CN103459792A - 供应到催化转化器的还原剂中添加有活化剂材料的排气后处理系统 - Google Patents

供应到催化转化器的还原剂中添加有活化剂材料的排气后处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种排气后处理系统（10），该排气后处理系统（10）包括催化转化器设备（12），该催化转化器设备（12）具有至少一种催化材料（14），其中，催化转化器设备（12）布置在内燃机（18）下游的排气通道（16）中，并且该排气后处理系统（10）还包括一个或多个加料接口(20、20a、20b)，该加料接口用于供应用于减少排气（24）中的NOx含量的至少一种还原剂（22），其中该一个或多个加料接口(20、20a、20b)布置成将至少一种活化剂材料（26）供应到排气（24）中，其中，与没有活化剂材料（26）时的、所述催化材料（14）的催化活性相比，活化剂材料（26）至少在给定的温度范围内引起了催化材料（14）的催化活性的提高。

Description

供应到催化转化器的还原剂中添加有活化剂材料的排气后处理系统
技术领域
本发明涉及一种排气后处理系统、用于处理排气后处理系统中的排气的方法、以及具有排气后处理系统的车辆。
背景技术
当前汽车市场的监管条件导致了对提高燃料经济性并降低当前车辆的排放物的需求不断增长。该监管条件必须与消费者对于车辆的高性能和快速反应的需求相平衡。
柴油机具有最高达约52%的效率，因此是化石能源的最佳转化器。NOx排放浓度（例如氮氧化物NO和NO2的排放浓度）取决于发动机中的局部氧原子浓度和燃烧过程中的局部温度。然而，所述高的发动机效率仅在提高的燃烧温度下是可能的，在该燃烧温度下，高的NOx水平是不可避免的。
此外，通过内部方法（例如特定的空气/燃料比）抑制NOx的形成会造成微粒的增加，也就是已知的、NOx-微粒的权衡。此外，来自柴油机的排气中过多的氧气阻碍了用于NOx还原的化学计量三元催化剂技术的使用，该催化剂技术自上世纪80年代后期用于汽油机汽车。
碳微粒和NOx是柴油机排气中的典型排放物。减少该排放物的要求增加了并引发了本领域中各种减少排放物的方法。EP1054722B1中公开了一种排气后处理系统，该排气后处理系统结合了一种微粒过滤器，该微粒过滤器用于收集排气管中的碳烟和氮氧化物还原催化剂。为了去除碳烟，在氧化催化剂中通过将NO氧化来生成NO2。收集在微粒过滤器中的碳烟被NO2氧化。通过将32%的尿素-水溶液喷射到选择性催化还原（SCR）催化剂中，排气中的残余量的NO和NO2在该SCR催化剂中被还原为氮气。然而，除了车用燃料以外，还需要大量的尿素-水溶液并且该尿素-水溶液需要被加注（fuelled）并装载在车上。此外，尿素可以在低温例如-10℃下结晶，并且因此增大了堵塞喷射器或类似装置的风险。
通过氨或尿素实现的、另一种替代的SCR系统是通过来自燃料的碳氢化合物进行的SCR。当该车用燃料用作还原剂时，可以省去用于还原剂的大的附加储罐，如通过氨或尿素实现的SCR的情况中一样。然而，其NOx的转化率通常低于通过氨或尿素实现的SCR（尤其是在较低温度下），并且，它需要大量的碳氢化合物。在美国专利2007/0289291A1中，示出了添加氢气以在较低温度下提高通过碳氢化合物进行的NOx转化率。氢气可以携载在车辆上或从燃料中提取。然而，前者需要用于氢气的大储罐并且可能需要附加的安全装置，而后者需要改良的车载系统。
因此，希望采用如下一种排气后处理系统：该排气后处理系统操作较少量的部署材料并且对于故障较不敏感。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进的排气后处理系统。本发明的另一个目的是提供一种适当改进的、对改进的排气后处理系统中的排气进行处理的方法。另一个目的是提供一种具有改进的排气后处理系统的车辆。
