СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШЕМ ГАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B01D53/94 F01N3/20 

Изобретение относится к способу для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, при котором отработавший газ, а также распыленный в нем посредством сжатого воздуха реактив подводят к катализатору. Кроме того, изобретение относится к устройству для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания с катализатором, к которому подводят отработавший газ, а также подлежащий распылению в отработавшем газе посредством сжатого воздуха реактив, а также с распылительным устройством для распыления реактива.

Для уменьшения содержания в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания вредных веществ, в частности окислов азота, хорошо зарекомендовал себя принцип регулируемого или управляемого дизельного катализатора (РДК). Этот принцип используется прежде всего в двигателях внутреннего сгорания, которые эксплуатируются с избытком воздуха, как например в дизельных двигателях и двигателях, работающих на обедненных смесях. Этот в основном основанный на способе селективного каталитического восстановления (СКВ) принцип известен между тем из многочисленных публикаций, например из DE 4310926 A1, DE 4315278 A1 и EP 0617199 B1. В способе СКВ окислы азота вместе с аммиаком приводят в контакт на селективном катализаторе и там преобразуют в азот и воду.

Вследствие связанных с использованием аммиака проблем, а именно токсичности и возможного мешающего запаха, аммиак, как таковой, не должен иметься в снабженном системой РДК двигателе внутреннего сгорания. Необходимый для каталитического разложения окислов азота реактив поэтому возят в транспортном сродстве в виде водного раствора мочевины или тому подобного. Из этого водного раствора за счет гидролиза получают аммиак в количестве, соответственно необходимом для разложения получающихся окислов азота. В случае стационарной установки нейтрализации дымовых газов, например в пути отработавшего газа электростанции, можно использовать чистый аммиак или аммиачную воду.

Согласно DE 4417238 A1 предусмотрено направлять трубопровод отработавшего газа дизельного двигателя грузового автомобиля непосредственно сбоку к цилиндрической входной камере, в которой расположен сформованный в воронку перфорированный лист. В самом узком месте воронки предусмотрен клапан, через который водный раствор мочевины распыляют через форсунку во внутреннее пространство воронки. Таким образом достигается однородное распределение водного раствора мочевины в отработавшем газе по всему поперечному сечению входной камеры. К входной камере примыкают гидролизный катализатор, DeNO_x-катализатор и при необходимости окислительный катализатор.

От этого отличается раствор, описанный в EP 0586913 A2. Для достижения достаточного образования тумана подлежащей распылению среды, то есть водного раствора мочевины, перед введением в поток отработавшего газа с вредными веществами предусмотрено смесительное устройство или камера предварительного смешивания. В эту камеру предварительного смешивания вводят среду и сжатый газ, например воздух, для тщательного перемешивания друг с другом, то есть для образования дисперсии. Камера предварительного смешивания соединена через смесительную трубу или трубопровод с распылительной форсункой, которая расположена со своей стороны в потоке отработавшего газа. С этим предварительным смешиванием и распылением удается довольно хорошо распределять водный раствор в потоке отработавшего газа. Применение сжатого воздуха при этом обуславливает также охлаждение находящейся в горячем потоке отработавшего газа распылительной форсунки.

Необходимый для ввода через форсунку и распыления сжатый воздух обычно получают в специальном нагнетателе, который должен быть предоставлен в распоряжение особо. Это связано с расходами.

Задачей изобретения поэтому является создание способа и устройства для нейтрализации отработавшего газа выше названного вида, которые обходятся без специального нагнетателя для ввода сжатого воздуха.

Относительно способа эта задача решается согласно изобретения за счет способа для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, при котором отработавший газ, а также распыляемый в нем посредством сжатого воздуха реактив, подводят к катализатору и при котором двигатель внутреннего сгорания нагружают нагнетаемым нагнетателем воздухом и часть нагнетаемого воздуха ответвляют и используют в качестве сжатого воздуха для распыления реактива форсункой.

Это можно выразить также следующим образом: способ отличается тем, что в случае двигателя внутреннего сгорания с наддувом, необходимый для распыления реактива форсункой сжатый воздух ответвляют от нагнетаемого воздуха, который подводится к двигателю внутреннего сгорания. При этом может идти речь о наддуве посредством механического нагнетателя любого выполнения, например приводимого в действие через передачу, клиновой ремень или иным образом.

Предпочтительно нагнетатель приводится в действие от нагруженной отработавшим газом турбины, причем нагнетатель и турбина образуют турбонагнетатель отработавшего газа.

