CN103502402A - 用于操作以包含用于使微粒过滤器再生的催化剂的燃料供应的发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作车辆的内燃发动机的方法，该车辆装备有包括催化式微粒过滤器的排气系统，其中该发动机被供应一种包含用于使该微粒过滤器再生的催化剂的燃料。该方法的特征在于该燃料中的催化剂浓度不连续地变化。

Description

用于操作以包含用于使微粒过滤器再生的催化剂的燃料供应的发动机的方法
技术领域
本发明涉及操作内燃发动机，特别是柴油发动机的方法，该发动机被供应一种包含用于使微粒过滤器再生的催化剂的燃料。该方法应用于配备催化式微粒过滤器的机动车辆中，用以消除来自发动机的排气中的黑烟。
背景技术
为了满足新的车辆排放控制标准，特别是柴油车辆，这些车辆逐渐的被装配有微粒过滤器（PF）。在欧洲已经是这种情况，因为出现了Euro5排放标准。在大多数情况下，催化剂用于帮助周期性地烧掉在过滤器捕获的烟灰并且从而再生PF。
PF通过周期性地增加PF上游的温度至一个足够高以烧掉烟灰并且从而再生PF的温度来再生。
为了达到该热水平，该温度典型的高于650°C并且因此燃料总体上在发动机中（后注入）或在PF的氧化催化转化器上游燃烧。这是因为柴油发动机排气的温度总体上显著地更低，典型的低于400°C。随着新的燃烧技术比如HCCI型的均质填充燃烧，排气的温度也倾向于降低。当车辆在特定条件下使用，比如在城镇中使用时，它也非常低，通常低于250°C。
第二个重要的参数是PF再生的持续时间，即PF上游的温度需要保持在高水平的时间长度。除了更多的附加的燃料消耗的经济的和环境的影响，在一些情况下，比如城镇周边的旅行，其通常为短时期的，不可能保持这些条件足够长以再生PF。
应该认识到在能够降低这些再生的频率和持续时间并且还有在更低的温度下进行这些再生可具有一些优势。这是因为由于使用更少量的燃料用于后注入，其具有降低车辆的燃料消耗的效果。结果降低了车辆温室气体（CO2）的排放量。
这也允许在PF中使用不需要像例如碳化硅一样抗热的材料，并且因此更便宜的材料。而且降低后注入的持续时间，就其他标准比如发动机和特定的部件比如高压燃料注入器的寿命或甚至发动机油换间隔来说也证明是有益的。
为了满足这些目标，促进再生的催化剂总体上用在两种主要的方法中：
-被引进引入到PF的壁的孔隙中的氧化催化剂：然后该PF被称作催化式微粒过滤器或可替代地被称为催化剂烟灰过滤器（CSF）。催化剂总体上是由贵金属组成，比如铂和过渡金属比如铝的氧化物或甚至可还原的氧化物，比如基于铈、基于铈和锆或更通常地基于稀土的氧化物。该技术近来在欧洲被普遍用在满足Euro5排放标准的车辆上；
-可通过燃料供给到发动机而产生的PF再生添加剂的使用，可替代的称为燃料携带催化剂（FBC）。已知不同的FBC添加剂，特别是那些基于铈和/或基于铁的。该技术当前同样适用于柴油车辆。
第二种方式通常是更有效的并且允许PF在所有的工作条件下，特别是在城镇驾驶中进行再生，并且以一种更经济和环境更加友好的方式。
然而，FBC技术主要的不足在于其实施的复杂性，特别在于确保该燃料具有尽可能恒定的添加剂浓度，正如当前在装配有该技术的车辆中所实施的一样。典型地，该目标为保持燃料中一个不会大幅度变化的添加剂浓度，即添加剂浓度典型地表现出20%以下或甚至10%以下的浓度变化。
允许将帮助再生PF的FBC催化性添加剂引入到燃料中的系统，总体上依赖于一个具有最小体积2至3升的包含添加剂保留量的大尺寸的储油室，并且需要被安装在靠近燃料储箱的空间中。
通用的计量添加剂的方法也要求使用必须由附加的和专用的电子单元控制的高精度计量泵。该电子单元总体上依赖于车辆电子中心控制单元或ECU。为了确保燃料中的添加剂含量足够高而允许PF良好的再生，但是不会如此高以至于引起由仍捕获在其中的PF再生的无机残留物造成的PF过早污染，该计量设备需要非常精确地管理。通常当储箱中燃料的水平随着燃料的添加而增加时，为了保持燃料中的添加剂浓度一直是恒定的，ECU向计算机传递这个信息并且计算机通知泵注入多少添加剂至储箱中。
这些计量泵是极其精确和非常昂贵的。这些方法的使用也涉及正确地驱使该计量系统和检查它的运行状态。因此，该系统是复杂的并且由此是昂贵的。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种比已知方法实现更为简单，并且因此更为廉价的方法。
