Способ очистки выхлопного газа двигателя с воспламенением от сжатия

Изобретение относится к способу очистки выхлопного газа двигателя с воспламенением от сжатия. Способ включает в себя впрыск водного раствора мочевины в выхлопной газ выше по потоку от первого катализатора, представляющего собой катализатор селективного каталитического восстановления NOx (СКВ), содержащий оксид ванадия на подложке из оксида титана. Указанный первый катализатор расположен близко к двигателю и находится в близком расположении со вторым катализатором, представляющим собой дизельный катализатор окисления (ДКО), содержащий платину на оксиде титана и/или оксиде алюминия. Первый рабочий режим при температуре выхлопного газа между 150 и 220°С заключается в каталитическом гидролизе водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя посредством контакта с первым катализатором и последующем удалении части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, путем контакта выхлопного газа, смешанного с аммиачным восстановителем, со вторым катализатором, расположенным ниже по потоку от первого катализатора. Второй рабочий режим при температуре выхлопного газа выше 220°С заключается в разложении водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя и удалении части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, посредством реакции с аммиачным восстановителем в присутствии первого катализатора и последующем окислении углеводородов, монооксида углерода и аммиака, содержащихся в выхлопном газе, выходящем из первого катализатора, посредством контакта выхлопного газа со вторым катализатором. Техническим результатом является уменьшение количества выбросов оксида азота и выбросов из двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, работающего на обедненной смеси. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа и системы уменьшения количества выбросов оксидов азота (NOx), и в особенности выбросов из двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, работающего на обедненной смеси. В частности, способ и система по настоящему изобретению обеспечивают улучшенное снижение содержания NOx во время холодного запуска двигателя.

В предстоящих законодательных актах содержатся требования очень низкого количества выбросов для грузовых и легковых автомобилей. В то же время, в тестовых циклах применяется запуск при относительно низких температурах. Сложно понизить содержание NOx в этих холодных циклах, особенно когда так называемые системы очистки выхлопных газов становятся более сложными и выполняют много разных функций, таких как окисление углеводородов, отфильтровывание сажи, уменьшение количества NOx и уменьшение содержания избытка аммиака. Наиболее практичная система состоит из компонентов, расположенных в следующем порядке: катализатор окисления, сажевый фильтр, катализатор для уменьшения содержания NOx и катализатор нейтрализации аммиака (КНА).

Традиционная система выброса выхлопных газов в современных легковых и грузовых машинах с двигателями, работающими на обедненной смеси, оснащена последовательно расположенными катализатором окисления, сажевым фильтром (ДСФ) и катализатором селективного восстановления NOx (СКВ) в присутствии восстановителя.

Катализаторы окисления, активные в окислении летучих органических соединений и монооксида углерода, и СКВ катализаторы известны в данной области техники и описаны в многочисленных публикациях.

Обычно применяющиеся сажевые фильтры представляют собой так называемые фильтры с проточными стенками, имеющие множество впускных и выпускных каналов. Впускные каналы закрыты в месте своего выхода, а выпускные каналы закрыты со стороны входа, так что газ, проходящий через фильтр, проталкивается через пористые стенки, формирующие каналы, и при этом твердые частицы отфильтровываются из потока газа.

Наиболее сложные для удаления загрязнения - это оксиды азота (NOx). Чтобы достичь приемлемого результата в цикле, снижение содержания NOx необходимо начинать на ранней стадии цикла. В общеупотребимых системах очистки выхлопных газов, описанных выше, СКВ катализатор занимает место третьей очистной системы выхлопных газов в системе, и катализатору требуется некоторое время после запуска двигателя для достижения температуры, при которой в нем идет реакция.

При СКВ-обработке аммиак обычно применяют в качестве восстановителя. Аммиак является токсичным соединением, и предпочитают генерировать аммиак in situ термическим разложением раствора мочевины, который впрыскивают в качестве предшественника аммиака в поток горячих выхлопных газов, входящий в СКВ-катализатор.

Даже несмотря на то, что мочевина безвредна и относительно легко хранится на борту автомобиля, применение жидкого раствора мочевины в качестве предшественника аммиачного восстановителя проблематично, в частности на холодной стартовой фазе работы двигателя, т.к. в это время температура выхлопных газов ниже 200°С.

При впрыске в виде жидкого раствора в выхлопные газы, мочевина разлагается до аммиака в достаточных количествах для СКВ только при температуре выше примерно 150°С. Однако, обычные СКВ-катализаторы не очень активны до тех пор, пока температура не поднимется до 200°С.

