CN107002534B - 包括燃烧式发动机的排放气体的后处理装置的机动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括燃烧式发动机(1)的排放气体的后处理装置的机动车辆，其从上游到下游包括：氧化催化器部件DOC(3)；用于氮氧化物的选择性催化还原SCR的还原剂或还原剂前体的输入装置(4)的喷口(41)；氮氧化物NOX的选择性催化还原SCR的催化器部件(6)；微粒过滤器部件(7)，其配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF；氨泄漏处理部件(8)。

Description

包括燃烧式发动机的排放气体的后处理装置的机动车辆
技术领域
本发明涉及燃烧式发动机的排放气体的污染物的处理装置。
背景技术
配备于机动车辆的燃烧式发动机的污染物排出由标准规定。根据所考虑的燃烧式发动机技术，受规定的污染物是一氧化碳(CO)、未燃尽的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX，即NO和NO2)以及微粒(PM)，它们在碳氢燃料的燃烧时在燃烧室内形成，并随后被排放。
已知在燃烧式发动机的排气管路中使用一定数量的去污装置以限制规定污染物的排出。将该类型的装置用术语通常表示为排放气体的“后处理”装置。
氧化催化剂允许处理一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物以及在特定条件下允许(通过贮存NOX)处理氮氧化物；微粒过滤器可以用于处理烟灰的微粒。
为了满足关于氮氧化物(NOX)的排放的防污标准，可将后处理的特定系统引入车辆的排气管路中，尤其引入配备有狄塞尔(Disel)发动机的车辆的排气管路中。为了处理氮氧化物(NOX)，已知选择性催化还原技术，或英语简称为“SCR”的“Selective CatalyticReduction”，其在于通过在排气管路中还原剂(或这种还原剂前体)的输入通过催化反应使NOX还原。例如其涉及尿素溶液，其分解将允许获得充当还原剂，还充当气态还原剂或这种还原剂前体的氨。在本文献的后文中通常用“还原剂(réducteur)”这个词来表示还原剂(agent réducteur)或还原剂前体。
产生的催化剂允许通过在SCR催化器中，即具有能够通过还原剂促进NOX还原的催化浸渍(imprégnation)的基底中的反应来还原氮氧化物。
尤其是欧洲标准倾向于变得越来越严格。并且鉴于预料到2017年以后标准的变化，为了遵守当前标准而用于减少离开排气管路的污染物的排出的解决方案表现出不足。
实际上，标准Euro 6b(于2014年九月生效)的第一步已经引导机动车制造商在不同的选项间选择以更特定地减少NOX的排出：-“在源头”，在发动机本身的运转处，通过发动机中的排放气体的再循环类型来还原NOX，再循环根据英语术语的简写也称为EGR，其对应于例如高压和低压“排气再循环”；-在排气管路处通过称为“NOX收集器”的顺序催化处理技术来还原NOX；-还在排气管路处还原NOX，通过例如在上文中简要描述的称为“选择性催化还原”(SCR)的连续处理技术；甚至兼用这些解决方案中的多个。
如果这些解决方案允许满足标准(Euro 6b)的变化中的该第一步，其不一定能够满足发布为更严格的第二步(Euro 6c，预计于2017年九月生效)，其具有在称为“WLTC”(英语为“Worldwide Harmoized Light vehicles Test Cycle(全球轻型汽车协调测试循环)”，即法语中“cycle de test harmonisépour véhicules légers”(轻型汽车协调测试循环)的简称)的新运行循环上的污染物测量，新运行循环包括比当前的许可循环(称为“MVEG”，英语为“Motor Vehicle Emissions Group”(发动机车辆排放小组)的简称，即法语中的“groupe d’émissions pour véhicules motorisés”(发动机车辆排放小组))更多的过渡阶段，但也应建立循环外的测量(称为“RDE”的实际行驶排放或在实际行驶的条件下的排放)。
特别是为了应对循环外NOX过高排放的风险，可以预期不同的技术解决方案和构造。它们具有其优点及其缺点。但是效率最高的氮氧化物的处理技术是选择性催化还原(SCR)，因为其在比作为后处理的其它解决方案的NOX收集器的温度和气体流量的范围更广泛的温度和气体流量的范围中是高效的。
此外，增加后处理装置的实施限制。实际上，通常，所使用的催化系统因为穿过的排放气体的温度较高(直到某一点)且稳定而更高效。于是催化系统在发动机的起动后排放气体的温度逐渐升高时更快地触发(s’amorcer)。因此，关注于将后处理装置实施在发动机罩(capot)下方的最靠近发动机处，即最靠近排放气体的集气管处，甚至该环境通常是非常拥挤的。后处理装置因此应该尽量紧凑而不损害其性能。
