CN101198774B - 催化剂再生方法和系统 - Google Patents

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Abstract

所披露的实施方案涉及催化剂(18)再生方法和系统(10)。该系统包括：产生废气流的发动机(12)；包含催化剂的反应器(16)，其与所述发动机流体连通以接收废气流；传感器(22)，其测量涉及发动机或反应器的系统参数并产生相应于所述系统参数的信号。所述系统还包括控制器(19)，其接收所述信号并在所述系统参数指示再生值的情况下将废气流引向催化剂。

Description

催化剂再生方法和系统
技术领域
本发明涉及提高废气后处理系统性能的系统和方法，更具体而言，涉及催化剂再生以提高其NOX转化效率。
背景技术
现行的排放控制法规要求在汽车排气系统中使用催化剂，以将发动机运行过程中产生的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOX)转化为无害废气。装配柴油或贫汽油(lean gasoline)发动机的车辆有助于燃油经济的增长。这种车辆通常装配有废气后处理系统，该系统使用一种或多种催化剂，以在废气排放到外界环境中之前帮助将NOX、碳氢化合物、一氧化碳和其它污染物化学转化为危害较小的化合物。
然而，在这种传统催化剂系统中，煤烟(soot)、碳氢化合物和其它不良物质可吸附在催化剂表面上，从而污染催化剂并降低其转化效率。可定期将催化剂系统加热至高于碳氢化合物沸点或煤烟再生温度的温度一段预定的时间，通过除去不良物质沉积物使催化剂再生。
已知的再生方法可能包括复杂的工序，例如切换多个废气流和激活多个阀门。这些系统使用复杂的子系统，例如冷却风扇、多重催化床等。另外，这些系统还需要宝贵的空间和额外的燃料消耗。因而，需要改进的催化剂再生系统和方法。
发明内容
简言之，根据本发明的一种实施方案，提供催化剂再生系统。所述系统包括：产生废气流的发动机；反应器，其包含催化剂并与发动机流体连通以接收废气流；传感器，其测量与发动机或反应器相关的系统参数并产生相应于所述系统参数的信号。所述系统还包括控制器，该控制器接收所述信号并在所述系统参数指示再生值的情况下将废气流引向催化剂。
根据本发明另一实施方案，提供催化剂再生方法。该方法包括：感应催化剂的温度和来自发动机的废气流的温度；如果催化剂的温度和废气流的温度指示再生条件，则根据对催化剂温度和废气流温度的感应，使废气流经过催化剂。该方法还包括控制催化剂的温度和废气流的温度以使催化剂再生并监测催化剂的再生。
附图说明
图1为使用本发明催化剂再生系统的机车发动机的示意图；
图2为根据本发明一种实施方案的柴油机废气处理系统中的示范性催化剂再生系统的示意图；
图3为根据本发明一种实施方案的包含催化剂的反应床的示意图；
图4为根据本发明一种实施方案的柴油机废气处理系统中的示范性催化剂再生系统的示意图；和
图5为根据本发明一种实施方案的催化剂再生方法的流程图。
具体实施方式
图1为铁路机车的示意图，该铁路机车使用根据本发明一种实施方案的柴油机废气处理系统中的示范性催化剂再生系统。列车1在铁轨2上行驶。机车3包括驱动列车1的柴油机4。机车3装配有废气处理系统6以处理来自发动机4的废气。废气处理系统6包括用于废气处理的催化剂。机车3还包括废气处理系统6中的催化剂再生系统10。尽管图1示出一种机车，但本领域技术人员应当理解本发明适用于使用催化剂的其它系统。例如本发明还可用于具有内燃机的其它车辆，例如轿车、公交车、轮船等。
根据本发明的示范性实施方案，装配有柴油或贫汽油发动机的车辆有助于燃油经济的增长。这些车辆在发动机运转期间通常产生污染气体，例如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOX)等。排放控制法规鼓励在车辆废气处理系统中使用催化剂，以将这些污染气体转化为无害废气。在本发明的一种实施方案中，这些发动机因而装配有包括后处理装置(例如选择催化还原(SCR)催化剂)的废气处理系统，在此通过活性还原剂不断除去NOX。所述还原剂可包括碳氢化合物。在本发明另一实施方案中，典型的废气处理系统还可包括与SCR催化剂上游连接的转化催化剂以转化废气混合物中的碳氢化合物和一氧化碳。
