УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F01N3/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Из уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с размещением в выхлопном канале двигателя катализатора для накапливания окислов азота NO_x, содержащихся в выхлопном газе, когда соотношение воздух-топливо во втекающем выхлопном газе соответствует обедненной топливовоздушной смеси, и освобождает накопленные NO_x, когда соотношение воздух-топливо во втекающем выхлопном газе соответствует стехиометрическому соотношению или обогащенной смеси, при этом в выхлопном канале двигателя выше по потоку от указанного катализатора, накапливающего NO_x, размещен компактный трехкомпонентный катализатор (см., например, публикацию патента Японии №2004-108176). В таком двигателе внутреннего сгорания в том случае, если способность катализатора для накапливания NO_x к накапливанию NO_x достигает насыщения, временно обеспечивают обогащенную смесь воздуха и топлива, в результате чего окислы NO_x освобождаются из катализатора накапливания NO_x и восстанавливаются.

Однако существует проблема, которая заключается в том, что в известном двигателе внутреннего сгорания при осуществлении процесса освобождения катализатора для накапливания NO_x от NO_x посредством подачи тонко распыленного топлива выше по потоку от места размещения катализатора накапливания NO_x окислы NO_x, освобожденные из катализатора накапливания NO_x, не могут быть надлежащим образом восстановлены.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании устройства для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, способного достаточно хорошо восстанавливать окислы NOx, освобожденные из катализатора для их накапливания, при побуждении катализатора накапливания NOx освобождать NOx посредством подачи тонко распыленного топлива выше по потоку от места размещения катализатора накапливания NOx.

Поставленная задача решена посредством устройства для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, содержащего катализатор для очистки выхлопного газа от NO_x, размещенный в выхлопном канале двигателя; катализатор, производящий промежуточный продукт и способный накапливать NO_x, содержащиеся в выхлопных газах, размещенный в выхлопном канале двигателя выше по потоку от указанного катализатора для очистки от NO_x; клапан подачи топлива, установленный в выхлопном канале двигателя выше по потоку от катализатора, производящего промежуточный продукт, предназначенный для подачи тонко распыленного топлива из указанного клапана подачи топлива в катализатор, производящий промежуточный продукт; при этом каждый из промежуточных продуктов включает имеющие связи молекулы, образованные из одной молекулы NO_x и молекул углеводородов в более чем эквивалентном соотношении по отношению к молекуле NO_x, и получен из NO_x, захваченных в катализатор, производящий промежуточный продукт, или из NO_x, содержащихся в выхлопных газах и подведенном топливе, причем промежуточные продукты, полученные в катализаторе, производящем промежуточный продукт, направляют в катализатор для очистки от NO_x и обезвреживают в катализаторе для очистки от NO_x.

В настоящем изобретении за счет получения исключительно химически активного промежуточного продукта, включающего указанным образом связанные молекулы агента окисления и агента восстановления, достигается легкая очистка от HC и NO_x в катализаторе для очистки от NO_x.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - общий вид двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия;

фиг.2 - вид в поперечном сечении поверхностной части носителя катализатора для катализатора накапливания NO_x;

фиг.3 - общий вид, иллюстрирующий другой вариант выполнения части двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия;

фиг.4 - вид в увеличении окружения компактного катализатора, соответствующего фиг.1;

фиг.5 - вид, отображающий различные модификации.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Позицией 1 на фиг.1 обозначен корпус двигателя, позицией 2 - камера сгорания каждого из цилиндров, 3 - топливная форсунка с электронным управлением, предназначенная для инжектирования топлива в каждую камеру 2 сгорания, 4 - впускной коллектор и 5 - выпускной коллектор. Впускной коллектор 4 соединен через впускной трубопровод 6 с выходом компрессора 7a турбонагнетателя 7, приводимого в действие от выхлопной системы двигателя, в то время как вход компрессора 7а соединен через детектор 8 всасываемого воздуха, определяющий количество всасываемого воздуха, с воздушным фильтром 9. Внутри впускного трубопровода 6 установлен клапан 10 регулятора, приводимый в действие шаговым двигателем. Кроме того, вокруг впускного трубопровода 6 установлено охлаждающее устройство 11 для охлаждения всасываемого воздуха, протекающего внутри впускного трубопровода 6. В варианте выполнения, показанном на фиг.1, охлаждающую воду двигателя направляют в охлаждающее устройство 11, в котором воду, охлаждающую двигатель, используют для охлаждения всасываемого воздуха.