在本文本的全文中，术语“上游”和“下游”根据集成了后处理部件的排气管路中的排放气体流动的通常的方向理解，从发动机直到排气管路的端部的套管。
例如，由专利申请WO 2011/089330已知一种在同一壳体中集中由排放气体依次穿过的多个部件的后处理装置。其尤其提出一系列的部件，从上游至下游包括：-氧化催化器，-尿素类型的还原剂的喷射器，-混合器，其作用是及时混合喷射入气体所穿过的壳体中的尿素滴，以便在壳体的整个直截面上尽可能均匀地分解为氨，-SCR部件，-微粒过滤器(以后称为FAP)。还提出一种替代办法，其在于通过浸渍还原NOX的催化剂并且因此同时执行烟灰过滤和NOX还原作用的FAP(以后称为SCRF)替代SCR部件和FAP。
然而，如在本文献中所描述的SCR专用部件会由于不利的热的原因而不能足够早地热触发，尤其是期间在排气管路中的温度相当低的城市中运行的条件下。不过，这恰好在该类型的城市中运行期间，(尤其是)欧洲标准的变化在NOX排出的减少方面将变为强制性的。
并且由于微粒过滤器的特定基底较大的热惰性，在微粒过滤器中集成了SCR催化剂(SCRF)的变型例在城市中运行的条件下性能不再那么好，即使其很靠近发动机放置。实际上，保证微粒过滤并浸渍催化剂覆盖层(浸渍的覆盖层英语称为“washcoat(载体涂料)”)的基底是多孔陶瓷，其消耗很多热量以提升温度(较大的热惰性)。SCR阶段的触发
Figure GDA0002151878930000031
因此只能在某一时间之后才发生，这不许允许该解决方案遵守未来的标准变化。
另外，当机动车辆是称为“重型”(大于1500kg)车辆时，无论其是私人用还是公用类型的车辆，就会出现额外约束。实际上，与较轻型车辆相比，在相同的行驶条件下，“重型”车辆将具有待处理排气的较高的温度条件以及发动机中产生的NOX的较大待处理量。为了补偿这些较高的NOX排放，待喷射入排气管路的还原剂(例如分解成氨的尿素)的量也应该更大，因为这些量由NOX与氨反应的化学计量决定。另外，发动机出口处的气体的较高温度有利于贮存在SCR(和/或SCRF)部件中的氨的热解吸，并且还可以有助于导致其氨贮存容量的降低的这些部件的活性催化相的降解。较高的温度和待注入管路中的较大量的尿素(或氨)的组合会导致在排气管路末端未反应的氨排放增加的风险。然而，在排气管路末端的氨的泄漏是恶臭的，并且可能使人不适，特别是如果车辆处于封闭停泊类型的密闭空间中时。
发明内容
本发明因此旨在设计一种弥补了前述缺点的排放气体的后处理。其尤其旨在改善现有的装置以允许在污染物的排放方面，且更具体地在涉及城市运行类型的不稳定运行条件下和/或在扩大的温度范围中的NOX的排放方面遵守更为严格的标准，同时最大程度限制在排气管路末端未反应的NOx的还原剂可能的泄露。有利地，其也旨在获得一种性能更好并且还保持紧凑的后处理装置。
首先，本发明旨在一种燃烧式发动机的排放气体的后处理装置，其从上游到下游包括：
-氧化催化器部件(也称为DOC)；
-用于氮氧化物的选择性催化还原SCR的还原剂或还原剂前体的输入装置的喷口；
-氮氧化物NOX的选择性催化还原SCR的催化器部件；
-微粒过滤器部件，其配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF；
-氨泄漏的处理装置；
-所述氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件(6)的长度介于45mm和80mm之间，尤其是介于50和75mm之间。
优选地，所述氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件选择为具有比微粒过滤器的长度至少小1倍，尤其至少小1.1倍或至少小1.2至2倍的长度。
优选地，去污系统仅包括上面列出的部件(除了不直接参与去污，但是参与其测量的可能附加装置，例如传感器的)。
后处理装置的这种构造在多个方面被证实为是极为有利的。
这种构造允许改善装置的性能，尤其是针对在最不利的条件下的，即如之前提到的在城市运行的条件(其中排放气体的温度保持小于道路或高速公路类型的运行的温度)下的，甚至在称为强烈的、具有排放气体的大流量的驾驶类型的条件下的NOX还原。
并且这些十分有利的结果已通过两个SCR部件的组合得到：一个专用于该功能，另一个集成在微粒过滤器中，两个部件长度之间具有十分特定的比例，其对应于比微粒过滤器小很多的SCR部件。因此，在两个连续的部件上用较小的且实际上比浸渍微粒过滤器(SCRF)的催化相热效高更多的专用SCR部件来“分配”还原NOX的功能。因此可以认为SCR部件保证了装置的大部分的NOX的全部还原，尤其是在例如气体的温度低的不利的运行条件下，并且可以认为一旦这些不利的运行条件中断或一旦运行条件稳定，SCRF将有助于使NOX的还原提升。在避免使用单个SCRF的同时，本发明的装置不仅更好地热触发，而且在使FAP中达到过度温度(大于1000℃，以给定数量级)的再生时，其缓解了可能发生的FAP的催化覆盖层的可能的损坏。
