CN101232935A

CN101232935A - 内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统

Info

Publication number: CN101232935A
Application number: CNA2006800278881A
Authority: CN
Inventors: R·布吕科
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-07-30
Also published as: US20080112872A1; KR20080031986A; EP2101896B1; US8551430B2; CN104533579A; JP5097706B2; WO2007014649A1; DE102005035554A1; RU2424042C2; KR101032858B1; MY152652A; PL2101896T3; EP2101896A1; JP2009503326A; RU2008107276A

Abstract

本发明涉及用于内燃机(2)的废气中的氮氧化物(NO_x)的选择性催化还原方法。根据本发明，反应试剂添加点(5)在内燃机(2)的排气系统(1)中SCR催化剂(3)的上游，所述试剂由下列反应试剂中的至少一种组成：a)还原剂和b)还原剂前体，并且所述废气可以至少围绕其流动的结构体(4)正好配置在所述反应试剂添加点的下游。所述方法至少包括下列步骤：1.1)确定所述废气的氮氧化物分率；1.2)确定结构体(4)的温度；1.3)确定还原步骤1.1)中所确定分率的氮氧化物所需的反应试剂的量；1.4)确定添加所述量的反应试剂以后结构体(4)的温度；1.5)将结构体(4)的温度与可预先确定的目标温度进行比较；1.6)如果所述温度低于所述目标温度，在下列措施中的至少一种之后计算结构体(4)的温度：1.6a)添加减少量的反应试剂和1.6b)提高下列温度中的至少之一：1.6b.1)结构体(4)的温度和1.6b.2)所述废气的温度，直至在添加所述量的反应试剂以后结构体(4)的温度大于或等于所述目标温度；以及1.7)添加所述量的反应试剂以及任选如步骤1.6b)所述升高所述温度。

Description

内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统

本发明涉及在内燃机废气中、特别是在机动车的排气系统中氮氧化物的选择性催化还原的方法。本发明还涉及相应的排气系统。本发明特别涉及控制向废气中添加还原剂或还原剂前体。

世界上的众多国家已经完成法规条例，对内燃机废气中的某些物质设定了水平上限。这些一般是不希望排放至环境中的物质。这些物质之一是氮氧化物(NO_x)，其在废气中的水平必须不超过法定排放限度。由于以实现有利的燃料燃烧等为目的的边界条件，例如内燃机的结构，避免发动机内的氮氧化物排放以便降低废气中的氮氧化物的水平只是有限有用，因此要求废气后处理以符合相对低的限度。关于这一点，已经表明氮氧化物的选择性催化还原(SCR)是有利的。该SCR方法需要含氮的还原剂。特别地，已经证实氨(NH₃)用作还原剂是一种可能的替换方案。由于化学性质和许多国家中的法规指令，氨并非通常保持在纯氨的形式，因为这特别是在机动车或其它车辆应用方面会带来问题。相反，往往在车辆中储存和携带还原剂前体，而不是储存还原剂本身。还原剂前体应具体地理解为是指分解出还原剂或可以化学转化成还原剂的物质。例如，尿素代表还原剂氨的还原剂前体。作为还原剂的氨的其它可能还原剂前体包括氨基甲酸铵、异氰酸或氰脲酸。

还原剂前体化学转化成还原剂、还原剂从还原剂前体中分解出以及还原剂前体和/或还原剂的可能状态变化一般基于吸热过程，这要求能量输入。该能量输入一般导致废气和/或排气系统中组分的温度降低。然而，已知化学反应过程中的温度变化也使该反应的反应平衡移动。除了实际期望的反应产物以外，根据当前位置的反应平衡也可能形成不期望的副产物。

