[发明专利]用于减少柴油机排放的方法和设备

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求2006年5月31日提交的美国临时申请60/809,918的优先权。 

技术领域

本发明总体上涉及减少由稀薄燃烧发动机所产生的排放。具体而言，本发明提供将尿素水溶液之类的试剂喷射到排气流中，以减少来自柴油机排气的氮氧化物(NOx)排放的方法和设备。更具体地说，本发明提供用于柴油机排放控制的低流速喷射器，并提供以低流速喷射试剂的方法。 

背景技术

稀薄燃烧发动机通过超过燃料完全燃烧所需量的过量氧进行操作提供改进的燃料效率。这样的发动机被称为以“稀薄”态运行或以“稀薄混合物”运行。不过，这种燃料经济性的提高被不希望出现的污染排放、特别是以氮氧化物(NOx)形式的污染排放所抵消。 

用于减少稀薄燃烧内燃机的NOx排放的一种方法已知为选择性催化还原(SCR)。SCR在例如用于减少柴油机NOx排放时，包括将雾化试剂喷射到与一个或多个所选发动机操作参数相关的发动机排气流中，所述发动机操作参数例如为：排气温度、通过发动机燃料流测得的发动机rpm或发动机负载、涡轮增压或排气NOx质量流量。试剂/排气混合物通过包含催化剂的反应器，催化剂例如为：活性碳或诸如铂、钒或钨之类的金属，其能够在存在试剂时减少NOx浓度。这种类型的SCR系统在美国专利5,976,475中公开。 

尿素水溶液已知为柴油机SCR系统中的有效试剂。不过，使用这样的尿素水溶液具有许多缺点。尿素具有高腐蚀性并侵蚀SCR系统的机械部件，例如用于将尿素混合物喷射到排气流中的喷射器。尿素还易于在长时间暴露于高温下 时(例如在柴油机排气系统中所经受的那样)固化，固化的尿素将积聚在通常设置在喷射器中的窄通路和排出口开口中。固化的尿素可污染喷射器的移动部件并阻塞任何开口，使得喷射器不能使用。 

此外，如果尿素混合物未精细雾化，则尿素沉积物将形成在催化反应器中，阻碍催化剂作用并由此降低SCR系统的效率。高喷射压力是使尿素混合物雾化不足问题最小化的一种方法。不过，高喷射压力经常导致喷射器喷雾缕流过度渗透到排气流中，从而使缕流撞击在与喷射器相对的排气管内表面上。过度渗透导致尿素混合物的无效使用，并且减小车辆以减少的NOx排放所能操作的范围。仅有限量的尿素水溶液可携带在车辆上，而且所携带的尿素水溶液应被有效地用于使车辆路程最大化，并减少频繁装填试剂的需要。 

现有技术已经证实，可使用脉宽调制的螺线管致动喷射器将尿素或烃试剂的精细喷雾喷射到柴油机的排气中，以在适合的催化剂上进行NOx还原，或升高排气中的温度以重构颗粒物捕集器。例如参见美国专利5,605,042、5,976,475和6,279,603,以及共有的共同未决美国专利申请2005/0235632 A1。通常，这些喷射器已经应用于在发电站中使用的大型固定柴油机中减少NOx，或者用于道路或非道路重载汽车柴油机，例如用于建筑设备或垃圾拖车中的柴油机，其中，由于排放大量NOx而需要大量试剂。通常，对于32.5％的尿素溶液，具有0.012英寸的喷口的喷射器的喷射速率为36.1-103.5克/分钟(“gr/min”)。较小发动机，例如用于客车或轻载卡车中的发动机，由于其较低水平的NOx排放量而需要较小量的试剂。例如，对于使用尿素基于选择性催化还原对NOx控制的轻载应用而言，通常将采用0.5-5.0克/分钟的喷射速率。 

减小喷射器的喷口尺寸可提供一定程度的流速降低，对于具有0.006英寸排出口的喷射器如表1(在下文中)中所示。不过，即使这些3.3-25.5克/分钟的速率也大于许多轻载柴油机所要求的速率。虽然可进一步减小喷口尺寸，但由于当排出口直径变得小于0.006英寸时所述口的耐久性和机加工性受限而可能从生产角度而言变得不实际。从现场应用角度而言，小于0.006英寸的喷口、特别是小于0.004英寸的喷口，需要对试剂过滤的特殊规定，以防止精细喷口 被存在于商业试剂中的污染物所阻塞。 

发明内容

因此，本发明的目的在于提供减少柴油机排放的方法和设备，所述柴油机特别地为小型柴油机，例如用于客车、轻载卡车和非道路车辆或设备的这类柴油机。 

本发明的进一步的目的在于提供一种使用试剂喷射器减少柴油机排放的方法，所述试剂喷射器具有低流速和高调节比(即最大喷射速率与最小喷射速率之间的比率)。 

本发明的进一步的目的在于提供一种使用试剂喷射器减少柴油机排放的方法，所述试剂喷射器的流速可通过电动修改频率和/或百分比开启时间(脉宽)以实现试剂的低流速，特别是在0.5克/分钟至5克/分钟的范围内。