FI116236B - Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst - Google Patents
Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst Download PDFInfo
- Publication number
- FI116236B FI116236B FI20011639A FI20011639A FI116236B FI 116236 B FI116236 B FI 116236B FI 20011639 A FI20011639 A FI 20011639A FI 20011639 A FI20011639 A FI 20011639A FI 116236 B FI116236 B FI 116236B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- catalyst
- nox adsorption
- engine
- lean
- particle separator
- Prior art date
Links
Landscapes
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
Abstract
Description
116236 Järjestelmä ja menetelmä pakokaasujen puhdistamiseksi - System och förfa-rande för rening av avgaser Tämä hakemus on jakamalla erotettu hakemuksesta FI-20001608.116236 System and Method for Exhaust Gas Purification - This application is divided by application FI-20001608.
5 Tämän keksinnön kohteena on järjestelmä ja menetelmä moottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi heterogeenisissä olosuhteissa.This invention relates to a system and method for purifying engine exhaust in heterogeneous conditions.
Laihaseosmoottoria (λ >1, happea ylimäärin) on käytetty alun perin kaikissa raskaissa ajoneuvoissa (kuorma-autot, veturit, laivat) ja voimalaitoksissa, koska sillä voidaan tuottaa liikkumiseen tarvittava energia selvästi suuremmalla hyötysuhteelle la kuin esim. bensiinimoottorilla, joka on ollut pienissä, tehoa vaativissa moottoreissa paras ratkaisu. Fossiilisten polttoaineiden rajallisuus, C02-päästötavoitteet ja polttoaineiden kohoavat hinnat ovat myös ohjanneet moottorivalmistajien kehitystä. Viimeaikoina on tullut markkinoille uusia polttoaineen suoraan ruiskutukseen perustuvia diesel- ja bensiinimoottorityyppejä, jotka ovat kilpailukykyisiä tehokkuu-15 deltaan ja ajo-ominaisuuksiltaan tavanomaisiin stökiometrisissä tai rikkaissa (λ < 1, happea stökiometrisesti tai alimäärin) palamisolosuhteissa bensiiniä käyttäviin henkilöautoihin verrattuna. Perinteisesti dieselmoottoreiden partikkelipäästöt ovat olleet korkeammat kuin bensiiniautojen vastaavat päästöt, mutta nykyisten diesel-autojen raakaemissiot on saatu moottoriteknisin keinoin jo hyvin alhaisiksi. Uusien • · · 20 dieselmoottorien (TDI, HDI) raakaemissiossa on selvästi alhaisemmat hiilivety- * ; (HC), häkä- (CO) ja NOx-pitoisuudet kuin bensiiniautossa. Päästörajat tiukentuvat etukäteen annetun aikataulun mukaan, jossa partikkelien ja NOx:n määrät tulee puolittaa siirryttäessä nykytasosta vuoteen 2005 mennessä: partikkeliraja 0,025 g/km ja NOx 0,25 g/km. Ajosyklit painottavat henkilöautoilla kaupunkiajoa ja kuor-25 ma-autoilla maantieajoa johtuen niiden tyypillisestä käytöstä. Linja-autoille on käytetty myös enemmän kaupunkiajoa simuloivia ajosyklejä.The lean blend engine (λ> 1, excess oxygen) was originally used in all heavy duty vehicles (lorries, locomotives, ships) and power plants because it can produce the energy needed to move with a significantly higher efficiency la than the small gasoline engine, for example. the best solution for demanding engines. The limited availability of fossil fuels, C02 emission targets and rising fuel prices have also driven the development of engine manufacturers. Recently, new types of direct fuel injection diesel and gasoline engines have been introduced that are competitive with efficient gasoline delta and driving characteristics in normal stoichiometric or rich (λ <1, oxygen stoichiometric or low) combustion conditions. Traditionally, diesel engine particle emissions have been higher than those of petrol cars, but the diesel emissions of today's diesel cars have already been reduced by engine technology. The new • · · 20 diesel engines (TDI, HDI) have significantly lower hydrocarbon emissions *; (HC), carbon monoxide (CO) and NOx levels than in petrol cars. The emission limit values will be tightened in accordance with a pre-determined timetable, in which the amount of particulate matter and NOx must be halved when switching from the present level by 2005: a particle limit of 0.025 g / km and a NOx of 0.25 g / km. Driving cycles emphasize urban driving in passenger cars and road driving in lorries due to their typical use. Buses have also used more urban driving simulations.
\\Y Kaasumaiset päästöt (HC, CO) puhdistuvat helposti yli 70 %:n konversiolla hyväs sä, yleensä Pt:aa tai Pd:a sisältävässä hapetuskatalyytissä, joskin pakokaasujen * Y lämpötila laskee moottorin hyötysuhteen parantuessa. Tästä syystä katalyytit : 30 asennetaan usein mahdollisimman lähelle moottoria (CC = Closed Coupled) ta- ,,Y vanomaisen korin alle asennuksen sijasta (UF = Under Floor). Lämpötilaero eri . . asemissa voi olla yli 30-50 °C. Henkilöautoissa pakokaasun lämpötila välittömästi * ‘ dieselmoottorin jälkeen on tavallisesti 150-250 °C kaupunki- ja 250-350 °C maan- 2 116236 tieajossa. Lämpötila- ja tilasyistä asennetaan joskus pieni nk. starttikatalyytti CC-asemaan ja suurempi pääkatalyytti UF-asemaan.\\ Y The gaseous emissions (HC, CO) are readily purified by a conversion of more than 70% in a good oxidation catalyst, usually Pt or Pd, although the exhaust gas * Y temperature decreases with improved engine efficiency. For this reason, the catalysts: 30 are often mounted as close to the engine (CC = Closed Coupled) as possible under a Y-shaped body instead of being mounted (UF = Under Floor). The temperature difference is different. . the positions may be above 30-50 ° C. In passenger cars, the exhaust gas temperature immediately after the diesel engine is typically 150-250 ° C for urban and 250-350 ° C for highway 2 116236. For temperature and space reasons, a small starter catalyst is sometimes installed in the CC station and a larger main catalyst in the UF station.
Nykyisissä henkilö- ja kuorma-autokohteissa tarvitaan vähennystä etenkin NOx- ja partikkelipäästöihin, joita on vaikea poistaa tavanomaisilla katalyyteillä. Partikke-5 leista voidaan hapettaa kaasumaiset adsorboivat hiilivedyt, mutta kiinteät noki ja epäorgaaniset yhdisteet eivät juuri reagoi katalyytissä. 3-toimikatalyyttissä HC, CO ja NOx reagoivat yhtä aikaa haitattomiksi yhdisteiksi, mutta sellaisen katalyytin käyttö vaatii stökiometrisiä olosuhteita ja paluuta perinteiseen bensiinimoottoriin. Koska dieselmoottorin toimintaperiaate ja polttoaine poikkeavat bensiinimoottoris-10 ta, sitä ei voida käyttää jatkuvasti stökiometrisenä tai rikkaalla. Suoraruiskutusta ja ylimäärin happea käyttävien bensiinimoottoreiden yleistyessä bensiini- ja dieselmoottoreiden päästöjen koostumus lähestyy toisiaan. Itseasiassa laihaseosbensii-nipakokaasuissa on huomattavasti suuremmat nokipäästöt kuin tavanomaisissa bensiinimoottoreissa. Kuten päästöille myös polttoaineen ja moottorin laadulle tu-15 lee tiukentuvia rajoituksia Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että Euroopassa bensiinin ja dieselin rikkipitoisuusraja on sama 50 ppm vuoden 2005 jälkeen. Muut maat seuraavat säännöksissä hitaammalla aikataululla perässä.Existing passenger and truck applications require a reduction, especially in NOx and particle emissions, which are difficult to eliminate with conventional catalysts. Gaseous adsorbent hydrocarbons can be oxidized from particle 5, but solid carbon black and inorganic compounds do not react much in the catalyst. In a 3-way catalyst, HC, CO, and NOx react simultaneously to harmless compounds, but the use of such a catalyst requires stoichiometric conditions and a return to a conventional gasoline engine. Because the diesel engine's operating principle and fuel differ from the petrol engine's 10, it cannot be used continuously in stoichiometry or in the rich. As petrol engines using direct injection and excess oxygen are becoming more common, the composition of emissions from gasoline and diesel engines is converging. In fact, lean gasoline exhaust gases have significantly higher soot emissions than conventional gasoline engines. Like emissions, fuel and engine quality are subject to tightening restrictions in Europe, the United States and Japan. This means, for example, that the sulfur content of petrol and diesel in Europe will be the same after 50 ppm. Other countries follow in the regulations with a slower schedule.
Typen oksidien pelkistymistä katalyytissä on edistetty käyttämällä polttoaine- tai 20 pelkistininjektiota pakoputkistoon tai sylinteriin, mutta selektiivisyys (20-30 % NOx- ‘ konversio) ja katalyyttien kestävyys ovat liian huonoja.Reduction of nitrogen oxides in the catalyst has been promoted by using fuel or reducing agent injections into the exhaust system or cylinder, but the selectivity (20-30% NOx 'conversion) and catalyst durability are too poor.
• · · • ·• · · • ·
Noen suodattamiseen ja polttamiseen dieselpakokaasuissa on kehitetty erilaisia • · · suodattimia ja vaihtoehtoja niiden regenerointiin: liekkipolttimet, sähkölämmitys ja • * >>i>; katalyyttiä sisältävät lisäaineet polttoaineen joukossa tai partikkeliloukussa. Partik- 25 kelierottimet on regeneroitava kertyneistä partikkeleista säännöllisin aikavälein. ···’ Nokipartikkelien palaminen termisesti vaatii kuitenkin ilmassa yli 600 °C:n lämpöti lan. Mahdollisten epäorgaanisten yhdisteiden toivotaan menevän katalyyttijärjβει·: *. telmän läpi muuttumattomina. Sulfaatit ovat peräisin poltto-ja voiteluaineen rikistä, joka hapettuu SC^ksi ja SC>3:ksi muodostaen sulfaattia katalyyttiin ja partikkelei-30 hin. Sulfaattien muodostusta voidaan alentaa käyttämällä vähärikkistä polttoainet- .···. ta tai katalyyttiä, joka hapettaa mahdollisimman vähän SC>2:a S03:ksi. Sulfaatit • * noen pinnalla lisäävät partikkelien massaa myös, koska ne keräävät vettä ja siihen * * absorboituvia yhdisteitä edelleen pintaansa.• · · Filters and alternatives for regeneration of soot in diesel exhaust gas have been developed: flame burners, electric heating and • * >> i>; catalyst-containing additives in the fuel or particle trap. The particle separators must be regenerated from the accumulated particles at regular intervals. ··· However, the combustion of soot particles requires a temperature above 600 ° C in the air. It is hoped that any inorganic compounds will go into the catalyst system:: *. through the process unchanged. The sulfates are derived from sulfur in the fuel and lubricant, which oxidizes to SC 4 and SC 3 to form sulfate in the catalyst and particles 30. Sulphate formation can be reduced by using low-sulfur fuels. ···. or catalyst which minimizes oxidation of SC> 2 to SO3. Sulphates on the surface of soot also increase the mass of the particles as they continue to collect water and * * absorbable compounds into the surface.
• ·• ·
• · I• · I
• « »• «»
• I• I
3 1162363, 116236
On myös esitetty regeneroituva partikkelisuodatinmenetelmä, mutta siinä on käytettävä kahta rinnakkaista linjastoa ja hyvin monimutkaista ohjausjärjestelmää (EP 0703 352 A3).A regenerable particle filter method is also disclosed, but requires the use of two parallel lines and a very complex control system (EP 0703 352 A3).
