專(zhuān)利名稱(chēng)：用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)排氣的處理，而更具體地說(shuō)涉及減少在內(nèi)燃機(jī)尤其是火花點(diǎn)燃式、氣態(tài)燃料內(nèi)燃機(jī)的排氣中普遍存在的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔铩?br> 背景技術(shù)：
用氣態(tài)燃料操作的火花點(diǎn)燃 式(SI)內(nèi)部燃燒(IC)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒室中產(chǎn)生少量不希望有的化合物，這些化合物在高溫(800 T -1250 T)下從發(fā)動(dòng)機(jī)排出。對(duì)于主要是由甲烷和其它輕質(zhì)碳?xì)浠衔锝M成的燃料來(lái)說(shuō)，通常管制的化學(xué)成分是氮氧化物(NO，NO2,或一般寫(xiě)成NOx)和一氧化碳(CO)。氮氧化物是當(dāng)空氣的主成分氮(N2)與空氣的另一主成分氧(O2)二者暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫和高壓下起反應(yīng)時(shí)形成。另一方面，一氧化碳是燃料不足以完全與氧反應(yīng)造成形成二氧化碳(CO2)的結(jié)果。CO和NOx是有問(wèn)題的污染物，因?yàn)樗鼈兊墓苤浦翟谠S多地區(qū)是定在現(xiàn)行工藝的極限處或低于該極限。在嚴(yán)格管制的區(qū)域，目前控制從以富甲烷燃料(天然氣、生物燃料、垃圾填埋氣等)為燃料的SI/IC發(fā)動(dòng)機(jī)的排放的做法是安裝發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道化以消除這些化學(xué)成分達(dá)到法規(guī)所要求的范圍的系統(tǒng)。對(duì)于較小發(fā)動(dòng)機(jī)(小于1000 bhp)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的后處理系統(tǒng)是單級(jí)催化劑。在這些小系統(tǒng)中，將從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃料產(chǎn)物強(qiáng)制穿過(guò)催化劑整體(具有貴金屬涂層的蜂窩狀結(jié)構(gòu))，該催化劑整體有助于所希望的氧化還原反應(yīng):
NOx 產(chǎn)生 N2+02C0+02 產(chǎn)生 CO2
氮氧化物還原成氣態(tài)氮(N2)和氧(02)，二者是良性的，而一氧化碳(CO)完全被氧化形成二氧化碳(CO2),同樣是無(wú)害且不受管制。目前基于催化劑的排放系統(tǒng)依靠很準(zhǔn)確的控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作參數(shù)以使上述反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率最大。準(zhǔn)確地說(shuō)，在催化轉(zhuǎn)化器中通過(guò)這些反應(yīng)同時(shí)消除NOx和CO要求發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程相對(duì)于空氣和燃料的混合物的精密操作窗口。這在圖1中示出用于典型的SI/IC發(fā)動(dòng)機(jī)。如所示，富油混合物產(chǎn)生從催化劑出來(lái)的NOx低但CO高，而貧油混合物產(chǎn)生CO低但NOx高。從圖1顯然可看出，同時(shí)消除NOx和CO要求把發(fā)動(dòng)機(jī)空氣/燃料比(AFR)精確地控制在化學(xué)計(jì)算量空氣/燃料比附近的狹窄區(qū)域內(nèi)。當(dāng)燃燒化學(xué)計(jì)算量保持在圖1的點(diǎn)A和B之內(nèi)時(shí)，只能保持兩種管制的污染物的達(dá)標(biāo)。為了達(dá)到日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，允許的燃燒混合物要求把發(fā)動(dòng)機(jī)空氣/燃料比控制在狹窄的范圍內(nèi)。仍參見(jiàn)圖1，圖1示出了典型的發(fā)動(dòng)機(jī)排放隨著從裝備有單個(gè)或多個(gè)三向催化劑(TWC)的SI/IC發(fā)動(dòng)機(jī)中的AFR而變化的情況。滿(mǎn)足對(duì)CO和NOx的管制極限要求把發(fā)動(dòng)機(jī)AFR保持在圖1的點(diǎn)A和B之間，而點(diǎn)A和B之間的區(qū)段近似代表化學(xué)計(jì)算量AFR。在美國(guó)和別的地方的大多數(shù)應(yīng)用中操作的穩(wěn)態(tài)SI/IC發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于可允許的CO和NOx排放高度進(jìn)行管制，上述CO和NOx排放日益變得受控制。最顯著地，美國(guó)加利弗尼亞大氣資源委員會(huì)(CARB)現(xiàn)在推薦極限為0.07 lb/MWh (磅/兆瓦時(shí))Ν0χ和0.1 lb/MWh CO作為他們的熱電聯(lián)合(CHP)應(yīng)用的2007年標(biāo)準(zhǔn)的一部分。為保持最低60%總系統(tǒng)效率和采取27%電效率而應(yīng)用熱回收信貸(heat recovery credit),在排氣的實(shí)際濃度方面規(guī)定的排放極限是3.7 PPM NOx和8.9 PPM CO。如本文所用的，“PPM”意指校正到標(biāo)準(zhǔn)空氣稀釋率(15%氧當(dāng)量)的體積的百萬(wàn)分之一。南加利弗尼亞在南岸大氣質(zhì)量管理區(qū)(SCAQMD)的管轄范圍下的地區(qū)已對(duì)NOx采用“CARB 2007”標(biāo)準(zhǔn)，而把CO排放限制到接近CARB極限的值。加利弗尼亞的另一些地區(qū)同樣采用類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)，而美國(guó)的其它地區(qū)在法規(guī)中采用接近CARB 2007 標(biāo)準(zhǔn)(例如 MA, NY 和 NJ)。遵守更新的標(biāo)準(zhǔn)，要求在用于CO和NOx 二者的催化劑中有極高的轉(zhuǎn)換效率。除了在控制空氣/燃料混合物時(shí)極為精密之外，需要超大的轉(zhuǎn)換整體。圖2示出對(duì)利用加工成一定尺寸以便符合CARB 2007的TWC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)(TecoDrive 7400型)所要求的穩(wěn)態(tài)AFR控制精度，如由前面催化劑狹窄區(qū)段加熱的排氣氧傳感器毫伏(mV)輸出所表示的，AFR控制器通過(guò)穩(wěn)態(tài)(無(wú)振動(dòng))AFR控制保持。