Способ управления работой устройства нейтрализации отработавших газов, содержащего ловушку для серы и катализатор-накопитель оксидов азота

Способ управления работой устройства нейтрализации отработавших газов, содержащего ловушку для серы и катализатор-накопитель оксидов азота

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для управления устройствами нейтрализации отработавших газов (ОГ) ДВС. Устройство нейтрализации ОГ содержит катализатор-накопитель оксидов азота, имеющий диапазон активности T_NOx для накопления оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха ОГ, большем 1, и высвобождения оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха ОГ, меньшем или равном 1, и расположенную по ходу потока перед катализатором-накопителем оксидов азота ловушку для серы, имеющую температуру обессеривания T_{S, DeSOx}, выше которой накопившиеся на ловушке для серы сульфаты разлагаются при коэффициенте избытка воздуха, меньшем или равном 1. Содержащиеся в ОГ оксиды азота аккумулируются на катализаторе-накопителе оксидов азота, а оксиды серы - на ловушке для серы при коэффициенте избытка воздуха, большем 1, и температурах Т_К ОГ в пределах диапазона активности T_NOx, причем одновременно температура ОГ перед ловушкой для серы меньше, чем ее температура обессеривания T_{S, DeSOx}. В результате циклического уменьшения коэффициента избытка воздуха ОГ до значения ниже 1 накопившиеся оксиды азота снова высвобождаются с катализатора-накопителя (окончание цикла накопления). По истечении заданного количества N₁ циклов накопления оксидов азота производится обессеривание ловушки для серы. Осуществляется это путем повышения температуры ОГ перед ловушкой для серы выше ее температуры обессеривания Т_{S, DeSOx}, а также путем уменьшения коэффициента избытка воздуха в ОГ до значения ниже 1. Изобретение позволяет повысить эффективность. 20 з.п. ф-лы, 21 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способу управления работой устройства нейтрализации отработавших газов (ОГ) для двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который преимущественно эксплуатируется на обедненных горючих смесях, т.е. работает при высоких отношениях воздух/топливо. Для превращения содержащихся в ОГ оксидов азота в безвредные вещества в устройстве нейтрализации ОГ предусмотрен катализатор-накопитель оксидов азота. С целью защиты этого катализатора-накопителя от отравления оксидами серы перед ним устанавливается ловушка для серы, предназначенная для накопления оксидов серы за счет образования сульфатов.

Катализаторы-накопители оксидов азота были специально разработаны для нейтрализации ОГ двигателей внутреннего сгорания, работающих на обедненных горючих смесях. К указанному классу ДВС относятся бензиновые двигатели, работающие на обедненных смесях, и дизельные двигатели. Бензиновые двигатели, работающие на обедненных смесях, в частности двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина, находят все более широкое применение в автомобилестроении, поскольку такие двигатели теоретически позволяют экономить до 25% топлива в сравнении с ДВС, работающими на стехиометрических горючих смесях.

Основными вредными веществами, содержащимися в выбрасываемых двигателями ОГ, являются монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды НС и оксиды азота NO_х. Кроме того, в ОГ содержатся небольшие количества водорода ₂, а также оксиды серы SO_х, которые попадают в него из моторного топлива и смазочных масел для двигателя. Современные нейтрализаторы ОГ при работе ДВС со стехиометрическим отношением воздух/топливо позволяют превращать больший процент этих вредных веществ, за исключением оксидов серы, в безвредные компоненты, каковыми являются вода, диоксид углерода и азот. Катализаторы, разработанные для нейтрализации ОГ двигателей, работающих на стехиометрической горючей смеси, называются трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами ОГ.

Работа на стехиометрической горючей смеси имеет место в том случае, когда коэффициент избытка воздуха равен 1. Коэффициентом избытка воздуха обозначается нормированное к стехиометрическим условиям отношение воздух/топливо. Величиной этого отношения воздух/топливо определяется то количество воздуха в кг, которое необходимо для полного сгорания одного килограмма топлива. У обычных топлив стехиометрическое отношение воздух/топливо имеет значение 14,6. Коэффициент избытка воздуха для ОГ в выбросе ДВС соответствует коэффициенту избытка воздуха поданной в ДВС горючей (т. е. топливовоздушной) смеси. ОГ с коэффициентами избытка воздуха выше 1 обозначаются как обедненные, а ОГ с коэффициентами избытка воздуха ниже 1 - как богатые.

