СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F01N3/08 F01N3/24 B01D53/94 

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

В данной области техники известен двигатель внутреннего сгорания, в котором, в выпускном канале двигателя, размещается катализатор накопления NO_X, который накапливает NO_X, который содержится в выхлопном газе, когда состав смеси "воздух-топливо" втекающего выхлопного газа является бедным, и который высвобождает накопленный NO_X, когда состав смеси "воздух-топливо" втекающего выхлопного газа становится богатым, в котором в выпускном канале двигателя выше по потоку катализатора накопления NO_X, размещается катализатор окисления, который имеет функцию адсорбции, и в котором углеводороды подаются в выпускной канал двигателя выше по потоку катализатора окисления, чтобы задавать «богатый» состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор накопления NO_X, при высвобождении NO_X из катализатора накопления NO_X (например, см. патентный документ 1).

В таком двигателе внутреннего сгорания углеводороды, которые подаются при высвобождении NO_X из катализатора накопления NO_X, становятся газообразными углеводородами в катализаторе окисления, и газообразные углеводороды подаются в катализатор накопления NO_X. Как результат, NO_X, который высвобождается из катализатора накопления NO_X, хорошо восстанавливается.

Список библиографических ссылок

Патентные документы

Патентный документ 1. Патент (Япония) № 3969450

Сущность изобретения

Техническая задача

Тем не менее, имеется проблема в том, что когда катализатор накопления NO_X достигает высокой температуры, скорость очистки от NO_X падает.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, которая позволяет получить высокую скорость очистки от NO_X, даже если температура катализатора очистки выхлопных газов достигает высокой температуры.

Решение задачи

Согласно настоящему изобретению, предлагается система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в которой клапан подачи углеводорода для подачи углеводородов размещается в выпускном канале двигателя, катализатор очистки выхлопных газов для реакции NO_X, содержащегося в выхлопном газе, и углеводородов, впрыскиваемых из клапана подачи водорода и частично окисленных, размещается в выпускном канале двигателя ниже по потоку клапана подачи углеводорода, катализатор на основе драгоценных металлов содержится на поверхности протекания выхлопных газов катализатора очистки выхлопных газов, и вокруг катализатора на основе драгоценных металлов формируется базовая часть поверхности протекания выхлопных газов предусматривается средство образования водорода для задания богатого состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, и формирования водорода в выхлопном газе; катализатор очистки выхлопных газов имеет свойство восстановления NO_X, содержащегося в выхлопном газе, если углеводороды впрыскиваются с предварительно определенным периодом подачи из клапана подачи углеводорода в состоянии, в котором состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, поддерживается бедным, и имеет свойство увеличения накопленного объема NO_X, содержащегося в выхлопном газе, при увеличении периода подачи углеводородов относительно предварительно определенного периода подачи; катализатор очистки выхлопных газов также имеет свойство формирования аммиака, если водород подается в состоянии, в котором состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, является богатым; катализатор избирательного восстановления NO_X, который адсорбирует и удерживает аммиак, сформированный в катализаторе очистки выхлопных газов, размещается в выпускном канале двигателя; во время работы двигателя углеводороды впрыскиваются из клапана подачи углеводорода с вышеуказанным предварительно определенным интервалом подачи при поддержании бедного состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов; состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, является временно богатым, и в выхлопном газе формируется водород с интервалами, превышающими предварительно определенный интервал подачи, при помощи средства формирования водорода, и тем самым NO_X, который содержится в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе очистки выхлопных газов, и NO_X, который не может быть восстановлен в катализаторе очистки выхлопных газов, восстанавливается при помощи аммиака, который адсорбируется в катализаторе избирательного восстановления NO_X.

Преимущества изобретения

Посредством восстановления NO_X, который содержится в выхлопном газе в катализаторе очистки выхлопных газов, и дополнительного восстановления NO_X, который не восстановлен в катализаторе очистки выхлопных газов, в катализаторе избирательного восстановления NO_X, можно получать высокую скорость очистки от NO_X независимо от рабочего режима двигателя.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является общим видом двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Фиг.2 является видом, схематично показывающим поверхностную часть носителя катализатора.

Фиг.3 является видом для пояснения реакции окисления в катализаторе окисления.

Фиг.4 является видом, показывающим изменение состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов.

Фиг.5 является видом, показывающим скорость очистки от NO_X.

Фиг.6 является видом для пояснения окислительно-восстановительной реакции в катализаторе очистки выхлопных газов.

Фиг.7 является видом для пояснения окислительно-восстановительной реакции в катализаторе очистки выхлопных газов.

Фиг.8 является видом, показывающим изменения в составе смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, и т.д.

Фиг.9 является видом скорости очистки от NO_X.

Фиг.10 является видом для пояснения реакции для формирования аммиака в катализаторе очистки выхлопных газов.

Фиг.11 является видом, показывающим регулирование впрыска топлива.

Фиг.12 является временной диаграммой, показывающей изменения в составе (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа для выполнения управления очисткой от NO_X согласно настоящему изобретению.

Фиг.13 является блок-схемой последовательности операций способа для выполнения управления очисткой выхлопных газов, показанного на фиг.12.

Фиг.14 является видом, показывающим карту объема Q подачи углеводорода.

Фиг.15 является видом, показывающим накопленный объем восстанавливающего промежуточного соединения.

Фиг.16 является временной диаграммой, показывающей изменения в составе (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа для выполнения другого варианта осуществления управления очисткой от NO_X согласно настоящему изобретению.

Фиг.17 является блок-схемой последовательности операций способа для выполнения управления очисткой выхлопных газов, показанного на фиг.16.

Фиг.18 является частичным укрупненным видом в поперечном сечении другого катализатора для удаления NO_X.

Фиг.19 является частичным укрупненным видом в поперечном сечении другого катализатора для удаления NO_X.

Фиг.20 является видом для пояснения катализатора окисления малого размера.

Подробное описание вариантов осуществления

Фиг.1 является общим видом двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.

Ссылаясь на фиг.1, поз. 1 указывает корпус двигателя, 2 - камеру 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 соединяется через впускной проход 6 с выпускным отверстием компрессора 7a турбонагнетателя 7, приводимого во вращение выхлопными газами, в то время как впускное отверстие компрессора 7a соединяется через датчик 8 объема всасываемого воздуха с воздухоочистителем 9. Во впускном проходе 6, размещается дроссельный клапан 10, приводимый посредством шагового электромотора. Кроме того, вокруг впускного канала 6 размещается охлаждающее устройство 11 для охлаждения всасываемого воздуха, который протекает через внутреннюю часть впускного канала 6. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, охлаждающая вода для двигателя направляется внутрь охлаждающего устройства 11, в котором охлаждающая вода для двигателя используется для того, чтобы охлаждать всасываемый воздух.

