规 NO2 基再生 )。代之以引入 “有效 NO2 供应” 的概念， 所述有效供应将被增强以增加其相对于在常规 NO2 基再生过 程中将预期的功效的烟灰除去功效， 即使平衡限制的 NO2 供应降低。为了本申请的目的， 有 效 NO2 供应被定义为参与烟灰氧化的 NO2 的量。参与的 NO2 可以直接来自平衡限制的 NO2 供 应、 在催化的 DPF 中氧化的 NO 或来自 NO 再循环。还引入了 NO2 反应物的烟灰除去能力的概 念。即使使用的方法会引起平衡限制的 NO2 供应降低， 其也可以同时极大地增加所述有效 NO2 供应， 从而增加平衡限制的 NO2 供应的烟灰除去能力， 进而导致明显更高的烟灰氧化速 度。条件可以被控制为使得即使将比在常规条件下更少量的 NO2 供应至 DPF， NO 转化为 NO2 的速度以及 NO2 和烟灰在 DPF 内反应的速度也大于在常规条件下 ( 其中更大量的 NO2 供应 至 DPF) 的速度。在本发明的这些方面中， NO 被有效地 “再循环” 通过催化反应以形成 NO2， 通常多于一次， NO2 继而和烟灰反应并再次形成进行催化反应的 NO， 等。因此， 与平衡限制 的 NO2 供应的情况相比， 在根据本发明的这些方面控制的条件下， 发动机排气中的特定量的 NOx 可有效地氧化更多的烟灰。本发明的这方面在本文中将称为 “(DPF 的 ) 借助增强的有 效 NO2 供应的主动 NO2 基再生” 。在常规主动 NO2 基再生过程中， 可利用的 NO2 的量可主要由 总的可允许的 NOx 的量 ( 如由本申请确定的那样 ) 和用于给定操作条件组 ( 包括为主动控 制的那些 ) 的平衡 NO-NO2 比来决定。常规 NO2 基再生概念和所阐述的概念的区别目标的含 义是明显的， 无论是在概念的应用 ( 方法和设备 ) 还是在其功效和效率中。 引发 O2/ 烟灰反应所需的活化能明显高于引发 NO2/ 烟灰反应所需的活化能。由于 O2/ 烟灰反应需要较高的活化能， 因此催化剂技术中的现有技术并未证实在柴油发动机的 正常操作条件下能够实现烟灰的实际被动 O2 基再生。实际上， 有效的 O2 基再生只在高于约 600℃的温度下主动实现。因此， 对于熟悉 DPF 再生的人们来说， “主动” 再生的概念和实施 通常是对于 O2 基再生而言， 并且这些术语已经被互换使用。同样， “被动” 再生和 NO2 基再生 的概念和术语通常广泛地相互互换使用， 尽管应该对它们进行区分。 本发明明确了主动 “再 循环的” NO2 基再生的概念并建立了用于其的方法和设备， 所述主动 “再循环的” NO2 基再生 具有比常规 NO2 基再生明显更高的烟灰除去功效和改善的总 NOx 效率， 从而在明显降低的 排气温度下可以实现相当于或超过主动 O2 基再生的烟灰除去功效， 以及允许比主动 O2 基再 生更高的 DPF 烟灰负荷和在更宽的操作范围应用的能力。NOx 效率应该明确地定义为在一 定时间段内除去的烟灰质量 (gC) 除以供应至 DPF 的 NOx 的质量 (gNOx)， 所述的一定时间段 相对于有效再生基本上充满的 DPF 所需要的时间是可观的， 但并不超出该时间。单位 “gC” 是从 DPF 中除去的烟灰的质量， 并且单位 “gNOx” 是积累的 NOx 供应的质量。当 DPF 烟灰负 荷为烟灰负荷的至少 90％时 ( 此时在所考虑的系统中， 通常将引发再生 )， DPF 被认为是基 本上充满的。 一旦不再保持可观的烟灰除去速度， 认为有效地再生了 DPF。 关于在大部分烟 灰除去过程中的烟灰除去速度确定可观的烟灰除去速度。 大部分的烟灰除去可被认为是除 去总烟灰的约 50％。
与之前的再生概念相比， 本发明方法和设备的这些方面寻求通过反应物的主动热 管理 ( 此处具体为通过 DPF 的热管理 ) 的联合， 并联合 NOx 生成的主动控制， 来使 NO2 基再 生主动最大化， 从而使得可以主动控制 NO2 反应物的体积流量 ( 和由此的停留时间 )， 以增 强 NO2 反应物的烟灰除去能力。相比之下， 常规 NO2 基再生概念主要寻求通过使用催化剂和 / 或不太常用的 NOx 生成的主动控制， 来增加总 NO2 反应物的量至适于优势反应物温度的水 平， 或可选择地通过热和体积流量控制主动扩展操作规程 ( 其中可发生常规 NO2 基再生 )。
借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的方法和设备阐述了 NO2 反应物的烟 灰除去能力的概念并主要寻求使其最大化， 即使 NO2/NO 比以及因而平衡限制的 NO2 供应降 低。实际上， 这通常表示 NO2/ 烟灰反应是扩散限制的， 这主要是由于比常规 NO2 基再生情况 明显更高的反应速度的动力学条件。
DPF 内捕获的各 C 原子可以和一个 NO2 分子参与氧化反应 (C+NO2 → CO+NO)， 或可选 择地可以和两个 NO2 分子参与氧化反应 (C+2NO2 → CO2+2NO)。 基于 NO2 的摩尔质量 (46.01g/ mol) 和 C 的摩尔质量 (12.01g/mol)， 该反应的化学计量学决定了反应的烟灰质量将在反应 的 NO2 质量的～ 13％ ( 对于 1 ∶ 2 摩尔反应 ) 和 26％ ( 对于 1 ∶ 1 摩尔反应 ) 之间。认 识到颗粒物质主要由烟灰 ( 一般根据经验表示为 C8H) 以及量不太大的未燃烧的 HC 和惰性 物质组成。因此， 有理由假设在再生过程中 DPF 烟灰负荷的变化主要是由于除去了 C。为了 在本文中进行计算， DPF 烟灰质量的变化应该假设为只是由于除去了 C。
在使用 NO2 进行催化的 DPF 被动再生的情况下， 关于 DPF 内的正常温度和停留时 间范围， 最佳的情况通常是 ： 在离开 DPF 前， 任何给定的 NO2 分子或 NO 分子 ( 其首先氧化成 NO2) 能够平均完成少至少于一次的烟灰氧化反应。这主要是由于下列事实 ： 在常规操作过 程中， 通常在减少的停留时间 ( 即， 在高的排气质量流量和温度 ) 下实现提高的 DPF 和烟灰 温度， 其中 NO2 具有更少的时间来反应。同样， 在更长的停留时间 ( 更低质量流量和温度 ) 下， 无法实现升高的 DPF 和烟灰温度。
