CN103527289A - 选择性催化还原系统和减少发动机氮氧化物排放的方法 - Google Patents

Abstract

一种选择性催化还原系统及减少发动机氮氧化物排放的方法，该系统包括：第一催化器上游的具有选择性催化还原涂层的第一还原剂喷射器；第一催化器下游的第二还原剂喷射器；和第二还原剂喷射器下游的具有选择性催化还原涂层的第二催化器，第一催化器包括过滤器功能元件以捕集微粒。选择性催化还原系统包括：感测排气中的氮氧化物和氨的传感器；和控制器，基于NO_x形成模型的输入来控制由第一、第二还原剂喷射器喷到排气中的还原剂量，该模型提供还原剂量的估计，控制器基于传感器信息精确调整还原剂量。第一催化器包括多个细长单元，它们交替具有封闭和开放的顶端和底端，气流通过单元的单元壁，单元壁的壁表面的上游侧和下游侧涂有不同的SCR涂层。

Description

选择性催化还原系统和减少发动机氮氧化物排放的方法

分案申请

本申请是申请号为200680054961.4的中国专利申请的分案申请，上述申请的申请日为2006年6月13日，发明名称为“柴油机催化系统”。

发明领域

本发明涉及选择性催化还原系统，该系统用于减少压燃式发动机的氮氧化物排放水平，该系统包括位于第一催化器上游的第一还原剂喷射器，该第一催化器包括选择性催化还原涂层。

背景技术

至少从二十世纪七十年代早期起，在内燃机技术中，对排放的关注越来越多。对于SI（火花点燃式）发动机来说，在七十年代中期三元催化剂投放市场后，排放几乎不被认为是个问题。

然而，对于CI（压燃式）发动机，该情况稍加复杂；CI发动机具有氮氧化物（NO_x）和微粒（烟灰）的固有高排放水平。由于在CI发动机里发动机燃烧的本质，即大量的空气被导入汽缸，于是空气被压缩。随后，随发动机负荷的函数变化的一定量燃料被喷入该压缩空气中。喷射燃料将由于空气压缩所引起的高温而自燃。

喷射燃料以扩散模式燃烧，即，燃烧速度或多或少地由喷射燃料和压缩空气之间的混合比率所控制。烟灰将形成在富燃料带并且NO_x将形成在燃烧带中，该燃烧带具有高温并且留有足够的氧以形成NO_x。

关于减少CI发动机排气中的NO_x的排气后处理的一个阻碍是氧的存在；如之前的暗示，大量空气在燃料喷射以前被导入汽缸中。因此，与完全燃烧所有喷射燃料所需的空气量相比，汽缸中总有过剩空气。排气中的剩余空气使得使用标准三元催化剂来减少NO_x排放成为不可能。

烟灰（或微粒）也是CI发动机的主要问题；如上述，烟灰形成于富燃料燃烧带。形成小燃料滴的高燃料喷射压力能显著减少烟灰形成，但是在能接受多高的喷射压力上存在着设计限制。

有一些方法来减少CI发动机中的NO_x形成；最常见的方法是延迟喷射正时。通过延迟喷射正时，能减少最大燃烧温度，这将依次减少NO_x形成。然而，该NO_x的减少伴随着一些代价，即烟灰形成和燃料消耗都随着延迟喷射正时而增加。

一种减少NO_x排放的有效方法是使用SCR（选择性催化还原）排放后处理系统。常见的SCR系统包括涂有如沸石、V氧化物（如V₂O₅）、铜沸石、铁沸石或者适合SCR的其他已知材料的基质。不同于SI发动机的三元催化剂，SCR系统无法在仅由排气组成的环境中工作；一些附加的试剂必须加入排气中，如还原剂。常见的此种试剂是尿素，即(NH₂)₂CO，还有碳氢化合物或氢。

SCR催化剂的效率，与行驶周期(driving cycle)有关，限于大约65－80％，并且其功能由于烟灰的存在而严重削弱。

过滤器被用作烟灰散播的排气后处理；然而此种过滤器随发动机负荷情况变化而需要经常再生。该再生主要指排气温度通过任何方式增加，例如，通过极端延迟的燃料喷射、二次喷射、通过入口空气节流、或通过任何其他适合的方式。该增加的排气温度使过滤器捕集的烟灰微粒“燃尽”，也就是与氧一起在排气中反应以形成二氧化碳和水。然而，每一次再生后果导致了燃料经济性损失。

现在和未来涉及NO_x排放的法规实际上将使联合延迟燃料喷射、SCR系统和烟灰过滤器成为必须。这导致“恶性循环”，最终导致高燃料消耗，这又进一步导致温室效应增加和糟糕的运行经济性。

