Выхлопная система, содержащая катализатор предотвращения проскока аммиака в контуре рециркуляции выхлопных газов

Изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Выхлопная система для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NO_x) и твердые частицы (PM). Система содержит катализатор восстановления NO_x для восстановления NO_x в присутствии азотсодержащего восстановителя, устройство для введения азотсодержащего восстановителя в поток выхлопного газа, фильтр для удаления PM из выхлопного газа, протекающего в выхлопной системе, и контур рециркуляции выхлопного газа (EGR) низкого давления для соединения выхлопной системы ниже по потоку относительно фильтра с воздухозаборником двигателя. Контур EGR содержит катализатор окисления аммиака. Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективного сокращения выбросов No_x из двигателя внутреннего сгорания, также снижение концентрации аммиака. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота и твердые частицы.

Предпосылки изобретения

К создающим наибольшие проблемы компонентам выхлопного газа автомобилей относятся оксиды азота (NO_x), которые включают оксид азота (NO), диоксид азота (NO₂) и закись азота (N₂O). Образование NO_x вызывает особенно много проблем для двигателей, работающих на бедных смесях, таких как дизельные двигатели. Чтобы уменьшить воздействие NO_x в выхлопных газах на окружающую среду, желательно устранить эти нежелательные компоненты, предпочтительно способом, который не создает других вредных или токсичных веществ.

Одним способом превращения NO_x в выхлопном газе дизельного двигателя в менее вредные вещества является способ, называемый обычно селективным каталитическим восстановлением (Selective Catalytic Reduction, SCR). Способ SCR включает превращение NO_x, в присутствии катализатора и с помощью восстановителя, в элементарный азот (N₂) и воду. В способе SCR газообразный восстановитель, типично безводный аммиак, водный раствор аммиака или мочевина, добавляют в поток выхлопного газа до контакта с катализатором. Восстановитель абсорбируется на катализаторе, и реакция восстановления NO_x протекает, когда газы проходят через нанесенный на носитель катализатор или над ним. Однако чтобы максимально повысить эффективность конверсии, часто необходимо добавлять аммиак в газовый поток в количестве больше стехиометрического. Если выпустить этот избыток аммиака в атмосферу, он причинил бы ущерб окружающей среде, и поэтому его надо устранить. Для этой цели в обычных выхлопных системах ниже по потоку от SCR-катализатора устанавливают катализатор окисления аммиака (известный также как катализатор предотвращения проскока аммиака, или "ASC").

Чтобы уменьшить занимаемый выхлопной системой объем, часто желательно сконструировать отдельные компоненты выхлопной системы так, чтобы они выполняли более чем одну функцию. Например, нанесение SCR-катализатора на подложку фильтра (SCRF) служит для снижения габаритных размеров системы очистки выхлопных газов, позволяя одной подложке выполнять две функции, а именно каталитическую конверсию NO_x посредством SCR-катализатора и удаление сажи посредством фильтра. Традиционно эти две функции осуществлялись раздельно SCR-катализатором и катализированным сажевым фильтром (CSF) соответственно.

Рециркуляция выхлопного газа (EGR) является способом сокращения выбросов NO_x из двигателя путем возврата части выхлопного газа двигателя в камеру сгорания двигателя через воздухозаборник. EGR уменьшает концентрацию кислорода в камере сгорания, снижая тем самым максимальную температуру пламени горящего топлива, а также действует для поглощения тепла. Рециркуляция выхлопного газа не является новой технологией, она используется с середины 1970-х в бензиновых двигателях легковых автомобилей. После применения на бензиновых двигателях рециркуляция выхлопного газа была внедрена также на дизельных легковых автомобилях, а с начала 2000-х и на дизельных двигателях грузовых автомобилей.

Вообще говоря, имеются две конструкции выхлопных систем, включающих рециркуляцию выхлопного газа: (i) контур EGR высокого давления, в котором выхлопной газ рециркулирует из места выше по потоку относительно турбокомпрессора для обеспечения того, что выхлопной газ потечет из первого места в последнее; и (ii) контур EGR низкого давления (называемый также длинным контуром рециркуляции выхлопного газа), где выхлопной газ часто рециркулирует из места ниже по потоку относительно сажевого фильтра, что позволяет использовать весь выхлопной газ для турбонаддува. Давление выхлопного газа ниже по потоку относительно фильтра обычно является более низким, чем во впускном коллекторе, позволяя выхлопному газу протекать от первого места к последнему.

