基於溫度的選擇性氧化催化劑噴射的製作方法

2023-06-11 21:13:51 2

專利名稱：基於溫度的選擇性氧化催化劑噴射的製作方法
技術領域：
本發明涉及 一 種用於將氧化催化劑溶液噴射至'j燃料或廢氣流中 的系統，更具體地，涉及一種基於廢氣溫度選擇性地噴射氧化催化 劑溶液的系統。
背景技術：
內燃機，包括柴油發動機、汽油發動機、氣態燃料動力發動機 和現有技術中已知的其他發動機，會排出空氣汙染物的複雜混合物。 這些空氣汙染物可以包括固體物料，如已知的顆粒物質或菸灰。由 於對環境的日益關注，廢氣排放標準已經變得更加嚴格，並且從發 動機排出的顆粒物質的量可以根據發動機的類型、規格、和/或級別 進行管制。
為了遵守關於排放到環境中的顆粒物質的排放標準，發動機制 造商已執行一種辦法，該辦法是利用被稱為微粒捕集器的裝置將顆 粒物質從發動機的廢氣流中去除。微粒捕集器是過濾器，其通常包 括被設計用於捕集顆粒物質的金屬絲網或蜂窩陶瓷介質。遺憾的是， 使用微粒捕集器過長時間會導致顆粒物質在介質中堆積，由此降低 過濾器的功能性並隨後降低發動機性能。
通過被稱為再生的過程可以將堆積的顆粒物質從過濾器移除。 為了開始過濾器的再生，夾帶在過濾器中的顆粒物質的溫度必須被 提升到燃燒閾值，在該燃燒閾值，顆粒物質被慢慢地燒掉。通常， 由發動機排出的廢氣流的溫度將顆粒溫度提升至足以用於再生的溫 度。但是，在一些情形中，例如在低發動機載荷下或在冬季的各個 月中，廢氣的溫度可能不足以將顆粒物質的溫度提升到所需的燃燒 閾值。解決該問題的 一 種方式是將所收集的顆粒物質的燃燒閾值人工 地降低至廢氣溫度以下，從而可以實現再生。實施該方法的系統的
一個例子公開在2002年6月4日授權給Salvat等人的美國專利 No.6397584 ( ，584專利)中。具體地，，584專利公開了 一種用於輔 助顆粒過濾器再生的系統，該顆粒過濾器集成在機動車輛柴油機的 排氣管中。該系統包括添加劑供應源，該添加劑供應源被連續地噴 射到發動機的燃料箱中。添加劑與燃料混合，並且該混合物被燃燒 以產生包含與金屬化合物相結合的菸灰顆粒的廢氣流。結合化合物 的顆粒比未結合化合物的顆粒的燃燒溫度低。當發動機的廢氣流達 到較低的燃燒溫度時，菸灰顆粒和金屬化合物燃燒且留下灰燼，該 灰燼在發動機的周期性維護過程中可以從過濾器被有效地去除。
雖然，584專利的系統可以使顆粒過濾器適當地再生，但費用昂 貴且存在問題。具體地，需要噴射添加劑的低溫條件是間歇性的， 並且由於，584專利的系統始終噴射添加劑， 一些添加劑被浪費。被 浪費的添加劑提高了系統的成本。另外，由於添加劑在再生過程中 被轉化為灰燼，因此過量的添加劑會產生過量的灰燼。由於發動機 的維護間隔至少部分地基於顆粒過濾器中的灰燼的堆積速率，因此 過量的灰燼會明顯減小維護間隔。減小的維護間隔除了會給車主帶 來不便之外還會增加車輛的運行成本。

發明內容
根據本發明的系統解決了上述一個或多個問題。 本發明的 一 個方面涉及 一 種廢氣處理系統。該廢氣處理系統可 以包括催化劑供應源，其能夠降低廢氣組分的燃燒閾值；和噴射 器，其可操作地且選擇性地將催化劑傳送到廢氣組分。該廢氣處理 系統還可包括與噴射器通信的控制器。該控制器能夠確定廢氣流的 溫度並且響應於燃燒閾值大於所確定的溫度而操作噴射器傳送催化 劑。
本發明的另 一方面涉及一種處理廢氣的方法。該方法可以包4舌收集廢氣組分並且確定所收集的廢氣組分的溫度。該方法還可以包 括在所收集的廢氣組分的燃燒閾值高於所確定的溫度時，將催化劑 與廢氣組分混合以降低所述燃燒閾值。


圖1是根據本發明的一種示例性的動力系統的示意圖；以及 圖2是描述圖1的動力系統的一種示例性公開的操作的流程圖。
具體實施例方式
圖l示出了一種動力系統，該動力系統包括動力單元10、燃料 系統12和廢氣處理系統14。在一種實施方式中，動力系統可以與移 動車輛，例如客車、專業車、農用車或工程車相關聯。替代地，動 力系統可以與固定式機器，例如工業用發電機或熔爐相關聯。
