Способ уменьшения эмиссии двуокиси азота в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, работающем на обедненных смесях - RU2457340C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу уменьшения эмиссии двуокиси азота в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, работающем на обедненных смесях, с присоединенной системой нейтрализации отработавших газов, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления (SRC-катализатор).

Из DE 10 2005049655 A1 известен способ уменьшения эмиссии двуокиси азота (NO₂), который применяется в двигателе внутреннего сгорания, работающем на обедненных смесях, с системой нейтрализации отработавших газов, содержащей катализатор, обладающий окислительной активностью по отношению к оксиду азота. В данном способе во время работы двигателя внутреннего сгорания варьируется процентное содержание веществ, которые конкурируют с окислением моноксида азота (NO). Благодаря этому обеспечивается то, что по направлению потока за катализатором с окислительной активностью по отношению к оксиду азота NO содержание NO₂ в отработавших газах достигает предпочтительной, с учетом последующей нейтрализации отработавших газов, величины. При этом основное внимание уделяется селективному восстановлению оксидов азота (NO_x) в катализаторе селективного каталитического восстановления, осуществляемому по направлению потока за катализатором с окислительной активностью по отношению к оксиду азота NO, или же окислению частиц сажи, откладывающихся на сажевом фильтре.

Хотя при помощи этого способа устраняется образование избытка NO₂, излишнего или невыгодного в отношении упомянутых последующих процессов нейтрализации отработавших газов, однако выброс в окружающую среду NO_x в целом и NO₂ в частности не снижен надежным образом до желательной величины. В частности, надежным образом не устранена нежелательная эмиссия NO_x и, в частности, NO₂, при низких температурах отработавших газов.

Задачей изобретения является способ, при помощи которого обеспечена возможность уменьшения эмиссии двуокиси азота двигателя внутреннего сгорания в широком рабочем диапазоне и, в частности, при критических в этом отношении низких температурах отработавших газов.

Эта задача решена посредством способа с признаками п.1 формулы изобретения, а также посредством способа с признаками п.9 формулы изобретения.

В способе согласно изобретению по п.1 формулы изобретения к катализатору селективного каталитического восстановления, который содержит центры адсорбции для оксидов азота, при температуре выше рабочей температуры, при которой при помощи катализатора селективного каталитического восстановления может осуществляться заметное восстановление оксидов азота аммиаком в окислительных условиях, подводят насыщенные аммиаком отработавшие газы.

Катализатор селективного каталитического восстановления, способный к катализу селективного восстановления NO_x при окислительных условиях с помощью NH₃, содержит центры адсорбции, на которых адсорбируются оксиды азота (NO_x), и благодаря этому их можно удалять из отработавших газов. Эта способность к адсорбции NO_x относится к оксидам азота NO и/или NO₂, причем не исключена возможная адсорбция других оксидов азота, например, N₂O, N₂O₃, N₂O₄, а также других, в частности, полярных веществ.

Ниже обозначение NO_х может относиться как к моноксиду азота (NO), так и к одному из других упомянутых оксидов азота. В противоположность этому, упоминание двуокиси азота (NO₂) относится лишь к этому оксиду азота.

Ниже рабочей температуры согласно изобретению подводимые к катализатору селективного каталитического восстановления отработавшие газы насыщаются веществом, которое по меньшей мере частично адсорбируется на этих центрах адсорбции катализатора селективного каталитического восстановления, таким образом, что на этих центрах адсорбции тормозится адсорбция NO_x.

Устройством для насыщения отработавших газов аммиаком и/или способным к выделению аммиака реагентом предпочтительно является дозирующее устройство, при помощи которого заранее подготовленное восстанавливающее средство, например аммиак (NH₃), мочевина, карбамат аммония или формиат аммония, можно добавлять в отработавшие газы извне. Предпочтительно дозирующее устройство предназначено для водного раствора мочевины, который можно распылять в отработавших газах. Благодаря термолизу и/или гидролизу в отработавших газах при повышенных температурах из мочевины высвобождается NH₃, посредством которого при окислительных условиях осуществляется селективное восстановление NO_x в катализаторе селективного каталитического восстановления. Упомянутое устройство может, однако, представлять собой реактивный узел, интегрированный в систему нейтрализации отработавших газов, через который протекают отработавшие газы и который может вырабатывать аммиак внутри отработавших газов из компонентов отработавших газов, заранее в них содержащихся либо частично или полностью добавленных в отработавшие газы позднее. Для этого в первую очередь рассматривается каталитический узел, например, установленный перед катализатором селективного каталитического восстановления трехкомпонентный каталитический нейтрализатор или аккумулирующий катализатор оксидов азота, который может восстанавливать подводимые или аккумулированные оксиды азота посредством компонентов отработавших газов с восстанавливающим действием с образованием аммиака.

В этой связи под рабочей температурой катализатора селективного каталитического восстановления следует понимать температуру, выше которой возможно заметное восстановление NO_x в катализаторе селективного каталитического восстановления посредством подводимого NH₃. При этом рабочая температура может определяться температурой скачка катализатора селективного каталитического восстановления, выше которой катализатор селективного каталитического восстановления достигает заметной активности в отношении селективного восстановления NO_x посредством NH₃. Однако рабочая температура может также характеризоваться температурой разложения, выше которой NH₃ высвобождается из добавляемого реагента в заметном объеме. Таким образом, в обоих случаях ниже рабочей температуры предпосылки для селективного восстановления NO_x посредством NH₃ в катализаторе селективного каталитического восстановления отсутствуют или имеются лишь в небольшой степени. При помощи способа согласно изобретению обеспечена возможность сокращения, в частности, NO₂ как ниже, так и выше рабочей температуры.

