Объектом изобретения является способ улучшения гидролиза восстановителя в системе дополнительной обработки выхлопных газов (или по-другому - отработавших газов) у двигателей внутреннего сгорания, эксплуатируемых при избытке воздуха, например дизельных двигателей и бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также устройство для осуществления способа.
Оксиды азота, наряду с частицами твердых веществ, относятся к лимитированным компонентам выхлопных газов, которые образуются во время процессов сгорания, и разрешенный выброс которых далее все понижается. Для минимизации этих компонентов выхлопных газов у двигателей внутреннего сгорания, используемых в автомобилях, в настоящее время используют различные способы. Уменьшение оксидов азота происходит в большинстве случаев с помощью катализаторов, в обогащенных кислородом выхлопных газах дополнительно требуется восстановитель, чтобы увеличить селективность и степень превращения NOx. Эти способы известны под общим понятием СКВ-способы, причем СКВ (SCR) обозначает «селективное каталитическое восстановление». Их использование происходит уже много лет в сфере электростанций и в недавнее время также в двигателях внутреннего сгорания. Детальное описание таких способов следует позаимствовать из DE 3428232 A1. В качестве СКВ-катализаторов могут быть использованы смеси оксидов, содержащие V2O5, например, в форме V2O5/WO3/TiO2. При этом типичная доля V2O5 составляет 0,2-3%. Наряду с этим в качестве активных материалов для СКВ-катализаторов также употребляют железо- или медьсодержащие цеолиты.
В качестве восстановителей на практике используют аммиак или соединения, отщепляющие аммиак, такие как мочевина или формиат аммония, в твердой форме или форме раствора. При этом для превращения одного моля монооксида азота требуется один моль аммиака
Если перед СКВ-катализаторами расположен платиносодержащий катализатор окисления NO для образования NO2
то СКВ-реакции могут значительно ускоряться, и активность при низкой температуре может быть заметно повышена
В зависимости от выполнения катализаторов, содержания платины и случая применения катализаторы характеризуются точкой начала температурного скачка 180-330°С. При этом точкой начала температурного скачка называют ту температуру, при которой 50% монооксида азота окисляется до диоксида азота.
У двигателей внутреннего сгорания, эксплуатируемых в автомобилях, восстановление оксидов азота с помощью СКВ-способа затруднено, потому что там имеют место меняющиеся условия эксплуатации, что затрудняет количественную дозировку восстановителя. Хотя, с одной стороны, должна достигаться максимально высокая степень превращения оксидов азота, с другой стороны, следует обратить внимание на то, что это не приводит к эмиссии неиспользованного аммиака. Чтобы предотвратить последнее, часто используют расположенный после СКВ-катализатора блокирующий аммиак катализатор, который избыточный аммиак подвергает превращению в азот и водяной пар. Особенную проблему представляет так называемый холодный запуск (двигателя), при котором выброс выхлопных газов даже после запуска холодного мотора и из-за этого не нагретой системы дополнительной обработки должен быть прекращен.
Для сведения к минимуму частиц твердых веществ как в сфере электростанций, так и у автомобилей, используют или так называемый сепаратор частиц, или фильтр для частиц. Одно типичное для применения в автомобилях устройство с сепаратором частиц описано, например, в EP 1072765 A2. Подобные устройства отличаются от таковых с фильтром для частиц тем, что диаметр каналов сепаратора частиц существенно больше, чем диметр самых крупных встречающихся частиц, в то время как у фильтра для частиц диаметр фильтрующих каналов находится в области диаметра частиц. Вследствие этого различия фильтры для частиц подвергаются опасности закупоривания, что повышает противодавление выхлопных газов и понижает мощность мотора. Устройство и способ, в которых вместо сепаратора частиц используют фильтр для частиц вышеописанного типа, могут быть позаимствованы из EP 0341832 A2. Вышеназванные устройства или способы отличаются тем, что расположенный соответственно выше по потоку от сепаратора частиц или фильтра для частиц катализатор окисления - по меньшей мере, один катализатор с платиной в качестве активного материала - окисляет монооксид азота в выхлопных газах с помощью также содержащегося остаточного кислорода до диоксида азота, который в сепараторе частиц или фильтре для частиц подвергается превращению с помощью частиц углерода до CO, CO2, N2 и NO. Таким образом, при относительно низких температурах происходит непрерывное удаление отложенных твердых частиц
и циклы регенерации, которые должны трудоемко осуществляться на других устройствах, чтобы с помощью кислорода при относительно высоких температурах вызывать окисление содержащих углерод частиц сажи.
Для того чтобы в будущем выполнить действующее предписание о выхлопных газах, требуется одновременное использование как устройств для уменьшения выбросов оксидов азота, так и устройств для уменьшения выбросов частиц твердых веществ. Для этой цели из DE 10348799 A1 и EP 1054722 B1 уже были известны различные устройства и способы.
В качестве восстановителя для СКВ-реакций, как уже упоминалось, в сфере электростанций оказался пригодным аммиак, который, правда, вследствие его токсичности в двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых в автомобилях, заменяют неопасными отщепляющими аммиак соединениями, такими как мочевина или формиат аммония, в твердой или водной форме. Разложение этих веществ и, вследствие этого, высвобождение аммиака является в СКВ-способе решающим для применимости способа.
В связи с разложением мочевины ((NH2)2CO) в аммиак (NH3) известно, что оно происходит при оптимальных условиях (температура свыше 350°С) в две стадии: сначала по реакции
происходит термолиз, т.е. термическое разложение мочевины. Затем по реакции
происходит гидролиз, а именно разложение изоциановой кислоты (HNCO) в аммиак (NH3) и диоксид углерода (CO2).