В действии особенно при холодном запуске в автомобиле, отвечающем ездовому циклу MVEG-A, клапан рециркуляции выхлопного газа установлен так, чтобы возвращать в двигатель приблизительно 50% от всего выхлопного газа. Выхлопной газ, выделенный двигателем при рециркуляции выхлопного газа, имеет более низкое содержание кислорода, но содержание NO_x не выше, чем в выхлопном газе, возвращаемом из выхлопной системы в двигатель.

Хотя SCRF-системы предлагают огромные преимущества в улучшении конверсии NO_x по сравнению с традиционными системами с раздельными катализаторами CSF и SCR, максимальная выгода достигается при применении так называемой рециркуляции выхлопного газа низкого давления, причем EGR следует после SCRF. Однако может возникнуть проблема, что аммиак проскакивает через SCRF (из-за неидеального газа, или NH_3, или источника NH₃, такого как мочевина, или вследствие изменений в рабочих условиях, которые приводят к выделению аккумулированного аммиака из SCRF). Затем аммиак или компоненты источника NH₃ поступают в EGR-систему. Эти компоненты могут вызвать повреждение системы EGR. Для предотвращения попадания NH₃ в атмосферу (например, через выхлопную трубу автомобиля) применялись катализаторы, предотвращающие проскок аммиака, но в самой системе EGR они не использовались. Комбинация EGR+ASC должна иметь высокую селективность в образовании N₂ и иметь низкое противодавление.

Сущность изобретения

Изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NO_x) и твердые частицы (PM), и к двигателю внутреннего сгорания, работающему на бедных смесях, содержащему эту выхлопную систему. Система содержит катализатор восстановления NO_x для восстановления NO_x в присутствии азотсодержащего восстановителя, устройство для введения азотсодержащего восстановителя в поток выхлопного газа, фильтр для удаления PM из выхлопного газа, текущего в выхлопной системе, и контур рециркуляции выхлопного газа низкого давления (EGR) для соединения выхлопной системы ниже по потоку относительно фильтра с воздухозаборником двигателя. Контур рециркуляции отработавших газов содержит катализатор окисления аммиака. Катализатор окисления аммиака служит для окисления большей части, если не всего аммиака в контуре рециркуляции, выхлопного газа до поступления выхлопного газа в двигатель. Таким образом, катализатор окисления аммиака снижает концентрацию аммиака, не вступившего в реакцию восстановления NO_x, выделение аммиака с поверхности катализатора при быстрых повышениях температуры или из-за использования стехиометрического избытка восстановителя.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематически показывает технологическую схему одного варианта осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

Изобретение представляет выхлопную систему, которая содержит катализатор восстановления NO_x для восстановления NO_x в присутствии азотсодержащего восстановителя, устройство для введения азотсодержащего восстановителя в поток выхлопного газа, фильтр для удаления PM из выхлопного газа, текущего в выхлопной системе, и контур рециркуляции выхлопного газа (EGR) низкого давления для соединения выхлопной системы ниже по потоку относительно фильтра с воздухозаборником двигателя. Контур рециркуляции отработавших газов содержит катализатор окисления аммиака.

Подходящие катализаторы восстановления NO_x, известные в технологии, включают катализаторы селективного каталитического восстановления (SCR), которые особенно хорошо подходят для селективного катализа каталитического восстановления NO_x с применением азотсодержащего восстановителя. Подходящие катализаторы селективного каталитического восстановления включают промотированные переходными металлами молекулярные сита, такие как алюмосиликатные цеолиты и силикоалюминофосфаты. Подходящие переходные металлы в качестве промоторов включают Cr, Ce, Mn, Fe, Co, Ni и Cu, а также смеси двух или более из них. Предпочтительные катализаторы на основе молекулярных сит включают CuCHA, такие как Cu-SAPO-34, Cu-SSZ-13, и цеолит Fe-Beta, где Fe присутствует либо в каркасе структуры молекулярных сит и/или иным образом ассоциирован с каркасной структурой, например, в результате ионного обмена. Fe-WO_x-ZrO₂ может использоваться как активный SCR-катализатор без молекулярных сит.

Азотсодержащий восстановитель для применения в системе может быть аммиаком как таковым, гидразином или прекурсором аммиака, выбранным из группы, состоящей из мочевины ((NH₂)₂CO), карбоната аммония, карбамата аммония, гидрокарбоната аммония и формиата аммония.

Восстановитель добавляют в поток выхлопного газа с помощью любого подходящего устройства для введения восстановителя в выхлопной газ. Подходящие устройства включают инжектор, распылитель или питатель и предпочтительно оно представляет собой инжектор. Такие устройства хорошо известны в технологии.

Система может содержать устройства для управления введением азотсодержащего восстановителя в выхлопной газ, чтобы восстановить в нем NO_x. В одном варианте осуществления управляющее устройство содержит электронный блок управления, необязательно устройство управления двигателем. Кроме того, управляющее устройство может содержать датчик NO_x, размещенный ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO.

