БЛИЗКО РАЗМЕЩЕННАЯ СИСТЕМА SCR Российский патент 2018 года по МПК F01N3/21 F01N3/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к очистке выхлопных газов из двигателей внутреннего сгорания.

Уровень техники изобретения

Одним из самым проблемных компонентов автомобильных выхлопных газов является NO_x, который включает в себя оксид азота (NO), диоксид азота (NО₂) и закись азота (N₂О). Производство NO_x является особенно проблематичным для двигателей, работающих на бедных смесях, таких как дизельные двигатели. Чтобы ослабить воздействие на окружающую среду NO_x в выхлопных газах, желательно устранить эти нежелательные компоненты, предпочтительно, посредством процесса, который не генерирует другие вредные или токсичные вещества.

Вдобавок к производству газов NO_x, двигатели внутреннего сгорания, работающие на бедных смесях, из-за своих характеристик сгорания имеют недостаток, состоящий в формировании твердых частиц, или сажи, на которой может поглощаться много органических веществ, включающих в себя несгоревшие углеводороды и серную кислоту, произведенную посредством окисления диоксида серы, полученного из соединений серы, присутствующих в топливе или в смазках. Выхлопные газы дизельных двигателей имеют тенденцию содержать больше сажи по сравнению с бензиновыми двигателями.

Так как выхлопные газы из двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедных смесях, вносят вклад в загрязнение воздуха, системы обработки очень важны для минимизации загрязняющих эффектов от работы двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях.

Два способа обычно используются для снижения количества загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедных смесях. Первый способ преобразует NO_x в дизельном выхлопном газе в более безопасные вещества, что также известно, как селективное каталитическое восстановление (SCR). Процесс SCR включает в себя превращение NO_x, в присутствии катализатора и восстанавливающего агента, обычно безводного аммиака, водного аммиака или мочевины, в элементарный азот (N₂) и воду. Второй способ снижает выбросы сажи посредством прохождения содержащего сажу выхлопного газа через фильтр частиц. Тем не менее, накопление частиц сажи на фильтре может вызвать нежелательное увеличение противодавления выхлопной системы во время работы, тем самым уменьшая эффективность. Чтобы восстановить фильтр, накопленная сажа на основе углерода должна удаляться с фильтра, например, посредством периодического сжигания сажи посредством пассивного или активного окисления при высоких температурах.

Из WO 99/39809 известно объединение нескольких отдельных индивидуальных компонентов в выхлопной системе, включающих в себя катализатор SCR для обработки, среди прочего, твердых частиц и оксидов азота. Например, поток выхлопных газов из двигателя, объединенный с восстанавливающим агентом, может сначала протекать через проточный монолит, содержащий катализатор SCR, для восстановления NO_x, а затем газы дополнительно обрабатываются ниже по потоку, чтобы удалить твердые частицы, посредством прохождения через фильтр твердых частиц. Недостаток таких конструкций состоит в том, что увеличение количества компонентов для последующей обработки выхлопных газов увеличивает общую стоимость выхлопной системы, и также увеличивает общий объем и вес системы, что является особенно невыгодным для транспортных средств. Чем тяжелее вся выхлопная система транспортного средства, тем больше топлива требуется транспортному средству для ее транспортировки.

Чтобы преодолеть недостатки, отмеченные выше, были сконструированы выхлопные системы, содержащие один компонент, способный снижать количество NO_x и твердых частиц. Публикация патента США 2010/0180580 раскрывает систему, объединяющую катализатор SCR с фильтром пристеночного течения. Фильтры пристеночного течения содержат множество смежных параллельных каналов, которые закрыты в одном конце, при этом закрывание осуществляется в противоположных концах смежных каналов чередующимся образом. Закрывание чередующихся концов каналов предотвращает газ, входящий во впускную поверхность фильтра, от прямого протекания через канал и выхода из этого канала. Вместо этого, выхлопной газ входит в переднюю часть основы и проходит примерно через половину каналов, где он прижимается к стенкам каналов, перед выходом из выпускной поверхности основы. Катализатор обычно наносится на стенки фильтра пристеночного течения в форме водной смеси, или покрытия из пористого оксида, и затем обжигается, чтобы приклеиться к поверхности стенок.

Недостаток некоторых фильтров пристеночного течения SCR состоит в том, что на их поверхность может быть нанесено ограниченное количество катализатора. Толстое покрытие из пористого оксида сузит каналы и, в некоторых случаях, поры, и затруднит течение газа, внося вклад в противодавление и негативно влияя на эффективность системы. Известный способ снижения противодавления вовлекает ограничение объема наносимого покрытия из пористого оксида. Меньшее количество покрытия из пористого оксида приводит к меньшему количеству катализатора и способности фильтра превращать NO_x. Наконец, нанесение катализатора SCR на поверхность фильтра пристеночного течения увеличивает общий вес фильтра. Увеличенная масса будет требовать больше времени и энергии для нагревания фильтра пристеночного течения до температур, необходимых для активации катализатора, что является существенным недостатком при запуске, когда двигатель еще не достиг своих нормальных установившихся рабочих температур. Чтобы увеличить скорость нагревания фильтра пристеночного течения SCR, фильтр может быть расположен рядом с двигателем.

Известный способ преодоления недостатков, связанных с фильтром пристеночного течения SCR, состоит в размещении проточного монолита SCR выше по потоку от фильтра пристеночного течения. Проточные монолиты, имеющие так называемую сотовую геометрию, содержат множество смежных, параллельных каналов, которые открыты с обоих концов и обычно тянутся от впускной поверхности до выпускной поверхности основы. Каждый канал обычно имеет квадратное, круглое, шестиугольное или треугольное поперечное сечение. Каталитический материал обычно наносится на основу в виде покрытия из пористого оксида или другой суспензии, что может быть осуществлено на и/или в стенках основы.

