CN104819038B - 还原剂供应设备 - Google Patents

Abstract

一种还原剂供应设备包括反应容器(30)。反应容器(30)其中具有反应室(30a、30b)，在反应室内，碳氢化合物的燃料与空气混合并且被空气中的氧气氧化。将反应室(30a、30b)内的燃料与空气的当量比调节到规定的当量比范围内。将反应室内(30a、30b)的温度调节到规定的温度范围内。规定的当量比范围和规定的温度范围被设定为使得生成冷焰反应，反应室(30a、30b)内的燃料通过冷焰反应被空气中的氧气部分氧化。将通过冷焰反应被部分氧化的燃料用作还原剂。

Description

还原剂供应设备

技术领域

本公开涉及一种用于供应碳氢化合物(燃料)作为用于NOx还原的还原剂的还原剂供应设备。

背景技术

通常，在存在还原催化剂的情况下在NOx与还原剂的反应中净化包含在内燃机的废气中的NOx(氧化氮)。例如专利文献(JP2009-162173A)公开了一种使用用于内燃机的燃烧的燃料(碳氢化合物)作为还原剂的净化系统，并且该系统在还原催化剂上游的位置处将燃料供应到排气通道。在净化系统中，当还原催化剂的温度并未达到激活温度时，停止燃料供应直到还原催化剂的温度达到激活温度。

发明内容

然而，根据本公开的发明人的研究，当还原催化剂的温度达到激活温度但没有达到某一高温时，通过燃料的NOx还原行为(还原性能)仍然是低的，不能获得足够的NOx净化率。

本公开的目的是提供一种具有改进的NOx净化率的还原剂供应设备。

在本公开的一方面，一种还原剂供应设备用于燃料燃烧系统，该燃料燃烧系统包括具有被布置在废气通道中的还原催化剂的NOx净化设备，以净化包含在内燃机的废气中的NOx。还原剂供应设备在还原催化剂上游的位置将还原剂供应到废气通道中。

所述还原剂供应设备包括反应容器、当量比控制器和温度控制器。反应容器其中具有反应室，在反应室内，碳氢化合物的燃料与空气混合并且被空气中的氧气氧化。当量比控制器将反应室内部的燃料与空气的当量比调节到规定的当量比范围内。温度控制器将反应室内部的温度调节到规定的温度范围内。规定的当量比范围和规定的温度范围被设定为使得生成冷焰反应，反应室内部的燃料通过冷焰反应被空气中的氧气部分氧化。将通过冷焰反应被部分氧化的燃料用作还原剂。

应当注意到，甚至在大气压力下，在高温环境下的燃料经由与空气中包含的氧气的氧化反应通过自点火燃烧。这样的通过自点火燃烧的氧化反应也被称为“热焰反应”，其中生成二氧化碳和水，同时生成热。然而，当燃料和空气的比率(即，当量比)以及环境温度落入给定范围内时，氧化反应停留在如下文所示的冷焰反应中所持续的时间段变得更长，并且之后热焰反应发生。也就是说，氧化反应以两个步骤(冷焰反应和热焰反应) 发生。

当环境温度为低并且当量比为低时，很可能发生冷焰反应。在冷焰反应中，燃料被环境空气中包含的氧气部分氧化。当由于冷焰反应引起的热生成而导致环境温度上升，并且之后过去给定时间，则被部分氧化的燃料 (例如醛)被进一步氧化，由此热焰反应发生。当将经由冷焰反应生成的部分氧化的燃料(例如醛)用作NOx净化还原剂时，与其中使用未部分氧化的燃料的情况相比，改进了NOx净化率。

鉴于以上内容，本公开的发明人研究了使用重新形成的燃料作为NOx 净化的还原剂以改进NOx净化率。通过经由冷焰反应将燃料重新形成为例如醛来生成重新形成的燃料。结果，发明人获得以下认知：通过将环境温度和当量比分别调节到给定范围内冷焰反应可在热焰反应之前发生。

考虑到所述认知，还原剂供应设备包括具有反应室的反应容器，并且燃料被反应室内部的空气中的氧气氧化。反应室内部的温度和当量比被调节为使得发生冷焰反应，由此经由冷焰反应来部分氧化燃料。然后，部分氧化的燃料用作NOx净化中的还原剂。因此，与其中将不被部分氧化的燃料用作还原剂的情况相比，可改进NOx净化率

附图说明

根据以下说明、所附权利要求和附图，将最好地理解本公开以及其附加目的、特征和优点，在附图中：

图1是应用到燃烧系统的还原剂供应设备的示意图；

图2是还原剂供应设备的横截面视图；

图3是示出喷射孔的横截面形状的燃料喷射器的横截面视图；

图4是在加热器加热表面上的燃料喷雾的投影面积的示意图；

图5是涉及冷焰反应和热焰反应的两步骤氧化反应的图；

图6是示出对应冷焰反应的图5的部分的图；

图7是示出冷焰反应的反应过程的图；

图8是示出模拟在初始温度的不同条件下由两步骤氧化反应引起的温度变化的结果的图；

图9是示出模拟在当量比的不同条件下由两步骤氧化反应引起的温度变化的结果的图；

图10是示出其中发生两步骤氧化反应的初始温度和当量比的区域的图；

图11是示出模拟在臭氧浓度的不同条件下由两步骤氧化反应引起的温度变化的结果的图；

图12是示出根据图1所示的还原剂供应设备在臭氧的生成和重新形成的燃料的生成之间切换的过程的流程图；

图13是示出图12中示出的臭氧生成控制的子例程的过程的流程图；

图14是示出图12中示出的重新形成的燃料生成控制的子例程的过程的流程图；

图15是应用到燃烧系统的还原剂供应设备的示意图；以及

图16是应用到燃烧系统的还原剂供应设备的示意图。

具体实施方式

下文将参考附图来描述本公开的多个实施例。在实施例中，对应于在之前实施例中描述的事物的部分可被分配有相同的附图标记，并且可省略对该部分的冗余解释。当在实施例中描述仅配置的一部分时，将另一之前实施例应用到该配置的其他部分。各部分可以组合，即使未明确描述各部分可以组合。实施例可以部分组合，即使未明确描述实施例可组合，假如在组合中不存在危害。

