專利名稱：：廢氣凈化設備的制作方法
技術領域：
：本發明涉及用于凈化車輛廢氣的設備。更具體而言，本發明涉及一種用于凈化廢氣的設備，以降低在廢氣中所含的烴(HC)、一氧化碳(CO)、微粒材料(PM)和氮氧化物(NOx)。
背景技術：
：一般說來，通過發動機的排氣歧管排出的廢氣被送至安裝在排氣管上的催化轉化器中，并在那里得以凈化。其后，當廢氣經過消音器時，其噪音得以降低，接著廢氣通過尾管排放到空氣中。催化轉化器是一種柴油機微粒過濾器(DPF)，并凈化廢氣中所含的污染物。用于捕獲在廢氣中所含微粒材料(PM)的催化載體置于催化轉化器中，由發動機排出的廢氣在那里通過化學反應得以凈化。一種類型的催化轉化器是選擇性催化還原(SCR)設備。在這種選擇性催化還原(SCR)設備中，諸如一氧化碳和總烴(THC)的還原劑與氮氧化物的反應比與氧的反應更好。因此，這樣的催化轉化器被稱為選擇性催化還原設備。按照用于還原廢氣中所含氮氧化物的常規設備，柴油機氧化催化劑(DOC)裝置氧化總烴(THC)和一氧化碳(CO)，并將一氧化氮(NO)氧化為二氧化氮(N02)。隨后，通過使用在DOC裝置中產生的N02和還原劑，SCR裝置將氮氧化物(NOx)還原為氮氣(N2)。然而，由于廢氣再生(EGR)技術和后注入技術被進一步應用于車輛，使得廢氣中所含的THC和CO增加。此外，在冷卻開始的過程中，當氧化THC和CO時，在DOC裝置中使用通過氧化NO而產生的N02。這就是說，當在低溫下氧化THC和CO時，使用N02。另外，如果在DOC裝置中產生N02，就用N02來再生位于DOC裝置后面的催化微粒過濾器(CPF)裝置中的煙灰。下面的方程1表示在CPF裝置中進行的煙灰再生反應。方薦7C+M)2—CO/C6^+M)因此，采用常規的用于凈化廢氣的設備很難還原廢氣中的NOx，因為在DOC裝置中產生的N02首先被用在CPF裝置中，然后剩下的一部分N02被供給SCR裝置。另外，由于對車輛應用了EGR技術和后注入技術，增加的THC和CO只在DOC裝置中被氧化，而且THC和CO不能被充分氧化。在本發明的
背景技術：
部分公開的信息只是用來加強對本發明一般背景的理解，并不應該被看作是承認或任何形式的暗示該信息形成了本領域技術人員已經公知的現有技術。
發明內容本發明的多個方面涉及提供一種廢氣凈化設備，該設備的優點在于，充分氧化廢氣中所含的HC和CO，以及由于將DOC裝置布置在CPF裝置和SCR裝置之間，使得在氧化HC和CO時產生的N02足夠供給SCR裝置從而充分還原NOx。本發明的一個方面涉及廢氣凈化設備，該設備包括安裝在發動機下游的催化微粒過濾器(CPF)裝置，該催化微粒過濾器(CPF)裝置通過使用第一柴油機氧化催化劑(DOC)—次氧化廢氣中的烴(HC)和一氧化碳(CO),并捕獲和再生微粒材料(PM);安裝在CPF裝置下游的柴油機氧化催化劑(DOC)裝置，該裝置通過使用第二DOC將經過一次氧化的廢氣中的HC和CO進行二次氧化，并且通過使用第二DOC將一氧化氮(NO)氧化為二氧化氮(N02);安裝在DOC裝置下游并為經過DOC裝置二次氧化的廢氣定量供給還原劑的噴嘴；和/或安裝在噴嘴下游并通過使用在DOC裝置中產生的N02和還原劑將廢氣中的氮氧化物(NOx)還原為氮氣(N2)的選擇性催化還原(SCR)裝置。當CPF裝置的入口和出口之間的壓差大于或等于預定壓力時，就可以開始微粒材料(PM)的再生。該預定壓力可在大約20千帕至大約30千帕之間。第一DOC可以包括貴金屬。該貴金屬可以包括鉑(Pt)和鈀(Pd)。鉑與鈀之比可以為大約2:1至大約12:1。在第一DOC中貴金屬的負載量可以大于或者等于35克/立方英尺。第二DOC可以包括貴金屬。該貴金屬可以包括鉑和鈀。鉑與鈀之比可以為大約1:0至大約2:1。