Сущность изобретения

Заявители разработали систему для обработки выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который снижает количество NO_x и сажи. Система содержит компактный проточный монолит SCR, который расположен выше по потоку от близко размещенного фильтра пристеночного течения SCR.

В качестве используемого в материалах настоящей заявки, термин «близко размещенный» указывает ссылкой на положение компонента в системе обработки выхлопных газов двигателя, который расположен на расстоянии менее чем приблизительно 1 метр ниже по потоку от коллектора выхлопных газов двигателя или турбокомпрессора, предпочтительно, от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,5 метра. Во время запуска или работы двигателя при высокой нагрузке, компоненты в близко размещенном положении обычно подвергаются более высоким температурам выхлопных газов по сравнению с компонентами, расположенными дальше вниз по потоку. Было обнаружено, что комбинация компактного проточного монолита SCR и отдельного, нижнего по потоку близко размещенного фильтра пристеночного течения SCR имеет синергетический эффект, который не наблюдается в комбинациях более крупных проточных монолитов SCR и нижних по потоку фильтров пристеночного течения SCR, или в фильтрах пристеночного течения SCR, которые не расположены рядом с двигателем. Вдобавок, этот эффект не наблюдается в одиночном фильтре пристеночного течения SCR, имеющим объем и загрузку катализатора, эквивалентные объединенным проточному монолиту SCR и фильтру пристеночного течения SCR согласно настоящему изобретению. В частности, синергетическая комбинация компонентов SCR обеспечивает эффективность сжигания сажи, превосходящую традиционные комбинации проточного монолита SCR и фильтра пристеночного течения SCR. Более того, синергетическая комбинация компонентов производит более высокое превращение NO_x по сравнению с одиночным близко размещенным фильтром пристеночного течения SCR, имеющим объем и загрузку катализатора, сравнимые с синергетической комбинацией компонентов. То есть синергетическая комбинация компонентов согласно настоящему изобретению улучшает общую эффективность превращения NO_x системы SCR/фильтрации сажи без необходимости в дополнительном катализаторе, таким образом, снижая стоимость системы, в то же время также обеспечивая высокотемпературную стабильность фильтра пристеночного течения, чтобы способствовать последовательному восстановлению фильтра.

Компактный проточный монолит SCR отличается наличием более низкой теплоемкости по сравнению с нижним по потоку фильтром пристеночного течения SCR. Более низкая теплоемкость может быть результатом того, что материал проточного монолита SCR имеет более низкую удельную теплоемкость и/или меньший объем или массу относительно фильтра пристеночного течения SCR.

Соответственно, аспект изобретения предоставляет систему для обработки выхлопных газов, содержащих NO_x, из двигателя, упомянутая система, содержащая (a) проточный монолит, имеющий первый каталитический состав для селективного каталитического восстановления NO_x, и имеющий первый объем; (b) близко размещенный фильтр твердых частиц, имеющий второй каталитический состав для снижения количества твердых частиц и селективного каталитического восстановления NO_x, и имеющий второй объем; и (c) отношение объемов первого объема ко второму объему составляет менее чем приблизительно 1:2; при этом упомянутый проточный монолит находится в жидкостном соединении с упомянутым фильтром твердых частиц и встроен выше по потоку от него.

Согласно другому аспекту изобретения, предоставляется способ для обработки потока выхлопных газов двигателя, содержащего NO_x и сажу, состоящий в том, что: соединяют упомянутый поток выхлопных газов, в присутствии восстановителя, с проточным монолитом, имеющим загрузку первого каталитического состава SCR и первый объем, чтобы произвести промежуточный поток газа, в котором первая часть упомянутого NO_x была превращена в N₂ и O₂; соединяют упомянутый промежуточный поток газа с близко размещенным каталитическим фильтром твердых частиц, имеющим загрузку второго каталитического состава SCR и второй объем, при этом упомянутый второй объем по меньшей мере приблизительно вдвое больше первого объема, чтобы захватить часть сажи и произвести чистый поток газа, в котором вторая часть упомянутого NO_x была превращена в N₂ и O₂; окисляют упомянутую часть сажи при температуре окисления сажи, чтобы восстановить каталитический фильтр твердых частиц; нагревают упомянутый каталитический близко размещенный проточный монолит до температуры зажигания SCR до нагревания упомянутого каталитического фильтра твердых частиц до температуры зажигания SCR; и поддерживают, в условиях низкой нагрузки, упомянутую температуру окисления сажи каталитического фильтра твердых частиц в течение более долгого периода времени по сравнению с каталитическим фильтром твердых частиц, имеющим объем, равный объединенным упомянутым первому и второму объемам.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 - схематическое представление одного варианта осуществления системы обработки выхлопных газов двигателя согласно настоящему изобретению; и

Фигура 2 графически иллюстрирует общую массу NO_x, превращенного при запуске двигателя посредством системы, включающей в себя только фильтр пристеночного течения SCR, и системы согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

Данное изобретение предоставляет новую систему для обработки выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, содержащую термостабилизированную последовательность катализаторов SCR, чтобы производить улучшенное превращение NO_x и более высокую эффективность сжигания сажи. В частности, изобретение включает в себя систему для уменьшения количества сажи и обработки NO_x в выхлопных газах, содержащую компактный проточный монолит SCR, расположенный выше по потоку от близко размещенного фильтра пристеночного течения SCR. Считается, что изобретение имеет особое применение к выхлопным газам из дизельных двигателей повышенной мощности, особенно двигателей транспортных средств, например, двигателей грузовых автомобилей или автобусов, но не должно рассматриваться, как ограниченное этим применением.

