СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F01N3/08 F01N3/20 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Топливо и смазочное масло, которые используют в двигателе внутреннего сгорания, содержат серу. Поэтому выхлопные газы содержат SO_x. В этом отношении эти SO_x действуют так, что значительно сокращают производительность и срок службы катализатора для очистки выхлопных газов и других устройств для дополнительной обработки, которые находятся внутри выхлопного патрубка двигателя. Поэтому SO_x предпочтительно удаляют из выхлопных газов.

В этой связи известен двигатель внутреннего сгорания, в котором внутри выхлопного патрубка двигателя размещают каталитический SO_x-нейтрализатор, который может улавливать SO_x, содержащиеся в выхлопных газах (см. WO 2008/004493 A1 (далее - Документ 1)). Внутри этого каталитического SO_x-нейтрализатора главным образом размещают щелочной металл, диспергированный на носителе. Когда воздушно-топливное отношение в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор, является обедненным, SO_x, которые содержатся в выхлопных газах, реагируют с нитратами, которые присутствуют в поверхностной части каталитического SO_x-нейтрализатора, и улавливаются в форме сульфатов. С другой стороны, в этом двигателе внутреннего сгорания, когда количество сульфатов в поверхностной части каталитического SO_x-нейтрализатора начинает нарастать и скорость поглощения SO_x начинает падать, температуру каталитического SO_x-нейтрализатора удерживают на уровне температуры плавления нитратов щелочного металла или выше, так что нитраты внутри каталитического SO_x-нейтрализатора перемещаются к поверхности каталитического SO_x-нейтрализатора и там концентрируются. Если нитраты концентрируются на поверхности каталитического SO_x-нейтрализатора, SO₂ в выхлопных газах реагирует с концентрированными нитратами и хорошо поглощается в форме сульфатов. Благодаря этому восстанавливается скорость улавливания NO_x.

Техническая проблема

Однако в этом каталитическом SO_x-нейтрализаторе поверхностная часть катализатора покрывается сульфатами и тем самым блокируется сульфатами, так что SO₂ в выхлопных газах уже больше не может диффундировать внутрь каталитического SO_x-нейтрализатора. В результате этого несмотря на то, что каталитический SO_x-нейтрализатор продолжает иметь достаточный объем поглощения, SO₂ больше не может улавливаться, и поэтому возникает проблема в том, что объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора не может быть эффективно использован.

Тем самым объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора нельзя в достаточной мере использовать, поскольку SO₂, который содержится в выхлопных газах, окисляется на поверхности каталитического SO_x-нейтрализатора и улавливается в форме сульфатов на поверхностной части каталитического SO_x-нейтрализатора. В этом случае, если SO₂ не имеет возможности окисляться на поверхности каталитического SO_x-нейтрализатора, этот SO₂ не будет реагировать с нитратами и, следовательно, больше не будет поглощаться на поверхностной части каталитического SO_x-нейтрализатора в форме сульфатов, так что этот SO₂ может диспергироваться внутри каталитического SO_x-нейтрализатора. Поэтому в данном случае, если SO₂ диспергируется внутри каталитического SO_x-нейтрализатора, а затем SO₂ поглощается в форме сульфатов, объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора может быть использован в достаточной степени.

Решение проблемы

Поэтому в настоящем изобретении каталитический SO_x-нейтрализатор для поглощения SO_x, содержащихся в выхлопных газах, размещают в выхлопном патрубке двигателя, причем каталитический SO_x-нейтрализатор содержит оксидные SO₂-адсорбенты, которые могут поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, и SO_x-аккумулирующий материал, который может сохранять SO_x в форме сульфатов, причем каталитический SO_x-нейтрализатор имеет свойство, состоящее в способности поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, на оксидных SO₂-адсорбентах, без его окисления, и имеет свойство, благодаря которому SO₂, адсорбированный на оксидных SO₂-адсорбентах, окисляется и сохраняется в форме сульфатов в SO_x-аккумулирующем материале, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора становится выше, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, где SO₂, адсорбированный оксидными SO₂-адсорбентами, начинает перемещаться в сторону SO_x-аккумулирующего материала, и во время работы двигателя температура каталитического SO_x-нейтрализатора многократно изменяется от меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, до более высокой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂.

Преимущественные результаты изобретения

Можно в достаточной степени использовать объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора для улавливания SO_x.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.2 - увеличенный вид в поперечном сечении каталитического SO_x-нейтрализатора;

Фиг.3 - увеличенный вид в поперечном сечении части А по фиг.2;

Фиг.4 - вид, иллюстрирующий процесс адсорбции SO₂;

Фиг.5 - вид, показывающий скорость перемещения SO₂ и долю расплавленного KNO₃;

Фиг.6 - вид, показывающий покровный слой каталитического SO_x-нейтрализатора;

Фиг.7 - временная диаграмма, иллюстрирующая регулирование повышения температуры каталитического SO_x-нейтрализатора;

Фиг.8 - вид, показывающий матрицу количества SO_x (SOXA), выбрасываемого в единицу времени;

Фиг.9 - блок-схема для регулирования улавливания SO_x;

Фиг.10 - общий вид, показывающий еще один вариант исполнения двигателя внутреннего сгорания типа двигателя с воспламенением от сжатия;

Фиг.11 - временная диаграмма, показывающая управление работой переключающего клапана;

Фиг.12 - блок-схема управления переключающим клапаном;

Фиг.13 - временная диаграмма, показывающая изменения концентрации кислорода;

Фиг.14 - блок-схема регулирования концентрации кислорода;

Фиг.15 - общий вид, показывающий еще один дополнительный вариант исполнения двигателя внутреннего сгорания типа двигателя с воспламенением от сжатия; и

Фиг.16 - блок-схема регулирования концентрации кислорода.

