專利名稱：排氣凈化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣，特別是柴油發(fā)動機(jī)排氣的排氣凈化系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)設(shè)置在排氣管道(exhaust tract)中，該排氣管道具有主排氣處理系統(tǒng)和帶有計量設(shè) 備的入口管路(inlet line)。本發(fā)明還涉及在排氣凈化系統(tǒng)中還原氮氧化物的方法。
背景技術(shù)：
US 2008/0127635 Al公開了具有外殼的排氣凈化系統(tǒng)，其中設(shè)置了由分隔元件產(chǎn) 生的多個空氣路徑。至少一個催化轉(zhuǎn)換器和一個顆粒過濾器被設(shè)置在外殼中。設(shè)置至少一 個分隔元件以便形成彼此堆疊并與排氣入口相對連接的兩個腔室，從而排氣流從一個腔室 偏轉(zhuǎn)到另一個腔室。由此使得具有減小的縱向范圍的排氣凈化設(shè)備可用，因為兩個腔室被 設(shè)置成彼此堆疊。因而排氣流連續(xù)流過設(shè)置在外殼內(nèi)的凈化元件，這些實際上是串聯(lián)的。WO 2006/021337 Al涉及一種催化劑涂覆的顆粒過濾器，其具有第一端面、第二端 面和軸長度。顆粒過濾器從其第一端面開始，在其長度的一部分上涂覆第一催化劑，然后涂 覆第二催化劑。第一催化劑具有在第一載體材料上的鉬和鈀，第二催化劑包含在第二載體 材料上的鉬，且合適情況下含有鈀。顆粒過濾器在一定程度上具有相對于排氣流連續(xù)鋪展 的兩個催化劑涂層。該類過濾器具有高熱質(zhì)(thermal mass)并且僅緩慢地加熱，這就是為 什么在過濾器進(jìn)口區(qū)提供增加濃度的貴金屬。WO 2006/021338 Al公開了用于涂覆壁流(wall flow)過濾器的方法。壁流過濾 器具有兩個端面和相對汽缸軸線平行延伸的多個流體導(dǎo)管。為了發(fā)生過濾動作，流體導(dǎo)管 在第一端面和第二端面上交替閉合。在其通過過濾器的行程中，排氣必須從入口導(dǎo)管經(jīng)入 口導(dǎo)管和出口導(dǎo)管之間的導(dǎo)管壁對調(diào)位置(changeover)進(jìn)入過濾器的出口導(dǎo)管。DE 602 22 826 T2 (W0 03/068362的一部分)公開了用于處理排氣的過濾器。該 過濾器具有多個軸向延伸的流體導(dǎo)管，所述流體導(dǎo)管至少在第二過濾器部分交替閉合。筒 式過濾器是由折疊的過濾器介質(zhì)組成的過濾器輥，該過濾器介質(zhì)是由網(wǎng)狀物螺旋卷繞成 的。在第一通流(throughflow)部分中，排氣未過濾地流過。第一通流部分是由環(huán)形設(shè)置 的第二過濾器部分圍繞的中間內(nèi)部。中間內(nèi)部僅是具有開口流體導(dǎo)管的通流部分。過濾器 部分具有連續(xù)設(shè)置的催化劑部分和顆粒過濾器部分。在一個實施例中，排氣流的一部分流 經(jīng)過濾器部分，而另一部分未過濾地流經(jīng)內(nèi)部。然而，正因為如此，某些排氣根本沒有被凈 化。為了使整個排氣流得到凈化，排氣管被連接到內(nèi)通流部分，從而整個排氣流流經(jīng)通流部 分并未過濾地流入后腔室。在此，排氣流被迫經(jīng)過濾器部分回流到入口側(cè)，其中催化劑部分 和過濾器部分以類似于WO 2006/021338 Al中所示的方式連續(xù)地設(shè)置。WO 2004/027230公開了一種用于減少排放的設(shè)備，其由兩個平行排氣路徑和兩個 可再生減少排放元件組成，第一減少排放元件比第二減少排放元件具有更高的減少排放能 力。排氣流主要被引導(dǎo)經(jīng)過第一減少排放元件。為了再生第一減少排放元件，設(shè)置在該元 件上游的閥門閉合，而設(shè)置在第二減少排放元件上游的第二閥門打開，從而排氣流被引導(dǎo)經(jīng)過第二減少排放元件。因此，為了處理來自內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，特別是來自柴油發(fā)動機(jī)的排氣，公知的是在內(nèi)燃 發(fā)動機(jī)的排氣管道中設(shè)置催化劑元件和過濾器元件，特別是顆粒過濾器。