Другими применениями могут являться дизельные двигатели невысокой мощности (LDD), бензиновые двигатели с прямым впрыском (GDI), двигатели на сжатом природном газе (CNG), корабли или стационарные источники. Для простоты, однако, большая часть данного описания относится к таким двигателям транспортных средств.

Так как фильтр пристеночного течения SCR является близко размещенным, общая длина компактного проточного монолита SCR, используемого в настоящем изобретении, должна быть меньше, чем пространство, обеспеченное между фильтром пристеночного течения SCR и выпуском двигателя, чтобы также размещать другие компоненты выхлопной системы, такие как точка впрыска восстанавливающего агента или катализатор окисления. Компактный проточный монолит SCR также должен быть легким, чтобы быстро нагреваться до температуры активации катализатора во время запуска двигателя. До настоящего изобретения, структурная целостность такого легкого компактного проточного монолита вызывала сомнение.

Компактный монолит способствует восстановлению NO_x, в частности, во время запуска двигателя. Более тяжелый фильтр пристеночного течения SCR по нагревании до температуры активации его катализатора SCR (то есть температуры зажигания) во время установившихся рабочих температур двигателя будет превращать большую часть NO_x в выхлопных газах после запуска. Так как фильтр пристеночного течения SCR тяжелее и является близко размещенным относительно двигателя, ему будет требоваться больше времени для охлаждения, и, следовательно, он будет поддерживать превращение NO_x, когда двигатель работает в условиях низкой нагрузки или холостого хода, таким образом, улучшая его эффективность окисления сажи.

Так как компактный проточный монолит согласно настоящему изобретению является маленьким, и, следовательно, имеет ограниченную площадь поверхности, на которую может быть нанесен катализатор, предпочтительно обеспечивать тяжелую загрузку монолита катализатором на единицу объема монолита. Также предпочтительно, чтобы компактный проточный монолит SCR имел загрузку катализатора на единицу объема, которая превосходит загрузку катализатора на единицу объема основы на фильтре пристеночного течения SCR, используемого в системе согласно настоящему изобретению. Компактный монолит имеет предпочтительный диапазон загрузки катализатора от приблизительно 0,18 до приблизительно 0,92 г/см³, более предпочтительно, от приблизительно 0,24 до приблизительно 0,61 г/см³. В сравнении, фильтр пристеночного течения SCR предпочтительно имеет диапазон загрузки катализатора от приблизительно 0,06 до приблизительно 0,17 г/см³, например, от 0,09 до 0,15 г/см³. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, отношение загрузки катализатора SCR на единицу объема на компактном монолите по сравнению с фильтром частиц пристеночного течения составляет приблизительно от 15:1 до приблизительно 1,5:1, например, от приблизительно 4:1 до приблизительно 2:1 Катализатор SCR на проточном монолите и катализатор SCR на фильтре пристеночного течения могут являться одинаковыми катализаторами или разными катализаторами. В некоторых вариантах осуществления, катализатор SCR на верхнем по потоку проточном монолите является нагруженным железом цеолитом, а катализатор SCR на нижнем по потоку фильтре пристеночного течения является нагруженным медью цеолитом.

Размеры компактного монолита также выбираются, частично, на основании требуемой теплоемкости на единицу объема для компактного монолита. Термин «объем», в качестве используемого в материалах настоящей заявки, определяется наружными размерами, например, длиной и диаметром, монолита или фильтра. Как упоминалось выше, компактный размер и вес проточного монолита SCR позволяют ему быстро нагреваться во время запуска двигателя до температуры активации катализатора, и обеспечивают систему обработки выхлопных газов с улучшенным превращением NO_x. Требуемые размеры компактного монолита могут быть выражены относительно размера нижнего по потоку фильтра пристеночного течения SCR. Объем компактного монолита согласно настоящему изобретению предпочтительно составляет от приблизительно 10% до приблизительно 75% объема фильтра пристеночного течения SCR, более предпочтительно, от приблизительно 15% до приблизительно 50%, более предпочтительно, от приблизительно 15% до приблизительно 40%, и наиболее предпочтительно, от приблизительно 20% до приблизительно 25%. Предпочтительно, отношение объема проточного монолита к объему фильтра пристеночного течения составляет менее чем приблизительно 1:2, например, от приблизительно 1:10 до приблизительно 1:2, или от приблизительно 1:6 до приблизительно 1:4.

Вдобавок к выбору размеров компактного монолита, типы материалов, используемых для производства компактного монолита, выбираются на основании требуемой теплоемкости на единицу объема компактного монолита, так как теплоемкость зависит от свойств материалов нагреваемого объекта. Подобно объему, требуемая теплоемкость на единицу объема (то есть удельная теплоемкость) компактного монолита может быть выражена относительно удельной теплоемкости фильтра пристеночного течения. Удельная теплоемкость компактного проточного монолита предпочтительно составляет приблизительно от 20% до 80% удельной теплоемкости фильтра пристеночного течения, более предпочтительно, от 25% до 75%, наиболее предпочтительно, от 35% до 65%.

В первом предпочтительном варианте осуществления, компактный монолит, используемый в настоящем изобретении, является экструдированным. Экструдированный монолит производится, сначала, посредством объединения исходных материалов, включающих в себя катализатор, связующее вещество и, по выбору, неорганические волокна, чтобы сформировать суспензию. Далее суспензия обрабатывается посредством дополнительного смешивания и/или перемешивания в кислоте или щелочной водной смеси. Органический реагент добавляется к водной смеси, чтобы получить состав, пригодный для экструзии. После экструзии состава в форме монолита, он высушивается и обжигается. В результате получается монолит, имеющий достаточную механическую устойчивость и эффективную активность для долгосрочного применения.

