Способ и устройство для регулирования диапазона температур nox-накопителя в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания - RU2191270C2
Код документа: RU2191270C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для регулирования диапазона температур NOx-накопителя в системе выпуска отработавших газов (ОГ) для нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Изобретение может найти применение прежде всего при нейтрализации ОГ дизельного двигателя или работающего на обедненных смесях двигателя с целью устранения таких компонентов ОГ, как несгоревшие углеводороды, моноксид углерода и оксиды азота.
Рост осознания необходимости охраны окружающей среды и связанное с такой необходимостью ужесточение законодательных норм, которыми определяются стандарты на токсичность ОГ, требуют еще более значительного сокращения выбросов в атмосферу признанных вредными веществ, содержащихся в ОГ двигателя внутреннего сгорания. В современных автотранспортных средствах обычно используют трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ОГ, позволяющий превращать в безвредные вещества три таких компонента ОГ, как моноксид углерода (СО), несгоревшие углеводороды (НС) и оксиды азота (NOx).
В заявке ЕР 0298240 В1 говорится, что в известных системах каталитической нейтрализации ОГ получить сведения о параметрах ОГ двигателя внутреннего сгорания можно, определив с помощью кислородных датчиков остаточное содержание кислорода в ОГ, определив температурный профиль каталитического нейтрализатора и определив количество высвобождающегося при каталитической реакции тепла.
При работе двигателя и прежде всего в период пуска холодного двигателя при сгорании в нем топлива образуются токсичные вещества. Поэтому в выпускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания необходимо предусматривать каталитический нейтрализатор ОГ, как это известно, например, из ЕР 0628134 В1. Кроме того, из ЕР 0485179 известно использование адсорберов, предназначенных для накопления несгоревших углеводородов, которые присутствуют в ОГ в период пуска холодного двигателя и которые снова отдаются в ОГ, когда необходимые для каталитического превращения таких углеводородов условия в установленном за адсорбером каталитическом нейтрализаторе достигнут рабочих.
В отношении стационарных двигателей внутреннего сгорания в Германии действует Техническое руководство по охране атмосферного воздуха с перечнем предельно допустимого содержания вредных примесей в воздухе производственных помещений. Для сокращения выбросов оксидов азота, содержащихся в отработавших газах таких ДВС, в стационарных установках часто используют мочевину.
У ДВС автотранспортных средств такая возможность отсутствует, и прежде всего из-за необходимости предусматривать для этого на автотранспортном средстве дополнительный бак для мочевины и из-за его веса. Вместо этого в транспортных средствах, прежде всего в безрельсовых транспортных средствах, предназначенных для перевозки грузов, пассажиров и для нетранспортных работ, используется рециркуляция ОГ, охлажденных в системе промежуточного охлаждения. Кроме того, известным методом сокращения выбросов оксидов азота является впрыскивание в поток ОГ воды. Еще один известный метод сокращения выбросов оксидов азота предусматривает их первоначальное промежуточное накопление в NOx-накопителе, высвобождаясь из которого, они затем в результате целенаправленного взаимодействия с несгоревшими углеводородами восстанавливаются до элементарного азота, т. е. в результате такой реакции из NOx-компонентов удаляется кислород.
