Выхлопная система, содержащая катализатор восстановления nox и контур рециркуляции выхлопных газов

Выхлопная система, содержащая катализатор восстановления nox и контур рециркуляции выхлопных газов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 (PM).

Предпосылки изобретения

Рециркуляция выхлопного газа (Exhaust Gas Recirculation, EGR) является способом снижения выбросов оксидов азота (NO_x) из двигателя путем возвращения части отработавших газов двигателя в камеры сгорания двигателя через воздухозаборник. Рециркуляция выхлопного газа снижает концентрацию кислорода в камере сгорания, уменьшая тем самым максимальную температуру пламени горящего топлива, а также действует путем поглощения тепла. Рециркуляция выхлопного газа не является новой технологией: она использовалась с середины 1970-х в бензиновых двигателях легковых автомобилей. После применения на бензиновых двигателях EGR была внедрена также на дизельных легковых автомобилях и с начала 2000-х - 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 в последний; 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.

При работе, 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.

Патентный документ WO 2008/047170 представляет способ восстановления оксидов азота (NO_x), присутствующих в потоке тощего газа, содержащего оксид азота (NO), причем способ включает стадии, в которых: (i) проводят прямое поглощение NO как такового из потока тощего газа в адсорбенте, содержащем палладий и оксид церия, при температуре ниже 200°C; (ii) проводят прямую термическую десорбцию NO из адсорбента NO в поток тощего газа при температуре 200°C и выше; и (iii) выполняют каталитическое восстановление NO_x на ином катализаторе, нежели адсорбент для NO, с восстановителем, выбранным из группы, состоящей из углеводородного восстановителя, азотсодержащего восстановителя, водорода и смеси любых двух или более из них. Раскрыта также система восстановления NO_x в потоке тощего газа, содержащего NO, причем система содержит адсорбент для адсорбции NO как такового из потока тощего газа при температуре ниже 200°C, устройство для приведения адсорбента NO в контакт с потоком тощего газа при температуре 200°C и выше, чтобы тем самым десорбировать NO из адсорбента для NO, и устройство для восстановления NO, десорбированного с адсорбента NO, содержащее катализатор восстановления NO, и источник восстановителя, выбранный из группы, состоящей из углеводородного восстановителя, азотсодержащего восстановителя, водорода и смесей двух или более из них, причем адсорбент NO содержит палладий и оксид церия.

Авторы настоящего изобретения предлагают конструкцию выхлопной системы, которая может улучшить конверсию NO_x по сравнению с введенным законодательно ездовым циклом (как европейский ездовой цикл MVEG-A) и в условиях реального окружения, которая может снизить эмиссию NO_x из автомобильных двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедных смесях, по сравнению с современными конструкциями промышленных выхлопных систем.

Сущность изобретения

Изобретение включает выхлопную систему для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NO_x) и твердые частицы (PM), а также двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий эту выхлопную систему. Система содержит катализатор восстановления NO и источник восстановителя, выбранный из группы, состоящей из углеводородного восстановителя, азотсодержащего восстановителя, водорода и смесей двух или более из них, 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 рециркуляции отработавших газов содержит катализатор-адсорбент NO_x (NAC), содержащий адсорбент NO. Преимущество этой конфигурации состоит в том, что катализатор восстановления NO_x часто неактивен в восстановлении NO_x при температурах ниже примерно 200°C. Кроме того, когда катализатор восстановления NO_x восстанавливает NO_x, используя мочевинный восстановитель, может оказаться невозможным введение мочевины, пока выхлопной газ достаточно горячий, чтобы разлагать мочевину на CO₂ и аммиак, иначе возникает риск закупоривания твердыми отложениями мочевины находящегося ниже по потоку катализатора восстановления NO_x и/или инжектора мочевины. При адсорбции NO в контуре рециркуляции выхлопного газа при температурах ниже желаемой температуры инициирования действия катализатора восстановления NO_x до термического, то есть пассивного выделения аккумулированного NO обратно в выхлопной газ, когда катализатор восстановления NO_x является активным для восстановления NO_x, система в целом выделяет меньше NO_x, расширяя выбор проектных решений для квалифицированного специалиста, отвечающих соответствующим нормам выброса отработавших газов.

