СИНЕРГИЧЕСКИЕ КОНФИГУРАЦИИ SCR/DOC ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/10 F01N3/35 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области контроля автомобильных выбросов, а в частности к устранению NOx и неметановых углеводородов из выхлопов дизельного двигателя.

Уровень техники

Система двигателя моторного транспортного средства может содержать ряд устройств очистки выхлопных газов, которые подавляют выбросы неотработанного газа из двигателя. Эти устройства включают в себя ловушки NOx, дизельные окислительные катализаторы (DOC), сажевый фильтр дизельного двигателя (DPF) и/или устройство селективного каталитического восстановления (SCR) для восстановления NOx.

Эти устройства могут быть по-разному расположены в различных выхлопных системах моторного транспортного средства. Например, в патенте США №7229597 описана выхлопная система дизельного двигателя, в которой дизельный окислительный катализатор DOC расположен после устройства SCR. В патентной заявке США №2007/0125072 дизельный окислительный катализатор расположен после устройства SCR. Ни одна из этих конфигураций не соответствует строгим требованиям по контролю выбросов NOx и неметановых углеводородов (NMHC). Например, стандарт PZEV (транспортное средство практически без выбросов) для маломощных дизельных грузовых автомобилей допускает не более 0,02 грамма NOx на милю и 0,01 грамм неметановых углеводородов на 150000 миль. Единственный дизельный окислительный катализатор выхлопной системы дизельного двигателя не сможет сохранить выбросы неметановых углеводородов ниже этого уровня, в основном, вследствие повышенных выбросов неметановых углеводородов во время запуска холодного двигателя.

Раскрытие изобретения

Авторы настоящего изобретения выявили данную проблему и представили ряд способов для ее решения. Одним из способов является система двигателя моторного транспортного средства, содержащая первый дизельный окислительный катализатор, выполненный с возможностью получения выхлопных газов из двигателя, и устройство SCR, установленное ниже по потоку первого устройства DOC, в направлении потока выхлопных газов. Устройство SCR выполнено с возможностью абсорбирования углеводородов при более низких температурах и высвобождения углеводородов при более высоких температурах. Система также содержит второй дизельным окислительный катализатор, установленных ниже по потоку устройства SCR. Второй дизельный окислительный катализатор выполнен с возможностью окисления углеводородов. Такая новая конфигурация обеспечивает явный множественный синергический эффект. Например, большая часть неметановых углеводородов, которые пропускает первый дизельный окислительный катализатор, могут быть временно помещены в устройство SCR, пока второй дизельный окислительный катализатор не достигнет своей рабочей температуры запуска (при достижении которой нейтрализатор обеспечивает снижение содержания вредных веществ в отработавших газах более чем на 50%). К тому времени, когда неметановые углеводороды высвобождаются из устройства SCR, второй дизельный окислительный катализатор будет нагрет достаточно для обеспечения эффективного контроля уровня неметановых углеводородов.

Следует понимать, что краткое изложение, приведенное выше, является упрощенной формой представления выбора концепций, которые ниже описаны более детально. Данное описание не предназначено для выявления основных или существенных признаков заявленной сущности изобретения, объем которого определяется следующими далее пунктами формулы изобретения. Более того, заявленная сущность изобретения не ограничивается только лишь реализацией варианта изобретения, который устраняет различные недостатки, приведенные выше или в других разделах настоящего описания.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 схематически показаны компоненты примерной системы двигателя моторного транспортного средства в соответствии с вариантом воплощения данного изобретения.

Фиг.2 представляет собой график результатов испытания проточного реактора, в котором процент конверсии углеводородов показан в зависимости от температуры на входе DOC для различных составов подаваемого газа.

Фиг.3 представляет собой график сравнения концентраций неметановых углеводородов в подаваемом газе с концентрациями неметановых углеводородов, замеренными непосредственно после DOC и сразу же после фильтра SCR, установленного ниже по потоку DOC.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий концентрации NOx и монооксида углерода (СО), замеренные непосредственно после после фильтра SCR установленного ниже по потоку DOC.

Фиг.5 представляет собой график математического моделирования результатов прогнозирования эффективности конфигурации «DOC-фильтр SCR-DOC» в соответствии с вариантом данного изобретения.

На Фиг.6 схематически показаны компоненты другой примерной системы двигателя моторного транспортного средства в соответствии с вариантом данного изобретения.

Фиг.7 представляет собой график математического моделирования результатов прогнозирования эффективности конфигурации «DOC-SCR-DOC-DPF» в соответствии с вариантом данного изобретения.

На Фиг.8 схематически показаны компоненты другой примерной системы двигателя моторного транспортного средства в соответствии с вариантом данного изобретения.

На Фиг.9 и 10 показаны примерные способы контроля выбросов системы двигателя моторного транспортного средства в соответствии с вариантом данного изобретения.