Так как восстановитель при использовании в настоящее время коммерчески доступного 33%-ного водного раствора мочевины, обозначаемого «AdBlue», существует в растворенной в воде форме, эта вода до и во время собственно термолиза и гидролиза должна испаряться.
Если температура, существующая в вышеприведенных реакциях (7) и (8), ниже 350°С или нагрев происходит медленно, то из DE 4038054 A1 известно, что образуются главным образом твердая циануровая кислота путем тримеризации изоциановой кислоты, образованной по реакции (7), согласно реакции
и вследствие этого аммелид
аммелин
и меламин
которые ведут к закупориванию последующей линии выхлопных газов. Как указано в DE 4038054, помощь может состоять в том, что поток выхлопных газов, нагруженный восстановителем, направляют через катализатор разложения мочевины и гидролиза. Температура выхлопных газов с приемлемой для количественного гидролиза опускается до 160°С. Строение и состав соответствующего катализатора в упомянутой публикации описаны так же, как строение и функции системы СКВ-катализатора, снабженной катализатором гидролиза. В качестве активных компонентов для катализатора разложения мочевины и гидролиза используют TiO2 и/или SiO2, и/или Al2O3, и/или цеолиты. Чтобы уменьшить катализаторы, но сохранить постоянной продолжительность реакции в катализаторах, часто катализаторы гидролиза эксплуатируют в частичном потоке выхлопных газов, который отбирают от главного потока, как это показано в EP 1052009 А1. При этом особенно предпочтительно частичный поток выхлопных газов отбирать как можно ближе к мотору, чтобы катализатор гидролиза мог быть использован при высоком уровне температур. Для нагруженного выхлопными газами двигателя внутреннего сгорания предпочтительно частичный поток выхлопных газов отбирать уже перед турбонагнетателем и после турбонагнетателя опять вести его обратно в соответствующее устройство, как описано в DE 10206028 A1, DE 19855384 A1 и DE 19960976 A1.
Если катализатор гидролиза перегружен, так как он, например, работает при пониженной температуре и/или высоких дозировках восстановителя, то достичь количественного гидролиза изоциановой кислоты не удается. Особенно это проблематично при использовании водного раствора мочевины, так как вследствие испарения воды выхлопной газ отдает дополнительное тепло и таким образом охлаждается. В этом случае образуются, как приведено выше, термически очень стабильные побочные продукты, такие как циануровая кислота, аммелид, аммелин и меланин. Эти твердые вещества откладываются на катализаторах гидролиза, форсунках для мочевины и трубопроводах, что может привести к полному блокированию потока выхлопных газов или выходу из строя СКВ-системы. Разложение этих веществ полностью возможно только выше 450-500°С. Однако, температура выхлопных газов современных дизельных моторов вследствие их высокого коэффициента полезного действия обычно лежит ниже 400°С. Следствием этого является то, что возможные образованные отложения не могут быть вновь удалены без дополнительных мероприятий.
Возможность поднять температуру выхлопных газов до соответствующего уровня, как описано в DE 3605255 A1, состоит в том, чтобы изменить параметры двигателя, как, например, начало впрыскивания, или снизить соотношение топливо/воздух.
Кроме этого, может быть повышена доля несгоревших углеводородов и/или монооксида углерода в выхлопном газе, чтобы эти вещества затем, в случае необходимости каталитически окислить и тем самым повысить температуру выхлопных газов. Соответствующие устройства и способы описаны в DE 102005023398 A1, DE 10323245 A1 и DE 60210528 T2.
Кроме повышения уровня температуры с помощью экзотермических реакций, далее из DE 19960976 A1 известно, что для повышения температуры следует электрически нагревать катализатор гидролиза.
Во всех приведенных выше вариантах для повышения температуры общим является то, что они приводят к повышению расхода топлива и, таким образом, к ухудшению коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы, избегая ухудшения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания, обеспечить работоспособность катализатора гидролиза, эксплуатируемого в побочном потоке системы дополнительной обработки выхлопных газов, в большом диапазоне эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, и, кроме этого, надежно предотвратить, чтобы в побочном потоке выхлопных газов или ниже него по потоку образовывались проблемные отложения твердых веществ как, например, циануровая кислота, аммелид, аммелин и меланин.
Задача решается посредством способа согласно пункту 1 формулы изобретения, в пунктах 2-8 показаны преимущественные варианты соответствующего изобретению способа, устройство для осуществления способа охарактеризовано в пунктах 10-19 формулы изобретения.
Способ согласно изобретению используют в системе дополнительной обработки выхлопных газов для селективного каталитического восстановления оксидов азота, причем перед СКВ-катализатором от потока выхлопных газов ответвляют меньший по отношению к нему частичный поток выхлопных газов, в котором расположен дозатор для подачи восстановителя и ниже него по потоку катализатор гидролиза, причем частичный поток выхлопных газов после катализатора гидролиза и перед СКВ-катализатором возвращают в поток выхлопных газов.
