CN1568218A - 小体积氮氧化物吸附器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有用来吸附在内燃机(4)的至少一个燃烧室(3)中产生的废气中的氮氧化物的吸附材料(2)的基体(1)，以及带有具有这种基体(1)排气装置(20)的内燃机(4)的运行方式。内燃机(4)的所有燃烧室(3)共同具有一总的燃烧室体积(5)，基体(1)具有一吸附器体积(6)，其中吸附器体积(6)做得小于燃烧室体积的75％，特别是小于45％，最好甚至少于5％，这种基体(1)一方面保证排气装置(20)良好的冷起动性能，另一方面避免排出氮氧化物，特别是在使用本发明推荐的排气装置(20)的运行方式时。

Description

小体积氮氧化物吸附器
技术领域
本发明涉及一种带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料的基体，废气在内燃烧机的至少一个燃烧室中产生。这种类型的基体优先用在机动车辆的排气装置中，此外本发明还涉及一种具有这种基体的排气装置以及这种排气装置的工作方式。
背景技术
在仅仅由碳和氢组成的燃料完全燃烧时只产生无害物质二氧化碳(CO2)和水(H2O)，但内燃机废气包含由不完全的氧化造成的附加产物，例如氢(H2)和一氧化碳(CO)或部分燃烧或未燃烧的碳氢化合物(HmCn)。此外废气还包含氮气的氧化产物NO和NO2。因为非常少量(ppb-范围)的氮氧化物便会加剧例如地面附近的臭氧的形成，所以必须避免氮氧化物排放。
除了借助于适当的发动机管理降低氮氧化物浓度的预防措施以外还知道，对产生的废气进行净化处理，为此例如要用三元催化器，它氧化去除三种最主要的有害物质(一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物)。其中一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物残留物通过氮氧化物和氧气氧化成二氧化碳和水。这时氮氧化物还原成氮气。虽然这种类型的催化器可以加速这种反应的进程，但是不提供完全的转化，其中的原因在于，在内燃机一定的运行状态期间废气在催化器内的停留时间是如此之短，以致不能进行完上述反应。氮氧化物有效的还原只有在废气中存在一定量的氢气或一氧化碳时才有可能，而不允许有相当的氧气浓度。这意味着，内燃机最好必须在富油区域内(λ＜1)运行，但是鉴于燃料消耗这特别是不希望的。
由专利资料US5,795,553已知一种带有涂层的基质，它可以在富含氧气的环境下吸附氮氧化物。当废气中存在足够数量的一氧化碳和碳氢化合物时，这种基质释放储存的氮氧化物。此外涂层具有碱金属和铜的化学化合物以及水合锆氧化物(Hydrozirkonoxid)。作为碱金属最好使用钠或钾。这种基质允许在氧气过量时储存氮氧化物，并保证，当可以通过一个催化器进行催化反应时，释放氮氧化物。
其次由DE19636041A1已知一种具有吸附层用来储存包含在废气中的氮氧化物的蜂窝状基质。这种带有吸附层的基质在排气装置中存在一定的运行条件，例如净氧化条件(λ＜1和T＞150℃)时储存氮氧化物，其中这些氮氧化物在运行条件变化时，特别是在变化化学计量学的空气燃料比和提高温度时，重新释放出来。为了转化暂时储存的氮氧化物，建议在后面连接一个催化转化器，它在温度超过230℃时至少将包含在废气中的一氧化氮的50％转化成二氧化氮。
在设计这种基质的储存容量时附加地与连接在后面的催化器的起动特性相匹配。应用较大体积/容量的氮氧化物存储器会造成，在内燃机冷起动阶段从废气内抽去大量的热能。这导致催化器加热迟缓，催化器只有在约250℃起才开始废气内的有害物质的催化反应。如果氮氧化物存储器的存储容量太小，则可能导致氮氧化物排放，因此造成环境污染。
发明内容