Обычный рабочий диапазон температур, в пределах которого подобные NOx-накопители работают с высокими надежностью и эффективностью, составляет в настоящее время примерно от 150 до 500oС, при этом существует тенденция к повышению верхней предельной температуры примерно до 700oС за счет использования новых покрытий. Выше максимальной температуры, составляющей в настоящее время 800oС, происходит разрушение NOx-накопителей, и поэтому подобных температур необходимо в любом случае избегать. В системе выпуска ОГ подобного рода NOx-накопители устанавливают, как правило, за первым каталитическим нейтрализатором. Протекающая в первом каталитическом нейтрализаторе реакция прежде всего углеводородов с кислородом является экзотермической, в результате чего при нейтрализации ОГ в таком каталитическом нейтрализаторе эти ОГ нагреваются. Поскольку минимальная рабочая температура, лишь по достижении которой NOx-накопитель начинает работать наиболее эффективно, составляет порядка 150oС, такой NOx-накопитель целесообразно, и прежде всего с учетом поведения подобной системы каталитической нейтрализации ОГ в период пуска холодного двигателя, располагать за первым каталитическим нейтрализатором максимально близко к нему. Однако при работе ДВС в режиме номинальной нагрузки температура отработавших газов на выходе из первого каталитического нейтрализатора в результате протекающей в нем экзотермической реакции может превышать 1000oС. Поэтому при таких условиях работы в режиме номинальной нагрузки NOx-накопитель целесообразно располагать за первым каталитическим нейтрализатором как можно дальше от него, чтобы температура NОx-накопителя даже при указанных условиях работы в режиме номинальной нагрузки не превышала примерно 800oС. Таким образом, оба этих требования противоречат друг другу.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой способ, соответственно такое устройство, которые позволяли бы по возможности максимально полно удалять такие компоненты ОГ, прежде всего ОГ дизельных двигателей и двигателей, работающих на обедненных смесях, как несгоревшие углеводороды, моноксид углерода и оксиды азота, при всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания, предотвращали бы термическое повреждение установленного в системе выпуска ОГ NOx-накопителя и обеспечивали бы быстрое достижение NOx-накопителем рабочих условий после пуска холодного двигателя.
Указанная задача решается с помощью способа с отличительными признаками согласно п.1, соответственно п.11, а также с помощью системы каталитической нейтрализации ОГ с отличительными признаками согласно п.14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы.
Предлагаемый в изобретении способ предназначен для нейтрализации ОГ двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с изобретением при осуществлении этого способа от потока ОГ перед NOx-накопителем, называемым также NOx-адсорбером, отбирают с помощью теплообменника некоторое количество отводимого в виде теплового потока тепла в зависимости от режима работы ДВС. Такой теплообменник не задействуется прежде всего в период пуска холодного двигателя, что тем самым обеспечивает быстрый нагрев NOx-накопителя до минимальной рабочей температуры, составляющей примерно 150oС. Чем интенсивнее по мере возрастания нагрузки ДВС протекает экзотермическая реакция в установленном в выпускном трубопроводе первом каталитическом нейтрализаторе, тем выше становится охлаждающая производительность расположенного перед NOx-накопителем теплообменника по отводу тепла, благодаря чему во время всего периода работы двигателя температура NOx-накопителя гарантированно остается ниже 800oС и/или поддерживается в заданном температурном интервале. Таким образом, предлагаемый в изобретении способ нейтрализации ОГ двигателя внутреннего сгорания позволяет повысить эксплуатационную надежность NOx-накопителя, а также увеличить срок его службы. В результате надежная и эффективная нейтрализация ОГ обеспечивается во всем диапазоне нагрузок ДВС. В целом теплообменник можно выполнить таким образом, чтобы он только за счет своей конструкции обеспечивал при низких температурах отвод малого количества тепла, а при высоких температурах - большого количества тепла (для чего, например, отвод тепла можно осуществлять в основном тепловым излучением). Однако альтернативно этому или в дополнение к этому управлять отводом тепла или регулировать его можно и с помощью других дополнительных мер.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантом осуществления изобретения предлагается отводить от потока ОГ по меньшей мере часть содержащейся в ОГ тепловой энергии перед и/или за первым каталитическим нейтрализатором в виде теплового потока. Доля энергии, отводимой перед NOx-накопителем в виде теплового потока, зависит при этом от диапазона температур, составляющих при обычной работе NOx-накопителя примерно от 150 до 500oС, соответственно от максимально допустимой для NOx-накопителя температуры в 800oС.
