專利名稱：選擇性催化還原的控制方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I的控制選擇性催化還原系統(tǒng)的方法，并涉及根據(jù)權(quán)利要求7的前序部分的用于選擇性催化還原的裝置。
背景技術(shù)：
由于對(duì)船舶和發(fā)電廠中內(nèi)燃機(jī)的氮氧化物(NOx)排放量的持續(xù)嚴(yán)格的管制，選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)變得越來(lái)越常見(jiàn)。采用SCR可以實(shí)現(xiàn)NOx減少高達(dá)90%或更多。在SCR系統(tǒng)中，催化劑材料和還原劑用于將在燃燒期間生成的NOx分解回基本元素。在載體陶瓷材料表面上設(shè)置催化劑，該載體陶瓷材料在反應(yīng)器內(nèi)形成蜂窩結(jié)構(gòu)。在催化劑表面上，NOx與用作還原劑的氨反應(yīng)形成氮和水。在實(shí)踐中，基于安全原因經(jīng)常用尿素代替氨。這尤其適用于航海用品，其中漏氨是一種嚴(yán)重危害。尿素以水溶液形式被注入廢氣流。由于廢氣溫度高，水分蒸發(fā)并且尿素分子分解成氨和二氧化碳。基于幾個(gè)原因，正確的還原劑劑量是重要的。如果注入到排氣系統(tǒng)的還原劑劑量太小，NOx還原達(dá)不到預(yù)計(jì)的效果。另一方面，過(guò)多的還原劑劑量導(dǎo)致氨逃逸，這意味著部分氨流經(jīng)SCR系統(tǒng)而未與NOx反應(yīng)。氨排放甚至比NOx排放更為有害，因此，不希望出現(xiàn)還原劑過(guò)量的情況。如果排氣系統(tǒng)設(shè)置有置于SCR元件下游的氧化催化劑，氧化了至少部分過(guò)量的氨。然而，這不是減少氨逃逸的最佳方案，因?yàn)樵谘趸^(guò)程中會(huì)形成NOx。如果可優(yōu)化還原劑的劑量，則也可以使還原劑罐的尺寸最小化。為了實(shí)現(xiàn)精確的還原劑的劑量，SCR系統(tǒng)可配備有NOx傳感器，其測(cè)量SCR元件下游的NOx濃度。專利申請(qǐng)WO 2008043928A1公開了車輛的SCR系統(tǒng)，其中，在SCR催化劑下游設(shè)置NOx傳感器，持續(xù)監(jiān)測(cè)廢氣中的NOx和氨濃度。根據(jù)該方法，將初始量的尿素注入到排氣系統(tǒng)中。如果發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，以初始量乘以大于I的系數(shù)來(lái)增加尿素劑量。增加劑量后，測(cè)量NOx和氨濃度，并且，如果測(cè)量結(jié)果顯示下降的濃度，則再次增加劑量。重復(fù)該步驟，直至濃度開始增加。這是劑量過(guò)量的指示，因此通過(guò)以先前量乘以小于I的系數(shù)來(lái)減少尿素劑量。重復(fù)該步驟，只要濃度降低。當(dāng)濃度再次開始增加，增加尿素劑量。上面給出的控制方法的一個(gè)問(wèn)題是，它不適于大的內(nèi)燃機(jī)。在大的內(nèi)燃機(jī)，如船舶和發(fā)電廠中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)中，在改變還原劑劑量后需要較長(zhǎng)時(shí)間SCR系統(tǒng)才穩(wěn)定，因此，包括幾個(gè)重復(fù)步驟的方法太慢了。連續(xù)測(cè)量NOx涉及的問(wèn)題是，持續(xù)暴露于廢氣中的傳感器的壽命非常有限。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的目的是提供一種控制選擇性催化還原的改進(jìn)的方法，和選擇性催化還原的裝置。權(quán)利要求I給出了根據(jù)本發(fā)明的方法的特征并且權(quán)利要求7的特征部分給出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的特征。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種控制選擇性催化還原系統(tǒng)的方法，該催化還原系統(tǒng)用于內(nèi)燃機(jī)，該方法利用預(yù)定的觸發(fā)事件組和催化劑元件下游的NOx濃度的預(yù)定設(shè)定值。該系統(tǒng)等待觸發(fā)事件，并在觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，開始催化劑元件下游的NOx濃度測(cè)量，確定所測(cè)量的濃度與設(shè)定值之間的差值。如果差值為負(fù)，則以取決于差值的量減少還原劑的劑量，并等待新的觸發(fā)事件。如果差值為正，則以取決于差值的量增加還原劑的劑量，并等待預(yù)定量的時(shí)間以使系統(tǒng)穩(wěn)定。開始新的NOx濃度測(cè)量，并且將NOx濃度與前一測(cè)量相比較。如果測(cè)量值低于前一測(cè)量值，則維持相同的還原劑劑量，并等待新的觸發(fā)事件。如果測(cè)量值高于前一測(cè)量值，則以比前一測(cè)量后的增加量大的量來(lái)減少還原劑的劑量，并等待新的觸發(fā)事件。只有預(yù)計(jì)NOx排放由于某種原因已經(jīng)改變時(shí)，才激活NOx測(cè)量系統(tǒng)。