Посредством экструзии каталитического состава в форме монолита, необходимость в основе, на которую наносится катализатор, устраняется, и заменяется каталитическим корпусом, содержащим каталитический материал по всему объему. Таким образом, экструдированные монолиты обычно содержат больше катализатора на единицу объема, чем инертные основы, на которые наносится покрытие из пористого оксида, содержащее каталитический компонент. Экструдированный каталитический монолит может являться компактным и легким, что позволяет ему размещаться выше по потоку от фильтра пристеночного течения SCR в системе согласно настоящему изобретению.

Во втором предпочтительном варианте осуществления, компактный монолит, используемый в настоящем изобретении, производится сначала посредством подготовки водной смеси, включающей в себя каталитический компонент и, по выбору, связующее вещество, и нанесения водной смеси на инертную основу в форме монолита, которая потом высушивается и обжигается. Так как требуется легкий монолит, должен быть выбран материал, который обеспечит тонкие стенки, чтобы позволить эффективному количеству катализатора быть нанесенным на его поверхность без жертвования механической устойчивостью монолита для долгосрочного применения в настоящем изобретении.

Проточный монолит предпочтительно имеет сотовую конфигурацию, содержащую множество каналов, которые открыты с обоих концов и проходят через монолит в приблизительно параллельном направлении. Форма поперечного сечения каналов не ограничена какой-либо конкретной формой, и может, например, являться квадратной, круглой, овальной, прямоугольной, треугольной, шестиугольной и подобной. Предпочтительно, проточный монолит (либо экструдированный катализатор, либо инертная основа) содержит от приблизительно 23 до приблизительно 124 каналов на квадратный сантиметр (к/см²), и, более предпочтительно, от приблизительно 47 до приблизительно 62 к/см², или от приблизительно 93 до приблизительно 124 к/см². В некоторых вариантах осуществления, проточный монолит (либо экструдированный катализатор, либо инертная основа) могут содержать стенки, имеющие среднюю толщину менее приблизительно 0,30 мм, менее приблизительно 0,25 мм, менее приблизительно 0,22 мм или менее приблизительно 0,20 мм. В некоторых вариантах осуществления, стенки ячеек будут иметь среднюю толщину от приблизительно 0,30 мм до приблизительно 0,25 мм, от приблизительно 0,25 мм до приблизительно 0,22 мм или от приблизительно 0,22 мм до приблизительно 0,20 мм.

Проточный монолит предпочтительно состоит из одного или более материалов, которые включают в себя, в качестве основной составляющей, керамику, кермет, металл, оксиды и их комбинации. Под комбинациями подразумеваются физические или химические комбинации, например, смеси, соединения или сплавы. Некоторые материалы, которые особенно пригодны для осуществления на практике настоящего изобретения, включают в себя материалы, изготовленные из кордиерита, муллита, глины, талька, циркона, диоксида циркония, шпинели, оксида алюминия, диоксида кремния, боридов, алюмосиликатов лития, алюмосиликатов, полевого шпата, диоксида титана, плавленого кварца, нитридов, боридов, карбидов, например, карбида кремния, нитрида кремния или их смесей. Особенно предпочтительным материалом является карбид кремния.

Согласно настоящему изобретению, система включает в себя фильтр пристеночного течения SCR, который расположен ниже по потоку от компактного проточного монолита SCR, но является близко размещенным относительно двигателя. Такие фильтры пристеночного течения SCR известны в данной области техники, и могут включать в себя такие же или другие катализаторы, как в компактном проточном фильтре, используемом в системе согласно настоящему изобретению. Катализатор встраивается в фильтр пристеночного течения посредством нанесения покрытия из пористого оксида катализатора на основу перед обжиганием. Вакуум обычно используется, чтобы втянуть покрытие из пористого оксида через стенки фильтра. Традиционные основы фильтров пристеночного течения для дизельных двигателей обычно содержат несколько параллельных каналов и содержат приблизительно 29-124 к/см², например, приблизительно 29-54 к/см², и обеспечиваются в форме либо керамической, либо металлической сотовой конфигурации. Каналы определяются пористыми стенками, и каждый канал содержит крышку либо на впускной, либо на выпускной поверхности основы. Основы фильтров пристеночного течения для использования в выхлопных системах транспортных средств, такие как эти, коммерчески доступны во многих источниках, и могут иметь любую форму, пригодную для использования в выхлопной системе.

Стенки фильтра пристеночного течения обладают пористостью и размером пор, которые делают их газопроницаемыми, но позволяют им задерживать большую часть твердых частиц, таких как сажа, из выхлопного газа, когда он проходит через стенку. Основа может состоять из пористого материала, имеющего пористость, составляющую по меньшей мере приблизительно 35%, более предпочтительно, приблизительно 45-55%. Средний размер поры пористой основы также важен для фильтрации. Средний размер поры может быть определен с помощью любого доступного средства, например, с помощью ртутной порометрии. Средний размер поры пористой основы должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечивать низкое противодавление, в то же время обеспечивая адекватную эффективность либо посредством самой основы, либо с помощью слоя осадка сажи на поверхности основы, либо с помощью их комбинации. Предпочтительные пористые основы имеют средний размер поры от приблизительно 10 до приблизительно 40 мкм, например, от приблизительно 20 до приблизительно 30 мкм, от приблизительно 10 до приблизительно 25 мкм, от приблизительно 10 до приблизительно 20 мкм, от приблизительно 20 до приблизительно 25 мкм, от приблизительно 10 до приблизительно 15 мкм и от приблизительно 15 до приблизительно 20 мкм.