在 NO2 基再生测试中， 引入 NO2 效率的测定 ( 其涉及 NO2 和 C 的反应化学计量学 ) 以评价具体方法的有效性。NO2 效率明确地定义为在一定时间段内测定的从 DPF 中除去的 C 的质量除以提供至 DPF 的 NO2 的质量， 所述时间段相对于有效再生基本上充满的 DPF 所需 要的时间是可观的， 但并不超出该时间。当 DPF 烟灰负荷为烟灰负荷的至少 90％时 ( 此时 在所考虑的系统中通常将启动再生 )， DPF 被认为是基本上充满的。一旦不能保持可观的烟 灰除去速度， DPF 被认为进行了有效地再生。关于在大部分烟灰除去的过程中的烟灰除去 速度确定可观的烟灰除去速度。大部分烟灰除去可被认为是总除去的烟灰的约 50％。
通过限定一定时间 ( 所述时间相对于有效再生 DPF 所需要的时间是可观的 ) 内的 NO2 和 NOx 的效率， 旨在排除在瞬时发生基础上计算的测量值， 和 / 或反映继续经过不再维 持明显的烟灰除去速度的点的再生。 在测试中， 一些再生的烟灰由引入的排气来供应， 并且 相关的再生反应不会降低 DPF 烟灰负荷。这尤其将降低测定的 NO2 效率。常规 NO2 基再生 的常规知识规定 NO2 效率将不会明显超过 12.01gC/46.01gNO2 ＝～ 0.26gC/gNO2。 单位 “gC” 是从 DPF 中除去的烟灰的质量， 并且单位 “gNOx” 是积累的平衡限制的 NO2 供应的质量。甚 至假设在升高的温度 ( 接近或刚超过图 2 中所示的 NO-NO2 转化稳定水平 ) 下， 总 NO2 基烟 灰氧化活性将明显降低， 这是因为不断减少的平衡限制的 NO2 供应不能利用升高的温度。 换 句话说， 升高温度将仅仅降低 NO2 供应， 并且导致更加扩散限制的反应， 因此降低反应速度， 从而获得更低的总烟灰除去。常规被动 NO2 基再生在一定时间段 ( 所述时间段相对于再 生基本上充满的 DPF 所需要的时间是可观的， 但并不超出该时间 ) 内的 NO2 效率明显低于 0.52gC/gNO2， 更通常低于 0.26gC/gNO2。
然而， 正是通过主动升高反应物温度， 所阐述的方法的一个方面能够获得比常规 NO2 基再生技术明显更好的烟灰除去结果， 其中 NO2 效率远高于 0.52gC/gNO2。该方法允许 NO2 效率数倍高于 0.52gC/gNO2。这通过增加 NO2 的烟灰除去能力、 目标是增加有效 NO2 供应( 和平衡限制的 NO2 供应， 不是必须的 ) 来实现。NO2 的烟灰除去能力增加的机理是 NO 再 循环机理。本发明人已经认识到在催化的 DPF 内在给定足够长的停留时间和足够高的温度 下， 和烟灰反应并形成 NO 分子的 NO2 分子然后可以再循环回到 NO2 中， 其继而可参与另外的 烟灰氧化反应。该过程本身可重复多次， 只要停留时间、 烟灰氧化和 NO 氧化反应的动力学 反应速度、 烟灰有效性、 氧气有效性和催化剂有效性允许。
应该注意度量 “NO2 效率” 还可以依照提供的每摩尔 NO2 所除去的 C 的摩尔数来定 义。然而， 由于此处使用的 NO2 效率主要是用作为比较常规被动 NO2 基再生和借助增强的有 效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的性能的度量， 目前认为其是否依照 gC/gNO2 表示还是依照 C 摩尔数 /NO2 摩尔数表示并不是非常有意义的。注意到， 在常规被动 NO2 基再生过程中， 可以 有利地存在 NO 的再循环， 但是再循环的量将明显低于通过借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生而获得的量。
另外， NO2 效率度量假设， 如果在 DPF 上游提供催化剂， 所述催化剂是有效催化剂。 有效催化剂被认为是一种可以大量提高 NO2 水平至用于所讨论气体条件的最大可能的平衡 水平的催化剂。假定否则存在如下的风险 ： 在常规被动 NO2 基再生的过程中， 无效的上游催 化剂可能递送低水平的 NO2， 并且 DPF 的再生将主要是 DPF 中 NO 转化为 NO2 的函数并标志 着高的 NO2 效率， 而不会获得根据本发明这些方面的烟灰除去功效。此处描述的模型和例 子假设任何上游催化剂都是有效催化剂。对于任何系统 ( 即， 具有有效的上游催化剂的系 统、 具有无效的上游催化剂的系统和不具有催化剂的系统 )， 平衡限制的 NO2 供应还可以被 认为是指当没有 NO2 参与烟灰氧化反应 ( 例如在 DPF 不存在烟灰的情况下 ) 时， 从 DPF 中 消失的 NO2 的量。
通过主动升高温度 ( 和到达可能程度的停留时间 )， 所阐述的方法寻求使 NO 再循 环机理所提供的优点最大化。 一些效果可以通过增加停留时间的多种方法来实现， 然而， 在 常规动力系装置中， 这将主要由发动机操作点 ( 速度和负荷 ) 规定， 并且因此减少停留时间 的能力将受到限制。NO2 分子再循环次数的最大化将主要通过反应物的热控制来增加 NO 氧 化反应的动力学条件而实现。由于与平衡限制的 NO2 供应将减少相比， NO 再循环的次数将 随着温度更快地增加， 因此即使在平衡限制的 NO2 供应减少时有效 NO2 供应也可增加。
实际上， 借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的最佳温度通常是允许的最高 温度。所述最高温度可以是距离如下温度具有可接受的安全限度的温度， 在所述温度下可 能发生失控的 O2 基再生、 组件温度受限制等， 其大部分将随系统不同而变化。 然而， 注意， 如 果操作条件为使得在给定温度下实现对于 NO 再循环的最大实际极限， 那么进一步的温度 升高将实际上减少有效 NO2 供应。对于 NO 再循环的最大实际限制可能受到多种因素的影 响， 例如 DPF 设计和 DPF 壁的物理特性。还要注意用于升高 DPF 温度的方法可能影响再生 性能。具体而言， 对于燃烧烃 (HC) 的系统 ( 包括催化的燃烧系统 )， 过量的 HC 进入 DPF 可 对 NO 再循环过程带来不利的影响。在该情况下， 在升高 DPF 温度的操作条件下， 将导致大 量增加的 HC 进入 DPF， 从而可对再生性能带来不利的影响。
