СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ-НАКОПИТЕЛЕЙ ОКСИДОВ АЗОТА Российский патент 2010 года по МПК F01N3/22 

Настоящее изобретение относится к способу регенерации каталитических нейтрализаторов-накопителей оксидов азота, позволяющему уменьшить обычно возникающие при регенерации каталитических нейтрализаторов-накопителей кратковременные пиковые выбросы углеводородов и моноксида углерода при переводе каталитических нейтрализаторов-накопителей обратно на режим накопления оксидов азота. Предлагаемый в изобретении способ наиболее предпочтительно использовать для регенерации уже отчасти утративших свою аккумулирующую способность в результате старения каталитических нейтрализаторов, которые требуется регенерировать чаще, чем новые каталитические нейтрализаторы.

Каталитические нейтрализаторы-накопители оксидов азота используются для удаления оксидов азота, содержащихся в обедненных отработавших газах (ОГ), образующихся при работе двигателей на обедненных горючих смесях. При этом нейтрализация ОГ путем удаления из них оксидов азота заключается в первоначальном аккумулировании оксидов азота в виде нитратов накапливающим их материалом каталитического нейтрализатора-накопителя при работе двигателя на обедненной горючей смеси (фаза накопления). При последующей работе двигателя на обогащенной горючей смеси (фаза регенерации) происходит разложение ранее образовавшихся нитратов и протекающее на катализаторе каталитического нейтрализатора-накопителя взаимодействие вновь образующихся оксидов азота с обладающими восстановительным действием обогащающими компонентами ОГ с образованием азота, диоксида углерода и воды. Под такими обогащающими компонентами ОГ подразумеваются углеводороды, моноксид углерода и водород.

Принцип работы каталитических нейтрализаторов-накопителей оксидов азота подробно описан в документе SAE 950809, изданном Обществом автотракторных инженеров (США). Состав каталитических нейтрализаторов-накопителей оксидов азота хорошо известен специалистам в данной области. В качестве материалов-накопителей оксидов азота обычно используют основные соединения щелочных или щелочноземельных металлов, такие, например, как оксиды, гидроксиды или карбонаты бария и стронция, нанесенные в высокодисперсном виде на соответствующие материалы-носители. Помимо этого каталитический нейтрализатор-накопитель оксидов азота содержит также каталитически активные благородные металлы платиновой группы и материалы-накопители кислорода. Благодаря подобному составу каталитический нейтрализатор-накопитель оксидов азота при работе двигателя на стехиометрической горючей смеси способен выполнять функцию трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Фаза накопления оксидов азота (работа двигателя на обедненной горючей смеси) обычно длится от 100 до 200 с и зависит от аккумулирующей способности каталитического нейтрализатора и концентрации оксидов азота в ОГ. Однако у состарившихся каталитических нейтрализаторов со сниженной аккумулирующей способностью продолжительность стадии накопления оксидов азота может даже укорачиваться до 50 с и меньше. Фаза же регенерации каталитических нейтрализаторов (работа двигателя на обогащенной горючей смеси) всегда существенно короче и длится лишь несколько секунд. ОГ, выходящие из каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота в процессе его регенерации, практически больше не содержат никаких вредных веществ и имеют стехиометрический состав. В течение этого периода времени коэффициент избытка воздуха λ в ОГ близок к 1.

В конце фазы регенерации количества вновь образующихся или высвобождающихся оксидов азота и количества кислорода, связанного накапливающими его компонентами каталитического нейтрализатора, уже более недостаточно для окисления всех обогащающих компонентов ОГ. Поэтому происходит прорыв таких компонентов через каталитический нейтрализатор, а коэффициент избытка воздуха становится меньше 1. Подобный прорыв обогащающих компонентов ОГ через каталитический нейтрализатор свидетельствует об окончании процесса его регенерации и может регистрироваться кислородным датчиком (так называемым лямбда-зондом), установленным за катализатором-накопителем оксидов азота.

Регенерация каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота неизбежно связана таким образом с кратковременными пиковыми выбросами углеводородов и моноксида углерода, дополнительно возрастающими по следующей причине. Участок выпускного трубопровода между двигателем и каталитическим нейтрализатором-накопителем оксидов азота обычно имеет конечную длину. В процессе перевода двигателя с режима работы на обогащенной горючей смеси на режим работы на обедненной горючей смеси весь выпускной трубопровод все еще заполнен обогащенными ОГ, которые после перевода двигателя на работу на обедненной горючей смеси образующимися при ее сгорании обедненными ОГ вытесняются через каталитический нейтрализатор в окружающую атмосферу. Каталитический нейтрализатор уже не способен нейтрализовать это остаточное количество обогащенных ОГ, поскольку ранее накопленные окислительные компоненты уже израсходовались в процессе работы двигателя на обогащенной горючей смеси. В результате в конце процесса регенерации каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота дополнительно возрастает количество выбрасываемых в атмосферу углеводородов и моноксида углерода.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ, который позволял бы уменьшить пиковые выбросы углеводородов и моноксида углерода и который обеспечивал бы в целом более эффективную нейтрализацию ОГ прежде всего уже состарившимися каталитическими нейтрализаторами-накопителями оксидов азота.