Noen hapetukseen suodattimessa on esitetty menetelmä (CRT = Continuous Re-5 generated Trap), jossa edessä olevassa Pt-hapetuskatalyytissä muodostuva NO2 hapettaa nokea sitä seuraavassa suodattimessa alhaisissa lämpötiloissa (US 4 902 487). Partikkelierottimia käytetään laajasti ja niiden rakennetta ja materiaalia kehitetään kestämään vaativia autokohteita. Erotuskyky saattaa olla helposti yli 80-90 %, mutta typen oksidien suhteen ei saada aikaan juuri minkäänlaista vä-10 hennystä. Haittana on myös suuret määrät pistävän hajuista N02:ta, joka on lähellä päästölähdettä terveydelle haitallisempi kuin NO. On esitetty käytettäväksi urea-SCR-katalyyttiä (SCR = Selective Catalytic Reduction) Pt-hapetus-katalyytin ja partikkeliloukun jälkeen (Automotive Engineering 25(2000) nr 5 s. 73-77), mutta siinä tapauksessa tarvitaan erillinen, kallis, oman säätöjärjestelmän ja ureasäiliön 15 vaativa laitteisto, jota ei voida käyttää alle 250 °C:ssa.For the oxidation of soot in a filter, a method (CRT = Continuous Re-5 generated Trap) is disclosed in which NO2 formed in a forward Pt oxidation catalyst oxidizes soot in a subsequent filter at low temperatures (US 4,902,487). Particulate separators are widely used and their structure and material are developed to withstand demanding automotive applications. The resolution may easily be over 80-90%, but with virtually no reduction in nitrogen oxides. There are also drawbacks to large amounts of stinging NO 2, which is more harmful to health than NO near the source. It has been proposed to use a urea SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst after a Pt oxidation catalyst and particle trap (Automotive Engineering 25 (2000) no. 5, pp. 73-77), but in that case a separate, expensive demanding equipment for the urea tank 15, which cannot be used below 250 ° C.
Eräässä ratkaisussa on käytetty kahden kennokatalyytin järjestelmää, jossa ensimmäisen katalyytin aukkotiheys on katalyytin aukkojen tukkeentumisen estämiseksi pienempi kuin jälkimmäisen katalyytin (EP 0 875 667 A2). Tällaisissa ratkaisuissa pyritään pidentämään noen viipymäaikaa olosuhteissa, jossa se voi palaa, 20 mutta arviolta partikkeleista voidaan poistaa alle 50 % ja poistoaste riippuu hyvin paljon virtausmäärästä ja lämpötilasta pelkästään kennoja sisältävässä systee- : missä.One solution utilizes a dual cell catalyst system in which the aperture density of the first catalyst is lower than that of the latter catalyst to prevent blockage of the catalyst apertures (EP 0 875 667 A2). Such solutions seek to extend the residence time of the soot under conditions where it can burn, but it is estimated that less than 50% of the particles can be removed and the degree of removal is very dependent on flow rate and temperature in a cell-only system.
Typen oksidien poistamiseen suoraruiskutusbensiiniautokohteisiin (GDI = gasoline • · , . direct injection) on esitetty NOx-trap-katalyyttejä, joiden toiminta perustuu siihen, ... 25 että olosuhteita vaihdellaan suunnitellulla tavalla laihan ja rikkaan välillä. Tällöin ’*··' NOx:t voivat adsorboitua erityisesti tähän tarkoitukseen suunniteltuihin yhdisteisiin pitempään kestävän laihan vaiheen ja pelkistyä typeksi lyhyen rikkaan tai stö- i.i i kiometrisen piikin aikana. Tyypillisesti laihavaiheen pituus on yli 30 kertaa pidempi kuin rikkaan vaiheen pituus. Tällä tavalla on mahdollista saada säästöä polttoai- ;·.·. 30 neen kulutuksessa seoksen ollessa kuitenkin keskimäärin selvästi laiha ja samaan ,···, aikaan typen oksidien päästöistä poistetaan yli 70% (EP 0 560 991). Tyypillisiä • · NOx-adsorptioyhdisteitä Pt-katalyytissä ovat esimerkiksi Ba, Sr, K, Na, Li, Cs, La ja Y. Bensiinimoottorilla rikastuksien toteuttaminen onnistuu helposti, haittana on •V·· katalyyttien rikinkestävyys ja rikastuksista johtuva polttoaineen kulutuksen nousu.NOx-trap catalysts have been proposed for the removal of nitrogen oxides in direct injection gasoline vehicle targets (GDI = gasoline • ·,. Direct injection) based on ... 25 conditions that vary as planned between lean and rich. In this case, '* ··' NOx can adsorb to specially designed compounds for a longer lasting lean phase and be reduced to nitrogen during a short rich or stoichiometric peak. Typically, the length of the lean phase is more than 30 times the length of the rich phase. In this way it is possible to obtain fuel savings. However, the average consumption of the mixture is clearly lean and, at the same time ···, more than 70% of the nitrogen oxide emissions are removed (EP 0 560 991). Typical • · NOx adsorption compounds on a Pt catalyst include, for example, Ba, Sr, K, Na, Li, Cs, La, and Y. The petrol engine easily performs enrichments, with the disadvantage of • V ·· sulfur resistance and the resulting increase in fuel consumption.
35 Dieselmoottori käy parhaiten selvästi laihalla polttoaine-ilma-seoksella, mutta on osoitettu moottorikokeissa, että rikastukset ja NOx-trap-katalyytit toimivat myös 4 116236 dieselpakokaasujen puhdistuksessa (Kramer et ai. 1999, seminaarissa "Abgas-nachbehandlung von Fahrzeugdieselmotoren", 15.-16.6.1999, Haus der Technik, Aachen).35 The diesel engine runs best on a lean fuel-air mixture, but it has been shown in engine tests that the concentrates and NOx trap catalysts also function in the purification of 4,116,336 diesel fuels (Kramer et al. 1999, seminar "Abgas-nachbehandlung von Fahrzeugd" 16.6.1999, Haus der Technik, Aachen).
Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan partikkelien ja NOx:n poiston 5 suhteen tehokas ja nykyisiin moottorijärjestelmiin integroitu järjestelmä, jolla etenkin typen oksidien ja partikkelien suhteen saavutetaan korkeat konversiot.It is an object of the present invention to provide a system that is efficient in particle and NOx removal and is integrated with existing engine systems to achieve high conversions, particularly with respect to nitrogen oxides and particles.
Keksinnön mukaisesti on aikaansaatu järjestelmä ja menetelmä keskimäärin ylimäärin happea sisältävien diesel- tai bensiinimoottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi, joka järjestelmä sisältää NOx-adsorptiokatalyyttejä, joita on asennettu 10 yksi jokaiseen sylinterin pakokaasun poistokanavaan tai joita on asennettu yksi jokaiseen kahden sylinterin pakokaasun poistokanavaan. Tämä järjestelmä soveltuu erityisesti laihabensiinikohteisiin (GDI). Tämä järjestelmä voi myös sisältää partik-kelierottimen ja/tai toisen katalyytin, kuten hapetuskatalyytin tai 3-toimikatalyytin.According to the invention there is provided a system and a method for purifying the exhaust gases of an average oxygen-containing diesel or gasoline engine comprising NOx adsorption catalysts installed in one of each exhaust outlet of the cylinder or one in each exhaust outlet of two cylinders. This system is especially suited for thin petrol destinations (GDI). This system may also include a particle separator and / or another catalyst, such as an oxidation catalyst or a 3-catalyst catalyst.
Keksinnön mukaisessa järjestelmässä NOx-adsorptiokatalyytit on asennettu yksi 15 moottorin jokaisen sylinterin pakokaasun poistokanavaan tai yksi moottorin jokaiseen kahden sylinterin pakokaasun yhdistettyyn poistokanavaan, ja järjestelmä sisältää ohjausjärjestelmän moottorin tai ainakin yhden sylinterin seossuhteen säätämiseksi ajoittain laihasta lähemmäksi stökiometristä suhdetta tai olennaisesti stökiometriseksi tai rikkaaksi λ-arvon ollessa pienempi kuin 1,2 NOx -: : : 20 adsorptiokatalyyttien nitraattien, sulfaattien ja partikkeleiden regeneroimiseksi.In the system of the invention, NOx adsorption catalysts are installed in one exhaust outlet of each of the 15 engines or one in each combined exhaust outlet of two cylinders of the engine, and the system includes a control system for periodically adjusting engine or at least one cylinder ratio less than 1.2 NOx -::: 20 for the regeneration of adsorbent catalysts nitrates, sulphates and particles.
' ; Keksinnön käyttöalueita ovat diesel-, laihabensiini- ja savukaasusovellutukset liik- kuvissa tai stationaarisissa kohteissa. Moottorit voivat olla vapaastihengittäviä tai ‘ turboahdettuja ja polttoainesyöttö suoraruiskutteinen sekä diesel- että bensiini- autoissa. Keksinnön mukaisia järjestelmiä voidaan käyttää myös muissa mootto-25 reissä tai polttoaineille, joissa olosuhteet voidaan säädellä jäljempänä kuvatuilla tavoilla.'; Fields of application of the invention include diesel, light gasoline and flue gas applications in mobile or stationary applications. The engines can be free-breathing or 'turbocharged' and the fuel injection is direct-injection in both diesel and gasoline cars. The systems of the invention may also be used in other engines or fuels where the conditions can be controlled as described below.
• · I• · I
• · « "!/ Konsepti voi myös rakentua kolmesta toiminnallisesta yksiköstä, jossa ovat muka- *” na yksi tai useampi hapetuskatalyytti, yksi tai useampi partikkelierotin sekä yksi tai » » t : V useampi NOx-adsorptiokatalyytti.The concept may also consist of three functional units with one or more oxidation catalysts, one or more particle separators and one or more NOx adsorption catalysts.
• » 30 Keksinnön mukaisesti on myös aikaansaatu järjestelmä keskimäärin ylimäärin • I * · * ‘ · happea sisältävien diesel- tai bensiinimoottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi, joka järjestelmä sisältää kolme toiminnallista yksikköä, jotka ovat hapetuskatalyytti, partikkelierotin ja NOx-adsorptiokatalyytti, jolla järjestelmällä vähennetään pakokaasun sisältämiä hiilivetyjä, hiilimonoksidia, typen oksideja ja partikkeleita.In accordance with the invention, there is also provided an average system for purifying exhaust gas of I * · * '· oxygen-containing diesel or gasoline engines comprising three functional units which are an oxidation catalyst, a particle separator and a NOx adsorption catalyst for reducing the exhaust gas content of the exhaust gas. , carbon monoxide, nitrogen oxides and particles.
5 1162365, 116236
Toiminnalliset yksiköt voivat pakokaasun virtaussuunnassa olla järjestyksessä ha-petuskatalyytti, partikkelierotin ja NOx-adsorptiokatalyytti tai järjestyksessä NOx-adsorptiokatalyytti, partikkelierotin ja hapetuskatalyytti tai järjestyksessä NOx-adsorptiokatalyytti, hapetuskatalyytti ja partikkelierotin.The functional units may be an oxidation catalyst, a particle separator and an NOx adsorption catalyst, or an NOx adsorption catalyst, a particle separator and an oxidation catalyst, or an NOx adsorption catalyst, an oxidation catalyst, respectively.
5 Erään keksinnön mukaisen suoritusmuodon mukaan moottorin jokaisen sylinterin pakokaasun poistokanava on yhdistetty yhdyskanavaan, johon mainitut toiminnalliset yksiköt on asennettu.According to an embodiment of the invention, the exhaust outlet of each cylinder of the engine is connected to a connecting duct where said functional units are mounted.