В качестве также предпочтительной альтернативы для только что описанного выполнения нагнетатель приводится в действие непосредственно от двигателя внутреннего сгорания, то есть нагнетатель является "компрессором" в обычном смысле слова, употребляемом в автомобильной технике.

Реактив предпочтительно однородно распределяют в отработавшем газе до того, как отработавший газ достигнет катализатора; таким образом может достигаться полная реакция обмена реактива с содержащимися в отработавшем газе окислами азота и избегается выделение реактива или возникших из него продуктов обмена в окружающее пространство.

Также предпочтительно реактив содержит вещество, которое после примешивания в отработавший газ разлагается с образованием аммиака, причем аммиак приводится к реакции с окислами азота на катализаторе. Таким веществом является, например мочевина. Мочевина, в отличие от аммиака не является токсичной или как-то иначе неприятной и ее можно без проблем, в частности без особых мер предосторожности, возить в транспортном средстве в виде водного раствора.

Относительно устройства эта задача решается согласно изобретения за счет устройства для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания с катализатором, к которому подводят отработавший газ, а также подлежащий распылению в отработавшем газе посредством сжатого воздуха реактив, а также с распылительным устройством для распыления реактива, причем
a) двигателю внутреннего сгорания придан в соответствие нагнетатель для создания и подачи нагнетаемого воздуха, причем между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания расположено ответвление, через которое может ответвляться часть нагнетаемого воздуха, и
b) ответвление соединено с распылительным устройством так, что ответвленная часть нагнетаемого воздуха может служить в качестве сжатого воздуха для распыления реактива.

Существенные преимущества этого устройства выявляются из пояснений относительно способа согласно изобретения и последующего описания предпочтительных примеров выполнения, на которые здесь делается ссылка.

Предпочтительно ответвление расположено в ведущем от нагнетателя к двигателю внутреннего сгорания нагнетательном трубопроводе непосредственно на двигателе внутреннего сгорания.

Нагнетатель относится, в частности к турбонагнетателю отработавшего газа, который дополнительно к нагнетателю содержит турбину, нагружаемую отработавшим газом двигателя внутреннего сгорания, или нагнетатель связан через механический привод с двигателем внутреннего сгорания.

Кроме того, между нагнетателем и двигателем внутреннего сгорания предпочтительно предусмотрен охладитель наддувочного воздуха для охлаждения нагнетаемого воздуха, а ответвление расположено между охладителем наддувочного воздуха и двигателем внутреннего сгорания. За счет этого в распоряжение для распыления реактива предоставляется воздух, который уже прошел охлаждение в охладителе наддувочного воздуха. За счет этого можно, в частности, исключить, что в распылительном устройстве или даже уже перед распылительным устройством могло произойти нежелательное разложение реактива. Это имеет особенное значение, если в качестве реактива используют мочевину.

Катализатор в устройстве предпочтительно выполнен для осуществления селективного катализа реакции между окислами азота и восстановителем, в частности аммиаком, причем восстановителем является или сам многократно упомянутый выше реактив или продукт разложения этого реактива.

Примеры выполнения изобретения поясняются ниже более подробно с помощью двух фигур. Для одинаковых деталей используются одинаковые ссылочные позиции.

Фиг. 1 - устройство нейтрализации отработавшего газа в связи с двигателем внутреннего сгорания с турбонагнетателем отработавшего газа;
Фиг. 2 - устройство нейтрализации отработавшего газа в связи с двигателем внутреннего сгорания с механическим нагнетателем и;
Фиг. 3 - устройство нейтрализации отработавшего газа в связи с двигателем внутреннего сгорания с турбонагнетателем отработавшего газа и регулятором давления наддува.

Согласно фиг. 1 и фиг.3, которая по многим признакам совпадает с фиг.1, двигатель внутреннего сгорания 2, например дизельный двигатель, снабжен турбонагнетателем отработавшего газа 4. Двигатель внутреннего сгорания 2, который питается топливом f, приводит в действие потребителя 6, например транспортное средство или стационарную машину. Турбонагнетатель отработавшего газа 4 содержит нагнетатель 8 и турбину 10, которые связаны между собой посредством вала 12. Двигатель внутреннего сгорания 2 содержит входной резервуар 14, который может быть выполнен, в частности в виде охладителя наддувочного воздуха, и выходной резервуар 16. Устройство нейтрализации отработавшего газа 20, которое содержит (не показанный детально) СКВ-катализатор 21 и распылительное устройство 22, служит для нейтрализации отработавшего газа а, который выделяется при работе двигателя внутреннего сгорания 2 (DeNO_x-нейтрализация).

