专利名称：操作柴油发动机以减小有害废气排出和改进发动机润滑作用的系统和方法
技术领域：
本发明涉及IMt柴油发动机的一种改进的方法，所说的柴油发动才蹈e^有柴油颗^it滤器(DPF)和废气再循环(EGR)系统，以减小来自柴油发动机的颗 粒物质(PM)、絲烧的^/f^^勿(HC)和氮的氧m^ (NQx)的排放。^口 *^地说，本发明涉及一种催化柴油颗i^ii滤器系统，它通过i^虑废气改进了排放，并JLiiitim^收集的颗粒物质使逸虑ll4循环。本发明还涉城过使用^HP的EGR(废气再循环)气体、以絲柴油发动才纖烧系统中引入水来减小 氮的氧4緣的方法。本发明还涉A^动才;i^^润滑组^7，以#内^4几(其中包括柴油发动机)内佳月这样的发动机润滑油的方法。
背景技术：
在减小使全球变暖的气翻M文的努力中，可以有^WM节能型内^4几，如 柴油发动4几。柴油发动机由于它们的燃料效率高，仍旧受到欢迎。提高内燃机的能量效率的一种方法是通过提高润滑性能来减小摩擦能量损耗。然而，；0^斤周知，柴油发动才球它们的废气中排ii^粒物质(PM)和氮的氧 化物(NQx)。存在的问M，从柴油发动机中同时减少^^立物质和氮的氧^4勿这 两者是很困难的，因为在染油燃烧过程中产生的这两种排放产物之间存在;0^斤周 知的4斤衷关系。电子学控制和公共^il^i^系统的出现，大大》4^动了柴油发动机燃^^支术
的进步。然而，必须认识到，只有内;)^織烧系统不可能满A^的柴油排放标 准，尤其是有关颗粒物质和氮的氧化物的排放标准。出乎意料的是，最近已菱lj^现，先进的柴油发动机大量助M史"超细^(a", 即，精细綠的颗粒。这些精细錄的l^立^ft^f^害人类《錄。而且，J胜 完全可以确认，在已知的解决方法中，只有柴油颗并iit滤器(DPF)技术安^ 柴油排放系统中时才育沐皿并且大百分数地(例如99.9%)(按照颗粒计数)^柴 油发动机中减少颗净M勿质以^i目关的超细颗粒。因此，柴油颗粒i^虑器i^变为 必需的，并且期望，从不久的絲开始，在^:界，在所有的柴油发动才;Ui,都酉e^这种柴油颗粒i^虑器。已经提出催化的DPF(CDPF)方法，这种方法包括一种催化剂，这种催化剂或 者(1)在一^f崔化收集器内，所说的催化收集器在收集物质上进行预处理；或 者(2)作为承截燃料的催化剂(FBC), ^ii里通过连接到单独的附加油箱的调 节装置为催化成M续提供燃料。有关CDPF方法的专利实例包括美国专利6248689"自动再循环的柴油废， 粒i^虑器和材料"和美国专利5758496 "颗并沐废气的排放控制系统"。DPF技术，其中^i舌CDPF，通常育沐^N^及大减少颗粒物质的排放，但不 能减少来自柴油排放物的氮的氧化物。本申请人的先前的专利美国专利#5085049和5251564 ^t导同时减少颗粒物质、》1!l^^;、和氮的氧^4勿的新方法，即，^J I与^卩的egr过禾Ma合的"有源的"CDPF系统。在美国专利#5806308中描述的类似的DPR-EGR方法， 其中的一个"无源的"DPF系统与热的EGR系统熬合，不育^实际的驱动^f牛 下重^生DPF。因此，与^P的EGR系M^給的"有源的"CDPF系统需^f呆 4所有的驱动条f牛下的收集的重复产生。减少柴油发动机的氮的氧化物排放的另 一种方法是利用燃烧室内的水来减小 峰值火焰温度。在本领域中公知的水填加方法包括1)水-注入，2)水_燃料乳 剂，3) 7JC熏蒸。然而，包括ERG过程的7p真加方法在柴油发动才难烧系统内没有广^i也实际 应用，因为关注的问^l润滑油的保护膜通过与临界的磨^r属表面(如活塞环和釭体壁之间的平面以及阀的轴承等)中水的接触引起的破碎可能导致的发动机磨损问题。