В то же время выпускной коллектор 5 соединен с выходом турбины 7b турбонагнетателя 7, выполненного с приводом от выхлопной системы двигателя. Выход турбины 7b, работающей на выхлопных газах, соединен со входом катализатора 12, производящего промежуточные продукты, способного накапливать NO_x, содержащиеся в выхлопном газе. Выход катализатора 12 для производства промежуточных продуктов соединен через выхлопную трубу 13 с катализатором 14 очистки выхлопного газа. Кроме того, внутри выпускного коллектора 5 установлен клапан 15 подачи топлива, предназначенный для подачи топлива в выхлопной газ, протекающий внутри коллектора 5.

Выпускной коллектор 5 и впускной коллектор 4 соединены между собой через канал 16 рециркуляции выхлопного газа (далее - РВГ). Внутри канала 16 РВГ размещен клапан регулирования РВГ с электронным управлением. Кроме того, вокруг канала 16 РВГ смонтировано охлаждающее устройство 18, предназначенное для охлаждения направляемого на рециркуляцию выхлопного газа, протекающего через канал 16 РВГ. В варианте выполнения, показанном на фиг.1, воду для охлаждения двигателя направляют в охлаждающее устройство 18, где направляемый на рециркуляцию выхлопной газ охлаждается водой, используемой для охлаждения двигателя. В то же время каждая топливная форсунка 3 соединена через трубу 19 топливоподачи с общей топливной рампой 20. Эта топливная рампа 20 снабжается топливом от топливного насоса 21 с регулируемой подачей топлива и электронным управлением. Топливо, поступающее в указанную топливную рампу 20, через топливный трубопровод 19 поступает в каждую топливную форсунку 3.

В соответствии с настоящим изобретением катализатор 12, производящий промежуточный продукт, образован катализатором, выполняющим функцию улавливания NO_x, содержащихся в выхлопном газе. Катализатор 12, производящий промежуточный продукт, удерживается на носителе катализатора, включающем, например, оксид алюминия. Окислы азота NO_x, содержащиеся в выхлопных газах, захватываются на поверхность носителя катализатора. В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения в качестве катализатора 12, производящего промежуточный продукт, используется катализатор для накапливания NO_x, способный улавливать NO_x, содержащиеся в выхлопном газе. Кроме того, в качестве катализатора 14 очистки выхлопного газа от NO_x также используется катализатор для накапливания NO_x. Поэтому, прежде всего, будет описан катализатор для накапливания NO_x.

Катализатор для накапливания NO_x, например, состоит из подложки, на которой размещен носитель катализатора, выполненный из оксида алюминия. Фиг.2А и 2В иллюстрируют поперечные сечения части поверхности этого носителя 30 катализатора. Как показано на фиг.2А и 2В, носитель 30 катализатора удерживает на себе катализатор 31 из драгоценного металла, напыленного на поверхность носителя. Кроме того, поверхность носителя 30 катализатора покрыта слоем абсорбента для окислов NO_x.

В варианте выполнения, соответствующем настоящему изобретению, в качестве катализатора 31 из драгоценного металла используют платину Pt. Ингредиентом, образующим абсорбент 32 для NO_x, служит, например, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей калий К, натрий Na, цезий Cs, и другие, такие как щелочные металлы, барий Ba, кальций Ca, и другие, такие как щелочноземельные металлы, лантан La, иттрий Y, и другие щелочноземельные металлы.