Изобретателями было установлено, что по меньшей мере в определенных типах катализаторов селективного каталитического восстановления на центрах адсорбции NO_x могут адсорбироваться, в частности, окись углерода (CO двуокись углерода (CO₂), углеводороды (HC) или вода (H₂O), и/или другие вещества, таким образом, что на этих центрах адсорбции тормозится адсорбция NO_x. Обычно катализатор селективного каталитического восстановления выполнен таким образом, что по меньшей мере при сравнительно низких температурах основные центры адсорбции могут адсорбционно связывать одно или несколько указанных или других веществ со сравнимой или даже большей прочностью связывания, чем NO_x. Предотвращение или по меньшей мере сильное уменьшение эмиссии NO_x может быть, однако, достигнуто только посредством того, что соответствующее вещество подается в значительном избытке по сравнению с NO_x, и поэтому загрузка центров адсорбции осуществляется преимущественно этим веществом.

Изобретателями было установлено, что при нагревании катализатора селективного каталитического восстановления адсорбированное перед этим и, таким образом, аккумулированное количество NO_x при достижении температуры десорбции высвобождается, в частности, в форме NO₂, при этом могут возникать высокие значения концентрации. Благодаря ингибированной согласно изобретению, то есть совершенно прекращенной или сильно уменьшенной адсорбции NO_x, устраняется насыщение NO_x катализатора селективного каталитического восстановления. Поэтому создается препятствие для повышения эмиссии NO₂ вследствие десорбции как при нагревании катализатора селективного каталитического восстановления выше температуры десорбции, так и ниже рабочей температуры. Кроме того, посредством торможения согласно изобретению адсорбции NO_x при низких температурах устраняется то, что в катализаторе селективного каталитического восстановления, вследствие реакции с водой, содержащейся в отработавших газах, происходит образование азотной кислоты и/или азотистой кислоты, которые, с одной стороны, могут вызвать повреждение катализатора селективного каталитического восстановления или элементов системы нейтрализации отработавших газов, а с другой стороны, при термической десорбции могут проявить себя посредством эмиссии нежелательных и сильно ядовитых нитрозных газов. При этом для уменьшения эмиссии NO_x в целом является преимуществом, если для адсорбции в упомянутых центрах адсорбции применяется вещество, при помощи которого для катализатора селективного каталитического восстановления обеспечена возможность низкотемпературного восстановления NO₂, или же, в общем случае, уменьшение NO_x даже ниже рабочей температуры.

В варианте выполнения способа по п.1 формулы изобретения для уменьшения адсорбции оксидов азота отработавшие газы насыщаются углеводородами. Особенно предпочтительным является насыщение низкомолекулярными углеводородами. С учетом как эффективного катализа селективного восстановления NO_x посредством NH₃, так и блокирования центров адсорбции и/или низкотемпературного восстановления NO_x посредством подводимых углеводородов, особенно подходящим является катализатор селективного каталитического восстановления, который содержит кислоту в виде твердого вещества. Дополнительно может быть предусмотрено легирование переходным металлом, например железом (Fe), или металлом платиновой группы, например платиной (Pt). При этом соответствующие центры адсорбции предпочтительно представляют собой кислотные центры Льюиса и/или Бренстеда. Имеющийся при необходимости центр переходного металла или металла платиновой группы может быть также эффективным в качестве центра адсорбции для NO_x и для углеводородов. Такое выполнение катализатора селективного каталитического восстановления может быть также благоприятно при использовании других добавок для блокирования центров адсорбции NO_x.

Задача данного изобретения также решена согласно п.9 формулы изобретения посредством того, что в работающем на обедненных смесях автомобильном двигателе внутреннего сгорания с системой нейтрализации отработавших газов, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления, способный к восстановлению оксидов азота (NO_x) посредством аммиака при окислительных условиях, и расположенное по направлению потока перед катализатором селективного каталитического восстановления устройство для насыщения отработавших газов аммиаком и/или способным к выделению аммиака реагентом, общая эмиссия оксидов азота (NO_x) автомобиля уменьшается ниже заданной первой величины посредством того, что выше рабочей температуры к катализатору селективного каталитического восстановления подводят отработавшие газы, насыщенные аммиаком, а процентное содержание двуокиси азота (NO₂) в общей эмиссии оксидов азота (NO_x) автомобиля уменьшается ниже заданной второй величины посредством того, что двуокись азота (NO₂) преобразуется посредством углеводородов, аккумулированных в катализаторе селективного каталитического восстановления.

Под заданными первой и второй величиной преимущественно подразумевается определяемое по массе количество соответствующего вещества, которое выбрасывается в окружающую среду на определенном заданном участке движения и/или в заданной совокупности режимов движения и/или работы.

