控制还原剂添加的方法

专利名称：控制还原剂添加的方法
技术领域：
本发明涉及控制还原剂添加以将内燃机排出气体中的NOx催化转化成N2的方法。
通过适当的还原剂将内燃机排出气体中的NOx催化地还原成N2是已公知的。三种实例是选择催化还原(SCR)、贫NOx催化和NOx捕集器再生。
在选择催化还原中，还原剂通常为NOx特性反应物。对于此处的“NOx特性反应物”，我们指的是在大多数条件下优先于气体混合物的其它组分而优选还原NOx的还原剂。NOx特性反应物的实例包括含氮化合物，例如氮氢化物，例如氨(NH3)或同样地肼或以NH3前驱物形式存在。
对于“NH3前驱物”，我们指的是可例如通过水解从中获得NH3的一种或多种化合物。这些化合物包括作为水溶液或作为固体或氨基甲酸铵(NH2COONH4)存在的尿素(CO(NH2)2)。如果尿素被用作水溶液，那么优选共晶混合物，例如32.5％尿素(水溶液)。添加剂可被包括在水溶液中以降低结晶温度。
已公知的选择催化还原型催化剂包括Pt基催化剂，所述催化剂可在约175℃至约250℃之间的温度下催化NH3对NOx的还原反应；在约260℃至约450℃之间的温度范围内作用的中等温度钒基催化剂例如V2O5/TiO2；以及通过在渐增温度下的渐增活性而起作用的沸石基催化剂。
在NH3选择催化还原系统中发生多个化学反应，所有所述化学反应表示将NOx还原成元素氮的所希望的反应。式(1)中示出了总的所需反应。
(1)与氧气的竞争性非选择反应可产生二次排放物或可非生产性地消耗NH3。一个这种非选择性反应是NH3的完全氧化，如式(2)所示。
(2)应该意识到，在低于约100-200℃的更低温度下，NH3还可与NO2反应而产生硝酸铵(NH4NO3)和亚硝酸铵(NH4NO2)的爆炸混合物。为了避免存在疑虑，本发明不包含这种反应或促进使它们发生的条件。例如，可通过确保温度不降到约200℃以下或通过供入小于与NOx进行化学计量反应所需的NH3的精确量(1比1摩尔比)的气体流。
根据式(3)，尿素在160℃以上的温度下发生水解以释放NH3自身。根据式(4)和式(5)，尿素还被认为在该温度以及高于该温度下进行热解，导致NOx被还原，正如在通过尿素进行的选择催化还原过程中形成CO所表明的那样(参见SAE 900496和SAE 930363(二者在此作为参考被引用))。
(3)(4)(5)贫NOx催化剂(LNCs)在文献中有时也被称作贫NOx还原型催化剂、“脱NOx催化剂”和NOx吸留催化剂。
根据反应(6)，在贫NOx催化中，碳氢化合物(HC)与氮的氧化物(NOx)反应，而不是与氧气(O2)反应，而形成氮气(N2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。
(6)反应(7)给出了与氧气发生的竞争非选择性反应。
(7)存在两种优选的用以选择性促进文献中所述的所需反应(6)的贫NOx催化剂组群氧化铝(Al2O3)上的铂(Pt)和铜(Cu)代沸石例如Cu/ZSM-5。
一种典型的NOx捕集器配方包括催化氧化组分，例如Pt，一种NOx储存组分，例如碱金属例如钾和/或铯的化合物；碱土金属，例如钡或锶的化合物；或稀土金属，通常为镧和/或钇的化合物；和还原型催化剂，例如铑。在发动机贫燃工作过程中，通常对于这种配方给出的一种NOx储存机理为，在第一步骤中，氮氧化物在Pt上的活性氧化部位与氧气发生反应以形成NO2。第二步骤包括通过以无机硝酸盐形式存在的储存材料吸附NO2。
当发动机在浓化条件下或在升高温度下间歇式运行时，硝酸盐物质热力学上变得不稳定并发生分解，产生NO或NO2。在浓条件下，这些氮氧化物被一氧化碳、氢气和碳氢化合物还原成N2，所述还原反应可在还原型催化剂上发生。
尽管无机NOx储存组分通常作为氧化物存在，但是应该理解，在存在空气或包含CO2和H2O的排出气体的情况下，所述无机NOx储存组分还可以碳化物或可能以氢化物的形式存在。我们还在我们的WO00/21647(在此作为参考被引用)中阐释了NOx特性反应物可被用以使NOx捕集器再生。
EP-B-0341832(在此作为参考被引用)描述了一种用于燃烧柴油机排出气体中的微粒物质的工艺，所述方法包括使排出气体中的一氧化氮在催化剂上氧化成二氧化氮，从排出气体中过滤出微粒物质并在达400℃的温度下燃烧二氧化氮中的过滤微粒物质。这种系统可从Johnson Matthey获得且市售商标为CRT。
为了本说明书的目的，通常情况下，我们将通过适当还原剂将内燃机排出气体中的NOx催化还原成N2的方法称为NOx还原方法且将用于促进NOx还原成N2的催化剂称为NOx还原型催化剂。这种催化剂包括选择催化还原型催化剂、贫NOx催化剂和NOx捕集器。
上面的NOx还原方法的问题在于控制还原剂的添加。如果添加的还原剂太少，那么NOx还原可不足以满足排放标准。如果添加太多还原剂，那么这可导致多个问题。例如，如果还原剂为氨，那么将其释放到大气内是不希望的，这是因为氨是生物毒剂且其具有讨厌的气味。尽管可利用NOx还原型催化剂下游的适当催化剂使过量的氨氧化，但这产生了NOx，因此使NOx还原方法恰需要的目的失败。碳氢化合物燃料例如柴油或汽油还是法定的排出气体组分，且因此排放过量的碳氢化合物还原剂可导致系统无法满足相关排放标准。
用以控制还原剂添加的系统是已公知的，但所述系统倾向于需要非常复杂的控制机制，包括多个传感器输入装置和处理器以运行复杂的算法。结果使得这种系统非常昂贵。