Если соотношение воздух-топливо (углеводороды) в топливовоздушной смеси, поступающей во впускной канал двигателя, камеры 2 сгорания и выпускной канал выше по потоку от места размещения катализатора для накапливания NO_x, определяют как "соотношение воздух-топливо для выхлопного газа", в этом случае абсорбцию NO_x и процесс освобождения осуществляют таким образом, что абсорбент 32 окислов NO_x абсорбирует NO_x, когда соотношение воздух-топливо в выхлопном газе соответствует бедной смеси, и освобождает абсорбированный NO_x, когда концентрация кислорода в выхлопном газе падает.

В этой связи для примера можно привести случай использования бария Ba в качестве ингредиента, образующего абсорбент 32 для NO_x, когда соотношение воздух-топливо в выхлопном газе соответствует бедной смеси, то есть концентрация кислорода в выхлопном газе является высокой, при этом окисел NO, содержащийся в выхлопном газе, как показано на фиг.2А, окисляется на платине Pt 31 с превращением в NO₂, затем абсорбируется в абсорбенте 32 для NO_x и соединяется с карбонатом бария BaCO₃, диффундируя, между тем, в виде ионов нитрата в абсорбент 32 для NO_x. Таким образом NO_x абсорбируется в абсорбент 32 для NO_x. До тех пор, пока концентрация кислорода в выхлопном газе высокая, на платине Pt 31 образуется NO₂. До тех пор, пока абсорбционная способность абсорбента 32 для NO_x не достигает состояния насыщения, NO₂ абсорбируется абсорбентом 32 для NO_x, и образуются ионы нитрата .

В противоположность этому примеру, если соотношение воздух-топливо в выхлопном газе установлено соответствующим обогащенной смеси или реализуется стехиометрическое соотношение воздух-топливо, концентрация кислорода в выхлопном газе падает. Поэтому реакция протекает в обратном направлении и, следовательно, ионы нитрата освобождаются из абсорбента 32 для NO_x в виде NO₂ или NO. Далее, освобожденная NO_x восстанавливается с помощью несгоревших HC и CO, содержащихся в выхлопном газе.

Таким образом, если соотношение воздух-топливо в выхлопном газе такое, что смесь обедненная, то есть в случае сжигания топлива при соотношении воздух-топливо, соответствующем обедненной смеси, содержащиеся в выхлопном газе NO_x захватываются и абсорбируются в абсорбенте 32 для NO_x. Однако когда топливо продолжают сжигать при указанном соотношении воздух-топливо, абсорбент 32 для NO_x в конце достигает состояния насыщения по способности к абсорбции NO_x, и, следовательно, абсорбент 32 для NO_x истощается и становится неспособным абсорбировать NO_x. Таким образом, в этом воплощении настоящего изобретения, прежде чем абсорбент 32 для NO_x достигнет абсорбционной способности насыщения, топливо подают через клапан 15 подачи топлива с получением промежуточных продуктов в катализаторе 12, производящем промежуточный продукт, представляющем собой катализатор для накапливания NO_x. Производство этого промежуточного продукта позволяет надежно очищать окислы NO_x. Этот процесс будет рассмотрен ниже.

В рассматриваемом варианте выполнения настоящего изобретения легкое топливо или тяжелое топливо, содержащее легкое топливо в качестве основного ингредиента, подают в тонко распыленном состоянии, а именно в виде мелких частиц, из клапана 15 подачи топлива. Часть подводимого топлива окисляется, но большая его часть прилипает к поверхности платины Pt 31 и к поверхности абсорбента 32 для NO_x, как это показано на фиг.2В. Если подводимое топливо прилипает к поверхности платины Pt 31, концентрация кислорода на поверхности платины Pt 31 падает, что приводит к тому, что из абсорбента 32 для NOx освобождается в виде NO₂ или NO, как это показано на фиг.2В.

