Способ и устройство для нейтрализации содержащих оксиды азота (nox) отработавших газов двигателя внутреннего сгорания - RU2219354C2
Код документа: RU2219354C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу и устройству для нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющего по меньшей мере одну камеру сгорания, соединенную с выпускной трубой, к которой подсоединена выпускная линия с выпускным трубопроводом и по меньшей мере одним каталитическим нейтрализатором ОГ.
При сгорании в ДВС, прежде всего в дизельном двигателе или ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси, углеводородов, таких как присутствующие в бензине, в смеси с воздухом наряду с такими основными продуктами сгорания, как диоксид углерода и водяной пар, образуются также побочные продукты и токсичные вещества. Ими являются в основном углеводороды (НС), моноксид углерода (СО) и оксиды азота (NOx). Содержание в ОГ этих токсичных веществ зависит главным образом от соотношения воздуха и топлива в горючей смеси, подаваемой в ДВС на сгорание. При небольших величинах отношения воздуха к топливу принято говорить об "обогащенной" горючей смеси (с недостатком воздуха), а при больших величинах отношения воздуха к топливу говорят об "обедненной" горючей смеси (с избытком воздуха).
Известно, что при недостатке воздуха в ОГ содержится относительно большое количество СО и НС, а при избытке воздуха СО и НС могут быть практически полностью окислены. Максимальное содержание NOx приходится на диапазон, в котором горючая смесь является несколько обедненной. Однако в этом же диапазоне лежат и оптимальные параметры удельного расхода топлива для ДВС, прежде всего для ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси. Таким образом, если, например, ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси отрегулирован на оптимально низкий расход, то ОГ характеризуются высокой концентрацией NOx наряду с умеренной концентрацией СО и НС.
Увеличение интенсивности движения транспорта прежде всего в районах с высокой плотностью населения привело к тому, что сначала в США, а в последующем в Европе и в Федеративной Республике Германии были приняты законодательные нормы, ограничивающие выброс таких токсичных веществ, как СО, НС и NOx. Существующие на сегодняшний день нормы, устанавливающие предельно допустимое содержание в ОГ токсичных веществ, прежде всего NOx, невозможно соблюсти с помощью так называемых первичных мер, т.е. за счет оптимизации процесса сгорания топлива во избежание образования токсичных веществ, в частности термического NOx. Поэтому для соблюдения указанных норм и поддержания выбросов токсичных веществ в законодательно установленных пределах используют так называемые вторичные меры, прежде всего каталитическую нейтрализацию ОГ. Хотя в зависимости от типа используемого каталитического нейтрализатора при стехиометрическом отношении воздух/топливо и удается достичь высокой степени каталитического превращения всех трех вышеназванных токсичных компонентов, тем не менее в ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси, работающих на обедненных горючих смесях, и в целом в дизельных двигателях каталитическое превращение содержащихся в ОГ NOx невозможно без принятия дополнительных мер.
Для решения указанной проблемы в DE 4003515 А1 было предложено, например, использовать для восстановления NOx до N2 восстановитель, который подается из соответствующей емкости в линию выпуска ОГ по подающему трубопроводу и смешивается с проходящим по этой линии потоком ОГ. Затем смесь ОГ с восстановителем поступает в каталитический нейтрализатор для каталитического превращения NOx.
Однако достижение стехиометрического соотношения между NOx и восстановителем при этом из-за колебания концентрации NOx в ОГ является трудно разрешимой задачей, поскольку, с одной стороны, непрерывное дозирование восстановителя с расчетом на максимальное содержание NOx приводит при содержании NOx ниже максимального к нежелательному выбросу остающегося в ОГ восстановителя в атмосферу, а с другой стороны, непрерывное дозирование восстановителя с расчетом, например, на среднее содержание NO приводит при превышении концентрации NOx в ОГ этого значения к нежелательному выбросу NOx.