При этом уменьшение общей эмиссии NO_x предпочтительно осуществляется подавляющим образом или по меньшей мере значительной частью при помощи катализатора селективного каталитического восстановления. Для этого выше его рабочей температуры производят насыщение отработавших газов аммиаком. При этом предпочтительно аммиак и/или способный к выделению аммиака реагент добавляют из внешнего источника в отработавшие газы по направлению потока перед катализатором селективного каталитического восстановления. Насыщение отработавших газов аммиаком можно также производить при помощи компонента системы нейтрализации отработавших газов. Дополнительно может быть предусмотрено уменьшение части первичной эмиссии NO_x двигателя внутреннего сгорания при помощи одного или более других узлов нейтрализации отработавших газов, способных к уменьшению NO_x, которые предпочтительно установлены в системе нейтрализации отработавших газов перед катализатором селективного каталитического восстановления.

Для уменьшения доли содержания двуокиси азота (NO₂) в общей эмиссии оксидов азота (NO_x), предпочтительно к катализатору селективного каталитического восстановления, в частности, ниже рабочей температуры, подводят отработавшие газы, насыщенные углеводородами. Предпочтительно катализатор селективного каталитического восстановления выполнен таким образом, что он, по меньшей мере ниже рабочей температуры, может адсорбировать находящиеся в отработавших газах в увеличенном количестве углеводороды и/или катализировать восстановление NO₂ посредством этих углеводородов. Таким способом обеспечивается возможность уменьшения эмиссии NO_x в целом и, в частности, NO₂ как при нормальной эксплуатационной температуре катализатора селективного каталитического восстановления, так и ниже этой температуры.

При нормальной эксплуатационной температуре, то есть выше рабочей температуры, осуществляется уменьшение NO_x при помощи селективного восстановления в катализаторе селективного каталитического восстановления посредством NH₃. Однако ниже рабочей температуры оно невозможно или возможно лишь в небольшой мере. Тем не менее изобретателями было установлено, что, в частности, ниже рабочей температуры подводимую к катализатору селективного каталитического восстановления и/или адсорбированную в нем двуокись азота NO₂ можно преобразовывать в NO и/или в N₂ посредством углеводородов, аккумулированных в катализаторе селективного каталитического восстановления. Благодаря этому уменьшается содержание в общей массе эмиссии особенно вредной NO₂. Посредством аккумулированных углеводородов можно также избежать гетерогенно катализируемого окисления NO в NO₂, например, вследствие заблокированных центров реакции или же адсорбции, благодаря чему эмиссия NO₂ также уменьшается. Альтернативно или параллельно, с помощью катализатора селективного каталитического восстановления можно осуществлять катализ низкотемпературного восстановления NO_x в N₂ посредством углеводородов, находящихся в отработавших газах в увеличенном количестве. Предпочтительно предусмотрено применение катализатора селективного каталитического восстановления, оптимизированного для упомянутых функций. Таким образом, при помощи способа согласно изобретению уменьшение эмиссии по меньшей мере доли содержания NO₂ в NO_x, содержащихся в отработавших газах, может быть достигнуто даже ниже рабочей температуры.

В следующем варианте выполнения способа подвод отработавших газов, насыщенных углеводородами, к катализатору селективного каталитического восстановления осуществляется в режиме прогрева и/или в режиме холостого хода, и/или в режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания. В этих эксплуатационных режимах рабочая температура еще не достигнута, или может возникнуть охлаждение ниже этой температуры. Таким образом, в этих эксплуатационных режимах и, возможно, также в течение некоторого времени после их окончания катализатор селективного каталитического восстановления обычно не способен к селективному восстановлению NO_x с помощью NH₃. Если в этих эксплуатационных режимах отработавшие газы, по меньшей мере периодически, насыщаются углеводородами, то эффекты, упомянутые выше в связи с нежелательной эмиссией NO_x или NO₂, могут устраняться или по меньшей мере ослабляться. Если перед катализатором селективного каталитического восстановления установлены окислительные каталитические компоненты нейтрализации отработавших газов, то в упомянутых эксплуатационных режимах они могут быть еще активными или уже активными в отношении окисления NO в NO₂, даже если катализатор селективного каталитического восстановления не имеет температуру, которая превышает его рабочую температуру. Вследствие насыщения согласно изобретению отработавших газов углеводородами обеспечена возможность предотвращения адсорбционного насыщения катализатора селективного каталитического восстановления двуокисью азота NO₂, образующейся по направлению потока перед ним, и/или преобразования возникающей NO₂ посредством катализируемой в катализаторе селективного каталитического восстановления реакции с углеводородами в NO и/или в N₂, что сделает ее более или менее безвредной.

В следующем варианте выполнения способа насыщение отработавших газов углеводородами прекращают и начинают насыщение отработавших газов аммиаком, если, начиная от температуры катализатора селективного каталитического восстановления, которая ниже рабочей температуры, происходит превышение рабочей температуры катализатора селективного каталитического восстановления. Таким способом продолжительность фазы насыщения и расход углеводородов сохраняются малыми, и обеспечено заблаговременное уменьшение NO_x при помощи селективного восстановления с помощью NH₃.

В следующем варианте выполнения способа насыщение отработавших газов углеводородами осуществляют путем неполного сжигания топлива, подводимого к двигателю внутреннего сгорания. Это предпочтительно реализуют путем дополнительного впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания при обедненном в целом соотношении воздуха и топлива. Насыщение отработавших газов предпочтительно низкомолекулярными углеводородами и/или окисью углерода может быть также достигнуто путем сгорания при обогащенном в целом соотношении воздуха и топлива, с интегральным обогащенным коэффициентом избытка воздуха примерно от 0,95 до 0,8.