通常，在发动机运转期间，煤烟和未还原的碳氢化合物吸附在催化剂表面上。吸附物质使催化剂活性表面与废气流隔绝，从而降低了催化剂的效率。因此，通常需要定期将催化剂系统加热至高于碳氢化合物沸点的温度或高于煤烟可从催化剂上烧去的温度一段预定的时间，以清洁催化剂表面。将该过程称为催化剂再生。
一种示范性再生技术包括使用将废气中包含的一氧化氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)的催化剂。在某些条件下，例如在低硫柴油用作发动机燃料时，NO2具有促进碳类煤烟颗粒燃烧(开始于约250℃)的性质。当车辆运行期间至少30％的时间废气或其中发生煤烟燃烧的反应器的温度超过300℃时，通常得到所期望的有效运行。因为使催化剂保持在所期望的范围内将消耗能量，所以再生系统应当尽可能是燃料高效的。另外，催化剂再生不应当在催化剂正发挥其基本功能时(例如催化剂正产生用于除污出口或将NOX转化为氮气的还原剂时)进行。
通过在发动机处于本领域技术人员称为“2挡(notch 2)”的运行程度时进行催化剂再生，可按照上述要求实现有效的催化剂再生。在本发明的一个方面中，将来自以2挡运转的发动机的废气用于再生。在本发明另一实施方案中，为了进行再生，改变发动机中的燃料注入时间。
以下将更详细地说明催化剂再生系统10。在本申请中，通常将“点火温度(light-off temperature)”定义为经过催化剂的发动机排放物有50％被转化时的温度。通常将“冷起动”和达到“点火温度”之间的时段称为“点火时间”。
图2为根据本发明各方面的柴油机废气处理系统6中的示范性催化剂再生系统10的示意图。参考图2，燃料由主燃料箱14经供给系统42供给至柴油机12，柴油机12在运转期间产生废气。在发动机出口使用歧管(未示出)回收这些废气，并经过排放管线34将这些废气排出。系统10包括置于排放管线34中的温度传感器22，以测量排放管线34内的温度。排放管线34向包含催化剂18的反应器16供给废气流。还将温度传感器24放在反应器16中，以感应催化剂18的温度。系统10还包括与发动机12连接(coupled to)并邻近发动机12的用于感应发动机的挡位(notch level)的发动机挡位传感器26。如上所述，发现了处于2挡的发动机12中所呈现出的燃烧条件适合用于再生系统10。
再生系统10中的排放管线34分支出两条延伸至反应器16的管线。一支反应器加热管线31输运废气流的一部分，经过反应器16，将废气流引到催化剂18上。排放管线34的另一支即旁路废气管线33绕过反应器16，并将废气流的剩余部分引出发动机。将流量调节阀28设置在排放管线34中反应器加热管线31与旁路废气管线33的交叉点处。流量调节阀28选择性地将部分废气流转移到反应器加热管线31中。控制器19通过指令传送线52与流量调节阀28相连。控制器19监控阀门28的开合。流量调节阀28通常为电磁阀，电磁阀的开合使得较多或较少体积流量的废气流进入反应器加热管线31并由此进入反应器16。
图2所示反应器16通常由不锈钢外壳(未示出)、绝热体(未示出)和浸渍有催化剂的载体(未示出)制成。通常通过利用具有大表面积的金属或陶瓷材料例如金属氧化物粒子涂覆载体，来制造反应器16。将催化剂材料18沉积在反应器16的大表面积材料上。在一些实施方案中，该实施方案所述的催化剂18包括一种或多种金属，例如铂或其它贵金属。在另一种实施方案中，催化剂18为过渡金属交换沸石(transition metal-exchanged zeolite)。例如，过渡金属可为铜，沸石可为铜交换ZSM5沸石。通常，催化剂能够在存在氧气的情况下利用碳氢化合物选择性地还原氮氧化物，使得至少约30％的氮氧化物被转化。更优选地，在发动机12的运转温度下，至少约50％的氮氧化物被转化。再参考图2，在具体实施方案中，催化剂18将废气中包含的一氧化氮(NO)转化为二氧化氮(NO2)。
在一种实施方案中，反应器16和催化剂18通过与来自发动机12的高温废气接触而被加热。这种加热连同催化剂18处发生的氧化反应的放热性将使催化剂达到点火温度。然而，废气经过相对没有变化的催化剂，直到达到点火温度。另外，发动机废气组成随着发动机从冷起动温度变热而改变，并且通常设计使反应器16在发动机运转标准高温下产生的废气流组成下运转最佳。
