贫燃发动机排气装置中的碳烟过滤器的再生方法，以及用于贫燃发动机的排气装置的制作方法

专利名称：贫燃发动机排气装置中的碳烟过滤器的再生方法，以及用于贫燃发动机的排气装置的制作方法
贫燃发动机排气装置中的碳烟过滤器的再生方法， 以及用于贫燃发动机的排气装置
本发明涉及一种用于再生贫燃发动机排气装置中的碳烟过滤器的 方法，采用该方法能减少在再生期间中的氮氧化物的排放。
在大多数运行期间中，贫燃发动机由贫化的空气/燃料混合物驱 动。属于此类的有柴油发动机和贫燃运行的快燃发动机。
为了改进空气质量，在欧洲和其他工业国家，废气立法不断变得
更加严格。按照欧洲议会的决议，从2009年9月1日起，新车辆必须 遵守欧5的界限值,从2014年9月1日起，柴油车辆必须遵守欧6 的界限值。欧5规定柴油车辆的界限值是180 mg/km的氣氧化物，和 5 mg/km的碳烟颗粒。欧6将氮氧化物的界限值降低至80 mg/km。在 加利福利亚，甚至从2007年起，就已经起用50 mg NO,/英里和10 mg 碳烟/英里的界限值。
作为有害物质，贫燃发动机在其废气中含有未燃烧的烃、 一氧化 碳、氮氧化物和碳烟。所规定的废气中的氮氧化物和碳烟浓度的界限 值，再也不能仅仅通过采用发动机内的措施而得到遵守，而为了该目 的，废气后处理是必需的可采用氮氧化物储存催化剂或SCR催化剂 将氮氧化物转化，且可采用碳烟过滤器将碳烟滤出。每行使500 ~ 1000 km，就必须通过将废气温度提高至高于550'C并且将碳烟过滤器中沉 积的碳烟燃烧掉而使碳烟过滤器再生。但是，碳烟过滤器的再生要持 续大约15分钟，这使其很难遵守氮氧化物的界限值在碳烟过滤器再 生过程中出现的那样的高温下，用于氮氧化物-还原的催化剂的催化活 性是低的。而且，高的废气温度会损坏该催化剂。
本发明涉及用催化剂并用碳烟过滤器进行在贫燃发动机情况下的 废气后处理，所述催化剂用于转化氮氧化物。所迷用于转化氮氧化物 的催化剂在下文也被称为脱氮催化剂。DE 103 93 184 T5 (相应于US 7， 055， 311 B2 )描述了用于具有 多个气缸的柴油发动机的双流式废气净化装置。所述废气净化装置包 括用于第一组气缸的废气的第一排气管，和用于第二组气缸的废气的 第二排气管。在每个排气管中都安装有氮氧化物储存催化剂并任选地 安装有碳烟过滤器。这两个排气管在储存催化剂下游，在汇合点(Einm iindung)合并成共用排气管。所述共用排气管具有氧化催化剂。在第 一个和第二个排气管中的废气的组成彼此独立地由电子发动机控制装 置所调节，使得在所述一个用于再生储存催化剂的管道中使废气处于 富含状态，而在所述另一个管道中的废气是贫化的。如此调节废气的 富含和贫化，使得在两股废气流合并之后，在共用排气管中，存在贫 化的废气，并且将可能的还原剂泄露(Schlupf )在氧化催化剂上氧化。
如本专利申请的发明人认识到的那样，DE 103 93 184 T5的废气 净化装置不能在碳烟过滤器的再生过程中，将发动机排放的氮氧化物 转化成无害成分。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，所述方法即使在碳烟 过滤器的再生过程中，也能保证具有高的氮氧化物转化率，并且在碳 烟过滤器的再生过程中，能降低脱氮催化剂的温度负荷。此外，本发
明的另一个目的是提供一种适于该方法的排气装置。
所述目的通过权利要求1所述的方法实现。本发明的优选的具体
实施方案描述于从属权利要求中。
所述方法以具有多个气缸的贫燃发动机为前体条件，其中第一个 排气管接受第一组气缸的废气，且第二个排气管接受第二组气缸的废 气。每个排气管包括至少一个碳烟过滤器。两个排气管在碳烟过滤器 的下游合并成共用排气管。为了将氮氧化物转化，所述共用排气管包 括脱氮催化剂。在发动机的正常运行中，在所述两个排气管存在相同 的废气条件；发动机产生的碳烟被碳烟过滤器从废气中滤除，且氮氧 化物被脱氮催化剂转化。所述方法的特征在于所述两个碳烟过滤器在 时间上彼此交替地再生。为此，将相关排气管中的废气的温度升高至 碳烟点燃温度，而另一个排气管中继续存在正常的废气条件。两股废气流在共用排气管中混合。因此，混合后的废气具有处于正常运行的 废气温度和在再生过程中的废气温度之间的平均温度。在共用排气管 中的混合废气流中所含有的氮氧化物，在脱氮催化剂上被转化成无害 成分。
