CN101482047B - 用于净化来自柴油机的排气的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于净化来自柴油机的排气的方法和***。提供了一种用于净化来自内燃机的、包含一氧化碳、氧化氮、未完全燃烧的碳氢化合物以及烟灰的排气的方法和***，其包括以下步骤：催化氧化排气中的一氧化碳，将经氧化的排气中的烟灰和残余量的碳氢化合物保留在过滤器中，将还原剂添加到气体中并催化还原氧化氮，以及获得净化后的排气。本发明还包括通过以下方式控制氧化催化器中温度的步骤：即，使来自发动机的气体的至少一部分通过热交换器的第一侧、及使经净化的排气的至少一部分通过该热交换器的第二侧，并且引导来自该发动机的剩余量的气体通过跨过该热交换器的第一侧的旁路、及引导剩余量的经净化的排气通过跨过该热交换器的第二侧的旁路。

Description

用于净化来自柴油机的排气的方法和***
技术领域
本发明涉及排气的高效净化。
本发明尤其针对用于从来自柴油机的排气中去除氧化氮、一氧化碳、烟灰和碳氢化合物的残余物的方法和***。
本发明对于由柴油机驱动的车辆(频繁地由冷发动机启动)，或者在一天内有若干次冷柴油机启动的地方特别有用。
背景技术
用于净化排气的方法在本领域中是已知的，并且包括将所需和所产生的热考虑在内的设备的方法在本领域中也是已知的。
美国专利申请No.2006/0096282公开了具有平行通道的装置中的排气净化，在该装置中，进入的排气在每隔一个通道中流动，且流出的排气在其它通道中流动。气流拐入由燃烧器进行加热的腔室中。排气由催化剂净化，该催化剂置于该腔室的通道上游的最后部分中且置于该腔室的通道下游的第一部分中。在该通道的空置部分中，热量在脏排气和经净化的排气之间传递。这样，该装置的性能由位于其中间的消耗燃料的燃烧器进行调节。
美国专利说明书US 20070059227公开了排气净化，其中，排气通过柴油机颗粒过滤器、氧化催化器，以及随后通过NOx净化。进入NOx净化的气体与离开NOx净化的气体进行热交换，其中，热量由燃烧产生。这样，就为得到净化的三个步骤的最后步骤的正确温度节省了一些能量。
除了美国专利No.6,347,511的方法中的净化催化器之外，发动机排气还在包括加热器、热质量和流体冷却的热交换器的***中净化。在该***的上游，排气部分地或完全地通过热交换器，气体在该热交换器中冷却或加热，在气体在该热交换器中加热的情况下，必须为该***添加能量。
柴油机颗粒过滤器通过JP 2005299474中描述的方法来净化排气。离开过滤器的部分气体经过通到过滤器进气管的一部分周围的环形空间。这样，整个入口流就由能够通过该入口管的那部分而传递的热量进行加热。
另一排气过滤器***在US 2005/0098042中进行了描述。该发动机排气流可以全部或部分地通过该过滤器的热交换器上游。该热交换器通常为在管道中有气体的空气/气体热交换器，即意味着热交换依赖于环境空气。
现有技术的某些方法需要额外的能量供应，以得到正确的催化剂温度或烟灰燃烧温度，这些方法中的某些通过经由有限面积的表面进行传递而使热恢复到一定程度，某些方法在热交换器中恢复热，该热交换器产生较高的排气压力损耗。
本发明涉及一种净化方法和***，该方法和***在所有发动机运行模式期间同时具有高度的排气净化和高度的热恢复，且仅产生排气中的的极小的压力损耗。
发明内容
本发明提供了一种用于净化来自内燃机的、包含一氧化碳、氧化氮、未完全燃烧的碳氢化合物和烟灰的排气的方法和***，并且包括以下步骤：在存在氧化催化剂的前提下氧化排气中的一氧化碳；将经氧化的排气中的烟灰和残余量的碳氢化合物保留在过滤器中；在存在选择性地进行还原的催化剂的前提下，以受控的方式将还原剂添加到来自过滤器的气体，并且将氧化氮和二氧化氮还原为氮，以及获得净化后的排气。本发明还包括通过以下方式来控制氧化催化器中的温度的步骤：即，使来自发动机的气体的至少一部分通过热交换器的第一侧、使经净化的排气的至少一部分通过该热交换器的第二侧，并且引导来自发动机的气体的剩余量通过跨过该热交换器的第一侧的旁路、引导经净化的排气的剩余量通过跨过该热交换器的第二侧的旁路。
