Способ и приспособление для десульфуризации в устройстве для очистки выхлопных газов, расположенном в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя внутреннего сгорания - RU2608160C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу десульфуризации в устройстве для очистки выхлопных газов, расположенном в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания, по пункту 1. Дополнительно изобретение относится к приспособлению для десульфуризации в устройстве для очистки выхлопных газов, расположенном в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания, по пункту 13.

Вообще известно, что двигатели внутреннего сгорания, работающие при избытке воздуха, вводят каталитически действующие системы последующей обработки, такие как, например, катализаторы NO_x-накапливающие, SCR-катализаторы или фильтр для твердых частиц, чтобы можно было соблюдать предусмотренные законом предельные значения. Для всех указанных систем является общим, что диоксид азота (NO₂) представляет собой важный компонент реакций, протекающих в системе последующей обработки. Указанный диоксид азота образуется на катализаторе NO-окисления, главным образом платинусодержащего, из монооксида азота, испускаемого мотором, с помощью кислорода, содержащегося в выхлопном газе:

2NO+O₂↔2NO₂.

При реальной работе двигателя значительную проблему представляет собой осернение указанных катализаторов окисления NO благодаря сере, содержащейся в топливе и/или моторном масле. При сгорании из указанной серы образуется SO₂, который над катализатором NO-окисления окисляется до SO₃ согласно уравнениям:

S+O₂→SO₂,

2SO₂+O₂→SO₃.

Причем установлено, что количество образовавшегося SO₃ и количество образовавшегося NO₂ находятся в прямой связи друг с другом, а именно установлено, что катализатор NO-окисления, который желательным образом дает большие количества NO₂, одновременно нежелательным образом производит большое количество SO₃. Указанный SO₃ образует с металлсодержащим восковым покрытием катализатора сульфат или с водой серную кислоту, которые сорбируются на поверхности катализатора. Оба ведут к покрытию активных центров катализатора и при этом к снижению его активности. Обессеривание, или десульфуризация, катализаторов окисления NO может быть осуществлено повышением температуры отходящего газа до 500°С, причем указанная температура едва ли может быть достигнута в нормальных условиях эксплуатации транспортного средства, в частности, в связи с введением турбокомпрессора выхлопных газов.

Вообще уже известно, для десульфуризации катализаторов NO-окисления концентрацию углеводородов в выхлопном газе повышают, например, за счет позднейшего впрыскивания топлива в камеру сгорания таким образом, чтобы это приводило к окислению указанного несгоревшего углеводорода над катализатором NO-окисления, за счет чего происходит высокое тепловыделение, что дает возможность обессеривания катализатора NO-окисления. Конечно, здесь возникает проблема, в частности при сильном осернении катализатора NO-окисления, а также при низких температурах выхлопных газов и благодаря этому условному ухудшенному превращению углеводородов, так что уже невозможно или, в случае необходимости, совсем невозможно полное окисление указанного углеводорода, так что наряду с отравлением серой происходит дополнительное вспучивание катализатора NO-окисления вследствие образования длинноцепных углеводородных соединений. Это ведет, главным образом, к засорению катализатора NO-окисления и при этом его выходу из строя.

В случаях, как описано выше, углеводороды над катализатором NO-окисления не могут быть разложены полностью, и при этом вниз по течению указанного катализатора имеется в распоряжении еще большое количество углеводорода, оказывающегося, в частности в контакте с последующим за катализатором NO-окисления SCR-катализатором для селективного каталитического восстановления, дополнительной проблемой: указанные SCR-катализаторы окисляют равным образом углеводороды, так что местно возникает очень высокая температура, которая может привести к повреждению весьма чувствительного к температуре SCR-катализатора, в частности, тогда, когда SCR-катализатор, что является регулярным случаем, содержит в качестве активного компонента оксид ванадия.

