Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОССТАНОВИТЕЛЯ

Настоящее изобретение относится к системе и способу снижения токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с распылением реагента на выходную сторону элемента для снижения токсичности ОГ.

В используемых в настоящее время системах снижения токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе ДВС, главным образом дизельных двигателей, используют встроенные в выпускные трубопроводы и предназначенные для снижения токсичности ОГ элементы, в которые для их надлежащей работы требуется по меньшей мере периодически подавать определенный реагент. К таким элементам для снижения токсичности ОГ относятся прежде всего катализаторы селективного каталитического восстановления (а точнее, каталитические нейтрализаторы для селективного каталитического восстановления (СКВ)), в которые в качестве восстановителя для селективного восстановления оксидов азота подается аммиак в свободном либо связанном виде, например, раствор мочевины. Помимо этого к подобным элементам относятся также катализирующие окисление элементы для снижения токсичности ОГ, в которые для нагрева ОГ в качестве восстановителя подаются углеводородные соединения (топливо). Подобный нагрев ОГ предусмотрен в целях термической регенерации сажевого фильтра (фильтра для улавливания твердых частиц) путем выжигания скопившейся в нем сажи или в целях регенерации катализаторов-накопителей оксидов азота (а точнее, каталитических нейтрализаторов накопительного типа) для удаления из них серы.

Для высокоэффективного снижения токсичности ОГ необходимо обеспечивать максимально равномерное распределение и максимально тонкое распыление реагента по сечению выпускного трубопровода.

Благодаря подаче реагента в направлении навстречу направлению потока ОГ вследствие повышенной скорости движения реагента относительно потока ОГ достигается более тонкое и лучшее распределение, соответственно диспергирование реагента. Подобному эффекту дополнительно способствует попадание реагента на выходную сторону элемента для снижения токсичности ОГ, поскольку при столкновении с ним капли реагента могут дополнительно дробиться на капли меньших размеров и распыляться в виде них, соответственно могут испаряться с поверхностей элемента для снижения токсичности ОГ с попаданием их паров непосредственно в поток ОГ.

В основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы и прежде всего разработать систему, а также способ, которые обеспечивали бы максимально равномерное распределение реагента в потоке ОГ для улучшения таким путем испарения реагента.

Указанные задачи решаются с помощью системы, заявленной в п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа, заявленного в п.4 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в зависимых пунктах формулы изобретения его отличительные особенности могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Помимо этого отличительные особенности изобретения, указанные в формуле изобретения, конкретизированы и более подробно рассмотрены в последующем описании, в котором представлены также другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Согласно изобретению положенная в его основу задача решается с помощью системы снижения токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере имеющей выпускной трубопровод, в котором расположен элемент для снижения токсичности ОГ, который имеет первую торцевую сторону и вторую торцевую сторону и является проточным для потока ОГ от своей первой торцевой стороны до своей второй торцевой стороны и по ходу потока за которым предусмотрен подающий блок, предназначенный для подачи реагента в поток ОГ и расположенный на удалении максимум 30 мм от второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, на вторую торцевую сторону которого тем самым попадает по меньшей мере часть подаваемого реагента.

Под элементом для снижения токсичности ОГ прежде всего подразумевается носитель катализатора (каталитического нейтрализатора), имеющий каталитически активное покрытие (прежде всего пористое оксидное покрытие с каталитически активным материалом), которое обеспечивает превращение по меньшей мере одного компонента реагента и/или отработавших газов. Альтернативно этому или дополнительно к этому элемент для снижения токсичности ОГ может также выполнять функции фильтра для улавливания твердых частиц или улавливателя твердых частиц для снижения их концентрации в потоке ОГ. Речь при этом может идти о закрытом фильтре для улавливания твердых частиц, который имеет множество попеременно закрытых, т.е. выполненных глухими, с его противоположных сторон каналов, равно как и о так называемом неполнопоточном фильтре, имеющем встроенные элементы, которыми часть ОГ направляется в пористую среду. Носители катализатора, равно как и фильтры для улавливания твердых частиц, могут быть выполнены прежде всего в виде сотового элемента, который представляет собой керамический и/или металлический элемент со множеством проточных для ОГ полостей. Помимо этого металлический сотовый элемент может наряду со слоями, образованными по меньшей мере частично профилированной фольгой, иметь также слои, состоящие из тончайших проволок (нетканый материал).

