CN101676529A - 用于再生设置在内燃机排气管路中的颗粒过滤器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于再生设置在内燃机排气管路中的颗粒过滤器的方法和装置。具体地，本发明涉及用于再生设置在内燃机的废气管路中的颗粒过滤器(特别是柴油机颗粒过滤器)的方法和装置，其中将有待净化的废气流引入该至少一个颗粒过滤器中。根据本发明，在废气流(15)的再生操作中在废气涡轮增压机(20)的废气涡轮(19)的上游分流出预定量的有待加热的废气流(16)，该废气流在借助加热装置(8)加热后作为热的废气流(16’)与从废气涡轮(19)出来的和与此相比具有更低温度的残余废气流(15’)在至少一个颗粒过滤器(3)的上游混合。

Description

用于再生设置在内燃机排气管路中的颗粒过滤器的方法和装置
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于再生设置在内燃机排气管路(Abgasstrang)中的颗粒过滤器的方法以及根据权利要求9的前序部分的用于再生设置在内燃机排气管路中的颗粒过滤器的装置。
本发明特别涉及用于再生以空气过量操作的内燃机(例如具有直喷装置(Direkteinspritzung)的柴油发动机或汽油发动机，例如在商用车或轿车中使用的那些)情况下的颗粒过滤器的方法和装置。
背景技术
为了最小化细小物质颗粒(Feinstoffpartikel)，在汽车中通常使用所谓的颗粒沉积器或者颗粒过滤器。在汽车中的颗粒沉积器装置例如由EP 1072765A2中已知。这类颗粒沉积器与颗粒过滤器的区别在于，所述废气流沿着沉积结构流动，而在颗粒过滤器情况下，废气必须穿流
Figure G200910167018XD00011
经过该过滤介质。该构造不同导致颗粒过滤器往往堵塞，这提高了废气背压，这意味着导致在内燃机废气出口处的不合意的压力升高，这进而降低发动机功率和导致内燃机的燃料消耗增加。这类颗粒过滤器装置的实例由EP 0341832A2中已知。
在两种上述装置情况下，在每一情况下设置在该颗粒沉积器或颗粒过滤器的上游的氧化催化器(Oxidationskatalysator)借助同样所含的残余氧(O2)将废气中的一氧化氮(NO)氧化为二氧化氮(NO2)，也就是说根据下式：
2NO+O2＜-＞2NO2
所述NO2在颗粒过滤器中为了再生该颗粒过滤器与含碳固体颗粒反应得到CO、CO2、N2和NO。借助强氧化剂NO2可以由此进行累积的细小物质颗粒的连续去除(被动再生)。但是，该装置和方法进程具有缺陷，也即在此在废气管路(Abgastrakt)中形成或存在大量的有毒NO2。
因此，为了避免NO2逸出到环境中，应当注意的是，在NO-氧化催化器和颗粒过滤器之间的区域设计得足够不透气(dicht)。除了NO2之外，在该方法进程在含铂的NO-氧化催化器上进行的情况下还形成来自在燃料和/或机油中所含的硫的SO3。这些SO3和NO2在废气管路中的低温位置冷凝得到高腐蚀性的硫酸或硝酸，因此所述废气装置直至颗粒过滤器必须用不锈钢(Edelstahl)实施，以可靠地避免腐蚀。
