CN107035471A - 用于内燃机的废气后处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(10)的废气后处理的方法和装置，该内燃机带有：排气道(12)；布置在排气道(12)中的三元催化器(14)；第一NOx‑存储催化器(16)；以及在通过排气道(12)的废气的流动方向上布置在第一NOx‑存储催化器(16)下游且在三元催化器(14)下游的第二NOx‑存储催化器(18)；旁路通道(24)，其构造第二NOx‑存储催化器(18)的旁路；以及开关元件(20)，其实现废气流在排气道(12)的具有NOx‑存储催化器(18)的主臂(22)与旁路通道(24)之间的转换。

Description

用于内燃机的废气后处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于废气后处理的装置以及一种用于废气后处理的方法。
背景技术
当前的和将来变得越来越严格的废气法规制订对燃烧发动机的发动机未处理排放和废气后处理提出较高要求。此外，车辆及发动机制造商持续降低燃烧发动机的消耗和与此相联系的CO2排放。这尤其导致对于燃烧发动机开发了消耗优化的燃烧方法。降低汽油发动机的消耗的一可能性是稀薄燃烧方法，即尽可能以过化学计量的燃烧空气比(Verbrennungsluftverhaeltnis)来运行燃烧发动机的方法。因为在稀薄燃烧方法中在过化学计量的运行中利用传统的三元催化器不再能够充分地降低NOx-排放，需要附加的催化器如NOx-存储催化器(Speicherkatalysator)。在此，NOx-排放物作为硝酸盐被储存在NOx-存储催化器中。这些NOx-存储催化器须周期性地借助于发动机加浓阶段(Fettphase)来再生。该加浓阶段的设计决定性地影响最终未处理排放。
由文件DE 10 2010 014 468 A1已知一种用于在稀燃发动机(Magermotor)的废气后处理中减少笑气(N2O)的装置和方法。在此，靠近发动机的三元催化器后置有第一NOx-存储催化器和第二NOx-减少催化器，其中，在第一NOx-存储催化器处设置有旁路，并且其中，借助于开关元件可使废气流转向经过第一NOx-存储催化器或经过旁经第一NOx-存储催化器的旁路。由该方法已知如何尽可能不释放N2O地使NOx-存储催化器再生。在此，将在第一NOx-存储催化器再生时所释放的N2O(笑气)导入第二NOx-减少催化器中。在此，在第一NOx-存储催化器下游在再生期间产生化学计量的废气，使得在第一NOx-存储催化器再生期间第二NOx-存储催化器的有效性降低。
由文件WO 2013/079117已知一种用于在稀薄运行中运行的燃烧发动机的废气后处理的装置和方法，其中，在排气道中布置有第一NOx-存储催化器和第二NOx-存储催化器，并且其中，在第一NOx-存储催化器处设置有可切换的旁路通道。在此，文件WO2013/079117然而不是将存储催化器的再生、而是将经由旁路的温度调节作为主题，以便例如避免在发动机的惯性运行中在相对冷的新鲜空气通过时催化器的冷却。
然而由现有技术已知的解决方案的缺点是，废气流总是被导引经过第二NOx-存储催化器，其中，在第一NOx-存储催化器再生期间产生化学计量的废气和在第二NOx-存储催化器上NOx-解吸附的危险。
发明内容
本发明现在目的在于提供一种用于废气后处理的装置，在其中可在每个运行时刻存入或转化NOx-排放物。此外本发明目的在于对于两个彼此串联的NOx-存储催化器再生提出一种方法，利用该方法可使两个NOx-存储催化器再生，而不会在第一NOx-存储催化器再生时造成在第二NOx-存储催化器上的NOx-解吸附和与此相联系的升高的最终未处理排放。
该目的通过一种根据本发明的用于内燃机的废气后处理的装置来实现。该装置具有排气道、布置在排气道中的三元催化器、第一NOx-存储催化器以及在通过排气道的废气的流动方向上布置在第一NOx-存储催化器下游且在三元催化器下游的第二NOx-存储催化器。此外，该装置具有旁路通道(其对于第二NOx-存储催化器构造旁路，因此绕开第二NOx-存储催化器)和开关元件(其实现废气流在排气道的主臂与旁路通道之间的切换)。通过这样一装置，废气可在第一NOx-存储催化器再生时旁经第二NOx-存储催化器被导引通过排气道，从而避免在第一NOx-存储催化器再生期间在第二NOx-存储催化器处的NOx-解吸附。此外，始终存在有效的催化器，以便存入和/或转化废气中的NOx-排放物，从而降低最终未处理排放。