В следующем варианте выполнения способа насыщение отработавших газов углеводородами осуществляют при помощи отдельного подающего узла. Подающий узел может быть, например, выполнен в виде испарительного узла для испарения топлива, используемого в двигателе внутреннего сгорания. Предпочтительным, однако, является выполнение в виде узла крекинга для проведения каталитического или термического крекинга, в частности, с частичным окислением топлива, так как при помощи такого подающего узла могут быть выработаны высокоэффективные реактивные и/или адсорбирующие вещества. При этом выгодным является одновременно протекающий риформинг с образованием окиси углерода и/или водорода.

В следующем варианте выполнения способа в системе нейтрализации отработавших газов, содержащей установленный перед катализатором селективного каталитического восстановления компонент нейтрализации отработавших газов с окислительным каталитическим действием, начиная от температуры катализатора селективного каталитического восстановления, которая ниже рабочей температуры, насыщение отработавших газов углеводородами по направлению потока перед компонентом нейтрализации отработавших газов с окислительным каталитическим действием прекращают, если компонент нейтрализации отработавших газов с окислительным каталитическим действием достигает заметной активности в отношении окисления углеводородов. Таким способом обеспечено, что подводимые в отработавшие газы углеводороды не окисляются частично или полностью, прежде чем они достигнут катализатора селективного каталитического восстановления. Предпочтительно при помощи температурного датчика контролируют температуру компонента нейтрализации отработавших газов с окислительным каталитическим действием и при достижении его температуры скачка в отношении окисления углеводородов насыщение прекращают. Компонентом нейтрализации отработавших газов с окислительным каталитическим действием может быть катализатор окисления, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, аккумулирующий катализатор оксидов азота и/или сажевый фильтр с каталитическим покрытием.

В следующем варианте выполнения способа насыщение отработавших газов углеводородами прекращают, если отработавшие газы по направлению потока за катализатором селективного каталитического восстановления имеют заданное содержание углеводородов, и/или катализатор селективного каталитического восстановления имеет заданную загрузку углеводородами. Таким способом устраняется выброс углеводородов в окружающую среду. Для контроля содержания углеводородов по направлению потока за катализатором селективного каталитического восстановления можно применять лямбда-зонд или другой датчик, чувствительный к углеводородам. Возможно также, на основании известных параметров материала катализатора селективного каталитического восстановления и количества углеводородов, подводимых в отработавшие газы, определить, в какой момент времени катализатор селективного каталитического восстановления адсорбировал достаточное количество углеводородов. Таким способом можно также избежать нежелательного проскока углеводородов.

В следующем варианте выполнения способа применяют катализатор селективного каталитического восстановления на основе цеолита. Цеолитовые катализаторы проявили себя как особенно подходящие для катализа селективного восстановления оксидов азота посредством NH₃ и могут, кроме того, при необходимости обладать более или менее сильной способностью к адсорбции углеводородов и оксидов азота.

Благоприятные варианты выполнения изобретения описаны ниже со ссылкой на чертеж. При этом упомянутые выше и поясняемые дополнительно ниже признаки применимы не только в соответствующей указанной комбинации признаков, но и в других комбинациях или индивидуально, не выходя за рамки настоящего изобретения.

При этом на чертеже показано схематическое блочное изображение двигателя внутреннего сгорания с примерным вариантом выполнения соответствующей системы нейтрализации отработавших газов.

Двигатель 1 внутреннего сгорания предпочтительно выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания со сжатием воздуха и упрощенно обозначен в дальнейшем как дизельный двигатель. Выбрасываемые дизельным двигателем 1 отработавшие газы принимаются выпускным трубопроводом 2 и протекают последовательно через катализатор 3 окисления, сажевый фильтр 4 и катализатор 5 селективного каталитического восстановления. По направлению потока перед катализатором 3 окисления предусмотрен подающий узел 26 для насыщения отработавших газов углеводородами или топливом. Подвод углеводородов или топлива, например дизельного топлива, может быть предусмотрен для нагревания отработавших газов или конструкционных элементов с очищающим действием, установленных в выпускной трубопровод 2. Нагревание отработавших газов посредством экзотермического окисления добавляемого топлива или углеводородов с помощью катализатора 3 окисления применяют, в частности, при регенерации сажевого фильтра 4 путем дожигания сажи. Установление необходимости такой регенерации может быть основано на модели и/или осуществляться с помощью присоединенного к сажевому фильтру 4 датчика 22 разности давлений, посредством выходного сигнала которого может быть определено критическое заполнение частицами сажевого фильтра 4. Нагревание отработавших газов может быть также предусмотрено в сочетании с холодным запуском или прогревом дизельного двигателя 1 и/или в общем случае тогда, когда зафиксирован нежелательный низкий уровень температуры отработавших газов, в частности, на стороне входа в катализатор 5 селективного каталитического восстановления. Кроме того, посредством катализатора 3 окисления обеспечена возможность повышения доли содержания NO₂ в NO_x, содержащихся в отработавших газах. Благодаря этому обеспечивается возможность, с одной стороны, окисления сажи, откладывающейся в сажевом фильтре 4 при температурах отработавших газов ниже 500°C, а с другой стороны, улучшенного преобразования NO_x в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления при нормальных эксплуатационных условиях. Возможности уменьшения или устранения эмиссии NO₂ при условиях, которые являются неблагоприятными для превращения уже возникшей NO₂, подробнее описаны ниже.