如圖2中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒混合物(空氣燃料比)只有當(dāng)排氣管道中從標(biāo)準(zhǔn)λ傳感器發(fā)出的信號(hào)保持在680和694 mV之間時(shí)才適合于催化劑性能達(dá)到規(guī)定的極限。高于該范圍，則從催化劑排出的CO濃度超過(guò)8.9 PPM的SCAQMD極限，而低于該范圍，則NOx將快速超過(guò)3.7 PPM極限。圖2中所示的極限是CARB 2007具有用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱回收信貸的那些極限，這樣使燃料的熱含量的60%有目的地用作電力或回收的熱能。為了保持達(dá)標(biāo)，對(duì)所示的實(shí)施例燃燒空氣燃料混合物必須保持在14 mV窗口內(nèi)。用于將發(fā)動(dòng)機(jī)操作的控制窗口擴(kuò)大以達(dá)到CO和NOx 二者的合格的排放的可能方法是這樣修改系統(tǒng)，以便使用兩級(jí)催化劑系統(tǒng)，每級(jí)系統(tǒng)都在截然不同的化學(xué)氛圍下操作。早期催化劑系統(tǒng)通常采用具有級(jí)間空氣噴射的兩級(jí)設(shè)計(jì)。在這個(gè)時(shí)代，應(yīng)用單用途催化劑整體——氧化或還原，但不能應(yīng)用二者。以后，作為多用途，研制了單級(jí)催化劑(TWC)，這些變成主要的式樣。早期兩級(jí)系統(tǒng)在穩(wěn)定氣態(tài)燃料的SI/IC發(fā)動(dòng)機(jī)中成功地應(yīng)用，但在少得多的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)之下。估計(jì)，用兩級(jí)系統(tǒng)所遇到的NOx重組問(wèn)題在更早的年代就存在，但對(duì)那時(shí)的極限無(wú)關(guān)緊要。圖3示出上述安排。如所示，兩個(gè)催化劑級(jí)串連式垂直安裝到排氣系統(tǒng)中。將空氣泵送到第一級(jí)(CAT I)和第二級(jí)(CAT 2)之間的排氣流中并充分混合。發(fā)動(dòng)機(jī)空氣燃料比如此保持，以便有助于在第一級(jí)中有效除去NOx。噴射到排氣中的空氣在偏向?qū)O氧化成CO2的第二催化劑級(jí)處產(chǎn)生氧化性環(huán)境，即使發(fā)動(dòng)機(jī)AFR是在富油側(cè)上可允許的操作窗口之外，也產(chǎn)生十分顯著的好處。利用兩級(jí)系統(tǒng)的試驗(yàn)證明，用空氣噴射的兩級(jí)策略不僅無(wú)效，而且實(shí)際上對(duì)催化劑性能有害。從兩級(jí)系統(tǒng)出來(lái)的NOx排放被發(fā)現(xiàn)一般高于類(lèi)似尺寸和催化劑材料裝料的單級(jí)系統(tǒng)。這種令人驚奇的結(jié)果表明，機(jī)理是這樣的，即NOx在第二級(jí)中形成，可能通過(guò)富氧環(huán)境產(chǎn)生，還與有助于化學(xué)反應(yīng)的條件亦即高溫和催化劑材料充足相結(jié)合。因此，本發(fā)明的目的是提供用于始終而可靠地從火花點(diǎn)燃式氣態(tài)燃料的內(nèi)燃機(jī)的排氣中除去氮氧化物和一氧化碳的組件和方法。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述目的和其它目的，本發(fā)明的特點(diǎn)是準(zhǔn)備通過(guò)提供在較低溫度下進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器第二級(jí)的氣體，用來(lái)有效地減少火花點(diǎn)燃式氣態(tài)燃料內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件和方法。按照本發(fā)明，把進(jìn)入第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器的氣體在第一級(jí)之后立即從通常排出發(fā)動(dòng)機(jī)的極高溫度(800 T -1250 °F)冷卻到較低的溫度值。中間溫度或溫度范圍提供所希望的化學(xué)反應(yīng)(除去CO和碳?xì)浠衔?，而對(duì)由于NOx形成而不希望有的那些化學(xué)反應(yīng)十分有利。這在熱電聯(lián)合(CHP)應(yīng)用中被認(rèn)為是特別可靠的途徑，因?yàn)闅怏w在熱回收過(guò)程中被冷卻。在CHP應(yīng)用中這樣做只要求(I)將冷卻級(jí)重新定向以便在各級(jí)之間冷卻，和(2)將冷卻效率改變到屬于在有利的溫度范圍內(nèi)?，F(xiàn)在將參照附圖更具體說(shuō)明并在權(quán)利要求書(shū)中指出本發(fā)明的上述特點(diǎn)和另一些特點(diǎn)，包括構(gòu)造的不同新穎細(xì)節(jié)和部件的組合及方法步驟。應(yīng)該理解，實(shí)施本發(fā)明的特定組件和方法僅當(dāng)作舉例說(shuō)明示出，而不作為本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明的原理和特點(diǎn)可以在不同的和許多實(shí)施例中應(yīng)用。


參見(jiàn)附圖，在附圖中示出本發(fā)明的說(shuō)明性的實(shí)施例，從附圖中將明白本發(fā)明的新穎特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中:
圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)在規(guī)定精確控制的空氣/燃料比的可允許范圍之內(nèi)和之外的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中存在的氮氧化物和一氧化碳之間關(guān)系的曲線 圖2是示出現(xiàn)有技術(shù)使用三向催化劑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)所要求的穩(wěn)態(tài)空氣/燃料比控制精度的曲線 圖3是現(xiàn)有技術(shù)具有級(jí)間空氣噴射的兩級(jí)催化劑系統(tǒng)的意 圖4是按照本發(fā)明的實(shí)施例用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件和方法的示意 圖4A是可供選擇的組件的示意 圖5是示出下面說(shuō)明的試驗(yàn)I的結(jié)果的曲線 圖6是類(lèi)似于圖5的曲線圖，但示出在使用圖4的組件時(shí)氮氧化物和一氧化碳的顯著不同和大為改善的減少；