В настоящем изобретении решается эта проблема путем расположения СКВ-катализатора близко к двигателю и в тесном соседстве с платиновым катализатором окисления. Данный СКВ-катализатор обладает дополнительной активностью в реакции гидролиза мочевины при более низких температурах и СКВ-активностью катализатора окисления.

Платиновые катализаторы активны в СКВ с аммиаком. Однако, трудно разложить мочевину до аммиака в газовой фазе при температурах, при которых платиновый катализатор окисления работает как активный СКВ-катализатор.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что катализатор на основе оксида ванадия эффективно гидролизует мочевину до того, как она достигнет катализатора окисления в системе очистки выхлопного газа, описанной выше.

В соответствии с описанными выше находками и наблюдениями, в настоящем изобретении описан способ очистки выхлопного газа двигателя с воспламенением от сжатия, включающий стадии:

впрыск водного раствора мочевины в выхлопной газ;

в первом рабочем режиме и при температуре выхлопного газа между 150 и 220°С, каталитический гидролиз водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя посредством контакта с первым катализатором, содержащим оксид ванадия на подложке из оксида титана, и последующее удаление части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, путем контакта выхлопного газа, смешанного с аммиачным восстановителем, со вторым катализатором, расположенным ниже по потоку от первого катализатора и содержащим платину на оксиде титана и/или оксиде алюминия; и

во втором рабочем режиме и при температуре выхлопного газа выше 220°С, разложение водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя и удаление части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, посредством реакции с аммиачным восстановителем в присутствии первого катализатора, и последующее окисление углеводородов, монооксида углерода и аммиака, также содержащихся в выхлопном газе, выходящих из первого катализатора, посредством контакта выхлопного газа со вторым катализатором.

Преимущество способа по настоящему изобретению состоит в том, что восстановление NOx на первом катализаторе, расположенном вблизи двигателя, будет нагреваться быстрее, так что восстановление NOx начинается раньше в тестовом цикле. Для экономии пространства предлагается интегрировать катализатор, снижающий содержание NOx, и катализатор, снижающий содержание углеводородов, в один блок.

В способе по настоящему изобретению, впрыск мочевины осуществляют до первого катализатора. Точка впрыска мочевины может использоваться частично - только при холодном запуске, или непрерывно во время работы двигателя, для улучшения общей эффективности всей системы в целом.

Как отмечалось выше в тексте, Pt-катализаторы имеют прекрасную низкотемпературную СКВ-эффективность, но восстановление NOx ухудшается, когда температура достигает температуры воспламенения для окисления аммиака на Pt-катализаторе, что приводит к разложению аммиака раньше момента восстановления NOx.

Первый катализатор, содержащий оксид ванадия, становится активным в СКВ в том же диапазоне температур, в котором происходит окисление аммиака на Pt-катализаторе.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, первый катализатор дополнительно содержит оксид вольфрама.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, второй катализатор дополнительно содержит палладий.

Преимуществом этих вариантов осуществления является повышенная СКВ-активность при включении оксида вольфрама в первый катализатор и улучшенная термостабильность при включении палладия во второй катализатор.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере на часть второго катализатора нанесен слой катализатора окисления аммиака, для удаления остаточных количеств аммиака, которые выходят из ранее расположенного СКВ. Таким образом, проскок аммиака из СКВ в значительной мере уменьшается. Предпочтительные катализаторы окисления аммиака содержат платину и цеолиты, промотированные железом и/или медью, имеющими более высокую активность в окислении аммиака до безвредного азота и воды.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, блок первого катализатора может дополнительно содержать цеолитный СКВ-катализатор в первом катализаторе. Предпочтительные цеолиты выбраны из группы, состоящей из Y-цеолита, бета-цеолита, SAPO-цеолитов и хабазитов.

Предпочтительно во всех описанных выше вариантах осуществления, чтобы первый и второй катализатор были расположены в тесном соседстве в едином каталитическом блоке.

Настоящее изобретение далее описано более подробно с применением чертежей, в которых

На фиг. 1А схематично показана обычная система очистки выхлопных газов дизельного двигателя, а на фиг. В - система очистки выхлопных газов дизельного двигателя по настоящему изобретению.