当不受其他的约束限制时， 最高可允许的温度将是这样的温度， 其接近但与如下 温度保持足够的安全限度， 在所述温度下将引发不受控制的 O2 基再生。引发不受控制的 O2 基再生所需要的温度将作为催化剂特性和增加的烟灰密度的函数被降低。实际上， 低于或 等于约 550℃或者低于或等于约 500℃的 DPF 入口温度已被用于确保不会引发不受控制的O2 基再生， 并且获得借助增强的有效 NO2 供应的高度有效的主动 NO2 基再生。可以使用更高 的温度， 其具有改善的烟灰除去结果， 只要不受控制的 O2 基再生不会被引发即可。如果需 要， 也可以使用较低温度， 尽管可能观察到烟灰氧化性能下降。
通常， 在应用根据本发明方面的方法时， 当最佳地增加输入 NOx 流量时， 烟灰氧化 将最大化。因此， 对于最大可允许的 NOx 流量所设定的限制将降低烟灰除去性能——即， 从 给定起始烟灰负荷降低至给定最终烟灰负荷的再生 DPF 需要多少时间。 然而， 降低输入 NOx 的量将不会明显降低 NOx 效率， 因为输入 NOx 的量不会明显影响 NO 再循环机理。从概念上 论述， 降低总 NOx 流量将降低有效 NO2 供应流量， 但是其不会降低 NO2 反应物的烟灰除去能 力。这意味着需要大约相同的总 NOx 的量来再生给定的烟灰的量， 其将仅需要更长的再生 事件。因此， 使用本发明方面的再生给定的烟灰的量所需要的来自发动机的总 NOx 的量仍 明显少于常规 NO2 基再生事件所需要的量。
应该注意必须消耗附加能量以主动升高反应物温度。因此， 成本最低的借助增强 的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生将是在最少量的时间内 ( 即在最高可允许的温度、 最长可 能的停留时间和最高可允许的输入 NOx 的量下 ) 完成的一种。借助增强的有效 NO2 供应的 主动 NO2 基再生的再生性能， 可能通过基础发动机的约束条件 ( 例如最高可允许的汽缸压 力 ) 受限于其产生明显的 NOx 的量的能力。同样地， 引发借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的能力可受到主动控制反应物温度的能力 ( 例如要求最低催化剂温度的 DOC 系 统 ) 的限制。
不需要 NOx 后处理装置 ( 例如 SCR) 实施所述方法， 但将允许完全或部分减少离 开 DPF 的升高的 NOx 水平。NOx 生成 ( 以及质量流量的控制 ) 可通过发动机控制 ( 包括喷 射时间、 喷射压力、 涡轮增压器叶片的位置和 EGR 阀门位置 ) 来完成。设计用于在借助增强 的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生过程中的最佳 ( 或最大可允许的 )NOx 生产、 排气温度和 DPF 停留时间的可选择的控制策略可通过 ECU 来实施和引发。后处理烃喷射器可在 DOC 上 游喷射燃料。喷射的燃料在 DOC 上被氧化， 升高了排气温度， 从而升高 DPF 和捕获的烟灰的 温度。另外， DOC 从输入 NOx 的量生成 NO2 供应。然后将在 DOC 中生成的 NO2 的量送入 DPF 中， 在那里根据所述方法和上述确定的机理来进行烟灰氧化。
应该观察到 NO2 可由曾经在 DOC 内的 NO 分子形成。然而， 由于 NO 再循环机理， NO2 可在催化的 DPF 内由 NO 分子多次重新形成， 如图 1 中所示。由于大量有效 NO2 生成发生在 本发明的方面的 DPF 内， 因此不需要 DOC。因此， 任何具有催化的 DPF( 其另外能够主动控 制反应物温度 ) 的系统 ( 例如燃烧器系统、 电加热系统、 微波系统等 ) 可用于实施所述方法。 用于解释和描述所述概念和方法而示出的系统并不旨在表示可以实施所述方法的所有系统。
催化剂技术中的现有技术并已经能够在柴油发动机的某些升高的排气温度的操 作状态下进行常规 NO2 基再生， 但是功效低于主动 O2 基再生所证实的那些。因此， 在许多应 用中， 仅仅依靠常规 NO2 基再生并不足以满足要求的烟灰除去水平， 并且已经使用主动 O2 基 再生或者主动 O2 基和常规 NO2 基再生的组合。然而， 由于 O2/ 烟灰反应的放热和动力学控 制的性质， 需要进行限制来避免失控的 O2 基再生。特别地， 必须观察要求的最小排气质量 流量和最大可允许的 DPF 烟灰负荷。最小排气质量流量限制增加了在实际实施时发生不完 全再生的可能性。此外， 最大 DPF 烟灰负荷将决定需要 DPF 再生的频率。
由于借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生方法的扩散限制性质， 因此失控的NO2- 烟灰氧化反应不会发生。通过本发明的方法可能会引发不受控制的 O2 基再生。然而， 通过借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生方法和设备方面弱化了排气质量流量的限 制。同样， 引发不受控制的 O2 基再生所必需的 DPF 烟灰密度通过本发明方面明显增加。可 允许的更高 DPF 烟灰负荷水平允许更小频率的再生。在某些应用中， 可允许的更高 DPF 烟 灰负荷水平可以达到平衡烟灰负荷水平， 该水平低于最大 DPF 烟灰负荷水平， 但高于在 O2 基再生系统中允许的水平。因此， 在正常情况下的这些应用中， 不需要主动再生。然而， 如 果由于非正常的操作、 组件故障或其他因素而导致 DPF 负荷继续增加至预期的平衡之上， 仍可以使用借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生来进行安全地再生， 这使用 O2 基再 生是不可能的。