Предпочтительные основы пристеночного течения являются высокоэффективными фильтрами. Эффективность определяется весовым процентом твердых частиц, имеющих определенный размер, удаленных из необработанного выхлопного газа по прохождении через основу пристеночного течения. Следовательно, эффективность определяется относительно сажи или других частиц схожего размера, и относительно концентраций частиц, обычно имеющих место в традиционных дизельных выхлопных газах. Твердые частицы в дизельных выхлопных газах могут варьироваться в размере от 0,05 микрон до 2,5 микрон. Таким образом, эффективность основана на этом диапазоне. Фильтры пристеночного течения для использования с настоящим изобретением предпочтительно имеют эффективность, составляющую по меньшей мере 70%, по меньшей мере приблизительно 75%, по меньшей мере приблизительно 80% или по меньшей мере приблизительно 90%. В некоторых вариантах осуществления, эффективность будет предпочтительно составлять от приблизительно 75 до приблизительно 99%, от приблизительно 75 до приблизительно 90%, от приблизительно 80 до приблизительно 90% или от приблизительно 85 до приблизительно 95%.

Катализаторы для использования в соответствии с настоящим изобретением включают в себя любые подходящие катализаторы, способные восстанавливать оксиды азота в присутствии восстановителя. Катализаторы включают в себя нагруженные металлами подложки. Подходящие катализаторы включают в себя оксид ванадия, диоксид титана, вольфрам или их комбинации, а также нагруженные металлом, в частности, основным металлом, молекулярные сита, включающие в себя, но не в качестве ограничения, нагруженные медью и/или железом алюмосиликаты и силикоалюмофосфаты. Особенно предпочтительным металлом является Cu. В одном из вариантов осуществления, нагрузка переходного металла составляет от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 весовых % молекулярного сита, например, от приблизительно 0,5 весовых % до приблизительно 5 весовых %, от приблизительно 0,5 весовых % до приблизительно 1 весовых % и от приблизительно 2 весовых % до приблизительно 5 весовых %. Тип и концентрация переходного металла может меняться в соответствии с основным молекулярным ситом и применением. Алюмосиликаты предпочтительно имеют отношение кремния к алюминию (SAR) от приблизительно 15 до приблизительно 50, например, от приблизительно 20 до приблизительно 40 или от приблизительно 25 до приблизительно 30.

Молекулярные сита имеют структуру, подходящую для процессов SCR, включающую в себя, но не в качестве ограничения, Бета, СНА, AEI, LEV, MFI, ERI и из смеси или срастания.

Предпочтительно, чтобы катализатор SCR, присутствующий либо в проточном монолите, либо в фильтре пристеночного течения, располагался таким образом, который минимизирует любое ограничение потока выхлопных газов через компонент. Более одного катализатора могут наноситься слоями друг на друга. Каталитический материал также может располагаться с тем, чтобы формировать один или несколько градиентов концентрации вдоль стенок каналов или через каналы между верхней по потоку стороной и нижней по потоку стороной стенки. Разные катализаторы могут быть загружены вдоль стенок каналов или на верхней по потоку стороне и соответствующей нижней по потоку стороне стенок в фильтре пристеночного течения.

Система согласно настоящему изобретению может также включать в себя источник восстановителя. Восстановитель (также известный как восстанавливающий агент) для процессов SCR в широком смысле обозначает любой состав, способствующий восстановлению NO_x в выхлопном газе. Примеры восстановителей, применимых в настоящем изобретении, включают в себя аммиак, гидразин или любой подходящий предшественник аммиака, такой как мочевина ((NH₂)₂CO), карбонат аммония, карбомат аммония, гидрокарбонат аммония или формиат аммония, и гидрокарбонаты, такие как дизельное топливо и подобное. Особенно предпочтительными восстановителями являются основанные на азоте, с аммиаком, являющимся особенно предпочтительным. Другие восстановители включают в себя гидрокарбонаты, такие как пропилен и дизельное топливо.

Источник жидкого восстановителя может использовать существующие технологии для впрыскивания жидкости в поток газа. Например, контроллер массы может управлять подачей сжатого NH₃, который может впрыскиваться через круглое кольцо форсунок, установленное в выхлопной трубе. Кольцо форсунок может содержать множество отверстий для впрыска, расположенных вокруг его границы. Традиционные системы впрыска дизельного топлива включают в себя насосы и сопла форсунок для впрыска мочевины. Поток сжатого воздуха также может впрыскиваться вокруг сопла, чтобы обеспечивать хорошее смешивание и охлаждение. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, точка впрыска восстановителя расположена выше по потоку от компактного проточного монолита SCR. Вторая точка впрыска может по выбору быть включена между компактным монолитом и фильтром пристеночного течения SCR.

Сложность в применениях обработки NO_x из мобильных источников состоит в том, что количество NO_x, присутствующих в выхлопном газе, является переменным, то есть изменяется с условиями езды, такими как ускорение, замедление и перемещение на разных скоростях. Переменная природа компонента NO_x в выхлопном газе мобильного применения представляет множество технических вызовов, включающих в себя правильную дозировку азотного восстановителя, чтобы в достаточной степени восстанавливать NO_x без отходов или выброса азотного восстановителя в атмосферу.

