УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к устройству для снижения выбросов дизельного двигателя.
Уровень техники
Ужесточение норм предельно допустимого содержания выбросов для автомобилей с дизельным двигателем или комбинацией двигателя внутреннего сгорания с устройством обработки отработавших газов означает, что снижение выбросов должно удовлетворять еще более высоким требованиям.
В качестве меры для снижения выбросов для двигателей внутреннего сгорания разработаны системы рециркуляции отработавших газов низкого давления, LP-EGR (Low Pressure Exhaust Gas Recirculation), в которых точка отбора газов для рециркуляции смещена в то место системы выпуска, которое находится после дизельного сажевого фильтра, DPF (Diesel Particle Filter). Циркулирующий отработавший газ, который соответственно является чистым, т.е. свободным от сажи затем переносится назад, в воздушный поток в точку перед компрессором, и снова циркулирует в двигателе внутреннего сгорания.
Что касается самого отработавшего газа, то еще более жесткие требования по предельному содержанию NOx приводят к использованию главным образом двух разных технологий обработки отработавшего газа, которые составляют возможные технические решения для ограничения выброса NOx (окислов азота) в отработавшие газы. Одно из указанных решений это накопительный катализатор, LNT (Lean NOx Trap), принцип действия которого основан на том, что вначале при работе двигателя на обедненной топливной смеси катализатор накапливает оксиды азота (NOx), а затем при установлении богатой топливовоздушной смеси на этапе регенерации катализатор нейтрализует токсичные оксиды.
3
2
3
2
Вторая технология снижения содержания оксидов азота (NOx) это селективное каталитическое восстановление, SCR (Selective Catalytic Reduction), которое, к примеру, включает в себя впрыск водного раствора мочевины в поток отработавшего газа перед SCR-катализатором (система каталитической нейтрализации с впрыском мочевины). В этом случае используется реакция мочевины с образованием аммиака (NH) и воды (HO), при этом аммиак (NH), образующийся в SCR-катализаторе, восстанавливает оксиды азота (NOx) в отработавшем газе до азота (N).
2
3
3
Что касается технологии, которая была упомянута первой, т.е. накопительной каталитической нейтрализации NOx (LNT), то известно, что при работе с богатой воздушно-топливной смесью (т.е. в режиме «работы с обогащением»), накопительный катализатор NOx (LNT) вместо того, чтобы все оксиды азота превращать в азот (N), также вырабатывает аммиак (NH), причем аммиак (NH) выбрасывается из накопительного катализатора (LNT) наружу.
3
В данном контексте также известна комбинированная система, построенная из накопительного катализатора NOx (LNT) и in situ SCR-катализатора (которую также называют пассивной SCR-системой, или коротко "pSCR"), в которой SCR-катализатор расположен после накопительного катализатора NOx (LNT), при этом указанный SCR-катализатор служит для накопления аммиака (NH), выпущенного из накопительного катализатора NOx (LNT) в режимах работы с обогащением. Аммиак, накопленный в SCR-катализаторе, может быть использован для нейтрализации дополнительных оксидов азота (NOx), которые могут прорываться через накопительный катализатор NOx (LNT) во время работы с обедненной воздушно-топливной смесью (т.е. в режиме «работы с обеднением»).
2
К тому же, использование SCR-катализатора дает дополнительные преимущества, такие как, к примеру, возможность накопления сероводорода (NS) и возможность нейтрализации последнего на стадиях так называемой десульфуризации (обессеривания) накопительного катализатора NOx (LNT), на которых накопительный катализатор NOx (LNT) подвергается действию высоких температур в режиме работы с обогащением, чтобы удалить из накопительного катализатора NOx (LNT) серу, которая откладывается в местах накопления NOx в накопительном катализаторе (LNT).
Раскрытие полезной модели
Задача настоящей полезной модели заключается в создании устройства снижения выбросов дизельного двигателя, что сделает возможным достижение более эффективного снижения объема выбросов, и выполнение более жестких норм по выбросам.
Решение задачи обеспечивают отличительные признаки, изложенные в независимом пункте 1 прилагаемой формулы.
В соответствии с полезной моделью, устройство снижения выбросов дизельного двигателя содержит:
систему рециркуляции отработавшего газа низкого давления, которая содержит контур рециркуляции отработавшего газа,
по меньшей мере один накопительный катализатор NOx для накопления оксидов азота из отработавшего газа, подаваемого из дизельного двигателя, и
по меньшей мере один SCR-катализатор, установленный после накопительного катализатора NOx для селективного каталитического восстановления оксидов азота в отработавшем газе, подаваемом в SCR-катализатор.