由此出发本发明的目的是，提供一种带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料的基体，其存储容量设计成这样，使得不显著损害排气装置的冷起动特性。因此此外，应该给予相应的排气装置以及排气装置合适的运行方法，明显降低向环境的氮氧化物排放，其中特别是应该确保，保证吸附材料及时的再生，从而始终提供吸附氮氧化物的存储容量。
这些目的通过按利要求1特征的基体，具有权利要求8特征的排气装置以及具有权利要求10特征的运行方法来实现。优良的改进结构和特别优先的结构方案在各从属利要求中说明，其中权利要求的各个特征也可以相互组合。
按本发明的带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料的基体具有一吸附器体积。这里吸附器体积也包括基体可能存在的空腔或通道。废气在内燃机的至少一个燃烧室中产生。在燃烧室内燃料空气混合物燃烧并产生废气。已知的内燃机尤其是具有4、6或8个这样的燃烧室。所有的燃烧室总共具有一个特定的燃烧室体积。对于普通的小轿车燃烧室体积例如在1.2至4.2升之间。摩托车中燃烧室体积约为0.25至1.5升。这里所推荐的基体的特征为，吸附器体积做成小于75％、特别是小于45％，甚至最好小于5％的燃烧室体积。如果基体应该安装在发动机附近，那么吸附器体积还可以做得小于1％或者甚至小于0.5％的燃烧室体积。
其中试验令人惊讶地表明，可以设计具有这么小体积的氮氧化物吸附器。这与普遍的看法相反，即由于内燃机主要用贫油/稀燃(富氧)运行方法估计氮氧化物排放量会有明显提高。这种小体积的吸附器具有较小的热质量，因此在内燃机的冷起动阶段从废气中抽走非常少的热量，这允许例如接在后面的催化器非常迅速地加热，由此在很短的时间后便已经达到使到达的氮氧化物还原的起动温度。这又使得，由于较短的加热时间带有吸附材料的基体只需吸附较少的氮氧化物，因此按本发明的基体保证在内燃机(特别是稀燃发动机，柴油机)废气内氮氧化物有效的还原，其中避免了在ppb(十亿分之几)范围内的本身最少排放量。
按照一种实施形式基体具有大量分布横截面上的废气可流通的通道，其中横截面上的平均通道密度为400至1200cpsi(每平方英寸单元数)之间。在设计通道密度时当然也考虑到当时所选择的吸附器体积和吸附器离内燃机的距离。在非常小的吸附器体积(特别是小于燃烧室体积的20％)和/或安装位置接近发动机时(例如距离小于30cm)可要用多至600cpsi的通道密度，其中在某些情况下还必须进一步减小(尤其是在200至400cpsi的范围内)。这种较小通道密度的结构一方面使得避免在吸附器上废气流的压降过大，另一方面例如也保证，不发生过高的热负荷。在较大的吸附器体积和/或离内燃机的距离较大时优先要用具有高通道密度的吸附器。它例如具有这样的通道密度，它至少为700cpsi，尤其是大于1000cpsi，特别是大于1600cpsi。这么大数量的通道提供大的带有吸附材料的表面积。这保证废气与吸附材料密切的接触，并改善基体的体积比存储容量。
按照另一种实现形式基体具有至少局部形成这样的表面(波纹)构造的板层，使这些板层形成废气可流通的通道。带有板层的基体有这样的优点，即在相同的体积时它具有例如比由陶瓷制成的基体大的表面积和小的压力损失。这里板层最好用厚度为0.012至0.08mm，特别是小于0.03mm的板制成。这产生小的表面积比热容量，由此进一步降低从废气中吸取的热能。
按照另一种结构方案吸附材料具有一沸石结构和/或氧化钾成分。沸石结构的几何特性保证非常大的存储容量。碱金属的氧化物，特别是氧化钾，特别有效地支持氮氧化物的吸附。其中试验表明，特别是氧化钾成分和金属基体的组合保证持久和有效地吸附氮氧化物。