這使得能夠保護(hù)測(cè)量之間的NOx測(cè)量單元。因?yàn)樵跈z測(cè)到觸發(fā)事件后，近需要一次或兩次測(cè)量以及對(duì)還原劑的劑量的調(diào)整，因此控制方法也是有效的。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，從旁通管中測(cè)量NOx濃度。在測(cè)量之間可將清潔氣體引入到旁通管中。這是保護(hù)NOx測(cè)量單元的簡(jiǎn)單而有效的方式。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在氧化催化劑的下游測(cè)量NOx濃度。此外，在這種情況下，測(cè)量可以在旁通管中進(jìn)行。觸發(fā)事件可以包括以下參數(shù)中至少一個(gè)的變化-排氣門位置，-環(huán)境溫度，-環(huán)境濕度，-增壓空氣的溫度，-增壓空氣的壓力，-發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，-增壓空氣冷卻水的溫度，-燃料注射的時(shí)機(jī)，-燃料注射持續(xù)時(shí)間，-點(diǎn)火時(shí)機(jī)。從前一測(cè)量經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間或者發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)也可以是觸發(fā)事件。根據(jù)本發(fā)明中，提供一種選擇性催化還原的裝置，該裝置包括至少一個(gè)催化劑元件，用于向催化劑元件上游的排氣系統(tǒng)中引入還原劑的單元，用于控制還原劑的劑量的控制單元，以及用于測(cè)量催化劑元件下游的NOx濃度的NOx測(cè)量單元?？刂茊卧辉O(shè)置為執(zhí)行上面給出的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該裝置包括用于在測(cè)量之間保護(hù)NOx測(cè)量單元免受廢氣侵害的單元。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，該裝置包括設(shè)置在催化劑元件下游的旁通管，并且用于測(cè)量NOx濃度的單元設(shè)置在旁通管中。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，該裝置包括用于將清潔氣體引入到旁通管中的單
J Li o根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，該裝置包括設(shè)置在催化劑元件下游的氧化催化劑。


圖I示意性示出了 SCR系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示圖。圖2示出了 NOx傳感器的一種替代位置。圖3示意性示出了帶SCR系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的簡(jiǎn)化示圖。圖4示出了 NOx的測(cè)量裝置。圖5示出了本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。圖I給出了用于內(nèi)燃機(jī)的SCR系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。該系統(tǒng)包括一個(gè)具有三個(gè)SCR元件2的催化轉(zhuǎn)化器I。SCR元件2是涂覆有催化劑材料的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。用作還原劑的尿素，通過(guò)還原劑注射器5注入到催化轉(zhuǎn)化器I上游的廢氣流中。尿素存儲(chǔ)在罐14中，并且劑量單元12確保正確的尿素溶液量注入到排氣系統(tǒng)?？刂茊卧?3被設(shè)置為控制劑量單元12。注入到排氣系統(tǒng)中的尿素與廢氣混合，并且由于廢氣的熱量而分解成氨和二氧化碳。在SCR元件2的表面上，氨分子與NOx反應(yīng)并形成氮和水。在催化轉(zhuǎn)化器I內(nèi)，在SCR元件2的下游設(shè)置有氧化催化劑3。氧化催化劑3的目的是氧化一氧化碳和未燃燒的碳?xì)浠衔?。另外至少一部分過(guò)量的氨氧化主要形成氮氧化物和水。在圖3中，SCR系統(tǒng)被示出為與內(nèi)燃機(jī)15連接。內(nèi)燃機(jī)15的排氣管16連接到渦輪增壓器17的渦輪17a上。排氣管16設(shè)置有排氣門導(dǎo)管18，從而在需要時(shí)，可以引導(dǎo)一部分廢氣通過(guò)渦輪17a。排氣門導(dǎo)管18設(shè)置有用于調(diào)節(jié)流進(jìn)排氣門導(dǎo)管18廢氣流的排氣門閥19。為了監(jiān)測(cè)選擇性催化還原后廢氣中的NOx濃度，在催化轉(zhuǎn)化器I的下游設(shè)有NOx傳感器4。由于NOx傳感器通常對(duì)氨交叉敏感，也可以將傳感器4定位在SCR元件2和氧化催化劑3之間，如圖2所示。NOx傳感器4位于旁通管6中?？諝鈱?dǎo)管7與旁通管6連接。通過(guò)空氣導(dǎo)管7，可將經(jīng)加壓的空氣引入到旁通管6中?？諝鈱?dǎo)管7配備有電磁閥8。當(dāng)不測(cè)量廢氣中的NOx濃度時(shí)，以高于測(cè)量點(diǎn)處的廢氣壓力的壓力將空氣引入到旁通導(dǎo)管6中。