CN103228884A - 旨在减少机动车辆排放气体中的NOx量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旨在减少机动车辆排放气体中的NOx量的系统。所述系统包括含有还原剂的贮藏空间（1）；用于处理排放气体的满载还原剂的SCR（选择性催化还原）催化转化器（5）；以及注射模块（6c），其设计成将所述还原剂从所述贮藏空间（1）注射到所述SCR催化转化器（5）上游的机动车辆排放气体中。所述系统进一步包括：至少一个热交换器（2），其连接至所述贮藏空间（1）并含有旨在吸收来自所述贮藏空间（1）的所述还原剂的多孔基质；所述贮藏空间（1）的下游和所述热交换器（2）的上游的阀或注射器（11），其设计成控制还原剂添加至所述交换器（2）；以及置于所述贮藏空间（1）和所述交换器（2）之间的阀（12）。这设计成在所述车辆启动之后的称为启动周期的第一周期中将热能转移至SCR催化转化器（5）上游的机动车辆的排放气体。所述阀板或注射器（11）布置成在所述启动周期中控制所述交换器（2）中的还原剂的流速，使得所述交换器（2）的多孔基质对还原剂的吸收提高交换器的温度。随后在机动车辆运转过程中的所谓的操作温度周期中，所述阀板或注射器（11）还布置成当所述排放气体一达到某一温度就闭合。所述阀（12）布置成首先在所述操作温度周期中调节所述交换器（2）中的压力，其次当所述交换器（2）中的压力大于所述贮藏空间（1）中的压力时，将包含在所述交换器（2）中的所述还原剂传送至所述贮藏空间（1）中。

Description

旨在减少机动车辆排放气体中的NOx量的系统

技术领域

本发明涉及旨在减少机动车辆排放气体中的NO_X量的SCR(选择性催化还原)催化剂系统。

背景技术

与交通有关的污染物排放已经在工业中经历了约三十年的重要发展。对四种受管制污染物（CO、HC、NOx、颗粒）的排放限制已经逐渐变得更加严格的事实已经使得空气质量得以显著地改善，特别是在大城市中。

机动车辆使用的不断增加要求更进一步减少这些污染物排放的持续努力。由此，预计在2015年欧6标准生效时更严格的欧洲排放阈值的范围内减少氮氧化物（NOx）仍然是复杂的问题。具有在所有运行条件下高效的可得的污染控制技术仍然是运输业的主要挑战。

其次，近年来与CO₂排放直接相关的燃料消耗成为了汽车工业的主要关注点。由此，自2012年起欧洲水平的规定将落实在私家车的CO₂排放上。已经建立的是在即将到来的数十年将有规律地降低这个限制。因此CO₂成为整个交通业的新的增长驱动力。

局部污染(NOx)的减少和燃料消耗(CO₂)的减少的该双重问题对柴油发动机特别困难，柴油发动机的稀混合物燃烧伴随着难以处理的NO_X排放。

在此背景下对分配于货物运输与私家车辆的车辆均设想SCR后处理技术。事实上，已经说明NO_X减少的高效率可以使发动机在效率方面发挥其最优的功能，在排放气体的高NO_X排放随后通过SCR系统处理。

SCR技术的一个限制在于需要在车辆上安装用于还原氮氧化物必须的还原剂。重型货车目前采用的系统使用尿素的水溶液作为还原剂。注射进排放气体后，尿素通过排放气体的温度作用分解为氨（NH₃），并使NO_X能在特定催化剂上被还原。

尿素水溶液的储槽的集成仍是SCR系统的高限制条件。研究中的替代的解决办法是将气态的氨贮藏在盐中。在此情况中，氨以化学络合物的形式贮藏在由特定的氯化物类型的盐（MgCl₂、SrCl₂、CaCl₂、BaCl₂、ZnCl₂等）构成的多孔的基质中。通过改变基质的温度和/或压力解吸氨，并随后将其注射入排放气体用于NO_X的处理。

涉及来自热机内的燃烧的烟的后处理的化学反应是催化反应，其主要取决于排放气体和催化浸渍的温度。

然而，当车辆启动时，排放气体的温度不足以提供显著的催化转化。因此，需要等待一定的时长用于排放气体达到SCR有效还原NO_X的温度。图1显示排放气体温度随欧洲批准循环（新欧洲行驶循环：NEDC）的典型变化。也指出通过SCR催化剂后处理后获得的NO_X排放和该后处理的效率。由此，当车辆启动时，排放气体中的温度不足以确保显著的催化转化，因此由发动机产生的排放不受到后处理，且效率接近于零。在循环的过程中温度逐渐增加，并随后能够“点燃”后处理系统，催化转化可能具有可以达到100%的效率。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种旨在减少机动车辆排放气体中的NO_X量的系统，其设置成当机动车辆启动时加速排放气体的温度升高以缩短用于催化转化到达最优的必要时间。