根据一有利的实施形式设置成，在旁路通道中设置有另外的催化器。在第一NOx-存储催化器再生期间，内燃机以亚化学计量的燃烧空气比来运行，其中，在第一NOx-存储催化器下游产生化学计量的废气。该废气可通过布置在旁路通道中的另外的催化器来清洁，其中，该另外的催化器例如是氧化催化器或三元催化器。氧化催化器例如可在第一NOx-存储催化器的加浓突破(Fettdurchbruch)之后将仍在废气中存在的未燃烧的碳氢化合物(HC-排放物)和/或一氧化碳(CO)进一步氧化成无害的CO2和水。
在此特别优选的是使用三元催化器作为另外催化器，由此不仅可氧化所提及的废气成分，而且可还原仍在废气中存在的氮氧化物(NOx)。因此特别有效的废气清洁是可能的。
根据一有利的改进方案设置成，开关元件构造为3/2通路阀。在此，开关元件优选地构造为瓣膜阀(Klappenventil)，其中，该瓣膜根据开关位置开启排气道的主臂且关闭旁路通道，或者开启旁路通道且关闭主臂。因此保证，内燃机的废气流相应可被导引通过排气道的相应的支臂(Teilarm)而不引起通过排气道的相应另一支臂的次级流动(其可导致升高的最终未处理排放)。
备选地有利地设置成，开关元件具有两个分离的调整元件，其中，第一调整元件设立成关闭排气道的主臂而第二调整元件设立成关闭排气道的旁路通道。由此可针对性地导引废气流通过排气道的相应的支臂，而另一支臂被相应的调整元件关闭。
根据另外的有利的改进方案设置成，旁路通道在第二NOx-存储催化器下游在通入口(Einmuendung)处通到排气道的主臂中。由此，又可使这两个支臂汇集在一起并且另外的、设置在排气道中的废气后处理装置仅须简单地实施。如此尤其有利地设置成，在通入口下游在排气道中布置有颗粒过滤器。以该方式颗粒过滤器可从废气流中过滤出碳黑颗粒，不管燃烧发动机的废气流被导引经过排气道的主臂还是经过排气道的旁路通道。
根据本发明的方法利用在之前段落中所说明的装置来执行并且包括以下步骤:
-以过化学计量的、较稀的燃烧空气比λE>1来运行内燃机，其中，将开关元件切换成使得排气道的主臂被内燃机的废气流过，
-以氮氧化物来加载第一NOx-存储催化器以及第二NOx-存储催化器，
-将内燃机转换到亚化学计量的、较浓的燃烧气体混合λE<1上并且转换开关元件，使得旁路通道被内燃机的废气流过，
-借助于亚化学计量的、较浓的燃烧空气比使第一NOx-存储催化器再生，
-转换开关元件，使得排气道的主臂被内燃机的废气流过，并且使第二NOx-存储催化器再生。
通过所说明的方法，在第一NOx-存储催化器再生期间在第一NOx-存储催化器下游产生化学计量的废气，其为了清洁被导引经过旁路通道并且可在那里由附加的催化器来清洁。第二NOx-存储催化器在第一NOx-存储催化器再生期间不被内燃机的废气流流过，从而不导致在第二NOx-存储催化器上的NOx的解吸附。在第一NOx-存储催化器完全再生之后，调整开关元件并且排气道的主臂被流过，其中，内燃机此外以亚化学计量的、较浓的混合物来驱动。该亚化学计量的混合物导致亚化学计量的、较浓的废气，其流过第一NOx-存储催化器并且然后作为亚化学计量的、较浓的废气供第二NOx-存储催化器的再生使用。因此避免在这两个NOx-存储催化器再生期间NOx-逃逸(Schlupf)和降低最终未处理排放。
在本方法的另一优选的设计方案中设置成，燃烧发动机在NOx-存储催化器再生期间以亚化学计量的0.9至0.95的燃烧空气比λE(优选地λE=0.92)来运行。亚化学计量的燃烧空气比对于在NOx-存储催化器上硝酸盐的分解是必要的。在该燃烧空气比下可防止产生较大量的碳黑，这会导致颗粒过滤器的严重负载或相应的最终未处理排放。
在本申请中所提及的不同的本发明的实施形式，假如在单个情况中未另外实施，可有利地相互组合。
附图说明
接下来在实施例中根据所属的附图来阐述本发明。其中：
图1示出了根据本发明的用于废气后处理的装置，
图2示出了在NOx-存储催化器加载期间且在第二NOx-存储催化器再生期间通过根据本发明的用于废气后处理的装置的废气流，
图3示出了在第一NOx-存储催化器再生期间通过根据本发明的用于废气后处理的装置的废气流，
图4示出了根据本发明的用于使这两个NOx-存储催化器再生的方法的流程图，
图5示出了另外的根据本发明的用于废气后处理的装置，
图6示出了另外的根据本发明的带有附加的颗粒过滤器的用于废气后处理的装置，
图7示出了另外的根据本发明的带有附加的颗粒过滤器的用于废气后处理的装置，