Erään toisen suoritusmuodon mukaan moottorin jokaisen sylinterin pakokaasun poistokanavaan on asennettu NOx-adsorptiokatalyytti, jotka poistokanavat on yh-10 distetty yhdyskanavaan, johon hapetuskatalyytti ja partikkelierotin on asennettu.According to another embodiment, an NOx adsorption catalyst is installed in the exhaust outlet of each cylinder of the engine, the outlet channels being connected to a connecting channel where an oxidation catalyst and a particle separator are mounted.
Keksinnön mukainen järjestelmä voi myös sisältää kaksi tai useampia rinnakkain asennettuja osajärjestelmiä, jotka kukin sisältävät mainitut kolme toiminnallista yksikköä.The system of the invention may also include two or more subsystems mounted in parallel, each containing said three functional units.
Keksinnön mukaisesti pakokaasun puhdistaminen suoritetaan heterogeenisissä 15 olosuhteissa, jolloin NOx-adsorptiokatalyytin sulfaattien regenerointi, nitraattien pelkistys ja partikkeleiden polttaminen suoritetaan käyttämällä jaksoittain laihaa seosta ja rikasta seosta. Tällöin laiha-rikasvaiheiden keston suhde on edullisesti yli 3 ja erityisen edullisesti yli 10. Rikastus-ja laihavaiheet voivat olla eri tilanteissa ja tarkoituksen mukaan kestoltaan ja seossuhteeltaan erilaisia.According to the invention, the purification of the exhaust gas is carried out under heterogeneous conditions, wherein regeneration of the sulfates of the NOx adsorption catalyst, reduction of nitrates and combustion of the particles is carried out using a lean mixture and a rich mixture. Hereby, the ratio of the duration of the lean to rich stages is preferably greater than 3, and particularly preferably more than 10. The enrichment and lean stages may be of different situations and purpose depending on the duration and the mixture ratio.
: V 20 Heterogeenisillä olosuhteilla saavutetaan useita samanaikaisia etuja rikastusvai-heessa, eli nitraattien pelkistys, S-regenerointi ja rikastuksesta aiheutuva lämpöti-*:··: Iän nousu auttaa partikkeleiden polttoa ja S-regenerointia.: V 20 Heterogeneous conditions provide several simultaneous advantages in the enrichment stage, namely nitrate reduction, S-regeneration and enrichment heat - *: ··: Increasing age helps in particle combustion and S-regeneration.
Edullinen NOx-adsorptiokatalyytti sisältää katalyyttisenä metallina platinaa ja/tai ’···’ rodiumia ja ainakin yhden seuraavista alkuaineista Ba, Sr, La, Y, Ce, Zr sekä 25 mahdollisesti ainakin yhden seuraavista alkuaineista: Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, • · : Ca. Mainitut alkuaineet voivat olla oksidi-, sulfaatti-, nitraatti-, aluminaatti- tai me- tallimuodossa. Edullisesti ne ovat oksidimuodossa.A preferred NOx adsorption catalyst contains platinum and / or '···' rhodium as the catalytic metal and at least one of Ba, Sr, La, Y, Ce, Zr and optionally at least one of Li, Na, K, Rb, Cs , Be, Mg, • ·: Ca. Said elements may be in the form of oxide, sulfate, nitrate, aluminate or metal. Preferably they are in the oxide form.
: Mainittu hapetuskatalyytti sisältää katalyyttisenä metallina edullisesti platinaa ja/tai ··.' palladiumia.Said oxidation catalyst preferably contains platinum and / or ·· as the catalytic metal. palladium.
. . 30 Edullisia tukiaineita hapetuskatalyytissä ja NOx-adsorptiokatalyytissä ovat sellai- ’· ' set, jotka sisältävät pääosin ainakin yhtä seuraavista oksideista: alumiinioksidi, zeoliitti, alumiinisilikaatti, piidioksidi ja titaanidioksidi.. . Preferred excipients in the oxidation catalyst and the NOx adsorption catalyst are those containing at least one of the following oxides: alumina, zeolite, aluminosilicate, silica and titanium dioxide.
6 1162366, 116236
Keksinnön mukaisesti on myös aikaansaatu menetelmä keskimäärin ylimäärin happea sisältävien diesel- tai bensiinimoottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi, jossa menetelmässä puhdistettavat pakokaasut johdetaan jonkin edellä kuvatun keksinnön mukaisen järjestelmän läpi.According to the invention there is also provided a process for the purification of exhaust gases of an average oxygen-containing diesel or gasoline engine, wherein the exhaust gas to be purified is passed through a system according to the invention described above.
5 Keksinnön mukaisesti on lisäksi aikaansaatu menetelmä keskimäärin ylimäärin happea sisältävien diesel- ja bensiinimoottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi, jossa menetelmässä puhdistettavat pakokaasut johdetaan NOx-adsorptiokatalyytin läpi, jossa sulfaattien regenerointi saadaan aikaan käyttämällä laiha-rikasseosta, jossa laiha-rikasvaiheiden keston suhde on yli 3, edullisesti yli 10.According to the invention there is further provided a process for the purification of the exhaust gases of an average oxygen-containing diesel and gasoline engine, wherein the exhaust gases to be purified are passed through a NOx adsorption catalyst, wherein sulfate regeneration is achieved using a lean-rich blend 10.
10 Keksinnön mukaisesti voidaan nitraattien, sulfaattien ja partikkeleiden regeneroin-tiin käyttää kestoltaan erilaisia rikastuksia, jolloin edullisesti käytetään sulfaattien ja partikkeleiden regenerointiin pidempää aikaa kuin nitraattien regenerointiin.According to the invention, enrichments of different durations can be used for the regeneration of nitrates, sulfates and particles, whereby the regeneration of sulfates and particles is preferably used for a longer period of time than the regeneration of nitrates.
Keksinnön mukaisesti on vieläpä aikaansaatu menetelmä keskimäärin ylimäärin happea sisältävien diesel- ja bensiinimoottoreiden pakokaasujen puhdistamiseksi, 15 jossa menetelmässä puhdistettavat pakokaasut johdetaan NOx-adsorptiokatalyytin läpi, jossa nitraattien, sulfaattien ja partikkeleiden regenerointi saadaan aikaan säätämällä ajoittain moottorin seossuhde laihasta lähemmäksi stökiometristä suhdetta, jolloin λ- arvo edullisesti on pienempi kuin 1,2 ja edullisemmin pienempi kuin 1,15. Tähän menetelmään liittyen moottoriin tai pakoputkistoon voidaan en-20 nen NOx-adsorptiokatalyyttiä injektoida polttoainetta, jolloin seossuhde saadaan olennaisesti stökiometriseksi tai rikkaaksi λ-arvon ollessa pienempi kuin 1,1, edul- • » . .·, lisesti 1 tai pienempi kuin 1 ja edullisemmin välillä 0,97-1,00.According to the invention there is further provided a process for the purification of exhaust gases on average in oxygen-containing diesel and gasoline engines, wherein the exhaust gases to be purified are passed through a NOx adsorption catalyst, wherein regeneration of nitrates, sulfates and particles is achieved by preferably less than 1.2 and more preferably less than 1.15. In connection with this method, fuel may be injected into the engine or exhaust system prior to the NOx adsorption catalyst, whereby the mixture ratio is substantially stoichiometric or rich with a λ value of less than 1.1, preferably ». ., Additionally 1 or less than 1 and more preferably between 0.97 and 1.00.
Keksintöä kuvataan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin kuviin, joista * » · I · • · ,··. kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaista järjestelmää, • · · 25 kuva 2 esittää erästä toista keksinnön mukaista järjestelmää, • · • · · • · · .·*. kuva 3 esittää erästä kolmatta keksinnön mukaista järjestelmää, i\: kuva 4 esittää erästä neljättä keksinnön mukaista järjestelmää, ja • · • · kuvat 5-9 esittävät graafisesti laboratoriokokeista saatuja tuloksia.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which * »· I · • ·, ··. Figure 1 shows a system according to the invention, Figure 2 shows another system according to the invention, ·. Fig. 3 shows a third system according to the invention, Fig. 4 shows a fourth system according to the invention, and Figs. 5-9 graphically show the results obtained from laboratory tests.
nm : Keksinnön mukaisesti toiminnalliset yksiköt voidaan järjestää kohteen olosuhtei- 30 den ja konversiovaatimusten mukaan eri järjestykseen. Kuvissa 1-4 on esimerkinomaisesti esitetty joitakin edullisia keksinnön mukaisia järjestelmiä.nm: According to the invention, the functional units may be arranged in a different order according to the object conditions and the conversion requirements. Figures 1-4 illustrate, by way of example, some preferred systems of the invention.
7 1162367, 116236
Kuvissa 1-4 A merkitsee ilmaa (air) ja F merkitsee polttoainetta (fuel).In Figures 1-4, A denotes air and F denotes fuel.
Kuvassa 1 on esitetty järjestelmä, jossa yksiköt on järjestetty järjestykseen, jossa moottorista 1 tuleva raaka pakokaasu 2 menee ensin hapetuskatalyyttiin 3, seu-raavaksi partikkeliloukkuun 4 ja viimeiseksi NOx-adsorptiokatalyytistä 5 tulee ulos 5 puhdistettu pakokaasu 6. Tämä järjestelmä on erityisen edullinen noen re-generoinnin kannalta.Figure 1 illustrates a system in which the units are arranged in the order in which the raw exhaust gas 2 from the engine 1 first enters the oxidation catalyst 3, next into the particulate trap 4, and finally the purified NOx 5 adsorbent catalyst 5 exits. in terms of generation.
Kuvassa 2 on esitetty eräs toinen järjestelmä, jossa yksiköt on järjestetty järjestykseen, jossa moottorista 1 tuleva raaka pakokaasu 2 menee ensin NOx-adsorptiokatalyytiin 5, seuraavaksi partikkeliloukkuun 4 ja viimeiseksi hapetuskata-10 lyytistä 3 tulee ulos puhdistettu pakokaasu 6.Figure 2 shows another system in which the units are arranged in the order in which the raw exhaust gas 2 from the engine 1 first enters the NOx adsorption catalyst 5, then the particulate trap 4, and finally the purified oxidant 6 from the oxidation boiler 10.
Kuvassa 3 on esitetty järjestelmä, jossa jokaiselle sylinterille on järjestetty oma NOx-adsorptiokatalyytti. Koska dieselmoottorilla on vaikea järjestää koko pakokaasuun rikkaita olosuhteita, voidaan uusimmilla moottoriohjausjärjestelmillä käyttää sylinterikohtaista A/F-säätöä ja tehdä rikastukset vaiheittain eri sylintereissä 15 keskenään eri aikaan. 4-sylinterisessä 7, 8, 9, 10 moottorissa on pakoputkistoon asennettu jokaiselta sylinteriltä tulevaan putkistoon oma NOx-adsorptiokatalyytti 5". Nykyaikaiset säätöjärjestelmät ja moottorit (common trail, turboahdettu) antavat mahdollisuuden säätää λ erikseen jokaisessa sylinterissä. Suurimman osan aikaa kaikissa sylintereissä pakokaasu on laihana keräten typen oksideja NOx-:'j‘: 20 adsorptiokatalyyttiin. Aika-ajoin noin 0,5-10 min välein tehdään sylinterikohtainen jv. rikastus (λ < 1), jolla pelkistetään NOx-adsorptiokatalyytissä olevat nitraatit typeksi.Figure 3 shows a system in which each cylinder is provided with its own NOx adsorption catalyst. Because it is difficult for a diesel engine to provide rich exhaust conditions, the latest engine control systems can use cylinder-specific A / F control and step-by-step enrichment in different cylinders 15 at different times. The 4-cylinder 7, 8, 9, 10 engines have their own NOx adsorption catalyst 5 "mounted in the exhaust pipe from each cylinder. Modern control systems and engines (common trail, turbocharged) allow you to adjust λ individually for each cylinder. Most of the time, all cylinders are lean to collect nitrogen oxides in NOx -: 'j': 20 adsorption catalysts Periodically, at intervals of about 0.5 to 10 min, a cylinder-specific jv concentrate (λ <1) is made to reduce the nitrates in the NOx adsorption catalyst to nitrogen.