Изобретение исходит из соображения поддерживать в предварительно заданных границах температуру в катализаторе гидролиза предпочтительным образом посредством активного управления или регулирования количества выхлопных газов, направляемых в частичный поток выхлопных газов, и таким образом избегать охлаждения катализатора гидролиза без влияния на коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Для этого с помощью управляемого или регулируемого дросселирующего устройства, расположенного в частичном потоке выхлопных газов перед (выше по потоку) или после (ниже по потоку) катализатора гидролиза, частичный поток выхлопных газов полностью или частично перекрывают или открывают, если измеренное или косвенно определенное пороговое значение температуры в катализаторе гидролиза не достигнуто или превышено, или возникают определенные эксплуатационные состояния двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, количество выхлопных газов при незначительной температуре катализатора гидролиза и наличии высокой температуры выхлопных газов перед катализатором гидролиза и/или эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, которые приводят к такой высокой температуре выхлопных газов, повышают путем открывания дросселирующего устройства, чтобы вызвать предпочтительный нагрев катализатора гидролиза. При незначительной температуре в катализаторе гидролиза и/или наличии незначительной температуры выхлопных газов и/или эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, которые приводят к незначительной температуре выхлопных газов, посредством частичного закрытия дросселирующего устройства количество выхлопных газов сокращают настолько, насколько допускает добавляемое количество восстановителя, чтобы обеспечить надлежащее поступление восстановителя в частичный поток выхлопных газов. Таким образом, можно предпочтительным образом предотвратить охлаждение катализатора гидролиза.
Далее для предотвращения дальнейшего охлаждения катализатора гидролиза является предпочтительным, что когда первое пороговое значение температуры в катализаторе гидролиза не достигнуто, дополнительно к частичному перекрыванию частичного потока выхлопных газов, дросселирующее устройство настраивают таким образом, что подача восстановителя сокращается или перекрывается. Это происходит независимо от фактической потребности для полного восстановления оксидов азота.
При недостижении нижнего порогового значения температуры в катализаторе гидролиза и при одновременном наличии температуры выхлопных газов ниже предварительно заданного граничного значения имеется преимущество совсем закрыть дросселирующее устройство и перекрыть подачу восстановителя через дозатор.
При закрытом дросселирующем устройстве и перекрытой подаче восстановителя затем, когда температура выхлопных газов поднимется до значения выше предварительно заданного граничного значения и/или имеют место эксплуатационные параметры двигателя внутреннего сгорания, которые приводят к такому повышению температуры выхлопных газов, открывают дросселирующее устройство и возобновляют подачу восстановителя через дозатор, так что катализатор гидролиза нагревается.
Если предварительно определенное верхнее пороговое значение температуры в катализаторе гидролиза превышается, по меньшей мере, частичное закрытие дросселирующего устройства может настолько сократить количество выхлопных газов, направляемых в частичном потоке выхлопных газов, что дальнейшее повышение температуры в катализаторе гидролиза устраняется, вследствие чего предпочтительным образом можно противодействовать термическому повреждению катализатора гидролиза.
В вышеописанном принципе температуры выхлопных газов и температура катализатора гидролиза могут быть определены предпочтительно непосредственно с помощью температурных датчиков. Естественно, также существует возможность косвенного определения, например, температуры в катализаторе гидролиза с помощью двух температурных датчиков для определения температуры выхлопных газов перед и после катализатора гидролиза, причем в этом случае также может быть найдено количество восстановителя, добавляемое с помощью дозатора, или учтена температура восстановителя.
Далее имеется возможность определять температуру катализатора гидролиза так же, как температуру выхлопных газов с помощью модели, в которой ход температуры катализатора гидролиза определяют в зависимости от эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, например количества впрыскиваемого топлива и/или давления выхлопных газов, и/или давления наддува, и/или температуры масла, и/или температуры охладителя мотора, и/или температуры окружающей среды, и/или числа оборотов двигателя, и/или дозируемого количества восстановителя в рекомендуемый (эталонный) двигатель внутреннего сгорания, и сохраняют в устройстве управления двигателя внутреннего сгорания в форме характеристических кривых, универсальных характеристик, функций или нейронных сетей. При наличии определенных эксплуатационных параметров или их временной последовательности затем при помощи характеристических кривых или универсальных характеристик можно осуществлять вывод на температуру катализатора гидролиза или на температуру выхлопных газов до и после катализатора гидролиза.
Предпочтительное устройство для осуществления способа по пункту 1 предусматривает в частичном потоке выхлопных газов дросселирующее устройство, причем дросселирующее устройство управляется при помощи приводного устройства, подводимого блоком управления посредством управляющего сигнала. При этом управляющий сигнал образован блоком управления предпочтительно в зависимости от, по меньшей мере, одного первого значения сигнала, которое соответствует, по меньшей мере, одному заданному значению температуры катализатора гидролиза, и/или, по меньшей мере, от одного второго значения сигнала, которое соответствует, по меньшей мере, одному заданному значению температуры в потоке выхлопных газов или частичном потоке выхлопных газов выше по потоку катализатора гидролиза, и/или, по меньшей мере, от одного третьего значения сигнала, которое соответствует, по меньшей мере, одному заданному значению, по меньшей мере, одного эксплуатационного параметра двигателя внутреннего сгорания.
Для создания управляющего сигнала предпочтительно регистрировать и логически объединить с помощью блока управления сигналы датчиков, которые получают в зависимости от положения педали акселератора и/или количества впрыскиваемого топлива, и/или давления выхлопных газов, и/или давления наддува, и/или температуры масла, и/или температуры охладителя мотора, и/или температуры окружающей среды, и/или числа оборотов двигателя, и/или дозируемого количества восстановителя, и/или температуры выхлопных газов, и/или температуры катализатора гидролиза.