В основе полезной модели лежит, в частности, идея использования системы EGR низкого давления с контуром рециркуляции отработавшего газа в сочетании с устройством обработки отработавшего газа, которое содержит накопительный катализатор NOx (LNT) и пассивный SCR-катализатор. Благодаря сочетанию нейтрализации NOx на стороне двигателя посредством системы рециркуляции отработавшего газа низкого давления, с одной стороны, и нейтрализации NOx, которая реализуется при обработке отработавшего газа посредством накопительного катализатора NOx и SCR-катализатора, с другой стороны, может быть достигнуто более эффективное снижение выбросов, при одновременной оптимизации аспектов затрат, расхода топлива и конструктивного пространства. В данном случае, в частности, также становится возможным внедрение устройства в сравнительные малые транспортные средства или двигатели внутреннего сгорания. Более того, по сравнению с использованием активных SCR систем, также удается избежать характерных для SCR систем требований к конструктивному пространству и издержек, связанных с обеспечением дополнительных баков с жидкостью (например, мочевиной).
Как более подробно будет показано ниже, накопительный катализатор NOx (LNT) и SCR-катализатор могут быть размещены в системе выпуска отработавших газов множеством разных способов. Согласно вариантам осуществления полезной модели, накопительный катализатор NOx или LNT покрытие из пористого оксида, входящее в состав накопительного катализатора NOx, могут быть предусмотрены на стандартном носителе катализатора внутри контура системы рециркуляции отработавшего газа низкого давления, или вне контура рециркуляции отработавшего газа. Кроме того, накопительный катализатор NOx или LNT покрытие из пористого оксида, входящее в состав накопительного катализатора NOx, могут быть предусмотрены внутри контура рециркуляции отработавшего газа даже на самом дизельном сажевом фильтре.
Согласно одному варианту осуществления полезной модели, накопительный катализатор NOx может быть размещен внутри контура системы рециркуляции отработавшего газа конструктивно вблизи двигателя («непосредственное соединение» с двигателем). Согласно другому варианту осуществления, накопительный катализатор NOx может быть также размещен после контура рециркуляции отработавшего газа, в комбинации с пассивным SCR-катализатором.
3
2
Размещение накопительного катализатора NOx внутри контура рециркуляции отработавшего газа, вблизи двигателя может быть предпочтительным в зависимости от фактического применения автомобиля или ездового цикла в смысле температурного профиля для инициации восстановления в накопительном катализаторе NOx, а также для достижения температурного окна, которое оптимально для работы с богатой воздушно-топливной смесью. Размещение накопительного катализатора NOx вне контура рециркуляции отработавшего газа может быть предпочтительным в зависимости от фактического применения автомобиля или ездового цикла, поскольку накопительный катализатор NOx тогда помещается в условия другого температурного окна, а также другой скорости течения отработавших газов (которые частично проходят через контур рециркуляции), которые характеризуются более низкими значениями, что таким образом иногда, в свою очередь, приводит к более благоприятным условиям нейтрализации частиц, присутствующих в отработавшем газе (при этом также отсутствует рециркуляция NH или HS из накопительного катализатора NOx в двигатель внутреннего сгорания).
3
2
3
2
Согласно одному варианту осуществления полезной модели, покрытие из пористого оксида пассивного SCR-катализатора («покрытие pSCR») может быть размещено внутри контура рециркуляции отработавшего газа на дизельном сажевом фильтре. Это может быть предпочтительным, поскольку обработка, рассчитанная на нейтрализацию NH и HS, может происходить до того, как отработавший газ достигнет контура рециркуляции, и тем самым можно избежать отрицательного влияния NH и HS на соответствующие компоненты.
Согласно одному варианту осуществления, предусмотрено размещение дизельного окислительного катализатора (DOC) на матрице дизельного сажевого фильтра (что также называется системой с одним блок-носителем, SBS - Single Brick System) конструктивно вблизи двигателя в контуре рециркуляции отработавшего газа, в то время как вне контура рециркуляции отработавшего газа размещается комбинация накопительного катализатора NOx (LNT) и пассивного SCR-катализатора. Такая схема может быть предпочтительной, поскольку накопительный катализатор NOx (LNT) и пассивный SCR-катализатор тогда отвечают только за снижение выбросов NOx (это предпочтительно, как с точки зрения обеднения содержания НС/СО в среде накопительного катализатора NOx, так и с точки зрения увеличения накопления NOx в катализаторе).