Кроме того, к дизельному двигателю 1 присоединен турбонагнетатель 6, работающий на отработавших газах, турбину которого приводит в действие поток отработавших газов, и компрессор которого подводит всасываемый через впускной трубопровод 7 воздух через подводящий трубопровод 11 для воздуха к дизельному двигателю 1. Для регулирования количества воздуха, подводимого к дизельному двигателю 1, в подводящем трубопроводе 11 для воздуха расположена дроссельная заслонка 12. Для очистки всасываемого воздуха или для измерения расхода всасываемого воздуха, во впускном трубопроводе 7 расположены воздушный фильтр 8 или расходомер 9 воздуха. Расположенный в подводящем трубопроводе 11 для воздуха охладитель 10 наддувочного воздуха служит для охлаждения сжатого всасываемого воздуха. Для охладителя 10 наддувочного воздуха может быть предусмотрен предпочтительно регулируемый обвод (не показан). Предпочтительно дизельный двигатель 1 обладает, кроме того, устройством рециркуляции отработавших газов (не показано), при помощи которого отбираемые из выпускного трубопровода 2 отработавшие газы можно добавлять в регулируемом количестве к воздуху для сгорания, подводимому к дизельному двигателю 1. Для рециркулирующих отработавших газов также может быть предусмотрен охладитель. При помощи осуществляемого в соответствии с потребностью регулирования количества наддувочного воздуха и рециркулирующих отработавших газов, а также их охлаждения, обеспечивается возможность управления сгоранием топлива в камерах сгорания дизельного двигателя 1 с учетом оптимального расхода топлива, а также с учетом регулирования значений первичных эмиссий NO_x и сажи, и кроме того, с учетом возможно желаемого повышения температуры отработавших газов. Следующая возможность регулирования упомянутых рабочих параметров обеспечена посредством производимого в соответствии с потребностью дросселирования всасываемого воздуха при помощи приведения в действие дроссельной заслонки 12.

По направлению потока перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления расположено дозирующее устройство, содержащее дозирующий клапан 27 для добавки восстанавливающего средства в отработавшие газы. Снабжение дозирующего клапана 27 восстанавливающим средством осуществляют из емкости (здесь не показана). Ниже считается, что при упоминании восстанавливающего средства речь идет о водном растворе мочевины. Однако можно применять также и другое восстанавливающее средство, в частности восстанавливающее средство, которое содержит аммиак (NH₃) в свободной или в химически связанной форме. Раствор мочевины дозируют в соответствии с потребностью в отработавшие газы через дозирующий клапан 27. В горячих отработавших газах посредством термолиза и/или гидролиза высвобождается аммиак NH₃, который селективно действует в отношении восстановления NO_x. В качестве высокоэффективного катализатора для этого предусмотрен катализатор 5 селективного каталитического восстановления на основе цеолита или на основе V₂O₅/W₂O₃/TiO₂, который для своего применения с целью гетерогенного каталитического селективного восстановления NO_x с помощью NH₃ обычно содержит центры адсорбции для NO_x и NH₃. Катализатор селективного каталитического восстановления может быть выполнен в виде полностью экструдированного изделия или в виде слоистого катализатора.

Для управления работой системы нейтрализации отработавших газов, а также дизельного двигателя 1 предусмотрено управляющее устройство (не показано). Для выполнения предусмотренных управляющих функций управляющее устройство получает информацию о рабочих параметрах состояния дизельного двигателя 1. Это может быть, например, информация о выдаваемом вращающем моменте или о частоте вращения. Управляющее устройство предпочтительно содержит расчетный блок и запоминающий блок, а также блок ввода-вывода. Благодаря этому управляющее устройство в состоянии производить комплексные процессы обработки сигналов и регистрировать работу дизельного двигателя 1, а также системы нейтрализации отработавших газов и управлять ими, или же их регулировать. Необходимые для этого наборы характеристических массивов данных предпочтительно заложены в запоминающем устройстве, причем может быть также предусмотрено адаптивное согласование наборов характеристических массивов данных. Наборы характеристических массивов данных относятся главным образом к существенным параметрам состояния отработавших газов, таким как массовый расход, первичная эмиссия, температура, в зависимости от таких эксплуатационных параметров дизельного двигателя 1, как нагрузка, частота вращения, коэффициент избытка воздуха и т.д. Кроме того, предусмотрены наборы характеристических массивов данных для существенных параметров состояния катализатора 3 окисления, сажевого фильтра 4 и катализатора 5 селективного каталитического восстановления. В отношении катализатора 5 селективного каталитического восстановления эти наборы характеристических массивов данных относятся, в частности, к преобразованию NO_x и к аккумулирующей способности по отношению к NH₃ или углеводородам, в зависимости от определяющих параметров влияния.