通过独立权利要求的特征来实现该目的。其它权利要求、附图和说明书公开了本发明的有利实施例。
在本发明的第一方面，提供了一种排气后处理系统，该排气后处理系统包括催化转化器设备，该催化转化器设备至少具有一种催化材料，其中，催化转化器设备布置在内燃机下游的排气通道中，并且该排气后处理系统还包括一个或多个加料接口，该加料接口用于供应用于减少排气中的NOx含量的至少一种还原剂，其中该一个或多个加料接口布置成将至少一种活化剂材料供应到排气中，其中，与没有活化剂材料时的、所述催化材料的催化活性相比，该活化剂材料至少在给定的温度范围内引起了所述催化材料的催化活性的提高。
本发明的一个优点在于，与没有活化剂材料时的催化反应相比，提高了催化材料的转化，尤其在低温下的转化，从而，所述催化材料的活性温度范围比没有该活化剂材料时更接近于排气温度。本发明的另一个优点在于，可以使用宽范围的不同催化材料，这有利地降低了成本。本发明的又一个优点在于，可以维持对于通过氨或尿素实现的过程的替代的选择性催化还原处理。由于对尿素和/或氨进行替代的物质，这减少必须车载的还原剂的量以及对于故障较不敏感的处理。此外，避免了在不利的处理条件情况下的、氨的不期望的排放。
催化转化器设备可以具有一个或若干个催化装置，如NOx还原催化剂、诸如催化剂或微粒过滤器的碳烟去除部件、或者对于本领域技术人员而言可行的任何其他部件和/或催化剂。此外，这些催化装置能够按照任意顺序布置。在一种有利的布置中，NOx还原催化剂布置在碳烟催化剂的下游。此外，一个或多个加料接口可以布置在内燃机的下游，但在所述催化转化器设备的上游，尤其在NOx还原催化剂的上游。此外，一个或多个加料接口可以包括喷射器、喷嘴、汽化器、喷雾器和/或对于本领域技术人员而言可行的任何其它接口。还原剂和活化剂材料可以通过相同的加料接口或不同的接口被提供和/或同时作为混合物或彼此对比暂时抵消。特别地，还原剂和活化剂材料可以作为混合物通过相同的加料接口添加到排气中。活化剂材料与还原剂的比值范围可以从大致0wt-%一直到大约50wt-%（wt-%为重量百分比），在极端情况下，一直到大约60wt-%甚至70wt-%。替代地，还可以例如通过后喷射将还原剂提供到内燃机的一个或多个气缸中。有利地，用于将活化剂材料输入到排气中的该加料接口布置在内燃机下游的排气通道中、排气通道上或排气通道处。
该还原剂是相对于所述活化剂材料独立的组分。活化剂材料对催化材料起作用，并且，所述活化剂材料在比没有活化剂材料时的温度更低的温度下提高了催化材料的效率。
根据本发明的有利实施例，活化剂材料可以至少包括一种含氧的碳氢化合物。优选地，活化剂材料由一种含氧的碳氢化合物构成。添加到一次应用处理中的活化剂材料的量可以取决于催化剂的温度。还原剂的量也可以取决于催化剂的温度。总而言之，在催化剂的高温下，活化剂材料仅对NOx转化率有小的影响并且可以避免。类似地，在催化剂的低温下，当还原剂和/或活化剂材料工作效率低下时，还原剂和/或活化剂材料可以根本不被喷入。在这两个温度界限之间的一定温度范围内，还原剂和活化剂材料的混合物的效果最好。因此，在催化剂的高温下，所添加的活化剂材料的量可以减少为大致为0，而在催化剂的低温下，在所述温度范围内添加的活化剂材料的量可以高达大致为50wt-%，在一些极端情况下，甚至高达大致为60wt-%-70wt-%。因此，有利地，根据催化剂的温度来调整混合物。有利地，添加到一次应用处理中的活化剂材料与还原剂的混合物的量可以取决于NOx的量。按重量计算，该混合物的量与NOx量的比值范围从0.1:1一直到大致10:1，优选从按重量计算的大致0.5:1一直到大致5:1，特别有利地，从按重量计算的大致1:1一直到大致3:1。所述含氧的碳氢化合物可以具有对于本领域技术人员而言可行的任何聚集状态并且在应用的状态下优选为流体。因此，也可以设置有用于所述加料接口的冷却装置。由于本发明，可以简单地获得催化活性和催化材料效率的提高。
