TWI461601B - 用於再生至少一粒子黏聚機的方法及包含一廢氣後處理系統之機動車輛 - Google Patents

用於再生至少一粒子黏聚機的方法及包含一廢氣後處理系統之機動車輛 Download PDF

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Description

用於再生至少一粒子黏聚機的方法及包含一廢氣後處理系統之機動車輛
本發明係關於一種用於再生機動車輛內燃機之廢氣後處理系統之至少一部粒子黏聚機之方法。本發明亦係關於一種具有內燃機及廢氣後處理系統之機動車輛，該廢氣後處理系統係使用至少一不可連續再生之粒子黏聚機所形成。就此方面而言，本發明特別係關於由行動內燃機例如柴油引擎消除煙炱粒子。
已知實質上含碳之挾帶於廢氣流之粒子可利用也係於廢氣後處理系統中所形成之二氧化氮(NO2 )加熱燃燒或轉化。用於此項目的，已知提供粒子黏聚機例如過濾器、粒子分離器等，所挾帶的粒子至少暫時捕捉且積聚於其中。於加熱再生過程中，粒子黏聚機係加熱至廢氣中所挾帶之碳使用氧開始轉化的程度(例如加熱至高於800℃)。用於此項目的，例如可能用於燃燒器、加熱元件、可電加熱過濾器或烴類之放熱轉化反應皆可視為熱能的來源。相反地，所謂粒子之連續再生轉化(所謂CRT方法)係基於含碳粒子於低溫例如低於400℃溫度使用二氧化氮之轉化。用於此項目的，已知導引由引擎所產生之廢氣通過氧化觸媒轉化器，藉此氧化已經含於廢氣之氮氧化物，俾便可提供足量二氧化氮用於煙炱粒子的轉化。二氧化氮對碳有高度親和力，當二氧化氮接觸煙炱粒子時，常規形成二氧化碳及氮。
於已知方法及裝置中，有關可被動再生之粒子黏聚機 (CRT方法)，氧化被覆層係於粒子黏聚機上游提供或直接於粒子黏聚機內部提供。該被覆層經常含有鉑，但鉑昂貴，若屬適當需要有獲得更複雜的廢氣後處理系統之額外廢氣處理裝置。
有鑑於此，本發明之一個目的為至少部分解決先前技術所強調之問題。特別期望載明一種實用且具有成本效益之再生至少一部粒子黏聚機之方法，該方法特別允許經過修整之被動再生。此外，也期望載明一種適合用於此種方法之裝置，該裝置之特徵為低壓降以及於小型粒子(例如平均直徑至多為500奈米)之情況下具有特別高度效果。
此等目的可利用一種遵照申請專利範圍第1項之特徵之方法以及利用遵照申請專利範圍第10項之機動車輛來達成。本發明之進一步優異實施例可於申請專利範圍之各附屬項中載明。須注意於申請專利範圍各項中個別列舉之特徵，以任一種所需的技術上有意義之方式組合來強調本發明之進一步實施例。說明部分特別結合附圖說明本發明之進一步具體實施例。
於用於再生一機動車輛之一內燃機之一廢氣處理系統之至少一部粒子黏聚機之方法中，該內燃機係至少於一個操作相操作，因而於該廢氣中直接產生足夠確保於該至少一部粒子黏聚機中之含碳粒子的轉化。也提示一種適合用於執行該方法之機動車輛。
如此特別表示配置於內燃機後方之第一粒子黏聚機係 以此處所提示之方法再生。此處，可免除加熱再生，因此由含碳粒子之轉化為低於400℃或甚至低於300℃之溫度進行。粒子黏聚機基本上可以過濾器、粒子分離器或類似的簡單裝置之形式形成用於暫時性捕捉粒子。內燃機較佳為貧乏燃燒引擎，其中燃燒主要係使用過量空氣進行，諸如柴油引擎或所謂之貧乏燃燒引擎。換言之，如此於此處提示內燃引擎至少於某個操作相(再生相操作)，諸如於低負載情況下操作，因此夠高比例之二氧化氮可藉內燃機直接生成。「再生相」表示粒子黏聚機中之粒子質量減少之一段期間，特別減少約至少20%，若屬適當減少約至少40%重量比或甚至至少約80%重量比。內燃機組合相對應地調節之個別機轉討論如下。就此方面而言，如此提示首先內燃機本身係用作為粒子黏聚機之再生之氮氧化物來源，因此可免除額外氮氧化物來源諸如上游氧化觸媒轉化器。