Осуществление изобретения

Сущность данного изобретения описана примерно и со ссылкой на указанные выше иллюстративные варианты. Компоненты, технологические операции и другие элементы, которые могут быть по существу одинаковыми в одном или более вариантов, идентифицированы координационно и описаны с минимальным количеством повторов. Необходимо отметить, что элементы, идентифицируемые координационно, могут в некоторой степени различаться. Необходимо также отметить, что чертежи, включенные в данное изобретение, являются схематическими и в общем случае не соответствуют масштабу. Кроме того, масштабы чертежей, взаимные соотношения и количество деталей, показанное на чертежах, может быть намеренно искажено для того, чтобы выделить некоторые характеристики или соотношения.

На Фиг.1 схематически показаны компоненты примерной системы 10 двигателя в одном из вариантов воплощения. Система может быть установлена на моторное транспортное средство; она содержит двигатель 12, выполненный с возможностью обеспечения крутящего момента, который приводит в движение моторное транспортное средство. Двигатель 12 может быть топливосберегающим, работающим на обедненной смеси дизельным двигателем - дизельным двигателем с наддувом или турбонаддувом, в некоторых примерах. Для выработки крутящего момента двигатель впускает воздух из атмосферы, впускает дизельное топливо и сжигает воздух и дизельное топливо в одной или более камер сгорания. Двигатель также выделяет из камер сгорания подаваемый газ двигателя, т.е. выхлопные газы, произведенные во время сгорания. Эти выхлопные газы могут содержать компоненты, нежелательные для выброса в окружающую атмосферу: например, оксид азота NOx, CO, сажу, метан и неметановые углеводороды. Соответственно, система 10 двигателя содержит ряд устройств очистки и доочистки выхлопных газов, выполненных с возможностью получения выхлопных газов из двигателя.

Система 10 двигателя содержит дизельный окислительный катализатор (DOC) 14A установленный на выхлопном трубопроводе 16, после двигателя 12 в направлении потока выхлопных газов. DOC 14A представляет собой внутреннюю структуру носителя катализатора, на которую нанесено покрытие из пористого оксида. В соответствии с этим DOC 14A выполнен с возможностью окисления остаточного СО, водорода, метана и неметановых углеводородов, присутствующих в выхлопных газах двигателя. В одном варианте вместимость DOC 14A может составлять 25-150% рабочего объема двигателя (ESV). Плотность ячеек дизельного окислительного катализатора может составлять, например, 600 ячеек на квадратный дюйм (cpsi) с толщиной стенок 0,003 дюйма, или 400 ячеек на квадратный дюйм с толщиной стенок 0,004 дюйма. В одном варианте носитель DOC 14A может имеет покрытие из пористого оксида плотностью 0,5-5 грамм на кубический дюйм с металлами платиновой группы (PGM), закладываемыми в пределах от 15 до 210 грамм на кубофут. Металлы платиновой группы могут включать в себя платину, смесь платины и палладия в соотношении от 20:1 до 1:10 или только палладий. В других вариантах в качестве катализаторов могут быть использованы другие переходные металлы, такие как золото или родий. Кроме того, щелочные металлы и (или) щелочноземельные металлы, такие как калий, стронций и бор могут быть добавлены для усиления функций дизельного окислительного катализатора.

Возвращаясь к Фиг.1, на схеме показаны форсунка 18 подачи восстановителя, смеситель 20 восстановителя и устройство SCR 22 установленные ниже по потоку дизельного окислительного катализатора 14А в системе 10 двигателя. Форсунка подачи восстановителя выполнена с возможностью получения восстановителя (например, раствора мочевины) из резервуара и контролируемого впрыска восстановителя в поток выхлопных газов. Форсунка подачи восстановителя может представлять собой форсунку, которая распыляет раствор восстановителя в форме аэрозоля. Смеситель 20 восстановителя, расположенный ниже по потоку форсунки подачи восстановителя, выполнен с возможностью увеличения степени и/или гомогенности впрыскиваемого восстановителя в потоке выхлопных газов. Смеситель восстановителя может содержать одну или более лопастей, выполненных с возможностью закручивать поток выхлопных газов и захваченного восстановителя для улучшения дисперсии. При распылении в горячем выхлопе двигателя, по меньшей мере часть впрыскиваемого восстановителя может разлагаться. В вариантах, где восстановителем является раствор мочевины, восстановитель может разлагаться на воду, аммиак и диоксид углерода. Оставшаяся мочевина будет разлагаться при воздействии устройства SCR (см. ниже).

Устройство SCR 22 установлено ниже по потоку смесителя 20 восстановителя. Устройство SCR может быть выполнено с возможностью ускорения одной или более химических реакций между аммиаком, образованным при разложении впрыснутого восстановителя, и NOx (например, окиси азота и диоксида азота) из выхлопа двигателя, тем самым сокращая объем оксидов NOx, выпускаемый в атмосферу. Устройство SCR состоит из внутренней структуры носителя катализатора, на которую нанесено покрытие из пористого оксида устройства SCR. Покрытие из пористого оксида устройства SCR выполнено с возможностью абсорбирования NOx и аммиака и для катализирования их окислительно-восстановительной реакции с образованием молекулярного азота (N₂) и воды. В одном варианте вместимость устройства SCR 22 составляет величину в пределах 50-250% рабочего объема двигателя. Плотность ячеек устройства SCR составляет 400 ячеек на квадратный дюйм с толщиной стенок 0,004 дюйма. Наполнение покрытия из пористого оксида может составлять 0,5-5,0 грамм на кубический дюйм, для покрытия из пористого оксида, содержащего цеолит - например, хабазит, бета, иттрий, ZSM5 или их комбинации - и основные металлы, включая медь, железо, церий, марганец и их комбинации.

