УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE WASTE-GAS PURIFICATION DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
x
x
x
x
x
x
В уровне техники известен двигатель внутреннего сгорания, оборудованный каталитическим нейтрализатором, установленным в выхлопном патрубке, который аккумулирует NO, содержащийся в отработавшем газе при обедненной смеси, и выделяет аккумулированный NO при обогащенной смеси или когда соотношение компонентов топливной смеси становится стехиометрическим. В данном двигателе внутреннего сгорания NO, образующийся при сжигании обедненной смеси, аккумулируется в нейтрализаторе NO. С другой стороны, при достижении предела аккумулирующей способности нейтрализатора NO состав рабочей смеси выхлопного газа временно обогащают, благодаря чему NO высвобождается из нейтрализатора NOx и восстанавливается.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Однако топливо содержит и серу. Поэтому отработавший газ содержит SO. Этот SO накапливается в нейтрализаторе NO вместе с NO. Однако SO не высвободится из нейтрализатора NO только за счет обогащения состава рабочей смеси выхлопного газа. Таким образом, количество SO, аккумулируемого нейтрализатором NO, постепенно растет. В результате количество NO, которое может быть аккумулировано, постепенно уменьшается.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Из предыдущего уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с нейтрализатором, улавливающим SO; данный уловитель SO расположен в выхлопном канале двигателя перед нейтрализатором NO для предотвращения поступления SO в нейтрализатор NO (см. японскую патентную публикацию (Kokai) №2005-133610). В этом двигателе внутреннего сгорания SO, содержащийся в отработавшем газе, поглощается уловителем SO. Таким образом, предотвращено поступление SO в нейтрализатор NO. В результате может быть предотвращено уменьшение объема аккумулирования NO из-за аккумулирования SO.
x
x
x
x
x
Пока уловитель SO работает в заданном режиме, он будет поглощать SO, содержащийся в отработавшем газе, в пределах заданного гарантированного пробега. Если же, например, при управлении транспортным средством по ошибке использовано топливо с высокой концентрацией серы или превышен заданный гарантированный пробег, то в уловитель SO поступит SO, превышающий допустимое количество, и дальнейшее поглощение SO будет невозможно.
x
x
x
x
С учетом данной проблемы, если уловитель SO поглощает большое количество SO, возникает необходимость высвобождения SO для восстановления поглощающей способности уловителя SO.
Описание изобретения
x
x
Задача настоящего изобретения - создать устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которое может эффективно восстанавливать объем поглощения SO или объем аккумулирования SO.
x
x
x
x
x
x
x
x
В соответствии с настоящим изобретением предложено устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в выхлопном канале которого расположен передний нейтрализатор перед задним нейтрализатором по потоку отработавшего газа; передний и задний нейтрализаторы аккумулируют NO, содержащийся в отработавшем газе, когда состав рабочей смеси выхлопного газа обеднен, и высвобождают аккумулированный NO, когда состав рабочей смеси выхлопного газа обогащен или является стехиометрическим; для очистки от SO переднего нейтрализатора температуру переднего нейтрализатора повышают до температуры высвобождения SO и состав рабочей смеси выхлопного газа, поступающего в передний нейтрализатор, обедняют, а для очистки от SO заднего нейтрализатора температуру заднего нейтрализатора повышают до температуры высвобождения SO и обогащают состав рабочей смеси выхлопного газа, поступающего в задний нейтрализатор; и частота очистки от SO заднего нейтрализатора превышает частоту очистки от SO переднего нейтрализатора.
x
x
x
То есть степень теплового износа заднего нейтрализатора меньше, чем переднего нейтрализатора, поэтому очистить от SO задний нейтрализатор легче. Следовательно, при увеличении частоты очистки от SO заднего нейтрализатора степень очистки NO может быть увеличена.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия,
x
на фиг.2 представлен разрез поверхности подложки катализатора NO,
x
на фиг.3 представлена таблица величин отработавших SO (SOXA),
x
x
на фиг.4 представлена временная диаграмма степеней очистки NO и моменты очистки нейтрализаторов от SO,
x
на фиг.5 представлен алгоритм очистки нейтрализаторов от SO, и на
x
фиг.6 представлен разрез поверхности носителя уловителя SO.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.