В соответствии со следующим предпочтительным вариантом предлагается отводить тепло от потока ОГ двухступенчато. При этом такой двухступенчатый отвод тепла может быть обеспечен либо с помощью двух теплообменников, последовательно расположенных перед NOx-накопителем, либо с помощью одного теплообменника, расположенного перед первым каталитическим нейтрализатором, и одного теплообменника, расположенного между первым каталитическим нейтрализатором и NOx-накопителем. Так, в частности, при отводе тепла непосредственно за двигателем можно, прежде всего при работе двигателя с высокой нагрузкой, целенаправленно снижать температуру ОГ и на выходе из первого каталитического нейтрализатора, установленного перед NOx-накопителем.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения в NOx-накопителе происходят как адсорбция NOx, так и каталитическое окисление. Однако предлагаемый способ можно осуществлять таким образом, чтобы сначала адсорбция оксидов азота (NOx) происходила только в NOx-накопителе, а, например, окисление требуемых для регенерации NOx-накопителя и при необходимости дополнительно подаваемых в выпускной трубопровод несгоревших углеводородов происходило вне NOx -накопителя во втором каталитическом нейтрализаторе, установленном по ходу потока за этим NOx-накопителем.
Количество тепла, отводимого через теплообменник с тепловым потоком, предпочтительно составляет от 5 до 50 кВт.
У двигателя внутреннего сгорания, оснащенного турбокомпрессором, работающим на ОГ, из этого турбокомпрессора обычно в любом случае выходит избыток воздуха. Поэтому такой избыток воздуха в наиболее предпочтительном варианте можно использовать для принудительного охлаждения выпускного трубопровода.
Согласно следующему варианту предлагается регулировать количество отводимого с тепловым потоком тепла в зависимости от режима работы ДВС. При этом регулируемой величиной служит тот диапазон температур NOx-накопителя, в пределах которого последний не только надежно адсорбирует NOx, но и работает без повреждений, т.е. без тепловых перегрузок. Регулировать количество отводимого тепла для поддержания температуры NOx-накопителя в рабочем диапазоне, составляющем от примерно 150oС до примерно 500oС, можно при этом известным образом путем определения текущей рабочей температуры с помощью соответствующих термоэлементов, регулируя на основании измеренных этими термоэлементами значений, например, количество охладителя, используемого для отвода тепла. Однако в любом случае следует предотвращать превышение максимальной температуры в 800oС путем увеличения количества отводимого тепла.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения, который может быть также использован независимо от осуществляемого при последующей работе двигателя регулирования температуры NOx-накопителя, предлагается давать двигателю работать в период холодного пуска при коэффициенте избытка воздуха лямбда ≤1 до тех пор, пока NOx-накопитель не достигнет своей минимальной рабочей температуры, равной примерно 150oС. Обусловлено это тем, что пока ДВС работает на богатой или по крайней мере на стехиометрической горючей смеси, в ОГ будет присутствовать достаточное количество несгоревших углеводородов, обеспечивающих быстрое повышение температуры установленного перед NОх-накопителем первого каталитического нейтрализатора до рабочей. В свою очередь быстрое достижение первым каталитическим нейтрализатором рабочей температуры приводит к сравнительно быстрому достижению и NОx-накопителем его минимальной рабочей температуры, составляющей примерно 150oС. При этом NОx-накопитель предпочтительно выполнять с возможностью накопления NОx и окисления несгоревших углеводородов.
Вторым объектом изобретения является система каталитической нейтрализации ОГ для осуществления предлагаемого способа, предназначенная для использования прежде всего в дизельных двигателях или работающих на обедненных смесях двигателях и имеющая соответственно по меньшей мере один установленный в выпускном трубопроводе первый каталитический нейтрализатор и один NОx-накопитель. Согласно изобретению в выпускном трубопроводе перед NOx-накопителем предусмотрен по меньшей мере один теплообменник, с помощью которого отвод тепла осуществляется в зависимости от текущего режима работы ДВС.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения системы предлагается располагать NОx-накопитель между первым каталитическим нейтрализатором и вторым каталитическим нейтрализатором, а теплообменник - между первым каталитическим нейтрализатором и NОx-накопителем. Наличие расположенного между первым каталитическим нейтрализатором и NОx -накопителем теплообменника позволяет, в частности, предотвратить воздействие на NОx-накопитель термической нагрузки, превышающей предельно допустимую температуру примерно в 800oС.
