CN101454543B - 用于减少柴油机排放的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种减少柴油机排放的方法，包括步骤：将喷射器提供到柴油机的排气出口，喷射器具有直径大约0.006英寸或更小的喷口；在大约120psi至大约60psi之间的入口压力下将试剂提供到喷射器；以大约10Hz至大约1Hz之间的频率并以大约1％或更长的开启时间致动喷射器开启和关闭；经由所述喷口将所述试剂以一喷射速率喷射到排气出口中；其中，改变入口压力、频率和开启时间中的至少两个，实现最大喷射速率与最小喷射速率的调节比为至少大约31:1。

Description

用于减少柴油机排放的方法和设备 
相关申请的交叉引用 
本申请要求2006年5月31日提交的美国临时申请60/809,918的优先权。 
技术领域
本发明总体上涉及减少由稀薄燃烧发动机所产生的排放。具体而言，本发明提供将尿素水溶液之类的试剂喷射到排气流中，以减少来自柴油机排气的氮氧化物(NOx)排放的方法和设备。更具体地说，本发明提供用于柴油机排放控制的低流速喷射器，并提供以低流速喷射试剂的方法。 
背景技术
稀薄燃烧发动机通过超过燃料完全燃烧所需量的过量氧进行操作提供改进的燃料效率。这样的发动机被称为以“稀薄”态运行或以“稀薄混合物”运行。不过，这种燃料经济性的提高被不希望出现的污染排放、特别是以氮氧化物(NOx)形式的污染排放所抵消。 
用于减少稀薄燃烧内燃机的NOx排放的一种方法已知为选择性催化还原(SCR)。SCR在例如用于减少柴油机NOx排放时，包括将雾化试剂喷射到与一个或多个所选发动机操作参数相关的发动机排气流中，所述发动机操作参数例如为：排气温度、通过发动机燃料流测得的发动机rpm或发动机负载、涡轮增压或排气NOx质量流量。试剂/排气混合物通过包含催化剂的反应器，催化剂例如为：活性碳或诸如铂、钒或钨之类的金属，其能够在存在试剂时减少NOx浓度。这种类型的SCR系统在美国专利5,976,475中公开。 
尿素水溶液已知为柴油机SCR系统中的有效试剂。不过，使用这样的尿素水溶液具有许多缺点。尿素具有高腐蚀性并侵蚀SCR系统的机械部件，例如用于将尿素混合物喷射到排气流中的喷射器。尿素还易于在长时间暴露于高温下 时(例如在柴油机排气系统中所经受的那样)固化，固化的尿素将积聚在通常设置在喷射器中的窄通路和排出口开口中。固化的尿素可污染喷射器的移动部件并阻塞任何开口，使得喷射器不能使用。 
此外，如果尿素混合物未精细雾化，则尿素沉积物将形成在催化反应器中，阻碍催化剂作用并由此降低SCR系统的效率。高喷射压力是使尿素混合物雾化不足问题最小化的一种方法。不过，高喷射压力经常导致喷射器喷雾缕流过度渗透到排气流中，从而使缕流撞击在与喷射器相对的排气管内表面上。过度渗透导致尿素混合物的无效使用，并且减小车辆以减少的NOx排放所能操作的范围。仅有限量的尿素水溶液可携带在车辆上，而且所携带的尿素水溶液应被有效地用于使车辆路程最大化，并减少频繁装填试剂的需要。 
现有技术已经证实，可使用脉宽调制的螺线管致动喷射器将尿素或烃试剂的精细喷雾喷射到柴油机的排气中，以在适合的催化剂上进行NOx还原，或升高排气中的温度以重构颗粒物捕集器。例如参见美国专利5,605,042、5,976,475和6,279,603,以及共有的共同未决美国专利申请2005/0235632 A1。通常，这些喷射器已经应用于在发电站中使用的大型固定柴油机中减少NOx，或者用于道路或非道路重载汽车柴油机，例如用于建筑设备或垃圾拖车中的柴油机，其中，由于排放大量NOx而需要大量试剂。通常，对于32.5％的尿素溶液，具有0.012英寸的喷口的喷射器的喷射速率为36.1-103.5克/分钟(“gr/min”)。较小发动机，例如用于客车或轻载卡车中的发动机，由于其较低水平的NOx排放量而需要较小量的试剂。例如，对于使用尿素基于选择性催化还原对NOx控制的轻载应用而言，通常将采用0.5-5.0克/分钟的喷射速率。 