Для решения вышеописанной проблемы, в частности в целях минимизации потерь восстановителя, были разработаны каталитические нейтрализаторы, покрытие которых способно поглощать указанные вещества до определенного уровня насыщения, т. е. обладает способностью аккумулировать восстановитель и/или NOx. При использовании подобного каталитического нейтрализатора в выпускную линию можно непрерывно подавать примерно среднее количество восстановителя. В случае передозировки избыточное количество восстановителя будет накапливаться в каталитическом нейтрализаторе и снова десорбироваться из него при последующем увеличении концентрации NOx до максимального значения и наоборот. Однако для накопления этих веществ в достаточном количестве такой подход требует применения каталитического нейтрализатора большой аккумулирующей емкости.
Из US 4854123 известен способ нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере одну камеру сгорания, соединенную с выпускной трубой, к которой подсоединена выпускная линия с выпускным трубопроводом и по меньшей мере с одним каталитическим нейтрализатором, при этом по подающему трубопроводу для восстановителя из соответствующей емкости в выпускную линию добавляют восстановитель и смешивают с протекающим по ней потоком ОГ, после чего смешанные с восстановителем ОГ подают в каталитический нейтрализатор для каталитического превращения NO, причем восстановитель многократно и в дозированных количествах, соответствующих в каждом случае образовавшемуся количеству NOx, добавляют к потоку ОГ на каждом такте выпуска ОГ из каждой камеры сгорания в зависимости от образовавшегося количества NOx с помощью по меньшей мере одного дозатора и с помощью средств управления дозатором и/или регулирования дозатора.
Из этого же источника известно устройство для нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере одну камеру сгорания, соединенную с выпускной трубой, к которой подсоединена выпускная линия с выпускным трубопроводом и по меньшей мере одним каталитическим нейтрализатором ОГ, при этом предусмотрена возможность добавления по подающему трубопроводу для восстановителя из соответствующей емкости в выпускную линию восстановителя и его смешения с протекающим по ней потоком ОГ с последующей подачей смешанных с восстановителем ОГ в каталитический нейтрализатор для каталитического превращения NOx, а также предусмотрен по меньшей мере один дозатор и средства управления дозатором и/или регулирования дозатора для многократного добавления восстановителя к потоку ОГ в дозированных количествах на каждом такте выпуска ОГ из каждой камеры сгорания в зависимости от образовавшего в ДВС количества NOx.
Однако известные способ и устройство имеют тот недостаток, что способность катализатора аккумулировать восстановитель при резком повышении температуры приводит к недопустимому повышению уровня эмиссии восстановителя. Другими словами, каталитический катализатор отработавших газов не способен аккумулировать NOx и/или восстановитель только в объеме возникающих при регулировании колебаний их количества.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача повысить эффективность нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) ОГ двигателя внутреннего сгорания, что в том числе должно достигаться и при малой аккумулирующей емкости каталитического нейтрализатора.
Согласно изобретению указанная задача решается путем использования каталитического нейтрализатора ОГ, способного аккумулировать NOx и/или восстановитель только в объеме возникающих при регулировании колебаний их количества.
Предпочтительно восстановитель добавлять в дозированных количествах к потоку ОГ с помощью двух дозаторов, расположенных между подающим трубопроводом для восстановителя и выпускной линией.
При этом каждый дозатор управляет подачей потока восстановителя непосредственно вблизи от точки введения, в которой восстановитель добавляется в дозированных количествах к потоку ОГ.
В предпочтительном варианте реализации способа по изобретению ДВС имеет электронный блок управления, в котором на основании имеющихся или поступающих данных и/или результатов измерения, используемых для управления и/или регулирования ДВС, происходит также формирование сигналов для управления дозатором и/или регулирования дозатора.
Предпочтительно восстановитель вводить в соответствующую выпускную трубу на выходе из каждой камеры сгорания ДВС и смешивать с потоком ОГ.
Предпочтительно также восстановитель добавлять в выпускной трубопровод к общему потоку ОГ от всех камер сгорания и смешивать с этим потоком ОГ.
