СИСТЕМА ДООЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2012 года по МПК F01N3/24 F01N9/00 F02D41/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для очистки выхлопных газов дизельного двигателя, в частности, настоящее изобретение относится к способу и устройству для очистки выхлопных газов дизельного двигателя, которые обеспечивают удаление твердых частиц и NOx, содержащихся в выхлопных газах.

Уровень техники

Действующие законодательные нормы на автомобильном рынке привели к росту требований относительно улучшения топливной экономичности и снижения выбросов современных транспортных средств. Эти законодательные нормы необходимо увязать с требованиями потребителей в отношении обеспечения высоких эксплуатационных характеристик и быстродействия транспортного средства.

Дизельный двигатель имеет КПД до примерно 52% и, таким образом, является наилучшим преобразователем энергии ископаемых топлив. Концентрация выбросов NOx зависит от местной концентрации атомов кислорода и местной температуры. Однако упомянутый высокий КПД возможен лишь при повышенной температуре сгорания, при которой неизбежны высокие уровни выбросов NOx. Кроме того, подавление образования NOx с помощью внутренних средств (соотношение воздух/топливо) имеет тенденцию к увеличению выбросов твердых частиц, известную как компромисс NOx-твердые частицы. К тому же избыток кислорода в выхлопных газах дизельного двигателя препятствует применению стехиометрической трехходовой системы каталитического дожига выхлопных газов для снижения выбросов NOx.

Снижение содержания оксидов азота (NOx) и твердых частиц ТЧ в выхлопных газах дизельного двигателя стало весьма серьезной проблемой в свете защиты окружающей среды и экономии ограниченных ресурсов ископаемых топлив.

В соответствии с ожидаемыми требованиями законодательства (US 10, EU VI и т.п.) в системе очистки выхлопных газов, возможно, потребуется сочетание дизельного катализатора окисления (ДКО), дизельного сажевого фильтра (ДСФ) и катализатора селективного каталитического восстановления (СКВ).

Оптимизация сгорания внутри цилиндра с целью максимизации топливной экономичности обычно приводит к высоким уровням NOx в выхлопных газах. Это представляет проблему при современном жестком законодательстве по выбросам, так как система доочистки может лишь снизить некоторое количество NOx. Отсюда следует компромисс между топливной экономичностью и соответствием нормативам по выбросам.

Уменьшение выбросов NOx из двигателя также приводит к снижению пассивной регенерации ДСФ. Это может привести к увеличению частоты регенераций ДСФ на основе О₂ (где это применимо), что имеет тенденцию к ускоренному износу системы доочистки выхлопных газов (СДВГ) (ДКО+ДСФ+СКВ). Следовательно, менее пассивная регенерация может привести к необходимости укрупнения системы СДВГ для компенсации возросшего износа. Кроме того, при регенерации на основе О₂ наблюдается повышенный расход топлива.

Сущность изобретения

В соответствии с вышеизложенным существует проблема, связанная со способами известного уровня техники и устройствами для очистки выхлопных газов дизельного двигателя.

Целью изобретения является создание системы доочистки выхлопных газов и способа, который по меньшей мере уменьшает вышеуказанные проблемы.

Эта цель достигается с помощью отличительных признаков независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные примеры вариантов осуществления изобретения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается система доочистки выхлопных газов, включающая в себя узел дизельного сажевого фильтра (УДСФ) за дизельным двигателем (здесь и далее - по направлению газового потока). Предлагаются также узел селективного каталитического восстановления (УСКВ), сообщающийся с УДСФ, первый инжектор для подачи восстанавливающего агента в выхлопные газы за УДСФ и перед УСКВ, по меньшей мере один датчик NOx за УСКВ для предоставления по меньшей мере одного сигнала по NOx координатору NOx, по меньшей мере один датчик температуры выше и/или ниже (по направлению газового потока) УСКВ для предоставления по меньшей мере одного температурного сигнала координатору NOx. Координатор NOx предназначается для переключения дизельного двигателя в режим высокого уровня NOx или в режим низкого уровня NOx в зависимости от значений по меньшей мере одного сигнала по NOx и/или по меньшей мере одного температурного сигнала.

Преимуществом настоящего изобретения является максимизация пассивного генерирования сажи.

Другим преимуществом настоящего изобретения является поддержание минимального числа регенераций на основе активного О₂.

Еще одним преимуществом является низкий расход топлива и восстанавливающего агента при удержании выбросов NOx ниже нормативных уровней.

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно позволяет оптимизировать двигатель в отношении минимального расхода топлива при надлежащем уровне выбросов NOx.

Другим преимуществом настоящего изобретения является также оптимизация степени превращения NOx на катализаторе СКВ.