此處，一種方法為較佳，其中內燃機產生之二氧化氮(NO2 )之比例係占全部氮氧化物(NOx )存在量之由25 vol.－%至60 vol.－%。如此內燃機之燃燒實質情況特別係設定為二氧化氮相對於全部所產生之氮氧化物之比例達到顯著範圍，特別係大於30 vol.－%或甚至45 vol.－%(若屬適當此等比例同樣也可以mol.－%考慮調整)。如此特別係有關於粒子黏聚機進行再生之操作相期間之氧化氮比例。25 vol.－%於此處可視為下限及/或作為操作相期間之平均值。較佳也提示二氧化氮比例實質上不超過60 vol.－%俾便仍然可利用內燃機產生足夠動力。
根據該方法之精製方法，也提議達至該至少一部粒子黏聚機，單純內燃機即可活化地產生二氧化氮(NO2 )。換言之，如此表示特別於內燃機與該感興趣之粒子黏聚機之間，廢氣後處理系統不具有任何裝置或措施來用於該廢氣之富含二氧化氮。因此本發明方法之裝置之設計特別簡單，利用內燃機之相對應操作即可鎖定目標地再生粒子黏聚機。當然於廢氣本身無法防止氧化還原過程，但經常不適合用於獲得相對應之二氧化氮之活性顯著再生。
此外，該方法可進一步精製，允許於操作相進行循環入內燃機之廢氣流比例的增高。用於此項目的，廢氣後處理系統例如係使用所謂之廢氣循環(EGR)進行，讓內燃機所產生之廢氣(部分)再度供給內燃機，特別係於廢氣達到至少一部粒子黏聚機之前供給。鎖定目標之廢氣循環速率的增高可能導致廢氣中二氧化氮比例的顯著增高，藉此促進此處提示之再生。循環流速較佳係於至多60 vol.－%之範圍，特別係於由20 vol.－%至50 vol.－%之範圍。
根據該方法之一種精製方法，於內燃機中燃燒室溫度之降低係於操作相進行。發現於燃燒過程中習知於廢氣產生之高比例二氧化氣係於相對低溫進行。特別以燃燒峰溫表示，用於此項目的之燃燒室溫度係調整於低於450℃之範圍。
此外也考慮較佳替代前文載明之可能或額外，內燃機之進給壓力增高係於操作相進行。於此種情況下，廢氣後處理系統例如係使用廢氣渦輪進給器進行結果導致進氣氣 流的壓縮。燃料－空氣混合物之進給壓力，換言之，內燃機之燃燒室壓力方便地係於30巴至50巴之範圍。用於再生相，現在提示特別進給壓力升高到先前調節之進給壓力之至少15%，若屬適當甚至25%。隨著進給壓力的升高，燃燒室內之燃燒峰溫以及因而氮氧化物之形成也受影響。
也可提高欲於操作相進行之內燃機之氧含量。如此，例如燃燒係使用大為過量之空氣進行。燃料－空氣混合物中之氧含量例如提高至至少1%之數值，特別由1.05至1.1 λ之範圍(分別約為1%氧及2%氧)。所謂之燃燒空氣比(λ)為燃燒中實際使用之空氣質量m(空氣，實際) 相對於完全燃燒所需最小化學計算學空氣質量m(空氣，化學計算學) 之比值。此項效應特別暫時導致期望的生成二氧化氮。
用於小量容積之粒子黏聚機同等有效之含碳粒子的轉化，也提示內燃機之操作方式使得廢氣中所產生之大部分含碳粒子具有平均直徑至多為200奈米[nm]。內燃機特佳係於平均直徑至多為100奈米操作。基本上也適用於內燃機之操作狀態，該操作狀態並非與用於再生粒子黏聚機之操作相(再生相)相對應。極小型粒子可有利地使用所提供之二氧化氮轉化來形成二氧化碳及元素氮。為了提供此種尺寸之粒子，特別需要燃燒室及廢氣管線出口配接因而避免粒子黏聚至高於此處所載明之極限數值之大小。