发动机的"正常运行，，是指在城市交通中车辆的正常行驶时，以 及在不是很快速的高速公路行驶时的运行状态。对于该运行状态，废
气温度处于150 400。C的范围内。要与此区分的是用于将两个碳烟过 滤器中的一个上的碳烟燃烧掉的再生模式。为了该目的，废气温度且 由此所述碳烟过滤器的温度必须被提升至碳烟点燃温度。碳烟点燃温 度的高低取决于，所述碳烟过滤器是否配备有碳烟点火涂层。碳烟点 燃温度通常高于正常运行下的废气温度。
在正常运行下，用贫化的空气/燃料混合物驱动两组气缸。因此， 两个排气管中的废气都是贫化的。为了通过燃烧碳烟而使碳烟过滤器 中的一个再生，相应的排气管中的废气温度必须升高至碳烟点燃温度。 此时，指定的汽缸组继续在贫化的空气/燃料混合物下运行。因此，废 气仍保持贫化，并且能够氧化碳烟。因此，根据所述方法，两个排气 管中的废气在所述过滤器的再生期间仍保持贫化。
在常规的废气净化装置中，脱氮催化剂被设置于位于相同排气管 路的碳烟过滤器的上游或下游，并因此在一个碳烟过滤器再生期间， 被施加与碳烟过滤器同样热的废气负荷。在这些高温下，氮氧化物储 存催化剂的催化活性低，因此废气中所含的氮氧化物几乎未被转化。 现在，本发明的积极效果是基于如下事实从一组气缸的正常运行而 来的相对冷的废气与从另一组气缸的再生运行而来的热废气，在所述 废气被引导经过所述脱氮催化剂之前进行混合。由此得到的混合后的 废气流的废气温度处于脱氮催化剂的最佳温度范围之内，并由此能够 使氮氧化物的良好转化成为可能。这也降低了脱氮催化剂的热老化。
本领域技术人员熟知适用于本发明的脱氮催化剂以及它们的运行 方式。属于此类的有SCR催化剂和HC-DeNO,-催化剂。
在使用氮氧化物储存催化剂时，必须用贫化的废气和富含的废气
6在循环转换方式下驱动所述贫燃发动机。在持续约1 ~ 2分钟的贫化阶 段中，废气中所含的氮氧化物被储存在储存催化剂上，且在富含废气 阶段中，所述氮氧化物被再次释放，并由废气的还原性成分(未燃烧 的烃、 一氧化碳和氢气)转化成氮气、二氧化碳和水。富含阶段仅持 续几秒钟。氮氧化物储存催化剂的最佳工作温度为250 ~ 400°C。氮氧 化物储存催化剂会被高于55(TC的废气温度热损坏。
氮氧化物催化剂的运行方式已在SAE文献SAE 950809中进行了详 细描述。根据所述文献，在贫化阶段中，废气中所含的一氧化氮被氧 化成二氧化氮，并随后以硝酸盐的形式被储存。为了氧化一氧化氮， 储存催化剂作为催化活性成分通常含有铂，并且任选地含有钯。对于 用于以硝酸盐的形式储存氮氧化物的是由碱金属、碱土金属和稀土金 属的碱性氧化物、碳酸盐或氩氧化物；优选使用钡和锶的碱性化合物。 适当的氮氧化物储存催化剂已描述于例如申请人的专利US 6858193 B2中。
SCR催化剂在加入氨的情况下能选择性地将含氧废气中所含的氮 氧化物还原成氮气。为此，必须将氨或能分解生成氨的化合物在SCR 催化剂上游注入到该废气中。SCR催化剂作为催化活性组分含有酸性 氧化物，例如氧化钛、氧化钨和氧化钒。同样特别适宜还有用贱金属， 特别是用铁或铜交换的沸石。沸石具有非常高的氨储存能力，这对它 们承受贫燃发动机的动态运行过程中所产生的废气组成的波动产生积 极效果。SCR催化剂的最佳运行温度为约300 ~ 500°C。采用所述SCR 催化剂，能达到高于9 0 %的转化有效率。
HC-DeN0x-催化剂同样能转化含氧废气中所含的氮氧化物。在这种 情况下，废气中所含的烃，或另外注入废气中的烃或它们的分解产物， 起着还原剂的作用。为了该目的，例如，可将燃料注入到废气中。采 用烃还原氮氧化物的选择性要明显低于采用氨还原氮氧化物的选择 性。因此，所述催化剂的转化有效率仅为约20 ~ 60 % 。适当的HC-DeNO，-催化剂为，例如用铜交换的沸石，或负栽的铂催化剂。所述催化剂的 最佳工作范围，取决于组成，在基于铂的催化剂的情况下，为150~250X:，且在基于沸石的催化剂的情况下，为300 500t:。