该热交换器包括壳体、在该壳体中平行安装的若干矩形板以及位于所述板之间的多条线材，这些线材紧紧地挤压在板之间，从而使两根相邻的线材和周围的板形成通道。位于板之间每隔一个间隔的线材彼此基本平行地布置并且呈S形，从而通道将气流从板的一角引导到完全相对的角。在板之间的其余间隔中的线材布置成使得通道形成这样的形状：该形状是其它通道的形状的镜像，并且使得两条流的入口都定位在壳体的同一侧上，从而在板之间的相邻间隔中获得经过通道的大体反向流动的气流。
本发明可包括：对排气进行受控的燃料添加，该排气从热交换器的第一侧流出和/或从跨过该热交换器的第一侧的旁路中流出；以及然后在后续氧化步骤中氧化该燃料。
附图说明
图1是显示本发明的***的化学过程的示意图。
图2是显示本发明的***的示意图。
图3是显示了根据本发明的一个实施例的***以及该实施例的控制原理的示意图。
图4是显示了根据本发明的另一个实施例的***以及该实施例的控制原理的示意图。
图5是显示了本发明的热交换器的三维视图的附图。
图6是显示了根据本发明的热交换器的截面的附图。
图7是显示了本发明的热交换器的另一截面的附图。
图8是显示了本发明的旁路的三维视图的附图。
图9是显示了本发明的旁路的截面的附图。
图10是显示了安装在本发明的热交换器上的旁路的三维视图的附图。
具体实施方式
柴油机在过量空气下工作，其排气包括氧化氮(NOX)、一氧化碳(CO)、烟灰以及未完全燃烧的碳氢化合物，这些都会产生健康威胁。
必须去除这些杂质，在本发明中，选择在过滤器中捕捉烟灰和未完全燃烧的碳氢化合物之后氧化CO，并且最后以催化的方式将氧化氮还原为自由氮。当将排气和***加热到高达300-400℃时，这些反应以最优的方式进行。
本发明提供了一种方法和装置，该方法和装置缩短了从冷发动机的启动到达到所需温度的时间。这是通过对净化***安装供给/流出热交换器来实现的。该热交换器在供给侧和流出侧两侧上都设有旁路，且各旁路中都具有至少一个叶片(vane)。
通过附图进一步描述本发明。
图1示出了本发明的***的一部分，净化发生于该部分中。
来自发动机的排气流1流向柴油机氧化催化器DOC 2，CO在该DOC 2中氧化成CO2，CO2至少对健康是无害的。NO也在该DOC中氧化成NO2。这些反应在300-350℃下最优地进行。为了在所有条件下都保持这个温度，可将一些燃料3注入催化器2的上游，以及在形成热的情况下以催化的方式将其燃烧。该催化燃烧在约200℃及200℃以上是可行的。通常，当在流4中离开DOC 2时，气体为350℃。
流4中的颗粒形式的烟灰和未完全燃烧的碳氢化合物在柴油机颗粒过滤器、DPF 5中捕捉。该过滤器可覆有催化材料层，该催化材料层可以进行氧化，即在350℃或350℃以上燃烧烟灰。过滤器5因此是自再生的，且当发动机在稳定模式下运行时，排气在350℃下离开该过滤器。由于DPF 5安装在DOC(NO2在此处形成)的下游，且由于NO2是氧化剂，取决于NO2的含量，来自DOC的NO2使DPF在250-350℃的温度下自再生。
经氧化和过滤的气体6仍然包含NOX，当存在SCR(选择性催化还原)催化器8时，该NOX被氨选择性地以催化的方式还原(SCR)。大多数情况下，氨作为尿素7的水溶液添加，尿素7热分解，并且比氨更易于存储在车厢中。这种尿素分解在180-200℃或180-200℃以上的温度下进行。或者，可使用氨甲酸盐作为还原剂。NOX的还原在350℃下最优地进行，经净化的排气9在350℃下离开SCR催化器。
如表1所示，当冷柴油机启动，并且排气5净化***也是冷的时候，图1所示的***为约180℃。
在这种典型的低温运行情况下，有以下情况：
DOC 2的温度太低以至于不能启动燃料燃烧来升高温度。DPF 5的温度太低以至于不能燃烧烟灰，该烟灰在过滤器中堆积，且压降增大。压降越大，柴油机就将经历更高的燃料损失(即对额外燃料的需求)。如果压降达到较高水平，***就不得不通过提高整个排气***的温度来被迫再生。在这种情况下，这可以通过改变发动机的运行参数来实现。流6中的低温妨碍尿素完全转换成氨，这种完全转换对于SCR催化器8去除NOX是必需的。这就产生了在排气管中形成沉淀物以及高的氨泄漏水平的风险，以及此外，SCR催化器8在低温下不能有效去除NOX。
仍参照图1，发动机启动之后，当DOC 2由离开发动机的排气1加热到250℃时，可在DOC 2中启动与燃料的放热反应，所形成的热提高了排气的温度。在DPF 5中，温度水平就足以按照与在过滤器上沉淀相同的速度来燃烧烟灰。持续的被动再生是本发明的关键要素。这样，过滤器不会堆积任何烟灰，而导致柴油机净化***的低稳定压降，并且不再需要被迫的烟灰再生。DPF 5的出口温度为350℃，对于SCR催化器8在没有于排气管中沉淀的危险的情况下将尿素转换成氨而言，该温度是良好的温度。获得了SCR催化器8的最优运行温度，以及由此，仅用有限的氨泄漏就实现了极好的NOX转换。表1示出了由热发动机所获得的温度。