Описание вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 представляет общий вид двигателя внутреннего сгорания типа двигателя с воспламенением от сжатия.

На фиг.1 ссылочной позицией 1 обозначен картер двигателя, 2 - камера сгорания каждого цилиндра, 3 - топливный инжектор с электронным управлением для впрыскивания топлива в каждую камеру 2 сгорания, 4 - впускной коллектор и 5 - выпускной коллектор. Впускной коллектор 4 через воздухозаборный канал 6 соединен с выпускным каналом компрессора 7а турбонагнетателя 7, приводимого в действие выхлопными газами, тогда как впускной канал компрессора 7а через датчик 8 массового расхода воздуха соединен с воздухоочистителем 9. Внутри воздухозаборного канала 6 размещают дроссельную заслонку 10 с приводом от шагового двигателя. Кроме того, вокруг воздухозаборного канала 6 размещают охлаждающее устройство 11 для охлаждения поступающего воздуха, который протекает внутри воздухозаборного канала 6. В варианте исполнения, показанном на фиг.1, охлаждающую двигатель воду направляют внутрь охлаждающего устройства 11, где охлаждающую двигатель воду используют для охлаждения поступающего воздуха.

С другой стороны, выпускной коллектор 5 соединен с впускным каналом выхлопной турбины 7b турбонагнетателя 7, приводимого в действие выхлопными газами, тогда как выпускной канал выхлопной турбины 7b соединен с впускным каналом окислительного нейтрализатора 12. Выпускной канал окислительного нейтрализатора 12 соединен с впускным каналом каталитического SO_x-нейтрализатора 13, тогда как выпускной канал каталитического SO_x-нейтрализатора 13 соединен с впускным каналом каталитического нейтрализатора 14 хранения оксидов азота (NO_x).

Выпускной коллектор 5 и впускной коллектор 4 соединены друг с другом через патрубок 15 рециркуляции выхлопных газов (ниже называемой “EGR”). Внутри EGR-патрубка 15 размещают регулировочный EGR-клапан 16 с электронным управлением. Кроме того, вокруг EGR-патрубка 15 размещают охлаждающее устройство 17 для охлаждения EGR-газа, который протекает внутри EGR-патрубка 15. В варианте исполнения, показанном на фиг.1, охлаждающую двигатель воду направляют внутрь охлаждающего устройства 17, где охлаждающую двигатель воду используют для охлаждения EGR-газа. С другой стороны, каждый топливный инжектор 3 через питающий топливопровод 18 соединяют с общей топливной магистралью 19. В эту общую топливную магистраль 19 подают топливо от топливного плунжерного насоса 20 переменной подачи с электронным управлением. Топливо, которое подается внутрь общей топливной магистрали 19, нагнетается по каждому питающему топливопроводу 18 к топливному инжектору 3.

Электронное управляющее устройство 30 состоит из цифрового компьютера, оснащенного ПЗУ (постоянным запоминающим устройством) 32, ОЗУ (оперативным запоминающим устройством) 33, ЦП (микропроцессором) 34, входным портом 35 и выходным портом 36, которые соединены между собой двунаправленной шиной 31. Каталитический SO_x-нейтрализатор 13 имеет температурный датчик 21, присоединенный к нему, для детектирования температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Выходные сигналы этого температурного датчика 21 и датчика 8 массового расхода воздуха через соответствующие аналого-цифровые (AD) преобразователи 37 поступают на входной порт 35.

Педаль 40 акселератора имеет соединенный с нею датчик 41 нагрузки, который генерирует выходное напряжение, пропорциональное степени L нажатия на педаль 40 акселератора. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки через соответствующий AD-преобразователь 37 поступает на входной порт 35. Кроме того, с входным портом 35 соединен датчик 42 угла поворота кривошипа, который генерирует выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал поворачивается, например, на 15°. С другой стороны, выходной порт 36 через соответствующие управляющие схемы 38 соединен с каждым топливным инжектором 3, шаговым двигателем для привода дроссельной заслонки 10, регулировочным EGR-клапаном 16 и топливным насосом 20.

Теперь в двигателе внутреннего сгорания типа двигателя с воспламенением от сжатия воздушно-топливное отношение в выхлопных газах, которые выпускаются из двигателя, обычно является обедненным. В это время NO_x, которые содержатся в выхлопных газах, удерживаются в каталитическом нейтрализаторе 14 хранения NO_x. С другой стороны, если количество NO_x, удерживаемых в каталитическом нейтрализаторе 14 хранения NO_x, достигает насыщения, воздушно-топливное отношение в выхлопных газах, которые выпускаются из двигателя, временно становится обогащенным. Вследствие этого NO_x, которые удерживаются в каталитическом нейтрализаторе 14 хранения NO_x, высвобождаются и восстанавливаются.

