用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统和方法

摘要

用于减少稀燃内燃机(10)所产生的废气中的氮氧化物的系统和方法，所述系统包括稀燃NOx催化剂(21)，其被设置成连接至稀燃内燃机(10)的排气管(22)；喷射器(23)，其被设置成喷射在还原过程中稀燃NOx催化剂(21)所要使用的还原剂；以及包含还原剂的燃料箱(14)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分的、用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统，以及还涉及一种根据权利要求12的前述部分的、用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的方法。特别地，本发明涉及一种用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统及方法，其中还原剂被喷射至稀燃NOx催化剂。稀燃NOx催化剂是一种可以在稀燃条件下减少NOx的催化剂。专利文献EP830201、US4946659以及US 2003/0069125中提供了可以与本发明一起使用的稀燃NOx催化剂的几个实例。

背景技术

通常，要求由内燃机驱动的车辆的废气中有害物质排放少。这些物质主要被认为是污染物，并且通常是氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。在城市里，NOx是主要问题，并且在欧洲、北美洲和日本，这方面的考虑已反映于严格的排放法规中。在1997年，超过150个国家的元首签署了京都议定书，其涉及如何减少温室气体的方案，比如二氧化碳(CO2)。车辆CO2的排放涉及燃料消耗，柴油机或稀燃发动机燃料消耗降低，排放的CO2可以减少。通过将重型载货汽车中的作为燃料的柴油换为DME，可以明显地减少重型载货汽车的排放物，如NOx和颗粒。然而，单纯通过改变燃料不可能满足未来欧美的排放标准，需要提出更强有力的创新方法。传统的三元催化剂不能有效减少稀燃发动机排出的NOx，几年来，已经研究出了各种型式的除NOx催化剂，如稀燃NOx催化剂(HC-SCR)。通过利用碳氢化合物作为还原剂，如柴油燃料，公知的稀燃NOx催化剂系统不断减少废气中的NOx。

排气管内的催化反应器通常设置成基质(matrix)材料几个单体中的一个，其提供多个流道，其中废气被暴露给携带有催化材料的较大表面区域。为了使催化剂适当操作废气流动通过这些单体，所述单体应具有这样的流动剖面，即，在单体的整个横截面内，其最大程度地保持一致。在上下文中，流动剖面表示在单体的横截面内每单位面积上的质量流量的分布。

在稀燃NOx催化剂中，为了通过催化剂减少NOx，喷射还原剂。由于还原剂的数量与减少的NOx数量成正比，因此优选地，还原剂流应当具有与废气的质量流量一样的流动剖面。

在公知的系统中，将燃料以在单体的横截面上获得充分均匀分布的质量喷射是一个技术问题。所以，现有的系统提出，使用位于催化剂本体前方的混合器，其位于喷射器和催化剂本体之间，以便在催化剂本体的横截面上更均匀地分布还原剂。然而，混合器的引入增加了催化装置上的压降，由此降低发动机的效率，增加燃料消耗。此外，已经显示出，即使在安装混合器后，控制还原剂的分配仍是一个问题，而且现在使用的公知系统表明，会产生还原剂局部浓度增加的区域。

已有的进一步尝试是减少还原剂浓度的局部变化。通过增加喷射压力，可以在流动通道的横截面上更均匀地分配还原剂。然而，为了获得还原剂的充分均匀分布，与现有的喷射系统相比，必须采用工作时具有更高喷射压力的喷射器，所述喷射系统将燃料喷射进入传统内燃机的燃烧室。在高压下喷射降低了引擎的效率，并且以不可取的方式增加了燃料消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统，其中与传统的系统相比，在单体横截面上的质量流的均匀度增加，并且本发明的系统减少了耗能部件的使用，如高压喷射系统和混合器。

根据如权利要求1特征部分，通过用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统，可以实现所述目的。通过利用二甲醚作为还原剂，与现在使用的其它传统的例如柴油的还原剂相比，质量流分布的均匀度增加，这是因为二甲醚以气态形式提供，或者是在喷射之后的较短时间内极快地转变成气态。因此，不需要在喷射器和催化剂本体之间使用混合器。此外，因为二甲醚是存储在压力箱中，因此可以通过压力箱和排气管之间压差的驱动作用，实现二甲醚的喷射。通过将二甲醚存储在压力箱内，可以利用其产生的压力，从而不必在喷射系统中使用泵。可以通过阀门开启及关闭压力箱和喷射器之间的连接来执行对喷射过程的控制。

进一步优选的方案将限定在从属权利要求中。

如权利要求12中的记载内容，还可通过用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的方法实现所述目的。

附图说明

下面将参照附图详细描述本发明的实施例，其中：

图1示出了用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的系统，

图2示出了一种喷射器，根据本发明，其用于将二甲醚喷射至排气管内，以及

图3示出了根据本发明、用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了内燃机10，用于减少由内燃机所产生的氮氧化物的系统20被设置在其上。该内燃机为稀燃型内燃机，也就是说，相对于燃烧过程中提供的燃料数量来说，燃烧在提供过量空气的情况下进行。典型地，对于汽油发动机，空气/燃料比将超过18，对于柴油发动机，空气燃料比将从22到40，对于二甲醚发动机，其空气燃料比将大约是20-40。优选地，发动机的燃料是二甲醚。优选地，发动机为多缸型，其包括汽缸体11，并且安装有用于往复运动的汽缸盖12(head)，其中多个活塞设置在多个气缸内，其线性动作被转换为设置在发动机内的曲轴的旋转运动。燃料喷射系统13被设置用于提供燃料至发动机内。优选地，燃料供给系统被设置用于将二甲醚供给至发动机的汽缸。燃料供给系统包括压力箱14、高压泵15和喷射装置16，该喷射装置16可以是共轨喷射型或直接喷射型装置。燃料喷射由一般设置用于控制发动机的控制部件17进行控制。

内燃机10还包括排气歧管18，用于减少氮氧化物的所述系统20设置在其上。用于减少氮氧化物的系统20包括稀燃NOx催化剂21，其设置在连接至排气岐管18的排气管22内。稀燃NOx催化剂可以是如EP 830201、US4946659以及US 2003/0069125中描述的类型。优选地，稀燃NOx催化剂材料由银-氧化铝涂层(silver-alumina coating)，铜型沸石(copper zeolite)或银丝光沸石(silvermordenite)组成。

喷射器23被设置在位于稀燃NOx催化剂21上游的排气管22内，用于喷射减少废气中所含的氮氧化物的还原剂。喷射器被连接至压力箱14，二甲醚在一定的压力下以液态存储在其中。当发动机采用二甲醚作燃料时，呈压力箱14形式的一般存储单元可以用于存储燃烧驱动发动机所需的燃料，以及作为还原剂的二甲醚。通过阀24开启和关闭压力箱14和喷射器23之间的通道，从而控制通过喷射器23所喷射的二甲醚。由于二甲醚以液体加压存储，因此可以只通过压力箱14和排气管之间的压差来推动所述喷射。优选地，喷射器被设置用于以气态形式将二甲醚喷射至排气管。因此，在二甲醚通过喷射器23的喷射口之前，其在室温和6巴压力下发生液相和气相之间的相变。由于压力箱14同时包含有气态和液态的二甲醚，因此可以确保只有气态的二甲醚进入通向控制阀23的管路25。

因为二甲醚是以气态喷射，因此将不需要在喷射器23和稀燃NOx催化剂21之间设置混合器。喷射器23和稀燃NOx催化剂21之间的距离因此还可以减少至小于30厘米，优选地，当其安装在连接于气缸容量为10-15升的内燃机的系统内时，所述距离小于20厘米。

图2中示出了一种喷射器23，根据本发明，其适用于将二甲醚喷射至排气管22内。喷射器23包括螺旋部分26，所述螺旋部分26包括一组喷射口27，它们沿着螺旋26的长度布置。螺旋部分26连接至入口管28，该入口管28穿过限定出排气管22的管壁。

优选地，喷射口组被设置在矩阵内，其中，在喷射器的所在位置处，沿排气管纵轴横截面的径向方向，所述喷射口组内彼此的喷射口之间的最大距离(d)与稀燃NOx催化剂的等效半径(R)之间满足下列关系式：d/R>0.5。通过将喷射口布置成满足上述关系的矩阵，无需在排气管设置混合器，就能够获得二甲醚质量流的均匀分布。优选地，应当使用多于6个的喷射口。等效半径意味着与实际催化剂的横截面积相比、具有相同的横截面面积的圆周半径，实际的横截面可以具有不同的形状。

图3示出了根据本发明、用于减少稀燃内燃机所产生的废气中的氮氧化物的方法的流程图。在第一方法步骤S10中，由稀燃内燃机产生的废气被暴露于稀燃NOx催化剂，所述稀燃NOx催化剂连接至稀燃内燃机的排气管。在第二个方法步骤S20中，在将稀燃NOx催化剂暴露给废气的同时，二甲醚被作为还原剂从压力箱提供至喷射器，并且在所述稀燃NOx催化剂的上游喷射二甲醚，以减少氮氧化物。

优选地，通过在作为液体存储在压力箱中的二甲醚产生的压力来进行喷射二甲醚的步骤。

在优选实施例中，在连接喷射器和压力箱的管路中设置有阀。通过开启和关闭流体通道，所述阀控制二甲醚喷射，当阀处于开启状态时，压力箱内的压力将二甲醚喷射进入排气管。

优选地，二甲醚是以气态被喷射进入排气管。