CN114534486B - 一种净化氮氧化物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种净化氮氧化物的方法，该方法包括：当检测到车辆LNT装置前端的温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷；在缸内燃油后喷的作用下，使车辆LNT装置内和LNT装置后的排气温度达到烧聚温度，在该烧聚温度条件下，将LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，该Pt颗粒团用于净化氮氧化物。本发明通过将LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，提高了Pt催化剂参与催化反应的效率，进而提高了对NOX的净化总效率。

Description

一种净化氮氧化物的方法
技术领域
本发明属于汽车领域，特别是涉及一种净化氮氧化物的方法。
背景技术
在汽车的排放法规(国6排放法规)中，对NOX的排放限值，做了更严格的要求。由于柴油机是富氧燃烧，因而汽车的尾气中含有大量的NOX。因此，本领域技术人员面临着尽可能减少尾气中NOX含量的问题。
现在行业内针对汽车对国6排放法规的排放路线主要后处理布置的处理方式如图1所示，图1为现有技术中的排放路线主要后处理布置的处理方式的示意图。
如图1所示，现有技术中的一种排放路线主要后处理布置的处理方式为：汽车尾气经过增压器后，从排气入口进入，依次流经LNT(Lean NOX Traps，稀燃氮氧化物捕集装置)、DPF(Diesel Particulate Filter，柴油颗粒捕集器)以及SCR(Selective CatalyticReduction，选择性催化还原装置)。其中，LNT对尾气中的氮氧化物(NOX)进行净化、捕集和释放，DPF对尾气中的碳颗粒进行捕集，SCR对LNT中释放出来的NOX进行催化还原。
在现有技术中，LNT的一种结构示意图如图2所示，常用的LNT的结构如梭形，该LNT包括壳体22、衬垫23和载体21。壳体22的两端设有开口，如图2中的箭头所示，两端的开口用于尾气的流入和流出；衬垫23夹设于载体21的外周壁和壳体22的内周壁之间，起到保证密封性和减震保护作用；载体21位于壳体22中，载体21沿纵向的两端分别朝向对应侧的壳体22的开口，载体21上设有沿纵向延伸的多个孔道，孔道的内壁上涂覆有涂层，该涂层由Pt、Pd、Rh、CeO2以及BaCO3的混合而成，尾气流经载体21时，途经载体21上的多个孔道，并与多个孔道的内壁充分接触。
然而，在LNT的实际应用过程中，LNT净化NOX的效率总是不尽人意。因此，本领域技术人员一直在探索提高LNT净化NOX效率的方法。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种净化氮氧化物的方法。
本发明提供一种净化氮氧化物的方法，所述方法包括：
检测所述车辆LNT装置前端的温度；
当检测到所述温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷；
在所述缸内燃油后喷的作用下，将所述车辆LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团；所述Pt颗粒团用于净化氮氧化物；所述车辆包括：出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆。
在所述检测车辆LNT装置前端的温度之前，所述方法还包括：
确定车辆是否为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆；
当所述车辆被确定为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆时，执行所述检测车辆LNT装置前端的温度。
优选地，所述预设温度为400℃～500℃。
优选地，在所述缸内燃油后喷的作用下，将所述车辆LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，包括：
通过所述缸内燃油后喷，生成达到预设含量的HC(碳氢化合物)；
所述Pt颗粒在所述HC的作用下，与所述LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团。
