СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR CLEANING OF EXHAUST GAS

Область техники
x
Настоящее изобретение относится к устройству для очистки выхлопного газа, содержащему, по меньшей мере, поглотительно-восстановительный катализатор NO и катализатор-фильтр, расположенные последовательно, и способу очистки выхлопного газа, использующему это устройство.
Уровень техники
x
x
x
x
x
x
x
Катализатор для эффективного удаления NO из выхлопного газа транспортного средства известен как поглотительно-восстановительный катализатор NO. Такой поглотительно-восстановительный катализатор NO образуется посредством нанесения материала, поглощающего NO, выбранного из щелочных металлов, щелочноземельных металлов или тому подобного и благородного металла на основу из оксида, например, оксида алюминия. В атмосфере, бедной избытком кислорода, NO абсорбируется на материале, поглощающем NO, в форме нитрата или нитрита. Выхлопной газ в богатой атмосфере может протекать в импульсном режиме, посредством этого разлагая нитрат или нитрит. Выпускаемый NO восстанавливается и очищается посредством восстанавливающего компонента, который обильно присутствует в атмосфере.
x
x
x
x
x
Однако, под действием поглотительно-восстановительного катализатора NO, оксид серы (SO), присутствующий в выхлопном газе, реагирует с материалом, поглощающим NO, что нежелательно вызывает отравление серой, относящееся к нарушению характеристик поглощения NO. Отравленный серой материал, поглощающий NO, присутствует в форме сульфата или сульфита, которые имеют более высокую температуру разложения, чем нитрат или нитрит.
x
x
x
В соответствии с традиционными технологиями осуществляется обработка для восстановления функции поглощения NO отравленного серой материала, поглощающего NO. Восстановительная обработка представляет собой процесс, который позволяет выхлопному газу в высокотемпературной богатой атмосфере, к которой добавлен восстановитель, протекать в импульсном режиме, чтобы посредством этого восстанавливать и разлагать отравленный серой материал, поглощающий NO.
x
x
x
x
Например, патент Японии №2605580 раскрывает способ восстановления и десорбции SO посредством втекания потока обогащенного газа, имеющего низкую концентрацию кислорода. В соответствии с этим способом было обнаружено, что SO легче удаляется при условиях более высоких температур. Также публикация заявки на патент Японии № Н08-061052 раскрывает способ нагревания катализатора до 800~900°С для того, чтобы выделить SO из отравленного серой материала, поглощающего NO. Дополнительно, публикация заявки на патент Японии №2000-230447 раскрывает способ понижения температуры процесса восстановления посредством подачи большого количества восстановительного газа, например СО.
x
x
x
x
x
Однако в случае когда выхлопной газ, к которому добавлен восстановитель, подается на поглотительно-восстановительный катализатор NO, температура на входе в катализатор является ниже, чем температура на выходе из него, и таким образом функция поглощения NO недостаточно восстанавливается вблизи входа. Соответственно, опубликованная заявка на патент Японии №2002-013413 описывает обратный поток выхлопного газа из поглотительно-восстановительного катализатора NO, после восстановления от отравления серой. В нормальном состоянии температура на выходе из катализатора выше, чем на входе в него, в связи с теплом реакции катализатора. Следовательно, когда направление потока выхлопного газа изменяется на обратное после обработки восстановлением, первоначальный выход, имеющий высокую температуру, становится входом, и таким образом это тепло используется, чтобы восстанавливать функцию поглощения NO. С другой стороны, когда первоначальный вход становится выходом, он входит в контакт с выхлопным газом, имеющим высокую температуру в связи с теплом реакции катализатора, и поэтому функция поглощения NO может также быть восстановлена у первоначального входа.
Далее, в выхлопном газе из дизельного двигателя, поскольку вредные компоненты выгружаются в форме частиц (материал в форме частиц: частицы углерода, частицы серы, например сульфаты, частицы углеводорода с высоким молекулярным весом и тому подобное, упоминаемое как «РМ») по сравнению с двигателями на бензине, дизельные двигатели имеют трудности в очистке выхлопного газа.
Очистители выхлопного газа для дизельных двигателей, разработанные к настоящему времени, в основном классифицируются на очиститель выхлопного газа типа ловушки (поток по стенке) и очиститель выхлопного газа открытого типа (прямой поток). В частности, известно, что очиститель выхлопного газа типа ловушки представляет собой забивающийся керамический сотовый корпус (дизельный фильтр РМ, здесь и далее упоминаемый, как «DPF»). DPF, в котором оба открытых конца сот керамической сотовой структуры (например, расположенные в шахматном порядке) содержат соты на входе, соты на выходе и перегородки сот. Каждые соты на входе забиваются на стороне ниже по потоку по направлению потока выхлопного газа. Каждые соты на выходе примыкают к соответствующим сотам на входе и забиваются на стороне выше по потоку по направлению потока выхлопного газа. Каждая перегородка сот перегораживает соответствующие соты на входе и соты на выходе. Через тонкие поры в перегородках сот выхлопной газ фильтруется, и РМ таким образом улавливается, впоследствии позволяя подавлять выпуск РМ.
Однако, в случае DPF, поскольку потеря давления выхлопного газа увеличивается в связи с накоплением РМ, накопленный РМ необходимо периодически удалять с использованием любого средства для того, чтобы регенерировать DPF. Таким образом, в случае, когда потеря давления выхлопного газа увеличивается, были предложены традиционные способы потока высокотемпературного выхлопного газа или выполнения нагревательного процесса с использованием горелки или электрического нагревателя, чтобы сжигать накопленный РМ для того, чтобы регенерировать DPF. В таком случае, однако, накопленная величина РМ увеличивается, температура сгорания также увеличивается, производя нежелательное температурное напряжение. Это температурное напряжение часто вызывает повреждение DPF.