减小喷射器的喷口尺寸可提供一定程度的流速降低，对于具有0.006英寸排出口的喷射器如表1(在下文中)中所示。不过，即使这些3.3-25.5克/分钟的速率也大于许多轻载柴油机所要求的速率。虽然可进一步减小喷口尺寸，但由于当排出口直径变得小于0.006英寸时所述口的耐久性和机加工性受限而可能从生产角度而言变得不实际。从现场应用角度而言，小于0.006英寸的喷口、特别是小于0.004英寸的喷口，需要对试剂过滤的特殊规定，以防止精细喷口 被存在于商业试剂中的污染物所阻塞。 
发明内容
因此，本发明的目的在于提供减少柴油机排放的方法和设备，所述柴油机特别地为小型柴油机，例如用于客车、轻载卡车和非道路车辆或设备的这类柴油机。 
本发明的进一步的目的在于提供一种使用试剂喷射器减少柴油机排放的方法，所述试剂喷射器具有低流速和高调节比(即最大喷射速率与最小喷射速率之间的比率)。 
本发明的进一步的目的在于提供一种使用试剂喷射器减少柴油机排放的方法，所述试剂喷射器的流速可通过电动修改频率和/或百分比开启时间(脉宽)以实现试剂的低流速，特别是在0.5克/分钟至5克/分钟的范围内。 
本发明的进一步的目的在于提供一种能够实现超过25克/分钟的较高试剂流速的这样的设备。 
这些和其它目的通过提供一种减少柴油机排放的方法而实现，所述方法包括步骤：将喷射器提供到所述柴油机的排气出口，所述喷射器具有直径大约0.006英寸或更小的喷口；在大约120磅/平方英寸(psi)至大约60磅/平方英寸之间的入口压力下将试剂提供到所述喷射器；以大约10Hz至大约1Hz之间的频率(例如0.5Hz)并以大约1％或更长的开启时间致动所述喷射器开启和关闭；经由所述喷口将所述试剂以一喷射速率喷射到所述排气出口中；其中，改变所述入口压力、所述频率和所述开启时间中的至少两个，实现最大喷射速率与最小喷射速率的调节比为至少大约31:1。 
其它目的通过提供一种减少柴油机排放的方法而实现，所述方法包括步骤：提供与柴油机的排气出口连通的试剂喷射器，所述喷射器具有直径小于大约0.035英寸的喷口；在入口压力下将试剂提供到所述喷射器；以一频率致动所述喷射器开启和关闭，以通过所述喷口以一喷射速率将所述试剂喷射到所述排气出口中；在大约85％至大约5％之间调节所述喷射器的开启时间；在第一入口 压力与第二入口压力之间调节所述入口压力；其中，所述调节开启时间和调节所述入口压力的步骤实现最大喷射速率与最小喷射速率的调节比大于10:1。在一些实施例中，所述方法包括：在大约10Hz的第一频率与大约1.5Hz的第二频率之间调节所述频率，并将所述开启时间调节为大约1％或更短，以实现至少为大约50:1的调节比。 
进一步提供一种减少柴油机排放的方法，包括步骤：将试剂喷射器提供到所述柴油机的排气出口，所述喷射器具有直径不大于大约0.006英寸的喷口；在大约80psi或更小的入口压力下将试剂供应到所述喷射器；以不大于大约1.5Hz的频率致动所述喷射器开启和关闭；其中所述致动器使所述试剂以大约3.3克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中；其中所述喷射器具有小于10.5％的开启时间。在一些实施例中，所述喷射器具有小于5％的开启时间，所述致动的步骤使所述试剂以大约1.5克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中。在一些实施例中，所述喷射器具有大约1％或更短的开启时间，所述致动的步骤使所述试剂以大约0.8克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中。 
参考以下附图和相应的详细说明，本发明的其它目的及其独特的特征和优点将变得更加明显。 
附图说明
在下文中，将结合附图对本发明进行描述，其中相似的附图标记表示相似的元件，其中： 
图1显示道路用柴油机的示例性实施例的示意图，该柴油机具有使用根据本发明的喷射器的排污控制系统； 
图2显示用于图1所示系统中的喷射器的示例性实施例的纵向横截面视图； 