На фиг.1 цифрой 1 обозначен корпус двигателя, 2 - камера сгорания каждого цилиндра, 3 - топливная форсунка с электронным управлением для впрыска топлива в каждую камеру сгорания, 4 - впускной коллектор и 5 - выпускной коллектор. Впускной коллектор 4 соединен через впускной канал 6 с выходом компрессора 7а турбонагнетателя 7 с приводом от выхлопной системы двигателя. Вход компрессора 7а соединен с воздушным фильтром 9 через датчик 8 количества всасываемого воздуха. Во впускном канале 6 расположена дроссельная заслонка 10 с приводом от шагового электродвигателя. Кроме того, впускной канал 6 проходит через промежуточный охладитель 11 для охлаждения всасываемого воздуха. В примере осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, в охладитель 11 поступает вода системы охлаждения двигателя. Вода системы охлаждения двигателя охлаждает всасываемый воздух.
x
С другой стороны, выпускной коллектор 5 соединен с входом теплофикационной турбины 7b турбонагнетателя 7 с приводом от выхлопной системы с двигателя, а выход теплофикационной турбины 7b соединен с входом переднего нейтрализатора 12. Кроме того, выход переднего нейтрализатора 12 соединен с входом заднего нейтрализатора 14 через выхлопную трубу 13. На выпускном коллекторе 5 расположен клапан 15 подачи реагента-восстановителя, содержащего, например, углеводороды, в отработавший газ, который поступает в передний нейтрализатор 12, а на выхлопной трубе 13 расположен клапан 16 подачи реагента-восстановителя, содержащего, например, углеводороды, в отработавший газ, который поступает в задний нейтрализатор 14. Кроме того, на выхлопной трубе 17, соединенной с выходом заднего нейтрализатора 14, расположен датчик 18 NO.
Выпускной коллектор 5 и впускной коллектор 4 связаны каналом 19 рециркуляции отработавших газов (далее - РОГ). Канал 19 РОГ снабжен клапаном 20 с электронным управлением РОГ. Кроме того, канал 19 РОГ проходит через охладитель 21 для охлаждения рециркулируемых отработавших газов. В примере осуществления, проиллюстрированном на фиг.1, в охладитель 21 поступает вода из системы охлаждения двигателя. Вода из системы охлаждения двигателя охлаждает рециркулируемый отработавший газ. В то же время каждая топливная форсунка 3 соединена топливопроводом 22 с общим каналом 23. В общий канал 23 поступает топливо от топливного насоса 24 с электронным управлением подачи. Топливо, подаваемое в общий канал 23, поступает через каждый топливопровод 22 к топливным форсункам 3.
x
Электронное управляющее устройство 30 выполнено в виде компьютера, которое снабжено постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 32, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 33, микропроцессором (ЦП), портом 35 ввода и портом 36 вывода, соединенными между собой двунаправленной шиной 31. Выходные сигналы датчика 8 количества всасываемого воздуха и датчика 18 NO поступают через соответствующие аналого-цифровые преобразователи 37 в порт 35 ввода. Педаль 40 газа соединена с датчиком 41 нагрузки, генерирующим выходное напряжение, пропорциональное величине нажатия L на педаль 40 газа. Выходное напряжение датчика 41 нагрузки поступает через соответствующий аналого-цифровой преобразователь 37 в порт 35 ввода. Кроме того, порт 35 ввода соединен с датчиком 42 угла поворота коленвала, генерирующим выходной импульс при каждом повороте коленвала, например, на 15°. В свою очередь порт 36 вывода соединен через соответствующие задающие схемы 38с топливными форсунками 3, шаговым электродвигателем для управления дроссельной заслонкой 10, клапаном 15 подачи реагента-восстановителя в передний нейтрализатор, клапаном 16 подачи реагента-восстановителя в задний нейтрилизатор, клапаном 20 управления РОГ и топливным насосом 24.
