RU2541486C2

RU2541486C2 - Усовершенствование для снижения токсичности выхлопа

Info

Publication number: RU2541486C2
Application number: RU2012112831/06A
Authority: RU
Inventors: Нейл Роберт КОЛЛИНЗ; Кристофер МОРГАН; Майкл ХОВАРД
Original assignee: Джонсон Мэттей Паблик Лимитед Компани
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2015-02-20
Also published as: EP2473720B1; GB0915326D0; CN102575546B; KR20120068010A; EP2473720A1; JP5675818B2; BR112012004867B1; GB2473215A; CN102575546A; BR112012004867A2; RU2012112831A; KR101775993B1; US20120216508A1; JP2013504006A; WO2011027228A1; US8677739B2

Abstract

Изобретение относится к снижению токсичных выхлопов из двигателя внутреннего сгорания. Система очистки выхлопных газов, которые образуются в двигателе с искровым зажиганием, включает в себя: углеводородную (УВ) ловушку, которая содержит молекулярное сито, поглощающее углеводороды, и расходуемый компонент, аккумулирующий кислород (АК). Указанный компонент АК выбирают таким образом, чтобы он терял часть способности аккумулировать кислород при температуре ниже рабочей температуры материала, поглощающего углеводороды; трифункциональный катализатор (ТФК). Система содержит проточный трубопровод для направления потока выхлопных газов, который соединяет двигатель с искровым зажиганием и ТФК, и обходной трубопровод, имеющий входной узел, который соединяет проточный трубопровод и УВ ловушку, указанный входной узел расположен до УВ ловушки и ТФК, и выходной узел, который соединяет УВ ловушку и проточный трубопровод, причем выходной узел расположен после УВ ловушки и до ТФК. Техническим результатом изобретения является обеспечение детектирования системы бортовой диагностики при относительно низких температурах для использования в ловушках УВ, расположенных в обходной компоновке. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка претендует на приоритет по заявке на патент Великобритании №0915326.3, поданной 03 сентября 2009, описание которой полностью включено в изобретение как ссылка.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается усовершенствования для снижения токсичности выхлопа и более конкретно относится к усовершенствованиям для снижения токсичности выхлопа из двигателей внутреннего сгорания.

Уровень техники

Настоящее изобретение особенно применимо для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и будет описано в отношении бензиновых двигателей внутреннего сгорания, однако оно может быть использовано в аналогичных двигателях, таких которые заправляются спиртами, спирто-бензиновыми смесями и сжиженным нефтяным газом (СНГ). В настоящее время регламентируемые выбросы для бензиновых двигателей относятся к несгоревшим углеводородам (УВ), монооксиду углерода (СО) и оксидам азота (NOx). Хотя в результате последующей обработки выхлопных газов с использованием традиционного трифункционального катализатора (ТФК) в сочетании с управлением отношения количества воздуха к количеству топлива в двигателе достигается эффективное снижение выброса всех указанных загрязняющих веществ, прогрессирующее ужесточение правил во всем мире ставит новые задачи. Например, при пуске двигателя и до «начала работы» ТФК (то есть до достижения рабочей температуры ТФК), выбросы УВ практически не обрабатываются. "Начало работы" может быть описано как температура, при которой катализатор обеспечивает взаимодействие с требуемой степенью превращения. Например, термин "СО Т₅₀" означает температуру, при которой данный катализатор обеспечивает степень превращения монооксида углерода в исходном газе, например в выхлопных газах, в диоксид углерода с эффективностью, по меньшей мере 50%. Аналогично, термин "УВ T₈₀" означает температуру, при которой углеводород, например конкретный углеводород, такой как октан или пропилен, превращается в пары воды и диоксид углерода с эффективностью 80% или больше.

Выделение УВ из выхлопной трубы в начальный период работы предпочтительно предотвращают путем задержки отработавших газов в системе выпуска. Предложено решать указанную задачу путем поглощения выделившихся УВ в течение этого периода в поглощающем материале или "ловушке УВ". Например, в патенте JP 8-10566 описан катализатор-адсорбент, в котором каталитический материал, эффективный для уменьшения содержания СО, УВ и NO в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, сочетается с адсорбирующим материалом, который улавливает углеводороды из выхлопа при холодном запуске. Захваченные УВ в последующем выделяются из материала ловушки для обработки (т.е. превращения в CO₂ и воду) с помощью ТФК после того, как ТФК нагреется до температуры начала превращения УВ. Кроме того, в документе JP 62-5820 используется абсорбент в сочетании с катализатором таким образом, что углеводороды, выпускаемые с выхлопными газами при низкой температуре, поглощаются абсорбентом, в то время как при высокой температуре выхлопных газов углеводороды, выпускаемые из двигателя, очищаются под действием катализатора, вместе с углеводородами, выделившимися из абсорбента.

