[发明专利]用于提高SCR催化器效率的系统

说明书

技术领域

本发明一般地涉及NOx排放物的催化还原，更具体地涉及在进气口喷射乙醇以提高选择性催化还原系统催化器的效率。

背景技术

关于燃烧发动机排放物的政府标准已加重了制造商减少由其研发的发动机排出的氮氧化物(NOx)和颗粒的数量的责任。伴随着这种责任，制造商致力于为其用户制造燃料效率高的发动机。然而，有时燃料经济性与减少排放物之间相反的关系使得减少NOx同时满足用户需要的任务难以实现。

NOx排放水平可能受到发动机燃烧温度以及空气与燃料蒸气的比例等的影响。当燃烧室内的温度超过1300℃时，氮可与氧结合以形成氮的氧化物或NOx。因为动力源中的稀薄混合物通常导致较高的燃烧温度，所以稀燃发动机可产生比其它浓燃动力源更多的NOx。有些发动机依靠如排气再循环的方法来降低燃烧室温度并减少NOx的形成。这些方法不足以满足由政府机构颁布的限制NOx排放物的标准。

选择性催化还原(SCR)提供了一种从用于机车、工厂、发电厂的以化石燃料来提供动力的系统中去除NOx排放物的方法。在典型的SCR期间，催化器可促进在排气的NOx与还原剂(例如乙醇)之间的反应，以产生氮气和副产品，如水、氮和乙醛，从而从排气中除去NOx。

在SCR系统中使用的还原剂在催化器的上游被预先喷射到排气流中并与排气混合以有助于在具有催化器情况下的反应。还原剂在排气流中的彻底混合可促进还原剂与NOx之间的反应，从而进一步减少NOx排放物并限制高反应性物质向大气中的释放。稀薄NOx催化器的减少NOx的性能可取决于多种其它因素，例如，催化剂配方、催化器大小、排气温度、还原剂化合物、以及还原剂定量供给率。结果是，已在一定程度上减少了向大气排放的NOx，但仍未达到政府要求。

通过在SCR系统催化器上游向排气流中进行喷射，无水燃料级乙醇已在一定程度上被成功用作SCR系统中的还原剂。在这种系统中，排气流中的NOx可与所喷射的乙醇在具有催化器的情况下进行反应，这可导致形成乙醛、氮、水和其它副产品。然而，已知无水燃料级乙醇具有很高的反应性，并难以存储和保持纯态。另外，向排气流中喷射乙醇浪费了原本可从乙醇中得到的能量。

燃料级乙醇还以体积计高达大约15％的量被乳化在柴油燃料中用于燃烧，以作为用于增加可再生型燃料的消耗并减少一些污染物排放的手段。这种乳化是利用专有的乳化剂来保持乳液的一定稳定性并降低反应性实现的。然而，被乳化的乙醇仍然具有高腐蚀性并缺乏石油基燃料的润滑性。这可能导致对设计成用于专门接收石油基燃料的喷射泵和燃料喷射器的长期损坏。另外，乙醇在石油燃料内的以体积计大于15％的乳液会形成不稳定的、易起反应的乳液，因此不适于存储或在发动机内使用。另外，由于无水燃料级乙醇以低浓度被乳化并设计成用于燃烧，所以被乳化乙醇中的大部分在燃烧室中燃烧，使得几乎没有任何剩余的乙醇来用作排气流中的还原剂。

使用燃料级无水乙醇作为稀薄NOx SCR系统的还原剂的一种系统由Kass等人公开于以下文献中：Selective Catalytic Reduction of DieselEngine NOx Emissions Using Ethanol as a Reductant，U.S.Department ofEnergy 9^th Diesel Emissions Reduction Conference(August 24-28，2003)(以下称为“Kass文献”)。Kass文献的系统包括用于将乙醇直接喷射到排气管的弯曲区域以促进乙醇与排气流的混合的喷射器，所述乙醇或者是从柴油醇中提取的，或者以燃料级无水形式单独存储。该系统还包括用于从存储在燃料存储箱内的柴油醇中提取一部分燃料级乙醇的系统。在氧化铝承载的银的稀薄NOx催化器的上游设置有乙醇喷射器，从而当混合物接触稀薄NOx催化器时有助于NOx的转化。

虽然Kass文献的系统可通过引入排气流中的乙醇在某种程度上减少NOx，但柴油醇与燃料级乙醇由于其反应性特征都是较难存储和管理的。结果当使用柴油醇和/或燃料级乙醇作为喷射到排气流中的还原剂时，会导致成本增加。

另外，如Kass文献中所教导的向排气流中喷射乙醇可能不会使乙醇与排气流充分混合，结果导致未反应的燃料级乙醇被排出。另外，向排气流中喷射乙醇可使发动机丧失乙醇所存储的有价值的能量，因此消除了抑制特定的燃料消耗的任何利益。