CN1281532A - 在压燃式发动机中通过在膨胀冲程喷入烃产生NOx还原剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法,此法通过在发动机膨胀冲程中在发动机的燃烧室中喷入烃产生NOX还原剂。第二次喷入的烃在适当的条件下生成氧化物和烯烃,这些氧化物和烯烃适于在传统的废催化剂存在下还原NOX。通过参考由直接发动机测定得到的校准获得适当的喷入时间。

Description

在压燃式发动机中通过在膨胀冲程喷入烃产生NOx还原剂
本发明一般涉及操作柴油机的改进方法。更具体地说，本发明涉及在膨胀冲程中喷入烃在柴油发动机中形成NOx还原物质的方法。
在柴油发动机的正常操作中，首先在发动机的压缩室中将空气压缩成约500磅／平方英寸的压力。空气的压缩使其温度升高到约1000°F。然后通过燃料喷入喷嘴将柴油燃料喷入压缩的热空气中。燃料在压缩室雾化，在此，温度升高到燃料的自燃温度，在燃烧室中气体自发点燃、燃烧和膨胀。燃烧产物的膨胀向下驱动汽缸，从而为发动机提供动力冲程。
为了使发动机高效地操作，即在以最低的燃料消耗得到最高的功率，一般操作在能产生含大量氧和含最少量未燃烧烃的废气的空气燃料比，遗憾的是，最大功率和高效地操作柴油机还为最高操作温度升高造成条件，从而产生NOx排放。减少NOx排放的一种方法当然是使废气与能够将废气中的NOx数量减少的催化剂相接触。然而，对在柴油机废气环境有效的催化剂来说，在废气中存在还原物质时脱NOx的催化剂一般更有效。为了产生这些还原物质，发动机应操作在低的峰值温度的条件下，而这些条件与使整个发动机有效操作的所要求的条件相反。
在催化剂下提供还原物质的一种方法是第二次喷入，即在接近膨胀冲程结束时以固定的曲柄角将烃喷入柴油发动机的汽缸中。这种方法的一个问题是，完全将NOx还原所需的各种还原物质的量取决于发动机操作参数，如发动机速度、发动机负荷以及入口气体(空气和废气循环，“EGR”)压力(当压缩机存在时)，以及以曲柄角的第二次喷入不能随发动机操作参数变化调节烃的喷入量。以固定的曲柄角的喷入烃的第二个问题是，最有效的还原剂，即烯烃和氧化物，不是发动机的主要燃料源。在发动机中将这些化合物喷入废气流中必须提供这些化合物的第二种来源。以固定的曲柄角的第二次喷入的还有一个问题是将高沸点芳族分子引入废气中。这会给废气处理系统造成负担，因为除非将它们氧化成CO2和H2O，这些分子将参与PNA排放。
因此，本发明的一个目的是提供一种操作发动机的方法，使得在柴油发动机的燃烧室中产生有效的NOx还原物质，其量足以将发动机废气中存在的NOx催化转化。本发明的另一目的是使用一种转化废气中NOx的方法，此法可以避免如果这些物质由通常燃烧中作为副产品生成而提出的各种限制。
换言之，本发明的一个目的是高效地操作柴油发动机的同时，在燃烧室产生足量的有机裂解产物，即还原物质，用于将废气中NOx催化还原。
在一实施方案中，本发明涉及的方法是通过在柴油为燃料的发动机汽缸中在膨胀冲程喷入烃以增加氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及它们的混合物的生成而减少NOx的排放，但基本上不降低发动机的功率，此方法包括：
(a)在一个或多个预选的发动机操作点确定校准量的烃和校准的曲柄角值，在此操作点，在发动机的汽缸中生成增量的氧化物、不饱和物、不饱和的氧化物以及它们的混合物，在此操作点的发动机的废气流的废催化剂下游中存在低浓度的NOx，在此操作点，发动机的功率基本上没有降低；
然后在发动机操作中
(b)测定该发动机的操作点；
