涡轮增压器上游具有稀薄NOx捕集器的排气后处理设备
技术领域
本发明涉及排气后处理设备、用于操作排气后处理设备的方法、内燃发动机装置以及机动车辆。
背景技术
对于由内燃发动机驱动的机动车辆，排气后处理至关重要。尤其是不断提高的排放标准要求不断提高排气后处理的质量。特别地，对冷启动阶段期间的排气后处理构成挑战，因为在冷启动时，通常许多催化剂尚未达到催化剂的起燃温度或工作温度。这尤其适用于通常使用的柴油氧化催化剂(DOC，diesel oxidation catalysts)和选择性催化还原催化剂(SCR催化剂，selective catalytic reduction catalysts)。
此外，通常的做法是排气再循环，例如作为高压排气再循环或低压排气再循环。在这种情况下，也必须保证相应的排气后处理。为此，专利文献US 9,957,866 B2公开了一种排气后处理系统，其中柴油氧化催化剂布置在涡轮增压器的上游。SCR催化剂和柴油微粒过滤器(DPF，diesel particulate filter)布置在涡轮增压器的下游。
发明内容
在这种情况下，本发明的目的是提供一种进一步改进的排气后处理设备，该设备尤其允许在冷启动条件下进行改进的排气后处理。另一个目的是提出一种用于操作排气后处理设备的有利方法、一种有利的内燃发动机装置以及一种机动车辆。
这些目的通过根据权利要求1的用于内燃发动机的排气后处理设备、根据权利要求6的用于操作排气后处理设备的方法、根据权利要求10的内燃发动机装置以及根据权利要求12的机动车辆来实现的。从属权利要求包含本发明的其他有利实施例。
根据本发明的排气后处理设备被设计用于内燃发动机并且包括入口。稀薄NOx捕集器设置在入口的下游。涡轮增压器设置在稀薄NOx捕集器的下游，以及SCR催化剂和尿素注入设备设置在涡轮增压器的下游，其中尿素注入设备有利地设置在SCR催化剂的上游。优选地，入口被设计成流体地连接至内燃发动机的排气歧管。涡轮增压器的上游设置的稀薄NOx捕集器可以改善从排气中整体清除有害健康和环境的排放物，且特别是在冷启动条件下。而且，涡轮增压器上游的排气的高温和高压增加了存储在催化剂中的氮氧化物的量。
在一种有利的改进方案中，排气后处理设备配置成使得入口包含排气歧管，并且稀薄NOx捕集器集成在排气歧管中。这首先相对于安装空间是有利的，且其次较高的排气温度和较高的排气压力可以增加NOx的存储量。
在另一变型中，柴油氧化催化剂和/或具有SCR涂层的柴油微粒过滤器设置在涡轮增压器的下游和SCR催化剂的上游。这些成分有助于最佳的排气后处理。特别地，将柴油氧化催化剂直接设置在涡轮增压器的下游或涡轮增压器的出口具有如下优点：由于在该位置处较高的排气温度，因此迅速达到了柴油氧化催化剂的工作温度且因此增加了NO2/NOx比。柴油微粒过滤器可以例如被配置为具有SCR涂层的激活柴油微粒过滤器。
柴油微粒过滤器(例如具有SCR涂层的柴油微粒过滤器)和SCR催化剂可以设置成物理上进一步从涡轮增压器中移除，特别是在地板下区域中，即例如在涡轮增压器和稀薄NOx捕集器下方以及或者在连接到排气后处理设备的内燃发动机的下方。此外，将柴油微粒过滤器和SCR催化剂设置在涡轮增压器以及柴油氧化催化剂的下游还具有以下优点：柴油氧化催化剂可以在较低的工作温度下在高负荷下作用，以及因此具有改善的氮氧化物转化率。此外，在本发明的上下文中描述的布置减少了一氧化碳的排放和未燃烧的碳氢化合物的排放。由于可以更快地达到一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)转化的起燃温度和工作温度，因此改善了SCR催化剂和设置在下游的具有SCR涂层的柴油微粒过滤器的性能。这是因为较高的NO2产生量，这对于快速的选择性催化还原是有利的，并且减少了SCR催化剂受到碳氢化合物的污染。
燃料汽化器可以设置在涡轮增压器的下游和柴油氧化催化剂的上游。这允许燃料在柴油氧化催化剂上游的后喷射，并因此产生热量以加热排气后处理部件，例如用于柴油微粒过滤器的再生。
例如，特别是热元件的温度传感器和/或氧传感器(lambda sensor)可以设置在稀薄NOx捕集器的上游。此外，例如热元件的温度传感器和/或氧传感器可以设置在涡轮增压器的下游和SCR催化剂的上游。上述传感器优选地连接至例如电子控制单元(ECU，electronic control unit)的控制设备，并且允许根据排气的温度和成分来控制排气后处理设备或各个排气后处理部件。
所描述的排气后处理设备的另一优点在于可以实现稀薄NOx捕集器的有效但短暂的吹扫长度，并且可以在较低的温度下进行脱硫。