按照另一种结构方案建议，基体具有催化活性的使氮氧化物还原的涂层。用这种方法保证在相应的运行条件下使释放的或刚到达的氮氧化物立即还原。这里特别有利的是，吸附材料设置在一第一区内，基体在沿废气流动方向接着具有一带催化活性涂层的第二区。这种类型的将基体轴向分为用来吸附的第一区和一用来使氮氧化物还原的第二区的特点是结构非常简单，并防止例如一方面由于吸附过程，另一方面由于催化反应引起反方向的化学反应。这里始终保证，释放的氮氧化物随后与催化活性的涂层相接触。
按照本发明的另一个方面推荐一种内燃机的排气装置，它包括至少一条排气管，此排气管使内燃机的至少一个燃烧室与外界相连，并在其内设置有用来转化包含在内燃机的废气内的有害物质的部件。这里按本发明的基体沿废气流动方向看直接连接在内燃机后面。正是在这种结构的基体时吸附器体积可以大大减小。这里吸附器体积可以做得小于燃烧室体积的1％，甚至小于0.5％。这特别是和那里存在的高温相关，这种高温有利于吸附材料的再生。
这里基体设置在离至少一个燃烧室小于80cm，特别是小于30cm或者甚至5cm的距离内，则特别有利。为此建议例如将其设置在一排气弯管内部或最好是一涡轮增压器前。在基体设置在一排气弯管内部的结构时自然在通向各个燃烧室的每个弯管内分别有一个这种基体。在相应地设计吸附器时甚至可以将其直接安装在内燃机燃烧室的排出通道内。这样吸附器体积最好涉及多个基体总的吸附器体积。设置在涡轮增压器之前防止，在废气到达在基体上之前已经从废气中吸去很多热能，这时确保吸附材料迅速和有效地再生。
其次推荐排气装置的一种运行方法，其中在小于5秒，特别是小于1秒的时间间隔内进行具有用来吸附氮氧化物的吸附材料的基体间歇地再生。这样短的时间间隔或者说这样的动态再生还允许使对于氮氧化物的储存所必需的吸附器体积进一步减小。这种时间间隔还可以有利地缩短到小于0.5秒或0.1的范围内，这时只需储存非常少量的氮氧化物。然而在这种极端情况下也许需要设置一单独的吸附器，它确保在冷起动后不久仅仅暂时储存氮氧化物，直至达到必要的废气温度。
如果内燃机或排气装置具有一用来调节内燃机的燃烧过程的发动机控制装置，那么推荐一种排气装置的运行方式，其中通过由发动机控制装置改变燃料混合物促使再生过程，其中特别是提高产生的废气中的一氧化碳的含量。这意味着例如，内燃机的运行循环配备有关更高燃料成分的燃料混合物，其中由于“富油”的混合物配制产生提高含量的不饱和碳氢化含物和一氧化碳加上存在的温度促使氮氧化物还原成纯氮，因为不饱和碳氢化合物和一氧化碳的氧气亲合力比较大。
按照运行方式的另一种方案，借助于在单个燃烧室中单独的燃料—混合物—变化促使再生，其中多个燃烧室交替地在废气中产生较高含量的一氧化碳。特别优先的是这交替地在多个燃烧室中的一个燃烧室内进行。这意味着例如，每次只有一个燃烧室供给“富油”燃料—空气混合物，而其它燃烧室在“贫油(稀燃混合物)”区内运行。尽管不断地通过喷入提高的燃料成分而再生，然而只造成很少的内燃机燃料消耗。这特别是与这样一点有关，即在按本发明的非常小的基体之间没有设置用于化学转化的其它部件。通常迄今在吸附器前面连接一体积比较大的氧化催化器。然而这导致必须进行超过一定程度的燃料喷射的增加，使得足以使吸附器再生，因为一部分产生的不饱和碳氢化合物和一氧化碳在连接在前面的氧化催化器中已经转化。按本发明的基体直接设置在发动机附近允许可以非常准确和精密地计算非常少量的燃料的输入，它刚刚够用来再生。
附图的简要说明
下面借助于附图对其它优良的和特别优选的基体结构加以说明。附图表示：
图1示意表示一带有内燃机和排气装置的汽车；
图2示意地用透视图表示按本发明的基体的一种实施形式的结构；
图3按本发明的基体的另一种实施形式的剖视图；
图4示意表示第一个局部细视图；
图5按本发明的基体的第二个局部细视图；
图6示意表示带有安装在发动机附近的基体的排气装置的结构。
本发明具体的实施方式