В следующем варианте выполнения системы предлагается предусмотреть между ДВС и первым каталитическим нейтрализатором дополнительный теплообменник. Тем самым обеспечивается более гибкий отвод тепла из системы выпуска ОГ перед NОx-накопителем. В результате в том случае, если между ДВС и каталитическим нейтрализатором, а также между каталитическим нейтрализатором и NОx-накопителем размещено по одному теплообменнику, создаются условия для двухступенчатого отвода тепла. Несколько менее гибкий вариант предусматривает установку лишь одного теплообменника перед NOx-накопителем между ДВС и каталитическим нейтрализатором. Однако в любом случае при использовании подобной конфигурации температура каталитического нейтрализатора может быть снижена настолько, чтобы NOx -накопитель не испытывал термической перегрузки, т. е. чтобы его температура поддерживалась ниже 800oС. При этом, тем не менее, при определенных условиях, прежде всего при работе двигателя с повышенной нагрузкой, невозможно будет более обеспечить достаточную степень окисления всех несгоревших углеводородов, в результате чего может возникнуть необходимость в установке по ходу потока за NOx-накопителем еще одного обладающего соответствующей эффективностью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ОГ.
В следующем варианте выполнения системы предлагается выполнять и первый, и второй каталитические нейтрализаторы в виде трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов ОГ. Кроме того, в предпочтительном варианте возможно также функционально объединить NOx-накопитель со вторым каталитическим нейтрализатором в одном узле. Реализовать это можно, например, нанесением на NОx-накопитель каталитического покрытия, используемого в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах ОГ. В этом случае NOx-накопитель будет, с одной стороны, адсорбировать NOx, а с другой стороны, выполнять функцию катализатора окисления, при этом адсорбированные NOx непосредственно вступают во взаимодействие с углеводородами.
Согласно следующему варианту выполнения системы предпочтительно, чтобы охлаждающая производительность предусмотренного в выпускном трубопроводе теплообменника по отводу тепла составляла от 5 до 50 кВт. Для достижения прежде всего более высоких показателей производительности по отводу тепла необходимы высокоэффективные теплообменники. Поэтому в соответствии с еще одним вариантом предлагается выполнять теплообменник, например, в виде противоточного теплообменника. В предпочтительном варианте такой противоточный теплообменник можно выполнить в виде трубы с двойной стенкой или в виде ребристой трубы. В случае трубы с двойной стенкой внутри нее можно пропускать поток ОГ, а в кожухе, образованном двойной стенкой, противотоком к потоку ОГ можно пропускать охладитель. В предпочтительном варианте охладителем служит вода или воздух, которая, соответственно который протекает по теплообменнику принудительно движущимся потоком. Однако следует отметить, что даже простые ребристые трубы (секции трубопровода) между отдельными компонентами системы или даже эффективно охлаждаемые потоком воздуха при движении автомобиля трубопроводы, имеющие соответствующие размеры, уже сами могут выполнять функции предлагаемых в изобретении теплообменников.
Для принудительного охлаждения выпускного трубопровода наиболее предпочтительно также использовать выходящий из турбокомпрессора воздух.
В типичных случаях использования NOx-накопителя его можно регенерировать путем кратковременного добавления в ОГ углеводородов. Это означает, что накопленные NOx являются источником кислорода для протекающего в NOx-накопителе окисления несгоревших углеводородов, в результате которого из NOx-накопителя выходят азот, вода и СО2. После "удаления" таким путем NOx из NOx-накопителя последний восстанавливает свою первоначальную способность адсорбировать NOx, поступающих с отработавшими газами от двигателя внутреннего сгорания. С той целью, чтобы предусмотренное для регенерации количество углеводородов попадало и в NOx-накопитель, первый каталитический нейтрализатор предпочтительно выполнить с очень низкой способностью накапливать кислород во избежание полного окисления углеводородов уже в нем самом и тем самым во избежание как бы "бесполезного расходования" этих углеводородов.
Другие преимущества, отличительные особенности и возможности применения настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на
прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - первый вариант выполнения предлагаемой в изобретении системы каталитической нейтрализации отработавших газов и
на фиг.2 - второй
вариант выполнения предлагаемой в изобретении системы каталитической нейтрализации отработавших газов.