Типичная температура выхлопных газов бензинового двигателя на входе в каталитические дожигатели обычно составляет выше 800°С и может быть значительно выше. Более того, температура выхлопных газов также может повышаться при прохождении через катализатор, такой как небольшое количество пускового катализатора, который непосредственно скомпонован в выхлопном коллекторе. Таким образом, для материалов, предложенных к использованию в качестве абсорбентов УВ в устройстве указанного типа, требуется стабильность при высокой температуре. Примерами таких материалов являются гамма-оксид алюминия, пористое стекло, активированный уголь или тому подобное.

Однако эти материалы недостаточно поглощают УВ, причем существенно теряют поглощающую способность при высокой температуре. Когда температура выхлопных газов находится в диапазоне между температурой, при которой поглощающая способность начинает уменьшаться, и температурой, при которой уровень каталитической очистки становится приемлемым, углеводороды выбрасываются без поглощения абсорбентом, а также без очистки катализатором. Таким образом, традиционная ловушка УВ, предусмотренная на входной стороне каталитического дожигателя, является не очень эффективной, поскольку углеводороды, поглощенные абсорбентом, снова выделяются до того, как каталитический дожигатель, предусмотренный на выходной стороне ловушки, становится активным, поэтому такие углеводороды могут выделяться в атмосферу без очистки.

В отличие от вышеупомянутых высокотемпературных материалов, как известно, цеолиты обладают отличными характеристиками поглощения УВ. Кроме того, известны различные способы улучшения характеристик адсорбции УВ и стабильности цеолитов. Например, в патенте JP 08-099033 раскрыта ловушка УВ, содержащая серебро, элемент группы IIIB, например церий, лантан, неодим или иттрий, и цеолит. Серебро улучшает адсорбцию УВ, особенно при относительно высокой температуре, а элемент группы IIIB улучшает гидротермальную стабильность цеолита.

Тем не менее большинство применяемых цеолитов не обладают стабильностью при типичной температуре выхлопных газов для двигателей с искровым зажиганием. С целью компенсации пониженной термической стабильности, ловушки УВ, содержащие цеолитные материалы, обычно размещают после ТФК для того, чтобы снизить температуру выхлопных газов до контакта с ловушкой УВ. Однако при такой компоновке требуются дополнительные компоненты в системе выпуска отработавших газов, такие как катализатор окисления, расположенный после ловушки УВ, для превращения выделившихся углеводородов (например, см. № US 6074973, где описана каталитическая ловушка УВ, которая содержит серебро, диспергированное на цеолитах, таких как ZSM-5, причем ловушка УВ расположена после ТФК).

Кроме того, в статье SAE 2007-01-0929 "НС Adsorber System for SULEVs of Large Volume Displacement" Keisuke Sano и др., и в документе ЕР 0424966А предложено использовать обходную систему того или иного типа, для того, чтобы использовать ловушку только в случае необходимости и для того чтобы она не контактировала с большими объемами выхлопных газов выше температуры, при которой цеолитный материал ловушки начинает разрушаться. Например, в обходной компоновке температура ловушки УВ может достигать только 100-300°С. Введение таких обходных ловушек УВ в настоящее время считается необходимым для удовлетворения возрастающих требований к выделению газов.

Кроме того, в настоящее время являются обязательными системы "бортовой диагностики" (СБД), которые показывают водителю автомобиля, когда ТФК поврежден или работает с пониженной эффективностью. Эффективным способом осуществления СБД для ТФК является измерение эффективности компонента ТФК, аккумулирующего кислород (АК), с целью запуска сигнала об отказе, если эффективность снижается ниже заданного значения. Согласно уровню техники требуется, чтобы компонент АК, введенный в ТФК, обладал долгосрочной стабильностью при температуре выхлопных газов сгорания бензина по меньшей мере 850°С. По этой причине компонент АК обычно представляет собой весьма стабильные смешанные оксиды церия-циркония, часто дополнительное стабилизированные введением в оксиды церия-циркония добавки оксида редкоземельного элемента, такой как оксиды неодима и/или лантана.