Недавно традиционный регенерационный тип DPF (катализатор-фильтр) был разработан посредством образования покрывающего слоя, например оксида алюминия, на поверхности перегородки сот DPF и нанесения благородного металла, например платины (Pt), на покрывающий слой. В соответствии с этим катализатором-фильтром, поскольку захваченный РМ окисляется и сжигается посредством каталитической реакции благородного металла, РМ может быть сожжен одновременно с его захватом или последовательно с ним, посредством этого позволяя восстанавливать функцию фильтра. Далее каталитическая реакция происходит при относительно низкой температуре, и РМ может быть сожжен, даже если его собранное количество является небольшим. Посредством этого разрушение DPF выгодно предотвращается в связи с низким температурным напряжением, приложенным к нему.
x
x
x
x
x
x
x
Кроме того, известен катализатор-фильтр, в котором на покрывающий слой дополнительно наносится материал, поглощающий NO, выбранный из щелочных металлов, щелочноземельных металлов и редкоземельных элементов. В соответствии с таким катализатором-фильтром, в той же самой бедной атмосфере, как и в поглотительно-восстановительном катализаторе NO, NO поглощается на материале, поглощающем NO, и NO, выпускаемый в атмосферу, понижается, посредством этого значительно повышая производительность по очистке NO. Поэтому в случае, когда выхлопной газ дизельного двигателя очищается с использованием вышеуказанного катализатора-фильтра, применяется система, в которой восстановитель периодически добавляется к выхлопному газу, чтобы посредством этого образовать богатую атмосферу. Однако этот катализатор-фильтр, имеющий материалы, поглощающие NO, нанесенные на него, имеет низкую окислительную активность по НС благородного металла. Такие различные способы присоединения восстановителя к катализатору-фильтру или понижения накопления РМ необходимо исследовать.
x
x
x
Например, опубликованная Японская заявка на патент №2002-021544 раскрывает технологии очистки, в которых окислительный катализатор или поглотительно-восстановительный катализатор NO размещен со стороны выше по потоку, чем катализатор-фильтр, и НС подается в выхлопной газ через последующую струю топлива в камеру сгорания или через добавление топлива к выхлопному газу. Также описывается, что тепло реакции окислительного катализатора или поглотительно-восстановительного катализатора NO заставляет РМ, накопленные в DPF или катализаторе-фильтре, сгорать и NO восстанавливаться и очищаться.
x
x
x
x
x
Таким образом, в случае, когда восстановитель, например маловязкое масло, добавляется к выхлопному газу, восстановитель должен добавляться перед возможностью поглощения NO, до того как возможность поглощения NO поглотительно-восстановительным катализатором NO насыщается, для того чтобы восстанавливать способность адсорбции NO. Соответственно, даже после ускорения или замедления при низкой скорости восстановитель должен добавляться при относительно коротких промежутках времени. Однако, в таком случае, поскольку температура выхлопного газа является относительно низкой и понижается далее посредством добавления восстановителя, становится трудным осуществлять реакцию восстановления с NO. Следовательно, добавляемый восстановитель присоединяется к катализатору-фильтру в непрореагировавшем состоянии, и нанесенный металл катализатора отравляется, и таким образом активность его понижается. Кроме того, в то время как РМ прилипает к присоединенному восстановителю, соты на переднем конце нежелательно забиваются.
В случае катализатора-фильтра, зола в возрастающей степени накапливается в катализаторе, нежелательно увеличивая потерю давления выхлопного газа.
x
x
x
x
В случае когда поглотительно-восстановительный катализатор NO размещается на стороне выше по потоку, чем катализатор-фильтр, имеется необходимость восстановительной обработки от отравления серой по отношению к поглотительно-восстановительному катализатору NO. Когда температура выхлопного газа, протекающего в поглотительно-восстановительный катализатор NO, составляет, например, 300°С, распределение температуры по каждому катализатору является таким, как иллюстрировано на фиг.9. Для того чтобы осуществить достаточную восстановительную обработку, требуется температура не ниже чем 650°С. Таким образом, когда такой высокотемпературный выхлопной газ протекает в расположенный выше по потоку поглотительно-восстановительный катализатор NO, температура катализатора-фильтра ниже по потоку увеличивается, и благородный металл, нанесенный на катализатор-фильтр, может быть разрушен в связи с ростом зерен. Далее РМ, накопленный на катализаторе-фильтре, может быть сожжен весь сразу, нежелательно вызывая температурное напряжение. В результате катализатор-фильтр может быть поврежден.
Сущность изобретения
x
Соответственно, настоящее изобретение было выполнено, чтобы решить вышеупомянутые проблемы, возникающие на известном уровне техники, и варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают создание устройства для очистки выхлопного газа, содержащего поглотительно-восстановительный катализатор NO, размещенный выше его по потоку, и катализатор-фильтр, размещенный ниже его по потоку, таким образом улучшая восстановление от отравления серой, предотвращая разрушение и повреждение катализатора-фильтра.
x
x
Устройство для очистки выхлопного газа для достижения вышеуказанной цели настоящего изобретения характеризуется тем, что оно содержит устройство для подачи восстановителя, подающее восстановитель в выхлопной газ, первый катализатор, содержащий поглотительно-восстановительный катализатор NO, полученный посредством образования слоя катализатора на поверхности сотового носителя катализатора, имеющего структуру прямого потока, причем слой катализатора включает основу из пористого оксида и материал, поглощающий NO, и благородный металл, нанесенные на нее, второй катализатор, полученный посредством образования слоя катализатора, по меньшей мере, на поверхности носителя катализатора фильтра, имеющего структуру потока по стенке и включающего основу из пористого оксида и, по меньшей мере, благородный металл, нанесенный на нее, контейнер, имеющий по меньшей мере, первый катализатор и второй катализатор, расположенные последовательно, и устройство для изменения направления, изменяющее направление потока выхлопного газа в контейнере между нормальным направлением потока и обратным направлением потока, причем в нормальном направлении потока первый катализатор размещен выше по потоку по направлению потока выхлопного газа, и второй катализатор размещен ниже его по потоку, а в обратном направлении потока второй катализатор размещен выше по потоку по направлению потока выхлопного газа, и первый катализатор размещен ниже его по потоку.
