專利名稱：用于氨選擇性催化還原氮氧化物后處理過(guò)程的閃蒸噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)，尤其是柴油機(jī)，更具體地說(shuō)涉及用于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中還原NOx的氨的選擇性催化還原過(guò)程。
背景技術(shù)：
隨著政府對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的法規(guī)持續(xù)地增加，發(fā)動(dòng)機(jī)后處理作用必須變得更加有效以滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。例如，柴油機(jī)的NOx排放物的還原受到特別的關(guān)注。
幾十年來(lái)，通過(guò)諸如氨或者尿素的氮化合物對(duì)NOx的選擇性催化還原(SCR)已經(jīng)證明在工業(yè)的固定式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上是有效的。這些應(yīng)用中的一些包括化學(xué)工廠和煉油廠的加熱器和鍋爐，燃?xì)廨啓C(jī)以及燒煤的熱電廠。使用在這些應(yīng)用中的燃料包括工業(yè)廢氣、天然氣、原油、輕或者重油、以及粉煤。新近，氨-SCR已經(jīng)結(jié)合到汽車柴油機(jī)中，例如重型卡車和公共汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。
通常說(shuō)來(lái)，在氨-SCR過(guò)程中，尿素的水溶液被噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流中。在溫度高于160℃時(shí)，尿素開始經(jīng)受水解作用和熱解作用，導(dǎo)致了氨的產(chǎn)生。然后，所獲得的包含尿素/氨和排氣的混合物通過(guò)SCR催化劑，例如鉑(Pt)、釩(V2O5)或者沸石，在那里氨與NOx氣體反應(yīng)，從而形成氮?dú)夂退?br> 更具體的，在氨-SCR系統(tǒng)中，尿素和水的溶液可保持在容器中。低壓流泵通過(guò)流體管路將尿素溶液從容器中移動(dòng)到位于排氣流中的噴霧嘴中。通過(guò)流體管路的尿素溶液的泵送可導(dǎo)致尿素溶液憑借噴嘴被噴射到排氣流中。在噴嘴的下游側(cè)，尿素溶液和排氣流中的熱排氣通過(guò)靜止混合裝置進(jìn)行混合。接著，尿素和排氣的混合物通過(guò)水解催化劑，在那里尿素被轉(zhuǎn)化為氨。然后，氨和排氣通過(guò)SCR催化劑，在那里NOx排氣與氨發(fā)生反應(yīng)以形成氮?dú)夂退?。氧化催化劑可設(shè)置在SCR催化劑的下游處，用于剩余氨氣的氧化，從而限制了從該系統(tǒng)排出的氨氣的量。在經(jīng)過(guò)SCR催化劑、氧化催化劑(如果存在)之后，排氣流被排出到外界大氣中。
為了在氨-SCR過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高的NOx轉(zhuǎn)換，尿素和排氣的均勻混合以及尿素/排氣混合物的流的均勻分布是重要的。如上所述，靜止混合裝置經(jīng)常用來(lái)幫助混合尿素和排氣。同時(shí)，可利用壓縮空氣源來(lái)提供壓縮空氣，從而當(dāng)尿素溶液通過(guò)噴嘴被噴射到排氣流中時(shí)可霧化尿素溶液。
而且，尿素/排氣混合物的溫度是重要的，以確保尿素具有足夠的熱量來(lái)分解和水解以形成氨。同時(shí)，當(dāng)排氣溫度下降到低于在150-300℃范圍內(nèi)的值(取決于所采用的催化劑)時(shí)，催化劑鈍化并且產(chǎn)生不希望的二次排放物。當(dāng)排氣溫度達(dá)到該預(yù)定值時(shí)，排氣流中的尿素流將被停止以防止產(chǎn)生不希望的結(jié)果，從而導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)換效率全面的下降。在任何情況下，當(dāng)排氣溫度相對(duì)低，例如在冷起動(dòng)后的發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)期間，氨-SCR過(guò)程變得困難。