Сущность изобретения

В существующей технологии СБД применение ловушек УВ затруднено, поскольку в УВ ловушки на основе цеолита обычно не вводится компонент АК, который является чувствительным к температуре ниже максимальной, требующейся для поддержания стабильности ловушки. То есть, даже если УВ ловушка содержит традиционные компоненты ТФК, эти компоненты не выдержат испытания АК после воздействия температуры, которая значительно выше температуры разрушения цеолита. Следовательно, целью настоящего изобретения является разработка системы УВ ловушки, включающей средство для обеспечения СБД. Предпочтительные варианты осуществления могут обеспечить детектирование СБД при относительно низких температурах, например, в диапазоне 100-300°С, для использования в ловушках УВ, расположенных в обходной компоновке.

Соответственно, в настоящем изобретении разработана система ловушек УВ для очистки выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, где указанная система включает поглощающий УВ материал, обладающий высокой поглощающей способностью к УВ, и выбранный расходуемый материал АК, который теряет способность аккумулировать кислород в диапазоне от температуры окружающей среды до рабочей температуры, при которой термически чувствительный поглощающий материал разрушается и не поглощает УВ, например не улавливает УВ в достаточной степени, чтобы соответствовать стандарту на выброс газов. Рабочая температура целесообразно может быть ниже, чем приблизительно 800°С для поточной (то есть не обходной) компоновки, но также может быть приблизительно больше 100°С, например приблизительно больше 150°С, приблизительно больше 200°С или приблизительно больше 250°С, что удобно при использовании в обходной компоновке.

Краткое описание чертежей

С целью более полного понимания изобретения описаны примеры вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

на фиг.1 приведен график данных, показывающий способность аккумулировать кислород для ловушек УВ;

на фиг.2 приведен график данных, показывающий эффективность улавливания УВ и емкость аккумулированного кислорода; и

на фиг.3 приведена схема, показывающая компоненты системы очистки выхлопных газов согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

В предпочтительном варианте осуществления УВ ловушка и ТФК размещены в отдельных емкостях. Эти емкости соединены трубопроводом, как показано на фиг.3, на которой в двигателе 20 образуются выхлопные газы, содержащие УВ, NOx и тому подобное. Проточный трубопровод 30 служит каналом для выхлопных газов, выходящих из двигателя через ТФК 60 и затем через дополнительный трубопровод 70, такой как выхлопная труба, когда температура выхлопных газов превышает температуру начала превращения УВ в ТФК 60. До того как выхлопные газы нагреются до температуры начала превращения УВ, в течение нескольких секунд после пуска, выхлопные газы направляются в обходную систему 40, которая содержит входной узел 41, выходной узел 43, обходной трубопровод 42 и УВ ловушку 50. В некоторых вариантах осуществления обходная система дополнительно содержит второй ТФК, расположенный между указанным входным узлом 41 и указанной УВ ловушкой 50. В таких системах второй ТФК, находится рядом или в непосредственной близости с УВ ловушкой. Переключающий вентиль 44 расположен в проточном трубопроводе 30, в обходном трубопроводе 42, на входном узле 41 или в любом другом положении, которое может быть использовано для эффективного переключения, по меньшей мере, части потока выхлопных газов из проточного трубопровода 30 в обходной трубопровод 42. Направление потока выхлопных газов показано стрелками. Используемые в изобретении термины "до" и "после" относятся к соответствующему направлению потока выхлопных газов в обычном режиме работы системы.

Потоком выхлопных газов через систему можно манипулировать с помощью переключающего вентиля, который может регулироваться электронным модулем контроля. Переключающий вентиль может быть любым подходящим клапаном или устройством, которое может эффективно направлять часть потока или весь поток выхлопных газов через УВ ловушку, до контакта выхлопных газов с ТФК.