根据本发明的另一个有利实施例，活化剂材料包括至少一种乙醚类的含氧的碳氢化合物，优选为由三甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、乙二醇二甲醚、二乙醚（DEE）和二丙醚组成的组中的乙醚。通过该物质，可以使用具有已知特性的材料。
在本发明的另一个示例性实施例中，活化剂材料可以至少包括三甘醇二甲醚。如上所述，添加到一次应用处理中的三甘醇二甲醚的量排气的温度。因此，可以提供一种物质，有利地，该物质在处理和应用于排气的状态下为液体。此外，在储存于车辆中的状态下，三甘醇二甲醚也是液体，这种情况在-50℃至+50℃的范围内是特有的。因此，能够可靠地防止活化剂材料在车辆的操作过程中意外冷冻或结晶。因此，可以避免应用装置（如加料接口）的堵塞。此外，可以免去用于避免例如活化剂材料冷冻的昂贵的加热装置。此外，由于三甘醇二甲醚的液态，也具有液态的还原剂的混合物易于高效地生产和处理。在三甘醇二甲醚作为活化剂材料的情况下，相比于通过尿素-水溶液实现的SCR，需要较少量的、以还原剂和活化剂材料的形式应用于SCR处理中的排气的物质，并且该物质相应地大约减少50wt-%至80wt-%。
在根据本发明的另一个示例性实施例中，活化剂材料可以通过喷射器被喷入。由于这一点，可以提供一种构造上简单的应用。
根据另一个示例性实施例，内燃机可以是柴油机，其中，活化剂材料和排气的工作状态的温度可以轻松地彼此结合和调整。因此，相比于汽油机，本发明的实施例可以容易地补偿柴油机较低的燃烧温度。
在本发明的另一个实施例中，用于NOx还原的还原剂可以包括至少一种碳氢化合物。优选地，还原剂是碳氢化合物。由于这一点，多种物质是可能的并且可用的。
进一步地提出了，所述还原剂可以是燃料，尤其是柴油燃料。该过程可以理解为通过燃料中的碳氢化合物进行的选择性催化还原（SCR）。此外，根据本发明，在催化转化器设备帮助进一步地减少排气中的NOx含量之前，将（i）三甘醇二甲醚或另一种类似化合物与(ii)车用燃料的碳氢化合物的混合物添加到排气管线内的排气中，尤其在低温下进行。此外，由于使用燃料作为还原剂，车辆上仅需要载有用于所述活化剂材料的小型附加容器。
有利地，该活化剂材料至少可以在大致200℃至500℃温度范围内的排气温度下导致催化材料的催化活性的提高。相比于没有活化剂材料的情况，温度可以减少大致100℃到大致200℃。因此，可以利用多种催化材料。
在另一个示例性实施例中，催化转化器设备可以至少包括作为催化材料的贵金属，其中，可以使用众所周知并且确定的概念。作为催化材料，所有类型的贵金属，例如钌、铑、钯、银、锇、铱、铂和金都是可行的。优选地，可以使用铑、钯、铂、金和银。
在优选实施例中，催化材料可以是银。银可以用作Ag/Al2O3催化剂。因此，可以采用低成本金属，这相应地得到了便宜的排气后处理系统，因此，为此得到了较低成本的车辆。
根据另一个示例性实施例，排气后处理系统可以包括反馈控制，以相对于排气中的NOx的量来调整被供应到排气中的活化剂材料的量。此外，反馈控制可以相对于排气中NOx的量来调整被供应到排气中的还原剂的量。此外，该反馈控制可以包括在活化剂材料和/或还原剂的量的调整中的、排气和/或催化剂的温度。
进一步提出了，排气后处理系统可以包括反馈控制，以相对于排气和/或催化剂的温度并相对于排气中的NOx的量来调整被供应到排气中的还原剂的量和活化剂材料的量。具体地，活化剂材料的相对于还原剂的量优选根据排气和/或催化剂的温度来调整。优选地，反馈控制可以包括用于检测NOx的量和温度的传感器设备。由于本发明的实施例，可以提供一种高效的排气后处理系统。