(第一实施例)

图1中示出的燃烧系统包括内燃机10、增压器11、柴油微粒过滤器(DPF)14、DPF再生设备(再生DOC14a)、NOx净化设备15、还原剂净化设备(净化DOC16)以及还原剂供应设备。燃烧系统安装在车辆上并通过来自内燃机10的输出为车辆供电。在本实施例中，内燃机10是使用柴油燃料(轻油)用于燃烧的压缩自点火柴油发动机。

增压器11包括涡轮11a、旋转轴11b和压缩机11c。涡轮11a被布置在内燃机10的废气通道10ex中并且通过废气的动能旋转。旋转轴11b将涡轮11a的叶轮连接到压缩机11c的叶轮并且将涡轮11a的旋转力传输到压缩机11c。压缩机11c被布置在内燃机10的进气通道10in中，并且在压缩(机增压)进气之后将进气供应到内燃机10。

冷却器12被布置在压缩器11c下游的进气通道10in中。冷却器12冷却由压缩机11c压缩的进气，并且在通过节流阀13调节压缩的进气的流量之后经由进气歧管将冷却器12冷却的压缩进气分配到内燃机10的多个燃烧室中。

再生DOC 14a(柴油氧化催化剂)、DPF 14(柴油颗粒过滤器)、NOx净化设备15和净化DOC 16以该顺序被布置在涡轮11a下游的废气通道 10ex中。DPF 14收集废气中包含的微粒。再生DOC 14a包括对废气中包含的未燃烧燃料进行氧化并且燃烧未燃燃料的催化剂。通过燃烧未燃燃料，燃烧由DPF 14收集的微粒并且再生DPF 14，由此维持DPF 14的收集能力。应当注意到，通过再生DOC 14a内部的未燃烧燃料的该燃烧并非不断执行，而是当需要DPF14的再生时暂时执行。

还原剂供应设备的供应通道32连接到DFP 14下游并且NOx净化设备 14上游的废气通道10ex。将由还原剂供应设备生成的重新形成的燃料作为还原剂经由供应通道32供应到废气通道10ex中。如稍后将参考图7描述的，通过将用作还原剂的碳氢化合物(即燃料)部分氧化成部分氧化的碳氢化合物(例如醛)，来生成重新形成的燃料。

NOx净化设备15包括用于承载还原催化剂的蜂巢载体15b和将载体 15b包围其中的外壳15a。NOx净化设备15在存在还原催化剂的情况下通过NOx与重新形成的燃料的反应(即，NOx到N₂的还原过程)来净化废气中包含的NOx。应当注意到，尽管除了NOx之外，O₂也包含在废气中，但是重新形成的还原剂在存在O₂的情况下选择性地(优先)与NOx反应。

在本实施例中，还原催化剂具有吸附NOx的吸附性。更特别地，在催化剂温度低于通过还原催化剂的还原反应能够发生时所在的激活温度时，还原催化剂展现吸附废气中的NOx的吸附性。然而，当催化剂温度高于激活温度时，被还原催化剂吸附的NOx被重新形成的燃料还原并且然后从还原催化剂释放。例如，NOx净化设备15可利用由载体15b承载的银/铝催化剂来提供NOx吸附性能。

净化DOC 16具有包围承载氧化催化剂的载体的外壳。在存在氧化催化剂的情况下，净化DOC 16氧化从NOx净化设备15流出而不被用作NOx 还原的还原剂。因此，还原剂可被禁止通过废气通道10ex的出口释放到大气中。应当注意到，氧化催化剂的激活温度(例如200℃)低于还原催化剂的激活温度(例如250℃)。

接下来，下文将描述还原剂供应设备。通常，还原剂供应设备生成重新形成的燃料并且经由供应通道32将重新形成的燃料供应到废气通道 10ex。还原剂供应设备包括放电反应器20(臭氧生成器)、空气泵20p、反应室30、燃料喷射器40和加热器50。

如图2所示，放电反应器20包括具有流体通道22a在其中的外壳，并且多对电极21被布置在流体通道22a内。更特别地，经由电绝缘构件23 将电极21保持在外壳22内。电极21具有板形并且被布置为平行面向彼此。交替布置接地的一个电极21和当电力供应到放电反应器20时被施加有高压的另一电极21。通过电子控制单元(ECU 80)的微型计算机81来控制对电极21的电力施加。

通过气泵20p吹起的空气流入放电反应器20的外壳22内。气泵20p 由电机驱动，并且电机由微型计算机81控制。通过气泵20p吹起的空气流入外壳22内的流体通道22a，并且流经在电极21之间形成的放电通道21a。

反应容器30附着到放电反应器20的下游侧，并且燃料喷射室30a和蒸发室30b形成在反应容器30内。燃料喷射室30a和蒸发室30b可以对应于其中燃料被空气内的氧气氧化的“反应室”。在反应容器30中形成空气入口30c并且穿过放电通道21a的空气经由空气入口30c流入反应容器30。空气入口30c与燃料喷射室30a连通，并且燃料喷射室30a经由开口30d与蒸发室30b连通。穿过放电通道21a并且从空气入口30c流出的空气以该顺序流过燃料喷射室30a以及蒸发室30b，并且之后从形成在反应容器 30中的喷射口30e喷出。喷射口30e与供应通道32连通。

燃料喷射器40附着到反应容器30。燃料箱40t中的液体形式的燃料(液体燃料)通过泵40p供应到燃料喷射器40，并且经由燃料喷射器40的喷射孔D1、D2、D3和D4(参见图3)喷射到燃料喷射室30a内。燃料箱40t 内的燃料还被用于如上文所述的燃烧，并且因此燃料共同用于内燃机10的燃烧并且用作还原剂。燃料喷射器40具有喷射阀并且该阀由电磁螺线管通过电磁力致动。微型计算机81控制到电磁螺线管的电力供应(即，通电)。