此外已知的是，通过借助引入和氧化烃(HC)主动提高废气温度来进行颗粒过滤器再生。为此，在DE 102005055240A1中描述了一种结构，其中在主排气管路(Hauptabgasstrang)中在废气的流动方向中来看设置HC氧化催化器、柴油机颗粒过滤器(Dieselpartikelfilter)和随后的SCR催化器。此外，设计有侧排气管路(Nebenabgasstrang)，其在HC-氧化催化器的上游从主排气管路中分支出来，并在柴油机颗粒过滤器之后再通到主排气管路中。在侧排气管路中设置有用于调节有待分支出的废气流的节流阀，氧化催化器和在氧化催化器下游的颗粒沉积器。在这类结构中，在正常运行中关闭节流阀，以使得所有废气流流经主排气管路，并在其中经净化。而在主排气管路的柴油机颗粒过滤器的再生阶段又打开该节流阀，以让部分废气流被引导通过在柴油机颗粒过滤器上的侧排气管路，且穿过主排气管路和穿过侧排气管路的废气流在SCR催化器的上游的混合点再次汇流(zusammenführen)。
通过这种操作方式，在柴油机颗粒过滤器的再生阶段，废气质量流(Abgasmassenstrom)减少地穿过柴油机颗粒过滤器，使得仅需升高较少的废气量的温度和可以用较低的能量引入再生柴油机颗粒过滤器。此外，通过分配废气质量流和随后混合具有高温的主排气管路的废气流与具有低温的侧排气管路的废气流，应当可以再次降低在混合点处通过SCR催化器的废气流的温度。通过在侧排气管路中的颗粒沉积器，还应当能够阻止未经炭黑颗粒沉积即从排气管路中逸出的废气流。
将烃添加到氧化催化器中通过直接连接在该氧化催化器上游的喷射装置实施。因为在这类结构中的氧化催化器也在非再生操作中将NO氧化为NO2，所以在非再生操作中发生尽管少量的借助NO2的被动过滤器再生。这意味着，在这类结构情况下，在非再生操作中也导致形成NO2，其随后通常未经消耗地排出。但是，由于NO2的毒性，这仍是不可实际使用的和不合意的。
很明显，这类结构相对零件密集而且较不紧凑，因此导致总体来说大的结构体积。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供用于再生安装在内燃机排气管路中的颗粒过滤器的方法和装置，借助该方法或借助该装置，可以以在结构上简单的方式实现性能可靠的和值得信赖的颗粒过滤器再生。
就方法而言，该任务借助权利要求1的特征得以实现。就装置而言，该任务通过权利要求9的特征得以实现。对此有利的实施方案分别是引用这些权利要求的从属权利要求的主题。
根据本发明提议，在未处理废气流(Rohabgas)的再生操作中在废气涡轮增压机的废气涡轮的上游分流出预定量的有待加热的废气流，为此从将废气流引入废气涡轮的输入导管分支出分支导管。随后，有待加热的废气流在该分支导管中借助加热装置，优选借助至少一个加热催化器加热，然后，该经加热的废气流随后作为热的废气流在至少一个颗粒过滤器的上游再次与从废气涡轮出来的和与此相比具有更低温度的残余废气流混合。为此，所述分支导管与从废气涡轮离开的和引入颗粒过滤器的废气导管汇合或者将分支导管通入此处。
残余废气流，以及经混合的热的混合料流，由此在颗粒过滤器的上游无需流经NO-氧化催化器，因为该废气流通过在废气涡轮上游取出有待加热的废气流与在废气涡轮下游相比处于明显更高的温度水平。由此，借助相应的氧化催化器，特别是通过氧化例如引入到有待加热的废气流的烃，可以进行特别有效的加热。通过该反应的放热，然后还可导致在下游连接的颗粒过滤器中沉积的含碳炭黑颗粒的有效的热再生。
根据本发明理念的一个优选实施方案由此设想，所述热的废气流借助至少一个安装在分支导管中的加热催化器产生。该加热催化器优选设计为氧化催化器，特别是设计为HC-氧化催化器。在该氧化催化器的上游向其中输入烃。输入的烃优选是来自汽车的燃料系统的燃料，其借助计量添加装置，例如通过喷嘴等在加热催化器或氧化催化器的上游以预定量极细分散(feinstverteilen)或者雾化地喷入到加热或氧化催化器的分支导管中达预定的时间。这类加热催化器或氧化催化器具有这样的活性组分，其与废气流的预定成分(也就是说在本实例情况下与烃)通过放热反应产生经加热的废气流。对于HC-氧化催化器特别合适的是铂族元素和/或钒和/或钨和/或铈作为活性组分。这些活性组分既可以单独使用或应用也可以彼此组合使用或应用。