圖7是示出即使在空氣燃料比控制器失調(diào)的情況下，本發(fā)明的組件和方法也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣燃料比的偏差提供更低排放和更大容差的曲線 圖8是用于減少內(nèi)燃機(jī)中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧诺牧硪环N組件和方法的不意圖；和
圖8A是還有另一種可供選擇的組件的示意圖。
具體實(shí)施例方式 具有級(jí)間冷卻的兩級(jí)系統(tǒng)的試驗(yàn)用圖4所示的設(shè)備進(jìn)行。如圖4中所示，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)20排出并通過(guò)排氣導(dǎo)管22溝流到催化轉(zhuǎn)化器第一級(jí)24，該第一級(jí)24具有至少一個(gè)，而優(yōu)選的是兩個(gè)催化轉(zhuǎn)化器Cat Ia和Cat lb。優(yōu)選的是兩個(gè)催化元件而不是一個(gè)催化元件，以便在第一級(jí)24中對(duì)脫除NOx實(shí)現(xiàn)高性能。對(duì)于所公開(kāi)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單個(gè)催化轉(zhuǎn)化器元件良好工作具有第一級(jí)24的稍微折中的性能。來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)20的燃燒氣體在正常發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度(大約1200 T)下進(jìn)入第一級(jí)24，此后將排氣流分裂成兩股氣流26，28。一股氣流26隨著它在冷卻裝置30上經(jīng)過(guò)，或者通過(guò)一經(jīng)受適合于汽化并顯著降低該股氣流溫度的噴射的冷卻介質(zhì)的導(dǎo)管而冷卻到大約280 T。另一股氣流28繞過(guò)冷卻盤(pán)管30并從空氣噴射器32噴以受控制的空氣量。兩股氣流26，28如在接合點(diǎn)34處那樣重新結(jié)合，然后用管道輸送到第二催化級(jí)(Cat.2) 46中。排氣冷卻的程度能用溫度調(diào)節(jié)閥36調(diào)節(jié)。用證明所公開(kāi)的發(fā)明的該設(shè)備進(jìn)行了三次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果綜述如下。試驗(yàn)I
在第一實(shí)驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)20在高輸出(156 bhp (英制馬力)和2500 rpm (轉(zhuǎn)/分))下工作并用天然氣作燃料。溫度調(diào)節(jié)閥36這樣設(shè)定，以使大多數(shù)氣體繞過(guò)冷卻盤(pán)管30。在穩(wěn)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)操作下，和用發(fā)動(dòng)機(jī)AFR固定在利于從第一級(jí)催化劑24出來(lái)的NOx減少的條件下，開(kāi)始綜合在圖5中的實(shí)驗(yàn)。在頭200秒期間和沒(méi)有級(jí)間空氣噴射的情況下，在口 SI (圖4)處測(cè)量排氣系統(tǒng)中N0x、C0jP O2的濃度，及級(jí)間排氣溫度(“Tmix”)。在該時(shí)間范圍內(nèi)，和在SI處取樣的情況下，NOx的排放大大低于棕標(biāo)級(jí)限，而CO值不達(dá)標(biāo)。另外，級(jí)間排氣溫度高，如所預(yù)期的(大約800 T)，而O2濃度很接近零，表示接近化學(xué)計(jì)算量操作。在200秒處和準(zhǔn)備開(kāi)始空氣噴射時(shí)，將取樣口移到S2(圖4)，該S2緊接在第二級(jí)(Cat 2)之后。如所預(yù)期的，在第二級(jí)之后測(cè)得的CO和NOx濃度適度地低，具有附加催化劑元件的好處。在520秒處級(jí)間空氣噴射開(kāi)始，如在圖5中由在口 S2處O2濃度階躍變化清楚表示的。CO立即減少到接近零，但NOx濃度急劇增加，證明在過(guò)去得到的令人失望的結(jié)果沒(méi)有本發(fā)明的好處。隨著噴射空氣逐步在800，1100，和1400秒處增加，NOx稍有改善，但仍然十分不達(dá)標(biāo)。在1660秒處，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)改變到更富油的值，這僅使NOx排放變差。在1950秒處，停止空氣噴射，而使過(guò)程基本上返回到單級(jí)。在該最后時(shí)段里起具有富AFR的單級(jí)系統(tǒng)作用，測(cè)得NOx濃度低，而CO濃度發(fā)現(xiàn)是高的預(yù)期結(jié)果(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)2
在第二實(shí)驗(yàn)中，重復(fù)試驗(yàn)1，但用增加級(jí)間冷卻以便達(dá)到較低的“Tmix”值(400 T范圍)。在圖6中示出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯著地不同。當(dāng)空氣噴射在550秒處開(kāi)始時(shí)，NOx濃度從0.5 PPM減少到該值的大約一半，而CO同樣減少到濃度大大低于達(dá)標(biāo)極限。達(dá)標(biāo)試驗(yàn)是基于在具有短期峰值的延長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)所取的時(shí)間平均值，如在試驗(yàn)2 (圖6)中所看到的那些，且只要它們不過(guò)大就允許。當(dāng)級(jí)間冷卻顯著增加時(shí)，在較高溫度下對(duì)排放有顯著負(fù)面影響的空氣噴射在改善過(guò)程中十分有效。重要的是NOx減少不可預(yù)期且是過(guò)程的很有效的好處。試驗(yàn)3
在第三試驗(yàn)中，首先把系統(tǒng)調(diào)節(jié)到提供接近最佳性能的穩(wěn)態(tài)狀況，亦即用等于主燃燒空氣的大約1%的空氣噴射級(jí)間冷卻到大約520 0F。接著，將發(fā)動(dòng)機(jī)空氣燃料比控制器逐步調(diào)節(jié)到更富油和更貧油二者的另外穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)，以便確定過(guò)程對(duì)調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)娜菹?。圖7中所示的結(jié)果表明，過(guò)程成功地與λ傳感器從660 mV到更大的692 mV的讀數(shù)一致，基本上使單級(jí)催化劑系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)窗口加倍。因此，新的組件和方法為用穩(wěn)態(tài)(無(wú)抖動(dòng))燃料控制下的空氣燃料比的發(fā)動(dòng)機(jī)中的偏差提供更低的排放和更大的容限二者。