因此，本发明基于以下目的：提供内燃机废气中的氮氧化物的还原方法，其中当提供还原剂时有效避免不期望的副产物的形成，以及提供相应的排气系统。

通过具有权利要求1的特征的方法实现该目的，而有利的改进形成从属权利要求的主题。

本发明用于内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法，其中在所述内燃机排气系统中在SCR催化转化器上游形成用于添加下列试剂中的至少一种的试剂添加点：

a)还原剂，和

b)还原剂前体

以及刚好在所述试剂添加点的下游形成所述废气可以至少围绕其流动的结构体，所述方法至少包括下列步骤：

1.1)确定所述废气的氮氧化物含量；

1.2)确定所述结构体的温度；

1.3)确定用于还原步骤1.1)中所确定含量的氮氧化物所需的试剂量；

1.4)确定添加所述量的试剂以后所述结构体的温度；

1.5)将所述结构体的温度与预定的目标温度进行比较；

1.6)如果所述温度低于所述目标温度，利用至少一种下列措施计算所述结构体的温度：

1.6a)添加减少量的试剂，和

1.6b)提高下列温度中的至少之一：

1.6b.1)所述结构体的温度和

1.6b.2)废气温度；

直至在添加所述量的试剂以后所述结构体的温度大于或等于所述目标温度；以及

1.7)通过所述试剂添加点添加所述量的试剂，以及如果合适，按步骤

1.6b)提高所述温度。

在本发明的上下文中，“正好在下游”应理解为是指从流动方向上看时，该结构体表示在所述试剂添加点下游作为下一个排气系统部件的结构体。所述SCR催化转化体特别是废气可以通过其流动的结构体，例如具有合适涂层的蜂窝体。这特别可以是二氧化钛(锐钛矿)-负载的钒/钨混合氧化物和/或金属交换的沸石，优选铁沸石，特别是X、Y、ZSM-5和/或ZSM-11型沸石。所用的蜂窝体特别可以是标准的陶瓷和/或金属蜂窝体，其具有废气至少能够通过其流动的空腔，例如通道。所述蜂窝体优选由至少一个至少部分结构化的金属层形成。在这种情况下，该金属层可以包括片状-金属箔和/或多孔金属层。优选通过卷绕至少一个至少部分结构化的金属层以及如果合适至少一个基本上平滑的金属层，或者通过堆叠至少一个至少部分结构化的层以及如果合适至少一个基本上平滑的层，并且将如此形成的至少一个叠层相互成对，从而制成蜂窝体。

优选其中所添加的试剂是作为还原剂的氨和/或作为还原剂前体的尿素的方法。关于这一点，优选尿素作为固体和/或以尿素水溶液的形式添加。

在该情况下，根据所述SCR催化转化体中的温度，发生下列主要反应：

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+H₂O

在这种情况下，一氧化氮(NO)与二氧化氮(NO₂)和氨(NH₃)反应以形成分子氮(N₂)和水(H₂O)。从还原剂前体(尿素)提供还原剂氨通常包括多级反应，其中往往进行热解和/或水解。在热解的情况下，尿素((NH₂)₂CO)热转化成氨和异氰酸(HCNO)。这之后进行水解，其中异氰酸与水反应以形成氨和二氧化碳：

(NH₂)₂CO→NH₃+HCNO

HCNO+H₂O→NH₃+CO₂

特别地，所述水解和热解往往在水解催化转化体下进行，其通常施加于蜂窝体的涂层中和/或涂层上。根据该水解催化转化体的温度，除了上述期望的主要反应以外，也会发生次要反应而且有时产生不期望的反应产物。在其中将氨用作还原剂和尿素用作还原剂前体的上述优选系统中，除了如上所述形成氨以外，也可能会形成例如缩二脲((NH₂CO)₂NH)。缩二脲代表粘稠产物，当它在水解催化转化体上形成时会堵塞后者的通道。这样，首先获得的氨的收率降低，其次蜂窝体的通道开始阻塞。只有在非常大的困难下才能从蜂窝体中除去缩二脲，因此有利的是尿素发生热解和/或水解的温度要选择成使得没有缩二脲形成，因为水解催化转化体中通道阻塞会导致该催化转化体失效，由此导致尿素不充分地转化为氨。

