Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕССЕРИВАНИЯ ПОТОКА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ

Изобретение относится к способу обессеривания потока рециркуляции отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы, а также к устройству для осуществления способа согласно ограничительной части пункта 11 формулы.

Рециркуляция отработанных газов применяется в двигателях внутреннего сгорания для снижения выбросов NO_x, причем существует такая проблема, что при применении горючего с высоким содержанием серы образуется диоксид серы, и внутри охлажденной системы рециркуляции отработанных газов возникает серная кислота и/или сернистая кислота, которые ведут к сильной коррозии деталей двигателя, таких как трубопровод наддувочного воздуха, впускные клапаны, гильзы цилиндров, и т.д.

В техническом плане отработанные газы обычно подвергаются обессериванию путем добавления СаОН или СаО, и последующим образованием сульфата кальция (DE000003603365С2). Правда, их добавление в трубопровод системы рециркуляции отработанных газов (AGR) затруднительно, так как СаО, СаОН и образующийся СаSO4 оказывают относительно сильное абразивное действие, которое ведет к интенсивному износу гильз цилиндров.

Возможно также обессеривание с помощью NH₃ с образованием сульфата аммония (DE 3636554 А1), правда, вследствие высокой стоимости используемого NH₃ и дорогостоящего технологического процесса не реализовано:

2NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)₂SO₄;

NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)HSO₄.

Так, при этом использовании отработанный газ должен быть охлажден до температур ниже 300°С, предпочтительно до температур ниже 100°С, так как свыше этого сульфат аммония, соответственно, гидросульфат аммония опять разлагаются или же вообще не образуются.

С другой стороны, в условиях селективного каталитического восстановления (сокращенно называемого SCR-способом) существует возможность с помощью NH₃ каталитическим путем снизить количество оксида азота ниже по потоку относительно двигателя внутреннего сгорания. В автомобилях вместо NH₃ по большей части используется мочевина, которая в горячих отработанных газах выделяет NH₃. Это разложение может быть интенсифицировано применением так называемого катализатора гидролиза, как, например, описано в DE 4038054.

Кроме того, из ЕР 1052009 известен способ, в котором разложение мочевины производится в частичном потоке.

В принципе, имеется возможность обогащать поток отработанных газов в системе рециркуляции отработанных газов аммиаком (NH₃), чтобы снизить выбросы оксида азота согласно следующему уравнению в условиях так называемого «селективного некаталитического восстановления» (SNCR):

2NH₃ + 2NO + O₂ → 2N₂ + 3H₂O.

В отличие от каталитического SCR-способа, при котором конверсия NO_x достигает свыше 95%, вследствие плохой селективности этой реакции возможна только конверсия от 15 до 25%.

Из DE 10357402 А1 известен способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, который имеет установку для очистки отработанных газов с катализатором образования аммиака. В потоке отработанных газов, подаваемом из двигателя внутреннего сгорания к турбине работающего на отработанных газах турбокомпрессора, с помощью катализатора образования аммиака создается аммиак. От обогащенного аммиаком потока отработанных газов перед турбиной работающего на отработанных газах турбокомпрессора ответвляется частичный поток отработанных газов, который в качестве возвратного потока отработанных газов подается на воздухозаборную сторону двигателя внутреннего сгорания. С помощью предусмотренного дроссельного клапана можно регулировать возвратный поток отработанных газов, однако не предусматривается никакого целенаправленного подведения аммиака в возвратный поток отработанных газов, и тем самым никакого корректирования количества NH₃, необходимого для оптимального обессеривания возвращаемого в рециркуляцию потока отработанных газов. Это ведет к тому, что концентрация NH₃ в системе рециркуляции отработанных газов соответствует концентрации NH₃ перед SCR-катализаторами. Кроме того, при топливах с высоким содержанием серы возникает дополнительная проблема: прежде чем поток отработанных газов может быть введен в приточный воздух, он должен быть охлажден, поскольку в противном случае это может привести к повышенным выбросам NO_x, снижению мощности, и в худшем случае к повреждению двигателя. Правда, на необходимых для этого охладителях при снижении температуры до менее, чем около 300°С, и в присутствии аммиака это обусловливает выделение сульфата аммония или, соответственно, гидросульфата аммония, которое ведет к забиванию охладителя.