• · . Rikastusta ei tehdä yhtä aikaa kaikissa sylintereissä. Koska rikastavan sylinterin 7, • * * 11 rinnalla käyvät sylinterit 8-10 ovat laihalla, on seoksen koostumus yhdyskana- • * vassa 12 kuitenkin sekoittamisen jälkeen laihalla, jossa seoksessa hapetuskata-j.,’ 25 lyytti 3 voi toimia ja partikkeiiioukku 4 kerää kiintoainepartikkelit. Noen määrää '···’ dieselmoottorin pakokaasussa voidaan hallita huomattavasti paremmin sylinteri- kohtaisesti verrattuna tapaukseen, jossa koko seos olisi rikastettu. Partikkeiiioukku : 4 regeneroidaan noesta N02:lla antamalla seoksen olla riittävän kauan kaikilla tai• ·. Enrichment is not done simultaneously on all cylinders. However, since the cylinders 8-10 parallel to the enrichment cylinder 7, * * 11 are lean, the composition of the mixture in the interconnector 12, however, is lean, where the oxidation boiler, lithium 3 can function and the particulate trap 4 collects solids . The amount of soot '···' in diesel engine exhaust gas can be significantly better controlled per cylinder compared to the case where the entire mixture is enriched. Particle Trap: 4 is regenerated from carbon black with NO2 by allowing the mixture to remain at
Iti joillakin sylintereillä laihana.It is thin on some cylinders.
»· < : * 30 Kuvassa 4 on esitetty järjestelmä, jossa toiminnalliset yksiköt on järjestetty myös kahteen osaan eri sylintereille 7 ja 8 sekä 9 ja 10, joissa molemmissa linjoissa on täydellinen keksinnön mukainen järjestelmä sisältäen hapetuskatalyytin 3', partik- : keliloukun 4' ja NOx-adsorptiokatalyytin 5'. Tällöin voidaan käyttää noin puolet pie nempiä tilavuuksia katalyyteille ja loukuille, jolloin ne voidaan sijoittaa mahdolli-35 simman lähelle moottoria. Rikastusten aikaansaaminen on huomattavasti hei- 8 116236 pompaa kahdessa sylinterissä kuin koko moottorissa ja tällä tavalla saadaan NOx-adsorptiokatalyytti regeneroitua nitraateista, sulfaateista tai partikkeleista. Yhden tai kahden sylinterin systeemissä voidaan rikastaa dieselmoottori sillä tavalla, että lämpötila nousee riittävän korkeaksi myös sulfaattien hajottamiseksi rikkivedyksi 5 rikkaassa vaiheessa ja noki palaa rikastuksen loputtua happimäärän noustessa äkillisesti. Vastaavaa systeemiä voidaan käyttää myös laihabensiinikohteissa (GDI), jolloin partikkeliloukku voidaan jättää myös pois ja hapetuskatalyytin tilalla on 3-toimikatalyytti.Figure 4 shows a system in which the functional units are also arranged in two parts on different cylinders 7 and 8 and 9 and 10, each having a complete system according to the invention including an oxidation catalyst 3 ', a particle trap 4' and NOx adsorption catalyst 5 '. In this case, about half the smaller volumes for catalysts and traps can be used, allowing them to be placed as close to the engine as possible. The concentration of concentrates is considerably weaker in two cylinders than in the entire engine, and in this way the NOx adsorption catalyst can be regenerated from nitrates, sulphates or particles. In a one or two cylinder system, the diesel engine can be enriched in such a way that the temperature also rises sufficiently high to decompose the sulfates into hydrogen sulphide in the rich phase and the soot burns back when the oxygen concentration is abruptly increased. A similar system can also be used for lean gasoline targets (GDI), whereby the particle trap can also be omitted and the oxidation catalyst is replaced by a 3-carbon catalyst.
Keksinnön mukaisella järjestelmällä voidaan typen oksideja poistaa laihoissa olo-10 suhteissa ja estää nykyisissä hapetuskatalyyteissä muodostuvan haitallisen N02:n pääsy ulkoilmaan. Tavoitteena on pelkistää typen oksidit typeksi λ:η laskiessa pel-kistyspiikin aikana tasolle < 1. Vaikka nitraattien pelkistys ei toimisi joissain olosuhteissa, hajoavat nitraatit muodostavat ja katalyytti desorboi pääasiassa NO:ta N02:n sijasta, mikä on jo huomattava etu järjestelmässä. Jos seossuhde menee 15 stökiometriseksi tai lähes stökiometriseski NOx-adsorptiokatalyytissä, nitraattien hajoamislämpötila laskee selvästi verrattuna normaaleihin dieselolosuhteisiin, jolloin tämän kaltainen desorptio on mahdollinen. Riippuen NOx-adsorptiomateriaa-leista, lämpötila on tällöin välillä 150-400 °C.With the system of the invention, nitrogen oxides can be removed in a lean condition and prevent the entry of harmful NO2 formed in current oxidation catalysts into the open air. The objective is to reduce the oxides of nitrogen to λ: η during the reduction peak to <1. Even though nitrate reduction would not work under certain conditions, the decomposing nitrates and the catalyst desorb mainly NO instead of NO2, which is already a considerable advantage in the system. If the blend ratio becomes 15 stoichiometric or almost stoichiometric in NOx adsorption catalyst, the decomposition temperature of nitrates is clearly reduced compared to normal diesel conditions, whereby such desorption is possible. Depending on the NOx adsorption materials, the temperature is between 150 and 400 ° C.
Koska noen polttamiseen tarvitaan korkea N02/C-suhde ja reaktion selektiivisyys 20 on huono, suurin osa N02:sta tulee kuvan 1 järjestelmässä partikkeliloukun läpi ja v ; adsorboituu NOx-adsorptiokatalyttiin. Rikastuspiikkejä voidaan toisinaan hyödyn- • tää lämpötilan nostamiseen, millä lisälämmöllä saavutetaan partikkelien palamis- : i *: lämpötila. Noen palamisen kannalta rikas seos ei ole edullinen, mutta heti sen jäl- ·;·'· keen suodattimen pintalämpötila on edelleen korkea ja happipitoisuuden kasvaes- 25 sa kaasussa nopeasti partikkelit reagoivat jopa hapen kanssa (> 500 °C) muodos- , · · \ taen kaasumaisia yhdisteitä.Since the high NO 2 / C ratio is required for the combustion of soot and the reaction selectivity is poor, most of the NO 2 comes through the particle trap in the system of Figure 1 and v; adsorbs on an NOx adsorption catalyst. Concentration peaks can sometimes be utilized to raise the temperature, which results in additional combustion temperature of the particles: i *: For the combustion of soot, a rich mixture is not advantageous, but immediately thereafter the surface temperature of the filter is still high and as the oxygen concentration in the gas rapidly increases, the particles react even with oxygen (> 500 ° C) to form, gaseous compounds.
» ♦»♦
Mlml
Sijoittamalla partikkeliloukku lähimmäs moottoria voidaan hyödyntää korkeampi * lämpötila ja saada NOx-adsorptiokatalyytti toimimaan mahdollisimman suurilla ajo- :>t>: nopeuksilla (kuva 2). Partikkelierottimen ja hapetuskatalyytin järjestys voi olla 30 myös toisinpäin. Tällä järjestelmällä voidaan myös tehdä sellaisia rikastuspiikkejä, » » \.!t jossa rikastetaan juuri sen verran, että suuri määrä nitraatteja hajoaa, muodostaa ’: * hapetuskatalyytissä N02:ta ja polttaa tehokkaasti partikkeleita suurella N02/C-suh- teella. Mikäli partikkelierotin on NOx-adsorptiokatalyytin jälkeen, N02:ta saadaan menemään partikkeliloukulle antamalla seoksen olla laihana riittävän pitkän aikaa 35 esim. maantieajossa.By placing the particulate trap closest to the engine, a higher * temperature can be utilized and the NOx adsorption catalyst can be operated at the highest possible running speeds:> t>: (Fig. 2). The order of the particle separator and the oxidation catalyst may also be reversed. This system can also make enrichment peaks that are enriched to such an extent that a large amount of nitrates decompose, form NO 2 in the oxidation catalyst, and efficiently burn particles at high NO 2 / C ratios. If the particle separator is after the NOx adsorption catalyst, NO 2 can be trapped in the particle trap by allowing the mixture to be lean for a sufficient period of time, e.g.
9 1162369, 116236
Partikkelierottimeen tai järjestelmään kertynyt noki, C(s), regeneroidaan termisellä tai katalyyttisellä reaktiolla, joissa normaalissa pakokaasussa N02 toimii pääasiassa hapettajana:The soot, C (s), accumulated in the particulate separator or system, is regenerated by a thermal or catalytic reaction in which, in the normal exhaust, NO 2 acts primarily as an oxidant:
C(s) + N02 -> COx (g) + NO(g) (+ N2 (g)) > 230 °CC (s) + NO 2 -> COx (g) + NO (g) (+ N 2 (g))> 230 ° C
5 C(s) + 02 ^ COx (g) > 500 °C5 C (s) + O 2 → CO 2 (g)> 500 ° C
jossa happi ja N02 ovat kaasufaasissa tai pintoihin adsorboituneena.wherein the oxygen and NO 2 are in the gas phase or adsorbed on the surfaces.
Keksinnön mukaisessa järjestelmässä partikkelierotin voi olla mikä tahansa suodatin tai partikkeleita erottava järjestelmä, joka on valmistettu keraamista, SiC:sta tai metallista. Rakenteeltaan erotin voi olla kennomainen, sauvatyyppinen, vaahto, 10 huokoinen levy, lankamainen (wire mesh), äänenvaimentajarakenne tai syk-lonityyppinen. Partikkelierotin on paikka, johon partikkelit jäävät riittävän pitkäksi aikaa voidakseen hapettua hiilioksideiksi ja vedeksi. Erotuskykyä on voitu tehostaa elektrostaattisesti ja palamista lisälämmönlähteellä (polttimet, sähkölämmitys). Järjestelmässä voidaan käyttää myös noen palamista katalysoivia polttoaineen tai 15 pakokaasun lisäaineita noen syttymislämpötilan alentamiseen. Partikkeliloukku voidaan pinnoittaa myös kompaktin rakenteen aikaansaamiseksi hapetus- ja/tai NOx-adsorptiokatalyytillä. Partikkelierotin voidaan pinnoittaa tulopuolelta hapetus-katalyytillä ja lähtöpuolelta NOx-adsorptiokatalyytillä. Vaikeutena tässä tilanteessa voi olla liian alhainen geometrinen kokonaispinta-ala katalyyttimateriaaleille.In the system of the invention, the particle separator can be any filter or particle separator system made of ceramic, SiC or metal. The separator can be of cellular, rod-type, foam, 10-porous plate, wire mesh, silencer or cyclone type. A particle separator is a place where the particles remain long enough to be oxidized to carbon oxides and water. The resolution may have been enhanced electrostatically and combustion with an additional source of heat (burners, electric heating). Fuel or catalytic additive catalysing soot combustion may also be used in the system to reduce the soot ignition temperature. The particle trap can also be coated to provide a compact structure with an oxidation and / or NOx adsorption catalyst. The particle separator can be coated on the upstream side with an oxidation catalyst and on the upstream side with a NOx adsorption catalyst. The problem in this situation may be that the total geometric surface area for the catalyst materials is too low.