图1示意表示带一内燃机4的汽车21。内燃机4具有一发动机控制装置25，它控制四个燃烧室3内的燃烧过程。四个燃烧室3具有一燃烧室体积5，它由各个燃烧室3的分体积组成。燃料—空气混合物在燃烧室3内燃烧，接着在这里所产生的废气通过排气装置排出。在此废气被净化，然后再排入大气。连接在内燃机4后面的排气装置20具有一排气管26，在排气管内沿流动方向(未画出)设置一前置催化器24、一按本发明的基体1、一主催化器23和一***22。前置催化器24做成例如可电加热的，由此在内燃机4冷起动以后的很短时间内便已经可以催化转化废气中的有害物质。在其后面(下游)设一带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料2(未画出)的基体1。这里基体1具有占内燃机4燃烧室体积5的0.5％至75％的吸附器体积6(未画出)。在内燃机4或排气装置20一定的运行状态下基体1吸附氮氧化物。在适当的运行条件下氮氧化物从基体1释放出来，并在后续的主催化器23内还原成氮气。由于***式的燃烧形成的废气流的压力波动在***22内减小，由此降低汽车的噪声。
图2以透视图示意表示一具有吸附器体积6的基体1的一种实施形式。基体1具有在轴向27沿流动方向17顺次设置的第一区16和第二区18。第一区16具有用来吸附氮氧化物的吸附材料2(未画出)，而第二区18做得带有用于氮氧化物还原的催化活性涂层15(未画出)。废气通过大量通道8流过基体1，通道基本上平行于轴线27分布，这里基体1做得带一处壳管19，它例如用来将基体固定在排气装置20内。
图3示意表示按本发明的带一外壳管19的基体的另一种实施形式的剖视图，其中基体1具有至少局部形成这样的表面(波纹)构造的板层9，使废气可流过这些板层。为此板层9具有波纹板11和光滑板10，它们围成可由废气流过的通道8，这里基体1横截面7上平均的流道8数量为例如800cpsi(每平方英寸单元数)。
图4以局部视图示意表示用来在第一区16吸附废气内的氮氧化物的吸附材料2。这里基体1用光滑板10和波纹板11构成，它们具有0.012mm至0.08mm的厚度。这样围成的通道8用吸附材料2涂覆，其中吸附材料2具有沸石结构13和氧化钾成分。这保证特别高的氮氧化物存储容量。
图5以局部视图示意表示在第二区16内的基体的通道8，基体1的光滑板10和波纹板11具有还原已往释放的氮氧化物的催化活性涂层15。
图6示意表示内燃机4的排气装置20的结构，这里内燃机特别是做成柴油机。排气装置20包括一排气管26，它使内燃机4的至少一个燃烧室3(未画出)与外界连通，并且在其中安装有用来转化包含在内燃机4的废气中的有害物质的部件1、23、28、32。排气装置20的特征是，沿废气流动方向看排气装置20直接连接在内燃机4后面。这里基体1设置在离至少一个燃烧室小于80cm的距离31处，特别是甚至在一个排气弯管30内部，最好在涡轮增压器28之前。基体1后面可以例如附加地连接一氧化催化器23和过滤器32。
排气装置20的运行方式以具有用来吸附氮氧化物的吸附材料2(未画出)的基体1在小于5秒的时间间隔间歇地再生进行。特别是设有一用来调节内燃机4内的燃烧过程的发动机控制装置29，它促使通过由该发动机控制装置29改变燃料空气混合物进行再生，其中特别是提高所产生的废气内的一氧化碳含量。这里再生最好按单个燃烧室再生的方式进行，其中每个燃烧室交替地供给富油混合物。
因此本发明介绍一种带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料的基体，废气在内燃机的至少一个燃烧室中产生，还介绍了带有具有该基体的排气装置的内燃机的运行方式。内燃机的所有燃烧室共有具有一总的燃烧室体积，基体具有一吸附器体积，其中吸附器体积小于燃烧室体积的75％，特别是小于45％，最好甚至小于5％。这种基体一方面保证排气装置良好的冷起动性能，另一方面避免排出氮氧化物，特别是在使用本发明所推荐的排气装置的运行方式时。
                附图标记表