Работа на стехиометрической горючей смеси поддерживается путем регулирования задаваемого для ДВС отношения воздух/топливо. Это регулирование осуществляется по сигналам от кислородного датчика, так называемого -зонда. Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы ОГ могут одновременно обезвреживать три вредных вещества НС, СО и NO_х, содержащихся в ОГ, лишь в очень узком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха в пределах от приблизительно 0,97 до приблизительно 1,03.

Если процент нейтрализации ОГ двигателей, работающих на стехиометрической горючей смеси, достигает очень высокого уровня, то нейтрализация оксидов азота, выбрасываемых при работе ДВС на обедненных смесях, все еще остается практически нерешенной проблемой. В процессе эксплуатации эти ДВС большую часть времени работают с коэффициентом избытка воздуха больше 1,3. Выбрасываемые ими ОГ содержат приблизительно от 3 до 15 об.% кислорода. Следовательно, в ОГ преобладают высокоокислительные условия. В этих условиях восстановление оксидов азота в ОГ затруднено. Для решения этой проблемы и были разработаны, в частности, упомянутые выше катализаторы-накопители оксидов азота.

Принцип работы этих катализаторов-накопителей оксидов азота и состав применяемых в них материалов описан, например, в ЕР 0560991 В1. В качестве аккумулирующего материала эти катализаторы содержат по меньшей мере один компонент из группы щелочных металлов (калий, натрий, литий, цезий), щелочноземельных металлов (барий, кальций) или редкоземельных металлов (лантан, иттрий). В качестве каталитически активного элемента катализатор-накопитель содержит платину. При окислительных условиях в ОГ, т.е. при работе на обедненной смеси, аккумулирующие материалы могут накапливать содержащиеся в ОГ оксиды азота в форме нитратов. Однако при этом необходимо, чтобы оксиды азота, состоящие в зависимости от конструкции двигателя и режима его работы приблизительно на 50-90% из монооксида азота, вначале окислялись до диоксида азота. Такое окисление происходит на платиновом компоненте катализатора-накопителя.

Поскольку аккумулирующая способность катализатора-накопителя ограничена, его необходимо периодически регенерировать. С этой целью коэффициент избытка воздуха подаваемой в двигатель горючей смеси, а тем самым и коэффициент избытка воздуха выбрасываемых двигателем ОГ кратковременно уменьшают до значений ниже 1. Этот процесс обозначается так же, как обогащение горючей смеси или ОГ. Во время этой короткой рабочей фазы в ОГ перед их поступлением в катализатор-накопитель преобладают восстановительные условия.

В таких восстановительных условиях в фазе обогащения накопленные в форме нитратов оксиды азота снова высвобождаются (десорбируются) и восстанавливаются на катализаторе-накопителе до азота при одновременном окислении моноксида углерода, углеводородов и водорода, как в случае обычных трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов.

Катализаторы-накопители оксидов азота даже несмотря на свой большой потенциал, которым они обладают в отношении удаления оксидов азота из ОГ двигателей, работающих на обедненных смесях, до настоящего времени не нашли широкого распространения. Существенная проблема, ограничивающая применение таких катализаторов-накопителей, связана именно с наличием серы в топливе. Сера выбрасывается из ДВС преимущественно в форме ее диоксида. Диоксид серы действует на обычные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы ОГ и прежде всего на катализаторы-накопители оксидов азота, как катализаторный яд. Отравление серой приводит в случае трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов ОГ к снижению степени превращения вредных веществ и к ускоренному старению катализатора. В принципе, отравление трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов ОГ является в значительной степени обратимым процессом. Серные компоненты ОГ присутствуют на трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе ОГ в форме сульфатов. Регенерация катализатора осуществляется при обычной эксплуатации автомобиля, когда при движении автомобиля ОГ имеют высокую температуру и являются легко восстанавливаемыми. В этих условиях сульфаты восстанавливаются, а сера выбрасывается в атмосферу в форме ее диоксида или сероводорода. Выброс сероводорода при этом можно практически предотвратить за счет соответствующего выполнения катализатора и механизма газораспределения ДВС.