优选地，所述Pt颗粒在所述HC的作用下，与所述LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团，包括：
通过所述HC与氧气的放热反应，使得所述车辆LNT装置内和LNT装置后的排气温度达到烧聚温度；
在所述烧聚温度的条件下，所述Pt颗粒与所述LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团。
优选地，所述Pt颗粒与所述LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团，包括：
所述Pt颗粒与所述LNT装置中的氧化铝颗粒进行粘结；
多个所述Pt颗粒粘结在所述氧化铝颗粒的表面，形成Pt颗粒团。
优选地，所述烧聚温度为590℃～700℃。
优选地，所述Pt颗粒的粒径为1μm～2μm；所述Pt颗粒团的粒径为8μm～10μm。
优选地，所述烧聚的时间为大于等于450秒。
优选地，所述方法还包括：
选用粒径为8μm～10μm的Pt颗粒做催化剂涂覆在LNT装置内；
将涂覆后的所述LNT装置安装于车辆尾气后处理装置内。
本发明实施例提供了一种净化氮氧化物的方法，该方法包括：检测车辆LNT装置前端的温度，当检测到所述温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷，产生预设含量的HC，在Pt颗粒做催化剂的条件下，HC与氧气进行反应，产生大量的热，产生的热量将Pt颗粒与LNT装置中的氧化铝烧聚成Pt颗粒团，而Pt颗粒团可以高效的参与净化尾气中的CO、HC、NOX等污染物，从而提高LNT装置中Pt催化剂参与催化反应的效率，进而提高了对NOX的净化总效率。
附图说明
图1示出了现有技术中的一种排放路线主要后处理布置的处理方式的示意图；
图2示出了现有技术中的LNT的一种结构示意图；
图3示出了现有技术中制作LNT时Pt颗粒在涂覆过程中聚集成Pt颗粒团的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种净化氮氧化物的方法流程图；
图5示出了本发明实施例中Pt颗粒与金属氧化铝烧聚成另一种形态的Pt颗粒团的示意图；
图6示出了本发明实施例中的对某试验车的NOX的排放量的测试结果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
首先，本发明的发明人在对LNT的6万公里耐久研究中发现一个规律。新车800公里内的LNT净化NOX的总效率为56.9％，NOX的净化能力比800公里后至少低20％。也就是说，在现有技术中，出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆LNT净化NOX的总效率相对较低。
然后，发明人探索了新车800公里内NOX的净化总效率低的原因。首先，探究了车辆LNT在净化NOX中的作用及其原理，具体如下：
LNT的第一个作用：利用内部涂层中的贵金属，催化如下反应(1-6)所示的氧化反应和还原反应的正常发生。该作用的目的是净化污染物CO、HC、NOX。其中，LNT内的NOX净化也被行业内称为D-NOX。
CO+1/2O2→CO2 (1)氧化反应
HC+O2→H2O+CO2 (2)氧化反应
CO+NO→1/2N2+CO2 (3)还原反应(通过CO进行D-NOX)
HC+NO→N2+H2O+CO2 (4)还原反应
NO+1/2H2→H2O+NH3 (5)还原反应(通过H2进行D-NOX)
H2+NO→H2O+1/2N2 (6)还原反应(通过H2进行D-NOX)
LNT的第二个作用：NO、NO2在CeO2、BaCO3的作用下存储于LNT中，此反应过程被称为NOX存储。其中，NO的氧化、NOX存储发生的另一个条件是轻型柴油机处于稀燃阶段，具体反应如反应式(7-8)所示。
NOX存储反应：
BaCO3+2NO2+1/2O2→Ba(NO3)2+CO2 (7)
CeO2+3NO+2O2→Ce(NO3)3 (8)
在轻型柴油机处于浓燃阶段时尾气中含有大量的CO和约占尾气总量1.2％的H2(氢气)，LNT在CO和H2的作用下可以释放出被存储的NOX。此过程被称为NOX释放。释放出的NOX被后续的排气净化装置(例如SCR)净化。
NOX释放反应：
Ce(NO3)3→CeO2+3NO2+1/2O2 (9)