В этом случае, если выхлопные газы, которые протекают в каталитический нейтрализатор 14 хранения NO_x, содержат SO_x, то эти SO_x удерживаются в каталитическом нейтрализаторе 14 хранения NO_x. В результате количество NO_x, которое может удерживаться в каталитическом нейтрализаторе 14 хранения NO_x, постепенно сокращается, и, в конце концов, NO_x больше не могут удерживаться. То есть происходит отравление каталитического нейтрализатора 14 хранения NO_x оксидами серы (SO_x). Поэтому в варианте исполнения, показанном на фиг.1, предупреждают отравление каталитического нейтрализатора 14 хранения NO_x оксидами серы (SO_x) тем, что выше по потоку относительно каталитического нейтрализатора 14 хранения NO_x размещают каталитический SO_x-нейтрализатор 13.

Фиг.2 представляет увеличенный вид в поперечном сечении каталитического SO_x-нейтрализатора 13 в разрезе перпендикулярно направлению течения выхлопных газов. На фиг.2 ссылочной позицией 50 обозначена подложка со структурой в виде пчелиных сот, которую формируют, например, из кордиерита. Посредством этой подложки 50 образуется большое число протоков 51 для выхлопных газов, протяженных прямолинейно по направлению течения выхлопных газов. Поверхности внутреннего периметра подложки 50, определяющие протоки 51 для выхлопных газов, имеют сформированные на них покровные слои 52. Увеличенный вид поперечного сечения покровного слоя 52 в части, показанной стрелкой А на фиг.2, изображен на фиг.3.

Как показано на фиг.3, в этом варианте исполнения согласно настоящему изобретению покровный слой 52 формируют из носителя 54 катализатора, который имеет бесчисленные поры 53. В данном варианте исполнения этот носитель 54 катализатора на 90 процентов или более состоит из оксида церия СеО₂. С другой стороны, поверхности пор 53, как показано черными точками, имеют бесчисленное количество частиц SO_x-аккумулирующего материала 55, диспергированного на нем как на носителе. В качестве ингредиентов, образующих этот SO_x-аккумулирующий материал 55, используют по меньшей мере один ингредиент, выбранный из щелочного металла, такого как калий К, натрий Na и цезий Cs, и щелочноземельного металла, такого как барий Ва и кальций Са. В примере, показанном на фиг.3, в качестве ингредиентов, составляющих SO_x-аккумулирующий материал 55, применяют барий Ва и калий K.

Фиг.4(А) и 4(В) иллюстрируют поверхностную часть поры, то есть часть поверхности носителя 54 катализатора. Если на носитель 54 катализатора нанесены барий Ва и калий K, эти барий Ва и калий K связываются с СО₂ в атмосфере и превращаются в карбонаты ВаСО₃ и K₂CO₃. Поэтому, как показано на фиг.4(А), SO_x-аккумулирующий материал 55, который наносят на носитель 54 катализатора, принимает форму карбонатов ВаСО₃ и K₂CO₃.

Далее со ссылкой на фиг.4(А) и 4(В) будет разъяснен механизм улавливания SO_x согласно настоящему изобретению.

Большую часть SO_x, которые содержатся в выхлопных газах, составляет SO₂. Если этот SO₂ контактирует с платиной или другим катализатором на основе благородного металла, он окисляется и превращается в SO₃. SO₂, пока он существует как SO₂, не будет реагировать с карбонатами ВаСО₃ и K₂CO₃. Если же SO₂ окисляется и превращается в SO₃, он реагирует с карбонатами и превращается в сульфаты. То есть, если SO₂ окисляется, он удерживается в SO_x-аккумулирующем материале 55 в форме сульфатов.

Однако, как показано на фиг.3, в этом варианте осуществления настоящего изобретения носитель 54 катализатора не содержит катализатора на основе благородного металла, такого как платина, способного окислять SO₂. Поэтому SO₂, который содержится в выхлопных газах, поступает в поры 53, не будучи окисленным. С другой стороны, выхлопные газы переходят в состояние с избытком кислорода. Поэтому церий Се, составляющий носитель 54 катализатора, как показано на фиг.4(А), принимает форму СеО₂.

SO₂ и оксид церия СеО₂ легко связываются электрическим взаимодействием, поэтому если SO₂, который поступает в поры 53, встречается с оксидом церия СеО₂, то, как показано на фиг.4(А), SO₂ химически адсорбируется на оксиде церия СеО₂. То есть SO₂, который поступает в поры 53, химически адсорбируется на носителе 54 катализатора внутри пор 53. В этом случае представляется, что SO₂ последовательно химически адсорбируется на носителе 54 катализатора от входов в поры 53 в сторону их более глубоких частей. Поэтому, в конце концов, SO₂ химически адсорбируется на носителе 54 катализатора вниз до самых глубоких частей пор 53. Экспериментально подтверждено, что этим путем SO₂ адсорбируется на носителе 54 катализатора, состоящем из оксида церия СеО₂.

С другой стороны, если в состоянии с SO₂, химически адсорбированным на носителе 54 катализатора, температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 повышается до уровня около 200°С или выше, экспериментально подтверждено, что SO₂ выделяется и образуются сульфаты BaSO₄ и K₂SO₄. В этом случае процесс, в ходе которого SO₂, будучи химически связанным с оксидом церия СеО₂, превращается в сульфаты BaSO₄ и K₂SO₄, неясен, но, возможно, протекает следующая реакция.