總之，尿素的噴射對(duì)于氨-SCR過(guò)程的改善是重要的因素，因?yàn)槠鋵?duì)所有這些結(jié)果產(chǎn)生影響，并且因此對(duì)SCR性能也產(chǎn)生影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于改進(jìn)氨-SCR過(guò)程的方法和裝置。本發(fā)明改善了尿素和排氣的混合，消除了用于提高噴射而采用壓縮空氣的需要，并且減少或者消除了對(duì)靜止混合裝置的需要。由于改善了混合，以及增加了反應(yīng)溫度，本發(fā)明也提高了尿素到氨的轉(zhuǎn)換，并且同樣造成NOx的轉(zhuǎn)換效率的提高。這些優(yōu)點(diǎn)可以允許更低的尿素消耗以及催化劑體積上的減少。而且本發(fā)明減少了尿素溶液冷凝的可能性，同時(shí)也潛在的減少了氨的逸出，即氨通過(guò)排氣流從系統(tǒng)中逃出。而且本發(fā)明增加了SCR運(yùn)行的低端溫度范圍，并且減少了SCR催化劑的過(guò)早老化/鈍化。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的方式包括提供終止在噴射器處的流體管路，其中該噴射器設(shè)置在排氣流中。該排氣流連接并且通過(guò)氨-SCR系統(tǒng)。流體管路中的尿素水溶液在噴射器上游側(cè)被加壓并且加熱，從而使得尿素水溶液保持液態(tài)。然后，該加壓、加熱的尿素水溶液被噴射入排氣流中。在尿素水溶液被噴射的地方處的排氣流接近大氣壓，從而使得壓力的迅速下降導(dǎo)致尿素水溶液在排氣流中閃蒸。換句話說(shuō)，尿素水溶液迅速霧化為亞微米尺寸的液滴。于是尿素水溶液迅速均勻地與排氣流中的排氣混合。在閃蒸期間，尿素水溶液損失非常少的熱量，但是在排氣流中仍然保持高溫。這樣減少了排氣流/氨-SCR系統(tǒng)的內(nèi)部表面上的水冷凝的可能性。
具有閃蒸噴射的氨-SCR排氣后處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括排氣流在一端與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口相連通，在另一端被排出到大氣中。在發(fā)動(dòng)機(jī)的下游處，排氣流通過(guò)預(yù)氧化催化劑。在預(yù)氧化催化劑的更下游處，排氣流通過(guò)水解催化劑、SCR催化劑，然后是氧化催化劑。在通過(guò)氧化催化劑之后，排氣流被排出到后處理系統(tǒng)外面的大氣中。
尿素容器儲(chǔ)存了尿素水溶液供給源，并且流動(dòng)泵從該容器中泵送尿素水溶液通過(guò)流體管路。該流體管路終止在噴嘴/噴射器中，該噴嘴/噴射器設(shè)置在預(yù)氧化催化劑和水解催化劑之間的排氣流中。在該流動(dòng)泵的下游側(cè)，該流體管路通過(guò)一高壓泵。該高壓泵對(duì)高壓泵和噴嘴之間的尿素水溶液進(jìn)行加壓。流體控制閥，優(yōu)選設(shè)置在噴嘴的附近，控制尿素水溶液通過(guò)噴嘴的釋放。加熱器加熱高壓泵和噴嘴之間的流體管路中的尿素。控制器可以控制高壓泵、加熱器和流動(dòng)控制閥，并且接收發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信息。
下面結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將從本發(fā)明的確定的具體實(shí)施例的下面描述中得到充分理解。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明，包括瞬時(shí)噴射器裝置的氨選擇性催化還原系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)地參見附圖，數(shù)字10通常表示用于諸如汽車內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)12所產(chǎn)生的排氣處理的氨-SCR排氣后處理系統(tǒng)。氨-SCR系統(tǒng)10增大NOx的轉(zhuǎn)換率，并且因此有利的導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)12的NOx排放物的減少。氨-SCR系統(tǒng)10也增大了SCR運(yùn)行的低端溫度范圍，導(dǎo)致在低溫時(shí)增大了NOx的轉(zhuǎn)換率，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)期間。而且，由于氨-SCR系統(tǒng)10效率的增加，氨-SCR系統(tǒng)可允許在催化劑體積上的減少，從而相比較先前的氨-SCR系統(tǒng)而言可降低系統(tǒng)的成本。
