CN104884752A - Scr废气后处理设备以及配备该设备的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(12)的废气的后处理的废气后处理设备(14)包括：SCR催化器(26)，其包括设置在通流基质上的SCR催化的涂层用于当废气中存在配量输入的还原剂时选择性地还原氮氧化物(NOX)，以及连接在SCR催化器(26)之后的SCR颗粒过滤器(28)，其包括设置在颗粒过滤器基质上的SCR催化的涂层用于当废气中存在配量输入的还原剂时选择性地还原氮氧化物(NOX)。本发明还涉及一种具有内燃机(12)以及这种废气后处理设备(14)的机动车。

Description

SCR废气后处理设备以及配备该设备的机动车
本发明涉及一种按照选择性催化还原的原理发挥功能的、用于对内燃机的废气进行后处理的废气后处理设备以及一种具有这种废气后处理设备的机动车。
持续或间或地以稀燃的空气燃料混合物工作的内燃机会产生氮氧化物NOX(主要是NO2和NO)，因此需要NOX-还原措施。用于降低废气中NOX原始排放的发动机技术的措施提供了一种废气回收，其中内燃机的废气的一部分被回收返回到燃烧用空气中，由此燃烧温度被降低并且因此降低NOX的产生。但是废气回收并非总是足够保持法律上的或规定上的NOX极限值，因此额外需要主动的废气后处理，其通过将NOX催化还原成N2而降低NOX的最终排放。已知的NOX废气后处理提供了NOX存储催化器的使用，该NOX存储催化器在稀燃运行(λ>1)中以硝酸盐形式存储氮氧化物，并且在具有富燃的废气环境(λ<1)的较短的时间间隔中使存储的氮氧化物脱附并且当在富燃的废气中存在还原剂时使氮氧化物还原为氮气N2。
作为用于转化在稀燃情况下运行的内燃机的废气中的氮氧化物的其他方法已知使用催化系统，该催化系统按照选择性催化还原(SCR)的原理工作。这种系统包含至少一个SCR催化器，其在输入废气中的还原剂(通常是NH3)在场时选择性地将废气中的氮氧化物转化为氮气和水。在此，氨气可以由含水的氨气溶液配量输入废气流中，或从先导化合物、例如水溶液或固体颗粒形式的尿素中通过热分解和水解获得。在机动车中一种新的用于氨气存储的方法提供了氨气存储材料，其根据温度可逆与氨气化合。由此在这种背景下已知金属氨气存储物，例如MgCl2，CaCl2和SrCl2，其将氨气以复合化合物形式存储，用于产生例如MgCl2(NH3)X，CaCl2(NH3)X或SrCl2(NH3)X。通过输入热量可以再次从这些化合物中释放氨气。
此外已知一种装置，其中SCR催化器设置在颗粒过滤器的下游，通常在车辆的底板位置上。与所有的废气催化器一样，SCR催化器也需要专属的起燃温度(Light-off-Temperatur/Anspringtemperatur)用于产生足够的转化功率。根据SCR催化器的涂层在催化器中通常需要至少150℃的废气温度。因此底板-SCR催化器通常需要附加的加热措施，这导致了不期望的燃料消耗增加以及因此导致CO2排放增大。
为了将温度损失最小化还已知一种SCR催化器的靠近发动机的布置方式，尤其通过将SCR催化的涂层集成在颗粒过滤器中。这种SCR催化的涂层的颗粒过滤器(也称为SCR颗粒过滤器、SCR/PF或SPF)由此综合了粗颗粒的阻隔以及氮氧化物通过选择性消耗还原剂的催化还原的功能。通过靠近发动机布置SCR催化器或SCR/PF可以实现这些部件快速加热到其工作温度。这正好实现了还原剂配送的提前释放并且进而在整个工作循环中实现了更好的NOX转化。但是由于过滤器的较大的基质长度，在颗粒过滤器基质上的温度梯度相对于在通流基质(Durchflusssubstrat)上的温度梯度是较大的，这对于NOX转化产生不利影响。在个别情况中在颗粒过滤器的下部区域中的基质温度能够这样的低，使得在那仅能实现很低的转化率。此外颗粒过滤器基质的具有SCR催化材料的涂层相对于通流基质(蜂窝滤芯)的涂层被限制在较低的涂层量上，因此在颗粒过滤器上的废气背压(Abgasgegendruck)移动至可接受的范围。因此SCR颗粒过滤器的NOX效率被限制并且仍然需要后接的SCR催化器，尤其在机动车的底板位置上的SCR催化器。后接的SCR催化器还用于阻止发动机附近的SCR设备的还原剂脱落物的泄漏。