在本发明的另外的方面中，提供了一种用于处理排气后处理系统中的排气的方法，其中，提供了一种还原剂以减少内燃机的排气中的NOx含量，并且其中，至少一种活化剂材料被添加到排气中以相比于至少在给定的温度范围内没有活化剂材料的催化活性，提高了催化转化器设备的催化材料的催化活性。
因此，有利地增加了尤其在低温下的催化材料的转化，从而催化材料的活性温度范围更好地对应于排气温度。此外，可以有益地使用宽范围的不同催化材料，这有利地导致成本的降低。本发明的另一个优点在于，对于使用氨或尿素的SCR处理，可以使用替代的选择性催化还原处理。由于对氨或尿素进行替代的物质，这导致了必须车载的还原剂的量的减少以及对故障较不敏感的处理。
在本发明的第三方面中，提供了一种车辆，特别是卡车，其具有至少一个排气后处理系统。因此，本发明的排气后处理系统可以部署在需要高度复杂解决方案的场所。
附图说明
根据下面实施例的详细说明，将最佳地理解本发明连同上述的和其它的目的和优点，但是本发明并不限于该实施例，其中，
图1示意性地示出了具有内燃机的车辆和根据本发明的排气后处理系统的示例性实施例；
图2示意性地示出了图1的内燃机和排气后处理系统的详细图解；并且
图3示意性地示出了一个示例性曲线图，描绘了三种不同的实验设置的结果。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记指的是相同的或类似的元件。附图仅为示意图，并非旨在示出本发明的特定参数。此外，附图旨在仅示出本发明的典型实施例并且因此不应该被看作限制本发明的范围。
图1示意性地示出了车辆40，该车辆40具有内燃机18和位于内燃机18下游的排气后处理系统10。图2中详细地说明了该排气后处理系统的示例性实施例。
排气后处理系统10包括催化转化器设备12，该催化转化器设备12分别布置在内燃机18下游的排气通道16中或排气管中，该内燃机被具体实现为柴油机32。催化转化器设备12包括：用于减少碳烟含量的部件，例如用于减少碳烟的催化剂或微粒过滤器（未示出）；以及用于NOx还原的包含催化材料14的催化剂42，该催化剂42被具体实现为Ag/Al2O3催化剂中的贵金属银36。
排气后处理系统10还包括喷射器30形式的加料接口20。该加料接口20布置在内燃机18的下游，但在催化转化器设备12的上游。此外，该加料接口20或喷射器30把用于NOx还原的还原剂22分别供给或喷射到从内燃机18沿着排气通道16流到催化转化器设备12的排气24中。用于NOx还原的还原剂22例如是碳氢化合物，该碳氢化合物是燃料的组分。因此，用于NOx还原的该还原剂22是车载燃料，并且，在所述内燃机是柴油机32的情况下，该还原剂22对应地是柴油燃料34。
柴油燃料34容纳在与喷射器30连接的储罐44中，作为与活化剂材料26的混合物。因此，加料接口20还布置成将活化剂材料26供应到排气24中。活化剂材料26例如包括含氧的碳氢化合物，在本实例中，该活化剂材料26是三甘醇二甲醚28。此外，活化剂材料26布置成：与没有活化剂材料26时的催化活性相比，该活化剂材料26至少在给定的温度范围内引起所述催化材料14的催化活性的提高。
替代地，还原剂22和活化剂材料26能够通过不同的加料接口20、20a、20b供应到排气24中。因此，在该替代实施例中，储罐44仅分别容纳活化剂材料26或三甘醇二甲醚28，并且该活化剂材料26通过加料接口20或喷射器30被喷入。还原剂22和活化剂材料26的混合处理在存在排气24的情况下进行。然而，还原剂22储存在储罐44a中，该储罐44a是用于运行车辆40（图1）的柴油燃料34所用的常规储罐。
在第一可替代实施例中，还原剂22或柴油燃料34分别通过加料接口20a被喷入，该加料接口20a布置在内燃机18处，用于将还原剂22后喷射到内燃机18的至少一个气缸中。