В системе 10 двигателя фильтр SCR 24 установлен ниже по потоку устройства SCR 22. Фильтр SCR состоит из фильтрующего сажу субстрата для удержания сажи, захваченной в потоке выхлопных газов. По меньшей мере на некоторые области субстрата нанесено покрытие из пористого оксида, имеющее каталитическую активность типа SCR. Соответственно, устройство SCR выполняет функции SCR и контроля прохода аммиака, в дополнение к функции удерживания сажи в потоке выхлопных газов.

Покрытие из пористого оксида устройства 24 фильтра SCR также способствует окислению накопленной сажи и восстановлению пропускной способности фильтра, по крайней мере при определенных условиях. В одном варианте сажа, накопленная в устройстве 24 фильтра SCR, может подвергаться нерегулярному воздействию окислительных условий, когда двигатель 12 отрегулирован на временный выпуск выхлопа при высокой температуре. В другом варианте накопленная сажа может окисляться непрерывно или квазинепрерывно во время нормальной работы двигателя. В одном варианте вместимость устройства 24 фильтра SCR составляет 50%-250% от рабочего объема двигателя. Плотность ячеек устройства фильтра SCR составляет 300 ячеек на квадратный дюйм с толщиной стенок 0,012 дюйма. В одном варианте заполненность покрытия из пористого оксида составляет 0,1-3 грамм на кубический дюйм в высокопористом субстрате.

Хотя на Фиг.1 показано устройство SCR 22, установленное выше по потоку непосредственно после устройства 24 фильтра SCR, предполагается, что возможны и другие варианты. Например, устройство SCR и устройство фильтра SCR могут быть расположены в обратном порядке, между ними может находиться другая структура, в системе двигателя может не быть устройства SCR 22.

При определенных условиях сочетание устройств посточистки выхлопных газов, описанное выше, может не обеспечивать необходимого уровня контроля выхлопов. Эти условия могут включать в себя холодный запуск двигателя, при котором существенное количество неметановых углеводородов может проходить через дизельный окислительный катализатор 14А до того, как окислительный катализатор в дизельном окислительном катализаторе достигнет рабочей температуры. Авторы настоящего изобретения экспериментально определили, что подходящим образом выполненное покрытие из пористого оксида SCR в холодном состоянии имеет большое сродство с неметановыми углеводородами. При условии холодного запуска устройство SCR и фильтр SCR могут вмещать более 50% общих выбросов неметановых углеводородов двигателя. В соответствии с этим в варианте, показанном на Фиг.1, неметановые углеводороды, проходящие через дизельный окислительный катализатор 14А, могут быть помещены в устройство SCR 22 и/или фильтр SCR 24. При увеличении температуры этих устройств вследствие устойчивого потока выхлопных газов, вмещенные неметановые углеводороды десорбируются из покрытий из пористого оксида SCR и вновь поступают в поток выхлопных газов. Для этой цели покрытия из пористого оксида этих устройств могут быть выполнены с возможностью абсорбции неметановых углеводородов при более низких температурах (например, температуре холодного запуска двигателя, <70°С) и высвобождать неметановые углеводороды при более высокой температуре (например, нормальной температуре выхлопа дизельного двигателя). При отсутствии дальнейших измерений десорбированные неметановые углеводороды выпускаются в атмосферу, ухудшая характеристики контроля выбросов системы двигателя. Кроме этого в связи с отсрочкой выброса неметановых углеводородов характеристики контроля выбросов системы двигателя могут казаться хуже, чем они есть. Это происходит вследствие того, что при взятии проб для контроля уровня загрязнения используется большее значение неметановых углеводородов, выпущенных после периода прогрева («резервуар 2»), а не во время периода прогрева («резервуар 1»).

Для решения этих проблем и обеспечения более плотного контроля выбросов неметановых углеводородов система 10 двигателя содержит дизельный окислительный катализатор (DOC) 14C. В одном варианте вместимость DOC 14C может составлять 10-100% рабочего объема двигателя. Плотность ячеек дизельного катализатора окисления составляет 600 ячеек на квадрантный дюйм с толщиной стенок 0,003 дюйма. В одном варианте на субстрат DOC 14C может быть нанесено покрытие из пористого оксида с наполненностью 0,1-0,3 грамма на кубический дюйм. В одном варианте покрытие из пористого оксида для DOC 14C по существу такое же, как для DOC 14A. В другом варианте покрытие из пористого оксида DOC 14C содержит незначительное количество металлов платиновой группы, другого металла платиновой группы или даже катализатора, не являющегося металлом платиновой группы. Таким образом, общее содержание металлов платиновой группы в DOC 14C и/или наполненность элементами металлов платиновой группы может быть ниже, чем в DOC 14A.

