CN1378037A - 对尾气进行处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对外源点火的内燃机(10)的尾气进行处理的方法和装置。根据本发明,尾气流过一后置于内燃机(10)的催化剂系统(16、18),所述催化剂系统至少由一发动机附近的预催化剂(16)构成并且预催化剂(16)具有的与冲程容积相关的惰性金属含量(EMVH),最高为1.1g/dm3(31g/英尺3)内燃机(10)冲程容积,并且在内燃机(10)冷起动后至少瞬时采取至少一种加热措施,从而在发动机起动后至迟25秒可达到至少150℃,其中超过最大发动机转速2500分钟－1的时间最多不超过一秒钟。

Description

对尾气进行处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种对外源点火的内燃机的尾气进行处理的方法和装置。
背景技术
在内燃机的尾气通道内应用催化剂，以便将内燃机尾气内的有害物质转换成尽可能对环境不造成影响的成分。为保持催化剂处于工作状态，必须将催化剂至少加热到起始温度或熄灯温度。由于至少第一催化剂特别是在内燃机冷启动后通常在一定的时间段内尚不具有起始温度，所以尾气在该时间段内在很大程度上未加转换地被排放到大气中。已知有各种加快催化剂加热过程和减少在加热过程期间的有害物质排放的措施。
通常在加热过程中以具有最大效率的点火角为基准迟后调整在汽缸中空-燃-混合物点火的点火角度。通过对点火角的迟后调整将降低燃烧的工作效率并同时提高尾气温度。迟后点火就点火角而言将受到如下因素的制约，其中将会以不容许的方式增大内燃机不平稳的运转或不能保证可靠的点火。另外还已知这种催化剂加热措施不是在λ＝1的化学计量的尾气组分的情况下，而是在λ＞1的略稀的尾气的情况下实施的。该措施考虑到，由于在稀尾气中存在有剩余的氧，HC-和CO-转化的起始温度大约低于化学计量的尾气情况时的50至100K。因而在稀进汽时将提前有效地开始对有害物质的转换。
为减少在加热过程阶段的排放，另外可采用小容积的预催化剂，所述预催化剂设置在尾气设施靠近发动机的位置。由于预催化剂的加热质量小并且靠近发动机，因而可相对较快地达到起始温度，因而可以弥补在下游设置的大容积的主催化剂实现工作温度前的空白。通常作为氧化或三元催化剂设计的预催化剂在其催化覆层-所谓的(催化剂)夹层-中具有较高含量的惰性金属，尤其是铂族惰性金属。因而可以降低催化剂温度，在该温度下可以充分进行有害物质的转化并因此可以实现提前开始转化。其中根据法律规定的污染极限值选定惰性金属的含量。例如在采用目前的加热措施时，可靠的满足欧洲尾气排放标准EU-IV级所要求的专门的惰性金属含量至少为1.3g/dm3发动机冲程容积。由于惰性金属价格很高，所以满足严格的尾气排放标准势必始终伴随着很高的材料费用开销。
发明说明
所以本发明的目的在于提出一种用于对尾气进行净化的方法和装置，所述方法和装置可以以较低的代价保持低排放的极限值。
本发明的目的应用下述方法和装置得以实现：
一种外源点火的内燃机的尾气的处理方法，其中
尾气流过后置于内燃机的催化剂系统，所述催化剂系统至少由一设置在发动机附近的预催化剂构成，并且预催化剂具有的与发动机冲程容积相关的惰性金属含量最高为1.1g/dm3(31g/英尺3)内燃机冲程容积和
在内燃机的发动机起动后至少瞬间采取一种加热措施，使预催化剂的催化剂温度至少在发动机起动后至迟25秒内达到至少150℃，其中超过发动机最大转速2500分钟-1的时间最多不超过一秒钟。
本发明的方法在第一方面中包括对预催化剂的快速加热，其中在此的出发点是环境和汽车温度为+20℃，相对湿度为30至70％的标准条件下起动发动机。其中催化剂温度系指在气体入口面的下游侧20mm处的预催化剂的催化覆层(中间层)的温度，其中在此处至少50％的催化剂截面面积具有该温度。根据本方法的特别有益的设计，在发动机起动后至迟20秒钟，尤其在发动机起动后至迟15秒钟，优选在发动机起动后至迟12秒钟可以达到至少为170℃的催化剂温度，优选可以达到至少为200℃的催化剂温度。其中超过特别是1800分钟-1的发动机最大转速，优选最高1200分钟-1的发动机转速的时间最多不超过1秒钟，其中优选对内燃机未加载。