Система содержит также фильтр, предпочтительно фильтр с пристеночным течением.

Фильтр и катализатор восстановления NO_x могут быть размещены в любой подходящей конфигурации. В одном варианте осуществления катализатор восстановления NO_x находится ниже по потоку относительно фильтра. В этом варианте осуществления устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа подходящим образом расположено между фильтром и катализатором восстановления NO_x.

Предпочтительно катализатор восстановления NO_x находится на фильтре, наиболее предпочтительно в форме фильтра селективного каталитического восстановления (известного как SCRF). Если фильтр является фильтром с пристеночным течением, катализатор восстановления NO_x может быть выполнен как тонкое покрытие (washcoat), которое пропитывает стенки фильтра. Это может быть выполнено, например, при измельчении катализатора до частиц со средним размером ≤5 мкм. В данном варианте осуществления устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа подходящим образом расположено выше по потоку относительно фильтра.

Предпочтительно второй катализатор окисления аммиака может быть расположен ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x и выше по потоку от EGR относительно направления потока выхлопного газа через систему. Наиболее предпочтительно второй катализатор окисления аммиака находится на задней стороне фильтра селективного каталитического восстановления таким образом, что фильтр содержит катализатор селективного каталитического восстановления на всем протяжении, и в задней зоне относительно направления течения выхлопного газа через систему, которая покрыта вторым катализатором окисления аммиака. Второй катализатор окисления аммиака предпочтительно содержит платину и/или палладий на оксиде металла, таком как оксид алюминия.

В одном предпочтительном варианте осуществления катализатор окисления NO для окисления NO до диоксида азота находится выше по потоку относительно фильтра и/или катализатора восстановления NO_x. Катализатор окисления NO предпочтительно содержит металл платиновой группы, наиболее предпочтительно платину.

Система содержит также контур рециркуляции выхлопного газа (EGR) низкого давления для соединения выхлопной системы ниже по потоку относительно фильтра с воздухозаборником двигателя, причем контур EGR содержит катализатор окисления аммиака (известный также как катализатор предотвращения проскока аммиака, или "ASC").

Предпочтительно материал катализатора окисления аммиака следует выбирать так, чтобы он благоприятствовал окислению аммиака, а не образованию NO_x или N₂O. Предпочтительные материалы для катализатора включают платину, палладий или их комбинацию, причем предпочтительны платина или комбинация платина/палладий. Предпочтительно катализатор окисления аммиака содержит платину и/или палладий, нанесенные на оксид металла. Предпочтительно катализатор находится на носителе с высокой удельной площадью поверхности, в том числе, но без ограничений, на оксиде алюминия.

В некоторых вариантах осуществления катализатор окисления аммиака нанесен на носитель, предпочтительно на носители, которые способны обеспечить большую поверхность контакта с минимальным противодавлением. Предпочтительно катализатор окисления аммиака находится в проточном монолитном носителе или на нем, таком как проточные сотовые структуры из металла или кордиерита. Например, чтобы обеспечить низкое противодавление, предпочтительный проточный монолитный носитель имеет от около 25 до около 300 ячеек на квадратный дюйм (cpsi) (3,9-46,5 ячеек на см²). Достижение низкого противодавления особенно важно для минимизации влияния катализатора окисления аммиака на характеристики EGR низкого давления.

Катализатор окисления аммиака может быть нанесен на проточный монолитный носитель в виде тонкого покрытия, предпочтительно для достижения уровня содержания от около 0,3 до 2,3 г/дюйм³ (0,018-0,14 г/см³). Чтобы обеспечить дальнейшую конверсию NO_x, передняя часть носителя может быть покрыта только SCR-покрытием, а задняя часть покрыта композицией из SCR и катализатора окисления аммиака, такого как Pt или Pt/Pd на носителе из оксида алюминия.

Согласно дополнительному аспекту изобретение представляет двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий выхлопную систему согласно изобретению. Работающий на бедных смесях двигатель внутреннего сгорания может быть бензиновым или дизельным двигателем, работающим на бедной смеси, но двигатель может также работать на альтернативных топливах, таких как сжиженный нефтяной газ, природный газ, или содержащих биотоплива или продукты, полученные по технологии "газ-в-жидкость". В одном конкретном варианте осуществления двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, является двигателем с воспламенением от сжатия, работающим, например, на дизельном топливе.

Чтобы настоящее изобретение могло быть только более полно понято, приведены нижеследующие примеры, только в порядке иллюстрации и с привлечением сопроводительных чертежей.