氨-SCR系統(tǒng)10包括用于引導(dǎo)排氣流15的排氣導(dǎo)管14，其與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口相連通，通過(guò)例如排氣歧管(未示出)。排氣導(dǎo)管14通常包括排氣管。排氣流15包括在發(fā)動(dòng)機(jī)12中燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的排氣，該排氣流流過(guò)系統(tǒng)10的導(dǎo)管14并且在排出端16處排出到大氣中。因此，排氣流15的流動(dòng)的方向是從發(fā)動(dòng)機(jī)12到排出端16。
在流動(dòng)方向中，排氣流15可以首先通過(guò)預(yù)氧化催化劑18。該預(yù)氧化催化劑18處理未燃燒的碳?xì)浠衔锊⑶覍O轉(zhuǎn)化為NO2，其可以與NH3更容易發(fā)生反應(yīng)以形成N2。在預(yù)氧化催化劑18的更下游側(cè)是SCR催化劑20。該SCR催化劑20可以為例如鉑(Pt)、釩(V2O5)或者沸石。SCR催化劑20可促進(jìn)氨(NH3)與NOx的反應(yīng)以形成氮?dú)夂退瑥亩鴾p少NOx的排放。水解催化劑22可直接設(shè)置在SCR催化劑20的上游側(cè)。水解催化劑22可促進(jìn)尿素和水的反應(yīng)以形成氨和二氧化碳(CO2)，從而在進(jìn)入SCR催化劑20之前，幫助確保了在排氣流中氨的可用性。氧化催化劑24可直接設(shè)置在SCR催化劑20的下游。氧化催化劑24可促進(jìn)沒有在SCR催化劑20中反應(yīng)的過(guò)剩的氨的分解。氧化催化劑24是幫助限制氨逸出的“防護(hù)催化劑”。換句話說(shuō)，氧化催化劑24促進(jìn)了剩余的氨的氧化，從而限制了從SCR系統(tǒng)10中氨的釋放。
氨-SCR系統(tǒng)10還包括用于儲(chǔ)存一定量的尿素水溶液的尿素容器26。通常說(shuō)來(lái)，尿素水溶液相對(duì)水有32.5％的尿素。在這個(gè)濃度下，尿素水溶液具有大約11的最低凝固點(diǎn)，并且因此不大可能在低的外界溫度條件(例如，冬天運(yùn)行)下發(fā)生凝固。流體管路28可允許從尿素容器26出來(lái)的尿素水溶液與排氣導(dǎo)管14的連通。流體管路28開始在尿素容器26處并且終止在設(shè)置在排氣導(dǎo)管14中的噴射器噴嘴30處。噴嘴30設(shè)置在SCR催化劑20和水解催化劑22(如果存在)的上游側(cè)，并且在預(yù)氧化催化劑18(如果存在)的下游側(cè)，流動(dòng)泵32從容器26中泵送尿素水溶液通過(guò)流體導(dǎo)管28。
在流動(dòng)泵32的下游側(cè)，高壓泵34對(duì)在高壓泵34和噴嘴30之間的流體管路28中的尿素水溶液進(jìn)行加壓。加熱器36連接到高壓泵34和噴嘴30之間的流體管路28，以將流體管路中的加壓的尿素水溶液加熱到更高的溫度，在該溫度下其仍然是液態(tài)。流體控制閥，諸如電磁閥38，控制尿素水溶液通過(guò)噴嘴30釋放到排氣流15中。控制單元40可控制高壓泵34，加熱器35和電磁閥38，并且從發(fā)動(dòng)機(jī)12中接收發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行信息以輔助確定尿素水溶液釋放到排氣流15中的時(shí)間和數(shù)量。
加壓、加熱的尿素水溶液通過(guò)噴嘴30釋放入排氣流15會(huì)導(dǎo)致尿素水溶液閃蒸，即快速的霧化，由于從流體管路28到排氣導(dǎo)管14的壓力的下降，這將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。尿素水溶液的閃蒸會(huì)導(dǎo)致尿素和水會(huì)在高溫下與排氣快速和有效的混合。