为此，本发明的方法是一种用于操作配备有催化式微粒过滤器（CSF）的排气系统的车辆内燃机的方法，其中该发动机被供应包含用于使该微粒过滤器再生的催化剂的燃料，并且其特征在于燃料中的催化剂浓度不连续地变化。
本发明的方法允许CSF为有效地可再生的，特别是在低温下，而不要求现有技术用于保持燃料中的浓度为恒定值的复杂系统。
附图说明
通过阅读下面参考附图给出的描述，本发明的其他特征、细节和优势将变得更加清晰，在附图中：
-唯一的图1给出了随着时间的推移并且作为燃料储箱充填水平的函数的燃料的催化剂浓度。
具体实施方式
本发明的方法的根本特征是燃料中的催化剂浓度不连续地变化。其意思是与已知的方法中不同，这个浓度是不恒定的而是可随着时间的推移变化，并且意思是其非连续地变化。因此，在非常短的时间内或瞬间地它可采用不同的值。它可为零和在多个范围内变化，例如，变化0至30的因子，更具体地从0至20。仍更具体地，这些范围可从0至15变化并且特别地从0至5。因此该浓度可在一定的时间长度内保持恒定在一个特定的值，并且然后在非常短的时间内或瞬间地变化至另一个值，并且然后在另一个时间段仍保持恒定。
本发明的方法可应用在不同的可替代的方式中。
根据第一个替代方案，该方法在CSF填充时期的条件下实施，燃料中的催化剂浓度仅变化一次，使得其升高。因此，它从一个可为0的值V0变化至一个值Vn，使得Vn>V0。
过滤器填充时期的意思是排气流经CSF和后者逐步负载烟灰的时期。这些是除了过滤器的再生时期之外所有的发动机工作时期。
根据本发明的方法的第二个替代方案，以及仍在微粒过滤器填充时期中，燃料中的催化剂浓度变化数次，使得其升高。因此它从一个可为零的值V0达到一个值Vn并且然后达到另一个值Vn+1，这些值为这样Vn+1>Vn>V0。
根据另一个替代方案，该方法用这样一种方式实施，在微粒过滤器填充时期中，燃料中的催化剂浓度变化一次或变化几次使得其降低。因此，它可从一个非零的值V0达到一个值Vn并且然后可能达到另一个值Vn+1，这些值为这样Vn+1<Vn<V0。
在第二个或第三个替代方案的情况中，变化发生的次数可以是不被限制的。
最终，根据仍另一个替代方案，燃料中的催化剂浓度可发生数次变化使得其在CSF填充时期升高或降低，在一个时期的时间内，该浓度可能为零。
本发明可与任意类型的CSF再生催化剂一起使用。这些催化剂是众所周知的。更具体地，并且仅通过举例，该催化剂可表现为胶态分散体的形式。该胶态分散体的胶体可以是基于选自元素周期系中IIA、IVA、VIIA、VIII、IB、IIB、IIIB和IVB族的稀土元素和/或金属的化合物。
它们可更具体地为基于铈和/或铁的化合物。
也可能使用包含去污剂组合物的胶态分散体。
这里参考的元素周期系是法国化学学会通报第一期（French ChemicalSociety Bulletin No.1）（1966年1月）的增刊中所公布的。
通过胶态分散体的例子，可以提及那些在专利申请EP671205、WO97/19022、WO01/10545和WO03/053560中所描述的，后两者特别地描述分别基于铈和基于铁的化合物分散体，这些分散体也包含两亲剂。
可以提及申请WO2010/150040，其中描述了基于铁的化合物、两亲剂和包含季铵盐的去污剂组合物的胶态分散体。
所述季铵盐可为下述和反应的产物：
(i)至少一种可能包含以下项的化合物：
(a)烃基取代的酰化剂和具有一个氧原子或氮原子能够缩合该酰化剂的化合物的缩合产物，该缩合产物具有至少一个叔胺基；
(b)具有至少一个叔胺基的聚烯烃取代的胺；
(c)具有至少一个叔胺基的曼尼希反应产物，该曼尼希反应产物源自烃基取代的酚、醛和胺；
(ii)适用于将该化合物(i)的叔胺基转化为季氮的季铵化剂。
该季铵化剂可包括二烷基硫酸酯、苄基卤化物、烃基取代的碳酸盐；与酸结合的烃基取代的环氧化物，或其混合物。
催化的PFs也是众所周知的。例如它们通常包括基于选自铂或铂族的金属比如钯的至少一种金属的催化剂。铂与这些金属或甚至这些金属彼此之间的组合当然是可能的。