加热器50附着到反应容器30，并且加热器50具有当电力被供应到加热元件时生成热的加热元件(未示出)。此外，加热器50包括包围加热元件在其中的热传递盖51。通过微型计算机81控制对加热元件的电力供应 (通电)。热传递盖51的外圆周表面可以用作加热表面51a并且通过加热元件加热热传递盖51来增大加热表面51a的温度。热传递盖51具有带有底部的圆柱形状并且在水平方向上延伸。更具体地，热传递盖51在其中还原剂供应设备被安装到车辆的状态下在水平方向上延伸。即，热传递盖51 的中心线Ch(参考图4)在水平方向上延伸。

加热表面51a被布置在蒸发室30b内，并且对从燃料喷射器40喷射的液体燃料进行加热。被加热器50加热的液体燃料在蒸发室30b内被蒸发。蒸发的燃料被进一步加热到等于或高于预定某一温度的温度。结果，将燃料热分解为具有小的碳数量的碳氢化合物，即，发生裂解。

燃料喷射器40包括喷射孔板41并且喷射孔D1、D2、D3和D4形成在喷射孔板41上(参见图3)。喷射孔D1、D2、D3和D4布置在热传递盖 41的纵向上(即，沿着中心线Ch)。在还原剂供应设备被安装到车辆的状态下，燃料喷射器40的中心线Ci相对于垂直方向成角度。换言之，加热器50的中心线Ch相对于燃料喷射器40的中心线Ci成角度。

如图3所示，喷射孔D1、D2、D3和D4具有线性延伸的形状，即，喷射孔D1、D2、D3和D4具有线性延伸的轴。每个喷射孔D1、D2、D3、 D4的横截面是圆形并且喷射孔D1、D2、D3、D4具有恒定的横截面积。喷射孔D1、D2、D3、D4的每个中心线C1、C2、C3、C4相对于燃料喷射器40的中心线Ci成角度。以液体形式的燃料(液体燃料)经由每个喷射孔D1、D2、D3、D4喷射(雾化)，并且喷射的液体燃料以基本上圆锥形状扩散。换言之，喷射的液体燃料的扩散轨迹具有在远离每个喷射孔D1、 D2、D3、D4的方向上扩散的基本上圆锥的形状。在本实施例中，喷射的液体燃料的喷射轨迹的中心线基本上对应于每个喷射孔D1、D2、D3、D4 的中心线C1、C2、C3、C4。

来自喷射孔D1到D4的喷射液体燃料经由开口30d进入蒸发室30b并且抵靠加热表面51a喷射。在每条中心线C1、C2、C3、C4与加热表面51a 之间形成的交叉角θ(参见图2)是小于90°的锐角。更特别地，交叉角θ被定义为虚拟接触加热表面50a.1的最上部分的加热表面34a的虚拟水平表面与中心线C1、C2、C3、C4之间的角度。被定位在喷射器40的最上蒸汽侧(即，图2中的最左侧)的喷射孔D1提供具有最大值的交叉角θ，并且分别对应于喷射孔D2、D3、D4的交叉角θ以该顺序向着加热器50的尖端 (即，图2中的右方向)减小。喷射孔D1到D4相对于重力被定位在加热表面51a上方。

因为交叉角θ是锐角，喷射的液体燃料对角地达到加热表面51a。因此，如图4所示，来自每个喷射孔D1、D2、D3、D4的液体燃料被喷射到的加热表面51a的被喷射区域A1、A2、A3、A4具有椭圆形状，而长轴沿着中心线Ch。对应于具有最小值的交叉角θ的被喷射区域A1的长轴是最短轴，并且被喷射区域A2、A3、A4的长轴以该顺序沿着中心线Ch增大。换言之，被喷射区域A1、A2、A3、A4的长轴随着交叉角θ减小而增大。应当注意到，当增大喷射孔D1、D2、D3、D4的直径，或增大在喷射孔D1、 D2、D3、D4与加热表面51a之间的距离时，被喷射区域A1、A2、A3、 A4的面积还可以增大超过加热表面34a的面积。考虑到这种情况，喷射孔 D1、D2、D3、D4的直径和在喷射孔D1、D2、D3、D4与加热表面51a之间的距离被设定为使得被喷射区域A1、A2、A3、A4在加热表面51a之内。

检测在蒸发室30b内的温度的温度传感器31附着到反应容器30。特别地，温度传感器31被布置在蒸发室30b内的加热器50的热生成表面之上。另外，温度传感器31在空气流动方向相对于喷射燃料被定位在蒸发室 30b的下游侧，使得燃料未被直接喷射在温度传感器31上。由温度传感器 31检测的温度是蒸发的燃料在与空气反应之后的温度。温度传感器31输出检测到的温度的信息到ECU 80。

当将电力供应到放电反应器20时，从电极21发射的电子与放电通道 21a中的空气中包含的氧分子碰撞。结果，从氧分子生成臭氧。即，放电反应器20通过放电过程使氧分子进入等离子状态，并且生成臭氧作为活性氧。然后，放电反应器20生成的臭氧包含在空气中，空气经由空气入口30c流入反应容器30。

冷焰反应发生在蒸发室30b中。在冷焰反应中，气体形式的燃料被空气内的氧气或臭氧部分氧化。部分氧化的燃料被称为“重新形成的燃料”，并且部分氧化物(例如醛)可以是其中燃料(碳氢化合物)的一部分被醛基(CHO)氧化的重新形成的燃料的一个示例。