Указанная задача решается с помощью способа регенерации каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота, установленного в выпускном трубопроводе, идущем от двигателя, работающего на обедненных горючих смесях, путем перевода двигателя с режима работы на обедненной горючей смеси с образованием обедненных ОГ на режим работы на обогащенной горючей смеси с образованием обогащенных ОГ и повторного перевода двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси по завершении процесса регенерации. Подобный способ отличается тем, что при повторном переводе двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси в ОГ непосредственно перед катализатором-накопителем оксидов азота вдувают воздух и таким путем состав все еще обогащенных ОГ кратковременно изменяют на стехиометрический или обедненный до тех пор, пока обедненные ОГ, образующиеся при работе двигателя на обедненной горючей смеси, не достигнут каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота.

Периодическое вдувание воздуха в выпускной трубопровод уже известно, например, из публикации DE 19802631 С1, в которой описана система нейтрализации ОГ, которой оснащается транспортное средство с двигателем, работающим на обедненных горючих смесях и которая состоит из каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота и установленного перед ним в выпускном трубопроводе каталитического нейтрализатора-накопителя SO_x. Согласно этой публикации дополнительное вдувание воздуха в ОГ используется для повышения температуры каталитического нейтрализатора-накопителя SO_x до необходимой для его десульфурации температуры. При этом кислород, содержащийся в дополнительно подаваемом в ОГ воздухе, вступает в реакцию с частью восстановительных компонентов ОГ на катализаторе каталитического нейтрализатора-накопителя SO_x с выделением тепловой энергии при сохранении восстановительного состава ОГ. Вдувание дополнительного воздуха в ОГ начинается при переводе двигателя с режима работы на обедненной горючей смеси на режим работы на обогащенной горючей смеси.

Согласно же изобретению путем вдувания воздуха в ОГ состав обогащенных ОГ, которые после перевода двигателя с режима работы на обогащенной горючей смеси на режим работы на обедненной горючей смеси все еще остаются в выпускном трубопроводе на участке между двигателем и каталитическим нейтрализатором-накопителем оксидов азота, изменяют в сторону стехиометрического или сверхстехиометрического, обедненного состава, создавая тем самым условия, в которых каталитический нейтрализатор-накопитель оксидов азота способен обеспечивать взаимодействие содержащихся в ОГ восстановительных компонентов с кислородом. Благодаря этому при переводе двигателя с режима работы на обогащенной горючей смеси на режим работы на обедненной горючей смеси возникающие пиковые выбросы восстановительных компонентов ОГ неизбежно уменьшаются до необходимого минимального уровня.

Продолжительность вдувания воздуха в ОГ зависит от длительности прохождения отработавшими газами участка от двигателя до каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота и пропорциональна длине выпускного трубопровода на указанном участке и скорости потока ОГ в каждой конкретной точке рабочей характеристики двигателя. Количество вдуваемого в ОГ воздуха должно обеспечивать изменение коэффициента избытка воздуха в ОГ перед их входом в каталитический нейтрализатор-накопитель оксидов азота в сторону стехиометрического или сверхстехиометрического, обедненного состава. Воздух предпочтительно вдувать в ОГ с такой интенсивностью, соответственно в таком количестве, чтобы коэффициент избытка воздуха λ в образовавшейся газовой смеси был не меньше 1, прежде всего составлял от 1 до 1,3, наиболее предпочтительно составлял от 1 до 1,05. Слишком интенсивного вдувания воздуха в ОГ следует избегать с тем, чтобы охлаждение ОГ вдуваемым в них холодным воздухом было минимально возможным.

В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа необходимый дополнительный воздух подают насосом дополнительного воздуха и примешивают к ОГ в требуемый момент времени и в требуемом количестве с помощью клапана. Насос дополнительного воздуха предпочтительно при этом приводить в действие в непрерывном режиме. В другом варианте насос дополнительного воздуха включают лишь непосредственно перед окончанием работы двигателя на обогащенной горючей смеси и вновь отключают по завершении подачи дополнительного воздуха в ОГ. В еще одном варианте насос дополнительного воздуха включают в момент начала работы двигателя на обогащенной горючей смеси. В предпочтительном варианте насосом дополнительного воздуха его нагнетают в пневмоаккумулятор, из которого воздух для его вдувания в ОГ отбирают через клапан.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичный вид двигателя внутреннего сгорания с устройством для нейтрализации ОГ и системой подачи дополнительного воздуха для осуществления предлагаемого в изобретении способа и

на фиг.2 - схематичный вид двигателя внутреннего сгорания с устройством для нейтрализации ОГ и выполненной по другому варианту системой подачи дополнительного воздуха для осуществления предлагаемого в изобретении способа.