还补充证明了该构造允许最大化地限制排气管路的末端处的氨泄露(英语中还以术语“NH3slip”表示，氨泄露要么来自在SCR催化器的载体部件上游喷射但并未反应的还原剂)。这是非常有利的，尤其是对于需要注入较大量的还原剂并因此在管路末端具有氨释放增加的风险的重型车辆。
根据本发明的装置将随着气体污染物和微粒污染物穿过去污部件来处理气体污染物和微粒污染物：其因此首先进入由氧化催化剂组成的第一“单元(brique)”中，其中CO和HC被氧化为水(H2O)和二氧化碳(CO2)。
从该第一单元DOC出来的是CO和HC的氧化产物即H2O和CO2，以及氮氧化物和微粒。然后这些组分穿过SCR催化器单元(如下文详述的那样很短/很小)行进，该催化器单元根据后文将详述的不同反应而将NOx还原呈氮气(N2)。
剩余的NOX、来自催化器的过量的氨(NH3)以及微粒保持在SCRF催化器的出口处，这些组分返回SCRF单元中，其将通过NH3完成NOX的还原，并且在再生时通过在微粒燃烧之前将其贮存来消除微粒。
优选地，氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件具有例如约50mm或60mm的长度。其实际上因此涉及很小的SCR部件，可以用术语SCR“薄片”表示，其被证实完美地完成其作用，但是担心这么短的长度/薄的厚度使得其最终性能不够好(尤其由于催化剂和排放气体之间的缩短的接触时间)。
优选地，SCRF部件的长度至少为100mm，尤其是介于100mm和175mm之间，尤其是约为120至130mm。
优选地，包括其间可能空间的氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件和微粒过滤器的总长度至多250mm，尤其至多190mm，优选地介于170mm和180mm之间。本发明因此相对于只使用SCRF部件的解决方案保持了减小的体积：其未显著地延长后处理装置，并且因此保持整体的紧凑性。
优选地，氧化催化器部件的入口和微粒过滤器的出口之间的总长度至多为450mm，尤其至多为400mm，优选地介于280mm和380mm之间。
最后，在后处理装置的下游端，由专用处理部件来处理可能过量的氨。
根据第一变型例，氧化催化器部件DOC、喷口、NOX的选择性还原的催化器部件以及配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF的微粒过滤器部件集中在唯一的壳体中，并且氨泄漏处理部件设置在所述唯一的壳体的外侧。
因此，可以根据发动机罩下方的可用空间来分配后处理装置的不同部件：因此，除了氨泄漏处理部件之外的部件保持集中在发动机罩下方的发动机出口处，而氨泄漏处理部件可以放置在排气管路的更下游处，因此位于车辆车身下方的区域中。
可选地，氨泄漏处理部件的作用通过集成在微粒过滤器中，优选地在微粒过滤器的下游部分的氨泄漏处理覆盖层来补充(甚至替代)。
根据另一变型例，所述部件和喷口集中在唯一的壳体中。
该结构保持了包含在唯一的壳体中的整体的紧凑性，并且因此可以有利地设置在最靠近排气管路上的发动机出口处的排放气体的集气管处，且尤其是在发动机罩下方。
优选地，氨泄漏处理部件是通过将氨氧化成NOX，然后将所述NOX还原成氮气的氨泄漏处理催化器，在下文中可以按术语称之为ASC。“ASC”是术语“氨泄露催化器”或法语中氨泄漏催化器的英文缩写。
可替代地，氨泄漏处理部件可以是通过氨的氧化的氨泄漏清理催化器，在下文中可以按术语称之为CUC。“CUC”是术语“清理催化器”或用于处理氨泄漏的清理催化器的英文缩写。这种类型的催化剂仅通过将氨转化为NOX来氧化氨。
有利地，氧化催化器部件也可以包括也称为PNA的氮氧化物吸附剂材料，PNA是表述“被动NOX吸附剂”的英文缩写。
PNA类型的材料的作用是：当催化NOX还原的部件(SCR部件和具有催化覆盖层的微粒过滤器SCRF)还未起作用时，能够在冷阶段贮存发动机排出的氮氧化物。实际上，应该到达180℃到200℃以能够在排气管路中喷射还原剂(尿素)并形成随后将转化NOX的氨。由于NH3“预贮存”在SCR覆盖层中，NOX的转化可以提前几十度(在140℃附近)进行。在恢复到达SCR完全起作用时(200℃和300℃之间)的较高温度之前，PNA在贮存“冷的”NOX的同时起作用(尤其借助于在氧化催化剂、简单氧化物催化剂或例如铈或钡的氧化物的碱性混合氧化物催化剂的“典型”浸渍中的添加)。为了保证PNA的正确功能，设置清除阶段以清理随着时间以已知的方式被硫酸铜处理的其表面。