原则上，本发明的步骤1.3)基于氮氧化物与还原剂的化学计量反应。当将还原剂前体和/或还原剂添加至废气中时，如上所述废气温度降低，因此该废气通过其流动或在其周围流动的部件的温度也降低。如果废气温度足够高，这对于不期望的副产物例如缩二脲并不关键。然而，如果废气温度处于临界温度范围内，则反应平衡可能朝着生成不期望副产物的方向移动。因此在步骤1.5)中将结构体的温度与之进行比较的目标温度应当预设成使得在该目标温度下不期望副产物如缩二脲的形成不超过可预定的水平。所述目标温度优选预定成使得仅形成少量不期望的副产物。

因此，本发明的方法考虑由还原剂前体和/或还原剂的添加引起的废气温度降低，而且起动可能的措施来抵消该温度降低。根据步骤1.6a)，这些措施之一可以是减少待添加的还原剂的量。这意味着尽管根据内燃机的操作状态，不是所有存在于废气中的氮氧化物都进行转化，但这会是可接受的。抵消温度降低的另一可能措施步骤是提高系统的温度，具体地，一方面提高正好位于所述试剂添加点下游的结构体的温度，另一方面提高废气温度。由于这需要有源措施(active measures)，例如电加热所述结构体，或者通过改变发动机操作状态或通过注入并且氧化额外量的燃料来提高废气温度，这产生从根本上不期望的副作用，例如增加的燃料消耗。本发明的方法考虑选项1.6a)和1.6b)以使得在最小可能增加燃料消耗下存在于废气中的氮氧化物发生最大可能的转化，而温度不会降低到所述目标温度以下。

原则上，本发明的方法例如基于以下事实：由于发动机管理，离开内燃机时废气的氮氧化物含量总是已知的。废气在排气系统中从下游到达SCR催化转化体之前经过一定的时间，因此该时间可以用于确定待添加的试剂的量，以及如果合适还采取步骤1.6)中列出的措施。特别地，还可以将本发明方法与其中可以可逆地储存过量氮氧化物的NO_x吸附器组合。可以计划该NO_x吸附器的随后再生以尽可能完全地转化所储存的氮氧化物。

步骤1.6b.1)应理解为是指将所述结构体的温度提高至不管由所述试剂的添加所造成的温度降低如何，该结构体的温度足以可靠地保持在所述目标温度以上的程度。

根据本发明方法的一种有利的改进，所述结构体包括蜂窝体。

该蜂窝体特别可以是陶瓷蜂窝体和/或金属蜂窝体。关于这一点，形成流体如废气可以通过其流动的通道的蜂窝体在这方面同样优选。

特别优选所述方法的以下改进，其中所述结构体包括下列催化转化体中的至少一种：

3.1)水解催化转化体和

3.2)SCR催化转化体。

特别地，当使用尿素水溶液作为还原剂前体时，如果所述结构体包括根据变换方案3.1)的水解催化转化体，本发明的方法是有利的，因为在这种情况下，除了化学反应所需的能量以外，还必须施加水的汽化焓，这造成试剂添加之后温度进一步降低。因此如果将尿素溶液用作还原剂前体，形成不期望副产物例如缩二脲的可能性增加。

根据本发明方法的另一有利的构成，步骤1.1)包括下列措施中的至少一种：

4.1)测量所述氮氧化物含量，和

4.2)从发动机特性数据确定氮氧化物排放量。

特别地，如果根据步骤4.2)氮氧化物排放量至少部分地从发动机特性数据获得，则有利地可以使用所述废气从内燃机送到SCR催化转化体以进行本发明步骤1.1)至1.6)所花的时间。发动机曲线(engine map)或发动机特性数据应特别理解为是指内燃机的发动机操作曲线。氮氧化物消耗量可以由可得到的和可测量的或预定的发动机特性数据例如载荷、发动机速度等计算。根据选项4.1)，可以作为替代或还额外地使用相应传感器测定氮氧化物含量。可以形成多个传感器，以在排气系统的不同处提供不同的测量值。可以将这些测量值与按选项4.2)确定的根据发动机特性数据的氮氧化物排放量进行比较。特别地，还可以构建所述排放系统的计算机辅助模型，基于该模型，通过利用关于该排放系统至少一点处的尤其是氮氧化物含量、氧含量和废气温度的测量支持点，可以确定排气系统其它区域中的相应值。

