FI104108B - Menetelmä ja laite polttomoottorien typpioksidipäästöjen vähentämiseksi - Google Patents

Description

104108

Menetelmä ja laite polttomoottorien typpioksidipäästöjen vähentämiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä sekä patenttivaatimuksen 5 johdannon mukainen laite tämän me-5 netelmän toteuttamiseksi.

Tätä tyyppiä olevassa tunnetussa menetelmässä reagoivat pakokaasun sisältämät typpioksidit ja moottorin jälkeen kytketyssä katalysaattorissa oleva pelkistin, johon katalysaattoriin pelkistin ja pakokaasut johdetaan. Tässä tunnetussa menetelmässä (SCR = Selective Catalytic Reduction) tarvittava katalysaat-10 tori vaatii paitsi suuret valmiuskustannukset, myös ison tilan, sillä ylistoikiometri-sesti käytettävien polttomoottorien SCR-katalysaattorit ovat olennaisesti suurempia kuin esim. Otto-moottoreissa käytettävät kolmitiekatalysaattorit. Lisäksi tulee kasvaneet huoltokustannukset. Tässä tapauksessa on lähtöperusteena se, että erityisesti dieselmoottorien pakokaasun sisältämät hiukkaset likaavat katalysaat-15 torin. Siitä seuraa tehon rajoittuminen, mikäli ei pidetä lyhyitä puhdistusvälejä.

Siitä huolimatta on SCR-katalysaattorien käyttöikä sangen rajoitettu. Lisäksi vaatii SCR-katalysaattori suhteellisen korkean lämpötilan 280 - 350 °C, jotta saavutettaisiin riittävän suuret typpioksidin muuttumisasteet. Mutta tällöin syntyy kaikissa moottorin käynnistyksissä suhteellisen pitkät käyttöajat, jolloin typpioksidin vähe-20 nemistä ei tapahdu tai se on rajoitettua, mikäli moottorissa ei ole lisänä olevaa moottorinlämmitintä, mutta joka taas synnyttää korkean lisäenergiatarpeen. Toinen haittapuoli on siinä, että katalysaattorista ja pelkistimen annostelusta muodostuva systeemi reagoi varsin hitaasti kuormituksen muutoksissa, siis typpioksidi- ja pakokaasumassavirran muutoksiin, mikä tällaisten muutosten tapauksessa -· - 25 johtaa joko ajoittain kasvaviin typpioksidin jäämäemissioihin tai pakokaasun si sältämään kohonneeseen pelkistinainesisältöön. Haittapuolena on lisäksi se, että katalysaattori aikaansaa huomattavan virtausvastuksen kasvun, joka voi vaikuttaa moottorin jälkeen kytketyn pakokaasuahtimen toimintaan. Tämä pätee erityisesti kaksitahtimoottorien kohdalla, jossa katalysaattorin on oltava tarvittavan korkean 30 lämpötilan johdosta sijoitettuna ennen pakokaasuahdinta. Jotta tällöin pakokaa-: suahtimen vakaa käyttö olisi mahdollista, on usein tarpeellista varustaa moottori apupuhaltimella, joka tasaa ilman läpimenon vaihteluita. Mutta tällaiseen apupu-haltimeen liittyy myöskin suuret valmius- ja käyttökustannukset.

DE-julkaisusta 2 742 609 tosin tunnetaan se, että typpioksidin muo-35 dostumisen pienentämiseksi ruiskutetaan palotilaan lisämäärä CnHn, ensisijassa normaalin polttoaineen muodossa. Tämän ruiskutuksen pitää tapahtua silloin kun 2 104108 palotapahtuma on täydessä käynnissä. Tällöin on kyse vastaavasti polttoaineen jälkiruiskutuksesta varsinaiseen palotapahtumaan. Tämän myötä sidotaan vapaa happi, ennen kuin se reagoi typen kanssa typpioksidiksi. Tässä tunnetussa menetelmässä tapahtuu näin ollen päinvastoin lajinomaisen tekniikan tason suhteen, 5 jossa palamisessa syntyvät typpioksidit pelkistetään jälkikäteen, jolloin estetään jo alusta alkaen typpioksidien syntyminen. Tällöin on todettava se, että täten aikaansaatava vaikutus on vain sangen vähäistä, koska palamisessa syntyvä typpi happeen sitoutuneena on eduksi verrattuna jälkikäteen ruiskutettuun polttoaineeseen. Lisäksi on todettava se, että täysin käynnissä olevaan palotapahtumaan jäl-10 kikäteen ruiskutetusta polttoaineesta palaa ainakin osa, eikä ole siten käytettävissä haluttuun reaktioon. DE^julkaisusta 2 742 609 ei siten saada mitään käyttökelpoista tietoa tekniikan lajinomaisen tason haittapuolien vähentämiseksi.