Целесообразно в емкости в качестве восстановителя использовать жидкий аммиак, который вводят в выпускную линию.
В одном из вариантов реализации способа по изобретению в емкости может содержаться запас соединения-предшественника восстановителя, из которого получают, например, пиролитическим методом восстановитель, который вводят в виде жидкости в выпускную линию.
Целесообразно в качестве соединения-предшественника такого восстановителя, как аммиак, использовать мочевину.
Предпочтительно давление восстановителя в подающем трубопроводе поддерживать на постоянном уровне, в результате чего порции добавляемого в дозированных количествах восстановителя определяются длительностью открытого состояния дозатора.
При этом управление длительностью открытого состояния дозатора и/или регулирование длительности открытого состояния дозатора целесообразно осуществлять по электрическому соединительному проводу по сигналам, генерируемым в электронном блоке управления ДВС в зависимости от имеющихся в нем и/или полученных им данных и результатов измерения, поступающих, например, от измерительных зондов, прежде всего в зависимости от расхода подаваемого топлива.
Согласно изобретению задача изобретения решается также с помощью устройства для нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) отработавших газов двигателя внутреннего сгорания в результате того, что каталитический нейтрализатор ОГ выполнен с возможностью аккумулировать NOx и/или восстановитель в объеме возникающих при регулировании колебаний их количества.
С этой целью в устройстве предусмотрено два предназначенных для добавления восстановителя к ОГ в дозированных количествах дозатора, которые расположены между подающим трубопроводом и выпускной линией.
При этом в устройстве по изобретению ДВС имеет электронный блок управления, а управление дозатором и/или регулирование дозатора осуществляется этим электронным блоком управления и средствами управления дозатором и/или регулирования дозатора, прежде всего по электрическому соединительному проводу.
Предпочтительно перед каталитическим нейтрализатором ОГ установить по меньшей мере один первый измерительный зонд и/или за каталитическим нейтрализатором ОГ установить по меньшей мере второй измерительный зонд, при этом первый измерительный зонд служит для передачи в электронный блок управления результатов измерений по определению содержания прежде всего NOx или NH3, а второй измерительный зонд - результатов измерений по определению содержания прежде всего NOx, NH3 или NO.
В емкости устройства по изобретению в качестве восстановителя целесообразно иметь жидкий аммиак, который добавляют в выпускную линию.
Следует также в устройстве предусмотреть средства для получения, например, пиролитическим методом жидкого аммиака из запаса соединения-предшественника, прежде всего из мочевины.
Предпочтительно каждый дозатор, имеющий прежде всего по меньшей мере один клапан-дозатор, расположить между подающим трубопроводом для восстановителя и выпускной линией, прежде всего непосредственно вблизи от точки введения, в которой восстановитель добавляется в дозированных количествах к потоку ОГ, чтобы имелась возможность управлять подачей потока восстановителя.
Давление восстановителя в подающем трубопроводе должно поддерживаться на постоянном уровне, в результате чего порции добавляемого в дозированных количествах восстановителя определяются длительностью открытого состояния каждого клапана-дозатора.
Для поддержания постоянного давления восстановителя в подающем трубопроводе необходимо предусмотреть средства для создания давления, прежде всего насос.
В устройстве по изобретению следует предусмотреть возможность введения восстановителя из соответствующей емкости по подающему трубопроводу и через клапан-дозатор в соответствующую выпускную трубу на выходе из каждой камеры сгорания ДВС и его смешения с потоком ОГ.
Кроме того, предусмотрена возможность добавления восстановителя из соответствующей емкости по подающему трубопроводу и через клапан-дозатор в выпускной трубопровод к общему потоку ОГ от всех камер сгорания и его смешения с этим потоком ОГ.