根据本发明方法的另一有利的构成，步骤1.2)包括下列措施中的至少一种：

5.1)测量所述结构体的温度，和

5.2)计算所述温度。

在这种情况下，同样可以例如由发动机特性数据和排气系统的已知特定结构来计算结构体的温度。此外，可以确定所述结构体的温度、排气系统中另一部件的温度和/或废气本身的温度并由该信息确定温度。

根据本发明方法的另一有利的构成，所述目标温度是至多180℃，优选120℃-170℃，特别是大约160℃。

已经证实这些温度特别有利于避免由尿素形成缩二脲。这些目标温度特别以尤其有利的方式确保可以使至少所述结构体的通道的阻塞和封闭有效地减少至相当程度或甚至基本上防止该阻塞和封闭。

根据本发明方法的另一有利的构成，重复进行步骤1.6)。

特别地，如果废气的氮氧化物含量至少部分由发动机曲线计算，则有利地可以在进行步骤1.6)时选择重复方案。因为在这种情况下，如果借助计算机及适当快速的处理器进行所述方法，则有充分时间可用于重复确定措施1.6a)和1.6b)以及它们对添加所述量的试剂之后所述结构体温度的影响。

根据该重复方法的特定构成，如此关于步骤1.6)可以实现非常精确的过程。特别是在相对多的重复步骤下，不管重复过程如何，可以在添加所述量的试剂之后实现非常快速下降到目标温度以下。

根据本发明方法的另一有利的构成，连续进行步骤1.6)。

连续进行步骤1.6)具有可以使温度非常快速下降到所述目标温度以下的优点。特别地如果在措施1.6a)和1.6b)中采用相对大的梯度，则可以确保快速过程。

根据本发明方法的另一有利的构成，根据步骤1.6b.1)提高温度的步骤包括电加热所述结构体。

特别地，所述结构体可以包括可电加热的蜂窝体。电加热该结构体的优点在于可以实现该结构体的温度非常快速升高至所述目标温度以上，因此可以有效防止不期望副产物例如缩二脲的形成。结构体的电加热提供非常动态的调整和控制方法。

根据本发明方法的另一有利的构成，根据步骤1.6b.2)执行温度升高包括下列措施中的至少一种：

10.1)改变所述内燃机的操作点；

10.2)电加热所述结构体上游的废气，和

10.3)将烃类注入并且氧化。

根据步骤10.1)，内燃机操作点相对小的改变可能引起燃料消耗略有提高，并且可以用来实现废气温度升高，这可以补偿由试剂添加造成的温度下降。根据步骤10.2)，可以例如通过使用位于所述结构体上游的可电加热蜂窝体来进行废气的电加热。根据步骤10.3)，可以例如通过短暂地以富油(rich-burn)模式操作所述内燃机而且通过在排气段中，特别是在所述结构体的上游使用相应的氧化催化转化体，实现废气温度升高，由此实现所述结构体温度的升高。

根据本发明方法的另一有利的构成，可以将至少一种下列物质作为试剂添加：

11.1)氨和

11.2)尿素。

如此有利地可以特别防止缩二脲在所述结构体上形成。

根据本发明方法的另一有利的构成，如果可以在所述SCR催化转化体下游的废气流中检测到还原剂含量，则减少还原剂的量。

如果在所述SCR催化转化体的下游可以检测到还原剂含量，则存在超出化学计量的还原剂含量。为了防止这种情况，根据本发明，可以减少待添加的还原剂或还原剂前体的量。特别地，可以在SCR催化转化体的下游形成氧化催化转化体，其可以用来氧化穿过该SCR催化转化体的还原剂。