US 2008/0060348 A1描述了一种废气设备，其具有两个前后相继连接的SCR催化器以及设置在它们之间的颗粒过滤器。通过相应地选择两个SCR催化器的催化的SCR涂层，上游的SCR催化器具有比下游的SCR催化器更低温度的温度窗口(Temperaturfenster)。在备选的技术方案中US2008/0060348A1推荐，配备具有催化的SCR涂层的颗粒过滤器并且由此省去了上游的第一SCR催化器。
由DE 10 2010 026 890 A1已知一种柴油发动机的废气设备，其具有第一“SCR催化器”(HC-SCR催化器)，其在烃存在时还原氮氧化物，所述烃通过燃料配量输入废气流中。在HC-SCR催化器之后连接氧化催化器、第二SCR催化器(NH3-SCR催化器)并且在其后连接柴油颗粒过滤器。NH3-SCR催化器的SCR催化涂层位于通壁过滤器基质上。
DE 10 2010 039 972 A1描述了一种装置，其中在第一氧化催化器之后连接SCR/DPF，以及在其下游连接SCR催化器以及可选地连接第二氧化催化器。
全部上述系统共同之处在于，它们具有在颗粒过滤器基质上的SCR催化器(SCR/PF)，该SCR催化器具有后接的在通流基质上的SCR催化器。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种废气后处理设备，其可以进一步降低NOX排放，而不具有在燃料消耗或CO2排放方面的缺点。此外还提供一种相应的机动车。
所述技术问题通过具有独立权利要求特征的废气后处理设备以及机动车解决。本发明其他优选的结构设计由从属权利要求的技术方案得出。
按照本发明的用于内燃机的废气的后处理的废气后处理设备包括：
-SCR催化器，它包括设置在通流基质上的SCR催化的涂层、用于当存在为废气配量输入的还原剂时选择性地还原氮氧化物NOX，以及
-SCR颗粒过滤器(SCR-PF)，它包括设置在颗粒过滤器基质上的SCR催化的涂层、用于当存在为废气配量输入的还原剂在场时选择性地还原NOX。
其中SCR颗粒过滤器连接在SCR催化器之后。
对比已知的SCR废气后处理设备，按照本发明SCR催化器连接在SCR颗粒过滤器之前，并且因此位于更接近发动机的位置上。通过SCR催化器在SCR颗粒过滤器之前设置在发动机附近，则由于在SCR催化器的通流基质中较小的温度梯度，可以改善SCR催化器的转化功率。这尤其在废气温度较低时发生，例如在内燃机冷启动之后。按照本发明的布局还允许减少或者甚至取消SCR催化器的加热措施，由此实现燃料优化以及较少的CO2排放。
前置的SCR催化器还导致了废气的NOX分子和SCR催化涂层的活性核心之间的接触时间的改善，这同样导致了在较低温度下的NOX转化。因为前接的SCR催化器的通流基质与SCR颗粒过滤器的颗粒过滤器基质相比允许具有在基质体积方面更高的SCR涂层数量，所以整个废气后处理设备的废气背压(Abgasgegendruck)在SCR催化的涂层的整体数量相同时与单个SCR颗粒过滤器相比被降低。同时，在相同的涂层数量的情况下，与没有前接SCR催化器的单个SCR颗粒过滤器相比，NOX排放更少。此外SCR颗粒过滤器的SCR涂层由于很高的温度在蓄热运行中的炭黑燃尽过程中经历很高的热的老化过程，这导致了NOX转化变差。通过前接的SCR催化器可以补偿SCR颗粒催化器的NOX活性的损失。