同樣的現(xiàn)象和結(jié)論可適應(yīng)于抖動(dòng)的燃料控制策略，但具有在AFR達(dá)標(biāo)窗口方面的增加，如同后催化劑排放氧或λ傳感器所測(cè)得的。因此，本發(fā)明提供了圖4中所示的組件10用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔铩＝M件包括具有用來(lái)連接到內(nèi)燃機(jī)20上并從內(nèi)燃機(jī)20延伸的排氣接收端的第一排氣導(dǎo)管22、與第一排氣導(dǎo)管22的分配端連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)24、設(shè)在第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)24上用于冷卻從第一排氣導(dǎo)管22接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分的冷卻機(jī)構(gòu)如冷卻盤(pán)管30。組件還包括用來(lái)便于來(lái)自第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)24的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分氣流26的運(yùn)動(dòng)的第一出口導(dǎo)管27、用來(lái)便于從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)24接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第二股氣流28的運(yùn)動(dòng)的第二出口導(dǎo)管29、接收來(lái)自空氣噴射器32的空氣并與用來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第二部分的第二出口導(dǎo)管29連通的空氣噴射導(dǎo)管37、與第一出口導(dǎo)管27和空氣噴射導(dǎo)管37連通的第二排氣導(dǎo)管33、及與第二排氣導(dǎo)管33連通并具有排氣排放出口 48的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器46。第一出口導(dǎo)管27可以任選地設(shè)有溫度調(diào)節(jié)閥36。在圖4的組件操作時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)20出來(lái)的排氣通過(guò)第一排氣導(dǎo)管22并進(jìn)入第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)24，其中排氣的一部分26被冷卻并轉(zhuǎn)到第一出口導(dǎo)管27。排氣的第二部分28基本上不經(jīng)冷卻并轉(zhuǎn)到第二出口導(dǎo)管29上?？諝鈬娚淦?2將空氣噴射到第二出口導(dǎo)管29中。第二股排氣流28的熱排氣和噴射的空氣穿過(guò)空氣噴射導(dǎo)管37前進(jìn)并與排氣的經(jīng)過(guò)冷卻的這股氣流26合并及前進(jìn)到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器46且在出口 48處從中排出。還提供了用來(lái)減少內(nèi)燃機(jī)排氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件的可供選擇的實(shí)施例15，該可供選擇的組件15在圖8中示出，并包括具有連接到內(nèi)燃機(jī)20上和從內(nèi)燃機(jī)20延伸的排氣接收端52的第一排氣導(dǎo)管50、與第一排氣導(dǎo)管50的分配端56連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)54、與第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54連通用來(lái)冷卻從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分60的冷卻機(jī)構(gòu)58、和用于經(jīng)過(guò)冷卻的排氣的導(dǎo)管62，上述導(dǎo)管62從冷卻機(jī)構(gòu)58延伸。組件15還包括與第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)54的輸出和供經(jīng)過(guò)冷卻的排氣用的導(dǎo)管62連通的冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64。第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)66與經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管62和冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64連通。空氣噴射導(dǎo)管68與經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管62連通。排氣出口 70從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)66延伸。在圖8的組件的操作中，從發(fā)動(dòng)機(jī)20出來(lái)的排氣流到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54。離開(kāi)第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54的排氣的第一部分流向冷卻機(jī)構(gòu)58。離開(kāi)第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54的排氣的第二部分進(jìn)入冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64，該旁通導(dǎo)管64接合引出冷卻機(jī)構(gòu)58的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管62。來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)58和旁通導(dǎo)管64的結(jié)合的排氣如在混合閥72處那樣結(jié)合，并經(jīng)受來(lái)自空氣噴射器32的空氣的噴射，和流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)66，排氣從該第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器66通過(guò)出口 70流出而具有大為減少的氮氧化物和一氧化碳。還和圖4中所示的組件10 —起提供了用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?。