Отравление катализатора-накопителя оксидов азота оксидами серы, в принципе, происходит по аналогии с накоплением оксидов азота. Выбрасываемый двигателем диоксид серы окисляется на каталитически активном компоненте катализатора-накопителя, каковым компонентом является благородный металл, до триоксида серы. Триоксид серы реагирует с аккумулирующими материалами катализатора-накопителя с образованием соответствующих сульфатов. Особый недостаток при этом состоит в том, что абсорбция триоксида серы преобладает над абсорбцией оксидов азота, а образовавшиеся сульфаты являются термически очень стойкими. Вследствие этого способность катализатора аккумулировать оксиды азота заметно снижается в результате его отравления оксидами серы, которое в отличие от трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов ОГ является обратимым процессом только при высоких температурах ОГ, поскольку сульфаты, скопившиеся на аккумулирующих их материалах, обладают высокой термической стойкостью даже при преобладании в ОГ восстановительных условий.

В докладе Strehlau и др. (см. материалы конференции "Motor und Umwelt", Грац, 1997, стр. 15-30) говорится, что обессеривание барийсодержащих катализаторов-накопителей наиболее эффективно протекает при температурах ОГ 650^oС и коэффициенте избытка воздуха 0,98. Такие условия в ОГ могут быть созданы при работе автомобиля даже в режиме частичной нагрузки путем изменения рабочих параметров двигателя. При этом рабочие параметры необходимо изменять таким образом, чтобы в результате по возможности не происходило изменения крутящего момента. Однако обессеривание при высоких температурах ОГ связано со значительным перерасходом топлива, поскольку последнее расходуется только на нагревание и кондиционирование катализатора-накопителя оксидов азота, а не преобразуется в полезную мощность, затрачиваемую на движение автомобиля.

Согласно ЕР 0582917 А1 предлагается уменьшать отравление катализатора-накопителя серой путем установки в поток ОГ перед катализатором ловушки для серы. В качестве аккумулирующих материалов в этой ловушке для серы предлагается использовать щелочные металлы (калий, натрий, литий и цезий), щелочноземельные металлы (барий и кальций) и редкоземельные металлы (лантан, иттрий). Ловушка для серы при этом дополнительно содержит в качестве каталитически активного компонента платину. Однако недостаток технического решения согласно ЕР 0582917 А1 состоит в том, что не предусмотрено обессеривания ловушки для серы, иными словами, по достижении ловушкой для серы предела аккумулирующей способности содержащиеся в ОГ оксиды серы беспрепятственно проходят через нее и могут отравлять включенный за пей катализатор-накопитель оксидов азота.

Усовершенствование этого решения предлагается в ЕР 0625633 А1. В этой публикации также предлагается размещать ловушку для серы в потоке ОГ от ДВС перед катализатором-накопителем оксидов азота. Это устройство, образованное ловушкой для серы в сочетании с катализатором-накопителем оксидов азота, работает таким образом, что в условиях обедненного ОГ оксиды серы скапливаются в серной ловушке, а оксиды азота аккумулируются на катализаторе-накопителе. За счет периодического изменения условий в ОГ с обедненных на богатые накопившиеся в ловушке для серы сульфаты разлагаются до диоксида серы, а скопившиеся на катализаторе-накопителе оксидов азота нитраты разлагаются до диоксида азота. Однако при этом существует опасность взаимодействия диоксида серы с диоксидом азота на катализаторе-накопителе с образованием триоксида серы и моноксида азота и с накоплением триоксида серы на катализаторе в форме сульфатов.

Однако согласно ЕР 0625633 А1 такая реакция может происходить только в незначительной мере, поскольку скорость разложения нитратов в целом значительно выше соответствующей скорости разложения сульфатов. Разложение нитратов происходит в течение лить короткого промежутка времени, составляющего приблизительно от 5 до 20 секунд, тогда как для полного разложения сульфатов на ловушке для серы требуется до 10 минут. Поэтому одновременный выброс диоксида серы и диоксида азота происходит лишь в течение очень короткого промежутка времени. Благодаря этому отравление катализатора-накопителя оксида азота серой в процессе обессеривания ловушки можно поддерживать на низком уровне. Другое усовершенствование заключается в том, что для высвобождения оксидов азота из катализатора-накопителя отработавшие газы обогащают в существенной степени, а для высвобождения оксидов серы из ловушки для серы - лишь незначительно.