(c)当测定的操作点和预选的操作点之一相同时，由预选的操作点的校准的曲柄角值和校准的烃量确定在该测定的操作点在膨胀冲程的曲柄角值和烃量。当测定的操作点是不同于预选的操作点时，通过在预选测定点的校准曲柄角值和校准烃量之间的插值测定膨胀冲程中喷入的烃量和曲柄角；
(d)在膨胀冲程中以此曲柄角将该量的烃喷入发动机的汽缸中；以及
(e)只要(b)步的操作点有变化，重复(c)和(d)步骤。
图1说明理解本发明的柴油发动机所必须的一个汽缸的主要部件。
图2为本发明的普通导轨喷入系统结构示意图。
图3说明峰值的裂解产物产量(氧化物和烃不饱和物(烯烃))与在负荷3．1巴BMEP、1．4巴进气压力和转速2，250转／分钟的具体的发动机操作点在本发明的膨胀冲程开始测定的第二次喷入角的依赖关系。
图4说明这些裂解产物的总和对发动机负荷、进气压力和转速的依赖关系。
图5说明当发动机操作参数变化时裂解产物产量与偏离于峰值发生的角度的依赖关系。
图6表明C1烯烃与C1氧化物的比值如何随定时偏离于峰值总产量发生的角度而变化。随发动机操作参数改变，此变化几乎是均匀的。
现在详细讨论本发明，并专门参考往复式四冲程压缩内燃机；但是，应该理解，本发明同样适用于其它压燃式的发动机如两冲程往复压缩内燃机。另外，在下面讨论中，在各图中相同的数字表示相同的部件。
首先，参考图1为包括发动机汽缸体12的柴油发动机，其中在汽缸体12有燃烧室或汽缸14。在汽缸14内，有连接到发动机的曲柄(未示出)的可滑动的活塞15。在汽缸14的顶部是封闭汽缸14一端的汽缸盖16。
在汽缸盖16安装有燃料喷入喷嘴17，可以将柴油燃料定时喷入燃烧室或汽缸14。此发动机还包括废气阀21、废气口24、空气阀20和空气口18。
在操作中，在汽缸的进气冲程的开始时活塞15位于相当于曲柄转动角约为0°的位置，吸入阀20打开，随着活塞向下移动，空气进入燃烧室或汽缸14中。在进气冲程结束时或刚结束不久阀20关闭，在压缩冲程活塞15上升，在相当于曲柄转动角180°汽缸接近底部的位置时，即下死点位置，活塞15开始其压缩冲程。在燃烧室喷入任选的试验性的燃料，这时活塞15到达相当于在压缩冲程的曲柄转动角约330°的位置。汽缸中的空气经压缩使温度和压力升高，任何的试验性的燃料进行预燃烧的化学与物理反应。随着继续压缩，通过喷入喷嘴17将主要柴油燃料喷入汽缸14中，柴油燃料点燃，引起燃烧室14中的整个混合物膨胀。随着活塞经过相当于上止点(0°)曲柄角的位置，发动机膨胀(动力)冲程开始。按照本发明，在动力冲程的汽缸14膨胀时，基于主要燃料量的预选量的烃燃料以叫做第二次喷入角的预定转动角喷入汽缸中。这种预选的燃料喷入可以通过喷嘴17或另一喷嘴喷入。
在膨胀即动力冲程中的烃的喷入，称做第二次喷入，以区别于主要燃料喷入。在膨胀中喷入的烃是第二次喷入的烃。一般来说，在动力冲程喷入的烃燃料，可以与在压缩冲程喷入发动机的柴油燃料相同，或可以是某些其它的烃或氧化物，在任一具体操作点第二次喷入烃的最佳量由在用于有效的NOx转化废催化剂中所需的还原剂与NOx化合物的比值确定。这一比值可以取决于许多因素，包括发动机操作温度、喷入时间、压缩比、发动机转速、空气-燃料比、发动机负荷、废气再循环(egr)以及废气流的所要求的组成。但是，一般来说，为用作主要燃烧的主要燃料重量的约0．5-5％重量，优选为1％重量-3％重量将喷入汽缸中。
应该指出，本发明的第二次喷入基本上不会降低发动机的功率。
此外，如指出的，第二次喷入角还取决于废气流中所要求的有机物质的组成。图3说明在一直接喷入的压缩比为21∶1的和在指出的负荷(“负荷”)3．1巴制动平均发动机压力(“BMEP”)和发动机转速2250转／分钟的2．5升4汽缸的涡轮增压的柴油发动机的计算的表示典型柴油燃料的脂族部分(脂族部分是典型柴油燃料的主要部分)异、正和环石蜡烃的混合物计算的喷入产物与第二次喷入时间的关系。此图表明在上止点后约72°喷入时呈现所要求的还原剂即烯烃和氧化物总和最大产量。此外，如图3所示，氧化物与烯烃的相对量随第二次定时偏离于72°曲柄转动角而变化。这些数据是由模拟这种发动机性能的动力学模型产生的。