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 и источник восстановителя, выбранный из группы, состоящей из углеводородного восстановителя, азотсодержащего восстановителя, водорода и смесей двух или более из них, 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-адсорбент NO_x (NAC), содержащий адсорбент NO.

Фильтр предпочтительно является фильтром с пристеночным течением.

В одном варианте осуществления адсорбент NO состоит из палладия и оксида церия или смешанного или композитного оксида, содержащего церий и по меньшей мере один другой переходный металл, тогда как в еще одном варианте осуществления адсорбент NO включает палладий, диспергированный на оксиде церия, или на смешанном оксиде, или композитном оксиде, содержащем церий и по меньшей мере один другой переходный металл. В одном конкретном варианте осуществления этот по меньшей мере один другой переходный металл в смешанном оксиде или композитном оксиде представляет собой цирконий.

Подходящие уровни содержания палладия в адсорбенте NO могут составлять от 0,1 до 200 г/фут³ (0,0035-7,1 г/л). В одном варианте осуществления содержание палладия на оксиде церия или композитном оксиде, содержащем церий, составляет от 0,1 до 200 г/фут³ (0,0035-7,1 г/л), например, от 0,5 до 150 г/фут³ (0,018-5,3 г/л) или от 1 до 120 г/фут³ (0,035-4,2 г/л).

"Композитный оксид", как он определен здесь, означает в основном аморфный оксидный материал, содержащий оксиды по меньшей мере двух элементов, которые не являются истинно смешанными оксидами, состоящими по меньшей мере из двух элементов.

Материалы, содержащие палладий и оксид церия, могут быть получены известными способами, включающими, но без ограничений, пропитку, технологию пропитки по влагоемкости и соосаждения. Соосажденные материалы могут быть получены согласно способам, раскрытым в патентном документе EP 0602865.

В еще одном варианте осуществления, который может быть использован, хотя не исключительно, для обработки NO_x, выделяемых двигателями внутреннего сгорания, работающими на бедных смесях, в частности, автомобильными двигателями, адсорбент NO комбинируется с термически регенерируемым адсорбентом NO_x для прямой адсорбции NO_x при температуре выше около 200°C и прямой термической десорбции NO_x при температуре выше 250°C (то есть прямой адсорбции при температуре от выше чем около 200°C до около 250°C), причем этот термически регенерируемый абсорбент NO_x содержит платину и оксид металла. В вариантах осуществления термически регенерируемый абсорбент NO_x может содержать платину, распределенную на оксиде алюминия и/или диоксиде циркония. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что он позволяет отсрочить прямую десорбцию NO_x до более высоких температур (температур выше примерно 250°C, таких как 255°C, 260°C, 265°C или 270°C), при которых соответствующий катализатор восстановления NO (например, катализатор селективного каталитического восстановления с использованием азотсодержащего восстановителя) более активен (то есть выше температуры инициирования действия) в восстановлении NO, чем при температурах чуть выше 200°C, или который позволяет использовать прекурсоры аммиака, такие как мочевина, которые легче подвергаются гидролизу или пиролизу при повышенных температурах.

Как здесь используемые, термины "абсорбировать" и "адсорбировать" и любые их производные были применены взаимозаменяемо, и описание следует интерпретировать в соответствии с этим.

Адсорбент NO и термически регенерируемый абсорбент NO_x могут быть размещены в любой подходящей конфигурации, которая обеспечивает это преимущество. Например, в одном варианте осуществления проточный монолитный носитель имеет на входном конце монолитного носителя зону, покрытую адсорбентом NO, а на выходном конце монолитного носителя покрытие из термически регенерируемого абсорбента NO_x. Альтернативно адсорбент NO присутствует в нижележащем слое на монолитном носителе, а термически регенерируемый абсорбент NO_x присутствует в слое, расположенном над нижним слоем.

Подходящие катализаторы восстановления NO_x, известные в технологии, включают катализаторы бедных NO_x (известных также как углеводородные SCR-катализаторы), которые могут использовать углеводород и/или водород в качестве восстановителя, или ловушку NO_x, содержащую поглощающий NO_x компонент на основе щелочноземельного металла или щелочного металла, и каталитический компонент для окисления NO, подходящим образом содержащий платину и необязательно каталитический компонент для восстановления NO_x, такой как родий. В одном предпочтительном варианте осуществления катализатор восстановления NO_x является катализатором селективного каталитического восстановления (SCR), а восстановитель представляет собой азотсодержащий восстановитель.