对于本发明的目的，可以使用所有公知的用于来自贫燃发动机的 废气的碳烟过滤器。特别适合的是所谓的壁流式过滤器，其由陶瓷例 如堇青石、钛酸铝和碳化硅构成。在此，碳烟沉积在所述碳烟过滤器 体的流道壁上。由此，废气的反压力不断升高。当达到预先设定的废 气反压力的界限值时，所述过滤器必须通过燃烧掉碳烟而再生。为此，
废气的温度必须升至碳烟点燃温度。该温度为约650X:。可通过用适
当的催化物质(所谓的碳烟点燃涂料)涂覆所述碳烟过滤器，将该温
度降低50~150°C。对于本发明的目的，可使用经涂覆的和未经涂覆
的过滤器。
对于提高在碳烟过滤器的位置上的废气温度适合的有各种措施。 所述废气温度可例如通过发动机措施而被提高至碳烟点燃温度。属于 此类的有燃料后喷、设置在后的燃烧位置、多阶段燃烧或这些措施的
组合。可选择地，碳烟过滤器还可通过外部加热，例如电加热，被加 热到碳烟点燃温度。另一种可能在于，用氧化催化剂涂覆碳烟过滤器， 并通过在各碳烟过滤器的上游注入烃或它们的分解产物并在碳烟过滤 器的催化涂层上进行烃或它们的分解产物的催化燃烧，将废气温度提 升至碳烟点燃温度。
按照本发明的碳烟过滤器和脱氮催化剂的设置可通过其他的催化 剂得到补充。例如，在碳烟过滤器的上游可设置氧化催化剂。所述氧 化催化剂使仍可能在废气中含有的未燃烧的烃和一氧化碳燃烧。所述 氧化催化剂还适于加热后接的碳烟过滤器以用于再生。为此，在各氧 化催化剂的上游将额外的燃料注入到废气管中，在氧化催化剂上燃烧， 并由此将废气温度提升至碳烟点燃温度。氧化催化剂主要含有铂和/ 或钯作为催化活性成分且对本领域技术人员而言是已知的。
此外，可通过以下方式改进氮氧化物的转化率在每个碳烟过滤 器的上游或下游还设置氮氧化物储存催化剂。如果所述的氮氧化物储 存催化剂被设置在碳烟过滤器的上游，或者如果用所述氮氧化物储存 催化剂涂覆碳烟过滤器，那么在贫化的废气条件下也可利用其氧化作用，以便如上文对于氧化催化剂所述的那样，通过使注入的烃燃烧， 将碳烟过滤器的温度提高至碳烟点燃温度。在这种情况下，在碳烟过 滤器的再生之后，也可紧接着进行氮氧化物储存催化剂的脱硫，因为 所述脱硫也需要非常高的废气温度。但是，为了脱硫必须使废气处于
富含状态下。所述方法顺序已在申请人的欧洲专利EP 1154130 Bl中 得到描述在碳烟过滤器再生之后，使废气处于富含状态并使氮氧化 物储存催化剂脱硫。
与DE 103 93 184 T5中所描述的废气净化装置的操作方法相比， 本发明的方法具有显著的优点。根据DE 103 93 184 T5，任选地还将
中的废气温度升至高于550。C而在时间上交替再生。但是，在该温度 下，安装在所述排气管中的脱氮催化剂不再能储存由发动机排放的氮 氧化物。因此，所述氮氧化物通过位于共用排气管中的氧化催化剂， 被排放到环境中。在此，更加严峻的是还加入以下观点在550。C的 废气温度下，NO和N02之间的化学平衡几乎全部处于对环境危害较小 的一氧化氮一侧。如果所述废气这时与来自第二排气管的相对冷的废 气混合，并且^皮传输经过共用排气管中的氧化催化剂，则所含有的一 氧化氮，由于相对低的混合物温度，会以很高的效率被氧化生成对环 境非常有害的二氧化氮。而且，为了节省燃料，碳烟过滤器的再生优 选在高负荷的发动机运行点上进行，在该运行点上，废气温度从一开 始就相对高。但是，在这样的运行点上，柴油发动机自身就排放出较 高比例的氮氧化物。因此，在所述废气净化装置中，可以预料到在碳 烟过滤器的再生期间显著提高的N02排放。与此相反，本发明所提出 的方法能够有效降低碳烟过滤器再生期间的氮氧化物排放。 依据

图1 图2，下面对本发明进行更详细的解释。 图1:所示的是各种脱氮催化剂的典型的活性曲线 图2:所示的是具有降低的氮氧化物排放量的，用于实施碳烟过滤
器的再生的方法的废气净化装置 图3:所示的是具有降低的氮氧化物排放量的，用于实施所述再生的方法的废气净化装置的另一个具体实施方案 图1所示的是适用于本发明的各种脱氮催化剂的活性曲线。在活