Введение восстановителя в частичный поток выхлопных газов может происходить ниже по потоку, а также выше по потоку от дросселирующего устройства. Введение выше по потоку дросселирующего устройства является предпочтительным, так как вследствие расширения через дроссель температура газа понижается.
Возможными активными компонентами для катализатора гидролиза являются титан и/или кремний, и/или ванадий, и/или вольфрам, и/или их оксиды, и/или цеолиты.
Катализаторы для восстановления оксидов азота с помощью аммиака в качестве активных компонентов могут содержать ванадий и/или пентаоксид ванадия, и/или диоксид титана, и/или оксид вольфрама, и/или медьсодержащие цеолиты, и/или железосодержащие цеолиты, и/или кобальтсодержащие цеолиты.
Далее в частичном потоке выхлопных газов и еще перед возвратом в главный поток может быть размещен второй СКВ-катализатор.
Частичный поток выхлопных газов может быть отобран из потока выхлопных газов перед работающей на отработавших газах (ОГ) турбиной работающего на ОГ турбонагнетателя, чтобы предпочтительным образом получить возможно более высокий уровень температур в частичном потоке выхлопных газов.
Чтобы ускорить СКВ-реакции, в частичном потоке выхлопных газов и/или в потоке выхлопных газов могут быть размещены платиносодержащие катализаторы для образования NO2.
Следующее возможное расположение состоит в том, что после введения восстановителя размещают устройство для отделения частиц, так что дополнительно может быть сокращен выброс частиц. Это устройство может быть размещено до или после СКВ-катализатора.
Для предпочтительного увеличения степени превращения NOx катализатор гидролиза может быть выполнен таким образом, что одновременно он характеризуется восстановительной активностью для оксидов азота с помощью аммиака.
Дросселирующее устройство может быть выполнено в виде клапана или задвижки, или игольчатого клапана, или в виде шарикового клапана, или тарельчатого клапана, его настройка может осуществляться электрически, пневматически или гидравлически.
Далее изобретение поясняется с помощью чертежей на основании некоторых примеров.
Фиг.1 - устройство для улучшения гидролиза частичного потока.
Фиг.2 - устройство для улучшения гидролиза частичного потока для двигателя внутреннего сгорания с турбонагнетателем.
На фиг.1 схематически представлена система дополнительной обработки выхлопных газов, эксплуатируемая в грузовом автомобиле, с гидролизом частичного потока и интегрированным моторным замедлителем. Выхлопные газы, произведенные двигателем 1 внутреннего сгорания вследствие процесса горения - на всех чертежах символически обозначены стрелками - сначала попадают в качестве потока 2 выхлопных газов в линию выхлопных газов. Там от потока 2 выхлопных газов ответвляется частичный поток 3 выхлопных газов, в котором к горячему выхлопному газу прибавляется восстановитель по возможности ближе к мотору. Говоря о восстановителе, имеют в виду, как принято на практике у автомобилей с СКВ-катализатором, водный раствор мочевины, а также, разумеется, возможна добавка мочевины в твердой форме, как это уже детально описано в соответствующей специальной литературе. Дозировка восстановителя происходит через регулируемый в зависимости от эксплуатационных параметров двигателя 1 внутреннего сгорания посредством электронного блока 4 управления дозатор 5, который отбирает водный раствор мочевины из запасного бака 6 и через сопло 7, в зависимости от эксплуатационного состояния двигателя 1 внутреннего сгорания, впрыскивает в заданном количестве в частичный поток 3 выхлопных газов. В горячих выхлопных газах теперь, в случае водного раствора мочевины, водная часть должна испариться, и мочевина должна после вышеупомянутых реакций, обозначенных (7) и (8), быть переведена в аммиак (NH3) и диоксид углерода (CO2). Это удалось бы без дополнительных вспомогательных средств при незначительной температуре выхлопных газов (<350°С) лишь не полностью, вместо этого по реакции (9) образовалась бы циануровая кислота и в незначительных количествах аммелид, аммелин и меламин. Чтобы предотвратить это, ниже по потоку по отношению к месту ввода восстановителя и выше по потоку относительно возврата частичного потока 3 выхлопных газов в поток 2 выхлопных газов расположен катализатор 16 гидролиза, вследствие чего критическая температура выхлопных газов, начиная с которой возникают вышеназванные проблематичные продукты разложения мочевины, снижается до около 160°С.
Параллельно к месту введения восстановителя в потоке 2 выхлопных газов расположен катализатор 8 окисления, задача которого состоит том, чтобы окислить по реакции (2) часть содержащегося в выхлопных газах монооксида азота избыточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах, до диоксида азота. Ниже по потоку катализатора 8 окисления частичный поток 3 выхлопных газов, нагруженный восстановителем, вновь вводится в поток 2 выхлопных газов.
Собственно селективное каталитическое восстановление оксидов азота происходит ниже по потоку от введения частичного потока 3 выхлопных газов в поток 2 выхлопных газов, посредством СКВ-катализатора 9, который должен перевести возможно большую часть оксидов азота (NOx), присутствующих в выхлопных газах, при одновременно высокой селективности восстановления в азот и водяной пар, не оставляя при этом в потоке выхлопных газов избыточного аммиака (NH3). Если это удается не полностью из-за ошибочной дозировки восстановителя, например, при высокодинамичных изменениях нагрузки, т.е. после СКВ-катализатора 9 в потоке выхлопных газов остается избыточный аммиак, то его с помощью катализатора 14 окисления NH3, расположенного после СКВ-катализатора 9, переводят в азот и водяной пар.