因》,望开发^>有效的发动机润滑油组*以;^柴油发动才鹏烧 室内存在水的情况下能够更好i^^挥作用的润滑系统。美国专利6329328提出了一种特别适合于压力累加型(公共^it型)的并且 具有EGR系统的柴油发动机，其中加入了有才M目^^物、二烃1_^^^<^^锌、 ^7J^酸的钙或镁和锌盐，其中的基油由矿物油和/或合成油组成。美国专利4946609 7a了一种用于柴油发动机的发动机润滑油，所说的柴油 发动机在排气系统中配备有DPF，所说的润滑油包括柴油发动机润滑油和 5-20000ppm(以柴油发动机润滑油为基准)的二茂铁和/或浮油的铁盐的铁化合 物。使用如美国专利4946609所示的包^4失^S^物的柴油发动才几润滑油对于在所 有驱动模式下？ I发收集的颗粒物质的催化重复发生不是总M够的。类似地，美国专利#5386804公开了一种方法，用于向燃烧或电机燃料^i口二 茂铁，其中^^]了在燃烧室内的填加剂的改进的调节方法。对于内燃机，例如柴油发动机，定期地引导用过的曲轴箱油的控制量到燃料 箱^:可能的，在逸io用过的油与燃料混会，并JL^;^动才;i^烧期间与燃^h^ 燃烧。有许多实施自动曲轴箱油的改变和补给系统的方法，例如在美国专利 5390762、 4495909、 4421078和4417561中^^开的那些系统。然而，通it^til些 专利中公开的方法，燃g柴油燃料中的用过的发动机油将排放更多的空气污染 物，如果不^JU DPF系统，在某些国家中il^不^^许的。因此，需^~种 说的CDPF系统，它能够^口有^k;咸少不期望的污染物。 胁来说，需^"种CDPF系统，所说的CDPF系统可以^f乍以便同时减少颗粒 物质和氮的氧化物这两者的排放。如果一个CDPF系统可用于有;ii也 ibii^动机油的润滑'l":i^有效性，这将是 絲的。发明内容本发明提^^种排放减少系统，用于酉漆DPF和EGR的柴油发动机。 按照本发明的系统可以加入一种 M的发动机润滑油组^4勿，所说的组，可以舰DPF再生，并Jli^具有:R^擦^t。本发明还涉絲柴油发动机中^JI] 这样的发动4几润滑油的方法。按照本发明的排放减少系统还提^-种可选的方法，用于经过EGR系统向柴 油发动机的进气岐管提供水蒸^fa催化剂，以便减少来自柴油废气的氮的勤膽的形成，不会引^^动才;i^损问题。已经发现，^^1加到油箱中发动机润滑油的发动机润滑油填加组* (它的 ^分后来传it^燃料箱)通it)f^^再生期间收集的颗粒物质的点火温度，延 长了在排放系统中柴油颗粒过滤器的使用寿命，同时还为酉6^有按照本发明的 DPF系统的柴油发动才;i4^^支高的润滑性能。处的*勤口组#包括Cu、 Ce、 Pb、 Mn、 Zn的一种或多种有才/l4r^^^物，其范围按重量计占油的总重量的约 0.05%至10%,伊逸的范围约为0.1%至6%,或者，最條的范围约为0.1%至2 %。的可替换方法，为此，要在发动才;u由箱中的发动机油内混^定数量的催化剂，随后，将控制数量的这种^fl化剂的油从油箱加到燃料箱内。这样就斷氐了DPF收集的颗粒物质的点火温度。 按照本发明的系统*出如下的教导确定气流体的路线，所i兌气流体可以是空M者来自DPF的冷却的EGR气流，使其通# EGR储能器中的水^f^f匕 剂溶液，然后iiAi^烧室。EGR储能器包含在l-10。/。水溶液中的Cu、 Ce、 Fe、 等的水溶性催^^^7,在EGR运行通itit个溶絲，水蒸^H^化成M两 者^"加到酉5^有DPF和EGR的柴油发动才鹏烧系统内，以减少来自柴油废气 的颗粒物质、^!U^^、和氮的氧化物。为了更全面地理解本发明，读者要参照下面的详细描述部分，应该结合附图 阅读这^分。在下面的详细描述以及附图中，相同的标号指的是相同的部件。
