廢氣后處理系統(tǒng)和用于對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行廢氣后處理的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣后處理系統(tǒng)，所述內(nèi)燃機(jī)尤其至少部分設(shè)置用于燃燒含甲烷的氣體，以及還涉及一種用于廢氣后處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已知若干內(nèi)燃機(jī)，其既可以用含甲烷的氣體，例如天然氣或甲燒，也可以用由燃?xì)夂推渌剂?、例如柴油燃料?gòu)成的混合物運(yùn)行。
[0003]純粹的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)常常從汽油機(jī)或柴油機(jī)派生出來(lái)，其中，用于點(diǎn)燃燃?xì)?空氣混合物的外源點(diǎn)火通常借助火花塞進(jìn)行。在柴油機(jī)/燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)原則上以柴油機(jī)為基礎(chǔ)，其既允許了純粹的柴油運(yùn)行也允許了用柴油燃料和燃?xì)獾幕旌鲜竭\(yùn)行。在此，柴油熱值的一部分被燃?xì)馓娲?。總?cè)剂系?，亦即柴?燃?xì)?空氣混合物的點(diǎn)火，通過柴油成分完成。在此，由燃?xì)馓娲裼腿剂系奶娲誓艿?0%。
[0004]在所有至少部分以含甲烷的氣體的燃燒為基礎(chǔ)的附件(Ansatz)中，出現(xiàn)了較高的未處理的發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷排放物的問題。首先，出于氣候保護(hù)的原因，必須在廢氣后處理的框架內(nèi)降低甲烷排放物。
[0005]已知若干甲烷氧化催化劑(M0C)，其在富含鈀的配方的基礎(chǔ)上氧化廢氣中包含的甲烷。為此可以使用這樣的配方，這些配方具有鈀(Pd)與鉑(Pt)的直至例如7:1或甚至更大的重量比。其它的甲烷氧化催化劑則基于所謂的只有鈀的配方，例如Pd/鋁氧化物。但通常在這些配方中只有在高于400° C時(shí)才會(huì)觀察到一定的甲烷反應(yīng)。為了完全氧化，經(jīng)常需要遠(yuǎn)超500° C的溫度。但這種溫度在能量有效的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃運(yùn)行時(shí)就很少被達(dá)到。
[0006]歐洲專利文獻(xiàn)的德語(yǔ)譯文DE 60 2004 005 133 T2說(shuō)明了一種用于處理來(lái)自用天然氣運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的未燃的碳?xì)浠衔锏姆椒?，其中，設(shè)一種空氣電離設(shè)備，其從環(huán)境空氣中產(chǎn)生了自由基和反應(yīng)離子，它們被用來(lái)推動(dòng)氧化反應(yīng)。國(guó)際專利申請(qǐng)的德語(yǔ)譯文DE 112005 002 262 T2涉及一種等離子體支持的氮氧化物還原，其中，在還原催化反應(yīng)器的上游添加優(yōu)選來(lái)自環(huán)境空氣的臭氧，環(huán)境空氣被用非熱的等離子體處理。歐洲專利文獻(xiàn)的德語(yǔ)譯文DE 699 11 242 T2說(shuō)明了一種用于從內(nèi)燃機(jī)的廢氣中清除排放物的設(shè)備，其中，該設(shè)備包括非熱的等離子體反應(yīng)腔，液態(tài)的燃料被導(dǎo)引通過該反應(yīng)腔，其中，在此產(chǎn)生了反應(yīng)的、氣態(tài)的還原劑。這些反應(yīng)的還原劑輸送給被廢氣穿流的還原催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明提供了一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣后處理系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)尤其至少部分設(shè)置用于燃燒含甲烷的氣體。廢氣后處理系統(tǒng)在此包括至少一個(gè)甲烷氧化催化裝置。按照本發(fā)明，廢氣后處理系統(tǒng)還包括至少一個(gè)用于在廢氣中產(chǎn)生等離子體的裝置。在此特別優(yōu)選的是產(chǎn)生一種非熱的等離子體。作為非熱的等離子體指的是那些不處于熱平衡中的等離子體。在此產(chǎn)生了氧化的和還原的自由基。特別是從水形成了 OH基以及從0)2或02形成了 O基，它們作用于甲烷以及因此容易達(dá)到進(jìn)一步的催化氧化。因此，通過伴隨等離子體以及特別是非熱等離子體的產(chǎn)生而來(lái)的自由基化學(xué)，這樣來(lái)支持甲烷在甲烷氧化催化裝置中的氧化，即，降低甲烷氧化催化裝置的起燃溫度。按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)的這個(gè)優(yōu)勢(shì)尤其在主要是稀薄的燃燒廢氣中起作用，因?yàn)樘貏e是在燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的鑒于效率被優(yōu)化的稀燃運(yùn)行中，在甲烷氧化催化劑中的甲烷完全氧化所需的溫度通常未被達(dá)到。