Элемент для снижения токсичности ОГ имеет первую торцевую сторону, которая при работе системы снижения токсичности ОГ обращена навстречу потоку ОГ, которые тем самым при своем движении по выпускному трубопроводу входят в элемент для снижения токсичности ОГ через его первую торцевую сторону и проходят через него к его второй торцевой стороне. При прохождении потока ОГ через элемент для снижения их токсичности прежде всего достигается выравнивание потока ОГ по поперечному сечению выпускного трубопровода, продолжающееся по меньшей мере на коротком участке по ходу потока за элементом для снижения токсичности ОГ, прежде чем отдельные потоки, которые ранее были отделены друг от друга прежде всего в сотовом элементе, вновь объединятся в выпускном трубопроводе в единый поток. Такой участок с ламинарным течением, который существует только в непосредственной близости от второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ с его выходной стороны, обеспечивает возможность воспроизводимого и регулируемого распределения подаваемого реагента. Обусловлено это тем, что на данном участке с ламинарным течением в потоке ОГ практически отсутствует турбулентность, которая вызывает завихрение подаваемого реагента и обусловливает движение потока ОГ с локально переменными относительными скоростями. За пределами такого участка с ламинарным течением ОГ подаваемый реагент подвержен неравномерному и поэтому непредсказуемому влиянию на характер своего потока, поскольку неконтролируемо отклоняется возникающими в потоке ОГ завихрениями.

По этой причине подающий блок расположен на удалении максимум 30 мм, предпочтительно максимум 20 мм, наиболее предпочтительно максимум 15 мм, от второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ. Указанное удаление определяется при этом как расстояние между подающим блоком, соответственно отверстием его форсунки, и наиболее удаленной от него точкой второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ в основном направлении потока ОГ.

Подача реагента в выпускной трубопровод обеспечивается согласно изобретению имеющим особое конструктивное исполнение подающим блоком, который может иметь, например, длительно открытую форсунку или регулируемый клапан, при этом форсунку при практически постоянных условиях истечения можно специально согласовывать с ее применением в предусмотренных настоящим изобретением целях с достижением в результате требуемого, равномерного контактирования реагента с элементом для снижения токсичности ОГ в любых возможных рабочих условиях. Еще один достигаемый таким путем эффект состоит в том, что подаваемый реагент не распыляется непосредственно рядом со второй торцевой стороной элемента для снижения токсичности ОГ ни в каком (значительном) количестве, соответственно в том, что реагент достигает второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ (практически) во всем количестве. В предпочтительном варианте количество реагента, в котором он попадает на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ, превышает 90% или даже превышает 96% от всего подаваемого количества, что относится прежде всего ко всем условиям работы предлагаемой в изобретении системы, которые могут встретиться при ее эксплуатации на автомобиле.

В еще одном предпочтительном варианте вторая торцевая сторона элемента для снижения токсичности ОГ выполнена сферической формы, прежде всего сферически вогнутой формы, благодаря чему реагент при его подаче подающим блоком, расположенным напротив такой сферической второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, может равномерно распределяться по ее площади. Выполнение второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ сферической формы ориентировано прежде всего на расположение подающего блока.

В другом предпочтительном варианте вторая торцевая сторона элемента для снижения токсичности ОГ выполнена наклонной относительно выпускного трубопровода, прежде всего выполнена с таким углом наклона по отношению к подающему блоку, при котором удается достичь равномерного распределения подаваемого реагента по площади второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ. Элемент для снижения токсичности ОГ с подобной наклонной второй торцевой стороной технологически прост в изготовлении и поэтому предпочтителен для применения.

В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемой в изобретении системы подающий блок расположен вне диаметра выпускного трубопровода, прежде всего на его непроточном (непосредственно) для ОГ отдельном участке. Этот отдельный участок может быть выполнен, например, в виде конусообразной камеры, расположенной на боковой поверхности выпускного трубопровода, при этом подобный конус расширяется в сторону выпускного трубопровода, а подающий блок расположен на другом конце этого конуса. Подающий блок прежде всего может быть дополнительно по меньшей мере частично отгорожен от потока ОГ экранирующим щитком. Благодаря подобному размещению подающего блока вне потока ОГ, с одной стороны, исключаются загрязнение и тем самым также возможность даже по меньшей мере частичного забивания подающего блока присутствующими в потоке ОГ твердыми частицами, а с другой стороны, обеспечиваются возможность равномерного формирования конуса распыла реагента на таком отдельном участке и подача реагента в виде такого конуса распыла в поток ОГ на его участке с ламинарным течением.