方法包括以下步驟:將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器24 ;冷卻第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器24中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分和通過(guò)排氣出口導(dǎo)管27除去從催化轉(zhuǎn)化器出來(lái)的經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分；通過(guò)第二排氣出口導(dǎo)管29除去從催化轉(zhuǎn)化器24出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的未經(jīng)冷卻的部分；將空氣噴射到第二出口導(dǎo)管29中；通過(guò)空氣噴射導(dǎo)管37將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的未經(jīng)冷卻的第二部分和噴射的空氣輸送到第一排氣出口導(dǎo)管27，以便在空氣噴射導(dǎo)管37中與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分結(jié)合。方法還包括使排氣導(dǎo)管33中的排氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器46，和從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器46排放出排氣，因而以便提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。還與圖8中所示的組件15—起提供了用于減少內(nèi)燃機(jī)的排氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?。方法包括以下步驟:將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54和將從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器54中出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣部分地輸送到冷卻機(jī)構(gòu)58及部分地輸送到冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64 ;和將從冷卻機(jī)構(gòu)58與冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64出來(lái)的排氣在經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管62中混合；將空氣通過(guò)空氣噴射導(dǎo)管68噴射到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管62中；和將從冷卻機(jī)構(gòu)58，與使從冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管64、及從噴射空氣導(dǎo)管68出來(lái)的排氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器66 ;及通過(guò)出口 70把處理過(guò)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排放，由此提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。按照本發(fā)明的還有另一個(gè)特點(diǎn)，提供了用于減少火花點(diǎn)燃式氣態(tài)燃料內(nèi)燃機(jī)的排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒ā７椒òㄒ韵虏襟E:使從發(fā)動(dòng)機(jī)20出來(lái)的排氣流向第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器24，54 ;使從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器24，54輸出的排氣的第一部分流到冷卻機(jī)構(gòu)30，58并因此流到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管26，62 ;使從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器24，54輸出的排氣的第二部分流到未經(jīng)冷卻的排氣導(dǎo)管28，64 ;將排氣的第一和第二部分結(jié)合并使結(jié)合的第一和第二部分流到第二催化轉(zhuǎn)化器46、64及將空氣噴射到(I)未經(jīng)冷卻的排氣導(dǎo)管29和(2)結(jié)合的經(jīng)過(guò)冷卻的和未經(jīng)冷卻的排氣在它們結(jié)合之后的選定的其中之一中。在圖4的系統(tǒng)的可供選擇的實(shí)施例16中，供在其中負(fù)荷穩(wěn)定和用于冷卻的液體保持在穩(wěn)定速率下的情況中使用，圖4A的實(shí)施例能在設(shè)有熱排氣出口導(dǎo)管29和圖4中所示的噴射導(dǎo)管37的情況下提供和操作。同樣地，可供選擇的實(shí)施例18 (圖8A)能實(shí)現(xiàn)所需的降低保持在穩(wěn)定負(fù)荷和穩(wěn)定速率下的系統(tǒng)中的排放，其中排氣旁通導(dǎo)管64和混合閥72從組件中省去，如圖8A中所示。因此，在圖4A中示出的圖4組件的可供選擇的實(shí)施例包括排氣導(dǎo)管22、汽化構(gòu)造的冷卻機(jī)構(gòu)30、出口導(dǎo)管27、排氣導(dǎo)管33、設(shè)置成將空氣噴射到排氣導(dǎo)管33中的空氣噴射器32、和第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)46及其出口 48。利用圖4A所示的組件來(lái)減少內(nèi)燃機(jī)排氣中的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒òㄒ韵虏襟E:使從內(nèi)燃機(jī)出來(lái)的排氣流到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)、水冷卻從催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)出來(lái)的排氣并使經(jīng)過(guò)冷卻的排氣流向第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)；將空氣噴射到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣中；使經(jīng)過(guò)空氣冷卻的排氣流到第二催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)中；和從中將排氣排放。