[发明专利]用于在压燃式发动机的排气中产生还原剂的方法和设备

说明书

技术领域

本发明通常涉及内燃机和排气后处理(exhaust aftertreatment)。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景资料，并且可能不构成现有技术。

内燃机的制造者不断地开发新的发动机控制策略，以满足顾客需要以及符合各种规定。一种这样的发动机控制策略包括以稀化学配比的空气/燃料比运行发动机，以改善燃料经济性并减少温室气体排放。这种发动机包括压燃式发动机(柴油机)和稀燃的火花点燃式发动机。当发动机在稀化学配比范围内运行时，燃烧温度典型地增加，导致NO_x排放增加。用于管理和减少NO_x排放的一种提议的排气后处理系统和控制策略包括，将还原剂喷射进烃-选择性催化还原(‘HC-SCR’)催化装置上游的排气供入流，以促成在穿过HC-SCR装置时将NO_x排气还原成氮气和氧气以及其它气体。

当前，用于喷射对NO_x进行选择性催化还原的还原剂的提议系统需要另外的硬件和控制模式，以完成这种操作。这种系统的实例包括将柴油燃料喷射到排气流中。此方法的效果在低催化剂空速下当催化剂温度低于大约350℃时显著降低，且这种令人满意的催化剂效果的最低温度随空速的增加而升高。该方法还需要安装在排气系统中的单独的燃料喷射器。另一个实例包括将氨喷射进还原催化剂上游的排气供入流中。对于大车队，存在着与氨的存储、运输和处理有关的基础结构方面的问题。此外，未反应的氨可穿过SCR，并且排入大气中。另一个实例包括使用尿素作为用于选择性催化还原的还原剂。这种系统需要在车辆上补充尿素，这需要用于分配尿素的基础结构。此外，尿素溶液的凝固点为-12℃，因此在寒冷气候中的使用存在问题。另一个实例包括使用储存NO_x催化剂。这些催化剂可以是有效的，但是它们通常需要大的催化剂体积和大块的昂贵的铂族金属(例如，铂、钯和铑)，以及极低硫燃料和用来再生该催化剂的对发动机的周期性侵入操作，因此降低了车辆的实际燃料经济性。

烃-选择性催化还原(HC-SCR)是用于减少诸如柴油机排气的稀燃排气中的氮氧化物排放的技术。实现HC-SCR的一个重大挑战是开发一种系统，在典型的日常运行时所经历的速度和载荷下，该系统使得在柴油机中所发现的排气温度范围内能够有足够的NO_x排放降低。此外，希望有烃还原剂存在于车辆上。还原剂的一种来源为排气本身，但是存在于发动机排气中的典型的烃通常比柴油燃料活性小。一定数量的研究人员已经研究使用柴油燃料和特选的柴油燃料成分烃作为还原剂。结果表明如果使用适当的活性烃物质，可极大地改进HC-SCR催化剂的NO_x还原效率。最有效的活性物质似乎为氧化的烃，诸如乙醛和甲醛。这些氧化物质由存在于柴油燃料中的长直链(longstraight-chain)烷烃烃的低温氧化产生。并且，这些相同的烷烃的低温氧化还产生长直链烯烃，在一定数量的研究中它们被发现是比长直链烷烃更有效的还原剂。

期望有一种系统，在日常驾驶所经历的速度和载荷下，在柴油机中所发现的排气温度范围内，即200℃-500℃范围内，该系统会导致足够的NO_x排放降低。多种烃已经显示在银-氧化铝(Ag/Al₂O₃)催化剂和钡-氧化钇(BaY)沸石催化剂上对NO_x的还原有效，这些烃包括长直链烷烃烃、烯烃，和柴油燃料，以及乙醇和乙醛。

存在于柴油机和汽油机的排气中的烃，诸如甲烷、乙烷、丙烯，和丙烷，需要高温来用于充分的NO_x转化，并且通常不适合于HC-SCR。相比于轻质烃，存在于柴油燃料中的诸如n-辛烷和n-癸烷的长直链烷烃烃对于充分的NO_x转化所需的温度稍低。此观察结果导致在许多研究中使用柴油燃料和长直链烷烃烃作为NO_x还原剂。然而，这些研究已经表明，柴油燃料以及长直链烃仅在大约300℃(573K)以上的催化剂温度和低催化剂空速时才是足以满足需求的。进一步的工作表明乙醇和乙醛可在低达200℃至250℃(473K至523K)的催化剂温度上还原NO_x。长直链烯烃被发现在低达250℃至300℃(523K至573K)的温度上有效。然而，这些物质不容易在发动机排气流中获得。希望有一种在车辆上产生这些物质的方法，其导致在整个所预期的排气温度范围内NO_x的有效选择性还原。