То есть, если температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 повышается до уровня около 200°С или выше, SO₂, который химически адсорбирован на оксиде церия СеО₂, отнимает кислород от оксида церия СеО₂ и превращается в SO₃ и затем в SO₄. Церий Се, от которого был отнят кислород, восстанавливается с изменением валентности от четырехвалентного до трехвалентного и превращается в оксид церия Се₂О₃. С другой стороны, образовавшийся кислотный SO₄, как показано на фиг.4В, немедленно перемещается к ближайшему основному SO_x-аккумулирующему материалу 55 или перемещается на оксид церия, а затем достигает SO_x-аккумулирующего материала 55. Серная кислота SO₄ имеет более высокую кислотность, чем угольная кислота СО₃, и поэтому если SO₄ достигает карбонатов ВаСО₃ и K₂CO₃, то угольная кислота СО₃, которая связана с барием Ва или калием K, вытесняется серной кислотой SO₄ так, что в покровном слое 52 образуются сульфаты BaSO₄ и K₂SO₄.

Сульфаты BaSO₄ и K₂SO₄ являются стабильными и не склонными к разложению. Поэтому, как только сульфаты образовались, сульфаты удерживаются внутри покровного слоя 52 как таковые в виде сульфатов. То есть SO₂ улавливается внутри каталитического SO_x-нейтрализатора 13 в форме сульфатов. В настоящем изобретении SO₂, который поступает в поры 53, распределяется по широкому диапазону пор 53 и химически адсорбируется на носителе 54 катализатора, так что SO_x-аккумулирующий материал 55, который диспергирован в порах 53, полностью используется для хранения SO₂. Поэтому объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора 13 может быть использован в достаточной степени.

Как было разъяснено выше, представляется, что, если температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превышает 200°С, химически адсорбированный SO₂ начинает перемещаться к SO_x-аккумулирующему материалу 55. Фиг.5(А) показывает выведенную из экспериментов взаимосвязь между скоростью перемещения SO₂ и температурой TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Из фиг.5(А) будет понятно, что, когда температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 составляет около 200°С или менее, перемещение адсорбированного SO₂ к SO_x-аккумулирующему материалу 55 почти отсутствует, и что, если температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превышает уровень около 200°С, по существу весь адсорбированный SO₂ перемещается к SO_x-аккумулирующему материалу 55.

Температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13, когда адсорбированный SO₂ начинает перемещаться к SO_x-аккумулирующему материалу 55, в настоящем описании называется начальной температурой перемещения адсорбированного SO₂. Эта начальная температура перемещения адсорбированного SO₂ представляет собой температуру, определенную на основе энергии химической адсорбции SO₂. В этом варианте осуществления настоящего изобретения эта начальная температура перемещения адсорбированного SO₂ составляет около 200°С, как будет понятно из фиг.5(А).

Теперь, чтобы обеспечить возможность надлежащим образом химически адсорбировать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, предпочтительно формировать носитель 54 катализатора из способного адсорбировать и высвобождать кислород материала, который изменяет свое состояние окисления в выхлопных газах, такого как оксид церия. Можно также использовать железо Fe в дополнение к церию Се как металлу, формирующему такой адсорбирующий и высвобождающий кислород материал. Это железо Fe также принимает два состояния окисления FeO и Fe₂O₃, которые различаются по валентности в выхлопных газах.

Кроме того, вместо оксида металла, такого как оксид церия или оксид железа, также можно применять палладий Pd, который принимает два состояния окисления Pd и PdO, различающиеся по валентности в выхлопных газах. Кроме того, также можно использовать оксид алюминия Al₂O₃, который не изменяет валентности в выхлопных газах, но проявляет способность адсорбировать SO₂.

То есть, если иметь в виду включение всех из них, то в настоящем изобретении для адсорбирования SO₂ используют адсорбенты SO₂ на основе оксидов, которые способны поглощать SO₂. В этом варианте осуществления настоящего изобретения оксидные SO₂-адсорбенты состоят из оксидов металлов. Как было разъяснено выше, оксиды металлов предпочтительно состоят из адсорбирующего и высвобождающего кислород материала, который изменяет состояние окисления в выхлопных газах.

Когда в качестве оксидных SO₂-адсорбентов используют оксид церия и на долю этого оксида церия приходятся 90 или более процентов носителя 54 катализатора, как было разъяснено выше, начальная температура перемещения адсорбированного SO₂ становится равной примерно 200°С. Однако эта начальная температура перемещения адсорбированного SO₂ изменяется в зависимости от применяемых оксидных SO₂-адсорбентов и используемого количества. Кроме того, в зависимости от применяемых оксидных SO₂-адсорбентов и используемого количества степень перемещения SO₂ увеличивается не быстро и медленно возрастает, как показано на фиг.5(А), относительно роста температуры TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13. В этом случае начальной температурой перемещения адсорбированного SO₂ считают температуру TC катализатора, когда скорость перемещения SO₂ увеличивается до определенного уровня, например до 50 процентов. То есть в настоящем изобретении начальной температурой перемещения адсорбированного SO₂ является температура, которая предварительно задана как температура, наиболее пригодная в качестве температуры, представляющей начальную температуру перемещения адсорбированного SO₂. Эта начальная температура перемещения адсорбированного SO₂ изменяется разнообразными путями в соответствии с используемыми оксидными адсорбентами и применяемым количеством.