圖8A的可供選擇的實(shí)施例包括與圖8中所示相同的組件,但沒(méi)有排氣旁通導(dǎo)管64和混合閥72。也就是說(shuō)，組件包括排氣導(dǎo)管52、與冷卻機(jī)構(gòu)連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)54、具有盤(pán)管或冷卻汽化設(shè)施的冷卻機(jī)構(gòu)58。組件還包括用于將空氣從冷卻機(jī)構(gòu)58噴射到輸出管線62中的空氣噴射機(jī)構(gòu)32、和具有供處理過(guò)的排氣用的出口 70的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)66。利用圖8A中所示的組件來(lái)減少?gòu)膬?nèi)燃機(jī)出來(lái)的排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒òㄒ韵虏襟E:使從內(nèi)燃機(jī)出來(lái)的排氣流到第一催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)；冷卻從第一催化轉(zhuǎn)化器出來(lái)的排氣；將空氣噴射到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣中；使經(jīng)過(guò)冷卻的排氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)中；和將從第二催化轉(zhuǎn)化器中出來(lái)的排氣排放。應(yīng)該理解，本發(fā)明決不是限于本文所公開(kāi)的和/或附圖所示的特定構(gòu)造和方法步驟，而是也包括在權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的任何修改或等效物。
權(quán)利要求
1.一種用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件，該組件包括: 具有連接到內(nèi)燃機(jī)上和從內(nèi)燃機(jī)延伸的排氣接收端的第一排氣導(dǎo)管； 與上述第一排氣導(dǎo)管的分配端連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 設(shè)置在上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)上用于冷卻從上述第一排氣導(dǎo)管接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分的冷卻機(jī)構(gòu)； 用來(lái)便于來(lái)自上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分的運(yùn)動(dòng)的第一出口導(dǎo)管； 用來(lái)便于從上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第二部分的運(yùn)動(dòng)的第二出口導(dǎo)管； 與上述第二出口導(dǎo)管連通用來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第二部分的空氣噴射導(dǎo)管； 與上述第一出口導(dǎo)管和上述空氣噴射導(dǎo)管連通的第二排氣導(dǎo)管；和 與上述第二排氣導(dǎo)管連通并具有排氣排放出口的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器。
2.按照權(quán)利要求1所述的組件，其中上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)包括多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器。
3.按照權(quán)利要求1所述的組件，其中上述用于冷卻的機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)的盤(pán)管。
4.按照權(quán)利要求1所述的組件，其中上述用于冷卻的機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)噴射機(jī)構(gòu)，冷卻介質(zhì)適合于汽化以便降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分的溫度。
5.按照權(quán)利要求3所述的組件，其中上述盤(pán)管適合于將上述發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的上述第一部分的溫度降到大約280 T。
6.按照權(quán)利要求1所述的組件，其中上述第一出口導(dǎo)管設(shè)有溫度調(diào)節(jié)閥。
7.用來(lái)減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件，該組件包括: 具有連接到內(nèi)燃機(jī)上并從內(nèi)燃機(jī)延伸的排氣接收端的第一排氣導(dǎo)管； 與上述第一排氣導(dǎo)管的分配端連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 與上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)連通用來(lái)冷卻從上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分的冷卻機(jī)構(gòu)； 從上述冷卻機(jī)構(gòu)延伸的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管； 與上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器和上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管連通的冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管； 與上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管和上述冷卻機(jī)構(gòu)旁通導(dǎo)管連通的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器； 與上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管連通的空氣噴射導(dǎo)管；和 從上述第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器延伸的排氣出口。
