用于净化来自柴油机的排气的方法和系统.pdf

本发明涉及用于净化来自柴油机的排气的方法和系统。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系统，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。

1.  一种用于净化来自内燃机的排气的系统，其中，所述系统按顺序包括：
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叶片，所述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叶片，所述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所述的系统，其特征在于，所述氧化催化器中的温度通过跨过所述热交换器的第一侧的旁路中的、使来自发动机的气体的至少一部分通过所述热交换器的第一侧的叶片，并且通过跨过所述热交换器的第二侧的旁路中的、使经净化的排气的至少一部分通过所述热交换器的第二侧的叶片来控制。

3.  根据权利要求1所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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所述的系统，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基本上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基本反向流动的气流。

8.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述壳体具有箱体形状。

9.  根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，
各旁路都形成通道；
两条通道形成箱体；
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所述箱体的一侧进入，并且在所述箱体的相对侧离开。

10.  根据权利要求9所述的系统，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.  根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，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。

用于净化来自柴油机的排气的方法和系统
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系统。
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系统中净化。在该系统的上游，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，必须为该系统添加能量。
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。
另一排气过滤器系统在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系统，该方法和系统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系统，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是显示本发明的系统的化学过程的示意图。
图2是显示本发明的系统的示意图。
图3是显示了根据本发明的一个实施例的系统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系统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(NO_X)、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。当将排气和系统加热到高达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。这是通过对净化系统安装供给/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示出了本发明的系统的一部分，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。NO_X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净化系统也是冷的时候，图1所示的系统为约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，系统就不得不通过提高整个排气系统的温度来被迫再生。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NO_X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NO_X。
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，而导致柴油机净化系统的低稳定压降，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NO_X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。