CN105715336A

CN105715336A - 废气后处理系统和用于对内燃机进行废气后处理的方法

Info

Publication number: CN105715336A
Application number: CN201510949790.2A
Authority: CN
Inventors: F-J.特龙佩特; M.格勒克勒
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-06-29
Also published as: DE102014226652A1

Abstract

在用于特别是至少部分设置用于燃烧含甲烷的气体的内燃机（10）的废气后处理系统中，废气后处理系统包括至少一个甲烷氧化催化装置（13）。按照本发明，在废气后处理系统中还设置至少一个用于在废气中产生等离子体的装置（12）。

Description

废气后处理系统和用于对内燃机进行废气后处理的方法

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的废气后处理系统，所述内燃机尤其至少部分设置用于燃烧含甲烷的气体，以及还涉及一种用于废气后处理的方法。

背景技术

已知若干内燃机，其既可以用含甲烷的气体，例如天然气或甲烷，也可以用由燃气和其它燃料、例如柴油燃料构成的混合物运行。

纯粹的燃气发动机常常从汽油机或柴油机派生出来，其中，用于点燃燃气/空气混合物的外源点火通常借助火花塞进行。在柴油机/燃气发动机中，发动机原则上以柴油机为基础，其既允许了纯粹的柴油运行也允许了用柴油燃料和燃气的混合式运行。在此，柴油热值的一部分被燃气替代。总燃料的，亦即柴油-燃气/空气混合物的点火，通过柴油成分完成。在此，由燃气替代柴油燃料的替代率能到70%。

在所有至少部分以含甲烷的气体的燃烧为基础的附件（Ansatz）中，出现了较高的未处理的发动机的甲烷排放物的问题。首先，出于气候保护的原因，必须在废气后处理的框架内降低甲烷排放物。

已知若干甲烷氧化催化剂（MOC），其在富含钯的配方的基础上氧化废气中包含的甲烷。为此可以使用这样的配方，这些配方具有钯（Pd）与铂（Pt）的直至例如7:1或甚至更大的重量比。其它的甲烷氧化催化剂则基于所谓的只有钯的配方，例如Pd/铝氧化物。但通常在这些配方中只有在高于400°C时才会观察到一定的甲烷反应。为了完全氧化，经常需要远超500°C的温度。但这种温度在能量有效的燃气发动机的稀燃运行时就很少被达到。

欧洲专利文献的德语译文DE602004005133T2说明了一种用于处理来自用天然气运行的内燃机的未燃的碳氢化合物的方法，其中，设一种空气电离设备，其从环境空气中产生了自由基和反应离子，它们被用来推动氧化反应。国际专利申请的德语译文DE112005002262T2涉及一种等离子体支持的氮氧化物还原，其中，在还原催化反应器的上游添加优选来自环境空气的臭氧，环境空气被用非热的等离子体处理。欧洲专利文献的德语译文DE69911242T2说明了一种用于从内燃机的废气中清除排放物的设备，其中，该设备包括非热的等离子体反应腔，液态的燃料被导引通过该反应腔，其中，在此产生了反应的、气态的还原剂。这些反应的还原剂输送给被废气穿流的还原催化剂。

发明内容

发明优点

本发明提供了一种用于内燃机的废气后处理系统，内燃机尤其至少部分设置用于燃烧含甲烷的气体。废气后处理系统在此包括至少一个甲烷氧化催化装置。按照本发明，废气后处理系统还包括至少一个用于在废气中产生等离子体的装置。在此特别优选的是产生一种非热的等离子体。作为非热的等离子体指的是那些不处于热平衡中的等离子体。在此产生了氧化的和还原的自由基。特别是从水形成了OH基以及从CO₂或O₂形成了O基，它们作用于甲烷以及因此容易达到进一步的催化氧化。因此，通过伴随等离子体以及特别是非热等离子体的产生而来的自由基化学，这样来支持甲烷在甲烷氧化催化装置中的氧化，即，降低甲烷氧化催化装置的起燃温度。按本发明的废气后处理系统的这个优势尤其在主要是稀薄的燃烧废气中起作用，因为特别是在燃气发动机的鉴于效率被优化的稀燃运行中，在甲烷氧化催化剂中的甲烷完全氧化所需的温度通常未被达到。