8.按照權(quán)利要求7所述的組件，其中上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)包括多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器。
9.按照權(quán)利要求7所述的組件，其中上述冷卻機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)盤(pán)管。
10.按照權(quán)利要求7所述的組件，其中上述冷卻機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)噴射機(jī)構(gòu)，冷卻介質(zhì)適合于汽化以便降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分的溫度。
11.按照權(quán)利要求 7所述的組件，還包括設(shè)在上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管和上述旁通導(dǎo)管的接合處附近的混合閥。
12.一種用于減少火花點(diǎn)燃式氣態(tài)燃料內(nèi)燃機(jī)的排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包括以下步驟: 使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器； 使從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器輸出的排氣的第一部分流到冷卻機(jī)構(gòu)并因此流到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管； 使從第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器輸出的排氣的第二部分流到未經(jīng)冷卻的排氣導(dǎo)管； 將排氣的第一部分和第二部分結(jié)合并使結(jié)合的第一和第二部分流到第二催化轉(zhuǎn)化器；和 將空氣噴射到下面(I)和(2)的選定的其中之一中:(1)未經(jīng)冷卻的排氣導(dǎo)管,和(2)在它們結(jié)合之后的結(jié)合的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣和未經(jīng)冷卻的排氣。
13.用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包括以下步驟: 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 將第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的第一部分冷卻并通過(guò)第一出口導(dǎo)管從催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)中除去經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分； 通過(guò)第二出口導(dǎo)管從催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)中除去發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的未經(jīng)冷卻的第二部分； 將空氣噴射到第二出口導(dǎo)管中； 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的未經(jīng)冷卻的第二部分和噴射的空氣輸送到第二排氣出口導(dǎo)管以便在第二排氣出口導(dǎo)管中與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的經(jīng)過(guò)冷卻的第一部分結(jié)合； 使第二排氣出口導(dǎo)管中的排氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；和 從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器排出排氣； 由此提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。
14.用于從內(nèi)燃機(jī)的排氣中減少氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包括如下步驟: 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器； 將來(lái)自第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣一部分輸送到冷卻機(jī)構(gòu)和一部分輸送到冷卻機(jī)構(gòu)芳通； 在經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管中將來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)旁通的排氣混合； 將空氣噴射到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管中； 使來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)和來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)旁通的排氣及噴射的空氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；和 從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器排出發(fā)動(dòng)機(jī)排氣； 由此提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。
15.用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件，該組件包括: 具有連接到內(nèi)燃機(jī)上并從內(nèi)燃機(jī)延伸的排氣接收端的第一排氣導(dǎo)管； 與上述第一排氣導(dǎo)管的分配端連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 用 來(lái)便于來(lái)自上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的運(yùn)動(dòng)的出口導(dǎo)管； 用于在上述出口導(dǎo)管中冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的冷卻機(jī)構(gòu)； 與上述出口導(dǎo)管連通用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的空氣噴射導(dǎo)管；和 與上述出口導(dǎo)管連通并具有排氣排放出口的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器。