В еще одном предпочтительном варианте подающий блок расположен под углом к выпускному трубопроводу, благодаря чему возможна подача реагента навстречу потоку ОГ с попаданием по меньшей мере части подаваемого реагента на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ.

Помимо этого предпочтительна предлагаемая в изобретении система, в которой элемент для снижения токсичности ОГ на своей второй торцевой стороне обладает впитывающей способностью для капелек реагента диаметром более 200 мкм. Именно при подаче реагента в виде капелек диаметром более 200 мкм элемент для снижения токсичности ОГ должен вблизи своей второй торцевой стороны локально обладать соответствующей впитывающей способностью и/или аккумулирующей способностью, например, согласованной пористостью. Подобными свойствами обладают прежде всего керамические носители, покрытие с соответствующей пористостью (пористое оксидное покрытие) и/или участок с металлическим пористым нетканым материалом. В предпочтительном варианте впитывающая способность и/или аккумулирующая способность поверхности с протяженностью, сравнимой с диаметром капельки, вдвое больше ее объема. Подобное решение также может быть предпочтительным независимо от представленных в настоящем описании, предлагаемых в изобретении системы/способа.

Еще одним объектом изобретения является предлагаемый в нем способ подачи реагента в выпускной трубопровод при работе двигателя внутреннего сгорания, при этом по ходу потока за элементом для снижения токсичности отработавших газов (ОГ) в пределах участка с ламинарным течением ОГ, начинающегося от выхода элемента для снижения токсичности ОГ, расположен подающий блок, заключающийся в том, что на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ подают реагент в заданном количестве. Подающий блок при этом не должен располагаться в потоке ОГ на участке с их ламинарным течением, который начинается от выхода элемента для снижения токсичности ОГ и который находится в пределах диаметра выпускного трубопровода и расположен на одной линии (соосно) со второй торцевой стороной элемента для снижения токсичности ОГ. Более того, подающий блок можно также размещать со смещением вбок относительно этого участка с ламинарным течением, в результате чего формируемый подающим блоком конус распыла прежде всего исходно образуется на непроточном (непосредственно) для ОГ отдельном участке выпускного трубопровода, а затем продолжается преимущественно только на участке с ламинарным течением, начинающимся на выходе элемента для снижения токсичности ОГ.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа реагент распыляют на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ асимметрично выполненной форсункой подающего блока. Асимметрично выполненная форсунка формирует соответственно асимметричный конус распыла, в котором в плоскости, перпендикулярной направлению распыления реагента, имеются зоны с разным количеством реагента. Тем самым прежде всего при размещении подающего блока вне диаметра выпускного трубопровода обеспечивается возможность подачи реагента на различные отдельные участки второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ в индивидуально заданном количестве.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа реагент при его подаче подающим блоком, который при этом расположен вне диаметра выпускного трубопровода, попадает на по меньшей мере 90% площади второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ. В соответствии с этим подающий блок расположен относительно второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ таким образом, что реагент преимущественно распределяется по всей ее площади. Под площадью второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ в данном контексте подразумевается площадь (при определенных условиях криволинейной) поверхности, определяемой концевыми точками структуры элемента для снижения токсичности ОГ.

В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа реагент подают на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ с равномерным распределением по ее площади. Сказанное означает, в частности, что на каждый отдельный участок второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, находящийся в пределах формируемого подающим блоком конуса распыла, реагент попадает в одинаковом количестве. Подобное предпочтительное распределение реагента приводит к его равномерному превращению в потоке ОГ, благодаря чему достигается их оптимальная нейтрализация.

В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере 90% подаваемого реагента контактируют с поверхностью второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ. Под поверхностью элемента для снижения токсичности ОГ подразумевается поверхность его второй торцевой стороны и поверхности внутри него самого. Благодаря контактированию по меньшей мере 90% подаваемого реагента с поверхностью второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ достигается максимально тонкое диспергирование реагента в потоке ОГ и тем самым улучшается испарение реагента.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа при подаче реагента в выпускной трубопровод формируют разные по размеру капельки реагента. Сказанное означает, например, что форсунка подающего блока способна формировать капельки реагента разного размера, прежде всего в зависимости от скорости потока ОГ и от скорости подачи реагента. Помимо этого асимметричное выполнение форсунки подающего блока позволяет формировать капельки разного размера в пределах конуса распыла, благодаря чему в зависимости от условий прохождения потока ОГ через элемент для снижения их токсичности обеспечивается возможность максимально равномерного нанесения реагента на вторую торцевую сторону элемента для снижения токсичности ОГ. Так, в частности, те капельки в формируемом подающим блоком конусе распыла, которые направлены на удаленные на большее расстояние от подающего блока части второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, должны иметь большие размеры, чем капельки, которые должны проходить лишь короткий путь от подающего блока до второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ.