Преимущество изобретения заключается в том, что с помощью дозатора и дополнительных средств управления вводят в поток протекающих по выпускной линии ОГ восстановитель, добавляя его в зависимости от образующихся в ДВС количеств NOx синхронно с каждым тактом выпуска ОГ из камеры сгорания и/или с фазовым сдвигом относительно этого такта в дозированных количествах, согласованных с образовавшимся количеством NOx, прежде всего синхронно с тактом расширения в камерах сгорания и/или с фазовым сдвигом относительно этого такта расширения либо синхронно с полным рабочим тактом ДВС и/или с фазовым сдвигом относительно этого полного рабочего такта. Подобное добавление восстановителя в дозированных количествах практически полностью исключает его передозировку в ОГ, благодаря чему достигается примерно стехиометрическое соотношение между NOx и восстановителем и повышается эффективность нейтрализации содержащих NOx отработавших газов ДВС, в чем состоит особое преимущество.
Кроме того, ДВС предпочтительно имеет электронный блок управления, который на основании имеющихся или поступающих данных и результатов измерения, используемых для управления и/или регулирования ДВС, формирует сигналы для управления и/или регулирования дозатора, передаваемые по электрическому соединительному проводу. Указанные результаты измерений поступают, например, от измерительных зондов, устанавливаемых, например, перед и за расположенным в выпускной линии каталитическим нейтрализатором, при этом первые служат для передачи в электронный блок управления результатов измерений по определению содержания прежде всего NOx и NН3, а вторые - результатов измерений по определению содержания прежде всего NHx, NH3 и NO. Связанное с использованием таких измерительных зондов преимущество состоит в том, что создается возможность определять возникающий при определенных условиях проскок аммиака, а также остаточную эмиссию NO и корректировать их с помощью электронного блока управления двигателем. Поэтому еще одно преимущество заключается в том, что каталитический нейтрализатор, предпочтительно используемый согласно изобретению для нейтрализации ОГ, должен обладать способностью аккумулировать NOx и/или восстановитель только в объеме возникающих при регулировании колебаний их количества, для чего не требуется большой аккумулирующей емкости.
В одном из предпочтительных вариантов в качестве восстановителя применяют жидкий аммиак, находящийся при этом в соответствующей емкости и подаваемый по мере необходимости в выпускную линию. В другом варианте в соответствующей емкости, установленной на автомобиле, может храниться запас соединения-предшественника восстановителя, например мочевина, из которого по мере необходимости можно получать, в частности, пиролитическим методом сам восстановитель и затем в виде жидкости вводить в выпускную линию.
Дозатор, который прежде всего имеет по меньшей мере один клапан-дозатор, предпочтительно располагать между подающим трубопроводом для восстановителя и выпускной линией. Поскольку давление восстановителя поддерживается в подающем трубопроводе на постоянном уровне, порции добавляемого в дозированных количествах восстановителя могут определяться лишь длительностью открытого состояния дозатора, соответственно длительностью открытого состояния каждого клапана-дозатора, в чем также состоит определенное преимущество. Управление и/или регулирование длительности открытого состояния дозатора осуществляется сигналами, генерируемыми в электронном блоке управления ДВС в зависимости от имеющихся в нем данных и результатов измерения, прежде всего в зависимости от расхода подаваемого топлива. Благодаря этому, согласно изобретению, удается достичь в ОГ необходимого примерно стехиометрического соотношения между таким токсичным веществом, как NOx, и восстановителем, которым служит аммиак.
Как уже упоминалось выше, восстановитель вводится в поток ОГ из соответствующей емкости, например, по подающему трубопроводу и через клапан-дозатор. Для поддержания постоянного давления восстановителя в подающем трубопроводе предусмотрены средства для создания давления, прежде всего насос. Клапаны-дозаторы предпочтительно выполнять таким образом, чтобы они гарантированно обеспечивали смешение восстановителя с потоком ОГ, для чего их выходные отверстия можно выполнить, например, в виде распылителей.