因此，NOx傳感器4受到保護(hù)，免受廢氣中的熱量和雜質(zhì)影響?？諝饪梢允抢鐑x表空氣，或者另選地空氣為來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)15的進(jìn)氣導(dǎo)管20的增壓空氣，該發(fā)動(dòng)機(jī)15位于渦輪增壓器17的壓縮機(jī)17b的下游。也可以設(shè)置單獨(dú)的加壓氣體源，用于向旁通管6供給經(jīng)加壓的空氣或其他的清潔氣體?？刂茊卧?3控制NOx傳感器4和電磁閥8。確定101 —組觸發(fā)事件，僅當(dāng)檢測(cè)到觸發(fā)事件中的至少一個(gè)時(shí)，開始NOx測(cè)量。觸發(fā)事件是是眾所周知的影響NOx形成的這類事件。觸發(fā)事件可以包括環(huán)境條件的變化，例如環(huán)境溫度和濕度的變化。另一組觸發(fā)事件包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的變化，如燃料注射時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間。點(diǎn)火時(shí)機(jī)的變化也可以觸發(fā)NOx測(cè)量。渦輪增壓系統(tǒng)的操作的變化，如排氣門的位置或增壓空氣的溫度和壓力也可以定義為觸發(fā)事件。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和速度的變化也是觸發(fā)事件的可能的選擇。最后，可以是，從先前測(cè)量或者發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間也可以觸發(fā)NOx測(cè)量。為了防止連續(xù)不斷的測(cè)量，確定觸發(fā)事件以使得只有一定數(shù)量級(jí)的變化才開始測(cè)量。觸發(fā)事件通常是受控于還原劑劑量以外的其他控制目的這樣的參數(shù)。因此，對(duì)新儀器的需求最小。NOx測(cè)量之前，確定102N0x濃度的設(shè)定值。設(shè)定值等于測(cè)量點(diǎn)處的理想NOx排放水平，并且可以基于例如法規(guī)或其他規(guī)章設(shè)定的要求?？梢栽贜Ox排放量限度和設(shè)定值之間留下一定的余量。例如，設(shè)定值可以比規(guī)章設(shè)定的排放限度低一定的百分比。設(shè)定值可以因不同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和/或速度而不同。觸發(fā)事件和設(shè)定值可以預(yù)先確定，并存儲(chǔ)在控制單元13的存儲(chǔ)器中?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5所示的流程圖描述測(cè)量順序。當(dāng)檢測(cè)到104觸發(fā)事件時(shí)，關(guān)閉空氣導(dǎo)管7上的電磁閥8，由此阻止空氣流進(jìn)入旁通管6。由于廢氣的速度，在旁通管6的入口10和出口 11之間形成壓力差，并且廢氣開始流經(jīng)旁通管6并通過(guò)NOx傳感器4。測(cè)量105預(yù)定時(shí)間段的NOx濃度的平均值，并且將該值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。將所測(cè)的NOx濃度值與NOx濃度設(shè)定值進(jìn)行比較106。如果測(cè)得的NOx濃度低于設(shè)定值，則取決于與設(shè)定值的偏差減少107尿素劑量。然后，系統(tǒng)進(jìn)入到睡眠模式，并等待103新的觸發(fā)事件。如果測(cè)得的NOx濃度高于設(shè)定值，則增加108尿素劑量。增加量取決于所測(cè)量的濃度與設(shè)定值的偏差。增加劑量后，等待109預(yù)定量的時(shí)間以使系統(tǒng)穩(wěn)定。在經(jīng)過(guò)該時(shí)間后，開始110新的NOx測(cè)量。如果新的測(cè)量表明NOx濃度已降低，則維持112新的劑量，并且在測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式并等待103新的觸發(fā)事件。如果測(cè)量表明NOx濃度增加，這是尿素劑量過(guò)量的指示。部分過(guò)量的氨在氧化催化劑3中氧化，從而增加了催化轉(zhuǎn)化器I下游的NOx濃度。當(dāng)檢測(cè)到劑量過(guò)量時(shí)，減少113尿素劑量，之后測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，并等待103新的觸發(fā)事件。部分氨經(jīng)過(guò)催化轉(zhuǎn)化器I而未發(fā)生反應(yīng)。由于NOx傳感器4對(duì)氨交叉敏感，因此傳感器4也會(huì)檢測(cè)出氨逃逸。由于交叉敏感性,在NOx傳感器4也可以位于催化劑元件2和氧化催化劑3之間。
權(quán)利要求
