CN102365435A - 用于向排气系统中输入还原剂的方法和相应的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将还原剂或还原剂前体输入到移动式内燃机(14)的排气系统(19)中的方法和装置。这种方法和装置优选用于具有高氮氧化合物排放的内燃机的排气系统。在根据本发明的方法中，首先探测添加时刻。然后确定至少一个废气参数和/或必需的还原剂的量并且给定还原剂的添加状态。然后当所述添加状态与输入状态不对应时处理还原剂。最后进行还原剂向排气系统(19)中的添加。该方法步骤多次重复进行。该方法使得能以适合于排气温度的状态向排气系统中添加还原剂，从而完全转化该还原剂，并因此也确保了选择性的催化转化。此外，根据本发明的方法以及根据本发明的排气系统转化还原剂所必需的电能的量。

Description

用于向排气系统中输入还原剂的方法和相应的排气系统
技术领域
本发明涉及用于将还原剂或还原剂前体输入(供应)到移动式内燃机的排气系统中的方法和装置。这种还原剂输入方法和装置优选用于具有高氮氧化合物排放的移动式内燃机的排气系统。
背景技术
内燃机的废气通常含有不希望排放到环境中的物质。在此尤其是可列举碳颗粒或炭黑颗粒、一氧化碳和/或氮氧化合物。许多国家都对于这些物质设置了极限值，所述物质在内燃机的废气中至多允许包含到所述极限值。存在不同措施来降低所述排放种类的排出。
输入给内燃机的氧和燃料的量的比例对于内燃机的废气的有害物质含量以及对于适用于净化废气的方法非常重要。对于净化废气有利的是，λ值取值为1。这意味着，给内燃机输入的氧和燃料的量使得氧和燃料可彼此恰好完全燃烧。
近年来，在λ值大于1的情况下工作的内燃机越来越流行。在这种内燃机中存在过量氧。所述内燃机的特征例如在于燃料消耗优点。但作为副作用，氮氧化合物(NOX)的排放急剧提高。为了消除这种情况，发展出了选择性催化还原的方法。在此，给内燃机的废气例如输入氨和/或尿素或相应的还原剂，所述还原剂与废气中的氮氧化合物反应，其中，产生无害的产物氮、氧和水。
大多不直接将氨输入给废气流。氨不易于储存。尿素或尿素-水溶液更适于储存。优选使用商品名为AdBlue的32.5％的高纯度尿素-水溶液。然后，由尿素通过热解和/或水解生成氨。为此有利的是大约250℃的最低温度以及可能情况下起水解作用的表面，尿素被引导从所述表面旁边经过。
尿素向氨的转化可以或者在废气流中或者在废气外部进行。在废气内部转化时，将尿素溶液例如以液态的尽可能精细雾化的和/或气态的形式输入给废气。接着，在影响废气流中的废气温度的情况下转化尿素。在废气外部转化时在转化器中进行转化，所述转化器不被废气流流过。为此进行转化器的加热。这通常或者利用在外部被引导从转化器旁边经过的废气流或者利用外部的能量源通过热传导进行。在此尤其是适用电加热器，所述电加热器可快速达到转化所需的温度。关于还原剂前体在外部转化成氨的可能性，尤其是可参考WO 2007/131784 A1。
在尿素向氨的转化中，问题在于，尤其是以大于1的λ值并且由此以高氮氧化合物排放工作的内燃机的废气温度特别低。通常，所述废气温度不足以使尿素转化成氨。尤其是在以城市交通的形式工作的机动车中或者在由于其使用而极少在高负荷下工作的商用车例如城市公共汽车中，明显极少产生足够的废气温度用于转化。出于该原因。尿素的在废气外部的转化或在废气外部的蒸发具有重要意义。为此所需的大量电能对内燃机的效率具有消极影响。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于至少部分地解决关于现有技术描述的问题。尤其是要给出一种方法，通过所述方法在排气系统的不同工作状态中保证还原剂的转化，其中，同时要降低为此所需的能量。此外要提出一种装置，所述装置也在不同工作状态中保证还原剂的尽可能最大程度的转化并且同时用很少的能量就足够。