也提示廢氣活性溫度增高係至少於操作相進行。如此特別表示於廢氣後處理系統中之廢氣係與額外溫度增高裝置接觸，因此最遲當該廢氣接觸欲被轉化的粒子時，廢氣 係與可有意地意圖用於進行該CRT方法之標稱溫度。溫度升高裝置特別包含(未經被覆)之(電力操作之)加熱體，熱交換器等。廢氣溫度經過鎖定目標或經過調節(非觸媒及/或觸媒)增高，俾便改良於廢氣後處理系統中之一氧化氮的氧化，通常可導致CRT方法執行上之顯著優點，如此若屬適宜甚至與此處所述本發明方法獨立無關。
根據本發明之又一面相，提議一種機動車輛，其具有內燃機及廢氣後處理系統形成有至少一部可連續再生之粒子黏聚機，該內燃機為達至該至少一部粒子黏聚機之唯一活性二氧化氮(NO2 )來源，以及有至少一部粒子黏聚機作為二次流過濾器(也稱作為「半過濾器」)。
如此處提示之機動車輛特別可根據此處所述之根據本發明方法操作，適當至少一部粒子黏聚機之非熱再生可於期望之操作相進行。此處提示之機動車輛之特徵在於其廢氣後處理系統之組成特別簡單，有相對應之內燃機控制結果導致粒子黏聚機可靠地再生，因而防止粒子黏聚機的阻塞，且防止跨粒子黏聚機之壓力升高。
有關作為唯一(排他地)活性氮氧化物來源之內燃機之配置組態，可實質上參考前文說明。至於此處提示之粒子黏聚機，後者包含二次流過濾器。該類型二次流過濾器之特徵在於其設置多個廢氣之流徑，讓廢氣(理論上)可流經粒子黏聚機而不會接觸過濾器材料或流經濾材。用於此項目的，二次流過濾器之設計方式為蜂巢體形式，該蜂巢體係具有導管壁至少部分係由不透氣性材料所製成且視需要也 包含過濾介質。不透氣材料(較佳為片狀金屬膜)今日形成有凸部，導引葉片至少部分關閉(或偏轉)導管，藉此獲得至少部分廢氣流係朝向導管壁(或朝向過濾介質)偏轉。此處，凸部之形成為凸部不會完全於任一點封閉導管，藉此允許二次流之流過凸部。該類型二次流過濾器之一種可能設計例如可從WO 01/80978 A1或從WO 02/00326 A1收集，因此可特別參考該等文件之說明。
根據機動車輛之一種較佳實施例變化，該至少一部粒子黏聚機於該廢氣流之流動方向，包含至少一個第一區段及第二區段，該第二區段係延伸至下游端側，及該第二區段包含氧化觸媒轉化器。如此特別表示粒子黏聚機可劃分成為至少兩個區段，其係於軸向方向延伸，且延伸通過粒子黏聚機之整個截面，下游區段延伸至粒子黏聚機之下游端且設置有氧化觸媒轉化器。此處，該第一區段較佳為觸媒鈍性，表示不含被覆層。氧化觸媒轉化器例如可以習知含高級攙雜金屬之洗塗被覆之方式形成。
圖式簡單說明
現在將基於附圖說明本發明及技術領域之進一步細節。須注意此處舉例說明本發明之較佳實施例之變化例，但本發明非僅囿限於此。於附圖中：第1圖顯示機動車輛之廢氣後處理系統之第一實施例，第2圖顯示於內燃機操作期間二氧化氮濃度之可能輪廓資料，第3圖顯示優異之粒子黏聚機之組成細節及 第4圖顯示粒子黏聚機之又一實施例之剖面圖。
 較佳實施例之詳細說明
第1圖意圖示意顯示機動車輛4之內燃機3之廢氣後處理系統2，該設計基本上適合用於執行此處所述方法。因此機動車輛4首先為內燃機3，特別為柴油引擎，其具有多個燃燒室21，所供給之燃料－空氣混合物係於該燃燒室內燃燒，且由其中，廢氣經由通風管線19排放至大氣。
此處顯示一種廢氣後處理系統2，其於流動方向7於內燃機3之下游具有廢氣循環分支12，使得部分廢氣流可以經過調節之方式再度供給內燃機3之燃燒室21。於流動方向7該方向之進一步下游顯示一粒子黏聚機1。後者之進一步下游接著渦輪進給器13，其中當廢氣流經該渦輪進給器13時渦輪同時被驅動，渦輪壓縮空氣量經由進氣管路20供給內燃機3。
