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柴油機催化系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:5248614閱讀:187來源:國知局
專利名稱:柴油機催化系統(tǒng)的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及選擇性催化還原系統(tǒng),該系統(tǒng)用于減少壓燃式發(fā)動機 的氮氧化物排放水平,該系統(tǒng)包括位于第一催化器上游的第一還原劑 噴射器,該第一催化器包括選擇性催化還原涂層。
背景技術
至少從二十世紀七十年代早期起,在內(nèi)燃機技術中,對排放的關 注越來越多。對于SI (火花點燃式)發(fā)動機來說,在七十年代中期三 元催化劑投放市場后,排放幾乎不被認為是個問題。
然而,對于CI (壓燃式)發(fā)動機,該情況稍加復雜;CI發(fā)動機具 有氮氧化物(NOx)和微粒(煙灰)的固有高排放水平。由于在CI發(fā) 動機里發(fā)動機燃燒的本質(zhì),即大量的空氣被導入汽缸,于是空氣被壓 縮。隨后,隨發(fā)動機負荷的函數(shù)變化的一定量燃料被噴入該壓縮空氣 中。噴射燃料將由于空氣壓縮所引起的高溫而自燃。
噴射燃料以擴散模式燃燒,gP,燃燒速度或多或少地由噴射燃料 和壓縮空氣之間的混合比率所控制。煙灰將形成在富燃料帶并且NOx 將形成在燃燒帶中,該燃燒帶具有髙溫并且留有足夠的氧以形成NOx。
關于減少CI發(fā)動機排氣中的NOx的排氣后處理的一個阻礙是氧的 存在;如之前的暗示,大量空氣在燃料噴射以前被導入汽缸中。因此, 與完全燃燒所有噴射燃料所需的空氣量相比,汽缸中總有過??諝?。 排氣中的剩余空氣使得使用標準三元催化劑來減少NOx排放成為不可 能。
4煙灰(或微粒)也是CI發(fā)動機的主要問題;如上述,煙灰形成于 富燃料燃燒帶。形成小燃料滴的高燃料噴射壓力能顯著減少煙灰形成, 但是在能接受多高的噴射壓力上存在著設計限制。
有一些方法來減少CI發(fā)動機中的NOx形成;最常見的方法是延遲 噴射正時。通過延遲噴射正時,能減少最大燃燒溫度,這將依次減少 NOx形成。然而,該NOx的減少伴隨著一些代價,即煙灰形成和燃料 消耗都隨著延遲噴射正時而增加。
一種減少NOx排放的有效方法是使用SCR (選擇性催化還原)排 放后處理系統(tǒng)。常見的SCR系統(tǒng)包括涂有如沸石、V氧化物(如V205)、 銅沸石、鐵沸石或者適合SCR的其他已知材料的基質(zhì)。不同于SI發(fā)動 機的三元催化劑,SCR系統(tǒng)無法在僅由排氣組成的環(huán)境中工作; 一些 附加的試劑必須加入排氣中,如還原劑。常見的此種試劑是尿素,即 (NH2)2CO,還有碳氫化合物或氫。
SCR催化劑的效率,與行駛周期(drivingcycle)有關,限于大約65 一80%,并且其功能由于煙灰的存在而嚴重削弱。
過濾器被用作煙灰散播的排氣后處理;然而此種過濾器隨發(fā)動機 負荷情況變化而需要經(jīng)常再生。該再生主要指排氣溫度通過任何方式 增加,例如,通過極端延遲的燃料噴射、二次噴射、通過入口空氣節(jié) 流、或通過任何其他適合的方式。該增加的排氣溫度使過濾器捕集的 煙灰微粒"燃盡",也就是與氧一起在排氣中反應以形成二氧化碳和水。 然而,每一次再生后果導致了燃料經(jīng)濟性損失。
現(xiàn)在和未來涉及NOx排放的法規(guī)實際上將使聯(lián)合延遲燃料噴射、 SCR系統(tǒng)和煙灰過濾器成為必須。這導致"惡性循環(huán)",最終導致高燃 料消耗,這又進一步導致溫室效應增加和糟糕的運行經(jīng)濟性。如果該NOx排氣后處理可以改善,則該惡性循環(huán)應該被打破;該 燃料噴射正時可以被設置成設定的給定最小燃料經(jīng)濟性,這將跟著減 少煙灰形成,進一步又將使NOx的減少更容易。
所以本發(fā)明的目的是提供能夠達到高的NOx轉化因數(shù)的排氣后處 理系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過位于第一催化器下游的第二還原劑噴射器和置于第二 還原劑噴射器下游的第二催化器來解決了以上或其他問題,所述第二 催化器包括選擇性催化還原涂層。