Согласно одному варианту осуществления, первый накопительный катализатор NOx может также быть размещен конструктивно вблизи двигателя в контуре рециркуляции отработавшего газа, а вне контура рециркуляции отработавшего газа может быть размещена комбинация дополнительного накопительного катализатора NOx и пассивного SCR-катализатора. Такая схема может быть предпочтительной, поскольку размещение накопительных катализаторов NOx в двух различных температурных окнах и областях с разными скоростями течения отработавшего газа оказывается благоприятным для накопления NOx, и в частности, что касается оксидов азота, которые из-за неблагоприятных температурных условий и условий течения газа проходят сквозь накопительный катализатор NOx (LNT), поглощение, накопление и нейтрализация все равно смогут происходить во втором накопительном катализаторе NOx (LNT) и/или в пассивном SCR-катализаторе (которые иногда располагаются в более благоприятном температурном окне и окне скоростей потока).
Дальнейшие уточнения, касающиеся полезной модели, можно найти в описании зависимых пунктов формулы.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящей полезной модели будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему, поясняющую возможное размещение компонентов для снижения выбросов дизельного двигателя, согласно первому варианту осуществления полезной модели.
Фиг.2-8 изображают схемы других вариантов осуществления полезной модели.
Осуществление полезной модели
Полезная модель включает в себя, в частности, комбинацию системы EGR низкого давления (LP-EGR) с устройством обработки отработавшего газа, которое содержит накопительный катализатор NOx (LNT) и пассивный SCR-катализатор, как показано на фиг.1-8. В данном случае, на фиг.2-8 аналогичные и по существу функционально идентичные компоненты имеют позиционные обозначения, увеличенные на 10 по сравнению с каждой предшествующей фигурой.
Согласно фиг.1 и 2, накопительный катализатор NOx 12, 22 или LNT-покрытие из пористого оксида (к примеру, на стандартном носителе катализатора) может быть расположено в контуре 14, 24 рециркуляции отработавших газов ("LP-EGR loop").
Выбранная на фиг.1 схема с расположением накопительного катализатора NOx вблизи двигателя внутри контура рециркуляции отработавшего газа может быть предпочтительной в зависимости от фактического применения двигателя или ездового цикла, с учетом температурного профиля для инициации восстановления в накопительном катализаторе NOx, а также для достижения температурного окна, которое оптимально для работы с богатой воздушно-топливной смесью. В то же самое время, SCR-катализатор (расположенный в другом температурном окне) позволяет осуществлять пассивную нейтрализацию NOx, в частности, даже когда эффективность накопительного катализатора NOx снижается, к примеру, из-за того, что рабочие температуры чересчур высоки.
В данном случае, в частности, как показано на фиг.2-8, накопительный катализатор NOx и SCR-катализатор могут быть выполнены в виде единого устройства 29, 39, 49, 59, 69, 79, 89, которое расположено целиком внутри или целиком вне контура 24, 34, 44, 54, 64, 74 или 84 рециркуляции отработавшего газа.
3
2
3
2
В частности, согласно фиг.1, накопительный катализатор 12 NOx или LNT покрытие из пористого оксида могут быть размещены внутри контура 14 рециркуляции отработавших газов, даже на самом дизельном сажевом фильтре 15. Кроме того, согласно фиг.2, пассивный SCR-катализатор или SCR-покрытие из пористого оксида могут быть применены, например, в форме покрытия матрицы сажевого фильтра (на фиг.2 такое устройство обозначено индексом 23). Выбранная, согласно фиг.2, схема пассивного SCR-катализатора, конструктивно размещенного рядом с двигателем на матрице сажевого фильтра, может быть предпочтительной, поскольку обработка, касающаяся NH и NS, может происходить, прежде чем отработавший газ достигает контура 24 рециркуляции отработавших газов, при этом исключается отрицательное влияние NH и HS на соответствующие компоненты.
В последующих вариантах осуществления, как показано на фиг.3-8, по меньшей мере одно из устройств - накопительный катализатор NOx или LNT покрытие из пористого оксида могут также быть расположены вне контура рециркуляции отработавшего газа.
