Результат интеллектуальной деятельности: КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВОМ ВОССТАНОВИТЕЛЯ, ВВОДИМОГО В ЛИНИЮ ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Уровень техники изобретения и известный уровень техники

Изобретение относится к конструкции и способу управления количеством восстановителя, которое подается в линию выхлопа двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительным частям пунктов 1 и 10 формулы изобретения.

Одним способом уменьшения выбросов оксидов азота из дизельных двигателей является использование технологии, называемой SCR (селективное каталитическое восстановление). Он включает восстановитель в форме раствора мочевины, подаваемый в специальной дозе в выхлопные газы в линии выхлопа дизельного двигателя. Когда раствор мочевины распыляется в линию выхлопа, получающийся в результате мелкодисперсный раствор испаряется при контакте с горячими выхлопными газами, и образуется аммиак. Далее смесь аммиака и выхлопных газов проводится через катализатор SCR, в котором азот в оксидах азота в выхлопных газах реагирует с азотом в аммиаке с возможностью образования газообразного азота. Кислород в оксидах азота реагирует с водородом в аммиаке с возможностью образования воды. Таким образом, оксиды азота в выхлопных газах восстанавливаются в катализаторе до газообразного азота и водяного пара. С правильной дозировкой мочевины выбросы оксидов азота дизельных двигателей могут быть значительно уменьшены.

Обычно дозировка раствора мочевины основана на измерениях количества оксидов азота NO_x до катализатора SCR, но точность измерения датчика оксида азота не является особенно хорошей. Значение содержания оксида азота, измеренное датчиком оксида азота, может отличаться от действительного значения примерно на 10%. Более того, точность измерения датчиков оксида кислорода ухудшается со сроком службы.

В частности, когда добавляется слишком большое количество раствора мочевины, аммиак проходит через катализатор SCR без осуществления реакции с оксидами азота в выхлопных газах. Для исключения этого аммиака обычно после катализатора SCR обеспечен катализатор аммиака. Функцией катализатора аммиака является преобразование аммиака в газообразный азот. Проблемой с катализаторами аммиака является то, что в дополнение к газообразному азоту они также образуют оксид одновалентного азота (N₂O). Оксид одновалентного азота является парниковым газом в около 300 раз более сильным, чем двуокись углерода. Поэтому очень важно, чтобы выпуски оксида одновалентного азота были уменьшены. Слишком большая дозировка раствора мочевины также увеличивает риск того, что могут образоваться комки мочевины в линии выхлопа.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является предложение конструкции и способа, посредством которых восстановитель добавляется в таком количестве, что выпуски оксидов азота и оксидов одновалентного азота уменьшаются, по существу, оптимальным образом.