Дополнительная принципиальная возможность десульфуризации катализатора NO-окисления задержана тем, что в фазе десульфуризации меняется от скудной при жирном режиме работы двигателя, что приводит к сильному подъему температуры выхлопных газов, а также к образованию восстанавливающей атмосферы в газоотводе, с помощью которой образовавшийся SO₃ снова восстанавливается до SO₂ или даже до H₂S и может быть удален. Значительная часть указанных способов состоит во всяком случае в том, что вследствие недостатка кислорода во время сгорания происходит слишком сильное увеличение образование сажи. К тому же в этом случае очень высока термическая нагрузка на двигатель из-за режима работы ниже стехиометрической.

Например, из патента DE 10131588 A1 известно, что накапливающий оксид азота катализатор в процессе десульфуризации освобождают от отложившейся серы. Для этого двигатель внутреннего сгорания очищают в режиме десульфуризации, при котором путем дополнительного впрыскивания топлива в двигатель производят повышение температуры выхлопного газа выше 500°С и в составе выхлопного газа отношение воздух-топливо устанавливает при значении примерно 0,95 или менее.

Периодическая десульфуризация накоплений оксида азота или оксидов серы с сильным/скудным распределением цилиндров автомобиля известна также из патента DE 19910503 C1.

Далее в патенте DE 19753573 A1 описано приспособление для очистки выхлопных газов с катализатором накопления NO_x, которое включено в направлении двигателя внутреннего сгорания так называемого накопителя серы, который сорбирует серу в тощих выхлопных газах и при температуре сорбции, и при температуре выше температуры сорбции и освобождает таким образом жирный выхлопной газ.

Десульфуризация катализатора накопления известна далее из патента DE 10158568 A1. Конкретно здесь предложено во время фазы регенерации сгорания внутри двигателя управлять таким образом, чтобы отношение воздуха ламбда в выхлопном газе сначала снижалось до первого значения, а затем путем последвигательного добавления восстановителя отношение воздуха ламбда устанавливалось на втором, более низком значении.

Дополнительно из патента DE 19731623 B4 известен способ десульфуризации устройства для очистки выхлопных газов дизельного двигателя как двигателя внутреннего сгорания, который содержит катализатор окисления предложенного накопителя NO_x. Конкретно там предложено на первой стадии увеличивать мероприятия по повышению температуры выхлопного газа, если обнаруживается необходимость десульфуризации. На следующей стадии предложено выделять на накопителе NO_x поток не содержащего кислорода выхлопного газа с содержанием СО от 1 до 10%. Повышение температуры выхлопного газа осуществляют, например, дросселированием дизельного двигателя при сохранении режима с ламбда более 1, в частности при ламбда от 1,01 до 1,05, причем, в частности, достигают также каталитического нагревания. Дополнительно предусмотрено достижение повышения температуры выхлопного газа путем сдвига момента впрыскивания на более поздний. В качестве меры для повышения концентрации СО предложено снабжать катализатор окисления компонентами парового риформинга. Указанное проведение процесса позволяет без дополнительного проведения десульфуризации катализатора NO-окисления, в частности не на катализаторе окисления NO, переключаться на SCR-катализатор. К тому же сдвиг момента впрыскивания ведет к сильному повышению эмиссии несгоревших длинноцепных углеводородов (НС), которые могут привести к вспучиванию или коксованию катализатора. Вместе с тем точку начала температурного скачка для окисления СО на катализаторе окисления понижают, так как это приводит к конкурентной реакции окисления НС и СО.

В противоположность этому задача предлагаемого изобретения состоит в создании способа и приспособления для десульфуризации в устройстве для очистки выхлопных газов, расположенном в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания, в частности, катализатора NO-окисления, посредством чего или путем чего десульфуризация может быть произведена просто и надежно с высокой эффективностью.

Указанная задача решена с признаками независимой формулы изобретения. При этом преимущественные варианты осуществления являются предметами отдельных пунктов формулы.

Согласно изобретению предложен способ десульфуризации устройства для очистки выхлопных газов, расположенного в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания, причем устройство для очистки выхлопных газов содержит по меньшей мере один способный отравляться серой и притом обессериваемый к предусмотренному времени катализатор окисления, к которому во время фазы десульфуризации с потоком выхлопных газов подводится определенное количество монооксида углерода. Согласно изобретению предложено, чтобы способный отравляться серой и обессеренный к определенному времени катализатор окисления был образован катализатором NO-окисления, обладающим активностью СО-окисления, к которому во время фазы десульфуризации путем гомогенной компрессионной системы зажигания двигателя внутреннего сгорания или путем частично гомогенного режима работы двигателя внутреннего сгорания подают такое количество монооксида углерода, чтобы температура обессериваемого катализатора NO-окисления поднималась до определенной температуры десульфуризации, обеспечивающей десульфуризацию катализатора NO-окисления.