В контейнере первый катализатор, второй катализатор и третий катализатор, полученный посредством образования слоя катализатора, состоящего из основы из пористого оксида и благородного металла, нанесенного на нее, на поверхности сотового носителя катализатора, имеющей структуру прямого потока, последовательно расположены один за другим, и устройство для изменения направления предпочтительно изменяет (на обратное) направление потока выхлопного газа между нормальным направлением потока в последовательности: первый катализатор, второй катализатор и затем третий катализатор; и обратным направлением потока в последовательности: третий катализатор, второй катализатор и затем первый катализатор.
x
x
Дополнительно, способ очистки выхлопного газа в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что он содержит процесс с нормальным потоком для того, чтобы обеспечить возможность выхлопному газу нормально протекать, и процесс восстановления для того, чтобы обеспечить возможность выхлопному газу в высокотемпературной богатой атмосфере, к которому добавлен восстановитель, протекать в импульсном режиме, так чтобы отравленный серой материал, поглощающий NO, восстанавливался, чтобы посредством этого восстановить функцию поглощения NO, используя устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению. В процессе восстановления направление потока выхлопного газа после процесса с нормальным потоком изменяется (на обратное).
Далее, способ по настоящему изобретению также включает процесс регенерации для того, чтобы обеспечить возможность выхлопному газу в обедненной атмосфере, к которому добавлен восстановитель, протекать в импульсном режиме, чтобы посредством этого вырабатывать теплоту сгорания, которая затем используется для сжигания РМ, накопленного во втором катализаторе, так чтобы регенерировать функцию собирания РМ. В процессе регенерации, направление выхлопного газа после процесса с нормальным потоком меняется (на обратное).
x
Устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению содержит устройство для изменения направления, изменяющее направление потока выхлопного газа в контейнере, имеющем первый катализатор, составленный из поглотительно-восстановительного катализатора NO, и второй катализатор, который служит как катализатор-фильтр, расположенные последовательно, между нормальным направлением потока, в котором первый катализатор размещается выше по направлению потока выхлопного газа и второй катализатор размещается ниже его по потоку, и обратным направлением потока, в котором второй катализатор размещается выше по направлению потока выхлопного газа и первый катализатор размещается ниже него по потоку. Далее, в процессе восстановления способа очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению направление потока выхлопного газа после процесса с нормальным потоком изменяется (на обратное).
x
Таким образом, в случае, когда выхлопной газ протекает в нормальном направлении потока ко второму катализатору от первого катализатора в процессе с нормальным потоком, направление потока выхлопного газа в процессе восстановления становится направлением к первому катализатору от второго катализатора. После процесса с нормальным потоком величина отравления серой увеличивается по направлению к стороне выше по потоку при низкой температуре и является большей в первом катализаторе, чем во втором катализаторе, и также является большей на стороне выше по потоку первого катализатора, чем на его стороне ниже по потоку. Соответственно, в случае, когда направление потока выхлопного газа изменяется (на обратное) в процессе восстановления, так что второй катализатор предусматривается выше по потоку по отношению к направлению потока выхлопного газа, выхлопной газ дополнительно нагревается посредством тепла реакции второго катализатора, и поэтому температура первого катализатора становится выше, чем температура второго катализатора. Соответственно, в поглотительно-восстановительном катализаторе NO, образующем первый катализатор, восстановление от отравления серой улучшается.
В процессе с нормальным потоком второй катализатор, который находится ниже по потоку, имеет более высокую температуру, чем первый катализатор, и температура на стороне ниже по потоку второго катализатора является большей, чем температура на его стороне выше по потоку. Таким образом, даже хотя температура выхлопного газа, протекающего во второй катализатор, понижается до 650°С или менее, после процесса восстановления, температура выхлопного газа, протекающего в первый катализатор, является высокой, и, таким образом, первый катализатор может удовлетворительно восстанавливаться от отравления серой. Следовательно, возможно, сдерживать разрушение и поломку второго катализатора (катализатора-фильтра) из-за теплоты.
x
В случае когда второй катализатор (катализатор-фильтр) дополнительно включает материал, поглощающий NO, нанесенный на него, величина отравления серой является большей на его стороне выше по потоку, чем на его стороне ниже по потоку после процесса с нормальным потоком. Когда направление потока выхлопного газа изменяется (на обратное) после процесса восстановления, температура выхлопного газа на выходе из второго катализатора достаточно повышается, даже при низкой температуре выхлопного газа, протекающего во второй катализатор, и таким образом восстановительная обработка второго катализатора может быть реализована, и разрушение, и поломка второго катализатора (катализатора-фильтра) в связи с теплом могут быть задержаны в то же самое время.