如果该NO_x排气后处理可以改善，则该恶性循环应该被打破；该燃料喷射正时可以被设置成设定的给定最小燃料经济性，这将跟着减少烟灰形成，进一步又将使NO_x的减少更容易。

所以本发明的目的是提供能够达到高的NO_x转化因数的排气后处理系统。

发明内容

本发明通过位于第一催化器下游的第二还原剂喷射器和置于第二还原剂喷射器下游的第二催化器来解决了以上或其他问题，所述第二催化器包括选择性催化还原涂层。

根据本发明的第一方面，提供了一种选择性催化还原系统，用于减少压燃式发动机的氮氧化物排放水平，该系统包括：位于第一催化器上游的第一还原剂喷射器，所述第一催化器包括选择性催化还原涂层；位于所述第一催化器下游的第二还原剂喷射器；和置于所述第二还原剂喷射器下游的第二催化器，并且该第二催化器包括选择性催化还原涂层，其中所述第一催化器包括过滤器功能元件，以捕集由压燃燃烧形成的微粒，其特征在于，所述选择性催化还原系统进一步包括：感测排气中的氮氧化物和氨的存在的传感器；以及控制器，所述控制器基于来自NO_x形成模型的输入来控制由所述第一还原剂喷射器和第二还原剂喷射器喷射到排气中的还原剂量，所述NO_x形成模型提供了对所述还原剂量的大致估计，并且，所述控制器基于来自所述传感器的信息来进一步精确调整所述还原剂量，其中，所述第一催化器包括多个细长单元，该多个细长单元分别交替地具有封闭和开放的顶端和底端，其中气流被促使通过构成所述单元的单元壁，所述单元壁的壁表面的上游侧和下游侧涂有不同的SCR涂层。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于减少压燃式发动机的氮氧化物排放的方法，其中的排气系统包括：位于第一催化器上游的第一还原剂喷射器，该第一催化器包括选择性催化还原涂层，所述第一催化器包括多个细长单元，所述单元的单元壁的壁表面的上游侧和下游侧涂有不同的SCR涂层；位于所述第一催化器下游的第二还原剂喷射器；和置于所述第二还原剂喷射器下游的第二催化器，并且该第二催化器包括选择性催化还原涂层，其中所述方法的特征在于如下步骤：a.捕集布置在所述第一催化器中的过滤器功能元件中的微粒，b.预测在所述第一催化器上游的排气气流中的氮氧化物含量，c.基于所述预测，计算要喷射到所述第一催化器上游的还原剂的量，d.喷射此预测的所述第一催化器上游的还原剂的量，e.测量所述第一催化器下游和所述第二催化器上游的排气气流中的剩余氮氧化物水平，f.相应地调节所喷射的还原剂的量，g.基于所述第二催化器上游的所述剩余氮氧化物水平，预测喷射到所述第二催化器上游的还原剂的量，h.测量所述第二催化器下游的氮氧化物水平，和i.相应地调节所述第二催化器上游所喷射的还原剂的量。

在本发明的一个实施例中，第一催化器包括过滤器功能元件(filterfunction)以捕集由压燃燃烧形成的微粒。在此实施例中，第一催化器包括多个细长单元，这些单元分别交替地具有封闭和开放的顶端和底端，其中排气气流被促使通过组成该单元的单元壁，并且其中选择性催化还原涂层涂在壁的单侧或双侧。

为了进一步给根据本发明的系统提供氧化能力，氧化催化涂层被涂在单元壁的上游侧。

为精调由还原剂喷射器喷射的还原剂的量，感测排气中的氮氧化物和/或氨的存在的传感器可被布置在排气气流中。精调的一个实施例包括分别将传感器放置在所述过滤器的下游和第二催化器的下游。另一种实施例仅包括一个NO_x或NH₃传感器，其置于该第二SCR催化器的下游。

附图说明

接下来，将参考以下的附图对本发明进行描述，图中：

图1是根据本发明的催化器系统的示意图；

图2a是可用来作为催化器的过滤器介质的一部分的俯视图；和

图2b是图2a中过滤器介质的截面侧视图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的催化器系统100的示意图。该催化器系统100连接到发动机110的排气系统并且包括第一催化器200、第二催化器300和排气压力调节器（EPG）400，第一催化器200的设计将在后面描述。此外，第一还原剂喷射器210和第二还原剂喷射器310分别安装在第一催化器200的上游和第二催化器300的上游。还原剂可以是如尿素、碳氢化合物、氢或其他带有还原特性的合适种类。NO_x-和/或NH₃传感器220、320分别安装在该第一催化器200和第二催化器300的下游。作为选择，第一NO_x-和/或NH₃传感器220也可以省略掉。