接下来，将参考图5-7详细描述冷焰反应。

图5和6示出模拟结果，该结果示出在燃料(十六烷)被喷射到具有 430℃温度的加热器50上的情况下各种物理量相对于从喷射开始过去的时间的变化。在图5和6中，图(a)示出了环境温度的变化，图(b)示出了被向着加热器50喷射的燃料(十六烷)的摩尔浓度的变化，图(c)示出(i)通过氧化过程消耗的氧气、(ii)通过氧化过程生成的水分子)和(iii) 通过氧化过程生成的二氧化碳分子的摩尔浓度的变化，并且图(d)示出在通过冷焰反应生成的乙醛和丙醛的摩尔浓度的变化。将燃料喷射的开始时的初始条件设定为1大气压力、2200ppm十六烷浓度、20％氧气浓度、9％二氧化碳浓度和2％水浓度。

如图5和6所示，在喷射燃料之后不久，环境温度增大，燃料的摩尔浓度减小，并且重新形成的燃料的摩尔浓度增大。这意味着燃料通过被氧气氧化生成热，并且从燃料生成重新形成的燃料，即，发生冷焰反应。然而，这样的温度增大和摩尔浓度的改变是暂时的，并且温度增大和摩尔浓度的改变并不出现直到从燃料喷射开始过去大约4秒。

如图5所示，当过去了大约4秒时，环境温度增大，重新形成的燃料的摩尔浓度减小、二氧化碳和水的生成量增大，并且氧气的消耗量增大。这意味着重新形成的燃料通过被氧气氧化生成热，并且重新形成的燃料完全燃烧以生成二氧化碳和水，即，发生热焰反应。通过冷焰反应的温度增大量小于通过热焰反应的温度增大量。另外，通过冷焰反应的氧气消耗量小于通过热焰反应的氧气消耗量。

如图5所示，当氧化反应通过两个步骤发生时，生成重新形成的燃料作为在从冷焰反应到热焰反应的时间段期间的反应中间体。反应中间体的示例可以是各种碳氢化合物，例如醛、酮或类似物。图7示出生成醛所通过的主反应路径的示例。

如图7中的(1)所指示的，碳氢化合物(柴油燃料)与氧分子反应并且生成碳氢过氧化氢基。碳氢过氧化氢基分解为醛和碳氢基(参考图7中的(2))。碳氢基与氧分子反应并且生成另一碳氢过氧化氢基(参考图7中的(3))。碳氢过氧化氢基分解为醛和碳氢基(参见图7中的(4))。碳氢基与氧分子反应并且还生成另一碳氢过氧化氢基(参考图7中的(5))。以该方式，反复生成碳氢过氧化氢基同时降低碳数量，并且在每次生成碳氢过氧化氢基时生成醛。应当注意到，在热焰反应中，燃料完全燃烧并且生成二氧化碳和水，但是不生成反应中间体。换言之，通过冷焰反应生成的反应中间体被氧化成二氧化碳和水。

本公开的发明人已进一步执行以下实验来确认如图5和6所示的模拟结果的可能性。在实验中，燃料喷射器40喷射柴油燃料，并且使喷射的柴油燃料与加热的板(未示出)碰撞。然后分析在加热的板上蒸发的气体成分。作为分析的结果，确认了当使2000ppm的柴油燃料与加热的板碰撞时生成大约30ppm的乙醛。分析结果指示通过冷焰反应生成乙醛。

在图5和6所示的模拟中，加热器50的温度被设定为430℃。本公开的发明人进一步以加热器50的不同温度执行模拟，并且获得图8中所示的分析结果。在图8中，符号L1、L2、L3、L4、L5和L6分别示出当加热器温度被设定为530℃、430℃、330℃、230℃、130℃和30℃时的结果。

如符号L1指示的，当加热器温度是530℃时，几乎不存在停留在冷焰反应的时间段，并且仅以一个步骤完成氧化反应。与之相反，如符号L3所指示的当加热器温度被设定在330℃时，冷焰反应的开始定时与如符号L2 所指示的其中加热器温度被设定为430℃时的情况相比延迟了。而且，当加热器温度被设定为230℃或更低时，如符号L4到L6所指示的，冷焰反应和热焰反应都不发生，即，不发生氧化反应。

在图8中示出的模拟中，当量比(其是喷射的燃料与供应的空气的重量比)被设定为0.23。在该连接中，本发明人利用不同当量比的模拟获得了图9中所示的结果。应当注意到，当量比可定义为通过将“空气燃料混合物中包含的燃料的重量”除以“可完全燃烧的燃料的重量”的值。如图9所示，当当量比被设定为1.0时，几乎没有停留在冷焰反应的时间段，并且以仅一个步骤完成氧化反应。而且，当当量比被设定为0.37时，与其中当量比被设定为0.23的情况相比，提前了冷焰反应的开始定时，冷焰反应率增大，冷焰反应周期减小，并且在完成冷焰反应时的环境温度增大。

图10示出了图8和9的分析结果的概要，并且图的横坐标指示图8的加热器温度(环境温度)并且图的纵坐标指示图9的当量比。图10中的虚线区域是其中两步骤氧化反应发生的区域。如图10所示，其中环境温度低于下限值的区域是其中不发生氧化反应的非反应区域。另外，甚至当环境温度高于下限值时，其中当量比等于或大于1.0的区域是其中以仅一个步骤完成氧化的一步骤氧化反应区域。

在两步骤氧化反应区域与一步骤氧化反应区域之间的边界线根据环境温度和当量比而变化。即，当环境温度落入规定的温度范围内并且当量比落入规定的当量比范围内时，两步骤氧化反应发生。即，规定的温度范围和规定的当量比范围对应于图10中的虚线区域。当环境温度被设定为规定的温度范围的最优温度(例如370℃)时，边界线上的当量比具有最大值(例如1.0)。因此，为了更早生成冷焰反应，将加热器温度调节到最优温度并且将当量比设定为1.0。然而，当当量比大于1.0时，不发生冷焰反应，并且因此当量比优选被设定为比1.0小给定余量的值。