Из WO 2012/096123 А1 известен двигатель внутреннего сгорания, эксплуатируемый с NH₃, в котором ниже по потоку относительно турбины турбокомпрессора от потока отработанных газов ответвляется возвратный поток отработанных газов к воздухозаборной стороне компрессора турбонагнетателя. При этом в возвратный поток отработанных газов впрыскивается водный раствор аммиака. Этим выполняются две задачи: во-первых, благодаря этому циркуляционный поток отработанных газов охлаждается, во-вторых, аммиак в камере сгорания реагирует с образующимся там монооксидом азота в условиях уже описанного выше «селективного некаталитического восстановления» (SNCR) с образованием азота. В результате сочетания обоих действий, а именно, охлаждения отработанных газов и сокращения количества монооксида азота благодаря NH₃, отчасти различающиеся требования могут варьировать не независимо друг от друга, не говоря уже о том, что проявляется дополнительное, независимое действие, такое как обессеривание в результате образования соли аммония.

Для обоих способов является общим то, что они не работают с веществами, которые являются прекурсорами аммиака, такими как мочевина, формиат гуанидиния, циануровая кислота или формиат аммония. Обоснование тому состоит в высокой степени коррозионной активности соединений и, соответственно, образующихся из них продуктов, таких как изоциановая кислота и муравьиная кислота.

Кроме того, из JP 2009-85011 А известен способ, в котором, в зависимости от измеренного на стороне впуска значения рН, при необходимости формируется NH₃ и вводится на воздухозаборной стороне, чтобы регулировать величину рН.

В основу изобретения положена задача создания способа обработки отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания, с помощью которого может быть выполнено по возможности экономичное обессеривание.

Решение этой задачи получено с помощью признаков пункта 1 формулы. Особенно предпочтительные усовершенствования изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Согласно отличительной части пункта 1 формулы, в частичный поток отработанных газов, ответвляемый от потока отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, вводится по меньшей мере один отщепляющий аммиак реактант, и нагруженный таким образом частичный поток отработанных газов подается частично как возвратный поток отработанных газов на воздухозаборную сторону, и частично в качестве частичного потока для дополнительной обработки в систему обработки (нейтрализации) отработанных газов, причем подаваемое на воздухозаборную сторону количество возвратного потока отработанных газов, и количество частичного потока для дополнительной обработки, подводимого в систему обработки отработанных газов, задают и/или варьируют в зависимости от по меньшей мере одного эксплуатационного параметра, который определяется соответствующий эксплуатационной ситуацией двигателя внутреннего сгорания. В результате введения аммиака в ответвленный частичный поток отработанных газов может быть проведено обессеривание возвратного потока отработанных газов при введении сравнительно малого количества аммиака, и тем самым соответственно экономично. Это происходит, как уже было описано выше, вследствие образования сульфата аммония:

2NH₃ + SO₃ + H₂O → (NH₄)₂SO₄.

Вопреки уровню техники, количество NH₃, подводимое в систему рециркуляции отработанных газов, соответственно, на воздухозаборную сторону, может быть приспособлено к необходимой для обессеривания потребности путем вариации количества частичного потока отработанных газов, в который добавлен NH₃ и который подводится в систему рециркуляции отработанных газов, соответственно, на воздухозаборную сторону и в систему обработки отработанных газов. Поскольку концентрация оксидов серы в отработанном газе обычно является более низкой, чем концентрация оксида азота, это значит, что концентрация NH₃ перед входом в камеру сгорания устанавливается более низкой, чем концентрация NOx, но большей или равной концентрации SOx.

Дополнительное преимущество способа по сравнению с уровнем техники состоит в том, что могут быть использованы не только аммиак, но и его предшественники, такие как мочевина, формиат гуанидиния (GUFO), циануровая кислота или формиат аммония, поскольку преобладающие выше по потоку относительно турбонагнетателя высокие температуры благоприятствуют выделению NH₃. Это может быть дополнительно улучшено применением катализаторов ниже по потоку относительно места введения отщепляющих аммиак реактантов. В случае мочевины, циануровой кислоты и формиата аммония предлагаются катализаторы, содержащие оксид титана, и/или оксид кремния, и/или оксид железа, и/или оксид вольфрама, и/или оксид алюминия, и/или оксид ванадия, и/или цеолит, и в случае GUFO содержащие золото.

Частичный поток отработанных газов в принципе может быть ответвлен ниже по потоку относительно турбины работающего на отработанных газах турбонагнетателя. Однако особенно предпочтительным является вариант исполнения, в котором частичный поток отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания с наддувом от работающего на отработанных газах турбонагнетателя отводится выше по потоку относительно турбины работающего на отработанных газах турбонагнетателя. Этот отбор на высоконапорной стороне турбонагнетателя позволяет обеспечить простую общую конструкцию, так как вследствие разности давлений, как правило, можно отказаться от транспортирующих устройств для содержащего NH₃ потока отработанных газов.