在第二DOC中貴金屬的負載量可以為大約10克/立方英尺至大約100克/立方英尺。第一DOC可將一氧化氮(NO)氧化為二氧化氮(N02)，并且該被氧化的二氧化氮可用于再生微粒材料(PM)。SCR裝置可以包括進行了過渡元素離子交換的沸石催化劑。過渡元素與沸石的重量比可以為大約1:4。該過渡元素可以是銅或鐵。CPF裝置可以包括第一涂布區段和/或第二涂布區段，其中在第一涂布區段中涂布50至95重量％的第一DOC，在第二涂布區段中涂布5至50重量％的第一DOC。第一涂布區段與第二涂布區段的長度比可以為大約2:8至大約7:3。還原劑可以為氨。本發明的方法和設備還具有其它特征和優點，這將從在此引入的附圖和下面的本發明具體實施方式中清晰可見或者更詳細地加以闡述，它們一起用來解釋本發明的某些原理。圖1是根據本發明用于凈化廢氣的示例性設備的框圖。圖2是顯示根據本發明用于凈化廢氣的示例性設備實施方法的流程圖。圖3是顯示在根據本發明用于凈化廢氣的示例性設備中涂布區第一柴油機氧化催化劑的例子的示意圖。圖4是顯示根據本發明用于凈化廢氣的示例性設備在開始操作之后隨著時間的推移，在選擇性催化還原裝置中溫度的圖。圖5是顯示根據本發明在情況1中示例性氮氧化物凈化效率的圖。圖6是顯示根據本發明在情況2中示例性氮氧化物凈化效率的圖。6圖7是顯示根據本發明在情況3中示例性氮氧化物凈化效率的圖。具體實施例方式現在將對本發明的各個具體實施方案進行詳細的說明，在附圖和以下描述中舉例說明其實施例。盡管將結合示例性具體實施方案來描述本發明，但應該理解的是該描述并不意在將本發明限制在那些示例性具體實施方案中。相反地，本發明不僅意在覆蓋示例性的具體實施方案，還意在覆蓋各種可選方案、改進方案、等同方案及其它具體實施方案，它們都可以被包括在由所附權利要求所定義的本發明的精神和范圍內。圖1是根據本發明的多個具體實施方案用于凈化廢氣的設備的框圖。如圖1所示，在發動機10中產生的廢氣相繼流過渦輪增壓器20、CPF裝置30和DOC裝置40，通過噴嘴50再經過SCR裝置60，在廢氣中所含的有毒物質被除去。渦輪增壓器20、CPF裝置30、DOC裝置40、噴嘴50和SCR裝置60都安裝在排氣管70中。發動機10包括多個用于燃燒空氣-燃料混合物的氣缸。每個氣缸與進氣歧管相連以接收空氣-燃料混合物，并且進氣歧管與進氣管相連以接收新鮮空氣。另外，每個氣缸連接著排氣歧管，在燃燒過程中產生的廢氣被收集在排氣歧管中。排氣歧管連接著排氣管70。通過使用廢氣的能量，渦輪增壓器20使得渦輪機旋轉，并增大了空氣的通氣量。CPF裝置30安裝在渦輪增壓器20的下游，其包括第一DOC和催化劑過濾器(CPF)。第一DOC首先氧化廢氣中的HC和CO，并將NO氧化為N02。包括鉑(Pt)和鈀(Pd)的貴金屬被用于第一DOC。為了有效地進行一次氧化，鉑與鈀之比可以為2:1至12:1，在第一DOC中貴金屬的負載量可以大于或等于35克/立方英尺。第一DOC首先從廢氣中除去HC和CO，并將在其中產生的N02傳送到CPF中。將在第一DOC中進行的一次氧化描述在如下的方程2中。方薦2很C+302—2C6>2+觀O+(92—2馬第一DOC主要從廢氣中除去HC和CO，并產生N02至只是用于再生CPF中煙灰所需的程度，因此根據本發明的多個具體實施方案，在第一DOC中的鉑與鈀之比被控制在2:1至12:1，在第一DOC中貴金屬的負載量被控制在大于或等于35克/立方英尺。CPF捕獲廢氣中的微粒材料("PM")，并使被捕獲的PM(即煙灰)再生。當CPF裝置的入口與出口之間的壓差大于或等于預定壓力(大約20至30千帕)時，開始煙灰再生。在此情況下，進行方程l的煙灰再生。由于在根據本發明的多個具體實施方案的廢氣凈化設備中，CPF裝置30的位置靠近發動機10，所以很容易將廢氣的溫度升高至高于或等于預定的再生煙灰所需的溫度，即30(TC。