图1是按照本发明的说明性实施例的排放减少系统的示意地说明，主要用透 视图表示。图2是作为图1的系统的一转件的EGR储能器的示意描述，表示EGR气泡穿过催化剂-水溶液的i^4圣。
具体实施方式
J脉参照附图，图1总体表示按照本发明的一t"i兌明性实施例的排放减少系 统(10)的概况。应该理解，按照本发明的排放减少系统期望安^汽车(未示出)上。按照本发明的排放减少系统(10)是对于本发明人以前的美国专利5085049 和5251564教导的系统的改进。在i^E参照引用了美国专利5085049和5251564 的整个公开内容，^4組些专利是全文^￡提出的一样。提供如图中示意;44示的按照本发明的排放减少系统(10)以^JU于柴油发 动机(l)。在燃料箱(11)中使用在市场上可以得到的柴油燃料，按照惯例^ft 柴油发动机(1)的核心才M戎部件。所说的燃料可以是利用催化剂处理过的，也 可以不是，并且可以全都是由/A^油站买到的柴油燃料构成的。^^照另一种方式， 在箱(11)中的燃^￡可以是包括酒精、水乳胶、和/或生物柴油的燃料^^物。 发动机(1)通过它的空Vv口 (7)吸入空气以使應烧。排放减少系统(10)还包括一，化剂i颠口储，(8)和第"-^l节泵(9), 用于向油箱(40)中的油填加调节量的催化剂填加溶液。排放减少系统(10)还包括一个电子控制单元(18 )，电子控制单元包括孩狄 理器。虽然在附图中省去了连接电子控制单元(18)到系统(10)的其它部件的 连线，但应该理解，控制单元用导线与多个传感器和控制设备连接。本领域中的 技&、员熟悉这些传感器和控制设备，因为今4汽车制造业广泛地^^这些传 感器和4空制i殳备。^i^，控制单元(18)可以部分的由M动才/U空制模块(ECM) 或汽车的动力总成控制4莫块(PCM)构成。燃烧副产物以各种废气的形式出现，其中包括颗粒物质、石M^^、超细 颗粒、和氮的氧4匕物，它们通过排放歧管(13)从柴油发动才;a非出，并JLi^A^ 气过滤组件(14)。废气i^虑组件(14)包括两个独立的分支，在一个指定的时间只有一个分支在操怍，如在本申请人的以前专利中^口详细描述过的。以此方 式，组件的一个分支可以处在再生模式，而另一个分支则在收集模式。废气itii组件(14)包括第一和第二独立的i^虑器元件(2a^2b)，它们在发动才;u^1乍期间交執收集颗粒物质，同时，定^^逸虑器元件下游方向的单个排放换向阀(4)在it^虑器排放端口 ( 17)内枢轴絲以便引导废气^ititM件(14)。 ^i^也，如果期望，可以在^^虑器元件的上游方向使用第4向阀(在图1中用虚錄示)在图1所示的实施例中，图中所示的换向阀(4)在左边位置，堵塞了流it^ 一逸虑器元件(2a)的废气，从而迫4级气穿过第二i^虑器元件(2b)，在最接近 发动机(1)的表面上积累颗粒物质。颗粒物质(其中包4嫂细颗粒)在第二过 滤器元件(2b)的表面上连续^i焦积^来， 一直到在过滤器元件的上游方向的背 压力iiSj预先确定的阈值时为止。为了检测这个背压力并且将检测的数值通信到 控制单元(18),要提供适当的传感器。当&ij过滤器(2b)再生时间的时候，如由过滤器前的背压力所表示的，控 制单元(18)使换向阀(4)的位置从左侧变到右侧，以H^许废气^ui^斤iJCit 滤器组件(14)的左分支，并且堵塞废 过&虑器组件的右分支的流动。然后接通预热Sil其它的电点火器(3-2),在已经重新堵塞的分支内启动再 生过程，燃^A/v再生过滤器(2b)收集的颗粒物质。