图3A显示图2所示喷射器的旋盘部分的示例性实施例的顶视图； 
图3B显示图2所示喷射器的旋盘部分的示例性实施例的横截面视图； 
图3C显示图2所示喷射器的旋盘部分的示例性实施例的底视图；
图4A显示图2所示喷射器中使用的计量塞的示例性实施例； 
图4B显示图4A中所示计量塞的另一视图； 
图5显示安装在根据本发明的排气管上的图1所示系统中使用的喷射器的示例性实施例的透视图；和 
图6显示根据本发明的示例性试剂流速相对于百分比开启时间(％ on time)的座标图。 
具体实施方式
以下详细描述仅提供示例性实施例，而并不是用于限制本发明的范围、应用性或结构。实际上，以下对于示例性实施例的详细描述将为本领域技术人员提供能够实现本发明示例性实施例的描述。应理解的是，在不背离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对各元件的功能和结构进行各种修改。 
本发明提供用于柴油机排放控制的低流速喷射器，和用于以低流速喷射试剂的方法。 
本发明在2005年4月22日提交的、名称为“用于喷射雾状流体的方法和设备(Methods and Apparatus for Injecting Atomized Fluid)”的共有且共同未决的美国专利申请11/112,039(美国公开申请号为2005/0235632 A1)中公开的商业喷射器类型中实现了低流速，上述专利申请在此通过引用被全文并入本文中而使其如同成为本文的一部分。 
图1显示出用于减少来自柴油机21排气的NOx排放的示例性污染控制系统。在图1中，在系统各元件之间的实线表示流体管线，而虚线表示电连接。本发明的系统可包括用于容纳试剂的试剂箱10和用于从箱10传输试剂的传输模块12。试剂可例如为水性尿素、烃、水、和/或其他流体。箱10和传输模块12可形成一体的试剂箱/传输模块。系统中还设置有电子喷射控制单元14、喷射器模块16和具有至少一个催化剂床17的排气系统19。 
传输模块12可包括泵，该泵使试剂从箱10通过内嵌过滤器23经由供应管 线9而供应。试剂箱10可为聚丙烯、环氧树脂涂覆的碳钢、PVC、或不锈钢，并根据应用来设置尺寸(例如，车辆尺寸、预计车辆用途等等)。过滤器23可包括由硬塑料或不锈钢构造的带有可移除芯的壳体。压力调节器(未示出)可将系统保持在预定压力设置点(例如，大约60psi)，并可位于来自喷射器16的返回管线35中。压力传感器可设置在通向试剂喷射器16的柔性管线中。系统还可包括各种防冻设施以将冻结的尿素解冻或防止尿素冻结。例如，在系统的操作过程中，无论喷射器是否将试剂释放到排气中，试剂在箱10与喷射器16之间连续循环以冷却喷射器，并使试剂在喷射器中的停留时间最少，从而使试剂保持冷却。连续的试剂循环对于温度敏感试剂而言是必要的，温度敏感试剂例如为水性尿素，如在发动机排气系统中经历的那样，其在暴露于300℃至650℃的较高温度下时易于固化。已经发现重要的是，将尿素混合物保持为低于140℃，并优选地在5℃至95℃之间的更低的操作范围内，以提供确保防止尿素固化的安全余地。固化尿素如果形成，则将淤塞移动部件和喷射器喷口，最终使喷射器失效。应认识到的是，流速将取决于发动机尺寸和NOx水平。 
所需的试剂量可根据负载、发动机RPM、发动机速度、排气温度、排气流速、排气回压、发动机燃料喷射时序、和所期望的NOx减少量而不同。所有或一些发动机操作参数可从发动机控制单元27经由发动机/车辆数据总线供应到试剂喷射控制器14。如果卡车制造商同意提供这种功能，则试剂喷射控制单元14也可被包含为发动机控制单元27的一部分。 
排气温度、排气流速和排气回压可通过相应的传感器进行测量。 
基于电压的最小试剂液位开关或编程逻辑可用于防止喷射系统无液运行和过热。一旦在箱10中达到最小试剂液位，则停止喷射，并在车辆驾驶室中亮起故障灯和/或文字警告。 
