Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ, СВЯЗАННЫЙ С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАННОГО ГАЗА

Согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения изобретение относится к устройству для последующей обработки отработанного газа двигателей внутреннего сгорания, в частности, работающих на обедненных смесях двигателей внутреннего сгорания автомобилей.

В общем, известно применение SCR-катализаторов (катализаторов селективного восстановления) для восстановления оксида азота в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания. В рамках проводимого с помощью данного SCR-катализатора селективного каталитического восстановления (SCR) к потоку отработанного газа непосредственно добавляют вещество, имеющее восстанавливающее действие, такое как, например, аммиак или полуфабрикатный продукт, который высвобождает восстанавливающие вещества только в отработанном газе. В качестве полуфабрикатного продукта можно, например, применять водный раствор мочевины.

В эксплуатируемых в автомобилях двигателях внутреннего сгорания организация восстановления оксида азота с помощью SCR-процесса затруднена потому, что, с одной стороны, в данном случае преобладают изменяющиеся условия эксплуатации, что затрудняет количественное дозирование восстановителя, с другой стороны, из соображения безопасности нельзя непосредственно использовать крайне реакционноспособный восстановитель аммиак, а его необходимо получать посредством разложения предшественников аммиака, таких как мочевина, формиат гуанидина, карбонат аммония или других.

Кроме того, следует обращать внимание на то, что хотя, с одной стороны, необходимо достигать по возможности большей степени преобразования оксида азота, с другой стороны, необходимо избегать излишнего выхода в атмосферу неизрасходованного восстановителя, такого как, например, аммиак.

Относительно реакции разложения мочевины с образованием аммиака известно, что она в оптимальных условиях, то есть при температуре выше 350°C, происходит в две стадии. Согласно уравнению:

(NH₂)₂CO->NH₃+HNCO(1)

происходит термолиз, то есть термическое разложение мочевины. Затем согласно уравнению:

HNCO+H₂O->NH₃+CO₂(2)

происходит гидролиз, то есть каталитическое разложение изоциановой кислоты (HNCO) на аммиак (NH₃) и диоксид углерода (CO₂).

При этом, для преобразования одного моль монооксида азота необходим один моль аммиака.

4NO+4NH₃+О₂->4N₂+6H₂O(3)

Соотношение между NH₃ и NO_x обозначают как коэффициент загрузки α.

α=NH₃/NO_x(4)

В случае идеального катализатора при коэффициенте загрузки более единицы все оксиды азота восстанавливаются, то есть достигают 100% преобразования NO_x, так как для степени преобразования NO_x X_NOx считается:

(5)

где: C_NOx,0: выход необработанного NO_x [частей на миллион]

C_NOx: выход NO_x после катализатора [частей на миллион]

Если количество подводимого аммиака превосходит количество преобразуемых оксидов азота, то происходит выход в атмосферу неизрасходованного аммиака. По причине его токсичности этого необходимо избегать при любых обстоятельствах.

Для того чтобы понять процессы, происходящие в катализаторе, необходимо кратко ознакомиться с реакционными и техническими основами.

Рассмотрим реакцию

(6)

где: A1,A2: исходные вещества

A3,A4: продукты

ν_i: стехиометрические коэффициенты

ν_i<0 для исходных веществ

ν_i>0 для продуктов

Данная реакция протекает с определенной скоростью, так называемой скоростью реакции «r» (7). Скорость реакции определяется как изменение во времени компонента «i» по отношению к его стехиометрическому коэффициенту. Таким образом, скорость реакции относится к уравнению реакции и не имеет значения без его указания.

(7)

где: n_i: число молей компонента i [моль]

t: время [сек]

Для постоянной по объему реакции можно изменение числа молей «dn_i» заменить изменением концентрации «dc_i»:

(8)

где: c_i: концентрация компонента i [моль/м³]

Если важна не скорость определенной реакции, а изменения компонента, то говорят о скорости изменения количества вещества «R».

(9)

В случае N реакций получается следующее:

(10)

Для того чтобы можно было лучше сравнивать скорости реакций и скорости изменения количества вещества различных катализаторов друг с другом, их относят к репрезентативным величинам, таким как, например, масса катализатора, объем катализатора или поверхность раздела фаз.

Для того чтобы описать зависимость, которая определяет скорость реакции, существует несколько выражений, одно из которых, так называемое степенное выражение, к которому прибегают, если механизм реакции не известен.

(11)

где k: константа скорости реакции

m_i: частичный порядок реакции относительно реагента A_i,

m: : общий порядок реакции

Частичный порядок «m_i» реагентов обычно определяют лабораторными измерениями.