直到达到以上温度，未经处理的、有毒排气才排放到空气中。
流编号     1     4     6     9
冷发动机     180℃     180℃     180℃     180℃
热发动机     250℃     350℃     350℃     350℃
表1
本发明提供了一种方法和装置，该方法和装置缩短了从冷发动机启动到达到用于DOC催化器的250℃温度的时间，并且在DOC的上游仅用有限的或甚至不添加燃料，就使DOC的温度保持在250℃或250℃以上。这可通过在净化***上安装供给/流出热交换器来实现，其示于图2中。
排气1进入供给/流出热交换器10。当带有热排气净化***的热发动机运行时，由净化***产生的流9中的热量用于加热供给/流出热交换器10中的供给排气1。排气流11由此被加热到320℃，这就降低了对添加到DOC 2的上游以达到最优反应温度的燃料的需求。净化排气9在350℃下流动到热交换器10的另一侧，气流12以230℃从此处离开。表2示出了这些温度。
对于有限的额外燃料成本下的优化***性能的需求将在装备中包括高效的反向流动热交换器。该热交换器需要具有高的热效率，以恢复流出气体的大部分热。同时，热交换器必须只产生极小的压降。这样，就快速地实现了最优且高效的排气净化。
流编号 1  11  4 6 9 12
带有热交换器的*** 200℃  320℃  350℃ 350℃ 350℃ 230℃
表2
为进一步优化整体***运行，并且降低热交换器上的不必要的压降，该热交换器在供给侧和流出侧两侧上都设有旁路。当***运行不需要热交换器时，可绕开该热交换器。图3示出了优选的***设计。在热交换器的发动机流出侧上，安装有旁路14，该旁路14设有叶片15，并且在热的、经净化的流出侧上，安装有设有叶片17的旁路16。
叶片的位置由发动机流出气体的温度和DOC催化器上游的排气温度来控制。
测量DOC出口的排气4的温度，并且当可行且需要时，该信号用来对用于氧化的燃料3的添加进行自动控制。
同样，测量SCR催化器入口的排气6的温度。当该温度太低时，使用该温度信号来控制尿素溶液7不被注入。
图4示出了本发明的另一实施例。在这个净化过程中，排气4从DOC流向SCR，并随后流向DPF。这有这样的好处：即更容易控制NO2/NOX的比率。这个实施例的DPF必须在更高的温度下运行。
当不需要热交换器时，该热交换器会被旁路掉，且避免了不必要的压降。
当发动机出口排放温度大于350℃时，不需要为该***添加更多的热量，因为催化器已经最优地运行了。停止燃料注入，并且在两侧上都将热交换器旁路掉，从而避免了否则会在热交换器中产生的压降。
当DOC的温度太低(取决于组分低于200℃)时，DOC不能燃烧柴油机燃料。因此，在DOC达到其所谓的点火温度之前，不能添加柴油机燃料。因为在这种情况中没有产生热量，应当在两侧上都旁路掉热交换器，这样做有进一步的益处，即排气的热直接到达DOC，以尽可能快地达到点火温度。当DOC达到点火温度时，可以添加柴油机燃料，并且必须通过关闭两个旁路叶片来使热交换器进入运行。
现在，到达DOC催化器以及净化***的其它部分的相当一部分热量是通过对净化排出流9中的热进行热恢复而从热交换器中获得的，而不是从DOC催化器中的燃料反应获得的。这种热交换减少了燃料消耗。
随后，当发动机出口排放温度高于350℃时，则不需要对***添加更多热量，因为催化器已经最优地运行了。停止柴油机注入，并且将热交换器旁路。
为了控制对热交换器进行旁路，可以使用以下简单的规则：
入口DOC温度＜点火温度：旁路叶片打开，
入口DOC温度≥点火温度：旁路叶片关闭，
发动机排气温度＜350℃：旁路叶片关闭，
发动机排气温度≥350℃：旁路叶片打开。
对该供给/流出热交换器的设计的要求是自相矛盾的。热交换器必须是高效的，即必须获得优良的热交换器，该热交换器必须尽可能的小，并且另一方面，热交换器中产生的压降必须非常低。
通过本发明的热交换器可满足这些要求。图5显示了具有壳体21的热交换器，其中，供给到净化器的排气1流入热交换器，并且经加热作为流11而离开该热交换器，同时经净化的流9在该热交换器中被冷却，并且作为流12而离开整个***。