С другой стороны, как было разъяснено выше, в этом варианте осуществления настоящего изобретения на носитель 54 катализатора не наносят катализатор из благородного металла, такого как платина, способный окислять SO₂. Однако даже если окисляется небольшое количество SO₂, когда объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора 13 может быть использован в достаточной мере, то можно на носитель 54 катализатора наносить катализатор из благородного металла, такой как небольшое количество платины.

Когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 является меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, SO₂ продолжает адсорбироваться на оксидных SO₂-адсорбентах, то есть носителе 54 катализатора. В противоположность этому, если температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 повышается до уровня выше, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, адсорбированный SO₂ преобразуется в сульфаты.

Если адсорбированный SO₂ преобразуется в сульфаты, количество адсорбированного SO₂ обращается в нуль и оксид церия постепенно изменяется от Се₂О₃ до СеО₂. Когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 является более высокой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, то представляется, что SO₂ начинает перемещаться и превращаться в сульфаты сразу же, как только начинает адсорбироваться на носителе 54 катализатора. Если температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превышает начальную температуру перемещения адсорбированного SO₂, а затем становится меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, процесс адсорбции SO₂ на носителе 54 катализатора возобновляется.

Таким образом, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 является более низкой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, адсорбированный на носителе 54 катализатора SO₂ преобразуется в сульфаты тогда, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 становится более высокой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂. Этот процесс преобразования адсорбированного SO₂ в сульфаты повторяется, и SO₂ в выхлопных газах улавливается в форме сульфатов на каталитическом SO_x-нейтрализаторе 13. Повторение процесса преобразования адсорбированного SO₂ в сульфаты для обеспечения непрерывного поглощения SO₂ из выхлопных газов в каталитическом SO_x-нейтрализаторе 13 представляет собой один признак настоящего изобретения.

То есть в настоящем изобретении каталитический SO_x-нейтрализатор 13 содержит оксидные SO₂-адсорбенты 54, которые могут поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, и SO_x-аккумулирующий материал 55, который может удерживать SO_x в форме сульфатов, причем каталитический SO_x-нейтрализатор 13 имеет свойство, состоящее в способности адсорбировать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, на оксидных SO₂-адсорбентах 54 без его окисления, и имеет свойство, благодаря которому SO₂, адсорбированный на оксидных SO₂-адсорбентах 54, окисляется и удерживается в форме сульфатов в SO_x-аккумулирующем материале 55, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 становится более высокой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, где SO₂, адсорбированный на оксидных SO₂-адсорбентах 54, начинает перемещаться к SO_x-аккумулирующему материалу 55, и во время работы двигателя температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 многократно изменяется от меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, до большей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂.

В этом отношении количество NO_x в выхлопных газах является гораздо более высоким, чем количество SO_x. Поэтому NO_x, которые адсорбируются на носителе 54 катализатора, могут реагировать с карбонатами BaSO₄ и K₂SO₄ в покровном слое 52. В этом случае карбонаты BaSO₄ и K₂SO₄ соответственно превращаются в нитраты Ba(NO₃)₂ и KNO₃. В этом отношении в данном случае, если карбонаты щелочного металла превращаются в нитраты, температура плавления значительно снижается. Например, если иметь в виду калий K, температура плавления K₂CO₃ составляет 891°С, тогда как температура плавления KNO₃ становится равной 333°С. В порядке примечания, температура плавления K₂SO₄ является исключительно высокой на уровне 1069°С.

Фиг.5(В) показывает взаимосвязь между долей расплавленных нитратов KNO₃ и температурой TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Как будет понятно из фиг.5(В), нитраты KNO₃ становятся расплавленными в состоянии, если температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 достигает 333°С или выше. Однако, если каталитический SO_x-нейтрализатор 13 тем самым переходит в расплавленное состояние, когда на поверхностной части покровного слоя 52 образуется большое количество ионов SO₄ ^2- серной кислоты, существует опасность того, что нитраты KNO₃ будут перемещаться к поверхностной части покровного слоя 52 и концентрироваться на поверхностной части покровного слоя 52. Если нитраты концентрируются на поверхностной части покровного слоя 52 таким образом, возникает проблема, что поверхностная часть покровного слоя 52 будет покрываться сульфатами, так что SO₂ из выхлопных газов больше не сможет поступать в поры 53. Поэтому можно упомянуть, что предпочтительно поддерживать температуру каталитического SO_x-нейтрализатора 13 на уровне 333°C или менее, то есть при температуре плавления или ниже температуры плавления нитратов щелочного металла, образовавшихся внутри покровного слоя 52.

Фиг.6(А) и 6(В) показывают модификацию покровного слоя 52. В этой модификации, по сравнению с поверхностной стороной покровного слоя 52, глубжележащие части покровного слоя 52 имеют повышенную основность. То есть, чтобы в достаточной мере использовать объем поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора 13, необходимо, чтобы SO₂ из выхлопных газов проникал настолько, насколько это возможно, к глубжележащим частям внутри пор 53. С другой стороны, кислотный SO₂ увлекается по направлению к более высокой основности. Поэтому в модификации, показанной на фиг.6(А), основность все более усиливается в сторону глубжележащих частей покровного слоя 52. Следует отметить, что затенение на фиг.6(А) показывает плотность SO_x-аккумулирующего материала 55. Поэтому в модификации, показанной на фиг.6(А), основность все больше усиливается в сторону глубжележащих частей покровного слоя 52.