在按本发明的废气后处理系统的一种优选的设计方案中，用于产生等离子体的装置被布置，特别是直接布置在甲烷氧化催化装置的上游。因为在等离子体中产生的自由基通常寿命很短，所以当用于产生等离子体的装置直接布置在甲烷氧化催化装置的上游时，基于此的自由基化学可以以特别有利的方式展开。系统可以尤其被这样设计，使得等离子体在甲烷氧化催化装置的上游被点燃以及然后所产生的等离子体被引入甲烷氧化催化装置中。

在废气后处理系统的另一个特别优选的设计方案中，甲烷氧化催化装置被集成在用于产生等离子体的装置中。在此，自由基直接在甲烷氧化的地点上被产生，因而在这个设计方案中，甲烷氧化的支持可以通过所产生的自由基以特别有利的方式展开。在此，等离子体化学的气相反应和甲烷后续产物、例如甲醇的催化氧化，在一定程度上平行进行。甲烷氧化催化装置到用于产生等离子体的装置中的集成可以例如通过为设置用于产生等离子体的电介质用一种甲烷氧化催化材料的涂层而实现。

用于产生等离子体，特别是非热等离子体的装置，优选被设置用于废气中的所谓的阻挡放电，其中，为此说明了一种电介的阻挡放电。优选为此设两个金属电极，它们通过一种电介质彼此分离。在此引起的阻挡放电（Barriereentladung）也被称为静态放电，其本身例如由来自环境空气的臭氧生成公知。

为了用于产生等离子体、特别是非热等离子体的装置的运行，通常需要在kV范围内的高压供电，例如在10至20kV之间的高压供电。

所产生的等离子体优选涉及一种非热的等离子体。但例如微波等离子体也可能极为适合。与非热等离子体类似的是，微波等离子体也不处于热平衡中。但一般微波等离子体不像纯粹的非热等离子体那么冷。微波等离子体具有特殊的优势，即，微波等离子体可以膨胀到整个气体体积以及使它的效果尤其在甲烷的气相氧化下可以完全展开。当例如出于成本考虑，甲烷氧化催化装置的贵金属含量下降以及因此甲烷氧化的重点在于气相或例如在作为单体（Monolith）穿流的废气催化剂中的占据空间的体积应当作为整体被激励时，这种设计方案特别有利。

在用于产生等离子体的装置的另一种设计方案中，为了产生等离子体能够使用电晕放电，即，用于产生等离子体的装置包括用于产生电晕放电的器件。这例如指的是所谓的等离子体喷嘴，它在等离子体通道中产生了快速的压缩空气气流，以便防止从短暂的辉光放电过渡到弧光放电。这样做的优势在于，可以省去在等离子体通道中的电介质。

按本发明的废气后处理系统的甲烷氧化催化装置优选涉及一种带有主导性的钯成分的甲烷氧化催化装置。在此，钯可以形成主要组成部分。也可能在催化剂配方中还存在另外的贵金属，例如铂和/或铑。甲烷氧化催化装置优选含有一种从属性的铂和/或铑成分。可以例如使用陶瓷材料，例如氧化铝，或混氧化物，如钛酸钡（BaTiO₃）作为甲烷氧化催化装置的基材。

在按本发明的废气后处理系统的一种优选的设计方案中，废气后处理系统还包括至少一个NO_X-SCR催化器（SCR：选择性催化还原）。这个设计方案的优势在于，在废气中也可以选择性地还原氮氧化物。特别是结合SCR催化器，按本发明的废气后处理系统优选包括另一种催化装置，其具有比甲烷氧化催化装置更高的铂质量分数。这种另外的铂积聚的催化装置促使，几乎在富含钯的甲烷氧化催化装置之后几乎唯独存在的一氧化氮，再次至少部分被氧化成二氧化氮。由此使NO_X-SCR催化器的效率首先在低于300°C的温度时被明显提高。