В процессе с нормальным потоком зола, накапливаемая во втором катализаторе (катализаторе-фильтре), выдувается посредством выхлопного газа, протекающего в обратном направлении после процесса восстановления, и затем проходит через первый катализатор, чтобы посредством этого выгрузить ее. Посредством этого накопление избыточной золы во втором катализаторе (катализаторе-фильтре) можно избежать, и увеличение потери давления на выхлопе может быть задержано.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие цели и отличительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в нормальном направлении потока;
фиг.2 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в обратном направлении потока;
фиг.3 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в нормальном направлении потока;
фиг.4 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в обратном направлении потока;
фиг.5 - график, иллюстрирующий распределение серы по концентрации;
фиг.6 - график, иллюстрирующий распределение золы по концентрации;
фиг.7 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в нормальном направлении потока;
фиг.8 - схематический вид, иллюстрирующий устройство для очистки выхлопного газа в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором выхлопной газ протекает в нормальном направлении потока; и
фиг.9 - схематический вид, иллюстрирующий общее распределение катализатора по температуре.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Различные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
x
x
x
В соответствии с настоящим изобретением устройство для очистки выхлопного газа содержит первый катализатор и второй катализатор. Первый катализатор содержит поглотительно-восстановительный катализатор NO, то есть может быть составлен только из поглотительно-восстановительного катализатора NO, или из трехкомпонентного катализатора, или из окислительного катализатора и поглотительно-восстановительного катализатора NO, которые нанесены и разделены.
x
x
x
Поглотительно-восстановительный катализатор NO получается посредством образования слоя катализатора, состоящего из основы из пористого оксида и материала, поглощающего NO, и благородного металла, нанесенного на него, на поверхность сотового носителя катализатора, имеющего структуру прямого потока. Альтернативно, может быть использован традиционный поглотительно-восстановительный катализатор NO. Примеры сотового носителя катализатора включают монолитный сотовый носитель катализатора, образованный из теплостойкой керамики, например кордиерита, или металлический сотовый носитель катализатора, образованный из металлической фольги. Пористый оксид выбирается из оксида алюминия, оксида титана, оксида циркония, оксида кремния, оксида церия, композиционных оксидов, образованных из множества их частиц и их смесей.
x
x
Материал, поглощающий NO, представляет собой, по меньшей мере, материал, выбранный из щелочных металлов, щелочноземельных металлов и редкоземельных элементов, и смесь щелочного металла и щелочноземельного металла является предпочтительно полезной. Материал, поглощающий NO, предпочтительно наносится в диапазоне от величины 0,05~1 моль на литр сотового носителя катализатора. Благородный металл выбирается из Pt, Rh, Pd, Ru и Ir, и Pt, имеющих высокую окислительную активность, является предпочтительно полезным. Благородный металл предпочтительно наносится в.диапазоне 0,1~5 граммов на литр сотового носителя катализатора.
Второй катализатор представляет собой катализатор-фильтр, получаемый посредством образования слоя катализатора, состоящего из основы из пористого оксида и, по меньшей мере, благородного металла, нанесенного на нее, на, по меньшей мере, поверхности носителя катализатора фильтра, имеющей структуру потока по стенке. Носитель катализатора фильтра составлен из сот на входе, забивающихся на стороне ниже по потоку по направлению потока выхлопного газа, сот на выходе, примыкающих к сотам на входе и забивающихся на стороне выше по потоку по направлению потока выхлопного газа, и пористых перегородок сот, имеющих множество тонких пор и разделяющих соты на входе и соты на выходе. В качестве носителя катализатора фильтра может быть использован традиционный DPF, изготовленный из термостойкой керамики, например кордиерита или карбида кремния.
Тонкие поры в перегородках сот носителя катализатора фильтра предпочтительно распределяются так, чтобы иметь пористость 40~80% и средний диаметр 10~50 мкм. В случае когда пористость или средний диаметр выходит за пределы вышеупомянутого диапазона, эффективность захвата РМ уменьшается, и может быть повышена потеря давления на выхлопе.
Образуется, по меньшей мере, поверхность носителя катализатора фильтра, слой катализатора, включающий основу из пористого оксида и, по меньшей мере, благородный металл, нанесенный на нее. Далее, слой катализатора предпочтительно образуется на внутренней поверхности тонких пор перегородок сот. Пористый оксид выбирается из оксида алюминия, оксида титана, оксида циркония, оксида кремния, оксида церия, композиционных оксидов, образованных из множества их частиц и их смесей.
Благородный металл представляет собой один или более выбранных из благородных металлов группы платины, включая Pt, Rh, Pd, Ru и Ir. Благородный металл предпочтительно наносится в диапазоне 0,1~5 граммов на литр сотового носителя катализатора фильтра. Если величина является меньшей, чем нижний предел, активность является очень низкой, и таким образом он является непригодным. С другой стороны, если величина превышает верхний предел, активность насыщается, и стоимость увеличивается.
x
x
x
x
Предпочтительно, слой катализатора второго катализатора дополнительно включает материал, поглощающий NO, который выбирается из щелочных металлов, щелочноземельных металлов и редкоземельных элементов и который наносится на него, как и в первом катализаторе. В связи с материалом, поглощающим NO, включенным в слой катализатора, активность очистки от NO возрастает. Материал, поглощающий NO, предпочтительно наносится в диапазоне 0,05~1 моль на литр носителя катализатора фильтра. Если величина является меньшей, чем нижний предел, активность является очень низкой, и таким образом он является непригодным. С другой стороны, если величина превышает верхний предел, металл катализатора покрывается, и таким образом его активность понижается.
x
Для того чтобы образовать слой катализатора на носителе катализатора фильтра, порошок пористого оксида образует шлам вместе со связующим компонентом, например, золем оксида алюминия и водой. Впоследствии шлам присоединяется к перегородке и затем обжигается. Впоследствии на него наносятся благородный металл и материал, поглощающий NO. Хотя присоединение шлама к перегородке сот может быть реализовано с использованием типичного процесса погружения, шлам может быть принудительно загружен в тонкие поры перегородки сот посредством продувки воздухом или всасывания. Здесь шлам, остающийся после загрузки в тонкие поры, предпочтительно удаляется.
x
Слой катализатора образуется в диапазоне 30~200 г на литр носителя катализатора фильтра. Если величина слоя катализатора является меньшей, чем нижний предел, долговечность благородного металла или материала, поглощающего NO, уменьшается. С другой стороны, если величина превышает верхний предел, потеря давления чрезвычайно возрастает, и таким образом он является непригодным.
Устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению содержит устройство для подачи восстановителя, подающее восстановитель в выхлопной газ. Может быть использован, например, инжектор, непосредственно подающий жидкий восстановитель, например маловязкое масло, в выхлопной газ. Дополнительно, восстановитель может быть подан в выхлопной газ в условиях богатого топлива на основе состава горючей смеси в камере сгорания. Дополнительно, в выхлопной газ может быть подан активный НС, получающийся в результате частичного окисления жидкого восстановителя, например, маловязкого масла. С этой целью предпочтительно, чтобы окислительный катализатор был размещен на самом верхнем конце по направлению потока выхлопного газа в процессе восстановления.
x
x
Также в контейнере третий катализатор дополнительно соединяется с первым катализатором и вторым катализатором последовательно, и таким образом первый катализатор, второй катализатор и третий катализатор предпочтительно располагаются в таком порядке. Третий катализатор предпочтительно представляет собой, по меньшей мере, один, выбранный из поглотительно-восстановительного катализатора NO, трехкомпонентного катализатора и окислительного катализатора, и предпочтительно включает, по меньшей мере, поглотительно-восстановительный катализатор NO.
x
Например, в случае, когда используется поглотительно-восстановительный катализатор NO, как третий катализатор, может быть гарантировано то же самое осуществление очистки, даже когда процесс с нормальным потоком осуществляется без изменения направления после процесса восстановления. Таким образом, в процессе с нормальным потоком, поскольку второй катализатор (катализатор-фильтр) может быть использован в двух направлениях, РМ и зола, накопленные в тонких порах перегородок сот, всегда выгружаются, когда направление потока изменяется, и увеличение потери давления может быть эффективно задержано.
Дополнительно, в случае, когда третий катализатор составлен из трехкомпонентного катализатора или окислительного катализатора, выхлопной газ в первую очередь протекает в третий катализатор в процессе восстановления. Поскольку третий катализатор имеет высокую окислительную активность, тепло, вырабатываемое, когда часть восстановителя в выхлопном газе окисляется, соответствует резкому повышению температуры выхлопного газа. В конечном итоге, даже если подается низкотемпературный выхлопной газ, восстановление от отравления серой остается высоким, за счет чего повышается производительность.
x
x
Дополнительно, в случае, когда первый катализатор предусмотрен на стороне выше по потоку по направлению потока выхлопного газа, первый катализатор предпочтительно составляется из окислительного катализатора или трехкомпонентного катализатора, размещенного на стороне выше по потоку выхлопного газа, и поглотительно-восстановительного катализатора NO, размещенного на его стороне ниже по потоку. С другой стороны, в случае, когда третий катализатор предусмотрен на стороне выше по потоку по направлению потока выхлопного газа, третий катализатор предпочтительно составляется из окислительного катализатора или трехкомпонентного катализатора, размещенного на стороне выше по потоку выхлопного газа, и поглотительно-восстановительного катализатора NO, размещенного на его стороне ниже по потоку. В этих случаях, реализуются обе функции, так что увеличение потери давления на выхлопе замедляется, а восстановление от отравления серой улучшается.
В способе очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению атмосфера выхлопного газа в процессе с нормальным потоком может быть либо атмосферой обедненной топливной смеси, либо чередующейся обедненной/обогащенной атмосферой. В последнем случае, обогащенная атмосфера может также быть предусмотрена в процессе восстановления или в процессе регенерации, как описано ниже.
В способе очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению температура выхлопного газа, содержащего восстановитель, после процесса восстановления предпочтительно находится в диапазоне от 650 до 700°С. Если температура выше верхнего предела, в результате происходит рост зерен благородного металла в катализаторе ниже по потоку, или РМ, накопленный во втором катализаторе, быстро сгорает, что приводит к нежелательному результату поломанного носителя катализатора фильтра. С другой стороны, если температура ниже нижнего предела, восстановление от отравления серой понижается.
В способе очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению процесс регенерации предпочтительно дополнительно осуществляется посредством предоставления возможности выхлопному газу в обедненной атмосфере, к которому добавлен восстановитель, протекать в импульсном режиме, чтобы посредством этого вырабатывать теплоту сгорания, которая затем используется, чтобы сжигать РМ, накопленный во втором катализаторе, таким образом регенерируя функцию захвата РМ. Хотя накопленный РМ может сжигаться посредством процесса восстановления, поскольку процесс восстановления не проводится в противотоке с процессом регенерации все время, процесс регенерации предпочтительно проводится в случае, когда потеря величины давления на выхлопе, определяемая посредством непрерывного обнаружения, находится в заданном диапазоне. Собственно, в процессе регенерации восстановительная атмосфера типично слабее, чем в процессе восстановления. Следовательно, предпочтительно, чтобы процесс регенерации предшествовал процессу восстановления. В случае когда процесс восстановления предшествует процессу регенерации, температура резко повышается, и, таким образом, сотовый носитель катализатора может растрескаться или может расплавиться и разрушиться. Соответственно, процесс регенерации, который действует, чтобы постепенно увеличивать температуру, предпочтительно предшествует процессу восстановления.
Далее, после процесса регенерации направление потока выхлопного газа в процессе с нормальным потоком предпочтительно изменяется. Величина захваченного РМ посредством носителя катализатора фильтра является большей на стороне выше по потоку (соты на входе) по направлению потока выхлопного газа после процесса с нормальным потоком. Также, жидкий восстановитель присоединяется к открытой части прохода входных сот, и также большая величина РМ может прилипать туда. Поэтому, в случае, когда направление потока выхлопного газа изменяется, в процессе регенерации РМ и зола могут быть выдуты посредством потока выхлопного газа, результатом чего является повышенная эффективность регенерации.