Примеры

Фигура 1 представляет схематическое изображение автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, содержащего выхлопную систему согласно первому варианту осуществления изобретения, признаком которой является компонент катализатора окисления аммиака, размещенный в контуре рециркуляции выхлопного газа.

Со ссылкой на фигуру 1 показан дизельный двигатель 12, содержащий выхлопную систему 10 согласно настоящему изобретению. Выхлопная система содержит выхлопную трубу 14, в которой последовательно размещены компоненты для дополнительной обработки. Катализатор 16 окисления NO содержит керамический проточный монолитный носитель, покрытый каталитической композицией для окисления NO, содержащей обогащенную платиной комбинацию платины и палладия, нанесенную на материал носителя на основе оксида алюминия с высокой удельной площадью поверхности.

Керамический фильтр 20 с пристеночным потоком, содержащий тонкое покрытие из катализатора селективного каталитического восстановления Cu-SSZ-13, установлен ниже по потоку относительно катализатора 16 окисления NO. Необязательный катализатор 36 окисления аммиака, предназначенный для очистки от аммиака или предотвращения проскока аммиака, может быть нанесен в виде покрытия на конец ниже по потоку относительно монолитного носителя SCR-катализатора. Предусмотрено устройство (инжектор 22) для введения азотсодержащей восстановительной текучей среды (мочевина 26) из резервуара 24 в выхлопной газ, переносимый по выхлопной трубе 14. Инжектор 22 регулируется с применением клапана 28, а клапан, в свою очередь, регулируется электронным блоком 30 управления (управление клапаном представлено пунктирной линией). Электронный блок 30 управления принимает выходной сигнал контура регулирования с обратной связью от датчика 32 NO_x, находящегося ниже по потоку относительно SCR-катализатора.

Контур 17 рециркуляции выхлопных газов низкого давления содержит клапан 18 рециркуляции выхлопных газов, также регулируемый электронным блоком 30 управления. Расположенный внутри контура рециркуляции выхлопного газа, ASC-катализатор 19 содержит металлический проточный монолитный носитель, покрытый Pt или композицией Pt/Pd, нанесенной на оксид алюминия. ASC 19 служит для окисления аммиака, который в противном случае поступал бы в двигатель.

1. Выхлопная система для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NO_x) и твердые частицы (PM), причем система содержит катализатор восстановления NO_x для восстановления NO_x в присутствии азотсодержащего восстановителя, устройство для введения азотсодержащего восстановителя в поток выхлопного газа, фильтр для удаления PM из выхлопного газа, протекающего в выхлопной системе, и контур рециркуляции выхлопного газа (EGR) низкого давления для соединения выхлопной системы ниже по потоку относительно фильтра с воздухозаборником двигателя, причем контур EGR содержит катализатор окисления аммиака.

2. Выхлопная система по п. 1, в которой катализатор восстановления NO_x является катализатором селективного каталитического восстановления, содержащим молекулярные сита, промотированные переходным металлом.

3. Выхлопная система по п. 1, в которой азотсодержащий восстановитель представляет собой аммиак, гидразин или прекурсор аммиака, выбранный из группы, состоящей из мочевины ((NH₂)₂CO), карбоната аммония, карбамата аммония, гидрокарбоната аммония и формиата аммония.

4. Выхлопная система по п. 1, в которой катализатор восстановления NO_x находится на фильтре.

5. Выхлопная система по п. 1, в которой катализатор окисления аммиака содержит платину и/или палладий, нанесенные на оксид металла.

6. Выхлопная система по п. 5, в которой катализатор окисления аммиака размещен в проточном монолитном носителе или на нем.

7. Выхлопная система по п. 6, в которой носитель является металлическим.

8. Выхлопная система по п. 6, в которой носитель содержит от около 25 до около 300 параллельных каналов на квадратный дюйм площади поперечного сечения (3,9-46,5 каналов на см²).

9. Выхлопная система по п. 6, в которой носитель имеет уровень содержания катализатора окисления аммиака от около 0,3 до около 2,3 г/дюйм³ (0,018-0,14 г/см³).

10. Выхлопная система по п. 6, в которой носитель имеет переднюю и заднюю стороны относительно направления газа, текущего через носитель, и причем передняя сторона содержит катализатор селективного каталитического восстановления (SCR), а задняя сторона содержит композицию из SCR и катализатора окисления аммиака.

11. Выхлопная система по п. 1, дополнительно содержащая второй катализатор окисления аммиака, размещенный ниже по потоку относительно SCRF и выше по потоку от EGR, относительно направления течения выхлопного газа через систему.

12. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий выхлопную систему по любому из предшествующих пунктов.