Расположение DOC 14C ниже по потоку фильтра SCR 24 предоставляет дополнительные преимущества для контроля выбросов неметановых углеводородов. Это происходит за счет того, что дизельный окислительный катализатор DOC 14C эффективно защищен от избыточных неметановых углеводородов, СО и NOx при холодном пуске, благодаря свойствам контроля NOx и абсорбции неметановых углеводородов катализатором SCR, находящимся выше по потоку, а также рабочим характеристикам DOC 14A. Так как покрытие из пористого оксида на DOC 14C никогда не подвергается воздействию неметановых углеводородов, СО или NOx высокой концентрации, его рабочаа температура будет гораздо ниже, чем у DOC 14A. Следовательно, к тому времени, как сохраненные неметановые углеводороды будут выпущены из устройства SCR 22, DOC 14C может уже быть нагрет до температуры, при которой происходит мгновенное окисление неметановых углеводородов.

Возвращаясь к Фиг.1, система 10 двигателя содержит электронную систему управления 26. Электронная система управления может содержать контроллер или комбинацию контроллеров моторного транспортного средства, в котором установлен двигатель. Электронная система управления может быть функционально соединена с различными компонентами системы двигателя (клапанами, насосами, топливными форсунками, радиаторами и т.д.) и выполнена с возможностью приведения этих компонентов в действие или регулировки этих компонентов с целью осуществления функции управления системы двигателя, включая функции управления, описанные здесь. Для оценки рабочих условий в связи с различными функциями управления электронная система управления может быть функционально соединена с множеством датчиков, находящихся в системе двигателя - датчиками потока, температуры, положения педали, давления и т.д. В некоторых вариантах все устройства посточистки выхлопных газов, описанные здесь, могут включать в себя датчик температуры и нагреватель. Электронная система управления может быть выполнена с возможностью функционирования в замкнутом цикле, приводя в действие нагреватель для обеспечения нагрева, когда температуры устройства посточистки ниже предопределенного порога.

На Фиг.2 показан график результатов испытания проточного реактора, подтверждающая выводы авторов изобретения. На графике процент конверсии углеводородов показан в зависимости от температуры на входе дизельного окислительного катализатора для различных составов подаваемого газа двигателя. Для данного испытания использовали дизельный окислительный катализатор, имеющий покрытие из пористого оксида из металлов платиновой группы плотностью 105 грамм на кубофут. После выдерживания в течение 80 часов при температуре 800°С (для моделирования 150000 миль износа), в дизельный окислительный катализатор DOC был впущен сырьевой газ с объемной скоростью 50000 эквивалентных часов. График 28 был записан с использованием концентрации полипропилена в 250 частиц на миллион без СО и NOx в сырьевом газе. В этих условиях температура Т50, определенная как входная температура дизельного окислительного катализатора, при которой окисляется 50% неметановых углеводородов, составляет 90°С. График 30 был записан при аналогичных условиях, используя концентрацию полипропилена в 1000 частиц на миллион. В данном случае Т50 увеличивается до более чем 100°С. Графики 32 и 34 показывают влияние дополнительных 2000 частиц на миллион СО по отношению к условиям, используемым для графиков 28 и 30 соответственно. График 36 показывает влияние дополнительного СО в 1000 частиц на миллион и оксида азота в 400 частиц на миллион по отношению к условиям, используемым для графика 34. Эти условия дополнительно увеличивают Т50, что приводит к тому, что дизельный окислительный катализатор будет меньше контролировать выбросы неметановых углеводородов при относительно низких температурах выхлопных газов.

Графики Фиг.3 и 4 показывают, что ниже по потоку конфигурации «DOC-SCRF» наблюдаются относительно низкие концентрации неметановых углеводородов, СО и NOx. На Фиг.3 показано сравнение концентрации в сырьевом газе нементановых углеводородов (верхний граф, сплошная линия) с концентрациями, измеренными непосредственно после дизельного катализатора окисления (нижний граф, сплошная линия) и непосредственно после фильтра SCR, установленного ниже по потоку после дизельного катализатора окисления (нижний граф, пунктирная линия). На графике показаны концентрации неметановых углеводородов после фильтра SCR, составляющие менее 100 частиц на миллион после 100 секунд потока выхлопных газов даже с концентрацией сырьевого газа более 8000 частиц на миллион. На Фиг.4 показаны концентрации NOx (сплошная линия) и СО (пунктирная линия), измеренные сразу же после фильтра SCR, расположенного ниже по потоку дизельного катализатора окисления. Граф показывает концентрации NOx и СО после фильтра SCR, составляющие менее 200 частиц на миллион после 100 секунд потока выхлопных газов.