在第二可替代实施例中，还原剂22或柴油燃料34通过加料接口20b分别喷射到排气通道16的排气24中，该加料接口20b布置在内燃机18的下游，但在催化转化器设备12的上游。
在第三可替代实施例中，还原剂22或柴油燃料34通过加料接口20a和20b分别喷射到排气24中。
此外，排气后处理系统10还包括反馈控制38，该反馈控制38包括传感器和处理单元（未详细示出），以调节还原剂22和活化剂材料26的量，该还原剂22和活化剂材料26应供应到排气24中以用于催化材料14的充分活化。为了将活化剂材料26与还原剂22的量的比值调节到期望值，通过第一传感器（未示出）测量排气24或催化剂42的温度。处理单元38根据该温度测量结果来确定所需的、还原剂22与活化剂材料26的比值。所形成的还原剂22与活化剂材料26的混合物在储罐44中混合并储存。因此，在本实施例中，需要用于储存该活化剂材料26的附加储罐（未示出）。在替代实施例中，在储罐44a作为还原剂22的储存容器的情况下，还原剂22与活化剂材料26的混合处理直接在存在排气24的情况下进行（在内燃机18和/或排气通道16的气缸中）。
所期望或需要的、由还原剂22和活化剂材料26形成的混合物的量取决于排气24中的NOx量，该NOx的量通过第二传感器（未示出）来检测。因此，处理单元38基于所测量到的NOx量来计算所需的还原剂22与活化剂材料26的混合物的量以及所述混合物的构成比例。按重量计算，通过喷射器30喷射到排气24中的、还原剂22与活化剂材料26的混合物相对于NOx量的范围大约为1:1到3:1。
此外，该混合物中的活化剂材料26在排气24的、温度范围为大致200℃到500℃的温度下提高了催化转化器设备12的催化材料14的催化活性或效率（也参见图3）。因此，催化材料14甚至能够在低于大致250℃的温度下工作。因此，分别供应到排气24中的还原剂22或柴油燃料34中的碳氢化合物能够执行用于减少排气24中的NOx量的选择性催化还原（SCR）。因此，通过添加少量的三甘醇二甲醚28，提高了基于Ag/Al2O3的催化剂42的转化，尤其在排气24和/或催化剂42处于低温时，从而，催化剂42的活化温度范围更好地对应排气温度。
图3以曲线图示出了排气后处理系统的三种不同实验设置的结果，其中添加了三种不同的添加剂，即，碳氢化合物（曲线C1）、乙醚（曲线C2）、以及碳氢化合物与乙醚的混合物（例如20wt-%，曲线C3）。Y轴表示NOx转化率，X轴上是以℃标示的温度。曲线C1（菱形形式的测量点）代表了仅添加还原剂22时的设置结果。曲线C2（三角形形式的测量点）示出了仅添加活化剂材料26时的设置结果。曲线C3（正方形形式的测量点）示出了添加还原剂22与活化剂材料26的混合物时的设置结果。
如图3的针对碳氢化合物（菱形，曲线C1）的设置的曲线可见，在低于350℃至400℃的温度下，NOx转化率几乎为零。在仅添加乙醚（三角形；曲线C2）的情况下，在大约200℃至550℃的整个温度范围内，NOx转化率相当低。仅当添加了该碳氢化合物与乙醚的混合物（根据本发明，该混合物代表了还原剂22与活化剂材料26的混合物）时（正方形；曲线C3），用于NOx的有效转化的温度阈值才能够向大约250℃的较低温度值移动，从而能够在大约250℃至550℃之间的较宽温度范围内有效地转化NOx。因此，与没有活化剂材料26时的催化活性相比，活化剂材料26至少在给定的温度范围内引起了催化材料14的催化活性的提高（如曲线C1和C3中的菱形和正方形的不断上升所清楚地证明的）。
本发明能够提供一种改进的、导致较少故障敏感度的排气后处理系统。

Claims (11)