Скорость реакции зависит не только от концентрации исходных продуктов и их порядка, а также, конечно, от температуры «T». Температура в приведенном выше выражении содержится в константе скорости «k».

(12)

где k_O: частотный фактор или фактор частоты [моль^1-m ·s^-1]

E_A: энергия активации [Дж/моль]

R: универсальная газовая постоянная: 8,31 Дж/моль K

Для скорости изменения количества вещества NO в SCR-катализаторе можно применять так называемое формальное кинетическое выражение (степенное выражение) формы:

(13)

при этом «m» обычно принимает значение «один», и «n» значение «ноль».

Практически это влечет за собой то, что скорость изменения количества вещества повышается с небольшим увеличением концентрации NO, в то время как увеличение концентрации NH₃ не оказывает на нее влияния.

Если перед SCR-катализатором добавляют содержащий платину катализатор окисления NO для образования NO₂

2NO+О₂<->2NO₂(14)

то SCR-реакция может значительно ускориться, и низкотемпературная активность заметно увеличиться.

NO+2NH₃+NO₂->2N₂+3H₂O(15)

Так как восстановитель, например, при применении в виде обозначаемой как AdBlue® жидкости для восстановления, находится в растворенной в воде форме, эта вода перед и во время непосредственно термолиза и гидролиза должна испаряться. Если температура при обеих приведенных выше реакциях находится ниже 350°C или если нагревание происходит медленно, образуются преимущественно твердая нерасплавляемая циануровая кислота при тримеризации изоциановой кислоты, что приводит к твердым отложениям или к полному засорению SCR-катализатора. С данным недостатком можно справиться, как описано в DE 4038054 A1, если содержащий восстановитель поток отработанного газа провести над катализатором гидролиза. Температуру отработанного газа, при которой становится возможным количественный гидролиз, можно снизить, таким образом, до 160°C, до тех пор пока добавленное количество мочевины не станет слишком большим. Однако такой дополнительный катализатор гидролиза дополнительно повышает стоимость устройства для обработки отработанного газа.

Несмотря на эти меры, часто не удается избежать образования циануровой кислоты, меламина или других нежелательных твердых продуктов реакций, в частности, когда вещество предшественник NH₃, такое как мочевина или водный раствор мочевины, и отработанный газ неравномерно распределены во всем поперечном сечении потока, или добавляемое количество становится слишком большим. При этом особенно критично, когда локальные большие количества восстановителя сталкиваются со стенками труб или катализатором разложения мочевины, в то время как одновременно на этом месте находится локальный минимум скорости потока. Это приводит к тому, что отработанный газ не может предоставить достаточное количество тепла для того, чтобы обеспечить количественное разложение восстановителя в NH₃. Более того, на данных местах образуются указанные отложения из нежелательных продуктов разложения восстановителя.

Этот эффект еще усиливает тот факт, что в транспортных средствах предоставляется только ограниченное пространство для подготовки восстановителя, что влечет за собой, в частности при проходе через катализатор, получение длины прохождения очень короткой, что в свою очередь влечет за собой очень плохую равномерность распределения в поперечном сечении катализатора по причине застойных зон потока, резких изменений поперечного сечения и/или разрывов потока.

Все это влечет за собой то, что степень преобразования NO_x в большинстве случаев лимитируется не непосредственной SCR-реакцией, а высвобождением аммиака из его предшественников.

Из DE 3604045 C1, EP 362483 A1 известны способы, в которых вместо непрерывного, постоянного добавления аммиака применяют периодическое непостоянное добавление аммиака, для того, чтобы таким образом повысить преобразование NO_x в SCR-катализаторе.

При этом кратковременно добавляют больше аммиака, чем необходимо в постоянных условиях, в частности, коэффициент загрузки в данном случае может превышать единицу, и затем количество аммиака снижают по сравнению с количеством, необходимым в постоянных условиях, или даже совсем прекращают подачу аммиака.

Причиной для наблюдаемого при данном способе повышения степени преобразования NO_x является то, что можно снизить ингибирование исходных продуктов аммиаком благодаря кратковременному снижению количества NH₃ в отработанном газе, а, следовательно, и на поверхности катализатора.

Однако данный способ, конечно, нельзя без затруднений применять в SCR-системах, которые работают не с чистым аммиаком, а с предшественниками аммиака, так как по причине периодической очень сильной передозировки в большинстве случаев происходит неполное разложение реакционной среды и, как следствие, отложение циануровой кислоты, меламина и других.