铂积聚的催化装置可以例如集成在甲烷氧化催化装置中。在另一种设计方案中，铂积聚的催化装置是必要时存在的、催化的过滤涂层的一部分。例如可以在一种带有SCR催化器的系统中在SCR催化器上游设一种颗粒过滤器，一种铂积聚的催化剂涂层可以被作为涂层配方的适配而集成在该颗粒过滤器中。尤其在柴油-燃气系统中，颗粒过滤器在废气后处理系统中极为有利或甚至基于法律规定是强制性的，因为在按本发明的废气后处理系统可以被使用于此的内燃机中，原则上也可以实现仅用柴油燃料的运行，因而对这些情况而言，柴油排放物必须遵守法律规定的极限值。当系统中存在颗粒过滤器时，有利地在颗粒过滤器上设置了含铂的涂层。在废气后处理系统不具有颗粒过滤器的情况下，铂积聚的催化装置也可以独立于颗粒过滤器地设置以及例如集成在甲烷氧化催化装置中。

甲烷氧化催化装置和用于产生等离子体的装置的按本发明的组合此外具有这样的优势，即，甲烷氧化催化装置的本身公知的、极度的硫敏感性特别是在甲烷氧化催化器的钯占主导的配方中通过与用于产生等离子体的装置的结合而得到了补偿。特别是在甲烷氧化催化装置集成到用于产生等离子体的装置中时，甲烷氧化催化装置的硫敏感性可以以特别有利的方式被补偿。基础在于，通过按本发明被改善的甲烷氧化，甲烷氧化催化装置的反应的钯中心通过例如在表面上结合例如甲醇这样的极性中间态而被更长时间地避开硫。因此总体上在按本发明的废气后处理系统中也长期提高了甲烷氧化的有效性。

在按本发明的废气后处理系统的一种特别优选的设计方案中，废气后处理系统还包括至少一种硫吸附装置。这种硫吸附装置用作硫陷阱以及以特别有效的方式防止了由于在废气中的硫导致的含钯甲烷氧化催化装置的有效性变差，其中，通过等离子体化学产生的O（H）自由基也将SO₂氧化成SO₃，这然后可以即使在含有很少的铂时也被有效地存入硫陷阱中。

硫吸附装置可以特别涉及一种氧化硫存储装置。用于氧化硫存储装置的材料可以例如基于一种镁-铝酸盐-尖晶石。此外，硫吸附装置的配方基于针对氮氧化物-存储催化剂的常用的完整配方，其尤其具有主导性的钯质量分数。必要时可以规定一种从属性的铂和/或铑质量分数。硫吸附装置可以例如被布置在用于产生等离子体的装置的上游。当甲烷氧化催化装置被集成到用于产生等离子体的装置中时，硫吸附装置可以被布置在这个组合式装置的上游。此外，原则上也可以既将甲烷氧化催化装置也将硫吸附装置通过催化剂配方的相应的适配和/或通过恰当的涂层集成到用于产生等离子体的装置中。

本发明此外还包括一种用于对至少部分设置用于燃烧含甲烷的气体的内燃机的废气进行后处理的方法。在此，在废气中的甲烷通过使用甲烷氧化催化装置被氧化。为支持甲烷氧化，还在排气系中产生了等离子体。在这种方法中优选使用上述的废气后处理系统。关于这个方法的其它的特征则参考上述说明。

本发明还包括一种计算机程序，其被设置用于执行所说明的方法。此外，本发明还包括一种机器可读的存储介质，其上储存着所说明的计算机程序，以及还包括一种电子的控制器，其被设置用于执行按本发明的方法。按本发明的方法被实施作为计算机程序或作为控制程序的优势在于，即使是现有的系统，例如汽车，也可以被设置用于以简单的方式执行方法，只要该系统在废气后处理系统中配备有相应的构件。

按本发明的废气后处理系统和/或按本发明的方法可以伴随特殊的优势被适用于能稀燃运行的燃气发动机或柴油/燃气发动机。原则上按本发明的废气后处理系统和/或方法也可以针对其它的内燃机、例如一般的柴油机被用于废气后处理。按本发明的废气后处理系统和/或方法首先普遍适合至少暂时用空气盈余运行的内燃机的废气后处理。