图6显示了热交换器包括平行安装的若干薄金属板20，这些板通过多条线材而保持彼此间隔开。当这些板为矩形时，壳体具有箱体形状。
图7显示了线材25，该线材25比板厚。这些线材彼此平行布置，且每根线材都形成S形。当线材被挤压在两块板之间时，该线材和板形成多条通道26。每隔一层，通道具有S状形式，并且在其它层中，通道的形状形成S形的镜像。在通道26的笔直部分中，板的各侧上的供给流和流出流反向流动，从而使热交换器非常高效。
图8显示了箱体28，该箱体28包括用于两个旁路流的通路，净化供给流1和净化流出流9从相同一侧进入旁路箱体，并分别作为流11和12离开。
图9显示了从上方看去的旁路通道，在上面显示了流是如何流动的。为了控制在旁路通道中流动的气体量，将一个或多个叶片安装在各条通道中。在图9中，示出了各条通道中的一个叶片，叶片1 5安装在旁路14中，且叶片17安装在旁路16中，叶片15和叶片17控制在两侧上旁路绕过热交换器的气体的量。
该箱体是细长的箱体，并且两个入口位于一个长侧面上，而两个出口位于相对侧上。
在该箱体中，这两条通道由从一端到另一端的板彼此隔开。在流水平地进入和离开的箱体中，通道在端部处由板的垂直部分隔开。整个板扭转180°，因此，例如(f，inst，)，在箱体的中间，板是水平的。这样，旁路的入口和出口正好靠近热交换器的相应入口和出口。
图10显示了旁路通道以何种方式构建在热交换器上，这样做节省了许多空间。旁路箱体28安装在交换器壳体21的顶部上。流9流入共同入口，该入口相对于热交换器和旁路呈锥形，类似于从图10中所看到的，气流1也流入共同入口锥体，流11和流12分别流出出口锥体。
在本发明的另一实施例中，热交换器的供给侧的表面由DOC层覆盖。这就使得能够更快速地加热净化***。
在又一实施例中，柴油机颗粒过滤器至少部分地由SCR催化剂层覆盖，并且避免了用于SCR的单独设备。
在又一实施例中，NOX的SCR安装在DPF的上游。
在本发明的又一实施例中，可将氨泄漏催化器安装为SCR催化器下游的单独催化器或安装为SCR催化器的下游部分。
本发明的方法和***适用于净化来自柴油机、尤其是来自频繁地由冷马达启动的发动机的排气。
实例
以下描述了本发明的一个实施例。该实施例适用于净化来自柴油机的500kg/h的排气。
该***包括具有上游燃料注入的DOC、DPF、具有上游尿素溶液注入的SCR、用于该净化部分的供给/流出热交换器、位于热交换器的供给侧和流出侧上的旁路通道，以及各条旁路通道中的叶片。图3中示出了该***。
排气管的尺寸为4″(100mm)，在DOC、DPF和SCR催化器安装处，该排气管扩大到10″-12″(250mm-300mm)。
该热交换器安装在具有12升发动机的大型货车的净化***周围，该热交换器包括200块板，各块板的尺寸为200×800mm，厚度为0.2mm。1mm厚的线材以图7所示的S形安装在板之间，两条线材之间的间隔为19mm。从而该热交换器具有约为200×800×240mm的尺寸，并且这些板和线材适当地由Cr钢SS 409制成。
在该热交换器的顶部，如图10所示安装有旁路的箱体。该旁路箱体高120mm，其长度和宽度与该热交换器的长度和宽度相同。
测试结果
用来自大型货车的12升柴油机的排气进行了测试。
该排气经过热交换器的一侧，随后在DOC上进行氧化之前添加燃料，经氧化的排气在热交换器的另一侧中冷却，从而将从发动机到DOC的排气加热。热交换器在各侧上都设有旁路。
但是，在热交换器及其周围的管道上安装有比车辆中所使用的绝缘层更薄的绝缘层。
表3给出了测试结果，在该表3中，ΔP为热交换器的冷侧上的压降，T1、T2、T3和T4分别为热交换器的入口冷侧、热交换器的出口冷侧、热交换器的入口热侧以及热交换器的出口热侧的温度；且在该表3中，“DOC之前的”表示DOC入口的温度，“DOC之后的”表示DOC出口的温度，并且当旁路阀关闭时，HEX位置(运行模式)表示为C，或者当旁路阀打开时，HEX位置表示为O。显然，与使用打开的旁路阀的运行相比，加热器产生一些压降。
该测试显示，即使是非常冷的发动机排气(即远低于燃料可以以催化的方式进行氧化并产生热量的温度)，当安装好加热器时，DOC也将运行。
特别地，14:56运行的测试显示，在发动机排放的气体为171℃，且与加热器联机的情况下，在DOC出口获得了348℃，这是柴油机颗粒过滤器的最优温度，柴油机颗粒过滤器通常跟在DOC后，以燃烧固体杂质。