这种快速加热的过程要求采取加热措施，但应用通常的加热方法是不能达到其加热能力的。尤其是设有一点火角迟后调整装置，其中将点火角控制在至少在上点火死点ZOT后的10°。特别优选的是在直接喷射和分层注油的内燃机的情况下采用多次喷射的方法作为另一种加热措施。其中在一汽缸的工作周期中输入的燃料总量以至少两个喷射过程输入到汽缸的燃烧室内。在汽缸的吸入冲程中进行第一次最初的喷射(均匀喷射)，从而使在下一个点火时间点前喷入的燃料在燃烧室内具有充分均匀的分布。第二次在后的喷射(层状喷射)与此相反是在接着的压缩冲程中，尤其是在压缩冲程中的后半部分进行的并因而导致所谓层状注油，其中被喷入的燃料以层状油雾的形式基本集中在汽缸的火花塞的范围内。因而在内燃机的多次喷射工作时形成层状注油和均匀注油的混合工作。优选选定的多次喷射的的燃油分量应使采用均匀喷射形成的是非常稀的，不能单独点火的空-燃-混合物，所述空-燃-混合物只有利用层状注油才能燃烧。与纯均匀工作相比，多次喷射工作由于其特殊的燃烧过程将会导致尾气温度的提高。此外，多次喷射的另一个优点是将降低氮氧化物NOx和未燃烧的碳氢化合物HC的原排放，并将随之减少在加热过程中有害物质的裂解。
与纯均匀工作方式相比，特别在层状喷射的喷射角度迟后的情况下多次喷射将可以实现特别迟后的点火角度和随之的极限尾气温度。此迟后的层状喷射的一端至少瞬时被控制在其喷射角度在ZOT前的80至10°，尤其在ZOT前的60至25°，优选在ZOT前的50至35°。其中将点火角度尤其控制在ZOT后的至少20°，优选控制在ZOT后的至少35°，其中在此考虑到将导致运转不平稳的增大，因而不得超过ZOT后的最大点火角45°。替代多次喷射和对点火角的迟后调整或上述两措施的结合，也可以采用其它的对催化剂加热的方法。例如可以联想到通过电加热装置和/或利用燃烧器对催化剂直接加热。另外作为加热措施还可以包括燃烧前、燃烧时和/或燃烧后对汽缸的再喷射和/或对尾气的再燃烧，其中在催化剂上游的燃油和新鲜空气被馈送到尾气设施中并被另一火花塞点火。在第一种情况下虽然不会或不会明显地提高燃烧最终温度，但通过对汽缸中未燃烧的燃油在催化剂上的再燃烧将利用放热的燃烧反应释放出的热用于对催化剂进行加热。
本发明的第二个主要方面对预催化剂的加热可以带来如下好处，与已知的催化剂系统相比可以明显地减少预催化剂的惰性金属-总质量。然而将以较低的最大可实现的转化率和较高的预催化剂的起始或熄灯温度为代价。但该缺点将通过非常快速的加热得以补偿或甚至被过补偿。由于节省了非常昂贵的惰性金属，诸如铂、钯和/或铑等铂族金属，因而可以明显地减少预催化剂的材料费用，而不必以增大有害物质排放为代价。
尤其优选的是对预催化剂的惰性金属含量进行调整，以便保证法律要求的排放极限值。因此根据本发明方法的一优选设计，当在新型欧洲标准行驶冲程中在空载运行之外的λ≥1.15的情况下至少300秒长持续的稀层状工作或均匀-稀层状工作时未燃烧的碳氢化合物(HC)的排放最高为0.06g/m3和一氧化碳(CO)排放最高为0.2g/m3和氧化氮(NOx)排放最高为0.02g/m3时，预催化剂具有与冲程容积有关的惰性金属含量最高为1.0g/dm3(28g/英尺3)内燃机的冲程容积，尤其是最高为0.95g/dm3(27g/英尺3)冲程容积，特别是最高为0.85g/dm3(24g/英尺3)冲程容积。其中预催化剂的该设计可以可靠地满足严格的IV级欧盟-极限值的要求。与此相反，在相同的标准行驶冲程中满足碳氢化合物(HC)的排放最高为0.07g/m3和一氧化碳(CO)排放最高为0.4g/m3和氧化氮(NOx)排放最高为0.04g/m3的要求时，优选预催化剂具有与冲程容积相关的的惰性金属含量最高为0.85g/dm3(24g/英尺3)内燃机的冲程容积，尤其最高为0.75g/dm3(21g/英尺3)冲程容积，特别是最高为0.65g/dm3(18g/英尺3)冲程容积。
为了减少所述的与冲程容积相关的惰性金属的含量，可以与目前的方案相比，减少与催化剂容积相关的惰性金属含量和/或预催化剂的容积。其中可以根据下述公式实现与冲程容积相关的惰性金属含量EMVH和与催化剂容积相关的惰性金属含量EMVVK的换算： EM VH = EM VVK V VK V H , 其中EMVH和EMVVK分别表示与冲程容积相关的或与催化剂容积相关的惰性金属含量，单位为g/dm3和VVK表示预催化剂容积，单位为dm3和VH表示内燃机冲程容积dm3。根据第一种方案优选将预催化剂的与催化剂容积相关的惰性金属含量调整到3.5g/dm3(100g/英尺3)，特别是调整到最高2.8g/dm3(80g/英尺3)，优选调整到最高2.1g/dm3(60g/英尺3)催化剂容积。根据第二种方案预催化剂的容积与内燃机的冲程容积比小于0.45，特别是小于0.35，优选小于0.25被证明是特别有益的。