本发明的其它的特征和优势由接下来结合附图对实施例的说明得出。在此，单个的特征分别能单独地或彼此组合地实现。

附图说明

在附图中：

图1是用于内燃机的按本发明的废气后处理系统的部件的示意图；

图2是按本发明的废气后处理系统的另一个实施形式的部件的示意图；

图3是按本发明的废气后处理系统的另一个实施形式的部件的示意图；

图4是按本发明的废气后处理系统的另一个实施形式的部件的示意图；以及

图5是按本发明的废气后处理系统的另一个实施形式的部件的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了按本发明的废气后处理系统的部件的布置，这些部件被设置在内燃机10的排气系中。内燃机10尤其涉及一种能稀燃运行的燃气发动机或柴油/燃气发动机，它可以用一种燃气和柴油的混合物运行。为了提高内燃机10的功率，为内燃机10配设置了涡轮增压器11。内燃机10的废气在排气系中先是被导引通过废气中的一个用于产生等离子体、特别是非热等离子体的装置12。为了运行装置12，设置了在此未详细示出的高压供电装置。在装置12中执行在废气中的电介的阻挡放电，此时产生了不同的自由基种类，特别是氧自由基。被这样预先处理过的废气接下来被进一步导入到甲烷氧化催化装置13中。

在甲烷氧化催化装置13中运行的催化的甲烷氧化得到寿命很短的氧自由基的支持，氧自由基在阻挡放电的过程中在装置12内部产生，其中，甲烷被自由基作用。在此，甲烷氧化催化装置13的起燃温度明显被降低，因而按本发明的废气后处理系统的优势主要在内燃机10的稀燃运行中有效，此时最佳的甲烷氧化所需的温度通常很难或无法被达到。在图1中示出的废气后处理系统还包括一个SCR催化器16，以便还原包含在废气中的氮氧化物的质量分数。在SCR催化器16内的催化反应所需的反应剂，例如液态的尿素水溶液（例如AdBlue?），通过布置在SCR催化器16上游的计量部位15被喷入到排气系中。废气后处理系统的这个例子还具有一个催化的颗粒过滤器14，其被布置在SCR催化器16上游。

图2以示意性的方式示出了和图1类似的系统，其中，在这个设计方案中，用于产生等离子体、特别是非热等离子体的装置，以及甲烷氧化催化装置，被联合成一个共同的催化装置23。针对甲烷氧化催化装置到用于产生等离子体的装置中的集成，等离子体产生单元的电介质、如陶瓷的材料，例如可以被用甲烷氧化催化装置的催化剂配方涂层。这种集成的解决方案的特殊的优势主要在于，等离子体化学的气相反应和甲烷以及甲烷后续产物的催化氧化可以并行或同时进行。在废气后处理系统的图2所示设计方案中详细地为内燃机20配设了一个涡轮增压器21。内燃机20的废气在排气系中被导引穿过组合式的催化装置23，该催化装置联合了用于产生等离子体的装置的功能和甲烷氧化催化的功能。在得到等离子体化学的反应的支持的甲烷氧化之后，废气在被输送给SCR催化器26之前先通过催化的颗粒过滤器24。在SCR催化器26的上游设置了用于反应剂溶液的计量部位25，其是在SCR催化器26中的催化运行所必需的。

图3和4示出了废气后处理系统的其它的设计方案，在这些设计方案中，经涂层的颗粒过滤器和SCR催化器被联合在一个构件36或46中作为所谓的“在过滤器上的SCR”（SCRoF）。在此，图3示出了一种带有甲烷氧化催化装置33的系统。直接在甲烷氧化催化装置33的上游设置了用于在废气中产生等离子体、特别是非热等离子体的装置32。图4示出了一个系统，在该系统中，用于产生等离子体的装置和甲烷氧化催化装置被联合在组合式的催化装置43中。与图1和图2的系统类似的是，为内燃机30或40，亦即特别是能稀燃运行的燃气发动机或能稀燃运行的柴油/燃气发动机配设涡轮增压器31或41。参考图3，内燃机30的废气在它们进入甲烷氧化催化装置33之前先通过用于产生等离子体的装置32。在甲烷氧化催化装置33的上游布置着构件36（“过滤器上的SCR”），其将SCR催化器集成在过滤器上。在“过滤器上的SCR”36的上游有一个用于液态的反应剂的计量部位35，液态的反应剂是在“过滤器上的SCR”36中的催化反应所必需的。参考图4，内燃机40的废气通过组合的催化装置43，该催化装置联合了用于产生等离子体的装置和甲烷氧化催化装置。紧接着废气通过“过滤器上的SCR”46，其中，在“过滤器上的SCR”46的上游设置了用于SCR催化装置（“过滤器上的SCR”）46的液态的反应剂的计量部位45。