На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемой в изобретении системы каталитической нейтрализации ОГ. Из двигателя 1 внутреннего сгорания (ДВС) отработавшие газы поступают в выпускной трубопровод 5, в котором установлены первый 2 и второй 6 каталитические нейтрализаторы. Между обоими каталитическими нейтрализаторами 2, 6 расположен NOx-накопитель 4. Между первым каталитическим нейтрализатором 2 и NOx-накопителем 4 в выпускном трубопроводе 5 предусмотрен теплообменник 3. В поступающих от ДВС 1 по выпускному трубопроводу 5 в первый каталитический нейтрализатор 2 отработавших газах после достижения этим первым каталитическим нейтрализатором 2 рабочей температуры, для чего, например, может быть дополнительно предусмотрено нагревательное устройство (не показано), в результате экзотермической реакции происходит окисление несгоревших углеводородов, а также моноксида углерода. В результате такой протекающей в первом каталитическом нейтрализаторе 2 экзотермической реакции отработавшие газы поглощают энергию, за счет чего их температура повышается. При работе двигателя с высокой нагрузкой рабочая температура ОГ на выходе из первого каталитического нейтрализатора 2 составляет примерно 1000oС и выше. Поскольку максимальная температура расположенного в выпускном трубопроводе за первым каталитическим нейтрализатором 2 NOx-накопителя 4 составляет примерно 800oС, а эффективно работать он может при температуре в пределах примерно от 150 до 500oС, поток ОГ с подобной высокой температурой мог бы вызвать преждевременное разрушение или нарушение работы NOx-накопителя 4, вследствие чего из ОГ невозможно было бы удалять вредные для окружающей среды оксиды азота (NOx). По этой причине между первым каталитическим нейтрализатором 2 и NOx -накопителем 4 предусмотрен теплообменник 3, который прежде всего при работе двигателя с высокой нагрузкой позволяет отводить в виде теплового потока W тепло в количестве, зависящем от нагрузки. В принципе подобный теплообменник можно было бы установить уже перед первым каталитическим нейтрализатором 2, если только это никак отрицательно не скажется на характеристиках всей системы в период пуска холодного двигателя.
В зависимости от высвобождаемой в первом каталитическом нейтрализаторе 2 в результате экзотермической реакции и содержащейся в потоке ОГ тепловой энергии, а тем самым и в зависимости от температуры потока ОГ на выходе из первого каталитического нейтрализатора 2 происходит регулируемый отвод тепла в виде теплового потока W, что обеспечивает поддержание температуры NOx-накопителя в требуемом диапазоне. Отбираемая от потока ОГ тепловая энергия может использоваться в автотранспортном средстве для обогрева или в иных целях. Поскольку при соответствующих высоких рабочих температурах в первом каталитическом нейтрализаторе 2 уже происходит окисление сравнительно высокой процентной доли содержащихся в потоке ОГ несгоревших углеводородов, а также моноксида углерода, количества несгоревших углеводородов уже, как правило, не достаточно для последующей реакции с накопленными в NOx-накопителе 4 оксидами азота (NOx). Поэтому через определенные интервалы, а именно, в зависимости от режима работы, в выпускной трубопровод 5 необходимо дополнительно подавать некоторое количество несгоревших углеводородов, впрыскивая их в точке перед NOx-накопителем 4. Для достижения по возможности полной нейтрализации ОГ при любых режимах работы за NOx-накопителем 4 необходимо предусмотреть также второй каталитический нейтрализатор 6, в котором происходит окисление дополнительно введенного количества несгоревших углеводородов и из которого тем самым выходит поток практически полностью очищенных ОГ.