С другой стороны, выпускной коллектор 5 соединяется с впускным отверстием турбины 7b, приводимой во вращение выхлопными газами, турбонагнетателя 7, приводимого во вращение выхлопными газами. Выпускное отверстие турбины 7b, приводимой во вращение выхлопными газами, соединяется через выхлопную трубу 12 с катализатором 13 частичного окисления углеводородов, который может частично окислять углеводороды HC. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, этот катализатор 13 частичного окисления углеводородов состоит из катализатора окисления. Выпускное отверстие катализатора частичного окисления углеводородов, т.е. катализатора 13 окисления, соединяется с впускным отверстием катализатора 14 очистки выхлопных газов, в то время как выпускное отверстие катализатора 14 очистки выхлопных газов соединяется с катализатором 15 избирательного восстановления NO_X, который может адсорбировать и удерживать аммиак, содержащийся в выхлопном газе. В выхлопной трубе 12 выше катализатора 13 окисления размещается клапан 16 подачи углеводорода для подачи углеводородов, состоящих из дизельного топлива или другого топлива, используемого в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, дизельное топливо используется в качестве углеводородов, которые подаются из клапана 16 подачи углеводорода. Следует отметить, что настоящее изобретение также может применяться к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием, в котором топливо сжигается при бедном составе смеси "воздух-топливо". В этом случае, из клапана 16 подачи углеводорода подаются углеводороды, состоящие из бензина или другого топлива, используемого в качестве топлива двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

С другой стороны, выпускной коллектор 5 и впускной коллектор 4 соединяются друг с другом через канал 17 для рециркуляции выхлопных газов (в дальнейшем называемый "EGR"). В EGR-канале 17 размещается регулирующий EGR-клапан 18 с электронным управлением. Дополнительно, вокруг EGR-канала 17 размещается охлаждающее устройство 19 для охлаждения EGR-газа, протекающего через внутреннюю часть EGR-канала 17. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, охлаждающая вода для двигателя направляется внутрь охлаждающего устройства 19, в котором охлаждающая вода для двигателя используется для того, чтобы охлаждать EGR-газ. С другой стороны, каждый топливный инжектор 3 соединяется через трубку 20 подачи топлива с общей топливной магистралью 21. Эта общая топливная магистраль 21 соединяется через топливный насос 22 с регулируемой подачей и электронным управлением с топливным баком 23. Топливо, которое накапливается в топливном баке 23, подается посредством топливного насоса 23 внутрь общей топливной магистрали 21. Топливо, которое подается внутрь общей топливной магистрали 21, подается через каждую трубку 20 подачи топлива в топливный инжектор 3.

Электронный модуль 30 управления состоит из цифрового компьютера, содержащего ROM (постоянное запоминающее устройство) 32, RAM (оперативное запоминающее устройство) 33, CPU (микропроцессор) 34, порт 35 ввода и порт 36 вывода, которые соединяются друг с другом посредством двунаправленной шины 31. В катализаторе 13 окисления, присоединяется температурный датчик 24 для определения температуры катализатора 13 окисления. Выходные сигналы этих температурных датчиков 24 и 25 и детектора 8 объема всасываемого воздуха надлежащим образом вводятся через соответствующие аналого-цифровые преобразователи 37 в порт 35 ввода. Дополнительно, педаль 40 акселератора имеет присоединенный к ней датчик 41 нагрузки, который формирует выходное напряжение, пропорциональное величине нажатия L педали 40 акселератора. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки вводится через соответствующий аналого-цифровой преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, к порту 35 ввода присоединяется датчик 42 угла поворота коленчатого вала, который формирует выходной импульс каждый раз, когда коленчатый вал вращается, например, на 15°. С другой стороны, порт 36 вывода соединяется через соответствующие возбуждающие схемы 38 с каждым из топливного инжектора 3, шагового электромотора для возбуждения дроссельного клапана 10, клапана 16 подачи углеводорода, регулирующего EGR-клапана 18 и топливного насоса 22.

Фиг.2(A) схематично показывает поверхностную часть носителя катализатора, содержащегося на подложке катализатора 13 окисления. Как показано на фиг.2(A), например, катализатор 51, состоящий из платины Pt или другого подобного драгоценного металла или серебра Ag или меди Cu или другого подобного переходного металла, содержится на носителе 50 катализатора, состоящем из оксида алюминия.

С другой стороны, фиг.2(В) схематично показывает поверхностную часть носителя катализатора, который содержится на подложке катализатора 14 очистки выхлопных газов. В этом катализаторе 14 очистки выхлопных газов, как показано на фиг.2(В), например, предусматривается носитель 50 катализатора, изготовленный из оксида алюминия, на котором содержатся катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов. Кроме того, на этом носителе 52 катализатора формируется базовый слой 55, который включает в себя, по меньшей мере, один элемент, выбранный из калия K, натрия Na, цезия Cs или другого подобного щелочного металла, бария Ba, кальция Ca или другого подобного щелочноземельного металла, лантаноида или другого подобного редкоземельного металла, и серебра Ag, меди Cu, железа Fe, иридия Ir или другого металла, который может отдавать электроны NO_X. Выхлопной газ протекает по верху носителя 52 катализатора, и таким образом, можно сказать, что катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов содержатся на поверхности протекания выхлопных газов катализатора 14 очистки выхлопных газов. В дополнение к этому, поверхность базового слоя 55 демонстрирует основность, и таким образом, поверхность базового слоя 55 называется базовой частью 56 поверхности протекания выхлопных газов.

На фиг.2(B), катализатор 53 на основе драгоценных металлов состоит из платины Pt, в то время как катализатор 54 на основе драгоценных металлов состоит из родия Rh, Т.е. катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов, которые содержатся на носителе 52 катализатора, состоят из платины Pt и родия Rh. Следует отметить, что на носителе 52 катализатора для катализатора 14 очистки выхлопных газов, в дополнение к платине Pt и родию Rh дополнительно может содержаться палладий Pd, или вместо родия Rh может содержаться палладий Pd. Т.е. катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов, которые содержатся на носителе 52 катализатора, состоят из платины Pt и, по меньшей мере, одного из родия Rh и палладия Pd.

Когда углеводороды впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода в выхлопной газ, углеводороды окисляются в катализаторе 13 окисления. В настоящем изобретении углеводороды в это время, частично окисляются в катализаторе 13 окисления, и частично окисленные углеводороды используются для того, чтобы удалять NO_X в катализаторе 14 очистки выхлопных газов. В этом случае, при задании силы окисления, т.е. способности к окислению катализатора 13 окисления слишком большой, углеводороды окисляются до конца, а частичного окисления в катализаторе 13 окисления не происходит. Чтобы получить частичное окисление углеводородов, необходимо уменьшать силу окисления катализатора 13 окисления. Следовательно, в варианте осуществления настоящего изобретения, в качестве катализатора 13 окисления используется катализатор, несущий небольшое количество катализатора на основе драгоценных металлов, катализатор, несущий основной металл, или катализатор с небольшим объемом.

Фиг.3 схематично показывает реакцию окисления, которая выполняется в катализаторе 13 окисления. Как показано на фиг.3, углеводороды HC, которые впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода, становятся радикалами углеводородов HC с небольшим числом атомов углерода благодаря катализатору 51. Следует отметить, что в это время часть углеводородов HC связывается с NO с получением нитрозосоединений, к примеру, показанных на фиг.3, в то время как часть углеводородов HC связывается с NO₂ с образованием нитросоединений. Эти углеводородные радикалы и т.д., сформированные в катализаторе 13 окисления, отправляются в катализатор 14 очистки выхлопных газов.