根据本发明，此目的通过旨在减少机动车辆排放气体中的NO_X量的SCR催化剂系统得以实现，所述系统包括：含有还原剂的贮藏室；用于处理排放气体的载有还原剂的SCR催化剂；以及注射模块，所述注射模块设置成将来自所述贮藏室的所述还原剂注射到所述SCR催化剂上游的机动车辆排放气体中。根据本发明的系统还包括：至少一个热交换器，其连接至所述贮藏室并含有旨在吸收来自所述贮藏室的所述还原剂的多孔基质；在所述贮藏室的下游和所述交换器的上游的阀板或注射器，其设置成控制所述交换器中还原剂的添加；以及置于所述贮藏室和所述交换器之间的阀。所述交换器设置成在所述车辆的启动之后的第一所谓的启动周期中将热能转移至所述SCR催化剂的上游的机动车辆排放气体。所述阀板或注射器设置成在所述启动周期中控制所述交换器中的还原剂的流速，使得所述交换器的多孔基质对还原剂的吸收提高交换器的温度。随后，在机动车辆运转过程中的所谓的操作温度周期中，所述阀板或注射器设置成当排放气体一达到某一温度就闭合。对于阀，其设置成首先在所述操作温度周期中调节所述交换器内部的压力，其次当所述交换器内部的压力大于所述贮藏室内部的压力时，将包括在所述交换器中的还原剂传送至所述贮藏室中。

在本发明的优选的实施方案中，所述贮藏室含有第一盐，同时所述交换器含有第二盐。所述盐选择为金属氯化物，使得设置在所述贮藏室中的所述第一盐的氨解吸焓小于设置在所述交换器中的所述第二盐的氨解吸焓。

在本发明的另一实施方案中，所述贮藏室包括作为还原剂的加压的氨替代所述第一盐。

本发明还涉及SCR催化剂系统的实施方法，其包括如下步骤：

-当机动车辆启动时打开所述阀，使得在分别存在于所述贮藏室中和所述交换器中的压力的差的作用下，将包括在所述贮藏室中的所述还原剂以气体形式传送至所述交换器中；

-当气体温度达到预定值时闭合所述阀；

-在机动车辆的操作周期中通过所述阀排放所述还原剂逐渐地排放所述交换器，使得所述还原剂再一次导入所述贮藏室内。

附图说明

通过阅读仅以实施例的方式给出的非限定性的若干实施方案的说明并参考附图，本发明的特征将变得更加明显，在附图中：

-图1显示根据NEDC（新欧洲行驶循环）批准循环的常规的去污染系统的催化转化的效率、NO_X排放和排放气体的温度；

-图2显示根据本发明的第一个实施方案的旨在减少排放气体中NO_X量的SCR催化剂系统；

-图3显示根据本发明的第二个实施方案的旨在减少排放气体中NO_X量的SCR催化剂系统；

-图4显示根据本发明的第一个和第二个实施方案的系统的更详细的部分；

-图5显示根据克拉珀龙方程的系统的操作原理；

-图6显示根据NEDC批准循环的排放管线中的热交换器的运转；

-图7显示根据第一个变体的设置有交换器的清除元件的示意图；

-图8显示根据第二个变体的设置有交换器的清除元件的示意图；

-图9显示气体再循环管道的示意图，交换器设置在所述气体再循环管道的周围。

具体实施方式

在提出的系统中，还原剂的贮藏是基于可逆固-气反应类型：

其中气体为氨，固体为金属氯化物类型的无水盐：MgCl₂、SrCl₂、CaCl₂、BaCl₂、ZnCl₂等。

吸收(i)和解吸(ii)反应完全可逆。系统的氨平衡压力可以通过给定温度的如下公式给出的克劳修斯-克拉珀龙方程确定：

$\ln P_{\mathrm{NH}3}=\frac{-\mathrm{\ΔHr}}{\mathrm{RT}}+\frac{\mathrm{\ΔSr}}{R}$