Julkaisusta JP A 63-140862 tunnetaan myös eräs tekniikan tason mukainen ratkaisu.

15 Julkaisu JP A 1-318716 esittää polttomoottorin, josta esillä oleva kek sintö lähtee liikkeelle ja josta tunnetaan jo ammoniakin ruiskuttaminen palotilaan NOx-pelkistimeksi ennen pakoventtiilin avaamista. Näin tavoitteena on saavuttaa tehokas palamisessa syntyvien typpioksidien emission pieneneminen.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on parantaa lisää tätä tekniikan ta-20 son mukaista tekniikkaa yksinkertaisella ja kustannuksiltaan edullisella tavalla niin, että saavutetaan mainittu emission pieneneminen ilman että tarvitaan katalysaattoria. Tällöin pitää varmistaa, ettei pelkistin toisaalta enää pala ja että toisaalta jää riittävästi aikaa typpioksidien reagoimiseksi ja pelkistimen ruiskutuksen säätämiseksi toivotulla tavalla.

·· 25 Tämän tavoitteen menetelmänmukainen ratkaisu ilmenee patenttivaa timuksen 1 tunnusmerkkiosasta.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä varmistetaan siis, ettei ruiskutettu pelkistin ota osaa enää palamiseen, ilman että pelkistimen ruiskutusajan-kohta ei ole liian myöhäinen, niin ettei NOx:n kanssa tapahtuvaa reaktiota enää 30 voisi tapahtua (esim. kylmän palotilan johdosta), ja että pelkistimen määrä on op- timaalinen. ^

Keksinnön mukaisen pelkistimen palotilaan tapahtuvan ruiskuttamisen avulla, palamisen ohitettua jo huippupisteen, tapahtuu reaktio pelkistimen ja typ-! pioksidien välillä, ja kuten kokeet osoittavat, edullisesti ilman katalysaattorin 35 käyttöä. Keksinnön mukaisin toimenpitein vältetään siis täysin tekniikan lajinomaisen tason haittapuolet. Pelkistimen palotilaan tapahtuvan ruiskutuksen johdosta 3 104108 jäävät pois katalysaattorin tähän asti aiheuttamat valmistus- ja huoltokustannukset, samoinkuin katalysaattorin aiheuttama tilantarve ja katalysaattorin aikaan-saama virtausvastus. Katalysaattorin aiheuttaman virtausvastuksen poisjäämisen johdosta varmistuu myös se, että moottorin jälkeen kytketylle pakokaasuahtimelle 5 taataan kaikissa oloissa vakaa toiminta. Pelkistimen suoran ruiskutuksen johdosta palotilaan saadaan varmistetuksi myös se, että myöskin pitkien käyttöaikojen myötä säilyy yhtä korkea tehokkuus. Toinen, keksinnön mukaisten toimenpiteiden aivan erikoinen etu on nähtävä siinä, että myös moottorin käynnistyessä on täysi tehokkuus saavutettavissa, ja ilman että tarvittaisiin moottorin lämmitystä sen 10 seistessä. Lisäksi varmentavat keksinnön mukaiset toimenpiteet sen, että pelkistimen ruiskutusmäärien muutokset vaikuttavat heti, mikä mahdollistaa ruiskutus-määrien säädön riippuen kuormituksesta tai kierrosluvusta tms. seikasta.

Keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavalle laitteelle on puolestaan tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

15 Näillä toimenpiteillä aikaansaadaan vahva ja vastaavasti häiriötön jär jestelmä vähäisine tilan- ja energiantarpeineen. Ruiskutuslaitteiston rakenteessa voidaan edullisella tavalla viitata polttoaineenruiskutuslaitteistoihin. Siten varmistuu suuri tehoja pitkä käyttöikä yhdistettynä huokeaan rakenteeseen.

Patenttivaatimuksissa 6-8 esitetään edullisia ja tarkoituksenmukaisia 20 suoritusmuotoja. Niinpä paineenkehittämislaitteisto voi olla tarkoituksenmukaisesti rakennettu ruiskutuspumpuksi, jolla aikaansaadaan erityisen yksinkertainen ja huokea rakenne sekä taataan erityisen hyvä kestävyys.