С другой стороны, фиг.4 показывает изменения в отношении (A/F)in в смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, в то время как фиг.5 показывает скорость очистки от NO_X посредством катализатора 14 очистки выхлопных газов во время изменения отношения (A/F)in в смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, к примеру, показанного на фиг.4, для различных температур TC катализатора для катализатора 14 очистки выхлопных газов. Авторы изобретения провели исследования очистки от NO_X в течение длительного периода времени, и в процессе исследования они выяснили то, что, как показано на фиг.4, при скачкообразном понижении отношения (A/F)in в смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, с поясняемыми более определенными временными интервалами в диапазоне бедного состава смеси "воздух-топливо", чрезвычайно высокая скорость очистки от NO_X получается даже в области высоких температур в 400°C или более, как показано на фиг.5.

Кроме того, выяснено, что в это время, большой объем восстанавливающего промежуточного соединения, содержащего азот и углеводороды, продолжает удерживаться или адсорбироваться на поверхности базового слоя 55, т.е. на базовой части 56 поверхности протекания выхлопных газов катализатора 14 очистки выхлопных газов, и это восстанавливающее промежуточное соединение выполняет центральную роль в получении высокой скорости очистки от NO_X. Далее это поясняется со ссылкой на фиг 6(A) и (B). Следует отметить, что эти фиг.6(A) и 6(B) схематично показывают поверхностную часть носителя 52 катализатора для катализатора 14 очистки выхлопных газов. Эти фиг.6(A) и 6(B), как показано на фиг.4, показывают реакцию, которая предположительно возникает, когда отношение (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, скачкообразно уменьшается в диапазоне бедного состава смеси "воздух-топливо".

Т.е. как можно понять из фиг.4, состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, поддерживается бедным, таким образом, выхлопной газ, который протекает в катализатор 14 очистки выхлопных газов, оказывается в состоянии избытка кислорода. Следовательно, NO, который содержится в выхлопном газе, как показано на фиг.6(A), окисляется на платине 53 и становится NO₂. Затем, это NO₂ дополнительно окисляется и становится стабильными ионами NO₃ ^- нитрата.

С другой стороны, когда нитраты NO₃ ^- формируются, нитраты NO₃ ^- втягиваются обратно в восстановление за счет углеводородов HC, которые направляются на поверхность базового слоя 55, от них отрывается кислород, и они становятся нестабильным NO₂ ^-. Этот нестабильный NO₂ ^- имеет существенную активность. Ниже, данный нестабильный NO₂ ^- называется активным NO₂ ^-. Такой активный NO₂ ^-, как показано на фиг.6(A), реагирует, главным образом, с радикалами углеводородов HC, которые прикрепляются к поверхности базового слоя 55 или родия Rh 54 или, главным образом, с углеводородными HC радикалами, содержащимися в выхлопном газе на родии Rh 54, за счет чего формируется восстанавливающее промежуточное соединение. Это восстанавливающее промежуточное соединение прикрепляется или адсорбируется на поверхности базового слоя 55.

Следует отметить, что в этот момент, первое сформированное восстанавливающее промежуточное соединение считается нитросоединением R-NO₂. Если образуется такое нитросоединение R-NO₂, в результате получается нитриловое соединение R-CN, но это нитриловое соединение R-CN может существовать лишь в течение краткого промежутка времени в этом состоянии, так как оно сразу становится изоцианатным соединением R-NCO. Это изоцианатное соединение R-NCO при гидролизе становится аминосоединением R-NH₂. Тем не менее, в этом случае то, что гидролизируется, рассматривается как часть изоцианатного соединения R-NCO. Следовательно, как показано на фиг.6(B), большая часть восстанавливающего промежуточного соединения, которое удерживается или адсорбируется на поверхности базового слоя 55, предположительно является изоцианатным соединением R-NCO и аминосоединением R-NH₂.

С другой стороны, как показано на фиг.6(B), сформированный активный NO₂* реагирует с восстанавливающим промежуточным соединением R-NCO или R-NH₂ на родии Rh 54 так, что он формирует N₂, CO₂ и H₂O, и, следовательно, NO_X удаляется. Т.е. если восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ не удерживается или адсорбируется на базовом слое 55, NO_X не удаляется. Следовательно, чтобы получать высокую скорость очистки от NO_X, необходимо всегда обеспечивать непрерывное присутствие достаточного объема восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂ для принудительного задания (посредством сформированного активного NO₂*) N₂, CO₂ и H₂O на базовом слое 55, т.е. на базовой части 26 поверхности протекания выхлопных газов.

Т.е. как показано на фиг.6(A) и 6(B), чтобы окислять NO на платине Pt 53, состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа должен быть бедным, и необходимо удерживать достаточный объем восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂ для принудительного формирования (посредством активного NO₂*) N₂, CO₂ и H₂O на поверхности базового слоя 55, т.е. необходимо предоставлять базовую часть 26 поверхности протекания выхлопных газов для удерживания восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂.

Следовательно, в этом варианте осуществления согласно настоящему изобретению, чтобы вызывать принудительную реакцию NO_X, содержащегося в выхлопном газе, и частично окисленных углеводородов и формировать восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂, содержащее азот и углеводород на поверхности протекания выхлопных газов катализатора 14 очистки выхлопных газов содержатся катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов. Чтобы удерживать сформированное восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, вокруг катализаторов 53 и 54 на основе драгоценных металлов формируется базовая часть 26 поверхности протекания выхлопных газов. NO_X восстанавливается посредством действия восстановления восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂, удерживаемого на базовой части 26 поверхности протекания выхлопных газов. Углеводороды HC прерывисто (импульсами) подаются из клапана 16 подачи углеводорода с предварительно определенными интервалами подачи при поддержании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, бедным. Предварительно определенные интервалы подачи углеводородов HC становятся интервалами подачи, требуемыми для продолжения обеспечения присутствия восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂ на базовой части 56 поверхности протекания выхлопных газов.

В этом случае, когда объем подачи углеводородов становится в некоторой степени избыточным по сравнению с теоретическим объемом, требуемым для восстановления NO_X, восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ продолжает оставаться на части 56 поверхности протекания выхлопных газов. В это время, скорость очистки от NO_X становится максимальной. Следовательно, в настоящем изобретении, объем впрыска и интервал впрыска углеводородов задаются так, что объем подачи углеводородов становится в некоторой степени избыточным по сравнению с теоретическим объемом, который считается требуемым для восстановления NO_X, и, следовательно, восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ продолжает оставаться на базовой части 26 поверхности протекания выхлопных газов. В этой связи, в примере, показанном на фиг.4, интервал впрыска задается равным 3 секундам.

Если интервал подачи углеводородов HC задается превышающим вышеуказанный предварительно определенный диапазон интервалов, углеводороды HC или восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ исчезают с поверхности базового слоя 55. В это время, на ионы NO3^- нитрата, которые сформированы на платине Pt 53, не действует движущая сила, приводящая к сокращению их в направлении восстановления ионов NO₃ ^- нитрата. Следовательно, в это время, ионы NO3^- нитрата диффундируют в базовом слое 55, как показано на фиг.7(A), и становятся нитратами. Т.е. в это время, NO_X в выхлопном газе абсорбируется в форме нитратов в базовом слое 55.

