[发明专利]废气后处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及废气后处理系统，其包括颗粒催化剂材料的集合，以促进将来自发动机的废气流中的氮氧化物（NO_x）还原为氮气（N₂）和水，其中该发动机通过燃烧空气与燃料的贫混合物和富混合物循环操作。该NO_x还原催化剂材料容纳在至少一个流通式催化反应器中以利于NO_x还原催化剂颗粒与来自所述发动机的废气流之间的密切接触。

背景技术

为了改善燃料的经济性，柴油发动机、一些以汽油为燃料的发动机和很多以烃为燃料的发电厂都是以高于化学计量的空气/燃料质量比操作的。这种贫燃发动机产生的热废气通常包含较高浓度的氧气（约1-10体积%）和水，以及不希望的在排放到大气中之前可能需要转化为更无害的物质的气态排放物。主要需要除去的气态排放物包括一氧化碳（CO）、未燃烧和部分燃烧的烃（HC）和氮氧化物（NO_x）。贫燃发动机产生的废气中NO_x组分主要包括NO（大于90摩尔%）以及一些NO₂（小于10摩尔%）和极少量的N₂O。在烃燃料包含硫的情况下，所述废气可能还包含二氧化硫（SO₂）。

通常使用包括专门催化的流通式反应器的废气处理系统来有效处理废气流。通常，这些处理系统以及其中的催化剂材料设计为促进（1）CO氧化为CO₂；（2）HC氧化为CO₂和水；和（3）NO_x还原为N₂和水。

通常，来自内燃机的废气流中的HC、CO、NO_x和氧气（O₂）的含量是不稳定的，而是随着供给内燃机的可燃混合物中的空气/燃料质量比（AFR）变化而变化。空气与燃料的可燃混合物的化学计量AFR是指在供给的空气中存在的氧气刚好足够使所有燃料完全燃烧。对于标准汽油燃料，化学计量AFR为14.7:1。化学计量的可燃混合物和包含过量燃料的混合物（即AFR≤14.7）称作“富（混合物）”。通过燃烧空气与燃料的富混合物操作的发动机产生具有较高量的未燃烧或部分燃烧的燃料（例如CO和HC）和少量O₂的废气流。另一方面，包含过量空气的可燃混合物（即AFR>14.7:1）称作“贫（混合物）”。通过燃烧贫可燃混合物操作的发动机产生的废气流包含较高量的O₂和NO_x（约90摩尔% NO，少于10摩尔% NO₂和极少量N₂O）和较低量的CO和HC。

可以有意改变可燃混合物的AFR以，例如，优化发动机的燃料效率。可供选择地，由于车辆频繁的加速和减速，可燃混合物的AFR可能在预设目标值上下振荡。在任一种情形中，用于机动车的有效废气后处理系统必须容许这种变化的废气流条件使得能够连续处理废气流中的变化量的HC、CO和NO_x。

已经为车辆应用开发了几种处理系统。一种常规方法是使用选择性催化还原（SCR）系统来促进高氧含量废气流中NO_x的还原。SCR是通过将还原性物质如氨气（NH₃）或烃（HC）注入废气流中然后使其在与NO_x还原催化剂接触下流通来操作的。该还原性物质在O₂存在下在NO_x还原催化剂上与NO_x反应形成N₂。然而，大多数SCR系统需要还原剂储存装置和计量添加装置以将受控量的还原剂注入到废气流中。此外，必须将还原剂注入还原催化剂材料上游足够远的地方以确保在废气中均匀混合。