Засасываемый нагнетателем 8 при работе воздух 1 выдается в качестве нагнетаемого воздуха 1' и подводится через входной резервуар 14 к двигателю внутреннего сгорания 2. Возникающий там отработавший газ а попадает через выходной резервуар 16 в турбину 10, которая служит для привода нагнетателя 8. Выделяемый турбиной 10 отработавший газ а с целью DeNO_x-нейтрализации по способу СКВ подводится к устройству нейтрализации отработавшего газа 20. К нему наряду с подлежащим нейтрализации отработавшим газом а подводят также распыленный посредством сжатого воздуха d в распылительном устройстве 22 реактив r, в частности в данном случае водный раствор мочевины. Очищенный (нейтрализованный) отработавший газ а выпускается через выпуск 23, например выхлоп.

Важным является, что в данном случае часть нагнетаемого уже так или иначе имеющимся нагнетателем 8 воздуха 1' ответвляют в нагнетательный трубопровод 24, а именно на выходе входного резервуара 14, ответвляют посредством ответвления 26, направляют через трубопровод 28 в качестве сжатого воздуха d к распылительному устройству 22 и таким образом используют для распыления форсункой реактива r. Специальный нагнетатель для распыления форсункой реактива r поэтому является не нужным. Ответвление 26 здесь расположено непосредственно на входе нагнетательного трубопровода 24 на двигателе внутреннего сгорания 2.

В примере выполнения согласно фиг.2 вместо турбонагнетателя отработавшего газа 4 предусмотрен механический нагнетатель 30. Он содержит наряду с нагнетателем 8 передачу или коробку передач 32 с тем, чтобы привлекать выделяемую двигателем 2 энергию для привода нагнетателя 8. Дополнительный привод является в основном идентичным с таковым с фиг.1 так, что можно отказаться от повторного пояснения. Также и здесь предусмотрено ответвление 26 между нагнетателем 8, а именно после охладителя наддувочного воздуха 14 и наддуваемым двигателем внутреннего сгорания 2. Через ответвление 26 и здесь ответвляется часть нагнетаемого нагнетателем 8 воздуха 1'. Также и здесь ответвление 26 связано через трубопровод 28 с распылительным устройством 22 таким образом, что ответвленная часть нагнетаемого воздуха 1' в качестве сжатого воздуха d служит для распыления форсункой реактива r. Также и здесь специальный нагнетатель не требуется; вместо этого прибегают к необходимому для наддува и поэтому так или иначе имеющемуся нагнетателю 8.

Пример выполнения согласно фиг.3 содержит также двигатель внутреннего сгорания 2, который наддувается через турбонагнетатель отработавшего газа 4 с нагнетателем 8 и турбиной 10 компримированным воздухом 1' и отработавший газ а которого также после турбины 10 попадает в устройство нейтрализации отработавшего газа 20. При этом конструкция и способ работы в основном соответствуют примеру выполнения согласно фиг.1; пояснения к фиг.1 поэтому по смыслу являются применимыми к фиг.3. В качестве особенности фиг.3 показывает регулятор давления наддува 40, который используется для ограничения давления, с которым нагнетаемый воздух 1' нагружает двигатель внутреннего сгорания 2. Применение такого регулятора давления наддува 40 является широко распространенным для двигателей внутреннего сгорания 2 в транспортных средствах, в частности в таких двигателях внутреннего сгорания 2, которые должны работать с многократно меняющимися нагрузками. В простейшем случае регулятор давления наддува 40 состоит из нагруженного пружиной клапана, как это также показано на фиг. 3, и снабжен продувочным трубопроводом 41, через который избыточный воздух подводят к отработавшему газу а после турбины 10. Чтобы иметь в распоряжении для распылительного устройства 22 в устройстве нейтрализации отработавшего газа 20 сжатый воздух с возможно высоким давлением, ответвление 26 предусмотрено между нагнетателем 8 и регулятором давления наддува 40. Для подлежащей подведению к распылительному устройству 22 части нагнетаемого воздуха регулятор давления наддува 40 таким образом остается бездействующим и ответвленная часть нагнетаемого воздуха находится в основном под тем давлением, с которым она поставляется нагнетателем 8. Применение регулятора давления наддува 40 впрочем не ограничивается применением в связи с турбонагнетателем отработавшего газа 4; регулятор давления наддува 40 может разумеется использоваться в связи с приводимым непосредственно от двигателя внутреннего сгорания 2 нагнетателем 8, как можно видеть из фиг.2.