С другой стороны, фиг.7(B) показывает случай, когда состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, который протекает в катализатор 14 очистки выхлопных газов, задается как стехиометрический или богатый состав смеси "воздух-топливо", если NO_X абсорбируется в форме нитратов в базовом слое 55. В этом случае, концентрация кислорода в выхлопном газе падает, таким образом, реакция продолжается во встречном направлении (NO₃ ^-→NO₂), и, следовательно, нитраты, абсорбируемые в базовом слое 55, становятся ионами NO₃ ^- нитрата один за другим и, как показано на фиг.7(B), высвобождаются из базового слоя 55 в форме NO₂. Затем высвобождаемый NO₂ восстанавливается посредством углеводородов HC и CO, содержащихся в выхлопном газе.

Фиг.8 показывает случай задания отношения (A/F)in для состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, который протекает в катализатор 14 очистки выхлопных газов, временно богатым непосредственно перед тем, как способность к абсорбции NO_X базового слоя 55 становится предельной. Следует отметить, что в примере, показанном на фиг.8, временной интервал этого управления с помощью богатой смеси составляет 1 минуту или более. В этом случае, NO_X, абсорбированный в базовом слое 55, когда состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа является бедным, полностью высвобождается из базового слоя 55 и восстанавливается, когда состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа задается временно богатым. Следовательно, в этом случае, базовый слой 55 выполняет роль абсорбента для временной абсорбции NO_X. Следует отметить, что в это время базовый слой 55 иногда временно адсорбирует NO_X. Следовательно, при использовании термина "накопление" в качестве термина, включающего в себя как абсорбцию, так и адсорбцию, в это время, базовый слой 55 выполняет роль агента накопления NO_X для временного накопления NO_X.

Т.е. если соотношение воздуха и топлива (углеводородов), которые подаются во впускной канал двигателя, камеры 2 сгорания и выпускной канал выше по потоку катализатора 14 очистки выхлопных газов, называется составом смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, то в этом случае катализатор 14 очистки выхлопных газов выступает в качестве катализатора накопления NO_X, который накапливает NO_X, когда состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа является бедным, и высвобождает накопленный NO_X, когда концентрация кислорода в выхлопном газе падает.

Фиг.9 показывает скорость очистки от NO_X при принудительном выполнении катализатором 14 очистки выхлопных газов функции катализатора накопления NO_X таким образом. Следует отметить, что на фиг.9 абсцисса указывает температуру TC катализатора для катализатора 14 очистки выхлопных газов. При принудительном выполнении катализатором 14 очистки выхлопных газов функции катализатора накопления NO_X, как показано на фиг.9, когда температура TC катализатора составляет 300-400°C, чрезвычайно высокая скорость очистки от NO_X получается, но когда температура TC катализатора становится равной 400°C или более высокой температуре, скорость очистки от NO_X падает.

Скорость очистки от NO_X падает, если температура TC катализатора становится равной 400°C или более, поскольку если температура TC катализатора становится равной 400°C или более, нитраты термически распадаются и высвобождаются в форме NO₂ из катализатора 14 очистки выхлопных газов. Т.е. при накоплении NO_X в форме нитратов, когда температура TC катализатора является высокой, трудно получать высокую скорость очистки от NO_X. Тем не менее, в новом способе очистки от NO_X, показанном на фиг.4-6(A) и (B), как следует понимать из фиг.6(A) и (B), нитраты не формируются или даже если формируются, имеют очень небольшой объем, поэтому, как показано на фиг.5, высокая скорость очистки от NO_X может получаться, даже если температура TC катализатора является высокой.

Т.е. можно сказать, что способом очистки от NO_X, который показывается на фиг.4-6A и 6B, является новый способ очистки от NO_X, выполненный с возможностью удалять NO_X практически без формирования нитратов в случае использования катализатора очистки выхлопных газов, который содержит катализатор на основе драгоценных металлов и в котором сформирован базовый слой, который может абсорбировать NO_X. В действительности, при использовании этого нового способа очистки от NO_X, только очень небольшой объем нитратов детектируется из базового слоя 55 по сравнению со случаем использования способа очистки от NO_X с применением восстановления накопленного NO_X, показанного на фиг.7(A) и 7(B).

На настоящее время авторы изобретения изучили этот новый способ очистки от NO_X, при этом они обнаружили, что при задании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа в камере 2 сгорания временно богатым, из катализатора 14 очистки выхлопных газов выходит аммиак NH₃. Механизм формирования этого аммиака не обязательно является очевидным, но, вероятно, используется следующий такой механизм для того, чтобы образовать аммиак NH₃.

А именно, при задании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа в камере 2 сгорания богатым, т.е. при сжигании топлива в камере 2 сгорания при недостаточном объеме кислорода формируется большой объем моноксида CO углерода. Этот моноксид углерода CO приводит к реакции образования водосодержащего газа с влагой, содержащейся в выхлопном газе, на катализаторе на основе драгоценных металлов 51 катализатора 13 очистки выхлопных газов (CO+H₂O->H₂+CO₂). В результате образуется, водород H₂. Этот водород H₂ реагирует с аминосоединением R-NH₂, которое удерживается на базовом слое 53 катализатора 13 очистки выхлопных газов, как показано на фиг.10, следовательно, образуется аммиак NH₃. Дополнительно, вследствие этого водорода H₂ промотируется гидролиз изоцианатного соединения R-NCO, которое удерживается на базовом слое 53, следовательно, образуется аммиак NH₃.

Т.е. когда состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа является бедным, даже если водород H₂ присутствует в выхлопном газе, то этот водород H₂ реагирует в первую очередь с кислородом в выхлопном газе по сравнению с базовым промежуточным соединением R-NCO или R-NH₂, и, следовательно, аммиак NH₃ вообще не формируется. Однако, когда состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа задается богатым, если образуется водород H₂, этот водород H₂ появляется в выхлопном газе богатого состава смеси "воздух-топливо", в котором кислород практически не присутствует. Следовательно, в это время, водород H₂, с одной стороны, реагирует с аминосоединением R-NH₂, в то время как, с другой стороны, промотирует гидролиз изоцианатного соединения R-NCO, и таким образом, образуется аммиак NH₃.

Таким образом, чтобы таким образом формировать аммиак NH₃ в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, необходимо задавать богатый состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, и принудительно формировать водород в выхлопном газе. Т.е. необходимо предусмотреть средство образования водорода для задания состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, богатым и образования водорода в выхлопном газе. Одним из этих средств образования водорода, как пояснено выше, является способ задания состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа в камерах 2 сгорания временно богатым. Один пример для осуществления этого способа показывается на фиг.11.

Т.е. в примере, показанном на фиг.11, в дополнение к топливу M для расходования при сгорании, в каждую камеру 2 сгорания из топливного инжектора 3 впрыскивается дополнительное топливо W, с тем, чтобы сжигать топливо в состоянии нехватки кислорода. Т.е. посредством впрыскивания дополнительного топлива W выхлопной газ в камере 2 сгорания становится богатым. Как результат, состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, становится богатым, и водород образуется за счет реакции формирования водосодержащего газа. Следует отметить, что абсцисса на фиг.11 показывает угол поворота коленчатого вала. Это дополнительное топливо W впрыскивается в то время, когда оно сжигается, но не сказывается на выходной мощности двигателя, т.е. непосредственно перед ATDC 90° после верхней мертвой точки сжатия.