На практике, катализатор SCR может предпочтительно поглощать (или сохранять) азотный восстановитель, таким образом, обеспечивая накопитель для подходящей подачи доступного восстановителя. Технологи используют это явление, чтобы калибровать подходящий впрыск азотного восстановителя в выхлопной газ. Маленькая емкость хранения будет требовать более частых впрысков восстановителя в систему во время работы. Требуемый катализатор SCR имеет достаточную емкость хранения NH₃ при заданной температуре (чтобы гарантировать, что любой избыточный NH₃ не «проскочит» через катализатор, и чтобы позволить превращению продолжаться, если NH₃ не подается) и высокую активность независимо от доли уровня заполнения NH₃ (уровень заполнения определяется относительно насыщенной емкости хранения NH₃). Уровень заполнения NH₃ может быть выражен в виде количества NH₃ (например, в граммах), присутствующего на всем катализаторе (например, в литрах) относительно максимального уровня заполнения в заданных условиях. Может потребоваться встроить катализатор проскока аммиака ниже по потоку от фильтра пристеночного течения SCR, чтобы удалить весь NH₃ или его производные, которые могли пройти, не прореагировав, или в виде побочных продуктов. Катализатор проскока аммиака может включать в себя двухслойный катализатор, содержащий слой восстанавливающего компонента, такого как нагруженный металлом цеолит, и слой окислительного компонента, такого как платина или палладий.

Настоящая система обработки выхлопных газов согласно изобретению может также по выбору включать в себя катализатор окисления выше по потоку от компактного проточного монолита SCR. В одном из вариантов осуществления, катализатор окисления приспособлен, чтобы производить поток газа, входящий в цеолитовый катализатор SCR, имеющий отношение NO к NO₂, составляющее от приблизительно 4:1 до приблизительно 1:3 по объему, например, при температуре выхлопного газа на впуске катализатора окисления, составляющей от 250°C до 450°C. Катализатор окисления может включать в себя по меньшей мере один металл платиновой группы (или некоторую их комбинацию), такой как платина, палладий или родий, нанесенный на основу проточного монолита. В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере один металл платиновой группы является платиной, палладием или комбинацией платины и палладия. Металл платиновой группы может поддерживаться на компоненте покрытия из пористого оксида с сильно развитой поверхностью, таком как оксид алюминия, цеолит, такой как алюмосиликатный цеолит, кремний, нецеолитовый алюмосиликат, диоксид церия, диоксид циркония, диоксид титана или смешанный или сплавленный оксид, содержащий как церий, так и цирконий.

В дополнительном аспекте, предоставляется двигатель, объединенный с выхлопной системой согласно настоящему изобретению. Двигатель может являться дизельным двигателем, бензиновым двигателем, работающим на бедных смесях, или двигателем, работающем на жидком газу или природном газу. Как видно на фиг. 1, показан двигатель (10) внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий коллектор (12) выхлопных газов и опциональный турбокомпрессор (14), из которых поток выхлопных газов двигателя (10) внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, перемещается в направлении (30), сначала к опциональному катализатору (28) окисления, затем к компактному проточному монолиту (20) SCR, и затем к близко размещенному фильтру (22) пристеночного течения SCR. Рядом и выше по потоку относительно компактного монолита (20) расположена точка (24) впрыска восстановителя, такого как аммиак или мочевина. Вторая и опциональная точка (26) впрыска восстановителя расположена между компактным монолитом (20) и фильтром (22) пристеночного течения. Поток газа, выходящий из фильтра (22) пристеночного течения SCR, является обработанным, так что концентрация газов NO_x и твердых частиц была уменьшена по сравнению с выхлопным газом, выходящим из двигателя. Положение фильтра (22) пристеночного течения SCR относительно коллектора (12) или опционального турбокомпрессора (14) является таким, чтобы выхлопной газ проходил менее 0,5 метра, или даже менее 0,3 метра между выпуском из коллектора или турбокомпрессора и выпуском из фильтра пристеночного течения. Расстояние течения выхлопного газа между впуском компактного монолита (20) и выпуском коллектора (12) или турбокомпрессора (14) специально не ограничено, и предпочтительно минимизируется, чтобы обеспечить размещение опционального катализатора (28) окисления и обеспечить адекватный впрыск и смешивание восстановителя. Расстояние течения выхлопного газа между впуском фильтра (22) пристеночного течения и выпуском компактного монолита (20) специально не ограничено, при условии, что по меньшей мере небольшое расстояние разделяет два компонента. Примеры подходящих расстояний включают в себя 0,05 метра, 0,1 метра и 0,2 метра. Компоненты 20, 22, 24, 26, и 28 находятся в жидкостном соединении друг с другом через трубопровод выхлопной системы или другие средства направления выхлопных газов двигателя через систему обработки.

Согласно другому аспекту изобретения, предоставляется способ для восстановления NO_x в потоке выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания, который включает в себя введение восстанавливающего агента в поток выхлопных газов, проведение потока выхлопных газов через компактный проточный монолит SCR и, наконец, проведение газа, выходящего из контактного проточного монолита, через близко размещенный фильтр пристеночного течения SCR. Твердые частицы в выхлопном газе одновременно захватываются внутри фильтра пристеночного течения SCR. В одном из вариантов осуществления, температура потока выхлопных газов на впуске близко размещенного фильтра пристеночного течения SCR при высокой нагрузке составляет по меньшей мере 600°C.

Способ может также включать в себя этап восстановления фильтра пристеночного течения SCR. Во время обычной работы выхлопной системы, сажа и другие частицы накапливаются на впускных сторонах стенок, что приводит к увеличению противодавления. Чтобы ослабить это увеличение противодавления, основы фильтра постоянно или периодически восстанавливаются посредством активных или пассивных методик, включающих в себя сжигание накопленной сажи посредством известных методик, например, в присутствии диоксида азота, сформированного из верхнего по потоку катализатора окисления. Как упоминалось выше, система обработки выхлопных газов согласно настоящему изобретению поддерживает фильтр пристеночного течения SCR в близко размещенном положении, которое, таким образом, обеспечивает преимущество, состоящее в расположении рядом с источником тепла, обеспечивая более легкое управление теплом и восстановление фильтра.