喷射速率可通过根据喷射控制策略或计划对试剂喷射控制单元14编程而设定，如在2005年9月13日发布的、名称为“汽车柴油机选择性催化还原系统和方法(Mobile Diesel Selective Catalytic Reduction Systems and Methods)”的共有的美国专利6,941,746中所述，上述专利在此通过引用被并入本文中并使其 成为本文的一部分。如在此所述，喷射策略可通过在车辆上临时安装NOx探测器25而形成。NOx探测器25可为带有采样系统的传感器或计量器。图1显示出NOx探测器25在排气系统19之外的位置分析气体浓度或质量。 
图2显示出根据本发明的可用于图1所示系统的喷射器16的示例性实施例的横截面视图。喷射器16可包括：具有上段18a和下段18b的喷射器主体18。细长柱形腔30可设置在喷射器主体18内。腔30可与旋盘50流体连通，旋盘50具有排出口22，排出口22当安装就位时通向柴油机的排气系统19(图1)内的排气。阀座24可围绕排出口22，并可具有任何实用形状，但优选为锥形。采用细长计量塞26形式的阀构件可被可滑动地安装在腔30内。 
图3A显示出旋盘50的顶视图。图3B显示出旋盘50的横截面视图。图3C显示出旋盘50的底视图。从图3A中可见，旋盘50可包括多个旋缝51，旋缝51围绕阀座24并在围绕计量塞26(见图2)的端部28的区域中形成旋腔52。从图3A和3B中可见，阀座24围绕排出口22以分发来自旋腔52的雾化流体。旋盘50可通过保持帽74(如图2中所示)固定到喷射器主体的下段18b。 
在图2中所示的示例性结构中，流体保持垫圈60可介于旋盘50与喷射器主体下段18b之间，以防止在旋盘50、喷射器主体18和保持帽74的配合表面之间的流体渗漏。垫圈可包括硅树脂材料。上喷射器主体18a可包括介于上喷射器主体18a与下喷射器主体18b之间、下喷射器主体18b与底板75之间、底板75与线圈38之间、以及线圈38与上喷射器主体18a之间的多个O形环76，以防止流体渗漏。 
图4A和4B分别显示出计量塞26的示例性实施例的横截面视图和外部视图。计量塞26可具有端部28，端部28被形成为密封地接合阀座24，由此封闭与旋腔52流体连通的排出口22。计量塞26可以在旋腔52内在如图2中所示的关闭位置与开启位置之间移动，其中在开启位置，端部28脱离与阀座24的密封接合。在开启位置，排出口22开启以与旋腔52流体连通。 
流体可经由流体入口34(图2)传输到旋腔52。流体入口34可与旋腔52流体连通，并可经由供应管线9外连接到箱10。例如水性尿素试剂的流体可在 预定压力设置点处用泵抽入到流体入口34中，并进入旋腔52。加压流体可在旋缝51中被加速至高速。这在旋腔52中形成高速旋转流动。当计量塞的端部28从阀座24移除时，旋转流动流体的一部分穿过排出口22，其中当流体喷入排气流中时，由于离心力与流体被空气剪切的力的组合而发生雾化。 
预定压力设置点可响应于操作状况而改变，以提供以下中的至少一种：增大的操作范围，和来自排出口22的不同喷雾样式。 
为了实现开启和关闭排出口22，可设置致动器，致动器例如可采用安装在喷射器主体18中的磁线圈38的形式。当磁体38被激发时，计量塞26从关闭位置被向上吸引至开启位置。底板75和上喷射器主体18a可由磁性不锈钢构造以提供磁化表面，而同时保持耐蚀性能。下喷射器主体18b可由诸如316型不锈钢之类的非磁性不锈钢构造。这增强了在底板75处的磁性能隔离，并限制计量塞26朝向排出口22被磁化的可能。例如，磁体将响应于来自图1所示电控制器14的信号而被激发，这样根据传感器输入信号及其预编程算法而确定何时需要试剂有效选择性地催化还原排气流中的NOx排放物。 
图5显示出连接到排气管80的喷射器16的外部视图。电连接器82可用于例如从试剂喷射控制器14(图1)向喷射器16提供控制信号。磁线圈38可通过具有脉宽调制数字信号的12-24VDC电流被激发。 