1.一种排气后处理系统（10），所述排气后处理系统（10）包括催化转化器设备（12），所述催化转化器设备（12）具有至少一种催化材料（14），其中，所述催化转化器设备（12）布置在内燃机（18）下游的排气通道（16）中，并且所述排气后处理系统（10）还包括一个或多个加料接口（20、20a、20b），所述一个或多个加料接口（20、20a、20b）供应用于减少排气（24）中的NOx含量的至少一种还原剂（22），其中，所述一个或多个加料接口(20、20a、20b)布置成将至少一种活化剂材料（26）供应到所述排气（24）中，其中，与没有所述活化剂材料（26）时的、所述催化材料（14）的催化活性相比，所述活化剂材料（26）至少在给定的温度范围内引起所述催化材料（14）的催化活性的提高。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其中，所述活化剂材料（26）包括至少一种含氧的碳氢化合物，优选为乙醚类的含氧的碳氢化合物，尤其是以下项组成的组中的乙醚：三甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、乙二醇二甲醚、二乙醚（DEE）和二丙醚。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，所述活化剂材料（26）通过喷射器（30）来喷射。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，所述内燃机（18）是柴油机（32）。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，用于NOx还原的所述还原剂（22）包括至少一种碳氢化合物，特别是燃料，尤其是柴油燃料（34）。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，所述活化剂材料（26）至少在所述排气（24）的、温度范围为大致200℃到500℃的温度下引起所述催化材料（14）的催化活性的提高。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，所述催化转化器设备（12）至少包括一种贵金属以作为所述催化材料（14），优选为银（36）。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，还设置有反馈控制（38），用于针对所述排气（24）中的NOx量和/或针对所述排气（24）和/或催化剂（42）的温度来调节被供应到排气（24）中的所述还原剂（22）的量和/或所述活化剂材料（26）的量。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统，其中，至少一个加料接口（20a）布置在所述内燃机（18）中、所述内燃机（18）上或所述内燃机（18）处，用于将所述还原剂（22）后喷射到所述内燃机（18）的一个或多个气缸中，和/或其中，至少一个加料接口(20、20b)在所述内燃机（18）的下游布置在所述排气通道（16）中、所述排气通道（16）上或所述排气通道（16）处。
10.一种用于处理排气后处理系统（10）中的排气（24）的方法，其中，提供还原剂（22）以减少内燃机（18）的排气（24）中的NOx含量，并且其中，将至少一种活化剂材料（26）添加到所述排气（24）中，从而，与没有所述活化剂材料（26）时的、催化材料（14）的催化活性相比，至少在给定的温度范围内引起了催化转化器设备（12）的所述催化材料（14）的催化活性的提高。
11.一种车辆（40），其具有至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的排气后处理系统（10）。
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