在过滤器(2b)上积累的颗 粒物质中的适当的催化剂的存在可以使它的点火温度下降到范围250°C-400°C 内的一个^:值。由于现在已经堵塞了正常的废气流，所以来自过滤M生的差4上所有的燃 烧副产物都通过EGR端口 (20)离开，EGR端口 (20)与EGR管(12)连接， EGR管(12)延伸到EGR储能器(5)。这些燃烧副产物通过EGR储能器(5), 然后通itii气岐管用真空方iU^及到空气入口 (7),然后与燃烧空气"""fe^到燃 烧室内。J脉参照附图2,可以看出，在EGR储能器中，从EGR管(12)开始通过 催化 K溶液(50)来引导EGR气体。这^^化7K溶液(50)可以包括Cu、 Ce、 或Fe的7jc溶性催^it素，占溶液的总重量的约1 %到约10 % 。EGR气体在离开储能器(5)以后，被引入空仏口 (7)，以便在柴油发动机 (1)内再一次燃烧。如果期望的话，可以^JD—^fii^的催化水储，(44)
来根悟需要补充储能器(5)中的溶液。借助于it^虑M生循环的完成，换向阀可以^i^^多动到排放^^口 (17) 的两个分支之间的一个空挡，然后可以断开电点火器(3-1 )。过滤搡作通过两 个逸虑器(2a、 2b)继续进行，经过i^虑的废顿錄(15)和(16)的两个排 放管以及(17)离开。当另一个过滤器(2b)再生时，将换向阀(4)移动到另 H^(16)，然后接通相关的电点火器(3-2)。虽然经过近虑的废，过排放端口 (17)排放到大气中，但是将来自再生过 滤器(2b)的副产物经过排放端口 (20)排放到空^口 (7),而排放端口 (20) 与EGR管(12)相连。当通过打开过滤器盖(21)给空的燃料箱(11)填 料的时候，拆开A虑 器盖的动作向^^动拟由泵(30)发出信号M动机'由底壳(40)泵出预先确 定的数量的用过的发动机润滑油加A^料箱内。结果，开始时作为用于润滑油的 发动才;U逮添加剂？ 1入的催^M給物与新添加的燃^M^t^給，以便形成要在柴 油发动机(1)中燃烧的舍燃料的催化剂。通过与催化油箱(8)相连的补给油泵 (9)可以补加用完的发动机油。这就向油提供了催化添加剂，其重量范围/A^ 终组^4勿的总重量的约0.1%到约2%。可以在油中使用的合适的添加剂的例子包 括羧酸铈、乙酸铜、和^^烷酸(naphthanate)铜。下面的例子应该有助于说明按照本发明的方法^i殳备的操作。 例l参照附图1，按照條的方式封糾偶逸虑器，在it^-器前方安装电线團，每 个it)虑器由Coming柴油颗津ii^虑器构成，它和直径为5.66英寸，M为6英寸， 射方英寸有100个单元。如图l所示，通过排放系统中的换向阀控制废气和EGR气体的流动。来自DPF的EGR气体经#EGR储能器中的水溶液的发泡过禾1^口到空^ 口，所说的储能器填絲2升水，水中包含50克乙酸铜，并且含少量l， 2-亚乙 ^醇以便防jh^冷温度冻结。本发明的方法的所有特4i^^^具有3.0升发动才;i^量的柴油发动机的一 台Mercedes 300 D上。测试燃料是常规的柴油燃料，在燃料中存在300 - 400ppm的硫。所用的发动才;u由是常规的发动机润滑油，粘度为iow40,适合于柴油发 动机，其中添加本发明的发动才;u'由添加剂，本发明的发动才;w由添加剂中包樹目等数量的萘烷酸铜和羧酸铈，从而给出的添加剂量占总的油重量的2%。在美国的EPA^i2^放实验室，按照"联邦测试过程FTP-74CVS，，方法的标 准排放测试，测量本发明方法的 。如以下的表格所示，本发明的方法明^i也 减少了颗粒物质和氮的氧化物这两者。