[发明专利]试剂定剂量系统及试剂定剂量方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于将试剂定剂量到内燃机的排气流中的试剂定剂量 系统(dosing system)以及将试剂定剂量到内燃机的排气流中的方法。

背景技术

公知内燃机的排气流中会产生有害化学物质。因此，期望将这样 的污染物消除或至少减少至不足以对人类健康产生不利影响的水平。 由于在燃烧事件期间达到的高温，由碳氢燃料的氧化作用产生多种化 学物质，包括氮的氧化物(NO和NO₂，统称为NO_x)。由于这些氧化 物对人类健康的影响，全世界的许多国家都立法以求限制汽车和静态 污染源的NO_x排放，并且已开发出多种技术来实现这一目的。这当中， 人们发现催化技术的应用最为有效且经济可行；然而，应当指出，与 化学当量燃烧排气流的情况相比，处理来自所谓的“稀薄”燃烧的富 氧排气流时需要不同方法。稀薄燃烧NO_x源的实施例包括压缩点火发 动机或者说柴油机以及直喷式稀燃火花点火发动机或者说汽油机。

稀燃发动机不能利用同类火花点火发动机所普遍采用的发展良好 且有效的三效催化系统。因此，稀燃发动机的NO_x补救(remediation) 需要连同合适的催化剂一起添加还原剂。NO_x的还原需要近实时的定 剂量控制，因为NO_x的产生紧随发动机负载，但通过已储存在催化剂 上的氨量而慢化。因此，催化剂定剂量方案是一种高动态性活动。

在稳态运转状态下，利用升温的发动机/催化系统，相对容易使催 化剂定剂量速率与发动机的NO_x产生率相匹配，从而获得非常高的转 化率，约98％。然而，在瞬态运转状态下，由于催化剂温度变化及NH₃存储效应，实现该匹配更具挑战性，从而更典型的是获得85～90％的 转化率。因此，定剂量过程中的定量精确性和对负载变化的响应性是 对这种系统的关键要求。

用于补救富氧排气流中的NO_x的一种非常有效的技术是被广泛称 为选择性催化还原(以下称为SCR)的技术。在该方法中，以与排气 流中的瞬时NO_x含量密切相关的速率将含氨试剂(或者说还原剂)喷 射到该排气流中，其中氨(NH₃)连同钒基或类似催化剂与NO_x反应， 使得污染物转化成尾气中的无害氮气(N₂)和水。选择性催化还原及 选择性非催化还原(SNCR)都已广泛应用于工业行业中，并且近来SCR 系统在汽车排放源中已得以发展。

尽管如以上所述，但现有的SCR定剂量系统仍具有多种缺陷。

在现有技术的系统中，加压泵位于箱模块中或位于箱模块附近， 从而以固定的已知压力向SCR催化转化器附近的远程喷射器喷嘴供应 还原剂。该系统根据所谓的压力/时间计量原理操作，从而通过使控制 孔暴露于受控压力持续已知时间而实现试剂计量。为了在这种系统中 实现压力控制的必要稳定性，需要复杂而精密的控制，因此成本高。 而且，计量精确性取决于雾化喷嘴流动面积的稳定性，而雾化喷嘴流 动面积由于位于热排气环境中，因而容易因结晶尿素沉积的积聚而变 化。

许多公知系统利用回流方案，从而仅为了冷却目的而向喷嘴供应 高于并超过SCR定剂量所需的过剩试剂，据此使过剩试剂通过单独的 管道返回到储存箱。此外，这样的系统可能会需要净化特征，其在发 动机关闭时起作用，从而最小化由于盐因从热的排气热回放而沉淀至 喷嘴组件中而阻塞喷嘴的倾向。在这种情况下，需要单独的净化泵， 并且由于在发动机切断之后进行净化，因而净化泵会引起车辆电池的 不期望消耗。

在WO 2006/050547(“Pankl Emission Control Systems”)和WO 2008/006840(“Inergy Automotive Systems Research”)中描述了具有这 些特征的现有定剂量系统的实施例。

现有技术中公知用于试剂定剂量的正排量泵，例如在WO 2005/024232(Hydraulic Ring)、WO 2007/071263(Grundfos)和WO 2008/031421(Thomas-Magnete)中。然而，这种泵被设计用于在不期 望的低压下操作，并且由于泵送柱塞通过柔性隔膜与试剂分开，试剂 体积量计量精确性也大大低于柱塞泵可实现的精度。