在本發(fā)明的一個實施例中,第一催化器包括過濾器功能元件(filter ftmction)以捕集由壓燃燃燒形成的微粒。在此實施例中,第一催化器包 括多個細長單元,這些單元分別交替地具有封閉和開放的頂端和底端, 其中排氣氣流被促使通過組成該單元的單元壁,并且其中選擇性催化 還原涂層涂在壁的單側或雙側。
為了進一步給根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)提供氧化能力,氧化催化涂層被 涂在單元壁的上游側。
為精調(diào)由還原劑噴射器噴射的還原劑的量,感測排氣中的氮氧化 物和/或氨的存在的傳感器可被布置在排氣氣流中。精調(diào)的一個實施例 包括分別將傳感器放置在所述過濾器的下游和第二催化器的下游。另 一種實施例僅包括一個NOx或NH3傳感器,其置于該第二SCR催化器
的下游。


接下來,將參考以下的附圖對本發(fā)明進行描述,圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的催化器系統(tǒng)的示意6圖2a是可用來作為催化器的過濾器介質(zhì)的一部分的俯視圖;和 圖2b是圖2a中過濾器介質(zhì)的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的催化器系統(tǒng)100的示意圖。該催化 器系統(tǒng)100連接到發(fā)動機110的排氣系統(tǒng)并且包括第一催化器200、第 二催化器300和排氣壓力調(diào)節(jié)器(EPG) 400,第一催化器200的設計 將在后面描述。此外,第一還原劑噴射器210和第二還原劑噴射器310 分別安裝在第一催化器200的上游和第二催化器300的上游。還原劑 可以是如尿素、碳氫化合物、氫或其他帶有還原特性的合適種類。N0X-和/或NH3傳感器220、 320分別安裝在該第一催化器200和第二催化 器300的下游。作為選擇,第一NCV和/或NH3傳感器220也可以省 略掉。
催化器200和300都稱為SCR (選擇性催化還原)—催化器,其功 能在本領域技術人員中眾所周知,并且在背景技術部分已做簡要描述。 然而催化器200還進一步提供過濾器功能元件以便過濾從CI發(fā)動機中 散發(fā)的微粒。此催化器基本上設計成微粒過濾器,其涂有SCR涂層以 便得到雙重功能,即同時為過濾器和SCR催化器。該SCR涂層可以設 置在過濾器的上游側上或在過濾器的下游側上或同時在兩側上,其可 以是其它任何作為SCR催化器的合適涂層。
在圖2a中,以俯視圖方式顯示了構成第一催化器200的涂有SCR 的過濾器介質(zhì)250的一部分;圖2b中,以截面?zhèn)纫晥D方式顯示了過濾 器介質(zhì)250的同一部分。過濾器介質(zhì)250包括若干伸長的過濾器單元 260,每個過濾器單元由4個壁260a、 b、 c和d、以及上游表面265或 下游表面270所限定;每個其他單元將設置有上游表面,并且其相鄰 單元將設置有下游表面。
壁260a、 b、 c和d由多孔材料制成,其孔的尺寸足夠小以便捕集
7發(fā)動機燃燒時散發(fā)的微粒。過濾器的功能基本上是使未過濾的排氣進 入具有開口上游端的過濾器單元,并且通過該單元的壁進入具有開口 下游端的單元,因此能從下游開口端離開過濾器介質(zhì)。隨后,面對具
有開口上游端的單元的壁260a、 b、 c和d的表面被稱為"上游壁表面", 而其他壁表面被稱為"下游壁表面"。如上描述的過濾器系統(tǒng)常被稱為 "穿壁流動"過濾器。
根據(jù)本發(fā)明,單元的上游壁表面和下游壁表面的任意一個或全部 涂有SCR涂層;這能保證該第一催化器的雙重功能,即過濾微粒和使 NOx和還原劑之間產(chǎn)生SCR反應以便減少NOx排放的功能。如此的雙 重功能,當然能產(chǎn)生經(jīng)濟方面的作用,然而還有其它的益處,即SCR 反應有助于將附在過濾器上的微粒燃燒完,這能延長過濾器再生的周 期,或最好的情況,無需再生。
還有一種在壁260a、 b、 c和d的上下游側上使甩不同的SCR涂 層的可能性;不同的SCR涂層具有不同溫度區(qū)域,在不同溫度區(qū)域中 它們具有其最佳性能。因此,可以獲得一種具有廣泛溫度范圍的催化 器。
在任何環(huán)境下,如果需要調(diào)節(jié)排氣溫度,則這能夠通過排氣壓力 調(diào)節(jié)器400獲得;如本領域技術人員眾所周知的,可通過使發(fā)動機工 作在高排氣壓力下而提高排氣溫度。然而,從燃料經(jīng)濟性角度看,通 常使發(fā)動機在盡可能低的排氣壓力下工作最經(jīng)濟。