Введение содержащего аммиак частичного потока в возвратный поток отработанных газов или в приточный воздух целесообразно выполняется ниже по потоку относительно охладителя отработанных газов, соответственно, при двигателях внутреннего сгорания с наддувом, ниже по потоку относительно охладителя наддувочного воздуха. Тем самым можно, в отличие от уровня техники, избежать забивания охладителя сульфатом аммония.

Первый частичный поток отработанных газов предпочтительно разделяется на возвратный поток отработанных газов и используемый для каталитического восстановления второй частичный поток отработанных газов, причем второй частичный поток отработанных газов подается в поток отработанных газов, направляемый в SCR-катализатор. Этим путем аммиак, добавленный в первый ответвленный частичный поток отработанных газов, также может быть пропорционально использован для селективного каталитического восстановления в SCR-катализаторе.

Система рециркуляции отработанных газов также может работать таким образом, что на воздухозаборной стороне (сторона свежего воздуха) двигателя внутреннего сгорания подается ответвленный ниже по потоку относительно SCR-катализатора дополнительный частичный поток отработанных газов. Путем дросселирования различных ответвленных частичных потоков отработанных газов можно проводить целенаправленную рециркуляцию отработанных газов, при которой обеспечивается обессеривание возвратного потока отработанных газов.

Подведение содержащего аммиак частичного потока на воздухозаборную сторону, соответственно, в систему рециркуляции отработанных газов, предпочтительно производится ниже по потоку относительно одного или многих охладителя(-лей) на воздухозаборной стороне или, соответственно, на стороне рециркуляции отработанных газов. Если этот отдельный охладитель отсутствует и функционально скомбинирован с охладителем наддувочного воздуха, то есть наддувочный воздух и система рециркуляции отработанных газов объединяются выше по потоку относительно охладителя наддувочного воздуха, то подведение содержащего аммиак частичного потока выполняется опять же ниже по потоку относительно этого охладителя.

На воздухозаборную сторону двигателя внутреннего сгорания может подводиться третий частичный поток отработанных газов, ответвленный выше по потоку относительно турбины работающего на отработанных газах турбонагнетателя. Этот третий частичный поток отработанных газов с помощью теплообменника предпочтительно охлаждается до подходящей температуры отработанных газов.

Дросселирование частичных потоков отработанных газов и/или подаваемого в SCR-катализатор второго частичного потока отработанных газов предпочтительно исполняется в зависимости от эксплуатационных параметров всей системы в целом. Тем самым получаются оптимальные условия работы как для требуемого обессеривания, так и для проводимого селективного каталитического восстановления. При этом в особенности предпочтительно, когда подводимое количество NH₃ также регулируется в зависимости от эксплуатационных параметров всей системы в целом.

Кроме того, в основу изобретения положена задача создания устройства для обессеривания возвратного потока отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания, с помощью которого может быть осуществлен, в частности, соответствующий изобретению способ.

Решение поставленной в отношении устройства задачи обеспечивается с помощью признаков пункте 1 формулы. В особенности предпочтительные усовершенствования соответствующего изобретению устройства раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Согласно отличительной части пункта 11 формулы предусматривается, что от трубопровода для отработанных газов, ведущего от двигателя внутреннего сгорания к системе обработки отработанных газов, ответвляется первый отводной трубопровод, который возвращает первый частичный поток отработанных газов как содержащий аммиак возвратный поток отработанных газов на воздухозаборную сторону, соответственно, в рециркуляцию отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, причем первый отводной трубопровод соединен с подающим устройством для подачи по меньшей мере одного отщепляющего аммиак реактанта. Кроме того, предполагается, что предусмотрен ответвленный от первого отводного трубопровода второй отводной трубопровод, который возвращает часть первого частичного потока отработанных газов для дополнительной обработки отработанных газов в систему обработки отработанных газов, причем предусмотрено управляющее и/или регулирующее устройство, которое задает и/или варьирует количество возвратного потока отработанных газов, подводимое на воздухозаборную сторону, и количество обрабатываемого частичного потока отработанных газов, подаваемого в систему обработки отработанных газов, в зависимости от по меньшей мере одного эксплуатационного параметра, определяемого конкретной эксплуатационной ситуацией двигателя внутреннего сгорания. Тем самым здесь разложение восстановителя преимущественно происходит параллельно работающему на отработанных газах турбонагнетателю, где имеется высокая концентрация аммиака. Преобладающий здесь высокий уровень давления обеспечивает то, что, как правило, дополнительные подающие устройства не требуются.