催化器200和300都称为SCR（选择性催化还原）催化器，其功能在本领域技术人员中众所周知，并且在背景技术部分已做简要描述。然而催化器200还进一步提供过滤器功能元件以便过滤从CI发动机中散发的微粒。此催化器基本上设计成微粒过滤器，其涂有SCR涂层以便得到双重功能，即同时为过滤器和SCR催化器。该SCR涂层可以设置在过滤器的上游侧上或在过滤器的下游侧上或同时在两侧上，其可以是其它任何作为SCR催化器的合适涂层。

在图2a中，以俯视图方式显示了构成第一催化器200的涂有SCR的过滤器介质250的一部分；图2b中，以截面侧视图方式显示了过滤器介质250的同一部分。过滤器介质250包括若干伸长的过滤器单元260，每个过滤器单元由4个壁260a、b、c和d、以及上游表面265或下游表面270所限定；每个其他单元将设置有上游表面，并且其相邻单元将设置有下游表面。

壁260a、b、c和d由多孔材料制成，其孔的尺寸足够小以便捕集发动机燃烧时散发的微粒。过滤器的功能基本上是使未过滤的排气进入具有开口上游端的过滤器单元，并且通过该单元的壁进入具有开口下游端的单元，因此能从下游开口端离开过滤器介质。随后，面对具有开口上游端的单元的壁260a、b、c和d的表面被称为“上游壁表面”，而其他壁表面被称为“下游壁表面”。如上描述的过滤器系统常被称为“穿壁流动”过滤器。

根据本发明，单元的上游壁表面和下游壁表面的任意一个或全部涂有SCR涂层；这能保证该第一催化器的双重功能，即过滤微粒和使NO_x和还原剂之间产生SCR反应以便减少NO_x排放的功能。如此的双重功能，当然能产生经济方面的作用，然而还有其它的益处，即SCR反应有助于将附在过滤器上的微粒燃烧完，这能延长过滤器再生的周期，或最好的情况，无需再生。

还有一种在壁260a、b、c和d的上下游侧上使用不同的SCR涂层的可能性；不同的SCR涂层具有不同温度区域，在不同温度区域中它们具有其最佳性能。因此，可以获得一种具有广泛温度范围的催化器。

在任何环境下，如果需要调节排气温度，则这能够通过排气压力调节器400获得；如本领域技术人员众所周知的，可通过使发动机工作在高排气压力下而提高排气温度。然而，从燃料经济性角度看，通常使发动机在尽可能低的排气压力下工作最经济。

在本发明的另一个实施例中，上游壁表面或下游壁表面的任意一个涂有氧化催化涂层。该涂层将在排气中使燃料的可能成分，即碳氢化合物氧化，氧化作用将增加排气温度并减少碳氢化合物排放到环境中。根据本发明，在未涂氧化催化涂层的壁表面上涂SCR涂层。氧化催化涂层的例子包括不同贵金属，如铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）或铱（Ir），基金属氧化物或它们的混合物。

为燃烧完粘在过滤器孔中的微粒，有必要在一定时期内提高排气温度。这可以通过一些方法实现，如通过延时喷射燃料、使用二次喷射、通过吸气节流、可变阀致动、排气再循环、或本领域技术人员众所周知的其他方法。

使用氧化催化剂能通过向氧化催化剂上游的排气气流中喷射燃料来提高排气温度；该燃料在氧化催化剂作用下催化地燃烧，因此提高了氧化催化剂下游的排气温度。为在催化器200中获得燃烧完微粒的最大效果，催化涂层优选涂在单元壁260a、b、c和d的上游表面。

当然，也可使用布置于第一催化器200上游的分离氧化催化剂。使用清理催化剂功能的目的是限制位于催化器300下游的喷射还原剂的发散，该功能的作用在任何SCR系统中都常用，因此未在附图中显示。第一催化器200还可包括一个过滤器衬底，其过滤效率小于穿壁流动过滤器。

第二催化器300与第一催化器200相似，但优选采用更传统的催化器设计。

在本发明的又一个实施例中，第一催化器200和第二催化器300都采用传统设计。在此情况下，微粒过滤器（未显示）被设置在两个催化器的上游。该实施例中的微粒过滤器必须采用上述提到的任意方法进行再生。

为控制喷射到排气中的还原剂量，两个还原剂喷射器210、310由控制器C控制。该控制器C进一步从NO_x形成模型中获得输入，该形成模型建立在如发动机负载、发动机速度、进口空气温度、充气压力（charge pressure）和其它NO_x形成需要的参数的基础上。该NO_x形成模型提供了对还原剂量大致的估计以在第一催化器200和第二催化器300中获得满意的NO_x转化。