本发明的另一方面提出用于内燃机的排气系统，其包括SCR催化转化体用于添加至少一种下列试剂的试剂添加点：

a)还原剂和

b)还原剂前体

以及在所述试剂添加点下游且所述废气可以至少围绕其流动的结构体，在作为下列变量至少之一的函数控制着所加试剂的量时用于所述试剂添加的控制装置：

13.1)废气温度；

13.2)所述结构体的温度和

13.3)所述废气的氮氧化物含量，

并考虑由所述量的试剂的添加所造成的变量13.1)和13.2)中至少之一的变化。

关于本发明方法已公开的细节和改进也可以转换和用于本发明的排气系统。特别地，本发明的排气系统可以用于进行本发明的方法。下列文字参照附图描述本发明，本发明不限于其中所示的示例性实施方案及公开的优点。

仅有的附图，图1，显示内燃机2的根据本发明的排气系统1。示意性地显示该排气系统1。排气系统1包括SCR催化转化体3。在SCR催化转化体3的上游形成水解催化转化体4。可以用于将还原剂和/或还原剂前体引入排气系统1的试剂添加点5在水解催化转化体4上游形成。关于这一点，试剂添加点5特别优选用于添加作为固体和/或以尿素水溶液形式的尿素。在该情况下水解催化转化体4形成正好在试剂添加点5下游形成而且废气可以至少围绕其流动的结构体。

操作中，确定来自内燃机2的废气中的氮氧化物含量。这可以利用内燃机2的发动机操作曲线或例如通过使用第一测量传感器7确定氮氧化物含量来完成。基于如此确定的该氮氧化物含量，根据步骤1.3)确定还原所确定含量的氮氧化物所需的试剂量。在这种情况下所述试剂包括还原剂和/或还原剂前体。此外，确定水解催化转化体4的温度，例如用第二测量传感器8。作为替代地或另外地，可以考虑排气系统1的已知结构，由内燃机2的操作数据确定流体可以至少围绕其流动的结构体，即水解催化转化体4的温度。基于确定的试剂量，确定该用量的试剂添加之后结构体的温度。将添加后结构体的温度与可预先确定的目标温度进行比较。如果所述用量的试剂添加后结构体的温度低于该目标温度，则根据步骤1.6)的下列措施中的至少一种计算结构体的温度：

1.6a)添加用量减少的试剂，和

1.6b)提高下列温度中的至少一种：

1.6b.1)结构体的温度和

1.6b.2)废气温度。

在这种情况下，可以连续地或重复地或不连续地减少步骤1.6a)中的量，而且这同样适用于待升高的温度。如果考虑措施1.6a)、1.6b)，所述量的试剂添加后结构体的温度在目标温度以上或与该目标温度一致，则加入该用量的试剂以及如果合适相应地升高所述温度。这可以例如通过加热该水解催化转化体4或位于水解催化转化体4上游的蜂窝体9来完成。该电加热可以例如通过蜂窝体9和/或水解催化转化体4与其相连的电加热器10来完成。可以在SCR催化转化体3的下游形成氧化催化转化体11，以转化穿过该SCR催化转化体的任何还原剂，从而防止还原剂释放到环境中。为了监测是否出现还原剂穿过，在SCR催化转化体3的下游形成第三测量传感器12，其可以特别地用于确定废气中的还原剂浓度。如果第三测量传感器12指示存在显著浓度的还原剂，则减少添加的还原剂的量。为进行所述方法提供经信号线14与测量传感器7、8、12、电加热器10、内燃机2和试剂添加点5相连的控制设备13，信号线14在图中仅简要示出。在本示例性的实施方案中，信号线14形成具有可寻址的数据总线(addressable databus)的总线系统。特别地，可以在控制设备13中进行本发明的方法。可以例如将控制设备13集成在内燃机的发动机控制单元中。