1.一種控制選擇性催化還原系統(tǒng)的方法，所述催化還原系統(tǒng)用于內(nèi)燃機(jī)(15)，所述方法利用預(yù)定的觸發(fā)事件組(101)和催化劑元件(2)下游的NOx濃度的預(yù)定設(shè)定值(102)，該方法包括以下步驟 a)等待觸發(fā)事件(103)， b)當(dāng)發(fā)生觸發(fā)事件時(shí)(104)，開始催化劑元件(2)下游的NOx濃度測(cè)量(105)， c)確定所測(cè)量的濃度與設(shè)定值之間的差值(106)， d)在差值為負(fù)的情況下，以取決于差值的量減少還原劑的劑量(107)，并返回到第一步驟(103)， e)在差值為正的情況下，以取決于差值的量增加還原劑的劑量(108)， f)等待預(yù)定量的時(shí)間以使系統(tǒng)穩(wěn)定(109)， g)開始新的NOx濃度測(cè)量(110)并且將NOx濃度與前一測(cè)量的結(jié)果相比較(111)， h)在測(cè)量值低于前一測(cè)量值的情況下，維持相同的還原劑劑量(112)，并返回第一步驟(103)， i)在測(cè)量值高于前一測(cè)量值的情況下，以比前一測(cè)量后的增加量大的量來(lái)減少還原劑的劑量(113)，并且返回第一步驟(103)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述NOx濃度是從旁通管(6)測(cè)量的(105，110)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在測(cè)量(105，110)之間，將清潔氣體引入到所述旁通管(6)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述NOx濃度是在氧化催化劑(3)的下游測(cè)量的(105，110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，所述觸發(fā)事件包括以下參數(shù)中至少一個(gè)的變化 -排氣門位置， -環(huán)境溫度， -環(huán)境濕度， -增壓空氣的溫度， -增壓空氣的壓力， -發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷， -發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， -增壓空氣冷卻水的溫度， -燃料注射時(shí)機(jī)， -燃料注射持續(xù)時(shí)間， -點(diǎn)火時(shí)機(jī)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述觸發(fā)事件包括從前一測(cè)量或者發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)經(jīng)過(guò)預(yù)定量的時(shí)間。
7.一種選擇性催化還原的裝置，該裝置包括 -至少一個(gè)催化劑元件(2) -用于向所述催化劑元件(2)上游的排氣系統(tǒng)中引入還原劑的單元(5)，-用于測(cè)量催化劑元件(2)下游的NOx濃度的NOx測(cè)量單元(4)，以及 -用于控制NOx測(cè)量單元(4)和還原劑劑量的控制單元(13)， 其特征在于，所述控制單元(13)被設(shè)置為執(zhí)行權(quán)利要求I所述的方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝 置，其特征在于，該裝置包括用于在測(cè)量之間保護(hù)所述NOx測(cè)量單元(4)免受廢氣侵害的單元(6，7，8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，該裝置包括設(shè)置在催化劑元件(2)下游的旁通管(6)，并且用于測(cè)量所述NOx濃度的單元(4)設(shè)置在所述旁通管(6)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，該裝置包括用于將清潔氣體引入到所述旁通管(6)中的單元(7,8) 0
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一所述的裝置，其特征在于，該裝置包括設(shè)置在所述催化劑元件(2)下游的氧化催化劑(3)。
全文摘要
一種利用一組預(yù)定的觸發(fā)事件(101)和NOx濃度設(shè)定值(102)控制選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的方法。當(dāng)發(fā)生觸發(fā)事件(104)時(shí)，開始催化劑元件(2)下游的NOx濃度測(cè)量(105)，并確定所測(cè)量的濃度與設(shè)定值之間的差值(106)。如果差值為負(fù)，則降低還原劑的劑量(107)并等待新的觸發(fā)事件(103)。如果差值為正，則增加還原劑的劑量(108)。系統(tǒng)穩(wěn)定后(109)，開始新的測(cè)量(110)，并將濃度與前一測(cè)量的結(jié)果相比較(111)。如果測(cè)量值低于前一測(cè)量值，則維持相同的劑量(112)。如果測(cè)量值高于前一測(cè)量值，則以比前一測(cè)量后的增加量大的量來(lái)減少劑量(113)。本發(fā)明還涉及用于SCR的裝置。
文檔編號(hào)F01N3/20GK102985168SQ201180031032
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者D·諾德伯格, R·貝爾托克斯基 申請(qǐng)人:瓦錫蘭芬蘭有限公司