Ниже настоящее изобретение описывается подробно посредством следующих примеров и сравнительных примеров.
(Пример 1)
x
x
Фиг.1 и 2 схематически иллюстрируют устройство для очистки выхлопного газа в соответствии с настоящим изобретением. В устройстве для очистки выхлопного газа поглотительно-восстановительный катализатор NO 2 (здесь и далее упоминаемый, как NSR2), в качестве первого катализатора, и катализатор-фильтр 3 (здесь и далее упоминаемый, как DPNR3), как второй катализатор, последовательно расположены в ряду в каталитическом конвертере 1. В качестве такового, DPNR3 представляет собой поглотительно-восстановительный катализатор NO типа фильтра. Выхлопная труба 100 из выхлопного разветвленного трубопровода разделяется на два прохода, то есть на первый проход 101 и второй проход 102 спереди каталитического конвертера 1. Затем первый проход 101 и второй проход 102 соединяются друг с другом снова. То есть первый проход 101 и второй проход 102 соответственно размещаются на любой стороне каталитического конвертера 1 и затем соединяются друг с другом. Далее в разделенной части выхлопной трубы 100 помещается первый клапан 200 для включения выхлопного газа из выхлопной трубы 100 в первый проход 101 или второй проход 102. Дополнительно, в первом проходе 101 помещается второй клапан 201 для включения или выключения соединения между отверстием каталитического конвертера 1 и первым проходом 101. Дополнительно, во втором проходе 102 помещается третий клапан 202 для включения или выключения соединения между другим отверстием каталитического конвертера 1 и вторым проходом 102. Дополнительно, в выхлопной трубе 100 дополнительно предусмотрен инжектор 103 для добавления маловязкого масла в выхлопной газ.
NSR2 содержит сотовый носитель катализатора на основе кордиерита (0,8 л, число сот 400/кв.дюйм), имеющий структуру прямого потока и 270 г/л слоя катализатора, образованного на нем, причем слой катализатора включает К, Ва, Li и 5 г/л Pt, нанесенных на него. Далее, DPNR3 содержит носитель катализатора фильтра на основе кордиерита (2,0 л, число сот 300/кв.дюйм), имеющий структуру потока по стенке и 150 г/л слоя катализатора, причем слой катализатора включает К, Ва, Li и 5 г/л Pt, нанесенных на него. Слой катализатора образуется не только на поверхности перегородки сот, но также на внутренней поверхности ее тонких пор.
<Испытание>
3
Сконструированное таким образом устройство для очистки выхлопного газа было смонтировано с выхлопной системой дизельного двигателя для прямого впрыскивания, имеющего 2 л объема выхлопного газа, на место двигателя. Далее, в то время когда контролировались обедненная и обогащенная атмосферы для подачи обогащенного пика в течение 0,2 секунд при интервалах 30 секунд, процесс с нормальным потоком в течение 100 часов (примерно 5000 км) проводился в условиях, имитирующих 11 кругов при приводе от настоящих автомобилей. При интервалах в 10 часов в течение процесса с нормальным потоком был осуществлен процесс восстановления посредством добавления маловязкого масла в выхлопной газ при расходе 1000 см/мин в течение 200 секунд с использованием инжектора 103.
В процессе с нормальным потоком, как иллюстрировано на фиг.1, второй проход 102 закрывается посредством первого клапана 200, соединение между первым проходом 101 и каталитическим конвертером 1 обеспечивается посредством второго клапана 201, и соединение между вторым проходом 102 и каталитическим конвертером 1 блокируется посредством третьего клапана 202. Соответственно, выхлопной газ протекает в каталитический конвертер 1 из первого прохода 101, последовательно проходит через NSR2 и DPNR3 и затем выпускается из второго прохода 102.
В процессе восстановления, как иллюстрировано на фиг.2, первый проход 101 закрывается посредством первого клапана 200, соединение между вторым проходом 102 и каталитическим конвертером 1 обеспечивается посредством третьего клапана 202, и соединение между первым проходом 101 и каталитическим конвертером 1 блокируется посредством второго клапана 201. Таким образом, выхлопной газ протекает в каталитический конвертер 1 из второго прохода 102, последовательно проходит через DPNR3 и NSR2 и затем выпускается из первого прохода 101.
В случае когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.1, устанавливается в нормальном направлении потока, и направление потока выхлопного газа, показанного на фиг.2, устанавливается в обратном направлении потока, направление потока выхлопного газа в настоящем примере дается в таблице 1 ниже.
Таблица 1
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Обратный
Нормальный
Обратный
Нормальный
··
x
После завершения работы была измерена эффективность очистки NO в процессе с нормальным потоком. Результаты приведены в таблице 5 ниже.
(Пример 2)
Как иллюстрировано на фиг.3 и 4, устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению является тем же самым, что и устройство для очистки выхлопного газа в примере 1, за исключением того, что NSR2, DPNR3 и NSR2 последовательно расположены в каталитическом конвертере 1. NSR2, предусмотренный на каждой из двух сторон DPNR3, является тем же самым, что и в случае, в котором NSR2 в примере 1 разделен пополам. Как в примере 1, такое устройство для очистки выхлопного газа было смонтировано с 2 л выхлопной системой дизельного двигателя для прямого распыления, и были проведены те же самые процесс с нормальным потоком и процесс восстановления.
После процесса восстановления проводился процесс с нормальным потоком в условиях неизмененных установок клапанов, и затем проводился процесс восстановления с измененным направлением потока выхлопного газа. Таким образом, в положении, показанном на фиг.3, процесс с нормальным потоком проводился в течение 10 часов, после чего процесс восстановления проводился в состоянии, показанном на фиг.4, в котором клапаны были переключены. После этого процесс с нормальным потоком проводился в течение 10 часов в неизмененных условиях, и затем процесс восстановления проводился в состоянии, показанном на фиг.3, в котором клапаны были переключены снова, после чего процесс с нормальным потоком проводился в течение 10 часов при неизмененных условиях. Эти процедуры были повторены.