Задачей данного изобретения является предложить способ обработки отработанного газа в системе выпуска отработанного газа двигателей внутреннего сгорания, в частности, работающих на обедненных смесях двигателей внутреннего сгорания автомобилей, который делает возможным функциональное, в частности количественно улучшенное преобразование NO_x в отработанном газе, простым и надежным в эксплуатации способом.

Данную задачу можно решить с помощью отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные и особенно целесообразные усовершенствования данного изобретения являются объектами зависимых пунктов.

Для того чтобы снизить ингибирование исходных веществ реакции аммиаком, находящимся на поверхности катализатора, выход необработанных NO_x периодически поднимают и снижают, без того приспосабливания подводимого количества восстановителя соответствующим образом, в частности пропорционально. Это влечет за собой то, что в фазе с высоким выходом необработанных NO_x, количество NO_x превосходит подводимое количество восстановителя, так что снижается коэффициент загрузки, что в свою очередь влечет за собой реакцию NO_x с находящимся в катализаторе аммиаком, так что загрузка катализатора аммиаком прекращается, так как он теперь расходуется без того, чтобы он мог возмещаться достаточным количеством NH₃ из газовой фазы. Дополнительно с помощью повышения выхода необработанных NO_x, как описано выше, повышается скорость изменения количества вещества и вследствие этого количество преобразованного NO_x.

В фазе с низким выходом необработанного NO_x напротив, подводимое количество восстановителя превышает количество, необходимое для соответствующего преобразования NO_x, так что имеется высокий коэффициент загрузки, вследствие чего катализатор снова загружается аммиаком.

Преимущество данного способа состоит в том, что возможно изменять количество находящегося в катализаторе NH₃ даже в критических для разложения восстановителя условиях эксплуатации, таких как низкая температура отработанного газа и/или низкий массовый поток отработанного газа, отказавшись при этом от повышения количества восстановителя для повторной загрузки катализатора аммиаком. Дополнительно количество преобразованного NO_x поднимается благодаря повышению скорости изменения количества вещества.

Кроме того, данный способ позволяет эксплуатировать двигатель внутреннего сгорания, по меньшей мере, во время отдельных фаз на более высоком уровне NO_x, что влечет за собой, как правило, улучшение эффективности и вместе с этим снижение расхода топлива.

Для того чтобы ускорять «разгрузку» катализатора от аммиака можно в фазе с высоким выходом необработанных NO_x подводимое количество восстановителя снижать или совсем прекращать подачу. Конечно, в фазе эксплуатации, в которой обеспечивается надежное разложение восстановителя, в фазе с низким выходом необработанных NO_x также допустимо увеличивать подводимое количество восстановителя и, таким образом, ускорять накопление аммиака.

Выход необработанных NO_x, как уже было объяснено, можно варьировать с помощью изменения параметров эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. В качестве параметров эксплуатации, которые имеют непосредственное влияние на выход NO_x, принимают во внимание, в том числе начало впрыскивания, соотношение воздуха и топлива (лямбда), давление впрыска, число впрыскиваний топлива отдельными форсунками на рабочий такт, температуру всасываемого воздуха и, при наличии рециркуляции отработанного газа, количество возвращаемого отработанного газа (доля EGR (рециркуляция отработанного газа)). При этом следующие изменения указанных эксплуатационных параметров влекут за собой увеличение выхода необработанных NO_x:

- смещение начала впрыскивания на более раннее время,

- смещение отношения количества воздуха к количеству топлива в направлении более высоких значений лямбда,

- повышение давления впрыска,

- снижение числа впрыскиваний топлива отдельными форсунками на рабочий такт,

- повышение температуры всасываемого воздуха, например, с помощью обводного трубопровода охладителя наддувочного воздуха,

- снижение количества возвращаемого отработанного газа.

Конечно, меры по повышению или уменьшению выхода необработанных NO_x в различных условиях эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности, когда двигатель эксплуатируется в автомобиле, должны быть приспособлены к прочим условиям эксплуатации, например, к максимально возможной мощности охлаждения системы охлаждения двигателя, мощности, задаваемой водителем и т.д.