如图4A中所示，计量塞26包括中空部分90，中空部分90可经由计量塞26中的孔92与旋腔52流体连通。来自旋腔52的未从排出口22排出的加压流体可被压入孔92中，进入中空部分90，并最终通过计量塞26的中空顶部分94进入出口36。流体出口36可如图2中所示定位，以用于从计量塞26的中空部分90的顶部分94移除流体。流体出口36可外连接到返回管线35(图5)，由此允许流体循环而从图1的箱10、通过供应管线9、通过流体入口34、进入旋腔52、通过孔92、通过计量塞26的中空部分90、排出中空顶部分94进入流体出口36、通过返回管线35、并回到图1中的箱10中。这种循环使喷射器16保持冷却，并使流体在喷射器中的停留时间最短。流体入口34、流体出口36、和计量塞26的中空部分90可提供用于流体流过喷射器16的流动路径，从而使 喷射器16能够冷却。流体通过喷射器16的流动路径可独立于计量塞18的位置。计量口37可用于控制冷却流体流过喷射器16的量。 
因此，例如水性尿素与这种冷却的喷射器16一起使用时，将不会在喷射器16内的任何部位固化，特别是在旋腔52的区域中。如果尿素固化，则尿素可能妨碍计量塞26正确就位，或可能导致计量塞26停滞在开启位置或关闭位置，和/或，排出口22可变得阻塞。此外，避免了试剂、移动部件和阀开口的温度升高的有害影响。例如，通过直接冷却喷射器，与仅在阀座区域中提供冷却的现有技术相比实现了性能提高。进一步地，更好的冷却为包括计量塞26和相关致动部件在内的喷射器部件以及阀座24提供了更长的使用寿命。设置在喷射器主体18a上部分的外部上的冷却肋72提供额外的冷却能力。 
作为示例，每小时大致10加仑流体可循环通过喷射器。这种流速可根据应用而改变。一旦从阀座24移除计量塞26的端部28，则雾化流体可能以大约3-500克/分钟的速率排出，这取决于应用和/或所用的控制算法。如下所述，远小于3克/分钟的流速，例如低至大约0.2克/分钟的流速，也可通过根据本发明的方法实现。 
从排出口22排出的流体的喷雾性能可根据在返回管线和供应管线中所保持压力的压力比而不同。例如，微滴尺寸可通过改变供应管线9中的压力而进行控制。此外，喷雾性能可通过交换不同喷雾盘而变化。例如，通过保持帽74固定到水蒸气主体的喷雾盘50可被移除，并更换为具有不同尺寸的排出口22、不同数量的旋缝51、或者不同长度、深度或宽度的旋缝的喷雾盘。进一步地，喷雾盘可设置为当固定到喷射器主体18a的下部分时，提供更大或更小的旋腔52。流体循环速率也可通过修改计量口37的内直径而改变。不同流体循环速率改变了微滴尺寸，并影响由流体提供的冷却水平。 
计量塞26的圆形引导部分32可为计量塞26在腔30内的滑动提供主引导功能。在圆形引导部分32与腔30之间的公差足以允许计量塞26的相对运动和润滑，而同时仍然引导计量塞的运动。 
通常，在计量塞26与腔30之间的各部分处所需的具体公差将根据操作温 度、操作压力、所期望的试剂流速和循环流速、试剂的摩擦性能、以及计量塞26和喷射器主体18所选的材料而变化。用于最优喷射器性能的公差可通过现场试验而实验地获得。 
如图2中所示，计量塞26可通过偏置构件被偏置到关闭位置，偏置构件可例如采用与计量塞26的中空顶部分94共轴设置的螺旋弹簧42的形式，计量塞26用作弹簧座，弹簧42可抵靠计量塞26而推动偏置计量塞26。 
在所示结构中，防热部58可安装在旋盘50之外，保持帽74防止来自排气的热量被传送到旋盘50和喷射器主体18，而同时提供加热表面以确保微滴意外接触喷射器主体而不会形成沉积物。例如，防热部58可由因科耐尔合金(inconel)制成。可替代地，排出口22可移动到旋盘50的外侧或喷射端，从而增大喷雾角度α，而且也允许更宽范围的喷雾角度，而同时保持冷却性能。热垫圈70可由被覆盖在不锈钢材料中的柔性石墨箔制成，石墨箔的低热导率用于使喷射器主体18和旋盘50隔离于热排气管80，从而减少将传导热传送到喷射器16，并由此有助于使在阀内循环的流体保持冷却。 
