СИСТЕМА ВЫПУСКА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ДЕСУЛЬФАТАЦИИ
SYSTEM OF EXHAUST OF DISCHARGE GASES OF DIESEL ENGINE AND PROCEDURE FOR DESULPHITATION

Изобретение относится к системе выпуска отработанных газов дизельного двигателя и к способу десульфатации нейтрализатора NOx этой системы, предназначенному для удаления по крайней мере части серосодержащих соединений, задержанных нейтрализатором NOx во время работы двигателя.
В многочисленных системах выпуска отработанных газов дизельных двигателей легковых автомобилей могут применяться катализаторные устройства, обычно называемые каталитическими нейтрализаторами NOx Trap, предназначенные для улавливания окисей азота NOx при избыточном содержании кислорода в отработанных газах, т.е. в условиях обогащения менее 1, для снижения содержания окиси азота в отработанных газах автомобилей. Однако в отработанных газах присутствуют образуемые топливом и смазочным маслом серосодержащие соединения, в частности SOx, которые преимущественно поглощаются в каталитических участках нейтрализатора NOx Trap, блокируя их, так что требуется периодическая регенерация катализатора нейтрализатора NOx Trap, т.е. удаление SOx, называемое обычно десульфатацией, что необходимо для восстановления способности нейтрализатора NOx Trap к накоплению NOx.
Такая регенерация состоит в повышении температуры нейтрализатора NOx Trap выше минимальной температуры десульфатации, составляющей от 400 до 900°С, часто свыше 550°С, и в создании условий обогащения свыше 1 за счет подачи восстанавливающих газов в нейтрализатор NOx Trap.
В документе WO 99/OQ588 описан способ регенерации, заключающийся в повышении температуры нейтрализатора NOx Trap за счет работы двигателя на смеси, более обогащенной, чем при нормальном режиме. Однако этому способу присущи недостатки, заключающиеся в увеличении расхода топлива и в неблагоприятном воздействии на работу двигателя и легкость управления автомобилем. Кроме того, этот способ может вызвать разбавление моторного масла. В документах ЕР 1055806 и ЕР 1106798 также описаны системы регенерации, основанные на последующем впрыске топлива, однако этим способам присущи те же недостатки. В заявке US 2005/0000210 описана система, основанная на впрыске дизельного топлива или продукта риформинга после повышения температуры в нейтрализаторе NOx путем изменения обогащения топливной смеси двигателя. В документах FR 2838770 и DE 19939807 описаны системы, основанные на впрыске водорода на участке перед нейтрализатором NOx Trap, для которых однако требуется специальная емкость для водорода.
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа десульфатации, который не сказывается на режиме работы двигателя и минимизирует перерасход топлива.
Указанная задача решается в способе десульфатации нейтрализатора NOx Trap системы выпуска отработанных газов дизельного двигателя, обеспечивающем удаление во время работы двигателя по меньшей мере части серосодержащих соединений, задержанных нейтрализатором NOx Trap, и включающим в себя следующие этапы, на которых:
- вырабатывают продукт риформинга из моторного топлива посредством риформинг-аппарата,
- подогревают нейтрализатор NOx Trap путем введения продукта риформинга в поток отработанных газов в точке впрыска, расположенной за двигателем и перед нейтрализатором NOx Trap, до тех пор, пока не будет достигнута заданная температура десульфатации в нейтрализаторе NOx Trap,
- отводят поток отработанных газов от точки ответвления системы выпуска, расположенной перед точкой впрыска, и продолжают впрыск продукта риформинга в нейтрализатор NOx Trap для осуществления десульфатации, при этом при осуществлении этапов этого способа не оказывается влияние на обогащение топливной смеси дизельного двигателя.
2
2
Таким образом, для осуществления способа согласно изобретению требуется, чтобы система выпуска содержала перепускную трубу от точки отвода, лежащей перед нейтрализатором NOx Trap, средства, например трехходовой клапан, для отвода отработанных газов через перепускную трубу и риформинг-аппарат, т.е. устройство, позволяющее преобразовывать углеводороды, такие как топливо для дизельного двигателя, в смесь восстанавливающих газов, называемую продуктом риформинга и состоящую по существу из CO, H и N.
Продукт риформинга может быть получен по известным технологиям, таким как риформинг с частичным окислением, риформинг с водяным паром и автотермический риформинг.
Длительность этапа отвода отработанных газов может задаваться и составляет, в частности, от 10 секунд до 20 минут.
Длительность этапа подогрева также может быть определена заранее.
Длительность по меньшей мере одного из этапов подогрева и/или отвода отработанных газов может задаваться на основании измерения температуры, характерной для температуры каталитических участков нейтрализатора NOx Trap.