Содержание оксидов серы в ОГ ДВС существенно меньше содержания оксидов азота. Поэтому нет необходимости проводить при каждом высвобождении оксидов азота из катализатора-накопителя также обессеривание ловушки для серы. Если высвобождение оксидов азота из катализатора-накопителя происходит в течение приблизительно одной минуты, то продолжительность высвобождения оксидов серы из ловушки для серы согласно ЕР 0582917 А1 составляет несколько часов.

Недостаток предложенных способов управления работой устройства нейтрализации ОГ, состоящего из ловушки для серы и катализатора-накопителя оксидов азота, заключается в том, что в них отчасти сознательно допускается отравление катализатора-накопителя сульфатами. Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача таким образом усовершенствовать способ управления работой устройства нейтрализации ОГ, состоящего из ловушки для серы и катализатора-накопителя оксидов азота, в котором практически полностью были бы устранены указанные недостатки. Кроме того, этот способ должен допускать лишь незначительный перерасход топлива.

Для решения указанной задачи в изобретении предлагается способ управления работой устройства нейтрализации ОГ для двигателя внутреннего сгорания, который преимущественно эксплуатируется на обедненных горючих смесях, причем это устройство нейтрализации ОГ содержит: - катализатор-накопитель оксидов азота, имеющий диапазон активности T_NOx между температурами Т_К,1 и Т_К,2 для накопления оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха ОГ, большем 1, и высвобождения оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха ОГ, меньшем или равном 1, и температуру обессеривания T_{К, DeSOx}, выше которой накопившиеся на катализаторе сульфаты разлагаются при коэффициенте избытка воздуха, меньшем или равном 1, и - расположенную по ходу потока перед катализатором-накопителем оксидов азота и на некотором расстоянии от него ловушку для серы, имеющую температуру обессеривания Т_{S, DeSOx}, выше которой накопившиеся на ловушке для серы сульфаты разлагаются при коэффициенте избытка воздуха, меньшем или равном 1, при этом между ловушкой для серы и катализатором-накопителем существует температурный градиент Т_S,K, определяемый по разности между температурой Т_S отработавших газов перед ловушкой для серы и температурой Т_K отработавших газов перед катализатором-накопителем, а способ предусматривает следующие стадии: а) накопление содержащихся в ОГ оксидов азота на катализаторе-накопителе и оксидов серы на ловушке для серы при коэффициенте избытка воздуха, большем 1, и температурах _К OГ в пределах диапазона активности Т_NOx, при этом одновременно температура Т_S ОГ меньше температуры обессеривания T_{S, DeSOx}, и циклическое уменьшение коэффициента избытка воздуха ОГ до значения ниже 1 для высвобождения накопившихся оксидов азота (окончание цикла накопления), б) обессеривание ловушки для серы по истечении заданного в каждом случае количества N₁ циклов накопления оксидов азота путем повышения температуры T_S ОГ выше температуры обессеривания T_{S, DeSOx} ловушки для серы, а также уменьшения коэффициента избытка воздуха ОГ до значения ниже 1 и в) циклическое повторение стадий а) и б).

Под понятием "накопление", соответственно "аккумулирование", в контексте настоящего изобретения подразумевается как химическое взаимодействие накапливаемых компонентов ОГ с аккумулирующим их материалом с образованием нитритов и нитратов или сульфитов и сульфатов, так и физическая адсорбция на поверхности аккумулирующего материала. Катализатор-накопитель оксидов азота в последующем описании назван просто как катализатор-накопитель.

