内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统的制作方法
【专利说明】内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统
[0001]本申请是由排放技术有限公司于2006年7月21日提交的国际申请号为PCT/EP2006/007196的发明名称为“内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统”的国际申请的分案申请。该国际申请PCT/EP2006/007196进入中国国家阶段的日期为2008年I月29日，国家申请号为200680027888.1。
技术领域
[0002]本发明涉及在内燃机废气中、特别是在机动车的排气系统中氮氧化物的选择性催化还原的方法。本发明还涉及相应的排气系统。本发明特别涉及控制向废气中添加还原剂或还原剂前体。
【背景技术】
[0003]世界上的众多国家已经完成法规条例，对内燃机废气中的某些物质设定了水平上限。这些一般是不希望排放至环境中的物质。这些物质之一是氮氧化物(NOx)，其在废气中的水平必须不超过法定排放限度。由于以实现有利的燃料燃烧等为目的的边界条件，例如内燃机的结构，避免发动机内的氮氧化物排放以便降低废气中的氮氧化物的水平只是有限有用，因此要求废气后处理以符合相对低的限度。关于这一点，已经表明氮氧化物的选择性催化还原(SCR)是有利的。该SCR方法需要含氮的还原剂。特别地，已经证实氨(NH3)用作还原剂是一种可能的替换方案。由于化学性质和许多国家中的法规指令，氨并非通常保持在纯氨的形式，因为这特别是在机动车或其它车辆应用方面会带来问题。相反，往往在车辆中储存和携带还原剂前体，而不是储存还原剂本身。还原剂前体应具体地理解为是指分解出还原剂或可以化学转化成还原剂的物质。例如，尿素代表还原剂氨的还原剂前体。作为还原剂的氨的其它可能还原剂前体包括氨基甲酸铵、异氰酸或氰脲酸。
[0004]还原剂前体化学转化成还原剂、还原剂从还原剂前体中分解出以及还原剂前体和/或还原剂的可能状态变化一般基于吸热过程，这要求能量输入。该能量输入一般导致废气和/或排气系统中组分的温度降低。然而，已知化学反应过程中的温度变化也使该反应的反应平衡移动。除了实际期望的反应产物以外，根据当前位置的反应平衡也可能形成不期望的副产物。
[0005]发明简述
[0006]简言之，本发明涉及以下技术方案:
[0007]1.一种用于来自内燃机(2)的废气中的氮氧化物(NOx)的选择性催化还原方法，其中在内燃机(2)的排气系统(I)中于SCR催化转化体(3)上游形成用于添加下列试剂中的至少一种的试剂添加点(5):
[0008]a)还原剂，和
[0009]b)还原剂前体，
[0010]以及正好在试剂添加点(5)的下游形成所述废气可以至少围绕其流动的结构体(4)，所述方法至少包括下列步骤:
[0011]1.1)确定所述废气的氮氧化物含量；
[0012]1.2)确定结构体⑷的温度；
[0013]1.3)确定还原步骤1.1)中所确定含量的氮氧化物所需的试剂量；
[0014]1.4)确定在添加所述量的试剂之后结构体(4)的温度；
[0015]1.5)将结构体(4)的温度与可预先确定的目标温度进行比较；
[0016]1.6)如果所述温度低于所述目标温度，则利用下列措施中的至少一
[0017]种计算结构体⑷的温度；
[0018]1.6a)添加减少量的试剂，和
[0019]1.6b)提高下列温度中的至少之一:
[0020]1.6b.1)结构体(4)的温度，和
[0021]1.6b.2)废气温度;
[0022]直至在添加所述量的试剂之后结构体(4)的温度大于或等于所述目标温度；以及
[0023]1.7)通过所述试剂添加点添加所述量的试剂，并且如果合适如步骤
[0024]1.6b)中所述提高温度。
[0025]2.技术方案I的方法，其中结构体(4)包括蜂窝体。
[0026]3.技术方案I或2的方法，其中结构体(4)包括下列催化转化体中的至少一种:
[0027]3.1)水解催化转化体⑷和
[0028]3.2) SCR 催化转化体(3)。
[0029]4.前述技术方案之一的方法，其中步骤1.1)包括下列措施中的至少一种:
[0030]4.1)测量所述氮氧化物的含量，和
[0031]4.2)由发动机特性数据确定所述氮氧化物的排放量。
[0032]5.前述技术方案之一的方法，其中步骤1.2)包括下列措施中的至少一种:
[0033]5.1)测量结构体(4)的温度，和
[0034]5.2)计算所述温度。
[0035]6.前述技术方案之一的方法，其中所述目标温度是至多180 °C，优选1200C _170°C，特别是大约 1600C ο