В конце этапа отвода отработанных газов они могут быть снова направлены в нейтрализатор NOx Trap, а выработка продукта риформинга приостановлена.
Согласно другому варианту осуществления изобретения выработка продукта риформинга может продолжаться в течение некоторого времени, пока чередуются несколько этапов подогрева и отвода отработанных газов в виде циклов.
Посредством способа согласно изобретению можно одновременно регенерировать фильтр-улавливатель частиц, установленный в системе выпуска за нейтрализатором NOx Trap, при этом расход продукта риформинга в этом варианте осуществления способа задается таким, чтобы за фильтром-улавливателем частиц достигалась заданная температура регенерации, причем отработанные газы, отведенные на время десульфатации нейтрализатора NOx Trap, снова подаются в систему выпуска в точке повторного впрыска, расположенной за нейтрализатором NOx Trap и перед фильтром улавливателем частиц.
Данный способ можно применять для регенерации системы выпуска, содержащей два параллельно установленных нейтрализатора NOx Trap, фильтр-улавливатель частиц, расположенный позади указанных нейтрализаторов NOx Trap, и систему клапанов для распределения потока отработанных газов между обоими нейтрализаторами NOx Trap, при этом система клапанов служит для распределения выходящего из риформинг-аппарата продукта риформинга между двумя точками впрыска, расположенными параллельно перед первой и второй нейтрализаторами NOx Trap соответственно. Во время регенерации фильтра-улавливателя частиц каждый из этих нейтрализаторов NOx Trap может поочередно находиться в фазе подогрева и фазе десульфатации.
В такой системе выпуска удаление NOx из одного из нейтрализаторов NOx Trap может производиться при моментальном переключении систем клапанов в то время, когда другой нейтрализатор NOx Trap находится в фазе десульфатации.
Другие особенности и преимущества изобретения приведены ниже в описании трех вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг.1 схематично представлен первый вариант выполнения системы выпуска;
на фиг.2 - второй вариант выполнения системы выпуска;
на фиг.3 - третий вариант выполнения системы выпуска.
Как показано на фиг.1, система выпуска отработанных газов содержит нейтрализатор 6 NOx Trap и риформинг-аппарат 4, при этом поток продукта риформинга, обозначенный пунктирными стрелками, вводится в систему выпуска в точке впрыска 5. Поток отработанных газов 1 из двигателя показан сплошными стрелками слева на фиг.1. Эти газы могут быть отведены в перепускную трубу 2 с помощью клапанной системы 3.
2
На этапе подогрева продукт риформинга подается в поток отработанных газов, проходящий через нейтрализатор 6 NOx Trap. Поскольку в отработанных газах содержится кислород, компоненты H и CO продукта риформинга окисляются при контакте с катализатором (благородным металлом), находящимся в нейтрализаторе NOx Trap. Эта реакция носит сильно выраженный экзотермический характер, и выделяющееся при этом тепло позволяет нагревать нейтрализатор NOx Trap до температуры, необходимой для десульфатации. Расход продукта риформинга контролируется посредством контура регулирования, обеспечивающего поддержание необходимого температурного диапазона.
2
2
При достижении температуры десульфатации в диапазоне 400-900°С, например порядка 650°С, и продолжающемся поступлении продукта риформинга в нейтрализатор 6 NOx Trap приводится в действие клапанная система 3 для перепуска отработанных газов 1 в перепускную трубу 2. В этих условиях через нейтрализатор NOx Trap проходит поток продукта риформинга со степенью обогащения, равной степени обогащения воздушно-топливной смеси, питающей риформинг-аппарат 4. В качестве примера можно указать, что применительно к РОх дизельного двигателя оптимальная степень обогащения может составлять 2,9. В этих условиях присутствующая в нейтрализаторе NOx Trap сера будет выделяться в виде таких соединений, как HS, COS и SO. Этот этап десульфатации может длиться, как правило, от 10 секунд до нескольких минут, например 20 минут.
Согласно первому варианту осуществления изобретения после этапа десульфатации дезактивируют риформинг-аппарат, и клапанная система 3 возвращается в исходное положение, в результате чего отработанные газы снова проходят через нейтрализатор NOx Trap.
