专利名称：向NOx捕集器和/或柴油发动机的间歇供给合成气体的制作方法
技术领域：
本发明涉及在具有内燃机的机动车辆中调节由合成方法产生的氢气、一氧化碳和其它气体的混合物(以下称为合成气体)的间歇供给，用于任意的间歇使用，例如用于NOx捕集器中吸收材料的再生，这种调节是通过下列方式实现的(a)将合成气体从消耗设备(如NOx捕集器)转到发动机的入口，(b)减少合成气体发生器的进入量从而使其仅仅保持温热，或者(c)用连续运转的微型CPO向主CPO充分地供给以使主CPO保持温热，以使主CPO可立即重新起动。
背景技术：
在具有内燃机的机动车辆中，为了减少废气中的氮氧化物(NOx)，已知是产生氢气和一氧化碳的气态混合物(以下称为合成气体)，所述气态混合物可以通过各种方式使用，例如用于NOx捕集器中吸收材料的再生。在2002年9月13日提交的共同未决的、序列号为No.10/243,105的美国专利申请中公开了用发动机燃料、发动机废气和空气产生合成气体，用于在再生NOx捕集器使用。然而，吸收材料通常能在大约80-100秒的时间内吸附废气中NOx，并且还在大约5-10秒的时间内完全再生。这种系统的另一个例子在2002年12月4日提交的共同拥有的共同未决的、序列号为No.10/309,712的美国专利申请中示出。
一种通常的合成气体发生器可以包括能重整液态碳氢化合物燃料的催化部分氧化器(oxidizer)(以下简称为CPO)。当需要合成气体时，CPO必须是在某一温度或高于某一温度下，以便在刚好几秒钟内产生有效量的合成气体。为此，CPO必须保持在被加热的状态；否则，对频繁起动和关闭CPO而言有很大困难。起动和关闭CPO需要相当复杂的控制，因此增加了系统的成本。另外，在起动时，CPO内的催化剂可能会在局部经历危险的氧/碳比，所述局部危险的氧/碳比可能会熔化或破坏CPO催化剂。
尽管CPO可以简单地处于工作状态并且放出合成气体，但这会导致相当大的燃料损失，同时产生不允许的发动机系统低的总效率。
发明内容
本发明的目的包括改善CPO在向NOx捕集器提供合成气体时的利用；有效产生合成气体，以用于NOx捕集器的再生的合成气体；在机动车辆中更简单地产生合成气体；有效地产生用于间歇使用的合成气体；改善机动车辆中的内燃机，尤其是卡车的柴油发动机的总体效率和净化操作。
本发明部分基于这样的认识，即如果在循环的当不需要混合气时的关闭部分期间使CPO保持温热，可以通过很简单的控制在一或两秒钟内容易地重新起动它。本发明部分基于这样的认识，即将富含氢气的气体例如合成气体加到内燃机的燃料入口中会增加混合物的可燃性，因此形成更好的火焰前锋(flame front)，从而减少了壁润湿和发动机的NOx排放。
根据本发明，例如，在不需要合成气体来再生NOx捕集器吸收剂材料的时间段期间，整个系统中合成气体发生器的布置在以下方式之间变换，(a)通过将产生的合成气体经由发动机气体再循环(FGR)流转到发动机燃料入口，以便改善其中燃烧，或者(b)通过减少对CPO的燃料或其它输入物，以便仅仅使CPO充分保持温热，使它可以在一或两秒钟内重新起动。
在第一实施例中，在合成气体不需要用于其主要应用、例如NOx捕集器的再生的期间，合成气体被转到EGR中。在本发明的另一个实施例中，在不需要合成气体的时间段期间，燃料和废气的量明显地减少。在本发明第三实施例中，将减少的量的燃料和废气混合并加到连续运转的微型CPO上，微型CPO的输出被加到将合成气体供应给NOx捕集器的主CPO；微型CPO的输出提供热量和容易点燃的燃料，从而保持接近工作的温度，很简单。
图1是把CPO的输出从NOx捕集器转到发动机燃料入口的发动机系统的简化示意图。
图2是在不需要CPO的输出的时段期间供给到CPO的燃料和废气量明显减少的发动机系统的示意图。
图3是在不需要CPO的输出的时段期间将明显减少的量的燃料和废气输出供给微型CPO的发动机系统的示意图，该微型CPO提供热量和氢气给主CPO，以便使主CPO保持温热和保持还原的环境。
具体实施例方式