Если рассмотреть совместно данные, представленные на Фиг.2-4, можно увидеть, что устройство SCR 22 и/или фильтр SCR 24 системы 10 двигателя сохраняет неметановые углеводороды, образовавшиеся при холодном запуске двигателя 12, и высвобождает их только после того, как дизельный окислительный катализатор достигнет рабочих условий, предоставляя улучшение контроля за выбросами неметановых углеводородов. Доказательства этому представлены на Фиг.5. При помощи модели математического проектирования (сплошная линия), что дизельный окислительный катализатор с 105 грамм на кубофут после фильтра SCR сокращает неметановые углеводороды в выхлопной трубе на 30%. Модель основана на фактической температуре и данных о концентрации неметановых углеводородов, замеренной на выходе фильтра SCR (пунктирная линия).

Ключевым фактором предлагаемого решения является хранение неметановых углеводородов в катализаторе SCR при условиях холодного запуска и высвобождении неметановых углеводородов при более высоких температурах. Возможность хранения неметановых углеводородов характерна для цеолита в покрытии из пористого оксида SCR. Основной функцией цеолита является хранение аммиака для восстановления оксида азота. Однако состав цеолита и его объем могут быть изменены для хранения увеличивающихся объемов неметановых углеводородов при холодном пуске двигателя. Таким образом, одно или более устройство SCR в системе 10 двигателя может содержать покрытие из пористого оксида для повышения сорбции неметановых углеводородов. Кроме того, можно достичь значительного улучшения характеристик дизельного катализатора окисления при более низкой общей стоимости подбором оптимального количества металлов платиновой группы выше по потоку и/или ниже по потоку дизельного окислительного катализатора с оптимальным составом и объемом цеолита в покрытии с пористым оксидом SCR.

Оптимизация может также включать в себя регулировку цеолита для сорбции неметановых углеводородов, чтобы температура десорбции неметановых углеводородов была приблизительно равна рабочей температуре DOC, расположенного ниже по потоку. Таким образом, покрытие с пористым оксидом SCR не будет удерживать неметановые углеводороды дольше, чем это необходимо. Оптимизация также может включать в себя контроль количества неметановых углеводородов, сорбированных для сохранения способности цеолита сорбировать аммиак для эффективного восстановления NOx и для того, чтобы избежать экзотермического эффекта при падении до условий холостого хода. Экзотермический эффект может ухудшить характеристики контроля NOx в покрытии из пористого оксида SCR. В некоторых вариантах контроль количества неметановых углеводородов, сорбированных в покрытии из пористого оксида, может включать в себя изменение относительного сродства цеолита к полярным (аммиак, оксиды азота) и неполярным (неметановые углеводороды) составляющим путем изменения состава цеолита.

В вариантах, которые включают в себя устройство фильтра SCR - например, система 10 - дизельный окислительный катализатор, расположенный ниже по потоку, расположен после фильтра SCR, где он не может окислить аммиак, который поступает в фильтр SCR. В вариантах, которые включают в себя традиционный дизельный сажевый фильтр, DOC может быть помещен выше по потоку дизельного сажевого фильтра. Система 38 двигателя, показанная на Фиг.6, иллюстрирует такой вариант. В этой системе фильтр SCR 24 опущен, а дизельный сажевый фильтр DPF 40 расположен после дизельного катализатора окисления DOC 14C.

Дизельный сажевый фильтр DPF 40 системы 38 двигателя - это регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью удержания сажи, захваченной потоком выхлопных газов двигателя; соответственно, он содержит субстрат, фильтрующий сажу. На этот субстрат нанесено покрытие с пористым оксидом, которое обеспечивает окисление накопленной сажи и восстановление пропускной способности фильтра при определенных условиях. В одном варианте накопленная сажа может быть подвергнута нерегулярному окислению, при котором двигатель 12 отрегулирован для временного выпуска выхлопных газов при высокой температуре. В другом варианте накопленная сажа может подвергаться непрерывному или квазинепрерывному окислению во время нормальной работы двигателя. В одном варианте дизельный сажевый фильтр DPF 40 имеет вместимость 100-250% рабочего объема двигателя. Плотность ячеек дизельного сажевого фильтра может составлять 200 ячеек на квадратный дюйм с толщиной стенок 0,018 дюйма или 300 ячеек на квадратный дюйм с толщиной стенок 0,012 дюйма. В одном варианте наполненность покрытия с пористым оксидом 0,1-2 грамма на кубический дюйм поддерживается субстратом со стандартной пористостью. Наполненность покрытия металлами платиновой группы составляет от 0 до 210 грамм на кубофут в платине, палладии или смеси платины и палладия в соотношении 20:1-1:10. Конфигурация системы 38 двигателя гарантирует, что на входную температуру в DOC 14C не влияет тепловая инерция дизельного сажевого фильтра DPF 40, что приводит к лучшей конверсии неметановых углеводородов. Пунктирные линии на Фиг.7 сравнивают проекции математической модели для конфигурации, показанной на Фиг.6 (нижний граф, пунктирная линия) с аналогичной системой, в которой DOC 14C находится ниже по потоку дизельного сажевого фильтра 40 (верхний граф, пунктирная линия). Проекции основаны на условиях подачи транспортного средства с двигателем 4,4 л. Они показывают улучшение на 44% в конверсии неметановых углеводородов вследствие размещения дизельного катализатора окисления выше по потоку в отличие от расположенного ниже по потоку дизельного сажевого фильтра. Модель основана на фактической температуре и данных о концентрации неметановых углеводородов, замеренных на выходе фильтра SCR (температура показана сплошной линией).