本发明的装置包括一种后置于内燃机的催化剂系统，该催化剂系统由至少一个在发动机附近的具有惰性金属含量最高为1.19/dm3内燃机冲程容积的预催化剂和部件构成，利用所述部件在内燃机冷起动后至迟25秒使催化剂被加热到至少150℃，其中超过最大发动机转速2500分钟-1的时间最多不超过一秒钟。其中所述部件优选包括一个控制单元，在该控制单元中以数字形式存储有一个用于实施该方法的算法。优选也可以将控制单元安装在发动机控制器中。内燃机优选以将燃油直接喷射入汽缸内的方式工作并且另外借助空气-和/或壁式输送的方法层状注油，从而可以采取作为加热措施的多次喷射。
附图说明
下面将对照实施例并结合附图对本发明做进一步的说明。图中示出：
图1为后置有催化剂系统的内燃机示意图；
图2为在发动机冷启动后采取提高尾气温度的不同的措施的预催化剂温度的随时间的变化曲线，和
图3为惯用的方法和本发明的方法的预催化剂温度和标称转换率的随时间变化的曲线。
具体实施方式
图1示出一例如四缸12的外源点火的以稀方式工作的内燃机10。内燃机10具有一个图中未示出的直接喷射系统，通过该系统燃油被直接喷入汽缸12内。另外内燃机10优选是可以以层状注油的，其中在层状注油工作方式时喷入燃烧室内的燃油以层状油雾形式基本集中在图中未示出的火花塞的范围内。采取此方式尤其可以构成稀空-燃-混合物。其中可以通过活塞头的相宜的设计以及通过燃烧室的专门的气流状况促使形成层状油雾。由内燃机10生成的尾气将流过尾气通道14和在尾气通道内设置的催化剂系统16、18。催化剂系统包括一个设置在发动机附近的容积较小的预催化剂16和一个主催化剂18，所述主催化剂例如是通常设置在底盘位置上的NOx-存储催化剂。预催化剂16可以是氧化-或三元-催化剂并包含一具有催化活性的覆层(夹层)，该覆层特别宜包括铂、钯和铑等铂族金属。其中根据本发明这些惰性金属的含量最高为1.1g/m3内燃机10冲程容积，即汽缸12的冲程容积的总和。
通过利用λ探头20对尾气的氧浓度的测量实现对输送给内燃机10的空-燃-比的调整。一在本例中设置在尾气通道14中预催化剂16下游侧的温度传感器22实现对尾气温度的检测并随之实现对预催化剂16和/或主催化剂18的温度的判定。另外也可以根据通用的模型通过计算求出尾气-和/或催化剂温度。由传感器20、22产生的信号以及内燃机10的各种工作参数被传递给一发动机控制器24，在所述控制器内根据存储的算法和特性曲线组对这些信号进行分析和处理。根据这些信号，发动机控制器24对内燃机10，尤其是输送的空-燃-比、喷射模式以及点火进行控制。
当发动机控制器24尤其在发动机冷启动后求出预催化剂16的温度低于充分进行有害物质转换所需的起动温度或熄灯温度时，则内燃机10被切换到包含有用于提高尾气温度的各种措施的工作模式。其中优选内燃机10由一在发动机起动时首先应用的均匀的单喷射工作方式转换成多次喷射工作方式。为此分两步馈送有待输送给汽缸12的总燃料量。在汽缸12的吸入冲程中，尤其在吸入冲程的上半部中进行第一次最初的喷射。与此相反，在接着的压缩冲程的下半压缩冲程中喷射第二燃料分量。由于混合处理时间很短和所述的空气和/或壁式输送的措施促使燃烧室内并不会实现迟后喷入的燃油在燃烧室内的均匀分布。确切地说，燃油在点火时间点上以层状油雾方式存在，所述层状油雾主要集中在火花塞范围内。为了实现特别高的尾气温度，所以在非常迟后的曲轴转角时进行第二迟后喷射以及点火。优选将迟后喷射的喷射的一端控制在上点火死点ZOT前的60°至35°并将点火角控制在ZOT后的20°至35°之间。
