CN1920268A - 一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法，包括于引擎的空气进气端与废气排放端之间设有二次空气供应管道，于此一管道上至少设置一流量控制阀，接受电子控制单元控制，使机车于启动的惰速运转的低排气温度状态下，开启流量控制阀，供应二次空气至废气排放端，以维持触媒氧化一氧化碳及碳氢化合物的效率，且该电子控制单元内有设定一温度定值，一旦机车引擎排气温度逐渐上升至超过此一温度定值时，即令流量控制阀逐渐关阀或完全关阀，以减少或关闭二次空气流量，并降低废气排放端的空燃比，藉以提升触媒还原氮氧化物的效率。本发明使触媒还原废气中氮氧化物的转化效率提高，排放至大气中的氮氧化物含量减少，减小对自然环境的影响。

Description

一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法
技术领域
本发明涉及一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法，特别是在电子控制单元内设定一温度定值，使与电子控制单元所检知的引擎排气温度进行比对，以控制二次空气导入废气排放端时机的技术。
背景技术
坊间的机车引擎，为了降低排放废气中氮氧化物(NOX)含量的做法，主要是在机车引擎的排气管内设置触媒转化器，利用触媒中所含有的铑金(Rh)贵金属成分，而将废气中有害的氮氧化物(NOX)还原成无害的氮(N2)及氧(O2)。
众所周知，一般引擎运作环境中最为理想的空燃比(Air/Fuel)是控制在14.7前后既定范围内(如图1斜线区所示)，此表示引擎的运转效率越佳，越不易发生燃烧不完全现象，且有利于引擎排气管道内的触媒越容易与废气中的有害物质进行氧化(oxidation)及还原(reduction)反应。
影响机车触媒净化废气效率的原因，还包括触媒的装设技术与二次空气导入等技术：
其中该触媒的装设技术，现阶段的传统做法，是将一只或一只以上披覆有铂(Pt)、钯(Pd)及铑(Rh)等贵金属的触媒转化器组设于排气管道内，但是，这种作法仅能提升废气中有害的一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)的转化效率，对于提升废气中氮氧化物(NOX)的转化效率而言，其效果明显不彰；
此外，目前也存在一种导入二次空气技术，其作法是在触媒载体之前的机车引擎排气管道内导入二次空气，并通过引擎运转时之间歇性负压，将外界的新鲜空气导入排气管内，藉以增加废气中定量的含氧量，使废气空燃比(A/F)大于或等于14.7，以促进上述触媒氧化一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的转化效率，但是，在此一情况下，由于废气中已增加了含氧量，迫使通过触媒载体的废气空燃比(A/F)无法小于或等于14.7，再加上触媒进行氧化反应时会产生高温，均不利于触媒还原(reduction)废气中氮氧化物(NOX)的转化效率，以至于排放至大气中的氮氧化物(NOX)含量只增不减，是造成酸雨及破坏臭氧层的主因，影响自然环境甚巨，急待加强改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法，能使机车在交通壅塞的市区行车形态下，即引擎排气温度位在一既定的温度定值以下时，也就是易于产生较高有害废气浓度的情况下，让二次空气导入引擎废气排放端，来维持触媒氧化一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的转化效率，同时，机车引擎排气温度逐渐提高至该温度定值、且氮氧化物生成量逐渐增加时，通过控制二次空气的进气流量以调整废气排放端的含氧量，进而提升触媒还原氮氧化物的效率。
为实现上述目的，本发明采取技术方案：一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法，主要是在引擎的空气进气端与废气排放端之间设有二次空气供应管道；该废气排放端是指由引擎排气歧管经过一前段排气管道而连接至一排气管内的废气流道位置，且该废气排放端至少设有一触媒转化器，同时该二次空气供应管道上至少设置一接受电子控制单元控制的流量控制阀，以执行下列方法：
(1)在电子控制单元内设定一大于300℃的温度定值；
(2)启动引擎并开启电子控制单元电源，令电子控制单元开始读取一温度检知器所检知的引擎排气温度，进行引擎排气温度与温度定值的比对；
(3)当引擎排气温度小于上述温度定值时，令电子控制单元驱动流量控制阀完全开阀，将二次空气经由供应管道导入引擎的废气排放端，以增加废气中的含氧量，供触媒氧化废气中有害的一氧化碳与碳氢化合物；且