Размер капелек должен выбираться прежде всего в зависимости от скорости ОГ, угла установки подающего блока и скорости подаваемого реагента. В предпочтительном варианте формируют (также/только) капельки диаметром более 200 мкм, которые при скорости ОГ примерно 20-25 м/с способны достигать также наиболее удаленных от подающего блока частей второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ. Этот вариант можно также реализовывать независимо от описанных выше вариантов выполнения предлагаемой в изобретении системы и/или вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа. В ином случае возможно также формирование капелек меньшего размера.

В еще одном предпочтительном варианте соотношение между наибольшей капелькой реагента и его наименьшей капелькой составляет по меньшей мере 3:1. Наименьшие из формируемых капелек преимущественно подаются к тем частям второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, которые расположены лишь на малом расстоянии от подающего блока, тогда как наибольшие из формируемых капелек, прежде всего капельки с диаметром по меньшей мере 200 мкм, подаются к наиболее удаленным от подающего блока частям второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ.

В еще одном предпочтительном варианте скорость капелек подаваемого в выпускной трубопровод реагента различна. И в данном случае капельки, которые попадают в наиболее удаленные от подающего блока части второй торцевой стороны элемента для снижения токсичности ОГ, должны иметь большую скорость. Указанные параметры капелек, т.е. их размер и их скорость, необходимо прежде всего согласовывать между собой и при необходимости комбинировать.

В еще одном предпочтительном варианте соотношение между наибольшей скоростью капелек реагента и их наименьшей скоростью составляет по меньшей мере 3:1.

Помимо этого в еще одном предпочтительном варианте можно также регулировать подачу реагента изменением давления его подачи в подающий блок. В соответствии с этим, таким образом, можно также согласовывать давление в подводящем трубопроводе, по которому реагент подается в подающий блок (без необходимости варьировать (различные) настройки форсунки). Для этого можно, например, настраивать давление нагнетания реагента, создаваемое насосом, настраивать давление подачи реагента в подводящем трубопроводе на требуемое с помощью регулирующего давление клапана и подавать реагент в выпускной трубопровод в требуемом количестве (определяемом размером капелек, их скоростью) с помощью соответствующего клапана. Этот вариант можно также реализовывать независимо от описанных выше вариантов выполнения предлагаемой в изобретении системы и/или вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа.

Предлагаемая в изобретении система и/или предлагаемый в изобретении способ предназначены/предназначена/предназначен прежде всего для применения на автомобиле и при необходимости могут использоваться в комбинации между собой.

Предлагаемая в изобретении система, соответственно предлагаемый в изобретении способ, предназначена/предназначен преимущественно для подачи водного раствора мочевины, при этом элемент для снижения токсичности ОГ имеет по меньшей мере на одном участке своей второй торцевой стороны гидролизующее покрытие.

Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства, более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На всех чертежах одни и те же детали и элементы обозначены также одинаковыми позициями. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:

на фиг.1 - предлагаемая в изобретении система, установленная на автомобиле,

на фиг.2 - выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении система

на фиг.3 - выполненная по первому варианту предлагаемая в изобретении система в момент подачи реагента,

на фиг.4 - выполненная по второму варианту предлагаемая в изобретении система, в которой элемент для снижения токсичности ОГ выполнен со сферической второй торцевой стороной, и

на фиг.5 - выполненная по третьему варианту предлагаемая в изобретении система, в которой элемент для снижения токсичности ОГ выполнен с наклоненной второй торцевой стороной.

На фиг.1 показана предлагаемая в изобретении система 1, установленная на автомобиле 18 с ДВС 3 и выпускным трубопроводом 4, по которому проходит поток ОГ 2. Такая система имеет при этом встроенный в выпускной трубопровод 4 элемент 5 для снижения токсичности ОГ с обращенной навстречу потоку ОГ первой торцевой стороной 6 и обращенной по потоку ОГ второй торцевой стороной 7, а также расположенный по ходу потока за этим элементом 5 подающий блок 8. Подающий блок 8 подводящим трубопроводом 25 соединен с насосом 23 и баком 24. Дополнительно с подводящим трубопроводом 25 может быть соединен регулирующий давление клапан 22, который позволяет при необходимости снижать давление нагнетания реагента, создаваемое насосом 23 в подводящем трубопроводе 25, до давления подачи реагента. Под этим давлением подачи реагент затем поступает из подводящего трубопровода 25 в выпускной трубопровод 4. Для этого подающий блок 8 выполнен с регулируемым клапаном, через который восстановитель (реагент) подается в выпускной трубопровод 4 в требуемый момент в требуемом количестве.