参见图1，发动机系统11包括内燃机12，内燃机12接收管路13中的燃料和空气的混合物。管路17中的空气通常由涡轮增压器提供，通过阀18对空气的压力进行适当地调节。燃油泵20将燃料供应到管路19中。在管路23中的发动机废气通过固定节流孔24与来自管路19通过固定节流孔26的燃料一起供给静态混合器25，该静态混合器的输出通过管路29供应到主CPO30，主CPO30产生由氢气，一氧化碳和其它气体组成的气态混合物，上述所有气体都是常规的且与本发明无关。CPO的输出通过管路31供应到二通阀33，然而，该阀如下面所述可以具有多种选择。
管路23中的废气还供给利用合成气体的设备如向一对NOx捕集器35供应的一组阀34，捕集器35可以是如上面提到的序列号为10/243,105的专利申请中所公开的那样，并可以采用例如碳酸钡作为NOx吸收材料，来减少发动机的NOx排放。向上的阀34的另一个输入由二通阀33的调整位置之一提供。因此，当一个NOx捕集器中的吸收材料在较短的时间(通常是5-10秒)内再生时，通过来自控制器40的信号使二通阀33向阀34提供有效量的合成气体；在这种情况下，有效量是再生NOx捕集器所需的量。控制器40通过信号41来回切换阀34，使得每个NOx捕集器以较长时间(通常约为80-100秒)交替地吸收NOx，然后在较短的时间(通常约为5-10秒)内通过合成气体再生。
当不需要合成气体时，控制器40将通过信号39起动二通阀33的设定，以便将合成气体供应到EGR管路43，所述EGR管路43通过EGR阀44接收来自废气管路23的废气。EGR气体在热交换器45中冷却，通过另一个常规的EGR阀46，并因此与管路13中的空气/燃料混合物混合，用于在发动机12内燃烧。EGR部件43-46是常规部件。
在图1的设备中，CPO能以其额定量工作，以便当发动机12处于正常运动时，连续地提供有效或足够量的合成气体。CPO的输出被交替地供给NOx捕集器35或者转到发动机12的入口13。因为合成气体改善了发动机的运行，并且减少了其的不希望有的排放物，所以用来产生合成气体的燃料量不会造成整个发动机系统的效率损失不可接受。通过使CPO连续地工作(在正常的发动机运行期间)，CPO很有效地工作，并因此改善了整个系统的效率。
在图2中，本发明的另一个实施例，在不需要再生NOx捕集器时的期间不转化合成气体。而是急剧减少CPO的进入量。利用一对电磁阀50，51代替固定的节流孔24，26(图1)和静态混合器25。当打开电磁阀50，51时，将所需量的废气和燃料供给CPO30的混合器部分52，并且CPO产生用于再生NOx捕集器35的有效量的合成气体。在图2中，CPO的输出管路31直接连接到阀34的输入管路上。
当NOx捕集器不需要合成气体时，通过控制器40的信号53将阀50，51关闭，从而不再将主废气和燃料流供给CPO30。相反，CPO必需依靠管路55中由静态混合器56提供的少量混合物，静态混合器56分别通过固定节流孔59、60接收有限量的废气和有限量的燃料。在每个循环的关闭(不再生)部分期间提供给CPO的废气和燃料量刚好足够提供热量的合成气体，该合成气体将使CPO30保持足够热量以使CPO30保持在使其能在关闭结束之后立即重新起动的还原环境中，同时在关闭期间只产生微量合成气体。在循环的关闭部分期间，所产生的少量合成气体即使在完成再生之后也将通过NOx捕集器。
由此控制是简单的，因为仅需要打开和关闭主入口阀，并且因为在循环的关闭部分期间，只利用通过固定节流孔60的相对很少量的燃料，所以节约量相当大。
图3的实施例与图2的实施例相同，除了设有微型CPO62之外，微型CPO62通过管路55接收静态混合器56的输出。微型CPO的输出通过管路63供给CPO30的混合部分52。微型CPO的使用使得使用的燃料较少，因为微型CPO向CPO30提供热量和合成气体，这样保持主CPO30是热的并且还保持还原的环境。所有这些使得更容易重新起动主CPO30，而没有通过危险的O2C化学计量范围的风险。在这个实施例中，阀59和60在发动机运行期间保持打开，从而微型CPO连续地运转。尽管微型CPO的设置一定程度上增加了总的设备成本，但在时间段内可以节约的在循环的关闭部分期间用来保持主CPO温度的燃料相当多。
合成气体可以用于快速加热废气催化剂、颗粒过滤体再生和/或NOx捕集器吸附剂的脱硫。在那种情况下，阀33(图1)可以是三通阀。
在上述实施例中，发动机12是用柴油燃料工作。如果本发明与汽油发动机一起使用，则可以在CPO的入口的混合物中加入一部分空气，以便补偿汽油废气中低的氧量。