Принцип осуществления способа более подробно поясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг.1 - схема расположения устройства нейтрализации ОГ, состоящего из ловушки для серы и катализатора-накопителя, на автомобиле при размещении ловушки для серы вблизи двигателя и размещении катализатора-накопителя под днищем кузова автомобиля, на фиг.2 - схема расположения устройства нейтрализации ОГ, состоящего из ловушки для серы и катализатора-накопителя, на автомобиле при размещении ловушки для серы и катализатора-накопителя в общем корпусе под днищем кузова автомобиля, на фиг. 3 - схематичное изображение диапазона активности катализатора-накопителя, на фиг.4 - схематичное изображение характера изменения температуры в устройстве нейтрализации ОГ на участке от двигателя до катализатора-накопителя для трех различных стадий способа и при раздельном расположении ловушки для серы и катализатора-накопителя, на фиг.5 - схематичное изображение характера изменения температуры в устройстве нейтрализации ОГ на участке от двигателя до катализатора-накопителя для трех различных стадий способа и при расположении ловушки для серы вблизи двигателя, на фиг.6 - схематичное изображение характера изменения температуры в устройстве нейтрализации ОГ на участке от двигателя до катализатора-накопителя для трех различных стадий способа и при расположении ловушки для серы и катализатора-накопителя в одном корпусе, на фиг. 7-10 - графики протекания процесса обессеривания серных ловушек согласно примерам 1-4, на фиг.11-13 - графики протекания процесса обессеривания серных ловушек согласно сравнительным примерам 1-3, на фиг. 14 - характеристика обессеривания ловушки для серы при 640^oС и уменьшении коэффициента избытка воздуха до значения 0,98, на фиг. 15 - характеристика обессеривания ловушки для серы при 640^oС и уменьшении коэффициента избытка воздуха до значения 0,95, на фиг.16 - продолжительность обессеривания в зависимости от коэффициента избытка воздуха, на фиг. 17 - процентное содержание диоксида серы и сероводорода в ОГ за ловушкой для серы при различных коэффициентах избытка воздуха в процессе обессеривания, на фиг. 18 - процентное содержание диоксида серы и сероводорода в ОГ за катализатором-накопителем при различных коэффициентах избытка воздуха в процессе обессеривания, на фиг.19 - схема устройства нейтрализации ОГ с включенным за ним катализатором для подавления выбросов сероводорода, на фиг. 20 - схема устройства нейтрализации ОГ со вдуванием вторичного воздуха перед катализатором-накопителем в процессе обессеривания ловушки для серы для подавления выбросов сероводорода и на фиг.21 - схема устройства нейтрализации ОГ с размещенным вблизи двигателя форкатализатором для окисления оксидов серы.

На фиг. 1 показано устройство 1 нейтрализации ОГ двигателя 2, т.е. двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Позицией 3 обозначена зона под днищем кузова автомобиля. Устройство 1 нейтрализации ОГ состоит из ловушки 5 и катализатора-накопителя 6 оксидов серы. Ловушка для серы расположена непосредственно после выпускного отверстия двигателя в собственном корпусе 4'. Катализатор-накопитель находится в корпусе 4" в зоне 3 под днищем кузова.

На фиг.2 показан другой вариант выполнения устройства нейтрализации ОГ, в котором ловушка 5 для серы расположена непосредственно перед катализатором-накопителем 6 на нулевом или близком к нулю расстоянии от него, и оба этих элемента размещены в общем корпусе 4, образуя единый каталитический преобразователь в зоне под днищем кузова.

Способность соответствующих материалов аккумулировать оксиды азота и оксиды серы в существенной мере зависит от температуры ОГ.

На фиг.3 показана зависимость от температуры аккумулирующей эффективности активного материала, имеющего определенный состав и используемого в катализаторе-накопителе. Накопление оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха, большем 1 (обедненный ОГ), в форме нитратов и высвобождение в форме оксидов азота при коэффициенте избытка воздуха, меньшем или равном 1, происходит лишь в узкоограниченном температурном интервале, нижний предел Т_К,1 которого обусловлен кинетикой реакции образования диоксида азота, а верхний предел Т_К,2 определяется термодинамической стойкостью образовавшихся нитратов щелочного, соответственно щелочноземельного металла и соответствующих нитритов. В контексте настоящего изобретения этот температурный интервал обозначается как диапазон активности Т_NOx катализатора-накопителя и используется для циклического накопления, высвобождения, соответственно десорбции и восстановления оксидов азота.

Диапазон активности Т_NOx катализатора-накопителя, показанный на фиг.3, охватывает температурный интервал приблизительно от 200 до 500^oС. Диапазон активности других составов активных материалов, используемых в катализаторах-накопителях, смещен на 50-100^oС в сторону более низких, соответственно более высоких, температур. Смещение диапазона активности в сторону более низких температур представляет особый интерес для применения в дизельных автомобилях с их более низкими температурами ОГ.