另外， 借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生可在比相同功效的 O2 基再生明 显更低的温度下实现， 从而降低对相关排气后处理装置性能的不利影响和减少损坏的可能 性。这将包括烟灰过滤和再生系统 ( 例如 SCR) 下游的组件。
图 3A 图示了常规 NO2 基再生的实施例和借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再 生的实施例。实施例 1 和 2 示出使用常规 NO2 方法的再生结果， 而实施例 3A 和 3B 示出使 用本发明方面的再生结果。图 3A 中图示的再生的总的事件时间示于图 3B 中的表中。这些 再生的总的事件时间包括加热试验系统所耗费的时间， 因此如果只在已经达到再生的正常 条件后在一定时间内测定 NOx 和 NO2 的量， 下表 1 中示出的 NOx 和 NO2 效率可能略低于它们 将具有的效率。然而， 如果不包含加热期间， 预期实施例 1 和 2 的常规 NO2 基再生与实施例 3A 和 3B 的借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生之间的差异甚至将显著地更有利。
实施例 1、 2、 3A 和 3B 中所述的试验都在发动机测功器上进行， 并且发动机在相 同的发动机速度和制动转矩下进行操作。此外， 对于各试验使用相同的设备。发动机是 US2010Volvo MD11L B-Phase 重型柴油发动机， 排气后处理系统是 Volvo US2010MD11 的 FleetguardB-Phase DOC 和 DPF。DOC 和 DPF 包括贵金属氧化催化剂 ； 使用的加热方案是在 DOC 上进行 HC 喷射。
用于烟灰负荷测定的测试方法学如下。 发动机通过预定的烟灰负荷路线操作以使 DPF 具有负荷。在加热下称重 DPF 以避免水分吸收误差， 并且计算初始烟灰负荷。重新安装 DPF， 并进行测量时间长度的期望的再生方法。在再生后立即记录热重 (hot weight)， 计算 新的烟灰负荷并确定烟灰负荷变化。这时候， 对于实施例 1 和 2， 分别进行一次或两次另外 的再生， 测量在各再生后的烟灰负荷。在期望数量的再生完成后， 使用高功效方法对 DPF 再 生延长的时间。
表 1 示出四个实施例的主要统计概述 ： 除去的烟灰质量、 积累的 NOx 和 NO2、 计算的 NOx 和 NO2 效率、 和消耗的总燃料。在 DPF 入口处的 NOx 和 NO2 被整合以确定在 NOx 和 NO2 效 率计算中使用的积累的 NOx 和 NO2 的量。 为了确定积累的 NO2， 对于所有实施例都模拟了 DOC 的 NO2 转化效率， 以确定作为 NOx 百分率的 NO2， 本文中称为 NO2％。另外， 在重复实施例 3A 和 3B 的条件的试验中， 测量 NO2 以证实实施例 3A 和 3B 中获得的不可预料的结果。
表 1 主要统计概述
在实施例 1 和 2 中， 发动机被校准以增加 NOx 生成， 以及尽可能地升高排气温度， 而不借助于 HC 喷射。在 NOx 生成和排气温度之间存在取舍。对于实施例 1， 取舍倾向于更 高的排气温度， 而实施例 2 偏向更高的 NOx 质量流量。实施例 1 和 2 中产生的 DPF 入口温 度在约 350-390℃的范围内， 平均 DPF 温度为约 325-375℃。
这些平均 DPF 温度接近于在驱动时典型被动 NO2 基再生中将观察到的温度， 至少 对一些部分的典型工作循环中是这样。 为了进行稳态试验 ( 其可更容易地分析 )， 实施例被 理解为表示常规方法和借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生之间的公正的比较。
实施例 3A 和 3B 示出了两种不同再生期间进行的借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生。在实施例 3A 和 3B 中， 发动机被校准以相对于实施例 2 进一步增加 NOx。另
外， 在 DOC 上使用 HC 喷射以将 DPF 入口温度控制为约 490℃， 从而导致平均 DPF 温度为约 470℃。从实施例 1、 2、 3A 和 3B 的比较中可看到通过此处称为常规技术 ( 实施例 1 和 2) 进 行的再生倾向于比借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 ( 实施例 3A 和 3B) 更慢。而 且， 借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的 NOx 效率和 NO2 效率倾向于远大于常规技 术的 NOx 效率和 NO2 效率。
图 4 示出了排气后处理系统 (EATS)21， 尤其可用于和柴油发动机 23 联合使用。 EATS 21 包括柴油发动机 23 下游的柴油机颗粒过滤器 (DPF)25。设置 DPF 25 以接收来自 发动机 23 的排气流。
为了进行借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生， 柴油发动机装置可包括设置 用于将含 NOx 的气体引入催化的 DPF 25 的柴油发动机 23。含 NOx 气体的质量流量可以以 任何合适的方式控制， 例如通过可变气门正时、 汽缸失效或使用非常规动力系装置来控制。 在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生中， 控制在 DPF 25 入口处的 NOx 水平， 通常通 过调节 DPF 上游的发动机汽缸中的局部火焰温度来进行。另外， 可设置加热装置 47 以控制 DPF 25、 含 NOx 的气体、 和 / 或 DPF 中烟灰中的至少一种的温度。可设置控制器 53 以控制加 热装置， 从而通过控制温度来协助借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生， 使得含 NOx 的气体和催化剂反应以形成 NO2 分子， NO2 分子此后再和烟灰颗粒反应以形成 CO、 CO2 和 NO 分子， 从而获得 NO2 效率大于 0.52gC/gNO2， 更优选大于约 1.04gC/gNO2。