Согласно второму варианту осуществления изобретения продукт риформинга непрерывно поступает в нейтрализатор NOx Trap на протяжении нескольких этапов. При поступлении продукта риформинга клапанная система периодически переключается между двумя положениями, благодаря чему поток газов, проходящий через нейтрализатор NOx Trap, чередуется между обедненными и обогащенными фазами. Во время потока обедненных фаз отработанные газы проходят через нейтрализатор NOx Trap, и продукт риформинга вступает в реакцию с содержащимся в этих газах кислородом на каталитической (платиновой или палладиевой) поверхности нейтрализатора NOx Trap. При этом экзотермическая реакция окисления позволяет поддерживать температуру в нейтрализаторе NOx Trap. Во время обогащенных фаз отработанные газы отводятся по перепускной трубе 2, и в нейтрализатор NOx Trap поступает только продукт риформинга, в результате чего он освобождается от накопившейся серы. Как правило, продолжительность обедненной фазы может составлять от 20 секунд до нескольких минут, а продолжительность обогащенной фазы - от 10 секунд до нескольких минут. Продолжительность каждой из этих фаз регулируется с учетом каталитического состава нейтрализатора NOx Trap и его термических свойств. Одним из основных преимуществ таких чередующихся циклов обогащения и обеднения в сравнении с постоянным перепуском отработанных газов является возможность контроля температуры внутри нейтрализатора NOx Trap в процессе десульфатации. Благодаря этому предупреждается преждевременное старение нейтрализатора NOx Trap.
Описанный выше процесс десульфатации нейтрализатора NOx Trap может оптимально сочетаться с регенерацией фильтра-улавливателя частиц. На фиг.2 показана система выпуска, содержащая элементы 1-6, аналогичные изображенным на фиг.1. За нейтрализатором 6 NOx Trap установлен каталитический фильтр-улавливатель 8 частиц. Проходящие по перепускной трубе 2 отработанные газы поступают по отводной трубе 7 в точку 10 повторного впрыска, расположенную за нейтрализатором 6 NOx Trap и перед фильтром-улавливателем 8 частиц. Температура в фильтре-улавливателе 8 частиц измеряется температурным датчиком 9, установленным за фильтром-улавливателем 8 вблизи него. Значение этой температуры передается в вычислительное устройство 11 риформинг-аппарата 4, которое также управляет клапанной системой 3.
Для регенерации фильтра-улавливателя 8 частиц температура должна составлять порядка 600°С для инициирования сжигания уловленной фильтром сажи. На первом этапе клапанная система 3, позволяющая отводить отработанные газы в перепускную трубу 2, остается неактивированной, вследствие чего отработанные газы проходят через нейтрализатор 6 NOx Trap. В точке 5 вводят продукт риформинга, окисляемый содержащимся в отработанных газах кислородом в результате контакта с каталитическим покрытием в нейтрализаторе 6 NOx Trap. Экзотермическое окисление продукта риформинга позволяет одновременно нагревать нейтрализатор 6 NOx Trap для его десульфатации и фильтр-улавливатель 8 частиц отработанными газами за нейтрализатором NOx Trap. Расход продукта риформинга отрегулирован так, чтобы на участке датчика 9 температура регенерации, составляющая обычно 600°С, была достаточной для окисления сажи, скопившейся в фильтре 8. При достижении этой температуры регенерации также и в нейтрализаторе NOx Trap температура становится достаточной для десульфатации.
2
На втором этапе, когда достигается температура регенерации фильтра-улавливателя 8 частиц, клапанная система 3 приводится в действие, и отработанные газы отводятся от нейтрализатора NOx Trap и перепускаются через отводную трубу 7. Впрыск продукта риформинга поддерживается в таком количестве, чтобы через нейтрализатор 6 NOx Trap проходил поток с большим содержанием окисляющих соединений и чтобы происходило освобождение от накопившейся серы путем выделения в основном HS и COS. Этот этап может длиться более 10 минут.
Во время десульфатации значительная, даже основная, часть продукта риформинга не вступает в реакцию в нейтрализаторе 6 NOx Trap, зато он смешивается с отработанными газами, поступающими по отводной трубе 7, проходит в фильтр-улавливатель 8 частиц и вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в отработанных газах, при контакте с каталитическим покрытием фильтра-улавливателя 8 частиц. Экзотермическая реакция позволяет поддерживать в фильтре-улавливателе частиц температуру регенерации на протяжении всего процесса десульфатации нейтрализатора 6 NOx Trap.
Для полной регенерации фильтра-улавливателя 8 частиц продолжительность подачи составляет, как правило, около 20 минут. Если необходимое для десульфатации время значительно короче времени регенерации фильтра улавливателя частиц, то по окончании десульфатации перепускная труба может быть дезактивирована.