В модификации, показанной на фиг.6(В), покровный слой 52 состоит из верхнего слоя 52а и нижнего слоя 52b. Нижний слой 52b делают более основным, чем верхний слой 52а. В модификации, показанной на фиг.6(В), внутри верхнего слоя 52а диспергирован щелочноземельный металл, например барий Ва, тогда как внутри нижнего слоя 52b распределен щелочной металл, более основный, чем щелочноземельный металл, например калий K. Следует отметить, что в модификации, показанной на фиг.6(В), когда формируют нижний слой 52b, включающий калий К, а затем формируют верхний слой 52а, содержащий барий Ва, то часть бария Ва проникает внутрь нижнего слоя 52b, так что нижний слой 52b включает барий Ва в дополнение к калию К.

На фиг.7-9 показан один пример регулирования поглощения SO₂. Прежде всего на фиг.7 показано изменение температуры TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13, изменение степени ΣSOX адсорбции SO₂, который адсорбируется на носителе 54 катализатора каталитического SO_x-нейтрализатора 13, и временной режим регулирования возрастания температуры для повышения температуры TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Следует отметить, что на фиг.7 «ТХ» показывает начальную температуру перемещения адсорбированного SO₂, тогда как «SW» показывает значение допустимого предела степени адсорбции SO₂.

Степень ΣSOX адсорбции SO₂ рассчитывают совокупным суммированием количества SOXA SO_x, которое выбрасывается двигателем в единицу времени. Это количество SOXA SO_x, например, заблаговременно сохраняют в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) 32 как функцию нагрузки L двигателя и скорости N двигателя в форме матрицы, как показано на фиг.8. Кроме того, проводят регулирование возрастания температуры, например, путем повышения температуры выхлопа впрыскиванием дополнительного топлива внутрь камеры 2 сгорания в дополнение к основному топливу или с запаздыванием момента впрыска основного топлива.

Как показано моментом времени t₁ на фиг.7, когда степень ΣSOX адсорбции SO₂ представляет собой значение «SW» допустимого предела или менее, если температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превышает начальную температуру «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂, степень ΣSOX адсорбции SO₂ сводится к нулю, то степень ΣSOX адсорбции SO₂ поддерживается на нулевом уровне, тогда как температура TC катализатора представляет собой начальную температуру «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂ или более высокую. С другой стороны, как показано моментом времени t₂ на фиг.7, когда температура TC катализатора представляет собой начальную температуру «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂ или более низкую, если степень ΣSOX адсорбции SO₂ превышает значение «SW» допустимого предела, то степень поглощения SO₂ достигает насыщения, так что адсорбированный SO₂ должен преобразовываться в сульфаты. Поэтому в этот момент проводят регулирование возрастания температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13 до тех пор, пока температура TC катализатора не превысит начальную температуру «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂.

То есть в этом регулировании улавливания SO₂, когда температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 не превышает начальной температуры «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂ в течение предварительно заданного периода времени, проводят действие возрастания температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13, чтобы температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превысила начальную температуру «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂. В этом случае в примере, показанном на фиг.7, вышеупомянутый предварительно заданный период времени представляет собой период времени от момента, когда степень ΣSOX адсорбции SO₂ начинает возрастать, до момента, когда достигается значение «SW» допустимого предела. То есть в примере, показанном на фиг.7, предусмотрено расчетное средство для расчета степени ΣSOX адсорбции SO₂. Когда расчетная степень ΣSOX адсорбции SO₂ превышает предварительно заданное значение «SW» допустимого предела, выполняют действие возрастания температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13.

Фиг.9 показывает методику регулирования улавливания SO_x. Следует отметить, что эту методику исполняют с паузой в каждое предварительно заданное время.

Как показано на фиг.9, во-первых, на стадии 60 рассчитывают количество SOXA оксидов серы (SO_x), выбрасываемых в единицу времени, показанное на фиг.8. Затем на стадии 61 степень ΣSOX адсорбции SO₂ повышают на значение SOXA. Затем на стадии 62 оценивают, есть ли индикатор возрастания температуры, который устанавливают, когда регулируют возрастание температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Когда индикатор возрастания температуры не установлен, исполняют методику до стадии 63, где оценивают, является ли температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 более высокой, чем начальная температура «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂. Когда TC>TX, исполняют методику до стадии 64, где выявляют ΣSOX.

В противоположность этому, когда на стадии 63 приходят к выводу, что TC≤TX, методику исполняют до стадии 65, где оценивают, превышает ли степень ΣSOX адсорбции SO₂ значение «SW» допустимого предела. Когда ΣSOX>SW, методику исполняют до стадии 66, где устанавливают индикатор возрастания температуры. Если индикатор возрастания температуры установлен, в следующем цикле обработки методику исполняют от стадии 62 до стадии 67, где выполняют регулирование возрастания температуры каталитического SO_x-нейтрализатора 13. Затем на стадии 68 оценивают, стала ли температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 выше, чем начальная температура «ТХ» перемещения адсорбированного SO₂. Когда TC>TX, исполняют методику до стадии 69, где выявляют ΣSOX, затем на стадии 70 переустанавливают индикатор возрастания температуры.

На фиг.10-12 показан еще один вариант исполнения изобретения. Как было разъяснено выше, если нитраты щелочного металла, сформированные в покровном слое 52, переходят в расплавленное состояние, то существует опасность того, что будет закрыт доступ SO₂ в поры 53. Поэтому температуру каталитического SO_x-нейтрализатора 13 предпочтительно поддерживают на уровне температуры плавления нитратов щелочного металла или более низкой. Поэтому в данном варианте исполнения, когда в качестве SO_x-аккумулирующего материала 55 используют щелочной металл, температуру каталитического SO_x-нейтрализатора 13 поддерживают на уровне температуры плавления нитратов щелочного металла или более низкой.