优选地，根据本发明的后处理装置包括用于使排放气体和还原剂混合和/或将前体转化为还原剂的混合器部件，其位于用于选择性催化还原SCR氮氧化物的还原剂或还原剂前体的输入装置的喷口和氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件之间。
后处理装置在配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF的微粒过滤器部件和氨泄漏处理部件之间还可以包括NOX传感器，并且在氧化催化器部件DOC的上游可能包括另一个NOX传感器，并且/或者在氨泄漏处理部件的下游包括另一NOX传感器。如有需要，在DOC催化器的上游的“上游”传感器也可以通过建模来代替。
优选地，氧化催化器部件具有催化剂，其中贵金属的量被调整，以便在部件出口处获得排放气体，排放气体中NO2/NOX的比例等于或接近0.5(“接近”理解为该值附近的例如+/-15％的变化范围)。
实际上，观察到尤其在SCR部件的SCR覆盖层的材料基于铁交换分子筛来选择时，通过将SCR部件入口处NO2/NOX的比例设置为接近0.5来使其效率最大化。具有铁交换分子筛的部件在低温下比具有铜交换分子筛的部件作用更好，并且在更高温度下作用一样好。相反地，铜交换分子筛提供在低温下对该NO2/NOX的比例较不敏感的优点。
可以通过调整氧化催化剂的组成在该值附近调整该比例。该类型的催化剂的制剂通常主要包括掺杂氧化铝Al2O3、用于收集冷HC的水合硅铝酸盐类型的且非交换的分子筛(也以缩写ZSM5而公知)、以及诸如具有确定比例的铂(Pt)和钯(Pd)的贵金属。实际上，根据该Pt/Pd比例，氧化催化剂能够不同程度地氧化一氧化碳(CO)和未燃尽的碳氢化合物(HC)：催化剂含铂越多，其将NO氧化为NO2的能力越强。注意到在离开发动机时，并且因此在氧化催化器部件的入口处，NOX的排出主要由NO(>90％)组成。氧化催化剂因此将高效地将NO氧化为NO2以将NO2/NOX的比例调整为期望值。
优选地，选择性催化还原的催化器部件的催化剂是基于铁交换分子筛的。
实际上，基于铁(Fe)交换分子筛的浸渍覆盖层比基于铜(Cu)交换分子筛的那些具有更低温度的触发，因此NO2/NOX的比例靠近0.5。当该条件满足时，基于铁交换分子筛的覆盖层允许从150℃起转化NOX。
优选地，微粒过滤器的催化剂是基于铜交换分子筛的。
实际上，催化剂的该性质格外适合于浸渍微粒过滤器：-其比基于铁交换分子筛的催化剂具有更好的耐热性(其实际上应该经受很高的温度而没有过滤器的周期性再生的可能的劣化)，-通过NO2在靠近250℃至350℃的温度下烟灰的燃烧倾向于减小NO2/NOX的比例，铜(Cu)交换分子筛的碱性的制剂由于对温度较不敏感而在此比例下比铁交换的那些还更合适，-其也具有更高的NH3的贮存能力。该最后说明的特征是格外有利的，由于SCR部件微小的体积(对没有变化的截面而言微小的长度)可能是NH3泄漏的起源。因此，氨的这些泄漏能够在SCR部件下游的SCRF单元中被正确地“截取”是很有用的。
应注意到，提出的用于SCRF的铜交换分子筛和/或用于SCR催化还原的催化器部件的催化剂的铁交换分子筛是例如基于菱沸石、镁碱沸石或水合硅铝酸盐(ZMS5)类型的分子筛的，并且还可以包括以下氧化物中的至少一种：铈(Ce)、锆(Zr)的氧化物，或以下金属中的至少一种：铌(Nb)、钨(W)、钛(Ti)。
根据实施例，氧化催化器部件和/或选择性催化还原催化器部件的载体(support)是金属的，并且可选择地配备有例如电阻类型的加热装置。因此，减少了氧化催化器部件和/或NOX收集器部件的温度升高的时长，并且因此减少了它们触发开始的时间。
可替代地，可以将例如堇青石的陶瓷类型的材料用于这些部件中的一个和/或另一个。
SCRF微粒过滤器的载体可以是例如碳化硅(SiC)、堇青石或铝的钛化物制成的。
有利地，根据本发明的后处理装置还包括排放气体与还原剂和/或还原剂前体的混合器部件，其位于用于氮氧化物的选择性催化还原SCR的还原剂和/或还原剂前体的输入装置的喷口和氮氧化物的选择性催化还原的催化器之间。
该混合器用于尽可能好的将排放气体与还原剂或还原剂前体混合，这在前体是例如水相的尿素的液体类型时尤其有用。
本发明还应用于例如氨的气体还原剂的直接喷射，其从能够吸收氨并能够通过热活化将氨盐析的一个或多个盐芯(尤其是SrCl2类型的)以已知的方式(简称为“固体”SCR的技术)向排气管路供给，并且在这种情况下，混合器是较少必需的。
优选地，混合器的类型为：其用于气体穿过混合器的路线长度至少两倍大于混合器在壳体中纵向占据的长度。混合器的目的是使排放气体和还原剂之间的混合均匀，而且，如果输入还原剂前体，混合器的目的是促进还原剂前体分解为还原剂。对排放气体强加与混合器的长度相比相对较长的路线的，例如对气体强加具有嵌塞的基本螺旋行进类型的路线的混合器的使用尤其适合于本发明。其通过获得比其本身的尺寸大的排放气体的路线距离允许在紧凑的装置中使用基于作为氨的前体的尿素的方案，而在排放气体中的对应于在热作用下将尿素转变为异氰酸HNCO和氨NH3的尿素热解需要不能被忽略的时间。混合器也可以是例如利用喷射在氧化催化器的出口面上围绕氧化催化器的双层壳体中使用氧化催化器下游气体再循环的T形混合器。