x
x
x
Передний нейтрализатор 12 и задний нейтрализатор 14, представленные на фиг.1, снабжены катализатором, аккумулирующим NO, поэтому сначала будет описан нейтрализатор, аккумулирующий NO. В данном нейтрализаторе на подложке катализатора, выполненной, например, из оксида алюминия, расположен носитель катализатора и на фиг.2 изображен схематичный разрез поверхности данной подложки 45 катализатора. Как видно на фиг.2, по поверхности подложки 45 нанесены катализаторы 46 из благородных металлов. Кроме того, на поверхности подложки 45 катализатора расположен слой абсорбента 47 NO.
x
В данном примере осуществления изобретения в качестве благородного металла катализатора 46 служит платина Pt. В качестве компонента, образующего абсорбент 47 NO, может быть использован, по меньшей мере, один из элементов - калий К, натрий Na, цезий Cs, или других щелочных металлов - бария Ва, кальция Са, или других щелочноземельных металлов - лантана La, иттрия Y или других редкоземельных металлов.
x
x
x
x
Если количество воздуха и топлива (углеводороды), подаваемых во входной канал, камеру 2 сгорания и выхлопной канал двигателя по потоку перед нейтрализаторами 12, 14, обозначить как «соотношение компонентов горючей смести выхлопного газа», то абсорбент 47 NO осуществляет абсорбцию NO и начинает поглощать NO, когда соотношение компонентов горючей смести выхлопного газа обедняется и начинает высвобождать аккумулированный NO при уменьшении концентрации кислорода в отработавшем газе.
x
2
x
3
x
x
x
x
x
2
x
3
-
-
Если в качестве компонента, образующего абсорбент 47 NO использован барий Ва и состав рабочей смеси выхлопного газа обеднен, т.е. концентрация кислорода в отработавшем газе велика, NO, содержащийся в отработавшем газе, окисляется на платине Pt 46, как показано на фиг.2, с образованием NO, и затем поглощается абсорбентом 47 NO и диффундирует в нем в форме ионов NO  азотной кислоты, связываясь с оксидом бария ВаО. Таким образом, NO поглощается абсорбентом 47 NO. Пока концентрация кислорода в отработавшем газе высока, на поверхности платины Pt 46 образуется NO. Пока абсорбент 47 NO не насыщен NO, NO поглощается абсорбентом 47 NO с образованием ионов NO  азотной кислоты.
3
2
x
3
2
x
-
-
В противоположность этому при подаче реагента-восстановителя через клапаны 15, 16 для обогащения состава рабочей смеси выхлопного газа или достижения стехиометрического соотношения концентрация кислорода в отработавшем газе падает, поэтому реакция протекает в обратном направлении (NO →NO) и из абсорбента 47 NO высвобождаются ионы NO  азотной кислоты в форме NO. Затем высвобожденные NO восстанавливаются несгоревшими углеводородами или СО, содержащимися в отработавшем газе.
x
x
x
x
x
x
x
Таким образом, когда состав рабочей смеси выхлопного газа обеднен, т.е. при сгорании топлива в обедненной смеси, NO, содержащийся в отработавшем газе, поглощается абсорбентом 47 NO. Однако при дальнейшем сгорании топлива в обедненной смеси произойдет насыщение абсорбента 47 NO, который больше не сможет поглощать NO. Таким образом, в данном примере осуществления настоящего изобретения до насыщения абсорбента 47 NO через клапаны 15, 16 подается реагент-восстановитель для временного обогащения рабочей смеси выхлопного газа, а значит высвобождения NO из абсорбента 47 NO.
