專利名稱：向NOx捕集器和/或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的間歇供給合成氣體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在具有內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)車輛中調(diào)節(jié)由合成方法產(chǎn)生的氫氣、一氧化碳和其它氣體的混合物(以下稱為合成氣體)的間歇供給，用于任意的間歇使用，例如用于NOx捕集器中吸收材料的再生，這種調(diào)節(jié)是通過下列方式實(shí)現(xiàn)的(a)將合成氣體從消耗設(shè)備(如NOx捕集器)轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)的入口，(b)減少合成氣體發(fā)生器的進(jìn)入量從而使其僅僅保持溫?zé)?，或?c)用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的微型CPO向主CPO充分地供給以使主CPO保持溫?zé)?，以使主CPO可立即重新起動(dòng)。
背景技術(shù)：
在具有內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)車輛中，為了減少廢氣中的氮氧化物(NOx)，已知是產(chǎn)生氫氣和一氧化碳的氣態(tài)混合物(以下稱為合成氣體)，所述氣態(tài)混合物可以通過各種方式使用，例如用于NOx捕集器中吸收材料的再生。在2002年9月13日提交的共同未決的、序列號(hào)為No.10/243,105的美國專利申請中公開了用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣和空氣產(chǎn)生合成氣體，用于在再生NOx捕集器使用。然而，吸收材料通常能在大約80-100秒的時(shí)間內(nèi)吸附廢氣中NOx，并且還在大約5-10秒的時(shí)間內(nèi)完全再生。這種系統(tǒng)的另一個(gè)例子在2002年12月4日提交的共同擁有的共同未決的、序列號(hào)為No.10/309,712的美國專利申請中示出。
一種通常的合成氣體發(fā)生器可以包括能重整液態(tài)碳?xì)浠衔锶剂系拇呋糠盅趸?oxidizer)(以下簡稱為CPO)。當(dāng)需要合成氣體時(shí)，CPO必須是在某一溫度或高于某一溫度下，以便在剛好幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生有效量的合成氣體。為此，CPO必須保持在被加熱的狀態(tài)；否則，對頻繁起動(dòng)和關(guān)閉CPO而言有很大困難。起動(dòng)和關(guān)閉CPO需要相當(dāng)復(fù)雜的控制，因此增加了系統(tǒng)的成本。另外，在起動(dòng)時(shí)，CPO內(nèi)的催化劑可能會(huì)在局部經(jīng)歷危險(xiǎn)的氧/碳比，所述局部危險(xiǎn)的氧/碳比可能會(huì)熔化或破壞CPO催化劑。
盡管CPO可以簡單地處于工作狀態(tài)并且放出合成氣體，但這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的燃料損失，同時(shí)產(chǎn)生不允許的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)低的總效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的包括改善CPO在向NOx捕集器提供合成氣體時(shí)的利用；有效產(chǎn)生合成氣體，以用于NOx捕集器的再生的合成氣體；在機(jī)動(dòng)車輛中更簡單地產(chǎn)生合成氣體；有效地產(chǎn)生用于間歇使用的合成氣體；改善機(jī)動(dòng)車輛中的內(nèi)燃機(jī)，尤其是卡車的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的總體效率和凈化操作。
本發(fā)明部分基于這樣的認(rèn)識(shí)，即如果在循環(huán)的當(dāng)不需要混合氣時(shí)的關(guān)閉部分期間使CPO保持溫?zé)?，可以通過很簡單的控制在一或兩秒鐘內(nèi)容易地重新起動(dòng)它。本發(fā)明部分基于這樣的認(rèn)識(shí)，即將富含氫氣的氣體例如合成氣體加到內(nèi)燃機(jī)的燃料入口中會(huì)增加混合物的可燃性，因此形成更好的火焰前鋒(flame front)，從而減少了壁潤濕和發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。
根據(jù)本發(fā)明，例如，在不需要合成氣體來再生NOx捕集器吸收劑材料的時(shí)間段期間，整個(gè)系統(tǒng)中合成氣體發(fā)生器的布置在以下方式之間變換，(a)通過將產(chǎn)生的合成氣體經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)氣體再循環(huán)(FGR)流轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)燃料入口，以便改善其中燃燒，或者(b)通過減少對CPO的燃料或其它輸入物，以便僅僅使CPO充分保持溫?zé)?，使它可以在一或兩秒鐘?nèi)重新起動(dòng)。