借助该优选实施方案，可以由此在该至少一个颗粒过滤器的上游在废气涡轮之前分支出有待加热的废气分流(Abgasteilstrom)，然后，随后向分支出的分流中添加烃，所述烃随后借助HC-氧化催化器催化氧化，以随后在至少一个颗粒过滤器上游将经如此加热的废气分流再次引入到从废气涡轮出来的残余废气流。其中在再生操作中经分支导管分支出的具体废气量优选借助电子控制和/或调节装置如此预设到相应的预定控制和/或再生参数，使得直至预定的时间分支出预定的废气量。具体地，该控制装置和/或调节装置可以控制至少一个节流装置和/或截止装置(Absperreinrichtung)，其例如通过节流阀和/或截止阀或者节流阀门和/或截止阀门形成。备选地或者附加地，为此还可以借助具有可变涡轮几何形状的废气涡轮预定或调节有待分支出的废气量。此外，至少一个上述节流装置和/或截止装置还可以同时设计为排气阀(Waste-Gate)或起排气阀作用。
所述节流装置和/或截止装置优选在残余废气流中在废气涡轮之后和分支导管的通入点(Mündungsstelle)之前安装在从废气涡轮出来的废气导管中和/或在分支出的废气流中安装在加热催化器的上游。
借助这类结构，例如根据一种特别优选的方法进程可以设想，在非再生操作中通过输入导管被分流出的废气量经最小化到预定值，特别是还基本上阻止了各废气流经过输入导管。由此避免或减少了在最优选设计为HC-氧化催化器的加热催化器处通过氧化NO和SO2形成NO2和SO3。因此，这种截止可能性还具有下面优点，因为通过这种分流使得废气涡轮的效率变差。
为了点燃计量加入的烃，让有待加热的废气流流经优选设计为HC-氧化催化器的加热装置，由此加热该废气流。但是，由此实现的加热导管受到存在的氧量的限制。因此，对于要达到λ值为1的情况，不再能发生烃的氧化。为了避免这种情况，在达到预定温度后和/或在低于或达到预定的λ值的情况下，推荐向该有待加热的废气流引入新鲜空气。这种任选的新鲜空气引入起到提高λ值的作用，并由此提高了加热效率。其中新鲜空气通常可以在增压空气侧(ladeluftseitig)被分支到增压空气导管中，具体地例如在废气返回导管的通入处的下游。
通过添加例如烃或者由此通过在HC-氧化催化器中将其氧化，可以由此非常强烈地降低在有待加热的或经加热的废气流中的残余氧含量，使得任选地不再实现完全的烃氧化。为了避免这一点，可以例如在废气涡轮下游和/或上游但在有待混合的废气流汇流的上游节流该残余废气流，由此进而可以将更多废气和由此更多氧气引导通过分支导管。为此，可以在分支导管区域中在加热催化器的下游和/或上游设置氧气传感器，借助该氧气传感器可以获取废气流中的氧浓度。同样可以在此处设置至少一个温度传感器。
所述加热催化器原则上可以安装在排气管路之外，这任选地还可以导致该加热催化器的快速冷却。因此，根据一种优选的实施方案设想的是，将加热催化器如此安置在排气管路中，使得其被至少一个废气流至少局部地(bereichsweise)绕流过。在该情况下使得各个废气流以流控技术
Figure G200910167018XD00051
退耦(entkoppelt)。
为了例如在烃作为氧化剂的情况下避免在颗粒过滤器下游的高烃浓度，可以使其配备有用于氧化烃的催化活性涂层。还可以考虑在汇流或连接位置之后，在颗粒过滤器的下游和/或上游设置的具有烃氧化活性的合适催化器。为了避免不必要高的NO2和SO3释放，与至少一个安装在分支导管中的加热催化器中相比，该额外的催化器的活性组分载量和或其体积更低。