Теперь, при использовании нового способа очистки от NO_X согласно настоящему изобретению, можно получать чрезвычайно высокую скорость очистки от NO_X близко к 100 процентам в широком диапазоне температур катализатора 14 очистки выхлопных газов. Однако, в этом случае, хотя говорят, что скорость очистки от NO_X является чрезвычайно высокой, она не составляет 100 процентов. Следовательно, небольшой объем NO_X выпускается из катализатора 14 очистки выхлопных газов без удаления.

Таким образом, в настоящем изобретении используется явление, обнаруженное авторами изобретения, т.е. тот факт, что аммиак NH₃ может быть образован в катализаторе 14 очистки выхлопных газов. Катализатор 15 избирательного восстановления NO_X для адсорбирования и удерживания аммиака размещается ниже по потоку катализатора 14 очистки выхлопных газов, и NO_X, который выпускается из катализатора 14 очистки выхлопных газов, восстанавливается посредством аммиака, адсорбированного в этом катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X. В этом варианте осуществления согласно настоящему изобретению, данный катализатор 15 избирательного восстановления NO_X формируется из Fe цеолита.

В этом отношении, чтобы принудительно восстанавливать NO_X посредством катализатора 15 избирательного восстановления NO_X таким образом, нужно добиться, чтобы катализатор 15 избирательного восстановления NO_X всегда имел принудительно адсорбированный им аммиак NH₃. Следовательно, в настоящем изобретении, как следует понимать из фиг.12, показывающей изменения в составе (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, время от времени делают богатым, чтобы заставить катализатор 14 очистки выхлопных газов образовывать аммиак NH₃, и этот аммиак NH₃ направляется в катализатор 15 избирательного восстановления NO_X, с тем чтобы вызвать его адсорбцию в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X.

Т.е., в настоящем изобретении, на поверхности протекания выхлопных газов катализатора 14 очистки выхлопных газов, содержатся катализаторы 53 и 54 на основе драгоценных металлов. Вокруг катализаторов 53 и 54 на основе драгоценных металлов, формируется базовая часть 56 поверхности протекания выхлопных газов. Предусматривается средство формирования водорода для задания богатого состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, и принудительного образования водорода в выхлопном газе. Катализатор 14 очистки выхлопных газов имеет свойство восстанавливать NO_X, который содержится в выхлопном газе, если углеводороды впрыскиваются с предварительно определенным периодом подачи из клапана 16 подачи углеводорода в состоянии, в котором состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, поддерживается бедным; имеет свойство увеличения накопленного объема NO_X, который содержится в выхлопном газе, при увеличении периода подачи углеводородов относительно предварительно определенного периода подачи; и имеет свойство образовывать аммиак, если водород подается в состоянии, в котором состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, является богатым.

Кроме того, в настоящем изобретении, катализатор 15 избирательного восстановления NO_X, который адсорбирует и удерживает аммиак, образованный в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, размещается в выпускном канале двигателя. Во время работы двигателя углеводороды впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода с предварительно определенным интервалом подачи при поддержании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, бедным. Средство формирования водорода используется для того, чтобы задавать состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, временно богатым и вызывать образование водорода в выхлопном газе с интервалами, превышающими этот предварительно определенный интервал подачи. Вследствие этого NO_X, который содержится в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, и NO_X, который не может быть восстановлен в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, восстанавливается аммиак, который адсорбируется в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X.

В примере, показанном на фиг.12, каждый раз, когда предварительно определенное время tX истекает, состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа задается богатым. Фиг.13 показывает процедуру управления очисткой выхлопных газов для выполнения управления очисткой выхлопных газов, показанного на фиг.12.

Ссылаясь на фиг.13, во-первых, на этапе 60, определяется то, истекло или нет время tX с момента, когда состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа был сделан богатым. Если время tX не истекло, процедура переходит к этапу 61, на котором выполняется впрыск углеводородов из клапана 16 подачи углеводорода. Объем Q впрыска углеводородов в единицу времени в этот момент, как показано на фиг.14, хранится в виде функции от нагрузки L двигателя и частоты N вращения двигателя в форме карты в ROM 32. Время впрыска или интервал впрыска углеводородов управляются так, что они обеспечивают этот сохраненный объем Q впрыска. В это время, отношение (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, скачкообразно снижается в области, в которой состав поддерживается бедным, и тем самым NO_X, содержащийся в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов. NO_X, который не может быть восстановлен в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, восстанавливается в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X посредством аммиака.

С другой стороны, когда, на этапе 60, определяется, что после того, как состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа был сделан богатым, время tX истекло, процедура переходит к этапу 62, на котором, например, дополнительное топливо W впрыскивается в камеру 2 сгорания, и тем самым состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа делается богатым. В это время, аммиак NH₃, который образовался в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, адсорбируется в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X. Время tX, отражающее интервалы управления подачей богатого состава (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, может быть задано постоянным или может изменяться в соответствии с объемом Q впрыска, сохраненным в карте, показанной на фиг.14. Следовательно, в средстве формирования водорода в примере, показанном на фиг.12, состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, временно делают богатым с предварительно определенными интервалами в соответствии с рабочим режимом двигателя, и происходит образование водорода принудительно посредством реакции формирования водосодержащего газа.

Фиг.15-17 показывают другой вариант осуществления управления очисткой выхлопных газов.

Как пояснено выше, скорость очистки от NO_X становится максимальной, когда объем подачи углеводородов из клапана 16 подачи углеводорода является в некоторой степени избыточным по сравнению с теоретическим объемом, требуемым для восстановления NO_X. Следовательно, в настоящем изобретении, чтобы получать максимальную скорость очистки от NO_X, объем подачи углеводородов задается в некоторой степени избыточным по сравнению с теоретическим объемом, требуемым для восстановления NO_X.

В этом отношении, если, таким образом, объем подачи углеводородов становится в некоторой степени избыточным по сравнению с теоретическим объемом, требуемым для восстановления NO_X, восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ также образуется в избытке. Это избыточное восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ постепенно накапливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов до степени, в которой катализатор 14 очистки выхлопных газов может адсорбировать эти восстанавливающие промежуточные соединения. В этом отношении, вообще говоря, максимальный объем адсорбции в катализаторе, который имеет адсорбционную способность, увеличивается, при снижении температуры катализатора. То же можно сказать в отношении катализатора 14 очистки выхлопных газов в настоящем изобретении. Т.е., в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, также, чем ниже становится температура катализатора 14 очистки выхлопных газов, тем больше объем адсорбции восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂, т.е. тем больше максимальный накопленный объем.

На фиг.15, сплошная линия показывает взаимосвязь между максимальным накопленным объемом W_max восстанавливающего промежуточного соединения, которое катализатор 14 очистки выхлопных газов может накапливать, и температурой TC катализатора 14 очистки выхлопных газов. Из фиг.15 будет понятно, что чем ниже температура TC катализатора 14 очистки выхлопных газов, тем больше увеличивается максимальный накопленный объем W_max. Следует отметить, что если температура TC катализатора становится более высокой, то подтверждается, что восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ не накапливается.