Ba(NO3)2+CO2→BaCO3+3NO2+1/2O2 (10)
Ba(NO3)2+3H2+CO2→BaCO3+2NO+2CO2 (11)
Ba(NO3)2+3CO→BaCO3+2NO+2CO2 (12)
Ba(NO3)2+1/3C3H6→BaCO3+2NO+H2O (13)
根据反应式(1-6)是在贵金属Pt、Pd、Rh作催化剂的条件下，对流经LNT装置的CO、HC、NOX等污染物的净化反应。
在现有技术所公开的LNT载体制作过程中，Pt、Pd、Rh、CeO2、BaCO3等物质被混合均匀后涂覆在LNT载体的孔道内部，在涂覆前，Pt颗粒的粒径在1μm～2μm，涂覆过程中，Pt颗粒就像滚雪球一样，发生聚集，最终定型为粒径在8μm～10μm的Pt颗粒团，定型后的Pt颗粒团如图3所示。
但是，制作完成的LNT装置中仍有小部分Pt颗粒未发生聚集，而Pt颗粒团因粒径更大，对CO、HC、NOX污染物的催化能力更强，参与净化反应的效果优于Pt颗粒，这就造成LNT载体内因小部分Pt颗粒的存在而使Pt催化剂的催化效能未被完全利用，进而降低了LNT净化NOX的总效率。
为更好的理解Pt颗粒与Pt颗粒团在净化氮氧化物能力方面的差距，这里形象的举一个例子，烧聚颗粒Pt的过程就相当于“把几块小吸铁石组合在一起形成了一个大吸铁石，氧就相当于那个铁粒”。我们试想一下，烧聚前，相当于一个直径为1μm的吸铁石和一个直径为10μm的吸铁石，吸引一个铁粒。铁粒被10μm的吸铁石捕捉/吸引的概率是非常大的。进一步的即便铁粒被1μrn的吸铁石吸到，也非常有可能被10μm吸铁石掠夺，因为磁力差别太悬殊。当小的Pt颗粒被烧聚合后，相当于集合了它们的吸引能力。
同时，发明人又对800公里后LNT净化NOX的总效率可以达到良好以上(良好标准为75％)的原因进行了探究。依据目前行业现状，新车在行驶大约700公里时，系统会自动启动一次LNT的D-SOX工序(LNT脱硫的过程被行业内称为D-SOX)，D-SOX工序时长大约在18-20分钟(每个企业略有不同)，D-SOX过程是借助缸内燃油后喷技术产生大量的HC，HC与O2发生催化氧化生热，使LNT和其出口温度达到>590℃(每个企业略有不同)，高温使BaSO4转化成BaO。发明人对某试验车型行驶800公里后的LNT进行实验观察发现，LNT装置中的Pt颗粒在参与HC与O2的催化氧化反应中与氧化铝颗粒粘结(氧化铝作为添加剂，用来提高LNT装置中基底的比表面积，可以增强LNT载体的NOX附着能力)，烧聚成了Pt颗粒团。
这里进一步的解析为什么LNT装置中Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，会提高LNT的D-NOX性能：汽车正常行驶过程中，发动机也会有HC排出，但是排出量要比本发明少很多，当少量的HC在Pt催化剂表面流过时，那些相对较大且烧结特征明显的Pt颗粒团对HC具有更大的吸引优势(注：也可以通俗的理解为那些HC都被质量好的“Pt颗粒团”吸引了)。因此，粒径相对较小的Pt颗粒无法正常发挥其催化作用。
当“大量的HC”在Pt表面流过时，那些相对较大且烧结特征明显的“Pt颗粒团”虽然具有很好的HC吸引能力，但是“大量的HC”在Pt表面也会使得那些吸引HC能力差的Pt颗粒也能捕捉到HC，当然，HC会对这些吸引了HC的Pt颗粒起到烧聚的重要作用。
当然，提升LNT的D-NOX的能力可以通过加大贵金属Pt、Pd、Rh的涂覆量解决，但是这会增加成本。已知贵金属Pt、Pd、Rh比黄金的价格更高。因此，该方法成本较高，并不经济。
本发明的技术构思为：受D-SOX的启发，针对出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆，利用缸内燃油后喷技术产生大量的HC，利用Pt颗粒在参与HC与氧气的催化反应中产生的热量，使Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，提升新车800公里内的LNT净化NOX的总效率。
基于上述技术构思，本发明提供了一种净化氮氧化物的方法。以解决上述现有技术中存在的新车800公里内NOX的净化总效率低的问题。如图4所示，该方法包括：
S41，检测车辆LNT装置前端的温度；
S42，当检测到LNT装置前端温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷；