优选地，唯一的壳体基本是圆柱形的，其配备有入口分叉器和(呈圆锥段形的)出口集合器，具有至多450mm的总长度，尤其至多400mm，优选地介于280mm和380mm之间，并且因此唯一的壳体具有与在机动车辆的发动机罩下方发动机中的安装完全兼容的紧凑性。
优选地，还原剂的输入装置是通过压电的或机械的或液气联动的螺线管的致动器类型的喷射器。
排放收集器和根据本发明的装置之间的管道另外可以包括在增压发动机范围中的涡轮压气机的一个或多个涡轮，并且具体地根据本发明的装置可以在涡轮的出口处直接连接在涡轮增压器的外壳上。
本发明还涉及包括前述的后处理装置的排气管路。
在第一实施例中，本发明还涉及一种机动车辆，其界定发动机罩下方空间并且包括连接到前述排气管路的热力发动机，该发动机罩下方空间包括术语通常所称的发动机舱以及车身下方空间，诸如发动机和排气管路的后处理装置设置在发动机罩下方空间内。因此，所有的去污部件以紧凑的方式集中在最靠近发动机处。
在第二实施例中，本发明还涉及一种机动车辆，其界定发动机罩下方空间和车身下方空间，并且包括连接到前述排气管路的热力发动机，诸如发动机、氧化催化器部件DOC、喷口、NOx的选择性还原SCR的催化器部件、配备有排气管路后处理装置的氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF的微粒过滤器部件以及喷口设置在发动机罩下方空间中，并且诸如氨泄漏处理部件设置在车身下方空间。因此，将需要排放气体的高温度的去污部件设置在最靠近发动机处并且使氨泄漏处理部件远离发动机以使其避免非常严重的过热情况。
本发明的变型例涉及通过NOX收集器替代上游氧化催化器部件DOC(此外所有物项相同)。
在SCR部件“上游”存在NOX收集器确保至少一部分的NOX在进入SCR或SCRF选择性还原部件之前得以处理。回想到NOX收集器是NOX的顺序处理系统，其在稀贫混合(即氧过量)时贮存NOX，然后在富集混合(即还原剂过量)时释放并还原NOX：-在稀贫混合时，以硝酸盐的形式将NOX贮存在活性位点上(通常以如钡的氧化物或钡的铝酸盐的简单或混合氧化物的形式)；-在富集混合时，释放NOX并由还原剂(CO，HC和H2)还原为N2，因此称之为NOX净化。为了确保该收集和还原NOX的功能，催化器的活性相通常包括Pt，Pd类型的贵金属，其确保了NO氧化为NO2以及CO/HC的氧化，从而起到与常规氧化催化器相同的作用；且包括铑，其允许确保在富集混合时还原NOX；以及包括简单或混合的氧化物，其允许在稀贫混合时贮存NOX。因此，NOX收集器的功能需要周期性的富集度波动，收集器贮存NOX直到NOX饱和，然后按照富集度的变化来周期性地“净化”收集器。
还补充证明了该构造允许最大化地限制排气管路的末端处的氨泄露(还用英语以术语“NH3slip”表示，氨泄露要么来自在SCR催化器的载体部件上游喷射但并未反应的还原剂，要么在LNT放气时形成)。这是非常有利的，尤其是对于需要注入较大量还原剂，因此在管路末端具有氨释放增加的风险的重型车辆。
根据本发明的装置将逐渐处理穿过去污部件的气体污染物和微粒：这些气体污染物和微粒首先进入由NOX收集器构成的第一“单元”，在该第一“单元”中处理CO、HC并在两个阶段中还原NOX(在稀贫阶段中贮存并在富集放气时还原)
包括两个NOX处理系统，一方面是NOX收集器且另一方面是SCR/SCRF部件的该构造还允许使由系统中的一个或另一个所处理的NOX的部分均衡。因此，在还原剂在车辆中足够量可用时，SCR/SCRF系统将主要用于处理NOX。相反地，当达到还原剂的最小阈值，则向驾驶员传输警报，使得驾驶员进行储罐的填充。NOX的处理因此可以主要在NOX收集器上实现并因此在填充还原剂储罐之前延长了期限，同时保证了对NOX的处理符合规定。在这些条件下，设置特定的发动机校准以通过单个NOX收集器来减少待处理的NOX的排放可能是有益的。同理，总是处于这些条件(储罐中的尿素量处于最小阈值)下可以有益于通过NOX收集器来生成氨，同时有助于放气的持续时间和富集度。因此，位于下游的SCR将能够帮助NOX收集器处理由发动机排放的但尚未借助，或有限地借助包含在储罐中的尿素的NOX。
本发明还涉及一种实现机动车辆的方法，该机动车辆包括连接到排气管路的热力发动机，因此由一方面是NOX收集器部件而另一方面是SCR/SCRF部件的两个系统来确保对NOX的处理，并且，根据车辆上的还原剂的可用性，调整两个系统彼此之间的对NOX的处理的权重。