[0008]在按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，用于產(chǎn)生等離子體的裝置被布置，特別是直接布置在甲烷氧化催化裝置的上游。因?yàn)樵诘入x子體中產(chǎn)生的自由基通常壽命很短，所以當(dāng)用于產(chǎn)生等離子體的裝置直接布置在甲烷氧化催化裝置的上游時(shí)，基于此的自由基化學(xué)可以以特別有利的方式展開。系統(tǒng)可以尤其被這樣設(shè)計(jì)，使得等離子體在甲烷氧化催化裝置的上游被點(diǎn)燃以及然后所產(chǎn)生的等離子體被引入甲烷氧化催化裝置中。
[0009]在廢氣后處理系統(tǒng)的另一個(gè)特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，甲烷氧化催化裝置被集成在用于產(chǎn)生等離子體的裝置中。在此，自由基直接在甲烷氧化的地點(diǎn)上被產(chǎn)生，因而在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，甲烷氧化的支持可以通過所產(chǎn)生的自由基以特別有利的方式展開。在此，等離子體化學(xué)的氣相反應(yīng)和甲烷后續(xù)產(chǎn)物、例如甲醇的催化氧化，在一定程度上平行進(jìn)行。甲烷氧化催化裝置到用于產(chǎn)生等離子體的裝置中的集成可以例如通過為設(shè)置用于產(chǎn)生等離子體的電介質(zhì)用一種甲烷氧化催化材料的涂層而實(shí)現(xiàn)。
[0010]用于產(chǎn)生等離子體，特別是非熱等離子體的裝置，優(yōu)選被設(shè)置用于廢氣中的所謂的阻擋放電，其中，為此說(shuō)明了一種電介的阻擋放電。優(yōu)選為此設(shè)兩個(gè)金屬電極，它們通過一種電介質(zhì)彼此分離。在此引起的阻擋放電(Barriereentladung)也被稱為靜態(tài)放電，其本身例如由來(lái)自環(huán)境空氣的臭氧生成公知。
[0011]為了用于產(chǎn)生等離子體、特別是非熱等離子體的裝置的運(yùn)行，通常需要在kV范圍內(nèi)的高壓供電，例如在10至20 kV之間的高壓供電。
[0012]所產(chǎn)生的等離子體優(yōu)選涉及一種非熱的等離子體。但例如微波等離子體也可能極為適合。與非熱等離子體類似的是，微波等離子體也不處于熱平衡中。但一般微波等離子體不像純粹的非熱等離子體那么冷。微波等離子體具有特殊的優(yōu)勢(shì)，即，微波等離子體可以膨脹到整個(gè)氣體體積以及使它的效果尤其在甲烷的氣相氧化下可以完全展開。當(dāng)例如出于成本考慮，甲烷氧化催化裝置的貴金屬含量下降以及因此甲烷氧化的重點(diǎn)在于氣相或例如在作為單體(Monolith)穿流的廢氣催化劑中的占據(jù)空間的體積應(yīng)當(dāng)作為整體被激勵(lì)時(shí)，這種設(shè)計(jì)方案特別有利。
[0013]在用于產(chǎn)生等離子體的裝置的另一種設(shè)計(jì)方案中，為了產(chǎn)生等離子體能夠使用電暈放電，即，用于產(chǎn)生等離子體的裝置包括用于產(chǎn)生電暈放電的器件。這例如指的是所謂的等離子體噴嘴，它在等離子體通道中產(chǎn)生了快速的壓縮空氣氣流，以便防止從短暫的輝光放電過渡到弧光放電。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，可以省去在等離子體通道中的電介質(zhì)。
[0014]按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)的甲烷氧化催化裝置優(yōu)選涉及一種帶有主導(dǎo)性的鈀成分的甲烷氧化催化裝置。在此，鈀可以形成主要組成部分。也可能在催化劑配方中還存在另外的貴金屬，例如鉑和/或銠。甲烷氧化催化裝置優(yōu)選含有一種從屬性的鉑和/或銠成分?？梢岳缡褂锰沾刹牧?，例如氧化鋁，或混氧化物，如鈦酸鋇(BaT13)作為甲烷氧化催化裝置的基材。
[0015]在按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，廢氣后處理系統(tǒng)還包括至少一個(gè)NOx-SCR催化器(SCR:選擇性催化還原)。這個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)在于，在廢氣中也可以選擇性地還原氮氧化物。特別是結(jié)合SCR催化器，按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)優(yōu)選包括另一種催化裝置，其具有比甲烷氧化催化裝置更高的鉑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這種另外的鉑積聚的催化裝置促使，幾乎在富含鈀的甲烷氧化催化裝置之后幾乎唯獨(dú)存在的一氧化氮，再次至少部分被氧化成二氧化氮。由此使NOx-SCR催化器的效率首先在低于300° C的溫度時(shí)被明顯提尚。