该总体系可以与用于NOx还原的其它催化器，例如NOx存储催化器和/或SCR催化器相结合，这些催化器可以优选设置或安装在排气管路中颗粒过滤器的下游。对于NOx存储催化器，优选铂和/或钡和/或钙作为活性组分。与此不同，对于SCR催化器而言，则使用在二氧化钛基底或铁沸石或铜沸石或钴沸石上的氧化钨稳定的五氧化二钒是有意义的。
原则上，通过使用沸石可以提高相同催化器的活性。
原则上，至少一个优选配置为HC-氧化催化器的加热催化器还可以另外具备NO氧化活性，由此提高在非再生操作中的NO2含量，使得原则上在预定限值内借助NO2实现额外的再生颗粒过滤器的可能性成为可能。但是，与使用在颗粒过滤器上游连接的NO-氧化催化器的情况相比，在此任选形成的NO2的量也显著降低。但是就此而言还要注意的是，与纯的NO-氧化催化器相比，必须热学稳定地实施该HC-氧化催化器。与纯NO-氧化催化器相比，这些通常还导致更低的NO-氧化活性，使得因此还保持降低的NO量。
此外，所述至少一个颗粒过滤器还可以另外具有NO-氧化活性。
本发明随后借助附图详细描述。
附图说明
唯一的图1示意性和仅仅示例性地示出了用于安装在此处没有示出的内燃机的排气管路2中的颗粒过滤器3的根据本发明的再生装置1的可行实施方案。
具体实施方式
具体地，这里，排气管路2具有输入导管4，借助其将从内燃机出来的未处理废气流或废气流15引入到额外还具有压缩机21的废气涡轮增压机20的废气涡轮19。在该废气涡轮19的上游在分支位置6处从该输入导管4分支出分支导管5，其中该分支导管5在颗粒过滤器3的上游在通入位置7处与从废气涡轮19离开的废气导管4’汇合，以构成输入颗粒过滤器3的混合导管4”。
在分支导管5中安装有HC-氧化催化器8。
此外，该再生装置1包括燃料计量添加装置9，正如非常示意性地示出地，与控制装置和/或调节装置10连接。该计量添加装置9具有伸入分支导管5中的喷射喷嘴11，在再生操作期间通过该喷射喷嘴用控制装置和/或调节装置10控制或调节地在HC-氧化催化器8的上游以预定量将燃料12喷入分支导管5中达预定的时间。
正如可以从图1中进一步看出的，在HC-氧化催化器8的上游在分支导管5区域还设置有节流阀13，其同样与控制装置和/或调节装置10相连接。此外，在废气导管4’中在废气涡轮19和通入位置7之间的区域也设置有节流阀14，其同样与控制装置和/或调节装置10相连接。
根据两个节流阀13、14的调节，可以预定地控制或调节从内燃机出来的废气流15分流到分支导管5中的量和有待加热的废气流16的质量。在图1中用实线表示节流阀13、14的打开位置和用虚线表示节流阀13、14的关闭位置。箭头22在此示意性示出节流阀13、14的可变的可能位置。
有待加热的废气流16沿着其流动路径在HC-氧化催化器8的上游容纳喷入的燃料或喷入的烃，并富燃料地流过HC-氧化催化器8，然后在其中发生放热反应或氧化，由此将废气流16加热到预定温度。
该经加热的废气流16’随后在HC-氧化催化器8的下游在通入位置7处输入至从废气涡轮出来的残余废气流15’，在此混合两股废气流15’、16’，使得随后在混合两股废气流15’、16’之后，让热的混合料流17流至颗粒过滤器3，在此处存储在颗粒过滤器3中的含碳炭黑颗粒反应得到CO、CO2、N2和NO，由此再生颗粒过滤器3。
在非再生操作中，如此控制节流阀13，使得该节流阀基本上完全关闭分支导管5，使得没有或者几乎没有废气流经分支导管5到达颗粒过滤器3和不使增压装置效率变差。那么，在这种情况下，节流阀14完全打开。
