CN101476501A - 带改进的NOx排放控制的排气*** - Google Patents

带改进的NOx排放控制的排气*** Download PDF

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Abstract

一种带改进的NOX排放控制的排气***，包括选择性催化还原(SCR)单元和NOX吸收器，其可包括稀燃NOX吸附剂(LNT)。NOX吸收器吸收NOX，并将NOX吸收器中所吸收的NOX释放到SCR单元中。SCR单元将NOX废气转换成氮和水。

Description

带改进的NOx排放控制的排气***
相关专利的交叉引用
[0001]本申请要求享有于2008年1月3日提交的美国临时申请No.61/018,744的权益。上述申请的发明公开通过引用而结合在本文中。
技术领域
[0002]本公开涉及用于内燃机的排气***，更具体地说涉及利用选择性的催化还原(SCR)装置用于排放控制的排气***。
背景技术
[0003]这里提供的背景描述是用于总地提出本公开内容的目的。目前提名的发明人的工作，就该背景章节中所描述的范围，以及可能在提交时没有获得当前技术认可的描述方面而言，其既非明确地也非隐含地认为当前技术违背了本公开。
[0004]选择性的催化还原(SCR)催化剂和柴油氧化催化剂(DOC)通常供柴油发动机使用，以便减少排放。在SCR工艺中，氮氧化物(NOX)与还原剂起反应，其通过定量给料***而注入到有待吸附于SCR催化剂之上的废气流中。注入的计量试剂(例如尿素)分解而形成氨(NH3)。NH3是还原剂，其用于与NOX起反应，以将NOX还原成氮(N2)和水(H2O)。
[0005]SCR工艺通常需要相对较高的废气温度(例如大于200℃的温度)。然而，传统的柴油发动机在冷起动和低负荷运转条件下，产生通常在200℃以下的低温废气。在FTP-75循环(用于排放测试的联邦测试程序的Bag I或阶段I)的冷起动阶段期间，即使在初步预热策略下，SCR单元的最高温度可能仍然低于使SCR单元有效减少NOX排放所需要的温度。
发明内容
[0006]因此，提供了一种排气***，其包括选择性的催化还原(SCR)装置和NOX吸收器。NOX吸收器吸收NOX废气，并将NOX吸收器所吸收的NOX释放到SCR单元中。SCR单元将NOX废气转换成氮和水。
[0007]在其它特征方面，提供了一种操作排气***的方法，其包括在NOX吸收器中吸收NOX废气，将NOX吸收器中所吸收的NOX释放到SCR单元中，并将NOX吸收器中所释放出的NOX转换成氮和水。
[0008]从本文提供的细节描述中将进一步明晰适用领域。应该懂得，细节描述和特定的示例仅仅只用于举例说明的目的，而并不意图限制本公开的范围。
附图说明
[0009]这里所述的图纸只是出于举例说明的目的，而决非意图限制本公开的范围。
[0010]图1是车辆的框图，其包括根据本公开教义的排放控制***；
[0011]图2是柴油氧化催化剂(DOC)的示意图，其包含稀燃NOX吸附(lean NOX trap，LNT)催化剂；且
[0012]图3是根据本公开教义的排气***的操作方法的流程图。
具体实施方式
[0013]以下描述在性质上仅仅是示例性的，并且并不意图限制本公开、应用或用途。应该懂得，在全部图纸中，相应的标号表示相似的或相应的部件和特征。
[0014]根据本公开的排气***可包括与氮氧化物(NOX)吸收器集成于一体的柴油氧化催化剂(DOC)，其设置在选择性催化剂还原(SCR)装置的上游。当SCR单元在发动机起动周期期间不能有效地减少NOX排放时，NOX吸收器可吸收NOX废气。在废气达到预定的温度之后，NOX吸收器可释放被吸收的NOX，此时SCR单元可有效地将NOX转换成氮和水。结果，在发动机起动周期期间可减少释放至大气的NOX排放物。
[0015]参看图1，其显示了车辆10，其包括根据本公开教义的排放控制***。燃料从燃料泵14通过多个燃料喷射器16而传送至柴油发动机12中。空气通过空气吸入***18而传送至发动机12中。
[0016]控制模块20与加速踏板传感器22相通。加速踏板传感器22将代表加速踏板24的踏板位置的信号发送给控制模块20。控制模块20使用踏板位置信号来控制燃料泵14和燃料喷射器16的操作。
[0017]废气通过燃烧过程而产生，并从发动机12中排放到排气歧管26中。排气***28通过排气歧管26而接收来自发动机12的废气，并在将废气释放大气中之前处理流经那里的废气，以减少NOX。
[0018]排气***28包括柴油氧化催化剂(DOC)30、稀燃NOX吸附(LNT)催化剂32形式的NOX吸收器、选择性催化还原(SCR)单元34和柴油颗粒过滤器(DPF)36。NOX吸收器集成于DOC 30中。在排气歧管26中设有第一NOX传感器38，并且在SCR单元34和DOC 30之间设有第二NOX传感器40。在SCR单元34的上游设有定量给料***42，用于将还原添加剂、例如尿素注入到废气流中。阀门44连接在定量给料***42上，用于计量还原添加剂的精确数量。气态的或液态的还原剂添加至废气流中，并被吸收到SCR单元34上。