На фиг.4-6 схематично показан характер изменения температуры в устройстве нейтрализации ОГ на участке от двигателя до выпуска ОГ при различных расположениях ловушки для серы и катализатора-накопителя относительно двигателя. Положение этих трех агрегатов вдоль устройства нейтрализации ОГ обозначено соответствующими вертикальными прямоугольными полосами. По оси ординат нанесена температура ОГ в соответствующем месте устройства нейтрализации ОГ. Символами Т_М,1, Т_М,2 и Т_М,3 обозначены три различные температуры ОГ на выходе из двигателя.

Начиная с температуры Т_M на выходе из двигателя, температура ОГ в результате теплопроводности и теплоизлучения понижается по мере прохождения ОГ через устройство нейтрализации. Обычно температура по мере прохождения системы выпуска ОГ на 50-100^oС на метр длины трубопровода. Для упрощения на фиг. 4-6 предполагается, что температура падает линейно. Однако фактически температура в результате различных тепловых потерь по длине системы выпуска ОГ изменяется по более сложному закону. В частности, в результате экзотермических реакций на катализаторах, служащих для нейтрализации ОГ, может происходить и локальное повышение температуры. Однако в целом распределение температур в конкретном устройстве нейтрализации ОГ в зависимости от температуры на выходе из двигателя является сравнительно легко воспроизводимой характеристикой и может быть легко определено специалистом в данной области техники.

На фиг. 4 символом Т_S обозначена температура ОГ перед входом в ловушку для серы, а символом Т_K обозначена температура ОГ перед входом в катализатор-накопитель. Величина Т_S,K характеризует разность температур Т_S-Т_K, т.е. температурный градиент на участке между ловушкой для серы и катализатором-накопителем. Эта величина зависит от взаимного расположения двигателя, ловушки для серы и катализатора-накопителя и от температуры на выходе из двигателя. Чем выше температура на выходе из двигателя, тем больше и температурный градиент между ловушкой для серы и катализатором-накопителем.

Для управления работой устройства нейтрализации ОГ предлагаемым способом для ловушки для серы и катализатора-накопителя должно быть соответствующим образом подобрано определенное сочетание материалов. Учитывая указанные выше температурные характеристики, решающее значение при подборе материалов имеет также положение ловушки для серы и катализатора-накопителя по длине устройства нейтрализации ОГ.

На фиг. 4-6 диапазон активности катализатора-накопителя обозначен штриховкой между температурами Т_К,1, и T_К,2.

У прогретого до рабочей температуры двигателя циклическое накопление и высвобождение содержащихся в ОГ оксидов азота на катализаторе-накопителе происходит при работе двигателя в режиме частичной нагрузки. Эта рабочая фаза соответствует стадии а) способа и обозначена на фиг.4-6 температурной характеристикой а. В режиме частичной нагрузки ОГ имеют на выходе из двигателя температуру Т_М,1. Устройство нейтрализации ОГ рассчитано таким образом, что температура Т_К отработавших газов перед катализатором-накопителем понижается на некоторое значение в пределах диапазона активности. Как показано на диаграмме по фиг.4, ловушка для серы установлена в выпускном трубопроводе приблизительно посередине между двигателем и катализатором-накопителем. Материал ловушки для серы при этом следует выбирать таким образом, чтобы в режиме частичной нагрузки температура Т_S ОГ не повышалась выше температуры обессеривания Т_{S, DeSOx} - ловушки для серы. В этом случае при обедненном ОГ оксиды серы скапливаются на ловушке для серы, а оксиды азота аккумулируются па катализаторе-накопителе. При циклическом переключении на коэффициент избытка воздуха, меньший или равный 1, происходит высвобождение оксидов азота из катализатора-накопителя в виде диоксида азота и восстановление его восстановительными компонентами ОГ (моноксид углерода, углеводороды и водород) до азота. Скопившиеся же на ловушке для серы сульфаты не высвобождаются, поскольку температура Т_S ОГ ниже температуры обессеривания T_{S, DeSOx}.