在图8和9中所示的模拟中，空气中的臭氧浓度被设定为零。本公开的发明人进一步利用空气中的不同臭氧浓度执行模拟，并且得到图11所示的分析结果。在模拟中，将初始条件设定为具有1大气压力，2200ppm的十六烷浓度以及330℃的环境温度。如图11所示，冷焰反应的开始定时随着臭氧浓度增大而变得更早。可如下解释这样的现象。如上所述，碳氢基与图7中(1)、(3)和(5)中的氧分子反应，并且利用空气中包含的臭氧加速这些反应。结果，短时间生成醛，由此冷焰反应的开始定时变得早。

ECU 80的微型计算机81包括用于存储程序存储器单元，以及根据存储在存储器单元中的程序执行算法处理的中央处理单元。ECU 80基于传感器的检测值来控制内燃机10的操作。传感器可以包括加速器踏板传感器 91、发动机速度传感器92、节流阀开度传感器93、进气压力传感器94、进气量传感器95、排气温度传感器96等。

加速器踏板传感器91检测驾驶员对车辆的加速器踏板的压下量。发动机速度传感器92检测内燃机10的输出轴10a的旋转速度(即发动机旋转速度)。节流阀开度传感器93检测节流阀13的打开量。进气压力传感器94 检测在节流阀13下游的位置处的进气通道10in的压力。进气量传感器95 检测进气的质量流率。

ECU 80通常根据内燃机10的输出轴10a的旋转速度和发动机负荷来控制从燃料喷射阀(未示出)喷射的用于燃烧的燃料的量和喷射定时。另外，ECU 80基于由排气温度传感器96检测的排气温度来控制还原剂供应设备的操作。换言之，微型计算机81通过以预定周期反复执行图12中所示的过程(即程序)来在重新形成燃料的生成和臭氧的生成之间切换。当点火开关被打开时过程开始，并且当内燃机10在运行的同时不断执行该过程。

在图12的步骤10，微型计算机81确定内燃机10是否在运行。当内燃机10未运行时，在步骤15停止还原剂供应设备的操作。更特别地，当供应电力到放电反应器20、气泵20p、燃料喷射器40和加热器50时，停止电力供应。然而，当内燃机10在运行时，根据NOx净化设备15内的还原催化剂(NOx催化剂温度)的温度操作还原剂供应设备。

更特别地，在步骤11，以预定功率量操作气泵20p。接着，在步骤12，确定NOx催化剂温度是否低于还原催化剂的激活温度T1(例如250℃)。使用由排气温度传感器96检测的排气温度来估计NOx催化剂温度。应当注意到，还原催化剂的激活温度是重新形成燃料可通过还原过程净化NOx 的温度。

当确定NOx催化剂温度低于激活温度T1时，在步骤13执行图13所示的臭氧生成控制的子例程过程。最初，在图13的步骤20，供应预定电力量到放电反应器20的电极21以启动电子放电。接下来，在步骤21停止到加热器50的电力供应，并且在步骤22停止到燃料喷射器40的电供应以停止燃料喷射。

根据臭氧生成控制，放电反应器20生成臭氧并且将生成的臭氧经由燃料喷射室30a、蒸发室30b和供应通道32供应到废气通道10ex。在这种情况下，如果实施到加热器50的电力供应，则臭氧将被加热器50加热并且分解。而且，如果供应燃料，放电反应器20内的臭氧将与供应的燃料反应。鉴于此，在图13所示的臭氧生成控制中，停止加热器50的加热以及燃料喷射器40的燃料供应。由于该原因，因为可避免臭氧与燃料的反应以及加热分裂，生成的臭氧被实际上供应到废气通道10ex。

当确定NOx催化剂温度等于或高于图12中的激活温度T1时，在步骤 14执行图14所示的重新形成的燃料生成控制的子例程过程。

将根据图中的虚线来描述图14中的过程的大概。在步骤30，控制加热器50的操作以调节反应容器30内的温度到规定的温度范围内。然后，在步骤40，调节作为反应容器30内的燃料对空气的比率的当量比到规定的当量比范围之内。规定的温度范围和规定的当量比范围被包括在如图10中的虚线区域所指示的两步骤氧化区域内。相应地，发生冷焰反应并且生成如上所述的重新形成的燃料。

将规定的温度范围的下限设定到为在一步骤氧化区域和非反应区域之间并且在两步骤氧化区域和非反应区域之间的边界线的260℃。将规定的温度范围的上限设定到在一步骤氧化区域和两步骤氧化区域之间的边界线中的最大温度。将规定的当量比范围的上限设定为在一步骤氧化区域和二步骤氧化全区域之间的边界线中的最大值并且对应于370℃的值。

另外，在步骤50，根据在反应容器30内的燃料的浓度来控制到放电反应器20的电力供应。相应地，生成臭氧，并且将生成的臭氧供应到反应容器30内。因此，如参考图11所描述的，冷焰反应的开始定时提前，并且降低冷焰反应时间。因此，甚至当反应容器30被缩小尺寸为使得降低反应容器30内燃料的停留时间时，可在该停留时间内完成冷焰反应，由此反应容器30可缩小尺寸。

执行步骤30的微型计算机81可提供“温度控制器(控制器)”。执行步骤40的微型计算机81可提供“当量比控制器(控制器)”。执行步骤50 的微型计算机81可提供“放电功率控制器(控制器)”。此后，将参考图14 描述那些步骤S30、S40和S50的细节。

首先，将描述在步骤30的温度控制器的过程。在步骤31，获得还原剂供应设备内，即反应容器30内的温度。特别地，获得由温度传感器31 检测的检测温度Tact。在随后步骤32，确定检测温度Tact是否高于预定目标温度Ttrg。更特别地，确定通过从检测温度Tact减去目标温度Ttrg得到的差别Δt是否大于零。