所述目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求7的排气系统实现。从属权利要求涉及所述方法和排气系统的有利构型。从属权利要求中单独给出的特征可用技术上有意义的任意方式相互组合并且揭示本发明的其它构型。此外，本发明通过说明书尤其是结合附图而进一步描述特征和细化。
根据本发明的用于将所储备的还原剂添加(输入，供应)到内燃机的排气系统中的方法至少具有下述步骤：
a)建立添加时刻；
b)确定至少一个废气参数或还原剂量；
c)根据至少废气参数或还原剂量(的变化)确定还原剂的添加状态，
其中，添加状态至少是聚集(聚合)状态(物态)或化学组分；
d)当添加状态与所储备的状态不对应时，处理还原剂；以及
e)将所述添加状态中的还原剂添加到排气系统，其中，多次重复执行步骤a)至e)。
添加时刻例如可以在内燃机运行期间以确定的频率建立或固定。作为替换方案，也可根据内燃机的转速或冲程频率选择添加时刻。在本发明的范围内也可连续地添加还原剂。从而，添加时刻则尤其应理解为连续添加还原剂期间的添加时间段，其中限定了确定的添加状态。于是这样多次重复执行步骤a)至e)，使得各个添加时间段直接彼此相接并且因此在内燃机的整个工作持续时间期间进行连续的添加。
步骤b)中的废气参数的确定尤其是指借助于至少一个探测器(传感器)和/或至少一个测量探头确定排气系统中和/或排气系统上的废气参数。附加地或替代地，也可确定排气系统中所需的还原剂量。这例如可在考虑当前测量值例如所产生的废气中的氮氧化物量的情况下和/或由经验值例如特征值、特征曲线族等来进行。还原剂量尤其是理解为应在(各个)时刻(总地)输入给排气系统的(部分)量。
还原剂也应理解为至少一种还原剂前体。作为还原剂，尤其使用尿素或尿素-水溶液。在此优选约32.5％的尿素-水溶液。借助于所述方法可对还原剂在其添加状态方面这样匹配，使得始终保证还原剂尽可能完全地转化成氨。通常当排气系统中的温度不足以转化还原剂时，在步骤d)中进行还原剂的处理。当在步骤b)中确定的废气参数揭示出无需进行用于完全转化还原剂的处理时，在步骤d)中不执行处理，由此，例如可节省能量。这提高了内燃机的效率。通常对于还原剂向排气系统的每次添加都重新执行步骤a)至e)。因此保证理想地匹配还原剂的添加状态。但也可以以比步骤e)中的实际添加低的频率来执行步骤a)至d)。因此，根据本发明的方法可用较低的投入来运行。但同时添加状态与废气参数的匹配程度也降低。
步骤c)中的作为还原剂的添加状态的聚集状态尤其应理解为是指还原剂为固态、液态还是气态。通常，可以确定液态的添加状态或者确定气态的添加状态。
步骤c)中的作为还原剂的添加状态的化学组分尤其应理解为是指还原剂由确定的分子化合物按照确定的份额构成。通常，所输入的还原剂部分地包括起还原作用的分子化合物尤其是氨，并且部分地包括还原剂前体尤其是尿素和/或尿素-水溶液。不同的化学组分通过不同份额的起还原作用的化合物和还原剂前体而得到。
还原剂的聚集状态或化学组分通过步骤d)中的处理变化。聚集状态例如可通过加热还原剂而受到影响，使得还原剂蒸发和/或凝结。化学组分例如可通过至少部分地转化构成还原剂的分子化合物来进行。通常，对此是指将还原剂前体尤其是尿素和/或尿素-水溶液转化成起还原作用的化合物尤其是氨。在步骤d)中的处理中也可通过混合不同的还原剂成分来实现还原剂的确定的化学组分。
如果在步骤b)中将废气温度确定为废气参数，则根据本发明的方法特别有利。为了在排气系统中转化还原剂，存在于排气系统中的废气温度是重要参数。还原剂的热转化-即基于当前温度转化成氨-通常特别理想地在250℃以上的废气温度下进行。但作为替换方案，也可在步骤b)中确定另外的废气参数。在此例如可以是废气压力、废气流的化学参数例如λ值或废气体积流量。不同参数的组合也可以。为了测量废气温度，典型地使用集成在排气系统中的温度传感器。