Таким образом, чтобы поддерживать температуру каталитического SO_x-нейтрализатора 13 на уровне температуры плавления нитратов щелочного металла или более низкой, в варианте исполнения, показанном на фиг.10, предусмотрено охлаждающее устройство 75 для охлаждения выхлопных газов, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 превышает температуру плавления нитратов щелочного металла или могла бы превышать ее.

То есть, как показано на фиг.10, в этом варианте исполнения выхлопную трубу 76, которая соединяет выпускной канал окислительного нейтрализатора 12 и впускной канал каталитического SO_x-нейтрализатора 13, оснащают размещенным внутри нее переключающим клапаном 77. Внутреннюю часть выхлопной трубы 76 выше по потоку относительно переключающего клапана 77 и внутреннюю часть выхлопной трубы 76 ниже по потоку относительно переключающего клапана 77 соединяют перепускной трубой 78. Эту перепускную трубу 78 размещают так, чтобы она охлаждалась потоком воздуха. Для усиления охлаждающего действия потоком воздуха на наружной поверхности перепускной трубы 78 создают ребра 79. В варианте исполнения, показанном на фиг.10, эта перепускная труба 78 формирует охлаждающее устройство 75.

Фиг.11 показывает изменения температуры TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 и действия открывания и закрывания переключающего клапана 77. Следует отметить, что на фиг.11 «MT» показывает максимальную допустимую температуру, которая является немного ниже, чем температура плавления нитратов щелочного металла, то есть в варианте осуществления настоящего изобретения максимальная допустимая температура является слегка более низкой, чем температура плавления 333°С нитратов калия K. Как показано на фиг.11, когда температура TC катализатора является более низкой, чем максимальная допустимая температура MT, переключающий клапан 77 открывается, как показано на фиг.10. В это время выхлопные газы не протекают через внутреннюю часть перепускной трубы 78, но протекают через внутреннюю часть выхлопной трубы 76 и проходят внутри каталитического SO_x-нейтрализатора 13. В противоположность этому, если температура TC катализатора становится выше, чем максимальная допустимая температура MT, переключающий клапан 77 закрывается. В это время выхлопные газы протекают через перепускную трубу 78 и охлаждаются, затем проходят в каталитический SO_x-нейтрализатор 13.

Фиг.12 показывает методику управления переключающим клапаном. Как показано на фиг.12, во-первых, на стадии 80 оценивают, является ли температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 более высокой, чем максимальная допустимая температура MT. Когда TC≤MT, методику исполняют до стадии 81, где переключающий клапан 77 открывается. В противоположность этому, когда TC>MT, методику исполняют до стадии 82, где переключающий клапан 77 закрывается.

Фиг.13 показывает еще один вариант исполнения изобретения. На фиг.13 показаны изменения температуры TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 и изменения концентрации кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13. Как показано на фиг.13, в этом варианте исполнения, когда температура TC катализатора является более низкой, чем начальная температура ТХ перемещения адсорбированного SO₂, концентрация кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13, повышается в точности на ΔD.

То есть SO₂ в выхлопных газах электрически связывается с кислородом в носителе 54 катализатора, чтобы тем самым химически адсорбироваться на носителе 54 катализатора, так что чем сильнее повышается концентрация кислорода в носителе 54 катализатора, тем значительнее стимулируется адсорбционное действие в отношении SO₂. В этом случае концентрация кислорода в носителе 54 катализатора возрастает тем больше, чем выше концентрация кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13. Например, когда носитель 54 катализатора формируют из церия Се, оксид церия изменяется от Се₂О₃ до СеО₂, который имеет тем более высокую адсорбционную способность в отношении SO₂, чем выше концентрация кислорода в выхлопных газах.

Поэтому в этом варианте исполнения, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора 13 представляет собой начальную температуру ТХ перемещения адсорбированного SO₂ или меньшую, концентрацию кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13, повышают для стимулирования адсорбирующего действия в отношении SO₂.

Фиг.14 показывает пример методики регулирования концентрации кислорода, где, как показано на фиг.13, когда температура TC катализатора является меньшей, чем начальная температура ТХ перемещения адсорбированного SO₂, повышают концентрацию кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13.

Как показано на фиг.14, во-первых, на стадии 85 оценивают, является ли температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 более высокой, нежели начальная температура ТХ перемещения адсорбированного SO₂. Когда TC>TX, методику исполняют до стадии 86, где степень открытия регулировочного EGR-клапана 16 регулируют так, чтобы степень EGR становилась соответствующей предварительно заданной степени EGR. В противоположность этому, когда TC≤TX, методику исполняют до стадии 87, где степень EGR снижают или подачу EGR-газа прекращают. Таким образом, если степень EGR сокращают или прекращают подачу EGR-газа, концентрация кислорода в выхлопных газах повышается.

Фиг.15 и 16 показывают еще один пример повышения концентрации кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13, когда, как показано на фиг.13, температура TC катализатора является меньшей, чем начальная температура ТХ перемещения адсорбированного SO₂. В этом примере предусмотрено устройство 90 подачи вторичного воздуха для подведения вторичного воздуха внутрь выхлопной трубы 76 выше по потоку относительно каталитического SO_x-нейтрализатора 13 с использованием воздушного насоса 91. Подачу вторичного воздуха используют для повышения концентрации кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13.