ί V 20 Koska NOx-adsorptiokatalyytti on kohtuullisen hyvä hapetuskatalyytti laihaolosuh-teissä, voidaan keksinnön mukaista järjestelmää käyttää sopivassa kohteessa kahdella toiminnallisella yksiköllä, jotka ovat NOx-adsorptiokatalyytti ja partikke-*:·*: lierotin. Tällöin N02:ta muodostetaan antamalla seoksen olla aika-ajoin pidem- ;***; pään laihalla. Noen regenerointia tarvitaan kuitenkin suhteellisen harvoin. Kahden 25 yksikön järjestelmässä noen regenerointi on voitu järjestää myös muilla tässä seli-: tyksessä kuvatuilla tavoilla.Since the NOx adsorption catalyst is a reasonably good oxidation catalyst under lean conditions, the system of the invention can be used in a suitable subject with two functional units, which are the NOx adsorption catalyst and the particle *: · *: separator. The NO 2 is then formed by allowing the mixture to be periodically prolonged; head lean. However, the regeneration of soot is relatively rare. In a two 25 unit system, the regeneration of soot can also be arranged in other ways as described herein.
Sylinterikohtaisella NOx-adsorptiokatalyytillä laihamoottoreiden käyttömahdollisuu-;V; det kasvavat, vaikka järjestelmä sisältääkin useampia erillisiä toiminnallisia yksi- .···. köitä ja on siten normaalia kalliimpi. Kokemuksen perusteella dieselmoottoreiden ·’ 30 rikastuksen tiedetään olevan vaikeaa ja ongelmana ovat palamishäiriöt ja runsas ' ' partikkelien muodostus. Rikastamalla kerrallaan vain yhtä sylinteriä tarvitaan sel- västi vähemmän rikastusta ja sekoittuessaan yhteen muista sylintereistä tulevan pakokaasun kanssa ylimäärä hiilivetyä, CO:ta, vetyä ja partikkeleita palaa termisesti, hapetuskatalyytissä ja partikkelierottimessa. NOx-adsorptiokatalyytin eteen 10 116236 sijoitettu partikkelierotin poistaa muodostuvat partikkelit ja vain kaasumaiset pel-kistimet kuten CO, vetyjä hiilivedyt pääsevät NOx-adsorptiokatalyytille pelkistyspii-kin aikana. Partikkelierotin taas regeneroituu NC^IIa seoksen siirtyessä jälleen laihalle.With a cylinder-specific NOx adsorption catalyst, lean engines can be used; V; However, the system will grow even though the system contains several separate functional units. ropes and is therefore more expensive than normal. Experience has shown that the '' 30 enrichment of diesel engines is known to be difficult, with problems with combustion failure and abundant particle formation. By concentrating only one cylinder at a time, clearly less enrichment is required and when mixed with the exhaust gas from the other cylinders, the excess hydrocarbon, CO, hydrogen, and particles burn thermally, in the oxidation catalyst and in the particle separator. The particle separator placed in front of the NOx adsorption catalyst 10 116236 removes the formed particles and only gaseous reducing agents such as CO, hydrocarbons, reach the NOx adsorption catalyst during the reduction peak. The particle separator, on the other hand, regenerates as the NC / IIa mixture is again lean.
5 Sylinterikohtaisella NOx-adsorptiokatalyytillä voidaan poistaa kertyneet sulfaatit huomattavasti helpommin kuin kokonaisjärjestelmällä, koska yhdessä sylinterissä rikastus ei häiritse moottorin toimintaa ja ajettavuutta verrattuna tilanteeseen, jossa rikastus tehtäisiin koko pakokaasuun. Stabiilien sulfaattien (kuten BaS04) hajottaminen saattaa vaatia yli 600 °C lämpötilan riittävän pitkissä pelkistävissä olo-10 suhteissa. Kun rikastus tehdään yhdessä sylinterilinjassa yksinään eri aikaan muiden kanssa, desorboituva H2S reagoi ylimäärin happea sisältävässä pakokaasussa termisesti tai katalyytin pinnalla takaisin S02:ksi, joka on rikkivetyä hajutto-mampi. Rikastavan sylinterin pakokaasun 11 (kuva 3) lämpötilan ollessa riittävän korkea sulfaattien hajotukseen lämpötila yhdistetyssä pakokaasussa 12 on riittä-15 vän korkea, jotta rikkivety reagoi hapetuskatalyytissä SC^ksi. Rikastuspiikkien pituus on normaalisti hyvin lyhyt, 0,1-5 s, ja laihavaiheen pituus esim. 15-180 s. Esitetyssä menetelmässä voidaan tietenkin muuttaa tarpeen mukaan aikasuhdetta laiha/rikas.5 Cylinder-specific NOx adsorption catalysts allow the removal of accumulated sulfates much more easily than with a complete system, since in one cylinder the enrichment does not interfere with engine operation and runnability compared to the situation where the enrichment would be done in the exhaust. The decomposition of stable sulfates (such as BaSO 4) may require a temperature above 600 ° C under sufficiently long reducing conditions. When the enrichment is carried out in a single cylinder line alone at different times with others, the desorbable H2S reacts thermally or at the surface of the catalyst back to SO2, which is less odorous to hydrogen sulfide, in the oxygen-containing exhaust gas. When the temperature of the enrichment cylinder exhaust gas 11 (Figure 3) is high enough for sulfate decomposition, the temperature in the combined exhaust gas 12 is sufficiently high for the hydrogen sulfide to react in the oxidation catalyst to SC 4. The enrichment peaks are normally very short, 0.1 to 5 s, and the length of the lean phase, e.g., 15 to 180 s.
Dieselpakokaasujen lämpötila laskee uusien moottorityyppien hyötysuhteen jatku-20 vasti kasvaessa. Sylinterikohtaiset katalyytit voidaan sijoittaa lähemmäs moottoria • · · ’·* * ja katalyytin halkaisija pysyy kohtuullisempana kuin tilanteessa, jossa kaikkien sy- : \: linterien pakokaasu virtaisi yhden katalyytin kautta. Jos 4-sylinterisessä autossa tarvitaan kaikkiaan 2,0 litran NOx-adorptiokatalyytti, voidaan vaihtoehtoisesti sijoit-*:··: taa kullekin sylinterille noin 0,5 litran katalyytti. Koska kuhunkin katalyyttiin tulee ·:··· 25 vain yhden sylinterin pakokaasu, voidaan katalyytin halkaisija laskea selvästi pie- nemmäksi kuin esim. samakokoisen starttikatalyytin, jonka kautta kaikki pakokaasu virtaa. Keksinnön mukaisessa tilanteessa katalyytin halkaisija lähestyy pako-: putkien halkaisijaa, jolloin katalyytti mahtuu pieneen tilaan.The temperature of diesel exhaust gases decreases as the efficiency of new engine types continues to increase. Cylinder-specific catalysts can be positioned closer to the engine, and the catalyst diameter remains more reasonable than in a situation where exhaust gas from all cylinders would flow through a single catalyst. Alternatively, if a 4-cylinder car requires a total of 2.0 liters of NOx adsorption catalyst, approximately 0.5 liters of catalyst may be placed on each cylinder - *: ··. Because each catalyst receives only one cylinder exhaust gas, the diameter of the catalyst can be significantly reduced than, for example, a starter catalyst of the same size through which all exhaust gas flows. In the situation of the invention, the diameter of the catalyst approaches the diameter of the exhaust pipes, whereby the catalyst fits into a small space.
Käytettäessä kahta erillistä linjastoa esimerkiksi 4- tai 6-sylinterisessä moottorissa, 30 voidaan niitä käyttää erikseen täydellisinä järjestelminä. Tällöin rikastuksen teke-.···, minen nitraattien hajottamiseksi, partikkelien polttamiseksi ja sulfaattien hajottami- ’·’ seksi onnistuu huomattavasti helpommin kuin kokonaisjärjestelmässä. Nitraattien : pelkistäminen tapahtuu jo hyvin alhaisissa lämpötiloissa (jopa <200 °C). Pääasia on saada aikaan pelkistävät olosuhteet. Mikäli NOx-pitoisuudet raakapäästössä 35 ovat alhaisia, jää NCVC-suhde alhaiseksi, jolloin tarvitaan myös keksinnön mukaisessa järjestelmässä tehtävissä rikastuksissa syntyvää lisälämpöä suodattimeen 11 116236 kertyneiden partikkelien polttamiseen. Sulfaattien poistaminen on normaaleissa ΝΟχ-adsorptiokatalyyteissä lämpötilavaatimuksen suhteen kriittisin ja sitä varten lämpötila on nostettava vähintään yli 300 °C:n, normaalisti yli 600 °C:n. Jako kahteen linjastoon voi olla kriittinen tekijä, jota ilman dieselmoottorissa keksinnön mu-5 kaista järjestelmää ei voida ajettavuuden ja käynnin tasaisuusvaatimuksen takia käyttää.When using two separate lines, for example in a 4 or 6 cylinder engine, they can be used separately as complete systems. This is where the process of concentrating for nitrate decomposition, particle incineration and sulphate decomposition is much easier than in the overall system. Nitrates: Reduction already occurs at very low temperatures (up to <200 ° C). The main thing is to create a reducing circumstance. If the NOx concentrations in the crude emissions 35 are low, the NCVC ratio will remain low, which will also require additional heat generated in the enrichment of the system of the invention to burn the particles accumulated in the filter 11116236. In normal ΝΟχ-adsorption catalysts, the removal of sulfates is the most critical for the temperature requirement, and for this the temperature must be raised to at least 300 ° C, normally above 600 ° C. The division into two lines can be a critical factor without which the diesel engine system of the invention cannot be used due to the requirement for runnability and running smoothness.
On mahdollista asentaa keksinnön mukaiset järjestelmät erikokoisina niin, että yhden sylinterin pakokaasut menevät yhteen järjestelmään ja muiden sylintereiden toiseen isompaan järjestelmään. Tällöin toinen järjestelmä voi olla hyvin pieni. 10 Keksinnön mukaiset toiminnalliset yksiköt voidaan kytkeä yhteen, rinnakkain myös usealla esitettyjen vaihtoehtojen kombinaatiolla.It is possible to install the systems of the invention in different sizes so that the exhaust gases from one cylinder go to one system and the other to another larger system. In this case, the second system may be very small. The functional units according to the invention can be connected together, in parallel, by several combinations of the alternatives presented.
Kehitetyissä, laihalla käyvissä suoraruiskutusbensiinimoottoreissa on ollut vaikeutena partikkelipäästöjen lisääntyminen. Partikkeleita voi syntyä palotilassa sekä laihalla että rikastuksissa normaalia bensiinimoottoripäästöä enemmän. Keksin-15 nön mukaista järjestelmää ja menetelmää voidaan käyttää myös niissä kohteissa ja korkeampien lämpötilojen takia partikkelien ja sulfaattien poistaminen järjestelmästä tapahtuu nopeasti, usein normaalissa ajossa. Yksinkertainen partikkeli-erotin estäisi hetkellisesti syntyvien partikkelien pääsyn ulkoilmaan.Developed, low-emission direct injection gasoline engines have encountered difficulties in increasing particle emissions. Particles can be generated in the combustion chamber, both lean and enriched, more than normal gasoline engine emissions. The system and method of the invention can also be used in those applications and, due to higher temperatures, the removal of particles and sulfates from the system occurs rapidly, often in normal running. A simple particle separator would prevent momentarily generated particles from entering the open air.