此图说明C3氧化物(水平线条)、C3不饱和物(向右线条)和C4不饱和物(向左线条)的产量。同时还表示第二次喷入(虚线)的裂解产物的总和。
在本发明中，第二次喷入出现的角度取决于发动机的负荷、进气压力(当压缩机存在时)和转速。如上所述，第二次喷入会在燃烧中生成裂解产物，这些列解产物出现在废气流中，裂解产物中含氧化物和烯烃生成的裂解产物的量和裂解产物中的烯烃和氧化物的相对量发现取决于发动机负荷、进气压力和转速。图4表明裂解产物总和同发动机负荷、进气压力和转速的依赖关系。此外，如上所述，烯烃与氧化物裂解产物的比值取决于发动机负荷和转速。图4的数据是应用同样的动力学模型得到的。
应该指出，如果使用压缩机，进气压力可能与发动机转速很有关系。
众所周知，在柴油发动机中采用废催化剂以降低发动机废气中NOx的浓度。熟悉该领域的人员知道，根据废催化剂以及废气的条件，氧化物或烯烃用于NOx还原更有活性。本发明的一个目的是，调节第二次喷入角使得在整个操作范围中随着发动机操作参数的变化，裂解产物的生成达到最大化。本发明的另一目的是调节第二次喷入角使得随着在整个操作范围中操作参数的变化，氧化物和烯烃之间裂解产物的分布达到废催化剂和废气条件最有效NOx转化所要求的最优化。
在一实施方案中，随着诸如空气-燃料比、废气循环程度、气体(空气和EGR)进气压力(在压缩机存在时)、发动机负荷和转速等操作条件在发动机整个操作范围在变化，通过测定裂解产物与第二次喷入角的关系可得到所要求的第二次喷入角。这些测定记录作为校准。应该指出，发动机的所有参数不一定作为校准的一部分测定，因为，如熟悉本专业的人所知，某些发动机操作参数根据具体发动机的结构和其使用可以高度相关。但是，一般来说，至少负荷和进气压力(在压缩机存在时)在确定校准时必须变化。
按照本实施方案，在实际的发动机使用中，测定发动机的操作条件，并找到相应的第二次喷入角记录。然后操作发动机的喷入器，使得经过喷入器的控制器的作用使第二次喷入发生在最佳角度。如上所述，最佳角度取决于在每一操作点为有效地NOx还原并最少的排放废烃所要求的氧化物与烯烃的比值。
在优选的实施方案中如下地得到校准：
首先，在NOx还原剂产量最大化的参考点测定第二次喷入定时角。此定时角称为峰值还原剂产量的参考角APr．此参考点优选选在用于校准的所有参数范围内。
一旦测定了APr，则进行柴油发动机测量，以测定达到NOx还原剂产量最大所需的喷入角的改变程度，因为诸如负荷、速度和气体进气压力(当压缩机存在时)等参数在变化。对相当于最大的还原剂产生的喷入角记录下相当于发动机操作范围的操作条件。在不同于参考点(r)的发动机操作点(i)的相当于峰值还原剂的产量(AP)的喷入角称为APi。因此，喷入角的偏离于参考喷入角是APi-APr。
在此实施方案中，通过改变第二次喷入角可以改变NOx还原剂中烯烃和氧化物的相对比例。如上所述，随着发动机操作条件的变化，常希望增加裂解产物中氧化物或烯烃的相对浓度。一般来说，在较低的第二次喷入角则可得到比较高的氧化物浓度，而较高的角度，则得到较高的烯烃浓度。参见图3。相当于所要求的氧化物／烯烃比值和裂解产物总产量ADr的在参考操作点(r)的所要求的第二次喷入角由直接发动机测定来确定。已经发现，所要求的在任何发动机操作点(i)对相当于峰值还原剂的产生的喷入角的偏离等于ADi-APi是恒定的，几乎等于ADr-APr的值。参见图5和6。换言之，已经发现，在任何操作点(i)相当于峰值还原剂产量的第二次喷入角与相当于在同一操作点(i)的所要求的氧化物／烯烃和裂解产物总量之间的曲柄角的偏离量对所有的(i)值几乎是恒定的，因此可以以参考值(r)评价。