权利要求
1.一种在内燃机系统(11)中的方法，所述内燃机系统(11)用燃料(20)进行工作，并具有辅助系统(35)，该辅助系统(35)间歇地使用内部产生的包括氢气和一氧化碳的混合物(以下称为“合成气体”)，该方法包括在重整装置(30)中产生至少一定量的合成气体，该合成气体量足够用于所述辅助系统；以及周期性地在第一时间段中将所述合成气体以所述的足够量供应(33，34，40)到所述辅助系统中，在第一时间段之间分布有关第二时间段；其特征在于在所述第二时间段中，或者是(a)减少(40，50，51)产生的所述合成气体量，以便仅产生所述合成气体足够量的一小部分，(b)(33，40)将所述合成气体转到所述发动机的燃料入口(43)，或者(c)将少量由连续运转的微型CPO(62)所产生的合成气体供给到所述重整装置。
2.一种在内燃机系统(11)中的提供合成气体的方法，所述内燃机系统(11)用燃料(20)进行工作，将里面具有氮氧化物(以下称为“NOx”)的废气(23)提供给具有吸收材料的NOx捕集器组件(35)，所述吸收材料周期性地用内部产生的包括氢气和一氧化碳(以下称为“合成气体”)的混合物对所述NOx捕集器进行再生，该种方法包括第一，由所述废气和所述燃料在重整装置(30)中产生至少使所述NOx捕集器组件中的吸收材料再生的有效量的合成气体；以及第二，周期性地在长度约为5-10秒的第一时间段将至少所述有效量的所述合成气体供应到所述NOx捕集器组件中，在第一时间段之间分布有第二时间段，所述第二时间段比所述第一时间段长约8-20倍；其特征在于第三，在所述第二时段期间，通过(a)将所述合成气体从所述NOx捕集器组件转到(33，40)所述发动机的入口(43)，(b)减少(40，50，51)用来产生所述合成气体的所述燃料和废气量，以便仅产生所述合成气体有效量的一小部分，或者(c)将由连续运转的微型CPO(62)将所产生的少量合成气体供给所述重整装置，来改变所述第一步或所述第二步。
3.用于产生包括氢气和一氧化碳的混合物(以下称为“合成气体”)的设备，其包括氮氧化物(以下称为“NOx”)捕集器组件(35)，其具有周期性地由合成气体再生的吸收材料；内燃机系统(12)，其用燃料(20)进行工作，并将里面具有NOx的废气(23)供给所述NOx捕集器组件；第一装置(30)，其用于由上述废气和所述燃料产生使所述NOx捕集器组件中的吸收材料再生的有效量的合成气体；以及第二装置(33，34，40)，其用于周期性地在长度约为5-10秒的第一时间段将至少所述有效量的所述合成气体供应到所述NOx捕集器组件中，在所述第一时间段之间分布有第二时间段，所述第二时间段比所述第一时间段长约8-20倍；其特征在于第三装置，其在上述第二周期中通过(a)将上述合成气体从所述NOx捕集器组件转到(33，40)所述发动机的入口(43)，(b)减少(40，50，51)用来产生合成气体的所述燃料和所述废气的量，以便仅产生所述有效合成气体量的一小部分，或者(c)将由连续运转的微型CPO(62)产生的少量合成气体供给所述重整装置，来改变所述第一装置或所述第二装置的操作。
4.根据权利要求3所述的设备，其中在所述NOx捕集器组件(35)中的吸收材料包括碳酸钡。
全文摘要
催化部分氧化剂(30)将合成气体(氢气和一氧化碳)供给间歇地在较短时间段使用合成气体的设备如阀(34)，该阀(34)向捕集器(35)供给。在不用合成气体的关闭时间里，将CPO的输出通过发动机气体再循环(EGR)系统(43－46)转(33)到发动机(12)的入口(13)，或者减少(24，26；59，60)加到CPO的燃料(19)和废气(23)的量，从而使CPO仅仅保温并处于减压的状态，由此准备立刻重新起动。当NOx捕集器不使用合成气体时，微型CPO(62)可以在关闭时间内向主CPO(30)提供合成气体和热量。
文档编号F01N3/10GK1981114SQ200480035273
公开日2007年6月13日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月23日
发明者K·刘, W·G·弗努克, W·P·伦豪特斯 申请人:壳牌氢气有限公司