催化剂的金属可被并入过滤器中或以一种已知的方式应用至过滤器。例如它可被包括在涂层（载体涂料）中应用至过滤器。该载体涂料可选自氧化铝、二氧化钛、氧化硅、尖晶石、沸石、硅酸盐、结晶的磷酸铝或其混合物。更具体地可使用氧化铝。该载体涂料也可包含能够直接地或间接地帮助烟灰的燃烧的可还原材料。通过举例可提及基于铈氧化物比如褐帘石、基于铈和锆的混合氧化物，可能有掺杂，或甚至锰的氧化物的材料。
若PF催化剂是帮助烧掉烟灰的催化剂，那么该催化剂因此在过滤器中以相对低的量，即通常最多70g/英尺3（2.5g/dm3）的数量存在。该量是以元素金属的质量，例如铂的质量，相对于PF的体积的方式表达。该量可更具体地最多为60g/英尺3（2.1g/dm3）并且仍更具体地为最多为50g/英尺3（1.8g/dm3）。
燃料中再生催化剂的质量浓度，特别是当其为胶态分散体的形式时，将有利的包括在0和30ppm之间，该含量表达为元素金属的形式，比如铁在基于铁的胶态分散体的情况下。由发动机排放的烟灰中催化剂含量，表达为元素金属的质量，可包括在0和8%之间，取决于燃料的再生催化剂含量、车辆的燃料消耗和其烟灰的产量。
当实施本发明的方法时，车辆将在包含可变的含量的再生催化剂的燃料上运行，该含量将可能在一定期间内为零。由发动机产生的烟灰或多或少地富含积极参与再生CSF的元素，这取决于燃料中添加剂的程度。
因此，CSF将可替代地负载有包含不可变或可变的浓度的再生催化剂添加剂的烟灰。在周期性的CSF再生期间使用的燃料可包含或可不包含添加剂。
然后在车辆ECU的控制下采用传统的方式使用由制造商选择的技术进行再生。
本发明的优势是可通过简易的系统将添加剂引入到燃料中，该系统比已知的更低廉，并且其计量策略更简单，并且可更快速地安装到车辆上。特别的优选给予如下的系统：该系统不要求与车辆的中心控制系统ECU相接，因为这样使得将其安装到车辆上更为简单。
下文中将给出随着时间推移，允许引入数量不同并变化的添加剂的简单实施例。
第一个实施例涉及加入一定剂量通常为液态的添加剂，人工倒入车辆燃料储箱中。计算添加剂的剂量，使得在再生CSF中有效的物质的含量足够高，以促进CSF中捕获的烟灰的燃烧。通过举例，一种基于铁颗粒的胶态悬浮体的添加剂，比如专利申请WO2010/150040的实施例3中的分散体C，在人工施用添加剂之后，燃料的元素铁含量可有利的包括在以金属铁的质量表达的2和30ppm之间，更具体地在以金属铁的质量表达的5和20ppm之间。
这种简单的手段允许当需要时将添加剂加入到燃料中：特别地以一个规则的频率，例如当车辆主要在城镇中使用时，通过每1000至3000km加入添加剂。这种手段也可用于当车辆仪表板指示灯发出污染降低装置出错的信号时。
图1图解了当一定剂量的添加剂被在此情况下每2200km（或运转44小时）人工地有规律地加入到罐中时，燃料中再生催化剂浓度曲线的一个实例。该实例考虑固定的6l/100km的燃料消耗，固定的50km/h的速度，于是固定的3l/h燃料消耗。典型的，一旦加入一定剂量的添加剂（事件1，图中表示为Ev1：在储箱中存在的40升的燃料中，再生催化剂的体积可能达到15ppm的金属铁的含量），铁含量大幅度地增加，在这样的情况下由0达到15ppm。随着时间的推移，直到燃料被加入到罐中，铁含量是恒定的，这导致了在剩下的包含添加剂的燃料的体积和加入的燃料的体积（因此其不包含添加剂）中铁的浓度以相应的比例稀释（事件2，表示为Ev2：40L燃料（不包含添加剂）加入到罐中剩下的20L燃料中）。该事件在该实例中重复四次。每一次添加，铁浓度按比例降低。
该图也表明CSF再生的周期（由图中星形识别）–再生发生在有规律的700km的间隔，即每运行14小时。应该注意到，例如对应于第一次再生CSF的烟灰负载的发生，其中车辆50%的时间用一种不包含添加剂的燃料运转并且50%的时间用一种加入按重量计15ppm的铁的燃料运转。下文的实施例1在这些填充条件下通过实施一种CSF再生发动机测试显示了将具有的好处。
因此，应注意到对带有烟灰的CSF的填充用添加剂浓度可变化的燃料来进行并且可通过使用涉及在此情况下每2200km（44小时）人工倒入一定剂量的添加剂至储箱内的一种非常简单的系统获得好处。