在本发明的框架内，通流基质理解为一种催化器载体，它包括从流入端侧至流出端侧不间断的、连续的流体通道，它们尤其相互平行地布置。在此通流基质指的是陶瓷的石料或者金属的催化器载体。相应地，颗粒过滤器基质理解为一种载体，它的流体通道被封闭。颗粒过滤器基质可以设计为所谓的通壁过滤器(Wandstromfilter)，其平行的流体通道交替地在进口侧或出口侧封闭。在此在出口侧封闭的流体通道与进口侧封闭的流体通道相邻地设置并且反之亦然。流入出口侧封闭的流体通道的废气因此强制地穿过侧向的通道壁，用于到达在进口侧封闭的流体通道并且离开过滤器。因此废气的颗粒状组成部分尤其炭黑颗粒被阻隔在多孔的通道壁中。颗粒过滤器基质通常由陶瓷材料制成。
在本发明一种优选的结构设计中，至少SCR催化器设置在靠近发动机的位置上。通过这种方式可以在发动机冷启动后快速地达到SCR催化器的起燃温度并且避免催化器在运行中的冷却。这使得可以取消附加的用于专门向催化器输入热量的加热措施。在此，靠近发动机的布置理解为在废气通道内部的位置，该位置在车辆的底板位置的上游。尤其发动机附近的SCR催化器被这样设置，使得废气后处理设备的排气歧管的汽缸侧的输入口和SCR催化器的流入端侧之间的间距最大为100cm，优选最大为80cm。在特殊的实施形式中，这种间距甚至可以减小到最高70cm。在此测量在废气流过路径上的间距，也就是废气在排气歧管的汽缸侧的进口和SCR催化器的流出端侧之间经过的路程。
在本发明另一种优选的实施形式中，后接的或后置的SCR颗粒过滤器也可以设置在靠近发动机的位置上，其中，在这种情况中排气歧管的汽缸侧的输入口和SCR颗粒过滤器的流入端侧之间的间距最大为120cm，优选最大为100cm。
按照一种优选的结构设计，SCR催化器具有比后接的SCR颗粒过滤器更小的体积。通过这种措施可以在冷启动之后实现SCR催化器特别快速的起燃(Anspringen)。SCR催化器的体积尤其最高为SCR颗粒过滤器的体积的75％，优选最高是60％。
此外优选规定，SCR催化器与SCR颗粒过滤器相比在单位基质体积下具有至少相同的或更大的SCR催化涂层的数量。该实施形式考虑到这种情况，即通流基质比过滤器基质每基质体积具有更高的涂层数量，而不引起在基质上的不允许的废气背压。通过SCR催化器尽可能大数量的SCR催化涂层可以保持特别小的催化器体积。SCR催化器的SCR催化涂层的数量比SCR颗粒过滤器的大至少1.2倍、优选大至少1.5倍。
按照本发明另一种优选的结构设计，SCR催化器的通流基质具有比SCR颗粒过滤器的颗粒过滤器基质更大的腔室数(腔室密度)。通过SCR催化器的较大的腔室(Zell)数可以实现流体通道的腔室比的更大的表面积，由此能够容纳相对较多数量的SCR涂层。通流基质尤其具有比颗粒过滤器基质的腔室数大至少1.1倍、优选至少1.2倍的腔室数。
SCR催化器的通流基质的腔室数尤其至少为300cpsi(每平方英寸的腔室数，cells per square inch)，优选至少350cpsi并且特别优选至少650cpsi。相应地，SCR颗粒过滤器的颗粒过滤器基质尤其具有至少250cpsi、优选至少300cpsi和特别优选至少350cpsi的腔室数。
此外SCR涂层的通流基质具有比SCR颗粒过滤器的颗粒过滤器基质更小的壁厚。通流基质的壁厚优选是最大6mil(1mil＝1/1000inch＝0.0254mm)，优选最高为5.5mil，特别优选最高为5mil。相应地颗粒过滤器基质的优选壁厚为最高30mil，尤其最高为15mil和特别优选最高13mil。