(4)当引擎排气温度大于上述温度定值时，令电子控制单元驱动流量控制阀逐渐关阀或完全关阀，以减少或关闭二次空气导入废气排放端的流量，降低废气排放端中废气的含氧量，供触媒还原废气中有害的氮氧化物。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述空气进气端是指空气滤清器与引擎进气歧管上的节流阀之间的空气进气流道位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述空气进气端是指空气滤清器上供应已过滤后的新鲜空气的位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述空气进气端是指空气滤清器与化油器之间的空气进气流道位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，其中至少一媒转化器设于前段排气管道内。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，其中至少一触媒转化器设于排气管内。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述触媒转化器包括有前段触媒转化器及其后方的后段触媒转化器。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述二次空气供应管道的出口端连接至引擎排气歧管。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述二次空气供应管道的出口端连接至引擎排气歧管与最前段触媒转化器之间的前段排气管道位置。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述二次空气供应管道的出口端连接至二触媒转化器之间的位置。
上述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法中，所述电子控制单元控制一步进马达，以驱动及控制流量控制阀。
本发明由于采取以上设计，其可以根据实际机车引擎排气的温度来判断是否给废气中通入二次空气，当引擎排气温度位在一既定的温度定值以下时，也就是易于产生较高有害废气浓度的情况下，让二次空气导入引擎废气排放端，来维持触媒氧化一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的转化效率，同时，机车引擎排气温度逐渐提高至该温度定值、且氮氧化物生成量逐渐增加时，通过控制二次空气的进气流量以调整废气排放端的含氧量，进而提升触媒还原氮氧化物的效率。这样，可以大大改善传统技术的不足，使触媒还原(reduction)废气中氮氧化物(NOX)的转化效率提高，以至于排放至大气中的氮氧化物(NOX)含量减少，减小对自然环境的影响。
附图说明
图1为已知的理想转化率与空燃比间的线形图，说明空燃比趋近于14.7时可得到NOX及CO与HC的最佳转化率。
图2为本发明第一款实施例的配置示意图，说明在引擎的空气进气端与废气排放端之间设有二次空气供应管道，该管道上至少设置一流量控制阀，接受电子控制单元的控制。
图3为本发明另一配置示意图，说明以前段排气管道位置作为废气排放端，并导入二次空气与废气相混合。
图4为本发明再一配置示意图，说明以排气管内前段与后段触媒转化器之间的位置作为废气排放端，并导入二次空气与废气相混合。
图5揭示出一市区行车形态下量测单一循环的线型图，说明机车于市区行驶中的引擎排气温度介于400℃至500℃之间波动起伏。
图6为本发明一废气转化率与空燃比之间的线型图，说明废气排放端有导入二次空气，而使废气空燃比大于或等于14.7。
图7为本发明另一废气转化率与空燃比间的线型图，说明减少或关闭二次空气进入废气排放端，而使废气空燃比小于或等于14.7。
图8为本发明第二款实施例的配置示意图，说明改用化油器衔接在空气进气端且临近引擎进气歧管位置的配置。
具体实施方式
首观如图2所示，揭示出本发明的第一款实施于喷射供油的引擎管理系统(EngineManagement System，EMS)的二次空气供应管道44内的配置示意图，包括有：
在一引擎1的空气进气端4与废气排放端3之间配置该二次空气供应管道44，于此一供应管道44上设有一流量控制阀42及一单向阀43，且该流量控制阀42能接受引擎电子控制单元2的驱动及控制，使流量控制阀42具有开阀、关阀及控制开阀量(或度)的能力；其中：
该空气进气端4广义而言是指由空气滤清器40导入外界空气至节流阀41之间的空气进气流道位置，且节流阀41连接于引擎进气歧管10上，使空气进气端4能与引擎进气歧管10相连通。该空气进气端4也可以位在空气滤清器40上供应已过滤后的新鲜空气的空气进气流道位置(如图2所示)。然而，在本实施例中，是列举将二次空气供应管道44的入口端44a连接至上述空气进气端4的空气滤清器40上供应已过滤后的新鲜空气的位置(如图2所示)，即可撷取已过滤后的新鲜空气作为二次空气使用。