Одна из проблем размещения дизельного катализатора окисления выше дизельного сажевого фильтра заключается в том, что он будет подвергнут воздействию относительно высоких температур, особенно во время регенерации дизельного сажевого фильтра. Таким образом, окислительный катализатор должен быть достаточно стойким для соответствия рабочим условиям, несмотря на периодические резкие высокотемпературные отклонения. В одном варианте выше дизельного сажевого фильтра можно использовать стойкий дизельный окислительный катализатор, который сможет выдержать условия восстановления в 700°С без ухудшения рабочих характеристик. В других реализациях ниже фильтра SCR может использоваться не такой стойкий дизельный окислительный катализатор, который имеет лучшие рабочие характеристики при более низких входных температурах. В одном варианте стойкость дизельного катализатора окисления к высоким температурам может быть улучшена при помощи использования высокодисперсного распыления металлов платиновой группы с достаточным слоем покрытия с пористым оксидом для снижения переноса металлов платиновой группы вследствие образования окалины. В другом варианте стойкость к высоким температурам можно повысить, добавив связующие вещества, например, титан, вольфрам, цинк, цирконий и/или церий. Дизельный окислительный катализатор с тонкими стенками может использоваться в положении после фильтра SCR для сокращения тепловой инерции и улучшения рабочих свойств.

В некоторых вариантах, где дизельный окислительный катализатор находится перед устройством SCR или после него, уровни металлов платиновой группы в положении катализатора окисления платиновой группы до SCR, можно сократить для снижения стоимости. Снижение уровня металлов платиновой группы расположенного выше катализатора окисления может существенно сократить рабочие возможности и увеличить уровень углеводородов. Однако, как показано на Фиг.3, уровень углеводородов, особенно при условиях холодного пуска двигателя, может эффективно сохраняться в одном или более покрытиях с пористым оксидом SCR. Когда температура выхлопных газов растет, сохраненные неметановые углеводороды выпускаются из покрытия с пористым оксидом SCR и окисляются дизельным катализатором окисления ниже по потоку.

На Фиг.8 схематически показаны элементы другой системы 41 двигателя в одном варианте. Система 14 отличается от системы 10 тем, что дополнительный дизельный окислительный катализатор DOC 14B и дополнительная форсунка подачи восстановителя 18 В находятся между устройством SCR 22 и фильтром SCR 24. Дополнительный DOC системы 41 позволяет осуществлять более плотный контроль за выбросами углеводородов. В этом варианте DOC 14C получает неметановые углеводороды, выпущенные из устройства SCR 22 и фильтра SCR 24 в отсутствии СО. Следовательно, достижение рабочих условий произойдет при гораздо более низкой температуре. Кроме того, форсунка подачи восстановителя 18В гарантирует, что фильтр SCR 24 имеет достаточно восстановителя для того, чтобы сохранять выбросы оксидов азота на очень низком уровне. В одном варианте форсунка подачи восстановителя 18В может быть выполнена с возможностью впрыска газообразного аммиака вместо мочевины, в этом случае она расположена непосредственно перед фильтром SCR 24. Эта конфигурация значительно снижает тепловую инерцию выше фильтра SCR 24 и DOC 14C, давая возможность катализаторам раньше достичь рабочих условий с целью усиления контроля выбросов неметановых углеводородов и NOx. В следующем варианте форсунка подачи восстановителя 18В выполнена с возможностью впрыска мочевины, а смеситель 20В может быть расположен между форсункой и фильтром SCR.

Конфигурации, описанные выше, предоставляют несколько способов для контроля выбросов системы двигателя транспортного средства. Соответственно, эти способы описаны сейчас в качестве примера, со ссылками на вышеуказанные конфигурации. Необходимо отметить, что описанные здесь способы и прочие способы в рамках данного изобретения могут быть выполнены и в других конфигурациях. Представленные здесь способы могут включать в себя различные операции измерения и/или индикации, производимые при помощи одного или более датчиков, находящихся в системе двигателя. Способы также включают в себя расчеты, сравнение, принятие решений, осуществляемые при помощи электронной системы управления, функционально подключенной к датчикам. Еще способы включают в себя приведение в действие аппаратных средств, которым электронная система избирательно подает сигналы в ответ на события принятия решений.

На Фиг.9 проиллюстрирован примерный вариант способа 42, используемый для контроля за выбросами системы двигателя транспортного средства. На этапе 44 выхлопные газы поступают в первый катализатор окисления. Выхлопные газы могут содержать углеводороды, такие как неметановые углеводороды. На этапе 46 окисляют некоторую часть углеводородов, содержащуюся в первом катализаторе окисления. На этапе 48 в поток выхлопных газов выше покрытия с пористым оксидом SCR впрыскивают восстановитель, например мочевину. На этапе 50 по меньшей мере часть захваченных, но не окисленных в первом катализаторе окисления углеводородов сорбируется в покрытии с пористым оксидом SCR. На этапе 52 углеводороды, сорбируемые в покрытии с пористым оксидом SCR, десорибуются. На этапе 54 десорбируемые углеводороды окисляются.