Регистрация рабочих состояний дизельного двигателя 1, а также системы нейтрализации отработавших газов и соответствующих узлов предпочтительно осуществляется при помощи соответствующих датчиков. Например, показаны датчики 13 и 15 давления для давления перед компрессором и давления перед турбиной турбонагнетателя 6, а также температурные датчики 14, 16, 18, 19, 21, 23 и 24, соответственно для температуры после охладителя 10 наддувочного воздуха, перед турбиной, перед катализатором 3 окисления, перед сажевым фильтром 4 и после него, а также перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления и после него. Могут быть также предусмотрены дополнительные датчики, в частности, для регистрации компонентов отработавших газов. Например, предусмотрены кислородный датчик 17, а также датчик 20 NO_x для содержания NO_x в отработавших газах. В частности, на стороне выхода из катализатора 5 селективного каталитического восстановления предусмотрен датчик 25 отработавших газов, который обладает чувствительностью по отношению к NO_x и NH₃, или по отношению к углеводородам. Датчик 20 NO_x может быть также расположен по направлению потока за сажевым фильтром 4, однако предпочтительно он находится по направлению потока перед дозирующим клапаном 27. Сигналы датчиков обрабатываются управляющим устройством, так что существенные параметры состояния всегда имеются в наличии, и рабочая точка дизельного двигателя 1 при необходимости может быть изменена таким образом, что обеспечивается возможность оптимальной работы системы нейтрализации отработавших газов. Разумеется, описанная функциональная возможность может быть расширена или улучшена в рамках изобретения при помощи дополнительных компонентов нейтрализации отработавших газов, например, аккумулирующего катализатора оксидов азота и/или гидролизного катализатора перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления. Особенно благоприятной является возможность размещения аккумулирующего катализатора оксидов азота по направлению потока перед сажевым фильтром 4 и/или между сажевым фильтром 4 и катализатором 5 селективного каталитического восстановления. В рабочих режимах с обогащенными смесями при помощи восстановления в аккумулирующем катализаторе оксидов азота аккумулированные ранее NO_x могут быть частично восстановлены с образованием аммиака, и таким способом отработавшие газы насыщаются аммиаком. При необходимости в таком варианте выполнения можно даже отказаться от внешнего подвода мочевины. Кроме того, по направлению потока за катализатором 5 селективного каталитического восстановления может быть предусмотрен следующий катализатор окисления, посредством которого можно удалять остаточное содержание NH₃ и/или углеводородов в отработавших газах. Равным образом возможны изменения системы датчиков в отношении их типа, количества и расположения.

Описанные варианты выполнения системы нейтрализации отработавших газов проявили себя как особенно выгодные в отношении эффективного удаления существенных вредных веществ отработавших газов, в частности, в отношении NO_x и частиц. Например, благодаря восстановлению оксидов азота в системе нейтрализации отработавших газов, в частности в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления, может быть достигнута общая эмиссия NO_x ниже задаваемой величины в размере 80 мг на километр пути при совокупности эксплуатационных режимов. Для этого выше рабочей температуры отработавшие газы насыщаются аммиаком, предпочтительно посредством того, что через дозирующий клапан 27 раствор мочевины добавляют в соответствии с потребностью в отработавшие газы. Предпочтительно, при помощи модели загрузки или с управлением при помощи датчиков загрузку катализатора селективного каталитического восстановления аммиаком, зависящую от эксплуатационного состояния, устанавливают таким образом, что содержащиеся в отработавших газах оксиды азота могут быть сокращены в требуемом объеме. При уменьшенной производительности катализатора селективного каталитического восстановления, обусловленной температурой или другими причинами, посредством установления соответствующих эксплуатационных условий, согласно описанным выше возможностям, можно уменьшить первичную эмиссию NO_x дизельного двигателя таким образом, что можно выдерживать заданные значения эмиссии NO_x.

При некоторых эксплуатационных режимах, например при холодном запуске и его завершении или при продолжительных режимах движения с малой нагрузкой двигателя (работа в режимах принудительного холостого хода или холостого хода), вследствие этого могут возникать критически низкие температуры отработавших газов, при которых существенные превращения веществ не могут происходить или не могут происходить с достаточной скоростью. Это может привести к нежелательной эмиссии вредных веществ. Для селективного каталитического восстановления NO_x в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления и для обусловленного термолизом или гидролизом высвобождения NH₃ из мочевины требуется, например, превышение определенной рабочей температуры, которая обычно находится в диапазоне примерно от 170°С до 250°C. Для других каталитических превращений в системе нейтрализации отработавших газов требуется превышение температуры скачка соответствующего компонента нейтрализации отработавших газов. Например, в катализаторе 3 окисления NO окисляется при более низких температурах (примерно 200°C), чем углеводороды (примерно 250°C).

Ниже описаны выгодные мероприятия, которые обеспечивают возможность уменьшения эмиссии, в частности, NO₂, даже при упомянутых критических условиях. Благодаря подробнее описанным ниже мероприятиям обеспечивается возможность как дополнительно улучшенного уменьшения общей эмиссии NO_x, так и уменьшения процентного содержания N02 в общей эмиссии NO_x, ниже заданной или задаваемой величины в размере, например, 10 мг на километр пути, или процентное содержание в размере 10% от общей эмиссии NO_x.

Изобретателями установлено, что нежелательно высокая эмиссия NO₂, в частности при температурах ниже рабочей температуры, в основном объясняется двумя эффектами. Во-первых, содержащиеся в отработавших газах NO_x могут адсорбироваться катализатором 5 селективного каталитического восстановления, и таким образом, в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления происходит насыщение. При нагревании выше специфической для катализатора температуры десорбции адсорбированные NO_x концентрируются и выделяются преимущественно в форме NO₂. Во-вторых, при условиях, при которых адсорбция не осуществляется или преобразование посредством аммиака невозможно, содержащиеся в отработавших газах с самого начала NO_x или же NO₂ беспрепятственно проходят через катализатор 5 селективного каталитического восстановления.