Koska dieselmoottorilla on vaikeampi tehdä rikastuksia (λ < 1) kuin bensiinimoot- 20 torilla, voidaan dieselmoottorin seossuhde säätää lähelle stökiometrisiä olosuhtei- :v. ta, joissa moottoria voidaan käyttää normaalisti lyhyen aikaa. NOx-adsorptiokata- . lyyttiin kertyneet nitraatit saadaan regeneroitua injektoimalla samaan aikaan lisä- ,2*: polttoainetta pakokaasuun (pakoputkistoon tai jälki-injektio sylintereihin). Tällä ta- • · voin NOx:ien päästöt moottorissa pysyvät matalampina kuin moottoririkastuksissa 25 (λ < 1). Palamisessa syntyvien NOx:ien raakaemissiot nousevat laihaan verrattuna '···’ siirryttäessä stökiometriseen ja rikkaaseen seokseen. Raakaemissioiden noustes sa rikastuksissa NOx-konversiovaatimus myös kasvaa. Käyttämällä dieselmottoria : hetkellisesti lähellä stökiometristä, mutta pysymällä selvästi laihalla, voidaan typen oksidien ja partikkelien raakaemissiot pitää kohtuullisina. Sillä hetkellä rikastus :v. 30 pelkistäviin olosuhteisiin tehdään polttoaineinjektiolla. Pelkistystehon kannalta voi olla tarpeen tehdä kestoltaan pidempi rikastuspiikki tätä menetelmää käytettäes-sä, koska λ on nyt lähempänä 1:tä kuin aiemmin kuvatussa menetelmässä. Pel-kistysteho riippuu rikastusvaiheen kestosta, etäisyydestä stökiometriseen seok-:.' ·; seen ja pelkistimien koostumuksesta.Since the diesel engine is more difficult to make concentrates (λ <1) than the petrol engine, the diesel engine blend ratio can be adjusted to near stoichiometric conditions. where the engine can be run normally for a short time. NOx-adsorption catalyst-. nitrates accumulated in the lithium can be regenerated by simultaneously injecting additional, 2 * fuel into the exhaust gas (exhaust or post injection into cylinders). In this way, NOx emissions in the engine remain lower than in engine enrichment 25 (λ <1). The raw emissions of NOx from combustion increase when compared to lean '···' transition to a stoichiometric and rich blend. As crude emissions rise, the requirement for NOx conversion also increases. By using a diesel engine: momentarily close to the stoichiometric but clearly lean, the raw emissions of nitrogen oxides and particulates can be considered reasonable. At that moment enrichment: v. 30 reducing conditions are done by fuel injection. From the point of view of reduction power, it may be necessary to make an enrichment peak of longer duration when using this method, since λ is now closer to 1 than in the previously described method. The reduction power depends on the duration of the enrichment step, the distance to the stoichiometric mixture. ' ·; and the composition of the reducing agents.
12 11623612 116236
Lisäinjektio polttoaineella voidaan ajastaa myös hieman eri aikaan kuin moottoriri-kastus hieman laihalle. Lisäinjektio voi olla rikastuksen tehostamiseksi hieman ennen tai jälkeen moottoririkastuksen. Saattaa olla edullista tehdä lisäinjektio ennen moottoririkastusta esimerkiksi siitä syystä, että vielä selvästi laihassa seoksessa 5 polttoaine krakkautuu reaktiivisiksi yhdisteiksi alemmassa lämpötilassa kuin syötettäessä lähellä stökiometristä olevaan seokseen. Tämä voidaan optimoida mm. lämpötilan ja pelkistystehon suhteen. Lisäinjektio voidaan tehdä myös syöttämällä polttoainetta järjestelmään juuri ennen NOx-adsorptiokatalyyttiä. S-regenerointi onnistuu myös käyttämällä tätä menetelmää tai tehdään kestoltaan pidempi ja rik-10 kaampi rikastus. Termodynaamisten laskelmien mukaan ilman lisäinjektiota lähellä stökiometristä seosta laihalla nitraattien hajoamislämpötila on selvästi alentunut, jolloin normaaleissa ajo-olosuhteissa NOx-adsorptiokatalyytistä desorboituu NO:ta, joka on ympäristön kannalta parempi päästö kuin normaaleista Pt-hapetuskatalyy-teistä syntyvä NO2. Rikastusta jatkuvasti tai hetkellisesti ei dieselmoottorilla voida 15 tehdä polttoaineinjektiolla järkevästi, koska happea on normaalissa käyntitilan-teessa 5-16 % pakokaasussa. Silloin tarvittava polttoainemäärä olisi niin suuri, että se kuluttaisi kaiken tämän hapen ennen kuin typen oksidit alkaisivat kunnolla pelkistyä. Näin suuri hiilivetymäärä ei enää kunnolla pala katalyyteissä ja injektio aiheuttaa liian suuren polttoaineen kulutuksen kasvun sekä päästöriskin.Additional fuel injection may also be scheduled at a slightly different time than the motor horn injection for a slightly lean time. The additional injection may be to enhance the concentration slightly before or after the motor enrichment. It may be advantageous to make additional injection prior to engine enrichment, for example because in still clearly lean blend 5, fuel is cracked to reactive compounds at a lower temperature than when fed to a blend near the stoichiometer. This can be optimized e.g. temperature and reduction power. Additional injection can also be made by injecting fuel into the system just before the NOx adsorption catalyst. S-regeneration can also be achieved by using this method or by making a longer-lasting and sulfur-enriched enrichment. According to thermodynamic calculations, without further injection near the stoichiometric mixture, the decomposition temperature of the lean nitrates is clearly lowered, under which, under normal driving conditions, the NOx adsorption catalyst desorbs NO, which is a better environmental release than the normal Pt oxidation catalysts. Continuous or momentary enrichment with a diesel engine cannot reasonably be done by fuel injection, since oxygen is present in the exhaust at 5-16% under normal operating conditions. Then the amount of fuel needed would be so great that it would consume all of this oxygen before the nitrogen oxides would begin to reduce properly. Such a large amount of hydrocarbons is no longer properly burned in the catalysts and the injection causes an excessive increase in fuel consumption and a risk of emissions.
20 Järjestelmää kehitettäessä syntyi myös NOx-adsoprtiokatalyyteille S-regenerointi-... menetelmä, jossa tavanomaisen pitkän pelkistykäsittelyn sijaan S-regenerointi . tehtiin heterogeenisissä laiha-rikas-olosuhteissa, jotka vastasivat normaalia järjes- : telmän ajonaikaista laiha-rikas-ajastusta ja olosuhteita lukuunottamatta lämpötilaa, ill jonka tuli nostaa ko. katalyytin sulfaattien hajottamisen vaatimalle tasolle. Omi-: " 25 naista on rikasvaiheen lyhyys verrattuna laihavaiheeseen. S-regenerointi tulisi teh- dä tilanteissa, joissa lämpötila on muutenkin ajotilanteesta johtuen korkea, esim. moottoritieajossa. Lisälämpöä saadaan aikaan siirtämällä laihavaiheen seosta lähemmäs stökiometristä.During the development of the system, an S-regeneration -... process was also developed for NOx adsorption catalysts, where S-regeneration was used instead of the usual long reduction treatment. were performed under heterogeneous lean-to-rich conditions that corresponded to the normal system-lean-to-lean timing and conditions except for the temperature, which had to be raised at that time. to the level required for the decomposition of the catalyst sulfates. Own: "25 women is a shorter phase of the rich phase compared to the lean phase. S-regeneration should be done in situations where the temperature is otherwise high due to driving conditions, e.g. motorway driving. Additional heat is achieved by moving the lean phase mixture closer to the stoichiometer.
Keksintöä kuvataan vielä seuraavassa esimerkkien avulla, jotka liittyvät suoritet-30 tuihin laboratoriokokeisiin.The invention will now be further described by means of examples relating to laboratory tests performed.
• · · • t ]··*, Keksinnön mukaisissa järjestelmissä ja vertailujärjestelmissä käytettiin seuraavas- L sa lähemmin kuvattua hapetuskatalyyttiä, NOx-adsorptiokatalyyttiä ja partikkeli- ':": erotinta eli partikkeliloukkua.The oxidation catalyst, NOx adsorption catalyst and particle trap, described in more detail below, were used in the systems and reference systems of the invention.
Hapetuskatalyyttinä käytettiin dieselolosuhteisiin kehitettyä hapetuskatalyyttiä, jos- •y 35 sa tukiaineen ominaispinta-ala oli yli 200 m /g tuoreena ja tukiaineen määrä 13 116236 50 μητη ohuen metallifolion pinnalla oli noin 50 m2/g. Aukkotiheys oli 400 rei-kää/in2. Tukiaine sisälsi noin 1,4 % Pt:aa, jolloin katalyytti antoi yhtä aikaa korkean aktiivisuuden CO/HC:n hapetukseen ja noen hapettamiseen tarvittavan N02:n muodostukseen NO:sta dieselolosuhteissa. Pieni määrä typen oksideja pelkistyi 5 myös dieselolosuhteissa lämpötilavälillä 150-280 °C tässä Pt-katalyytissä.The oxidation catalyst used was an oxidation catalyst developed for diesel conditions where the specific surface area of the support was> 200 m / g fresh and the amount of support 13,132,636 on the surface of 50 μητη thin metal foil was about 50 m2 / g. The aperture density was 400 holes / inch. The support contained about 1.4% Pt, whereby the catalyst gave high activity at the same time from the NO in NO under diesel conditions for the oxidation of CO / HC and the oxidation of soot. A small amount of nitrogen oxides was also reduced under diesel conditions at 150-280 ° C in this Pt catalyst.
Alumiinioksidipohjaisen NOx-adsorptiokatalyytin tukiaine sisälsi 10% Ba, 9% La, 17 % Ce, 3 % Zr 1,8 % K, 1,2 % Mg ja 2,4 % Pt. Aukkotiheys oli 500 reikää/in2 ja metallifolion paksuus 50 pm.The support for the alumina-based NOx adsorption catalyst contained 10% Ba, 9% La, 17% Ce, 3% Zr, 1.8% K, 1.2% Mg, and 2.4% Pt. The aperture density was 500 holes / in2 and the metal foil thickness was 50 µm.
Kokeissa käytetty keraaminen kennomainen partikkeliloukku sisälsi noin 110 rei-10 kää/in2. Kennossa rei'issä oli aina toinen pää suljettu, jolloin kaasu joutui menemään huokoisen pakokaasun läpäisevän seinämän läpi. Reikien koko oli kuitenkin niin pieni, että partikkelit jäävät yli 80 %:n erotusasteella suodattimen tulopuolelle. Partikkelien määrän kasvaessa painehäviö kasvaa, jolloin suodattimeen kertynyt noki tulee poistaa polttamalla.The ceramic honeycomb particle trap used in the experiments contained about 110 rei-10 coils / in2. The cell always had one end closed in the holes, whereby gas had to pass through the permeable wall of the porous exhaust gas. However, the size of the holes was so small that the particles remain at the inlet side of the filter at a resolution of more than 80%. As the number of particles increases, the pressure drop increases and the soot accumulated in the filter must be removed by incineration.
15 Järjestelmien toimintaa simuloitiin laboratorio-olosuhteissa, jotka simuloivat keskimäärin laihalla käyvien dieselpolttoainetta käyttävien moottorien pakokaasuja, joissa tehdään harkitusti lyhyitä rikastuksia adsorboituneen NOx:n pelkistämiseksi. Vaikka partikkeleita ei syötetty sisäänmenoon eikä erotuskykyä mitattu, simulaation tarkoitus oli tutkia, miten normaaleissa henkilöautoissa käytetty partikkelierotin 20 vaikuttaa virtauksiin ja rikastuspiikkien läpimenemiseen. Simulaatio on vertailukel-poinen moottorilla tehtäviin myös siitä syystä, että partikkelien reaktio N02:n kans-. sa ei juuri kuluta N02:ta eikä vaikuta NOx-adsorptiokatalyyttiin tulevaan pitoisuu- teen.The systems were simulated under laboratory conditions that simulate the average exhaust emissions of low-emission diesel engines with deliberate enrichments to reduce adsorbed NOx. Although no particles were fed to the inlet and no resolution was measured, the purpose of the simulation was to investigate how the particle separator 20 used in normal passenger cars influences the flows and the passage of the enrichment peaks. The simulation is also comparable to the one performed on the motor because of the reaction of the particles with NO 2. it does not consume much NO 2 and does not affect the concentration present in the NOx adsorption catalyst.