在第一實(shí)施例中，在合成氣體不需要用于其主要應(yīng)用、例如NOx捕集器的再生的期間，合成氣體被轉(zhuǎn)到EGR中。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在不需要合成氣體的時(shí)間段期間，燃料和廢氣的量明顯地減少。在本發(fā)明第三實(shí)施例中，將減少的量的燃料和廢氣混合并加到連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的微型CPO上，微型CPO的輸出被加到將合成氣體供應(yīng)給NOx捕集器的主CPO；微型CPO的輸出提供熱量和容易點(diǎn)燃的燃料，從而保持接近工作的溫度，很簡單。


圖1是把CPO的輸出從NOx捕集器轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)燃料入口的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的簡化示意圖。
圖2是在不需要CPO的輸出的時(shí)段期間供給到CPO的燃料和廢氣量明顯減少的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
圖3是在不需要CPO的輸出的時(shí)段期間將明顯減少的量的燃料和廢氣輸出供給微型CPO的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖，該微型CPO提供熱量和氫氣給主CPO，以便使主CPO保持溫?zé)岷捅３诌€原的環(huán)境。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)11包括內(nèi)燃機(jī)12，內(nèi)燃機(jī)12接收管路13中的燃料和空氣的混合物。管路17中的空氣通常由渦輪增壓器提供，通過閥18對空氣的壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)。燃油泵20將燃料供應(yīng)到管路19中。在管路23中的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過固定節(jié)流孔24與來自管路19通過固定節(jié)流孔26的燃料一起供給靜態(tài)混合器25，該靜態(tài)混合器的輸出通過管路29供應(yīng)到主CPO30，主CPO30產(chǎn)生由氫氣，一氧化碳和其它氣體組成的氣態(tài)混合物，上述所有氣體都是常規(guī)的且與本發(fā)明無關(guān)。CPO的輸出通過管路31供應(yīng)到二通閥33，然而，該閥如下面所述可以具有多種選擇。
管路23中的廢氣還供給利用合成氣體的設(shè)備如向一對NOx捕集器35供應(yīng)的一組閥34，捕集器35可以是如上面提到的序列號(hào)為10/243,105的專利申請中所公開的那樣，并可以采用例如碳酸鋇作為NOx吸收材料，來減少發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。向上的閥34的另一個(gè)輸入由二通閥33的調(diào)整位置之一提供。因此，當(dāng)一個(gè)NOx捕集器中的吸收材料在較短的時(shí)間(通常是5-10秒)內(nèi)再生時(shí)，通過來自控制器40的信號(hào)使二通閥33向閥34提供有效量的合成氣體；在這種情況下，有效量是再生NOx捕集器所需的量?？刂破?0通過信號(hào)41來回切換閥34，使得每個(gè)NOx捕集器以較長時(shí)間(通常約為80-100秒)交替地吸收NOx，然后在較短的時(shí)間(通常約為5-10秒)內(nèi)通過合成氣體再生。
當(dāng)不需要合成氣體時(shí)，控制器40將通過信號(hào)39起動(dòng)二通閥33的設(shè)定，以便將合成氣體供應(yīng)到EGR管路43，所述EGR管路43通過EGR閥44接收來自廢氣管路23的廢氣。EGR氣體在熱交換器45中冷卻，通過另一個(gè)常規(guī)的EGR閥46，并因此與管路13中的空氣/燃料混合物混合，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)12內(nèi)燃燒。EGR部件43-46是常規(guī)部件。