当不满足ΔT>0时，过程继续到步骤33，并且增大加热器50的加热量。特别地，随着差别Δt的绝对值增大，增大对加热器50的通电占空比。然而，当满足ΔT>0时，在步骤34确定差别ΔT是否超过最大值(例如50℃)。当差别ΔT不超过最大值时，过程继续到步骤35，并且减小加热器50的加热量。特别地，随着差别ΔT的绝对值增大，降低对加热器50的通电占空比。然而，当差别ΔT超过最大值时，过程继续到步骤36，并且停止对加热器50的电供应。因此，可快速降低环境温度。

在步骤32使用的目标温度Ttrg被设定到环境温度(例如370℃)，在该温度，当量比具有在图10中所示的两步骤氧化区域中的最大值。因为通过冷焰反应增大蒸发室30b内的温度，将加热器50控制为具有比目标温度 Ttrg低一由冷焰反应增大的温度的温度。

接下来，将在下文描述步骤40的当量比控制器的过程。在步骤40，当差别Δt等于或小于50℃时，过程继续到步骤41，并且计算对应于检测温度Tact并且冷焰反应发生时所处于的当量比的最大值更特别地，将在两步骤氧化区域中对应于环境温度的当量比的最大值或通过从最大值减去给定余量获得的值存储在微型计算机81中作为目标当量比例如，准备在两步骤氧化区域中对应于环境温度的当量比的最大值的图，并且将该图预先存储在微型计算机81中。然后，使用该图计算对应于检测的温度Tact的当量比的最大值。

在步骤42，基于在步骤41计算的当量比的最大值来设定目标当量比更特别地，通过从最大值减去给定余量来设定目标当量比相应地，甚至当实际当量比大于目标当量比时，实际当量比很有可能不超过最大值并且因此可降低冷焰反应的不发生的可能性。

然而，当差别Δt大于50℃并且在步骤36停止加热器50，过程继续到步骤43，并且将目标当量比设定为用于空气冷却的预定值。用于空气冷却的预定值被设定为大于对应于目标温度的当量比的最大值换言之，与步骤42的情况相比，可通过增大空气的流量来加速环境温度的降低。

在步骤44，设定目标燃料流率Ftrg，其是为了适当供应必需燃料量以便完全降低流入NOx净化设备15内的NOx的燃料的流率。目标燃料流率 Ftrg表示每个单位时间被供应到NOx净化设备15的燃料的质量。

特别地，基于下文将描述的NOx流入率以及NOx催化剂温度来设定目标燃料流率Ftrg。NOx流入率是每个单位时间流入NOx净化设备15的 NOx的质量。例如，可基于内燃机10的工作状况来估计NOx流入率。NOx 催化剂温度是在NOx净化设备15内的还原催化剂的温度。例如，NOx催化剂温度可基于由排气温度传感器96检测的温度来估计。

目标燃料流率Ftrg随着NOx流入率增大而增大。而且，因为在存在还原催化剂的情况下NOx的降低量(还原性能)根据NOx催化剂温度而改变，根据由于NOx催化剂温度导致还原性能的差别来设定目标燃料流率 Ftrg。

在随后步骤45，基于在步骤42或步骤43设置的目标当量比以及在步骤44设置的目标燃料流率Ftrg来计算目标空气流率Atrg。特别地，将目标空气流率Atrg如此计算为满足

在随后步骤46，基于在步骤45计算的目标空气流率Atrg来控制气泵 20p的操作。特别地，气泵20p的通电占空比随着目标空气流率Atrg增大而增大。接着，在步骤47，基于在步骤44设定的目标燃料流率Ftrg来控制燃料喷射器40的操作以执行燃料喷射。特别地，随着目标燃料流率Ftrg 增大，增大燃料喷射器40的打开时间。

执行步骤44和47的微型计算机81可提供控制将被供应到蒸发室30b 内的燃料的流率的“燃料流率控制器”。执行步骤41、42、43、45和46的微型计算机81可提供控制将被供应到蒸发室30b的空气的流率的“空气流率控制器”。

然后，将描述通过放电功率控制器的步骤50的过程。最初，在步骤 51基于在步骤44设定的目标燃料流率Ftrg来计算目标臭氧流率Otrg。特别地，计算目标臭氧流率Otrg使得蒸发室30b内臭氧浓度对燃料浓度的比率变为给定值(例如0.2)。例如，该比率被设定为使得可在给定时间(例如0.02秒)内完成冷焰反应。例如，当如图11所示燃料浓度是2200ppm时，需要400ppm的臭氧浓度来在0.02秒内完成冷焰反应。在该情况下，设定目标臭氧流率Otrg使得臭氧浓度变为400ppm。

在随后的步骤52，基于在步骤45计算的目标空气流率Atrg以及在步骤S51计算的目标臭氧流率Otrg来计算对放电反应器20的目标通电量 Ptrg。随着目标空气流率Atrg增大，减小放电通道21a内的空气的停留时间。因此，随着目标空气流率Atrg增大，增大目标通电量Ptrg。

根据本实施例，还原剂供应设备包括其中燃料被空气中的氧气氧化的反应容器30。调节反应容器30内的温度和当量比以生成冷焰反应，并且将通过冷焰反应被部分氧化的燃料(重新形成的燃料)供应到废气通道10ex 内作为NOx净化还原剂。因此，与其中将未部分氧化的燃料用作还原剂的情况相比，可改进NOx净化率。

此外，在本实施例中，提供放电反应器20，并且当生成冷焰反应时，将由放电反应器20生成的臭氧供应到反应容器30内。为此原因，冷焰反应的开始定时可以提前，并且可降低冷焰反应时间。因此，甚至当反应容器30缩小尺寸时，并且缩短燃料在反应容器30内的停留时间时，也可在停留时间内完成冷焰反应。因此，反应容器30可被缩小尺寸。

此外，在本实施例中，通过图14中的步骤50的过程，根据蒸发室30b 内的燃料的浓度来控制用于电子放电的电力。例如，计算目标臭氧流率Otrg 使得臭氧浓度对燃料浓度的比率变为给定值(例如0.2)，并且然后控制放电功率。为此原因，抑制臭氧浓度相对于燃料浓度的超额或缺乏，并且可通过以适当量供应臭氧来提前冷焰反应的开始，由此可降低在放电反应器 20的电力消耗。