这与15:04运行的测试形成对比，此时发动机排气为243℃，但是热交换器被旁路掉，从而导致272℃的DOC出口温度，在随后的柴油机颗粒过滤器中不会燃烧烟灰或其它固体碳氢化合物残余物。
Figure G2009100048103D00121

Claims (11)

1.一种用于净化来自内燃机的排气的***，其中，所述***按顺序包括：
热交换器；
用于添加燃料的器件；
柴油机氧化催化器；
柴油机颗粒过滤器；
用于添加还原剂的器件；以及
选择性地进行还原的催化器；
并且，其中，所述热交换器具有
第一侧，所述第一侧与所述柴油机氧化催化器的入口侧相连通，并且设有跨过所述热交换器的第一侧的旁路；
第二侧，所述第二侧与所述选择性地进行还原的催化器的出口侧相连通，并且设有跨过所述热交换器的第二侧的旁路；
安装在跨过所述热交换器的第一侧的旁路中的至少一个第一叶片，所述至少一个第一叶片适于控制流过所述热交换器的第一侧的排气量；以及
安装在跨过所述热交换器的第二侧的旁路中的至少一个第二叶片，所述至少一个第二叶片适于控制流过所述热交换器的第二侧的排气量。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，来自发动机到所述氧化催化器的排气中的温度通过所述至少一个第一叶片进行控制，并且通过调节从所述选择性地进行还原的催化器经过所述热交换器的第二侧的排气流进行控制，该从所述选择性地进行还原的催化器经过所述热交换器的第二侧的排气流由所述至少一个第二叶片来控制。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述用于添加还原剂的器件以及所述选择性地进行还原的催化器安装在所述柴油机氧化催化器和所述柴油机颗粒过滤器之间。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述热交换器的所述第一侧的表面的至少一部分覆盖有柴油机氧化催化剂。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述过滤器的表面的至少一部分覆盖有氧化催化剂。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述过滤器的表面的至少一部分覆盖有选择性地进行还原的催化剂。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述热交换器还包括：
壳体；
若干个矩形板，其平行地安装于所述壳体中；
位于所述板之间的多条线材，所述线材紧紧地挤压在所述板之间，从而使两条相邻的线材和周围的所述板形成通道；
位于所述板之间的、每隔一个间隔中的所述线材彼此平行地布置且呈S形，从而使所述通道将气流从所述板的一个角引向完全相对的角；
所述板之间的其余间隔中的线材布置成使所述通道形成某种形状，所述形状是其它通道的形状的镜像；以及
两条流的入口定位在所述壳体的同一侧，从而在所述板之间的相邻间隔中获得经过通道的反向流动的气流。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述壳体具有箱体形状。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，
各旁路都形成通道；
两条通道被包括在箱体中；
用于两条旁路流的入口布置在共同侧上；
用于两条旁路流的出口布置在共同侧上；以及
所述两条流的其中各条流在包括旁路通道的箱体的一侧进入，并且在包括旁路通道的箱体的相对侧离开。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，
所述箱体是细长的箱体；
所述入口和出口定位在两个相对的长侧面上；
所述箱体中的通道通过从一个小侧面延伸到另一个相对的小侧面的板而彼此隔开；以及
所述板绕着与所述长侧面平行的轴线扭转180°。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，
具有所述旁路通道的所述箱体布置在所述热交换器壳体上；
用于所述热交换器和所述旁路通道箱体的相同流的入口彼此相邻地布置；以及
用于所述热交换器和所述旁路通道箱体的相同流的出口彼此相邻地布置。
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