x
2
2
x
3
3
x
x
4
4
x
4
4
4
x
x
x
x
2-
Однако выхлопной газ содержит также SO, т.е. SO. Когда SO поступает в нейтрализатор NO, он окисляется на платине Pt 46, превращаясь в SO. Образовавшийся SO затем поглощается абсорбентом 47 NO и связывается с оксидом бария ВаО, диффундируя в абсорбент 47 NO в форме ионов сульфата SO  с образованием устойчивого сульфата BaSO. Однако абсорбент 47 NO имеет сильную основность, поэтому сульфат BaSO устойчив и трудно поддается разложению. Простым повышением концентрации топлива в отработавшем газе сульфат BaSO разложить не удастся. Таким образом, со временем количество сульфата BaSO в абсорбенте 47 NO возрастет, а количество NO, которое абсорбент 47 может поглотить, соответственно уменьшится. То есть нейтрализатор NO отравляется SO.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Если при подаче в нейтрализатор NO отработавшего газа с обогащенным составом рабочей смеси повысить температуру нейтрализатора NO до температуры высвобождения SO 600°С или выше, то SO высвободится из абсорбента 47 NO и нейтрализатор NO очистится от SO. Затем, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, для очистки от SO переднего нейтрализатора 12 NO его температуру повышают до температуры высвобождения SO, а состав рабочей смеси выхлопного газа, поступающего в передний нейтрализатор 12, обогащают. Кроме того, для очистки от SO заднего нейтрализатора 14 его температуру повышают до температуры высвобождения SO, а состав рабочей смеси выхлопного газа, поступающего в передний нейтрализатор, обогащают.
x
x
x
В примере осуществления настоящего изобретения из соответствующих клапанов 15, 16 подачи реагента-восстановителя подают топливо для повышения температуры нейтрализаторов 12, 14 до температуры высвобождения SO и обогащения состава рабочей смеси выхлопного газа, поступающего в нейтрализаторы 12, 14. То есть для очистки от SO переднего нейтрализатора 12 через клапан 15 подают реагент-восстановитель к переднему нейтрализатору, а для очистки от SO заднего нейтрализатора 14 через клапан 16 подают реагент-восстановитель к заднему нейтрализатору.
x
x
x
x
x
x
Кроме того, в примере осуществления настоящего изобретения очистку от SO производят для каждого нейтрализатора 12, 14. В частности, когда степень очистки NO обоими нейтрализаторами 12 и 14 меньше или равна заданному допустимому значению, происходит очистка от SO переднего нейтрализатора 12 или заднего нейтрализатора 14. При этом степень очистки NO вычисляется по концентрации NO, измеряемой датчиком 18 NO.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Топливо содержит некоторую долю серы, следовательно, количество SO в отработавшем газе пропорционально количеству впрыскиваемого топлива. Количество впрыскиваемого топливо зависит от необходимого крутящего момента и скорости вращения двигателя, следовательно, количество SO в отработавшем газе также зависит от необходимого крутящего момента и частоты вращения двигателя. В примере осуществления настоящего изобретения количество SO SOXA, выпускаемого из камеры 2 сгорания за единицу времени, заранее введено в ПЗУ 32 в виде таблицы зависимости SOXA от необходимого крутящего момента TQ и частоты вращения двигателя N, как показано на фиг. 3. Кроме того, количество NO в отработавшем газе также зависит от необходимого крутящего момента и частоты вращения двигателя, и количество NO, выпускаемого из камеры 2 сгорания за единицу времени, также заранее введено в ПЗУ 32 в виде таблицы зависимости количества NO от необходимого крутящего момента TQ и частоты вращения двигателя N. С другой стороны, количество отработавшего газа, выпускаемого из камеры 2 сгорания за единицу времени, вычисляется по количеству всасываемого воздуха, следовательно, концентрация NO в отработавшем газе, поступающем в передний нейтрализатор 12, может быть вычислена по количеству NO, выпущенного и аккумулированного за единицу времени, и количеству всасываемого воздуха. Степень очистки NO может быть вычислена по данной концентрации NO и концентрации NO, измеренной датчиком 18 NO.
