用于净化柴油发动机废气的方法
【专利说明】用于净化柴油发动机废气的方法
[0001] 本发明涉及用于净化柴油发动机废气的方法。
[0002] 新一代发动机显示出每单位排量越来越大的功率输出。这意味着特别在应用更小 的功率级时始终出现更冷的废气温度，在所述更冷的废气温度下不再能够保证具有远离发 动机设置的SCR催化器的"传统"废气后处理系统的安全运行。
[0003] 特别在低负载范围中，在将未调温的尿素水溶液（HWL)计量添加至废气中时，几 乎不能避免来自尿素和尿素副产物的结晶的沉积物。当在低的部分负载范围中持续运行 时，所产生的沉积物可能造成废气设备的堵塞并且因此造成机器停止运转。当废气中的HWL 由于缺乏足够的废气温度而不能完全转化成实际的还原剂氨时，在低负载范围中也不再能 够保证SCR系统的足够的脱氮性能。
[0004] 这使得在根据现有技术的目前的EAT系统（例如根据EP-B-1054722的系统）中 必须加大SCR催化器体积从而实现足够的脱氮速率。然而这与可用结构空间通常不相符。
[0005] 此外，新结构类型的发动机适用颗粒数目极限值。在不引入封闭壁流式过滤器的 情况下，不再满足所述极限值。
[0006] DE 103 48 800公开了用于控制具有至少一个加热元件的还原剂供应系统的方 法。所述供应系统上游与SCR催化器连接。在以空气辅助形式将还原剂注入供应系统中时， 通过经加热的元件形成空气和还原剂的经蒸发混合物，所述经蒸发混合物被导入进入SCR 催化器的废气混合物中。使用尿素水溶液作为还原剂。包括用于HWL和空气的混合单元和 加热元件/蒸发单元的整个供应系统在SCR催化器流出侧整合于发动机出口流出侧的引导 废气的管中。借助于12-V-蓄电池电流以电的形式产生用于蒸发HWL-空气-混合物所需 的热量。
[0007] DE 10 2007 029 674公开了用于减少含氧气流中的氮氧化物的组件，特别是内 燃机的废气设备的组件，其具有设置在引导氮氧化物和氧气的气体管线中的SCR催化器， 将包含氨前体的溶液转化成氨溶液的转化反应器，和在转化反应器下游作为单独构件形成 的蒸发单元，在所述蒸发单元中氨溶液在被引入SCR催化器上游的气体管线之前蒸发。根 据所述发明通过使用微波将包含氨前体的溶液（优选尿素水溶液）转化成氨溶液。在作为 单独的构件实施的用于氨溶液的蒸发单元之前可以在上游设置换热器用于加热氨溶液，从 而通过例如利用废气回流管线的热量减少用于蒸发所需的能量。蒸发器本身为电运作的加 热元件。
[0008] DE 10 2007 042 836公开了通过释放氨的液体（例如尿素水溶液）进行机动车的 废气后处理的装置，所述装置包括储存容器用于储存液体，其中提供调温装置用于对液体 进行调温。所述调温装置归入机动车的冷却回路用于冷却液体。所述冷却回路在此可以为 内燃机的冷却回路或空调回路。调温装置作为单独构件实施。通过调温装置可以使液体升 温并且避免其冻结或者将液体升温至有利的温度水平，在所述温度水平产生特别好的废气 净化。
[0009] DE 10 2009 009 538公开了对用于内燃机的废气系统的流体添加剂（有利地为 尿素水溶液）进行调温的系统，所述系统的特征在于用于在添加剂和冷却剂设备（特别是 空调）的冷却剂回路之间进行换热的手段。
[0010] DE 10 2007 011 184中描述的开发所基于的目的在于，进一步降低内燃机（特别 是柴油发动机）的排放含量并且使用于处理废气所需的结构空间最小化。为了实现所述目 的，公开了用于冷却机动车的内燃机的废气的换热器从而使废气回流至内燃机。所述换热 器具有至少一个第一流体通道和至少一个第二流体通道以及壳体，所述第一流体通道用于 流过至少一种用于冷却的第一流体，所述第二流体通道用于流过第二待冷却流体，所述壳 体用于容纳至少一个第一流体通道和至少一个第二流体通道。所述壳体具有至少一个流入 区段和至少一个流出区段，所述流入区段用于使第二流体流入换热器，所述流出区段用于 使第二流体从换热器中流出。所述换热器的特征在于至少一个用于将液体尿素溶液转化成 至少氨气的装置。