图8示出了如果与本发明相反第二NOx-存储催化器在第一NOx-存储催化器再生期间被内燃机的废气流流过关于废气中的NOx-浓度的图表。
附图标记清单
10 内燃机
12 排气道
14 三元催化器
16 第一NOx-存储催化器
18 第二NOx-存储催化器
20 开关元件
22 (排气道的)主臂
24 旁路通道
26 另外的催化器
28 三元催化器
30 颗粒过滤器
32 带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器
34 通入口
λE 燃烧空气比
λ在TWNSC之后 在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器下游或在第一NOx-存储催化器下游的燃烧空气比
λ在NSC之前在第二NOx-存储催化器上游的燃烧空气比
λ在NSC之后在第二NOx-存储催化器下游的燃烧空气比。
具体实施方式
图1示出了带有根据本发明的用于内燃机10的废气后处理的装置的内燃机10，其带有排气道12，其中，在内燃机10的废气通过排气道12的流动方向上布置有带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32。内燃机10在此优选地构造为外源点火的燃烧发动机，其优选地以稀薄燃烧方法来运行。该燃烧发动机不仅可实施为增压的燃烧发动机，而且可实施为自吸式发动机。带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32包括三元催化器14和第一NOx-存储催化器16，其布置在共同的壳体中。在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32下游，排气道12分支成主臂22和旁路通道24。在分支处布置有开关元件20，其优选地构造为3/2-通路阀，利用该3/2-通路阀可相应地导引内燃机的废气流通过排气道12的主臂22或者旁路通道24，其中，开关元件20封锁排气道12的相应另一支臂22、24。开关元件20优选地构造为带有双瓣-活门的瓣膜阀。备选地，也可在主臂22中和在旁路通道24中分别设置有调整元件，利用其可封闭排气道12的相应的支臂22、24。在排气道12的主臂22中布置有第二NOx-存储催化器18。在旁路通道24中布置有另外的催化器26，例如氧化催化器或优选地另外的三元催化器28。在第二NOx-存储催化器18下游，旁路通道24在通入口34处又通到排气道12的主臂22中。带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32优选地靠近发动机布置，而第二NOx-存储催化器18和另外的催化器26优选地布置在机动车的底部位置中。靠近发动机的位置在此被理解成在内燃机10的排出口之后最高50cm、尤其最高30cm的平均废气行程(Abgaslaufweg)。
在内燃机10的过化学计量的运行中所产生的NOx-排放物不能通过三元催化器14和第一NOx-存储催化器16或者通过带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32来还原。因此，其首先作为硝酸盐被存入在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32或第一NOx-存储催化器16上。随着带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32或第一NOx-存储催化器16负载越来越多，NOx-排放物也被存入在机动车的底部位置中的第二NOx-存储催化器18中。在该运行阶段中，开关元件20被调整成使得内燃机10的废气流流过排气道12的主臂22并且因此首先流经带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32或第一NOx-存储催化器16并且然后流经第二NOx-存储催化器18。在图2中示出该流经。总地来说，在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32上或在第一NOx-存储催化器16上以及在第二NOx-存储催化器18上仅为NOx-排放物提供有限的存储容量。因此，须周期性地使带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32或第一NOx-存储催化器16以及第二NOx-存储催化器18再生。