Таким образом, подачу продукта риформинга поддерживают для продолжения регенерации фильтра-улавливателя 8 частиц, при этом продукт риформинга окисляется отработанными газами так, чтобы в фильтре-улавливателе 8 частиц поддерживалась температура регенерации:
- либо на каталитической поверхности нейтрализатора 6 NOx Trap в том случае, когда перепускная труба дезактивирована,
- либо непосредственно на каталитической поверхности фильтра-улавливателя частиц, если перепускная труба активирована
Преимущество, достигаемое во втором случае (при активированной перепускной трубе), состоит в минимизации перерасхода топлива в риформинг-аппарате. Действительно, одновременное окисление продукта риформинга в фильтре-улавливателе частиц и регенерация сажи позволяют непосредственно использовать энергию, высвободившуюся в ходе экзотермической реакции окисления продукта риформинга, и таким образом минимизировать тепловые потери, происходящие между нейтрализатором NOx Trap и фильтром-улавливателем частиц в том случае, когда перепускная труба активирована. При этом оптимизируется увеличение потребления топлива, вызванное питанием риформинг-аппарата жидким топливом.
2
2
Во время десульфатации запах HS может вызвать дискомфорт в зоне около автомобиля. Но поскольку HS и COS окисляются в фильтре-улавливателе 8 частиц отработанными газами, то эта проблема решена.
Регенерация фильтра-улавливателя частиц может проводиться, как правило, после каждых 500 км пробега автомобиля, при этом одновременно может производиться и десульфатации нейтрализатора NOx Trap.
Способ согласно изобретению может применяться в системе выпуска с двумя параллельно установленными нейтрализаторами NOx Trap. Такая система выпуска схематически изображена на фиг.3. В этой системе впрыск продукта риформинга может производиться на участке перед каждым из двух нейтрализаторов 6 и 6b NOx Trap благодаря наличию клапанной системы 12, распределяющей продукт риформинга, выходящий из риформинг-аппарата 4, между двумя точками впрыска 5 и 5b. Клапанная система 3 может переключаться в следующие положения:
- положение 1: отработанные газы заходят в полном объеме в нейтрализатор 6 NOx Trap,
- положение 2: отработанные газы заходят в полном объеме в нейтрализатор 6b NOx Trap,
- положение 3: отработанные газы распределяются поровну между нейтрализаторами 6 и 6b NOx Trap.
Регенерация происходит следующим образом.
На первом этапе система 3 клапанов занимает положение 1, при котором отработанные газы в полном объеме проходят через нейтрализатор 6 NOx Trap. Продукт риформинга вводится в точке 5 и окисляется содержащимся в отработанных газах кислородом на каталитической поверхности нейтрализатора 6 NOx Trap. Эта экзотермическая реакция одновременно способствует нагреву нейтрализатора 6 NOx Trap до температуры десульфатации и нагреву фильтра-улавливателя 8 частиц до температуры регенерации. Расход продукта риформинга задается таким, чтобы на участке датчика 9 за фильтром-улавливателем 8 частиц достигалась температура, достаточная для окисления сажи внутри фильтра, обычно 600°С. При достижении этой температуры клапанная система 3 переходит в положение 2, при котором отработанные газы отводятся в нейтрализатор 6 NOx Trap и оттуда поступают по трубе 7b в фильтр-улавливатель 8.
2
После переключения клапанной системы 3 продукт риформинга продолжает поступать в нейтрализатор 6 NOx Trap и в нем происходит при температуре десульфатации отделение накопленной серы в основном в виде HS и COS. Для полной десульфатации нейтрализатора 6 NOx Trap система поддерживается в этом режиме в течение около 10 минут или более.
На этом этапе десульфатации нейтрализатора 6 NOx Trap содержащиеся в отработанных газах NOx накапливаются в нейтрализаторе 6b NOx Trap. Для предупреждения насыщения нейтрализатора 6b NOx Trap окисями азота NOx может проводиться его очистка от NOx, для чего клапанная система 3 переводится в положение 1, и в нейтрализатор 6b NOx Trap подается продукт риформинга.
Во время десульфатации основная часть продукта риформинга выходит из нейтрализаторов NOx Trap и окисляется на каталитической поверхности фильтра-улавливателя частиц 8, в результате чего в этом фильтре поддерживается температура, достаточная для окисления сажи в течение всего времени регенерации. С окончанием регенерации фильтра-улавливателя частиц, которая может длиться около 20 минут, вычислительное устройство 11 риформинг-аппарата 4 прерывает подачу, и клапанная система переходит в положение 3, вследствие чего поток отработанных газов распределяется между обоими нейтрализаторами NOx Trap и происходит обработка окисей азота NOx.
Во время операции по регенерации фильтра-улавливателя частиц, которая проводится обычно после каждых 500 км пробега автомобиля, можно последовательно десульфатировать каждый из нейтрализаторов NOx Trap, переключая положения клапанных систем 3 и 12, или же десульфатировать только один из нейтрализаторов, а другой нейтрализатор десульфатировать при следующей операции по регенерации фильтра-улавливателя частиц.