[0019]第一NOX传感器38检测排气歧管26中的废气，并传递信号给控制模块20，以指示例如废气是稀薄的或富浓度的。第二NOX传感器40检测SCR单元34上游的废气。在SCR单元34上游提供了DOC 30，用于氧化废气中的碳氢化合物。DOC 30还通过部分地将包含在废气中的NOX转换成NO2而增强了NOX在低温下的吸收效率。在SCR单元34的下游提供了DPF 36，用于除去废气中的柴油颗粒物质或烟尘。
[0020]SCR单元34通过在废气、还原添加剂(例如尿素)和SCR装置34上的催化剂之间的化学反应而用于除去废气中的氮氧化物(NOX)。废气流中的热量造成水性尿素溶液分解成氨和氢氰酸(HNCO)。这些分解产物进入SCR单元34中，其中气相氨被吸收，并且氢氰酸在SCR单元34上进一步分解成气相氨。被吸收的氨与废气中的NOX起反应以形成H2O和N2。在大约预定的温度下，SCR单元34可有效地将NOX转换成H2O和N2。预定的温度可依赖于许多因素，包括但不局限于SCR成分和密度、用于DOC 30和DPF 36的滤罐的尺寸、和/或燃料成分。一般来说，预定的温度可大约为200℃(仅为举例)。
[0021]参看图2，DOC 30可具有圆柱形的形状，并可包括衬底46和一个或多个催化剂层和涂层(washcoat layer)。衬底46具有和入口端48和出口端50。在DOC 30的出口端50附近设有NOX吸收器，例如稀燃NOX吸附(LNT)催化剂32。LNT催化剂32可包括砖形物，其通过催化砖物理整合而单独地安装在DOC 30上。或者，LNT催化剂32可以是通过区域涂附技术而在出口端50形成的DOC砖中的催化剂涂层的一部分。LNT催化剂32可吸收并储存穿过DOC 30的废气中的NOX。
[0022]应该理解并懂得，在没有脱离本公开精神的条件下，可使用不同于LNT催化剂32的已知的任何形式的NOX吸收器。此外，可在DOC 30的外部提供LNT催化剂32。此外，DOC 30可具有不同于圆柱形的形状。例如，DOC 30可具有椭圆形的形状。
[0023]参看图3，操作排气***28的方法100开始于步骤102。在步骤102中，发动机在冷却废气温度下起动并运转，例如，在FTP-75循环(联邦测试程序)的冷起动阶段期间，或在某些低负荷的发动机工作条件下起动并运转时，SCR单元34的催化剂由于低温而不能有效地减少足够量的NOX。通常，当废气和因而SCR单元34达到预定的温度时，SCR单元34可有效地将NOX转换成氮(N2)和水(H2O)。当废气温度较低并在预定的温度之下时，在步骤104中可将包含在废气中的NOX吸收并储存在LNT催化剂32中。当废气温度低于预定的温度时，LNT催化剂32可有效地吸收并储存NOX。另外，当废气温度较低时，DOC 30将一定百分比的NO转换成NO2。结果，当SCR单元34不能有效地减少NOX排放时，可减少释放到大气中的NOX的数量。
[0024]发动机继续运转，废气，和因而排气***28的温度增加。在步骤106中，当废气的温度达到预定的温度时，SCR单元34中的催化剂变得可有效地减少NOX排放。这时，在步骤108中，定量给料***42可起动，从而将还原剂，例如尿素注入到废气中。包含在废气中的NOX可开始承受SCR单元34中的SCR工艺，从而将有害的NOX还原成H2O和N2。
[0025]通常，随着废气温度的增加，LNT催化剂32的NOX储存能力下降。因此，在步骤110中，随着废气的温度持续增加，来自废气流的热量造成LNT催化剂32释放出之前废气温度较低时储存的NOX。在步骤112中，释放出的NOX被引导至SCR单元34中，用于SCR工艺。在废气经过SCR单元34中的SCR工艺之后，可将废气引导至DPF 36，在DPF 36中除去柴油颗粒物质或烟尘。然后在步骤114中将处理后的废气释放到大气中，并且整个工艺终止于步骤116。
[0026]总地说来，NOX吸收器(说明性示例中的LNT催化剂32)基于废气温度而吸收NOX，并释放NOX吸收器中所吸收的NOX。SCR单元34基于废气温度而转换NOX吸收器中释放出的NOX。用于将NOX从NOX吸收器释放到SCR单元34中的时间可根据NOX吸收器的化学成分而变化。
[0027]LNT催化剂32主要是为了在发动机冷起动阶段期间吸收和储存NOX的目的而提供的，并不用于NOX的还原。因此，同传统的排气***相比，本公开的排气***28只需要少量的LNT催化剂32，就足以在发动机冷起动阶段期间或在低负荷工作条件下吸收NOX，传统的排气***在整个发动机运转周期都使用LNT催化剂进行NOX还原。在少量LNT催化剂32的条件下，LNT催化剂32可采用安装在DOC　30中的涂层或砖形物的形式。因此，LNT催化剂32的添加不会增加传统地为排气***28所需要的空间。
[0028]此外，在SCR单元34上游包含用于低温NOX吸收的LNT催化剂32的条件下，本排气***28不需要为了缩短冷起动时间而增加传统的排气***28中照惯例所需要的外部加热装置。因此，本公开的排气***28在没有增加燃料消耗的条件下改善了排放控制性能。此外，因为LNT催化剂32可在低温下临时储存NOX，并在高温下自动地释放储存的NOX以用于SCR工艺，所以不需要如传统的排气***中为LNT催化剂再生而通常所需要的废气贫-富调节。
[0029]本领域中的技术人员现在从前面的细节描述中应该懂得，本公开的广泛知识可由各种形式来实现。因此，虽然本公开包括特殊的示例，但是本公开的真实范围不应该受到这样的限制，因为在研究图纸、说明书和以下权利要求的条件下，熟练的技术人员将明晰其它变体。