US-A-2002/0194841(在此作为参考被引用)披露了一种通过供应至包括还原型催化剂的选择催化还原系统的外部还原剂而还原来自车辆柴油发动机的NOx排放物的方法，所述方法包括步骤通过速度/负载传感器检测一个或多个发动机操作参数，例如速度和扭矩以预测NOx排放物的浓度，所述NOx排放物的浓度表示当催化剂温度在设定范围内时发动机产生的NOx排放物的实际数量；和计量在足以导致催化剂还原计算浓度的NOx排放物的速度下供应至催化剂的外部还原剂。
JP-A-2002-122019(在此作为参考被引用)披露了一种通过检测NOx捕集器中的温度并调节还原剂添加以将NOx捕集器的温度保持在预定范围内从而防止NOx捕集器产生热降级的方法。
DE-A-9913268(在此作为参考被引用)披露了一种用于监控贫燃发动机中的NOx还原型催化剂的效率的系统，所述系统包括燃料供给装置，所述装置用于分配预定量的燃料进入催化剂上游的排出气体内，以使得可获得一定量的化学能并根据催化剂效率提供一定量的热能；用于测量进出催化剂的热能的流量和温度传感器；和与燃料供给装置连通的数据处理单元；和温度传感器，所述温度传感器为催化剂建立能量平衡，且因此提供表示催化剂性能的相关信号。
在JP-A-62-117620(在此作为参考被引用)中，描述了一种采用两个并联布置的NOx捕集器除去汽油发动机排出气体中的氮氧化物的方法，其中NOx捕集器在双通阀的控制下被交替使用以从排出气体中吸收NOx。利用适当的还原剂例如氢气、氨、一氧化碳或甲烷使脱机的NOx捕集器再生。
Martin Elsener等在“基于尿素选择催化还原的脱NOx系统的开发和评估(Development and evaluation of a De NOxsystem based onurea SCR)”，MTZ worldwide，11/2003，64卷，28-31页(在此作为参考被引用)中描述了NOx传感器的使用，所述NOx传感器对氨交叉敏感，从而提供了对包括选择催化还原催化剂的排出系统中的还原剂释放的反馈控制。
我们已经研究了校准还原剂添加和通过反馈控制还原剂添加的方法。现在我们设计了多种简单方法和系统，所述方法和系统在减少基于还原剂的排放物方面是廉价和有效的。体现这些方法的系统特别是与更新市场相关。
本发明的第一个方面仅利用单个温度测量装置，例如利用热电偶，作为控制输入。在预定温度以下优选不添加还原剂，这是因为所述温度对于发生完全的NOx去除反应而言太低，即还原剂添加被控制以使得仅当NOx还原型催化剂是活性时才供应还原剂。当发动机上的负载增加时，排出气体中的NOx水平以大概线性的方式增加。相似地，排出气体温度随负载增加。因此我们期望对于具体应用情况中的给定发动机，在排出气体中的NOx含量及其温度之间存在一定关系。且这种关系可近似于线性关系。因此，以所述关系最简单的形式，在本发明的这个方面中，引入还原剂的速度与排出气体的温度近似成比例关系。以这种方式添加还原剂提供了一种非常有效和简单的保持车辆上的NOx还原的方式。在不同排出气体温度下添加的还原剂的实际量可取决于具体应用的实质。然而，趋势是在更高的温度下用更多的还原剂除去更大量的NOx。在实践中，校准过程将确定准确的量。
在第一方面的系统实施例中，本发明提供了一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括利用适当的还原剂将排出气体中的NOx还原成N2的催化剂、还原剂源、使所述催化剂与所述还原剂接触的装置、检测所述排出气体和/或所述催化剂床的温度的装置和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置，其中所述还原剂添加控制装置以对应于所述排出气体和/或所述催化剂床的测量温度值的速度将一定量的还原剂供应至所述催化剂，所述温度值已预先确定以便在使用中与所述排出气体中NOx的量相关联，从而由此促进所述NOx的还原。
在第一方面的方法实施例中，本发明提供了一种用于校准在适当催化剂上将车辆贫燃内燃机的排出气体中的NOx还原成N2所需的还原剂添加速度的方法，所述方法包括在多个排出气体和/或催化剂床温度下测量所述排出气体中的NOx以及使每个排出气体和/或催化剂床温度值与在所述催化剂上还原所述NOx所需的还原剂添加速度相关联。
通常情况下，在现有技术中已公知的是，确定NOx还原型催化剂的温度以及当所述催化剂温度低于预定范围时中止添加催化剂，以防止形成硝酸铵和亚硝酸铵且防止在低于NOx还原的催化剂点燃温度以下的温度时排放出还原剂。第一方面的本发明与该现有技术的不同之处在于，所述催化剂和/或排出气体温度被用以预测所述排出气体中的NOx量并因此预测还原这种NOx量所需的还原剂添加速度。
本发明的第二个方面提供了一种通过实时反馈控制还原剂添加的简单装置。在第二个方面中，氧化型催化剂被设置在与还原剂接触的所述NOx还原型催化剂的下游。所述系统被布置以使得所述气体在所述氧化型催化剂上总是贫乏的，如果需要，例如通过使用二次添加空气。正如在上述第一方面中那样，所希望的是低于某个临界排出气体温度时不添加还原剂，在所述温度下NOx的还原是无效的(参见图4B中延伸至ΔT轴的虚线)。在该温度以上，增加还原剂的量导致所述排出气体中被还原的NOx的量增加。在实践中，这种效应存在局限性，且随后引入更多的还原剂不能增强NOx还原(如图4A所示)。因此，存在NOx还原型催化剂的较小的过量还原剂下降区域，所述区域对应于所希望的添加速度，在所述速度之上，任何更多的还原剂被浪费且可导致不能满足相关排放标准。
由于布置使得总气体成分是贫乏的，因此任何过量的还原剂可在所述下游氧化型催化剂上被氧化，且所产生的放热可导致穿过所述氧化型催化剂的温度增加。氧化型催化剂的入口温度在使用过程中可显著变化，但在本方法中我们仅关注作为存在的过量还原剂量度的ΔT。控制方案(如图4B所示)基于调节所述还原剂添加速度以将测量的ΔT保持在对应于最佳NOx去除的预定范围(图4B中的阴影区域)内如果ΔT太小，那么还原剂添加速度增加，或如果ΔT大于最有效NOx转化所需的ΔT，那么还原剂添加速度降低。
根据本发明第二个方面的系统实施例，提供了一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括利用适当的还原剂将排出气体中的NOx还原成N2的催化剂、还原剂源、使所述NOx还原型催化剂与所述还原剂接触的装置、设置在所述NOx还原型催化剂下游的氧化型催化剂、用于确定穿过所述氧化型催化剂的温度差(ΔT)的装置和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置，其中所述还原剂添加控制装置控制还原剂添加速度以将ΔT保持在预定范围内，其中所述系统被构造以使得所述氧化型催化剂上的所述排出气体成分是贫乏的。
本发明第二个方面的方法实施例提供了一种通过反馈控制还原剂添加到催化剂上的方法，所述添加适用于将车辆贫燃内燃机排出气体中的NOx还原成N2，所述方法包括提供用于使所述NOx还原型催化剂下游的所述还原剂氧化的氧化型催化剂、测量所述氧化型催化剂上游的所述排出气体温度、测量所述氧化型催化剂下游的所述排出气体温度、确定入口和出口之间的温度差(ΔT)和调节所述还原剂添加速度以使得ΔT在预定范围内。
将第二个方面应用于包括NOx捕集器的系统所产生的一个问题在于，可能有必要使用浓(即λ＜1)排出气体以使所述NOx捕集器再生。我们提出三个实施例以使得本发明的第二个方面能够延伸至这种NOx捕集器，而不需要二次空气注射。
在图5所示的第一个实施例中，至少两个NOx捕集器被并联布置，所述NOx捕集器分别具有相关联的还原剂注射器。每个NOx捕集器上的气时空速(GHSV)取决于每条管线中的相对背压，但通常情况下所述系统将被组装以使得每条管线中的布置相同，在所述情况下每条管线中的气时空速将基本上相同。在所述系统中的所述NOx捕集器中序列实施NOx捕集器再生，即在任何时刻，至少一条管线不注射还原剂，以使得当来自所述系统中的所有NOx捕集器的所述排出气体被混合时，其成分是贫乏的，即λ＞1。混合排出气体通往上文所述的本发明的第二个方面的所述氧化型催化剂。
在图6A和图6B所示的第二个实施例中，NOx捕集器被涂覆在单个载体整体上且至少两个注射器被设置在所述载体整体的上游侧上，且所述布置使得注射还原剂被引导至所述整体式载体的特定区域。
该实施例的优点在于，与第一个实施例和利用并联NOx捕集器的其它系统相比，在车辆上需要更少的空间容纳所述系统。
第三个实施例与第二个实施例相似且被示于图7和图8中。其包括上游三通瓣阀和位于所述瓣阀任一侧的还原剂注射器。在NOx捕集器“填充”过程中，所述瓣阀可被调整以使得其与排出气体流的方向平行。在再生过程中，瓣阀被展开以折叠在接收所述还原剂的所述NOx捕集器的侧面上，由此引导一部分所述排出气体流远离进行再生的所述NOx捕集器并减少其中的所述排出气体流。
该实施例的优点在于所述NOx捕集器的要再生部分中减少的排出气体流促进了所述释放NOx的还原，以使得与第二个实施例相比，可更有效地实现再生，即需要更少的还原剂。此外，我们认为第二和第三个实施例在专利性方面是新颖的且在其本身权利方面具有创造性。
因此，根据第三个方面，本发明提供了一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括被设置在单一整体式载体上的NOx捕集器，所述载体的上游端沿流体流动方向被再分成至少两个区域，和用于使所述至少两个区域的一部分与还原剂相继接触的装置，而所述NOx捕集器整体保持直列式布置以排出气体流。
在一个实施例中，所述用于使所述NOx捕集器与还原剂接触的装置包括被设置充分接近所述载体的所述上游端以使得还原剂的液滴接触所述NOx捕集器的注射器。将还原剂注入NOx捕集器上游的所述排出气体流的意图在于减少所述排出气体的氧气浓度，即，使所述排出气体成分变浓，但不必要使其成为浓排出气体(λ＜1)。在现有技术布置中，还原剂例如在一个或多个发动机气缸的排出冲程过程中被引入远离所述NOx捕集器上游的位置处，或在EP 0758713A(在此作为参考被引用)的情况中，例如，还原剂被注入氧化型催化剂上游的所述排出导管和设置在所述NOx捕集器上游的柴油机微粒过滤器内。在任一情况下，还原剂的液滴被蒸发。此外，在满气流情况下，在获得任何程度的浓化之前，仅需要大量还原剂以除去所有过量氧气(通过燃烧)。在所述还原剂为碳氢化合物燃料例如柴油的情况下，该方法在燃料经济方面是昂贵的。