В одном варианте десорбированные углеводороды могут быть окислены во втором катализаторе окисления. Кроме того, такое окисление может включать в себя промежуточный этап сорбирования по меньшей мере части десорбированных углеводородов во втором покрытии с пористым оксидом SCR, десорбирования углеводородов и окисления по меньшей мере части десорбированных углеводородов в третьем катализаторе окисления. В этом варианте аммиак впрыскивают в выхлопной газ выше второго покрытия с пористым оксидом SCR.

На этапе 56 выхлопной газ фильтруют для удаления сажи. В варианте, проиллюстрированном на Фиг.9, выхлопной газ фильтруют после того, как десорбированные углеводороды были окислены. В другом варианте выхлопные газы фильтруют до того, как десорбированные углеводороды окисляются. В частности, фильтрация выхлопных газов может представлять собой пропускание выхлопных газов через покрытие с пористым оксидом SCR, находящееся в фильтре SCR. Этот фильтр может находиться до катализатора окисления, как описано выше. Начиная с этапа 56 способ повторяют.

Способ 42 иллюстрирует один из подходов для контроля выбросов системы двигателя транспортного средства, который заключается в сорбировании неметановых углеводородов в покрытии с пористым оксидом SCR, десорбировании и окислении неметановых углеводородов в дизельном катализаторе окисления, который находится ниже по потоку. В других вариантах общий подход к контролю выброса может быть приспособлен для различных температур выхлопных газов в зависимости от рабочих условий транспортного средства. Таким образом, в дополнение к пассивной функции SCR и DOC, описанной выше, тепловыми характеристиками системы можно управлять более активно разными способами. Например, впрыскивание восстановителя может быть увеличено в условиях холодного запуска двигателя для снижения перегрева дизельного окислительного катализатора, который расположен ниже по потоку. В другом примере время впрыскивания двигателя или момент зажигания можно отрегулировать для контроля температуры на впуске в расположенном ниже по потоку дизельном окислительном катализаторе, на основании расчетного объема хранения неметановых углеводородов в покрытии с пористым оксидом SCR.

В некоторых вариантах необходимо также контролировать цеолит в покрытии с пористым оксидом и содержание металлов платиновой группы в дизельном катализаторе окисления после SCR. Используя разное количество и состав цеолита, можно контролировать температуру, при которой выпускаются неметановые углеводороды. Одновременно, используя разное количество металлов платиновой группы в дизельном катализаторе окисления после SCR, можно выровнять с температурой выпуска температуру, при которой неметановые углеводороды, выпускаемые из SCR, окисляются в дизельном окислительном катализаторе.

В других вариантах описанные здесь устройства посточистки выхлопных газов могут быть подогреты электрически при помощи запальной свечи или внешней горелки. Этот способ позволяет активно контролировать хранение неметановых углеводородов в покрытии с пористым оксидом SCR, его выпуск из покрытия с пористым азотом и окисление в дизельном катализаторе окисления ниже.

Фиг.10 иллюстрирует примерный способ 58, описывающий один из вариантов этого подхода. На этапе 60 определяют, находится ли температура расположенного выше по потоку дизельного окислительного катализатора ниже температуры начала работы. Определение может быть осуществлено непосредственно при помощи запроса датчика температуры или опосредованно на основании модели, которая учитывает различные рабочие состояния системы двигателя. Если расположенный выше по потоку дизельный окислительный катализатор находится при температуре ниже рабочей температуры, тогда способ переходит к этапу 62, в противном случае способ переходит к этапу 64. На этапе 62 расположенный выше по потоку дизельный окислительный катализатор нагревают. Дизельный окислительный катализатор может быть нагрет при помощи запальной свечи или горелки. В одном варианте дизельный окислительный катализатор может быть нагрет при помощи регулирования рабочих условий двигателя для увеличения температуры выхлопных газов. На этапе 64 определяют, как описано выше, является ли температура дизельного окислительного катализатора ниже рабочей температуры. Если температура дизельного катализатора окисления ниже рабочей температуры, способ переходит к этапу 66; в противном случае способ повторяют. На этапе 66 расположенный ниже по потоку дизельный окислительный катализатор нагревают при помощи запальной свечи или горелки. Начиная с этапа 64, способ 58 повторяют.

В способе, описанном выше, средства нагревания системы двигателя применяют сначала к дизельному окислительному катализатору окисления, расположенному выше по потоку, пропуская дизельный окислительный катализатор, расположенный ниже по потоку. Эта стратегия основана на способности покрытия с пористым оксидом SCR сорбировать неметановые углеводороды, которые проходят через расположенный выше дизельный катализатора окисления, пока он нагревается. В зависимости от компонентов системы двигателя этот период может быть достаточно коротким, так как расположенный выше по потоку дизельный окислительный катализатор, также получает тепло непосредственно от потока выхлопных газов. Затем, когда расположенный выше по потоку дизельный окислительный катализатор достигает рабочей температуры, средства нагревания переключают на дизельный окислительный катализатор, расположенный ниже по потоку, для сокращения времени достижения рабочей температуры. Необходимо отметить, что этот подход противоречит представлению о том, что компоненты посточистки выхлопных газов, которые находятся ниже по потоку, получают нагревание в первую очередь.