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, но оно может также находиться выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, если конструкции выполнены во избежание сгорания восстановителя на фильтре.

В еще одном варианте осуществления катализатор восстановления NO_x находится на фильтре. Если фильтр является фильтром с пристеночным течением, катализатор восстановления NO_x может быть выполнен как тонкое покрытие, пропитывающее стенки фильтра. Это может быть сделано, например, измельчением катализатора до частиц со средним размером ≤5 мкм. В этом варианте осуществления устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа подходящим образом расположено выше по потоку относительно фильтра.

В одном предпочтительном варианте осуществления катализатор окисления NO до диоксида азота находится выше по потоку относительно фильтра и/или катализатора восстановления NO_x.

Предпочтительно катализатор восстановления NO_x селективно катализирует восстановление NO_x с использованием азотсодержащего восстановителя. Подходящие катализаторы селективного каталитического восстановления включают молекулярные сита, промотированные переходным металлом, такие как алюмосиликатные цеолиты и силикоалюмофосфаты. Подходящие переходные металлы в качестве промоторов включают Cr, Ce, Mn, Fe, Co, Ni и Cu и смеси двух или более из них. Предпочтительные катализаторы с молекулярными ситами 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 связан с каркасной структурой, например, посредством ионного обмена. Fe-WO_x-ZrO₂ может использоваться как активный SCR-катализатор без молекулярных сит.

Азотсодержащий восстановитель для применения в системе может представлять собой аммиак как таковой, гидразин или прекурсор аммиака, выбранный из группы, состоящей из мочевины ((NH₂)₂CO), карбоната аммония, карбамата аммония, гидрокарбоната аммония и формиата аммония.

Восстановитель для применения в системе или способе согласно изобретению является подходящим углеводородным восстановителем, азотсодержащим восстановителем или водородом. В конфигурациях с использованием углеводородного восстановителя, в предпочтительном применении системы согласно изобретению, углеводородный восстановитель может быть углеводородным топливом, который снабжает энергией двигатель. Если восстановитель является углеводородным топливом, может быть желательным подвергание топлива крекингу для образования углеводородов с более короткими цепями, чтобы способствовать более эффективному восстановлению NO_x. В этом отношении особенно эффективным катализатором крекинга углеводородного топлива является Pd/CeO₂.

Азотсодержащие восстановители могут включать аммиак как таковой, гидразин или прекурсор аммиака, выбранный из группы, состоящей из мочевины ((NH₂)₂CO), карбоната аммония, карбамата аммония, гидрокарбоната аммония и формиата аммония. Водород может быть образован in situ, например, приведением углеводородного топлива в контакт с подходящим катализатором риформинга или, если газ содержит диоксид углерода и воду, приведением газового потока в контакт с подходящим катализатором конверсии водяного газа.

Восстановитель добавляют в поток выхлопного газа с помощью любого подходящего устройства для введения восстановителя в выхлопной газ. Подходящие устройства включают инжектор, распылитель или питатель, но предпочтительно они являются инжектором. Такие средства хорошо известны в технологии.

Система может содержать устройство для регулирования введения восстановителя в выхлопной газ, чтобы восстановить в нем NO_x. В одном варианте осуществления регулирующее устройство содержит электронный блок управления, необязательно блок управления двигателем. Кроме того, регулирующее устройство может содержать датчик NO_x, установленный ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO.

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 содержащим 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 более полно понято, приведены нижеследующие примеры, только в порядке иллюстрации и с привлечением сопроводительных чертежей.

Пример

Фигура 1 схематически показывает автомобильный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий выхлопную систему согласно первому варианту осуществления изобретения, признаком которого является термически регенерируемый адсорбент NO, 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 имеющий высокую удельную площадь поверхности материал носителя на основе оксида алюминия.