Если NO₂ освобождается в том случае, когда на платине Pt 31 находятся прилипшие к ней углеводороды HC, освобожденная NO₂ реагирует непосредственно с этими углеводородами HC. В результате, как показано на фиг.2В, производится промежуточный продукт 33, включающий углеводороды HC и NO₂, то есть соединенные молекулы углеводородов HC и NO_x. Следует отметить, что количество атомов углерода в углеводороде HC, содержащемся в подводимом топливе, достаточно велико. Соответственно в катализаторе 12, производящем промежуточные продукты, каждый из промежуточных продуктов, включающих имеющие связи молекулы, образованные из одной молекулы NO_x и молекул углеводородов в более чем эквивалентном соотношении по отношению к молекуле NO_x, произведен из накопленного NO_x и подведенного топлива.

Промежуточные продукты, произведенные в катализаторе 12, производящем промежуточные продукты, поступают в катализатор 14 очистки от NO_x. Этот промежуточный продукт образован из связанных молекул агента восстановления, т.е. углеводорода HC, и агента восстановления, т.е. NO_x, и, следовательно, он является исключительно легко химически реагирующим продуктом.

Соответственно, если промежуточный продукт направляют в катализатор 14 для очистки от NO_x, углеводороды HC и окислы NO_x в связанных молекулах непосредственно реагируют, и в результате NO_x восстанавливается до N₂. Углеводороды HC, находящиеся в количестве избыточном для восстановления NO_x, реагируют с кислородом и больше не существуют. То есть NO_x в катализаторе 14 очистки NO_x хорошо обезвреживается.

С другой стороны, катализатор 14 для очистки от NO_x накапливает NO_x, которые не могли быть накоплены в катализаторе 12, производящем промежуточные продукты, когда соотношение воздух-топливо в выхлопном газе соответствует обедненной смеси. Освобождению окислов NO_x из катализатора 14 очистки от NO_x и восстанавливающему действию освобожденного NO_x способствует теплота реакции промежуточных продуктов, подводимых из катализатора 12, производящего промежуточный продукт.

На фиг.3 представлен другой вариант выполнения катализатора 12, производящего промежуточные продукты. Как показано на фиг.3, катализатор 12, производящий промежуточные продукты, размещен внутри выхлопного канала двигателя выше по потоку от катализатора 14 очистки от NO_x, т.е. размещен в выхлопной трубе 13. Как показано на фиг.3, катализатор 12, производящий промежуточные продукты, представляет собой компактный катализатор, имеющий объем меньший, чем объем катализатора 14 очистки от NO_x, и через этот компактный катализатор протекает некоторая часть выхлопного газа, втекающего в катализатор 14 очистки от NO_x. Внутри выхлопного канала двигателя выше по потоку от компактного катализатора 12, то есть внутри выхлопной трубы 13, установлен клапан 15 подачи топлива, предназначенный для подачи топлива в компактный катализатор 12.

На фиг.4А представлено увеличенное изображение элементов, расположенных вокруг компактного катализатора 12, показанного на фиг.3, при этом как на фиг.4В показано поперечное сечение по линии В-В на фиг.4А. В варианте выполнения, иллюстрируемом на фиг.4А и фиг.4В, компактный катализатор 12 имеет основу, представляющую собой многослойную структуру из тонких плоских металлических листов и тонких волнистых металлических листов. На поверхности этой основы сформирован слой носителя катализатора, включающий, например, оксид алюминия. Носитель катализатора, как показано на фиг.2А, удерживает на себе платину 31 и абсорбент 32 окислов NO_x. В данном случае этот компактный катализатор 12 представляет собой катализатор для накапливания NO_x.