Предложенная идея изобретения позволяет производить обессеривание или десульфуризацию катализатора значительно проще, чем с углеводородами, поскольку монооксид углерода значительно легче, чем углеводород, окисляется на обессериваемом и обладающем активностью СО-окисления катализаторе NO-окисления:

СО+О₂→2СО₂.

Это само по себе при неколичественном превращении монооксида углерода не ведет к нежелательному вспучиванию катализатора. Но к тому же приводит аналогично окислению углеводородов к желательному повышению температуры на обессериваемом катализаторе, повышение температуры которого ведет к десульфуризации указанного катализатора. Дополнительное важное преимущество при применении монооксида углерода для обессеривания или десульфуризации катализаторов состоит в том, что в соединении с последующим устройством для очистки выхлопных газов, в частности с SCR-катализатором, который обычно не обладает активностью СО-окисления, неполное разложение монооксида углерода на обессериваемом катализаторе само по себе не может привести к нежелательному повышению температуры при последующем направлении очистки выхлопных газов, в частности, SCR-катализатора, так что можно эксплуатационно надежно избежать его термического повреждения.

Идея изобретения принципиально подходит для внедрения во все двигатели внутреннего сгорания, причем предпочтительно внедрение в том числе дизельные двигатели внутреннего сгорания, которые, в частности, подходят для введения в эксплуатируемые транспортные средства. Далее предпочтительное применение предложенных указаний предусмотрено также в нагруженных двигателях внутреннего сгорания, в которых введен в действие по меньшей мере один турбокомпрессор выхлопных газов, поскольку здесь проблема состоит в низких температурах при нормальном режиме работы транспортного средства.

При гомогенном компрессионном зажигании (английское Homogenous charge compression ignition, сокращенно HCCI, или также контролируемое auto ignition, сокращенно CAI) в двигателе внутреннего сгорания для повышения эмиссии монооксида углерода в фазу десульфуризации речь идет о способе зажигания, при котором топливо распределяется возможно более гомогенно и затем самовоспламеняется путем компрессии. Это удается в большинстве случаев путем определенного смешения топлива и свежего воздуха перед цилиндром двигателя внутреннего сгорания. Цель указанного гомогенного компрессионного зажигания состоит в том, чтобы одновременно инициировать сгорание во всем пространстве камеры сгорания. Благодаря указанному способу горения имеется возможность значительно уменьшить эмиссию NO_x- и сажи, в то время как, с другой стороны, это приводит к повышению эмиссии монооксида углерода.

Недостаток при гомогенном способе зажигания для двигателей внутреннего сгорания с прямым впрыскиванием, в которых при нормальном режиме топливо через насадки подают прямо в камеру сгорания, состоит в том, что в узле впуска должно быть предусмотрено дополнительное устройство для подачи топлива. Это означает существенное повышение цены.

Этого можно избежать при так называемом частично гомогенном компрессионном зажигании. В этом случае для двигателей внутреннего сгорания с прямым впрыскиванием момент впрыскивания сдвинут на более ранний, так что топливо и воздух смешиваются впервые в камере сгорания. По причине более раннего момента подачи воспламенения капель топлива избегают и вместо этого облегчается его испарение за относительно длительное время контакта. Конечно, не удается полностью гомогенное смешение топлива и воздуха, так что говорят о частично гомогенном компрессионном зажигании. Все-таки это приводит к значительному повышению эмиссии монооксида углерода. Одновременно обычно повышается эмиссия углеводородов, конечно, с двумя значительными отличиями, в частности, в способе, описанном в патенте DE 19731623 B4, который базируется на сдвиге на более поздний момент впрыскивания.

