CN110418876A

CN110418876A - 改进的选择性催化还原系统和方法

Info

Publication number: CN110418876A
Application number: CN201880018001.5A
Authority: CN
Inventors: 罗纳德·西尔弗; 本·里德; 格拉哈姆·哈格雷夫; 保罗·盖诺; 托马斯·洛克伊尔
Original assignee: Perkins Engines Co Ltd
Current assignee: Perkins Engines Co Ltd
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-11-05
Also published as: EP3385516A1; WO2018185342A1; US20200011223A1; JP2020513080A

Abstract

提供了一种用于处理排气通道中的排气气体的选择性催化还原(SCR)系统。该系统包括用于将尿素转化成氨的第一催化器(30)，该第一催化器位于通道(10)中并且具有上游面(31)和下游面(33)。上游面(31)与穿过通道(10)的轴向流动路径(A)成直角。该系统还包括用于在氨的存在下将NOx转化为氮气和水的第二催化器(40)，其中第二催化器在第一催化器(30)的下游位于通道(10)中。柴油机排气处理液(DEF)配给单元(50)位于第一催化器(30)的上游。配给单元(50)包括喷嘴(56)，该喷嘴(56)布置成将DEF直接注射到第一催化器(30)的上游面(31)上。

Description

改进的选择性催化还原系统和方法

发明领域

本发明涉及内燃发动机的领域，并且更具体地涉及用于处理柴油发动机排气气体中的氮氧化物的改进的选择性催化还原(SCR)系统和方法。

发明背景

SCR系统通常采用SCR催化器，该SCR催化器在氨的存在下将排气气体中的氮氧化物(NOx)转化为氮气和水。氨通常以下方式来获得，即，通过将含水尿素(通常已知为柴油机排气处理液，或DEF)注射到排气流中，于是尿素在排气通道中经历水解和/或热解，从而产生氨。氨进入到SCR催化器中，在该SCR催化器中氨与排气气体反应，其中排气气体中存在的任何氮氧化物(NOx)在排气排出并进入到大气中之前被转化为氮和水。

为了帮助或加速DEF转化为氨，已知在排气通道中的SCR催化器的上游采用附加催化器。该附加催化器可以是水解催化器，随着将DEF注射到流入催化器的排气流中并经历催化反应，由此DEF转化为氨，然后，氨向下游流入到SCR催化器中以实现上述NOx的转化。可替代地，可以在SCR催化器的上游采用冲击混合器，其中冲击混合器为蒸发、热解和水解反应的发生提供表面。

在上游使用冲击混合器的一个缺点是混合器的局部冷却可以在较高的DEF配给率和/或较低的排气温度和流动速率下发生。添加到混合器的有限的表面积中，这可以导致液体在混合器上积聚，并随后抑制尿素向氨的转化反应。此外，这种抑制增加了中间副产物反应发生的可能性，导致在混合器上和下游排气管道中都形成尿素沉积物。

在US2009/0324453中已经提出了该问题的一种解决方案，该专利申请公开了一种SCR系统，其中上游高温分解和/或水解催化器具有与轴向流动的方向成20-70度的角度的上游面。这种布置的目的是减少DEF注射器和催化器的上游面之间的距离，并使用催化器来改进尿素向氨的转化。这样的布置的一个缺点是催化器必须专门为此目的用成角度的面来产生，否则必须切割常规的催化器以产生成角度的面。不管怎样，这会增加制造的成本。此外，催化器的成角度的面可以使催化器内的单元(cell)延长至少30-50％的总长度，这可以导致排气系统内的背压的不期望的增加。

本发明的目的是消除或减轻上述缺点中的一个或更多个。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了一种用于处理排气通道中的排气气体的选择性催化还原(SCR)系统，该系统包括：