与此不同的是，在再生操作中将节流阀13还有节流阀14打开到如此宽的程度，使得从废气流15分流出预定量的废气，并以上面已经描述的方式产生热的混合料流17，然后将该混合料流输入颗粒过滤器3以将该颗粒过滤器再生。
对于要例如通过在分支导管5中添加燃料12而强烈降低废气流16中的残余氧含量和从而在HC-氧化催化器8处不发生烃的完全氧化的情况下，节流阀14可以或多或少地关闭和打开节流阀13，由此该废气流15’被强烈节流地通过残余废气导管4’，使得较大的废气量流经分支导管5和由此经过HC-氧化催化器8到达颗粒过滤器3。正如通过虚线绘出的新鲜空气导管24表示的，可以在再生操作期间将增压空气侧的新鲜空气流混入有待加热的废气流16中，以通过提高用于氧化进一步提高的烃量的氧数量提高加热效率达预定时间或者在达到预定废气流温度的情况下进一步提高加热效率。
所述有待加热的废气量16还可以通过使用可变的涡轮几何形状(VTG)来改变，因为可以通过调节在废气涡轮19上游的废气背压进行改变。
在本发明实例情况下，在该颗粒过滤器3下游还连接有NOx-还原催化器23，例如SCR催化器。
此外，正如在图1中仅以虚线绘出的，可以在通入位置7的下游和颗粒过滤器3的上游还具备额外的HC-氧化催化器18，藉此可以在颗粒过滤器3下游可靠地避免高的烃浓度。替代地或者额外地，为此还可以让该颗粒过滤器3本身配备相应的活性组分。
此外，所述节流阀13可以在此还以有利的双功能方式起到排气阀的作用。

Claims (15)

1.用于再生设置在内燃机的排气管路中的颗粒过滤器、特别是柴油机颗粒过滤器、的方法，其中将有待净化的废气流输入至少一个颗粒过滤器中，其特征在于，至少在再生操作中在废气涡轮增压机(20)的废气涡轮(19)的上游从废气流(15)分流出预定量的有待加热的废气流(16)，该废气流在借助加热装置(8)加热后作为热的废气流(16’)，在至少一个颗粒过滤器(3)的上游与从废气涡轮(19)出来的和与此相比具有更低温度的残余废气流(15’)混合。
2.权利要求1的方法，其特征在于，所述残余废气流(15’)在废气涡轮(19)下游和在输入热废气流(16’)的上游不流过NO-氧化催化器，以及所述经混合的热混合料流(17)在输入热废气流(16’)的下游直至至少一个颗粒过滤器(3)不流过NO-氧化催化器。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，所述热的废气流(16’)借助至少一个加热催化器(8)作为加热装置产生，该加热催化器具有至少一个这样的活性组分，该活性组分与废气流的预定成分发生放热反应，并由此加热该废气流(16’)。
4.权利要求3的方法，其特征在于，所述加热催化器(8)被配置为氧化催化器、优选作为HC-氧化催化器，其由载有烃(12)的有待加热的废气流(16)如此流过，使得通过在氧化催化器中的烃(12)的放热反应加热该废气流(16)，其中优选地设想，在该加热催化器(8)的上游借助计量添加装置(9)向有待加热的废气流(16)中以预定量电子控制或调节地计量加入烃(12)达预定时间。
5.权利要求1-4之一的方法，其特征在于，设想了这样的控制装置和/或调节装置(10)，借助至少一个安装在残余废气流(15)中在废气涡轮(19)下游和/或在有待加热的废气流(16)中的节流装置和/或截止装置(13、14)如此控制，使得取决于预定操作参数和/或再生参数，在废气涡轮(19)的上游从残余废气流(15)分流出预定量的废气达预定的时间。
6.权利要求5的方法，其特征在于，至少一个安装在分流出的有待加热的废气流(16)中的节流装置和/或截止装置(13)通过借助控制装置和/或调节装置(10)的相应控制同时起排气阀的作用，和/或在非再生操作中所述节流装置和/或截止装置(13)基本上阻止废气流的分流和/或将其降低至预定的最小值。