於流動方向7，廢氣現在已經進一步流經通風管線19，例如流至機動車輛4之本體下方區域後，該廢氣利用額外廢氣後處理單元24進一步去除污染物。於此處舉例說明之情況下，於流動方向7，廢氣流經氧化觸媒轉化器11、過濾器22及SCR觸媒轉化器23(用於氮氧化物之選擇性觸媒反應)，廢氣於SCR觸媒轉化器23上游與利用相對應之添加還原劑25所導入之還原劑混合。藉此方式經純化且經轉化之廢氣最終流經通風管線19而進入環境中。
此處所示廢氣後處理系統2之組成結構特別允許粒子 黏聚機1使用藉內燃機3以靶定方式所提供之二氧化氮而非連續地靶定地再生。
第2圖示意顯示且舉例說明藉內燃機所產生之用於再生粒子黏聚機之廢氣中之二氧化氮濃度之輪廓資料。此處橫座標30表示時間，而縱座標31表示實質上氮氧化物濃度。
有關第一輪廓資料26，可知於內燃機3之操作期間，二氧化氮濃度大半係配置於預定再生範圍28下方，若現在進行粒子黏聚機之再生，則廢氣中之二氧化氮濃度係利用內燃機之再生相29或操作相調整，使得該濃度係於再生範圍28。若需要改變內燃機(例如動力需求、負載範圍...)或欲結束粒子黏聚機之再生，則內燃機3可再度使用廢氣中之相對低二氧化氮比例操作。藉此可進行非連續的且於預先界定的及/或經過計算之時間之粒子黏聚機之非加熱再生。
此外，廢氣中之二氧化氮比例基本上可經調整，讓該比例係以常規間隔及/或永久性位於再生範圍28區域，特別由虛線表示之第二輪廓資料27舉例說明。
第3圖顯示粒子黏聚機1之變化例之細節。粒子黏聚機1係使用呈金屬非織物形式之實質上光滑超細線網層15所形成，於各層間設置結構化金屬鉑14，因而形成導管16，導管16係於流動方向7延伸或順著粒子黏聚機1之對應軸方向延伸。於導管16內部，利用於金屬鉑14中之導引面32而形成導管窄點17，該導管窄點17造成流向超細線層15之廢氣流的(部分)偏轉。此處導管窄點17或導引面32之形成方式使得導管16不會完全被封閉，反而仍然允許二次流33之流 動。結果金屬鉑14向上豎起，形成一通道開口18，其允許廢氣通過至相鄰的導管16。
此外，第3圖顯示含有二氧化氮(NO2 )、碳(C)及氧(02 )之廢氣進入粒子黏聚機1。於此處開始於其中所含之含碳粒子5與二氧化氮轉化，讓一氧化氮(NO)、氮(N2 )－二氧化碳(CO2 )及氧(02 )最終再度離開粒子黏聚機1。利用粒子黏聚機1，氮氧化物與煙炱粒子之反應機率顯著增高，因此可實現相對高之轉化速率，廢氣之壓力損耗小，可靠地防止粒子黏聚機的阻塞。
第4圖顯示粒子黏聚機1，於流動方向7，首先具有第一區段8隨後為第二區段9延伸至後端側10。粒子黏聚機1之全長係以光滑超細線層15及經結構化之金屬鉑14所形成，於相鄰導管16中，該等金屬鉑14具有交替(相對配置排列)之錐型導管窄點17，其同時允許二次流33之流過，且激起部分廢氣朝向光滑超細線層15。藉此方式，粒子5較佳為具有直徑為小於200奈米之粒子積聚於粒子黏聚機1之壁(或光滑超細線層15)內或上且利用所提供之二氧化氮轉化。此處第一區段8不含氧化活性被覆層，而第二區段9利用相對應設置之氧化觸媒轉化器11，再度於原位產生新製的氮氧化物用於後方部分之粒子黏聚機的再生。
當然，可未悖離此處說明之本發明之構想，直接對此處提示之系統作出多項修改。也可使用其他粒子黏聚機，但也可將粒子黏聚機1，例如設置於渦輪進給器13之下游。下游廢氣後處理單元24也可以任一種期望之方式組合及補 充。此外，本發明也可用於其他內燃機例如直接噴射式火星點火引擎。
1‧‧‧粒子黏聚機
2‧‧‧廢氣後處理系統
3‧‧‧內燃機
4‧‧‧機動車輛
5‧‧‧粒子
6‧‧‧直徑
7‧‧‧流動方向
8‧‧‧第一區段
9‧‧‧第二區段
10‧‧‧端側
11‧‧‧氧化觸媒轉化器
12‧‧‧廢氣循環
13‧‧‧渦輪進給器