Toisessa edullisessa toteutuksessa jokainen ruiskutussuutin voi olla rakennettu monireikäsuuttimeksi. Tämä mahdollistaa ruiskutetun pelkistimen hy-25 vän jakauman koko sen vaikutukseen kuuluvaan palotilaan.

Yllä mainittujen toimenpiteiden muut tarkoituksenmukaiset suoritusmuodot ja edulliset kehitelmät ilmenevät erään suoritusmuotoesimerkin seuraava-na esitetystä selityksestä viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää dieselmoottorin leikkausta, jossa on keksinnön mukai-30 nen laitteisto pelkistimen ruiskuttamiseksi, ja : kuvio 2 esittää leikkausta polttoaineen ja pelkistimen kaksoisruiskutus- suuttimesta.

Dieselmoottorin periaatteellinen rakenne ja toimintatapa on sisänsä tunnettu, eikä se tarvitse siksi tässä yhteydessä mitään syvempää selvitystä.

35 Kuvion 1 periaatteellisesti esittämään dieselmoottoriin kuuluu normaa listi useita vierekkäin sijoitettuja sylintereitä 1, jotka ovat suljetut niiden päälle 4 104108 asetetun sylinterinkannen 2 avulla. Jokaiseen sylinteriin 1 kuuluu kampiakselin kanssa toiminnassa oleva, käynnissä ylös-alas-liikkuva mäntä 3, joka muodostaa polttoaineen ruiskutuskohteena olevan palotilan 4 liikkeelliset rajat. Sylinterinkan-nessa 2 ovat ilman ja pakokaasun imu- ja poistoventtiilit 5 sekä ruiskutussuutin 6 5 polttoaineen ruiskuttamiseksi. Ruiskutussuutin 6 on liitetty korkeapainejohdon 7 avulla polttoaineen ruiskutuspumppuun 8. Polttoaineen ruiskutus tapahtuu silloin, kun mäntä on tiivistänyt syöttöpuolelta imetyn ilman.

Tämän tapaisia dieselmoottoreita käytetään ilmaylimäärällä (lambda > 1), jolloin syntyy ylistoikiometrinen palaminen, jossa on suuri typpioksidipitoisuus 10 (NOx). Jotta tämän tyyppisissä moottoreissa voitaisiin kuitenkin vähentää typpioksidien emissiota, saatetaan palaessa syntyvä pakokaasu reagoimaan pelkistimen kanssa. Pelkistimeksi sopii ammoniakki ja/tai virtsa-aine tai vastaava, hiilivetyjä sisältämättömät aineet. Pelkistimen reagoidessa pakokaasun sisältämien typpioksidien kanssa syntyy typpeä ja vettä vesihöyryn muodossa ja siten vaarattomia 15 aineita.

Pelkistimen reaktio typpioksidien kanssa tapahtuu ko. moottorissa pa-lotilassa 4. Tätä varten ruiskutetaan pelkistintä palotilaan. Sitä vastaavasti on polttoaineen ruiskutuslaitteiston vieressä toinen ruiskutuslaitteisto pelkistintä varten. Näitä kumpaakin ruiskutuslaitteistoa voidaan käyttää toisistaan riippumatta, 20 jolloin polttoaine ja pelkistin voidaan ruiskuttaa toisistaan riippumatta. Jotta pelkistintä voitaisiin ruiskuttaa, käytetään sitä liuoksen muodossa, tarkoituksellisesti vesiliuoksen muodossa. Männän 3 ns. rosoontumisen ja/tai syöpymisen estämiseksi voidaan pelkistimeen lisätä sopivia lisäaineita.

Pelkistimen ruiskutuslaitteistoon kuuluu tässä sylinterinkannen 2 alu-·' 25 eelle sijoitettu ruiskutussuutin 9, joka on liitetty korkeapainejohdon 10 avulla ruis kutuspumppuun 11. Luonnollisesti voitaisiin ajatella sitenkin, että sylinteriin kuuluisi yhden ruiskutuspumpun sijasta useampia, ensisijassa tasaisesti vastakkain sijoitettuja ruiskutussuuttimia. Pelkistintä varten oleva ruiskutuspumppu 11 voi olla kehitetty edelleen rakenteensa ja toimintatapansa suhteen sinänsä tunnettujen 30 polttoainepumppujen rakennetavasta. Pelkistimen ruiskutuspumppu 11 voidaan 1 e rakentaa moottorinrungon kylkeen ja sitä voi käyttää moottorin kampiakselilta käyttövoimansa saava nokka-akseli 12, joka voi ulottua useampien, vierekkäin sijoitettujen ruiskutuspumppujen 11 yli. Ruiskutuspumpun sijaan voitaisiin pelkistin kuljettaa esimerkinomaisesti painesäiliöön ja ruiskutus voitaisiin toteuttaa sähkö-35 tai hydrauliohjattujen venttiilien avulla. Pelkistin ruiskutetaan joka tapauksessa 5 104108 sellaisella paineella, että palotilassa 4 tapahtuu sumuuntuminen ja siten saavutetaan edulliset reagointiolosuhteet.