[0016]鉑積聚的催化裝置可以例如集成在甲烷氧化催化裝置中。在另一種設(shè)計(jì)方案中，鉑積聚的催化裝置是必要時(shí)存在的、催化的過濾涂層的一部分。例如可以在一種帶有SCR催化器的系統(tǒng)中在SCR催化器上游設(shè)一種顆粒過濾器，一種鉑積聚的催化劑涂層可以被作為涂層配方的適配而集成在該顆粒過濾器中。尤其在柴油-燃?xì)庀到y(tǒng)中，顆粒過濾器在廢氣后處理系統(tǒng)中極為有利或甚至基于法律規(guī)定是強(qiáng)制性的，因?yàn)樵诎幢景l(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)可以被使用于此的內(nèi)燃機(jī)中，原則上也可以實(shí)現(xiàn)僅用柴油燃料的運(yùn)行，因而對(duì)這些情況而言，柴油排放物必須遵守法律規(guī)定的極限值。當(dāng)系統(tǒng)中存在顆粒過濾器時(shí)，有利地在顆粒過濾器上設(shè)置了含鉑的涂層。在廢氣后處理系統(tǒng)不具有顆粒過濾器的情況下，鉑積聚的催化裝置也可以獨(dú)立于顆粒過濾器地設(shè)置以及例如集成在甲烷氧化催化裝置中。
[0017]甲烷氧化催化裝置和用于產(chǎn)生等離子體的裝置的按本發(fā)明的組合此外具有這樣的優(yōu)勢(shì)，即，甲烷氧化催化裝置的本身公知的、極度的硫敏感性特別是在甲烷氧化催化器的鈀占主導(dǎo)的配方中通過與用于產(chǎn)生等離子體的裝置的結(jié)合而得到了補(bǔ)償。特別是在甲烷氧化催化裝置集成到用于產(chǎn)生等離子體的裝置中時(shí)，甲烷氧化催化裝置的硫敏感性可以以特別有利的方式被補(bǔ)償?；A(chǔ)在于，通過按本發(fā)明被改善的甲烷氧化，甲烷氧化催化裝置的反應(yīng)的鈀中心通過例如在表面上結(jié)合例如甲醇這樣的極性中間態(tài)而被更長(zhǎng)時(shí)間地避開硫。因此總體上在按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)中也長(zhǎng)期提高了甲烷氧化的有效性。
[0018]在按本發(fā)明的廢氣后處理系統(tǒng)的一種特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案中，廢氣后處理系統(tǒng)還包括至少一種硫吸附裝置。這種硫吸附裝置用作硫陷阱以及以特別有效的方式防止了由于在廢氣中的硫?qū)е碌暮Z甲烷氧化催化裝置的有效性變差，其中，通過等離子體化學(xué)產(chǎn)生的O (H)自由基也將SO2氧化成SO3，這然后可以即使在含有很少的鉑時(shí)也被有效地存入硫陷阱中。
[0019]硫吸附裝置可以特別涉及一種氧化硫存儲(chǔ)裝置。用于氧化硫存儲(chǔ)裝置的材料可以例如基于一種鎂-鋁酸鹽-尖晶石。此外，硫吸附裝置的配方基于針對(duì)氮氧化物-存儲(chǔ)催化劑的常用的完整配方，其尤其具有主導(dǎo)性的鈀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。必要時(shí)可以規(guī)定一種從屬性的鉑和/或銠質(zhì)量分?jǐn)?shù)。硫吸附裝置可以例如被布置在用于產(chǎn)生等離子體的裝置的上游。當(dāng)甲烷氧化催化裝置被集成到用于產(chǎn)生等離子體的裝置中時(shí)，硫吸附裝置可以被布置在這個(gè)組合式裝置的上游。此外，原則上也可以既將甲烷氧化催化裝置也將硫吸附裝置通過催化劑配方的相應(yīng)的適配和/或通過恰當(dāng)?shù)耐繉蛹傻接糜诋a(chǎn)生等離子體的裝置中。
[0020]本發(fā)明此外還包括一種用于對(duì)至少部分設(shè)置用于燃燒含甲烷的氣體的內(nèi)燃機(jī)的廢氣進(jìn)行后處理的方法。在此，在廢氣中的甲烷通過使用甲烷氧化催化裝置被氧化。為支持甲烷氧化，還在排氣系中產(chǎn)生了等離子體。在這種方法中優(yōu)選使用上述的廢氣后處理系統(tǒng)。關(guān)于這個(gè)方法的其它的特征則參考上述說(shuō)明。
[0021]本發(fā)明還包括一種計(jì)算機(jī)程序，其被設(shè)置用于執(zhí)行所說(shuō)明的方法。此外，本發(fā)明還包括一種機(jī)器可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，其上儲(chǔ)存著所說(shuō)明的計(jì)算機(jī)程序，以及還包括一種電子的控制器，其被設(shè)置用于執(zhí)行