7.权利要求1-6之一的方法，其特征在于，在达到在热的废气流(16)处测得的预定加热温度和/或达到预定λ值后，向有待加热的废气流(16)输入新鲜空气流。
8.权利要求4-7之一的方法，其特征在于，在再生操作中分流出的有待加热的废气流(16)的氧含量降低到低于预定氧限值的情况下，所述控制装置和/或调节装置(10)在分支位置(6)的下游但在经加热的废气流(16’)与残余废气流(15’)汇流的上游借助至少一个节流装置和/或截止装置(14)如此截止或节流所述残余废气流(15’)，使得取决于废气流(15)的氧含量，在废气涡轮(19)的上游从废气流(15)中分流出预定量的废气，并在通入位置(7)的上游输入至少一个为加热分支出的、有待加热的废气流(16)而配备的加热装置(8)中。
9.用于再生设置在内燃机的排气管路中的颗粒过滤器、特别是柴油机颗粒过滤器、特别是用于实施根据前述方法权利要求之一的方法的装置，具有至少一个由有待净化的废气流流过的颗粒过滤器，其特征在于，从由废气流(15)至废气涡轮增压机(20)的废气涡轮(19)输送的输送导管(4)分支出分支导管(5)，该分支导管与至少一个加热装置(8)相连接，且该分支导管在至少一个颗粒过滤器(3)的上游与从废气涡轮(19)至至少一个颗粒过滤器(3)输送的废气导管(4’)汇合或将该分支导管通入该废气导管(4’)中。
10.权利要求9的装置，其特征在于，在从废气涡轮(19)至至少一个颗粒过滤器(3)输送的废气导管(4’)中或者在从分支导管(5)与该废气导管(4’)的汇合处直至至少一个颗粒过滤器(3)输送的混合导管(4”)中没有安装NO-氧化催化器。
11.权利要求9或10的装置，其特征在于，在分支导管(5)中安装至少一个加热催化器(8)作为加热装置，其中所述加热催化器(8)优选设计为氧化催化器，和其中优选配备计量添加装置(9)，藉此可在至少一个加热催化器(8)的上游向有待加热的废气流(16)计量添加用于放热反应的烃(12)等。
12.权利要求9-11之一的装置，其特征在于，在废气导管(4’)中在废气涡轮(19)的下游和/或上游和在分支导管(5)与废气导管(4’)汇合处的上游和/或在分支导管(5)中在至少一个加热装置(8)之前安装至少一个可借助控制装置和/或调节装置(10)控制的节流装置和/或截止装置(13、14)，藉此可调节有待从废气流(15)分流出的废气量。
13.权利要求9-12之一的装置，其特征在于，所述分支导管(5)与可借助截止操作截止的新鲜空气导管(24)以流控技术连接，藉此可向分支导管(5)中输送增压空气侧的新鲜空气流或在废气返回导管的通入位置的下游向输送导管(5)输送在增压空气导管中分流出的增压空气流。
14.权利要求11-13之一的装置，其特征在于，在分支导管(5)的范围内在加热催化器(8)的下游和/或上游配备氧传感器以获取废气流中的O2浓度和/或温度传感器以获取废气流中的温度。
15.权利要求9-14之一的装置，其特征在于，在所述废气导管(4’)和分支导管(5)的汇合处的下游以及在颗粒过滤器(3)的上游和/或下游配备至少一个氧化催化器(18)，优选用于氧化混合导管(4”)中的烃的氧化催化器，其中优选地设想，安装在该汇合处下游的至少一个氧化催化器(18)被设计为HC-氧化催化器，与在分支导管中的同样被设计为HC-氧化催化器的加热催化器(8)相比，该氧化催化器(18)具有更低的烃氧化性活性组分含量和/或具有更小的体积。
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