由于存在尿素水溶液過(guò)熱并且因此熱動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定，尿素水溶液閃蒸。尿素水溶液的沸點(diǎn)隨著壓力的增加而增加。在氨-SCR系統(tǒng)10中，在流體管路28中的尿素水溶液首先被高壓泵34加壓至例如大約50psi。相比之下，排氣流15接近大氣壓(14.7psi)，并且流動(dòng)泵32基本上不會(huì)將流體管路28中的壓力增加到大氣壓力之上。
在這樣的高壓下，在尿素水溶液沸騰前，其可被加熱到更加高的溫度。因此，在加壓尿素水溶液之后，加壓的尿素水溶液被加熱器36加熱至接近但是低于在該高壓下的尿素水溶液的沸點(diǎn)的溫度。由于尿素水溶液被加壓，其可以被加熱而不會(huì)蒸發(fā)它或者在流動(dòng)管路28中具有兩相流。在流體管路28中的兩相流不是希望的，因?yàn)橛捎跉馀莸男纬?，?duì)噴射量(即，通過(guò)噴嘴30噴射的尿素水溶液的量)的控制被減弱或者甚至喪失。當(dāng)通過(guò)打開電磁閥38，加壓、加熱的尿素水溶液通過(guò)噴嘴30釋放到排氣流15中時(shí)，尿素水溶液的壓力突然下降，因?yàn)榕艢饬鹘咏诖髿鈮毫Α?br> 在該高溫下，當(dāng)尿素水溶液壓力突然下降時(shí)，其迅速達(dá)到其沸騰的壓力。因此，尿素水溶液閃蒸，幾乎同時(shí)分散(霧化)成亞微米尺寸的液滴和蒸汽?？焖倥蛎浺约八a(chǎn)生的亞微米尺寸的尿素水溶液液滴可允許尿素水溶液和排氣流15中的排氣容易和有效的混合。尿素水溶液在閃蒸期間損失極少的熱量，從而導(dǎo)致了霧化的尿素水溶液處于高溫。
由于尿素水溶液的溫度高于飽和蒸汽壓力，尿素水溶液可以抵抗住冷凝，甚至當(dāng)噴射到溫度低于尿素水溶液的排氣流15中時(shí)。而且，當(dāng)尿素水溶液的溫度增加時(shí)，尿素水溶液的水解作用變得更加顯著和有效，改善了氨的形成，該氨是NOx選擇性催化還原所需的。這潛在地減少了所需水解催化劑22的量。
同時(shí)，尿素的水解所產(chǎn)生的氨處于高溫下并且與排氣流15中的排氣較好的混合，從而導(dǎo)致氨與NOx氣體更有效和完全的反應(yīng)。這樣增加了NOx的轉(zhuǎn)換效率并且減少了通過(guò)SCR催化劑20之后所留下未反應(yīng)的氨的量，減少了氨的逸出并且減少了氧化催化劑24所需的體積尺寸。而且，由于氨被很好的利用，更少的尿素水溶液需要被消耗以實(shí)現(xiàn)可接受水平的NOx轉(zhuǎn)換。
如上所述，在傳統(tǒng)的氨-SCR在系統(tǒng)中，從空氣管路來(lái)的壓縮空氣，例如車輛的懸掛系統(tǒng)中的，可用來(lái)在尿素水溶液通過(guò)噴射器被釋放到排氣流中時(shí)霧化尿素水溶液。通常說(shuō)來(lái)，由壓縮空氣的霧化所導(dǎo)致的尿素水溶液的液滴尺寸為30至60微米范圍內(nèi)的索太爾平均直徑(Sauter mean diameter)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本發(fā)明中閃蒸所達(dá)到的亞微米液滴直徑。因此，本發(fā)明不僅消除了在氨-SCR后處理系統(tǒng)中利用壓縮空氣的需要，而且改善了尿素水溶液的霧化。
總之，本發(fā)明改善了在所有溫度下(尤其是低溫下)氨-SCR后處理系統(tǒng)中的NOx轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明還減少了由于低溫下產(chǎn)生的各種氨化合物引起的后處理催化劑的過(guò)早老化。而且，本發(fā)明減少了在氨-SCR后處理系統(tǒng)的排氣流中尿素水溶液冷凝的可能性。而且，本發(fā)明減少了尿素水溶液的消耗并且減少了氨的逸出量。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參見確定的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，需要理解的是在所描述的發(fā)明概念的精神和范圍之內(nèi)可以做出各種變化。