其中ΔHr为每摩尔NH₃的解吸焓，ΔSr为每摩尔NH₃的解吸熵，R为理想气体常数。

根据此公式，这些盐的氨平衡压力取决于温度。

根据本发明的第一个实施方案，如图2所示，系统包括分别设置在贮藏室1中和交换器2中的两种复合材料。每种复合材料包括一种或多种压缩盐，优选包括膨胀石墨，其用作粘合剂以获得旨在接收氨的多孔基质。选择设置在贮藏室1中的复合材料的盐（下文中称为盐A）和设置在交换器2中的复合材料的盐（下文中称为盐B），使得盐A的氨解吸焓小于盐B的氨解吸焓。盐A优选氯化钡（BaCl₂）或氯化锶（SrCl₂），同时盐B优选氯化锰（MnCl₂）、氯化亚铁（FeCl₂）或氯化镁（MgCl₂）。

参考图2，含有旨在吸收和解吸氨的盐A的贮藏室1设置成通过加热体3得以温度控制以从盐A解吸氨，并通过第一管道4传送氨以将其可以注射入SCR催化剂5上游的排放气体。为了限制加热体3的能量消耗，室1内部的压力必须限制到低值，同时足够高以允许与热机的NO_X排放相容的氨的充分流动。为此目的，贮藏室1连接至供应模块6，所述供应模块6由连接至发动机计算机8的专用计算机7控制。根据图4，此供应模块6包括用于测量贮藏室1中的压力或温度的装置6a，也包括氨计量装置6b。由室1中的压力或温度测量装置6a测量的压力或温度与设定压力或温度比较。所述设定压力或温度根据某一数值的发动机和车辆参数的分析动态测定，例如每一时刻排放的NO_X的浓度（能被测量和/或建模的量）、发动机润滑剂的温度、发动机冷却液的温度、气流中或催化剂中或过滤器通道中的排放气体的温度、车辆速度、发动机速度、发动机负荷或这些参数的组合。

仍然根据图2，通过管道9连接至贮藏室1的热交换器2设置在以氧化催化剂或三元催化剂和颗粒过滤器（如适用）的形式的一个或多个额外的清除元件10的排放气体流下游中，热交换器2也设置在氨注射模块6c的下游和SCR催化剂5的上游。

根据图4，阀11安装在管道9上，贮藏室1的下游和交换器2的上游，并设置成由计算机7控制以控制所述交换器2中氨的添加。根据本发明的SCR催化剂系统还包括置于贮藏室1和交换器2之间的阀12。

根据本发明的SCR催化剂系统的运转可以被分成两个阶段（图6），即第一启动阶段，其开始于机动车辆的启动并持续到排放气体达到了最佳催化转化的温度（下文中称为启动周期），接着机动车辆的第二操作阶段，其持续到发动机的停止（下文中称为操作周期）。

当机动车辆启动时，排放气体相对较冷。在这些情况下，贮藏室1中的温度与交换器2中的温度类似。由于盐A和盐B的不同性质，贮藏室1内部的压力大于交换器2内部的压力。在启动周期中，阀板11打开，使得以气体形式的氨从室1通过管道9传送以被注射入交换器2中并被盐B吸收。根据克劳修斯-克拉珀龙方程，此吸收引起交换器2的温度升高，使排放气体能通过热传导能被加热。

排放气体一达到最佳的催化转化温度，阀11就闭合。随后，排放气体的温度为约250℃或更高，其提高了交换器2的温度，其增加了后者内部的压力。阀12设置成首先在操作温度的周期中调节交换器2中的压力，其次将氨从交换器2重新传入贮藏室1中。由此，在机动车辆的操作周期中排放的排放气体的温度作用下，交换器2逐渐地“清空”氨。在机动车辆的操作温度周期中，根据本发明的系统以完全被动的方式运转。

当发动机停止时，系统逐渐回复至外部温度。在这些情况下，贮藏室1中的压力再一次大于交换器2中的压力。阀板11保持闭合位置以在贮藏室1中限制氨气。系统再生，准备在机动车辆下次启动时运转。

在第二个实施方案中，如图3所示，一个或多个额外的清除元件（11）设置在氨注射模块6c的上游，而对于SCR催化剂3，其设置在注射模块的下游。

在本发明的第二个应用中，计量装置可以根据特别是贮藏室1内测量的压力控制流至交换器2的氨气的流动。随后，此注射器类型的装置可以调节交换器2中的压力上升曲线，并由此调节传递至排放气体的加热能力。