При эксплуатации ловушка УВ может работать при пуске двигателя, чтобы поглощать углеводороды, пока температура выхлопных газов из двигателя не достигнет порогового значения, такого как температура ниже максимальной рабочей температуры материала, улавливающего УВ. Когда температура выхлопных газов превысит пороговое значение, которое может составлять, например, около 300°С или приблизительно 250°С, тогда желательно направлять поток выхлопных газов в обход УВ ловушки, чтобы избежать выделения углеводородов, поглощенных абсорбентом. Когда температура выхлопных газов еще повысится до температуры начала работы ТФК, например приблизительно до 350°С, тогда снова выхлопные газы при необходимости можно или следует направлять через абсорбент для того, чтобы десорбировать углеводороды, поглощенные абсорбентом, и, таким образом, регенерировать абсорбент. Затем выделившиеся таким образом углеводороды будут очищаться под действием катализатора, который содержится в каталитическом дожигателе, предусмотренном после ловушки с абсорбентом. Поскольку температура выхлопных газов немного снижается при их выделении из абсорбента за счет теплоты абсорбции при фазовом превращении, желательно выполнять переключение направления потока выхлопных газов снова через ловушку с абсорбентом, когда температура выхлопных газов на входе в ловушку с абсорбентом станет выше температуры начала работы катализатора для того, чтобы убедиться, что температура выхлопных газов на входе в каталитический дожигатель также превышает температуру начала работы. После завершения десорбции углеводородов из абсорбента, т.е. после регенерации ловушки с абсорбентом, следует снова переключить направление потока, чтобы направить выхлопные газы в обход ловушки с абсорбентом для того, чтобы избежать превышения рабочей температуры ловушки УВ.

Кроме того, в изобретении предложена система ловушки УВ, как описано выше, в сочетании с датчиком 45 для определения способности системы ловушки УВ аккумулировать кислород и электронным модулем контроля, который при получении сигналов из сенсорного устройства, показывающих способность аккумулировать кислород, может определять, подвергается ли расходуемый компонент АК воздействию температуры, при которой материал ловушки УВ разрушается.

Дополнительно в изобретении разработан способ СБД для ловушки УВ, который заключается во введении внутрь материала ловушки УВ расходуемого компонента АК, для которого способность аккумулировать кислород ухудшается при температуре приблизительно до 800°С, и в измерении способности аккумулировать кислород для материала ловушки УВ, предпочтительно при температуре приблизительно ниже 300°С, и определении того, подвергается ли ловушка УВ воздействию температуры, при которой материал ловушки УВ разрушается и уже не является эффективным для улавливания УВ, т.е. не удовлетворяет соответствующему стандарту на выброс газов.

Способность аккумулировать кислород (САК) компонента АК, идеального для использования в способе СБД, будет потеряна практически в то же самое время, что и для компонента ловушки УВ, например цеолитного, так что уменьшение активности компонента АК является показателем значительного снижения функциональных возможностей ловушки УВ, которые могут ослабеть настолько, что потребуется замена всей ловушки УВ. Это может быть продемонстрировано для предпочтительной ловушки УВ из следующего ниже примера 8, в котором для предпочтительного АК компонента Ag/CeO₂ наблюдается значительное уменьшение способности аккумулировать кислород после выдерживания при температуре приблизительно от 800 до 900°С по сравнению со свежим материалом, причем указанное снижение активности компонента АК коррелирует с уменьшением эффективности улавливания УВ.

Другим важным аспектом расходуемого компонента АК для использования в СБД системе и в способе является чувствительность. Обычно ловушку УВ в обходной линии отключают от потока выхлопных газов при температуре около 350°С, поэтому предпочтительно расходуемый компонент АК для использования обходной линии также будет иметь чувствительность при температуре приблизительно ниже 350°С. Предпочтительно расходуемый компонент АК Ag/CeO₂ обеспечивает поддающуюся контролю способность аккумулировать кислород приблизительно ниже 350°С (отмечается тенденция способности САК, измеренной при 200-350°С) по сравнению с индивидуальными Ag или CeO₂ (см. пример 7). Поддающаяся контролю повышенная чувствительность компонента при температуре приблизительно ниже 350°С обеспечивает более точное определение СБД и исключает дорогостоящие "ошибочные результаты" для систем, имеющих компонент АК с меньшей чувствительностью.