Кроме того, предпочтительно, когда от ведущего к турбине трубопровода для отработанных газов ответвляется третий отводной трубопровод, который присоединен через теплообменник к трубопроводу для свежего воздуха двигателя внутреннего сгорания. Тем самым дополнительный, имеющий пониженную температуру возвратный поток отработанных газов может быть подведен на воздухозаборную сторону двигателя внутреннего сгорания. При этом к трубопроводу для свежего воздуха могут быть присоединены высоконапорная сторона (сторона высокого давления) компрессора турбонагнетателя и первый отводной трубопровод.

Чтобы иметь возможность обеспечивать зависимое от эксплуатационных параметров оптимирования регулирование газовых потоков, предпочтительно до и после ответвляющегося от первого отводного трубопровода второго отводного трубопровода в первом отводном трубопроводе размещены регулируемые дроссельные устройства.

Понятие «воздухозаборная сторона» здесь должно определенно пониматься в самом широком смысле, и, разумеется, должно включать не только подачу возвратного потока отработанных газов в поток свежего воздуха, но и, разумеется, возможность подачи к одному или многим из притекающих или возвратных на воздухозаборную сторону потоков веществ, в частности, определенно также подачи в возвратный поток отработанных газов устройства рециркуляции отработанных газов.

Далее изобретение разъясняется подробнее с помощью представленных в чертеже примеров осуществления.

Как показано:

Фиг. 1 представляет двигатель внутреннего сгорания с системой рециркуляции отработанных газов, в которой подача содержащего NH₃ потока отработанных газов производится на стороне всасывания компрессора,

Фиг. 2 представляет двигатель внутреннего сгорания с системой рециркуляции отработанных газов, в которой содержащий NH₃ поток отработанных газов подается на воздухозаборную сторону ниже по потоку после компрессора двигателя внутреннего сгорания, и

Фиг. 3 представляет двигатель внутреннего сгорания с системой рециркуляции отработанных газов, в которой подача содержащего NH₃ потока отработанных газов производится на напорную сторону компрессора.

Схематическое изображение в Фиг. 1 показывает двигатель 1 внутреннего сгорания, поток отработанных газов которого через трубопровод 2 для отработанных газов подается в турбину 3 турбонагнетателя 4. Турбина 3 приводит в действие компрессор 5 турбонагнетателя 4, через который воздух по трубопроводу 6 для свежего воздуха подается в двигатель 1 внутреннего сгорания.

От трубопровода 2 для отработанных газов через первый отводной трубопровод 7а ответвляется первый частичный поток 7 отработанных газов, который частично, еще описываемым путем, в качестве нагруженного аммиаком возвратного потока 7'' отработанных газов, на стороне 8а всасывания компрессора 5 примешивается в засасываемый воздух. От первого отводного трубопровода 7а ответвляется второй отводной трубопровод 9а, через который второй частичный поток 9 отработанных газов подается в ведущий к SCR-катализатору 10 трубопровод 11 для отработанных газов. Через трубопровод 11 для отработанных газов в SCR-катализатор 10 подается основной поток отработанных газов двигателя 1 внутреннего сгорания.

Через нагнетательный трубопровод 12 в первый частичный поток 7 отработанных газов подводится NH₃ в количестве, необходимом для обессеривания возвратного потока 7'' отработанных газов. Кроме того, ответвленные частичные потоки с помощью дроссельных устройств 13-15 управляются и, соответственно, регулируются в зависимости от эксплуатационных параметров всей системы в целом. В представленном примере исполнения для этого установлены дроссельные устройства 14 и 15 как дроссельные устройства, регулируемые и/или управляемые с помощью управляющего и/или регулирующего устройства (не изображено). Подводимое количество NH₃ и дросселирование частичных потоков в различных отводных трубопроводах могут регулироваться в зависимости от содержания серы в топливе, от соотношения «воздух/топливо», и также от количества отработанных газов, подводимых на воздухозаборную сторону (сторона свежего воздуха) 8 двигателя 1 внутреннего сгорания. К управлению также могут быть привлечены дополнительные параметры всей системы, чтобы достигнуть оптимального обессеривания возвращаемого в двигатель 1 внутреннего сгорания потока отработанных газов, что далее еще будет обстоятельно разъяснено и представлено.

В Фиг. 1 изображен еще один дополнительный отводной трубопровод 16а, через который ниже по потоку относительно SCR-катализатора 10 производится дополнительная рециркуляция (возврат) частичного потока отработанных газов на воздухозаборную сторону 8 двигателя 1 внутреннего сгорания, а именно, предпочтительно управляемый и/или дросселируемый с помощью дроссельного устройства 24, связанного с управляющим и/или регулирующим устройством.