表l:柴油排放测试结果，^f立克/千米石錄4b^4勿 0.26一氧似友 0.81氮的氧化物 0.30颗粒物质 0.013燃料燃驗率(npg): 31.2虽然针对具体的说明性实施例已经描述了本发明，但以上的描述旨在说明， 并非限制。本领域的"fit技^A员应该认识到，可以对于M实施例进^i午多改 进，这^:可以才乘怍的。例如，两个逸虑器可以同时有^it滤，其中两个过滤器 都可以进行再生，并且在两个过滤^^一的正常工作时间的至少某^分期间， 来自柴油发动机的废气的""^分可以旁路过滤器，通到大^J不境中。还有，不是 通过导管引导无效i^虑^ll"生的副产物到EGR储能器，而是通过导管将所说副 产物引AJU柴油发动机的空Vv口 。可以向EGR储能^f^EGR气体或独立的 空气源。期望在本发明范围内的所有的这样一些改进都落在本发明的范围和构思之内。
权利要求
1. 一种用于柴油发动机的发动机润滑油组合物，所说柴油发动机在连接到所说发动机的排放系统中配备有柴油颗粒过滤器和废气再循环系统，所说润滑油组合物包括柴油发动机润滑油和催化剂添加剂，所说催化剂添加剂包括从包括Cu、Ce、和Zn的组中选择出来的至少一种元素的有机金属化合物，其中所说的催化剂添加剂可以操作以催化所说颗粒过滤器的氧化再生，其中所说催化剂添加剂存在的范围按重量计是油的总重量的约0.05％到10％。
2. 权利要求1的组^;，其中所说催化剂添加剂存在的范围是所i^且^/ 的总重量的约0.1%到约6 % 。
3. 权利要求1的组^4勿，其中所说催化剂添加剂存在的范围是所"iXi且^ 的总重量的约0.1%到约2 % 。
4. 一种用于润滑柴油发动机的方法，所说的方法包^^下步骤利用权利要 求1的润滑油组合物润滑S5^有柴油颗粒过滤器的柴油发动机。
5. —种,酉漆柴油颗粒过滤器的柴油发动机的方法，包4^f口下步骤 向发动才几中的油添力口油溶性催化添加剂；#^有所说催化添加剂的计量的发动机油自所说的发动才;1#彩"燃料箱中的 柴油燃料；燃絲自所说柴油发动机中的所iW料箱的燃料以产生废气；以及在所说柴油颗粒过滤器上收集来自所iKA气的颗粒物质；以及点燃所说收集的颗粒物质以^^斤说的颗粒出虑器再生；由此，在所说的颗粒物质中存在少量的所说催化添加剂，可以在所说柴油颗 粒ital器的再生期间催化其燃烧。
6. 权利要求5的方法，其中所说的再生产生颗粒物质燃烧产物，所说的再 生还包4沐下步骤51导所舰粒物质燃烧产物頭;鹏立出虑器到所狄动机 的进气岐管内。
7. 权利要求6的方法，进一步还包4^(口下中间步骤传i^/斤i^粒物质燃烧产物，使其通錄EGR储能器中的一个水池。
8. —种引入Cu、 Ce、 Fe等的水溶l"生^^物和水到酉e^DPF和EGR系统的 柴油发动机的空气入口的方法，其中所说的^^7可以操作以催化所i^粒iiifl 器的勤W生并减少氮的氧化物气体的排放。
9. (当前修改的) 一种^^柴油颗并iiti虑器的改i^法，所说柴油颗粒逸虑 器通过^^1单个换向阀与^卩的EGR过禾IM^，所i皿向阀定^^E柴油颗津Ait 滤器系统的双过滤器的下游方向，所说的方法包才^(o下步骤在柴油颗粒过滤器上收集来自柴油废气的颗粒物质；和点燃所说收集的颗粒物质以^^m^粒it)虑M生；其中在所"i舰粒物质中存在少量催化添加剂，以在所i^油颗粒it^虑器再生 期间催化其燃烧；其中所说再生产生颗粒物质燃烧产物，所说再生进一步还包括如下步骤引 导来自所iW粒i^虑器的颗粒物质燃烧产物使其i^^m^动机的进气岐管；并皿包^^口下中间步骤传送^^立物质燃烧产4^f吏其通过EGR储能器中的 一个^c池。