Эта задача решается конструкцией, относящей к виду, упомянутому во введении, которая различается признаками, обозначенными в отличительной части п. 1 формулы изобретения. Первый катализатор может быть катализатором SCR, который уменьшает количество оксидов азота в выхлопных газах в линии выхлопа посредством поданного восстановителя. Вторым катализатором может быть катализатор аммиака, который преобразует любой аммиак, который не среагировал с оксидами азота в катализаторе SCR. Избыточный аммиак преобразуется в катализаторе аммиака в газообразный азот и оксид одновалентного азота. Количество оксида одновалентного азота в линии выхлопа после катализатора аммиака связано с избытком аммиака в катализаторе SCR и с количеством восстановителя, введенного в линию выхлопа. Согласно изобретению датчик оксида одновалентного азота используется для обнаружения количества оксида одновалентного азота в линии выхлопа в месте, расположенном после катализатора аммиака. Такой датчик обеспечивает блок управления информацией о том, является ли количество введенного восстановителя правильным или нет. Когда оно неправильное, блок управления регулирует количество восстановителя, вводимое в линию выхлопа, до тех пор, пока указанный датчик не обнаружит, что количество оксида одновалентного азота находится в пределах требуемого диапазона. Когда количество оксида одновалентного азота находится в пределах требуемого диапазона, восстановитель добавляется в количестве, при котором выпуски оксидов азота и оксида одновалентного азота уменьшаются, по существу, оптимальным образом.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, блок управления может быть выполнен с возможностью управления системой введения так, что он уменьшает количество восстановителя, вводимого в линию выхлопа, когда количество оксида одновалентного азота превышает значение верхнего предела. Может быть целесообразно определять значение верхнего предела для оксида одновалентного азота, который не должен быть превышен. Когда датчик обнаруживает, что количество оксида одновалентного азота превышает значение верхнего предела, блок управления найдет, что слишком много восстановителя вводится в линию выхлопа. В связи с этим блок управления будет уменьшать количество восстановителя, вводимого в линию выхлопа. Блок управления может быть выполнен с возможностью управления системой введения так, что он уменьшает количество восстановителя, вводимого в линию выхлопа, на величину, которая связана с тем, насколько количество оксида одновалентного азота превышает верхний предел. В связи с этим количество оксида одновалентного азота может быть относительно быстро уменьшено до значения в пределах требуемого диапазона.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, блок управления выполнен с возможностью управления системой введения так, что он увеличивает количество восстановителя, вводимого в линию выхлопа, когда количество оксида одновалентного азота ниже значения нижнего предела. Если восстановитель подается в химически точной дозе относительно количества оксидов азота в выхлопных газах, не все молекулы аммиака вступят в контакт с молекулой оксида азота в пределах катализатора SCR. По этой причине целесообразно добавлять меньше избытка восстановителя для того, чтобы уменьшать количество оксидов азота оптимальным образом. Таким образом, допустимо меньшее количество оксида одновалентного азота. По этой причине может быть целесообразно определять значение нижнего предела, ниже которого количество оксида одновалентного азота не должно падать. Если количество оксида одновалентного азота является слишком низким, значит восстановитель предположительно добавляется в слишком малом количестве для аммиака, образованного способным уменьшать количество оксидов азота в выхлопных газах оптимальным образом. Здесь блок управления может быть выполнен с возможностью управления системой введения так, что он увеличивает количество восстановителя, вводимого в линию выхлопа на величину, которая связана с тем, насколько количество оксида одновалентного азота ниже значения нижнего предела. Таким образом, количество оксида одновалентного азота может быть относительно быстро увеличено до значения в пределах требуемого диапазона.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, блок управления выполнен с возможностью оценки количества восстановителя, вводимого в линию выхлопа, на основе информации от датчика, который отслеживает параметр, связанный с количеством оксида азота в линии выхлопа в месте, расположенном после первого катализатора. Такой датчик приводит к первичной оценке количества оксидов азота в линии выхлопа и оценке того, как много восстановителя должно быть введено в линию выхлопа. Однако точность измерения датчиков, которые обнаруживают количество оксидов азота, обычно не очень хороша. После того, как первоначально оцененное количество восстановителя введено в линию выхлопа, блок управления принимает информацию о количестве оксида одновалентного азота в линии выхлопа. Если оно слишком высокое или слишком низкое, блок управления может регулировать количество восстановителя, вводимое в линию выхлопа, до значения в пределах требуемого диапазона, при котором оксиды азота и оксид одновалентного азота уменьшаются эффективным образом. Предпочтительно блок управления также выполнен с возможностью оценки количества восстановителя, вводимого в линию выхлопа, на основе информации о потоке выхлопных газов в линии выхлопа. Величина потока выхлопных газов также является фактором, который влияет на то, сколько восстановителя должно вводиться в линию выхлопа. Поток выхлопных газов может быть оценен по информации о потоке воздуха в двигателе внутреннего сгорания.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, блок управления выполнен с возможностью приема информации от датчика температуры, который отслеживает температуру выхлопных газов в линии выхлопа для того, чтобы решать, должен ли вводиться восстановитель в линию выхлопа или нет. Для того, чтобы это было возможно для раствора мочевины, испаряемого им, выхлопные газы должны иметь по меньшей мере более высокую температуру, чем температура испарения восстановителя. Также необходима достаточная разность температур для обеспечения того, чтобы весь восстановитель испарился и смешался с выхлопными газами до того, как они достигнут катализатора SCR. В связи с этим восстановитель вводится в линию выхлопа только в то время, когда выхлопные газы находятся при достаточно высокой температуре. Первый катализатор и второй катализатор могут быть расположены на участке линии выхлопа, расположенном после турбины, которая выполнена с возможностью извлечения энергии из выхлопных газов. Двигатели внутреннего сгорания с наддувом обычно обеспечены турбоблоком, который сжимает воздух, подводимый к двигателю. Указанные катализаторы обычно расположены после турбины турбоблока. Восстановитель также обычно вводится в линию выхлопа в месте, расположенном после турбины, хотя возможно введение его в месте, расположенном перед турбиной.