在由一方面是NOX收集器部件，另一方面是SCR/SCRF部件的两个系统确保对NOX的处理的本说明书中，优选地在车辆上缺乏还原剂的情况下，使发动机校准适应于实现NOX收集器的富集且长时的放气，这是为了在原位产生用于SCR/SCRF系统的用作还原剂的氨。
附图说明
参考有关于与狄塞尔发动机的排放气体的后处理装置有关的实施例的非限定性附图，更详细的描述本发明：
图1示意性地示出了根据本发明的示例1的包括后处理装置的机动车辆的发动机及其排气管路；
图2是示出了SCR/SCRF部件中的氨储存容量随温度的变化图；
图3示出了图1的后处理装置的氨泄漏处理催化器的功能图。
具体实施方式
附图彼此间所用的相同参考标记表示相同的部件，并且所示的不同的部件不必须按真实比例。这些附图是非常示意性的以方便阅读。
在如图1中所示的本发明中，提出了根据示例1的发动机1的排放气体的处理装置。该装置集成于连接在发动机1的排放气体的收集器(未示出)上的排气管路上。在相同的壳体2中(还可以通过英语术语的“壳体(canning)”表示)并且按照排放气体的流动方向(因此为自上游至下游)，该装置包括氧化催化器部件3、还原剂(或还原剂前体)的输入装置4的喷口41、混合器5、SCR催化器部件6(氮氧化物的选择性催化还原催化器)、配备有浸渍覆盖层SCR的SCRF微粒过滤器7以及氨泄漏处理催化器8。还可以在过滤器7和氨处理催化器之间设置至少一个NOX传感器9。
壳体2位于最靠近排放气体的集气管处，尤其在距其出口350mm附近处(例如在至多距其出口500mm处)。壳体在机动车辆中被设置在容纳发动机1的发动机罩下方空间中。
尺寸/几何形状的数据如下：壳体2的截面是圆柱形的并且允许容置不同的部件3、6、7和8，其也具有基本上圆柱形的外部形状并且具有大约175cm2(或直径为150mm)的截面。壳体2的端部呈圆锥段的形状，以便允许将明显更小的截面连接至排气管路的其余部分上。微粒过滤器7的长度L2介于4和6英寸之间，即介于101.6和152.4mm之间，在此例如是5英寸，即127mm。从SCR部件6的上游面直到微粒过滤器7的下游面所测量的长度L12在此为191mm，其中SCR部件6与微粒过滤器7隔开约4mm。
氧化催化器部件3的长度L3约为70mm。
从氧化催化器3的上游面直到部件8的下游面的长度L0介于280mm和380mm之间。
NH3处理部件8的长度介于50和75至80mm之间。长度L0基本对应于壳体2的圆柱部分的长度。包括两个连接圆锥的壳体2的总长度LT因此稍大于L0。
该后处理装置的第一“单元”是氧化催化器3，其氧化还原物，这些还原物是一氧化碳(CO)和未燃尽的碳氢化合物(HC)。其促进的反应如下：
CO+1/2O2—>CO2 (R1)一氧化碳的氧化反应
CxHy+(x+y/4)O2—>xCO2+(y/2)H2O (R2)未燃尽的碳氢化合物的氧化反应
其由堇青石类型的蜂巢式散热器上的载体构成，在堇青石上沉积有催化活性相(“载体涂料”)。该相还包括例如由不同的稳定剂(镧、铈、锆、钛、硅等)掺杂的铝的氧化物。在该氧化物上，沉积贵金属(铂、钯)以便在低温下催化氧化反应。例如分子筛酸性成分也被添加。这些成分在低温下对碳氢化合物贮存性能及其在高温下的去贮存允许在冷的阶段中改善HC的处理。可以向这些功能(一氧化碳和未燃尽的碳氢化合物的氧化和在低温下对这些后者的贮存)中添加同样在低温下的氮氧化物NOX的贮存功能。通过引入简单的或具有像特别是例如铈或钡的氧化物一样的基本特性的混合的氧化物类型的材料来保证该贮存功能。
在此并不详述已经描述并已知的，尤其是上文引用的专利申请WO2011/089330的尿素喷射器4和混合器5(也称为混合盒)。只考虑通过喷射器4供给的混合盒5，喷射器本身通过容量-泵(jauge-pompe)模块供给，其在20升附近(由于机载尿素的体积取决于采取的消耗策略,其可能容纳的更少)的容器中汲取水溶溶解态的尿素，保证尿素滴和排放气体之间的充分混合使得完全地发生热解反应(R3)，并使得在“结束”之前在SCR 6上部分地发生水解反应(R4)。反应(R3)和(R4)在后文阐述。
SCR部件6和SCRF微粒过滤器7处理氮氧化物。通过SCR(其可以通过专用部件6或微粒过滤器7的覆盖层)的这些NOX的还原原理可以分解为两大步骤：
1>从32.5％的尿素和水的混合物的环保汽车尿素形成还原剂(NH3)
(NH2)2CO—>NH3+HNCO (R3)尿素的热解
HNCO+H2O—>NH3+CO2 (R4)异氰酸的水解
在混合盒5中的通过喷射器4喷射的尿素的分解按两个步骤进行：称为“热解”的第一步骤，其形成一个NH3分子和一个异氰酸(HNCO)分子；以及第二步骤，其从异氰酸的水解形成第二个NH3分子。这两个步骤，且尤其是第一步骤，需要至少180℃至200℃的温度，因此喷射器和气-液(尿素)混合盒靠近发动机1的出口是有益的。该步骤允许形成对于SCR还原的功能必不可少的还原剂。
2>通过部件6和7的SCR覆盖层由NH3对NOX进行选择性催化还原：