在圖1的設(shè)備中，CPO能以其額定量工作，以便當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)12處于正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，連續(xù)地提供有效或足夠量的合成氣體。CPO的輸出被交替地供給NOx捕集器35或者轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)12的入口13。因?yàn)楹铣蓺怏w改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，并且減少了其的不希望有的排放物，所以用來產(chǎn)生合成氣體的燃料量不會(huì)造成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效率損失不可接受。通過使CPO連續(xù)地工作(在正常的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間)，CPO很有效地工作，并因此改善了整個(gè)系統(tǒng)的效率。
在圖2中，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在不需要再生NOx捕集器時(shí)的期間不轉(zhuǎn)化合成氣體。而是急劇減少CPO的進(jìn)入量。利用一對電磁閥50，51代替固定的節(jié)流孔24，26(圖1)和靜態(tài)混合器25。當(dāng)打開電磁閥50，51時(shí)，將所需量的廢氣和燃料供給CPO30的混合器部分52，并且CPO產(chǎn)生用于再生NOx捕集器35的有效量的合成氣體。在圖2中，CPO的輸出管路31直接連接到閥34的輸入管路上。
當(dāng)NOx捕集器不需要合成氣體時(shí)，通過控制器40的信號(hào)53將閥50，51關(guān)閉，從而不再將主廢氣和燃料流供給CPO30。相反，CPO必需依靠管路55中由靜態(tài)混合器56提供的少量混合物，靜態(tài)混合器56分別通過固定節(jié)流孔59、60接收有限量的廢氣和有限量的燃料。在每個(gè)循環(huán)的關(guān)閉(不再生)部分期間提供給CPO的廢氣和燃料量剛好足夠提供熱量的合成氣體，該合成氣體將使CPO30保持足夠熱量以使CPO30保持在使其能在關(guān)閉結(jié)束之后立即重新起動(dòng)的還原環(huán)境中，同時(shí)在關(guān)閉期間只產(chǎn)生微量合成氣體。在循環(huán)的關(guān)閉部分期間，所產(chǎn)生的少量合成氣體即使在完成再生之后也將通過NOx捕集器。
由此控制是簡單的，因?yàn)閮H需要打開和關(guān)閉主入口閥，并且因?yàn)樵谘h(huán)的關(guān)閉部分期間，只利用通過固定節(jié)流孔60的相對很少量的燃料，所以節(jié)約量相當(dāng)大。
圖3的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例相同，除了設(shè)有微型CPO62之外，微型CPO62通過管路55接收靜態(tài)混合器56的輸出。微型CPO的輸出通過管路63供給CPO30的混合部分52。微型CPO的使用使得使用的燃料較少，因?yàn)槲⑿虲PO向CPO30提供熱量和合成氣體，這樣保持主CPO30是熱的并且還保持還原的環(huán)境。所有這些使得更容易重新起動(dòng)主CPO30，而沒有通過危險(xiǎn)的O2C化學(xué)計(jì)量范圍的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)實(shí)施例中，閥59和60在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間保持打開，從而微型CPO連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管微型CPO的設(shè)置一定程度上增加了總的設(shè)備成本，但在時(shí)間段內(nèi)可以節(jié)約的在循環(huán)的關(guān)閉部分期間用來保持主CPO溫度的燃料相當(dāng)多。
合成氣體可以用于快速加熱廢氣催化劑、顆粒過濾體再生和/或NOx捕集器吸附劑的脫硫。在那種情況下，閥33(圖1)可以是三通閥。
在上述實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)12是用柴油燃料工作。如果本發(fā)明與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用，則可以在CPO的入口的混合物中加入一部分空氣，以便補(bǔ)償汽油廢氣中低的氧量。
權(quán)利要求
1.一種在內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(11)中的方法，所述內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(11)用燃料(20)進(jìn)行工作，并具有輔助系統(tǒng)(35)，該輔助系統(tǒng)(35)間歇地使用內(nèi)部產(chǎn)生的包括氫氣和一氧化碳的混合物(以下稱為“合成氣體”)，該方法包括在重整裝置(30)中產(chǎn)生至少一定量的合成氣體，該合成氣體量足夠用于所述輔助系統(tǒng)；以及周期性地在第一時(shí)間段中將所述合成氣體以所述的足夠量供應(yīng)(33，34，40)到所述輔助系統(tǒng)中，在第一時(shí)間段之間分布有關(guān)第二時(shí)間段；其特征在于在所述第二時(shí)間段中，或者是(a)減少(40，50，51)產(chǎn)生的所述合成氣體量，以便僅產(chǎn)生所述合成氣體足夠量的一小部分，(b)(33，40)將所述合成氣體轉(zhuǎn)到所述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料入口(43)，或者(c)將少量由連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的微型CPO(62)所產(chǎn)生的合成氣體供給到所述重整裝置。