x
x
x
x
x
Сравнивая передний нейтрализатор 12 и задний нейтрализатор 14, допустим, что передний нейтрализатор 12 имеет большую температуру, чем задний нейтрализатор 14, поэтому передний нейтрализатор 12 подвержен тепловому износу больше, чем задний нейтрализатор 14. В случае теплового износа нейтрализатор недостаточно очищается от SO даже при подаче реагента-восстановителя. В противоположность этому при отсутствии теплового износа нейтрализатор очищается от SO достаточно за счет использования того же количества реагента-восстановителя. Следовательно, очистка от SO заднего нейтрализатора 14, стойкого к тепловому износу, эффективнее повышает степень очистки NO и снижает потребление реагента-восстановителя, т.е. топлива. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, очистка от SO заднего нейтрализатора 14 предпочтительна. Это будет пояснено далее со ссылкой на фиг. 4.
x
x
x
x
x
На фиг.4 показано изменение степени очистки NO во времени и моменты очистки SO переднего нейтрализатора 12 и заднего нейтрализатора 14. Следует отметить, что на фиг. 4 белая область Fr показывает долю переднего нейтрализатора 12 в очистке NO, a заштрихованная область Rr - долю заднего нейтрализатора 14 в очистке NO. Кроме того, на фиг.4 показана допустимая степень NX очистки NO.
x
x
x
x
x
x
x
x
Как видно из фиг.4, сначала скорость очистки NO обеспечивается на 100 процентов. В это время отравление SO начинается в переднем нейтрализаторе 12, расположенном перед вторым нейтрализатором 14 в направлении перемещения газов, и степень очистки NO передним нейтрализатором 12 постепенно падает. С другой стороны, даже при уменьшении степени очистки NO передним нейтрализатором 12 очистка NO будет обеспечиваться задним нейтрализатором 14, поэтому степень очистки NO будет сохраняться некоторое время на 100%. Затем отравление SO заднего нейтрализатора 14 растет, поэтому степень очистки NO постепенно падает.
1
x
x
x
2
x
x
x
3
x
x
x
Когда в момент времени t степень очистки NO становится ниже допустимого уровня NX, задний нейтрализатор 14 очищается от SO. В результате степень очистки NO задним нейтрализатором 14, а значит и двумя нейтрализаторами 12, 14, возрастет. Когда в момент времени t степень очистки NO становится ниже допустимого уровня NX, задний нейтрализатор 14 снова очищается от SO, и степень очистки NO задним нейтрализатором 14 возрастает. Когда в момент времени t степень очистки NO становится ниже допустимого уровня NX, задний нейтрализатор 14 снова очищается от SO, и степень очистки NO задним нейтрализатором 14 возрастает.
4
x
x
x
x
x
x
Когда в момент времени t степень очистки NO в очередной раз становится меньше или равной допустимому уровню NX, степень очистки NO возрастает незначительно даже при очистке от SO заднего нейтрализатора 14. Поэтому на этот раз очищен от SO будет передний нейтрализатор 12, и степень очистки NO обоими нейтрализаторами 12, 14 возрастет. Следует отметить, что в это время можно одновременно очистить от SO задний нейтрализатор 14.
x
x
x
x
x
x
x
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, пока степень очистки NO можно восстановить до расчетного значения, повторяют очистку SO заднего нейтрализатора 14. Когда степень очистки NO нельзя восстановить до расчетного значения даже при очистке от SO заднего нейтрализатора 14, очищают от SO передний нейтрализатор 12. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением частота очистки от SO заднего нейтрализатора 14 превышает частоту очистки от SO переднего нейтрализатора 12, как показано на фиг.4.
x
x
x
Как видно из фиг.4, интервалы очистки от SO заднего нейтрализатора 14 постепенно уменьшаются. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, когда интервал очистки от SO заднего нейтрализатора 14 становится меньше заданного значения, очищают от SO передний нейтрализатор 12.
x
На фиг.5 представлен алгоритм очистки нейтрализаторов от SO.