如上所述的根据本发明的用于操作排气后处理设备的方法包含以下步骤。在稀薄NOx捕集器的上游(例如在稀薄NOx捕集器的入口处)确定排气的第一温度。在涡轮增压器的下游确定排气的第二温度。如果第二温度高于第二温度阈值，则在SCR催化剂的上游注入尿素。如果第一温度高于第一温度阈值，则吹扫稀薄NOx捕集器。可以以任何顺序或同时确定第一温度和第二温度。取决于各自的温度，也可以以任何顺序或同时进行尿素的注入和稀薄的NOx捕集器的吹扫。
第一温度阈值可以是至少200℃。第二温度阈值可以是至少180℃。
在优选的变型中，在SCR催化剂和/或具有SCR涂层的柴油微粒过滤器的上游确定涡轮增压器下游的排气的第二温度。确定在该位置处的温度或在具有SCR涂层和/或SCR催化剂的柴油微粒过滤器的上游直接布置相应的温度传感器具有以下优点：在物理上紧邻与尿素注入有关的排气后处理设备的部件的位置处确定该温度。因此，优选地排气的第二温度在柴油氧化催化剂的下游确定。因此，在排气流入柴油微粒过滤器或SCR催化剂中时，排气实际上具有喷射尿素所需的温度。
根据本发明的内燃发动机装置包括优选地具有排气歧管的内燃发动机，以及如上所述的设置在内燃发动机下游(特别是在排气歧管的下游)的排气后处理设备。优选地，根据本发明的内燃发动机装置构造成执行如上所述的根据本发明的方法。
根据本发明的机动车辆包含如上所述的内燃发动机装置。根据本发明的内燃发动机装置和根据本发明的机动车辆具有结合根据本发明的排气后处理设备和根据本发明的方法已经描述的优点。根据本发明的机动车辆可以是轿车、卡车、摩托车、轻便摩托车、公共汽车或小巴。
附图说明
附图示出了：
图1示意性地示出了具有根据本发明的排气后处理设备的内燃发动机。
图2示意性地以流程图的形式示出了根据本发明的方法。
图3示意性地示出了根据本发明的机动车辆。
具体实施方式
图1示出了内燃发动机1，该内燃发动机1流体地连接到根据本发明的排气后处理设备2。根据本发明的排气后处理设备2包含涡轮增压器3。稀薄NOx捕集器4设置在涡轮增压器3的上游。柴油氧化催化剂5设置在涡轮增压器3的下游。特别是具有SCR涂层的柴油微粒过滤器的微粒过滤器6设置在柴油氧化催化剂5的下游。例如至少一种SCR催化剂的另外的排气后处理设备7设置在微粒过滤器6的下游。
在柴油氧化催化剂5的上游且在涡轮增压器3的下游设置有用于喷射燃料的燃料汽化器8。此外，在稀薄NOx捕集器4的上游设置有第一温度传感器9和第一氧传感器10。在柴油氧化催化剂5的下游以及微粒过滤器6和SCR催化剂7的上游设置有第二温度传感器11和第二氧传感器12。温度传感器9和温度传感器11以及氧传感器10和氧传感器12分别与控制设备13连接。内燃发动机1也连接到控制设备13。这在图1中由虚线表示。可以根据排气的温度和排气的成分以及根据内燃发动机1的工作状态，借助于控制设备13来分别控制排气后处理设备。内燃发动机1可以例如是柴油发动机。
特别地，对上述排气后处理设备的控制可以包含吹扫稀薄NOx捕集器4和对稀薄NOx捕集器4进行脱硫，和/或在柴油氧化催化剂5上游喷射燃料，和/或在SCR催化剂6、7的上游喷射尿素。尿素注入设备14设置在SCR催化剂6、7的上游。
在图2所示的方法的背景下，在第一步骤15中，在稀薄NOx捕集器4的上游确定排气的第一温度。这可以例如使用第一温度传感器9来确定。此外，在步骤15中，在涡轮增压器3的下游确定排气的第二温度。这例如可以借助于第二温度传感器11来确定，即例如在柴油氧化催化剂5的下游和微粒过滤器6和SCR催化剂7的上游的第二温度传感器11来确定。
在步骤16中检查第二温度是否高于第二温度阈值。如果是这样，则在步骤17中，将尿素注入第一SCR催化剂的上游(例如具有SCR涂层的柴油颗粒过滤器6)。第二温度阈值优选为至少180℃。如果第二温度不高于第二温度阈值，则在步骤18中检查第一温度是否高于第一温度阈值。如果是这样，则在步骤19中吹扫稀薄NOx捕集器。第一温度阈值优选为至少200℃。如果第一温度不高于第一温度阈值，则该方法返回到步骤15。步骤16和18也可以同时执行或以相反的顺序执行。在步骤17和19之后，该方法还返回到步骤15。
图3所示的机动车辆20包含例如柴油发动机的内燃发动机1以及根据本发明的排气后处理设备2。
附图标记列表
1 内燃发动机
2 排气后处理设备
3 涡轮增压器
4 稀薄NOx捕集器
5 柴油氧化催化剂
6 颗粒过滤器
7 另外的排气后处理设备
8 燃料汽化器
9 第一温度传感器
10 第一氧传感器
11 第二温度传感器
12 第二氧传感器
13 控制设备
14 尿素注入设备
15 确定稀薄NOx捕集器上游的第一排气温度和涡轮增压器下游的第二排气温度
16 第二温度是否高于第二温度阈值？
17 在SCR催化剂上游注入尿素
18 第一温度是否高于第一温度阈值？
19 稀薄NOx捕集器的吹扫
20 机动车辆
J 是
N 否