为获得对喷射到排气中的还原剂数量的精确控制，特别是当还原剂为尿素或氨时，来自NO_x/NH₃传感器220、320的信息可用于精确调整喷射到排气中的还原剂量。在本发明的一个实施例中，同时采用NO_x和NH₃传感器；这提高了安全等级，因为能同时监控NO_x的水平和NH₃的水平。如果例如NO_x传感器提供排气中NO_x含量过高的值，这通常将使控制器C喷射过多大量的还原剂，则这可以通过提供NH₃传感器来避免，在此种情况下将出现排气中存在大量NH₃（来源于喷射到排气中的还原剂）的信号，因此使控制器C能够修正喷射到排气中的还原剂量。显然，如果来自NO_x和NH₃传感器的值不正确，控制器C必须通知运行人员，或者在机载诊断盒（未显示）中保存该故障显示以便随后在维修站中读出。

以上显示了CI发动机的NO_x还原系统的示例性实施例。通过该系统的效果，能使CI发动机运行在燃料效率和烟灰低排放的最优模式中，因此根据本发明的催化器系统中在该模式下产生的NO_x排放将有效的减少。

以上示出了本发明的示例性实施例；如可被本领域技术人员所知，从所述实施例可做许多变形。

Claims (7)

1.一种选择性催化还原系统（100），用于减少压燃式发动机（110）的氮氧化物排放水平，该系统包括：位于第一催化器（200）上游的第一还原剂喷射器（210），所述第一催化器（200）包括选择性催化还原涂层；位于所述第一催化器（200）下游的第二还原剂喷射器（310）；和置于所述第二还原剂喷射器（310）下游的第二催化器（300），并且该第二催化器（300）包括选择性催化还原涂层，其中所述第一催化器（200）包括过滤器功能元件，以捕集由压燃燃烧形成的微粒，

其特征在于，所述选择性催化还原系统（100）进一步包括：感测排气中的氮氧化物和氨的存在的传感器（220、320）；以及控制器，所述控制器基于来自NO_x形成模型的输入来控制由所述第一还原剂喷射器和第二还原剂喷射器（210、310）喷射到排气中的还原剂量，所述NO_x形成模型提供了对所述还原剂量的大致估计，并且，所述控制器基于来自所述传感器（220、320）的信息来进一步精确调整所述还原剂量，

其中，所述第一催化器（200）包括多个细长单元（260），该多个细长单元分别交替地具有封闭和开放的顶端和底端，其中气流被促使通过构成所述单元的单元壁（260a、b、c、d），所述单元壁的壁表面的上游侧和下游侧涂有不同的SCR涂层。

2.如权利要求1所述的选择性催化还原系统（100），其中所述选择性催化还原涂层涂在所述壁（260a、b、c、d）的单侧或双侧上。

3.如前述权利要求中任一项所述的选择性催化还原系统（100），其中氧化催化涂层涂在所述单元壁（260a、b、c、d）的上游侧。

4.如权利要求1所述的选择性催化还原系统（100），其中所述传感器（220、320）分别置于所述第一催化器（200）的下游和所述第二催化器（300）的下游。

5.如前述权利要求中任一项所述的选择性催化还原系统（100），其中装置（400）位于包括在所述选择性催化还原系统（100）中的部件（210、200、300、310）中的任一个的上游，所述装置布置为操控所述选择性催化还原系统（100）的温度，以及由此的所述选择性催化还原系统（100）的性能窗。

6.如权利要求5所述的选择性催化还原系统（100），其中所述装置（400）是排气压力调节器。

7.一种用于减少压燃式发动机（110）的氮氧化物排放的方法，其中的排气系统包括：

位于第一催化器（200）上游的第一还原剂喷射器（210），该第一催化器（200）包括选择性催化还原涂层，所述第一催化器（200）包括多个细长单元（260），所述单元的单元壁（260a、b、c、d）的壁表面的上游侧和下游侧涂有不同的SCR涂层；

位于所述第一催化器（200）下游的第二还原剂喷射器（310）；和

置于所述第二还原剂喷射器（310）下游的第二催化器（300），并且该第二催化器包括选择性催化还原涂层，

其中所述方法的特征在于如下步骤：

a.捕集布置在所述第一催化器（200）中的过滤器功能元件中的微粒，

b.预测在所述第一催化器（200）上游的排气气流中的氮氧化物含量，

c.基于所述预测，计算要喷射到所述第一催化器上游的还原剂的量，

d.喷射此预测的所述第一催化器上游的还原剂的量，

e.测量所述第一催化器（200）下游和所述第二催化器（300）上游的排气气流中的剩余氮氧化物水平，

f.相应地调节所喷射的还原剂的量，

g.基于所述第二催化器上游的所述剩余氮氧化物水平，预测喷射到所述第二催化器上游的还原剂的量，

h.测量所述第二催化器（300）下游的氮氧化物水平，和

i.相应地调节所述第二催化器（300）上游所喷射的还原剂的量。

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