本发明的方法和本发明的排气系统1有利地使得来自内燃机2的废气中的氮氧化物选择性催化还原，并且在该过程中尽可能地避免了不期望副产物例如缩二脲(如果将尿素用作还原剂前体)的形成。这有利地延长排气系统1的使用寿命。

标记列表

1排气系统

2内燃机

3SCR催化转化体

4水解催化转化体

5试剂添加点

7第一测量传感器

8第二测量传感器

9蜂窝体

10电加热器

11氧化催化转化体

12第三测量传感器

13控制设备

14信号线

Claims

1.一种用于来自内燃机(2)的废气中的氮氧化物(NO_x)的选择性催化还原方法，其中在内燃机(2)的排气系统(1)中于SCR催化转化体(3)上游形成用于添加下列试剂中的至少一种的试剂添加点(5)：

a)还原剂，和

b)还原剂前体，

以及正好在试剂添加点(5)的下游形成所述废气可以至少围绕其流动的结构体(4)，所述方法至少包括下列步骤：

1.1)确定所述废气的氮氧化物含量；

1.2)确定结构体(4)的温度；

1.3)确定还原步骤1.1)中所确定含量的氮氧化物所需的试剂量；

1.4)确定在添加所述量的试剂之后结构体(4)的温度；

1.5)将结构体(4)的温度与可预先确定的目标温度进行比较；

1.6)如果所述温度低于所述目标温度，则利用下列措施中的至少一种计算结构体(4)的温度；

1.6a)添加减少量的试剂，和

1.6b)提高下列温度中的至少之一：

1.6b.1)结构体(4)的温度，和

1.6b.2)废气温度；

直至在添加所述量的试剂之后结构体(4)的温度大于或等于所述目标温度；以及

1.7)通过所述试剂添加点添加所述量的试剂，并且如果合适如步骤

1.6b)中所述提高温度。

2.权利要求1的方法，其中结构体(4)包括蜂窝体。

3.权利要求1或2的方法，其中结构体(4)包括下列催化转化体中的至少一种：

3.1)水解催化转化体(4)和

3.2)SCR催化转化体(3)。

4.前述权利要求之一的方法，其中步骤1.1)包括下列措施中的至少一种：

4.1)测量所述氮氧化物的含量，和

4.2)由发动机特性数据确定所述氮氧化物的排放量。

5.前述权利要求之一的方法，其中步骤1.2)包括下列措施中的至少一种：

5.1)测量结构体(4)的温度，和

5.2)计算所述温度。

6.前述权利要求之一的方法，其中所述目标温度是至多180℃，优选120℃-170℃，特别是大约160℃。

7.前述权利要求之一的方法，其中重复进行步骤1.6)。

8.权利要求1-6之一的方法，其中连续进行步骤1.6)。

9.前述权利要求之一的方法，其中执行根据步骤1.6b.1)的温度提高包括电加热结构体(4)。

10.前述权利要求之一的方法，其中执行根据步骤1.6b.2)的温度提高包括下列措施中的至少一种：

10.1)改变内燃机(2)的操作点；

10.2)电加热结构体(4)上游的废气，和

10.3)将烃注入并且氧化。

11.前述权利要求之一的方法，其中可以将下列物质中的至少一种作为试剂添加：

11.1)氨，和

11.2)尿素。

12.前述权利要求之一的方法，其中如果在SCR催化转化体(3)下游的废气流中能够检测到还原剂含量，则减少所述还原剂的量。

13.一种用于内燃机的排气系统(1)，包括SCR催化转化体(3)，用于添加下列试剂中的至少一种的试剂添加点(5)：

a)还原剂和

b)还原剂前体，

在试剂添加点(5)下游且所述废气可以至少围绕其流动的结构体(4)，在作为下列变量至少之一的函数控制所加试剂的量时用于添加所述试剂的控制装置(13)：

13.1)所述废气温度；

13.2)结构体(4)的温度和

13.3)所述废气的氮氧化物含量，

并考虑由所述量的试剂的添加造成的所述变量13.1)和13.2)至少之一的变化。