Так как режимы накопления и разгрузки аммиака сильно зависят от условий проведения обработки отработанного газа, таких как температура катализатора, степень заполнения катализатора аммиаком, степень преобразования NO_x, выход необработанных NO_x, выход NO₂ выше SCR-катализатора по патоку, выход NO_x из системы, выход NH₃ из системы и количество подводимого восстановителя, предпочтительно делать длину периода и/или размер повышения, и/или размер снижения, и/или длительность повышения, и/или длительность снижения выхода необработанных NO_x и/или количества подводимого восстановителя зависимыми от данных величин. При этом следует обратить внимание на следующую зависимость:

длина периода и/или размер повышения, и/или размер снижения, и/или длительность повышения, и/или длительность снижения выхода необработанных NO_x увеличиваются со снижением температуры катализатора и/или со снижением выхода NO₂ выше SCR-катализатора по патоку, если соотношение NO₂/NO_x меньше единицы, и/или с повышением выхода NO₂ выше SCR-катализатора по патоку, если соотношение NO₂/NO_x больше единицы, и/или со снижением выхода NH₃ из системы, и/или со снижением количества подводимого восстановителя, и/или со снижением степени преобразования NO_x и/или с повышением выхода NO_x из системы.

Условия эксплуатации могут определяться с одной стороны непосредственно датчиками или с помощью моделей в виде математических функций, параметрических поверхностей и/или нейронных сетей. Подобные способы давно известны специалистам, так что подробное описание излишне.

Принцип действия предлагаемого способа рассмотрен ниже подробно с помощью нескольких примеров со ссылкой на фигуры, на которых:

на фиг.1 показано принципиальное изображение области, в пределах которой варьирует коэффициент загрузки;

на фиг.2 показан пример с первым вариантом периодического хода повышения NO_x/снижения NO_x с постоянным поступлением восстановителя;

на фиг.3 показана степень преобразования NO_x в % при различных температурах катализатора и ходом повышения NO_x/снижения NO_x согласно фиг.2;

на фиг.4 показан второй пример периодического хода повышения NO_x/снижения NO_x с постоянным поступлением восстановителя.

На фиг.1 представлена в виде принципиальной схемы зависимость температуры катализатора от коэффициента загрузки в SCR-катализаторе двигателя внутреннего сгорания применительно к максимально достижимой степени преобразования оксида азота, при этом на ось абсцисс нанесена температура, и на ось ординат коэффициент загрузки α. Представленный сплошной линией ход кривой указывает теоретический коэффициент загрузки α, который следует выбирать при определенной температуре катализатора для того, чтобы для данной температуры катализатора получить максимальную степень преобразования для поступающего в катализатор оксида азота. Вместе с этим данная кривая представляет теоретическое установившееся состояние. Было обнаружено, что если коэффициент загрузки α варьирует в пределах определенных границ, которые можно установить только экспериментально для определенного типа катализатора в зависимости от температуры катализатора, с помощью соответственного изменения выхода необработанного NO_x можно существенно повысить степень преобразования NO_x. Указанные границы также нанесены на фиг.1, отнесенные к температуре для того, чтобы разъяснить принципиальную взаимосвязь. При этом, прерывистая линия представляет относящуюся к температуре верхнюю границу, и пунктирная линия представляет нижнюю границу для области вариации коэффициента загрузки α. На примере это означает то, что для температуры катализатора 250°C коэффициент загрузки α, например, периодически варьирует около теоретического значения 0,5 на короткие интервалы, а именно внутри границ 0,25 и 0,8. Данное варьирование, как было указано выше, осуществляется посредством того, что выход необработанного NO_x двигателя внутреннего сгорания кратковременно поднимают, и затем снова снижают. Технические приемы в двигателе, которые вызывают указанные действия, в достаточной мере известны специалистам, на этом уже останавливались выше.

В ходе исследований было подтверждено, что предпочтительно варьировать выход необработанного NO_x и/или коэффициент загрузки α, по меньшей мере, до 20%, более предпочтительно, по меньшей мере, до 40%, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, до 60%.

Для того чтобы продемонстрировать влияние изменения выхода необработанного NO_x на степень преобразования, проводили измерения в испытательном катализаторе, которые описаны ниже в примере в сочетании с фиг.2 и 3. При измерениях использовали двигатель внутреннего сгорания типа MAN-D2676 с внешней рециркуляцией охлажденного отработанного газа, в выпускном тракте был установлен SCR-катализатор со следующими данными:

- ячеистое строение: 300 cpsi (ячеек на квадратный дюйм)

- активный компонент: V₂O₅ на WO₃-стабилизированном TiO₂

- объем: 30,3 л.

Изменение выхода необработанных NO_x осуществляли с помощью изменения количества отработанного газа, направляемого обратно со стороны поступления свежего воздуха (повышение доли EGR (рециркуляции отработанного газа).

Режимы работы двигателя были 1200 об/мин/800 Нм, 1200 об/мин/1200 Нм и 1200 об/мин/1700 Нм, температура катализатора, которая получалась вследствие этого, составляла 200°C, 300°C и 400°C.