另一个实施例可用于通过用一种简单的和自动的手段装配车辆，即不连接至车辆的中心ECU，以便引入再生催化剂的手段。该手段在于可加入一个小的FBC储箱，典型地为1l或更小以及一种允许给定量的添加剂以规则的间隔注入到燃料储箱的计量泵。通过与现有的系统进行比较，因为注入的量是固定的，该泵可以是更简单并且因此更廉价的。因为泵可以被编程以便例如以规则的间隔（以时间为间隔比如每5至10小时，和/或以距离为间隔比如每1000至3000km）注入，不要求与ECU相接。位于泵上的局部的设备，比如动力应用或GPS芯片可通知该泵车辆正在行驶或可提供车辆所走过的距离。
现在给出各实例。
实例1
由大众汽车集团（le groupe Volkswagen）提供的柴油机（4汽缸、2升、空气冷却的涡轮增压、81kW）用在一个发动机试验台上。安装在下游的排气管是一种由包含基于铂和基于氧化铝的载体涂层的氧化催化转化器组成的商用管，接下来是一种包含基于铂和基于氧化铝的载体涂层的商用CSF（总过滤器体积为3L）。
使用的燃料为根据标准EN590DIN51628的商用燃料，其包含少于10ppm的硫和包含按体积计7%的FAME或脂肪酸甲基酯。当使用一种FBC再生催化剂时，已经对其添加燃料，FBC添加剂的量使得可能实现以相对于燃料的质量按质量计ppm形式表达的不同金属铁含量。使用的FBC添加剂是基于铁颗粒的胶态分散体的添加剂，比如专利申请WO2010/150040的实施例3的分散体C，该添加剂的元素铁的含量是按金属铁的质量计4.3%。
直接在有机液体中使用X-射线荧光技术来监测包含添加剂的燃料的铁含量。
该测试在两个连续的步骤中进行：CSF烟灰填充步骤，接着为再生CSF的步骤。对于不同的测试这两个步骤的条件是严格相同的，不同的是使用的燃料的种类（是否包含添加剂）。
通过以3000revs/min（rpm）的速度和使用45Nm的转矩运行发动机来进行填充阶段大约6小时。当CSF负载有12g的微粒（或烟灰）时，停止填充阶段。该阶段期间，CSF上游气体的温度是230°C至235°C。在这些条件下，微粒排放量是约2g/h。
在该填充阶段之后，去除CSF并且称重，以便检查在该阶段期间其已经负载的微粒的质量。
然后将CSF在试验台上整修并且通过返回至填充运行条件（3000rpm/45Nm）30分钟的发动机来加热。然后改变发动机条件（扭矩80Nm/2200rpm）并且发动机中心控制单元（ECU）监控后注入，允许CSF上游的温度升高至500°C并且开始再生。这些条件保持60分钟，从后注入的开始起测量该时间。
在所有的情况下，用于再生的燃料对应于CSF填充阶段最后使用的燃料。
通过两个参数测量CSF再生的效果：
-再生期间烧掉的烟灰的质量，从填充前（Mo）、填充后（Mc）和再生结束时（Mr）CSF的称重计算。如下表达60分钟的再生之后烧掉的烟灰的%：
烧掉的烟灰的总%=(Mc-Mr)/(Mc-Mo)*100
-在再生的任意时刻t燃烧的烟灰的质量由在每个时间点横跨CSF的压降的变化，DPt，来计算，认为在再生开始时的压降（DPc）对应于负载有烟灰质量（Mc-Mo）的CSF的压降并且60分钟之后的压降（DPr）对应于负载有尚未燃烧的烟灰（Mr-Mo）的CSF的压降。
燃烧的烟灰的%(t)=((DPc-DPt)/(Dpc-Dpr))*燃烧的烟灰的总%
通常，这些参数越高，再生越有效。
在CSF填充期间，使用不同的燃料进行不同的测试。
进行三个对比测试（不根据本发明），使用一种不包含添加剂的燃料（测试1）或在整个填充和CSF再生期间使用一种加入添加剂的燃料（测试10，燃料添加剂含量为15ppm的铁，以及测试11，燃料添加剂含量为3ppm的铁）。
进行8个测试（根据本发明），在CSF填充开始时使用一种不包含添加剂的燃料（燃料1号），然后在填充结束时一种包含添加剂的燃料（燃料2号）（测试2至5和8至9），或者，以相反的顺序，即在填充的开始为包含添加剂的燃料，接着为不包含添加剂的燃料（测试6至7）。
每一个测试代表有或没有包含添加剂的燃料的相应的填充时间，或燃料中包含的FBC添加剂的量的变化。
表1比较在CSF再生期间获得的结果，表达为总的，即在再生时期结束时（1小时）或再生开始时（20分钟），燃烧的烟灰的%。
在每一个时间点，同通过计算不包含添加剂的燃料的CSF的效果（测试1）与负载包含添加剂的燃料的CSF的效果（测试10）的平均值获得的理论效果进行比较。
表1：使用不同燃料的CSF再生发动机测试的结果
Figure BDA0000400921170000131
*对照测试不根据本发明