加热装置 47 可包括烃喷射装置， 其被设置用于通过将烃喷射到 DPF 上游的柴油发 动机排气流中来控制 DPF 25 和含 NOx 的气体中的至少一种的温度。加热装置可 ( 例如在 DPF 上游的 DPF 25 或 DOC 43 中 ) 包含催化剂以与烃反应， 从而升高排气温度和 / 或促进 NO 转化为 NO2。加热装置 47 可包括用于燃烧烃的燃烧器。加热设备 47 可以是加热 DPF 25 而不是含有 NOx 的气流的类型， 例如用于加热烟灰的电加热装置或微波装置。
可提供管道 29 以允许气体 ( 包括再循环的 NO 和 / 或 NO2 或两者 ) 从 DPF 的点31( 其通常在 DPF 25 下游 ) 到点 33( 其通常在 DPF 的上游 ) 的再循环。在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生以及在被动或主动常规 NO2 基再生的过程中， 和在 O2 基再生的过 程中， NO 和 / 或 NO2 的再循环是有用的。表述 DPF 25 的 “DPF 下游” 和 “DPF 上游” 旨在包 括这样的装置， 其中点 31 和 33 与 DPF 以及 DPF 上的点是分离的， 其位于 DPF 基本部分的下 游或上游， 即管道 29 可直接连接至 DPF 上的一个或多个点， 使得管道在 DPF 入口下游的第 一点和第一点下游的另一点连接。其他方案也是可能的， 例如其中氧化催化剂 ( 例如 DOC) 被提供在 DPF 上游 (DOC 43) 或下游 (DOC243’ )， 并且可以从 ( 例如 ) 氧化催化剂上游入口 和 DPF 出口之间的点到分支点 (takeoff point) 上游的点之间进行再循环。如果再循环从 DPF 下游的氧化催化剂 DOC243’ 分支， 则再循环到 DPF 出口上游的点。理论上， 再循环可从 氧化催化剂 ( 如果设置 ) 或 DPF 入口下游的任何分支点到分支点上游的任何点， 使得至少 一些 NOx(NO2、 用于和 O2 反应形成 NO2 的 NO 和 / 或两者 ) 被再循环。
可以设置反应区域以使再循环的 NO 和 O2 反应而形成 NO2。该反应区域可包括区 域 37， 所述区域 37 包括点 35， 在点 35 处空气或 O2( 下文中称为 “空气 /O2” ) 可被喷射并和 再循环的 NO 混合以形成 NO2。所述反应区域可另外或可选择地包括如下区域， 其中再循环 的 NO 在存在催化剂的条件下和 O2 反应以形成 NO2。其中再循环的 NO 在存在催化剂的条件 下和 O2 反应的区域可以是区域 39， 其中催化剂是 DPF， 然而其中再循环的 NO 在存在催化剂 的条件下和 O2 反应的区域可以是区域 41， 其中催化剂包含 DPF 上游的柴油机氧化催化剂 (DOC)43。反应区域可包含反应区域 37、 39 或 41 中的任意一种或多种， 以及可使 NO 和 O2 反 应的其他区域， 提供所述区域的目的仅仅是促进 NO 和 O2 反应以形成 NO2。
可在 DPF 25 下游和下游 DOC243’ 的上游喷射空气 /O2。例如， 这可用于促进在 DOC243’ 中将 NO 转化为 NO2， 使得 NO2 可再循环回 DPF 25。为了增强再生， 可以在排气后处 理系统中的任何地方喷射空气 /O2。
再循环 NO2 或从再循环的 NO 形成 NO2 和此后使用 NO2 氧化烟灰并形成 CO、 CO2 和 NO， 和之后将 NO 再循环至 NO2 将完成至少一个进一步烟灰氧化反应以再生 DPF 25， 这在本 文中将称为 “使用再循环的 NOx 的借助增强的有效 NO2 供应的 (DPF 的 ) 主动 NO2 基再生” 。 再循环 NOx 的方法不仅提高了再生有效性， 且是在不增加系统外的规定的 NOx 的情况下做 到这样的。考虑在催化的 DPF 中的 NO 再循环和 NOx 再循环可有益地一起使用， 例如增加 在 DPF 中的 NO 停留时间。借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 ( 其必须包括催化 的 DPF， 并且无需包括 NOx 再循环 ) 和使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生 ( 其无需包括催化的 DPF) 都和寻求接近动力学和扩散限制之间的平衡点的常规 NO2 基再生相反。借助增强的有 效 NO2 供应的主动 NO2 基再生和使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生也都和主动 O2 基再生 ( 其 中基本上所有烟灰都通过和 O2 反应而除去， 并且其通常在大大高于常规 NO2 基再生、 借助增 强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生、 或使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生的温度 ( 对于催化 的 DPF， 高于约 600℃至约 625℃， 对于未催化的 DPF， 最高达并且有时超过 660℃ ) 下进行 ) 相反。主动 O2 基再生通常还包括 ( 例如 ) 使用加热装置 47( 例如后处理烃喷射器 ) 来加 热 DPF 入口 45 处的排气流。