此外，在本实施例中，当还原催化剂的温度小于激活温度T1时，将放电反应器20生成的臭氧供应到蒸发室30b，同时停止燃料喷射器40的燃料喷射，由此将臭氧供应到废气通道10ex。相应地，可防止当未激活NOx 激活设备15中的还原催化剂的时候作为还原剂的重新形成的燃料被供应。因为废气中的NO通过供应臭氧被氧化为NO₂，并且在NOx净化催化剂内被吸附，可增大在NOx净化设备15内的NOx吸附量。

此外，在本实施例中，提供对燃料进行加热的加热器50，以及检测蒸发室30b内的温度(环境温度)的温度传感器31。在图14的步骤30的温度控制器根据由温度传感器31检测的温度来控制加热器50的操作，以将蒸发室30b内的温度调节到规定的温度范围内。相应地，通过温度传感器 31直接检测蒸发室30b内的温度。而且，通过加热器50直接加热蒸发室30b内的燃料。为此原因，可以高精度实现将蒸发室30b内的温度调节到规定的温度范围内。

应当注意到，根据图10所示的环境温度，冷焰反应发生时的规定的当量比范围可以不同。考虑上述事实，图14的步骤40的当量比控制器根据检测温度Tact来改变目标当量比因此，甚至当检测温度Tact从目标温度Ttrg偏移时，因为根据在蒸发室30b内的实际温度来调节当量比，所以冷焰反应可确保发生。

另外，在本实施例中，基于NOx净化设备15需要的还原剂的所需流率在图14的步骤44和47(燃料喷射量控制器)设定目标燃料流率Ftrg。基于目标燃料流率Ftrg来在步骤41、42、43、45和46(空气流率控制器) 设定目标空气流率Atrg，使得当量比落入规定的当量比范围内。为此原因，可将当量比调节到规定的当量比范围内，同时满足NOx净化设备15所需的还原剂的所需流率。

另外，根据本实施例，通过加热器50生成裂解以将燃料热分解为具有小碳数的碳氢化合物。因为具有小碳数的碳氢化合物具有低沸点，可抑制蒸发的燃料返回到液体形式。

(第二实施例)

在图1所示的第一实施例中，通过气泵20p将空气供应到放电反应器 20内。与之相比，在根据图15所示的第二实施例的还原剂供应设备中，将内燃机10中的部分进气供应到放电反应器20内。

特别地，支管36h连接在压缩机11c下游并且在冷却器12上游的进气通道10in的部分与放电反应器20的流体通道22a之间。而且，支管36c 连接在冷却器12下游的进气通道10in的部分与流体通道22a之间。未被冷却器12冷却的高温进气经由支管36h供应到放电反应器20。然而，通过支管36c将在被冷却器12冷却之后的低温进气供应到放电反应器20。

打开和关闭相应支管36h和36c的内部通道的电磁阀36附着到支管 36h和36c。通过微型计算机81控制电磁阀36的操作。当电磁阀36操作以打开支管36h并且关闭支管36c时，高温进气流入放电反应器20。当电磁阀36操作以打开支管36c并且闭合支管36h时，低温进气流入放电反应器20。

电磁阀36的操作允许在其中未被冷却器12冷却的高温进气从冷却器 12的上游分出的模式，与其中在被冷却器12冷却之后的低温进气从冷却器 12的下游分出的模式之间的切换。在该情况下，在臭氧生成控制期间选择用于供应低温进气的模式，并且因此防止生成的臭氧被进气的热损坏。然而，在除了臭氧生成控制之外的期间选择用于供应高温进气的模式，并且禁止加热器50加热的燃料被反应室内的进气冷却。

在电磁阀36被打开的时间段期间，将内燃机10的燃烧室内的进气的量降低流过支管36h和36c的进气的部分的量。为此原因，微型计算机81 校正节流阀13的开度或压缩机11c的压缩量，使得流入燃烧室的进气的量增大在电磁阀36的打开期间流过支管36h和36c的进气的量。

根据本实施例，将被压缩机11c压缩的进气的部分供应到放电反应器 20。为此原因，可在不具有图1所示的气泵20p的情况下将包含氧气的空气供应到放电反应器20内。

(第三实施例)

在图1和5所示的实施例中，通过放电反应器20生成臭氧，并且将生成的臭氧供应到反应容器30内。替代地，在图16所示的第三实施例中，消除放电反应器20。在该情况下，尽管不能获得在反应容器30中通过臭氧对反应率的加速，但是可实现还原剂供应设备的缩小尺寸。

(其它实施例)

上文已描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于上述实施例，而是可利用如下文例示的各个修改来实施。

在图1所示的实施例中，加热器50被布置在反应容器30内。替代地，加热器50可被布置在反应容器30外，使得燃料或空气在反应容器30上游的位置处被加热。而且，在图1所示的实施例中，温度传感器31被布置在反应容器30内。替代地，可将温度传感器31布置在反应容器30下游的位置处。

在图1所示的上述实施例中，燃料喷射器40被用作雾化液体燃料的雾化器并且将雾化液体燃料供应到加热器。可使用通过振动燃料来雾化液体形式的燃料的振动设备作为雾化器。振动设备可具有以高频率振动的振动板，并且燃料在振动板上振动。

在图15所示的上述实施例中，进气通过支管36h和36c从冷却器12 上游和下游的进气通道10in的两个部分分出。与之相反，可以消除两个支管36h和36c中的任一个，并且还可消除由电磁阀36对模式的切换。

当还原剂供应设备处于其中停止臭氧和重新形成的还原剂的生成的完全停止状态时，可停止在放电反应器20处的电释放以降低浪费的电消耗。当例如NOx催化剂温度低于激活温度并且NOx吸附量达到饱和量时，或在NOx催化剂温度变得高于还原催化剂可还原NOx的最大温度时，还原剂供应设备可以处于完全停止状态。此外，气泵20p的操作可停止在完全停止状态以便降低浪费的功耗。