Для частичного или полного перекрытия частичного потока 3 выхлопных газов перед местом введения восстановителя и после ответвления частичного потока 3 выхлопных газов расположено дросселирующее устройство 12 в форме клапана. Так как дросселирующее устройство 12 может быть реализовано не только как клапан, но и (другими) многочисленными способами, например, в виде задвижки или игольчатого клапана, или в виде шарикового клапана, или тарельчатого клапана, чтобы только обозначить некоторые возможности, в дальнейшем используют общее понятие «дросселирующее устройство». Для закрытия или открытия дросселирующего устройства 12 предусмотрено приводное устройство 13, которое со своей стороны действует на него и управляется блоком 4 управления. В случае приводного устройства 13 речь идет об электрическом, гидравлическом или пневматическом приводе, приводы такого рода известны в связи с вышеназванными различными дросселирующими устройствами.
Для регистрации температуры катализатора 16 гидролиза на нем расположен первый датчик 10 температуры, температуру потока 2 выхлопных газов регистрируют с помощью второго датчика 11 температуры, расположенного в потоке 2 выше по потоку ответвления частичного потока 3 выхлопных газов от потока 2 выхлопных газов.
Для определения высокой нагрузки или положительного, или отрицательного скачка нагрузки предусмотрен связанный с электронным блоком 4 управления датчик 15 педали акселератора, который определяет положение педали 15а акселератора.
Способ согласно изобретению предусматривает, что количество выхлопных газов, направляемых в частичном потоке выхлопных газов, регулируют в зависимости от температуры, существующей в катализаторе 16 гидролиза, температуры выхлопных газов и/или, по меньшей мере, одного эксплуатационного параметра таким образом, что предотвращается недостижение границы температур, например, 160°С. Чтобы обеспечить это, температура, существующая в катализаторе 16 гидролиза, регистрируется с помощью первого датчика 10 температуры и с помощью блока 4 управления сравнивается с первыми пороговыми значениями температуры, которые в нем записаны, чтобы получить первый сигнал. Далее регистрируют температуру выхлопных газов с помощью второго датчика 11 температуры, и с помощью блока 4 управления сравнивают со вторым пороговым значением температуры, которое в нем записано, чтобы получить второй сигнал. Теперь, если первый сигнал обозначает низкую температуру в катализаторе 16 гидролиза, а второй сигнал обозначает высокую температуру выхлопных газов перед катализатором 16 гидролиза, то с помощью блока 4 управления создают управляющий сигнал для приводного устройства 13 дросселирующего устройства 12, так что дросселирующее устройство 12 открывается. Посредством этого открытия дросселирующего устройства 12 катализатор гидролиза нагревают. Ограничение температуры катализатора гидролиза сверху целесообразно тогда, когда используют TiO2 в форме анатаза в качестве активного компонента катализатора 12 гидролиза. Если в таком случае температура катализатора превышает 600°С, это приводит к превращению анатаза в рутил и вследствие этого к понижению активности катализатора гидролиза. Дополнительно это может приводить к окислению восстановителя. Чтобы избежать этого, при превышении заданного верхнего порога температур в катализаторе 16 гидролиза, то есть тогда, когда первый сигнал показывает высокую температуру в катализаторе 16 гидролиза, с помощью блока 4 управления получают управляющий сигнал для приводного устройства 13 дросселирующего устройства 12, так что дросселирующее устройство 12 частично закрывается, так что количество выхлопных газов, направляемое в частичном потоке (3, 3') выхлопных газов, сокращают. Таким образом избегают дальнейшего повышения температуры в катализаторе 16 гидролиза.
Если, напротив, описанным выше образом устанавливают низкую температуру в катализаторе 16 гидролиза и/или наличие низкой температуры выхлопных газов, то с помощью блока 4 управления и приводного устройства 13 дросселирующее устройство 12 полностью или частично закрывают, чтобы предотвратить охлаждение катализатора 16 гидролиза. Одновременно, независимо от фактической потребности в восстановителе, с помощью блока 4 управления подача восстановителя посредством соответствующего регулирования дозатора 5 может быть частично или полностью перекрыта.
При недостижении нижнего температурного порога в катализаторе 16 гидролиза и при одновременном наличии температуры выхлопных газов, определенной вторым датчиком 11 температуры и обработанной блоком 4 управления, ниже заданного граничного значения, дросселирующее устройство 12 полностью закрывают, и подачу восстановителя посредством блока 4 управления и регулируемого им дозатора 5 перекрывают. Таким образом, дальнейшее охлаждение катализатора гидролиза ограничивают до минимума.
Если блок 4 управления при закрытом дросселирующем устройстве 12 и перекрытой подаче восстановителя с помощью соответствующей величины сигнала второго датчика 11 температуры устанавливает, что температура выхлопных газов возросла на величину, большую заданного граничного значения, дросселирующее устройство 12 посредством соответствующего управления приводного устройства 13 с помощью блока 4 управления открывают, и вновь осуществляется подача восстановителя посредством соответствующего управления дозатором 5.
Чтобы при неожиданном изменении нагрузки преодолеть инерцию вышеописанного регулирования, предусмотрено, в зависимости от временной обработки (данных) положения педали 15а акселератора посредством датчика 15 педали акселератора, сигнализирующего о положении педали акселератора, посредством блока 4 управления определять положительный или отрицательный скачок нагрузки. Если в случае установленного скачка нагрузки речь идет о положительной нагрузке, то открывают дросселирующее устройство 12 с помощью соответствующего управления приводным устройством 13 посредством блока 4 управления, так как вследствие повышенной нагрузки температура выхлопных газов сильно повышается, и этот быстрый рост температуры при открытом дросселирующем устройстве 12 ведет к быстрому нагреву катализатора 16 гидролиза. Если напротив, нагрузка отрицательна, и температура катализатора гидролиза мала, то с помощью блока 4 управления и приводного устройства 13 дросселирующее устройство 12, по меньшей мере, частично закрывают, чтобы предотвратить ускоренное охлаждение катализатора 16 гидролиза.