因此，本發(fā)明意圖不限于所公開的實(shí)施例，而是具有下面的權(quán)利要求的語(yǔ)言所描述的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于改善氨選擇性催化還原系統(tǒng)的方法，該方法包括下面步驟提供尿素水溶液供給源；對(duì)尿素水溶液加壓同時(shí)保持尿素水溶液處在液態(tài)；提供與加壓的尿素水溶液熱連通的加熱器；采用加熱器對(duì)加壓的尿素水溶液進(jìn)行加熱；和噴射加熱、加壓的尿素水溶液到排氣流中，從而由于在加熱、加壓的尿素水溶液和排氣流之間的壓力差，尿素水溶液快速霧化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括下面步驟提供泵，其用來(lái)加壓尿素水溶液。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中尿素水溶液通過(guò)噴嘴噴射。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中尿素水溶液在泵和噴嘴之間的流體管路中被加壓。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中加熱器位于泵和噴嘴之間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，包括下面步驟在噴射之前，保持尿素水溶液在一個(gè)溫度，在該溫度下尿素水溶液保持液態(tài)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，包括下面步驟提供用于控制尿素水溶液噴射入排氣流的電磁閥。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在噴射時(shí)，該加熱、加壓的尿素水溶液霧化成為亞微米尺寸的液滴。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中尿素供給源包括用于儲(chǔ)存尿素水溶液的容器。
10.一種用于氨選擇性催化還原過(guò)程的閃蒸噴射系統(tǒng)，其包括容器；儲(chǔ)存在容器中的尿素水溶液；設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣導(dǎo)管中的噴嘴，該排氣導(dǎo)管引導(dǎo)排氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)到大氣中；用于在容器和噴嘴之間引導(dǎo)尿素水溶液的流體管路；與流體管路相連用于加壓尿素水溶液的泵；與流體管路相連用于加熱由泵所加壓的尿素水溶液的加熱器；和可操作地連接到流體管路上的閥，用于控制尿素水溶液通過(guò)噴嘴噴射進(jìn)入排氣流中；從而由于噴嘴兩側(cè)的壓降，噴射加熱、加壓的尿素水溶液到排氣流會(huì)導(dǎo)致尿素水溶液迅速的霧化。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中該閥是電磁閥。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中霧化尿素包括亞微米尺寸的液滴。
全文摘要
用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的氨選擇性催化還原后處理過(guò)程的閃蒸噴射系統(tǒng)，其包括用于儲(chǔ)存尿素水溶液的容器。噴射器噴嘴設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣導(dǎo)管中，該排氣導(dǎo)管引導(dǎo)從發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)的排氣流。流體管路在容器和噴嘴之間引導(dǎo)尿素水溶液。泵與流體管路相連并用于加壓尿素水溶液。加熱器也與流體管路相連并用于加熱已經(jīng)被泵加壓的尿素水溶液。閥可操作地連接到流體管路上以用于控制尿素水溶液通過(guò)噴嘴噴射進(jìn)入到排氣流中。由于噴嘴兩側(cè)的壓降，噴射加熱、加壓的尿素水溶液到排氣流中會(huì)導(dǎo)致尿素水溶液的迅速霧化。該系統(tǒng)可操作地將柴油內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的NO
文檔編號(hào)F01N3/24GK1935335SQ200610126729
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者R·米塔爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司