На фиг.2 показана предлагаемая в изобретении система 1 со встроенным в выпускной трубопровод 4 элементом 5 для снижения токсичности ОГ, через который от его первой торцевой стороны 6 в направлении его второй торцевой стороны 7 проходит входящий в него через его первую торцевую сторону 6 поток ОГ 2. Вторая торцевая сторона 7 имеет площадь 15, которая в основном соответствует площади поперечного сечения выпускного трубопровода 4. По ходу потока ОГ за элементом 5 образуется участок 12 с ламинарным течением ОГ, оканчивающийся на удалении 10 от второй торцевой стороны 7 элемента 5. В пределах этого участка 12 с ламинарным течением ОГ, который всегда существует при работе системы 1, возможна воспроизводимая подача реагента, благодаря чему достижимо равномерное распределение реагента по площади 15. Подающий блок 8 для подачи реагента расположен лишь на малом удалении 10 от второй торцевой стороны 7, и поэтому реагент прежде всего во всем количестве попадает, проходя участок 12 с ламинарным течением, на вторую торцевую сторону 7 элемента 5 для снижения токсичности ОГ. При этом подающий блок 8 с форсункой 20 расположен на том отдельном участке 11 выпускного трубопровода 4, который находится за пределами его диаметра 14 и через который прежде всего не проходит поток ОГ 2, и поэтому, с одной стороны, исключается загрязнение или повреждение подающего блока 8 присутствующими в потоке ОГ 2 твердыми частицами, а с другой стороны, достигается возможность воспроизводимого и определимого образования конуса распыла.

На фиг.3 показана предлагаемая в изобретении система 1 со встроенным в выпускной трубопровод 4 элементом 5 для снижения токсичности ОГ, через который от его первой торцевой стороны 6 к его второй торцевой стороне 7 проходит поток ОГ 2. Расположенный по ходу потока ОГ за элементом 5 подающий блок 8 для подачи реагента 9 распыляет его в выпускной трубопровод 4 в виде струи, образующей конус 13 распыла, максимально полно покрывающий площадь 15 элемента 5 для снижения токсичности ОГ. При этом конус 13 распыла образуется капельками 17 реагента, размер и скорость которых зависят по меньшей мере от скорости потока ОГ, от расстояния между пристеночными участками второй торцевой стороны 7 и подающим блоком 8 и от угла 19 его установки.

На фиг.4 показана предлагаемая в изобретении система 1 с элементом 5 для снижения токсичности ОГ и его первой торцевой стороной 6, вторая торцевая сторона 7 которого выполнена сферически вогнутой относительно подающего блока 8, благодаря чему обеспечивается максимально стабильное смачивание второй торцевой стороны 7 реагентом 9. В этом случае конусу 13 распыла, формируемому подающим блоком 8, необходимо лишь в незначительной степени придавать асимметричную форму для ее согласования со сферически вогнутой формой второй торцевой стороны 7 элемента 5 для снижения токсичности ОГ с целью обеспечить максимально равномерное распределение реагента по ее площади. При этом реагент 9 не только попадает на внешнее в осевом направлении ограничение второй торцевой стороны 7, но и по меньшей мере частично контактирует также с поверхностями 16 элемента 5 для снижения токсичности ОГ, в связи с чем смачиваемая реагентом 9 площадь поверхности 16 больше площади 15 второй торцевой стороны 7. Удаление 10 в данном случае определяется как расстояние между подающим блоком 8 и второй торцевой стороной 7 и измеряется при этом в основном направлении потока ОГ 2 на участке 12 с их ламинарным течением.

На фиг.5 показана выполненная по еще одному, наиболее предпочтительному варианту система 1, в которой ее элемент 5 для снижения токсичности ОГ имеет при этом наклоненную под углом 21 вторую торцевую сторону 7, что позволяет добиться максимально стабильного, соответственно равномерного распределения реагента, распыляемого подающим блоком 8 в виде формируемого им конуса 13 распыла, по площади 15 второй торцевой стороны элемента 5 для снижения токсичности ОГ.

Перечень ссылочных обозначений