S43，在缸内燃油后喷的作用下，将车辆LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团；用于净化氮氧化物。车辆包括：出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆。
具体实施时，利用发动机ECU监控LNT装置前的高温传感器，当监控到LNT装置前端温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷动作(缸内燃油后喷是在发动机正常喷油着火后，在活塞下行的过程中，喷油器额外向气缸内喷射燃油)。后喷产生的燃油燃烧过程中生成大量的HC，这些反应剂在LNT内部贵金属Pt作催化剂的作用下与O2进行催化氧化反应生热，使LNT和其出口温度达到>590℃。同时，Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团。
本发明实施例中，优选地，在检测车辆LNT装置前端的温度之前，方法还包括：确定车辆是否为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆；当车辆被确定为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆时，执行检测车辆LNT装置前端的温度。
本发明实施例中，优选地，LNT装置前端预设温度为400℃～500℃。
具体实施时，利用发动机ECU控制LNT装置前端温度在400℃～500℃，温度过低会导致需要后喷更多的燃油来达到LNT装置内和LNT装置后的反应温度达到590℃～700℃，温度过高会导致燃油后喷后，反应完成时LNT装置内和LNT装置后的反应温度超过700℃，损坏LNT、DPF等装置。
本发明实施例中，优选地，在缸内燃油后喷的作用下，将车辆LNT装置中的Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团。包括：通过缸内燃油后喷，生成达到预设含量的HC；Pt颗粒在HC的作用下，与LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团。
具体实施时，该过程包括，预设含量的HC由触发缸内燃油后喷后。这些燃油不充分燃烧生成的，预设含量是指：生成的HC在Pt作催化剂的条件下与O2进行催化氧化反应所放出的热量，能使LNT和其出口温度达到>590℃的HC的量。
本发明实施例中，优选地，Pt颗粒在HC的作用下，与LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团。
具体实施时，该过程包括，HC与氧气发生催化氧化，并释放大量热量，使得车辆LNT装置内和LNT装置后的排气温度达到一定的烧聚温度，在该烧聚温度的条件下，Pt颗粒与LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团。
本发明实施例中，优选地，Pt颗粒与LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团；包括，Pt颗粒与LNT装置中的氧化铝颗粒的表面进行粘结；多个Pt颗粒粘结在氧化铝颗粒的表面，形成Pt颗粒团。
具体实施时，该过程的结果如图5所示，LNT装置中的添加剂氧化铝(用于提高LNT装置中载体的比表面积和增强所述载体的NOX附着能力)颗粒的粒径在6μm左右，在烧聚温度下，氧化铝颗粒表面发生熔融，Pt作催化剂在参与HC与O2的反应过程中，使得氧化铝颗粒表面粘结了多个Pt颗粒，形成Pt颗粒团。
本发明实施例中，优选地，烧聚温度为590℃～700℃。
本发明实施例中，优选地，Pt颗粒的粒径为1μm～2μm；Pt颗粒团的粒径为8μm～10μm。
本发明实施例中，优选地，烧聚的时间为大于等于450秒。
在本发明的另一个实施例中，实现方法还可以是：制作并选用粒径为8μm～10μm的Pt颗粒做催化剂涂覆在LNT装置内；将涂覆后的所述LNT装置安装于车辆尾气后处理装置内。
为使本领域技术人员更好地理解本发明实施例中的净化氮氧化物的方法，以下通过具体的实施例来说明本发明实施例中的净化氮氧化物的方法对于提高LNT对NOX的净化总效率的具体表现。
本实施例的具体实施过程如下：