在图4和5中，用方块表示的诸点相当于BMEP负荷3．1巴、进气压力1．4巴和转速2250转／分钟；菱形点相当于BMEP负荷1．5巴、进气压力1．4巴和转速2100转／分钟；星形点相当于BMEP负荷3．1巴、进气压力1．2巴和转速1550转／分钟；圆点相当于BMEP负荷2．0巴、进气压力1．1巴和转速1550转／分钟。同样的规定适用于图6。用图4的同样动力学模型得到图5和6。
总之，在此实施方案中，使用直接发动机测量将参数APr和ADr-APr和矢量APi测定为校准。稍后，在实际发动机使用中通过测定相当于具体操作条件的发动机的操作点(i)，然后由关系ADi=APr+(APi-APr)+(ADi-APi)，其中，对于任何的(i)，ADi-APi等于ADr-APr，测定第二次喷入ADi的所要求的曲柄角，使NOx还原剂类型和量最优化，
校准点由相当于发动机所要求的操作范围的发动机负荷和速度值中选择。具体点的选择将取决于在废催化剂随发动机负荷和速度变化之前所用的具体的催化剂和废气流中的NOx总量。
NOx的催化转化发生在废催化剂是起作用的温度范围内。在任何具体速度的废催化剂温度主要由操作负荷决定。结果，在操作范围的任何的具体的速度，在相当于催化剂起作用的范围的开始的废催化剂温度选择最低的负荷-速度校准点。在相当于在催化剂起作用的温度范围的上端的废催化剂温度的负荷选择此速度的最大负荷-速度校准点，条件是负荷不超过所选速度的发动机的最大负荷。
实际上，在柴油发动机校准中，在跨及所要求的操作范围的速度选择校准点，并对上述每一速度测定最大和最低负荷值。在这些最大和最低负荷值的范围内，在观察到NOx增加产量处选择其它校准点。
校准点的精确数目将取决于柴油发动机的类型和发动机的使用方式。例如，在发动机以恒定的负荷和速度连续操作的情况下，在本发明实践中单一的校准点即足够。在其它的情况下，如在发动机的负荷和速度条件在整个发动机操作范围迅速变化时，校准点可以包括在代表性的速度的最低和最大负荷值以及相当于增加NOx产量的负荷-速度点的这些最低和最大值内的校准点。这种情况的代表是欧洲城市排放扩展的城区驱动周期(European City Emission Extended Urban Driving Cycle)。此驱动周期是作为Type 1 Test，排放试验周期在91／441／E．E．C．中提出的并在96／69／EC．中修改的。
在显示增加NOx产量的发动机操作范围中的每一操作不需要得到校准值。当用熟悉该领域的专业人员熟知的标准插值法测定在任何发动机操作点测定相当于峰值还原剂产量的第二次喷入的曲柄角时，可以得到足够数目的校准点。
在此优选的实施方案中，本发明如图2所示的执行。图2表示连接于燃料泵(2)的燃料库(1)。燃料以高压离开燃料泵，供给于普通的导轨(3)。喷入器的控制装置(5)通过传感器(7)感知发动机负荷和速度信息。喷入器控制装置测定发动机操作点(i)，并计算角度ADi所要求的喷入。喷入器控制装置产生在适当的曲柄角以激活发动机的喷入器(4)的信号(6)，从而在每一发动机的汽缸的所要求的曲柄角ADi进行第二次喷入。
应该容易理解，柴油发动机有不同的模式。对每种模式的发动机，可很容易地测定燃料消耗情况和废气特征之间的关系。任何熟悉该领域的人员能够通过在预定的第二次喷入角将预选量的烃在膨胀冲程喷入汽缸中以调节废气的组成。这使得发动机能从提供最大的功率和效率的观点得到最优化，同时其废气在适当的催化转换器存在下废气中有适当量的还原物质，可用于还原废气中的NOx。