Вышеописанный способ может быть реализован на газе, полученном в результате процесса сгорания, например, из двигателя внутреннего сгорания (мобильного или стационарного), газовой турбины и электростанции, работающей на угле или жидком топливе. Способ также может использоваться для обработки газов из промышленных процессов, таких как переработка, из перерабатывающих нагревателей и котлов, печей, химической промышленности, коксовых частей, заводов по переработке городских отходов и мусоросжигателей и т.д. В конкретном варианте осуществления, используется способ для обработки выхлопного газа из двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, транспортного средства, такого как дизельный двигатель, бензиновый двигатель, работающий на бедных смесях, или двигателем, работающий на жидком газу или природном газу.

Согласно дополнительному аспекту, система может включать в себя средство, которое, при использовании, управляет дозировкой азотного восстановителя в протекающем выхлопном газе, только когда определяется, что катализатор может катализировать восстановление NO_x с определенной эффективностью или выше нее, например, при температуре выше 100°C, выше 150°C или выше 175°C. Определению посредством средства управления могут способствовать один или более подходящих входов с датчиков, указывающих на состояние двигателя, выбранных из группы, состоящей из: температуры выхлопных газов, температуры подложки катализатора, положение акселератора, расход выхлопных газов в системе, разрежение в коллекторе, установка опережения зажигания, скорость двигателя, лямбда-значение выхлопного газа, количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, положение клапана рециркуляции выхлопных газов (EGR), и, в силу этого, величина EGR и давление наддува.

В конкретном варианте осуществления, дозировка управляется в ответ на количество оксидов азота в выхлопном газе, определенное либо напрямую (используя подходящий датчик NO_x), либо косвенно, например, используя предварительно сопоставленные справочные таблицы или карты, хранящиеся в средстве управления, сопоставляющие любой один или более из вышеупомянутых входов, указывающих на состояние двигателя, с предсказанным содержанием NO_x в выхлопном газе. Дозировка азотного восстановителя может быть расположена с тем, чтобы от 60% до 200% теоретического количества аммиака присутствовало в выхлопном газе, входящем в катализатор SCR, рассчитанного при 1:1 NH₃/NO и 4:3 NH₃/NO₂. Средство управления может содержать предварительно запрограммированный процессор, такой как электронный узел управления (ECU).

ПРИМЕР

Общее превращение NO_x при запуске двигателя для системы согласно настоящему изобретению сравнили с общим превращением NO_x системы, которая включает в себя только фильтр пристеночного течения SCR. Фильтр пристеночного течения SCR содержит инертную основу из карбида кремния, имеющую пористость 52% и средний размер поры 20 микрон. Объем фильтра пристеночного течения составляет 2,5 л. Объем компактного монолита составляет 0,625 л. Перед тестированием, компактный монолит и фильтр пристеночного течения SCR были состарены при 800°C в течение 16 часов. Две системы были протестированы с 1,9-литровым двигателем в автомобиле, подвергнутом тестовым условиям, связанным с циклом езды рабочей группы по выбросам транспортных средств (MVEG) с мочевиной, впрыскиваемой в качестве восстановителя при 180°C. Результирующие выбросы NO_x для двух систем и управление нанесены на график зависимости от времени.

Потенциал превращения NO_x, предоставляемый настоящим изобретением, продемонстрирован на фигуре 2, которая показывает уменьшение в общем выходе NO_x в выхлопных газах после прохождения через систему согласно настоящему изобретению по сравнению с системой, которая использует только фильтр пристеночного течения SCR. Здесь, линия 1 представляет накопленный NO_x в выхлопном газе, формируемом двигателем; линия 2 представляет накопленный NO_x, используя только фильтр пристеночного течения SCR, а линия 3 представляет накопленный NO_x, используя систему согласно настоящему изобретению. В то время как обе системы существенно снизили общие выбросы NO_x при запуске двигателя, система согласно настоящему изобретению продемонстрировала увеличенную скорость превращения NO_x приблизительно от 15% до 20%.

В то время как в материалах настоящей заявки были показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, стоит понимать, что такие варианты осуществления предоставлены лишь в качестве примера. Многочисленные вариации, изменения и замены будут приходить на ум специалистам в данной области техники, не отклоняясь от сущности настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что прилагаемая формула изобретения покрывает все такие изменения, которые попадают в пределы сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к области очистки отработанных газов. Система для обработки выхлопных газов, содержащих NO_x, из двигателя содержит проточный монолит, имеющий первый каталитический состав для селективного каталитического восстановления NO_x и имеющий первый объем. Близко размещенный фильтр твердых частиц имеет второй каталитический состав для снижения количества твердых частиц и селективного каталитического восстановления NO и второй объем. Отношение объемов первого объема ко второму объему составляет менее чем приблизительно 1:2. Проточный монолит находится в жидкостном соединении с фильтром твердых частиц и встроен выше по потоку от него. Проточный монолит (20) имеет более низкую теплоемкость по сравнению с упомянутым фильтром твердых частиц (22). Проточный монолит имеет загрузку катализатором на единицу объема, большую, чем загрузка катализатором на единицу объема основы фильтра твердых частиц пристеночного течения, который содержит второй каталитический состав. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система для обработки выхлопных газов, содержащих NO_x, из двигателя, упомянутая система, содержащая:

проточный монолит, имеющий первый каталитический состав для селективного каталитического восстановления NO_x, и имеющий первый объем;

близко размещенный фильтр твердых частиц, имеющий второй каталитический состав для снижения количества твердых частиц и селективного каталитического восстановления NO_x, и имеющий второй объем; и

отношение объемов первого объема ко второму объему составляет менее чем приблизительно 1:2,

в которой упомянутый проточный монолит находится в жидкостном соединении с упомянутым фильтром твердых частиц и встроен выше по потоку от него,

где упомянутый проточный монолит (20) имеет более низкую теплоемкость по сравнению с упомянутым фильтром твердых частиц (22), и

проточный монолит имеет загрузку катализатором на единицу объема, большую, чем загрузка катализатором на единицу объема основы фильтра твердых частиц пристеночного течения, который содержит второй каталитический состав.