4NO+O2+4NH3—>4N2+6H2O (R5)标准SCR
NO+NO2+2NH3—>2N2+3H2O (R6)快速反应动力SCR
6NO2+8NH3—>7N2+12H2O (R7)慢速反应动力SCR
多个反应可以发生(R5至R7)，但是NOX的最优且寻求的转换借助于反应(R6)来获得，它的反应动力是最快的，但化学计量学强制规定了接近0.5的NO2/NOX的比例，尤其在低温下(即至多250℃)。
SCR部件6的催化剂是基于铁交换分子筛的，例如β分子筛、铁触媒、ZSM5，并且微粒过滤器7的SCR催化剂是基于铜分子筛的，例如菱沸石、β分子筛、铜-镁碱沸石、ZSM5等。如上文已经提到的，这是最好的选择，尤其是使得自SCR部件6进入的排放气体的NO2/NOX的比例接近0.5时，SCR催化器6在“低”温下更快地触发，并且使得微粒过滤器的催化剂在严重的再生之后保持一样高效并且由于烟灰通过NO2氧化，使得其对不理想的NO2/NOX的比例较不敏感。SCR部件6的有孔支承优选地由堇青石制成，而过滤器7的多孔载体更倾向于由碳化硅SiC制成。
利用根据本发明的示例1的结构，获得了有利的热条件，这通过在NOX处理中的较高效率而得以体现：相对于80mg/km的标准，在排气管路出口处的WLTC循环中测量结果为40mg/km的NOX。
因此，利用本发明，可以获得排放到大气中的NOX的非常低的水平，同时保持整个后处理装置的紧凑性。
例如在发动机高负载时，由于该单元确保了消除微粒且实现了对未在SCR部件6中还原的NOX的处理，所以位于下游的SCRF微粒过滤器7(约在后方8毫米)也发挥了重要的作用。
现在，回到氨泄漏处理催化器8的运行。在所讨论的示例1中，已选择了ASC类型的催化剂部件8，其运行原理及其结构如图1所示。其具有两个浸渍层：确保将NH3氧化为NOX的功能的层C2以及确保由NH3还原NOX的功能的层C1。
ASC部件8的组成如下：上层C1(与排放气体接触)对应于SCR类型的催化覆盖层，下层C2(与催化基底壁相接触)包含沉积在氧化铝上的贵金属(优选地为0.5至5g/ft3之间，即0.5和5g每38.48cm3，理想地为1至2g/ft3之间的非常少量的钯)。ASC部件8的运行如下：剩余的氨进入层C1并部分贮存在该层中。其余的氨穿过该层C1并进入层C2，在该层C2中贵金属(Pd)促进氨NH3氧化为NOX。当NOX从层C2的氧化催化覆盖层离开时，它们需要再次通过贮存有NH3的层C1。然后可以进行由NH3还原NOX的反应。因此，NOx在从催化器8出来之前已转化成氮(N2)。
因此，在排气管路出口处，借助该催化器8，即使将发动机装备到对NOX的处理具有强烈需求的实用类型的车辆中，也没有或几乎没有将氨排放到大气中的风险，如下所述：
如果重新采用上述反应R3至R7的集合，因此将理解到，在借助同样由尿素分解所产生的NH3将NOX转化为N2之前，存在将NH3贮存在SCR 6和SCRF 7的催化覆盖层中的阶段。由称为“NH3贮存容量”的标准所表示的这种对氨的贮存根据不同参数而变化，例如催化覆盖层的固有特性、催化覆盖层的状态(新的或老化的)、催化剂内温度、(甚至在较小程度上)气体在催化器中的停留时间等。
因此，存在具有多少较大的NH3贮存容量的SCR催化覆盖层：基于铜的SCR覆盖层的氨贮存容量例如大于基于铁的SCR覆盖层的氨贮存容量。
对于给定的SCR催化覆盖层，其老化状态将存在影响：覆盖层越老化，其丧失的贮存容量的部分就越多。如图2所示，对于SCR催化覆盖层和给定的老化状态，贮存容量将根据SCR内部或SCRF内部温度而变化。该图示出了以横坐标表示单位为℃的温度，纵坐标表示单位为毫克/升的由催化器的SCR覆盖层所贮存的NH3的质量的图。通过阅读该图，观察到，贮存容量随着温度而降低，该降低与氨的热解吸现象相关。最后，可以注意到，不利于NOX还原的NH3氧化成NOX大约自450℃-500℃附近发生在该老化的SCR覆盖层上。
因此可以理解到，存在出现NH3排放到套管(即排气管路路的下游端部)的阶段：-NH3可以从部件6或7的SCR覆盖层中释放，由于所受到的热条件而不与NOX反应；-由于贮存点饱和(尤其是如果已经热老化的SCR覆盖层已经丧失其贮存能力)，则可能不在贮存NH3；-或者如果NH3的量相比于其贮存容量而言太大。
在车辆整个使用寿命期间，通常通过“车载诊断工具”的英文缩写OBD而公知的车载诊断工具来有效地控制去污系统。因此，存在允许验证去污系统是否处于运行状态的不同程序：-在尿素注入不足且因此氨注入不足时，系统应该能够检测到NOX处理效率较低；-或者相反，在过量注入尿素并特别地在SCR系统6、7的下游发生NH3排放时，系统应该能够检测到这些状况。在后一种情况下，系统的诊断借助位于SCR系统6、7的下游的NOX传感器9来实现。本发明借助增加氨处理部件8来消除下游以及因此在套管、在车辆的排气管路的端部的这些氨泄漏。