На фиг.2 показан еще один вариант выполнения предлагаемой в изобретении системы каталитической нейтрализации О Г. В этой системе поток ОГ из ДВС 1 поступает в выпускной трубопровод 5, в котором предусмотрены два теплообменника 3, 8, первый каталитический нейтрализатор 2 и NOx-накопитель 7 с каталитическим покрытием, используемым в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах. Аналогично варианту по фиг.1 и в этом случае первый теплообменник 3 расположен между каталитическим нейтрализатором 2 и NOx-накопителем 7. Этот теплообменник 3 позволяет отбирать от потока О Г некоторое количество тепла и отводить его в виде теплового потока W2 в зависимости от текущей рабочей нагрузки, соответственно от текущего режима работы ДВС 1. Между ДВС 1 и каталитическим нейтрализатором 2 дополнительно предусмотрен еще один теплообменник 8, позволяющий отбирать от потока ОГ дополнительное количество тепла и отводить его в виде теплового потока W1. Однако при такой компоновке происходит снижение температуры на входе в каталитический нейтрализатор 2, что при определенных условиях приводит также к замедлению протекающей в нем экзотермической реакции. В результате температура ОГ на выходе из каталитического нейтрализатора 2 ниже, чем в системе по фиг. 1. Поэтому при работе обоих теплообменников 3, 8 отводимое теплообменником 3 в виде теплового потока W2 количество тепла меньше, чем в варианте по фиг.1. Однако в любом случае теплообменники 3, 8 служат для снижения максимальной температуры ОГ на входе в NOx-накопитель 7, обеспечивая поддержание в нем температуры в заданном диапазоне.
Поскольку при более медленном протекании экзотермической реакции в каталитическом нейтрализаторе 2 несгоревшие углеводороды при определенных условиях могут не полностью прореагировать с NOx, накопленными в NOx-накопителе 7, и выходить из этого NOx-накопителя 7 несгоревшими, NOx-накопитель 7 функционально выполнен в виде единого узла, снабженного каталитическим покрытием, используемым в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах ОГ. Такое каталитическое покрытие обеспечивает выполнение функции основного каталитического нейтрализатора 6 по фиг.1 с одновременным достижением дополнительного преимущества, состоящего в уменьшении количества отдельных деталей, которые требуется использовать в системе каталитической нейтрализации ОГ.
Наличие двух теплообменников 3, 8 значительно расширяет возможности гибкого согласования количества отводимого тепла в зависимости от текущего режима работы ДВС по сравнению с вариантом по фиг.1, в котором предусмотрен только один теплообменник 3.
Как показано на фиг.2, в выпускном трубопроводе 5 за ДВС 1 может быть предусмотрен также турбокомпрессор 9, работающий на ОГ. Этот турбокомпрессор 9 приводится в действие потоком ОГ, в результате чего в нем происходит сжатие окружающего воздуха, который подается в ДВС 1. Избыток воздуха при этом обычно выпускается наружу, благодаря чему его согласно изобретению можно использовать предпочтительно для принудительного охлаждения выпускного трубопровода 5, пропуская, например, противотоком в дополнительном теплообменнике 8.
В целом настоящее изобретение позволяет простым и эффективным путем поддерживать в заданном диапазоне температуру в NOx-накопителе системы выпуска ОГ, обеспечивая тем самым высокое качество каталитической нейтрализации ОГ при различных режимах работы ДВС.
Реферат
В изобретении описаны способ и устройство для регулирования температуры NОx-накопителя при каталитической нейтрализации отработавших газов (ОГ) ДВС, которые могут использоваться прежде всего в дизельных двигателях или работающих на обедненных смесях двигателях и в которых от потока ОГ в зависимости от режима работы двигателя в точке, расположенной перед предусмотренным в выпускном трубопроводе NОx-накопителем, отбирают такое количество отводимого в виде теплового потока (W1,W2) тепла, чтобы температура NОx-накопителя не превышала максимально допустимой температуры и прежде всего поддерживалась в заданном диапазоне. Для быстрого повышения температуры NОx -накопителя до минимальной рабочей ДВС работает при коэффициенте избытка воздуха лямбда ≤1 по меньшей мере до тех пор, пока не будет достигнута эта минимальная рабочая температура. Устройство содержит по меньшей мере один каталитический нейтрализатор, NОx-накопитель, перед NОx-накопителем в выпускном трубопроводе предусмотрен по меньшей мере один теплообменник. Изобретение позволяет по возможности максимально полно удалять такие компоненты ОГ, как несгоревшие углеводороды, моноксид углерода и оксиды азота. 3 с. и 22 з.п. ф-лы, 2 ил.