我们已经发现，通过引入接近所述NOx捕集器催化剂的上游面的受控尺寸燃料滴而有意限制注射燃料的蒸发，燃料的液滴可撞击在所述催化剂表面上。在燃料撞击所述催化剂表面的地方，环境被强烈还原且这可还原附近储存的硝酸盐。因此，该布置可大大减少与NOx捕集器再生相关联的燃料罚款。
微粒动力学可导致所述还原剂的液滴通过常规流通式陶瓷或整体式金属载体，而不撞击所述载体壁部上承载的NOx吸收剂。为了增加还原剂接触所述NOx吸收剂的可能性，在一个实施例中，使用包括陶瓷或金属泡沫材料的泡沫材料载体。另一个可选实施例使用包括内部隔板的金属部分过滤载体，例如EP-A-1057519或WO 03/038248(二者在此作为参考被引用)中披露的载体。根据另一个实施例，所述NOx捕集器包括常规的陶瓷壁流式过滤器；此处压力降驱动规则应确保燃料滴接触储存的NOx。在该后者实施例中，微粒物质(PM)本身的有效过滤并不重要，因此可使用多空过滤器，但JP-B-2722987(JP-A-06-159037)(在此作为参考被引用)中所述的组合的NOx和微粒物质控制将是希望的，即所述过滤器包括煤烟燃烧催化剂/NO氧化型催化剂例如Pt，一种NOx吸收器例如氧化钡，和可选的NOx还原型催化剂，例如铑。
当氧化型催化剂被涂覆在设置在所述还原剂注射器和所述NOx捕集器之间的常规流通式整体式载体上时，也可利用微粒动力学的优点。根据所述整体式载体的打开前区和蜂窝密度，燃料滴可在基本上不氧化的情况下通过所述氧化型催化剂，且可用于还原NOx捕集器中储存的NOx。相反地，蒸发的碳氢化合物还原剂更可能在所述氧化型催化剂上被氧化。
根据另一个实施例，所述用于使所述NOx捕集器部分与还原剂接触的装置包括设置在所述载体的所述上游端上从而由此将所述载体再分成所述至少两个区域的瓣阀。在一种布置中，注射器与每个区域相关联。
在第三个方面的方法中，设置在车辆贫燃内燃机的所述排出系统中的整体式载体上的NOx捕集器通过使所述NOx捕集器的一部分与还原剂接触而再生，而同时NOx捕集器整体保持直列式布置以排出气体流。
在一个实施例中，所述还原剂在减少的排出气体流下接触所述NOx捕集器的所述部分。
根据本发明的第四个方面，提供了一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括NOx还原型催化剂、被设置在所述催化剂上游的还原剂注射器和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置，其中所述还原剂添加控制装置以一定的速度将还原剂供应至所述催化剂，所述速度被预先确定与在负载循环中的所有车辆速度下的所述车辆的平均负载循环速度下的所需NOx转化率相关。
本发明的第四个方面对于有限负载循环的车辆例如公共汽车或渣屑和废物运输车的更新市场有特殊应用。该想法是确定在NOx还原催化剂中在平均负载循环速度下还原选定量的NOx，例如90％，需要多大的还原剂注射速度。例如，当所述NOx还原型催化剂包括NOx捕集器时，当在使用状态时，系统控制器可被布置以产生连续速度和量的HC燃料注射，例如每分钟注射两秒(injection at 2 seconds everyminute)。所述系统控制器还可被布置以提供偶发的相对较长的浓HC燃料脉冲从而确保所述NOx捕集器被大体上完全再生，随之是更频繁的更短浓化脉冲序列以保持所述NOx捕集器的储存容量。注射方案的确切细节取决于车辆及其负载循环。
在高于所述平均负载循环速度的速度下，将存在更多的NOx和更大量的空气流，且由于还原剂不充分，因此总的NOx转化率将下降，但是因为例如在市中心公共汽车中，更高的速度将不那么可能，因此与例如采用延迟注射定时的现有技术布置相比，在整个驱动循环中由于这种更高的速度所导致的增加的用于NOx转化的燃料罚款更少。HC注射速度与平均负载循环速度之间的关系可被调整以适于具体应用，例如，曼彻斯特(UK)市中心的公共汽车将期望具有与伦敦(UK)的公共汽车不同的负载循环。
在第四个方面的一个实施例中，氧化型催化剂被设置在所述还原剂注射器和所述NOx捕集器之间以增加所述NOX捕集器的再生温度以及从所述排出气体中除去氧气以确保浓排出气体用于所述NOx捕集器的再生。
根据第四个方面的还原车辆内燃机的所述排出气体中的NOx的方法包括在负载循环中的所有车辆速度下以及在与所述平均负载循环速度下的所需NOx转化率相关的速度下将还原剂引入所述排出气体内，和使包含所述NOx和所述还原剂的所述排出气体与NOx还原型催化剂接触。
在具体布置中，在此所述的用于释放还原剂的所述NOx还原型催化剂和系统被设置在上文提到的EP-B-0341832中所述的布置下游。
除非特别进行描述，否则用于本发明中的催化剂被涂覆在由金属或陶瓷或碳化硅，例如堇青石，等材料制成的高表面积载体整体上。通常的布置是具有100-600单元/平方英寸(cpsi)，例如300-400cpsi(15.5-93.0单元cm-2，例如46.5-62.0单元cm-2)的蜂窝状流通式整体结构。
内燃机可以是柴油机或贫燃汽油发动机，例如汽油直喷式发动机。柴油发动机可以是相关法规限定的轻型发动机或重型发动机。
为了可更全面地理解本发明，结合附图对本发明的实施例进行描述，在所述附图中