车辆越重，这些风险阶段(所注入的尿素的量非常大以至于远超“满足”发动机产生的NOX的量，由于较高的热条件而降低NH3贮存容量等)发生的越多并且构成NH3排放到套管的原因，即使使用与前述的去污管路一样高效的去污管路。
作为ASC类型的氨处理部件8的替代方案，可以使用CUC类型的催化器，其借助包含铂的催化覆盖层(Pt装料量不必需太大：10至20g/ft3，即10g至20g每30.48cm3就可以满足)而具有将NH3氧化为NOX的独特功能。这是一个简单的解决方案，但性能却不及ASC类型的氨处理部件，因为该方案将在排气管路末端重新生成NOX。因此，必须注意未被SCR系统6、7处理的NOX和通过这种CUC类型的催化器的作用而转化为NOx的NH3的剩余排放的总和不超过规定的NOX排放限制。
根据另一变型例，氨泄漏处理催化器8位于排气管路的更下游处：其不再在公用壳体内的位于发动机罩下方空间内最接近发动机处，而是处于车身下方空间中的下游的位于管路上更远的专用壳体内。这种实施例有益于避免氨泄漏处理催化器8过早的热老化。
由于允许部分使用NOX收集器然后使用SCR/SCRF部件来控制对NOX的处理，所以由NOX收集器替代最上游的氧化催化器的变型例也是非常有利的。
总而言之，借助本发明以及根据其所有变型例的的后处理装置，不仅可以满足未来标准的日益增长的，尤其是涉及NOX排放水平的要求，而且还可以经由热力发动机的操纵控制通过移动来降低碳氢燃料的消耗，使CO2/NOX朝“低CO2”策略折衷，同时最大化地减少排气管路末端的氨排放的风险。

Claims (9)

1.一种机动车辆，其界定了发动机罩下方空间以及车身下方空间，并且所述机动车辆包括连接到排气管路的热力发动机，所述排气管路包括用于所述发动机的排放气体的后处理装置，所述后处理装置从上游到下游包括：
·氧化催化器部件DOC(3)；
·用于氮氧化物的选择性催化还原SCR的还原剂或还原剂前体的输入装置(4)的喷口(41)；
·氮氧化物NOX的选择性催化还原SCR的催化器部件(6)；
·微粒过滤器部件(7)，其配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF；
·氨泄漏处理部件(8)；
·所述氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件(6)的长度(L1)介于45mm和80mm之间，
其特征在于，所述氧化催化器部件DOC(3)、喷口(41)、氮氧化物NOX的选择性还原SCR的催化器部件(6)、配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF的微粒过滤器部件(7)以及所述喷口(41)集中在唯一的壳体(1)中且设置在所述发动机罩下方空间中，并且所述氨泄漏处理部件(8)设置在所述唯一的壳体的外侧且设置在所述车身下方空间中。
2.根据权利要求中1所述的机动车辆，其特征在于，所述氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件(6)的长度(L1)介于50mm和75mm之间。
3.根据权利要求中1所述的机动车辆，其特征在于，所述氨泄漏处理部件(8)的作用通过氨泄漏处理覆盖层来补充，所述氨泄漏处理覆盖层集成到所述微粒过滤器(7)。
4.根据前述权利要求3所述的机动车辆，其特征在于，所述氨泄漏处理覆盖层集成到所述微粒过滤器(7)的下游部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机动车辆，其特征在于，所述氨泄漏处理部件(8)是通过将氨氧化成NOX、然后将所述NOX还原成氮气的氨泄漏处理催化器ASC。
6.根据权利要求1或3所述的机动车辆，其特征在于，所述氨泄漏处理部件(8)是通过将氨氧化成NOX的氨泄漏清理催化器CUC。
7.根据前述权利要求1所述的机动车辆，其特征在于，所述氧化催化器部件(3)包括氮氧化物吸附剂材料PNA。
8.根据前述权利要求1所述的机动车辆，其特征在于，其包括用于使排放气体与还原剂混合和/或将还原剂前体转化为还原剂的混合器部件(5)，所述混合器部件(5)在用于氮氧化物的选择性催化还原SCR的还原剂或还原剂前体的输入装置(4)的喷口(41)和氮氧化物的选择性催化还原的催化器部件(6)之间。
9.根据前述权利要求1所述的机动车辆，其特征在于，其包括NOX传感器，所述NOX传感器在配备有氮氧化物NOX的选择性催化还原的催化剂覆盖层SCRF的所述微粒过滤器部件(7)和所述氨泄漏处理部件(8)之间，并且所述机动车辆在所述氧化催化器部件DOC(3)的上游包括另一个NOX传感器，和/或在所述氨泄漏处理部件(8)的下游包括另一个NOX传感器。
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