Согласно фиг.3, в контуре 34 рециркуляции отработавшего газа, перед дизельным сажевым фильтром 35 или матрицей сажевого фильтра, конструкция которой рассчитана на размещение вблизи двигателя («непосредственное соединение» с двигателем), предусмотрен дизельный окислительный нейтрализатор 36, DOC (Diesel Oxidation Catalyst), в то время как снаружи контура рециркуляции отработавших газов расположена комбинация из накопительного катализатора 32 NOx (LNT) и пассивного SCR-катализатора 33 (блок 39). Данная схема может быть предпочтительной, поскольку близкое к двигателю расположение окислительного нейтрализатора 36 (DOC) и дизельного сажевого фильтра 35 или матрицы сажевого фильтра обеспечивает обработку отработавшего газа в отношении НС/СО, так чтобы накопительный катализатор 32 NOx (LNT) и пассивный SCR-катализатор 33 затем отвечали только за подавление выбросов NOx (это предпочтительно, как с точки зрения обеднения содержания НС/СО в среде накопительного катализатора 32 NOx, так и с точки зрения увеличения накопления NOx в катализаторе 32).
Согласно фиг.4, в контуре 44 рециркуляции отработавшего газа может быть размещен накопительный катализатор 42а NOx (LNT), конструкция которого рассчитана на размещение вблизи двигателя («непосредственное соединение» с двигателем), вместе с дизельным сажевым фильтром 45, в то время как снаружи контура 44 рециркуляции отработавших газов расположена комбинация из дополнительного накопительного катализатора 42b NOx (LNT) и пассивного SCR-катализатора 43 (блок 49). Данная схема может быть предпочтительной, поскольку размещение накопительных катализаторов 42а, 42b NOx (LNT) в двух разных температурных окнах и в областях с различными скоростями потоков благоприятно сказывается на поглощении NOx. В данном случае, в частности, что касается оксидов азота, которые из-за неблагоприятных температурных условий и условий течения газа проходят сквозь накопительный катализатор 42а NOx (LNT), поглощение, накопление и нейтрализация все равно смогут происходить во втором накопительном катализаторе 42b NOx (LNT) и/или в пассивном SCR-катализаторе 43 (которые иногда располагаются в более благоприятном температурном окне и окне скоростей потока).
Кроме того, как в случае вариантов, представленных на фиг.5-8, оба устройства - накопительный катализатор NOx (LNT) и пассивный SCR-катализатор могут быть скомбинированы или организованы в виде блока 59, 69, 79 или 89 вне контура 54, 64, 74 или 84 рециркуляции отработавших газов. На фиг.5 изображена система, содержащая один блок-носитель SBS (Single Brick System), который соответствует дизельному окислительному нейтрализатору на матрице сажевого фильтра, конструкция которого рассчитана на размещение вблизи двигателя, и который расположен в контуре 54 рециркуляции отработавших газов, а также блок 59, содержащий накопительный катализатор NOx и пассивный SCR-катализатор вне контура 54 рециркуляции отработавших газов. Данная схема в первую очередь имеет преимущества, сопоставимые с преимуществами схемы, показанной на фиг.3, но в данном случае достигается дополнительная экономия конструктивного пространства.
Согласно фиг.6-8, в контуре 64, 74 и 84 рециркуляции отработавших газов предусмотрено LNT покрытие из пористого оксида на матрице дизельного сажевого фильтра (которое на фиг.6-8 обозначено индексами 68, 78 и 88).
2
Схема, приведенная на фиг.6, в первую очередь, обладает преимуществами, о которых говорилось в отношении схем фиг.3 и фиг.5; кроме того, матрица дизельного сажевого фильтра выполняет функцию накопительного катализатора NOx для НС/СО, и контроля NOx на матрице сажевого фильтра. Согласно фиг.7, в схеме, аналогичной схеме фиг.6, перед блоком 78 или перед находящимся там накопительным катализатором NOx расположен дополнительный накопительный катализатор 72 NOx (LNT), который в результате помогает эффективнее выполнять функцию нейтрализации NOx. В схеме, приведенной на фиг.8, аналогично фиг.7, с накопительного катализатора NOx (LNT), который присутствует в блоке 88 на матрице дизельного сажевого фильтра, снята задача нейтрализации НС/СО, а также улучшена эффективность образования NO для накопительного катализатора NOx (LNT), который находится в блоке 88 на матрице дизельного сажевого фильтра.