**E=实验的Th=理论的
***表达为相对于总的过滤器填充时间的%
首先，应该注意到遍及CSF填充期间将FBC添加至燃料（测试10和11），使得再生的效果显著增加，因为该再生在500°C下20分钟之后几乎是完全的（88%至90%燃烧的烟灰），铁浓度（3至15ppm）对再生几乎无影响。
相反地，当使用不包含添加剂的燃料时（测试1），再生是不完全的（1小时之后为60%）并且也更慢地进行（20分钟之后为39%再生）。
使用不包含添加剂的燃料，并且接着包含添加剂的燃料的替代方案来填充CSF（或反之亦然），使得CSF的效果显著增加。
50%的时间用包含15ppm铁的添加剂的燃料填充（测试2或6）使得在测试的终点可能实现几乎全部（85%至87%）的再生并且在20分钟之后再生进展很大（72%至80%）。
出乎意料地发现，当考虑到引入的FBC和不包含添加剂的燃料的贡献时，观察的实验值显著高于理论值。
测试2代表在图1中对于其第一次再生时填充CSF描述的CSF填充条件。
无论CSF用包含一种添加剂的燃料填充的时间的比例如何（15%至50%）以及无论包含添加剂的燃料使用的顺序如何（不论这是在填充时期的开始或结束使用），这些结论都是有效的。
而且，可见如测试8和9中所图解的，燃料中的非常少量的FBC可看到有益的协同效果。
实例2
使用如实施例1中所描述的相同方案和相同的设备进行另一系列的CSF再生发动机测试。
此处，填充CSF，同时更频繁地改变燃料中FBC（与在实施例1中相同的）的浓度。
因此，使用表2中描述的燃料顺序实施CSF填充。
表2
Figure BDA0000400921170000151
*对照测试不根据本发明
表3比较CSF再生过程中获得的结果，表达为总的，即在再生时期结束时（1小时）或再生开始时（20分钟），燃烧的烟灰的%。
表3
应注意到，通过与使用不含添加剂的燃料填充CSF的再生（测试1）比较，添加FBC添加剂至燃料（测试10、12和13）使得效果增加（几乎全部再生并且改进再生动力学）。随着时间的推移添加不同剂量的添加剂，包括结合没有添加剂被加入到燃料的时期（测试12和13）产生如使用燃料相同的结果，优选地随着时间的推移控制添加剂的含量（测试10）。

Claims (10)

1.一种用于操作车辆的内燃机的方法，该车辆配备有包含催化式微粒过滤器的排气系统，其中该发动机被供应一种包含用于使该微粒过滤器再生的催化剂的燃料，其特征在于该燃料中的催化剂浓度不连续地变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该微粒过滤器填充期间，该燃料中的催化剂浓度仅变化一次，使得其升高。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该微粒过滤器填充期间，该燃料中的催化剂浓度变化数次，使得其升高。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于在该微粒过滤器填充期间，该燃料中的催化剂浓度变化一次或数次使得其降低。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该微粒过滤器填充期间，该燃料中的催化剂浓度变化数次使得其升高或降低。
6.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使该微粒过滤器再生的该催化剂为胶态分散体的形式。
7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于，该胶态分散体的胶体是基于选自元素周期系中IIA、IVA、VIIA、VIII、IB、IIB、IIIB和IVB族的稀土元素和/或金属的化合物。
8.如权利要求7中所述的方法，其特征在于，该胶态分散体的胶体是基于铈和/或铁的化合物。
9.如权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，该胶态分散体包含去污剂组合物。
10.如权利要求8或9中所述的方法，其特征在于，该胶态分散体是基于铁的化合物、两亲剂和包含季铵盐的去污剂组合物。
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