Стадия а) способа включает цикл накопления и высвобождения оксидов азота. В зависимости от уровня концентрации вредных веществ в ОГ, выходящих из ДВС, длительность этого цикла составляет приблизительно от 20 до 100 секунд. Из этого временного интервала в зависимости от степени обогащения ОГ на высвобождение оксидов азота затрачивается приблизительно лишь от 0,3 до 20 секунд. После высвобождения накопившихся оксидов азота цикл накопления оксидов азота считается оконченным. Следовательно, непосредственно после цикла накопления оксидов азота нитраты, легко разлагаемые за счет обогащения ОГ, на катализаторе-накопителе отсутствуют.

После заданного количества N₁ циклов накопления оксидов азота начинается стадия б) способа для обессеривания ловушки для серы. С этой целью температуру на выходе из двигателя повышают до значения Т_М,2, а коэффициент избытка воздуха ОГ понижают до значения в пределах от 0,6 до 0,9. T_М,2 выбирают с таким расчетом, чтобы устанавливающаяся в результате температура ОГ перед ловушкой для серы (температурная характеристика b) лежала выше температуры обессеривания ловушки для серы. С целью исключить высвобождение оксидов азота из катализатора-накопителя в процессе высвобождения диоксида серы из ловушки для серы обессеривание последней начинается путем повышения температуры ОГ лишь по окончании цикла накопления оксидов азота, т.е. при регенерированном катализаторе-накопителе.

На фиг. 4-6 представлены температурные характеристики для предпочтительного варианта осуществления предлагаемого способа. Положение ловушки для серы и катализатора-накопителя в устройстве нейтрализации ОГ, а также аккумулирующие материалы для ловушки для серы и катализатора-накопителя выбирают при этом таким образом, чтобы во время обессеривания ловушки для серы температура ОГ перед катализатором-накопителем лежала выше диапазона активности катализатора-накопителя. Температура обессеривания T_{S, DeSOx}, температурный градиент Т_S,K, определяемый по разности температур ОГ Т_S перед ловушкой для серы и Т_K перед катализатором-накопителем, и верхняя предельная температура Т_K,2 диапазона активности катализатора-накопителя связаны следующим соотношением: T_K,2+T_S,K>T_{S, DeSOx} При соблюдении этих условий во время десорбции диоксида серы с ловушки для серы на катализаторе-накопителе уже не будут более находиться ранее скопившиеся на нем оксиды азота. Тем самым эффективно предотвращается повторное окисление десорбированных серных компонентов (диоксид серы и сероводород) до триоксида серы в результате реакции с оксидами азота и их накопление на катализаторе-накопителе. Длительность происходящего при этом одновременного высвобождения диоксида серы и диоксида азота в любом случае является пренебрежимо малой.

Имеющее важное значение для предлагаемого способа повышение температуры ОГ на выходе из двигателя можно обеспечить путем соответствующего изменения рабочих параметров двигателя без заметного изменения крутящего момента, что не влияет на комфортабельность езды.

Указанные стадии а) и б) способа повторяются циклически. Количество циклов накопления оксидов азота (стадии а)) между двумя циклами обессеривания ловушки для серы (стадии б)) составляет, как правило, от 10 до 100000. Фактическое количество N₁ зависит от многих параметров, например от содержания серы в топливе, объемов ловушки для серы и катализатора-накопителя, продолжительности работы на обедненных смесях как доли от общего времени эксплуатации автомобиля, типа двигателя, режима эксплуатации автомобиля (движение по автомагистрали или по городу) и от конкретных технических условий на нагрев ОГ, разработанных фирмой-изготовителем автомобиля. N₁ следует выбирать по возможности максимально большим с целью свести к минимуму необходимый для нагревания ловушки для серы дополнительный расход топлива.

При разгоне автомобиля, а также при работе ДВС в режиме номинальной нагрузки имеют место так называемые фазы естественного обогащения горючей смеси, на время которых ход предлагаемого процесса прерывается. Поскольку во время этих рабочих фаз накопление оксидов серы на ловушке для серы продолжается, количество этих фаз естественного обогащения приплюсовывается к N₁.