上述节流阀41内具有一节流阀位置感知器410，且引擎进气歧管10上设有一歧管压力感知器46，可分别检知节流阀41的阀门开启的角度讯号以及引擎进气歧管10内压力值的讯号，并传递给电子控制单元2，以控制供应至引擎进气歧管10中的燃油混合气的空气含量。同时，在引擎进气歧管10上设有一喷油器101，可由电子控制单元2控制其喷油量，使与节流阀41相配合，而取得进气端理想空燃比的燃油混合气，供应引擎使用。
上述的废气排放端3是指由引擎排气歧管11经过一前段排气管道50而连接至一排气管5内的废气流道位置，且该废气排放端3至少设置一触媒转化器，包含可设于前段排气管道50内或/及排气管5内；然而，在本实施例中于废气排放端3的排气管5内实施设置一前段触媒转化器51，并于前段触媒转化器51后方增设另一后段触媒转化器52，此等设置皆属本发明的应用范畴。
再者，废气排放端3用来连接二次空气供应管道44的位置是可选择变换的；例如有下列三种可选择实施的方式：
(1)以引擎排气歧管11作为废气排放端3a，而将二次空气供应管道44的出口端44b连接至引擎排气歧管11内，将二次空气供入废气中混合(如图2所示)；
(2)以引擎排气歧管11至排气管5内前段触媒转化器51之间的前段排气管道50位置作为废气排放端3b，而将二次空气供应管道44的出口端44b连接至此一废气排放端3b，以供入二次空气与废气相混合(如图3所示)；或
(3)以排气管5内前段触媒转化器51与后段触媒转化器52之间的位置作为废气排放端3c，而将二次空气供应管道44的出口端44b连接至此一废气排放端3c，以导入二次空气与废气相混合(如图4所示)。
上述的流量控制阀42，是取用一种可通过电源或讯号启动及可控制其开阀量的控制阀，以便于和电子控制单元2相连接而能够直接驱动及控制其开阀、关阀或开阀量(度)；或者，如本发明中将一步进马达420(如图2所示)设置于流量控制阀42上，并通过电子控制单元控制该步进马达的转动角度，用以驱动及控制流量控制阀42的阀门进行开阀、关阀或控制其开阀量(度)。
本发明还包含一可检知引擎排气温度的温度检知器12，在本发明中必须设置于废气排放端3，因此在实施上可将温度检知器12设置于引擎排气歧管11内(如图2所示)、或上述前段排气管道50位置(如图3所示)、或排气管5内前段触媒转化器51与后段触媒转化器52之间的位置(如图4所示)。
本发明也包含利用电子控制单元2既有可接收及运算引擎排气温度的能力，使于原厂(即生产制造电子控制单元的工厂)的初始设定时，即给予附加设定具有辨视一既定温度定值21的能力，以作为电子控制单元2自动调整或关闭流量控制阀42的控制依据。
上述电子控制单元2中所设定的温度定值21，是由实车进行量测取得。一般配置50C.C.至600C.C.引擎排气量的机车，其引擎正常排气温度是介于300℃～900℃之间。举如以一部配置有125C.C.引擎排气量的机车为例，以模拟机车于交通壅塞的市区行车形态下，在量测单一循环(One Cycle)中(如图5所示)进行排气温度的量测，可由图5中得知该款机车行驶于市区内的引擎排气温度是介于400℃～500℃之间波动起伏；据此，本发明以图5中所揭引擎排气温度中的450℃作为实施温度定值21的控制时机，并说明二次空气管制的实际运作状态如后述：
(1)在电子控制单元内设定以450℃作为温度定值；
(2)启动机车引擎，使电子控制单元2及步进马达电源开启，电子控制单元2开始读取温度检知器12所检知的引擎排气温度，并传递至电子控制单元2内，进行引擎排气温度与温度定值的比对；
(3)当温度检知器12检知引擎排气温度小于(即未超过)上述温度定值21时，步进马达会驱动流量控制阀完全开阀，使二次空气得以经由供应管道44导入引擎1的废气排放端3之内，供应充足的氧与废气混合，促使废气中的含有空气与废燃气的比值(即空燃比，A/F)大于或等于14.7(配合图6所示)，以利于触媒转化器51中的触媒得以取得较佳的氧化效率，将废气中有害的一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)氧化成无害的二氧化碳(CO2)及水(H2O)，而经由排气管5排出(配合图2所示)，其中触媒进行氧化反应的方程式如下：
(4)当温度检知器12检知引擎排气温度大于(即升高超过)上述温度定值21标准时，电子控制单元2立即命令流量控制阀42逐渐关阀或完全关阀，以减少或关闭二次空气供往引擎废气排放端3的流量；如此一来，可减少废气中的含氧量，使废气空燃比(A/F)小于或等于14.7(配合图7所示)，以提升触媒还原氮氧化物(NOX)的效率，使有害的氮氧化物(NOX)被迅速还原成无害的氮气(N2)及二氧化碳(CO2)，而经由排气管5排出(配合图2所示)，其中触媒进行还原反应的方程式如下：
本发明也可从上述125C.C.机车的废气量测中获得有利的应证，比较当有配置及无配置使用本发明的方法和触媒转化器的机车引擎的废气量测结果(如表1)：
表1：量测三种有或无装设触媒转化器或及二次空气管制技术的机车引擎有害废气排放量