Специалист в этой области техники может выбрать подходящий расходуемый компонент АК для применения в настоящем изобретении с использованием обычного эксперимента, с учетом термической чувствительности самого материала ловушки УВ, приводящей к разрушению. Однако в настоящее время предлагается, чтобы расходуемый компонент АК находился в оксиде церия или в смешанных оксидах церия-циркония, особенно в тех, которые не стабилизированы, например, редкоземельными элементами, и в некоторых смешанных оксидах марганца, таких как оксиды марганца-циркония и марганца-титана или, предпочтительно, алюмината марганца. Такие компоненты АК - смешанные оксиды марганца описаны, например, в заявке US 2004/013 2615А1. Указанные расходуемые компоненты АК не следует рассматривать как исчерпывающий перечень.

В настоящее время предпочтительная ловушка УВ, особенно для использования в обходных устройствах, содержит серебро, источник церия и молекулярное сито. Заявители неожиданно установили, что серебро снижает температуру, при которой может быть измерена активность компонента АК - источника церия, таким образом, СБД ловушки УВ может быть проконтролирована при меньшем термическом воздействии. Кроме того, серебро интенсивно спекается при температуре приблизительно от 800 до 900°С, и поэтому наблюдается соответствующее снижение способности аккумулировать кислород, в том же в диапазоне температур происходит значительное ухудшение характеристики улавливания, поэтому система СБД может легче определить состояние углеводородной ловушки. Серебро обеспечивает две функции: (i) промотирование адсорбции УВ на материале, улавливающем УВ; и (ii) обеспечивает материалу АК улучшенный отклик в диапазоне температур, относящемся к ловушке УВ, необязательно расположенной в обходной линии.

Подходящие источники церия для использования в предпочтительном варианте осуществления включают диоксид церия (CeO₂) как таковой, нестабилизированный оксид церия-циркония и растворимые соли Се, нанесенные на компоненты внутри состава ловушки УВ, такого как цеолит.

Молекулярное сито может быть алюмосиликатным цеолитом или его изотипом, таким как силика-алюмофосфаты (SAPO). Настоящее изобретение включает в себя смеси из одного или нескольких различных молекулярных сит, в том числе смеси из двух или более различных SAPO и двух или более различных алюмосиликатных цеолитов, смеси из двух или более различных алюмосиликатных цеолитов или смеси из двух или более различных SAPO.

По типу структуры молекулярные сита, подходящие для использования в настоящем изобретении, имеют следующие коды структур согласно Международной ассоциации по цеолитам: MFI, BEA, FAU, MOR, PER, ERI, LTL и СНА. В настоящее время предпочтительными конфигурациями обладают алюмосиликатные цеолиты ZSM-5 (MFI) и бета (BEA). Кроме того, может быть использован цеолит Y (FAU).

Отношение диоксид кремния/оксид алюминия (модуль) для молекулярного сита может быть выбрано соответствующим образом, с учетом выдерживания ловушки УВ в требуемом температурном диапазоне, а также с учетом снижения способности САК, чтобы обеспечить повышенную чувствительность для СБД. Подходящие значения модуля для ZSM-5 составляют, например, около 80, в то время как модули для цеолита бета приблизительно составляют 150.

Содержание серебра в ловушке УВ, предпочтительной для использования в настоящем изобретении, может быть приблизительно от 0,1 до 30 масс.%, предпочтительно приблизительно от 0,1 до 15 масс.%, приблизительно от 1 до 10 масс.%, и приблизительно от 5 до 10 масс.% в расчете на всю массу слоя углеводородной ловушки. В вариантах осуществления содержание серебра в катализаторе может быть приблизительно от 5 до 1750 г/куб.фут (0,176-61,80 г/л), предпочтительно приблизительно от 50 до 750 г/куб.фут (1,76-26,48 г/л) или приблизительно от 250 до 500 г/куб.фут (8,830-17,657 г/л).

В некоторых вариантах осуществления содержание источника церия может быть от 1 до 75% от массы слоя, предпочтительно приблизительно от 5 до 40, более предпочтительно приблизительно от 10 до 35 или приблизительно от 15 до 25% от массы слоя. В других вариантах осуществления содержание источника церия может быть от 0,1 до 10%.

Способность аккумулировать кислород может быть охарактеризована количественно в «мг/л». Например, в вариантах осуществления предпочтительной содержащей серебро ловушки УВ, в свежем состоянии способность САК находится в диапазоне приблизительно от 100 до 500 мг/л.