Фиг. 3 показывает подобную конструкцию, как в Фиг. 1. Но в отличие от нее, здесь нагруженный аммиаком частичный поток 7’ подается на воздухозаборную сторону 8 лишь ниже по потоку относительно охладителя 21 наддувочного воздуха, который подсоединен ниже по потоку относительно компрессора 5 в трубопроводе 6 для приточного воздуха. В результате этого должно быть предотвращено забивание (блокирование) охладителя 21 наддувочного воздуха сульфатом аммония.

В приведенном на Фиг. 2 примере исполнения двигатель 1 внутреннего сгорания присоединен к трубопроводу 2 для отработанных газов, который приводит в действие турбину 3 турбонагнетателя 4. Компрессор 5 турбонагнетателя 4 засасывает воздух и подает его на воздухозаборную сторону двигателя 1 внутреннего сгорания через трубопровод 6 для свежего воздуха.

От трубопровода 2 для отработанных газов ответвляется третий отводной трубопровод 17а, через который третий частичный поток 17 отработанных газов подается на воздухозаборной стороне в трубопровод 6 для свежего воздуха. С помощью теплообменника 18 этот третий частичный поток 17 отработанных газов охлаждается до надлежащей температуры. Объединение нагруженного аммиаком возвратного потока 7'' отработанных газов с системой рециркуляции отработанных газов, соответственно, трубопроводом 6 для свежего воздуха производится ниже по потоку относительно теплообменника 18, чтобы предотвратить забивание охладителя, соответственно, теплообменника 18 сульфатом аммония.

Первый частичный поток 7 отработанных газов, который ответвляется от трубопровода 2 для отработанных газов через первый отводной трубопровод 7а, поступает по нему на воздухозаборную сторону 8 двигателя 1 внутреннего сгорания. Остальная часть первого частичного потока 7 отработанных газов в виде нагруженного аммиаком частичного потока 7’ отработанных газов через второй отводной трубопровод 9 поступает в систему обработки отработанных газов, которая здесь, например, включает SCR-катализатор 10. Кроме того, в первом отводном трубопроводе 7а может быть использован катализатор 19 для разложения отщепляющих аммиак реактантов, чтобы стимулировать высвобождение NH₃ и предотвращать образование нежелательных коррозионно-агрессивных продуктов реакции.

Чтобы регулировать долю NH₃, содержащуюся в системе рециркуляции (возврата) отработанных газов, может регулироваться и, соответственно, управляться подача NH₃ с помощью ранее уже упомянутого или отдельного управляющего и/или регулирующего устройства. Кроме того, предпочтительно предусматриваются управляемые и, соответственно, регулируемые дроссельные устройства 20, 22 и 23, чтобы управлять величиной расхода потока в различных газопроводах и, соответственно, регулировать ее. Тем самым можно эксплуатировать, соответственно, регулировать, соответственно, управлять отдельные компоненты всей системы, состоящей из рециркуляции отработанных газов, обессеривания и SCR-катализатора, независимо друг от друга. В принципе при этом действительно следующее:

Подаваемые в рециркуляцию отработанных газов, соответственно, на воздухозаборную сторону количества NH₃ и/или подводимые в рециркуляцию отработанных газов, соответственно, на воздухозаборную сторону количества частичных потоков, зависят от следующих факторов и варьируют посредством соответствующих управляющих устройств:

- содержание серы в топливе;

- соотношение «воздух/топливо»;

- давление наддува;

- влажность воздуха;

- возвратное количество отработанных газов (AGR-отношение),

тогда как рециркуляция отработанных газов зависит от:

- заданного (т.е. номинального) содержания NOx до каталитической конверсии;

- заданного (номинального) значения содержания сажи;

- соотношения «воздух/топливо»,

и на SCR-реакцию влияют следующие величины:

- уровень выбросов NOx до каталитической конверсии;

- заданная (номинальная) концентрация NOx;

- температура SCR-катализатора.

Результатом этого является, например, то, что вводимое через нагнетательный трубопровод 12 количество реактанта получается из суммы количеств NH₃, необходимых для обессеривания рециркулирующих отработанных газов и для SCR-реакции. При этом подводимое количество NH₃, как правило, получается по меньшей мере по четырем из вышеуказанных величин.

Подразделение этого количества на необходимые частичные количества для частичных систем SCR- и обессеривания получается с привлечением размещенных в частичных потоках дроссельных устройств, то есть в представленных примерах исполнения с помощью дроссельных устройств 13, 14, 15, 20, 22, 23 и 24.