根据本发明的方法的另一构型，在步骤e)中，在废气温度低时输入气态的还原剂，在废气温度高时输入液态的还原剂。气态的还原剂的转化即使在废气温度低时也比液态还原剂的转化容易，因为气态的还原剂不必首先蒸发。在此需要考虑的是，所输入的还原剂的体积流量本身使废气温度下降。这可通过气态输入来避免。另外，在废气温度低时，液态的还原剂可能在排气系统中在表面上积聚。在那里，还原剂可起腐蚀作用，由此损害排气系统。
另外，如果在步骤c)中确定应当以气态形式进行输入，在步骤d)中进行液态的还原剂的在废气外部的蒸发，则根据本发明的方法是有利的。还原剂在废气外部的蒸发允许改变还原剂的聚集状态，而废气流不受影响。尤其是不会通过还原剂使废气流冷却。为了在废气外部蒸发，可将液态的还原剂引导到专门的蒸发器体积中。特别有利的是，蒸发器体积构造有钛涂层，尤其是构造有钛氧化物表面。所述钛氧化物表面本身有助于尿素转化(水解)成氨。由此，在还原剂蒸发的同时也已经进行部分转化，由此，排气系统中的转化所需的温度可较低。为了在废气外部蒸发还原剂，在此尤其也可参考WO 2007/131784 A1，该文献完全结合在此。
在根据本发明的方法的另一有利构型中，在不使用水解催化转化器的情况下进行液态的还原剂的蒸发。
如果在步骤d)中借助于电能进行还原剂的在废气外部的蒸发，则根据本发明的方法特别有利。借助于电能蒸发还原剂具有很大优点：该蒸发需要非常少的加热时间。用电能工作的蒸发器可在非常短的时间之后就已经达到还原剂几乎完全蒸发时的温度。特别有利的是，也可使用大的可匹配的功率来蒸发。尤其是在内燃机工作开始时，不仅废气流的温度低，而且蒸发装置和排气系统具有非常低的温度。所述低的温度可通过输入大量电能而被快速补偿。通常，至多5000Watt以内的最大加热功率是有利的。
此外，也提出一种方法，在所述方法中，还原剂的输入以至多10ml以内的量气态地进行，在量更大时液态地进行。
特别地，当在步骤c)中建立还原剂的添加状态时，也可考虑还原剂的应输入的量。因此有利的是，将至多10ml[毫升]、优选至多5ml、特别优选至多2ml以内的量蒸发并且在步骤e)中气态地输入，而更大的量、尤其是大于20ml[毫升]或者甚至大于30ml的量在步骤e)中基本上液态地输入。
在所述实施方案中，也可至少间歇地取消步骤b)中的废气参数的确定，因为为了根据待输入的量的还原剂确定添加状态，不需要废气参数。
将该方法实施形式组合也是可以的，其中，在列举的最大的还原剂量之一以下，原则上气态地输入还原剂并且可能情况下取消执行步骤b)，而在量较大时，以全部方法步骤a)至e)执行根据本发明的方法并且根据废气参数确定添加状态。同样，在大于确定的还原剂量的量时，原则上也可液态地输入还原剂，在所述还原剂量以下，以全部方法步骤a)至e)执行根据本发明的方法并且根据废气参数确定添加状态。
所述方法方案的背景在于，在还原剂量特别小时，蒸发所需的能量不是非常大，并且能量被很好地引入到还原剂中，由此，在这种量时可毫无问题地实现气态输入还原剂的优点。与此相应，在还原剂量提高时，用于蒸发的能量投入明显。因此，在此有意义的可以是，原则上液态地输入还原剂。在此需要考虑的也在于，通常恰恰当存在提高的温度时排气系统对还原剂也具有提高的需求。由此，在此经常可毫无问题地实现液态还原剂的输入。类似地，恰恰在还原剂需求很低时，排气系统中的温度通常也明显低，由此，通常仅可在排气系统中进行较少的转化。因此，原则上气态地输入还原剂在此可以是有利的。
也可与在此处讨论的本申请的其它公开内容无关地实现(仅)根据所述量来确定还原剂的添加状态。