Следовательно, как показано на фиг.15, если температура TC катализатора становится более высокой, максимальный накопленный объем W_max становится нулевым.

Таким образом, в настоящем изобретении катализатор 14 очистки выхлопных газов накапливает восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂, содержащее азот и углеводороды и выступающее в качестве источника формирования аммиака. В этом случае, если накопленный объем W восстанавливающего промежуточного соединения превышает максимальный накапливаемый объем W_max, то тот объем, на который превышается максимальный накапливаемый объем W_max, потребляется нерационально. Следовательно, необходимо не допускать превышение накопленным объемом W восстанавливающего промежуточного соединения максимального накапливаемого объема W_max. Следовательно, в этом варианте осуществления, как показано посредством пунктирной линии на фиг.15, допустимое значение W₀ для значения, меньшего максимального накапливаемого объема W, определяется заранее. Когда накопленный объем W восстанавливающего промежуточного соединения превышает это допустимое значение W₀, из восстанавливающего промежуточного соединения образуется аммиак NH₃.

Т.е. в этом варианте осуществления, предусматривается средство вычисления для вычисления накопленного объема W восстанавливающего промежуточного соединения. Как показано на фиг.16, когда накопленный объем W восстанавливающего промежуточного соединения превышает предварительно определенное допустимое значение W₀, средство формирования водорода используется для того, чтобы задавать состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, временно богатым и вызывать образование водорода.

Фиг.17 показывает процедуру управления очисткой выхлопных газов для выполнения управления очисткой выхлопных газов, показанного на фиг.16.

Ссылаясь на фиг.17, во-первых, на этапе 70, объем Q впрыска углеводородов в единицу времени вычисляется из карты, показанной на фиг.14. Затем, на этапе 71, например, посредством умножения объема Q впрыска на константу K, вычисляется объем K*Q восстанавливающего промежуточного соединения R-NCO или R-NH₂, которое накапливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов в единицу времени, и этот объем K*Q прибавляется к накопленному объему W восстанавливающего промежуточного соединения. Затем, на этапе 72, определяется, превышает или нет накапливаемый объем W восстанавливающего промежуточного соединения максимальный накапливаемый объем W_max, показанный посредством сплошной линии на фиг.15. Когда W>W_max, процедура переходит к этапу 73, на котором W=W_max, затем процедура переходит к этапу 74.

На этапе 74, вычисляется допустимое значение W₀, показанное посредством пунктирной линии на фиг.15. Как следует понимать из фиг.15, это допустимое значение W₀ является функцией от температуры TC катализатора. Затем, на этапе 75, определяется, превышает или нет накопленный объем W допустимое значение W₀. Когда W<=W₀, процедура переходит к этапу 76, на котором объем Q впрыска углеводородов в единицу времени, вычисленный из карты по фиг.14, используется в качестве основы для впрыска углеводородов из клапана 16 подачи углеводорода. В это время NO_X, который содержится в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, в то время как NO_X, который не восстановлен в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, восстанавливается посредством аммиака, адсорбированного в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X.

С другой стороны, когда на этапе 75 определяется, что W>W₀, процедура переходит к этапу 77, на котором, например, дополнительное топливо W впрыскивается в камеру 2 сгорания, посредством чего состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа задается богатым, и накопленный объем W очищается. В это время, аммиак NH₃, который образовался в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, адсорбируется в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X.

Фиг.18 показывает случай формирования катализатора 13 частичного окисления углеводородов и катализатора 14 очистки выхлопных газов, показанных на фиг.1, в виде одного единого катализатора. Этот катализатор, например, содержит большое число каналов для выхлопных газов, идущих в направлении потока выхлопного газа. Фиг.18 показывает укрупненный вид в поперечном сечении поверхностной части внутренней окружающей стенки 80 канала для выхлопных газов катализатора. Как показано на фиг.18, на поверхности внутренней окружающей стенки 80 канала для выхлопных газов, формируется нижний покровный слой 81. На этом нижнем покровном слое 81, формируется верхний покровный слой 82. В примере, показанном на фиг.18, покровные слои 81 и 82 состоят из порошковых агрегатов. Фиг.18 показывает укрупненные виды порошка, формирующего покровные слои 81 и 82. Из укрупненных видов порошка видно, что верхний покровный слой 82 состоит из катализатора частичного окисления углеводородов, показанного на фиг.2(A), например, катализатора окисления, в то время как нижний покровный слой 81 состоит из катализатора очистки выхлопных газов, показанного на фиг.2(B).

Когда катализатор, показанный на фиг.18 используется, как показано на фиг.18, углеводороды HC, которые содержатся в выхлопном газе, диффундируют в верхнем покровном слое 82 и частично окисляются. Частично окисленные углеводороды диффундируют в нижнем покровном слое 81. Т.е. в примере, показанном на фиг.18, также, аналогично примеру, показанному на фиг.1, катализатор частичного окисления углеводородов и катализатор очистки выхлопных газов размещаются так, что углеводороды, которые частично окислены в катализаторе частичного окисления углеводородов, протекают в катализатор очистки выхлопных газов. С другой стороны, NO_X, который содержится в выхлопном газе, диффундирует в нижнем покровном слое 81 и становится активным NO₂*. В это время в нижнем покровном слое 81, образуется восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO или R-NH₂ формируется из активного NO₂* и частично окисленных углеводородов. Кроме того, активный NO₂* реагирует с восстанавливающим промежуточным соединением R-HCO или R-NH₂ с получением N₂, CO₂ и H₂O.

С другой стороны, как показано на фиг.2(B), на носителе 52 катализатора для катализатора 14 очистки выхлопных газов, содержатся драгоценные металлы 53 и 54. Следовательно, в катализаторе 14 очистки выхлопных газов также можно преобразовать углеводороды в углеводородные радикалы HC с небольшим числом атомов углерода. В этом случае, если углеводороды могут в достаточной степени преобразовываться в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, т.е. если углеводороды могут в достаточной степени частично окисляться в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, более необязательно размещать катализатор 13 окисления выше по потоку катализатора 14 очистки выхлопных газов, как показано на фиг.1. Следовательно, в варианте осуществления согласно настоящему изобретению, катализатор 13 окисления не присоединяется в выпускном канале двигателя. Следовательно, в этом варианте осуществления, углеводороды, которые впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода, непосредственно подаются в катализатор 14 очистки выхлопных газов.

В этом варианте осуществления, углеводороды, которые впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода, частично окисляются в катализаторе 14 очистки выхлопных газов. Кроме того, в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, образуется активный NO₂* из NO_X, который содержится в выхлопном газе. В катализаторе 14 очистки выхлопных газов, восстанавливающее промежуточное соединение R-NCO и R-NH₂ образуется из этих активного NO₂* и частично окисленных углеводородов. Кроме того, активный NO₂* реагирует с восстанавливающим промежуточным соединением R-NCO или R-NH₂ с получением N₂, CO₂ и H₂O. Т.е., в этом варианте осуществления, катализатор 14 очистки выхлопных газов для реакции NO_X, содержащегося в выхлопном газе, и углеводородов, впрыскиваемых из клапана 16 подачи углеводорода и частично окисленных, размещается в выпускном канале двигателя ниже по потоку клапана 16 подачи углеводорода.