Koska kestävyys todellisissa olosuhteissa on ongelma, näytteiden aktiivisuus mi-25 tattiin sen jälkeen, kun ne oli ensin hydrotermisesti ikäytetty (10 % vettä ilmassa, vaihtuma noin 4000 h'1 näytteessä) 700 °C:ssa 20 tunnin ajan. Tällä saatiin tulos, j joka vastaa toimintaa vaativissa todellisissa pakokaasuissa. Laboratorioputkireak- .··, torin sisäänmenon koostumusta säädeltiin tietokoneohjatuilla massavirtaussääti- millä ja koostumus analysoitiin jatkuvatoimisilla NOx-, CO-, HC- ja 02-: *’ 30 analysaattoreilla. Olosuhteet laboratoriolaitteistolla olivat taulukon 1 mukaiset.Because of the problem of durability under real conditions, the activity of the samples was measured after being hydrothermally aged (10% water in air, about 4000 hr -1 in a sample) at 700 ° C for 20 hours. This resulted in a result that corresponds to the actual exhaust emissions required. Laboratory Tube Reaction ··· The composition of the inlet to the market was controlled by computer controlled mass flow controllers and analyzed by continuous NOx, CO, HC and O2: * 'analyzers. The conditions in the laboratory equipment were as shown in Table 1.
• * k 14 116236• * k 14 116236
Taulukko 1 Laboratoriosimulaatiossa käytettyjä kaasukoostumuksia sisään-menossaTable 1 Inlet gas compositions used in the laboratory simulation
Yhdiste__Laiha 1__Rikas 1__Laiha 2__Rikas 2 NO, ppm__500__1500 500__500 C3H6, ppm__500 1000__1000 3330 CO, %__0,05 6__01__1,0 H2, %__ 0,04 2__03__0,8 02, %__7___0J3__1,8 1,.8 H2Q, %__10 10__10 10 C02, %__10 10__10__10 S02, ppm__0/25 0/25__0__0 N2__loput loput__loput__loput λ__045__0.84 1,08 0,99Compound__Fat 1__Wealthy 1__Fat 2__Wealthy 2 NO, ppm__500__1500 500__500 C3H6, ppm__500 1000__1000 3330 CO,% __ 0.05 6__01__1.0 H2,% __ 0.04 2__03__0.8 02,% __ 7 ___ 0J3__1.8 1, .8 H2Q,% 10__ ,% __ 10 10__10__10 S02, ppm__0 / 25 0 / 25__0__0 N2__the rest__the rest of the λ__045__0.84 1.08 0.99
Aika, s__60 5 5__5__Time, s__60 5 5__5__
Pakokaasut simuloivat seuraavia olosuhteita dieselpakokaasussa: 5 Laiha 1: normaali dieselpakokaasu laihallaExhaust gases simulate the following conditions in diesel exhaust: 5 Lean 1: Normal diesel exhaust
Rikas 1: rikastus dieselmoottorilla hetkellisesti selvästi rikkaalle (λ < 1)Rich 1: Diesel engine instantaneous enrichment to rich (λ <1)
Laiha 2: seossuhde siirretty lähelle stökiometristä dieselmoottorilla pysyen kui- tenkin selvästi laihalla : Rikas 2: siirretty seossuhde pakokaasussa hieman rikkaalle Laiha 2 - '••v 10 olosuhteista jälki-injektoimalla polttoainetta pakokaasuunLean 2: Mixture ratio shifted close to stoichiometric with diesel engine, but clearly lean: Rich 2: Shifted mixture ratio in exhaust to slightly rich Lean 2 - '•• v 10 conditions after injecting fuel into exhaust
Keskimääräiset aktiivisuudet mitattiin 5 syklin aikana välillä 150-600 °C 50 °C:n .···, välein.Average activities were measured over 5 cycles between 150-600 ° C and 50 ° C.
< · · . . Esimerkki 1<· ·. . Example 1
Laboratoriossa tehtiin vakiolämpötiloissa syklisiä aktiivisuustestejä, joissa taulukon 15 1 laiha 1 -seosta johdettiin 60 s:n ja rikas 1 -seosta 5 s:n ajan reaktoriin. Tulokset on esitetty kuvissa 5 ja 6, joissa toiminnalliset yksiköt on merkitty seuraavasti: Oxi-cat = hapetuskatalyytti (pituus 30 mm, vaihtuma 75 000 h'1, PF = partikkelierotin (pituus 75 mm, vaihtuma 30 000 h'1) ja NSR = NOx-adsorptiokatalyytti (pituus 47 : mm, vaihtuma 48 000 h'1). Näytteiden pituudet ja vaihtumat oli valittu vastaamaan 20 suhteellisesti normaaleja olosuhteita, joita on dieselauton pakokaasussa ja NOx- 15 116236 adsorptiokatalyyteissä, jolloin adsorptiokapasiteetit, hapetuskyvyt ja virtausdynamiikka vastaavat todellisia pakokaasuolosuhteita.At constant temperatures, the laboratory performed cyclic activity tests in which the 15 lean 1 mixture of Table 15 was fed to the reactor for 60 s and the rich 1 mixture for 5 s. The results are shown in Figures 5 and 6, where the functional units are designated as follows: Oxi-cat = oxidation catalyst (length 30 mm, change 75,000 h'1, PF = particle separator (length 75 mm, change 30,000 h'1) and NSR = NOx Adsorption Catalyst (Length 47: mm, 48,000 h -1) The sample lengths and shifts were selected to correspond to 20 relatively normal conditions found in diesel vehicle exhaust and NOx-116236 adsorption catalysts, corresponding to adsorption capacities, oxidation capacities and flow dynamics.
Ensimmäisessä testisarjassa, jonka tulokset on esitetty kuvassa 5, käytettiin hape-tuskatalyyttiä (vertailu), NOx-adsorptiokatalyyttiä (vertailu) ja järjestelmää, jossa 5 partikkelienkin ja NOx-adsorptiokatalyytti on sijoitettu sarjaan. Tulokset osoittavat, että Pt-hapetuskatalyytti yksinään ei toimi vaan tarvitaan NOx-adsorptiokatalyytti korkeamman NOx-konversion saavuttamiseksi tämän tyyppisessä syklissä. Partik-kelierottimen sijoittaminen eteen ei estä NOx-adsorptiota ja rikastuspiikkien pääsyä ΝΟχ-adsorptiokatalyytille. 40 % NOx-konversio saavutetaan jo 200 °C:ssa. 10 Maksimikonversiot olivat simulaatiossa yli 80 %.The first set of tests, the results of which are shown in Figure 5, used an oxidation catalyst (control), a NOx adsorption catalyst (control) and a system in which the 5 particles and the NOx adsorption catalyst are placed in series. The results show that the Pt oxidation catalyst alone does not work but requires a NOx adsorption catalyst to achieve a higher NOx conversion in this type of cycle. Positioning the particle chelator in the front does not prevent NOx adsorption and access of the enrichment peaks to the ΝΟχ adsorption catalyst. 40% NOx conversion is already achieved at 200 ° C. 10 The maximum conversions in the simulation were over 80%.
Toisessa testisarjassa, jonka tulokset on esitetty kuvassa 6, käytettiin keksinnön mukaista järjestelmää, jossa hapetuskatalyytti, partikkelienkin ja NOx-adsorptio-katalyytti on tässä järjestyksessä sijoitettu sarjaan. Kokeen mukaan järjestelmä toimii hyvin ja yllättäen saadaan aikaan paraneva korkean lämpötilan toiminta ver-15 rattuna systeemiin ilman Pt-hapetuskatalyyttiä. Tulos osoittaa, että hapetuskata-lyytin sijottaminen virtaussuunnassa ensimmäiseksi ei estä NOx:n adsorptiota ja pelkistymistä. Hapetuskatalyytti oli valittu tarkoituksella suhteellisen pieneksi verrattuna PF:een ja NOx-adsorptiokatalyyttiin, jotta se ei estäisi käytetyllä rikastus-ajalla pelkistimien pääsyä eteenpäin adsorboimalla.In another set of tests, the results of which are shown in Figure 6, a system according to the invention was used, in which the oxidation catalyst, even the particulate and NOx adsorption catalyst, are arranged in series. The system has been shown to work well and, surprisingly, to provide improved high-temperature performance compared to the system without Pt oxidation catalyst. The result shows that placing the oxidation catalyst first downstream does not prevent NOx adsorption and reduction. The oxidation catalyst was deliberately chosen to be relatively small compared to the PF and NOx adsorption catalyst so as not to prevent the reductants from passing through the adsorption at the enrichment time used.
20 Kuvien 5 ja 6 järjestelmien NOx-konversiotaso heikkeni, kun 25 ppm S02:ta oli läsnä jatkuvasti pitkän aikaa. Järjestelmät saatiin regeneroitua täydellisesti käyttö- . olosuhteissa yli 600 °C:ssa. Kuvien 5 ja 6 tulokset ovat mittauksista yhteen ker- taan regeneroidulla järjestelmällä, mikä osoittaa NOx-adsorptiokatalyyttien ja kokonaisjärjestelmän sulfaatin kestävyyden ja S-regeneroinnin toimivuuden. S-25 regenerointi tehtiin samoilla kaasuseoksilla ajastuksella 60 s laiha 1 -seos ja 5 s • · '*··' rikas 1 -seos. Regenerointi tehtiin siis pakokaasuolosuhteissa, jolla tavalla esitet tyä järjestelmää muutenkin käytetään, jolloin parhaat NOx-adsorptiokatalyytit toi- • · :.! : mivat vielä yli 30 %:n konversiolla.Yleensä S-regenerointi tehdään käyttämällä pit- · kää pelkistävää vaihetta, jolloin on vaarana korkea HaS-pitoisuus poistokaasussa.The NOx conversion level of the systems of Figures 5 and 6 was reduced by the continuous presence of 25 ppm SO2. The systems were completely regenerated by use. conditions above 600 ° C. The results of Figures 5 and 6 are measurements taken once with a regenerated system, demonstrating the sulfate resistance of the NOx adsorption catalysts and the overall system and the functionality of S regeneration. Regeneration of the S-25 was performed with the same gas mixtures at a timer of 60 s lean 1 and 5 s • · '* ··' rich 1. The regeneration was thus carried out under the exhaust gas conditions in which the system presented is otherwise used, whereby the best NOx adsorption catalysts operate. : still with more than 30% conversion. Generally, S-regeneration is carried out using a · long reducing step, with the risk of a high concentration of HaS in the exhaust gas.
:v. 30 Regenerointikoe osoitti menetelmän toimivuuden. Käyttämällä S-regeneroinnissa • · ‘..•t heterogeenisiä olosuhteita yksinomaan pelkistävä käsittely vähentää rikkivety-: V. 30 The regeneration test showed the method to work. By using • · '.. • t heterogeneous conditions in S-regeneration, purely reducing treatment alone reduces
» I»I
'!* päästöjä. Heterogeenisissä olosuhteissa S-regeneroinnissa on ominaista rikasvai- heen lyhyys verrattuna laihavaiheeseen. Mikäli käytettävä NO-adsorptiokatalyytti vaatii korkean S-regenerointilämpötilan, lämpötilan nostaminen on ehkä parasta 35 tehdä muuttamalla laihavaiheen seos lähemmäs stökiometristä, tasolle, joka riittää sulfaattien hajottamiseen.'! * emissions. Under heterogeneous conditions, S regeneration is characterized by a shorter rich phase compared to a lean phase. If the NO adsorption catalyst to be used requires a high S-regeneration temperature, it may be best to increase the temperature by moving the lean phase mixture closer to the stoichiometry to a level sufficient to decompose the sulfates.