NOx 后处理装置 ( 例如选择性催化减少后处理装置 (SCR)49) 可以提供在 DPF 25 下游以减少 NOx 排放。喷射空气 /O2 的反应区域 37 可以设置在 DPF 25 下游和 SCR 49 上 游， 然而其通常设置在 DPF 和 DOC43( 如果设置的话 ) 上游。然而， 在一些情况下， 在 DPF 25下游喷射空气 /O2 可能是有用的。可选择地， 空气 /O2 的喷射点 35 可在 DOC 43( 如果设置 的话 ) 下游。管道 29、 更特别为 DPF 25 下游的管道的点 31 可以设置在区域 51 下游， 在此 处喷射空气 /O2 使得再循环通过管道的气体可包括至少一些喷射的空气 /O2， 它们可以和再 循环的 NO 反应而形成 NO2， 以用于使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生。
可提供温度监测器 52 并将其与控制器 53( 例如一个或多个 ECU， 其可包含 ( 例如 ) 一个或多个计算机或微处理器 ) 相连， 以控制 DPF 25 或 DPF 入口 45 处的温度。温度监测 器 52 通常设置在 DPF 25 入口 45 处或其上游处。通常， 在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的过程中的温度保持为低于或等于约 550℃， 或低于或等于约 500℃， 通常其至少 保持为 450℃。如果温度被描述为低于或等于 “约” 某值， 应理解所述温度可高于该特定值 较小的量， 并且一些瞬时偏离 (transient excursion) 可能不只是超过该特定值较小的量。 加热设备 47 可被控制器 53 控制以使温度增加至期望温度范围内。如果温度在期望范围之 上， 可以采取合适的冷却措施， 例如通过控制器 53 控制阀门 55， 在喷射区域 37 处引入外部 空气 /O2。控制器 53 还可以控制 DPF 25 下游的空气 /O2 管线 51 中的阀门 56( 如果设置的 话 )， ( 例如 ) 以控制 SCR 49 中的温度或控制再循环的 NO 和 O2 的混合。
尽管注意到所述温度范围近似高于约 550 ℃， 但是通常在具有大量烟灰负荷的 DPF 中存在增加失控的再生的风险。在低于或等于约 550℃的温度下， 目前理论上是在借助 增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的过程中， 通过和 O2 的反应， 将所除去烟灰的小于三 分之二、 可能小于二分之一除去。必须评价在这样的一定时间内通过被气体中的 O2 分子氧 化形成 CO 和 CO2 分子而从 DPF 中除去的烟灰质量的理论百分率 ( 此处， 其在烟灰除去中也 应称为缩写术语 “O2 参与率” )， 所述时间相对于有效再生基本上充满的 DPF 的时间长度是 可观的， 但并不超出该时间。一旦无法维持可观的烟灰除去速度， DPF 被认为进行了有效地 再生。可观的烟灰除去速度在大部分烟灰除去的过程中相对于烟灰除去速度而确定。大部 分烟灰除去可被认为是总除去的烟灰的约 50％。当 DPF 烟灰负荷为烟灰负荷 ( 此时在所 考虑的系统中通常将引发再生 ) 的至少 90％时， DPF 被认为是基本上充满的。出于各种原 因， 认识到目前理论趋向于建议采用比实际发生更高的 O2 参与率。
在低于或等于约 550℃的温度下， 如果没有如在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的过程中所发生的那样控制 DPF 入口处的 NOx 水平， 则会进行较慢的再生， 其中 由于和 O2 反应， 基本上所有烟灰被除去。通过借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 控制温度和控制 NOx 水平通常将大大地增加再生效率。
目前还提出这样的理论， 通常当温度升高至足以使得除去烟灰的多于三分之二通 过和 O2 反应而除去时， 所述温度将接近通常和一些 O2 基再生的更低温度范围相关联的温 度， 尽管在这些 O2 基再生中， 因为没有如借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生中那样 控制 NOx， 基本上所有烟灰的除去是通过 O2 完成的。当如借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生那样控制 DPF 入口处的 NOx 水平、 并且将温度升至足以使得除去烟灰的多于三分 之二通过和 O2 反应而除去时， 大量负载烟灰的 DPF 可处于不受控制的再生的风险下。
一种用于确定在任何方法中 ( 例如在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 的过程中 ) 通过气体中的 O2 分子的氧化而形成 CO 和 CO2 分子来从 DPF 中除去烟灰质量的 百分率 ( 也可以叫 O2 参与率 ) 的、 有用的、 但不必排他性的技术包括一系列经验性试验， 特别是一系列经验性再生， 各再生都在相同时间期限内进行， 所述时间相对于有效再生 DPF所需要的时间是可观的但并不超出该时间。一旦无法维持明显的烟灰除去速度， DPF 应被 认为进行有效地再生。 在大部分烟灰除去的过程中相对于烟灰除去速度而确定可观的烟灰 除去速度。大部分烟灰除去可被认为是除去总烟灰的约 50％。
用于确定 O2 参与率所考虑的技术按照下列方式进行 ：
(A)DPF 被有效地清洁。用于清洁 DPF 的各种合适的方法是已知的， 并且并不认为 用于清洁 DPF 的特定方法是特别重要的， 除了所述方法必须产生合理一致的结果， 并且应 该一致地使用相同的方法外。
(B) 在步骤 (A) 后， DPF 被负载至烟灰负荷的至少 90％， 其中再生通常在所考虑的 系统中被引发。负载 DPF 的特定条件和方法应该产生合理一致的结果， 并且应该一致地使 用相同的条件和方法。
(C) 在步骤 (B) 后， DPF 通过所述方法被再生以在一定时间内进行研究 (“研究性 再生” )， 例如借助增强的有效 NO2 供应的 NO2 基再生， 所述时间相对于有效再生 DPF 所需要 的时间是可观的但并不超出该时间。测定在再生过程中除去的总烟灰。
(D) 在步骤 (C) 后， DPF 再次被有效地清洁。
(E) 在步骤 (D) 后， DPF 被负载至具有和研究性再生的过程中相同的初始烟灰负荷 ( 或尽可能合理地接近所述负荷 )。
