專利名稱：用后接氧化催化劑減少柴油機(jī)有害物質(zhì)排放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用后接氧化催化劑減少柴油機(jī)在冷起動(dòng)、部分載荷和/或空載時(shí)有害物質(zhì)排放的方法。
按現(xiàn)有技術(shù)狀況有很多種減少柴油機(jī)有害物質(zhì)排放的方法。這里人們必須區(qū)分兩種不同的有害物質(zhì)，也就是氣態(tài)有害物質(zhì)和顆粒。對(duì)于柴油機(jī)車輛長(zhǎng)期以來(lái)把炭黑顆?？醋髯钣泻Φ某煞?，因此開發(fā)了很多種裝置，以便從廢氣中去除炭黑顆粒。其中例如由US-PS 4,404,795已知一種過濾體，它允許氣體通過，但是把炭黑顆粒濾掉。為了避免由于炭黑顆粒的積聚堵塞過濾器，過濾體經(jīng)常在它的前面部分用一個(gè)電熱器加熱，使積聚的炭黑層點(diǎn)燃并燒毀。為了促進(jìn)這個(gè)過程在這種情況下可以在過濾體前面送入額外的空氣。
柴油機(jī)減少有害物質(zhì)的另一種方案出發(fā)點(diǎn)在于必須使在柴油機(jī)廢氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸佳趸?，以便排除這一部分有害物質(zhì)。為了這個(gè)目的對(duì)于柴油機(jī)采用和強(qiáng)制點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣的氧化催化劑，也就是帶許多讓廢氣通過的帶氧化劑活性涂層的通道的蜂窩體，它有利于碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉难趸饔?。有一部分流過蜂窩體的炭黑顆粒被點(diǎn)燃并通過燒毀而從廢氣中去除，但這不是氧化催化劑的主要目的。
還有另一種減少在高溫下形成的廢氣中的氧化氮的方案，例如可以通過在排氣系統(tǒng)中額外提供碳?xì)浠衔飦?lái)達(dá)到。原則上考慮上述三種可能性的綜合(方案)，但是在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)性方面難以實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于強(qiáng)制點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)大家知道，例如由EP-B-0412103在柴油機(jī)起動(dòng)前和/或后對(duì)排氣催化劑的前置部分進(jìn)行加熱，以便在冷起動(dòng)階段(這個(gè)階段排放的有害物質(zhì)特別多)就達(dá)到催化反應(yīng)。按現(xiàn)有技術(shù)狀況有大量可以用作這種前置部分的電加熱蜂窩體的實(shí)施例。
在柴油機(jī)中可以通過燃燒室的結(jié)構(gòu)措施和改進(jìn)的柴油機(jī)管理減少炭黑排出以后，為了減少不可避免的碳?xì)浠衔锍煞忠环N優(yōu)先采用的用來(lái)降低有害物質(zhì)排放的方案是使用氧化催化劑。但是這里出現(xiàn)一個(gè)至今還不太引起注意的和無(wú)法解決的問題，也就是氧化催化劑原則上也不能設(shè)計(jì)成過濾器，而是具有可自由通過的通道，那怕在比較低的溫度時(shí)在它的表面上也會(huì)較快地積聚一層炭黑，滲入氣孔內(nèi)，減少催化劑的活性表面或者甚至完全履蓋住表面。其結(jié)果是帶有這樣一薄層炭黑的氧化催化劑實(shí)際上不可能再發(fā)揮催化活性作用。
當(dāng)一個(gè)沒有炭黑積聚層的催化轉(zhuǎn)換器在約300-350℃時(shí)開始它的催化活性時(shí)，而炭黑層在這個(gè)溫度下則絲毫不起變化。這個(gè)炭黑層只有在超過約600℃時(shí)才被燒毀。這將導(dǎo)致，一旦氧化催化劑積聚了炭黑它就不再具有活性，(即使)它的溫度達(dá)到350℃以上。因?yàn)閷?duì)于柴油機(jī)車輛其運(yùn)行狀態(tài)，例如最常出現(xiàn)的冷起動(dòng)、部分載荷和/或空轉(zhuǎn)時(shí)，在催化劑區(qū)域的廢氣溫度明顯低于600℃，在這種情況下氧化催化劑的功能無(wú)法發(fā)揮。
本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造一種用后接氧化催化劑減少柴油機(jī)在冷起動(dòng)、部分載荷和/或空轉(zhuǎn)時(shí)有害物質(zhì)排放的方法，它能確保提前催化反應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的按照本發(fā)明在柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)內(nèi)裝一個(gè)氧化催化劑，它在進(jìn)氣一側(cè)至少具有一個(gè)可電加熱的局部區(qū)域，這里電加熱區(qū)域在柴油機(jī)起動(dòng)前和/或后一直加熱到能使積聚的炭黑燒毀的溫度。這個(gè)電加熱區(qū)可以是一個(gè)小的單獨(dú)的蜂窩體或者一個(gè)集成在大蜂窩體內(nèi)的局部區(qū)域。通常這個(gè)電加熱區(qū)的軸向長(zhǎng)度為10至50mm，其直徑在氧化催化劑的半徑和直徑之間并具有約50至200cpsi(每平方英寸蜂窩數(shù))。它的電氣功率例如可以在500和2000瓦之間，但是也可以更小或更大。