Аккумулирующие оксиды серы материалы обладают высокой эффективностью. Тем не менее в результате "проскакивания" небольших количеств оксидов серы возможно медленное осаждение на катализаторе-накопителе сульфатов, что приводит к уменьшению его способности аккумулировать оксиды азота. Поэтому в одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого способа предусмотрена дополнительная стадия б'), в ходе которой по истечении заданного в каждом случае количества циклов N₂ накопления оксидов азота происходит обессеривание катализатора-накопителя. Обычно применяемые для накопления оксидов азота оксиды щелочных и щелочноземельных металлов образуют сульфаты с очень высокой температурой обессеривания Т_{К, DeSOx}. Поэтому из-за относительно большого удаления катализатора-накопителя от двигателя для повышения температуры Т_K ОГ перед этим катализатором выше его температуры обессеривания Т_{K, DeSOx} температуру ОГ на выходе из двигателя необходимо повысить на этой стадии способа еще выше температуры Т_М,2 до значения Т_М,3 (температурная характеристика b'). Во время обессеривания катализатора-накопителя коэффициент избытка воздуха в ОГ снова понижают до значения ниже 1.

При функционировании применяемых компонентов без отклонений от нормы необходимость в обессеривании катализатора-накопителя возникает относительно редко. Обычно проводится от 2 до 100 циклов обессеривания ловушки для серы, прежде чем возникнет необходимость в обессеривании катализатора-накопителя, иными словами, количество N₂ циклов накопления оксидов азота между двумя циклами обессеривания катализатора-накопителя в 2-100 раз превышает величину N₁.

Для обессеривания ловушки для серы и при необходимости катализатора-накопителя коэффициент избытка воздуха ОГ понижают до значения в пределах от 0,96 до 1,01, предпочтительно от 0,97 до 1,0. Альтернативно этому для обессеривания ловушки для серы и при необходимости катализатора-накопителя коэффициент избытка воздуха в ОГ также может быть понижен до значения, составляющего от 0,6 до 0,8. В этом случае из ловушки для серы высвобождается преимущественно сероводород. Во избежание выброса сероводорода в атмосферу в систему выпуска ОГ во время обессеривания ловушки для серы можно дополнительно подавать вторичный воздух и тем самым повышать коэффициент избытка воздуха при поступлении ОГ в катализатор-накопитель до значения в пределах от 0,98 до 1,01.

На схеме по фиг. 4 предполагается, что ловушка для серы имеет ту же температуру обессеривания, что и катализатор-накопитель. Однако благодаря расположению ловушки для серы посередине между двигателем и катализатором-накопителем температура Т_М,2 для обессеривания на выходе из двигателя может поддерживаться существенно более низкой в сравнении с расположением ловушки для серы непосредственно перед катализатором-накопителем.

На фиг.5 показаны температурные характеристики при расположении ловушки для серы непосредственно за двигателем. В этом случае для ловушки для серы можно выбрать аккумулирующий материал с высокой температурой обессеривания, при этом для обессеривания ловушки для серы отпадает необходимость в повышении температуры Т_М,2 на выходе из двигателя выше температуры, указанной на фиг.4.

На фиг.6 показана схема с расположением ловушки для серы непосредственно перед катализатором-накопителем. Для осуществления предлагаемого способа при такой компоновке для ловушки для серы необходимо выбрать такой аккумулирующий материал, температура обессеривания которого ниже температуры обессеривания катализатора-накопителя. Такой материал был бы абсолютно непригоден в случае размещения ловушки для серы вблизи двигателя, как показано на фиг.5, поскольку температура обессеривания этого материала лежит еще ниже, чем температура Т_М,1 для нормальной работы в режиме частичной нагрузки. И наоборот, ловушка для серы по фиг.6 не могла бы эффективно выполнять свои функции при ее расположении в соответствии со схемой по фиг.5.

Из показанных на фиг.4-6 диаграмм следует, что в зависимости от взаимного расположения ловушки для серы и катализатора-накопителя в системе выпуска ОГ для их изготовления следует выбирать взаимно согласованное сочетание материалов.

Для катализатора-накопителя предпочтительно использовать известные аккумулирующие компоненты. При этом речь идет о соединениях лития, натрия, калия, цезия, рубидия, кальция, стронция, бария, лантана и иттрия. В качестве каталитически активного компонента применяется по меньшей мере один элемент платиновой группы: платина, палладий, родий или иридий.

А