К тому же концентрации монооксида углерода при гомогенном или частично гомогенном зажигании значительно выше, чем концентрации углеводородов, в то время как отношение при установке на позднейшее сдвинуто в направлении углеводорода и (их количество) обычно повышается больше, чем концентрации монооксида углерода. К тому же при гомогенном или частично гомогенном компрессионном зажигании испускаются значительно более короткоцепные углеводороды, обычно в области от одного до пяти атомов углерода, так что вспучивания катализаторов окисления можно избежать благодаря пиролизованным длинноцепным и конденсированным углеводородам.

Особенно предпочтительно, в частности в случае частично гомогенного режима работы двигателя внутреннего сгорания, осуществление способа, при котором момент впрыскивания сдвинут в фазу десульфуризации после более раннего, в частности, по меньшей мере на 15° угла поворота коленчатого вала до максимум 370° угла поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки воспламенения; самое предпочтительное на величину от 20° угла до 350° угла от верхней мертвой точки воспламенения.

В качестве альтернативы или предпочтительно дополнительно в фазе обессеривания во время гомогенного или частично гомогенного зажигания может быть предусмотрено также увеличение количества выхлопных газов со стороны выхлопных газов к стороне наддувочного воздуха таким образом, чтобы доля выхлопных газов в подаваемом наддуваемом воздухе составляла по меньшей мере 30% и самое большее 80%.

Дополнительно может быть предусмотрено, чтобы возвращенное в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания в фазу обессеривания количество выхлопного газа и отношение воздух/топливо ламбда варьировались таким образом, чтобы температура камеры сгорания не превышала 1850 K в области ламбда от большего до 1,02 включительно, 1600 K в области ламбда от 1,02 до 0,98 включительно и 1500 K в области ламбда менее 0,98.

Далее в качестве альтернативы или дополнительно может быть предусмотрено, чтобы давление впрыскивания в фазу обессеривания повышалось самое меньшее на 20% и/или по меньшей мере на 1200 бар, но самое большее на 3500 бар.

Согласно одному из дополнительных конкретных способов осуществления в качестве альтернативы или дополнительно для повышения эмиссии монооксида углерода может быть предусмотрено, чтобы отношение компрессии в фазе обессеривания снижалось по меньшей мере на 20%, но самое большее на 75% и/или не ниже 6:1.

Далее в качестве альтернативы или дополнительно были изменены моменты открытия клапана на этапе обессеривания. Цель указанной меры состоит в том, чтобы удлинить задержку воспламенения, так что получается более длительный этап гомогенизирования; они также должны достичь сильного повышения давления путем уменьшения скорости горения. Таким образом можно закрывать по меньшей мере один впускной клапан для достижения нижней точки возврата перемены заряда. Благодаря этому при закрытом выпускном клапане происходит уменьшение давления в камере сгорания и идущее при этом снижение температуры в камере сгорания. Намного более позднее закрывание впускного клапана после нижней точки возврата перемены заряда мыслимо, благодаря чему отвергается через регулирующий клапан подсосанный воздух. Указанный способ известен как цикл Миллера и на основе незначительного наполнения ведет к низкому давлению впрыска во время зажигания. Дополнительная возможность состоит в том, что время открытия клапана в фазе десульфуризации изменяется таким образом, что по меньшей мере один выпускной клапан остается открытым дольше, благодаря чему повышается доля остатка газа через обратный поток выхлопного газа из газоотвода и, таким образом, обуславливает уменьшение скорости горения. Время открытия клапана может варьироваться, в частности, с помощью меняющегося режима работы клапана, по состоянию техники, так что это место далее не раскрыто (патенты ЕР 0279265, DE 3823332 А1, DE 3920895 А1).

При этом согласно дальнейшему особенно преимущественному варианту осуществления предпочтительно, когда температура десульфуризации составляет по меньшей мере 500°C и/или концентрация монооксида углерода в фазе десульфуризации увеличивается по меньшей мере на 2000 ч./млн, но самое большее на 7% в расчете массу потока выхлопных газов. Далее указано, что особенно предпочтительно, когда концентрация углеводородов в фазе десульфуризации повышается не более чем на 50% действительной концентрации монооксида углерода. Что касается этого, повышение температуры десульфуризации по меньшей мере до 500°C и/или увеличение концентрации монооксида углерода по меньшей мере на 2000 ч./млн и/или уменьшение концентрации углеводородов менее 50% от концентрации монооксида углерода удается, в частности, в результате ранее описанных моторных мероприятий.