在一种优选的实施形式中，颗粒过滤器基质的多孔性最大为65％，尤其最大为61％。平均的孔半径优选小于等于25μm，尤其小于等于20μm。
SCR催化器和SCR颗粒过滤器按照本发明的实施形式设置在分离的、前后相继连接的壳体中。但是，按照一种优选实施形式，SCR催化器和SCR颗粒过滤器也可以设置在共同的壳体中，因为由此产生另外的温度优点以及更小的废气背压。
在本发明一种优选的结构设计中，废气后处理设备还包括还原剂配量设备，其设置用于从SCR催化器的上游将还原剂或还原剂的先导化合物配量输入废气中。在此涉及的是共同的配量设备，既用于SCR催化器也用于后接的SCR颗粒过滤器。
配量输入的还原剂优选是氨气NH3或者氨气的先导化合物，其中在此尤其考虑尿素。尿素能够以固体尿素颗粒的形式，但是优选以尤其含水的尿素溶液的形式被使用。配量输入的尿素通过热分解和水解反应以释放NH3。原理上在本发明的范围中，还原剂氨气也可以通过NH3存储材料被存储，氨气可以根据温度可逆的化合或释放。相应的金属氨存储物如前所述。
按照本发明另一种优选的实施形式，废气后处理设备还具有氧化催化器。该氧化催化器优选设置在SCR催化器的上游。由此可以实现，废气的NO2/NO比例被增大，由此实现后接的SCR部件的更好的NOX转化功率。此外，如果氧化催化器连接在还原剂配量设备之后，它还会导致在还原剂进入SCR催化器之前输入废气中的还原剂的更好的均匀性。
本发明还涉及一种机动车，其具有驱动机动车的内燃机以及按照本发明的废气后处理设备。
内燃机指的是持续地或至少有时稀燃工作的内燃机，尤其是柴油机。原理上按照本发明的废气后处理设备也可以有利地用于有时稀燃工作的汽油机，尤其是分层进气式汽油机。
以下在实施例中结合附图进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出按照本发明第一技术方案的废气后处理设备的示意图；
图2示出按照本发明第二技术方案的废气后处理设备的示意图；和
图3示出内燃机的NOX原始排放以及在按照本发明的废气后处理设备中的NOX最终排放的时间曲线，其具有带有前接SCR催化器的SCR颗粒过滤器(虚线)以及没有前接SCR催化器的对比系统(实线)的组合。
在图1中示出整体上标以10的机动车，该机动车通过至少部分时间稀燃运行的内燃机12、尤其是柴油机作为牵引源驱动。内燃机12在此例如具有四个汽缸，其中任意的、与此不同的汽缸数目也是可行的。
机动车10还具有按照本发明的、整体上标以14的废气后处理设备，用于内燃机12的废气的催化的后处理。废气后处理设备14包括排气歧管16，该排气歧管将内燃机12的汽缸的各个汽缸排气口与废气管道18相连。废气管道18具有靠近发动机的部段20以及底板部段22，该底板部段在此被缩短地显示并且在未示出的排气管处终结。
在排气歧管16的下游将氧化催化器24设置在废气管道18中。氧化催化器24具有通流基质，该通流基质被涂以催化涂层，该催化涂层将废气成分中的氧催化。这种设计尤其适用于将未燃烧的烃HC和一氧化碳CO转化为CO2和H2O。此外，配置氧化催化器24的催化涂层，用来将NO和N2O氧化为NO2，以便扩大NO2/NO的比例值。氧化催化器24的催化涂层包含了尤其作为催化成分的、铂族金属Pt、Pd、Rh、Ru、Os或Ir中的至少一种元素或它们的组合，尤其Pt和/或Pd。催化涂层还包括中间层，该中间层包括带有较大特殊表面的多孔的陶瓷基底，例如基于沸石，基质中掺以催化成分。氧化催化器24的通流基质指的是金属基质或陶瓷的石料，尤其具有配备多个贯穿的、平行的流体通道的蜂窝结构。适用的陶瓷材料包括氧化铝、堇青石、莫来石和碳化硅。适用的金属基质例如由不锈钢或铁铬合金制成。