Естественно, скачки нагрузки также могут детектироваться за счет оценки других факторов влияния, а не только данных положения педали акселератора. Так, для установления скачков нагрузки предлагается оценка данных о количестве вспрыскиваемого топлива или давлении наддува с помощью блока 4 управления.
Разумеется, также и другие эксплуатационные параметры, влияющие на температуру выхлопных газов, могут оцениваться блоком 4 управления и привлекаться для установления настройки приводного устройства 13 дросселирующего устройства 12. Такими эксплуатационными параметрами являются, например, количество вспрыскиваемого топлива и/или давление выхлопных газов, и/или давление наддува, и/или температура масла, и/или температура охладителя мотора, и/или температура окружающей среды, и/или число оборотов двигателя, и/или дозируемое количество восстановителя. Также временные изменения этих эксплуатационных параметров могут быть приняты во внимание для настройки приводного устройства 13 дросселирующего устройства 12.
У двигателей внутреннего сгорания, встроенных в автомобиль, которые располагают моторным замедлителем (на фигурах не изображено), возможно краткосрочное нагревание катализатора гидролиза путем использования режима торможения двигателем. Для этого регистрируют блоком управления эксплуатационное состояние «моторный замедлитель активен». Если имеет место процесс торможения двигателем, прерванная подача восстановителя, а также прерванное впрыскивание топлива, по меньшей мере, частично оставляет открытым управляющий клапан. Выхлопной газ, сжатый вследствие работы сжатия в двигателе внутреннего сгорания, соответственно в такт выпуска оказывает давление на частичный поток выхлопных газов, ответвленный от основного потока, так что температура частичного потока выхлопных газов сильно повышается. Возможность нагрева катализатора гидролиза вследствие процесса торможения двигателем является независимой от вида используемого моторного замедлителя. Этот принцип применим у декомпрессионного замедлителя, описанного в CH 429298 A, у моторного замедлителя, описанного в DE 966212 B, или у комбинации из обоих типов моторных замедлителей, как это описано в DE 3904497 С1. У обоих типов моторных замедлителей, названных последними, клапан замедлителя (на фигурах не изображен) располагался параллельно частичному потоку выхлопных газов в потоке выхлопных газов, а дросселирующее устройство в частичном потоке выхлопных газов лишь незначительно открыто, чтобы не оказывало влияния на действие моторного замедлителя.
Вместо описанного выше измерительного определения температуры выхлопных газов посредством второго датчика 11 температуры или температуры катализатора 16 гидролиза посредством первого датчика 10 температуры также может быть проведено косвенное определение этих температур, для чего служит так называемая «модель». В случае таких моделей речь идет о сохраненных в устройстве управления двигателя внутреннего сгорания значениях характеристических кривых, о значениях универсальных характеристик, о математических функциях или о нейронных сетях, о ходе температуры в катализаторе гидролиза и/или о температуре выхлопных газов. Значения характеристических кривых, значения универсальных характеристик, значения функций или значения из нейронных сетей при этом устанавливают предварительно в зависимости от эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, например, количества вспрыскиваемого топлива и/или давления выхлопных газов, и/или давления наддува, и/или температуры масла, и/или температуры охладителя мотора, и/или температуры окружающей среды, и/или числа оборотов двигателя, и/или дозируемого количества восстановителя на рекомендуемом двигателе внутреннего сгорания. Теперь, чтобы определить температуры в линии выхлопных газов или в катализаторе гидролиза, можно с помощью блока 4 управления - при наличии определенных эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания - через эксплуатационные параметры, зарегистрированные блоком 4 управления, и/или их временную последовательность, и/или их логическую связь, с помощью записанных значений характеристических кривых или универсальных характеристик косвенно определить температуры катализатора гидролиза и/или температуры выхлопных газов до и/или после катализатора гидролиза.
У двигателей внутреннего сгорания, в настоящее время эксплуатируемых в автомобилях, часто имеется, по меньшей мере, одноступенчатый турбонагнетатель, который с помощью энтальпии выхлопных газов, содержащейся в потоке выхлопных газов, сжимает воздух для сжигания топлива, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания. Для дополнительной обработки выхлопных газов эту проблему поднимают потому, что выхлопной газ, проходящий через турбины турбонагнетателя(ей), вследствие этого принудительно сильно охлаждается. Охлажденный таким образом поток выхлопных газов, в особенности в пусковом режиме и в нижней области неполной [частичной] нагрузки, не в состоянии достигать температур, достаточных для гидролиза восстановителя. Даже если используют катализаторы гидролиза, в большинстве случаев уровень температур недостаточен. Выход из затруднительного положения при этой проблеме представлен на фиг.2. Там показано устройство, отличающееся от устройства на фиг.1 тем, что турбина 19 турбонагнетателя 20 расположена выше по потоку ответвления частичного потока 3′ выхлопных газов от потока 2 выхлопных газов и выше по потоку катализатора 8 окисления. Поток 2 выхлопных газов, идущий от двигателя 1 внутреннего сгорания, ответвляется уже перед турбиной 19 турбонагнетателя 20, работающего на выхлопных газах, в частичный поток 3′ выхлопных газов в то время, как оставшийся выхлопной газ проходит через турбину 19, приводит через нее компрессор 21 и затем подается к расположенному ниже по потоку катализатору 8 окисления. Благодаря этому расположению турбины 19 достигают того, что уровень температур в частичном потоке 3′ выхлопных газов еще сохраняется, так как посредством турбины 19 охлаждения не происходит.