图1是根据本发明的第一个方面的系统的示意图；图2A是示出图1所示系统的排出气体中的NOx浓度与发动机负载关系的示意图；图2B是示出图1所示系统的排出气体的温度与发动机负载关系的示意图；图2C是示出图1所示系统的排出气体的温度与NOx浓度(左手y轴)和还原剂添加(右手y轴)关系的示意图；图3是根据本发明的第二个方面的系统的示意图；图4A是示出在图3所示系统中的NOx还原型催化剂上还原的NOx与还原剂添加的关系的示意图；图4B是示出在图3所示系统中的NOx还原型催化剂上还原的NOx与ΔT关系的示意图，示出了在临界温度以上添加还原剂(延伸至x轴的虚线)和对应于检测ΔT的最优还原剂添加(阴影区域)；图5是根据本发明第二个方面的一个实施例的系统的示意图；图6A是本发明第二个方面的另一个实施例的示意图，示出了包括单一载体整块的NOx捕集器的端视图，所述端视图示出了在载体上游端的多个还原剂注射器的注射点和喷射区域。
图6B是图6A所示的单一载体整块的侧视示意图；图7是本发明的第三个方面的实施例的剖视示意图，所述实施例包括与用于处理柴油发动机的排出气体的煤烟燃烧反应器结合的NOx捕集器；图8示出了本发明的第三个方面的另一个实施例，所述实施例包括与图7所示NOx捕集器相类似的NOx捕集器，但所述NOx捕集器使用两部件煤烟燃烧反应器，所述第二部件罩住逆流过滤器；图9A(位置123A)和图9B(位置123B)示出了图8中使用的四通阀的放大俯视图，所述放大俯视图示出了阀的两个极端位置；图10示出了根据本发明的第四个方面的系统的示意图；和图11是示出燃料量与时间关系的示意图，所述示意图示出了图9所示系统中使用的燃料注射方案。
图1示出了根据本发明的第一个方面的系统，所述系统通常由附图标记10表示，在所述图中12表示柴油发动机，14表示排出歧管，16表示排出管线且18表示NOx还原型催化剂，例如重量百分比为5(wt％)的Cu/β-沸石贫NOx催化剂。还原剂供应装置20包括用于将一定量的柴油机燃料注入催化剂18上游的排出管线16内的注射器。热电偶TC1检测催化剂18入口处的排出气体温度并将所检测的温度传递至发动机控制单元(ECU(未示出))中的处理器。
当发动机上的负载增加时，排出气体中的NOx水平以大约线性的方式增加。类似地，排出气体温度随负载增加。在某个临界温度下，不添加还原剂，这是因为所述温度对于发生完全的NOx除去反应而言太低。图2A和2B以图的形式示出了在特定发动机12的负载循环中排出气体NOx浓度与发动机负载之间的关系以及温度与发动机负载的关系。在实践中，在不同排出气体温度下添加的还原剂的实际量将取决于具体负载循环的本质，但将存在在更高的温度下除去更大量的NOx需要更多还原剂的趋势。可利用对于本领域的技术人员已公知的适当设备和技术，例如利用适当的发动机测功器和NOx传感器实施这种确定。基于这些测量结果，可能计算出在驱动循环中使排出气体中的NOx在催化剂上还原成N2所需的还原剂添加速度且可能使所述速度与排出气体温度相关，如图2C所示。该相关性可被载入运行图1所示系统的该车队的发动机控制单元并且储存作为查阅表。在使用中，还原剂添加的速度和数量受发动机控制单元的控制以便与热电偶TC1检测到的排出气体的温度成比例。以这种方式添加还原剂提供了有效和简单的控制车辆上的NOx还原的方式。
图3示出了根据本发明的第二个方面的一个实施例的系统，所述系统通常被示作30，所述系统具有与图1相似的部件且所述部件共享相同的参考标记。图3所示的对于图1所示系统而言为新的附加部件包括氧化型催化剂32，例如支承在γ氧化铝载体涂层上的1wt％铂，TC1位于NOx还原型催化剂18下游且在催化剂18和氧化型催化剂32之间，且第二热电偶TC2位于氧化型催化剂32下游。
在使用中，该系统进行操作以便确保气体在氧化型催化剂32上总是贫乏的。正如图1所示系统中那样，在某个临界排出气体温度之下不添加还原剂，在所述温度下NOx还原型催化剂在对NOx还原进行催化的点燃温度之下。在该温度以上，增加还原剂的量导致排出气体中的被还原的NOx的量增加。微过量的还原剂漏失在氧化型催化剂32上被氧化且所得放热量导致穿过催化剂的温度增加，正如通过TC2和TC1中检测的温度差所测量的那样，即ΔT＝TC2-TC1。控制方案是调节还原剂添加速度以保持测量的ΔT大体上处于对应于最佳NOx去除的预定值。如果ΔT太小，那么还原剂流增加，或如果ΔT大于最有效NOx转化所需的ΔT，那么还原剂流减少。
图5示出了根据本发明的第二个方面的第二个实施例的系统，所述系统通常被示作40，所述系统具有与图3相似的部件且所述部件共享相同的参考标记。图5所示的对于图3所示系统而言为新的附加部件包括布置在并联的排出管线44中的多个NOx捕集器42，每条管线具有其自身的还原剂供应装置20。
根据本发明的第二个方面且如图3所示的这种布置当应用于在稀薄条件下操作的贫NOx催化剂或氨选择催化还原系统时不存在具体问题，但NOx捕集器42的再生更成问题。一个源自于需要浓NOx捕集器再生的问题在于，下游氧化型催化剂32不能在缺乏氧气的情况下除去过量的还原剂。这可导致高的尾管还原剂排放以及其它的可能问题。
图5所示的系统示出了排出气体流是如何可能被分成两个或多个并联管线44的，每个所述管线具有自身的NOx捕集器42和还原剂注射器20。在任一时刻，至少一个管线不注射还原剂，因此当总的NOx捕集器42的排出气流被混合时，所得气体在通过下游氧化型催化剂32之前总体上是贫乏的。通过这种方式，任何过量还原剂被氧化，且所得ΔT可被用以控制上面的图3所示实施例描述的NOx还原系统。