根据实施方案的变体，贮藏室1含有加压的氨替代盐A，而对于交换器2，其含有金属氯化物类型的盐，例如氯化钡(BaCl₂)或氯化锶(SrCl₂)。

在本发明中，排放气体加热阶段的开始和结束和此阶段中计量装置的打开曲线通过计算机7根据某一数值的发动机参数加以控制。可以特别考虑发动机冷却水的温度、油温、排放气体的温度和/或过去和现在运行条件的分析。通过这种控制策略的校准，需要确保再生阶段足够长，且加热装置的温度足够高使其在发动机停止前完全再生。

上述原理提供氨在贮藏室1之间精巧的转移，所述贮藏室1旨在首先供应设置在排气管线中SCR催化剂5上游的注射系统，并其次供应交换器2，使其可以使用允许调节排放气体温度的金属氯化物中的NH₃的化学吸收附属的空调性能。

根据本发明的交换器2优选尽可能地靠近排气管线设置。根据图7，交换器2的多孔基质设置在SCR催化剂5或任何其它清除元件10的周围，清除元件5、10和交换器2的多孔基质限制在容器13的内部。在另一构造中，如图8所示，管14在不同点处同轴地设置在排放管线14'的周围，交换器2的多孔基质设置在排放管线1’和管14之间的空间中。

交换器2的多孔基质也可以设置在催化剂5的内部、各种催化板的周围，这种设置进一步具有这样的优点：排气部分隔热，包括在没有氨转移的阶段中，也就是说限制排放气体内的热量的最大量并由此最小化不必要的能量损失至外部。

存在潜在用于柴油发动机上的若干排放管线结构，特别是：

-一种结构，其包括顺次的排放气体再循环回路（下文中称为“EGR管道”）-涡轮机-氧化催化剂（柴油氧化催化剂，下文中称为“DOC”）-颗粒过滤器（柴油颗粒过滤器，下文中称为“DPF”）-NH₃注射和SCR催化剂。

-一种结构，其包括顺次的EGR管道-涡轮机-DOC-NH₃注射-SCR催化剂-DPF，

-一种结构，其包括顺次的EGR管道-涡轮机-DOC-NH3注射-单一基材上的SCR催化剂和DPF。

上述三种结构也可以包括第二个LP EGR管线连接（称为低压）（LP“低压”EGR区别于存在于所有柴油机上的HP“高压”EGR），位于DPF的下游。

因此，根据本发明的交换器2可以根据所需的结构和目的设置在不同的点处。例如为了限制“增压滞后”并由此增加低发动机速度的转矩，可以设置在涡轮机上游的任何点处以加速后者的传动。可以包括反循环（使其可以“清空”交换器2）以在温度超出涡轮机容许的最大温度时从排放气体管线提取热。

交换器2也可以设置在氧化催化剂（DOC）的上游的任何点处以加速通常位于DOC下游的SCR催化剂的启动。为了再生颗粒过滤器，此位置也能具有加速催化剂活化的影响。贮藏容量必须在希望回收热的阶段中填充。

交换器2也可以设置在颗粒过滤器的下游以避免与颗粒过滤器的再生有关的过度加热，并由此防止当SCR催化剂5位于过滤器下游时的放热。在此情况中，当希望防止过度加热时，贮藏室1必须被清空。

为了避免过滤材料中的放热，当SCR催化浸渍位于过滤器时交换器也可以设置在DPF基材的周围。

最后，为了促进EGR流的冷却，交换器可以设置在EGR管道（HP和BP）的周围以提高其流速。在此情况中，当希望冷却EGR时，贮藏室必须被清空。

Claims (17)