Авторы полагают, что настоящее изобретение может найти конкретное применение в системах гибридного привода ведущих колес, включающих электромоторы, т.е. в системах, где двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием не обязательно соединяется механически с колесами в ходе полного испытательного цикла. Для традиционных автомобилей, включающих двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который соединяется механически с колесами в ходе полного испытательного цикла, ловушки УВ могут адсорбировать углеводороды после холодного пуска и десорбировать захваченные углеводороды для сгорания в расположенном ниже трифункциональном катализаторе или другом катализаторе окисления. Ловушка УВ может быть расположена в обходном трубопроводе для того, чтобы ловушка УВ не подвергалась воздействию повышенных температур после того, как десорбировались углеводороды холодного пуска. Гибридное устройство может обеспечить работу двигателя с искровым зажиганием в холодном или "остывшем" состоянии, многократно в ходе испытательного цикла, когда автомобиль переключается обратно из режима движения с использованием аккумулятора или когда двигатель используется для генерирования электричества для "дозаправки" разряженного аккумулятора.

Примеры

Пример 1. Получение углеводородной ловушки

Тонкое покрытие углеводородной ловушки готовят путем смешивания суспензии бета цеолита и суспензии ZSM-5 цеолита с коллоидным диоксидом кремния, чтобы получить смесь с массовым отношением бета: ZSM-5: диоксид кремния равным 1:1:1. Затем в тонкое покрытие дополнительно вводят воду и реологический модификатор, чтобы получить тонкое покрытие А. Это тонкое покрытие А наносят на керамический сотовый носитель катализатора, имеющий размеры 105,7×114,3 мм (4,16×4,5 дюйм) с плотностью ячеек 400/6, с использованием способа, описанного в документе US7147892 (Aderhold и др., 2006). Затем покрытие сушат при 100°С и после прокаливают на воздухе при 500°С, получая углеводородную ловушку А. Содержание тонкого покрытия в прокаленной УВ ловушке А составляет 183 г/л (3 г/куб.дюйм).

Пример 2. Получение УВ ловушки

Тонкое покрытие В получают путем добавления непромотированного диоксида церия с большой площадью поверхности к тонкому покрытию А. Тонкое покрытие В наносят на керамический носитель, который описан в примере 1, чтобы получить УВ ловушку В. Содержание церия в прокаленной УВ ловушке В составляет 36,6 г/л (0,6 г/куб.дюйм).

Пример 3. Получение УВ ловушки

Тонкое покрытие С получают путем добавления нитрата серебра к тонкому покрытию А. Тонкое покрытие С наносят на керамический носитель, который описан в примере 1, чтобы получить УВ ловушку С. Содержание серебра в прокаленной УВ ловушке С составляет 8,83 г/л (250 г/куб.фут).

Пример 4. Получение УВ ловушки

Тонкое покрытие D получают путем добавления нитрата серебра к тонкому покрытию В. Тонкое покрытие D наносят на керамический носитель, который описан в примере 1, чтобы получить УВ ловушку D. Содержание серебра в прокаленной УВ ловушке D составляет 250 г/куб.фут.

Пример 5. Выдерживание УВ ловушки

Для определения эксплуатационных характеристик углеводородных ловушек после контактирования с выхлопными газами при высокой температуре углеводородные ловушки выдерживали в гидротермальной атмосфере. Указанная атмосфера состояла из 10% воды, 2% 02 и 88% азота. Выдерживание проводили в течение 5 часов при 800 или 900°С.

Пример 6. Эффективность улавливания углеводородов в ловушке

Эффективность улавливания углеводородов определяли в ходе холодного пуска автомобиля. Углеводородные ловушки от А до D монтировали в системе выпуска отработавших газов автомобиля и двигатель запускали в холодном состоянии, т.е. масло двигателя и охлаждающая жидкость двигателя имели температуру в диапазоне от 21,5 до 24,5°С. Эффективность улавливания углеводородов рассчитывали путем измерения концентрации углеводородов в выхлопных газах на входе и выходе из ловушки УВ, в то время как двигатель работал на холостом ходу в течение 20 секунд. В присутствии серебра значительно улучшается эффективность улавливания УВ (таблица 1).