Задача, обозначенная выше, также решается способом, относящимся к виду, упомянутому во введении, который отличается признаками, обозначенными в отличительной части п. 10 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант выполнения изобретения описан ниже путем примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает конструкцию согласно варианту выполнения изобретения, и

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

Фиг. 1 изображает двигатель внутреннего сгорания с наддувом в форме дизельного двигателя 1. Двигатель 1 может быть предназначен для приведения в движение тяжелого транспортного средства. Выхлопные газы из цилиндров двигателя 1 подводятся с помощью выпускного коллектора 2 к линии 3 выхлопа. Линия выхлопа содержит первую секцию 3a, продолжающуюся к турбине 4 турбоблока. Выхлопные газы находятся при относительно высоком давлении и высокой температуре в первой секции 3a. Турбина 4 предназначена для преобразования энергии выхлопных газов в линии 3 выхлопа в механическую работу для приведения в движение компрессора 5 турбоблока. Линия выхлопа содержит вторую секцию 3b, расположенную после турбины 4. Температура и давление выхлопных газов во второй секции 3b значительно ниже, чем в первой секции 3a. Компрессор 5 предназначен для сжатия воздуха, который перемещается в линию 7 впуска и подводится к соответственным цилиндрам двигателя 1.

Дизельный двигатель 1 обеспечен каталитической очисткой выхлопных газов согласно способу, называемому SCR (селективное каталитическое восстановление). Этот способ включает систему введения, вводящую восстановитель, который может являться раствором мочевины, в линию 3 выхлопа двигателя. Система введения содержит в этом случае резервуар 8 для хранения раствора мочевины, линию 9, продолжающуюся между резервуаром 8 и линией 3 выхлопа, насос 11, который перемещает и сжимает раствор мочевины в линии 9, и средства 12 введения. Блок 10 управления выполнен с возможностью управления приведением в действие насоса 11 так, что средства 12 введения вводят раствор мочевины в линию 3 выхлопа в количестве, которое вычисляется блоком 10 управления. Средства 12 введения установлены во второй секции 3b линии выхлопа. Подаваемый раствор мочевины предназначен для того, чтобы испариться и преобразоваться в аммиак в линии 3 выхлопа до того, как он будет подведен к катализатору 13 SCR и катализатору 14 аммиака. Катализатор 13 SCR и катализатор 14 аммиака могут располагаться в общем контейнере или в отдельных контейнерах. Не изображенный сажевый фильтр и не изображенный каталитический нейтрализатор также могут располагаться в линии 3 выхлопа.