再参考图2，控制器19控制并调整传感器22、24和26以及流量调节阀28的活动以调整系统10的整体机能。在结构上，控制器19可包括微控制器或固态开关，以与传感器22、24和26以及流量调节阀28连通。可分别使用源自废气流温度传感器的传感信号线54、源自催化剂温度传感器的传感线56、源自发动机挡位传感器的传感线58和源自流量调节阀的指令传送线52，来实现这种连通。在一种实施方案中，控制器19包括通过一个或多个模拟输入端口进入的模拟-数字转化器，在另一实施方案中，控制器19可包括读出显示器、只读存储器(未示出)、随机存取存储器(未示出)和常规的数据总线(未示出)。如本领域技术人员所知，控制器19可以多种其它方式具体化。在一种实施方案中，控制器19可包括逻辑处理器(未示出)、阈值检测电路(未示出)和报警系统(未示出)。通常，逻辑处理器是执行计算任务的处理单元。所述逻辑处理器可以是使用软件应用程序或操作系统资源构成的软件结构体。另外，还可通过一个或多个物理处理器模拟逻辑处理器，所述物理处理器对多个单线程执行的处理任务进行调度，从而模拟多个物理处理单元。控制器19根据发动机12的废气强度辅助阈值检测电路估计排放参数，例如NOX转化效率、HC转化效率或CO转化效率。这种估计信息可向远程控制单元(未示出)或报警系统(未示出)报告催化剂是否完全再生。
运行中，控制器19监控反应器16的温度。在一种实施方案中，控制器19根据设置在反应床16中的温度传感器24的温度传感信号判定并说明反应床16的温度。控制器19按照预定标准进行判定和说明。例如，在一种实施方案中，预定标准可包括反应床16的温度与温度预定参考值的二元比较(binary comparison)。在另一实施方案中，预定标准可包括反应床16的温度与温度预定最大值的比较。在另一实施方案中，预定标准可包括反应床16的温度与温度预定最小值的比较。
无论哪一种比较标准，如果反应床16的感应温度落在预定参考范围之外，那么控制器19可判定催化剂18的状态不合格并且反应器16需要额外加热。在这种情况下，控制器19向流量调节阀28发出命令信号并控制流量调节阀28的开启，使额外量的废气流转移到反应器加热管线31中。在另一实施方案中，如果控制器19感应到反应器16需要额外加热，那么它向报警系统发出警报信号，报警系统随之向远程处理观测器(未示出)发出适当的警报。在另一实施方案中，通过逻辑处理一个或多个排放参数(例如再生系统10的NOX或HC或CO转化效率)，判定催化剂18的工作状态和任何额外加热的需要。
图3为根据本发明各方面的柴油机中所配置的反应器16的示意图。图3中的组件使用与图2所示系统10中相同的附图标记。除系统10的部件之外，图3所示反应器16包含第二催化剂17。第二催化剂17通常但不必需包括贵金属例如钯。第二催化剂可包括一种或多种的催化剂，包括例如SCR催化剂、用于还原碳氢化合物的催化剂或大量各种催化剂制成的混合催化剂。第二催化剂温度传感器25也放在反应器16中。传感器25的功能是测量第二催化剂17周围的温度。控制器19通过传感信号线57与传感器25连接。
在现有技术常用的典型双床催化剂反应器中，一个床进行再生的同时另一个床实现其基本功能。这些系统使用复杂的子系统，例如冷却风扇等。另外，这些系统还需要宝贵的空间和额外的燃料消耗。此外，这些传统的双床系统操作复杂且昂贵。相反，在该实施方案中，可使用来自柴油机12的同一废气流，使催化剂18和第二催化剂17同时再生。另外，本发明该实施方案中所示的系统简单、易于配备并且在燃料利用上经济。在本发明另一实施方案中，反应器加热管线31还可在反应器16内部分支出两条管线(未示出)，来向两种不同的催化剂供给不同体积流量的废气流。在本发明一种实施方案的运行中，催化剂18放热燃烧来自发动机的输入废气中的碳氢化合物，从而提供热量以迅速加热第二催化剂17。控制器19使用温度传感器25连续监测第二催化剂17的温度。控制器19还控制发动机12的运转参数，使第二催化剂的温度保持在再生温度点以上。
需要时，可使用各种方法提高第二催化剂17的温度，例如通过延迟注入、增加废气再循环(EGR)和进气节流、或本领域技术人员所知的任何其它方法，来提高废气的温度。或者，可在发动机12发动或排气冲程任一过程中或者发动机12发动和排气冲程两过程中，通过汽缸内注入(in-cylinderinjection)向催化剂18输送额外的碳氢化合物，来加热第二催化剂17。
在另一可供选择的实施方案(未示出)中，可使用还原剂输送系统(未示出)，来提高反应器加热管线31中的废气混合物中的碳氢化合物浓度，所述反应器加热管线31进入反应器16，从而与催化剂18相互作用。