此外，提出一种排气系统，它具有至少一个还原剂储罐、排气管路和至少一个从还原剂储罐到排气管路的连接管路，其中，通过所述至少一个连接管路形成用于还原剂的至少一个第一流动路径和至少一个第二流动路径，其中，仅第一流动路径或第二流动路径构造有下述部件至少之一：
a)接触加热器，或
b)水解催化转化器。
流动路径是指这样的路径：沿着所述路径，还原剂穿过所述至少一个连接管路从还原剂储罐到达排气管路。流动路径可通过引导还原剂穿过连接管路的分布来预给定。在此，还原剂沿着连接管路流动。作为替换方案，还原剂作为紧凑的射束经过连接管路中的空心室并且在此不通过连接管路的分布而是例如借助于喷射嘴来引导。
这种排气系统尤其是适用于执行根据本发明的方法。根据已确定的还原剂的添加状态，或者沿着第一流动路径或者沿着第二流动路径输送还原剂。用于处理还原剂的装置在此这样构造，使得仅当还原剂经过被设置用于处理的流动路径时所述装置才投入使用。
用于处理还原剂的接触加热器的特征在于，所述接触加热器使还原剂通过与接触加热器接触而升温。在此，可以或者仅仅发生还原剂的蒸发和/或已经至少部分地热转化成氨。水解催化转化器的特征在于一种表面区域(面积)，该表面区域由于还原剂与水解催化转化器的接触而起水解作用并且由此即使温度较低时也已经导致还原剂至少部分地转化。接触加热器和水解催化转化器也可(部分地)相互组合。
如果存在接触加热器和水解催化转化器的组合，其中，设置有蒸发器体积，所述蒸发器体积优选衬有钛层或钛氧化物层并且装备有至少一个电加热器，则排气系统特别有利。钛和/或钛氧化物层以及电加热器的优点已经在描述根据本发明的方法时作了说明。除了钛和/或钛氧化物层之外也合适的是，蒸发器体积具有专门的壁结构，所述壁结构使得温度在蒸发器体积中特别有利地分布。朝向蒸发器体积的最内部的层在此可以是所述的钛和/或钛氧化物层。钛通常具有差的导热性能。出于此原因，钛和/或钛氧化物层通常构造得薄，并且绕着所述层构造有导热能量良好的壁。在外部在所述壁上选择性地构造有加热导线或加热层，所述加热导线或加热层具有电阻，因此通过有目的地通电而适用于对蒸发器体积进行电加热。在此也可参考WO 2007/131784 A1，就蒸发器体积的构型而言完全引用该文献。
此外，如果构造有至少一个用于将还原剂液态地输入到排气系统中的喷射嘴，其中，喷射嘴适用于将还原剂精细雾化，则根据本发明的排气系统是有利的。在输入液态的还原剂时，必须在废气流中进行还原剂的蒸发。在此有利的是，各个还原剂滴非常小，这可通过精细雾化来实现。小的还原剂滴相对于其体积具有大的表面，由此可进行还原剂的快速蒸发。喷射嘴优选仅与不具有接触加热器或水解催化转化器的流动路径联接(耦合)。
此外，如果在所述至少一个连接管路中设置有可调节的流动偏转器，通过所述流动偏转器可选择性地起动第一流动路径或第二流动路径，则根据本发明的排气系统是有利的。可调节在此是指第一流动路径或第二流动路径的起动可通过将信号简单地输入流动偏转器来进行。通过这种流动偏转器可通常使连接管路在其几何构型方面进行变化。可调节的流动偏转器例如可以是可控制的分支，借助于所述分支可在第一流动路径与第二流动路径之间进行调节。作为替换方案，流动偏转器可以是可调节的喷嘴，通过所述喷嘴可以预定确定方向的形式或确定射束形状的形式的流动路径。
根据本发明也提出一种机动车，它具有设置用于执行根据本发明的方法的排气系统或具有根据本发明的排气系统。根据本发明的方法在这种机动车中例如可集成在排气系统的控制装置中和/或发动机控制装置中。
附图说明
下面借助于附图详细描述本发明以及技术领域。需要指出的是，附图涉及本发明的特别优选的实施方案，但本发明并不局限于此。也需要注意的是，附图以及尤其是所示的尺寸比例仅仅是示意性的。在附图中：
图1示出具有根据本发明的排气系统的机动车，以及
图2示出用于另一个根据本发明的排气系统的蒸发器体积。
具体实施方式