在該情形中，催化 劑元件設(shè)置在顆粒過濾器的上游或顆粒過濾器的下游，兩個組件都能夠設(shè)置在一個公共外 殼中。當(dāng)然，這兩個組件也可連續(xù)設(shè)置在排氣管道中獨立的外殼內(nèi)。如果顆粒過濾器設(shè)置在催化劑元件的上游，煙灰燃燒(再生)可更快地實現(xiàn)，因為 排氣流仍然含有足夠的氮氧化物。然而，由于(柴油)顆粒過濾器的高熱質(zhì)，因此缺點是催 化劑元件的溫度上升非常緩慢，從而導(dǎo)致催化劑轉(zhuǎn)化氮氧化物減少。另一方面，如果被設(shè)置 在(柴油)顆粒過濾器上游，則催化劑或催化劑元件更快地達(dá)到操作溫度，從而導(dǎo)致更高的 氮氧化物轉(zhuǎn)化。然而，這會由于排氣中氮氧化物濃度減少而導(dǎo)致減少的煙灰燃燒，這里考慮 了主動和被動再生。因此，兩種組合的優(yōu)點和缺點同樣多
發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明所基于的目的是通過簡單裝置改善上述類型的排氣凈化系統(tǒng)，以便 排氣，特別是柴油排氣可更有效地凈化，且特別地，氮氧化物轉(zhuǎn)化的效率增加。根據(jù)本發(fā)明，其目的是通過具有本發(fā)明特征的排氣凈化系統(tǒng)實現(xiàn)的，入口管路和 計量設(shè)備(metering device) 一起被設(shè)置在排氣處理系統(tǒng)的下游，且入口管路在下游被計 量設(shè)備分成兩個催化劑管路，其在每種情形中將排氣流從內(nèi)燃發(fā)動機(jī)引導(dǎo)到催化劑元件， 排氣流通過控制閥可操縱地進(jìn)入第一催化劑元件或第二催化劑元件。因此，利用本發(fā)明，兩個催化劑元件被有利地設(shè)置，從而整個排氣流根據(jù)其特性 (排氣溫度等)通過控制閥傳導(dǎo)到兩個催化劑元件之一中。氮氧化物轉(zhuǎn)化(NOx轉(zhuǎn)化)發(fā)生 在催化劑元件中。多個傳感器設(shè)置在排氣管道中，這些傳感器用于檢測溫度、NH3和NOx的分子比以 及排氣流和/或催化劑元件中氧氣、氮氧化物和/或氨氣的含量，且傳感器連接到控制單 元。所述多個功能也可集成到單個傳感器中。催化劑元件優(yōu)選是SCR催化劑(SCR 選擇性催化還原)。在該情形中，氮氧化物與 氨氣(NH3)和氧氣(O2)反應(yīng)形成氮氣(N2)和水(H2O)。而且，SCR催化劑能夠在低溫下存 儲氨氣，該氨氣被使用并隨后在較高溫度下脫附。SCR催化劑中的反應(yīng)所需要的氨氣不是以純凈形式使用的，而是作為尿素水溶液 (尿素=(NH2)2CO))使用的。該水溶液在SCR催化劑的上游噴射到排氣管道中，并且作為水 解反應(yīng)的結(jié)果，形成二氧化碳(CO2)和所需要的氨氣。優(yōu)選地，可以在催化劑元件的上游利用計量設(shè)備將還原劑注入到排氣流中。進(jìn)一 步優(yōu)選地，還原劑是氨氣。如上所述，氮氧化物轉(zhuǎn)化需要氨氣。根據(jù)排氣溫度和在低溫下存儲的氨氣之間的比值，或排氣溫度和在催化劑元件入 口處nh3/NOx比之間的比值，控制閥優(yōu)選傳導(dǎo)排氣流進(jìn)入第一催化劑元件或第二催化劑元 件，第一催化劑元件適用于低排氣溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化，第二催化劑元件適用于高排氣 溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化?？汕袚Q的控制閥設(shè)置在排氣流中并用于傳導(dǎo)排氣流進(jìn)入低溫SCR系統(tǒng)或高溫SCR 系統(tǒng)。排氣流被傳導(dǎo)到哪個系統(tǒng)是根據(jù)排氣溫度和存儲在催化劑元件中的氨氣量的關(guān)系或函數(shù)以及根據(jù)排氣溫度和在催化劑元件入口處氨氣與氮氧化物的分子比的關(guān)系通過控制 單元確定的，控制單元連接到控制閥。此外，本發(fā)明的目的是通過一種方法實現(xiàn)的，在該方法中，排氣流通過控制閥傳導(dǎo) 到兩個催化劑元件中的一個，兩個催化劑元件中的一個被設(shè)置用于低排氣溫度時的氮氧化 物轉(zhuǎn)化，而另一個催化劑元件被設(shè)置用于高排氣溫度的氮氧化物轉(zhuǎn)化。