[0011] WO 2012/022687公开了用于操作废气后处理装置的方法，所述废气后处理装置具 有至少一个用于还原剂的储存器和至少一个用于还原剂的供应装置，其中所述方法至少包 括如下步骤：a)检查至少一个储存器的液面高度；b)检查当前的废气质量流；c)当所述至 少一个储存器的液面高度低于液面高度最小值并且废气质量流在低负载范围中时，供应还 原剂。在一个特别的实施方案中，在步骤c)中进行至少一个如下行动：加热至少废气质量 流或还原剂并且供应还原剂。在此可以通过外部电加热器保证或改进对还原剂的供热。
[0012] DE 10 2009 025 135公开了用于蒸发尿素水溶液的装置，所述装置具有用于尿 素水溶液的输送通道，所述输送通道延伸通过用于引入热能的至少一个第一区域和第二区 域，其中所述两个区域可以彼此分开地加热，并且第二区域中的输送通道首先在第二入口 区域中具有弯曲的轮廓然后具有直线的轮廓。在第一区域中将尿素水溶液预热至100°c至 180°C范围内的温度，在第二区域中将尿素水溶液在420°C至490°C的温度下蒸发。
[0013] DE 10 2008 012 087公开了用于由尿素水溶液产生含氨气流的蒸发单元，所述蒸 发单元同样作为单独的构件实施。
[0014] 根据现有技术的工业发动机典型地采用根据上述EP-B-1054722的具有催化作用 的废气后处理（ANB)系统（或者被称为"SCRT?-系统"，由DOCV(c)DPF+SCR/ASC和SCR/ ASC催化器之前的尿素水溶液（HWL)计量添加装置组成）进行操作，从而遵守生效的排放法 规（欧洲Tier4第四阶段最终标准（Tier4final/EU Stufe IV)和后续标准）。
[0015] 为了使ANB系统可以以所要求的净化效率工作，需要230°C和更高的最低废气温 度和催化器运行温度。
[0016] 在低负载运行状态下，可以仅通过发动机热措施（例如发动机的节流）提 供所要求的最低废气温度。用于提供所需废气温度而引入废气中的能量由于传动系 (Antriebsstrang)而损失。结果是发动机降低的传动效率和升高的燃料消耗以及因此同 样升高的CO 2排放。
[0017] 封闭柴油颗粒过滤器的再生对燃料消耗产生特别大的负面影响。为了使过滤器中 储存的炭黑受控地燃烧，需要约600°c的废气温度。为了实现所述目的，除了被动再生之外 通常还需要主动措施，例如额外的燃料后注入和所得未燃烧的烃在DOC上的放热转化，或 主动再生措施，例如根据EP-A-2 177 728、EP-A-2 192 279或WO 2010/139429的通过燃料 运行的燃烧器。
[0018] 为了运行SCR系统，典型地使用包含32. 5%的尿素的尿素水溶液作为还原剂。
[0019] 为了从其中释放氨，必须首先蒸发67. 5%的水并且使尿素水解分解成氨和C02。
[0020] 在目前的SCR系统中，将用于产生还原剂氨所需的尿素水溶液（尿素水溶液HWL， 商标名Ad Blue? )以液体未调温状态在SCR催化器的流入侧注入废气中。必须完全通过 热的废气提供使HWL完全转化成气相同时（定量）释放氨（=尿素转化）所需的热量。
[0021] 然而特别在低负载运行点下废气中存在的热量通常不足以对注入的用于完全还 原同样在废气中存在的氮氧化物所需的尿素水溶液（HWL)进行完全转化。结果是尿素和尿 素副产物（例如异氰酸、氰尿酸和三聚氰胺）在废气装置中沉积（结晶），这可能造成废气 设备的任选完全阻塞，以及由于不完全提供氮氧化物还原所需的化学计量量的氨而导致的 SCR反应中的转化损失。
[0022] 本发明的目的是提供用于净化柴油发动机废气的方法，所述方法不具有目前方 法、特别是内燃机在低负载范围中运行时的上述缺点，并且由于改进的能量效率同时具有 整个系统的尽可能高的成本效率。
[0023] 通过用于净化柴油发动机废气的方法实现所述目的，所述方法具有如下方法步 骤：
[0024] 引导待净化的废气通过柴油氧化催化器（DOC)从而将气态残余烃（HC)和一氧化 碳（CO)氧化成二氧化碳（CO 2)并且至少按比例地将废气中包含的一氧化氮（NO)氧化成二 氧化氮（NO2);
[0025] 将在发动机中预调节的，即升温至80_90°C的尿素水溶液（HWL)添加至由步骤a.) 获得的废气中并且通过热分解和水解由所添加的尿素释放氨；
[0026] 引导由步骤b.)获得的废气通过SCR催化活性颗粒过滤器（SDPF)从而减少废气 中包含的颗粒和废气中包含的氮氧化物；