1.一种旨在减少机动车辆排放气体中的NO_X量的系统，所述系统包括：

-含有还原剂的贮藏室（1）；

-用于处理排放气体的载有还原剂的SCR（选择性催化还原）催化剂（5），以及

-注射模块（6c），其布置成将来自所述贮藏室（1）的所述还原剂注射到所述SCR催化剂（5）上游的机动车辆排放气体中，

其特征在于

所述系统还包括：

-至少一个热交换器（2），其连接至所述贮藏室（1）并含有旨在吸收来自所述贮藏室（1）的所述还原剂的多孔基质；

-在所述贮藏室（1）下游和所述交换器（2）上游的阀板或注射器（11），其布置成控制所述交换器（2）中还原剂的添加，和

-置于所述贮藏室（1）和交换器（2）之间的阀（12）；

其特征还在于

-所述交换器（2）布置成在所述车辆的启动之后的第一所谓的启动周期中将热能转移至所述SCR催化剂（5）上游的机动车辆排放气体；

-所述阀板或注射器（11）布置成在所述启动周期中控制所述交换器（2）中的还原剂的流速，使得所述交换器（2）的多孔基质对还原剂的吸收提高交换器的温度；

-随后在机动车辆运转过程中的所谓的操作温度周期中，所述阀板或注射器（11）布置成当所述排放气体一达到某一温度就闭合；以及

-所述阀（12），其布置成首先在所述操作温度周期中调节所述交换器（2）中的压力，其次当所述交换器（2）中的压力大于所述贮藏室（1）中的压力时，将包含在所述交换器（2）中的所述还原剂传送至所述贮藏室（1）中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于从所述机动车辆的操作温度周期开始直到下一启动周期的开始，所述阀板或注射器（11）布置为闭合。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于其还包括加热体（3），其布置成根据选自如下一个或多个参数的值加热所述贮藏室（1）：排放的NO_X的浓度、发动机润滑剂的温度、发动机冷却液的温度、车辆的速度、发动机速度和发动机负荷。

4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于所述还原剂为氨。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述贮藏室（1）含有加压的氨，且所述交换器（2）的所述多孔基质是盐，所述盐选自金属氯化物如氯化钡、氯化锶、氯化镁、氯化钙和氯化镍。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于所述贮藏室（1）和所述交换器（2）分别含有第一盐和第二盐，所述盐选择为金属氯化物使得所述第一盐的氨解吸焓小于所述第二盐的氨解吸焓。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于所述交换器（2）布置在用于注射所述还原剂的所述模块（6c）下游和SCR催化剂（5）上游的排放气体中。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于其还包括一个或多个额外的清除元件（10），其选自氧化催化剂、三元催化剂和颗粒过滤器，所述一个或多个清除元件（10）布置在用于注射所述还原剂的所述模块（6c）的上游，而所述SCR催化剂（5）布置在所述注射模块（6c）的下游，且所述交换器（2）布置在所述一个或多个额外的清除元件（10）的上游。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述一个或多个交换器（2）的多孔基质设置在所述SCR催化剂（5）的上游和/或所述一个或多个额外的清除元件（10）的上游的排放气体管道周围的管（14）的内部。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于所述一个或多个交换器（2）的多孔基质设置在所述SCR催化剂5的周围和/或所述一个或多个额外的清除元件（10）的周围。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于其还包括用于再循环所述排放气体（下文中称为EGR）的管道（15），安装在EGR管道（15）周围的管（16），所述管（14）和所述EGR管道（15）之间的直径差产生将所述交换器（2）的多孔基质布置在其中的体积，使得当在所述EGR管道（15）中循环的气体的温度超出临界阈值时能够通过将来自所述贮藏室（1）的所述还原剂传送至所述交换器（2）来冷却EGR气体。

12.包括根据前述权利要求中任一项所述的系统的机动车辆，其特征在于所述车辆包括涡轮压缩机，所述涡轮压缩机的涡轮机布置在所述交换器（2）的下游。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的系统的实施方法，其包括如下步骤：

-当所述机动车辆启动时打开所述阀板或注射器（11），使得在分别存在于所述贮藏室（1）和所述交换器（2）中的压力差的作用下，将包括在所述贮藏室（1）中的所述还原剂以气体形式传送所述交换器（2）内；

-当所述气体温度达到预定值时闭合所述阀板或注射器（11）；

-在所述机动车辆的操作温度周期过程中通过所述阀（12）排放所述还原剂来逐渐地排放所述交换器（2），使得所述还原剂再一次导入所述贮藏室（1）中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述交换器（2）完全排放且在所述机动车辆启动时不含有任何还原剂。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中阀板或注射器（11）的打开通过计算机（7）根据选自如下一个或多个参数的值控制：排放的NO_X的浓度、发动机润滑剂的温度、发动机冷却液的温度、气流中或催化剂通道或过滤器内部的排放气体温度、车辆的速度和发动机速度。

16.根据权利要求8、9或10所述的系统的使用方法，其中当所述机动车辆启动时所述阀板或注射器（11）打开，使得包括在所述贮藏室（1）中的所述还原剂以气体形式传送至设置在所述氧化催化剂（10）上游的所述交换器（2）内，以促进由所述氧化催化剂（10）产生的NO₂，从而改善SCR催化剂（5）的活化。

17.根据权利要求12所述的系统的实施方法，其中当所述机动车辆启动时所述阀板或注射器（11）打开，使得包括在所述贮藏室（1）中的所述还原剂以气体形式传递至所述交换器（2）中，以加速所述涡轮机的致动，其中当所述涡轮机上游的温度超出所述涡轮机的正常操作温度范围时所述阀板或注射器（11）闭合。

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