Согласно изобретению восстановитель наиболее предпочтительно вводить в соответствующую выпускную трубу на выходе каждой камеры сгорания ДВС и смешивать в этом месте с потоком ОГ. Такое синхронизированное с каждым тактом выпуска ОГ из каждой камеры сгорания и/или сдвинутое по фазе относительно этого такта выпуска введение восстановителя позволяет, прежде всего при работе на обедненных горючих смесях и с учетом возникающих максимальных концентраций NOx в ОГ, минимизировать потери восстановителя и по мере необходимости добавлять восстановитель к потоку ОГ в дозированных количествах в соответствии с фактическими условиями, поскольку для этого требуется лишь соответствующим образом согласовать частоту подачи на клапаны-дозаторы управляющих и/или регулирующих импульсов, синхронизировав ее с определенным рабочим циклом в камере сгорания и/или сдвинув ее по фазе относительно этого цикла.
Альтернативно и/или дополнительно можно предусмотреть введение восстановителя в выпускной трубопровод в общий поток ОГ от всех камер сгорания и его смешение с этим потоком ОГ. Преимущество, связанное с введением восстановителя в выпускной трубопровод, состоит в том, что в данном случае для достижения примерно стехиометрического соотношения между восстановителем и оксидами азота (NOx) аммиак можно вводить в поток ОГ прежде всего с меньшими затратами на оборудование, но одновременно с тем и с более высокой, согласованной с циклами всех камер сгорания частотой подачи управляющих и/или регулирующих импульсов по меньшей мере на один клапан-дозатор.
Необходимое в общей сложности на один рабочий такт количество аммиака можно, как очевидно, добавлять по мере необходимости, например в зависимости от частоты вращения и нагрузки, за один или несколько распределенных по рабочему такту циклов дозирования.
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере двух возможных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг.1 - первый, наиболее предпочтительный, вариант осуществления изобретения и на фиг.2 - второй вариант осуществления изобретения.
На фиг. 1 показан ДВС 1, имеющий четыре камеры 2 сгорания, что типично, например, для бензинового ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси или для дизельного двигателя. К каждой из четырех камер 2 сгорания подсоединена выпускная труба 3 выпускного коллектора, оканчивающегося в выпускной линии 4, в которой имеются по меньшей мере выпускной трубопровод 5 и каталитический нейтрализатор 6, который предпочтительно обладает малой способностью аккумулировать NOx и/или восстановитель в объеме возникающих при регулировании колебаний их количества. Перед каталитическим нейтрализатором 6 установлен по меньшей мере один первый измерительный зонд 12 для определения содержания прежде всего NOx или NH3, а за каталитическим нейтрализатором 6 расположен по меньшей мере один второй измерительный зонд 13 для определения содержания главным образом NOx, NH3 или NO. По подающему трубопроводу 8 для восстановителя насосом 14 из соответствующей емкости 7 в выпускную линию 4 может подаваться аммиак в качестве восстановителя, вводимый в соответствующую выпускную трубу 3 на выходе каждой камеры 2 сгорания ДВС 1 и смешиваемый с ОГ, при этом между подающим трубопроводом 8 и каждой выпускной трубой 3 расположен дозатор 9, в частности клапан-дозатор, выполненный таким образом, чтобы обеспечивать смешение аммиака с ОГ. Клапаны-дозаторы соединительным проводом 11 электрически соединены с блоком 10 управления двигателем.
При сгорании горючей смеси в камерах 2 сгорания образуются отработавшие газы, содержащие оксид азота (NOx). Синхронно с каждым тактом выпуска ОГ из камер 2 сгорания с помощью клапанов-дозаторов в каждую выпускную трубу 3 каждой камеры 2 сгорания ДВС 1 подается соответствующая образовавшемуся количеству NOx порция аммиака в качестве восстановителя, примешиваемого к еще горячим ОГ. С учетом недостаточной продолжительности взаимодействия и/или температуры ОГ, составляющей менее 920oС, селективное некаталитическое восстановление (СНКВ) в этом случае практически невозможно. Поэтому селективное каталитическое восстановление (СКВ) NOx до N2 начинается лишь в каталитическом нейтрализаторе 6, предпочтительно при температуре ОГ от 300 до 500oС. Давление самого аммиака в подающем трубопроводе 8 непрерывно поддерживается насосом 14 на постоянном уровне, в результате чего добавляемое дозированными порциями количество аммиака определяется только длительностью открытого состояния клапанов-дозаторов и может быть однократно увеличено и/или несколько раз уменьшено, например, в зависимости от состава ОГ в одном такте выпуска, для чего предпочтительно использовать пьезоэлементы. Управляющие и/или регулирующие сигналы, определяющие длительность открытого состояния клапанов-дозаторов, формируются на основании имеющихся и/или поступающих данных и результатов измерения, используемых для управления и/или регулирования ДВС 1, в частности в зависимости от расхода подаваемого топлива, при этом указанные данные и результаты измерения частично поступают в блок 10 управления от измерительных зондов 12, 13, расположенных перед и за каталитическим нейтрализатором 6.
