專利名稱：減少燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法
技術領域：
本發明涉及一種減少燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，該方法通過將對溫度敏感的反應物噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，并讓所述廢氣和所述反應物通過催化反應器，該催化反應器在有所述反應物參與的情況下使氮氧化物減少。
背景技術：
內燃機車輛的燃油效率的改進可以通過使用以過量氧氣工作的柴油機或汽油機而實現，所述氧氣量超過燃料完全燃燒所需的量。這種發動機據說是“貧油的”或在“貧油混合氣”的情況下運行。但是，燃油經濟性的提高以出現不期望的污染排放物、特別是以氮氧化物形式存在的排放物為代價的。
用以降低內燃機NOX排放物的一種方法是已知的選擇催化降低法(SCR)。例如當SCR用以降低柴油機的NOX排放物時，包括相對于一個或多個選定的發動機運行參數，將一種霧化反應物噴入發動機的廢氣流中，例如當由發動機燃油消耗率、渦輪增壓壓力或NOX廢氣質量流率測定時，所述運行參數可以是廢氣溫度、發動機轉速或發動機負載。這種反應物/廢氣混合物經過一個含有催化劑的反應器，催化劑可以是活性炭或金屬，比如鉑、釩或鎢，它們在反應物存在的情況下能降低NOX的濃度。美國專利申請08/831,209批露了一種這種類型的SCR系統，從而可作為參考文獻。
眾所周知，脲的水溶液是柴油機SCR系統中的一種有效反應物，但其具有一些缺點。脲是強腐蝕性的，其會逐漸浸蝕SCR系統中的機械元件，例如用來將脲混合物噴入廢氣流的噴嘴。當長時間暴露在高溫下，比如處在柴油機廢氣系統中時，脲還會逐漸固化。固化的脲逐漸聚集在噴嘴的狹小通道和孔中。固化的脲會弄臟噴嘴的移動部件并堵塞噴孔，從而使噴嘴不能使用。
而且，如果脲混合物未被充分霧化，在催化反應器中就會形成脲沉積物，它們會影響催化劑的作用，從而會降低SCR系統的效率。使用高噴射壓力是一種解決脲混合物不充分霧化問題的方法，但是高的噴射壓力經常會導致噴嘴噴入廢氣流中的股流的射程過大，而使該股流撞擊在與噴嘴相對的排氣管的內表面。射程過大導致脲混合物的浪費，并縮小了車輛能以降低的NOX排放量工作的范圍。類似用于車輛的燃料，只能攜帶一定量的含水脲，而且所攜帶的應該能有效地使車輛的運行范圍最大，并能減少經常填充脲的需要。
另外，含水脲不是一種好的潤滑劑。這種不良特性影響噴嘴中的移動部件，其要求噴嘴的相對運動部件之間具有特定的配合、間隙及容差。
發明內容
為此，本發明的目的是提供一種減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，該方法可以使噴嘴能夠利用用于降低燃燒過程產生的NOX排放量的對溫度敏感的反應物有效地工作。
因此本發明提供的減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法包括，將對溫度敏感的液體反應物噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，并讓所述廢氣和所述反應物通過催化反應器，該催化反應器在有所述反應物參與的情況下使氮氧化物減少，所述方法還包括下述步驟提供一具有用于將所述液體反應物霧化的孔的噴嘴；將所述噴嘴具有所述孔的部分置于所述廢氣流中；通過使所述反應物連續地循環經過所述噴嘴將其冷卻，從而將所述噴嘴和噴嘴內的所述反應物保持于所述反應物的固化臨界溫度以下；將一部分所述反應物噴入所述反應器上游的廢氣中。
本發明進一步提供一種減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，它是通過將一種液體反應物通過一噴嘴噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，其中所述噴嘴的至少一部分被置于所述廢氣流中，所述方法包括下述步驟連續地循環通過所述噴嘴的反應物，以將所述噴嘴和所述噴嘴內的反應物保持于一臨界溫度以下；將通過所述噴嘴的所述反應物的至少一部分噴入所述廢氣流；使所述廢氣和噴入其中的所述反應物通過一催化反應器以減少氮氧化物。
通過本發明的方法，被噴射的對溫度敏感的反應物連續地循環經過噴嘴從而冷卻噴嘴，使得所述噴嘴內的反應物保持于固化溫度以下，這樣反應物不會堵塞噴嘴孔，從而防止造成所述噴嘴不能使用。
本發明的其它方面、目的和優點可通過后面的具體實施例了解。
圖1表示使用本發明噴嘴的一個污染物排放控制系統的示意圖；圖2表示本發明噴嘴的一個縱向剖面圖；圖3表示本發明噴嘴的閥體的一個側視圖。
具體實施例方式
圖1表示一個污染控制系統，該系統可用來降低柴油機3排出廢氣中的NOX。所述系統包括一個與一個催化反應器5連通的發動機排氣管4，一個容納反應物7的反應物容器6，一個中央處理裝置8和一個噴嘴10。噴嘴10安裝在排氣管4上，并通過從容器6到噴嘴延伸的供給管道9供給反應物，例如一種含水脲溶液。一個泵11用以在預定的壓力下將反應物泵送給噴嘴。反應物7通過回流管道12循環回所述容器，反應物的循環方向如箭頭7a所示。
在工作中，標號13代表發動機的運行參數，例如廢氣溫度、發動機轉速和燃油流動速度，它們由中央處理裝置8監測。與這些信號和預編的算法響應，中央處理裝置8分別發送控制信號14和15給噴嘴10和泵11，所述控制信號指令泵11使反應物循環，指令噴嘴10將反應物噴射到排氣管4中的廢氣16中，或者停止噴射。所述反應物一噴射到管道中就被霧化，并與廢氣形成一種混合物。該混合物進入含有催化劑的催化反應器5，催化劑可以是活性炭或金屬，比如鉑、釩或鎢，它們在反應物存在的情況下能降低NOX的濃度。廢氣從管道4中排出并進入大氣。
在系統工作過程中，不管噴嘴是否將反應物噴入廢氣16中，反應物7在容器6和噴嘴10之間不停地循環，以冷卻噴嘴并使反應物在噴嘴中的停留時間最少，因此反應物保持為冷的。對于對溫度敏感的反應物，例如含水脲，連續的反應物循環是必需的，當含水脲暴露到300℃～650℃的高溫下時會趨于固化，而發動機排氣系統中的溫度可能就那么高。已經發現將脲混合物保持在140℃以下，最好是5℃～95℃的更低的工作范圍中，以提供一個確保脲固化不會發生的安全范圍是重要的。固化脲，如果容許形成的話，將弄臟噴嘴的移動部件和孔，最終使噴嘴不能使用。在具有全負荷時8克/制動馬力-小時的NOX排放基線的310馬力柴油機的情況中，發現當經過本發明噴嘴的含水脲的循環率在0.5加侖/分鐘～0.75加侖/分鐘之間時，會有效地冷卻含水脲并防止固化。認識到，流速將取決于發動機的尺寸和NOX的量級。本發明的一個優點是可以使用較濃的溶液，即25～35％，因為在整個系統中，溶液不會遇到會引起強烈水解或溶解問題的情況。
圖2表示本發明噴嘴10的優選實施例的剖面圖。如圖所示，噴嘴安裝在一個廢氣管道4上，只有局部被剖開了。噴嘴10包括一個閥體18，其中設有一個細長的柱狀室20。室20與一個孔22連通，所述孔通向管道4中的廢氣。環繞孔22的是一個閥座24，其可以具有任何實際的形狀，但最好是錐形。呈一種細長閥柱塞26形式的一個閥元件可滑動地安裝在室20中。閥柱塞26具有一個端部28，其密封地與閥座24相互配合，如圖2所示，從而切斷孔22與室20的連通。
閥柱塞26可在所述室中在圖2所示的關閉位置和一個開啟位置之間移動，在開啟位置處，端部28從與閥座24相互密封配合的位置移開。在開啟位置，孔22被打開以與室20連通。
室20和閥柱塞26一起提供一個使流體，例如反應物循環通過所述閥的裝置，以便冷卻閥并使反應物在閥中停留的時間最少。所述循環裝置包括一個環行的流體通道30，其形成在室20的較大內徑和閥柱塞26的一部分32的較小外徑之間。該部分32最好設置得鄰近柱塞端部28并靠近閥座24和孔22。使流體通道30鄰近孔設置會使循環流體直接冷卻對熱的負作用最敏感的閥體的其它較熱部分。因此，例如當含水脲與這種被冷卻的閥一起使用時，在室20的任何地方含水脲都不會固化。如果固化的話，脲可能妨礙柱塞26正常落座，或者使柱塞26卡在開啟或關閉位置，和/或者堵塞孔22。但是，通過直接冷卻閥的該區域，就可以避免高溫對反應物、移動部件及閥的孔所造成的不良影響。
如圖2所示，柱塞26還包括一個鄰近閥柱塞部分32設置的導引部分33。導引部分33最好具有一個由許多相交于若干拐角33b的平面33a組成的多邊形橫截面。平面33a提供鄰近室20的流體循環空間，并增強了流體通道30的冷卻功能。所述平面還為形成在或帶入室20中的任何碎屑提供空間，以便用循環流體將其沖到室外。
導引部分33的拐角33b為柱塞26提供了穩定和導引的功能。所述拐角可以緊鄰或與室20的壁輕微接觸，以提供支撐點，所述點導引室中的柱塞，以確保柱塞端28準確落座。
緊位于導引部分33之上的是柱塞26的具有減小圓形橫截面的部分35。減小部分35為流體提供了一個通過入口流入室的環行空間，下面將詳細描述。在減小部分35之上的是一個圓形導引部分37。圓形導引部分37為柱塞26在室20中的滑動提供主要的導引功能。圓形導引部分和所述室之間的容隙足以容許柱塞的相對運動和潤滑，同時仍引導柱塞運動并在柱塞和所述室之間形成一個局部液封。
在閥柱塞和室之間的不同部分所要求的特定容隙通常隨下列因素變化，即工作溫度、工作壓力、反應物的額定流速及循環率、反應物的摩擦學特性及閥柱塞和閥體所選用的材料。優化噴嘴性能所需的容隙最好通過一些現場實驗確定。
冷卻流體通過流體入口34輸送到環行流體通道30。流體入口34設置在閥體18中，與室20連通，而且入口34向外與供給管道9(圖1)連接。最好是，將輸送流體到室20的流體入口設置在一個區域中，該區域離開閥座24并鄰近減小部分25和導引部分33，如圖2所示。如圖所示，將流體入口設置在閥座上游部位使得流體在遇到閥座之前，與閥柱塞接觸很長的距離，從而增強了流體的冷卻功能。流體，例如反應物7在預定的壓力下被泵11泵送到流體入口，然后從入口沿閥柱塞26流入環行流體通道30。
設置一個流體出口36，以將流體從環行流體通道排出。流體出口36設置在閥體18中，與室20連通。如圖2所示，將流體從室20排出的流體出口36最好設置在閥座24區域。流體出口36向外連接到回流管道12(圖1)，從而使流體(例如反應物)從容器6開始循環，經過供給管道9，經過流體入口34，進入環行流體通道30，經過流體出口36，經過回流管道12，然后回到容器6。這種循環使閥體18的關鍵部位保持冷卻，并使流體在噴嘴中的停留時間最小。
如圖2所示，當閥柱塞26從關閉位置移動到開啟位置時，柱塞端部28從與座24密封配合的位置移開。該動作打開孔22并至少使一部分循環流體通過孔噴出并進入排氣管4。為了使孔有效地打開和關閉，設置致動裝置，最好是安裝在閥體18頂部的電磁閥38。電磁閥38具有一個連接到閥柱塞26的銜鐵40。當電磁閥38被激勵時，銜鐵40被向上拉，從而使閥柱塞26在室20中從關閉位置到開啟位置滑動。當采用有效選擇催化降低廢氣流中NOX，需要反應物時，例如，與中央處理裝置8的一個信號14(圖1)響應，電磁閥被激勵，所述信號取決于傳感器的輸入信號13和處理裝置的預編程序。
如圖2所示，通過一個偏壓元件，最好是一個同心地圍繞閥柱塞26設置的盤簧42，使閥柱塞26在關閉位置被偏壓。閥柱塞26具有一個用作下彈簧座的肩部44，靠在該肩部的彈簧能使閥柱塞偏壓。一個上部板46固定到閥體18上，用作上彈簧座，并用作一個擋板以限定閥柱塞的向上行程。
彈簧42位于一個彈簧室48中，該室通過密封件50與室20隔開。密封件50最好由碳加固的Teflon或玻璃加固的Teflon制成，并防止任何腐蝕性反應物進入彈簧室，腐蝕或弄臟彈簧和電磁閥。
如圖所示，噴嘴10通過套筒52安裝在排氣管上，套筒通過焊接件54焊接到所述管道中的一個孔上。閥體18最好具有與套筒52中的內螺紋53配合的外螺紋19，以將噴嘴連接到套筒。為了使套筒和閥體之間的熱傳導最小，外螺紋19不是沿閥體18的圓周連續設置的，而是間斷或不連續的，如圖3所示。最好是，通過使用間斷的螺紋弧使螺紋接觸區域最小，所述弧沿閥體18的圓周設置，所對的角為20°左右，平面區域21設置在各螺紋弧之間。所述平面具有一個橫過平面的尺寸，其比閥體18上螺紋的根直徑小，因此不與套筒52接觸。
在所示結構中，通過在閥體18和廢氣之間插入一個熱護罩56來防止管道中的熱廢氣直接撞擊在閥體上。熱護罩56包括一個外金屬板58和一層熱墊圈60形式的絕緣材料，其插在外金屬板58和閥體18之間。外金屬板58最好由不銹鋼制成，以抵制排氣管中的腐蝕性環境。墊圈60最好由彈性石墨箔材料制成，其低的熱傳導性用來使閥體18與外金屬板58隔熱，減少到噴嘴的傳熱，從而有助于使在閥中循環的流體保持冷卻。
熱護罩56圍繞孔22并具有一個穿過外板和絕熱墊圈的開口62，其容許從噴嘴噴出的液體經過熱護罩進入排氣管。熱護罩具有一個基本平的表面，其最好與液體從噴嘴噴出的方向垂直。
噴嘴的另一種熱保護由一個輻射熱反射器70提供，在圖2中可以看到其邊緣。反射器70最好是一個拋光的鋁圓盤，其具有一個足夠大的外徑，以便圓盤表面70a擋住從排氣管4到正對該排氣管的噴嘴部分的輻射熱。反射器具有一個位于中央的開口72，其圍繞閥體18配合并位于套筒52上方，以將反射器安裝在噴嘴的暴露部分和管道4之間。反射器70由一個擰在閥體18上的螺釘74定位。
需要將噴射壓力保持的較低，以防止從噴嘴噴出的流體射流或股流噴入廢氣流的射程過大，并撞擊在管道的側壁。已經發現30到100psi范圍的噴射壓力可以防止射程過大。對于本發明的噴嘴而言，67psi的噴射壓力最好。
但是，較低的噴射壓力不可能使噴射的流體霧化到有效地催化降低NOX的足夠小的尺寸。為了即幫助管道中的流體彌散和霧化，又合理地維持低的噴射壓力，設置了一個霧化鉤狀物64。本發明的一個優點是不需要第二種霧化流體。
鉤狀物64安裝在閥上，最好是安裝在熱護罩56的金屬板58上，這如圖2所示。鉤狀物最好由不銹鋼制成，以抵抗排氣管中的腐蝕性環境。將鉤狀物安裝在熱護罩上可以使該鉤狀物與閥體18熱隔離。由于鉤狀物延伸到廢氣流中，所以它是熱的，而且由于是金屬，所以易于導熱。但是，由于將鉤狀物安裝在熱護罩上，所以由鉤狀物傳導的熱將被熱墊圈60擋住，而且從鉤狀物到閥體的熱傳導將通過鉤狀物64的這種最佳安裝方式減至最小。
鉤狀物64具有一個端面66，其與孔22相對并隔開一定距離。當閥柱塞26由電磁閥38致動到其開啟位置時，在預定的壓力下從孔22中噴出流體，流體柱將撞擊在端面66上。這種撞擊將使流體進一步霧化。流體的這種彌散特性是端面形狀的一個功能，其被調到廢氣流的一個特定尺寸和形狀，以確保流體的最大彌散和貫穿，而沒有射程過大的現象。
本發明所述方法容許有效地使用一種腐蝕性、熱敏感的反應物，例如含水脲來降低NOX排放量，并因此最大限度地實現更高的燃油效率，而沒有出現不希望的排放物增多的負面影響。
權利要求