图6A和图6B示出了本发明的第二个方面的第三个实施例，其中图5所示实施例的多个并联NOx捕集器42被单个单一NOx捕集器42A和三个等距设置在NOx捕集器上游端并引导还原剂喷射到载体整体的前面上的并置区域45上的还原剂供应装置20，所述还原剂供应装置的中心由注射点46限定。该布置提供了与图5所示的第一个实施例相同的总效应，但使用了装备有两个或多个还原剂注射器的更大的单个，即单一的NOx捕集器。注射器以序列方式操作，因此在任一时刻，仅有部分NOx捕集器得到再生，且来自该部分的排出气体与来自未被再生的部分的排出气体混合以提供总的稀薄气流从而在催化剂32上进行氧化。
该实施例的还原剂供应装置可被布置以提供接近催化剂前部的受控尺寸燃料滴，以使得液滴撞击在催化剂表面上。在液滴撞击催化剂表面的地方，环境将被强烈还原并还原附近储存的硝酸盐。该布置的优点在于用于NOx捕集器再生的燃料罚款小于在发动机的一个或多个气缸中采用注射定时调节的系统。
参见图7，排出气体后处理系统80包括煤烟燃烧反应器120，所述反应器的入口被连接到柴油发动机(未示出)的排出歧管上。反应器120在其上游部分包括氧化型催化剂122，所述催化剂包括承载氧化铝基载体涂层和Pt的陶瓷蜂窝。在其下游部分，反应器120包括壁流过滤器124，所述壁流过滤器包括过滤器级陶瓷蜂窝，所述陶瓷蜂窝的通道在入口端处交替堵塞和不堵塞且在出口端处交替堵塞，其中在入口端处堵塞的通道在出口端处不堵塞，且反之亦然。在EP-B-0341832中对这种布置进行了描述且所述布置已公知为CRT。从反应器120的出口端，压力通风装置126作为在NOx捕集器容器130入口处的瓣阀128X、Y、Z的操作室继续延伸。容器130包括NOx捕集器131X、Y，所述NOx捕集器包括承载包含氧化钡以及金属Pt和Rh的氧化铝载体涂层的流通式陶瓷蜂窝整体式载体。瓣阀128X、Y、Z的支点被安装在隔件129上，所述隔件径向延伸穿过反应器130的面且气密密封到NOx捕集器131的面上。阀128的任一侧的反应器130的每个区域X、Y设有反应物注射器132X、Y。在所示的完整反应器130中，阀128处于中心位置Z。阀位置X和Y被示作插图。反应器130被形成具有出口134，所述出口通向大气或进行进一步处理。反应器130的两个半件中的流速优选受到控制以提供净稀薄成分且混合物通过氧化催化剂(oxicat)，在图3或图5所示的布置中。
在系统的正常操作中，包括蒸汽(H2O(g))、分子氮(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、未燃烧的碳氢化合物燃料(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和微粒物质(PM)的排出气体在例如300℃的温度下接触催化剂122，在所述催化剂上NO被氧化成NO2且一些HC和CO被氧化成蒸汽和CO2。其随后进入过滤器124，在所述过滤器上大多数微粒物质被收集且通过与催化剂122中形成的NO2且可能与O2反应而燃烧。无微粒物质的气体随后以三种模式中的一种模式受到处理，所述三种模式为128ZNOx捕集器区域130X和130Y均吸收(或吸附)NOx；128X区域131X接收一小部分离开压力通风装置126的气体以及在132X处注射柴油燃料。区域131X经历再生且其排出物与区域130Y的排出物再结合；区域131Y接收气体的主要部分，吸收NOx且使其排出物在134处通向大气；128Y区域131Y执行128X处所述的工作。
当NOx捕集器131Y具有自由容量以吸收NOx时，发动机操纵系统(未示出)从区域X改变至区域Y；且反之亦然。
参见图8，图7所示排出系统的另一种可选排出系统通常由标记90表示，所述系统具有来自图7的共同部件，所述部件具有相同的参考标记，其中反应器120现在仅包含催化剂122。微粒物质过滤器容器，现在标记为125，处于独立的容器121中。其在提供通过过滤器的流动方向反转方面有所不同。反应器120的出口通过四通阀123被连接到过滤器容器121上，所述四通阀可在位置123A和123B(插图)处操作，以分别提供右手至左手和左手至右手流动通过过滤器125的方式，但没有阻塞中点；这是因为中点绕过了过滤器125。控制阀123的操作使其非常迅速。沿任一方向离开过滤器125，气体通过阀123A或B到达NOx捕集器130，所述NOx捕集器的结构和功能正如图7所示的那样。
现代柴油发动机的特征在于，发动机输出NOx和/或排出气体温度对于EP-B-0341832中所述的利用通过NO的氧化而催化产生的NO2进行被动过滤器再生而言太低。该问题的一种解决方案是通过增加排出系统中的温度，由此燃烧过滤器上的微粒物质并将穿过过滤器的背压保持在可接受的设计误差范围内，而使过滤器主动再生。例如，EP0758713A中描述了这种主动再生技术。
图8所披露系统对于CRT工艺实际应用的优点在于过滤器中的逆流可被用以清除在驱动循环中不易在NO2中燃烧的微粒物质。未燃烧的微粒物质可被收集在第二可设置的过滤器中用以在适当的间隔下被除去。因此，该布置对于更新市场具有特殊用处，为安装昂贵和耗燃料的主动再生设备提供了实际和经济的另一种可选方式。