有益地，所用的催化劑元件是SCR催化劑。優(yōu)選地，通過控制閥，具有低排氣溫度的排氣流被傳導(dǎo)到第一催化劑元件中，其中存儲的氨氣的量保持在第一催化劑元件的最大存儲容量附近，而具有高排氣溫度的排氣流 被傳導(dǎo)到第二催化劑元件中，其中存儲的氨氣的量保持在低水平，且氨氣直接注入到排氣 流中。在低排氣溫度下，控制閥被切換，從而在氨氣存儲量接近期望閾值時，最大部分的 排氣流經(jīng)低溫SCR系統(tǒng)。在低氨氣存儲量的情形中，控制閥被設(shè)定，從而大部分排氣傳導(dǎo)經(jīng)過高溫系統(tǒng)，且 氨氣被直接注入。剩余排氣被傳導(dǎo)到低溫SCR系統(tǒng)中，主要是為了用氨氣填充SCR催化劑。 當(dāng)?shù)蜏豐CR系統(tǒng)具有期望的氨氣量時，控制閥改變，從而傳導(dǎo)大部分低溫排氣經(jīng)過低溫SCR 系統(tǒng)，且在該情形中，將注入的氨氣留在SCR催化劑中，以便維持存儲的氨氣量或為了補(bǔ)償 在氮氧化物轉(zhuǎn)化過程消耗的氨氣。對于高溫排氣流，控制閥被設(shè)定，從而排氣被傳導(dǎo)經(jīng)過高溫SCR系統(tǒng)并被使用，以 便通過設(shè)定直接注入的氨氣量來轉(zhuǎn)化NOx排氣排放。


本發(fā)明的進(jìn)一步有利實施例在本發(fā)明具體方面中公開并在下面圖中示出，其中圖1示出具有兩個SCR催化劑的根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化系統(tǒng)的示意圖；圖2示出一曲線圖，其中氮氧化物轉(zhuǎn)化效率被顯示為催化劑溫度(排氣溫度)和 所存儲的氨氣的函數(shù)；圖3示出一曲線圖，其中氮氧化物轉(zhuǎn)化效率被顯示為催化劑溫度(排氣溫度)和 在SCR催化劑入口處氨氣與氮氧化物的分子比的函數(shù)；以及圖4示出一曲線圖，其中氨氣存儲容量被顯示為催化劑溫度和在SCR催化劑入口 處氨氣濃度的函數(shù)。
具體實施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣，特別是柴油發(fā)動機(jī)排氣的排氣凈化系 統(tǒng)1的結(jié)構(gòu)圖，所述系統(tǒng)設(shè)置在排氣管道2中。排氣管道2具有入口管路3和出口管路4。 根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化系統(tǒng)1具有被設(shè)置為催化劑元件6、7的兩個排氣處理元件。在每種情形中，催化劑元件6、7都具有相對的入口側(cè)8和出口側(cè)9。入口管路3在排氣凈化系統(tǒng)1的方向上(箭頭11)傳導(dǎo)來自內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣。 在入口側(cè)，入口管路3具有將入口管路3分成兩個催化劑管路13的分支12?？刂崎y門14 設(shè)置在分支12中，通過該控制閥門，排氣流可傳導(dǎo)到兩個催化劑管路13中的一個?？刂崎y 門14由在圖中未示出的控制單元控制。控制單元評估由傳感器(圖中未示出)測量的數(shù)據(jù)，如氨氣含量、NOx含量、排氣溫度或催化劑溫度、催化劑元件6、7入口處氨氣與NOx的比值等，并通過固定在排氣流中的控制閥14傳導(dǎo)排氣流進(jìn)入兩個催化劑元件6、7中的一個， 催化劑元件6、7中的一個被設(shè)置成低溫SCR催化劑，另一個被設(shè)置成高溫SCR催化劑。控 制元件中數(shù)據(jù)的控制和評估是通過合適的軟件進(jìn)行的。在每種情形中，催化劑管路13連接到兩個催化劑元件6、7中的一個的入口側(cè)8。相對主流動方向(箭頭16)，流入各催化劑元件6、7的排氣流經(jīng)各催化劑元件6、 7。在出口側(cè)，各催化劑元件6、7具有連接元件17以便連接到出口管路4。在下游，出口管路4可連接到例如消音器系統(tǒng)18。在分支12的上游設(shè)置計量設(shè)備19，通過該計量設(shè)備，還原劑如氨氣或用于產(chǎn)生氨 氣的尿素被注入到排氣流(箭頭21)中。主排氣處理系統(tǒng)22可設(shè)置在入口管路的上游。例如，主排氣處理系統(tǒng)22可含有 氧化催化劑、顆粒過濾器、NOx捕集器和/或SCR催化劑。