或者，在另一实施方案中，可根据发动机的速度、负载、废气温度或本领域技术人员已知的影响发动机产生NOX的任何其它参数，来估计进入第二催化剂17的废气混合物中的NOX量。在任何需要的情况下，如上所述，可在该实施方案中采用合适的方法以供给额外的碳氢化合物。再参考图3，在另一实施方案中，上述催化剂18和第二催化剂17可在物理上和功能上组合为混合催化剂。在一些实施方案中，混合催化剂材料可为催化剂18和第二催化剂17的均质混合物或它们的分层组合。
在另一实施方案中，反应器16(图3)的下部可包括附加的留存室(additional retention chamber)以增加废气在反应器中的停留时间。废气停留时间的延长使得废气能够加热催化剂18和第二催化剂17。因而第二催化剂17可保持远高于常温的温度。
如本领域技术人员所理解的，本发明的实施方案不限于上述系统配置。图4为柴油机废气处理系统中另一示范性催化剂再生系统的示意图。图4系统20中的部件使用与此前图2或图3所示系统10的部件相同的附图标记。除系统10的部件之外，该系统还包括燃料注入控制阀32来控制注入发动机燃烧室的燃料量。控制阀32通过指令传送线48与控制器19连接。控制器19监控控制阀32的开启。另外，图4所示系统20中的反应器16还包括加热元件29。以下将更详细地描述这种附加加热元件的结构和功能。
在本发明的该实施方案中，通过提高进入催化剂18的废气混合物中的碳氢化合物浓度，实现催化剂快速加热和由此改善的NOX转化效率。可通过调整发动机运转条件例如注入时间，来实现碳氢化合物浓度的提高。排放管线34中的废气流中产生的额外碳氢化合物在催化剂18中燃烧。使用传感器24测量催化剂18周围的温度。控制器19对这些值和对应于催化剂18再生最佳温度的参考值进行比较。在图4所示实施方案中，如果温度不足以引发催化剂18的再生，那么控制器19控制经过燃料注入管线44输送给发动机12用于燃烧的燃料量。以下进一步说明控制器的这种功能。另外，如此前关于图2所示系统10的说明所述，控制器19通过控制流量调节阀28来控制经排放管线34输送的废气流量。
再参考图4，在本发明的一种实施方案中，向反应器16提供附件的加热元件29，以缩短或避免点火时间。附加的加热元件29可包括例如燃烧器、电阻器等器件。在一种实施方案中，加热元件为柱形电加热元件。或者，在另一实施方案中，加热元件可为矩形以提高其与反应器16和催化剂18的表面接触面积。控制器19可根据各种运转条件(例如发动机的速度、负载、废气温度等)通过指令传送线59选择性地使加热元件29开关。
控制器19与发动机的第二燃料供给管线44连接，并通过控制流量调节阀32的开启来控制该管线的开启。控制器19通过控制指令传送线48对流量调节阀32进行电控。流量调节阀32通常为电磁阀，该电磁阀的开合使得较多或较少体积流量的柴油燃料到达发动机12的燃烧室(未示出)。
第二油箱36通过通向注入室38的燃料供给管线46向注入室38供给柴油燃料。通过管路系统35由主燃料箱14供给第二燃料箱36本身。第二燃料供给管线44使发动机12与注入室38相连。使用电磁阀28和32开启管线44。通过组合控制柴油机12柴油燃料进入量的附加功能，加强图4所示的控制器19，使其超过图2所述的配置。在一种实施方案中，控制器19通过控制燃料注入阀32的开合来控制经燃料注入管线44输送给发动机12用于燃烧的燃料量。控制器19通过指令传送线48与燃料注入阀32连通，以实现对上述燃料注入阀32的控制。在另一实施方案中，控制器19装配有计时器(未示出)，以通过间接控制注入持续时间来监控进入燃烧室的燃料量。如上所述，为使再生以所期望的效率进行，废气温度超过300℃的时间应大于车辆工作时间的30％。该实施方案中所述的控制器19有利于废气温度一直高于300℃。
运行中，如果反应床16的测量温度低于或等于参考值，那么控制器19调整流量调节阀28和32的开启。流量调节阀32的开启使得更多燃料注入到发动机中，在发动机12的燃烧室(未示出)中发生额外的燃烧。同时，流量调节阀28的开启使得更多体积流量的废气流进入反应器加热管线34。因此，控制器19通过感应两个温度传感器22和24以及操作串联的流量调节阀28和32推动催化剂在反应床16中完全再生。