如果达到了第二NOx-存储催化器18的负载极限(这例如可通过在排气道中在第二NOx-存储催化器下游18的NOx-传感器或者通过设于内燃机10的控制器中的结算模型(Bilanzierungsmodell)实现)，导入第一NOx-存储催化器16的或者在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32中的NOx-存储催化器的以及第二NOx-存储催化器18的再生。对此，以亚化学计量的例如0.92的燃烧空气比λE来运行内燃机并且又使NOx-存储催化器16、18中的NOx自由并且利用存在于内燃机10的废气中的还原剂(例如一氧化碳或氢)来还原。
在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32再生时内燃机10以亚化学计量的燃烧空气比λE<1来运行，其中，在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32下游产生化学计量的废气。在不转换开关元件的情况下将以该化学计量的废气流入负载的第二NOx-存储催化器18，其中，将显现提高的NOx-解吸附。该情况的原因是存入第二NOx-存储催化器18中的硝酸盐在化学计量的废气下已被分解，然而不存在用于被释放的NOx-排放物的还原剂。在此，在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32加浓突破之后亚化学计量的废气才到达第二NOx-存储催化器18，使得第二NOx-存储催化器18在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32完全再生之后才能被再生。该表现在图8中示出并且通过根据本发明的装置以及根据本发明的方法来避免。
为了防止这样的情况，借助于开关元件20在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32的再生期间使排气道12的主臂22不被流过，而是带有布置在其中的三元催化器28的旁路通道24被流过。因此，在第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32再生期间不以化学计量的废气流过第二NOx-存储催化器18并且因此防止第二NOx-存储催化器18的解吸附。在图3中示出了在第一NOx-存储催化器16再生期间或在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32再生期间的废气引导。一旦第一NOx-存储催化器16或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32的再生结束，可关闭旁路通道24而打开排气道12的主臂22，从而可使第二NOx-存储催化器18再生。在图4的图表中示出了用于再生的方法。在该时刻以亚化学计量的废气流过带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32或第一NOx-存储催化器16并且亚化学计量的废气到达第二NOx-存储催化器18。以该方式可使两个NOx-存储催化器16、18或带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32和第二NOx-存储催化器18依次再生，而不造成在再生期间增加的NOx-逃逸。在图2中示出了在第二NOx-存储催化器18再生期间的废气引导。
在此，再生的持续时间被选择成使得在第一NOx-存储催化器16中或在带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32中以及在第二NOx-存储催化器18中存入的硝酸盐被完全分解并且NOx-存储催化器16、18被视为再生。该状态例如可借助于布置在第二NOx-存储催化器18下游的Lambda探针来探测。一旦在第二NOx-存储催化器18中不再存在待还原的硝酸盐，Lambda探针显示亚化学计量的废气组成。备选地，NOx-存储催化器16、18的再生也可根据存储在内燃机10的控制器中的结算模型被中断。
在图5中示出了根据本发明的废气后处理装置的另一实施例。在与在图1中尽可能相同构造的情况下，代替带有集成的NOx-存储催化器的三元催化器32在排气道12分支成主臂22和旁路通道24的上游相应设置有单独的三元催化器14以及第一NOx-存储催化器16。