14‧‧‧金屬箔
15‧‧‧超細線層
16‧‧‧導管
17‧‧‧導管窄點
18‧‧‧通道開口
19‧‧‧通風管線
20‧‧‧完好導管
21‧‧‧燃燒室
22‧‧‧過濾器
23‧‧‧SCR觸媒轉化器
24‧‧‧處理後廢氣單元
25‧‧‧還原劑之添加
26‧‧‧第一輪廓資料
27‧‧‧第二輪廓資料
28‧‧‧再生範圍
29‧‧‧再生相
30‧‧‧橫座標
31‧‧‧縱座標
32‧‧‧導引面
33‧‧‧二次流
第1圖顯示機動車輛之廢氣後處理系統之第一實施例，第2圖顯示於內燃機操作期間二氧化氮濃度之可能輪廓資料，第3圖顯示優異之粒子黏聚機之組成細節及第4圖顯示粒子黏聚機之又一實施例之剖面圖。
1‧‧‧粒子黏聚機
2‧‧‧廢氣後處理系統
3‧‧‧內燃機
4‧‧‧機動車輛
7‧‧‧流動方向
11‧‧‧氧化觸媒轉化器
12‧‧‧廢氣循環
13‧‧‧渦輪進給器
19‧‧‧通風管線
20‧‧‧完好導管
21‧‧‧燃燒室
22‧‧‧過濾器
23‧‧‧SCR觸媒轉化器
24‧‧‧處理後廢氣單元
25‧‧‧還原劑之添加

Claims (9)

  1. 一種用於再生機動車輛的內燃機之廢氣處理系統之至少一粒子黏聚機之方法；其中該內燃機係至少在一操作相內被操作，俾使一足夠確保在該至少一粒子黏聚機中含碳粒子之目標轉化的二氧化氮(NO2)比例是從該廢氣中直接產生；其中該內燃機係被對應地操作，以目標地產生廢氣，其中該二氧化氮(NO2)比例係佔全部存在之氮氧化物(NOx)體積之由25%至60%的範圍；其中達至該至少一粒子黏聚機，該內燃機單獨地活化地產生二氧化氮(NO2 )。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中被循環流入該內燃機中的廢氣流比例係於操作相中被升高。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在該內燃機中的燃燒室溫度係於操作相中被降低。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在該內燃機中的進給壓力係於操作相中被升高。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中在該內燃機中的氧含量的係於操作相中被升高。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該內燃機係被操作以使得在該廢氣中的含碳粒子係被產生成大半具有至多200奈米之平均直徑。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中該廢氣的溫度至少在該操作相係活性地升高。
  8. 一種機動車輛，其包含一內燃機及一廢氣後處理系統， 該廢氣後處理系統具有至少一可連續再生之粒子黏聚機；其中該內燃機為達至該至少一粒子黏聚機之唯一活性二氧化氮(NO2 )來源；其中一用於該內燃機的控制係被配置成用以實施如申請專利範圍第1-7項中任一項之方法，且其中該至少一粒子黏聚機為一二次流過濾器。
  9. 如申請專利範圍第8項之機動車輛，其中該至少一粒子黏聚機在一廢氣流動方向中，包括至少一第一區段及一第二區段，其中該第二區段延伸至一位於下游的端側且該第二區段包括一氧化觸媒轉化器。
TW097121399A 2007-07-13 2008-06-09 用於再生至少一粒子黏聚機的方法及包含一廢氣後處理系統之機動車輛 TWI461601B (zh)

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