选择一辆新出厂车辆做实验车辆，进行NOX的排放量测试，并记录NOX的排放量。接着，利用多进油少进气的方式使发动机升温，检测该车辆LNT装置前端的温度；当检测到LNT装置前端温度达到450℃时，触发缸内燃油后喷，进行Pt颗粒的烧聚，烧聚的时间为450秒。完成烧聚后的实验车辆再进行NOX的排放量测试，并记录NOX的排放量。最后，进行数据统计，并计算LNTD-NOX的总效率。
图6示出了本发明实施例中的对某试验车的NOX的排放量的测试结果，图3中，“LNT前NOX的排放量”是指进入LNT装置之前的尾气中的NOX的排放含量；“LNT后NOX的排放量”是指尾气流经LNT装置，经过反应后，尾气中剩余的NOX的排放含量；“使用本发明后LNT后NOX的排放量”是指尾气流经本发明方法处理后的实验车的LNT装置，经反应后，尾气中剩余的NOX的排放含量。
如图6所示，根据GB 18352.6-2016要求的WLTC循环测试，测试公司某新出厂试验车LNT D-NOX的总效率约56.9％，其中，LNT前总(原排)NOX：10.93g，LNT总处理NOX：6.22g。然后，用本发明方法对该试验车LNT处理后重新测试，获得LNT前总(原排)NOX：约10.93g，LNT总处理NOX：8.49g，LNT在WLTC循环处理77.9％，达到了良好的水平。
由测试结果可知：由本发明该实施例可知，本发明利用缸内燃油后喷技术产生大量的HC，利用Pt颗粒在参与HC与氧气的催化反应中产生的热量，使Pt颗粒烧聚成Pt颗粒团，提升新车800公里内的LNT净化NOX的总效率，使新车行驶初期的800公里内LNT的D-NOX能力被显著提升了约21％。
其中，该21％的计算公式为：(“LNT后NOX的排放量”的总和-“使用本发明后LNT后NOX的排放量”的总和)/“LNT后NOX的排放量”的总和×100％。
并且，由于本发明实施例提供的净化氮氧化物的方法可有效地提高LNT D-NOX能力，降低NOX的排放，因此，本发明实施例提供的净化氮氧化物的方法，可应用于所有排放含有NOX的尾气的汽车，特别是NOX排放量较多的轻型柴油车。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明所提供的一种净化氮氧化物的方法，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述方法包括：
检测车辆LNT装置前端的温度；
当检测到所述温度达到预设温度时，触发缸内燃油后喷；
在所述缸内燃油后喷的作用下，产生预设含量的HC，在Pt颗粒做催化剂的条件下，通过所述HC与氧气的放热反应，使得所述车辆LNT装置内和LNT装置后的排气温度达到烧聚温度；
在所述烧聚温度的条件下，所述Pt颗粒与所述LNT装置中的氧化铝颗粒作用，烧聚成Pt颗粒团，包括：所述Pt颗粒与所述LNT装置中的氧化铝颗粒进行粘结；多个所述Pt颗粒粘结在所述氧化铝颗粒的表面，形成Pt颗粒团；
所述Pt颗粒团用于净化氮氧化物。
2.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，在所述检测车辆LNT装置前端的温度之前，所述方法还包括：
确定车辆是否为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆；
当所述车辆被确定为出厂前车辆和/或未启动首次除硫的车辆时，执行所述检测车辆LNT装置前端的温度。
3.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述预设温度为400℃～500℃。
4.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述烧聚温度为590℃～700℃。
5.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述Pt颗粒的粒径为1μm～2μm；所述Pt颗粒团的粒径为8μm～10μm。
6.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述烧聚的时间为大于等于450秒。
7.根据权利要求1所述净化氮氧化物的方法，其特征在于，所述方法还包括：
制作并选用粒径为1μm～2μm的Pt颗粒做催化剂涂覆在LNT装置内；
将涂覆后的所述LNT装置安装于车辆尾气后处理装置内。
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