Таблица 1
Эффективность улавливания углеводородов в свежей ловушке с серебром и без серебра
	Эффективность улавливания УВ (%)
УВ ловушка А	54,3
УВ ловушка С	79,9

Выдерживание указанных углеводородных ловушек проводили, как описано в примере 5, и измеряли эффективность улавливания углеводородов. Преимущество при наличии серебра уменьшалось после выдерживания при 800°С, и после выдерживания при 900°С образцы были эквивалентны (таблица 2).

Таблица 2
Эффективность улавливания углеводородов в ловушке с серебром и без серебра после гидротермального выдерживания
	800°С	900°С
УВ ловушка А	51,8	50,2
УВ ловушка С	68,9	53,8

Пример 7. Эффективность аккумулирования кислорода в УВ ловушке

Аккумулирование кислорода измеряли с использованием синтетических выхлопных газов путем переключения стехиометрии газообразной смеси от бедной до богатой с измерением количества выделившегося CO₂. Это испытание давало значение для используемого аккумулированного кислорода в исследованной углеводородной ловушке. Указанные измерения были проведены при 200, 250, 300 и 350°С, т.е. при типичных температурах эксплуатации, ожидаемых для углеводородной ловушки в обходной системе. Эти измерения были проведены на 1×3" сердцевины, взятой из ловушки углеводородов.

Таблица 3
Газообразная смесь для измерения аккумулирующей способности кислорода
	10 секунд бедная смесь	10 секунд богатая смесь
O₂	1%	-
СО	-	2%
Скорость потока	45 л/мин

Таблица 4
Способность аккумулировать кислород (САК) УВ ловушками В, С и D (измерена в мг/л углеводородной ловушки)
	САК при 200°С	САК при 250°С	САК при 300°С	САК при 350°С
УВ ловушка В	11,1	20,7	27,3	58,7
УВ ловушка С	24,9	25,5	23,1	28,8
УВ ловушка D	108,8	125,5	174,0	243,4

Ловушка УВ, содержащая только серебро, обладает весьма низкой способностью САК (УВ ловушка С). Ловушка УВ, содержащая диоксид церия, имеет низкий уровень САК при пониженной температуре. Уровень САК для УВ ловушки В начинает возрастать при 350°С, однако это происходит на верхнем пределе диапазона рабочих температур для ловушки УВ в обходной системе. Содержащая серебро, а также диоксид церия УВ ловушка D обладает высокой способностью аккумулировать кислород даже при 200°С.

Пример 8. Корреляция между эффективностью улавливания УВ и способностью САК

При гидротермальном выдерживании УВ ловушки D происходит заметное снижение САК и в то же время эффективность улавливания УВ снижается до уровня, который уже является недостаточным для того, чтобы автомобиль соответствовал требованиям закона на выделение газов.

Таблица 5
Эффективность улавливания углеводородов и САК при 300°С для УВ ловушек В, С и D в свежем состоянии и после гидротермального выдерживания при 800 и 900°С
Ловушки	Свежая		Выдержанная при 800°С		Выдержанная при 900°С
	Эффективность по УВ	САК	Эффективность по УВ	САК	Эффективность по УВ	САК
УВ ловушка В	54,3	27,3	52,6	28,5	49,2	26,7
УВ ловушка С	79,9	23,1	69,4	25,1	54,9	25,3
УВ ловушка D	78,7	174,0	68,9	84,4	53,8	33,7

Преимущество настоящего изобретения видно из сравнения данных эффективности по углеводородам и способности аккумулировать кислород для УВ ловушек В, С и D, приведенных в таблице 5.

Углеводородная ловушка В содержит источник диоксида церия, но не содержит серебро. Эффективность по УВ является низкой, и при низкой температуре наблюдается весьма малая способность САК.

Углеводородная ловушка С содержит серебро, но не содержит источник диоксида церия. Эффективность улавливания углеводородов свежей ловушкой является удовлетворительной, причем четко можно отметить ухудшение эффективности ловушки УВ после выдерживания, однако способность САК мала и существенно не изменяется после выдерживания УВ ловушки. Поскольку отсутствуют значительные изменения САК в указанном низкотемпературном диапазоне, состояние ловушки УВ нельзя определить с использованием традиционных способов бортовой диагностики.