В катализаторе 13 SCR аммиак реагирует с оксидами азота NO_x в линии выхлопа так, что образуются газообразный азот и водяной пар. Оксиды азота содержат монооксид азота NO и диоксид азота NO₂. Любой аммиак, который не вступает в реакцию с оксидами азота в выхлопных газах в катализаторе 13 SCR, преобразуется в катализаторе 14 аммиака в газообразный азот и оксид одновалентного азота. Датчик 15 оксида азота выполнен с возможностью обнаружения количества оксида азота в выхлопных газах в месте, расположенном перед катализатором 13 SCR во второй секции 3b линии 3 выхлопа. Датчик 16 температуры выполнен с возможностью измерения температуры выхлопных газов в месте, расположенном перед катализатором 13 SCR во второй секции 3b линии выхлопа. Датчик 17 оксида одновалентного азота выполнен с возможностью измерения количества оксида одновалентного азота в месте, расположенном после катализатора 14 аммиака во второй секции 3b линии 3 выхлопа. Датчик 18 потока выполнен с возможностью обеспечения блока 10 управления информацией о потоке выхлопных газов в линии выхлопа. Это может быть выполнено датчиком потока, измеряющим или каким-либо другим образом оценивающим поток воздуха в линии 7 впуска в двигатель 1. Блок 10 управления выполнен с возможностью, по существу, непрерывного приема информации от датчика 16 температуры, датчика 15 оксида азота, датчика 17 оксида одновалентного азота и датчика 18 потока.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ работы конструкции на Фиг. 1. Способ начинается с этапа 21. На этапе 22 блок 10 управления принимает информацию от датчика 16 температуры для принятия решения о том, находятся ли выхлопные газы при достаточно высокой температуре T, чтобы позволить им испарять раствор мочевины при преобладающем давлении во второй секции 3b линии выхлопа. Если температура T выхлопных газов ниже, чем температура T₀ парообразования раствора мочевины, блок 10 управления обнаружит, что раствор мочевины не может испаряться в выхлопных газах, в этом случае раствор мочевины вводится в линию 3 выхлопа. Выхлопные газы могут находиться при более низкой температуре, чем требуемая температура T₀ парообразования в ситуациях, в которых транспортное средство было только что запущено или движется при низкой нагрузке в течение длительного периода времени. В этом случае способ начинается снова с этапа 21. Когда он принимает информацию о том, что температура T выхлопных газов выше, чем температура T₀ парообразования раствора мочевины, блок 10 управления обнаружит, что раствор мочевины может вводиться в линию 3 выхлопа. После того блок 10 управления на этапе 23 принимает информацию от датчика 15 оксида азота о количестве оксидов азота NO_х в выхлопных газах. В то же время блок 10 управления может принимать информацию от датчика 18 потока о потоке выхлопных газов в линии 3 выхлопа. На основе этой информации блок 10 управления оценивает на этапе 24 количество q раствора мочевины, которое необходимо подавать в выхлопные газы для того, чтобы уменьшать количество оксидов азота в них оптимальным образом.

Блок 10 управления управляет насосом 11 так, что на этапе 24 средства 12 введения вводят вычисленное количество q раствора мочевины во вторую секцию 3b линии выхлопа в месте перед катализатором 13 SCR. Так как выхлопные газы будут находиться при более высокой температуре, чем их температура T₀ парообразования, раствор мочевины станет испаряться относительно быстро после того, как он был введен во вторую секцию 3b линии выхлопа. Парообразование раствора мочевины приводит к образованию аммиака в газообразной форме, который смешивается с выхлопными газами в линии выхлопа. Однако точность измерения датчика 15 оксида азота не является особенно хорошей. В связи с этим обычный для таких традиционных применений раствор мочевины часто подается в обильном количестве для обеспечения того, чтобы образовалось достаточно аммиака, чтобы с уверенностью обеспечивать исключение оксидов азота в выхлопных газах. Избыточный аммиак преобразуется в катализаторе 14 аммиака в газообразный азот и оксид одновалентного азота. Оксид одновалентного азота является мощным парниковым газом, который насколько это возможно должен быть предотвращен от попадания в окружающую среду. Случаи, в которых дозировка раствора мочевины слишком высока, также увеличивают риск того, что могут образовываться комки мочевины в линии 3 выхлопа.

На этапе 25 блок 10 управления принимает информацию от датчика 17 оксида одновалентного азота, который измеряет количество оксида одновалентного азота в выхлопных газах после катализатора 14 аммиака. Количество оксида одновалентного азота связано с количеством аммиака, который не используется в катализаторе 13 SCR. Избыток аммиака сам по себе связан с количеством раствора мочевины, введенного в линию 3 выхлопа. Датчик 17 оксида одновалентного азота выполнен с возможностью отправки сигналов в блок 10 управления об измеренном количестве оксида одновалентного азота в линии 3 выхлопа. Точность измерения датчика 17 оксида одновалентного азота обычно является относительно хорошей. Эта информация обеспечивает блок 10 управления хорошей обратной связью о том, в правильном ли количестве вводится раствор мочевины или нет. Блок 10 управления также принимает информацию от датчика 16 температуры о температуре выхлопных газов. Когда выхлопные газы находятся при низкой температуре, аммиак может быть сохранен на короткое время в катализаторе 13 SCR. Блок 10 управления также учитывает здесь любое такое хранение аммиака в катализаторе 13 SCR. На этапе 26 он решает, имеет ли количество оксида одновалентного азота N₂O значение в пределах требуемого диапазона A. Количество оксида одновалентного азота здесь не должно превышать значение A_max верхнего предела, так как это приведет к выбросу слишком большого количества оксида одновалентного азота. И количество оксида одновалентного азота не может быть ниже значения A_min нижнего предела, так как в этом случае оксиды азота в выхлопных газах не будут достаточно исключаться. Значение A_min нижнего предела может быть относительно небольшим, но является допустимым количеством оксида одновалентного азота в выхлопных газах. Если количество оксида одновалентного азота имеет значение в пределах требуемого диапазона A, блок 10 управления обнаружит, что регулирование количества q раствора мочевины не требуется. После этого процесс начинается снова с этапа 21.