m

Koska pelkistimen täytyy reagoida palamisessa syntyvien typpioksidien kanssa, ruiskutetaan pelkistin vasta sitten, kun palaminen on jo ylittänyt 5 huippupisteensä. Tässä esitetyssä tapauksessa ruiskutetaan pelkistin vasta sitten, kun palaminen on jo saavuttanut täydellisyyden ja on siten jo olennaisesti päättynyt. Se tapahtuu useimmilla tämän tapaisilla dieselmoottoreilla 35 - 40° sy-tytysyläkuolokohdan jälkeen. Jotta ruiskutettu pelkistin saataisiin reagoimaan mahdollisuuksien mukaan koko pakokaasumäärän kanssa, sumutetaan pelkistin, 10 kuten edellä jo todettiin, mahdollisimman tasaisesti koko ruiskutuksen vaikutukseen kuuluvaan palotilaan. Ruiskutuspumppu 9 rakennetaan vastaavasti moni-pistesuuttimeksi, jolloin syntyy useita ruiskutussuihkuja. Niiden suihkuasento on asetettu sellaiseksi, että käsillä oleva palotila peittyy täydellisesti.

Tarpeellinen pelkistinmäärä kasvaa polttoainemäärän mukana ja se on 15 niin ollen kuormituksesta riippuva. Ruiskutuksen alkaminen riippuu ensisijasta moottorin kierrosluvusta ja myöskin kuormituksesta. Kierrosluvun kasvaessa var-hentuu pelkistimen ruiskutuksen alkaminen, jotta haluttuun reaktioon olisi tarpeeksi aikaa käytettävissä. Pelkistimen ruiskutuksen alkaminen ei saisi olla liian aikainen, sillä silloin pelkistin vielä palaa. Yksittäistapauksessa on suoritettava 20 optimointi sopivan ominaiskäyrän määrittämisen avulla.

Ko. tyyppisen ominaiskäyrän muuttamiseksi käytäntöön voi laitteessa olla säätölaitteista 13, jossa on säädin 14, johon ominaiskäyrä on ohjelmoitu, ja jonka avulla laitteistot ruiskutusmäärän muuttamiseksi ja ruiskutuksen alkamisen muuttamiseksi ovat säädettävissä. Tämän tyyppiset laitteistot ovat sinänsä tun- « 25 nettuja polttoainepumppujen pohjalta. Ruiskutuksen alkamisen muuttamiseksi säädetään nokka-akselia 12. Ruiskutusmäärän muuttamiseksi kierretään ruisku-tuspumpun kehänpuoleisin ohjausreunoin varustettuja mäntiä, kuten laitteiston 15 avulla esitetään.

Kuvion 1 mukaiseen järjestelmään kuuluu palotilan uloimmaiseen reu-30 naan sijoitettu pelkistimen ruiskutussuutin 9. Mutta ilman muuta voitaisiin ajatella Ψ '·. myös niin, että tässä olisi lisäksi tai vaihtoehtoisesti keskelle sijoitettu pelkistimen ruiskutussuutin.

Tämän tyyppinen pelkistimen ruiskutussuutin voidaan yhdistää polttoaineen ruiskutussuuttimen kanssa kaksoissuuttimeksi 16 kuvion 2 perustana ole-35 valta pohjalta. Kuvion 2 perustana olevaan kaksoissuuttimeen 16 kuuluu kaksi suutinneulaa 17, 18, ja joista kumpikin säätää omaa ruiskutuskanavaa 19, 20, 6 104108 joista toinen, tässä vasemmalle piirretty ruiskutuskanava 19 on paineistettavissa pelkistimellä ja toinen, tässä oikealle piirretty ruiskutuskanava 20 on paineistettavissa polttoaineella. Tässä vierekkäin sijoitetut ruiskutuskanavat 19, 20 ja niihin sijoitetut suutinneulat 17,18 voisivat olla myös koaksiaalisesti toistensa suhteen.