x
x
x
x
x
x
x
x
В соответствии с фиг. 5, сначала на этапе 100 вычисляют количество отработавшего SO SOXA, как показано на фиг.3. Затем на этапе 101 данное количество SOXA складывают с ΣSOX для вычисления суммарной величины ΣSOX отработавшего SO. На этапе 102 вычисляют концентрацию отработавшего NO по количествам отработавшего NO и всасываемого воздуха. После этого на этапе 103 считывают значение NO на выходе датчика 18 и на этапе 104 вычисляют степень очистки NO по значению NO на выходе датчика 18 и концентрации отработавшего NO.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Затем на этапе 105 оценивают, превышает ли степень очистки NO допустимый уровень NX. Если степень очистки NO ниже допустимого уровня NX, то переходят к этапу 106, на котором оценивают, превышает ли суммарная величина ∑SOX количества отработавшего SO, вычисленного сразу после очистки от SO, установленное значение SX. Если ∑SOX>SX, т.е. после очистки от SO аккумулировано большое количество SO, то полагают, что степень очистки NO в заднем нейтрализаторе 14 может быть достаточно восстановлена. В это время переходят к этапу 107, на котором очищают от SO задний нейтрализатор 14. Затем переходят к этапу 109, на котором ∑SOX сбрасывают. Если, напротив, ∑SOX≤SX, т.е. степень очистки NO в заднем нейтрализаторе 14 не может быть достаточно восстановлена, то переходят к этапу 108, на котором очищают от SO передний нейтрализатор 12. После этого переходят к этапу 109.
x
x
В качестве переднего нейтрализатора 12 можно использовать уловитель SO, содержащегося в отработавшем газе. На фиг.6 представлен схематичный разрез поверхности подложки 50 данного уловителя SO. Как видно из фиг.6, на поверхности подложки 50 выполнено покрытие 51. Кроме того, на поверхность покрытия 51 нанесен катализатор 52 из благородного металла.
x
x
В данном уловителе SO в качестве благородного металла для катализатора 52 использована платина Pt. В качестве компонента, образующего покрытие 51, может быть использован, по меньшей мере, один из элементов - калий К, натрий Na, цезий Cs, или других щелочных металлов - бария Ва, кальция Са, или других щелочноземельных металлов - лантана La, иттрия Y, или других редкоземельных металлов. То есть покрытие 51 уловителя SO имеет сильную основность.
x
2
4
2
2-
Таким образом, SO, содержащийся в отработавшем газе, то есть SO, окисляется на платине 52, как показано на фиг.6, и затем поглощается покрытием 51. То есть S02 диффундирует в покрытие 51 в форме ионов сульфата SO  с образованием соли. Как сказано выше, покрытие 51 имеет сильную основность. Поэтому часть SO, содержащегося в отработавшем газе, непосредственно поглощается покрытием 51, как показано на фиг.6.
x
x
x
x
x
x
Плотность точечной штриховки покрытия 51 на фиг. 6 показывает концентрацию уловленного SO. Из фиг.6 очевидно, что концентрация SO около поверхности покрытия 51 наибольшая и с глубиной постепенно убывает. При увеличении концентрации SO около поверхности покрытия 51 основность и способность поглощения SO поверхностью покрытия 51 уменьшатся. Если в данный момент повысить температуру уловителя SO при высоком воздушно-топливном отношении отработавшего газа, то степень поглощения SO восстановится.
x
x
x
x
x
x
x
То есть при повышении температуры уловителя SO и обедненном составе рабочей смеси выхлопного газа SO, сконцентрированный около поверхности покрытия 51, диффундирует вглубь покрытия 51 и концентрация SO в покрытии 51 станет равномерной. Образованный в покрытии 51 сульфат равномерно диффундирует по всей толщине покрытия, переходя из неустойчивого состояния в устойчивое. Если SO около поверхности покрытия 51 диффундирует вглубь покрытия 51, то концентрация SO около поверхности покрытия 51 упадет. Таким образом, при повышении температуры уловителя SO степень поглощения SO уловителем восстановится.
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Исходя из вышесказанного, при использовании данного уловителя SO температуру уловителя SO периодически повышают. Однако если в уловитель SO подается большое количество SO даже при высокой температуре уловителя, то степень поглощения SO не может быть восстановлена. Таким образом, даже при использовании уловителя SO необходимо очищать его от SO путем повышения температуры уловителя SO до температуры высвобождения SO и понижения воздушно-топливного отношения отработавшего газа, поступающего в уловитель SO.