Как можно видеть на фиг.2, концентрацию NO_x (в частях на миллион) варьировали таким образом, чтобы получался периодический трапециевидный ход кривой, при этом концентрация NO_x колебалась от предельных значений 500 частей на миллион до 1500 частей на миллион симметрично около концентрации NH₃ 1000 частей на миллион, длительность периода составляла 4 секунды. На фиг.3 показана степень преобразования NO_x в % для температуры катализатора 200°C, 300°C и 400°C, которая достигалась в выбранных на фиг.2 условиях. Для сравнения, на фиг.3 дополнительно нанесены степени преобразования NO_x в %, которые достигались при неизменяемом выходе необработанных NO_x, то есть при длительности периода 0 секунд и иным образом неизменяемый в остальном таком же устройстве и принципе действия. Как нетрудно заметить, с помощью предлагаемого способа достигается значительное повышение степени преобразования NO_x, даже при низких температурах катализатора.

Как показано на фиг.4 концентрация NO_x (в частях на миллион), конечно, также может варьировать согласно другому ходу кривой. На данной фигуре показан периодический прямоугольный ход кривой, при этом концентрация NO_x также колеблется от предельных значений 500 частей на миллион до 1500 частей на миллион симметрично вокруг концентрации NH₃ 1000 частей на миллион.

Также длительность периода, которая в примере согласно фиг.3 составляет две секунды, может применяться в качестве регулирующей переменной для оптимизации степени преобразования NO_x. То же самое относится и к амплитуде колебаний. Коэффициент загрузки α не должен обязательно симметрично колебаться вокруг теоретического постоянного значения (сплошная линия на фиг.1), более того на практике может оказаться целесообразным выбирать асимметричные снижения и повышения выхода необработанных NO_x (прерывистая и пунктирная линии на фиг.1). Как уже отмечалось выше, фактическое изменение коэффициента загрузки α может быть указано только таким образом, что значение α варьирует около предполагаемого теоретического значения в положительном и отрицательном направлении и данные изменения должны происходить с помощью кратковременных повышений и снижений выхода необработанных NO_x. Соответственно, оптимальный размер повышения или снижения в значительной мере зависит от используемого материала катализатора и должен определяться эмпирически для катализатора определенного типа.

Главной идеей предлагаемого технологического процесса является то, что отношение количества NH₃ к количеству NO_x (коэффициент загрузки α) периодически варьируется с помощью изменения выхода необработанных оксидов азота таким образом, что коэффициент загрузки α периодически колеблется около теоретического постоянного значения.

Конечно, существует возможность изменять приведенный выше наглядно объясненный пример технологического процесса. Так, существует возможность оптимизировать действие способа таким образом, чтобы подводимое количество восстановителя приспосабливалось не в соответствии, в частности не пропорционально, к периодически колеблющемуся выходу необработанных NO_x. При этом также допустимо снижение количества восстановителя, однако при этом должно быть обеспечено, например, с помощью учета температуры до и/или в SCR-катализаторе, чтобы заданный уровень температуры при повторном повышении количества восстановителя не был ниже нижней границы.

Далее, может быть выгодным выбирать длину периода, и/или размер повышения, и/или размер снижения, и/или длительность повышения, и/или длительность снижения выхода необработанных NO_x в зависимости от условий эксплуатации устройства для обработки отработанного газа. При этом, в качестве условий эксплуатации можно учитывать температуру катализатора, и/или степень загрузки аммиака в катализаторе, и/или степень преобразования NO_x, и/или выход необработанных NO_x, и/или количество NO₂ до фильтра твердых частиц, и/или выход NO_x после устройства для обработки отработанного газа, и/или выход NH₃ после устройства для обработки отработанного газа, и/или количество подводимого восстановителя, и/или количество накопленного NH₃, и/или количество NH₃, которое может быть накоплено. Данные условия эксплуатации можно определить с помощью датчиков и/или моделей, в виде математических функций, параметрических поверхностей и/или нейронных сетей. Подобные способы давно известны специалистам в данной области, так что подробное описание излишне.

Если, несмотря на предложенные меры, SCR-катализатор пропускает неизрасходованный NH₃, то можно предусмотреть, чтобы он разлагался с помощью загрузки материала с окисляющим действием расположенного на стороне очищенного газа, и/или чтобы способность накопления аммиака поднималась в направлении стороны очищенного газа для того, чтобы амортизировать пики содержания аммиака с помощью накапливания.