氧化催化劑用于增加排氣流中Ν02/Ν0比。催化劑元件6、7的效率因此可進(jìn)一步 增加，因為NO2在SCR催化劑元件6、7中比NO反應(yīng)更快。設(shè)置在主排氣處理系統(tǒng)22上游的是例如(主)空氣過濾器23、渦輪增壓器24和 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)26 (內(nèi)燃發(fā)動機(jī))。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)26可以含有例如增壓空氣冷卻器、進(jìn)氣歧管、燃 燒系統(tǒng)和/或排氣歧管。在本發(fā)明的實施例中，如圖1所示，兩個SCR催化劑元件6、7并行使用。第一催化 劑元件6用于在低排氣溫度和低氨氣消耗時的氮氧化物轉(zhuǎn)化。第二催化劑元件7設(shè)置在 與第一催化劑元件6平行的路徑上，并被設(shè)置用于高排氣溫度和高氨氣消耗。在第一催化 劑元件6(第一(較低溫度)SCR催化劑)中，所存儲的氨氣的量保持在最大存儲容量附近 (89% -90% )，以便實現(xiàn)盡可能高的氮氧化物轉(zhuǎn)化。此外，如果消耗低，則甚至有更少量的 排氣流經(jīng)該系統(tǒng)。而且，第一 SCR催化劑元件6的連接管和尺寸及容量均被優(yōu)化用于低溫 下的氮氧化物轉(zhuǎn)化，這通常導(dǎo)致小的SCR催化劑系統(tǒng)，因為預(yù)期有低的空間速度。在第二 SCR催化劑元件7中，所存儲的氨氣的量保持在低水平，且第二催化劑元件 7的尺寸和容量被優(yōu)化用于一般將導(dǎo)致較大SCR催化劑系統(tǒng)的空間速度和排氣溫度。圖2示出一曲線圖，其中氮氧化物轉(zhuǎn)化效率(E，% )被顯示為排氣溫度(T，V ) 和所存儲的氨氣(nh3，g)的函數(shù)。從圖2中可以看出，在較低溫度(至400°C)下SCR催化劑的效率依賴于排氣溫度 和所存儲的氨氣的量。在較高排氣溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化效率主要受SCR催化劑元件6、7的入口處NH3 與NOx的分子比影響(參考圖3)。圖3示出一曲線圖，其中氮氧化物轉(zhuǎn)化效率(E，% )被顯示為排氣溫度(T，V ) 和在SCR催化劑元件6、7的入口處氨氣與氮氧化物的分子比(ΝΗ3/Ν0χ&摩爾比)的函數(shù)。為了在基于SCR的處理系統(tǒng)工作時獲得有效的氮氧化物轉(zhuǎn)化，需要實現(xiàn)一定的妥 協(xié)。當(dāng)這樣的系統(tǒng)在低排氣溫度下工作時，也就是說低氨氣消耗時，大量存儲的氨氣保持在 催化劑中。在高排氣溫度下，催化劑的最大存儲容量被降低。為了在SCR催化劑元件7入 口處獲得所需的氨氣與NOx的分子比，存儲在催化劑元件7中的氨氣的量必須降低到較低限度，從而氮氧化物轉(zhuǎn)化主要由氨氣直接注入控制。 圖4示出一曲線圖，其中氨氣存儲容量(K，g)被顯示為催化劑溫度(T，V )和在 SCR催化劑元件6、7入口處氨氣濃度(NH3，ppm)的函數(shù)。如圖4所示，氨氣存儲容量在較高排氣溫度下被顯著降低。因此，假定催化劑溫度 的突然增加表示初始高含量的存儲氨氣導(dǎo)致存儲的氨氣突然脫附，這進(jìn)而導(dǎo)致直接的氨氣 逃逸。逃逸的氨氣是氨氣相對NOx分?jǐn)?shù)劑量過多(overdose)的氨氣或不具備反應(yīng)所要求 的溫度的氨氣。
權(quán)利要求
一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣，特別是柴油發(fā)動機(jī)排氣的排氣凈化系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)設(shè)置在排氣管道(2)中，其具有主排氣處理系統(tǒng)(22)和帶有計量設(shè)備(19)的入口管路(3)，其中所述入口管路(3)與所述計量設(shè)備(19)一起設(shè)置在所述排氣處理系統(tǒng)(22)的下游，所述入口管路(3)在下游被所述計量設(shè)備(19)分成兩個催化劑管路(13)，這兩個催化劑管路在每種情形中將來自所述