在图2中对不同的加快催化剂加热过程的措施的结果进行了比较。图中示出设置在直接喷射的排量为2升内燃机10下游约30mm处的预催化剂16在新型欧洲标准行驶冲程(NEFZ)的发动机起动后的催化剂温度TVK的变化曲线，其中未超过1200分钟-1发动机转速。利用一个大约在预催化剂16中心位置流入面下游大约20mm处的温度测量点检测出催化剂温度TVK。在通常的单喷射EE和纯均匀工作以及点火角αZ在ZOT后的10°的情况下，预催化剂16的催化剂温度TVK在发动机起动12秒后达到约50℃(虚线)。采取已知的多次喷射方法，根据此方法层状喷射αEE喷射端在ZOT前70°并且点火角αZ在ZOT后10°(细实线)，在预催化剂温度TVK为65°时，在发动机起动后12秒钟，至少在最初的几秒钟与单喷射工作相比温度仅略有提高。与此相反，在采用本发明优选多次喷射方法时迟后喷射αEE的喷射端在ZOT前40°和点火角αZ在ZOT后30°，12秒钟后将达到催化剂温度TKAT200℃(粗实线)。此点明显地表明尤其具有迟后喷射角和迟后点火的多次喷射的组合将促使对催化剂更为快速的加热和随之较少的有害物质排放。
根据本发明利用了对预催化剂16的更为快速的加热过程，以便降低预催化剂的惰性金属含量。在图3中示出了基本原理。图中粗实线表示根据本发明的预催化剂温度TVK的变化曲线和细实线表示根据通常的对催化剂加热方法的预催化剂温度TVK’的变化曲线。由于根据本发明将降低预催化剂16的惰性金属含量，因而将使具有50％的碳氢化合物转换率KR的预催化剂的起始温度TLO明显地高于通常的具有高惰性金属含量的催化剂的起始温度TLO’(参见短划线)。其中转化率KR表明在催化剂上被转换的排放的分量与流入催化剂中的排放的比。本发明的具有高惰性金属含量的催化剂和具有低惰性金属含量的催化剂的相互重叠的标称的百分比转化率KR和KR’用点线示出。其中要注意的是，在绝对的非百分比表示中，由于惰性金属含量低，因而本发明的预催化剂16的最大转化率明显地低于通常的预催化剂的最大转化率。尽管本发明的系统的起始温度TLO较高，但该温度由于本发明系统的快速的加热率可以明显地早于在通常的系统中的情况得以实现。采用此方式在减少材料成本的同时可以保持相同的或甚至低于已有技术的有害物质排放。
附图标记对照表10     内燃机12     汽缸14     尾气通道16     预催化剂18     主催化剂/NOx-存储催化剂20     λ探头22     温度传感器24     发动机控制器αZ   点火角αEE  控制的层状喷射EE     单喷射EMVH  与发动机冲程容积有关的惰性金属含量EMVVK 与催化剂容积有关的惰性金属含量KR     转化率KR’         根据已有技术的转化率ME     多次喷射TLO   起始温度TLO’   根据已有技术的起始温度TVK   预催化剂温度TVK’   根据已有技术的预催化剂温度VH    内燃机冲程容积VVK   预催化剂容积ZOT    上点火死点

Claims (18)

1.一种外源点火的内燃机(10)的尾气的处理方法，其中
尾气流过后置于内燃机(10)的催化剂系统(16、18)，所述催化剂系统至少由一发动机附近的预催化剂(16)构成，并且预催化剂(16)具有的与发动机冲程容积相关的惰性金属含量(EMVH)最高为1.1g/dm3(31g/英尺3)内燃机(10)冲程容积和
在内燃机(10)的发动机起动后至少瞬间采取一种加热措施，使预催化剂(16)的催化剂温度(TVK)至少在发动机起动后至迟25秒达到至少150℃，其中超过最高发动机转速2500分钟-1的时间最多不超过1秒钟。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在空载运行以外的新型欧洲标准行驶冲程中在至少300秒长的λ≥1.15稀层状工作或均匀-稀工作时未燃烧的碳氢化合物(HC)的排放最高为0.06g/m3和一氧化碳(CO)排放最高为0.2g/m3和氧化氮(NOx)排放最高为0.02g/m3时，预催化剂(16)具有的惰性金属含量(EMVH)最高为1.0g/dm3内燃机(10)的冲程容积，尤其是最高为0.95g/dm3冲程容积，特别是最高为0.85g/dm3冲程容积。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在空载工作以外λ≥1.15至少300秒钟持续的稀层状工作或均匀-稀工作时的新型欧洲标准行驶冲程中碳氢化合物的排放最高为0.07g/m3和一氧化碳排放最高为0.4g/m3和氧化氮排放最高为0.04g/m3时，预催化剂的惰性金属含量(EMVH)最高为0.85g/dm3内燃机(10)的冲程容积，尤其是最高为0.75g/dm3冲程容积，特别是最高为0.65g/dm3冲程容积。