(F) 在步骤 (E) 后， 随后通过比较性再生方法 ( “比较性再生” ) 来再生 DPF 一定时 间， 所述时间等于研究性再生的时间。 按照与研究性再生相同的方式进行比较性再生， 除了 在 DPF 入口处的 NOx 水平减少至相对于 DPF 的再生不可观的水平。在比较性再生完成时， 测定除去的总烟灰。
(G) 将通过比较性再生除去的总烟灰除以研究性再生的除去的总烟灰， 来确定在 研究性再生过程中通过气体中的 O2 分子的氧化而形成 CO 和 CO2 分子来从 DPF 中除去的烟 灰质量的最大部分。
通过限定一定时间 ( 其相对于有效再生所需要的时间是可观的 ) 内的 O2 参与率， 旨在排除在瞬时发生基础上计算的测量值， 和 / 或反映继续经过不再维持可观的烟灰除去 速度的点的再生。
预期所述技术高估了在研究性再生的过程中通过 O2 除去的烟灰质量的实际部分， 因此是 O2 参与率的保守测定值。更准确的经验和 / 或理论技术甚至可表示比预期由上述 方法所证实的更低水平的 O2 参与率。
还可以设置控制器 53， 以通过管道 29( 例如通过关闭或打开管道中的阀门 57) 停 止和开启 NOx 的再循环， 使得停止或开启使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生， 其中烟灰至少部 分被由再循环的气体形成或携带的 NO2 氧化， 并且当停止使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生 时， 使得发生常规或借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的再生操作， 其中在无再循 环的条件下氧化烟灰。管道 29 中的阀门 57 通常可调节至多个位置 ( 包括完全打开和完全 关闭的位置 )、 以及完全打开和完全关闭之间的位置， 使得使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生 可完全停止、 部分停止或在最大能力下进行操作。使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生的调节 能力可促进来自发动机 23 的 NOx 生成的控制、 和 / 或 DPF 的再生速度的控制。
还可以设置控制器 53 以控制加热装置 47， 从而引发主动 O2 基再生操作， 其中 DPF 25 入口 45 处的温度升至足够高， 以在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生或使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生至少部分停止时， 使用排气流中的 O2 在 DPF 中氧化烟灰。当烟灰 负荷水平足够低时， 所述方法可至少部分停止， 并且可通过 ( 例如 ) 增加 DPF 入口 45 处的 温度、 增加 DPF 25 的温度、 或增加烟灰的温度来引发主动 O2 基再生。
可以相对于 DPF 25 设置压力传感器装置 59， 并且可适于将对应于越过 DPF 的压降 的信号传递给控制器 53。越过 DPF 25 的压降 ( 和通过 DPF 的容积流量一起 ) 通常与 DPF 的烟灰负荷有关系。 可以进行包括不同再生方法的不同的再生方案。 例如， 取决于越过 DPF 25 的压降、 或烟灰负荷的一些其他指示， 再生方案可被设计为进行不同的再生方法。 在高的 烟灰负荷水平下， 通常与 O2 基再生相关的温度可能足够高以致引发可损坏 DPF 的失控的再 生。还是在较高的烟灰负荷水平下， 相对于与 O2 基再生相关的、 并且通常与借助增强的有 效 NO2 供应的主动 NO2 基再生相关的那些温度， 较低的温度仍可能足够高以引发可损坏 DPF 的失控的 O2 基再生反应。在这样高的烟灰负荷水平下， 再生方案可开始于常规 NO2 基再生 ( 即， NO2 效率小于 0.52gC/gNO2 的 NO2 基再生 )， 然后在越过 DPF 25 的压降 ( 或烟灰负荷 的其他测量值 ) 指示较低烟灰负荷水平后， 转换至借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再 生。一旦指示的烟灰负荷进一步降低， 可能引发主动 O2 基再生。在常规 NO2 基再生、 借助增 强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生、 或主动 O2 基再生中的任一种的过程中， 均可以同时进 行使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生 ( 包括 NO 和 / 或 NO2 的再循环 )。同样， 在常规 NO2 基再 生、 借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生、 或主动 O2 基再生中的任一种的过程中， 均 可将再生转换至使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生， 或反之亦然。
为了调节常规和 / 或借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生的速度、 和 / 或控 制来自发动机 23 的 NOx 生成， 还可设置控制器 53 以通常通过调节 DPF 上游的发动机汽缸 中的局部火焰温度来调节排气流中的 NOx 水平。例如， 这可以通过适当调节燃料喷射系统 61 的燃料喷射时间选择和 / 或燃料喷射压力、 涡轮增压器 63 中的叶片位置、 EGR 阀门 65 的 位置、 以及通过其他致动器 ( 例如油门 ) 中的一种或多种来实现， 所有这些都可以由控制器 53 控制。 按照这种方式， 可以调节可用于常规 NO2 基再生或借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生、 或使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生、 以及来自 EATS 21 的 NOx 排放中的 NOx。通 常， 在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生中， 在 DPF 入口处的 NOx 水平通过将它们 增加至高于气体将通常具有的水平 ( 这些水平通常是由环境法规所制定的那些 ) 而控制。 NOx 水平被控制的程度通常取决于这样的因素， 例如 NOx 的特定来源、 例如不同尺寸的柴油 发动机、 和其他操作条件， 并且可在系统之间大幅变化。
