[发明专利]柴油机催化系统

说明书

发明领域

本发明涉及选择性催化还原系统，该系统用于减少压燃式发动机的氮氧化物排放水平，该系统包括位于第一催化器上游的第一还原剂喷射器，该第一催化器包括选择性催化还原涂层。

背景技术

至少从二十世纪七十年代早期起，在内燃机技术中，对排放的关注越来越多。对于SI(火花点燃式)发动机来说，在七十年代中期三元催化剂投放市场后，排放几乎不被认为是个问题。

然而，对于CI(压燃式)发动机，该情况稍加复杂；CI发动机具有氮氧化物(NO_x)和微粒(烟灰)的固有高排放水平。由于在CI发动机里发动机燃烧的本质，即大量的空气被导入汽缸，于是空气被压缩。随后，随发动机负荷的函数变化的一定量燃料被喷入该压缩空气中。喷射燃料将由于空气压缩所引起的高温而自燃。

喷射燃料以扩散模式燃烧，即，燃烧速度或多或少地由喷射燃料和压缩空气之间的混合比率所控制。烟灰将形成在富燃料带并且NO_x将形成在燃烧带中，该燃烧带具有高温并且留有足够的氧以形成NO_x。

关于减少CI发动机排气中的NO_x的排气后处理的一个阻碍是氧的存在；如之前的暗示，大量空气在燃料喷射以前被导入汽缸中。因此，与完全燃烧所有喷射燃料所需的空气量相比，汽缸中总有过剩空气。排气中的剩余空气使得使用标准三元催化剂来减少NO_x排放成为不可能。

烟灰(或微粒)也是CI发动机的主要问题；如上述，烟灰形成于富燃料燃烧带。形成小燃料滴的高燃料喷射压力能显著减少烟灰形成，但是在能接受多高的喷射压力上存在着设计限制。

有一些方法来减少CI发动机中的NO_x形成；最常见的方法是延迟喷射正时。通过延迟喷射正时，能减少最大燃烧温度，这将依次减少NO_x形成。然而，该NO_x的减少伴随着一些代价，即烟灰形成和燃料消耗都随着延迟喷射正时而增加。

一种减少NO_x排放的有效方法是使用SCR(选择性催化还原)排放后处理系统。常见的SCR系统包括涂有如沸石、V氧化物(如V₂O₅)、铜沸石、铁沸石或者适合SCR的其他已知材料的基质。不同于SI发动机的三元催化剂，SCR系统无法在仅由排气组成的环境中工作；一些附加的试剂必须加入排气中，如还原剂。常见的此种试剂是尿素，即(NH₂)₂CO，还有碳氢化合物或氢。

SCR催化剂的效率，与行驶周期(driving cycle)有关，限于大约65—80％，并且其功能由于烟灰的存在而严重削弱。

过滤器被用作烟灰散播的排气后处理；然而此种过滤器随发动机负荷情况变化而需要经常再生。该再生主要指排气温度通过任何方式增加，例如，通过极端延迟的燃料喷射、二次喷射、通过入口空气节流、或通过任何其他适合的方式。该增加的排气温度使过滤器捕集的烟灰微粒“燃尽”，也就是与氧一起在排气中反应以形成二氧化碳和水。然而，每一次再生后果导致了燃料经济性损失。

现在和未来涉及NO_x排放的法规实际上将使联合延迟燃料喷射、SCR系统和烟灰过滤器成为必须。这导致“恶性循环”，最终导致高燃料消耗，这又进一步导致温室效应增加和糟糕的运行经济性。

如果该NO_x排气后处理可以改善，则该恶性循环应该被打破；该燃料喷射正时可以被设置成设定的给定最小燃料经济性，这将跟着减少烟灰形成，进一步又将使NO_x的减少更容易。

所以本发明的目的是提供能够达到高的NO_x转化因数的排气后处理系统。

发明内容

本发明通过位于第一催化器下游的第二还原剂喷射器和置于第二还原剂喷射器下游的第二催化器来解决了以上或其他问题，所述第二催化器包括选择性催化还原涂层。

在本发明的一个实施例中，第一催化器包括过滤器功能元件(filterfunction)以捕集由压燃燃烧形成的微粒。在此实施例中，第一催化器包括多个细长单元，这些单元分别交替地具有封闭和开放的顶端和底端，其中排气气流被促使通过组成该单元的单元壁，并且其中选择性催化还原涂层涂在壁的单侧或双侧。

为了进一步给根据本发明的系统提供氧化能力，氧化催化涂层被涂在单元壁的上游侧。