性窗口 (AktiviUtsfenster)之内，氮氧化物的转化率由低的废气温 度开始随着温度急剧升高，经过一个宽度或高或低的最大值区域，然 后在高温下再次急剧下降。如图1所示，用于再生碳烟过滤器的温度 区间高于脱氮催化剂的活性窗口。在再生温度下，脱氮催化剂的活性 已急剧下降，使得如果碳烟过滤器和脱氮催化剂位于相同的排气管路 中，在不采取其他措施的情况下，在所述过滤器的再生期间，废气中
所含有的大部分氮氧化物会未经处理就被排放。
图2所示的是用于实施本发明的方法的废气净化装置。附图标记 (1)表示具有两个汽缸组(2)和(2，)的贫燃发动机。所述汽缸组 的废气被排到两个排气管(3)和(3，)中。两个排气管(3)和(3，) 在汇合点(4)合并成共用排气管(5)。贫燃发动机废气中所含的碳 烟由碳烟过滤器(6 )和(6，)从废气中滤除。为了转化贫燃发动机(1) 所排放的氮氧化物，共用排气管包括脱氮催化剂(7)。所述脱氮催化 剂可为氮氧化物储存催化剂，SCR催化剂或HC-DeN0「催化剂。因而， 共用排气管中的氮氧化物被SCR催化剂、氮氧化物储存催化剂或 HC-DeNO,-催化剂除去。
在SCR催化剂的情况下，用于注入氨或者能分解形成氨的化合物 的定量给料设备(8)位于所述催化剂的上游。
在图2中假定，必须将碳烟过滤器(6)再生。因此，使汽缸组(2) 如此运行，使得废气温度高于60(TC并且能将碳烟点燃烧尽。在碳烟 过滤器(6)再生期间，第二汽缸组(2，)以相应于车辆当时的行驶状 态"正常，，运行。在图2中假定，在所述运行状态下，废气的温度为 约200°C。两股废气流在在适当的汇合点(4)混合成混合物温度为约 35(TC的共同的废气流。
图3所示的是实施所述方法的废气净化装置的一个变化方案。在 每种情况下，在碳烟过滤器(6)和(6，)的上游的排气管中，装入氧化催化剂或氮氧化物储存催化剂(9)和(9，)。此外，在碳烟过滤器 的下游，可设置脱氮催化剂，例如在每种情况下设置氮氧化物储存催 化剂(10)和(10，)。
在废气净化装置的所述变化方案中，第一和第二排气管中的废气 首先被传输经过氧化催化剂(9和9，)，并随后经过碳烟过滤器(6 和6，)。随后，废气也可被传输经过氮氧化物储存催化剂(10和10，)。
而且，在脱氮催化剂(7)的下游，也可后接氧化催化剂，以减少 泄露到大气中的还原剂的量。
在图2和3中的前提是，贫燃发动机具有两个独立的汽缸组，其 将它们的废气排入相应指定的排气管中。然而，所述方法也可用于直 列发动机中。只需注意气缸的废气被排入到两个分开的排气管中。
权利要求
1.使具有多个气缸的贫燃发动机(1)的排气装置中的碳烟过滤器再生的方法，其中第一排气管(3)接受来自第一组气缸(2)的废气且第二排气管(3’)接受来自第二组气缸(2’)的废气，且每个排气管都具有碳烟过滤器(6和6’)，且这两个排气管在碳烟过滤器的下游汇合成共用排气管(5)，并将两组气缸的废气混合，其中在发动机的正常运行过程中，在两个排气管中存在相同的废气条件，且由发动机产生的碳烟由碳烟过滤器从废气中滤除，其特征在于通过将指定的排气管中的废气温度提高至碳烟点燃温度，而在另一个排气管中继续存在正常的废气条件，使两个碳烟过滤器(6和6’)在时间上彼此交替地再生，使得共用排气管(5)中的废气温度具有处于正常运行的废气温度和在再生过程中的废气温度之间的平均温度，且在混合的废气流中所含有的氮氧化物在脱氮催化剂(7)上被转化。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，为了使所述碳烟过 滤器再生，通过发动机措施将废气温度提高至碳烟点燃温度。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过燃料的后喷入、 通过在后的燃烧位置、通过多阶段燃烧或通过这些措施的组合将废气温度提高到碳烟点燃温度。
4. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，为了再生所述碳烟 过滤器，通过外部加热将废气温度提高至碳烟点燃温度。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，用氧化催化剂涂覆 所述碳烟过滤器，并通过在各碳烟过滤器的上游注入烃或其分解产物 并且使烃或其分解产物在氧化催化剂上催化燃烧，将废气温度提高至 碳烟点燃温度。
6. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，在每种情况下第一 和第二排气管在碳烟过滤器上游具有氧化催化剂，并通过在各氧化催 化剂的上游注入烃或其分解产物并且使所述烃或其分解产物在所述氧 化催化剂上催化燃烧，将废气温度提高至碳烟点燃温度。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，通过用碳烟点火涂 层涂覆碳烟过滤器(6和6，)，使碳烟点燃温度降低。
8. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，通过作为脱氮催化 剂的SCR催化剂、氮氧化物储存催化剂或HC-DeNO,催化剂除去共用排 气管中的氮氧化物。
9. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，第一和第二排气管 中的废气首先被传输经过氧化催化剂(9和9，)，并随后经过碳烟过 滤器(6和6，)。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，第一和第二排气管 中的废气首先被传输经过氧化催化剂(9和9，)，然后经过碳烟过滤 器(6和6，)，并随后经过氮氧化物储存催化剂(10和10，)。
11. 具有多个气缸的贫燃发动机(l)的排气装置，其中第一排气 管(3 )与第一组气缸(2 )连接且第二排气管(3，)与第二组气缸(2，) 连接，且每个排气管具有碳烟过滤器(6和6，)，且这两个排气管在 碳烟过滤器的下游汇合成共用排气管(5)，其特征在于，共用排气管 具有脱氮催化剂(7 )。
12. 如权利要求11所述的排气装置，其特征在于，在每个碳烟过 滤器(6和6，)的上游，都设置有氧化催化剂(9和9，)。
13. 如权利要求12所述的排气装置，其特征在于，在每个碳烟过 滤器(6和6，)的下游，都设置有氮氧化物储存催化剂(IO和IO，)。
14. 如权利要求11所述的排气装置，其特征在于，在每个碳烟过 滤器(6和6，)的上游和/或下游，都设置有氮氧化物储存催化剂(10 和10，)。
15. 如权利要求11 - 14任一项所述的排气装置，其特征在于，所 述脱氮催化剂(7)是SCR催化剂、氮氧化物储存催化剂或HC-DeN0广 催化剂。
16. 如权利要求15所述的排气装置，其特征在于，所述脱氮催化剂 (7 )是SCR催化剂，并且在共用排气管(5 )中在所述SCR催化剂的上游设置有用于注入氨或者能分解形成氨的化合物的定量给料设备(8)。
全文摘要
为了遵守法律上的废气排放规定，贫燃发动机(1)的废气必须不含碳烟颗粒和氮氧化物。为了该目的，废气净化装置通常具有碳烟过滤器(6)和用于去除氮氧化物的催化剂(7)。在碳烟过滤器中沉积的碳烟必须定期通过将废气温度提高至碳烟点燃温度而燃烧掉。该过程可将用于去除氮氧化物的催化剂热损坏。提出将贫燃发动机的汽缸分成两组(2，2’)，这两组汽缸将它们的废气排入到两个指定的排气管(3，3’)中，其中每个排气管都具有碳烟过滤器(6，6’)，且这两个排气管在汇合点(4)汇合成共用排气管(5)。所述共用排气管具有用于去除氮氧化物的催化剂。通过在时间上彼此交替地使这两个碳烟过滤器再生，将共用排气管中的废气温度限制到处于正常运行的废气温度和再生运行的废气温度之间的平均温度，并保护了用于去除氮氧化物的催化剂。
文档编号F01N13/04GK101631934SQ200880006124
公开日2010年1月20日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年1月31日
发明者I·哥利斯特德, S·埃克豪夫, T·克里泽尔, W·穆勒 申请人:尤米科尔股份公司及两合公司