在图6和7中示出了根据本发明的用于废气后处理的装置的另外的实施例。在与在图1或图5中尽可能相同构造的情况下，相应附加地在通入口34下游设置有颗粒过滤器30，利用该颗粒过滤器附加地可将碳黑颗粒从内燃机10的废气流中去除。颗粒过滤器30附加地可具有用于选择性地催化还原氮氧化物的覆层(SCR-覆层)。这再次提高废气清洁的效率，然而导致提高的排气背压且因此导致提高的消耗。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(10)的废气后处理的装置，所述内燃机带有：排气道(12)；布置在所述排气道(12)中的三元催化器(14)；第一NOx-存储催化器(16)；以及在通过所述排气道(12)的废气的流动方向上布置在所述第一NOx-存储催化器(16)下游且在所述三元催化器(14)下游的第二NOx-存储催化器(18)；旁路通道(24)，其构造所述第二NOx-存储催化器(18)的旁路；以及开关元件(20)，其实现废气流在所述排气道(12)的具有所述NOx-存储催化器(18)的主臂(22)与所述旁路通道(24)之间的转换。
2.根据权利要求1所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，在所述旁路通道(24)中设置有另外的催化器(26)。
3.根据权利要求2所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，所述另外的催化器(26)是三元催化器(28)。
4.根据权利要求1到3中任一所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，所述开关元件(20)构造为3/2-通路阀。
5.根据权利要求1到3中任一所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，所述开关元件(20)具有两个分离的调整元件，其中，第一调整元件设立成关闭所述排气道(12)的主臂(22)而第二调整元件设立成关闭所述旁路通道(24)。
6.根据权利要求1到5中任一所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，所述旁路通道(24)在所述第二NOx-存储催化器(18)下游在通入口(34)处通到所述排气道(12)的主臂(22)中。
7.根据权利要求6所述的用于废气后处理的装置，其特征在于，在所述通入口(34)下游在所述排气道中布置有颗粒过滤器(30)。
8.一种用于内燃机(10)的废气后处理的方法，所述内燃机带有：排气道(12)；布置在所述排气道(12)中的三元催化器(14)；第一NOx-存储催化器(16)；以及在通过所述排气道(12)的废气的流动方向上布置在所述第一NOx-存储催化器下游(16)且在所述三元催化器(14)下游的第二NOx-存储催化器(18)；旁路通道(24)，其构造所述第二NOx-存储催化器(18)的旁路；以及开关元件(20)，其实现废气流在所述排气道(12)的具有所述NOx-存储催化器(18)的主臂(22)与所述旁路通道(24)之间的转换，所述方法包括以下步骤：
-以过化学计量的、较稀的燃烧空气比λE>1运行所述内燃机(10)，其中，将所述开关元件(20)切换成使得所述排气道(12)的主臂(22)被所述内燃机(10)的废气流过，
-以氮氧化物加载所述第一NOx-存储催化器(16)以及所述第二NOx-存储催化器(18)，
-将所述内燃机(10)转换到亚化学计量的、较浓的燃烧气体混合λE<1上并且将所述开关元件(20)转换成使得所述旁路通道(24)被所述内燃机(10)的废气流过，
-借助于亚化学计量的、较浓的燃烧空气比使所述第一NOx-存储催化器(16)再生，
-将所述开关元件(20)转换成使得所述排气道(12)的主臂(22)被所述内燃机(10)的废气流过，并且使所述第二NOx-存储催化器(18)再生。
9.根据权利要求8所述的用于废气后处理的方法，其特征在于，所述内燃机(10)的废气在所述第一NOx-存储催化器(16)的再生期间被导引通过在所述旁路通道(24)中的三元催化器(18)。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的用于废气后处理的方法，其特征在于，所述内燃机(10)在亚化学计量的运行中以0.9-0.95的燃烧空气比λE来运行。
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