Вышеназванный дополнительный конструктивный элемент в примере на фиг.2 не изменяет принцип действия устройства по сравнению с принципом действия, описанным в связи с примером на фиг.1, что сделано очевидным за счет сохранения ссылочных позиций. Для того чтобы избежать повторения, относительно устройства остальных конструктивных элементов и в особенности описания функций следует обратиться к описанию фиг.1.
Разумеется, вышеописанное устройство на фиг.1 и 2 также может быть скомбинировано с сепаратором частиц или фильтром для частиц, как это показано на фиг.2. Там (ниже по потоку) соединения частичного потока 3 выхлопных газов и потока 2 выхлопных газов и выше по потоку СКВ-катализатора 9 находится сепаратор 22 частиц в потоке выхлопных газов, который осаждает частицы сажи, находящиеся в выхлопных газах. Устранение осажденных частиц сажи происходит непрерывно с помощью NO2, полученного на катализаторе 8 окисления по реакции (2) из NO и остаточного кислорода, содержащегося в выхлопных газах, который по реакциям (4), (5) и (6) окисляет частицы сажи до CO или CO2. Расположение сепаратора частиц или фильтра для частиц может также быть другим, чем на вышеописанном месте, как до, так и после СКВ-катализатора.
Описанные выше варианты выполнения, разумеется, могут реализоваться с помощью доступных специалисту специальных знаний многочисленными способами, без отхода от основной идеи изобретения; таким образом, описанные варианты выполнения имеют только характер примеров.
Изобретение может быть использовано при обработке выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания для селективного каталитического восстановления оксидов азота. Для улучшения гидролиза восстановителя в системе дополнительной обработки выхлопных газов выше по потоку СКВ-катализатора 9 от потока 2 выхлопных газов ответвляют меньший по сравнению с ним частичный поток 3 выхлопных газов, в котором расположен дозатор 17 для подачи восстановителя. Указанный частичный поток 3 ниже по потоку катализатора 16 гидролиза и выше по потоку СКВ-катализатора 9 возвращают в поток 2 выхлопных газов. Температуру катализатора 16 гидролиза поддерживают путем регулирования количества выхлопных газов, направляемых в частичном потоке 3. Количество выхлопных газов, направляемое в частичном потоке 3, регулируют с помощью дросселирующего устройства 12. Изобретение позволяет обеспечить работоспособность катализатора гидролиза, используемого в побочном потоке системы дополнительной обработки выхлопных газов, и предотвратить образование в побочном потоке отложений твердых веществ, таких как циануровая кислота, аммелид, аммелин и меланин. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Способ улучшения гидролиза восстановителя в системе дополнительной обработки выхлопных газов для селективного каталитического восстановления NOx в выхлопных газах двигателя (1) внутреннего сгорания, эксплуатируемого при избытке воздуха, причем выше по потоку СКВ-катализатора (9) от потока (2) выхлопных газов ответвляют меньший по сравнению с ним частичный поток (3, 3') выхлопных газов, в котором расположен дозатор (17) для подачи восстановителя, а ниже него по потоку - катализатор (16) гидролиза, причем частичный поток (3, 3') выхлопных газов ниже по потоку катализатора гидролиза и выше по потоку СКВ-катализатора (9) возвращают в поток (2) выхлопных газов, причем температуру в катализаторе (16) гидролиза поддерживают в предварительно заданных границах посредством активного управления или регулирования количества выхлопных газов, направляемых в частичном потоке (3, 3') выхлопных газов, отличающийся тем, что количество выхлопных газов, направляемое в частичном потоке (3, 3') выхлопных газов, при низкой температуре катализатора (16) гидролиза и при наличии высокой температуры выхлопных газов перед катализатором (16) гидролиза, которая вызывает нагрев катализатора гидролиза, и/или эксплуатационных параметров и/или изменения эксплуатационных параметров двигателя (1) внутреннего сгорания, которые приводят к такой высокой температуре выхлопных газов, повышают с помощью открытия дросселирующего устройства (12), чтобы вызвать нагрев катализатора (16) гидролиза, и при низкой температуре катализатора (16) гидролиза и/или при наличии низкой температуры выхлопных газов, которая вызывает охлаждение катализатора гидролиза, и/или эксплуатационных параметров, и/или изменения эксплуатационных параметров двигателя (1) внутреннего сгорания, которые приводят к низкой температуре выхлопных газов, с помощью частичного закрытия дросселирующего устройства (12) количество выхлопных газов, направляемое в частичном потоке (3, 3') выхлопных газов, сокращают настолько, насколько это позволяет добавляемое количество восстановителя, чтобы гарантировать надлежащее поступление восстановителя в частичный поток (3,3') выхлопных газов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тогда, когда первое предварительно заданное пороговое значение температуры в катализаторе гидролиза не достигнуто, дополнительно к частичному перекрыванию частичного потока выхлопных газов посредством соответствующего управления дозатором (17) сокращают или перекрывают подачу восстановителя, независимо от фактической потребности для полного восстановления оксидов азота.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при недостижении предварительно заданного нижнего порогового значения температуры в катализаторе гидролиза и при одновременном наличии температуры выхлопных газов ниже предварительно заданного граничного значения дросселирующее устройство (12) полностью закрывают и подачу восстановителя через дозатор (17) перекрывают.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при закрытом дросселирующем устройстве (12) и перекрытой подаче восстановителя тогда, когда температура выхлопных газов поднимается до величины выше предварительно заданного граничного значения, и/или существуют эксплуатационные параметры и/или изменения эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, которые приводят к такому повышению температуры выхлопных газов, открывают дросселирующее устройство (12) и возобновляют подачу восстановителя через дозатор (17).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при превышении предварительно заданного верхнего порога температуры в катализаторе гидролиза, посредством, по меньшей мере, частичного закрытия дросселирующего устройства (12) количество выхлопных газов, направляемых в частичном потоке выхлопных газов, сокращают настолько, чтобы избежать дальнейшего повышения температуры в катализаторе гидролиза.