如果氧化催化劑具有兩上或多個(gè)順序設(shè)置的電加熱壓也可能特別有利，它們可以被一個(gè)接一個(gè)地加熱，使得不超過最大的電功率，這樣也能使整個(gè)催化劑的表面逐步消除炭黑。有關(guān)這方面的情況例如在EP-B-O412103中敘述了一種合適的蜂窩體結(jié)構(gòu)。
和已知的首先應(yīng)該減少?gòu)?qiáng)制點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)的有害物質(zhì)排放的加熱催化劑不同，本發(fā)明在于使可電加熱區(qū)迅速加熱到可燒毀積聚炭黑的溫度。這個(gè)溫度明顯地高于對(duì)于自由的催化表面碳?xì)浠衔锏拇呋磻?yīng)時(shí)所采用的溫度。因此電加熱區(qū)必須加熱到特別是超過600℃的溫度。因?yàn)閼?yīng)該正是在冷起動(dòng)時(shí)減少有害物質(zhì)排放，電加熱區(qū)必須盡可能快地加熱，例如在20秒鐘以內(nèi)，最好在10秒鐘以內(nèi)。
只要電加熱區(qū)內(nèi)積聚的炭黑一點(diǎn)燃，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱反應(yīng)，但是因?yàn)橥ǔＬ亢趯雍鼙?，因此絕對(duì)不會(huì)釋放很大的能量。因此不能保證，炭黑的燃燒擴(kuò)展到后接蜂窩體的整個(gè)表面，特別是在電加熱區(qū)單獨(dú)設(shè)置時(shí)更不能。但是因?yàn)檎麄€(gè)表面應(yīng)該盡快地用來(lái)使碳?xì)浠衔镅趸诒景l(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中建議在柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)中輸入額外的燃料和/或空氣，以使它在溫度已經(jīng)很高的電加熱區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)化(成熱量)并利用由此而形成的大量的釋放出的熱能使后接蜂窩體表面上的炭黑完全燒毀。只要柴油機(jī)在這個(gè)時(shí)刻以過量的空氣運(yùn)行，額外輸入燃料就可以了，否則還應(yīng)該額外輸入空氣。當(dāng)炭黑層較厚或者廢氣中含有豐富的燃料時(shí)可以僅僅輸入空氣就夠了。通過測(cè)量或者由其他測(cè)量值推導(dǎo)出氧化催化劑上的壓降在必要時(shí)可以作出判斷，是否需要加熱，輸入燃料或空氣。
對(duì)于柴油機(jī)加熱方案有一系列選擇的可能性。對(duì)于預(yù)加熱柴油機(jī)， 電加熱區(qū)可以在柴油機(jī)預(yù)加熱時(shí)就加熱了，如果額外的能量由汽車發(fā)電機(jī)提供的話，只要對(duì)此提供足夠的電能。在能量供應(yīng)受車輛電池限制的情況下，在柴油機(jī)起動(dòng)后開始電加熱更合適一些。對(duì)此可以用很大的電流很快地進(jìn)行加熱。
為了控制或調(diào)節(jié)整個(gè)方法，這樣做特別有利溫度在或靠近電加熱區(qū)測(cè)量，并由測(cè)量值確定加熱的結(jié)束和/或開始以及額外燃料噴入的結(jié)束。一個(gè)在加熱區(qū)內(nèi)內(nèi)置的或固定在它外面的溫度傳感器可以承擔(dān)這個(gè)任務(wù)。從由溫度傳感器測(cè)量出的溫度曲線的分布可以確定，是否在350℃時(shí)已經(jīng)進(jìn)行碳?xì)浠衔锏拇呋磻?yīng)。在這種情況下不存在干擾炭黑層，不需要對(duì)氧化催化劑加熱。如果在這個(gè)溫度下還沒有開始反應(yīng)，那末必須對(duì)可加熱區(qū)繼續(xù)加熱，其中當(dāng)?shù)竭_(dá)約600℃時(shí)炭黑層開始燃燒時(shí)必然出現(xiàn)一個(gè)溫度的突然升高。利用這種信號(hào)可以控制額外燃料和/或空氣的輸入。溫度測(cè)量結(jié)果的判定也使得能對(duì)電加熱區(qū)的工作性能和它的催化活性涂層作出評(píng)定。
本發(fā)明當(dāng)然也可以和減少柴油機(jī)有害物質(zhì)排放的其他方法和裝置，特別是炭黑過濾器聯(lián)合運(yùn)用。其中在氧化催化劑中由放熱反應(yīng)產(chǎn)生的能量可以例如用來(lái)點(diǎn)燃后接炭黑過濾器中的炭黑層。根據(jù)本發(fā)明的接有一個(gè)炭黑過濾器的氧化催化劑也有利于在炭黑過濾器同期燃燒時(shí)還可能形成的有害物質(zhì)幾乎完全催化地轉(zhuǎn)化。