第二次喷入还能使主要燃料燃烧时产生NO转化为NO2。如在还原剂产生的一样，通过改变相应于发动机操作条件的改变而改变第二次喷入曲柄角，可以得到所希望的NO向NO2的转化。转化量受到NO和喷入物之间混合程度的影响。当NO和喷入物完全混合时，在给定的第二次喷入角和给定的发动机操作点可以得到峰值的NO向NO2的转化。

Claims (8)

1．一种减少NOx排放的方法，此方法是通过在进气冲程中将主要燃料喷入发动机的汽缸之后在膨胀冲程中将烃喷入以柴油为燃料的发动机的汽缸中以增加氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及它们的混合物的生成，此法包括：
(a)在一个或多个预选的发动机操作点确定烃量和校准曲柄角值，在此，在发动机的汽缸中生成增加量的氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及他们的混合物，其中在发动机废气流的废催化剂的下游中存在降低浓度的NOx，并且其中发动机的功率基本上未降低；然后在发动机操作中
(b)测定发动机的操作点；
(c)当测定的操作点和预选的操作点之一相同时，由预选的操作点的校准的曲柄角值和校准的烃量测定在该测定的操作点的在进气冲程喷入主要燃料后在膨胀冲程喷入的曲柄角值和烃量，当测定的操作点是不同于预选的操作点时，通过在预选操作点的校准曲柄角值和校准烃量之间的插值测定膨胀冲程中喷入的烃量和曲柄角；
(d)以此曲柄角在膨胀冲程中将此烃量喷入发动机的汽缸中；以及
(e)只要(b)步的操作点变化，重复步骤(c)和(d)。
2．权利要求1的方法，其中发动机的操作点至少由发动机负荷、发动机速度和当入口气体压缩机存在时进行压力之一确定。
3．权利要求1的方法，其中在喷入的曲柄角范围为上止点后的约20°至上止点后约180°。
4．权利要求3的方法，其中在膨胀冲程中喷入的烃量为发动机的主要燃料重量的约0．5％重量-5％重量。
5．权利要求4的方法，其中喷入的烃和主要燃料相同。
6．权利要求5的方法，其中喷入的烃不同于主要燃料。
7．权利要求6的方法，其中在膨胀冲程喷入的烃选自异、环和正石蜡烃以及它们的混合物。
8．一种减少NOx的排放的方法，此法通过在进气冲程将主要燃料喷入发动机汽缸之后，在膨胀冲程中将烃喷入柴油为燃料的发动机的汽缸中以增加氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及它们的混合物的生成，此方法包括：
(a)在一个或多个预选的发动机操作点测定校准的烃量，此烃量约为发动机主要燃料重量的约0．5％-5％重量，此烃与主要燃料相同，并测定校准的曲柄角，此角范围为上止点后的约20°至上止点后的约180°，在此操作点在发动机的汽缸中生成增加量的氧化物、不饱和物、不饱和氧化物以及它们的混合物，在此操作点在发动机的废气流的废催化剂的下游中存在低浓度的NOx，在此操作点发动机的功率基本上未降低；
然后在发动机操作中，
(b)测定发动机的操作点；
(c)当测定的操作点和预选的操作点之一相同时，由预选的操作点的校准的曲柄角值和校准的烃量测定在该测定的操作点在膨胀冲程中的曲柄角值和喷入的烃量，当测定的操作点是不同于预选的操作点时，通过在预选测定点的校准曲柄角值和校准烃量之间的插值测定膨胀冲程中喷入的烃量和曲柄角；
(d)在膨胀冲程中以此曲柄角将烃量喷入发动机的汽缸中；
(e)只要在(b)步操作点变化，重复步骤(c)和(d)。
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