Если на этапе 26 он принимает информацию от датчика 17 оксида одновалентного азота о том, что количество оксида одновалентного азота N₂O выше значения A_max верхнего предела, блок 10 управления обнаружит, что количество q подаваемого раствора мочевины является слишком большим. В этом случае процесс возвращается к этапу 24, и блок 10 управления будет оценивать недавно уменьшенное количество q раствора мочевины на основе измеренного количества оксида одновалентного азота N₂O. Чем больше количество оксида одновалентного азота, измеренное датчиком 17 оксида одновалентного азота, тем больше уменьшается количества q раствора мочевины. Блок 10 управления управляет насосом 11 так, что он перемещает недавно уменьшенное количество q раствора мочевины из резервуара 8 через линию 9 к средствам 12 введения, которые вводят раствор мочевины в линию 3 выхлопа. После этого на этапе 25 блок 10 управления снова принимает информацию от датчика 17 оксида одновалентного азота о количестве оксида одновалентного азота в линии выхлопа после катализатора 14 аммиака. Если далее количество оксида одновалентного азота находится в пределах требуемого диапазона A, блок 10 управления обнаружит, что уменьшенное количество q подаваемого раствора мочевины является допустимым. Далее процесс начинается снова на этапе 21. В противном случае процесс возвращается к этапу 24 для продолжения регулирования количества раствора мочевины, вводимого в линию 3 выхлопа, до тех пор, пока датчик 17 оксида одновалентного азота не обнаружит, что количество оксида одновалентного азота имеет значение в пределах требуемого диапазона A.

Если на этапе 26 вместо этого он принимает информацию от датчика 17 оксида одновалентного азота о том, что количество оксида одновалентного азота N₂O ниже значения A_min нижнего предела, блок 10 управления обнаружит, что количество q подаваемого раствора мочевины слишком мало, в этом случае процесс возвращается к этапу 24. Затем блок 10 управления будет оценивать недавно увеличенное количество q раствора мочевины на основе измеренного количества оксида одновалентного азота N₂O. Чем меньше количество оксида одновалентного азота, измеренное датчиком 17 оксида одновалентного азота, тем больше увеличивается количество q раствора мочевины. Блок 10 управления управляет насосом 11 так, что он перемещает увеличенное количество q раствора мочевины из резервуара 8 через линию 9 к средствам 12 введения, которые вводят раствор мочевины в линию 3 выхлопа. После этого на этапе 25 блок 10 управления снова принимает информацию от датчика 17 оксида одновалентного азота о количестве оксида одновалентного азота в линии выхлопа после катализатора 14 аммиака. Если количество оксида одновалентного азота находится в пределах требуемого диапазона A, блок 10 управления обнаружит, что уменьшенное количество q подаваемого раствора мочевины является допустимым. Далее процесс начинается снова на этапе 21. В противном случае процесс возвращается к этапу 24 для продолжения регулирования количества раствора мочевины, вводимого в линию 3 выхлопа, до тех пор, пока датчик 17 оксида одновалентного азота не обнаружит, что количество оксида одновалентного азота имеет значение в пределах требуемого диапазона A. Блок 10 управления на этапе 23 может использовать сохраненную от предыдущих регулирований информацию, когда он оценивал количество вводимого раствора мочевины на основе информации от датчиков 15, 18 об измеренных значениях количества оксидов азота и потоков выхлопных газов. В связи с этим любые известные ошибки измерений датчика 15 оксида одновалентного азота могут быть исправлены незамедлительно так, что правильная дозировка раствора мочевины достигается быстрее.

Изобретение не ограничивается вариантом выполнения, описанным выше, но может быть свободно изменено в пределах объема охраны формулы изобретения.