表1中废气的量测结果显示有使用本发明的二次空气管制技术且装设有触媒转化器的机车，所量测取得之氮氧化物(NOX)的生成量仅有0.111g/km，远低于无装设二次空气管制技术与触媒转化器的机车以及仅有装设触媒的机车，且由转化效率中也明显看出有使用本发明的二次空气管制技术且装设有触媒转化器的机车，其氮氧化物(NOX)的转化率可提升至61％，因此可以大幅减低氮氧化物(NOX)的排放量，虽然一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的转化效率略为降低，但其结果符合预期。况且实施上也可以在排气管内增加触媒转化器的组设数量，使排气管内拥有较多量的触媒进行氧化反应，以利于在关闭二次空气以提升触媒还原反应效率的同时，也能够维持触媒进行氧化反应的效率。
再者，本发明也包含第二款实施于传统化油器供油的引擎配置环境中(如图8所示)，此一实施形态与上述实施例不同之处，在于将上述组设于进气端4上且是临近引擎进气歧管10位置的节流阀41以及装设在引擎进气歧管10上的喷油器101替换成单一化油器45，且由化油器45即可同时连接进气端4的进气流道以及油箱的进油流道，并由电子控制单元20管制化油器45中空气与燃油的混合比(即空燃比)，以供应引擎使用。除此之外，其余实施内容皆与上述第一款实施例相同。
以上所述，仅为本发明的较佳可行实施例而已，故举凡依据本发明权利要求范围所做的等效变化，理应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1、一种提升机车触媒还原氮氧化物的方法，主要是在引擎的空气进气端与废气排放端之间设有二次空气供应管道；该废气排放端是指由引擎排气歧管经过一前段排气管道而连接至一排气管内的废气流道位置，且该废气排放端至少设有一触媒转化器，同时该二次空气供应管道上至少设置一接受电子控制单元控制的流量控制阀，以执行下列方法：
(1)在电子控制单元内设定一大于300℃的温度定值；
(2)启动引擎并开启电子控制单元电源，令电子控制单元开始读取一温度检知器所检知的引擎排气温度，进行引擎排气温度与温度定值的比对；
(3)当引擎排气温度小于上述温度定值时，令电子控制单元驱动流量控制阀完全开阀，将二次空气经由供应管道导入引擎的废气排放端，以增加废气中的含氧量，供触媒氧化废气中有害的一氧化碳与碳氢化合物；且
(4)当引擎排气温度大于上述温度定值时，令电子控制单元驱动流量控制阀逐渐关阀或完全关阀，以减少或关闭二次空气导入废气排放端的流量，降低废气排放端中废气的含氧量，供触媒还原废气中有害的氮氧化物。
2、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述空气进气端是指空气滤清器与引擎进气歧管上的节流阀之间的空气进气流道位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
3、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述空气进气端是指空气滤清器上供应已过滤后的新鲜空气的位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
4、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述空气进气端是指空气滤清器与化油器之间的空气进气流道位置，用以连接二次空气供应管道的入口端。
5、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：其中至少一媒转化器设于前段排气管道内。
6、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：其中至少一触媒转化器设于排气管内。
7、根据权利要求6所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述触媒转化器包括有前段触媒转化器及其后方的后段触媒转化器。
8、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述二次空气供应管道的出口端连接至引擎排气歧管。
9、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述二次空气供应管道的出口端连接至引擎排气歧管与最前段触媒转化器之间的前段排气管道位置。
10、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述二次空气供应管道的出口端连接至二触媒转化器之间的位置。
11、根据权利要求1所述的提升机车触媒还原氮氧化物的方法，其特征在于：所述电子控制单元控制一步进马达，以驱动及控制流量控制阀。
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