为了转变图8所示实施例中气体流的方向，可使用如图9A和图9B所示的适当四通阀123。这些图所示的俯视图涉及大体上圆柱形的阀壳100，所述阀壳内部形成了圆周区域102，所述圆周区域具有更大的直径且限定出矩形蝴蝶式挡板104的横动范围，所述矩形蝴蝶式挡板具有枢转操作轴106，所述操作轴延伸出阀壳且通过密封装置并到达致动器(未示出)。横动范围的极限受到直径不同的区域之间的阶部108的限定，这种阶部限制了气体泄漏出其预期路径。“LHS”表示“左手侧”且“RHS”表示右手侧。
图7、图8和图9所示的布置至少由于下面给出的原因而被认为具有独立的创造性。在系统中设置阀已公知是所希望的以避免出现复杂的管道系统，但这种方式的采用受到限制，这是因为阀机构在相对较热的排出气体中受到腐蚀，从而导致需要在阀达到使用寿命前就进行更换。该问题特别与重型柴油车辆相关。然而，在本布置中，气体是柴油排出物，在现代发动机中，所述排出物特别不像现有技术发动机中那样热；由于使用了低硫柴油因此排出气体的SOx相对较低；在过滤器的下游，气体包含相对较少的微粒物质，所述微粒物质可污染阀；且气体是贫乏的，因此对于钢是钝性的。因此，这些特征的组合使得在系统中设置阀成为实际的提议。
在图10所示的系统50中，52为条件系统控制器(CSC)，54为总开关，56为交流发电机，58为阻塞电容器，60为热电偶，62为注射控制器(ICU)，64为燃料泵，66为阀，68为燃料注射器且70为正电源线。如果主电源开关54被接通，那么条件系统控制器52是为注射控制器62提供动力的开关，发动机的运行由来自直流阻塞电容器58之后存在的交流发电机56的AC波纹以及适当放置的热电偶60的输出确定，以检测排出系统在用于在适当的NOx捕集器上还原NOx的最小预定温度以上。主开关54不需被连接到接通位置上。
当所有三个特征(主开关位置、交流发电机波纹的检测和在预定最小值以上的排出气体温度)符合时，条件系统控制器52被设计以产生连续速度和数量的HC注射。当条件系统控制器52接通时，动力被供应至注射泵64和操纵电磁阀66的注射控制器62以产生脉冲序列，从而在排出气体通过NOx吸收部件上游的氧化型催化剂之前使排出气体浓化。通常情况下，注射控制器将提供偶发的相对较长的浓脉冲以确保NOx捕集器大体上完全为空，且随之以更短浓化脉冲的更频繁序列，例如每分钟在两秒处注射，以保持NOx捕集器的储存容量(参见图11)。
该燃料注射速度与在平均负载循环速度下的选定NOx转化率例如90％相关。在比平均负载循环速度更高的速度下，存在更多的NOx和更大量的空气流且因此NOx转化率将下降。然而，因为例如在市中心公共汽车或渣屑和废物运输车中，更高的速度不那么可能，因此与例如采用延迟注射定时的现有技术布置相比，在整个驱动循环中由于这种更高的速度而导致增加的用于NOx转化的燃料罚款更少。注射方案的确切细节取决于车辆及其负载循环。
尽管在很普遍的情况下，在此所述的采用NOx捕集器的系统已被开发以提供简单的控制机理，从而预测对于更新的具体应用应何时实施NOx捕集器的再生，但许多车辆已包括大量传感器以将数据输入发动机控制单元从而控制车辆操作的其它方面。通过对发动机控制单元进行适当的再编程，为了预测剩余NOx捕集器容量的目的，可能采取一个或多个这种现有的传感器输入。这些包括，但不限于，通过检测适当时钟装置的状态而预定或预测的接通或以前再生所消耗的时间；在三效催化剂(TWC)上的空气流或歧管真空；点火定时；发动机速度；节流阀位置；排出气体氧化还原成分，例如使用λ传感器，优选线性λ传感器；注入发动机中的燃料量；在车辆包括排出气体再循环(EGR)电路的情况下，排出气体再循环阀的位置和由此所检测的排出气体再循环的量；发动机冷却剂温度；和在排出系统包括NOx传感器的情况下，NOx捕集器上游和/或下游检测到的NOx的量。在使用时钟实施例的情况下，可随后响应于数据输入调节所预测的时间。
权利要求
1.一种用于车辆贫燃内燃机(12)的排出系统(10)，所述系统包括利用适当的还原剂将排出气体中的NOx还原成N2的催化剂(18)、还原剂源、使所述催化剂(18)与所述还原剂接触的装置(20)、检测所述排出气体和/或所述催化剂床的温度的装置(TC1)和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置，其中所述还原剂添加控制装置以对应于所述排出气体和/或所述催化剂床的测量温度值的速度将一定量的还原剂供应至所述催化剂，所述温度值已预先确定以便在使用中与所述排出气体中NOx的量相关联，由此促进所述NOx的还原。
2.一种用于校准在适当催化剂(18)上将车辆贫燃内燃机(12)的排出气体中的NOx还原成N2所需的还原剂添加速度的方法，所述方法包括在多个排出气体和/或催化剂床温度下测量所述排出气体中的NOx以及使每个排出气体和/或催化剂床温度值与在所述催化剂上还原所述NOx所需的还原剂添加速度相关联。
3.一种用于车辆贫燃内燃机(12)的排出系统(30；40)，所述系统包括利用适当的还原剂将排出气体中的NOx还原成N2的催化剂(18；42；42A)、还原剂源、使所述NOx还原型催化剂(18；42；42A)与所述还原剂接触的装置(20)、设置在所述NOx还原型催化剂(18；42；42A)下游的氧化型催化剂(32)、用于确定穿过所述氧化型催化剂(32)的温度差(ΔT)的装置(TC1，TC2)和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置，其中所述还原剂添加控制装置控制所述还原剂添加速度以将ΔT保持在预定范围内，其中所述系统被构造以使得所述氧化型催化剂上的所述排出气体组分是贫乏的。