图5示出了废气后处理系统的另一个优选的设计方案，其中，这个系统除了已经说明的部件外还包括硫吸附装置57。硫吸附装置57被布置在用于在废气中产生等离子体的装置52的上游。装置52直接被布置在甲烷氧化催化装置53的上游。配设有涡轮增压器51的内燃机50的废气，在通过用于产生等离子体的装置52以及紧接着通过甲烷氧化催化装置53之前，先通过硫吸附装置57。在甲烷氧化催化装置53的上游设置了颗粒过滤器54。在颗粒过滤器54的上游布置一个SCR催化器56，其中，在SCR催化器56中的催化所需的反应剂，通过计量部位55在SCR催化器56的上游被喷入排气系中。硫吸附装置57从功能来看一定程度上是一种硫陷阱，其中，包含在废气中的含硫的成分、特别是氧化硫，被吸附。在传统的废气后处理系统中，包含在废气中的硫成分极大地损害了甲烷氧化催化器的功能，其中，在甲烷氧化催化器的短暂的运行时间之后就已经可以观察到氧化效果戏剧性的变糟。因此，通过在这种设计方案中设置的硫陷阱，也可以长期改善甲烷氧化，因而特别是结合等离子体的产生总体上极大地改善了在按本发明的废气后处理系统中的废气后处理。除了废气后处理系统的部件的在图5中示出的布置和设计方案外，其它的布置也是可行的。特别是可以例如将硫吸附装置集成到甲烷氧化催化装置中或用于产生等离子体的装置可以和甲烷氧化催化装置一起联合成一个共同的催化装置，必要时硫吸附装置也可以集成在其中。此外，用于产生等离子体的装置在废气后处理系统中的使用并不局限于在此所示出的以及提到的废气后处理系统。

Claims

1.一种用于内燃机（10；20；30；40；50）的废气后处理系统，其中，废气后处理系统包括至少一个甲烷氧化催化装置（13；33；53），其特征在于，废气后处理系统还包括至少一个用于在废气中产生等离子体的装置（12；23；32；43；52）。

2.按权利要求1所述的废气后处理系统，其特征在于，用于产生等离子体的装置（12；32；52）被布置在甲烷氧化催化装置（13；33；53）的上游。

3.按权利要求1所述的废气后处理系统，其特征在于，甲烷氧化催化装置被集成在用于产生等离子体的装置（23；43）中。

4.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，用于产生等离子体的装置（12；23；32；43；52）被设置用于阻挡放电，其中，用于产生等离子体的装置（12；23；32；43；52）优选包括两个金属电极，所述金属电极通过电介质彼此分离。

5.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，用于产生等离子体的装置（12；23；32；43；52）是用于产生微波等离子体的装置。

6.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，用于产生等离子体的装置（12；23；32；43；52）包括用于产生电晕放电的器件。

7.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，甲烷氧化催化装置（13；33；53）具有主导性的钯成分。

8.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，甲烷氧化催化装置（13；33；53）具有从属性的铂和/或铑成分。

9.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，废气后处理系统包括至少另一个催化装置，该催化装置具有比甲烷氧化催化装置（13；33；53）更高的铂质量分数。

10.按前述权利要求任一项所述的废气后处理系统，其特征在于，废气后处理系统还包括至少一个硫吸附装置（57）。

11.一种用于对内燃机（10；20；30；40；50）的废气进行后处理的方法，其特征在于，在废气中的甲烷通过使用甲烷氧化催化装置（13；33；53）被氧化以及甲烷的氧化通过在废气中产生等离子体得到支持。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，使用按权利要求1至10任一项所述的废气后处理系统。

13.一种计算机程序，其被设置用于执行按权利要求11或权利要求12所述的方法的步骤。

14.一种能够由机器读取的存储介质，在该存储介质上储存了按照权利要求13所述的计算机程序。

15.一种电子的控制器，其被设置用于执行按权利要求11或权利要求12所述的方法的步骤。