1     基体          2    吸附材料
3     燃烧室        4    内燃机
5     燃烧室体积    6    吸附器体积
7     横截面        8    通道
9     板层          10   光滑板
11    波纹板        12   厚度
13    沸石结构      14   氧化钾成分
15    催化活性涂层  16   第一区
17    流动方向      18   第二区
19    外壳管        20   排气装置
21    汽车          22   ***
23    主催化器          24    前置催化器
25    发动机控制装置    26    排气管
27    轴线              28    涡轮增压器
29    发动机控制装置    30    排气弯管
31    距离              32    过滤器

Claims (13)

1.带有用来吸附废气中的氮氧化物的吸附材料(2)的基体(1)，废气在内燃机(4)的至少一个燃烧室(3)中产生，其中所有燃烧室(3)具有一总的燃烧室体积(5)，基体(1)具有一吸附器体积(6)，其特征为：吸附器体积(6)小于燃烧室体积(5)的75％，特别是小于45％，最好甚至小于5％。
2.按权利要求1所述的基体，其中基体(1)具有多个分布在横截面(7)上的可由废气流通的通道(8)，其特征为：在横截面上的平均通道密度在400cpsi至1200cpsi之间。
3.按权利要求1或2所述的基体，其特征为：基体(1)具有至少局部形成这样的表面构造的板层(9)，使板层形成可由废气流通的通道(8)。
4.按权利要求3所述的基体，其特征为：板层(9)用具有0.012mm至0.08mm，特别是小于0.03mm厚度的板(10，11)制成。
5.按权利要求1至4之任一项所述的基体，其特征为：吸附材料(2)具有一个沸石结构(13)和/或氧化钾成分(14)。
6.按权利要求1至5之任一项所述的基体，其特征为：基体(1)具有用来使氮氧化物还原的催化活性涂层(15)。
7.按权利要求6所述的基体，其特征为：吸附材料(2)设置在一第一区(16)内，其中基体(1)在废气流动方向(17)随后具有一带催化活性涂层(15)的第二区(18)。
8.内燃机(4)的排气装置(20)，包括一排气管(26)，它使内燃机(4)的至少一个燃烧室(3)与外界连通，并且在排气管内设有用来使包含在内燃机(4)的废气内的有害物质转化的部件(1，22，23，24，28)，其特征为：沿废气流动方向(17)看直接在内燃机(4)后面连接一按上述权利要求之任一项所述的基体(1)
9.按权利要求8所述的排气装置(20)，其中基体(1)设置在离至少一个燃烧室小于80cm的距离(31)处，特别是甚至在排气弯管(30)内部，最好在一涡轮增压器(28)之前。
10.按权利要求8或9的排气装置(20)的运行方式，其中具有用来吸附氮氧化物的吸附材料(2)的基体(1)在一小于5秒，特别是小于1秒的时间间隔内间歇地再生。
11.按权利要求10所述的运行方式，其中设有一个用来调节内燃机(4)燃烧过程的发动机控制装置(29)，在该控制装置中通过由发动机控制装置(29)控制的燃料混合物的改变促使再生，其中特别是提高在产生的废气中的一氧化碳含量。
12.按权利要求11所述的运行方式，其中借助于在单个的燃烧室(3)中单独的燃料混合物改变促进再生，其中各个燃烧室(3)交替地提高在所产生的废气中的一氧化碳含量。
13.按权利要求12所述的运行方式，其中交替地在多个燃烧室(3)中的每一个燃烧室(3)中燃烧这样的燃料混合物，使得产生提高的一氧化碳含量。
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