出於本發明的目的，動力單元IO被示出並描述為四沖程柴油機。 然而，本領域技術人員可以認識到，動力單元10可以是任何其它類 型的內燃機，例如汽油機、氣態燃料動力發動機或渦輪機。動力單 元10可以包括氣缸體16,該氣缸體16至少部分地限定多個燃燒室 18。在所示實施方式中，動力單元10包括四個燃燒室。但是，可以 設想，動力單元IO可以包括更多數量或更少數量的燃燒室，並且燃 燒室可以布置成"直列式"結構、"V型"結構或任何其它適當的 結構。
同樣如圖l所示，動力單元10可以包括曲軸20，該曲軸20可 轉動地布置在氣缸體16中。連杆(未示出)可以將多個活塞(未示 出)連接到曲軸20,使得每個活塞在其各自的燃燒室中的滑動動作 導致曲軸20轉動。類似地，曲軸20的轉動可以引起活塞的滑動動 作。曲軸20的轉動可以用作來自動力單元IO的輸出，用於執行期 望的工作，例如用於使發電機轉動或使相關聯的車輛的一個或多個 驅動軸一爭動。
燃料系統12可以包括燃料箱22。燃料箱22能夠存儲燃料源，例如柴油。來自燃料箱22的燃料最初由輸送泵24抽入到燃料管路 系統中，其中，該輸送泵24可以與燃料箱和高壓泵26流體連通。 輸送泵24至少具有足以將燃料從燃料箱22傳送至高壓泵26的動力。 高壓泵26通過曲軸20的轉動直接或間接地被供以動力。例如，在 曲軸20和輸入到高壓泵26的軸之間的嚙合齒輪系統可以提供成比 例的期望轉動。根據一種實施方式，曲軸20的轉動會使來自高壓泵 26的燃料的壓力達到大約300 MPa。
高壓泵26也可以與共軌28流體連通並且能夠將加壓燃料傳送 至共軌28。共軌28 (也被稱作燃料歧管)可以與一個或多個燃料噴 射器30流體連通。如圖l所示，每個噴射器可以設置在四個燃燒室 18中的一個內。因此，當通過高壓泵26將燃料引入到每個燃料噴射 器30時，共軌28可以以期望壓力提供燃料供應。在根據本發明的 燃料供應系統的這種結構中，噴射器30的每個燃料噴射器可以將來 自共軌28的加壓燃料選擇性地傳送到一個相應的燃燒室18。
燃料系統12也可以結合廢氣處理系統14工作。廢氣處理系統 14可以包括具有廢氣通道的排氣歧管32,每個通道與動力單元10 的一個相關聯的燃燒室18流體連通。排氣歧管32可以使廢氣流遠 離動力單元IO並且朝向位於排氣歧管32下遊的殼體34排出。
廢氣處理系統14的殼體34可以是柱狀或管狀的管道，用於引 導廢氣和顆粒遠離動力單元10以便由各種排放控制裝置來處理。在 一種實施方式中，排氣歧管32可以與殼體34形成為一體。例如， 排氣歧管和殼體可以通過沖壓或鍛造金屬而一體地製成。替代地， 排氣歧管32可以通過一個或多個緊固件(例如，鉚釘、螺母和螺栓 等)或者通過變形(例如，巻邊)固定到殼體34。殼體34也可以構 成系統的至少 一個排放控制裝置的結構支撐件。
廢氣處理系統14的至少 一個排放控制裝置可以包括顆粒過濾器 36。顆粒過濾器36可以橫過殼體34的圓柱形寬度(即，橫截面) 設置。此外，顆粒過濾器36的周邊可拆卸地或固定地安裝到殼體34 上。顆粒過濾器36可以是任何類型的柴油機顆粒過濾器("DPF"),例如，堇青石或碳化矽壁流式過濾器、金屬纖維通流式過濾器或分
流式過濾器。根據本發明的一種實施方式，顆粒過濾器36可以是顆 粒過濾效率至少為99%的壁流式過濾器。而且，可以設想，廢氣處 理系統14可以包括其它部件，例如渦輪、廢氣再循環系統、催化處 理裝置、或本領域已知的任何其它廢氣系統部件。
廢氣處理系統14也可以包括向燃料或廢氣流供應催化劑溶液的 裝置。具體地，廢氣處理裝置14可以包括能夠存儲催化劑供應源的 催化劑箱38。催化劑(也被稱為燃料燃燒催化劑("FBC"))可 以包括例如鉑、銅、鈰、錳和/或鐵化合物。可以想到的示例性的且 商業上可以獲得的催化劑包括Rhodia的商標為Eolys 、 Clean Diesel Technologies的商標為Platinum Plus 、 Octel的商標為Octimax 4800 以及Ethyl Corporation的商標為MMT的催化劑。通過泵40從催化 劑箱38中抽吸催化劑，該泵40與催化劑箱38流體連通。泵40也 可以與催化劑噴射器42流體連通，使得其可以向噴射器供應催化劑。
如圖l所示，催化劑噴射器42可以設置在共軌28的上遊端處。 特別是，催化劑噴射器42可以安裝到共軌28,使噴射器的噴嘴與其 中的加壓燃料流體連通。雖然僅描述了與共軌28流體連通，催化劑 噴射器42可以替代地將催化劑直接噴射到燃料箱22、燃料箱22和 共軌28之間的燃料管路、或共軌28和單個噴射器30之間的燃料管 路中。特別有利的是，沿著燃料流或廢氣流的長度噴射催化劑並使 催化劑儘量接近顆粒過濾器36,以改善噴射催化劑對檢測出的溫度 不足的響應性。另一方面，將催化劑噴射在過於接近顆粒過濾器36 的位置處會導致催化劑與燃料流或廢氣流充分混合的時間不足。本 領域技術人員也可以想到在沿著燃料系統12或廢氣處理系統14的 長度的不同位置處結合催化劑噴射器的其它優點以及變型。
在本發明的另一種實施方式中，作為替代方案，催化劑噴射器 可以被設置成將催化劑直接噴射到廢氣處理系統14的廢氣流中。例 如，如圖1所示，在與噴射到燃料供應源中相比更期望噴射到廢氣 流中的情況下，催化劑噴射器48可以替代催化劑噴射器42。在該實施方式中，催化劑噴射器48可以安裝到殼體34,使得噴射器的噴嘴 與其中的廢氣流流體連通。由於催化劑噴射器48可以設置在顆粒過 濾器36的上遊，因此噴射催化劑會影響顆粒過濾器36的再生。
同樣如圖1所示，傳感器46可以設置在顆粒過濾器36的下遊。 具體地，傳感器46可以安裝到殼體34，使得該傳感器46可以測量 殼體34中的廢氣流的溫度。替代地，傳感器46可以測量顆粒過濾 器36的溫度和/或被顆粒過濾器36捕獲的顆粒的溫度。即，傳感器 46可以與顆粒過濾器36熱連接，以便確定其溫度。根據需要，傳感 器46還可以位於過濾器36的上遊。在任一種實施方式中，傳感器 46可操作地產生指示被捕集在過濾器36中的顆粒物質的溫度的信
廢氣處理系統14也可以包括控制器44,例如發動機電控模塊 ("ECM")或噴射器控制模塊。控制器44可以被設置成與傳感器 46和催化劑噴射器42通信，以接收來自傳感器46的溫度信號並響 應於該信號向催化劑噴射器42傳輸噴射信號。各種電路可以與控制 器44相關聯，例如電源電路、信號調節電路、螺線管驅動電路和其 它適當的電路。此外，由於傳感器46和催化劑噴射器42可以通過 有線傳輸或無線傳輸與控制器44通信，因此根據需要控制器44可 以設置在遠離殼體34或共軌28的位置處。
在本發明的另一種實施方式中，廢氣流和顆粒過濾器的溫度可 以由控制器44來評估而不是由傳感器46來測量。即，控制器44可 以通過將溫度作為涉及動力單元10和/或與其相關聯的車輛的一個 或多個已知的運行條件的變量的函數來確定該溫度。例如，涉及燃 料量、點火正時、動力輸出、發動機轉速、增壓壓力、發動機溫度、 空/燃比、和/或其它已知參數的 一個或多個發動機性能圖可以存儲在 控制器44的存儲器中。這些圖中的每一個可以是表格、圖表和/或方 程的形式，並且包括對從動力單元10的實驗室和/或室外糹喿作中收集 的數據的編譯。控制器44可以參考這些圖中的一個或多個，以便評 估與顆粒過濾器36相關聯的在動力單元10的給定運行條件下的溫度。
因此，控制器44可以形成並存儲所測量或評估的溫度數據的連
續的歷史數據，並且基於此可以作出關於噴射催化劑的決定。
圖2的流程圖示出了根據本發明的一種實施方式的示例性的方 法。在下文中將描述圖2以便更好地示出根據本發明的系統。
工業實用性
根據本發明的廢氣處理系統可以應用於任何燃燒式裝置，例如 發動機、熔爐或本領域已知的任何其它裝置，其中，期望從廢氣流 中去除顆粒汙染物。根據本發明的廢氣處理系統是一種筒單且廉價 的方案，並且該系統為緊湊型的，其用於在必要時基於所測量或評 估的溫度選擇性地噴射燃料燃燒催化劑溶液到燃料流或廢氣流中。 現在將對動力單元10、燃料系統12和廢氣處理系統14的操作進行 說明。
參照圖1,燃料供應源可以存儲在燃料箱22中並且通過輸送泵 24抽吸用於輸送到高壓泵26。在該高壓泵26處，燃料壓力可以增 大且基本上用於輸送到共軌28，該共軌28與燃料噴射器30流體連 通。燃料可以通過燃料噴射器30噴射到動力單元10的燃燒室18中、 與其中的空氣進行混合，並且通過動力單元IO燃燒以產生機械工作 輸出和熱氣的廢氣流。廢氣流可能包含空氣汙染物的複雜混合物， 其可以包括例如菸灰的固體顆粒。通過使廢氣流經過殼體34的顆粒 過濾器36,可以使排放到環境中的菸灰量最少化。隨著攜載有菸灰 的廢氣流被從燃燒室引導通過顆粒過濾器36，菸灰在過濾器中堆積， 由此對發動機性能產生不利影響。
當廢氣流的溫度高於菸灰的氧化溫度時，隨著時間的流逝會將 菸灰從顆粒過濾器上慢慢地"燒掉"。但是，當廢氣流的溫度低於 菸灰的氧化溫度時，例如在低負載過程中或在冬季裡的月份時，期 望的是噴射催化劑到燃料流或廢氣流中，以便降低菸灰的氧化溫度。 具體地，噴射催化劑可以將菸灰的氧化速率提高至足以用於無源再生(即，菸灰去除速率等於或大於菸灰過濾速率)。催化劑(也被
稱為燃料燃燒催化劑("fbc"))可以包括例如鉑、銅、鈰、錳 和/或鐵化合物。這些氧化金屬最終會粘結到被捕集在顆粒過濾器中 的菸灰上，以便起到催化菸灰氧化的作用。即，氧化金屬可以使煙 灰的燃燒閾值溫度降低至低於廢氣溫度，由此有利於相對較低溫度 的再生。替代地，在fbc噴射仍然不足以催化無源再生的情況下， 可以採用無源畫"力口"結構(passive畫"plus，， configuration)，其中， 附加的熱源促進再生。
現在返回圖2，可以通過傳感器46確定廢氣流、顆粒過濾器和/ 或顆粒的溫度(步驟201 )。溫度數據可以從傳感器46向控制器44 通信。替代地，控制器44可以基於動力單元10的已知操作評估廢 氣流溫度(即，作為涉及動力單元10和/或與其相關聯的車輛的變量 的函數來確定)。控制器44可以將所測量或評估的廢氣溫度與顆粒 的燃燒閾值溫度進行比較，以便確定廢氣溫度是否足以支持再生(步 驟203 )。然後，控制器44可以響應於確定廢氣溫度不足以支持再 生而發送指示噴射催化劑的信號到催化劑噴射器，例如催化劑噴射 器42和44 (步驟205 )。在一種實施方式中，控制器44響應於確 定在特定的時間間隔內廢氣溫度持續不足以支持再生而發送噴射信 號。
催化劑可以(例如通過如圖所示的催化劑噴射器42)噴射到燃 料箱22或共軌28、燃料箱22和共軌28之間的燃料管路、或共軌 28和燃料噴射器30之間的燃料管路中。作為替代方案，催化劑可以 通過催化劑噴射器48噴射到在顆粒過濾器36的上遊位置處的廢氣 流中。 一旦顆粒過濾器36已經再生或者發動機已經達到足夠高的溫 度，控制器44就可以指令一個或多個催化劑噴射器停止fbc噴射。
根據本發明選擇性使用催化劑噴射可能是用於促使被捕集的顆 粒被更有效地氧化的一種理想的方式。例如，已經發現，當利用壁 流式過濾器時，大約99%的燃料燃燒催化劑被過濾出或者留在發動 機油或氣缸套中。而且，fbc噴射可以降低無源再生的閾值溫度，使該溫度從300-350°C的平均燃燒溫度降低差不多100°C 。也就是說， 即使僅在250-300。C下，顆粒物料被從廢氣中過濾的速率與其被氧化 的速率相等。但是，在FBC粘結的顆粒的氧化過程中產生的灰燼使 得尤其期望通過利用本發明的構思來使催化劑噴射簡化。