图5为根据本发明各方面的柴油机废气处理系统中的催化剂再生示范性方法流程图。示出根据本发明各方面的图5所示的催化剂再生示范性方法。如本领域技术人员所理解的，该方法可表示一种或多种处理措施，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。由此，可按所述顺序、平行、或省略进行所述各步骤或功能。另外，处理的顺序并非实现本发明的目的、特征和优势所必需，而是为了便于示例和说明。尽管没有明确说明，但本领域技术人员将认识到，可根据采取的具体措施，重复进行所述步骤或功能中的一个或多个。
催化剂再生方法起始于功能框(functional block)72。在功能框74中感应发动机运转挡位，一旦达到2挡，将来自发动机的废气流输送到再生系统的功能框76。使废气流经过功能框78中的反应器和催化剂。所述反应器和催化剂中包含的温度传感器感应功能框82中的反应器和催化剂的温度。通过功能框84中的控制器19监测反应器温度。如果需要的话，在功能框85中加热反应器。同时，在功能框86中监控废气流的体积流速。
在另一实施方案中，在功能框87中监控燃料注入时间。在功能区88监控催化剂的再生，并在功能框92中验证再生过程是否合格。如果再生过程合格，那么在功能框94中继续进行催化剂的再生。另一方面，如果再生过程不合格，那么验证是否在功能框96中完全停止再生。如果没有完全停止再生，那么控制返回到功能框86和87，由此监控废气流的体积流速和燃料注入时间。另一方面，如果再生停止，那么根据本发明一种实施方案的催化剂再生方法30结束于功能框98。
因此，根据本发明的各方面，可通过从存储部位除去积存的污染物例如碳氢化合物和煤烟，改善催化剂的NOX转化效率。这可通过再生过程实现，其中使催化剂温度保持预定温度以上足够长的时间，以蒸发所吸附的碳氢化合物并除去煤烟沉积物。
本发明的构思不仅限于铁路机车发动机。本领域技术人员将认识到本发明其它实施方案适用于其它类型使用内燃机的车辆。例如，公路上行驶的车辆(例如城市运输车或城市公交车或客车)中或者轮船中所使用的内燃机可安装这种类型的再生系统。事实上，这些车辆产生的气体的温度通常低于传统催化剂再生所需的温度，从而导致这些催化剂的堵塞以及进而由剧烈燃烧反应造成的快速老化。然而，现有系统通常采用有机金属添加剂以促进颗粒燃烧，从而造成巨大的运行成本。本发明的装置结合其再生方法可克服这种成本问题。
尽管在本申请中仅示例并说明了本发明的某些特征，但本领域技术人员可进行多种改进和改变。因而，应当理解的是，所附权利要求意图覆盖本发明真实精神范围内的所有改进和改变。

Claims (10)

1.一种催化剂再生系统，其包括：
产生废气流的发动机；
包含催化剂的反应器，其与所述发动机流体连通以接收废气流；
传感器，其测量系统参数并产生相应于所述系统参数的信号，所述系统参数包括催化剂的温度和废气流的温度；和
控制器，其接收所述信号并在所述系统参数指示再生值的情况下将废气流引向催化剂，其中所述控制器还用来控制发动机的燃料注入时间，
其中所述系统包括对输送至催化剂的废气流量进行控制的控流器。
2.根据权利要求1的系统，其中所述系统参数还包括发动机的挡位。
3.根据权利要求2的系统，其中所述再生值为2挡。
4.根据权利要求1的系统，其还包括提升反应器温度的电加热器。
5.根据权利要求1的系统，其中所述催化剂包括转化催化剂。
6.根据权利要求1的系统，其中所述催化剂包括基于碳氢化合物的选择催化还原催化剂(hydrocarbon-based selective catalytic reduction catalyst)。
7.根据权利要求1的系统，其中所述催化剂包括混合催化剂。
8.根据权利要求1的系统，其中所述发动机包括用于驱动机车的柴油机。
9.一种铁路机车，其包括：
铁路机车发动机，其包括至少一个产生废气流的汽缸；
燃料注入系统，其与发动机相连并包括至少一个燃料注入器，用于将燃料注入到所述至少一个汽缸中；
包含催化剂的反应器，其与铁路机车发动机流体连通以接收废气流；
传感器，其测量系统参数并产生相应于所述系统参数的信号，所述系统参数与选自铁路机车发动机、反应器及其任意组合中的至少一种相关；和
控制器，其接收所述信号并在所述系统参数指数再生值的情况下将废气流引向催化剂，
其中所述控制器还与所述燃料注入系统相连并通过控制所述燃料注入器来控制铁路机车发动机的燃料注入时间。
10.根据权利要求9的铁路机车，其还包括用于提升反应器温度的电加热器。
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