在氧化催化器24的下游、在废气管道18的靠近发动机的部段20中设置SCR催化器26。SCR催化器26和氧化催化器24一样具有基于金属或陶瓷、优选基于陶瓷的通流基质。适用的陶瓷或金属材料对应于与氧化催化器相关的描述。SCR催化器26的通流基质具有优选大于350cpsi的腔室数和小于等于5.5mil的壁厚。SCR催化器26的通流基质的贯穿的和平行的流体通道的壁被涂以催化涂层。该催化涂层还是包括具有较大特殊表面的、由多孔的陶瓷基底构成的中间层(例如基于铝硅的沸石)和在催化涂层上分布设置的催化的基质。适用的SCR催化基质尤其包括普通金属、例如Fe、Cu、Va、Cr、Mo、W以及它们的组合。它们在沸石上离析和/或沸石金属通过离子交换部分地被相应的普通金属替换。
在SCR催化器26的下游、同样在废气通道18的靠近发动机的部段20中设置SCR颗粒过滤器28。SCR颗粒过滤器具有颗粒过滤器基质，该过滤器指的是壁通过滤器。这种过滤器具有平行的流体通道，所述流体通道交替地在进口侧和出口侧被封闭。颗粒过滤器基质由多孔的陶瓷材料构成，例如堇青石、α氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锌、莫来石、锂辉石、氧化铝-氧化硅-氧化镁或硅酸锆。颗粒过滤器基质的腔室数优选大于等于300cpsi，其中所述腔室数至少比SCR催化器26的通流基质的腔室数小1.1倍。颗粒过滤器基质的壁厚优选最大为15mil并且在平均孔径小于等于20μm时具有小于等于61％的孔隙度。颗粒过滤器基质的流体通道涂以SCR催化的涂层，该涂层原理上具有与SCR催化器26的涂层相同的化学组分。但是SCR颗粒过滤器28的催化涂层在基质体积的数量方面小于SCR催化器26的催化涂层，尤其至少小1.5倍。SCR颗粒过滤器28的颗粒过滤器基质可以全部地或仅部分地、例如仅在进口侧的部段中涂以SCR催化涂层。
SCR催化器26以及SCR颗粒过滤器28设置在靠近发动机的位置中。排气歧管16的汽缸侧的进口和SCR催化器26的流入端侧之间的间距D最大为80cm。实际的、由废气经过的路径对于测量这种间距D是决定性的(间距D在此简化地示出)。
在图1所示的实施形式中，SCR催化器26以及SCR颗粒过滤器28设置在共同的壳体30中，该壳体具有圆锥形的、沿废气流动方向扩宽的进口喇叭管和圆锥形的缩窄的出口喇叭管，通过它们壳体与废气管道22相连。
废气后处理设备14还具有还原剂配量设备32，借助该还原剂陪量设备还原剂或还原剂的先导化合物被配量输入废气中。还原剂例如借助喷嘴在SCR催化器26的上游被加入废气流中。还原剂典型地是指氨气NH3，其以先导化合物的形式、尤其以尿素的形式被配量输入。水溶液形式的尿素优选从未示出的存储器中被供给和配量输入。通过热分解和水解，尿素在热的废气中被分解为NH3和CO2。
还原剂通过配量设备32的配量输入通常通过在此未示出的控制器来实现，该控制器根据发动机12的运行点、尤其根据废气的当前NOX浓度控制设备32。为了控制的目的，废气后处理设备14还可以具有各种废气和温度传感器，例如在SCR部件26/28上游和/或下游的NOX传感器。
图2示出按照本发明的第二技术方案的废气后处理设备14。在此一致的构件标以和图1一样的附图标记并且不再详细阐述。
与图1所示的实施形式不同的是，在图2中SCR催化器26和SCR颗粒过滤器28分离地、分别设置在自身的壳体30中。
此外的、在此未示出的废气后处理设备14的实施变型规定氧化催化器24设置在还原剂配量设备32的下游。此外可以设有其他的废气后处理部件，例如在废气通道18的底板位置22上设有其它的废气后处理部件。