4.一种通过反馈控制还原剂添加到催化剂(18；42；42A)上用以将车辆贫燃内燃机(12)的排出气体中的NOx还原成N2的方法，所述方法包括提供用于使所述NOx还原型催化剂(18；42；42A)下游的所述还原剂氧化的氧化型催化剂(32)、测量所述氧化型催化剂(32)上游的所述排出气体温度、测量所述氧化型催化剂(32)下游的所述排出气体温度、确定所述入口和所述出口之间的温度差(ΔT)并调节所述还原剂添加速度以使得ΔT在预定范围内。
5.一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括被设置在单一整体式载体上的NOx捕集器(42A；131)，所述载体的上游端沿流体流动方向被再分成至少两个区域(45；131X，131Y)，和相继地用于使所述至少两个区域(45；131X，131Y)的一部分与还原剂接触的装置，而所述NOx捕集器(42A；131)整体保持直列式布置以排出气体流。
6.根据权利要求5所述的排出系统，其中所述用于使所述NOx捕集器部分与还原剂接触的装置包括被设置充分接近所述载体的所述上游端以使得还原剂的液滴接触所述NOx捕集器的注射器(20；132X，132Y)。
7.根据权利要求6所述的排出系统，其中所述载体包括陶瓷或金属泡沫材料。
8.根据权利要求5所述的排出系统，其中所述用于使所述NOx捕集器部分与还原剂接触的装置包括被设置在所述载体的所述上游端从而由此将所述载体再分成所述至少两个区域(131X，131Y)的瓣阀(128)。
9.根据权利要求8所述的排出系统，包括与每个区域相关联的注射器(132X，132Y)。
10.一种使设置在车辆贫燃内燃机的所述排出系统中的整体式载体上的NOx捕集器(42A；131)再生的方法，所述方法包括使所述NOx捕集器的部分(45；131X，131Y)与还原剂接触，而所述NOx捕集器整体保持直列式布置以排出气体流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述NOx捕集器的所述部分与还原剂液滴接触。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述还原剂在减少的排出气体流下接触所述NOx捕集器的所述部分。
13.一种用于车辆贫燃内燃机的排出系统，所述系统包括NOx还原型催化剂、设置在所述催化剂上游的还原剂注射器(68)和当在使用状态时用于控制还原剂添加的装置(50)，其中所述还原剂添加控制装置以被预定与负载循环中的所有车辆速度下的车辆平均负载循环速度下所需的NOx转化率相关的速度将还原剂供应至所述催化剂处。
14.根据权利要求13所述的排出系统，包括设置在所述还原剂注射器(68)和所述NOx还原型催化剂之间的氧化型催化剂。
15.一种还原车辆内燃机的排出气体中的NOx的方法，所述方法包括在负载循环中的所有车辆速度下，在与平均负载循环速度下所需的NOx转化率相关的速度下将还原剂引入所述排出气体，以及使包含所述NOx和所述还原剂的所述排出气体与NOx还原型催化剂接触。
16.根据权利要求15所述的方法，包括使所述还原剂与所述NOx还原型催化剂上游的氧化型催化剂接触，由此增加所述排出气体的温度和/或减少所述排出气体中的氧气浓度。
17.根据权利要求1、3、5-9、13或14中任一项所述的排出系统，包括在使用状态时，仅当所述NOx还原型催化剂是活性时将还原剂供应至所述NOx还原型催化剂的控制装置。
18.根据权利要求2、4、10-12、15或16中任一项所述的方法，其中仅当所述NOx还原型催化剂为活性以催化NOx还原时，还原剂被供应至所述NOx还原型催化剂。
19.根据权利要求3所述的排出系统，其中如果ΔT太大，那么所述还原剂添加速度降低。
20.根据权利要求4所述的方法，其中如果ΔT太大，那么所述还原剂添加速度降低。
21.根据权利要求1、3、5-9、13、14或17所述的排出系统，其中所述还原剂是碳氢化合物且所述催化剂是贫NOx催化剂。
22.根据权利要求1、3、5-9、13、14或17所述的排出系统，其中所述还原剂是NOx特性反应物且所述催化剂是选择催化还原(SCR)催化剂。
23.根据权利要求21或22所述的排出系统，其中所述催化剂包括NOx吸收剂。
24.根据权利要求2、4、10-12、15、16或18所述的方法，其中所述还原剂是碳氢化合物且所述催化剂是贫NOx催化剂。
25.根据权利要求2、4、10-12、15、16或18所述的方法，其中所述还原剂是NOx特性反应物且所述催化剂是选择催化还原(SCR)催化剂。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述催化剂包括NOx吸收剂。
全文摘要
一种用于车辆贫燃内燃机(12)的排出系统(10)包括NO
文档编号F01N9/00GK1809685SQ200480017220
公开日2006年7月26日 申请日期2004年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者E·T·R·阿兰松, A·K·安德里松, C·F·格尔斯曼, M·拉维纽斯, M·V·特维格, A·P·沃尔克 申请人:约翰逊马西有限公司