2.一種在內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(11)中的提供合成氣體的方法，所述內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(11)用燃料(20)進(jìn)行工作，將里面具有氮氧化物(以下稱為“NOx”)的廢氣(23)提供給具有吸收材料的NOx捕集器組件(35)，所述吸收材料周期性地用內(nèi)部產(chǎn)生的包括氫氣和一氧化碳(以下稱為“合成氣體”)的混合物對所述NOx捕集器進(jìn)行再生，該種方法包括第一，由所述廢氣和所述燃料在重整裝置(30)中產(chǎn)生至少使所述NOx捕集器組件中的吸收材料再生的有效量的合成氣體；以及第二，周期性地在長度約為5-10秒的第一時(shí)間段將至少所述有效量的所述合成氣體供應(yīng)到所述NOx捕集器組件中，在第一時(shí)間段之間分布有第二時(shí)間段，所述第二時(shí)間段比所述第一時(shí)間段長約8-20倍；其特征在于第三，在所述第二時(shí)段期間，通過(a)將所述合成氣體從所述NOx捕集器組件轉(zhuǎn)到(33，40)所述發(fā)動(dòng)機(jī)的入口(43)，(b)減少(40，50，51)用來產(chǎn)生所述合成氣體的所述燃料和廢氣量，以便僅產(chǎn)生所述合成氣體有效量的一小部分，或者(c)將由連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的微型CPO(62)將所產(chǎn)生的少量合成氣體供給所述重整裝置，來改變所述第一步或所述第二步。
3.用于產(chǎn)生包括氫氣和一氧化碳的混合物(以下稱為“合成氣體”)的設(shè)備，其包括氮氧化物(以下稱為“NOx”)捕集器組件(35)，其具有周期性地由合成氣體再生的吸收材料；內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)(12)，其用燃料(20)進(jìn)行工作，并將里面具有NOx的廢氣(23)供給所述NOx捕集器組件；第一裝置(30)，其用于由上述廢氣和所述燃料產(chǎn)生使所述NOx捕集器組件中的吸收材料再生的有效量的合成氣體；以及第二裝置(33，34，40)，其用于周期性地在長度約為5-10秒的第一時(shí)間段將至少所述有效量的所述合成氣體供應(yīng)到所述NOx捕集器組件中，在所述第一時(shí)間段之間分布有第二時(shí)間段，所述第二時(shí)間段比所述第一時(shí)間段長約8-20倍；其特征在于第三裝置，其在上述第二周期中通過(a)將上述合成氣體從所述NOx捕集器組件轉(zhuǎn)到(33，40)所述發(fā)動(dòng)機(jī)的入口(43)，(b)減少(40，50，51)用來產(chǎn)生合成氣體的所述燃料和所述廢氣的量，以便僅產(chǎn)生所述有效合成氣體量的一小部分，或者(c)將由連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的微型CPO(62)產(chǎn)生的少量合成氣體供給所述重整裝置，來改變所述第一裝置或所述第二裝置的操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中在所述NOx捕集器組件(35)中的吸收材料包括碳酸鋇。
全文摘要
催化部分氧化劑(30)將合成氣體(氫氣和一氧化碳)供給間歇地在較短時(shí)間段使用合成氣體的設(shè)備如閥(34)，該閥(34)向捕集器(35)供給。在不用合成氣體的關(guān)閉時(shí)間里，將CPO的輸出通過發(fā)動(dòng)機(jī)氣體再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)(43－46)轉(zhuǎn)(33)到發(fā)動(dòng)機(jī)(12)的入口(13)，或者減少(24，26；59，60)加到CPO的燃料(19)和廢氣(23)的量，從而使CPO僅僅保溫并處于減壓的狀態(tài)，由此準(zhǔn)備立刻重新起動(dòng)。當(dāng)NOx捕集器不使用合成氣體時(shí)，微型CPO(62)可以在關(guān)閉時(shí)間內(nèi)向主CPO(30)提供合成氣體和熱量。
文檔編號(hào)F01N3/10GK1981114SQ200480035273
公開日2007年6月13日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月23日
發(fā)明者K·劉, W·G·弗努克, W·P·倫豪特斯 申請人:殼牌氫氣有限公司