Claims (18)

1.一种排气***包括：
选择性催化还原(SCR)单元，其用于将NOX废气转换成氮和水；和
NOX吸收器，其吸收NOX废气，并将所述NOX吸收器中所吸收的NOX释放到所述SCR单元中。
2.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器基于废气温度而吸收NOX，并释放所述NOX吸收器中所吸收的NOX。
3.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述SCR单元基于废气温度而转换从所述NOX吸收器中释放出的NOX。
4.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器在第一温度下吸收NOX，并在第二温度下释放被吸收的NOX，所述第二温度高于所述第一温度。
5.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述SCR单元设置在所述NOX吸收器的下游。
6.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器包括稀燃NOX吸附(LNT)催化剂。
7.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述排气***还包括位于所述SCR单元上游的柴油氧化催化剂(DOC)。
8.根据权利要求7所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器设置在所述DOC的出口附近。
9.根据权利要求7所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器包括安装在所述DOC上的涂层。
10.根据权利要求9所述的排气***，其特征在于，所述涂层通过区域涂附技术而成形于所述DOC的出口处。
11.根据权利要求7所述的排气***，其特征在于，所述NOX吸收器包括安装在所述DOC上的砖形物。
12.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述排气***还包括定量给料***，其设置在所述NOX吸收器的下游和所述SCR单元的上游，用于将还原剂注入到废气中。
13.根据权利要求1所述的排气***，其特征在于，所述排气***还包括设置在所述SCR单元下游的柴油颗粒过滤器(DPF)。
14.一种操作排气***的方法包括：
将废气中的NOX吸收到NOX吸收器中；
将NOX吸收器中所吸收的NOX释放到SCR单元中；和
将所述NOX吸收器释放出的NOX转换成氮和水。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，NOX废气的吸收、所吸收的NOX的释放、以及所释放的NOX的转换都是基于废气温度而执行的。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在第一温度下将NOX吸收到所述NOX吸收器中，并在第二温度下释放被吸收的NOX，所述第二温度高于所述第一温度。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述NOX吸收器包括稀燃NOX吸附(LNT)催化剂。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述NOX吸收器设置在所述SCR单元的上游。
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