На фиг. 2 показан такой же, как и на фиг.1, ДВС 1, с тем лишь отличием, что аммиак в качестве восстановителя в данном случае можно вводить в выпускной трубопровод 5 по подающему трубопроводу 8, примешивая его в общий поток ОГ от всех камер 2 сгорания. Давление восстановителя в подающем трубопроводе 8 также поддерживается насосом 14 на постоянном уровне. Предлагаемое в изобретении предпочтительное добавление восстановителя дозированными порциями к потоку ОГ в зависимости от количества образующихся в ДВС 1 NOx осуществляется синхронно с тактом выпуска и/или с фазовым сдвигом относительно этого такта выпуска путем примешивания указанного восстановителя к общему потоку ОГ от всех камер 2 сгорания в количествах, соответствующих образовавшемуся количеству NOx, с помощью клапана-дозатора, который расположен между подающим трубопроводом 8 и выпускным трубопроводом 5 и который выполнен таким образом, чтобы аммиак смешивался с потоком ОГ. В том случае, когда образующееся количество NOx в ОГ остается на постоянном уровне, подача восстановителя в поток ОГ происходит непрерывно, а при появлении колебаний этого количества - периодически. Порции подаваемого восстановителя также определяются длительностью открытого состояния клапана-дозатора, которой можно управлять, соответственно, которую можно регулировать с помощью сигналов, формируемых на основании данных и результатов измерений, используемых для управления и/или регулирования ДВС 1.
Таким образом, согласованное по продолжительности и количеству дозированное введение аммиака в поток ОГ позволяет поддерживать на низком уровне выброс NOx и аммиака при небольшой аккумулирующей емкости установленного далее каталитического нейтрализатора ОГ.
Предлагаемые в изобретении способ и устройство для нейтрализации содержащих оксиды азота (NOx) ОГ двигателя внутреннего сгорания отличаются своей сравнительной технической простотой. Кроме того, отсутствует необходимость в переработке или утилизации соответствующих конечных продуктов, поскольку при добавлении аммиака (NH3) или при использовании цепочки превращения мочевины в аммиак содержащиеся в ОГ оксиды азота (NOx) превращаются в результате каталитической реакции в каталитическом нейтрализаторе ОГ в воду (Н2О) и молекулярный азот (N2).
Реферат
В способе и устройстве для нейтрализации содержащих оксиды азота (NOх) отработавших газов (ОГ) ДВС из соответствующей емкости по подводящему трубопроводу и через дозатор к потоку ОГ с помощью средств управления дозатором и/или регулирования дозатора в качестве восстановителя предпочтительно добавляют жидкий аммиак, добавляя его синхронно с каждым тактом выпуска ОГ из камеры сгорания и/или с фазовым сдвигом относительного этого такта в дозированных количествах, соответствующих образовавшемуся количеству NOх. Согласованное по продолжительности и количеству дозированное введение аммиака в поток ОГ позволяет поддерживать на низком уровне выброс NОх при небольшой аккумулирующей емкости установленного далее каталитического нейтрализатора. Изобретение позволяет повысить эффективность нейтрализации содержащих оксиды азота (NOх) отработавших газов двигателя. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.