计量塞26可由型号430C或440F的不锈钢制成，优选地，所述不锈钢被涂覆以保持尿素的耐蚀性和磁性能的涂层，而同时减少随喷射器使用时间而产生的金属疲劳。旋盘50可由因科耐尔合金或型号316的不锈钢制成，并涂覆以保持尿素的耐蚀性的涂层，而同时减少随喷射器16的使用时间而产生的金属疲劳。底板75可分离于计量塞26，计量塞26可被缩短至在制造中合理的最短长度，以提供显著减轻的计量塞质量。计量塞26的质量减轻延长了塞的使用寿命，并且特别地延长了由于在阀座24上重复冲击而经受磨损和变形的计量塞端部28的使用寿命。 
本发明的喷射器16可具有直径大约0.006英寸的排出口22。通过将频率和百分比开启时间调节从10Hz至大约1.5Hz和降至大约1-10％开启时间(例如，通过试剂喷射控制器14(图1))，本发明在具有0.006英寸排出口22的喷射器16中实现了较低流速。应认识到的是，所设置的0.006英寸排出口直径的尺度仅用于示例目的，并可通过其它排出口尺寸实现低流速，例如设置直径在大约 0.004至0.035英寸的范围内的排出口。 
通过本发明实现的被喷射试剂的流速可处于从大约0.2克/分钟至25克/分钟的范围内或者大于25克/分钟。通过改变选择所述喷口尺寸、喷射频率、入口压力、和/或喷射持续时间(例如开启时间)，根据本发明可实现从小于0.5克/分钟直至900克/分钟的喷射速率的范围。 
例如，根据本发明一个实施例，以大约1.5Hz的频率和1％至10.4％开启时间实现了试剂(例如，含有32％尿素的水溶液)的大约0.8克/分钟至5.5克/分钟的超低流速，如表2中所示。 
表1：0.006英寸的喷口@10Hz 
  
喷射器百分比开启时间 5％ 20％ 50％ 80％
被喷射的尿素，克/分钟(32％的溶液) 3.3 7.8 16.5 25.5
表2：0.006英寸的喷口@1.5Hz 
  
喷射器百分比开启时间 1％ 4.2％ 10.4％
被喷射的尿素，克/分钟(32％的溶液) 0.8 1.5 3.3
图6显示通过本发明实现的尿素流速相对于百分比开启时间的坐标图，其中喷射器脉宽调制频率被设定为1.5Hz(而不是10Hz)。从图6中可见，通过本发明在1.5Hz下实现的流速是线性流速，即使在开启时间低于5％时也是如此。因为在10Hz下，当喷射器开启时间降至低于5％时，流速可变得非线性，因此这样的线性结果是令人惊讶的和意料之外的。 
以下描述使用根据本发明的低流速喷射器减少柴油机排放的四种示例性方法。在第一示例中，具有0.030英寸喷口的回流喷射器初始在120psi的试剂压力下和10Hz的频率下操作，并提供631.0克/分钟的最大喷射速率(例如，使用Viscor检测流体)。喷射器在120psi的压力下具有68.0克/分钟的最小流速。如喷射器压力降至80psi，则最小流速降至58.8克/分钟。因此，喷射器速率可能从最大631.0克/分钟降低至58.8克/分钟，导致10.7:1的调节比。
不过，也通过将操作频率改变至1.5Hz，喷射器操作的最小开启时间可降至1％，导致在80psi下的12.6克/分钟的最小喷射速率。这样，上述喷射器操作特征的组合可用于提供令人惊讶的大调节比，即从631.0克/分钟降低至12.6克/分钟，或者说50:1的降低。 
在第二示例中，当流动水处于80psi下并在10Hz频率下操作时，具有0.006英寸的喷口的喷射器具有如下操作喷射范围：在对应于5％开启时间的最低操作点为3.6克/分钟，并在100％开启时间时最大喷射速率为25.6克/分钟。将频率改变至1.5Hz，使得低端操作速率降至在1％开启时间时在80psi下对应的低端流速0.6克/分钟。这样，在80psi的恒定压力下，总体的降低范围大约为43:1。 
在第三示例中，对于在50％开启时间、80psi和10Hz操作的具有0.005英寸的喷口的喷射器，选择喷射器缝区域以使微滴尺寸保持小于100微米沙得平均直径(Sauter Mean Diameter，SMD)，并以2.6-7.5加仑/小时(gph)的低返回流速为喷射器提供冷却。较低的循环和返回速率对于减少泵送功率的要求是有益的，但必须在旋腔中提供适合的速度以保持微滴尺寸和保持喷射器冷却。由此发现所期望的是，所具有的总体试剂循环速率要使得通过喷射器的返回流速大于试剂被喷射的量。表3例示出通过第三示例性应用所产生的数据。 