图1中所示的机动车2具有内燃机14，所述内燃机具有根据本发明的排气系统19。排气系统19包括排气管路6，所述排气管路延伸离开内燃机14。废气流11穿过排气管路6流动离开内燃机14。在此，废气流11沿着排气管路6首先经过催化转化器7。所述催化转化器7已经设置用于转化废气流11中的有害物质。接着，废气流11经过用于气态还原剂的第一输入装置8，然后经过用于液态还原剂的第二输入装置9。第二输入装置9设置有喷射嘴22，所述喷射嘴可将液态还原剂精细雾化。但所述顺序也可变化。沿着排气管路6，接着设置有探测器23，借助于所述探测器观测废气参数。在探测器23下游设置有SCR催化转化器10，在所述SCR催化转化器中进行包含在废气中的氮氧化合物与还原剂的转化。为将还原剂输入到排气系统19中，设置有还原剂储罐3。此外存在连接管路4，该连接管路使还原剂储罐3与排气管路6连接。在连接管路4中设置有用于传送还原剂的泵5。另外，在连接管路4中存在可调节的流动偏转器13，该流动偏转器在此构造成可调整的分支，通过所述流动偏转器可按照需求调整：待引入的-在可能情况下经计量的-还原剂从还原剂储罐3到排气管路6是跟随第一流动路径20还是跟随第二流动路径21。仅仅沿着第二流动路径21构造有具有水解催化转化器26的组合式接触加热器，该加热器具有蒸发器体积1。所述蒸发器体积1可借助于电加热器15加热，由此可进行还原剂的处理。附加地设置有控制装置12，以便在考虑借助于探测器23测定的废气参数的情况下使泵5、可调节的流动偏转器3、电加热器15和内燃机14的运行相协调。
在根据图1的排气系统19中执行根据本发明的方法时，在由控制装置12确定添加时刻之后，借助于探测器23确定废气参数。接着，在控制装置12中确定还原剂的确定的添加状态。调整连接管路4中的可调节的流动偏转器13，使得还原剂必须跟随与确定的添加状态相应的流动路径(第一流动路径20或第二流动路径21)。此外检验：是否还原剂储罐3中的还原剂的状态相应于还原剂的确定的添加状态。如果确定的添加状态与还原剂储罐3中的还原剂的状态不同，则借助于接触加热器25和/或水解催化转化器26和电加热器15处理还原剂，以使添加状态相应于确定的添加状态。视通过控制装置12确定了何添加状态而定，通过第一输入装置8或通过第二输入装置9添加还原剂。发动机控制装置12保证在发动机14工作期间多次并且尤其是均匀地重复添加方法的各个步骤。
图2示出连接管路4、可调节的流动偏转器13和蒸发器体积1的构型，所述构型适用于进一步构造根据本发明的排气系统。可调节的流动偏转器13在此构造成可调节的射束形成装置并且设置在连接管路4中。通过所述可调节的射束形成装置，还原剂可以或者沿着第一流动路径20作为紧凑的射束16被输送或者沿着不同的第二流动路径21作为喷淋射束17被输送，由此得到射束的不同的射束分布和/或冲击点或冲击面。在此，第一流动路径20和第二流动路径21二者都经过蒸发器体积1。第一流动路径20在此是紧凑的，而第二流动路径21呈扇状展开。沿着第一流动路径20的紧凑的射束16经过蒸发器体积1，而在此不蒸发。这尤其是由于所述射束以最短的路程在与壁24或接触加热器25不接触的情况下经过蒸发器体积1并且在蒸发器体积1中实际上不吸收热能。喷淋射束17呈扇状展开，在蒸发器体积1中分散并且冲击到壁24或接触加热器25上。可能情况下，蒸发器体积1的壁24具有专门的结构18，所述专门的结构使得喷淋射束17的各个小滴积聚或接触并且由此保证还原剂在蒸发器体积1中的停留时间，在所述停留时间期间，还原剂蒸发。蒸发器体积1的壁24可如已经描述的那样按照WO 2007/131784 A1构造有内部的钛层27和专门的导热层28。因此，钛层27也可用作水解催化转化器26。同时，导热层28保证蒸发器体积1中的温度均匀分布。在外部绕蒸发器体积1存在电加热器15，通过所述电加热器，蒸发器体积1可达到蒸发所需的温度。