選才奪性添加催化劑的好處可以通過以下得到證明即使僅在5 ppm (百萬分之五)的FBC添加量下，由過濾器捕集的灰燼量是不 使用添加劑時捕集的量的兩倍(250000英裡來自潤滑油的大致25 克/升灰燼，由於FBC的25克/升灰燼)。通過研究MECA於2005 年6月的 "Diesel Particulate Filter Maintenance: Current Practices and Experience"可以進一步理解FBC定量減少對灰燼產生的優點。可以 發現，FBC定量從FBC為25 ppm減少到FBC為10 ppm導致FBC 灰燼質量的比例從大約80%降低到大約57%。因此，很期望降低催 化劑的添加量。
以支持再生條件時噴射到燃料流或廢氣流中，因此，減少了對過多 催化劑的浪費、減少了灰燼的產生量並且延長了維護間隔。由於灰
噴射而使車輛的運行成本降低相關聯。此外，由於維護次數更少， 因此給車輛操作者帶來了更多的便利。
對於本領域普通技術人員來說可以想到的是，在不脫離本發明 的保護範圍的情況下，可以對本發明的系統進行各種變型和變化。 另外，本領域技術人員從說明書的描述和根據本發明的系統的實際 應用中可想到其他實施方式。說明書和實施例僅僅是示例性的，本 發明的真正保護範圍通過後附的權利要求書並按照等同原則加以確定。
權利要求
1.一種用於燃燒源(10)的廢氣處理系統(14)，包括催化劑供應源(38)，其能夠降低廢氣組分的燃燒閾值；噴射器(42)，其可操作地且選擇性地將催化劑傳送到所述廢氣組分；和控制器(44)，其與所述噴射器通信並且能夠確定廢氣流的溫度；並且響應於所述燃燒閾值大於所確定的溫度而操作所述噴射器傳送催化劑。
2. 根據權利要求1所述的廢氣處理系統，還包括與廢氣流流體 連通且與所述控制器通信的傳感器(46),所述傳感器能夠產生指 示廢氣流溫度的信號。
3. 根據權利要求2所述的廢氣處理系統，還包括能夠收集所述 廢氣組分的收集裝置(36)，所述傳感器位於所述收集裝置的下遊。
4. 一種動力系統，包H' 燃料供應源； 空氣供應源；內燃機(10)，其能夠接收並燃燒所供應的燃料和空氣，並且 產生包含顆粒物質的廢氣流；以及根據權利要求1至3中任意一項所述的廢氣處理系統，所述廢 氣處理系統能夠處理來自所述內燃機的廢氣流。
5. —種用於處理廢氣的方法，包括 收集廢氣組分；確定所收集的廢氣組分的溫度；並且在所確定的溫度低於所收集的廢氣組分的燃燒閾值時，將催化 劑與所述廢氣組分混合以降低所述燃燒閾值。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中，確定所收集的廢氣組分 的溫度包括感測所述溫度。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中，感測所述溫度包括在收集所述廢氣組分的位置的下遊位置處進行感測。
8. 根據權利要求5所述的方法，其中，確定所收集的廢氣組分 的溫度包括基於廢氣源的已知運行條件評估所述溫度。
9. 根據權利要求5所述的方法，其中，混合步驟包括將所述催 化劑與燃料供應源進行混合。
10. 根據權利要求5所述的方法，其中，混合步驟包括將所述 催化劑與所述廢氣直接進行混合。
全文摘要
本發明公開了一種用於燃燒源(10)的廢氣處理系統(14)，並且具體地公開了基於溫度的選擇性氧化催化劑噴射。該廢氣處理系統可包括催化劑供應源(38)，其能夠降低廢氣組分的燃燒閾值；和噴射器(42)，其可操作地且選擇性地將催化劑傳送到廢氣組分。該廢氣處理系統還可包括與噴射器通信的控制器(44)。該控制器能夠確定廢氣流的溫度並且響應於燃燒閾值大於所確定的溫度而操作噴射器傳送催化劑。
文檔編號F01N3/029GK101529060SQ200780040345
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月12日 優先權日2006年10月31日
發明者J·J·德裡斯科爾, T·E·保爾森 申請人:卡特彼勒公司