另外，在第一DOC中產生的N02被用來再生煙灰。由于煙灰被積聚在CPF裝置30的后部，因此在CPF裝置30的后部很難發生一次氧化。所以，如圖3所示，可以將第一DOC區域涂布在CPF裝置30中從而提高一次氧化的效率。這就是說，CPF裝置30包括第一涂布區段31和第二涂布區段32，其中在第一涂布區段中涂布50至95重量％的第一DOC，在第二涂布區段中涂布5至50重量％的第一DOC。如圖3所示，第一涂布區段31與第二涂布區段32的長度比可按照人們需要的CPF裝置30的性能設置成任何任意值，其可以為2:8至7:3。DOC裝置40安裝在CPF裝置30的下游，用來接收經過CPF裝置30其中的HC和CO受到一次氧化且PM得以去除的廢氣。第二DOC被涂布在DOC裝置40中，用于二次氧化HC和CO，并將NO氧化為N02。為了有效地產生N02，包括鉑和鈀的貴金屬被用于第二DOC。鉑與鈀之比可以是1:0至2:1，且在第二DOC中貴金屬的負載量可以為10至100克/立方英尺。為了使得在DOC裝置40中產生的N02被充分轉移至SCR裝置60中，將DOC裝置40直接連接至SCR裝置60。在第二DOC中進行的二次氧化與在方程2中的相同。由于在第二DOC中的鉑與鈀之比與8在第一DOC中的鉑與鈀之比不同，因此在第一和第二DOC中產生的氧化物的含量也彼此不同。這就是說，第一DOC被設計用來產生再生煙灰所需的N02，而第二DOC被設計用來產生能被充分供給SCR裝置60的N02。噴嘴50被安裝在DOC裝置40和SCR裝置60之間，用來向在DOC裝置40中被二次氧化的廢氣定量供給還原劑。此還原劑可以是氨。通常地，通過噴嘴50向廢氣中定量供給尿素，而尿素被分解為氨。這就是說，尿素按照方程3被分解為氨(NH3)。方薦3,2」2CO—服j+柳co冊CO+//2(9—,+092與還原劑以及在DOC裝置40中產生的N02混合的廢氣被傳送至SCR裝置60中。SCR裝置60被安裝在噴嘴50的下游，并包括其中過渡元素被離子交換的沸石催化劑。為了有效地還原NOx，此過渡元素可以是銅或鐵，且過渡元素與沸石的重量比可以為l至4。SCR裝置60通過使用在DOC裝置40中產生的N02和還原劑將在廢氣中所含的NOx還原為氮氣N2從而降低廢氣中NOx的量。在SCR裝置60中進行的反應如以下方程4所述。方薦^4,+wo+。2~>W2+媽O2,+M)+7V(92—瑪+艱(9+d/V。—77V2+"砂在下文中將詳細描述根據本發明的多個具體實施方案的廢氣凈化設備的操作。圖2是顯示根據本發明的多個具體實施方案的廢氣凈化設備實施方法的流程圖。如圖2所示，在發動機10中燃燒并通過渦輪增壓器20的廢氣流入CPF裝置30，在步驟S110中CPF裝置30—次氧化廢氣中的HC、CO禾口NO。此外，在步驟S120中，CPF裝置30通過使用在經一次氧化的廢氣中所含的N02對煙灰進行再生。在CPF裝置30中經過一次氧化的廢氣通過排氣管70被傳送到DOC裝置40中，在步驟S130中，DOC裝置40對廢氣中所含的HC、CO和NO進行二次氧化。設定在DOC裝置40中貴金屬的負載量以及鉑與鈀之比從而向SCR裝置60充分供給N02。此后，在步驟S140中，噴嘴50向經過二次氧化的廢氣定量供給還原劑，該廢氣被傳送至SCR裝置60中。在步驟S150中，SCR裝置60通過使用在DOC裝置40中產生的N02和由噴嘴50定量供給的還原劑，將N(X還原為N2。對于在第一DOC和第二DOC中具有不同貴金屬負載量以及鉑與鈀之比的三種情況進行了實驗，在下表1中描述了每種情況中第一DOC和第二DOC中的貴金屬負載量以及鉑與鈀之比。在此，對于3升的發動機來說，CPF裝置30、DOC裝置40和SCR裝置60的體積分別為3.5升、1.3升和5升。