在本發(fā)明的另一個實施例中,上游壁表面或下游壁表面的任意一 個涂有氧化催化涂層。該涂層將在排氣中使燃料的可能成分,即碳氫 化合物氧化,氧化作用將增加排氣溫度并減少碳氫化合物排放到環(huán)境 中《根據(jù)本發(fā)明,在未涂氧化催化涂層的壁表面上涂SCR涂層。氧化 催化涂層的例子包括不同貴金屬,如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh) 或銥(Ir),基金屬氧化物或它們的混合物。為燃燒完粘在過濾器孔中的微粒,有必要在一定時期內(nèi)提高排氣 溫度。這可以通過一些方法實現(xiàn),如通過延時噴射燃料、使用二次噴 射、通過吸氣節(jié)流、可變閥致動、排氣再循環(huán)、或本領域技術人員眾 所周知的其他方法。
使用氧化催化劑能通過向氧化催化劑上游的排氣氣流中噴射燃料 來提高排氣溫度;該燃料在氧化催化劑作用下催化地燃燒,因此提高 了氧化催化劑下游的排氣溫度。為在催化器200中獲得燃燒完微粒的 最大效果,催化涂層優(yōu)選涂在單元壁260a、 b、 c和d的上游表面。
當然,也可使用布置于第一催化器200上游的分離氧化催化劑。 使用清理催化劑功能的目的是限制位于催化器300下游的噴射還原劑 的發(fā)散,該功能的作用在任何SCR系統(tǒng)中都常用,因此未在附圖中顯 示。第一催化器200還可包括一個過濾器襯底,其過濾效率小于穿壁 流動過濾器。
第二催化器300與第一催化器200相似,但優(yōu)選采用更傳統(tǒng)的催 化器設計。
在本發(fā)明的又一個實施例中,第一催化器200和第二催化器300 都采用傳統(tǒng)設計。在此情況下,微粒過濾器(未顯示)被設置在兩個 催化器的上游。該實施例中的微粒過濾器必須采用上述提到的任意方 法進行再生。
為控制噴射到排氣中的還原劑量,兩個還原劑噴射器210、 310由 控制器C控制。該控制器C進一步從NOx形成模型中獲得輸入,該形 成模型建立在如發(fā)動機負載、發(fā)動機速度、進口空氣溫度、充氣壓力 (charge pressure)和其它NOx形成需要的參數(shù)的基礎上。該NOx形成 模型提供了對還原劑量大致的估計以在第一催化器200和第二催化器
9300中獲得滿意的NOx轉化。
為獲得對噴射到排氣中的還原劑數(shù)量的精確控制,特別是當還原 劑為尿素或氨時,來自NOx/NH3傳感器220、 320的信息可用于精確調(diào) 整噴射到排氣中的還原劑量。在本發(fā)明的一個實施例中,同時采用NOx 和NH3傳感器;這提高了安全等級,因為能同時監(jiān)控NOx的水平和NH3 的水平。如果例如NOJ專感器提供排氣中NOx含量過高的值,這通常 將使控制器C噴射過多大量的還原劑,則這可以通過提供NH3傳感器 來避免,在此種情況下將出現(xiàn)排氣中存在大量NH3 (來源于噴射到排 氣中的還原劑)的信號,因此使控制器C能夠修正噴射到排氣中的還 原劑量。顯然,如果來自NOx和NH3傳感器的值不正確,控制器C必 須通知運行人員,或者在機載診斷盒(未顯示)中保存該故障顯示以 便隨后在維修站中讀出。
以上顯示了CI發(fā)動機的NOx還原系統(tǒng)的示例性實施例。通過該系 統(tǒng)的效果,能使CI發(fā)動機運行在燃料效率和煙灰低排放的最優(yōu)模式中, 因此根據(jù)本發(fā)明的催化器系統(tǒng)中在該模式下產(chǎn)生的NOx排放將有效的 減少。
以上示出了本發(fā)明的示例性實施例;如可被本領域技術人員所知, 從所述實施例可做許多變形。
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權利要求
1. 一種選擇性催化還原系統(tǒng)(100),用于減少壓燃式發(fā)動機(110)的氮氧化物排放水平,該系統(tǒng)包括位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210),所述第一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層,其特征在于位于所述第一催化器(200)下游的第二還原劑噴射器(310);和置于所述第二還原劑噴射器(310)下游的第二催化器(300),并且該第二催化器(300)包括選擇性催化還原涂層。