图3示出了按照时间t变化的废气的累积NOX排放，它在发动机在时刻t0冷启动之后在标准的测试循环中被测量(在此是NEFZ)。其中一方面按照图1的按照本发明的废气后处理设备14的NOX排放被测量(虚线2和4)，以及具有SCR颗粒过滤器28、但是没有前接的SCR催化器26的对比系统的NOX排放被测量(实线1和3)。其中对比试验的SCR颗粒过滤器的催化涂层的总量等于按照本发明装置的SCR催化器26和SCR颗粒过滤器28的催化涂层的和。曲线1和2分别示出NOX原始排放，也就是原始废气中的由内燃机12产生的NOX排放。曲线3和4分别示出在SCR颗粒过滤器下游测量的NOX最终排放。
直至时刻t1，NOX排放的曲线(3和4)相当于NOX原始排放1,2。直至该时刻，SCR催化涂层各自仍未达到其起燃温度，因此没有发生值得注意的NOX转化。自时刻t1起达到SCR成分的起燃温度，因此NOX最终排放3和4明显低于NOX原始排放1,2。在继续进行中，最终排放的曲线3和4也开始分离，其中按照本发明的废气后处理的NOX最终排放明显低于对比系统的。由此可见，尽管催化材料的数量相同，按照本发明的废气后处理设备具有更好的NOX转化。
附图标记清单
10  机动车
12  内燃机
14  废气后处理设备
16  排气歧管
18  废气通道
20  靠近发动机的部段
22  底板部段
24  氧化催化器
26  SCR催化器
28  SCR颗粒过滤器
30  壳体
32  还原剂配量设备

Claims (9)

1.一种用于内燃机(12)的废气的后处理的废气后处理设备(14)，包括：
-SCR催化器(26)，它包括设置在通流基质上的SCR催化的涂层，用于当存在为废气配量输入的还原剂时选择性地还原氮氧化物(NOX)，以及
-连接在SCR催化器(26)之后的SCR颗粒过滤器(28)，该SCR颗粒过滤器包括设置在颗粒过滤器基质上的SCR催化的涂层，用于当存在为废气配量输入的还原剂时选择性地还原氮氧化物(NOX)。
2.按照权利要求1所述的废气后处理设备(14)，其中，至少SCR催化器(26)尤其这样地设置在靠近发动机的位置上，使得在排气歧管(16)的汽缸侧的输入口和SCR催化器(26)的流入端侧之间的间距(D)最大为100cm，优选最大为80cm。
3.按照权利要求1或2所述的废气后处理设备(14)，其中，SCR催化器(26)具有比所述的SCR颗粒过滤器(28)更小的体积，所述的SCR催化器的体积尤其最高为SCR颗粒过滤器(28)的体积的75％，优选最高是60％。
4.按照前述权利要求中任一项所述的废气后处理设备(14)，其中，SCR催化器(26)与SCR颗粒过滤器(28)相比在单位基质体积下具有至少相同的或更大的SCR催化涂层数量，尤其是至少1.2倍、优选1.5倍的更大数量的SCR催化涂层。
5.按照前述权利要求中任一项所述的废气后处理设备(14)，其中，SCR催化器(26)的通流基质具有比SCR颗粒过滤器(28)的颗粒过滤器基质更大的腔室数，通流基质尤其具有比SCR颗粒过滤器(28)的颗粒过滤器基质的腔室数大至少1.1倍、优选至少1.2倍的腔室数。
6.按照前述权利要求中任一项所述的废气后处理设备(14)，其中，SCR催化器(26)和SCR颗粒过滤器(28)设置在共同的壳体(30)中。
7.按照前述权利要求中任一项所述的废气后处理设备(14)，其中，所述废气后处理设备还包括还原剂配量设备(32)，它设置用于在SCR催化器的上游将还原剂或还原剂的先导化合物配量输入废气中。
8.按照前述权利要求中任一项所述的废气后处理设备(14)，其中，所述废气后处理设备还包括氧化催化器(24)，它优选设置在SCR催化器(26)的上游。
9.一种机动车(10)，具有内燃机(12)以及按照权利要求1至8中任一项所述的废气后处理设备(14)。
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