На фиг.1 схематично показан двигатель 1 внутреннего сгорания (ДВС) с устройством 2 для нейтрализации ОГ, имеющим корпус 3 и расположенный в нем каталитический нейтрализатор-накопитель оксидов азота. Корпус устройства для нейтрализации ОГ выпускным трубопроводом 4 и выпускным коллектором соединен с цилиндрами ДВС. Для вдувания воздуха в ОГ непосредственно перед каталитическим нейтрализатором-накопителем оксидов азота предусмотрен насос 5 дополнительного воздуха. Ведущий от этого насоса трубопровод 6 подачи дополнительного воздуха входит в систему выпуска ОГ непосредственно перед каталитическим нейтрализатором-накопителем оксидов азота. Трубопровод подачи дополнительного воздуха может при этом входить в систему выпуска ОГ в точке, расположенной на коротком расстоянии перед корпусом или непосредственно на корпусе устройства для нейтрализации ОГ. Для дозирования вдуваемого в ОГ воздуха в необходимые моменты и в необходимых количествах используют клапан-дозатор 7.

Процесс регенерации каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота длится, как уже указывалось выше, лишь несколько секунд, тогда как вытеснение остаточных обогащенных ОГ последующими обедненными ОГ из выпускного трубопровода на участке между цилиндрами двигателя и каталитическим нейтрализатором-накопителем оксидов азота завершается уже даже за доли секунды. Поэтому для быстрой подачи дополнительного воздуха в ОГ целесообразно приводить в действие насос дополнительного воздуха в непрерывном режиме и использовать клапан для дозирования воздуха в ОГ в необходимый момент времени. Однако по соображениям экономии энергии более целесообразно всегда включать насос дополнительного воздуха только с началом фазы регенерации и также использовать клапан для дозирования воздуха в ОГ. По завершении процесса вдувания воздуха в ОГ насос дополнительного воздуха также вновь отключают.

На фиг.2 схематично показан ДВС с выполненной по другому варианту системой подачи дополнительного воздуха. В этом варианте предусмотрен пневоаккумулятор 8, из которого воздух для вдувания в ОГ отбирается через клапан 7. Давление сжатого воздуха в пневмоаккумуляторе поддерживается насосом дополнительного воздуха в заданном интервале. Насос дополнительного воздуха всегда включают в тот момент, когда давление сжатого воздуха в пневмоаккумуляторе становится ниже некоторого нижнего предельного значения, и отключают, когда давление сжатого воздуха в пневмоаккумуляторе становится выше верхнего предельного значения. Использование пневоаккумулятора позволяет исключить привязку моментов пуска насоса дополнительного воздуха к циклам регенерации и в целом сократить количество его пусков по сравнению с показанной на фиг.1 системой.

Способ регенерации каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота, установленного в выпускном трубопроводе, идущем от двигателя, работающего на обедненных горючих смесях, осуществляется путем перевода двигателя с режима работы на обедненной горючей смеси с образованием обедненных отработавших газов (ОГ) на режим работы на обогащенной горючей смеси с образованием обогащенных ОГ и повторного перевода двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси по завершении процесса регенерации. При повторном переводе двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси в ОГ непосредственно перед катализатором-накопителем оксидов азота вдувают воздух и таким путем состав все еще обогащенных ОГ кратковременно изменяют на стехиометрический или обедненный до тех пор, пока обедненные ОГ, образующиеся при работе двигателя на обогащенной горючей смеси, не достигнут каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота. Использование изобретения позволит повысить эффективность нейтрализации или снижения токсичности ОГ при его использовании прежде всего для регенерации уже отчасти утративших свою аккумулирующую способность в результате старения каталитических нейтрализаторов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регенерации каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота, установленного в выпускном трубопроводе, идущем от двигателя, работающего на обедненных горючих смесях, путем перевода двигателя с режима работы на обедненной горючей смеси с образованием обедненных отработавших газов (ОГ) на режим работы на обогащенной горючей смеси с образованием обогащенных ОГ и повторного перевода двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси по завершении процесса регенерации, отличающийся тем, что при повторном переводе двигателя на режим работы на обедненной горючей смеси в ОГ непосредственно перед катализатором-накопителем оксидов азота вдувают воздух и таким путем состав все еще обогащенных ОГ кратковременно изменяют на стехиометрический или обедненный до тех пор, пока обедненные ОГ, образующиеся при работе двигателя на обогащенной горючей смеси, не достигнут каталитического нейтрализатора-накопителя оксидов азота.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух вдувают в ОГ в количестве, при котором коэффициент избытка воздуха λ в образовавшейся газовой смеси составляет не менее 1.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздух вдувают в ОГ в количестве, при котором коэффициент избытка воздуха λ в образовавшейся газовой смеси составляет от 1 до 1,05.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимый дополнительный воздух подают насосом (5) дополнительного воздуха и примешивают к ОГ в требуемый момент времени и в требуемом количестве с помощью клапана (7).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что насос дополнительного воздуха приводят в действие в непрерывном режиме.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что насос дополнительного воздуха включают лишь непосредственно перед окончанием работы двигателя на обогащенной горючей смеси и вновь отключают по завершении подачи дополнительного воздуха в ОГ.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что насос дополнительного воздуха включают в момент начала работы двигателя на обогащенной горючей смеси.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что насосом дополнительного воздуха воздух нагнетают в пневмоаккумулятор (8), из которого воздух для его вдувания в ОГ отбирают через клапан (7).