1.一種減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，它是通過將對溫度敏感的液體反應物噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，并讓所述廢氣和所述反應物通過催化反應器，該催化反應器在有所述反應物參與的情況下使氮氧化物減少，所述方法包括下述步驟提供一具有用于將所述液體反應物霧化的孔的噴嘴；將所述噴嘴具有所述孔的部分置于所述廢氣流中；通過使所述反應物連續地循環經過所述噴嘴將其冷卻，從而將所述噴嘴和噴嘴內的所述反應物保持于所述反應物的固化臨界溫度以下；將一部分所述反應物噴入所述反應器上游的廢氣中。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述反應物是脲的水溶液。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述脲具有介于約25％與約35％之間的濃度。
4.如權利要求1所述的方法，還包括提供一與處于所述廢氣流中的孔相面對的表面，從而通過使所述反應物撞擊到所述表面上來進一步將噴入所述廢氣流中的所述反應物霧化的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述燃燒過程發生在一內燃發動機內。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述發動機是柴油發動機。
7.如權利要求6所述的方法，其中被噴入所述廢氣流中的所述反應物與所選發動機的工作參數相稱。
8.一種減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，它是通過將一種液體反應物通過一噴嘴噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，其中所述噴嘴的至少一部分被置于所述廢氣流中，所述方法包括下述步驟(1)連續地循環通過所述噴嘴的反應物，以將所述噴嘴和所述噴嘴內的反應物保持于一臨界溫度以下；(2)將通過所述噴嘴的所述反應物的至少一部分噴入所述廢氣流；(3)使所述廢氣和噴入其中的所述反應物通過一催化反應器以減少氮氧化物。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述反應物是脲的水溶液。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述脲具有介于約25％與約35％之間的濃度。
11.如權利要求8所述的方法，其中所述噴嘴具有用于將所述液體反應物霧化的孔，并且還包括提供一與所述廢氣流內的所述孔相面對的表面，從而通過使所述反應物碰撞到所述表面上來將噴射到所述廢氣流中的所述反應物霧化的步驟。
12.如權利要求8所述的方法，其中所述燃燒過程發生在內燃發動機內。
13.如權利要求8所述的方法，其中所述發動機是柴油發動機。
14.如權利要求8所述的方法，其中噴入所述廢氣流中的所述反應物與所選的發動機工作參數相稱。
15如權利要求9所述的方法，其中所述臨界溫度介于約95℃與約140℃之間。
全文摘要
本發明公開了一種減少由燃燒過程產生的氮氧化物排放量的方法，它是通過將對溫度敏感的液體反應物噴入由所述燃燒過程產生的廢氣流，并讓所述廢氣和所述反應物通過催化反應器，該催化反應器在有所述反應物參與的情況下使氮氧化物減少，所述方法包括下述步驟提供一具有用于將所述液體反應物霧化的孔的噴嘴；將所述噴嘴具有所述孔的部分置于所述廢氣流中；通過使所述反應物連續地循環經過所述噴嘴將其冷卻，從而將所述噴嘴和噴嘴內的所述反應物保持于所述反應物的固化臨界溫度以下；將一部分所述反應物噴入所述反應器上游的廢氣中。通過本發明的方法，被噴射的反應物被保持于固化溫度以下，不會玷污噴嘴的移動部件及堵塞噴嘴孔。
文檔編號F01N3/20GK1483924SQ03106339
公開日2004年3月24日 申請日期1999年9月27日 優先權日1998年10月1日
發明者R·J·查爾尼克, R J 查爾尼克, J·P·迪卡羅, 迪卡羅, C·J·克納珀, 克納珀, T·C·斯馬德, 斯馬德, T·J·塔拉布爾斯基, 塔拉布爾斯基 申請人:阿姆巴克國際公司