第一催化器，其用于将尿素转化为氨，所述第一催化器位于所述通道中并具有上游面和下游面，其中所述上游面与通过所述通道的轴向流动路径成直角；

第二催化器，其用于在氨的存在下将NOx转化为氮气和水，所述第二催化器在所述第一催化器下游位于所述通道中；以及

柴油机排气处理液(DEF)配给单元，其位于所述第一催化器的上游，所述配给单元包括喷嘴，所述喷嘴布置成将DEF直接注射到所述第一催化器的所述上游面上。

根据本发明的第二方面，提供了一种处理排气通道中的排气气体的方法，该方法包括以下步骤：

将用于将尿素转化为氨的第一催化器定位在所述通道中，所述第一催化器具有上游面和下游面，其中所述催化器定位成使得所述上游面与通过所述通道的轴向流动路径成直角；

将第二催化器定位在所述通道中以用于在氨的存在下将NOx转化为氮气和水，所述第二催化器在所述第一催化器的下游位于所述通道中；

将柴油机排气处理液(DEF)配给单元定位在所述第一催化器的上游，所述配给单元包括喷嘴；以及

将DEF从所述喷嘴直接注射到所述第一催化器的所述上游面上。

附图说明

现在将仅以示例的方式、参考下面的附图进行描述本发明的优选的实施方案：

图1是选择性催化还原系统的第一实施方案的截面图；以及

图2是选择性催化还原系统的第二实施方案的截面图。

附图详述

图1是选择性催化还原(SCR)系统的第一实施方案的核心部件的截面图，该系统位于交通工具的排气管或通道10中。排气气体在通过箭头E所示出的方向上从交通工具的柴油发动机流向排气尾管(未示出)，并从排气尾管流向大气。排气气体可以在到达图1中所示出的SCR系统的部件之前首先流动通过已知的柴油氧化催化器，并且排气气体还可以流动通过系统和尾管之间的已知的氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst)。然而，这里没有示出这些部件，因为它们不是本SCR系统的核心部件。

总体用20表示的SCR系统包括用于将尿素转化成氨的第一催化器30。第一催化器30包括可渗透的基底，该可渗透的基底优选地具有包含在其中并沿基底的长度延伸的多个单元32。基底优选地具有每平方英寸至少50个单元的单元密度。可渗透的基底可以是金属基底，诸如，例如不锈钢，或者可替代地它可以是陶瓷基底，诸如，例如堇青石。催化器基底可以是未涂覆的，由此基底有效地充当冲击装置，促进尿素内的热解和/或高温分解反应。可替代地，基底可以涂覆有已知类型的水解催化剂涂层或载体涂层(washcoat)，以便促进尿素内的水解反应。

第一催化器30位于通道10中并且具有上游面31和下游面33。上游面31基本上与通过通道10的轴向流动路径A成直角。换句话说，在通道10中的第一催化器30的位置处，上游面31基本上垂直于通道的内壁12。

系统20还包括第二催化器40，用于在氨的存在下将氮氧化物(NOx)转化为氮气和水。第二催化器40可以是已知类型的SCR催化器，并且可以包括紧邻其上游的颗粒过滤器(未示出)。第二催化器40在第一催化器30的下游位于通道10中。

位于第一催化器30的上游的是柴油机排气处理液(DEF)配给单元50。配给单元50包括控制器或ECU 52以用于控制该配给单元的配给速率，并且被连接到包含DEF供应的储存器54。配给单元还包括连接到储存器54的喷嘴56，其中喷嘴布置成将DEF直接注射到第一催化器30的上游面31上。在上下文中，术语“直接”意指DEF液滴58的喷射以冲击或撞击在第一催化器的上游面31上这样的方式从喷嘴56注射到通道10中，与液滴在到达第一催化器之前蒸发相反。

系统20还可以包括排气混合器60，该排气混合器60包括多个导流叶片62，用于产生湍流并确保当流动向下游行进到第二催化器40中时排气气体和氨的彻底混合。排气混合器60在第一催化器30的下游位于通道10中，并且优选地紧密联接到第一催化器的下游面33。“紧密联接”意指混合器60被附接到下游面33，或者至少定位成与下游面紧密靠近(即小于100毫米)。

图2示出了总体用20’表示的选择性催化还原(SCR)系统的第二实施方案的核心部件的截面图，该系统位于交通工具的排气管或通道10中。该系统的第二实施方案共享第一实施方案的部件的大部分。这些共享部件也共享与以上使用的相同的参考数字，并且这里将不再描述。

该系统的第一和第二实施方案之间的差异涉及DEF配给单元50的喷嘴56’的定位。在该第二实施方案中，喷嘴56’再次布置成将DEF直接注射到第一催化器30的上游面31上。然而，在该实施方案中，喷嘴56’从其基本上与轴向流动路径A同轴的位置开始这样做。换句话说，喷嘴56’具有基本上与轴向流动路径A同轴的中心轴线N。因此，第二实施方案中的DEF液滴的喷射58’从第一催化器的上游面31的正前方的位置离开喷嘴56’，与从与第一催化器的侧面成角度的位置相反。喷嘴56’的尖端和上游面31之间的距离与离开喷嘴尖端的DEF的喷射锥角成比例。喷嘴的尖端优选地距上游面125-175mm，具有30-60°的喷射锥角。

工业适用性

现在将参考图1和图2中所示出的SCR系统的部件描述处理排气通道中的排气气体的方法。该方法包括将用于将尿素转化为氨的第一催化器30定位在通道10中，并将第二催化器40在第一催化器30的下游定位在通道中以用于在氨的存在下将NOx转化为氮气和水。该方法还可以包括用水解涂层或载体涂层涂覆第一催化器的可渗透的基底的初始步骤。DEF配给单元50位于第一催化器的上游，并且可以如图2中所示地定位，由此DEF喷嘴基本上与轴向流动路径A同轴。优选地，喷嘴56、56’布置成使得DEF喷射58、58’撞击在第一催化器30的上游面31的表面积S1上。由DEF喷射58、58’覆盖的表面积S1优选地为上游面31的总表面积S的至少50％。