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的所述排氣流引導(dǎo)到催化劑元件(6，7)，所述排氣流通過控制閥(14)可操縱地進(jìn)入第一催化劑元件(6)或第二催化劑元件(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣凈化系統(tǒng)(1)，其中所述催化劑元件(6，7)是選擇性催化還原即SCR催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的排氣凈化系統(tǒng)(1)，其中可通過所述計量設(shè)備(19)在所述催化劑元件(6，7)上游將還原劑注入到所述排氣流中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的排氣凈化系統(tǒng)(1)，其中 所述還原劑是氨氣。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的排氣凈化系統(tǒng)(1)，其中根據(jù)所述排氣溫度和在低溫存儲的氨氣之間的比值，或所述排氣溫度和在所述催化劑 元件(6，7)入口處的NH3/N0X比之間的比值，所述控制閥(14)傳導(dǎo)所述排氣流進(jìn)入所述第 一催化劑元件(6)或所述第二催化劑元件(7)，所述第一催化劑元件(6)適用于在低排氣 溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化，而所述第二催化劑元件(7)適用于在高排氣溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn) 化。
6.一種在用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣，特別是柴油發(fā)動機(jī)排氣的排氣凈化系統(tǒng)(1)中還原氮 氧化物的方法，特別如前述任一項權(quán)利要求所述，所述系統(tǒng)設(shè)置在排氣管道(2)中，其具有 主排氣處理系統(tǒng)(22)和帶有計量設(shè)備(19)的入口管路(3)，其中通過控制閥(14)傳導(dǎo)所述排氣流到兩個催化劑元件(6，7)之一中，所述兩個催化劑元 件中的一個(6)被設(shè)置用于在低排氣溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化，而另一個催化劑元件(7)被 設(shè)置用于在高排氣溫度下的氮氧化物轉(zhuǎn)化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，通過所述控制閥(14)，傳導(dǎo)具有低排氣溫度的排氣流到第一催化劑元件(6)中，其中 所存儲的氨氣的量保持在所述第一催化劑元件(6)的最大存儲容量附近，且傳導(dǎo)具有高排 氣溫度的排氣流到第二催化劑元件(7)中，其中所存儲的氨氣的量保持在低水平，且氨氣 被直接注入到所述排氣流中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣，特別是柴油發(fā)動機(jī)排氣的排氣凈化系統(tǒng)(1)，所述系統(tǒng)設(shè)置在排氣管道(2)中，其具有主排氣處理系統(tǒng)(22)和帶有計量設(shè)備(19)的入口管路(3)。入口管路(3)和計量設(shè)備(19)一起設(shè)置在排氣處理系統(tǒng)(22)的下游，且入口管路(3)在下游被計量設(shè)備(19)分成兩個催化劑管路(13)，這兩個催化劑管路將來自內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排氣流引導(dǎo)到催化劑元件(6，7)，所述排氣流通過控制閥(14)可操縱地進(jìn)入第一催化劑元件(6)或第二催化劑元件(7)。排氣處理系統(tǒng)可實現(xiàn)較高效率的氮轉(zhuǎn)化。
文檔編號F01N3/10GK101865011SQ201010112998
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者Y·雅庫珀 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司