В случае когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.3, устанавливается в нормальном направлении потока, и направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.4, устанавливается в обратном направлении потока, направление потока выхлопного газа в настоящем примере приведено в таблице 2 ниже.
Таблица 2
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Обратный
Обратный
Нормальный
Нормальный
Обратный
Обратный
··
Далее, в процессе восстановления, когда направление потока выхлопного газа представляет собой любое из нормального направления потока и обратного направления потока, выхлопной газ, нагретый в NSR2, протекает в DPNR3. Таким образом, в процессе восстановления процесс регенерации для сжигания РМ, накопленного в DPNR3, может осуществляться далее. Соответственно, таблица 2 также приводится подобно таблице 3 ниже.
Таблица 3
Процесс
Нормальный поток
Регенерация
Восстановление
Нормальный поток
Регенерация
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Обратный
Обратный
Обратный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
··
x
x
После этого эффективность очистки NO была измерена с использованием способа согласно примеру 1. Далее, после измерения эффективности очистки NO, NSR2 и DPNR3 были подвергнуты разложению, и величина отравления серой была определена посредством элементарного анализа. Дополнительно, из разницы в весе по сравнению с полученным перед испытанием, величина золы после сжигания РМ была подсчитана. Величины отравления серой и золы были измерены на концах входов и выходов из катализаторов. Результаты приведены в таблице 5 и фиг.5 и 6.
(Сравнительный пример 1)
Процесс с нормальным потоком и процесс восстановления проводились тем же самым образом, как в примере 2, используя то же устройство для очистки выхлопного газа, как в примере 2, за исключением того, что состояние, показанное на фиг.3, было сохранено, и таким образом поток выхлопного газа не был изменен на обратный.
В случае когда направление потока выхлопного газа по фиг.3 установлено как нормальное направление потока, и направление потока выхлопного газа по фиг.4 установлено как обратное направление потока, направление потока выхлопного газа в настоящем сравнительном примере приведено в таблице 4 ниже. Таким образом, в настоящем сравнительном примере в любом из процесса с нормальным потоком и процесса восстановления направление потока выхлопного газа сохраняется в нормальном направлении потока.
Таблица 4
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
··
x
Дополнительно, эффективность очистки NO была измерена посредством способа согласно примеру 1, и величины отравления серой и золы были измерены посредством способа согласно примеру
2. Результаты приведены в таблице 5 и фиг.5 и 6.
<Оценка>
Таблица 5
№
Очистка NO<sub>x</sub> (%)
Пример 1
80
Пример 2
85
Сравнительный пример 1
64
x
x
В соответствии со способом очистки выхлопного газа, в примерах, даже после того, как дизельный двигатель приводился в действие в течение 100 часов, эффективность очистки NO была выше, чем в сравнительном примере 1. В примере 2 величина 1 отравления серой была гораздо ниже, чем в сравнительном примере 1. Из этого в примерах высокая эффективность очистки NO рассматривалась как реализованная посредством высокого восстановления от отравления серой.
Далее, в сравнительном примере 1, который относится к традиционному способу очистки выхлопного газа, величина отравления серой была выше по направлению к стороне выше по потоку, и отравление серой NSR2 на самом верхнем конце не было восстановлено даже посредством процесса восстановления. Как и в примере 2, направление потока выхлопного газа было изменено, чтобы посредством этого осуществить процесс восстановления, посредством которого NSR2 на обеих сторонах DPNR3 и DPNR3 равным образом восстанавливаются от отравления серой, и величина золы DPNR3 была уменьшена.
(Пример 3)
Как показано на фиг.7, устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему изобретению является тем же самым, что и устройство для очистки выхлопного газа, как в примере 1, за исключением того, что NSR2, DPNR3 и окислительный катализатор (далее упоминаемый, как «ССо4») последовательно расположены в каталитическом конвертере 1. В качестве такового, NSR2 является тем же самым, как в случае, в котором NSR2 в примере 1 разделен пополам. Далее ССо4 составлен из сотового носителя катализатора на основе кордиерита (2,0 л, число сот 400/кв.дюйм), имеющего структуру прямого потока и 160 г/л слоя катализатора, образованного на нем, причем слой катализатора включает 5 г/л, нанесенных на него.
Такое устройство для очистки выхлопного газа было смонтировано с 2 л выхлопной системой дизельного двигателя для прямого распыления, как в примере 1, и процесс с нормальным потоком и процесс восстановления были осуществлены, как в примере 2.
В случае, когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.7, устанавливается в нормальном направлении потока, и направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.4, устанавливается в обратном направлении потока, направление потока выхлопного газа в настоящем примере является тем же самым, как в примере 2, и приведено в таблице 6 ниже.
Таблица 6
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Обратный
Обратный
Нормальный
Нормальный
Обратный
Обратный
··
x
Используя способ согласно примеру 1, эффективность очистки NO была измерена, и также эффективность очистки НС была измерена для процесса с нормальным потоком. Далее, используя способ согласно примеру 2, величины отравления серой и золы были измерены. Результаты приведены в таблице 10 ниже. Поскольку величины отравления серой и золы были теми же самыми, как в примере 2, чертеж, относящийся к этому, не показан.
(Пример 4)
Процесс с нормальным потоком и процесс восстановления проводились тем же самым образом, как в примере 2, используя устройство для очистки выхлопного газа согласно примеру 3, за исключением того, что направление потока выхлопного газа было изменено только в процессе восстановления. То есть после процесса восстановления направление потока выхлопного газа было изменено снова, и, таким образом, проводился процесс с нормальным потоком. В последующем процессе восстановления направление потока выхлопного газа было изменено. То есть в состоянии, показанном на фиг.7, процесс с нормальным потоком проводился в течение 10 часов. После этого соответствующие клапаны были переключены, чтобы посредством этого установить состояние, соответствующее фиг.4, и, таким образом, проводился процесс восстановления, и затем процесс с нормальным потоком проводился в течение 10 часов в состоянии, показанном на фиг.7. Эти процедуры были повторены.