В качестве дополнительной особенности на фиг.3 показан регулятор давления 50 в трубопроводе 28, который ведет от ответвления 26 к устройству нейтрализации отработавшего газа 20. Также и этот регулятор давления 50 имеет продувочный трубопровод 51, который подводит продуваемый воздух к отработавшему газу а после турбины 10. Регулятор давления 50 позволяет производить автономное регулирование давления, с которым ответвленная часть нагнетаемого воздуха 1' попадает к распылительному устройству 22 и таким образом может способствовать стабильной работе распылительного устройства 22. Следует заметить, что использование продувочных трубопроводов 41 и 51, как это представлено на фиг. 3, вовсе не является обязательным; принцип действия регуляторов давления 40 и 50 может быть предусмотрен любым возможным образом. В другом осуществлении примера выполнения согласно фиг.3 может быть, например предусмотрен охладитель наддувочного воздуха 14, как предусмотрено в примерах выполнения согласно фиг.1 и 2. Он тогда должен бы быть расположен между нагнетателем 8 и ответвлением 26; другое расположение разумеется также не исключено.

Изобретение преимуществленным образом комбинирует устройство нейтрализации отработавшего газа с нагнетателем для сжатия воздуха подлежащего подведению к двигателю внутреннего сгорания. Оно требует лишь небольших затрат, причем оно гарантирует эффективное устранение окислов азота из отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к способу и устройству для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, при котором отработавший газ, а также распыленный в нем посредством сжатого воздуха реактив подводят к катализатору. Двигатель внутреннего сгорания снабжен нагнетателем для подвода воздуха в двигатель, имеющим ответвление, по которому часть сжатого воздуха подают в форсунку для распыления реактива. Распыленный реактив вместе с подлежащим нейтрализации отработавшим газом подводят к катализатору, который служит для уменьшения содержания окислов азота, в частности по способу селективной каталитической реакции. Изобретение позволяет сократить расходы на установку специального нагнетателя для подачи сжатого воздуха в форсунку. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе (а) двигателя внутреннего сгорания (2), при котором отработанный газ (а), а также распыленный в нем посредством сжатого воздуха (d) реактив (r) подводят к катализатору (21), отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания (2) нагружают нагнетаемым нагнетателем воздухом (1') и часть нагнетаемого воздуха (1') ответвляют и направляют в качестве сжатого воздуха (d) для распыления форсункой реактива (r). 2. Способ по п.1, при котором нагнетатель (8) приводят в действие турбиной (10), нагруженной отработавшим газом (а). 3. Способ по п.1, при котором нагнетатель (8) приводят в действие непосредственно двигателем внутреннего сгорания (2). 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором реактив (r) однородно распределяют в отработавшем газе (а) до того как отработавший газ (а) достигнет катализатора (21). 5. Способ по п.4, при котором реактив (r) содержит вещество, которое после примешивания реактива (r) к отработавшему газу (а) разлагается с образованием аммиака, причем аммиак приводят к реакции с окислами азота на катализаторе (21). 6. Устройство для уменьшения содержания окислов азота в отработавшем газе (а) двигателя внутреннего сгорания (2), с катализатором (21), к которому подводят отработавший газ (а), а также подлежащий распылению в отработавшем газе (а) посредством сжатого воздуха (d) реактив (r), а также с распылительным устройством (22) для распыления реактива (r), отличающееся тем, что а) двигателю внутреннего сгорания (2) придан в соответствие нагнетатель (8) для создания и подачи нагнетаемого воздуха (1'), причем между нагнетателем (8) и двигателем внутреннего сгорания (2) расположено ответвление (26), через которое может ответвляться часть нагнетаемого воздуха (1'), и b) ответвление (26) соединено с распылительным устройством (22) так, что ответвленная часть нагнетаемого воздуха (1') служит в качестве сжатого воздуха (d) для распыления реактива (r). 7. Устройство по п. 6, при котором ведущий от нагнетателя трубопровод (24) расположен непосредственно на двигателе внутреннего сгорания (2). 8. Устройство по п.6 или 7, при котором нагнетатель (8) относится к турбонагнетателю отходящего газа (4). 9. Устройство по п. 6 или 7, при котором нагнетатель (8) соединен с двигателем внутреннего сгорания (2) через механический привод (30). 10. Устройство по любому из пп.6 - 9, при котором между нагнетателем (8) и двигателем внутреннего сгорания (2) предусмотрен охладитель наддувочного воздуха (14) для охлаждения нагнетаемого воздуха (1') и ответвление (26) расположено между охладителем наддувочного воздуха (14) и двигателем внутреннего сгорания (2). 11. Устройство по любому из пп.6 - 10, при котором катализатор (21) выполнен для селективного катализа реакции между окислами азота и восстановителем, в частности аммиаком.