Вместе с предложенными указаниями при этом, в частности, принимают во внимание, что ранее указанные моторные мероприятия для повышения эмиссии монооксида углерода в фазе десульфуризации, как, например, начало впрыскивания, количество рециркулирующих выхлопных газов, степени сжатия, время открытия клапана, давление впрыскивания и т.д. прежнего состояния техники всегда варьируют, чтобы иметь возможно меньшее количество образовавшегося СО и избежать повышенной эмиссии СО или реализовать повышение температуры путем каталитического окисления длинноцепных углеводородов, что удается только при достаточно высокой температуре выхлопных газов без коксования катализаторов. В противоположность этому предложенное решение параметра двигателя меняется таким образом, что является точной противоположностью данному случаю, а именно эмиссия СО в фазе десульфуризации повышается четко сильнее, чем НС-эмиссия, чтобы достичь на обессериваемом катализаторе высокой экзотермичности вследствие происходящего там окисления монооксида углерода в диоксид углерода. К тому же способ точно устанавливает, что большая часть углеводородов значительно меньше, обычно в области от одного до пяти атомов углерода в молекуле, чем при названном выше способе на современном уровне техники, благодаря чему дополнительно согласно изобретению уменьшается опасность коксования катализаторов из-за большого количества длинноцепных углеводородов. Поскольку монооксид углерода и короткоцепные углеводороды окисляются заметно легче, чем длинноцепные неразветвленные углеводороды из фракции топлива, каковые образуются при позднем впрыскивании согласно состоянию техники, снижается точка начала экзотермического подъема температуры катализатора согласно изобретению. Это делает возможной десульфуризацию также при более низких температурах выхлопных газов против течения катализатора NO-окисления.

Преимущества, достигнутые с предложенным устройством, уже объяснены в связи с осуществлением способа. Поскольку направлены на ранее сделанные объяснения.

Последующие объясненные и/или приведенные в формуле изобретения предпочтительные или дальнейшие варианты осуществления изобретения могут при этом найти применение кроме, например, в случаях однозначных зависимостей или несовместимых альтернатив, единичных или любых комбинаций друг с другом.

Далее изобретение будет прояснено только примерным изображением.

Единственная фигура схематически показывает устройство обработки выхлопных газов 1 для представленного здесь только схематично двигателя внутреннего сгорания 2, который известным способом подает через линию наддува воздуха 3 наддувочный воздух 12.

От двигателя внутреннего сгорания 2 далее идет газоотвод 4, в котором в направлении потока выхлопных газов друг за другом расположены здесь, например, катализатор NO-окисления 5, SCR-катализатор 6, а также фильтр частиц 7. Вверх по течению SCR-катализатора 6 следует только схематичное указанное с краю стрелкой 8 дозирование восстановителя, например, водного раствора аммиака.

Вверх по течению катализатора NO окисления 5 в газоотводе 4 расположена турбина выхлопного газа 9 турбокомпрессора 10, с помощью которой обычным способом приводится в движение уплотнитель 11 в линию наддува воздуха 3 для уплотнения наддувочного воздуха 12.

Далее от газоотвода 4 идет трубопровод регенерируемого выхлопного газа 13 к линии наддува воздуха 3, с помощью которого известным способом выхлопной газ может быть возвращен из газоотвода 4 к линии наддува воздуха 3 соответственно предварительно заданным определенным параметрам рециклизации. Для освобождения или блокирования рециклизации выхлопных газов 13 в трубопровод регенерируемых выхлопных газов 13 в указанном трубопроводе регенерируемых выхлопных газов 13 расположено только схематически представленное блокирующее устройство 14, например клапан выхлопных газов или подобное.