В случае когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.7, установлено в нормальном направлении потока, и направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.4, установлено как обратное направление потока, направление потока выхлопного газа в настоящем примере показано в таблице 7 ниже.
Таблица 7
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Обратный
Нормальный
Обратный
Нормальный
Обратный
Нормальный
··
x
Используя способ согласно примеру 3, эффективность очистки NO и эффективность очистки НС были измерены, и величины отравления серой и золы были измерены с использованием способа согласно примеру 2. Результаты приведены в таблице 10 ниже. Также, поскольку величины отравления серой и золы были теми же самыми, как в примере 2, чертеж, относящийся к этому, не показан.
(Пример 5)
Как показано на фиг.8, устройство для очистки выхлопного газа согласно настоящему примеру является тем же самым, что и устройство для очистки выхлопного газа, как в примере 1, за исключением того, что ССо4, NSR2, DPNR3, NSR2 и ССо4 последовательно расположены в каталитическом конвертере 1. NSR2 и ССо4 являются теми же самыми, что и в случае, в котором каждый из NSR2 и ССо4 примера 4 разделены пополам. В настоящем примере, хотя NSR2 и ССо4 образованы раздельно, соответственные слои катализатора NSR2 и ССо4 могут быть образованы на одном сотовом носителе катализатора.
Такое устройство для очистки выхлопного, газа было смонтировано с 2 л выхлопной системой дизельного двигателя для прямого распыления, как в примере 1, и процесс с нормальным потоком и процесс восстановления были осуществлены в соответствии со способом по примеру 3.
В случае когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.8, устанавливается в нормальном направлении потока, и направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.4, устанавливается в обратном направлении потока, направление потока выхлопного газа в настоящем примере приведено в таблице 8 ниже.
Таблица 8
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Направление потока
Нормальный
Обратный
Обратный
Нормальный
Нормальный
Обратный
Обратный
x
Используя способ согласно примеру 3, эффективность очистки NO и эффективность очистки НС были измерены, и величины отравления серой и золы были измерены, используя способ согласно примеру 2. Результаты приведены в таблице 10 ниже. Также, поскольку величины отравления серой и золы были теми же самыми, как в примере 2, чертеж, относящийся к этому, не показан.
(Сравнительный пример 2)
Процесс с нормальным потоком и процесс восстановления проводились тем же самым образом, как в примере 3,используя устройство для очистки выхлопного газа согласно примеру 3, за исключением того, что состояние, показанное на фиг.7, было сохранено, и, таким образом, поток выхлопного газа не был изменен на обратный.
В случае когда направление потока выхлопного газа, показанное на фиг.7, установлено как нормальное направление потока, и направление потока выхлопного газа согласно фиг.4 установлено как обратное направление потока, направление потока выхлопного газа в настоящем сравнительном примере дано в таблице 9 ниже. В настоящем сравнительном примере в любом из процесса с нормальным потоком и процесса восстановления направление потока выхлопного газа сохраняется в нормальном направлении потока.
Таблица 9
Процесс
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
Восстановление
Нормальный поток
··
Направление потока
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
Нормальный
··
x
Используя способ согласно примеру 3, эффективность очистки NO и эффективность очистки НС были измерены, и величины отравления серой и золы были измерены, используя способ по примеру 2. Результаты приведены в таблице 10 ниже. Также, поскольку величины отравления серой и золы были теми же самыми, как в сравнительном примере 1, чертеж, относящийся к этому, не показан.
<Оценка>
Таблица 10
№
Очистка NO<sub>x</sub> (%)
Очистка HC (%)
Пример 3
75
71
Пример 4
82
75
Пример 5
85
74
Сравнительный пример 2
64
70
x
x
В соответствии со способом очистки выхлопного газа в примерах, даже после того, как дизельный двигатель приводился в действие в течение 100 часов, эффективность очистки NO и эффективность очистки НС были выше, чем в сравнительном примере 2. В соответствующих примерах величина отравления серой была гораздо ниже, чем в сравнительном примере 2. Соответственно, высокая эффективность очистки NO рассматривалась как реализованная посредством значительного восстановления от отравления серой в примерах.
В сравнительном примере 2, поскольку величина отравления серой повышалась по направлению к стороне выше по потоку, отравление серой NSR2 не было восстановлено даже посредством процесса восстановления. Однако, когда направление потока выхлопного газа было изменено на обратное, чтобы осуществить процесс восстановления, как в примере 3, NSR2 и DPNR3 равным образом восстанавливались от отравления серой, и величина золы в DPNR3 была уменьшена.
x
Однако, при сопоставлении примеров, эффективность очистки NO в примере 3 была несколько ниже. Это происходило потому, что обогащенный пик расходовался в ССо4 в связи с потоком выхлопного газа в последовательности ССо4, DPNR3, NSR2 в процессе с нормальным потоком после измерения. Таким образом, является предпочтительным, чтобы NSR2 был размещен на обеих сторонах DPNR3.
Как было описано ранее, устройство для очистки выхлопного газа и способ очистки выхлопного газа в соответствии с настоящим изобретением могут быть применены не только для очистки выхлопного газа из дизельных двигателей, но также для очистки выхлопных газов бензиновых двигателей, газовых двигателей, бойлеров и т.п.
В то время как изобретение было показано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные изменения и модификации без выхода из сущности и объема изобретения, определяемого в прилагаемой формуле изобретения.