Фиг.19 показывает случай, когда катализатор 14 очистки выхлопных газов и катализатор 15 избирательного восстановления NO_X формируются из одного катализатора. Например, этот катализатор, также содержит большое число каналов для выхлопных газов, которые идут в направлении потока выхлопного газа. Фиг.19 показывает укрупненный вид в поперечном сечении поверхностной части внутренних окружающих стенок 83 канала для выхлопных газов этого катализатора. Как показано на фиг.19, нижний покровный слой 84 формируется на поверхности внутренних окружающих стенок 83 каналов для выхлопных газов. Верхний покровный слой 85 формируется на нижнем покровном слое 81. В примере, показанном на фиг.19, оба из покровных слоев 84 и 85 состоят из порошковых агрегатов. В этом катализаторе нижний покровный слой 84 образован катализатором 15 избирательного восстановления NO_X, в то время как верхний покровный слой 85 образован катализатором 14 очистки выхлопных газов.

Когда используется катализатор, показанный на фиг.19, аммиак NH₃, который сформирован в верхнем покровном слое 85, адсорбируется в нижнем покровном слое 84, в то время как NO_X, который не восстановлен в верхнем покровном слое 85, восстанавливается посредством аммиака, адсорбированного в нижнем покровном слое 84. Следует отметить, что, вместо катализатора, показанного на фиг.18 или фиг.19, также можно использовать катализатор с трехслойной конфигурацией, включающий в себя нижний покровный слой, состоящий из катализатора 15 избирательного восстановления NO_X, промежуточный покровный слой, состоящий из катализатора 14 очистки выхлопных газов, и верхний покровный слой, состоящий из катализатора 13 частичного окисления углеводородов.

Фиг.20(A) показывает укрупненный вид окрестности выхлопной трубы 12 в другом варианте осуществления, в то время как фиг.20(B) показывает вид в поперечном сечении вдоль линии B-B по фиг.20(A). Как показано на фиг.20(A) и (B), в этом варианте осуществления, катализатор 13 частичного окисления углеводородов состоит из катализатора окисления малого размера, который меньше по объему катализатора 14 очистки выхлопных газов, и через который идет часть выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов. Клапан 16 подачи углеводорода впрыскивает углеводороды к торцевой поверхности на стороне впуска этого катализатора 13 окисления малого размера.

В варианте осуществления, показанном на фиг.20(A) и 20(B), катализатор 13 окисления малого размера имеет подложку, состоящую из многослойной структуры из плоских тонких металлических листов и рифленых тонких металлических листов. На поверхности этой подложки, например, формируется слой носителя катализатора, состоящего из оксида алюминия, в то время как на носителе катализатора содержится драгоценный металл, к примеру, платина Pt или переходный металл, к примеру, серебро Ag или медь Cu. Как следует понимать из фиг.20(A) и 20(B), этот катализатор 13 окисления малого размера имеет меньшее поперечное сечение, чем полное поперечное сечение тракта протекания в направлении к катализатору 14 очистки выхлопных газов, т.е. меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение выхлопной трубы 12, и имеет трубчатую форму, идущую вдоль направления протекания выхлопного газа в центре выхлопной трубы 12. Следует отметить, что в варианте осуществления, показанном на фиг.20(A) и 20(B), этот катализатор 13 окисления малого размера размещается в цилиндрической внешней раме 90. Эта цилиндрическая внешняя рама 90 поддерживается посредством множества опор 91 внутри выхлопной трубы 12.

В этом варианте осуществления, во время работы двигателя также, обычно впрыскиваются углеводороды из клапана 16 подачи углеводорода с предварительно определенными интервалами подачи при поддержании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, бедным. В это время NO_X, который содержится в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, в то время как NO_X, который не восстановлен в катализаторе 14 очистки выхлопных газов, восстанавливается посредством аммиака, адсорбированного в катализаторе 15 избирательного восстановления NO_X.

С другой стороны, в этом варианте осуществления, когда в катализаторе 14 очистки выхлопных газов должен генерироваться аммиак NH₃, большой объем углеводородов впрыскивается из клапана 16 подачи углеводорода к входу катализатора 13 окисления малого размера, так что состав (A/F)in смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, становится богатым. Если такой большой объем углеводородов впрыскивается из клапана 16 подачи углеводорода к входу катализатора 13 окисления малого размера, тепло реакции окисления углеводородов приводит к тому, что катализатор 13 окисления малого размера достигает высокой температуры. Как результат, углеводороды, которые впрыскиваются из клапана 16 подачи углеводорода, сжигаются в катализаторе 13 окисления малого размера в состоянии нехватки кислорода, следовательно, образуется большой объем моноксида CO углерода.

Если образуется большой объем моноксида CO углерода, реакция образования водяного газа приводит к образованию водорода H₂, и, следовательно, аммиак NH₃ генерируется в катализаторе 14 очистки выхлопных газов. Кроме того, если в катализатор 13 окисления малого размера подаются углеводороды, паровой реформинг (HC+H₂O->H₂+…) используется для того, чтобы получить водород H₂. Этот водород H₂ также дает возможность генерирования аммиака NH₃ в катализаторе 14 очистки выхлопных газов.

Таким образом, в средстве формирования водорода согласно этому варианту осуществления, объем углеводородов, требуемый для задания состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа богатым, подается из клапана 16 подачи углеводорода, за счет чего углеводороды сжигаются в выпускном канале двигателя. Вследствие этого, состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор 14 очистки выхлопных газов, задается богатым, посредством чего водород может генерироваться посредством реакции образования водяного газа или под действием парового реформинга.

Следует отметить, что катализатор 13 окисления малого размера имеет небольшой размер, следовательно, если углеводороды подаются в него, тепло реакции окисления приводит к быстрому повышению температуры, и как результат, температура выхлопного газа, который протекает в катализатор 14 очистки выхлопных газов, повышается. Следовательно, при использовании катализатора 13 окисления малого размера существует преимущество того, что можно способствовать нагреву катализатора 14 очистки выхлопных газов и катализатора 15 избирательного восстановления NO_X.Список ссылочных позиций

4 - впускной коллектор

5 - выпускной коллектор

7 - турбонагнетатель, приводимый во вращение выхлопными газами

12 - выхлопная труба

13 - катализатор частичного окисления углеводородов

14 - катализатор очистки выхлопных газов

15 - катализатор избирательного восстановления NO_X

16 - клапан подачи углеводорода.