在图1所示的上述实施例中，在NOx净化设备15中使用物理吸附 NOx)的还原催化剂(即物理吸附)，但是可使用化学吸附NOx(即化学吸附)的还原剂。

当内燃机10中的空气燃料比比化学计量的空气燃料比稀薄时(即当发动机10处于稀薄燃烧时)，NOx净化设备15可吸附NOx，并且当内燃机 10中的空气燃料比不比化学计量的空气燃料比稀薄时(即当发动机10处于非稀薄燃烧时)，NOx净化设备15可降低NOx。在该情况下，在稀薄燃烧时生成臭氧并且在非稀薄燃烧时生成重新形成的还原剂。在稀薄燃烧时吸附NOx的催化剂的示例之一可以是由载体承载的箔和钡支撑的化学吸附还原催化剂。

可将还原剂供应设备应用到具有不带有吸附功能(即物理吸附和化学吸附功能)的NOx净化设备15的燃烧系统。在该情况下，在NOx净化设备15中，可使用基于铁或基于铜的催化剂作为在稀薄燃烧中在给定规定温度范围内的NOx还原性能的催化剂，并且可供应重新形成的物质到作为还原剂的那些催化剂。

在上述实施例中，基于由排气温度传感器96检测的排气温度来估计在图12的步骤12使用的NOx催化剂温度。然而，温度传感器可附着到NOx 净化设备15，并且温度传感器可直接检测NOx催化剂温度。或者，可基于输出轴10a的旋转速度以及内燃机10的发动机负载来估计NOx催化剂温度。

在图1所示的上述实施例中，放电反应器20具有电极21，每个电极 21具有板形状并且彼此平行面对。然而，放电反应器20可以具有以针状方式突出的针状电极(针电极)和环形地围绕针状电极的环形电极。

在图1所示的上述实施例中，还原剂供应设备被应用到安装在车辆中的燃烧系统。然而，可以将活性物质供应系统应用到静止燃料系统。此外，在图1所示的实施例中，将还原剂供应设备应用到压缩自点火柴油发动机，并且用于燃烧的柴油用作还原剂。然而，还原剂供应设备可以应用到自点火汽油发动机，并且还可以将用于燃烧的汽油用作还原剂。

可通过例如仅软件、仅硬件或其组合来提供由ECU提供的模块和功能。ECU可由例如模拟电路来构成。

Claims (7)

1.一种用于燃料燃烧系统的还原剂供应设备，所述燃料燃烧系统包括具有被布置在废气通道(10ex)中的还原催化剂的NOx净化设备(15)，以净化包含在内燃机(10)的废气中的NOx，所述还原剂供应设备在所述还原催化剂上游的位置将还原剂供应到所述废气通道(10ex)中，所述还原剂供应设备包括：

反应容器(30)，所述反应容器中具有反应室(30a、30b)，在所述反应室内，碳氢化合物的燃料与空气混合并且被所述空气中的氧气氧化；

当量比控制器(S40)，所述当量比控制器将所述反应室内的燃料与空气的当量比调节到规定的当量比范围内；以及

温度控制器(S30)，所述温度控制器将所述反应室内的温度调节到规定的温度范围内，其中

所述规定的当量比范围和所述规定的温度范围被设定为使得生成冷焰反应，所述反应室内的燃料通过所述冷焰反应被氧气部分氧化，并且

将通过所述冷焰反应被部分氧化的燃料用作所述还原剂，并且

所述当量比控制器根据所述反应室内的温度来改变目标当量比，所述目标当量比是所述当量比的目标值。

2.根据权利要求1所述的还原剂供应设备，还包括

生成臭氧的臭氧生成器(20)，其中

当生成所述冷焰反应时，将由所述臭氧生成器生成的臭氧供应到所述反应室中。

3.根据权利要求2所述的还原剂供应设备，其中

所述臭氧生成器(20)通过对空气电气放电来生成臭氧，并且

所述还原剂供应设备还包括放电功率控制器(S50)，所述放电功率控制器根据在所述反应室内的燃料的浓度来控制用于在所述臭氧生成器处电气放电的电功率。

4.根据权利要求2所述的还原剂供应设备，其中

当所述还原催化剂的温度低于所述还原催化剂的激活温度时，将由所述臭氧生成器生成的臭氧供应到所述反应室，同时停止到所述反应室的燃料供应，以将所述臭氧供应到在所述还原催化剂上游的位置处的所述废气通道(10ex)内。

5.根据权利要求1所述的还原剂供应设备，还包括：

加热器(50)，所述加热器对供应到所述反应室内的燃料进行加热；以及

温度传感器(31)，所述温度传感器检测所述反应室内的温度，其中

所述温度控制器通过根据由所述温度传感器检测的温度控制所述加热器，来将所述反应室内的温度调节到所述规定的温度范围内。

6.根据权利要求1所述的还原剂供应设备，其中

当通过从所述反应室内的检测温度减去预定目标温度得到的温度差别大于最大值时，所述目标当量比被设定为大于对应于所述目标温度的所述当量比的最大值的预定值。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的还原剂供应设备，其中

所述当量比控制器包括：

燃料流率控制器(S44、S47)，所述燃料流率控制器控制将被供应到所述反应室内的燃料的流率；以及

空气流率控制器(S41、S42、S43、S45、S46)，所述空气流率控制器控制将被供应到所述反应室内的空气的流率，其中

所述燃料流率控制器基于在所述NOx净化设备处要求的所述还原剂的要求的流率，设定目标燃料流率，所述目标燃料流率是将被供应到所述反应室内的燃料的流率的目标值，并且

所述空气流率控制器基于所述目标燃料流率来设定目标空气流率，使得所述当量比在所述规定的当量比范围内，所述目标空气流率是将被供应到所述反应室内的空气的流率的目标值。