Как показано на фиг.4А и фиг.4В, изображенный на них компактный катализатор 12 имеет меньшее поперечное сечение, чем общее проходное сечение канала для выхлопного газа, протекающего к катализатору 14 очистки NOx, т.е. имеет меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение выхлопной трубы 13, и образует внутреннюю трубу, проходящую вдоль направления движения выхлопного газа в центральной части выхлопной трубы 13. Следует учесть, что в варианте выполнения, показанном на фиг.4А и фиг.4В, компактный катализатор 12 размещен внутри внешнего цилиндрического корпуса 40. Указанный внешний цилиндрический корпус 40 удерживается внутри выхлопной трубы 13 с помощью некоторого количества распорных элементов 41.

Следует учесть, что в варианте выполнения, иллюстрируемом на фиг.3 и фиг.4А и 4В, дозированное количество F подводимого тонко распыленного топлива устанавливают таким, что когда тонко распыленное топливо подают из клапана 15 подачи топлива в компактный катализатор, то есть катализатор 12, производящий промежуточный продукт, показанный позицией F на фиг.4А, соотношение воздух-топливо в выхлопном газе в катализаторе 12, производящем промежуточный продукт, становится менее чем 5.

При этом компактный катализатор 12 имеет высокое гидравлическое сопротивление, и, следовательно, количество выхлопного газа, втекающего в компактный катализатор 12, небольшое, и соответственно расход выхлопного газа через компактный катализатор 12 становится значительно меньше расхода выхлопного газа, протекающего внутри выхлопной трубы 13. Таким образом, если расход выхлопного газа становится небольшим, процессы освобождения NO_x из компактного катализатора 12 и химического реагирования освобожденного окисла NO₂ с углеводородами HC активизируются, и, следовательно, активизируется действие по производству промежуточного продукта 33, включающего связанные молекулы углеводородов HC и NO_x. Это приводит, кроме того, к очень хорошему обезвреживанию NO_x в катализаторе 14 очистки выхлопного газа от NO_x.

Кроме того, если дозированное количество тонко распыленного топлива F устанавливают таким, что соотношение воздух-топливо в выхлопном газе, протекающем в компактном катализаторе 12, становится менее 5, то есть если выхлопной газ в компактном катализаторе 12 получается более обогащенным воздухом, действие по освобождению NO_x из компактного катализатора и химическая реакция освобожденного NO₂ и углеводородов HC дополнительно активизируются, и, следовательно, активизируется процесс производства промежуточного продукта 33, включающего соединенные молекулы углеводородов HC и NO_x. Это приводит, кроме того, к очень хорошему обезвреживанию NO_x в катализаторе 14 для очистки от NO_x.

Далее будут последовательно раскрыты иллюстрируемые на фиг.5 различные варианты размещения клапана 15 подачи топлива или размещения или формы компактного катализатора 12.

Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.5А, для предотвращения непосредственного воздействия на отверстие распылителя клапана 15 подачи топлива высокотемпературного потока выхлопного газа отверстие распылителя расположено в полости, образованной на внутренней поверхности стенки выхлопной трубы 13.

В следующем варианте выполнения, иллюстрируемом на фиг.5В, компактный катализатор 12 со стороны торцевой поверхности, расположенной выше по потоку, снабжен направляющим элементом 42 в форме желоба, проходящим вверх по потоку от периферии указанной торцевой поверхности, расположенной выше по потоку. Топливо инжектируют из клапана 15 подачи топлива в сторону направляющего элемента 42 для топлива.

Согласно еще одному варианту выполнения, показанному на фиг.5С, канал для протекания выхлопного газа в выхлопной трубе 13, проходящий в направлении расположения катализатора 14 очистки от NO_x, сформирован из двух разделенных проходных каналов 13a и 13b. Компактный катализатор 12 размещен в одном из двух указанных каналов - в проходном канале 13a. Топливо инжектируют из клапана 15 подачи топлива в направлении расположенной выше по потоку торцевой поверхности компактного катализатора 12. Кроме того, в этом варианте выполнения, если смотреть со стороны расположения катализатора 14 очистки от NO_x, компактный катализатор 12 установлен в отдельной зоне горизонтального сечения проточного канала для выхлопного газа, расположенного выше по потоку.