可以提供用于通过管道 29 再循环气体 ( 例如通过在管道中设置泵 ) 的机械设备 67( 以虚线示出 )， 或者可通过文丘里效应 ( 例如源自通过 DPF 上游的排气管线 69 的气流 ) 再循环气体。
在根据本发明方面的 DPF 25 的再生方法中， 催化的 DPF 25 中的烟灰被 NO2 氧化， 使得形成 CO、 CO2 和 NO。根据所述方法， 含 NOx 的气体被引入催化的 DPF 25 中， 并且 ( 例 如 ) 通过加热设备 47 来控制 DPF、 捕获的烟灰和含 NOx 的气体中的至少一种的温度， 以及控 制 DPF 入口处的 NOx 水平， 使得含 NOx 的气体和催化剂反应以形成 NO2 分子， NO2 分子此后 和灰粒反应以形成 CO、 CO2 和 NO 分子， 并且 NO2 效率大于 0.52gC/gNO2， 并且使得从 DPF 中除 去的小于三分之二的烟灰质量被气体中的 O2 分子氧化以形成 CO 和 CO2 分子。
DPF 25、 捕获的烟灰和含 NOx 的气体中的至少一种的温度通常被控制为使得温度低于或等于约 550℃， 或低于或等于约 500℃， 并且通常在至少 450℃以上。来自 DPF 25 下游 的 NOx 可再循环至 DPF 上游， 通常任意柴油机氧化催化剂 (DOC)43 的上游设置为 DPF 的上游。 DOC43 入口处的温度可通过 ( 例如 ) 将烃喷射到 DOC 上游的柴油发动机排气流中来控制。
可以采用各种措施来调节进入 DPF 的含 NOx 的气体的组成。可在 DPF 上游喷射空 气 /O2。DPF 上游的柴油发动机中的 NOx 生成可通过 ( 例如 ) 调节 DPF 上游的发动机汽缸 中的局部火焰温度来调节。
使用再循环的 NOx 的 DPF 25 的 NO2 基再生可通过如下方式进行 ： 再循环至少一些 来自 DPF 的 NO、 并通过使再循环的 NO 和 O2 在一个或多个反应区域 37、 39 和 / 或 41 中反应 来形成 NO2。在使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生的过程中， 至少一些在 DPF 25 中氧化烟灰的 NO2 是由再循环的气体形成或携带的 NO2。当使用催化的 DPF 进行时， 在借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生和使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生的过程中， 通常控制在 DPF 25 入 口 45 处的温度， 使得温度为约 500℃并且高于至少 450℃。
在使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生的过程中， 来自 DPF 25 下游的点 31 的 NOx 再循 环至 DPF 上游的点 33。空气 /O2 可在主动再生过程中在 ( 例如 ) 反应区域 37 中喷射到 DPF 25 上游， 在该处 O2 将和再循环的 NO 反应以形成再循环的 NO2。另外或可选择地， 再循环的 NO 可在主动再生过程中在存在催化剂的条件下在 ( 例如 )DOC 43 的反应区域 41 中和 / 或 在催化的 DPF 25 的反应区域 39 中和 O2 反应。
可处理离开 DPF 25 并且未再循环的 NOx 气体， 以在 ( 例如 )DPF 下游的 SCR 49 中 降低 NOx 水平。空气 /O2 可喷射到 DPF 下游和 SCR 上游的点 51 处， 并且一些喷射的空气 / O2 可和再循环的 NOx 一起再循环， 从而促进形成 NO2 以用在使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生 中。喷射的空气 /O2 还可用于控制 SCR 49 入口处的温度。
例如通过控制发动机汽缸中的局部火焰温度， 可由 ( 例如 )DPF 25 上游的柴油发 动机 23 中的控制器 53 来控制 NOx 生成。例如， 这可以通过调节燃料喷射系统 61 的燃料喷 射的时间选择和压力、 涡轮增压器 63 中叶片的位置和 EGR 阀门 65 的位置来实现。按照这 种方式， 可以调节可用于常规 NO2 基再生或借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生、 或 使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生、 以及来自 EATS 21 的 NOx 排放中的 NOx。
基于 DPF 中的烟灰负荷水平或 ( 例如 ) 烟灰负荷水平的一些特征性指示 ( 例如越 过 DPF 25 的压降 )， 可以由 ( 例如 ) 控制器 53 来引发主动 O2 基再生。另外， 通过 ( 例如 ) 关闭管道 29 中的阀门 57， 可以终止使用再循环的 NOx 的 NO2 基再生， 并且可以进行主动 O2 基 再生、 或常规 NO2 基再生、 或借助增强的有效 NO2 供应的主动 NO2 基再生 ( 包括烟灰氧化 )， 而无需再循环的 NO2。按照这种方式， 可以调节 DPF 的再生速度和 / 或来自 EATS 21 的 NOx 排放物。
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