2. Система по п.1, в которой отношение объемов составляет от приблизительно 1:10 до приблизительно 1:2.

3. Система по п.1, в которой отношение объемов составляет от приблизительно 1:6 до приблизительно 1:4.

4. Система по п.1, в которой упомянутый проточный монолит является экструдированным каталитическим кирпичом.

5. Система по п.4, в которой упомянутый фильтр твердых частиц является инертной основой, на которую нанесен и/или который насыщен упомянутым вторым каталитическим составом.

6. Система по п.5, в которой упомянутая основа изготовлена главным образом либо из кордиерита, либо из металла.

7. Система по п.1, в которой упомянутый проточный монолит имеет более низкую удельную теплоемкость по сравнению с упомянутым фильтром твердых частиц.

8. Система по п.7, в которой упомянутый проточный монолит имеет удельную теплоемкость, которая составляет от приблизительно 20 до приблизительно 80% от удельной теплоемкости упомянутого фильтра твердых частиц.

9. Система по п.8, в которой упомянутый проточный монолит имеет удельную теплоемкость, которая составляет от приблизительно 35 до приблизительно 65% от удельной теплоемкости упомянутого фильтра твердых частиц.

10. Система по п.1, в которой упомянутые первый и второй каталитические составы содержат нагруженное основным металлом алюмосиликатное или силикоалюмофосфатное молекулярное сито.

11. Система по п.10, в которой упомянутый проточный монолит имеет загрузку катализатора SCR, превосходящую загрузку катализатора SCR на упомянутом фильтре твердых частиц.

12. Система по п.11, в которой упомянутый проточный монолит имеет загрузку катализатора SCR, составляющую приблизительно от 0,18 до 0,92 г/см³.

13. Система по п.1, в которой упомянутые первый и второй каталитические составы являются разными, при условии, что по меньшей мере один из упомянутых первого и второго каталитических составов содержит нагруженное основным металлом алюмосиликатное или силикоалюмофосфатное молекулярное сито.

14. Система по п.1, в которой упомянутый второй каталитический состав для селективного каталитического восстановления NO_x нанесен на и/или насыщает нижнюю по потоку сторону упомянутого фильтра твердых частиц.

15. Система по п.1, в которой упомянутый второй каталитический состав для селективного каталитического восстановления NO_x нанесен на и/или насыщает верхнюю по потоку сторону упомянутого фильтра твердых частиц.

16. Система по п.1, в которой упомянутый фильтр твердых частиц расположен на расстоянии от приблизительно 0,01 метра до приблизительно 0,25 метра ниже по потоку от проточного монолита.

17. Система по п.16, дополнительно содержащая источник впрыска восстановителя, находящийся в жидкостном соединении с упомянутым проточным монолитом и упомянутым фильтром твердых частиц и расположенный между ними.

18. Система по п.1, в которой первый каталитический состав в проточном монолите представлен с первой загрузкой массы на единицу объема, и второй каталитический состав в проточном монолите представлен со второй загрузкой массы на единицу объема, при этом отношение первой загрузки к второй загрузке составляет от приблизительно 15:1 до приблизительно 1,5:1.

19. Система по п.1, в которой первый каталитический состав содержит нагруженный железом цеолит, и второй каталитический состав содержит нагруженный медью цеолит.

20. Способ для обработки потока выхлопных газов двигателя, содержащего NO_x и сажу, состоящий в том, что:

соединяют упомянутый поток выхлопных газов, в присутствии восстановителя, с проточным монолитом, имеющим загрузку первого каталитического состава SCR и первый объем, чтобы произвести промежуточный поток газа, в котором первая часть упомянутого NO_x была превращена в N₂ и O₂;

соединяют упомянутый промежуточный поток газа с близко размещенным каталитическим фильтром твердых частиц, имеющим загрузку второго каталитического состава SCR и второй объем, при этом упомянутый второй объем по меньшей мере приблизительно вдвое больше первого объема, чтобы захватить часть сажи и произвести чистый поток газа, в котором вторая часть упомянутого NO_x была превращена в N₂ и O₂;

окисляют упомянутую часть сажи при температуре окисления сажи, чтобы восстановить каталитический фильтр твердых частиц;

нагревают упомянутый каталитический близко размещенный проточный монолит до температуры зажигания SCR до нагревания упомянутого каталитического фильтра твердых частиц до температуры зажигания SCR; и

поддерживают, в условиях низкой нагрузки, упомянутую температуру окисления сажи каталитического фильтра твердых частиц в течение более долгого периода времени по сравнению с каталитическим фильтром твердых частиц, имеющим объем, равный объединенным упомянутым первому и второму объемам.

21. Способ по п.20, в котором упомянутые этапы соединения упомянутого потока выхлопных газов и упомянутого соединения упомянутого промежуточного потока выхлопных газов имеют более высокое превращение NO_x по сравнению с каталитическим фильтром твердых частиц, имеющим объем, равный объединенным упомянутым первому и второму объемам, и загрузку катализатора SCR, равную упомянутым первой и второй загрузкам.