表3： 
  返回流速(gph)   平均SMD(μm)
  1.3   127.7
  2.6   99.1
  4.1   88.0
  5   76.8
  7.5   72.8
在第四示例中，具有0.005英寸的喷口的喷射器在1％开启时间和1Hz频率下对水操作，并提供在60psi操作压力下0.2克/分钟的低端喷射速率和在120psi操作压力下0.35克/分钟的低端喷射速率，其中在120psi和100％开启时间 时具有20.5克/分钟的最大喷射速率。这提供了100:1的调节比。当在10Hz和120psi压力下操作时，最小开启时间为5％，最小喷射速率为2.2克/分钟。因此，发现将操作频率从10Hz调节至1Hz的能力可单独地和与压力设置点的变化相结合地来显著增大降低范围。 
在此示例中，颗粒尺寸令人惊讶地显示出，微滴尺寸显示为独立于开启时间和频率。仅发现供应压力显著改变微滴尺寸。微滴尺寸的平均值在80psi下为69微米SMD，在60psi下为77微米SMD，且在120psi下为56微米SMD。 
现在应认识到的是，本发明有利地能够通过调节商业化单一流体脉宽调制试剂喷射器的频率和百分比开启时间(脉宽)而实现低流速和最大的流速降低，所述喷射器例如为用于减少柴油机NOx排放的喷射器。 
虽然本发明已经结合不同示例性实施例进行了描述，不过在不背离如权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对各实施例进行多种修改和改造。

Claims (28)

1.一种减少柴油机排放的方法，包括步骤：
将喷射器提供到所述柴油机的排气出口，所述喷射器具有直径0.006英寸或更小的喷口；
在120磅/平方英寸至60磅/平方英寸之间的入口压力下将试剂提供到所述喷射器；
以10赫兹至1赫兹之间的频率并以1％或更长的开启时间致动所述喷射器开启和关闭；
经由所述喷口将所述试剂以一喷射速率喷射到所述排气出口中；和
其中，改变所述入口压力、所述频率和所述开启时间中的至少两个，实现最大喷射速率与最小喷射速率的调节比为至少31∶1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷射速率在0.2克/分钟至25克/分钟之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述试剂包括尿素溶液和烃溶液中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两个包括所述频率和所述开启时间。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤：
使入口压力保持恒定在80磅/平方英寸。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中所述直径为0.005英寸或更小；和
其中改变所述入口压力、所述频率和所述开启时间中的每一个，实现至少100∶1的调节比。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：
调节所述入口压力，直到所述试剂以在40μm至100μm沙得平均直径之间的微滴尺寸被喷射。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述试剂从试剂箱被提供到所述喷射器，其中所述方法进一步包括步骤：使所述试剂的至少一部分再循环回到所述试剂箱。
9.根据权利要求8所述的方法，其中再循环的流速大于所述喷射速率。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述试剂以2.5加仑/小时至10加仑/小时之间的流速被提供。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述最小喷射速率为0.2克/分钟，所述最大喷射速率为25克/分钟。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述试剂以7加仑/小时至25加仑/小时之间的流速被提供。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述最小喷射速率为20克/分钟，所述最大喷射速率为600克/分钟。