Изобретателями установлено, что возникающая в итоге проблема эмиссии NO₂ может быть решена посредством насыщения отработавших газов углеводородами по направлению потока перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления. Благоприятной при этом является концентрация насыщения примерно от 100 промилле (ppm) до 10000 промилле, в пересчете на (НС)₃. Предпочтительной является концентрация насыщения примерно от 200 промилле до 5000 промилле. Особенно предпочтительной является концентрация насыщения в диапазоне от 500 промилле до 2000 промилле. Находящиеся в отработавших газах в увеличенном количестве углеводороды могут, во-первых, адсорбироваться на центрах адсорбции катализатора 5 селективного каталитического восстановления таким образом, что адсорбция NO_x предотвращается или по меньшей мере сильно уменьшается. Благодаря этому устраняется насыщение NO_x в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления и соответствующий пик десорбции NO₂. Во-вторых, вследствие адсорбции межмолекулярные связи ослабляются, благодаря чему адсорбированные углеводороды обладают высокой реакционной способностью, и кроме того, при избытке кислорода и низких температурах содержащаяся в отработавших газах NO₂ или совместно адсорбированные NO_x могут восстанавливаться по меньшей мере в NO, a большей частью даже в безвредный N₂. Такое восстановление, хотя оно обычно менее сильно выражено, возможно также посредством углеводородов, содержащихся в газообразной фазе.

Как было установлено изобретателями, для высокой эффективности в упомянутом смысле для катализатора 5 селективного каталитического восстановления является выгодным применение материала, который содержит как кислотные центры Льюиса, так и кислотные центры Бренстеда. Предпочтительно применяют катализатор на основе цеолита, например цеолит бета-типа, ZSM-5-типа, MFI-типа или морденитового типа. Можно также применять другой цеолит. Предпочтительно применяют цеолит с кислотностью по Гаммету менее чем -3, в частности менее чем -5. Цеолит может применяться в своей активной форме или в ионообменной форме с переходным металлом, например марганцем (Mn), железом (Fe), медью (Cu), или с металлом платиновой группы, например платиной (Pt), палладием (Pd), родием (Rh). При этом как кислотные центры, так и металлические центры могут быть эффективными в качестве центров адсорбции и/или в качестве каталитических центров. В частности, для температурно-зависимого блокирования центра адсорбции, образованного платиной (Pt), альтернативно или дополнительно может также быть предусмотрено насыщение отработавших газов CO.

Управление насыщением отработавших газов углеводородами в отношении времени добавки и/или количества добавки предусмотрено таким образом, что нежелательная десорбция или эмиссия углеводородов устраняется. Для этого целесообразно добавляемое в отработавшие газы количество суммируют и сравнивают с заданными номинальными значениями. При этом целесообразно содержать номинальные значения, зависящие от температуры и расхода, в наборах характеристических массивов данных, заранее определенных для соответствующего катализатора 5 селективного каталитического восстановления. Если достигается загрузка катализатора 5 селективного каталитического восстановления углеводородами, критическая в отношении десорбции или проскока, то насыщение отработавших газов прекращают. Вместо расчетного или основанного на модели управления загрузкой углеводородами может быть также предусмотрен измерительный контроль при помощи чувствительного к углеводородам датчика отработавших газов, расположенного по направлению потока за катализатором 5 селективного каталитического восстановления. В общем случае в рамках метода согласно изобретению для уменьшения эмиссии NO₂ при низких эксплуатационных температурах предусмотрено прекращение насыщения отработавших газов углеводородами и переключение на предусмотренное для нормальной эксплуатации уменьшение NO_x посредством насыщения NH₃ не позднее, чем будет достигнута или превышена рабочая температура катализатора 5 селективного каталитического восстановления. Для подачи требуемой добавки мочевины через дозирующий клапан 27 с целью насыщения NH₃ должно быть обеспечено, что температура отработавших газов превышает температуру разложения мочевины.

Насыщение отработавших газов углеводородами можно осуществлять посредством подходящего для этого регулирования эксплуатационных параметров дизельного двигателя 1 таким образом, что в одной или нескольких камерах сгорания дизельного двигателя происходит неполное сгорание топлива. Предпочтительно момент времени дополнительного впрыска топлива выбирается таким образом, чтобы дополнительный впрыск топлива осуществлялся при завершающемся или уже завершенном сгорании главного впрыска, используемого для привода. В зависимости от того, как выбраны начало и продолжительность дополнительного впрыска, можно достичь насыщения отработавших газов более или менее сильно подвергнутыми крекингу или частично сгоревшими углеводородами.

Альтернативно или дополнительно, насыщение отработавших газов углеводородами можно также производить посредством отдельного подающего узла 26. Предпочтительно насыщение углеводородами отработавших газов по направлению потока перед катализатором 3 окисления отключают, если катализатор 3 окисления или, возможно, также и сажевый фильтр 4 обеспечивают заметную активность в отношении окисления углеводородов, то есть если достигнута соответствующая температура скачка. Однако расположенный перед катализатором 3 окисления подающий узел 26 можно выгодно применять для нагревания отработавших газов посредством того, что выше температуры скачка углеводороды подводят и окисляют в катализаторе 3 окисления и/или в сажевом фильтре 4 с выделением тепла. Это предусмотрено, в частности, в сочетании с термической регенерацией сажевого фильтра 4, однако можно осуществлять и в других эксплуатационных режимах, если желательно нагревание системы нейтрализации отработавших газов.