Углеводородная ловушка D содержит источник диоксида церия и серебро. Улавливание УВ является удовлетворительным, как и в случае УВ ловушки С, но в отличие от УВ ловушек В и С величина САК для УВ ловушки D также является высокой при низкой температуре. Способность САК для УВ ловушки D значительно ухудшается после гидротермального выдерживания при 800°С, причем эффективность улавливания УВ также ухудшается. Указанное большое изменение САК для УВ ловушки D можно измерять с использованием традиционных способов бортовой диагностики.

Специалист в этой области техники может разработать и сконструировать систему ловушки УВ с введением сенсорного устройства и электронных модулей контроля (ЭМК) (или отдельного ЭМК, или с помощью дополнительно запрограммированной функции существующего способа СБД с модулем ЭМК)) с использованием существующего оборудования и технологии. Специалист в этой области техники может использовать традиционные методики оптимизации, чтобы получить наилучшие результаты для конкретного двигателя.

Claims

1. Система очистки выхлопных газов, образовавшихся в двигателе с искровым зажиганием, которая включает в себя:
a) углеводородную (УВ) ловушку, содержащую, по меньшей мере, одно молекулярное сито, поглощающее углеводороды, и расходуемый компонент, аккумулирующий кислород (АК), причем указанный компонент АК выбирают таким образом, чтобы он терял по меньшей мере часть способности аккумулировать кислород при температуре ниже рабочей температуры материала, поглощающего углеводороды;
b) трифункциональный катализатор (ТФК);
c) проточный трубопровод для направления потока выхлопных газов, который соединяет двигатель с искровым зажиганием и ТФК; и
d) обходной трубопровод, имеющий входной узел, который соединяет проточный трубопровод и УВ ловушку, причем указанный входной узел расположен до УВ ловушки и ТФК, и выходной узел, который соединяет УВ ловушку и проточный трубопровод, причем выходной узел расположен после УВ ловушки и до ТФК.

2. Система по п.1, в которой по меньшей мере одно молекулярное сито, поглощающее углеводороды, выбрано из следующих типовых кодов структур: MFI, ВЕА, FAU, MOR, FER, ERI, LTL и СНА и смесей из любых двух или более структур.

3. Система по п.2, в которой каждое молекулярное сито представляет собой алюмосиликатный цеолит или SAPO.

4. Система по п.1, в которой расходуемый компонент АК разрушается при рабочей температуре приблизительно ниже 800°С.

5. Система по п.4, в которой ловушка УВ содержит серебро.

6. Система по п.5, в которой расходуемый компонент АК содержит источник церия.

7. Система по п.6, в которой источник церия выбран из нанесенной соли церия, массивного диоксида церия (CeO₂) или нестабилизированных оксидов церия-циркония.

8. Система по любому из пп.1-5, в которой расходуемый компонент АК содержит оксиды марганца-титана.

9. Система по любому из пп.1-5, в которой расходуемый компонент АК содержит алюминат марганца.

10. Система по любому из пп.1-5, в которой расходуемый компонент АК обеспечивает регистрируемую активность компонента АК в свежем катализаторе при температуре приблизительно ниже 300°С.

11. Система по любому из пп.1-5, которая дополнительно содержит датчик для определения способности аккумулировать кислород системой ловушки УВ и электронный модуль контроля, который при получении сигналов от устройства датчика, показывающего способность аккумулировать кислород, способен определять, подвергается ли расходуемый компонент АК воздействию температуры, при которой разрушается материал ловушки УВ.

12. Система по п.11, в которой ловушка УВ выполнена с возможностью переключения в контур потока выхлопных газов, когда указанные выхлопные газы имеют температуру, близкую к максимальной рабочей температуре ловушки УВ, и переключения для направления выхлопных газов в обход ловушки, когда указанные выхлопные газы имеют температуру ниже максимальной рабочей температуры ловушки УВ.

13. Система по п.1, которая дополнительно содержит второй ТФК, расположенный между указанным входным узлом 41 и указанной УВ ловушкой после указанного входного узла и до указанной УВ ловушки.

14. Способ бортовой диагностики (СБД) ловушки УВ, который включает введение внутрь материала ловушки УВ расходуемого компонента АК, способность аккумулировать кислород которого ухудшается при температуре приблизительно до 800°С, и измерение способности аккумулировать кислород материала ловушки УВ, для определения воздействия на ловушку УВ температуры, при которой материал ловушки УВ разрушается и не является эффективным для улавливания УВ.