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>一般說來，通過在高于或等于156。C的溫度下加熱能夠使尿素分解，并且當SCR裝置60前部的溫度高于或等于20(TC時，能夠使NOx穩定地被還原。如圖4所示，在情況1中，還原NOx所需保持200°C的時間最長，而在情況3中最短。在表2中描述了該時間。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>此外，在表3中描述了CO、HC和NOx的凈化效率。3明細情況1情況2情況3CPF裝置NCVNOx之發動機的下游32%32%32%+DOC裝比CPF裝置的下12%16%19%置、、l游DOC裝置的下26%47%35%游HC的降低量6.3克4.8克2.5克SCR裝置在SCR裝置前部達到20(TC所需的時間(秒)285363296保持200。C的時間(秒)1371923348HC的吸收量4.4克4.0克1.3克CO/HC的凈化效率(％)75/8575/8783/89NOx的凈化效率(％)264454如表3所示，在情況2中SCR裝置中的溫度條件以及N02/NOx之比優于在情況3中的。然而，在情況2中，CPF裝置30和DOC裝置40中HC的降低量較大，因此SCR裝置60的性能受到抑制。所以，在情況3中CO/HC的凈化效率以及NOx的凈化效率最佳。此外，由于在情況3中貴金屬的負載量最小，所以在情況3中凈化廢氣設備的制造成本也最低。圖5至圖7是顯示在根據本發明的多種具體實施方案的每種情況中NOx凈化效率的圖。如圖5所示，在情況1中NOx的凈化效率比常規的廢氣凈化設備稍有改善。如圖6和圖7所示，與常規的廢氣凈化設備相比，在情況2和情況3中NOx的凈化效率有很大改善。此外，在情況3中NOx的凈化效率比情況2中的有進一步的改善。如下表4中所示，在CPF裝置中不存在煙灰的情況下，N02/NOx之比是適當的，且SCR裝置的性能得到保障，但是在按照常規技術的CPF裝置中存在煙灰的情況下，盡管排氣溫度上升(升高5°C)，N02/NOx之比還是從34.4%降低至13.9%，因此SCR裝置的性能從70%降低至59.8%。如下表5中所示，根據本發明的多個具體實施方案，在DOC裝置ii的出口處由于氧化性能而使排氣溫度升高l(TC，且N02/N0x之比從34.8%升高到37.2%。因此，NCVNOx之比可得以穩定保持或者增大，由此SCR裝置的性能從63.5%增加至69.7%。表4和表5是基于相同的催化劑成本進行比較。表4常規技術DOC裝置(110克/立方英尺，Pt/Pd=2/1)+CPF裝置(35克/立方英尺，Pt/Pd=6/1)+DM(噴嘴)+801裝置<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表5本發明的示例性實施例CPF裝置(55克/立方英尺，Pt/Pd=2/1)十DOC裝置(60克/立方英尺，Pt/Pd=l/0)+DM(噴嘴)+SCR裝置<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>根據本發明，在DOC裝置中產生的N02足以供給SCR裝置，因為DOC裝置直接與SCR裝置相連，因此廢氣中的氮氧化物可被充分還原。由于HC和CO在CPF裝置中受到一次氧化，在DOC裝置中受到二次氧化，所以在廢氣中所含的HC和CO得以充分去除。此外，由于CPF裝置的位置靠近發動機，所以可以容易地將CPF裝置的溫度升高至再生煙灰所需的溫度(高于30(TC)。為了便于解釋和精確限定所附權利要求，使用術語"前"或"后"等來描述示例性具體實施方案的特征，并參照圖中所示的這些特征的位置。