(下面)借助于示意圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作一說明從一個(gè)柴油機(jī)1排出的廢氣到達(dá)排氣系統(tǒng)2，它具有一個(gè)帶一個(gè)在進(jìn)氣端的電加熱區(qū)3的氧化催化劑4。電加熱區(qū)可以和強(qiáng)制點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的已知加熱催化劑一樣，并可以由一個(gè)具有例如50到200安培電流的電源7供電。一個(gè)溫度測(cè)頭8測(cè)量電加熱區(qū)內(nèi)或旁邊的溫度，由此可以對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行有目的的調(diào)節(jié)和監(jiān)控。但是基本上這種方法也可以用一個(gè)不帶溫度測(cè)頭的純時(shí)間控制裝置進(jìn)行。柴油機(jī)1和電加熱區(qū)3之間可以設(shè)置一個(gè)噴入燃料5或者輸入額外空氣6的裝置，以便在電加熱區(qū)升溫以后在那里引起一個(gè)燃料和空氣之間的放熱反應(yīng)，用這個(gè)反應(yīng)可以將整個(gè)氧化催化劑上的炭黑燒掉。在燒掉炭黑時(shí)氧化催化劑已經(jīng)很快地達(dá)到并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過催化氧化所必須的溫度，使得這以后立即產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏难趸?br> 按照本發(fā)明的方法可以達(dá)到，在柴油機(jī)起動(dòng)以后10秒或20秒后氧化催化劑就能起完全的催化作用，在這以后可只向周圍環(huán)境排放無(wú)毒的廢氣，即使柴油機(jī)在冷起動(dòng)、部分載荷和/或空載的運(yùn)行條件時(shí)不能保證氧化催化劑有足夠高的溫度。
權(quán)利要求
1.用后接氧化催化劑(4)減少內(nèi)燃機(jī)(1)在冷起動(dòng)、部分載荷和/或空載時(shí)有害物質(zhì)的排放方法，其中氧化催化劑(4)在進(jìn)氣端至少具有一個(gè)電加熱區(qū)(3)，同時(shí)這個(gè)電加熱區(qū)(3)在內(nèi)燃機(jī)(1)起動(dòng)前和/或后可以加熱到一個(gè)能燒毀積聚的炭黑的溫度。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于電加熱區(qū)(3)能加熱到高于約600℃的溫度。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于電加熱區(qū)(3)可以在不到20秒，最好不到10秒的時(shí)間內(nèi)加熱。
4.按權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于在電加熱區(qū)(3)達(dá)到將炭黑層燒毀的溫度時(shí)或以后，將額外的燃料(5)和/或空氣(6)輸入內(nèi)燃機(jī)(1)的排氣系統(tǒng)(2)內(nèi)，以便通過放熱反應(yīng)將氧化催化劑位于出氣口表面的炭黑燒毀。
5.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于電加熱區(qū)(3)在內(nèi)燃機(jī)(1)預(yù)加熱時(shí)加熱。
6.按權(quán)利要求1至4之任一項(xiàng)的方法，其特征在于電加熱區(qū)(3)在內(nèi)燃機(jī)(1)起動(dòng)以后立即加熱。
7.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于氧化催化劑(4)具有多個(gè)，在氣流方向順次排列的電加熱區(qū)，它們一個(gè)接一個(gè)用電加熱。
8.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于測(cè)量電加熱區(qū)(3)內(nèi)或附近的溫度，并由這個(gè)測(cè)量值確定加熱的結(jié)束和/或開始以及終止噴射額外的燃料(5)和/或空氣(6)。
9.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于直接或間接地確定氧化催化劑上的壓降并由此推斷額外地加熱和/或輸入燃料或空氣的必要性。
10.按上述權(quán)利要求之任一項(xiàng)的方法，其特征在于此方法應(yīng)用于串接有一個(gè)炭黑過濾器，最好是串接在前面的炭黑過濾器的氧化催化劑中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用后接氧化催化劑(4)減少內(nèi)燃機(jī)(1)在冷起動(dòng)、部分載荷和/或空載時(shí)有害物質(zhì)排放的方法，其中氧化催化劑(4)在進(jìn)氣端至少具有一個(gè)電加熱區(qū)(3)，同時(shí)這個(gè)電加熱區(qū)(3)在內(nèi)燃機(jī)(1)起動(dòng)前和/或后加熱到一個(gè)能燒毀積聚的炭黑的溫度，特別是到一個(gè)高于約600℃的溫度。加熱進(jìn)行得非?？欤詈檬窃诓坏?0秒鐘之內(nèi)，其中接著可以將額外的燃料(5)和/或空氣(6)送入排氣系統(tǒng)(2)，以便通過放熱反應(yīng)燃?xì)а趸呋瘎┪挥诔鲅醵说谋砻嫔系奶亢凇＠眠@種方法確保即使內(nèi)燃機(jī)在不合適的運(yùn)行條件下也能消除廢氣中的有害物質(zhì)。
文檔編號(hào)F01N13/02GK1136341SQ94194336
公開日1996年11月20日 申請(qǐng)日期1994年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月30日
發(fā)明者沃爾夫?qū)っ?申請(qǐng)人:發(fā)射技術(shù)有限公司