14.一种减少柴油机排放的方法，包括步骤：
提供与柴油机的排气出口连通的试剂喷射器，所述喷射器具有直径小于0.035英寸的喷口；
在入口压力下将试剂提供到所述喷射器；
以一频率致动所述喷射器开启和关闭，以通过所述喷口以一喷射速率将所述试剂喷射到所述排气出口中；
在85％至5％之间调节所述喷射器的开启时间；
在第一入口压力与第二入口压力之间调节所述入口压力；
其中，所述调节开启时间和调节所述入口压力的步骤实现最大喷射速率与最小喷射速率的调节比大于10∶1。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述直径为0.03英寸或更小，所述最大喷射速率为800克/分钟。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括步骤：
在10赫兹的第一频率与1.5赫兹的第二频率之间调节所述频率，并将所述开启时间调节为1％或更短，以实现至少为50∶1的调节比。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一入口压力为120磅/平方英寸，所述第二入口压力为80磅/平方英寸。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述喷口的直径为0.005英寸或更小，所述调节比为至少100∶1。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一入口压力为120磅/平方英寸，所述第二入口压力为60磅/平方英寸。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一入口压力为140磅/平方英寸，所述第二入口压力为40磅/平方英寸。
21.根据权利要求14所述的方法，其中所述调节比为至少43∶1。
22.一种减少柴油机排放的方法，包括步骤：
将试剂喷射器提供到所述柴油机的排气出口，所述喷射器具有直径不大于0.006英寸的喷口；
在80磅/平方英寸或更小的入口压力下将试剂供应到所述喷射器；
以不大于1.5赫兹的频率致动所述喷射器开启和关闭；
其中所述致动步骤使所述试剂以3.3克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中；和
其中所述喷射器具有小于10.5％的开启时间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述喷射器具有小于5％的开启时间，所述致动步骤使所述试剂以1.5克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述喷射器具有1％或更短的开启时间，所述致动步骤使所述试剂以0.8克/分钟或更小的喷射速率经由所述喷口喷射到所述排气出口中。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述频率为1.0赫兹或更小。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述喷射速率在0.2克/分钟至3克/分钟之间。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述开启时间为1％或更短。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述试剂包括尿素溶液和烃溶液中的至少一种。
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