В двигателе внутреннего сгорания, в его выхлопном канале, размещен катализатор (14) для очистки выхлопного газа от окислов NO_x и катализатор (12), производящий промежуточный продукт и предназначенный для накапливания NO_x, содержащихся в выхлопных газах, расположенный выше по потоку от катализатора (14) очистки от NO_x. В катализатор (12), производящий промежуточные продукты, подают тонко распыленное топливо. Промежуточные продукты (33), включающие имеющие связи молекулы, образованные из одной молекулы NO_x и молекул углеводородов в более чем эквивалентном соотношении по отношению к молекуле NO_x, производятся из NO_x, захваченных в катализатор (12), производящий промежуточный продукт, или из NO_x, содержащихся в выхлопном газе и подведенном топливе. Использование изобретения позволит обеспечить легкую очистку от HC и NO_x. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее катализатор для очистки от NO_x, размещенный в выхлопном канале двигателя; катализатор, производящий промежуточный продукт и предназначенный для накапливания NO_x, содержащихся в выхлопных газах, размещенный в выхлопном канале двигателя выше по потоку от указанного катализатора для очистки от NO_x; клапан подачи топлива, установленный в выхлопном канале двигателя выше по потоку от катализатора, производящего промежуточный продукт, предназначенный для подачи тонко распыленного топлива из указанного клапана подачи топлива в указанный катализатор, производящий промежуточный продукт; при этом каждый из промежуточных продуктов включает имеющие связи молекулы, образованные из одной молекулы NО_х и молекул углеводородов в более чем эквивалентном соотношении по отношению к молекуле NO_x, и получен из NO_x, захваченных в катализатор, производящий промежуточный продукт, или из NO_x, содержащихся в выхлопных газах и подведенном топливе, причем промежуточные продукты, произведенные в катализаторе, производящем промежуточный продукт, направляются в катализатор для очистки от NO_x и очищаются в катализаторе очистки от NO_x.

2. Устройство по п.1, в котором катализатор, производящий промежуточные продукты представляет собой катализатор для накапливания окислов NO_x, предназначенный для накапливания NO_x, содержащихся в выхлопном газе в том случае, когда соотношение воздух-топливо в выхлопном газе соответствует обедненной топливовоздушной смеси, и освобождения накопленных NO_x, если указанное соотношение воздух-топливо во втекающем выхлопном газе является стехиометрическим соотношением воздух-топливо или соответствует обогащенной смеси.

3. Устройство по п.1, в котором катализатор для очистки от NO_x представляет собой катализатор для накапливания NO_x, предназначенный для накапливания NO_x, содержащихся в выхлопном газе в том случае, когда соотношение воздух-топливо в выхлопном газе соответствует обедненной топливовоздушной смеси, и освобождения накопленных NO_x, если указанное соотношение воздух-топливо во втекающем выхлопном газе является стехиометрическим соотношением воздух-топливо или соответствует обогащенной смеси.

4. Устройство по п.1, в котором катализатор, производящий промежуточные продукты, представляет собой компактный катализатор, имеющий объем, меньший объема катализатора для очистки от NO_x, при этом через указанный компактный катализатор протекает часть выхлопного газа, втекающего в катализатор очистки от NO_x.

5. Устройство по п.4, в котором компактный катализатор имеет поперечное сечение меньшее, чем сечение проходного канала для выхлопного газа, направляемого к катализатору очистки от NO_x, и выполнен в виде трубы, проходящий по направлению течения выхлопного газа.

6. Устройство по п.4, в котором величина дозировки тонко распыленного топлива установлена такой, что, когда тонко распыленное топливо направляется из указанного клапана подачи топлива в катализатор, производящий промежуточные продукты, соотношение воздух-топливо в выхлопном газе в катализаторе, производящем промежуточные продукты, становится по величине менее 5.