6. Способ по одному из п.п.1-5, отличающийся тем, что температуру в катализаторе гидролиза определяют непосредственно с помощью температурных датчиков в катализаторе гидролиза.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в катализаторе гидролиза определяют косвенно с помощью двух температурных датчиков для определения температуры выхлопных газов перед и после катализатора гидролиза.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру катализатора гидролиза и/или температуру выхлопных газов определяют с помощью модели, причем модель состоит из записанных в устройстве управления двигателя внутреннего сгорания значений характеристических кривых, значений универсальных характеристик, математических функций или нейронных сетей, которые представляют собой ход температуры в катализаторе гидролиза и/или температуры выхлопных газов, причем ход температуры определяют в зависимости от эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, например, количества впрыскиваемого топлива, и/или давления выхлопных газов, и/или давления наддува, и/или температуры масла, и/или температуры охладителя мотора, и/или температуры окружающей среды, и/или числа оборотов двигателя, и/или дозируемого количества восстановителя в рекомендуемом двигателе внутреннего сгорания, и при наличии определенных эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания и/или их временной последовательности при помощи логической связи с записанными значениями характеристических кривых или значениями универсальных характеристик, или математических функций, или нейронных полей косвенно определяют температуру катализатора гидролиза и/или температуру выхлопных газов перед и/или после катализатора гидролиза.
9. Устройство для осуществления способа по одному из п.п.1-8, причем выше по потоку СКВ-катализатора (9) от потока (2) выхлопных газов ответвляется меньший по сравнению с ним частичный поток (3, 3') выхлопных газов, в котором расположен дозатор (17) для подачи восстановителя и ниже него по потоку - катализатор (16) гидролиза, причем частичный поток (3, 3') выхлопных газов ниже по потоку катализатора (16) гидролиза и выше по потоку СКВ-катализатора (9) возвращен в поток (2) выхлопных газов, причем в частичном потоке (3, 3') выхлопных газов расположено дросселирующее устройство (12), и дросселирующее устройство (12) выполнено с возможностью управления при помощи приводного устройства (13), управляемого блоком (4) управления посредством управляющего сигнала, отличающееся тем, что ответвление частичного потока (3') выхлопных газов от потока (2) выхлопных газов расположено выше по потоку турбины (19), по меньшей мере, одного работающего на отработавших газах турбонагнетателя (20), и возвращение частичного потока (3') выхлопных газов в поток (2) выхлопных газов происходит ниже по потоку, по меньшей мере, одной турбины (19), по меньшей мере, одного турбонагнетателя (20).
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что СКВ-катализатор в качестве активных компонентов содержит ванадий, и/или пентаоксид ванадия, и/или диоксид титана, и/или оксид вольфрама, и/или медьсодержащие цеолиты, и/или железосодержащие цеолиты, и/или кобальтсодержащие цеолиты.
11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что выше по потоку СКВ-катализатора расположен катализатор (8) окисления для образования NO2.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что катализатор окисления в качестве активных компонентов содержит платину, и/или палладий, и/или родий, и/или их оксиды, и/или цеолиты.
13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что выше или ниже по потоку СКВ-катализатора расположено устройство для отделения частиц из выхлопного газа.
14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что катализатор гидролиза в качестве активных компонентов содержит титан, и/или кремний, и/или ванадий, и/или вольфрам, и/или их оксиды, и/или цеолиты.
15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что СКВ-катализатор и устройство для отделения частиц расположены ниже по потоку возвращения частичного потока выхлопных газов в поток выхлопных газов.
16. Устройство по п.9, отличающееся тем, что катализатор для гидролиза одновременно характеризуется восстановительной активностью для оксидов азота с помощью аммиака.
17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что управляющий сигнал образован из сигналов датчиков, которые получены в зависимости от количества впрыскиваемого топлива, и/или давления выхлопных газов, и/или давления наддува, и/или температуры масла, и/или температуры охладителя мотора, и/или температуры окружающей среды, и/или числа оборотов двигателя, и/или дозируемого количества восстановителя, и/или температуры выхлопных газов, и/или температуры катализатора гидролиза и зарегистрированы и логически объединены с помощью блока (4) управления.
| EP 1052009 A1, 15.11.2000 | |||
| US 5693300 A, 02.12.1997 | |||
| US 6805849 B1, 19.10.2004 | |||
| DE 4038054 A1, 04.06.1992 | |||
| JP 2007113434 A, 10.05.2007 | |||
| EP 1431533 A2, 05.11.2003. |