Фиг.16 показывает методику регулирования концентрации кислорода.

Как показано на фиг.16, во-первых, на стадии 95 оценивают, является ли температура TC каталитического SO_x-нейтрализатора 13 более высокой, нежели начальная температура ТХ перемещения адсорбированного SO₂. Когда TC>TX, методику исполняют до стадии 96, где подачу вторичного воздуха прекращают. В противоположность этому, когда TC≤TX, методику исполняют до стадии 97, где подают вторичный воздух, тем самым повышая концентрацию кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор 13.

Перечень ссылочных позиций

4 - Впускной коллектор

5 - Выпускной коллектор

12 - Окислительный нейтрализатор

13 - Каталитический SO_x-нейтрализатор

14 - Каталитический нейтрализатор хранения NO_x

50 - Подложка

51 - Проток для выхлопных газов

52 - Покровный слой

53 - Поры

54 - Носитель катализатора

55 - SO_x-аккумулирующий материал

Изобретение относится к системе очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в котором каталитический SO_x-нейтрализатор (13) для улавливания SO_x, содержащихся в выхлопных газах, содержит адсорбирующий и высвобождающий кислород материал (54), который может поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, и SO_x-аккумулирующий материал (55), который может хранить SO_x в форме сульфатов. SO₂, который содержится в выхлопных газах, химически адсорбируется на адсорбирующем и высвобождающем кислород материале (54) без его окисления. Если температура каталитического SO_x-нейтрализатора (13) становится выше, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, то SO₂, который химически адсорбирован на адсорбирующем и высвобождающем кислород материале (54), окисляется и удерживается в форме сульфатов в SO_x-аккумулирующем материале (55). Техническим результатом изобретения является обеспечение достаточной степени использования объема поглощения каталитического SO_x-нейтрализатора для улавливания SO_x. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в которой каталитический SO_x-нейтрализатор для поглощения SO_x, содержащихся в выхлопных газах, размещают в выхлопном патрубке двигателя, причем каталитический SO_x-нейтрализатор содержит оксидные SO₂-адсорбенты, которые могут поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, и SO_x-аккумулирующий материал, который может сохранять SO_x в форме сульфатов, при этом каталитический SO_x-нейтрализатор имеет свойство, состоящее в способности поглощать SO₂, содержащийся в выхлопных газах, на оксидных SO₂-адсорбентах без окисления, и имеет свойство, благодаря которому SO₂, адсорбированный на оксидных SO₂-адсорбентах, окисляется и сохраняется в форме сульфатов в SO_x-аккумулирующем материале, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора становится выше, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, причем SO₂, адсорбированный на оксидных SO₂-адсорбентах, начинает перемещаться в сторону SO_x-аккумулирующего материала, и во время работы двигателя температура каталитического SO_x-нейтрализатора многократно изменяется от меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, до более высокой, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂.

2. Система по п.1, в которой оксидные SO₂-адсорбенты состоят из оксидов металлов, и оксиды металлов состоят из адсорбирующего и высвобождающего кислород материала, который изменяет состояние окисления в выхлопных газах.

3. Система по п.2, в которой металл, из которого сформирован адсорбирующий и высвобождающий кислород материал, состоит из церия Ce или железа Fe.

4. Система п.1, в которой в качестве ингредиента, образующего указанный SO_x-аккумулирующий материал, используют по меньшей мере один ингредиент, выбранный из щелочного металла, такого как калий K, натрий Na и цезий Cs, и щелочноземельного металла, такого как барий Ba и кальций Ca.

5. Система по п.1, в которой каталитический SO_x-нейтрализатор имеет покровный слой, включающий оксидный SO₂-адсорбент и SO_x-аккумулирующий материал, и повышает основность глубжележащих частей покровного слоя по сравнению с поверхностной стороной покровного слоя.

6. Система по п.1, в которой проводят действие по повышению температуры каталитического SO_x-нейтрализатора, чтобы температура каталитического SO_x-нейтрализатора превысила начальную температуру перемещения адсорбированного SO₂, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора не превышает начальной температуры перемещения адсорбированного SO₂ в течение заданного периода времени.

7. Система по п.6, в которой имеется расчетное средство для расчета степени адсорбции SO₂ на оксидных SO₂-адсорбентах и осуществляется действие по повышению температуры каталитического SO_x-нейтрализатора, когда расчетная степень адсорбции SO₂ превышает заданное значение допустимого предела.

8. Система по п.1, в которой, когда в качестве SO_x-аккумулирующего материала используют щелочной металл, температуру каталитического SO_x-нейтрализатора поддерживают на уровне менее чем температура плавления нитратов щелочного металла.

9. Система по п.8, дополнительно содержащая охлаждающее устройство для охлаждения выхлопных газов, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора превышает или могла бы превышать температуру плавления нитратов щелочного металла.

10. Система по п.1, в которой, когда температура каталитического SO_x-нейтрализатора является меньшей, чем начальная температура перемещения адсорбированного SO₂, повышается концентрация кислорода в выхлопных газах, которые протекают в каталитический SO_x-нейтрализатор, для стимулирования адсорбирующего действия в отношении SO₂.