Керамический фильтр 20 с пристеночным течением, содержащий тонкое покрытие из катализатора селективного каталитического восстановления Cu-SSZ-13, установлен ниже по потоку относительно катализатора 16 окисления NO. Катализатор 36 окисления аммиака, предназначенный для очистки от аммиака или предотвращения проскока аммиака, нанесен в виде покрытия на расположенный ниже по потоку конец монолитного носителя SCR-катализатора. Альтернативно катализатор для предотвращения проскока аммиака может быть нанесен на отдельный носитель, находящийся ниже по потоку относительно SCR-катализатора (не показано). Предусмотрено устройство (инжектор 22) для введения восстановительной текучей среды (мочевина 26) из резервуара 24 в выхлопной газ, проходящий по выхлопной трубе 14. Инжектор 22 регулируется с применением клапана 28, причем 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 системы рециркуляции выхлопных газов, также регулируемый электронным блоком 30 управления. Расположенный в контуре рециркуляции выхлопного газа адсорбент 19 NO содержит керамический проточный монолитный носитель, покрытый адсорбирующей NO композицией, содержащей палладий, нанесенный на оксид церия, которая выполняет прямую адсорбцию NO из тощего выхлопного газа при температуре до около 200°C, и прямую десорбцию NO в тощий выхлопной газ при температурах выше примерно 200°C.

При работе нанесенный на оксид церия палладиевый адсорбент 19 NO производит прямую адсорбцию NO из выхлопного газа, текущего в контуре рециркуляции выхлопного газа, при температурах до примерно 200°C, например, после холодного запуска в европейском ездовом цикле MVEG-A или в условиях езды, которые производят более холодный выхлопной газ, например, при длительных периодах режима холостого хода в транспортном потоке. По мере повышения температуры выхлопного газа в системе рециркуляции выхлопного газа NO десорбируется термически (то есть пассивно) и проходит в систему воздухозаборника двигателя, и после выхода из двигателя часть NO_x, полученного из десорбированного NO, восстанавливается на SCR-катализаторе 20 в присутствии аммиака, образовавшегося из мочевины, впрыснутой через инжектор 22. Катализатор 36 предотвращения проскока аммиака окисляет NH₃, который в противном случае был бы выпущен в атмосферу.

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 восстановителя, устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа, и источник восстановителя, выбранный из группы, состоящей из углеводородного восстановителя, азотсодержащего восстановителя, водорода, и смесей любых двух и более из них, 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-адсорбент NO_x (NAC), содержащий адсорбент оксида азота (NO).

2. Выхлопная система по п. 1, в которой адсорбент NO состоит из палладия и оксида церия, или смешанного оксида, или композитного оксида, содержащего церий и по меньшей мере один другой переходный металл.

3. Выхлопная система по п. 2, в которой по меньшей мере один другой переходный металл в смешанном оксиде или композитном оксиде представляет собой цирконий.

4. Выхлопная система по пп. 1, 2 или 3, в которой адсорбент NO имеет содержание палладия от 0,1 до 200 г/фут³ (0,0035-7,1 г/л).

5. Выхлопная система по п. 1, 2 или 3, в которой адсорбент NO комбинируется с термически регенерируемым адсорбентом NO_x для прямой адсорбции NO_x при температуре выше 200°C и прямой десорбции NO_x при температуре выше 250°C, причем термически регенерируемый абсорбент NO_x содержит платину и оксид металла.

6. Выхлопная система по п. 5, в которой термически регенерируемый абсорбент NO_x содержит платину, диспергированную на оксиде алюминия и/или диоксиде циркония.

7. Выхлопная система по п. 5, в которой адсорбент NO находится в нижележащем слое, а термически регенерируемый абсорбент NO_x находится в слое, перекрывающем нижележащий слой.

8. Выхлопная система по п. 1, 2 или 3, в которой катализатор восстановления NO_x находится ниже по потоку относительно фильтра.

9. Выхлопная система по п. 8, в которой устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа находится между фильтром и катализатором восстановления NO_x.

10. Выхлопная система по п. 1, 2 или 3, в которой катализатор восстановления NO_x находится на фильтре.

11. Выхлопная система по п. 10, в которой устройство для введения восстановителя в поток выхлопного газа находится ниже по потоку относительно фильтра.

12. Выхлопная система по п. 1, 2 или 3, содержащая катализатор окисления для окисления NO до диоксида азота, находящийся выше по потоку относительно фильтра и/или катализатора восстановления NO_x.

13. Выхлопная система п. 1, 2 или 3, в которой катализаторвосстановления NO_x селективно катализирует восстановление NO_x с использованием азотсодержащего восстановителя.

14. Выхлопная система по п. 13, 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.

15. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, содержащий выхлопную систему по п. 1.