16.按照權(quán)利要求15所述的組件，其中上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)包括多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器。
17.按照權(quán)利要求15所述的組件，其中上述用于冷卻的機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)的盤(pán)管。
18.按照權(quán)利要求15所述的組件，其中上述用于冷卻的機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)噴射機(jī)構(gòu)，冷卻介質(zhì)適合于汽化以便在上述出口導(dǎo)管降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度。
19.用于減少內(nèi)燃機(jī)排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件，該組件包括: 具有連接到內(nèi)燃機(jī)上并從內(nèi)燃機(jī)延伸的排氣接收端的第一排氣導(dǎo)管； 與上述第一排氣導(dǎo)管的分配端連通的第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 與上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)連通用于冷卻從上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)接收的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的冷卻機(jī)構(gòu)； 從上述冷卻機(jī)構(gòu)延伸的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管； 與上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管連通的空氣噴射導(dǎo)管； 與上述經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管連通的第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；和 從上述第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器延伸的排氣出口。
20.按照權(quán)利要求19所述的組件，其中上述第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)包括多個(gè)催化轉(zhuǎn)化器。
21.按照權(quán)利要求19所述的組件，其中上述冷卻機(jī)構(gòu)包括冷卻介質(zhì)噴射機(jī)構(gòu)，冷卻介質(zhì)適合于汽化以便降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度。
22.用于從內(nèi)燃機(jī)的排氣中減少氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包括以下步驟:` 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)； 通過(guò)出口導(dǎo)管除去來(lái)自催化轉(zhuǎn)化器機(jī)構(gòu)的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣； 在出口導(dǎo)管中將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冷卻； 將空氣噴射到出口導(dǎo)管中； 使出口導(dǎo)管中的排氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；和 將排氣從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器排出； 由此提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。
23.用于從內(nèi)燃機(jī)的排氣中減少氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏姆椒?，該方法包括以下步驟: 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器； 將來(lái)自第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輸送到冷卻機(jī)構(gòu)； 使來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)的排氣流到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管； 將空氣噴射到經(jīng)過(guò)冷卻的排氣導(dǎo)管中； 使來(lái)自冷卻機(jī)構(gòu)的排氣和噴射的空氣流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器；和 將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣從第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器排出； 由此提供較少氮氧化物和較少一氧化碳含量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。
全文摘要
一種用來(lái)減少內(nèi)燃機(jī)的排氣中氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏慕M件和方法，其中在第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器中的排氣起作用。第一級(jí)催化轉(zhuǎn)化器輸出的第一部分進(jìn)行冷卻而催化轉(zhuǎn)化器輸出的第二部分不冷卻。將經(jīng)過(guò)冷卻的排氣和未冷卻的排氣結(jié)合并流到第二級(jí)催化轉(zhuǎn)化器。將空氣噴射到(1)在其與經(jīng)過(guò)冷卻的排氣的接合部之前的沒(méi)有冷卻的排氣和(2)在其接合部之后結(jié)合的經(jīng)過(guò)冷卻的排氣和未冷卻的排氣的選定的其中之一中。
文檔編號(hào)F01N3/00GK103154451SQ201080066499
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者J.B.格雷特, R.A.帕諾拉, R.羅澤 申請(qǐng)人:特科根公司