10. —种排放减少系统，用于酉e^进气岐管和油箱的柴油发动机，所说系统包括第一调节泵，用于^y^斤说油箱泵吸计量的油到燃料箱；分叉的i^虑排^l且件，具有第一分支和第二分支，所i錄一分支中具有第一 颗津ii^虑器，所5錄二分支中具有第二颗粒近虑器，所^U^Ma件包括一个换向 阀，所^i吳向岡定^^所itf 一和第二&虑器的下游方向，用于限制废气^i至所 逾件到所说分支之一；一个EGR储能器，用于固定一个7jc池；一个EGR管，用于连接所iOM^且件到所说EGR储能器；和一个导管，用于连通来自所说储能器的空^'j所^ii气岐管。
11. 一种#^乍具有燃料箱和柴油颗粒过滤器的汽车内的柴油发动机的方法， 所i兌的方法包^^(口下步骤向所说柴油发动机中的油添加7jc溶t生催化添加剂；将包含所说催化添加剂的计量的发动机油自所说柴油发动才瑜^^所《 料箱的燃料中；燃烧来自所说柴油发动机中所^B料箱的燃料以产生废气； 在所说柴油颗粒过滤器上收集来自所iJ(A气的颗粒物质；和 点燃所说收集的颗粒物质以使颗粒过滤M生；由此，在所说的颗粒物质中存在少量的所说催化添加剂，因而在所说柴油颗 净Ai^虑絲生期间能^HW燃烧；其中所说的再生产生颗粒物质燃烧产物，及将来自所i^粒过滤器的所ij^贞粒物质燃烧产物引入所"iji^动机的进气岐管内。
12. 权利^"求9的方法，进一步还包^^下中间步骤传送所i^粒物质燃 烧产物使其通# EGR储能器中的一个水池。
13. 权利要求l的方法，其中的催化添加剂包括羧酸铈。
14. 权利要求l的方法，其中的催化添加剂包括萘烷酸铜。
15. 权利要求l的方法，其中的催化添加剂包括乙酸铜。
16. —种^^乍柴油颗粒过滤器的方法，所说柴油颗粒过滤器与在柴油颗粒过 滤器系统中的冷却的EGR过禾釤給，所说的方法包才^口下步骤在所说柴油颗粒过滤器上收集来自所说柴油废气的颗粒物质；和点燃所说收集的颗粒物质以使所i^粒过滤H^生；其中，在所i兌的颗粒物质中存在少量的所说催化添加剂，因而在所说柴油颗 粒i^虑IW生期间能，化其燃烧；其中所说的再生产生颗粒物质燃烧产物，并J^斤说的再生还包^i口下步骤 将来自所^^4ii^虑器的所^l贞粒物质燃烧产物通过EGR储能器中的一个水池 亏I ^^H^动才几的进气^支管内。
17. ^Uf'J^"求7的方法，其中所iJbK池包^^H^K^液，其包括Cu、 Ce、 或Fe的水溶性催^M^^。
18. 4又利^"求9的方法，其中所iJt7K池包^M&K^液，其包括Cu、 Ce、 或Fe的水溶性^l^/f^4勿。
19. 权矛J^求11的方法，其中所iJbK池包^^^7K溶液，其包括Cu、 Ce、 或Fe的水溶l"生催^/f^^。
20. 权利要求12的方法，其中所iJbK池包^^化7Ki^液，其包括Cu、 Ce、 或Fe的水溶性催^ft^。
全文摘要
使用包括Cu、Ce等的有机金属化合物的柴油发动机抗磨润滑油添加组合物来催化燃烧通过柴油颗粒过滤器(DPF)收集的柴油颗粒物质(PM)。需要使DPF再生的Cu、Ce、或Fe等的含燃料的催化剂(FBC)是通过混合从发动机曲轴箱油系统排除的预定数量的用过的发动机油与配备DPF和EGR系统的柴油发动机的燃料箱中的燃料产生的。还公开了一种方法，用于在柴油发动机的空气入口内熏蒸水和Cu、Fe、Ce、等的催化化合物，使之成为来自DPF或空气的EGR气体，从而可以减少柴油发动机的颗粒物质和氮的氧化物这两者的排放，同时还改善发动机润滑油的性能。
文档编号F01N13/04GK101228339SQ200480008535
公开日2008年7月23日 申请日期2004年4月1日 优先权日2003年4月2日
发明者朱利叶斯·J·瑞姆 申请人:朱利叶斯·J·瑞姆