Необходимо понимать, что некоторые описанные здесь технологические операции в некоторых вариантах могут быть пропущены, не отклоняясь от объема изобретения. Аналогичным образом, указанная последовательность технологических операций может не всегда требоваться для достижения намеченных результатов. Некоторые из описанных действий, функций или операций, возможно, будет необходимо повторить несколько раз, в зависимости от конкретной стратегии.

В итоге необходимо понимать, что описанные здесь изделия, системы и способы, являются вариантами воплощения сущности настоящего изобретения, не ограничивающими примерами, которые могут быть изменены и расширены. В соответствии с этим сущность изобретения включает все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации изделий, систем и способов, раскрытых в настоящем документе, а также их любых аналогов.

Изобретение относится к устранению NOx и неметановых углеводородов из выхлопов дизельного двигателя. Система двигателя моторного транспортного средства, содержащая первый дизельный окислительный катализатор, выполненный с возможностью получения выхлопных газов из двигателя, и устройство SCR, установленное ниже по потоку первого дизельного окислительного катализатора в направлении потока выхлопных газов. Система также содержит второй дизельный окислительный катализатор, который установлен ниже по потоку устройства SCR и выполнен с возможностью окисления углеводородов. Система использует сорбцию углеводородов в катализаторе SCR, что зависит от температуры. Также система может содержать форсунку, установленную ниже по потоку первого дизельного окислительного катализатора в направлении потока выхлопных газов. Также может содержать сажевый фильтр, расположенный ниже по потоку второго дизельного окислительного катализатора, выполненный с возможностью удаления сажи из выхлопных газов. Техническим результатом изобретения является сокращение выбросов неметановых углеводородов во время запуска холодного двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система двигателя моторного транспортного средства, содержащая:
первый дизельный окислительный катализатор выполненный с возможностью получения выхлопных газов из двигателя;
устройство SCR, установленное ниже по потоку первого дизельного окислительного катализатора в направлении потока выхлопных газов, причем устройство SCR выполнено с возможностью сорбирования углеводородов при более низкой температуре и высвобождения углеводородов при более высокой температуре; и
второй дизельный окислительный катализатор, установленный ниже по потоку устройства SCR, причем второй дизельный окислительный катализатор выполнен с возможностью окисления углеводородов.

2. Система двигателя по п.1, дополнительно содержащая сажевый фильтр и первую форсунку подачи восстановителя, установленные выше по потоку устройства SCR.

3. Система двигателя по п.2, в которой сажевый фильтр содержит покрытие с пористым оксидом типа SCR, а второй дизельный окислительный катализатор установлен ниже по потоку сажевого фильтра.

4. Система двигателя по п.3, дополнительно содержащая третий дизельный окислительный катализатор, установленный ниже по потоку устройства SCR и выше по потоку сажевого фильтра.

5. Система двигателя по п.4, дополнительно содержащая вторую форсунку подачи восстановителя, которая установлена ниже по потоку третьего дизельного окислительного катализатора.

6. Система двигателя по п.5, в которой первая форсунка подачи восстановителя выполнена с возможностью впрыска мочевины, а вторая форсунка подачи восстановителя выполнена с возможностью впрыска аммиака и в которой вторая форсунка подачи восстановителя установлена непосредственно перед сажевым фильтром выше по потоку.

7. Система двигателя по п.2, в которой второй дизельный окислительный катализатор установлен выше по потоку сажевого фильтра.

8. Система двигателя по п.1, в которой второй дизельный окислительный катализатор имеет наполнение металлами платиновой группы ниже соответствующего наполнения металлами платиновой группы первого дизельного окислительного катализатора.

9. Система двигателя по п.1, в которой устройство SCR содержит покрытие с пористым оксидом для усиления сорбции углеводородов.

10. Система двигателя моторного транспортного средства, содержащая:
двигатель;
первый дизельный окислительный катализатор, выполненный с возможностью получения выхлопных газов из двигателя;
форсунку, установленную ниже по потоку первого дизельного окислительного катализатора в направлении потока выхлопных газов и выполненную с возможностью впрыска мочевины в выхлопные газы;
устройство SCR, установленное ниже по потоку форсунки, причем устройство SCR выполнено с возможностью сорбирования углеводородов при более низких температурах и высвобождения углеводородов при более высоких температурах;
второй дизельный окислительный катализатор, установленный ниже по потоку устройства SCR; причем второй дизельный окислительный катализатор выполнен с возможностью окисления углеводородов; и
сажевый фильтр, расположенный ниже по потоку второго дизельного окислительного катализатора, выполненный с возможностью удаления сажи из выхлопных газов.