На фиг. 2 приведена диаграмма, показывающая эффективность оксида ванадия/TiO₂ в гидролизе мочевины до аммиака при разных температурах; и

На фиг. 3а и b показана активность близко расположенных катализаторов оксид ванадия/TiO₂ (СКВ) и Pt/TiO₂ (ДКО) по настоящему изобретению, в двух разных интервалах температур.

Как показано на фиг. 1, комбинированный катализатор СКВ/ДКО в системе В, применяющийся в способе по настоящему изобретению, заменяет катализатор окисления ДКО в традиционной системе очистки выхлопных газов А. СКВ/ДКО катализатор имеет двойную функцию, одну - как близко расположенный СКВ-катализатор с оксидом ванадия на TiO₂ и низкотемпературный СКВ с применением Pt/TiO₂ второго катализатора при низких температурах, а также с применением катализатора оксид ванадия/TiO₂ для гидролиза мочевины до аммиака при низких температурах, что позволяет применять мочевину в качестве предшественника аммиачного восстановителя при низких температурах вплоть до 150°С.

На фиг. 2 показана диаграмма гидролиза мочевины до аммиака и HNCO при контакте с катализатором оксид ванадия/TiO₂. Катализатор был импрегнирован 32.5 об. % раствором мочевина/вода.

Катализатор нагревали со скоростью 10 К/мин и продували со скоростью 70 мл/мин аргоном и увлажнителем.

Как видно из фиг. 2, ванадий-оксидный катализатор имеет высокую активность в гидролизе мочевины до аммиака при температуре между 150 и 220°С.

На фиг. 3а и 3b показана активность близко расположенного СКВ/ДКО катализатора по настоящему изобретению в двух разных интервалах температур.

Как видно из фиг. 3а, в температурном интервале между 150 и 220°С, определенное количество мочевины гидролизуется на первом катализаторе ванадий оксид/TiO₂ (СКВ), и образуется аммиак. Аммиак затем реагирует с NOx на втором катализаторе Pt/TiO₂ (ДКО), который СКВ-активен в данном температурном интервале. На катализаторе окисления снижается концентрация и NOx, и аммиака вследствие протекания СКВ-реакции.

Когда температура повышается до 220°С или выше, как показано на фиг. 3b, первый СКВ-катализатор становится более активным. Зона реакции сдвигается к началу катализатора, и не наблюдается СКВ-реакции на ДКО-катализаторе. Образующийся аммиак реагирует с NOx, и концентрация обоих этих реагентов снижается вследствие протекания СКВ-реакции.

1. Способ очистки выхлопного газа двигателя с воспламенением от сжатия, включающий стадии:

впрыск водного раствора мочевины в выхлопной газ выше по потоку от первого катализатора, представляющего собой катализатор селективного каталитического восстановления NOx (СКВ), содержащий оксид ванадия на подложке из оксида титана, причем указанный первый катализатор расположен близко к двигателю и находится в близком расположении со вторым катализатором, представляющим собой дизельный катализатор окисления (ДКО), содержащий платину на оксиде титана и/или оксиде алюминия;

в первом рабочем режиме и при температуре выхлопного газа между 150 и 220°С (а) каталитический гидролиз водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя посредством контакта с первым катализатором и (б) последующее удаление части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, путем контакта выхлопного газа, смешанного с аммиачным восстановителем, со вторым катализатором, расположенным ниже по потоку от первого катализатора; и

во втором рабочем режиме и при температуре выхлопного газа выше 220°С (а) разложение водного раствора мочевины до аммиачного восстановителя и удаление части оксидов азота, содержащихся в выхлопном газе, посредством реакции с аммиачным восстановителем в присутствии первого катализатора и (б) последующее окисление углеводородов, монооксида углерода и аммиака, содержащихся в выхлопном газе, выходящем из первого катализатора, посредством контакта выхлопного газа со вторым катализатором.

2. Способ по п. 1, в котором первый катализатор дополнительно содержит оксид вольфрама.

3. Способ по п. 1, в котором второй катализатор дополнительно содержит палладий.

4. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере на часть второго катализатора нанесен слой катализатора окисления аммиака.

5. Способ по п. 4, в котором катализатор окисления аммиака содержит платину и цеолиты, промотированные железом и/или медью.

6. Способ по п. 1, в котором первый катализатор дополнительно содержит цеолитный СКВ-катализатор.

7. Способ по п. 6, в котором цеолитный СКВ-катализатор содержит по меньшей мере один из Y-цеолита, бета-цеолита, SAPO-цеолитов и хабазитов.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором первый и второй катализаторы расположены в едином каталитическом блоке.