Изобретение относится к системе очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: в выпускном канале двигателя, в порядке от стороны впуска, размещаются клапан (16) подачи углеводорода, катализатор (13) окисления, катализатор (14) очистки выхлопных газов и катализатор (15) избирательного восстановления NO_X. Посредством понижения отношения "воздух-топливо" в выхлопном газе, протекающем в катализатор (14) очистки выхлопных газов, с предварительно определенным периодом при поддержании их состава бедным, NO_X восстанавливается в катализаторе (14) очистки выхлопных газов, и NO_X, который не восстановлен в катализаторе (14) очистки выхлопных газов, восстанавливается посредством аммиака, который адсорбируется в катализаторе (15) избирательного восстановления NO_X. Отношение "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор (14) очистки выхлопных газов, иногда переключается с бедного на богатый состав смеси. В это время аммиак, который был образован в катализаторе (14) очистки выхлопных газов, адсорбируется в катализаторе (15) избирательного восстановления NO_X. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой скорости очистки выхлопных газов от NO_X, даже в том случае, если температура катализатора очистки выхлопных газов достигает высокой температуры. 14 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в которой: в выпускном канале двигателя размещается клапан подачи углеводорода для подачи углеводородов, катализатор очистки выхлопных газов для реакции NO_X, содержащегося в выхлопном газе, и углеводородов, впрыскиваемых из клапана подачи водорода и частично окисленных, размещается в выпускном канале двигателя ниже по потоку, чем клапан подачи углеводорода, на поверхности протекания выхлопных газов катализатора очистки выхлопных газов содержится катализатор на основе драгоценных металлов, и вокруг катализатора на основе драгоценных металлов формируется базовая часть поверхности протекания выхлопных газов; предусматривается средство генерирования водорода для задания состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым и генерирования водорода в выхлопном газе; катализатор очистки выхлопных газов имеет свойство восстановления NO_X, содержащегося в выхлопном газе, если углеводороды впрыскиваются с предварительно определенным периодом подачи из клапана подачи углеводорода в таком состоянии, что состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, поддерживается бедным и имеет свойство увеличения накопленного количества NO_X, содержащегося в выхлопном газе, при увеличении периода подачи углеводородов относительно упомянутого предварительно определенного периода подачи; катализатор очистки выхлопных газов также имеет свойство формирования аммиака, если водород подается в таком состоянии, что состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, является богатым;
в выпускном канале двигателя размещается катализатор избирательного восстановления NO_X, который адсорбирует и удерживает аммиак, образованный в катализаторе очистки выхлопных газов; во время работы двигателя углеводороды впрыскиваются из клапана подачи углеводорода с упомянутым предварительно определенным интервалом подачи при поддержании состава смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, бедным, состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, делают временно богатым и генерируют водород в выхлопном газе с интервалами, превышающими упомянутый предварительно определенный интервал подачи, посредством упомянутого средства формирования водорода, и тем самым NO_X, который содержится в выхлопном газе, восстанавливается в катализаторе очистки выхлопных газов, а NO_X, который не может быть восстановлен в катализаторе очистки выхлопных газов, восстанавливается посредством аммиака, который адсорбируется в катализаторе избирательного восстановления NO_X.

2. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутый катализатор очистки выхлопных газов и катализатор частичного окисления углеводородов, способный частично окислять углеводороды, впрыскиваемые из клапана подачи углеводорода, размещаются в выпускном канале двигателя ниже по потоку клапана подачи углеводорода, так что углеводороды, частично окисляемые в катализаторе частичного окисления углеводородов, протекают в катализатор очистки выхлопных газов.

3. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутый катализатор частичного окисления углеводородов размещается в выпускном канале двигателя выше по потоку упомянутого катализатора очистки выхлопных газов.

4. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.3, в которой упомянутый катализатор частичного окисления углеводородов состоит из катализатора окисления малого размера, который меньше по объему, чем упомянутый катализатор очистки выхлопных газов, и через который идет часть выхлопного газа, который протекает в катализатор очистки выхлопных газов, и в которой углеводороды впрыскиваются из упомянутого клапана подачи углеводорода к торцевой поверхности на стороне впуска упомянутого катализатора окисления малого размера.

5. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой верхний покровный слой, состоящий из упомянутого катализатора частичного окисления углеводородов, формируется на нижнем покровном слое, состоящем из упомянутого катализатора очистки выхлопных газов.

6. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1 или 2, в которой упомянутый катализатор на основе драгоценных металлов вызывает реакцию NO_X, содержащегося в выхлопном газе, и частично окисленных углеводородов, с тем чтобы образовывалось восстанавливающее промежуточное соединение, содержащее азот и углеводороды, и полученное восстанавливающее промежуточное соединение удерживается на базовой части поверхности протекания выхлопных газов, и NO_X восстанавливается посредством восстановительного действия восстанавливающего промежуточного соединения, удерживаемого на базовой части поверхности протекания выхлопных газов, и предварительно определенный интервал подачи углеводородов является интервалом подачи, требуемым для обеспечения непрерывного присутствия восстанавливающего промежуточного соединения на базовой части поверхности протекания выхлопных газов.

7. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутый катализатор избирательного восстановления NO_X размещается ниже по потоку упомянутого катализатора очистки выхлопных газов.

8. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой верхний покровный слой, состоящий из упомянутого катализатора очистки выхлопных газов, формируется на нижнем покровном слое, состоящем из упомянутого катализатора избирательного восстановления NO_X.

9. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой в состав упомянутых катализаторов на основе драгоценных металлов входят платина Pt и, по меньшей мере, один элемент из родия Rh и палладия Pd.

10. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой на поверхности протекания выхлопных газов упомянутого катализатора очистки выхлопных газов формируется базовый слой, который включает в себя щелочной металл, щелочноземельный металл, редкоземельный металл или металл, который может быть донором электронов для NO_X, и при этом поверхность упомянутого базового слоя формирует упомянутую базовую часть поверхности протекания выхлопных газов.

11. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутое средство генерации водорода делает состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа в камерах сгорания богатым, с тем чтобы сделать состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым, и генерирует водород посредством реакции образования водяного газа.

12. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутое средство генерации водорода подает такое количество углеводородов, которое требуется для того, чтобы сделать состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа богатым, из упомянутого клапана подачи углеводорода и делают сжигание углеводородов в выпускном канале двигателя таким, чтобы сделать состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым и генерировать водород посредством реакции образования водяного газа или под действием парового реформинга.

13. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.12, в которой катализатор частичного окисления углеводородов размещается в выпускном канале двигателя выше по потоку упомянутого катализатора очистки выхлопных газов, упомянутый катализатор частичного окисления углеводородов состоит из катализатора окисления малого размера, который меньше по объему, чем катализатор очистки выхлопных газов, и через который идет часть выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, и упомянутый клапан подачи углеводорода подает углеводороды в упомянутый катализатор окисления малого размера так, чтобы делать состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым и генерировать водород.

14. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой упомянутое средство генерирования водорода временно делает состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым и генерирует водород с интервалами, предварительно определенными в соответствии с рабочим режимом двигателя.

15. Система очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, в которой восстанавливающее промежуточное соединение, содержащее азот и углеводороды и образующее источник генерирования аммиака, накапливается в упомянутом катализаторе очистки выхлопных газов; предусматривается средство вычисления для вычисления накопленного объема упомянутого восстанавливающего промежуточного соединения, и упомянутое средство генерирования водорода временно делает состав смеси "воздух-топливо" выхлопного газа, протекающего в катализатор очистки выхлопных газов, богатым и генерирует водород, когда накопленный объем восстанавливающего промежуточного соединения превышает предварительно определенное допустимое значение.