[0036]7.前述技术方案之一的方法，其中重复进行步骤1.6)。
[0037]8.技术方案1-6之一的方法，其中连续进行步骤1.6)。
[0038]9.前述技术方案之一的方法，其中执行根据步骤1.6b.1)的温度提高包括电加热结构体⑷。
[0039]10.前述技术方案之一的方法，其中执行根据步骤1.6b.2)的温度提高包括下列措施中的至少一种:
[0040]10.1)改变内燃机⑵的操作点；
[0041]10.2)电加热结构体⑷上游的废气，和
[0042]10.3)将烃注入并且氧化。
[0043]11.前述技术方案之一的方法，其中可以将下列物质中的至少一种作为试剂添加:
[0044]11.1)氨，和
[0045]11.2)尿素。
[0046]12.前述技术方案之一的方法，其中如果在SCR催化转化体(3)下游的废气流中能够检测到还原剂含量，则减少所述还原剂的量。
[0047]13.一种用于内燃机的排气系统(I)，包括SCR催化转化体(3)，用于添加下列试剂中的至少一种的试剂添加点(5):
[0048]a)还原剂和
[0049]b)还原剂前体，
[0050]在试剂添加点(5)下游且所述废气可以至少围绕其流动的结构体(4)，在作为下列变量至少之一的函数控制所加试剂的量时用于添加所述试剂的控制装置(13):
[0051]13.1)所述废气温度；
[0052]13.2)结构体(4)的温度和
[0053]13.3)所述废气的氮氧化物含量，
[0054]并考虑由所述量的试剂的添加造成的所述变量13.1)和13.2)至少之一的变化。
【发明内容】
[0055]因此，本发明的目的是提供内燃机废气中的氮氧化物的选择性催化还原方法以及相应的排气系统，它们克服了迄今已知方法和这种类型设备的前述缺陷，并且其中当提供还原剂时不期望的副产物的形成得到有效避免。
[0056]鉴于前述目的和其它目的，根据本发明提供了一种用于内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原方法。该方法包括提供内燃机废气的排气系统，在排气系统中提供SCR催化转化体，在SCR催化转化体的上游提供排气系统中用于添加还原剂和还原剂前体中至少一种试剂的试剂添加点，以及提供所述废气可以至少围绕其流动的结构体。该结构体正好设置在排气系统中试剂添加点的下游。所述方法包括:
[0057]1.1)确定所述废气的氮氧化物含量；
[0058]1.2)确定所述结构体的温度；
[0059]1.3)确定用于还原步骤1.1)中所确定含量的氮氧化物所需的试剂量；
[0060]1.4)确定添加所述量的试剂以后所述结构体的温度；
[0061]1.5)将所述结构体的温度与预定的目标温度进行比较；
[0062]1.6)如果所述温度低于所述目标温度，利用至少一种下列措施计算所
[0063]述结构体的温度:
[0064]1.6a)添加减少量的试剂，和
[0065]1.6b)提高下列温度中的至少之一:
[0066]1.6b.1)所述结构体的温度和
[0067]1.6b.2)废气温度；
[0068]直至在添加所述量的试剂以后所述结构体的温度大于或等于所述目标温度；以及
[0069]1.7)通过所述试剂添加点添加所述量的试剂，以及如果合适，按步骤1.6b)提高所述温度。
[0070]在本发明的上下文中，“正好在下游”应理解为是指从流动方向上看时，该结构体表示在所述试剂添加点下游作为下一个排气系统部件的结构体。所述SCR催化转化体特别是废气可以通过其流动的结构体，例如具有合适涂层的蜂窝体。这特别可以是二氧化钛(锐钛矿)-负载的钒/钨混合氧化物和/或金属交换的沸石，优选铁沸石，特别是X、Y、ZSM-5和/或ZSM-1l型沸石。所用的蜂窝体特别可以是标准的陶瓷和/或金属蜂窝体，其具有废气至少能够通过其流动的空腔，例如通道。所述蜂窝体优选由至少一个至少部分结构化的金属层形成。在这种情况下，该金属层可以包括片状-金属箔和/或多孔金属层。优选通过卷绕至少一个至少部分结构化的金属层以及如果合适至少一个基本上平滑的金属层，或者通过堆叠至少一个至少部分结构化的层以及如果合适至少一个基本上平滑的层，并且将如此形成的至少一个叠层相互成对，从而制成蜂窝体。
[0071]优选其中所添加的试剂是作为还原剂的氨和/或作为还原剂前体的尿素的方法。关于这一点，优选尿素作为固体和/或以尿素水溶液的形式添加。
[0072]在该情况下，根据所述SCR催化转化体中的温度，发生下列主要反应:
[0073]N0+N02+2NH3— 2N 2+H20
[0074]在这种情况下，一氧化氮(NO)与二氧化氮(NO2)和氨(NH3)反应以形成分子氮(N2)和水