5 Tässä on vain varmistettava se, että kummatkin ruiskutusjärjestelmät ovat toisistaan täysin riippumattomat. Pelkistimelle järjestetty ruiskutuskanava 19 päätyy useamman suutinreiän 21 muodossa palotilaan, mikä parantaa jakaantuman tasaisuutta, kuten edellä on jo mainittu. Vastaava monireikäasetelma voi olla myös polttoainepuolella.

10 Edellä on selitetty lähemmin vain erästä edullista keksinnön käyttö esimerkkiä, mutta ilman että se rajoittaisi keksintöä mitenkään. Luonnollisestikin on mahdollista ilman muuta käyttää keksinnön mukaista menetelmää ei vain dieselmoottorien yhteydessä, vaan myös kaasumoottorien sekä dieselkaasu-moottorien ja vaihtoehtoisilla polttoaineilla toimivien moottorien yhteydessä.

• < . ^

T

Claims (8)

1. Menetelmä polttomoottorien typpioksidipäästöjen vähentämiseksi, erityisesti itsesytyttävissä, ilmaylimäärää käyttävissä polttomoottoreissa, ensisi-5 jassa dieselmoottoreissa, joissa käytetään hiilivetyjä sisältämätöntä pelkistintä, ensisijassa ammoniakin ja/tai virtsa-aineen muodossa olevaa liuosta ja jota ruiskutetaan suoraan palotilaan polttoaineesta riippumattomasti, sen jälkeen kun polttoaineen palaminen on jo ohittanut huippupisteensä, tai jo lakkaavaan palamiseen, ja pelkistimen ruiskutuksen alkaessa aikaisintaan kampiakselin kulmassa 10 35° sytytysyläkuolokohdan jälkeen, jolloin pelkistin ruiskutettaessa hajoaa ja jakaantuu tasaisesti ruiskutukseen tarkoitettuun palotilaan, tunnettu siitä, että ruiskutetun pelkistimen määrä sovitetaan moottorintehon mukaan, ja että pelkistimen ruiskutuksen alkaminen muuttuu kuormituksesta ja/tai kierrosluvusta ja/tai ympäristöolosuhteista riippuen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistin ruiskutetaan vesiliuoksen muodossa.

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistimeen lisätään lisäaine, jolla on voitelevat ja/tai korroosiota estävät ominaisuudet.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että pelkistimen ruiskutus tapahtuu sumutuspaineella.

5. Laite jonkin edellämainitun patenttivaatimuksen mukaisen menetelmän toteuttamiseksi polttomoottorissa, erityisesti itsesytyttävässä, ilmaylimäärää käyttävässä polttomoottorissa, ensisijassa dieselmoottorissa, jossa on ruis- 25 kutettavalla pelkistimellä paineistettava ruiskutuslaitteisto, jossa on ainakin yksi palotilaan (4) päätyvä ruiskutussuutin (9) ja korkeapainejohdon (10) avulla siihen liitetty moottorin tahdissa toimiva paineenkehittämislaitteisto, jolloin ruiskutussuutin tai -suuttimet (9) on/ovat sijoitetut sylinterinkanteen (2), ruiskutussuuttimella tai -suuttimilla (9) on sellainen suihkuasento, että ruiskutuksessa käsillä oleva palo-μ 30 tila (4) peittyy täydellisesti, ja pelkistimen ruiskutuslaitteistossa on säätölaitteisto (13), joka sisältää säätimen (14), tunnettu siitä, että säätimeen (14) on ohjelmoitu sopivat ominaiskäyrät, joiden avulla ruiskutusmäärä ja pelkistimen i kuormituksesta ja/tai kierrosluvusta ja/tai ympäristön olosuhteista riippuva ruiskutuksen alkaminen on muutettavissa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että paineenkehittämislaitteisto on rakennettu ruiskutuspumpuksi (11). 104108

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ruiskutussuutin tai -suuttimet (9) on/ovat rakennetut monireikäsuuttimeksi tai -suuttimiksi.

7 104108

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että 5 laitteessa on ainakin yksi keskelle sijoitettu ruiskutussuutin (16), jossa on kaksi suutinneulaa (17, 18), joista toinen on sijoitettu polttoaineen ruiskutusjärjestel-. mään ja toinen on sijoitettu pelkistimen laskutusjärjestelmään. • * ψ : · i: r 104108