4.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预催化剂(16)的与催化剂容积相关的的惰性金属含量(EMVVK)最高为3.5g/dm3催化剂容积(100g/英尺3)，尤其最高为2.8g/dm3催化剂容积(80g/英尺3)，特别最高为2.1g/dm3催化剂容积(60g/英尺3)。
5.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预催化剂容积(VVK)与内燃机(10)的冲程容积(VH)的比小于0.45，尤其小于0.35，特别小于0.25。
6.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，惰性金属含量包含铂和/或钯和/或铑元素。
7.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预催化剂(16)至迟在发动机起动后20秒钟，尤其是至迟在发动机起动后15秒钟，特别是至迟在发动机起动后12秒钟至少达到催化剂温度(TVK)170℃，尤其至少达到催化剂温度(TVK)200℃。
8.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在发动机最大转速为1800分钟-1，尤其是最高为1200分钟-1时达到预催化剂(16)的催化剂温度(TVK)，其中超过所述最大转速的时间最多不超过一秒钟。
9.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，加热措施包括点火角(αZ)在上点火死点(ZOT)后至少10°的迟后点火。
10.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，内燃机(10)是直接喷射的和可层状注油的并且加热措施包括迟后点火和/或多次喷射，其中在吸入冲程中至少进行一第一次最初的燃油喷射并且在汽缸(12)的压缩冲程中至少进行一第二次迟后喷射。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，迟后喷射的一端至少瞬时被控制在喷射角(αEE)在上点火死点(ZOT)前80至10°，尤其在上点火死点(ZOT)前60至25°，特别在上点火死点(ZOT)前50至35°。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，点火角(αZ)至少瞬时被控制在上点火死点(ZOT)后的10至45°，尤其至少在上点火死点(ZOT)后20°，特别是至少在上点火死点(ZOT)后35°。
13.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，加热措施包括尾气再燃烧和/或燃油再喷射和/或通过电加热和/或利用燃烧器至少对催化剂系统(16、18)的催化剂的直接加热。
14.一种实施用于对外源点火的内燃机(10)的尾气进行处理的方法的装置，具有后置于内燃机(10)的催化剂系统(16、18)，所述催化剂系统至少由一发动机附近的其惰性金属含量(EMVH)最高为1.1g/dm3内燃机(10)冲程容积(VH)的预催化剂(16)和部件构成，利用所述部件可在内燃机(10)冷起动后至迟25秒钟将预催化剂(16)加热到至少为150℃的催化剂温度(TVK)，其中超过最大发动机转速2500分钟-1的时间最多不超过一秒钟。
15.按照权利要求14所述的装置，其特征在于，预催化剂(16)的惰性金属含量(EMVH)最高为1.0g，尤其是最高为0.85g，特别是最高为0.65g/dm3内燃机(10)的冲程容积。
16.按照权利要求14或15所述的装置，其特征在于，所述装置具有一个控制单元，在该控制单元内以数字形式存储有用于实施方法的算法。
17.按照权利要求16所述的装置，其特征在于，控制单元安装在发动机控制器(24)内。
18.按照权利要求14至17中任一项所述的装置，其特征在于，内燃机(10)是直接喷射的并且是可层状注油的。
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