Альтернативно или дополнительно может быть также предусмотрено расположение соответствующего подающего узла между сажевым фильтром 4 и катализатором 5 селективного каталитического восстановления. Этот вариант выполнения обеспечивает возможность подведения к катализатору 5 селективного каталитического восстановления обогащенных углеводородами отработавших газов даже тогда, когда катализатор 3 окисления или сажевой фильтр 4 уже достигли своей температуры скачка.

В общем случае является предпочтительным, если эксплуатационные параметры дизельного двигателя или узла подачи углеводородов установлены таким образом, что образуются углеводороды, содержащие менее десяти атомов углерода, особенно предпочтительно менее восьми атомов углерода. Эти фракции углеводородов проявили себя особенно эффективными как в отношении адсорбции на предпочтительных также для NO_x центрах адсорбции катализатора 5 селективного каталитического восстановления, так и в отношении катализируемого ниже рабочей температуры восстановления NO или NO₂. Благоприятным является также, если при горячем запуске, работе на холостом ходу и/или в режиме принудительного холостого хода, в дополнение к насыщению отработавших газов углеводородами, производят регулирование рабочих параметров дизельного двигателя 1 таким образом, что осуществляется быстрое нагревание катализатора 5 селективного каталитического восстановления выше рабочей температуры, то есть образуется малая первичная эмиссия NO_x. Для быстрого нагревания можно, например, отключать рециркуляцию отработавших газов и/или охлаждение рециркулирующих отработавших газов, и/или охлаждение наддувочного воздуха, вплоть до достижения определенной температуры охлаждающего средства. Для малой первичной эмиссии NO_x дизельный двигатель 1 можно эксплуатировать со сравнительно высокой степенью рециркуляции отработавших газов, то есть с почти или полностью открытым клапаном рециркуляции отработавших газов. Кроме того, для низкого базового значения первичной эмиссии NO_x в общем случае выгодно, если дизельный двигатель 1 работает с низкой степенью сжатия. Предпочтительной в дизельном двигателе является степень сжатия менее 16.

Кроме того, для малой эмиссии NO₂ является благоприятным, если в дополнение к упомянутым мероприятиям для катализатора 3 окисления и/или для сажевого фильтра 4 выбирают покрытие, которое имеет малую активность в отношении окисления NO. Это может быть достигнуто, например, посредством сравнительно малого содержания платины (Pt) в размере менее 70 г/фут³ (2,5 г/дм³), предпочтительно менее 50 г/фут³ (1,77 г/дм³), и особенно предпочтительно менее 30 г/фут³ (1,06 г/дм³). Для поддержания активности окисления углеводородов может быть предусмотрено соответственно более высокое содержание палладия (Pd), при этом соотношение Pd/Pt предпочтительно составляет по меньшей мере 0,2, особенно предпочтительно по меньшей мере 0,5.

Для выдерживания заданной величины эмиссии NO₂ может быть также предусмотрена измерительная регистрация NO₂ в системе выпуска отработавших газов на ее конце, например, посредством датчика 25 отработавших газов. В зависимости от зарегистрированных значений эмиссии NO₂ или от сигнала датчика, описанные выше мероприятия можно применять индивидуально или в комбинации.

В частности, для уменьшения эмиссии NO₂ при завершении холодного запуска может быть, кроме того, предусмотрено, что при неработающем автомобиле или двигателе 1 внутреннего сгорания в катализатор 5 селективного каталитического восстановления подают углеводороды, например, путем кратковременного вдувания, так что они могут там адсорбироваться. Этим способом достигается то, что катализатор 5 селективного каталитического восстановления уже к началу холодного запуска предварительно загружен углеводородами. Благодаря этому, начиная непосредственно от запуска двигателя, по меньшей мере уменьшается эмиссия NO_x и, в частности, NO₂.

Реферат

Изобретение относится к способу уменьшения эмиссии двуокиси азота (NO2) в автомобиле с системой нейтрализации отработавших газов. Сущность изобретения: в катализаторе (5) селективного каталитического восстановления, который содержит центры адсорбции для оксидов азота, выше рабочей температуры к катализатору (5) селективного каталитического восстановления подводят отработавшие газы, насыщенные аммиаком. Ниже рабочей температуры подводимые к катализатору (5) селективного каталитического восстановления отработавшие газы насыщают веществом таким образом, что тормозится адсорбция оксидов азота на соответствующих центрах адсорбции катализатора (5) селективного каталитического восстановления. Предусмотрено, что для уменьшения общей эмиссии NOx ниже задаваемой первой величины к катализатору (5) селективного каталитического восстановления подводят отработавшие газы, насыщенные аммиаком, и доля NO2 в общей эмиссии NOx уменьшается ниже задаваемой второй величины благодаря тому, что NO2 преобразуется с помощью углеводородов, аккумулированных в катализаторе (5) селективного каталитического восстановления. Техническим результатом изобретения является снижение эмиссии двуокиси азота двигателя внутреннего сгорания в широком рабочем диапазоне, при критических низких температурах отработавших газов. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула