专利名称：通过借助增强的有效NO<sub>2</sub>供应的主动NO<sub>2</sub>基再生对催化的柴油机颗粒过滤器(DPF)进行再 ...的制作方法
技术领域：
本申请涉及与本申请同一天提交的、名称为“用于使用再循环的NOX的柴油机 颗粒过滤器的NO2基再生的方法和设备”的共同转让、共同未决的申请No. _(代理所卷号 No. 000009-261)，并要求2009年2月7日提交的、名称为“用于使颗粒过滤器的主动NO2再 生的NO2反应物的烟灰减少能力最大化的方法”的美国临时申请61/063，900的优先权。本发明涉及再生柴油机颗粒过滤器(DPF) (S卩，从DPF中除去积累的颗粒物质或烟 灰)的方法和设备，更具体地，本发明涉及包括用NO2进行氧化反应的方法和设备。
背景技术：
从DPF中除去烟灰的最普通的方法是氧化捕集的烟灰以制备可以通过过滤器介 质的气态产物(CO2和CO)；该过程称为再生。有两种用于再生的主要机理称为O2基再生 的由O2氧化烟灰((C+02 — CO2)和/或(2C+02 — 2C0))；和称为NO2基再生的由NO2氧化烟 灰((C+2N02 — C02+2N0)和 / 或(C+N02 — C0+N0))。目前已知并用于DPF再生的实施方案包括主动O2基再生系统、被动NO2基再生系 统或其组合。主动O2基再生系统通过多种方法升高反应物的温度，以建立并维持O2/烟灰 的反应。在主动O2基再生过程中，基本上所有烟灰都通过和O2的反应而除去。被动NO2基 系统使用催化剂以由排气中已经存在的NO形成NO2 (通常在DPF上游的氧化催化剂中)，并 降低NO2/烟灰反应所要求的活化能，以使所述反应在通常发动机操作范围的一些部分中可 实现的温度水平下发生，而无需反应物的主动热管理。已经证实了用于DPF再生的主动O2基和被动NO2基概念的许多实施方式。被动 NO2基再生的主要限制是其不能确保DPF在所有应用中都能充分地再生。为了解决该问题， 可选择地或除被动NO2基再生以外，实施主动O2基再生。O2基再生的主要限制是较低的最 大DPF烟灰负荷水平(这是一定会观察到的)，和要求比NO2基再生所需温度明显更高的温 度。更高的温度要求以及需要进行更频繁的再生，会导致所有受到影响的排气后处理装置 的性能和耐久性劣化，包括烟灰过滤和再生组件下游的那些，例如SCR系统。温度问题的解 决方案必须通过如下方式解决开发更耐用的后处理装置和/或实施另外的装置、系统和/ 或方法来降低后DPF温度。人们已经提出一些方法来对主动O2基和被动NO2基再生概念进行补充。美国 专利申请公开No. 2007/0234711讨论了一种在操作规程过程中引进具有最佳NOx生成的 可选择的控制策略，在所述操作规程中已经被动地建立了足够的反应物温度。美国专利 No. 6，910, 329B2讨论了这样一种方法，通过该方法主动控制反应物温度和DPF体积流量 (和从而控制DPF停留时间)以扩展(extend)操作规程，在所述操作规程中可以获得足够 的被动NO2基再生活性。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种通过借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生对催 化的柴油机颗粒过滤器(DPF)进行再生的方法包括将含NOx的气体引入所述DPF中；以及控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少一种的温度，同时 控制所述DPF入口处的NOx水平，使得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所 述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形成C0、C02和NO分子，并且NO2效率大于0. 52gC/gN02， 以及使得小于三分之二的从所述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形 成CO和CO2分子。根据本发明的又一方面，一种柴油发动机装置，包括柴油发动机，其被设置以将含NOx的气体引入催化的柴油机颗粒过滤器(DPF) 中；加热装置，其被设置以控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的 至少一种的温度；和控制器，其被设置以控制所述加热设备，从而通过下列方式进行借助增强的有效 NO2供应的主动NO2基再生通过控制所述温度和通过控制所述DPF入口处的NOx水平，使 得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形 成C0、C02和NO分子，并且NO2效率大于0. 52gC/gN02,以及使得小于三分之二的从所述DPF 中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO和CO2分子。根据本发明的又一方面，一种再生柴油机颗粒过滤器(DPF)的方法包括进行第一再生，以通过进行借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生来至少部分 再生所述DPF，所述借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生包括将含NOx的气体引入所述DPF中；以及控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少一种的温度，同时 控制所述DPF入口处的NOx水平，使得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所 述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形成C0、C02和NO分子，并且NO2效率大于0. 52gC/gN02， 以及使得小于三分之二的从所述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形 成CO和CO2分子；和进行第二再生，以通过进行常规NO2基再生和主动O2基再生中的至少一种来至少 部分再生所述DPF。
通过阅读下面的详细说明并结合附图，将很好地理解本发明的特征和优点，其中 类似的附图标记表示类似的元件，其中图1在局部横截面图中，示意性示出DPF通道壁的一部分，说明根据本发明一个方 面的NO再循环；图2是样品柴油机氧化催化剂(DOC)在各种排气质量流速下的NO2转化效率对温 度的图，其示出了平衡线，在该平衡线上NO2转化为NO;图3A是烟灰负荷对再生时间的图，其比较了常规NO2基再生和根据本发明一个方面的借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生，并且图3B是图3A中图示的数据表；以及图4示意性示出根据本发明一个方面的排气后处理系统。发明详述本发明应该首先描述如本发明人目前理解的通常理论性更强的术语，然后再描述 更具体的方面。除非这些理论清楚地包括在权利要求中，本发明不能被认为受限于本文中 阐述的理论，所述理论用来解释本发明人目前对于本发明如何起作用的理解。本发明人认识到DPF中的烟灰的反应速度受到限制的方式有两种。所述反应将或 者受到动力学控制(由于太低的反应物温度)或受扩散限制(由于太低的反应物供应)。 简言之，必须供应所需的反应物，并且必须获得所述反应的最低活化能。这些条件可通过在 正常操作过程中的主动控制来满足或被动地实现。对于任何类型的使用主动热控制的主动再生过程，反应物的温度升高到这样的 点，此时对于所需反应建立了足够的反应速度。这通常通过外部方式(通过烃的催化氧化、 燃烧器系统、电加热、微波等)将过滤器介质、排气和/或捕获的烟灰的温度升高到它们的 正常操作温度(该正常操作温度将不足以支持再生)之上而实现。主动再生过程可以实施 反应物供应的主动控制，尽管这并未进行过。例如，O2基再生为动力学控制的并且具有大量 O2,而常规NO2策略通常不会主动调节NO2或NOx供应。根据定义，被动再生系统将不会为了促进再生的目的而主动控制反应物温度或反 应物供应。然而，一些被动方式也用于促进再生活性。具体而言，和捕获的烟灰接触的催化 剂(例如DPF中的催化剂涂层)用于降低相关反应所需要的活化能(温度)，从而减少反应 的动力学控制(即，能够具有更高的反应速度)。如果存在足够高的反应物温度(该温度将 不仅限于支持所有反应物的完全反应)，则反应受到扩散限制。在DPF充满烟灰的情况下， 扩散限制的反应意味着含氧反应物的供应受到限制。因此，催化剂可用于被动地增加反应 物供应(例如将不可用的NO转化为有用的NO2),从而减少反应的扩散限制(即，能够具有 更高的反应速度)。在考虑烟灰氧化方法(即，从DPF中除去烟灰)的实际应用时，必须使反应速度、 烟灰氧化速度、发动机烟灰产生速度和烟灰除去速度之间产生差异。人们可以从实际的最 终目标(即除去DPF烟灰)开始，并继续回到化学反应速度的更加基础的理论概念。烟灰 质量除去速度简单地是每单位时间DPF烟灰质量的变化。烟灰除去速度在再生事件过程中 将不是不变的，因为其是捕获的烟灰质量(其随着时间而改变)的函数。烟灰除去速度等 于烟灰氧化速度和发动机烟灰产生速度之间的差。等式1描述了作为时间函数的DPF中的 烟灰质量。
权利要求
一种通过借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生对催化的柴油机颗粒过滤器(DPF)进行再生的方法，该方法包括将含NOx的气体引入所述DPF中；以及控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少一种的温度，同时控制所述DPF入口处的NOx水平，使得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形成CO、CO2和NO分子，并且NO2效率大于0.52gC/gNO2，以及使得小于三分之二的从所述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO和CO2分子。
2.根据权利要求1所述的方法，包括控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的 烟灰中的至少一种的温度，同时控制所述DPF入口处的NOx水平，使得小于二分之一的从所 述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO和CO2分子。
3.根据权利要求1所述的方法，包括控制所述DPF、捕获的烟灰和所述含NOx的气体中 的至少一种的温度，使得所述温度低于或等于约550°C。
4.根据权利要求1所述的方法，包括控制所述DPF、捕获的烟灰和所述含NOx的气体中 的至少一种的温度，使得所述温度低于或等于约500°C。
5.根据权利要求1所述的方法，包括控制所述DPF、捕获的烟灰和所述含NOx的气体中 的至少一种的温度，使得所述温度高于约450°C。
6.根据权利要求1所述的方法，包括将NO从所述DPF下游再循环至所述DPF上游。
7.根据权利要求6所述的方法，包括将NO再循环至所述DPF上游的柴油机氧化催化剂 (DOC)的上游。
8.根据权利要求7所述的方法，包括通过将烃喷射到所述DOC上游的柴油发动机排气 流中来控制所述DOC入口处的温度。
9.根据权利要求1所述的方法，包括在所述DPF上游喷射02。
10.根据权利要求1所述的方法，包括通过控制所述DPF上游的柴油发动机中的NOx生 成来控制在所述DPF入口处的NOx水平。
11.根据权利要求1所述的方法，包括调节所述DPF上游的发动机汽缸中的局部火焰温 度来调节NOx生成。
12.根据权利要求1所述的方法，包括通过将烃喷射到所述DPF上游的柴油发动机排气 流中来控制所述DPF和所述含NOx的气体中的至少一种的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，包括在催化剂存在下氧化所述烃。
14.根据权利要求12所述的方法，包括在燃烧器系统中氧化所述烃。
15.根据权利要求1所述的方法，包括通过加热所述DPF来控制所述DPF和所述含NOx 的气体中的至少一种的温度。
16.根据权利要求1所述的方法，包括用电加热器加热所述DPF。
17.根据权利要求1所述的方法，包括用微波加热所述烟灰。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述NO2效率大于1.04gC/gN02。
19.根据权利要求1所述的方法，包括控制所述含NOx的气体的质量流量。
20.一种柴油发动机装置，包括柴油发动机，其被设置以将含NOx的气体引入催化的柴油机颗粒过滤器(DPF)中；加热设备，其被设置以控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少 一种的温度；和控制器，其被设置以控制所述加热装置，从而通过下列方式进行借助增强的有效NO2供 应的主动NO2基再生通过控制所述温度和通过控制所述DPF入口处的NOx水平，使得所述 含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形成CO、 CO2和NO分子，并且NO2效率大于0. 52gC/gN02,以及使得小于三分之二的从所述DPF中除 去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO和CO2分子。
21.根据权利要求20所述的柴油发动机装置，包括烃喷射装置，其被设置以通过将烃 喷射到所述DPF上游的柴油发动机排气流中来控制所述DPF和所述含NOx的气体中的至少 一种的温度。
22.根据权利要求21所述的柴油发动机装置，包括用于氧化所述烃的催化剂。
23.根据权利要求21所述的柴油发动机装置，包括用于氧化所述烃的燃烧器。
24.根据权利要求20所述的柴油发动机装置，包括用于加热所述DPF的加热装置。
25.根据权利要求20所述的柴油发动机装置，包括用于加热所述DPF的电加热器。
26.根据权利要求20所述的柴油发动机装置，包括用于加热所述烟灰的微波装置。
27.一种再生柴油机颗粒过滤器(DPF)的方法，该方法包括进行第一再生，以通过进行借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生来至少部分再生 所述DPF，所述借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生包括将含NOx的气体引入所述DPF中；以及控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少一种的温度，同时控制 所述DPF入口处的NOx水平，使得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所述NO2 分子此后和烟灰颗粒反应以形成CO、CO2和NO分子，并且NO2效率大于0. 52gC/gN02,以及 使得小于三分之二的从所述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO 和CO2分子；和进行第二再生，以通过进行常规NO2基再生和主动O2基再生中的至少一种来至少部分 再生所述DPF。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一再生在所述第二再生之前进行。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一再生在所述第二再生之后进行。
30.根据权利要求27所述的方法，其中在通过进行所述常规NO2基再生以至少部分再 生所述DPF的再生之后，和在通过进行所述主动O2基再生以至少部分再生所述DPF的再生 之前，进行所述第一再生。
31.根据权利要求27所述的方法，包括使用再循环的NOx进行所述DPF的NO2基再生。
32.根据权利要求31所述的方法，其中在所述常规NO2基再生、所述借助增强的有效 NO2供应的主动NO2基再生和所述主动O2基再生中的至少一种的同时，进行使用再循环的 NOx的所述DPF的NO2基再生。
33.根据权利要求31所述的方法，其中在所述常规NO2基再生、所述借助增强的有效 NO2供应的主动NO2基再生和所述主动O2基再生中的至少一种之前，进行使用再循环的NOx 的所述DPF的NO2基再生。
34.根据权利要求31所述的方法，其中在所述常规NO2基再生、所述借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生和所述主动O2基再生中的至少一种之后，进行使用再循环的NOx 的所述DPF的NO2基再生。
全文摘要
本发明在一种通过借助增强的有效NO2供应的主动NO2基再生对催化的柴油机颗粒过滤器(DPF)进行再生的方法中，将含NOx的气体引入所述DPF中；以及控制所述DPF、所述含NOx的气体和所述DPF中的烟灰中的至少一种的温度，同时控制所述DPF入口处的单一NOx水平，使得所述含NOx的气体和催化剂反应以形成NO2分子，所述NO2分子此后和烟灰颗粒反应以形成CO、CO2和NO分子，并且NO2效率大于0.52gC/gNO2，以及使得小于三分之二的从所述DPF中除去的烟灰质量被所述气体中的O2分子氧化，以形成CO和CO2分子。
文档编号F01N3/00GK101939514SQ200980104381
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月7日
发明者杰弗里·A·赫伯, 肯斯·I·斯文松 申请人:马克卡车公司