Исходя из нормального режима работы или необессеривающего режима работы двигателя внутреннего сгорания 2, например, посредством сенсоров или подобных измерительных устройств и/или расчетно установлено или предусмотрено, что десульфуризация катализатора NO-окисления 5 усиливается, тогда можно для начала фазы десульфуризации путем только схематически представленного с краю регулирующего устройства 15, начиная гомогенное компрессионное зажигание двигателя внутреннего сгорания или частично гомогенный режим работы двигателя внутреннего сгорания или по меньшей мере один определенный параметр режима работы двигателя внутреннего сгорания, так изменять регулировку в фазе не-десульфуризации, чтобы повысилась эмиссия монооксида углерода двигателя внутреннего сгорания 2. При этом предпочтительно увеличение концентрации монооксида углерода по меньшей мере на 2000 ч./млн, но самое большее на 7%, и таким образом температура на обессериваемом катализаторе окисления NO за счет окисления монооксида углерода повышается до заданной температуры обессеривания, по меньшей мере до 500°C.

Путем такого повышения температуры на катализаторе NO-окисления происходит предусмотренная десульфуризация или обессеривание катализатора NO-окисления 5, причем при неполном разложении монооксида углерода на катализаторе NO-окисления 5 не происходит вспучивания катализатора NO-окисления 5, как это может быть, например, в случае обычного повышения концентрации углеводорода на катализаторе NO-окисления. Дальнейшее происходит благодаря тому, что SCR-катализатор 6, следующий за катализатором NO-окисления 5, не обладает активностью СО-окисления, а также не происходит заметного повышения температуры на указанном SCR-катализаторе 6, так что можно надежно избежать термического повреждения SCR-катализатора.

Чтобы эмиссия монооксида углерода могла соответственно повышаться, можно посредством регулятора 15 отрегулировать, например, блокирующий элемент 14 таким образом, чтобы скорость рециркуляции выхлопных газов возрастала более чем на 30% в расчете на количество наддувного газа двигателя внутреннего сгорания 2. В качестве альтернативы или дополнительно можно, как это схематически указано регулятором 17, предусмотреть, чтобы отношение воздух/топливо ламбда снижалось, например, ниже 1,05 и/или чтобы давление впрыскивания повышалось, например, по меньшей мере на 20% или по меньшей мере на 1200 бар. В качестве альтернативы или дополнительно можно также предусмотреть сдвиг момента впрыскивания, например, на по меньшей мере 20° угла поворота коленчатого вала, но не более 370° угла поворота перед верхней мертвой точкой зажигания (зажигание - ОТ) и/или предусмотреть снижение степени сжатия, в частности, по меньшей мере на 20% и/или изменение момента открытия клапана.

Понятно, что окончание фазы десульфуризации снова устанавливает обычный режим работы двигателя внутреннего сгорания, что означает, в частности, гомогенное компрессионное зажигание двигателя внутреннего сгорания или частично гомогенный режим работы двигателя внутреннего сгорания.

Регулятор 15 может быть образован, например, путем отдельного управляющего устройства. Равным образом регулятор 15 может также представлять собой компонент управляющего устройства мотора двигателя внутреннего сгорания 2.

Реферат

Изобретение относится к способу десульфуризации устройства для очистки выхлопных газов, расположенного в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания, причем устройство для очистки выхлопных газов содержит по меньшей мере один катализатор окисления, способный отравляться серой и поэтому подлежащий своевременному обессериванию, к которому во время фазы десульфуризации с потоком выхлопных газов подают определенное количество монооксида углерода. Согласно изобретению катализатор окисления, способный отравляться серой и поэтому подлежащий своевременному обессериванию, образован катализатором NO-окисления (5), обладающем активностью СО-окисления, к которому во время фазы десульфуризации путем гомогенного компрессионного зажигания двигателя внутреннего сгорания или путем частично гомогенного режима работы двигателя внутреннего сгорания подают определенное количество монооксида углерода, чтобы температура на обессериваемом катализаторе (5) повышалась до определенной температуры десульфуризации катализатора NO-окисления (5), делающей возможной десульфуризацию катализатора NO-окисления (5). Дополнительно предложено преимущественное устройство для десульфуризации устройства для очистки выхлопных газов, расположенное в газоотводе двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя внутреннего сгорания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула