CN114439584A - 用于减少燃烧发动机的笑气排放的方法和废气后处理*** - Google Patents

用于减少燃烧发动机的笑气排放的方法和废气后处理*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于减少燃烧发动机(10)的排气装置(20)中的笑气排放的方法。在此，燃烧发动机(10)的出口(18)与排气装置(20)连接。在排气装置(20)中，在燃烧发动机(10)的废气流的流动方向上布置氮氧化物存储部件(28,30,32)，在氮氧化物存储部件(28,30,32)的下游布置电加热设备(34)，并且在电加热设备(34)的下游布置氧化催化器(38)。提供，确定氮氧化物存储部件(28,30,32)和氧化催化器(38)的温度(TNS,TOX)，确定燃烧发动机(10)的运行状态，并在温度(TNS,TOX)和确定的燃烧发动机(10)的运行状态可以预期在废气后处理部件(28,30,32,38)中的至少一个处形成笑气时，激活电加热设备(34)。本发明还涉及一种用于进行这种方法的废气后处理***。

Description

用于减少燃烧发动机的笑气排放的方法和废气后处理***
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于减少燃烧发动机的笑气排放的方法以及用于进行这样的方法的废气后处理***。
背景技术
京都议定书是国际气候政策的共同结果。其中，国际社会成员国在一项国际条约中承诺对温室气体排放进行绝对且具有法律约束力的限制。随着京都议定书的批准，工业国家强制性且约束性地降低最重要的温室气体的排放——包括二氧化碳 (CO2)、甲烷(CH4) 和笑气 (N2O)。
笑气是一种温室气体，其对气候的危害大约是二氧化碳的 300 倍。笑气排放的主要来源是农业中的含氮肥料以及农业畜牧业。 其他来源是化学工业中的工业过程以及固定和移动的燃烧过程。
在进一步收紧装有燃烧发动机的机动车辆的未来排放立法的过程中，还必须考虑到笑气排放的限值。在此，进一步降低消耗的要求和关于允许的氮氧化物排放和笑气排放的废气标准的进一步收紧对于发动机开发者来说是一个挑战。在汽油机的情况下，废气净化以已知的方式通过三元催化器以及在三元催化器上游和下游连接的其他催化器进行。在柴油发动机的情况下，当前使用具有氧化催化器、用于选择性催化还原氮氧化物的催化器(SCR催化器)以及用于分离炭黑颗粒的颗粒过滤器和任选其它催化器的废气后处理***。在此，优选使用氨作为还原剂。由于用纯氨处理是复杂的，因此在车辆中通常使用合成的尿素水溶液，其在SCR催化器上游的混合装置中与热的废气流混合。通过这种混合，加热尿素水溶液，由此尿素水溶液在废气通道中释放氨。市售的尿素水溶液通常由32.5%的尿素和67.5%的水组成。
在燃烧发动机中，笑气主要不是在发动机燃烧时初级产生，而是在某些不利的温度条件下在用于废气后处理的催化器上形成。
从DE 102 42 303 A1已知一种废气净化装置和一种用于净化废气的方法。 在此，在燃烧发动机的排气装置中在废气流通过该排气装置的流动方向上布置氧化催化器、NOx存储催化器、颗粒过滤器和SCR催化器。在颗粒过滤器的下游和 SCR 催化器的上游提供计量阀，以将还原剂引入到排气装置中。在此提供，NOx存储催化器可以借助于电加热元件加热，以控制氮氧化物的存储行为。
发明内容
现在，本发明的目的在于，除了已经限制的废气成分(NOx、CO、HC)之外另外使笑气排放最小化并且由此进一步改善废气净化或者避免负面的二次影响（Sekundäreffekte）。
该目的通过一种用于减少燃烧发动机的排气装置中的笑气排放的方法来实现。在此，燃烧发动机的出口与排气装置连接。在排气装置中，在燃烧发动机的废气流的流动方向上布置氮氧化物存储部件、在氮氧化物存储部件的下游布置电加热设备，尤其是可电加热的催化器，和在电加热设备的下游布置氧化催化器。在此提供，确定氮氧化物存储部件和氧化催化器的温度，确定燃烧发动机的运行状态，并且在燃烧发动机的温度和所确定的运行状态可以预期在至少一个废气后处理部件处、尤其是在氧化催化器处形成笑气时，激活电加热装置。
尤其是在释放氮氧化物，同时在废气中存在未燃烧的烃并且催化器的温度处于200-240℃的范围内的条件下才在排气装置中产生笑气排放。在这些条件下，笑气的形成增加，因此需要避免这样的条件，以使笑气的形成最小化。只要氮氧化物存储部件吸收燃烧发动机废气中的氮氧化物，对于笑气形成而言就缺少重要的反应参与物。如果识别到燃烧发动机的一种运行状态，在该状态下可以释放氮氧化物被或者氮氧化物不再能够被氮氧化物存储部件吸收，同时在废气中存在未燃烧的烃并且氧化催化器的温度处于200℃- 240℃的临界范围内，则激活电加热设备，以便将氧化催化器加热到使得笑气形成最小化的程度。
通过经由可电加热的催化器有针对性地控制氧化催化器的温度，可以使在排气装置中的催化器上的笑气的形成最小化。高的燃烧温度和废气温度导致笑气的快速分解并因此导致笑气排放的进一步最小化。
通过在从属权利要求中所列的特征，可以有利地扩展和改进在独立权利要求中提及的方法。
在本发明的优选实施方案中提供，确定氮氧化物存储部件、特别是被动NOx吸附器或NOx储存催化器的负载状态。通过确定负载状态可以估计，是否可以预期一种运行状态，在该运行状态下氮氧化物被释放并且产生形成笑气的危险。
在该方法的一个有利的扩展方案中提供，在氮氧化物存储部件的上游测量第一氮氧化物浓度并且在氮氧化物存储部件的下游测量第二氮氧化物浓度，其中，由测量的氮氧化物浓度确定存储部件的负载状态或者来自氮氧化物存储部件的氮氧化物排出。通过测量氮氧化物浓度，可以计算氮氧化物存储部件的负载状态和/或掌握来自氮氧化物存储部件的氮氧化物排出。
替代地或附加地，有利地提供，借助于负载模型计算氮氧化物存储部件的负载状态或来自氮氧化物存储部件的氮氧化物排出。 替代地或附加地，可以通过相应的计算模型来计算是否应预期来自氮氧化物存储部件的氮氧化物排出和笑气形成的风险是否增加。
在该方法的一个有利的实施方案中提供，在排气装置中在氧化催化器的上游确定未燃烧的烃的浓度。由于同时存在未燃烧烃有利于笑气的形成，因此可以通过额外确定氧化催化器上游的未燃烧的烃的浓度来改进可电加热催化器的控制。
在该方法的另一改进方案中提供，在超过氮氧化物存储部件的氮氧化物负荷的阈值时，将可电加热的催化器激活。由于从一个阈值开始，特别是从氮氧化物存储部件的储存容量大于75%的氮氧化物存储部件负载开始，释放氮氧化物的风险增加，因此当超过该阈值时激活可电加热催化器是有利的。通过及时激活电加热设备，氧化催化器被加热到这样的程度，即在从氮氧化物存储部件释放氮氧化物并因此使笑气形成最小化之前，氧化催化器达到至少250℃，优选至少350℃，特别优选至少450℃的温度。
本发明的另一方面涉及一种用于燃烧发动机的废气后处理***，该燃烧发动机以其出口与排气装置连接，其中，在排气装置中在燃烧发动机的废气流的流动方向上布置氮氧化物存储部件，在该氮氧化物存储部件的下游布置电加热设备、尤其是可电加热的催化器，并且在该电加热设备的下游布置氧化催化器，以及与控制仪器连接，该控制仪器被设置用于，在由该控制仪器实施机器可读的程序代码时，进行这种方法。通过这种废气后处理***可以防止，氧化催化器在燃烧发动机的对于形成笑气而言的临界运行状态下在有利于这种笑气形成的温度范围中运行。由此能够使笑气排放最小化。
在废气后处理***的一个优选的实施方案中提供，氮氧化物存储部件是NOx储存催化器或包括NOx储存催化器。通过NOx存储催化器可以存储氮氧化物。然而，为了再生NOx存储催化器，需要发动机的富油阶段或将燃料计量到排气装置中，以便用未燃烧的烃转化存储的氮氧化物。然而，由于同时存在未燃烧的烃和氮氧化物有利于笑气的形成，因此通过电加热设备如此强烈地加热氧化催化器，使得氧化催化器的温度高于对于笑气形成而言临界的200℃- 250℃的温度范围是非常有帮助的。
在此特别优选的是，NOx存储催化器实施为低温NOx存储催化器。低温NOx存储催化器在本上下文中应理解为是指NOx存储催化器，它自140℃的温度起就已经、优选自120℃起就已经、特别优选自100℃起就已经可以存储氮氧化物。通过这种低温NOx存储催化器尤其可以使燃烧发动机的冷起动阶段中的氮氧化物排放最小化，在该冷起动阶段中，用于还原氮氧化物的其他废气后处理部件、尤其是用于选择性催化还原氮氧化物的一个或多个催化器尚未达到其运行温度。
替代地或附加地，有利地提供，氮氧化物存储部件是被动NOx吸附器或包括被动NOx吸附器。通过被动NOx吸附器，在约80℃的废气温度下已经可以吸附并临时存储氮氧化物。如果废气温度和被动NOx吸附器的温度超过约200-250℃的阈值，则存储的氮氧化物被再次释放，并且被动NOx吸附器再生。因此，被动NOx吸附器尤其适于使燃烧发动机的冷起动阶段中的氮氧化物排放最小化。由于氮氧化物的释放在笑气形成临界的温度水平下进行，因此有利的是通过电加热设备加热氧化催化器，由此该氧化催化器在氮氧化物释放时足够热，以避免笑气形成或使其最小化。
除非在个别情况下另有说明，否则在本申请中提及的本发明的各种实施方式可以有利地相互组合。
附图说明
下面在实施例中借助所属附图详细说明本发明。在此，相同的构件或具有相同功能的构件在不同的附图中以相同的附图标记标明。其中：
图1以示意图示出了具有废气后处理***的燃烧发动机；
图2以示意图示出了废气后处理***的催化器布置；
图3示出了在燃烧发动机冷启动时氧化催化器随时间的温度曲线以及电加热设备的控制；和
图4示出了用于进行根据本发明的用于减少笑气排放的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了燃烧发动机10的示意图，该燃烧发动机10以其出口18与排气装置20连接。燃烧发动机10实施为直接喷射式柴油发动机。燃烧发动机10具有多个燃烧室12。在燃烧室12处各布置一个燃料喷射器14，用于将燃料喷射到各自的燃烧室12中。燃烧室各自通过活塞16来界定，该活塞可移动地布置在燃烧发动机10的气缸孔中。燃烧发动机10以其入口与未示出的空气供应***连接并且以其出口18与排气装置20连接。燃烧发动机10可以具有带有废气再循环管路和高压废气再循环阀的高压废气再循环，通过该高压废气再循环阀可以将燃烧发动机10的废气从出口18再循环到入口。在燃烧室12处布置有进气阀和排气阀，用它们可以打开或关闭从空气供应***到燃烧室12或从燃烧室12到排气装置20的流体连接。
在排气装置20中，在废气流穿过燃烧发动机10的流动方向上穿过排气装置 20的废气管道22，在废气涡轮增压器24的涡轮机26的下游，布置氮氧化物存储部件28，特别是被动NOx吸附器32，作为废气后处理的第一部件。被动NOx吸附器32优选地实施为没有氧化部件的被动NOx吸附器32，并且仅用于在燃烧发动机的冷启动阶段中临时储存氮氧化物。在氮氧化物存储部件28的下游布置有带有电加热元件36的电加热设备34，利用其可基本上不依赖于燃烧发动机10的运行方式地加热燃烧发动机10的废气流。在更下游布置氧化催化器38、尤其是柴油氧化催化器。替代地，氮氧化物存储部件28也可以被实施为NOx储存催化器30，尤其被实施为低温NOx储存催化器。
在氧化催化器38的下游可以在排气装置20中布置其它的废气后处理部件40、42、44、46，尤其是至少一个用于选择性催化还原氮氧化物的废气后处理部件40，优选SCR催化器42或具有SCR涂层46的颗粒过滤器44，用其可以将还原剂计量到废气管道22中。在氧化催化器38的下游和在用于选择性催化还原氮氧化物的废气后处理部件40的上游布置计量元件58，利用该计量元件58可以将还原剂、尤其是尿素水溶液计量到燃烧发动机10的排气装置 20中。
废气混合器可以布置在计量元件58的下游和用于选择性催化还原氮氧化物的废气后处理部件40的上游，以便改善还原剂在进入到用于选择性催化还原的废气后处理部件40中之前以与燃烧发动机10的废气流的混合。
此外，可以在排气装置 20中提供多个废气传感器48，尤其是NOx传感器54、56，或用于识别未燃烧的烃的传感器，以及温度传感器50、52。燃烧发动机10和传感器48、50、52、54、56与控制仪器60连接，该控制仪器尤其控制燃料进入燃烧发动机10的燃烧室12的喷射量和喷射时间点以及电加热设备34的激活或加热功率。控制仪器60包括计算单元62和存储单元64，在存储单元64中存储机器可读的程序代码66，该程序代码66可以由计算单元62实施以进行根据本发明的方法。
图2以示意图示出废气后处理***的催化器布置。在此示出了排气装置 20的废气管道22的子段。该催化器布置包括氮氧化物存储部件28、可电加热催化器形式的电加热设备34，其包括电加热元件36。电加热设备34之后是氧化催化器38。氮氧化物存储部件28优选形成为被动NOx吸附器32，但也可以替代地形成为NOx存储催化器30。
在氮氧化物存储部件28的上游，在废气管道22中布置第一NOx传感器54。在氮氧化物存储部件28的下游布置第二NOx传感器56，从而可以通过在NOx传感器54、56之间测量的差值来确定氮氧化物存储部件28的负载或氮氧化物的释放。第一温度传感器50布置在氮氧化物存储部件28处，用该第一温度传感器50可以测量氮氧化物存储部件28的温度TNS。第二温度传感器52布置在氧化催化器38处，用第二温度传感器52可以测量氧化催化器38的温度TOX。
图3中示出了在燃烧发动机10冷启动时氧化催化器38的温度曲线TOX的图表。在此，将温度 TOX 从由笑气形成的角度来看非临界的冷的第一温度区 I 升高，进入到非临界的热的第三温度区 III，其中通过电加热设备 34 的激活A尽可能快地穿过临界温度区 II并在所有氮氧化物都可以存储在氮氧化物存储装置 28 中和/或废气流中没有未燃烧的烃时穿过临界温度区 II，以使笑气形成最小化。在燃烧发动机10中，笑气主要不是通过燃烧室12中的发动机燃烧初级产生，而是主要在废气后处理时作为二次排放物产生的。只有当形成笑气所需的反应物（氮氧化物和未燃烧的烃）存在并且在催化器30、38处约200℃ 至250℃的笑气形成临界温度范围占优势时才在氧化催化器38或NOx储存催化器30的氧化级上形成笑气。
只要氮氧化物存储部件28吸附氮氧化物，在氧化催化器38上就缺乏对于笑气形成而言重要的反应参与物。借助于控制仪器60中的计算模型或通过在氮氧化物存储部件28上游和下游的各一个NOx传感器54、56处测量废气管道22中的氮氧化物浓度或通过这两种方法的组合来确定氮氧化物存储部件28的当前存储负载。将氮氧化物存储部件的最大存储容量应用保存在控制仪器60中。氧化催化器38的温度TOX和氮氧化物存储部件28的温度TNS通过计算模型、温度传感器50、52或两种方法的组合来确定。
存在燃烧发动机 10 的三种运行情况，其中氮氧化物可能出现在氮氧化物存储部件 28的下游。
1.)氮氧化物存储部件28，尤其是被动NOx吸附器32，通过发动机废气被加热直至到解吸温度范围，并且存储的氮氧化物通过热解吸被释放。这既可以在燃烧发动机10的正常运行中被动地进行，也可以通过有针对性的发动机内部的加热措施，例如用于再生颗粒过滤器的加热措施进行。
2.)氮氧化物存储部件28的氮氧化物负载的阈值被超过，使得进入的氮氧化物不再能够完全存储在氮氧化物存储部件28中并且氮氧化物在氮氧化物存储部件 28的下游到达到排气装置 20中。
3.)氮氧化物存储部件28的废气温度TEG或温度TNS如此之高以至于进入的氮氧化物没有存储在氮氧化物存储部件28中并且流过氮氧化物存储部件28。
当通过三种机制中的一种或这些机制中的几种的组合在氮氧化物存储部件28的下游检测到氮氧化物并且同时氧化催化器38的温度TOX处于笑气形成的临界范围内时，电加热设备34的电加热元件36被激活，以便将氧化催化器38加热到笑气形成非临界的温度区III中。
图4示出了用于进行根据本发明的用于减少笑气排放的方法的流程图。在方法步骤<100>中，确定氮氧化物存储部件28的温度TNS。这可以通过温度传感器50或通过储存在控制仪器60中的计算模型来进行。在方法步骤<110>中，确定氧化催化器38的温度TOX。这可以通过温度传感器52或通过储存在控制仪器60中的计算模型来进行。在方法步骤<120>中，确定燃烧发动机10的当前运行状况。在方法步骤<130>中，确定氮氧化物存储部件28上游的排气装置 20中的氮氧化物浓度。这可以通过氮氧化物传感器54或通过储存在燃烧发动机10的控制仪器60中的计算模型来进行。此外，在方法步骤<140>中确定氮氧化物存储部件28下游的氮氧化物浓度。在方法步骤<150>中，计算是否满足在氧化催化器38处形成笑气作为二次排放物的先决条件。如果是这种情况，则在方法步骤<160>中借助于电加热设备34将氧化催化器38加热到高于临界温度区II的温度，以使笑气形成最小化。
附图标记列表
10 燃烧发动机
12 燃烧室
14 活塞
16 燃料喷射器
18 出口
20 排气装置
22 废气管道
24 废气涡轮增压器
26 涡轮机
28 氮氧化物存储部件
30 NOx储存催化器
32 被动NOx吸附器
34 电加热设备
36 电加热元件
38 氧化催化器
40 用于选择性催化还原的废气后处理部件
42 SCR催化器
44 颗粒过滤器
46 SCR涂层
48 废气传感器
50 第一温度传感器
52 第二温度传感器
54 第一NOx传感器
56 第二NOx传感器
60 控制仪器
62 计算单元
64 存储单元
66 程序代码

Claims (10)

1.用于减少燃烧发动机(10)的排气装置(20)中的笑气排放的方法，其出口(18)与排气装置(20)连接，其中在排气装置 (20)中，在燃烧发动机(10)的废气流的流动方向上布置氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)，在氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的下游布置电加热设备 (34)，并且在电加热设备 (34)的下游布置氧化催化器(38)，所述方法包括以下步骤：
• 确定氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的温度(TNS)
• 确定氧化催化器(38)的温度 (TOX)
• 确定燃烧发动机(10)的运行状态
• 在温度(TNS, TOX)和确定的燃烧发动机(10)的运行状态可以预期在废气后处理部件(28, 30, 32, 38)中的至少一个处形成笑气时，激活电加热设备 (34)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的负载状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的上游测量第一氮氧化物浓度(KNOX1)并且在氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的下游测量第二氮氧化物浓度(KNOx2)，其中由测量的氮氧化物浓度(KNOX1,KNOx2)确定氮氧化物存储部件(28, 30, 32)的负载状态或来自氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的氮氧化物排出。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，借助于加载模型计算氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的负载状态或来自氮氧化物存储部件(28, 30, 32)的氮氧化物排出。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在排气装置(20)中在所述氧化催化器(38)的上游确定未燃烧的烃的浓度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在氮氧化物存储部件 (28,30, 32)的氮氧化物负载的阈值(TBNOX)被超过时，激活电加热设备 (34)。
7.用于燃烧发动机(10)的废气后处理***，所述燃烧发动机(10)以其出口(18)与排气装置(20)连接，其中在排气装置(20)中在燃烧发动机(10)的废气流的流动方向上布置氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)，在氮氧化物存储部件 (28, 30, 32)的下游布置电加热设备(34)和在电加热设备 (34)的下游布置氧化催化器(38)，以及与控制仪器(60)连接，该控制仪器(60)被设置用于，在由控制仪器(60)实施机器可读的程序代码时，进行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的废气后处理***，其特征在于，所述氮氧化物存储部件(28)是NOx储存催化器 (30)或包括NOx储存催化器 (30)。
9. 根据权利要求8所述的废气后处理***，其特征在于，所述NOx储存催化器 (30)是低温NOx存储催化器。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的废气后处理***，其特征在于，所述氮氧化物存储部件 (28)是被动NOx吸附器 (32)或包括被动NOx吸附器 (32)。
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