DEF喷射58、58’优选地包括具有小于50微米的索特平均直径(Sauter meandiameter)的液滴。喷射58、58’优选地形成为锥形，其中当在包括总冲击喷射质量通量的95％的面积上测量时，冲击上游面31上任何点的峰值喷射质量通量不超过冲击上游面31的平均质量通量的2.5倍。

当排气气体在方向E上流动时，DEF配给单元50将从喷嘴56、56’注射DEF，使得DEF液滴58、58’被直接喷射到第一催化器30的上游面31上。如果形成第一催化器的可渗透的基底未涂覆有水解涂层，那么落在基底上的尿素将经历热解或高温分解反应使得尿素转化成氨。如果基底涂覆有水解涂层，那么尿素将经历水解反应，从而尿素转化为氨。

离开第一催化器的下游面33的氨和排气气体然后进入排气混合器60，在此处，混合器的叶片62涡旋和/或引导流动，以确保氨和排气气体在流动进入第二催化器40之前彻底混合。在第二催化器中，排气气体中存在的任何NOx在氨的存在下被转化为氮气和水。这些无害的氮和水组分然后从排气尾管排出到大气中。

通过将DEF直接喷射到第一催化器的上游面上，与DEF简单地注射到排气气体流中的系统相比，系统的尿素到氨的转化率得到改进。它还减少了DEF沉积物在第一催化器的上游形成在排气通道的内表面上的机会。在催化器上游面充当冲击表面的实施方案中，直接将DEF喷射到该表面上导致DEF液滴在冲击下破裂，从而降低了液体在催化器上的任何堆积的可能性以及这些表面可能因此发生的不期望的冷却。当任选的水解催化剂涂层施加到第一催化器的基底时，DEF的期望蒸发进一步增强。

此外，在垂直于通道和轴向气体流动的上游催化器面上执行这种直接注射意指不需要额外的制造步骤来生产那些上游面相对于轴向流动成角度的催化器。使用那些上游面垂直的催化器也意味着，通道中不会产生由于催化器中的单元的至少一部分的长度较长而导致的额外的背压。

将可选的流动混合器放置在第一催化器的下游不仅仅确保氨和排气气体的混合。此外，混合器的表面也充当用于任何DEF喷射液滴的二次蒸发位置，这些喷射液滴离开第一催化器的下游面而不会已经被蒸发。

在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以包含修改和改进。

Claims

1.一种用于处理排气通道中的排气气体的选择性催化还原(SCR)系统，所述系统包括：

第一催化器，其用于将尿素转化为氨，所述第一催化器位于所述通道中并具有上游面和下游面，其中所述上游面与穿过所述通道的轴向流动路径成直角；

第二催化器，其用于在氨的存在下将NOx转化为氮气和水，所述第二催化器在所述第一催化器的下游位于所述通道中；以及

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一催化器包括可渗透的金属基底。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一催化器包括可渗透的陶瓷基底。

4.如权利要求2或权利要求3所述的系统，其中所述基底涂覆有水解催化剂。

5.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述喷嘴与穿过所述通道的所述轴向流动路径基本上同轴。

6.如前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述第一催化器的下游位于所述通道中的排气气体混合器。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述排气气体混合器紧密联接到所述第一催化器的所述下游面。

8.一种处理排气通道中的排气气体的方法，所述方法包括以下步骤：

将用于将尿素转化为氨的第一催化器定位在所述通道中，所述第一催化器具有上游面和下游面，其中所述催化器定位成使得所述上游面与穿过所述通道的轴向流动路径成直角；

9.如权利要求8所述的方法，其中所述第一催化器包括可渗透的金属基底。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述第一催化器包括可渗透的陶瓷基底。

11.如权利要求9或权利要求10所述的方法，还包括用水解催化剂涂覆所述基底的步骤。

12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中定位所述配给单元的步骤包括定位所述喷嘴，使得所述喷嘴与穿过所述通道的所述轴向流动路径同轴。

13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述第一催化器的所述上游面具有第一表面积，并且所述喷嘴注射所述DEF使得DEF喷射撞击在所述上游面的第二表面积上，所述第二表面积为所述第一表面积的至少50％。

14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，还包括将排气气体混合器在所述第一催化器的下游定位在所述通道中的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其中将所述排气气体混合器定位在所述通道中的步骤包括将所述排气气体混合器紧密联接到所述第一催化器的所述下游面。