以上對于本發明特定的示例性具體實施方案的描述，其目的是用于說明和描述。它們并非意在窮舉或者將本發明限制在所公開的精確形式，并且很明顯地，根據上述教導可進行很多變化和修改。選擇并描述示例性的具體實施方案是為了解釋本發明的某些原理及其實際應用，并因此使本領域其它技術人員能夠實施和利用本發明的各種示例性具體實施方案及其各種可選方案和變更方案。本發明的范圍意在由其所附的權利要求及其等同方案加以確定。權利要求1、一種廢氣凈化設備，該設備包括安裝在發動機下游的催化微粒過濾器裝置，該催化微粒過濾器裝置通過使用第一柴油機氧化催化劑一次氧化廢氣中的烴和一氧化碳，并捕獲和再生微粒材料；安裝在催化微粒過濾器裝置下游，通過使用第二柴油機氧化催化劑二次氧化經過一次氧化的廢氣中的HC和CO，并且通過使用第二柴油機氧化催化劑將一氧化氮氧化為二氧化氮的柴油機氧化催化劑裝置；安裝在柴油機氧化催化劑裝置的下游并為經過柴油機氧化催化劑裝置二次氧化的廢氣定量供給還原劑的噴嘴；以及安裝在噴嘴的下游，通過使用在柴油機氧化催化劑裝置中產生的NO2和還原劑將廢氣中的氮氧化物還原為氮氣的選擇性催化還原裝置。2、根據權利要求1所述的設備，其中當催化微粒過濾器裝置的入口和出口之間的壓差大于或等于預定壓力時，開始微粒材料的再生。3、根據權利要求2所述的設備，其中所述預定壓力為大約20千帕至大約30千帕。4、根據權利要求1所述的設備，其中第一柴油機氧化催化劑包括貴金屬。5、根據權利要求4所述的設備，其中所述貴金屬包括鉑與鈀。6、根據權利要求5所述的設備，其中鉑與鈀之比為大約2:1至大約12:1。7、根據權利要求5所述的設備，其中在第一柴油機氧化催化劑中貴金屬的負載量大于或等于35克/立方英尺。8、根據權利要求1所述的設備，其中第二柴油機氧化催化劑包括貴金屬。9、根據權利要求8所述的設備，其中所述貴金屬包括鉑與鈀。10、根據權利要求8所述的設備，其中鉑與鈀之比為大約1:0至大約2:1。11、根據權利要求8所述的設備，其中在第二柴油機氧化催化劑中貴金屬的負載量為大約10克/立方英尺至大約100克/立方英尺。12、根據權利要求1所述的設備，其中第一柴油機氧化催化劑將一氧化氮氧化為二氧化氮，并且所述被氧化的二氧化氮用于再生微粒材料。13、根據權利要求1所述的設備，其中選擇性催化還原裝置包括進行了過渡元素離子交換的沸石催化劑。14、根據權利要求13所述的設備，其中過渡元素與沸石的重量比為大約1:4。15、根據權利要求13所述的設備，其中所述過渡元素為銅或鐵。16、根據權利要求1所述的設備，其中催化微粒過濾器裝置包括:第一涂布區段，其中涂布50至95重量％的第一柴油機氧化催化劑;以及第二涂布區段，其中涂布5至50重量％的第一柴油機氧化催化劑。17、根據權利要求16所述的設備，其中第一涂布區段與第二涂布區段的長度比為大約2:8至大約7:3。18、根據權利要求1所述的設備，其中所述還原劑為氨。19、一種包括如權利要求1所述的廢氣凈化設備的發動機。全文摘要一種廢氣凈化設備，其可以包括通過使用第一DOC一次氧化廢氣中的烴和一氧化碳并捕獲和再生微粒材料(PM)的CPF裝置；安裝在CPF裝置的下游，通過使用第二DOC二次氧化經過一次氧化的廢氣中的HC和CO，并且通過使用第二DOC將一氧化氮氧化為二氧化氮的DOC裝置；安裝在DOC裝置的下游并為經過DOC裝置二次氧化的廢氣定量供給還原劑的噴嘴；以及安裝在噴嘴的下游，通過使用在DOC裝置中產生的NO<sub>2</sub>和還原劑將廢氣中的氮氧化物還原為氮氣的選擇性催化還原裝置。文檔編號F01N3/28GK101550859SQ20081017907公開日2009年10月7日申請日期2008年11月27日優先權日2008年3月31日發明者朱基亨,李津夏,趙志晧,鄭鎮宇,金昌大申請人:現代自動車株式會社