根据本发明的方法和根据本发明的排气系统可实现将还原剂在分别适用于废气温度的状态中输入到排气系统，由此，还原剂尽可能完全地转化。此外，根据本发明的方法和根据本发明的排气系统降低还原剂转化所需的能量的量。
附图标记列表
1 蒸发器体积
2 机动车
3 还原剂储罐
4 连接管路
5 泵
6 排气管路
7 催化转化器
8 第一输入装置
9 第二输入装置
10 SCR催化转化器
11 废气流
12 控制装置
13 可调节的流动偏转器
14 内燃机
15 电加热器
16 紧凑的射束
17 喷淋射束
18 结构
19 排气系统
20 第一流动路径
21 第二流动路径
22 喷射嘴
23 探测器
24 壁
25 接触加热器
26 水解催化转化器
27 钛层
28 导热层。

Claims (11)

1.一种用于将所储备的还原剂添加到内燃机(14)的排气系统(19)中的方法，该方法至少具有下述步骤：
a)建立添加时刻；
b)确定至少一个废气参数或还原剂量；
c)根据至少所述废气参数或还原剂量确定还原剂的添加状态，其中，
所述添加状态至少是聚集状态或化学组分；
d)当所述添加状态与所储备的状态不对应时，处理还原剂；以及
e)将所述添加状态中的还原剂添加到所述排气系统(19)中，其中，多次重复执行步骤a)至e)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在步骤b)中，将废气温度作为废气参数确定。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在步骤e)中，在废气温度低时输入气态的还原剂，在废气温度高时输入液态的还原剂。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，当在步骤c)中确定了应当气态地进行输入时，在步骤d)中进行液态的还原剂的在废气外部的蒸发。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，借助于电能进行液态的还原剂的在废气外部的蒸发。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，还原剂的输入在至多10ml以内的量时气态地进行，在量更大时液态地进行。
7.一种排气系统(19)，具有至少一个还原剂储罐(3)、排气管路(6)和从所述还原剂储罐(3)到所述排气管路(6)的至少一个连接管路(4)，其中，所述至少一个连接管路(4)形成用于还原剂的至少一个第一流动路径(20)和至少一个第二流动路径(21)，其中，仅所述第一流动路径(20)或所述第二流动路径(21)构造有下述部件至少之一：
a)接触加热器(25)，或
b)水解催化器(26)。
8.根据权利要求7的排气系统(19)，其特征在于，存在接触加热器(25)和水解催化器(26)的组合，其中，设置有至少一个蒸发器体积(1)，该蒸发器体积优选衬有钛层(27)并装备有至少一个电加热器(15)。
9.根据权利要求7或8的排气系统(19)，其特征在于，构造有至少一个用于将还原剂液态地输入到所述排气系统(19)中的喷射嘴(22)，其中，所述喷射嘴(22)适用于将还原剂精细雾化。
10.根据权利要求7至9之一的排气系统(19)，其特征在于，在所述至少一个连接管路(4)中设置有可调节的流动偏转器(13)，通过该可调节的流动偏转器能选择性地起动第一流动路径(20)或第二流动路径(21)。
11.一种机动车(2)，具有设置用于执行根据权利要求1至6之一的方法的排气系统(19)或根据权利要求7至10之一的排气系统(19)。
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