2. 如權利要求1所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),其中所述第一催化器(200)包括過濾器功能元件,以捕集由壓燃燃燒形成的微粒。
3. 如權利要求2所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),其中所述第一催化器(200)包括多個細長單元(260),該多個細長單元分別交替地具有封閉和開放的頂端和底端,其中氣流被促使通過構成所述單元的單元壁(260a、 b、 c、 d),并且其中所述選擇性催化還原涂層涂在所述壁(260a、 b、 c、 d)單側或雙側上。
4. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),其中氧化催化涂層涂在所述單元壁(260a、 b、 c、 d)的上游側。
5. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),進一步包括感測排氣中氮氧化物和/或氨的存在的傳感器(210、 310)。
6. 如權利要求5所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),其中所述傳感器(210、 310)分別置于所述第一催化器(200)的下游和所述第二催化器(300)的下游。
7. 如前述權利要求中任一項所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100), 其中裝置(400)位于包括在所述選擇性催化還原系統(tǒng)(100)中的部 件(210、 200、 300、 310)中任一個的上游,所述裝置布置為操控所 述選擇性催化還原系統(tǒng)(100)的溫度,以及由此的所述選擇性催化還 原系統(tǒng)(100)的性能窗。
8. 如權利要求7所述的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),其中所述 裝置(400)是排氣壓力調(diào)節(jié)器。
9. 一種用于減少壓燃式發(fā)動機(110)的氮氧化物排放的方法, 其中的排氣系統(tǒng)包括-位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210),該第 一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層,位于所述第一催化器(200)下游的第二還原劑噴射器(310); 和 —置于所述第二還原劑噴射器(310)下游的第二催化器(300), 并且該第二催化器包括選擇性催化還原涂層,其中所述方法的特征在于如下步驟a. 預測在所述第一催化器(200)上游的排氣氣流中的氮氧化物含量,b. 基于所述預測,計算要噴射到所述第一催化器上游的還原劑的且 里,c. 噴射此預測的所述第一催化器上游的還原劑的量,d. 測量所述第一催化器(200)下游和所述第二催化器(300)上 游的排氣氣流中的剩余氮氧化物水平,e. 相應地調(diào)節(jié)所噴射的還原劑的量,f. 基于所述第二催化器上游的所述剩余氮氧化物水平,預測噴射 到所述第二催化器上游的還原劑量,g. 測量所述第二催化器(200)下游的氮氧化物水平,和h. 相應地調(diào)節(jié)所述第二催化器(200)上游所噴射的還原劑的量。
全文摘要
柴油機催化系統(tǒng)以及用于減少壓燃式發(fā)動機(110)的氮氧化物排放水平的選擇性催化還原系統(tǒng)(100),包括位于第一催化器(200)上游的第一還原劑噴射器(210),該第一催化器(200)包括選擇性催化還原涂層。第二還原劑噴射器(310)位于第一催化器的下游;以及第二催化器(300)置于第二還原劑噴射器的下游并且包括選擇性催化還原涂層。
文檔編號F01N3/20GK101460720SQ200680054961
公開日2009年6月17日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權日2006年6月13日
發(fā)明者烏爾里克·戈貝特, 喬納斯·揚森, 安德烈亞斯·欣茨, 漢斯·貝爾恩萊爾 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司
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