16 11623616 116236
Esimerkki 2 Tässä esimerkissä on simuloitu kuvan 3 tilannetta, jossa on neljä NOx-adsorptio-katalyyttiä, oma kullekin sylinterille. Oletettiin, että vaihtuma on kussakin näistä katalyyteissä sama 48 000'1 kuin tilanteessa, jossa oli vain yksi katalyytti koko pako-5 kaasussa. Analysoitiin yksittäisen NSR-katalyytin ulostulon CO-, HC-, NOx- ja O2-pitoisuudet kohdassa 11 200, 250 ja 300 °C:n lämpötilassa. Simuloitiin tilannetta, jossa sylinterit laitetaan synkroniin minuutin ajaksi sillä tavalla, että 5 s:n rikastus-vaihe (λ = 0,865) kiertää eri sylintereillä tasaisesti muiden sylintereiden ollessa samaan aikaan laihalla (λ = 1,447). Tällöin saatiin kuvan 7 mukaisen pakokaasun 10 koostumus (λ = 1,30) kohdassa 12 ennen hapetuskatalyyttiä. Tätä kaasuseosta käytettiin sisäänmenona simulaatiossa, jossa tutkittiin, miten hapetuskatalyytti toimii yhdistetyssä pakokaasussa vaihtumalla 75 000 h'1. HC ja CO syttyivät noin 225 °C:ssa ja HC-pitoisuudet olivat alle 100 ppm ja CO-pitoisuudet alle 500 ppm simuloidussa seoksessa 250 °C:ssa. Tulokset on esitetty kuvassa 8. Simulaatio 15 osoitti, miten kaasumaiset CO- ja HC-päästöt voidaan pitää keksinnön mukaisessa järjestelmässä alhaisina, kun sylinterit ovat rikastusvaiheessa synkronisesti eri aikaan. Tuloksen perusteella voidaan päätellä saavutettavan vastaavaa etua myös partikkelipäästöjen vähentämisessä. Samalla NOx-konversiot olisivat kuvan 6 mukaiset tai jopa hieman paremmat, koska simuloidulla kaasuseoksella NOx-20 konversiot olivat 10-20 % vielä Pt-hapetuskatalyytissä 200-300 °C:ssa. Tämä NOx- ... konversio voidaan laskea NOx-adsorptiokatalyytin konversiotason lisäksi.Example 2 This example simulates the situation of Figure 3 with four NOx adsorption catalysts for each cylinder. The change in each of these catalysts was assumed to be the same 48,000'1 as in the situation where there was only one catalyst in the entire exhaust gas. The individual NSR catalyst outlet CO, HC, NOx and O2 concentrations at 11,200, 250 and 300 ° C were analyzed. We simulated a situation where the cylinders are synchronized for one minute in such a way that the 5 s enrichment phase (λ = 0.865) rotates smoothly across the different cylinders while the other cylinders are lean (λ = 1.447). The composition (λ = 1.30) of the exhaust gas 10 of Figure 7 at position 12 prior to the oxidation catalyst was then obtained. This gas mixture was used as an input in a simulation examining how the oxidation catalyst functions in the combined exhaust at 75,000 h -1. HC and CO ignited at about 225 ° C and HC concentrations below 100 ppm and CO concentrations below 500 ppm in the simulated mixture at 250 ° C. The results are shown in Figure 8. Simulation 15 showed how the gaseous CO and HC emissions can be kept low in the system of the invention when the cylinders are in the enrichment phase synchronously at different times. Based on the result, it can be concluded that a similar benefit can be achieved in reducing particle emissions. At the same time, the NOx conversions would be as in Figure 6, or even slightly better, since the NOx-20 conversions in the simulated gas mixture were still 10-20% still in the Pt oxidation catalyst at 200-300 ° C. This conversion of NOx ... can be calculated in addition to the conversion level of the NOx adsorption catalyst.
• * * • Esimerkki 3• * * • Example 3
Rikastusta dieselmoottorilla lähelle stökiometristä koostumusta ja samanaikaista rikastusta polttoaineinjektiolla simuloitiin laboratorioreaktorilla taulukon 1 mukaisil-*..* 25 la seoksilla. Käytettiin keksinnön mukaista järjestelmää, jossa hapetuskatalyytti '··' (Oxicat, 30 mm), partikkelierotin (PF, 75 mm) ja NOx-adsorptiokatalyytti (NSR, 47 mm) on tässä järjestyksessä sijoitettu sarjaan. Ensimmäisessä simulaatiossa · seosta vaihdeltiin laiha 1:n ja laiha 2:n välillä ajastuksella 60 s/5 s. Toisessa si- mulaatiossa vaihdeltiin laiha 1- ja rikas 2 -seosta ajastuksella 60 s / 5 s sekä kol-:v. 30 mannessa pidennettiin rikas 2 -vaiheen kesto 10 s:iin. Rikastus polttoaineinjektiol- la simuloitiin seoksissa niin, että hiilivetyä oli suhteessa CO:hon ja vetyyn selvästi enemmän kuin moottoririkastustapauksessa (rikas 1). Tulokset on esitetty kuvas-sa 9.Enrichment with diesel engine near stoichiometric composition and simultaneous enrichment with fuel injection were simulated in a laboratory reactor with - * .. * 25 l mixtures according to Table 1. A system according to the invention was used in which the oxidation catalyst '··' (Oxicat, 30 mm), the particle separator (PF, 75 mm) and the NOx adsorption catalyst (NSR, 47 mm) are arranged in series. In the first simulation, the mixture was alternated between lean 1 and lean 2 at 60 s / 5 s. In the second simulation, the lean 1 and rich 2 mixture was alternated at 60 s / 5 s and col. In 30 manne, the rich 2 phase duration was extended to 10 s. Enrichment by fuel injection was simulated in the blends so that the ratio of hydrocarbons to CO and hydrogen was significantly higher than in the case of engine enrichment (rich 1). The results are shown in Figure 9.
Tämä simulaatio osoitti, että lisäinjektiolla (laiha 1 / rikas 2) saatiin aikaan selvä 35 parannus verrattuna tilanteeseen ilman lisäinjektiota (laiha 1 / laiha 2). NOx- 17 116236 konversio parani 250-300 °C:ssa noin 20 %:sta lähes 50 %:iin, vaikka pelkistyspii-kin kesto oli 5 s ja seos vain hieman rikas (λ = 0,99). NOx-konversio oli yli 40 % välillä 220-410 °C. Simulaatiossa käytetyt olosuhteet ovat moottorin käynnin ja polttoaineen lisäkulutuksen kannalta kohtuulliset. Tulos osoittaa myös eron jatku-5 vaan NOx-pelkistykseen hiilivedyillä, sillä Pt-katalyyteiIlä toimintaikkuna on kapea välillä 200-300 °C. Toimintaso oli selvästi alhaisempi korkeissa lämpötiloissa kuin suurempaa rikastusta (rikas 1 -seos, λ = 0,86) käytettäessä, mutta toteustapana annettu esimerkki antaa uuden mahdollisuuden, joka on teknisesti helpompi toteuttaa moottorilla kuin esimerkki 1. Pidentämällä rikastusaikaa HC-injektiolla (ri-10 kas 2 -seos) voitiin toimintaa selvästi parantaa. Optimoimalla olosuhteita (rikas-tuksen kestoaika ja λ-arvo) on todennäköisesti mahdollista vielä selvästi nostaa toimintatasoa.This simulation showed that the additional injection (lean 1 / lean 2) provided a clear improvement over the situation without the additional lean (lean 1 / lean 2). The conversion of NOx-17 116236 at 250-300 ° C improved from about 20% to nearly 50%, although the reduction peak duration was 5 s and the mixture was only slightly rich (λ = 0.99). The NOx conversion was more than 40% between 220-410 ° C. The conditions used in the simulation are reasonable for engine running and additional fuel consumption. The result also shows the difference in continuous NOx reduction with hydrocarbons, since the Pt catalyst has a narrow operating window between 200-300 ° C. The level of action was clearly lower at high temperatures than with higher enrichment (rich 1 alloy, λ = 0.86), but the exemplified embodiment provides a new possibility that is technically easier to accomplish by motor than Example 1. By extending the enrichment time with HC injection (ri-10 cas 2 mix) could be clearly improved. By optimizing the conditions (enrichment duration and λ value), it is likely to be possible to significantly increase the operating level.
* · I * · t « > · 1 · * ·* · I * · t «> · 1 · * ·
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20011639A FI116236B (en) | 2001-08-14 | 2001-08-14 | Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20011639 | 2001-08-14 | ||
FI20011639A FI116236B (en) | 2001-08-14 | 2001-08-14 | Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20011639A0 FI20011639A0 (en) | 2001-08-14 |
FI20011639A FI20011639A (en) | 2002-01-06 |
FI116236B true FI116236B (en) | 2005-10-14 |
Family
ID=8561733
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20011639A FI116236B (en) | 2001-08-14 | 2001-08-14 | Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI116236B (en) |
-
2001
- 2001-08-14 FI FI20011639A patent/FI116236B/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI20011639A (en) | 2002-01-06 |
FI20011639A0 (en) | 2001-08-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6820417B2 (en) | Exhaust aftertreatment system and method for an internal combustion engine | |
EP1608854B1 (en) | Exhaust-gas purification system for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in the lean exhaust gas of internal combustion engines and method of exhaust-gas purification | |
CA2795331C (en) | Method of depleting nitrous oxide in exhaust gas after-treatment for lean-burn engines | |
RU2213870C2 (en) | Method to control operation of exhaust gas converter provided with sulfur trap and nitrogen oxides catalyst- accumulator | |
US6938411B2 (en) | Method for removing nitrogen oxides and particulates from the lean exhaust gas of an internal combustion engine and exhaust gas emission system | |
RU2504668C2 (en) | Exhaust system for ice running on lean mixes | |
KR100832365B1 (en) | Lean Burn Gasoline Engine with Exhaust System | |
Votsmeier et al. | Automobile exhaust control | |
US20120233985A1 (en) | Apparatus comprising lean burn ic engine and an exhaust system therefor | |
US20110120093A1 (en) | Process and apparatus for purifying exhaust gases from an internal combustion engine | |
BRPI0717470B1 (en) | Method and system for reducing nitrogen oxides present in a poor gas stream comprising nitric oxide | |
FI118326B (en) | adsorbent | |
EP1170472B1 (en) | System and method for purifying exhaust gases | |
JP2016522739A (en) | NOx storage catalyst desulfurization | |
US20210388748A1 (en) | Exhaust gas purification system for a gasoline engine | |
US20220003139A1 (en) | Exhaust gas purification system for a gasoline engine | |
JP2013522517A (en) | Improved exhaust gas control | |
US20210379529A1 (en) | Exhaust gas purification system for a gasoline engine | |
EP0814242A1 (en) | Combatting air pollution | |
KR100610425B1 (en) | NOx-PM simultaneous reduction system using fuel cracking catalyzer | |
WO2003037507A1 (en) | Exhaust line for an internal combustion engine | |
FI116236B (en) | Purification system for exhaust gases of diesel or gasoline engines, includes oxidation catalyst, particle separator, and nitrogen oxide adsorption catalyst | |
Parks et al. | NOx sorbate catalyst system with sulfur catalyst protection for the aftertreatment of no. 2 diesel exhaust | |
JPH06146869A (en) | Engine exhaust emission control device | |
RU2575717C2 (en) | EXHAUST SYSTEM HAVING NOx ACCUMULATION CATALYST AND CATALYSED SOOT FILTER |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC | Transfer of assignment of patent |
Owner name: ECOCAT OY Free format text: ECOCAT OY |
|
FG | Patent granted |
Ref document number: 116236 Country of ref document: FI |
|
MM | Patent lapsed |