Еще одним преимуществом является возможность оптимизации двигателя в отношении пассивной регенерации.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является возможность поддержания минимального числа регенераций на основе активного О₂.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является компенсация экологических воздействий (разные степени превращения) и/или воздействий износа на СКВ и двигатель.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет обнаружить проблемы в системе СКВ.

Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет использовать меньшее количество катализатора СКВ, что выгодно в отношении стоимости, объема и массы.

Двигатель можно переключить на режим с низким или высоким NOx, изменяя, например, один или более следующих параметров: количество рециркулирующих выхлопных газов (РВГ), давление наддува, момент впрыска топлива, давление впрыска топлива, число впрысков топлива. Упомянутое переключение с режима высокого в режим низкого уровня NOx может быть выполнено, когда сигнал по NOx выше заданного порогового значения. Это переключение с режима низкого в режим высокого уровня NOx может выполняться, когда сигнал по NOx ниже заданного порогового значения и упомянутый температурный сигнал находится между первой температурой Т1 и второй температурой Т2. Этот переход с режима низкого в режим высокого уровня NOx может также зависеть от содержания в топливном баке агента, восстанавливающего NOx.

В примере варианта осуществления настоящего изобретения упомянутый УДСФ, включающий ДСФ, покрыт материалом катализатора окисления, что дает преимущество в возможности дальнейшего снижения объема, массы и стоимости.

Еще в одном варианте между дизельным двигателем и УДСФ используется тепловой генератор. Преимущество этого варианта заключается в том, что, по требованию, независимо от нагрузки и числа оборотов в минуту (ЧОМ) двигателя достигается оптимальная рабочая температура для СДВГ.

Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения между УДСФ и УСКВ используется катализатор восстановления NOx, сообщающийся с УДСФ. Преимущество этого варианта заключается в возможности оптимизации соотношения NO/NO₂ для СКВ независимо от срока службы СДВГ.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается способ доочистки выхлопных газов, включающий следующие шаги: окисление NO в NO₂ и улавливание частиц от сгорания в узле дизельного сажевого фильтра (УДСФ), сообщающемся с дизельным двигателем, восстановление NO₂ в NO в устройстве селективного каталитического восстановления (УСКВ), сообщающемся с ДСФ, впрыск восстанавливающего агента в выхлопные газы первым инжектором, расположенным ниже УДСФ и выше УСКВ, предоставление сигнала по NOx координатору NOx от по меньшей мере одного датчика NOx, установленного ниже УСКВ, предоставление температурного сигнала координатору NOx от по меньшей мере одного температурного датчика, установленного выше и/или ниже УСКВ, переключение дизельного двигателя в режим с высоким NOx или низким NOx в зависимости от величин по меньшей мере одного сигнала по NOx и/или по меньшей мере одного температурного сигнала.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения также предлагается компьютерная программа, сохраняемая на компьютерном носителе, содержащая программный код для осуществления способа, включающего следующие шаги: окисление NO в NO₂ и улавливание частиц от сгорания в УДСФ, сообщающемся с дизельным двигателем, восстановление NO₂ в NO в УСКВ, сообщающемся с ДСФ, впрыск восстанавливающего агента в выхлопные газы первым инжектором, расположенным ниже УДСФ и выше УСКВ, предоставление сигнала по NOx координатору NOx от по меньшей мере одного датчика NOx, установленного ниже УСКВ, предоставление температурного сигнала координатору NOx от по меньшей мере одного температурного датчика, установленного выше и/или ниже УСКВ, переключение дизельного двигателя в режим высокого уровня NOx или в режим низкого уровня NOx в зависимости от величин по меньшей мере одного сигнала по NOx и/или по меньшей мере одного температурного сигнала.

Данная компьютерная программа может быть адаптирована для загрузки на сервисное оборудование или один из его компонентов, когда она выполняется на компьютере, подключенном к Интернету.

Краткое описание чертежей

Ниже следует более детальное описание вариантов осуществления изобретения в виде примеров со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

на фиг.1 показана схематическая иллюстрация первого варианта системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением, сообщающейся с двигателем внутреннего сгорания;

на фиг.2 показана схематическая иллюстрация второго варианта системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением, сообщающейся с двигателем внутреннего сгорания;

на фиг.3 показана схематическая иллюстрация третьего варианта системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением, сообщающейся с двигателем внутреннего сгорания;

на фиг.4 показана схематическая иллюстрация четвертого варианта системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением, сообщающейся с двигателем внутреннего сгорания;

на фиг.5 показана схематическая иллюстрация пятого варианта системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением, сообщающейся с двигателем внутреннего сгорания.

На чертежах одинаковые или подобные элементы обозначены одинаковыми цифрами, чертежи являются лишь схематическими изображениями, не предназначенными для описания специфических параметров изобретения. Более того, чертежи предназначены для описания лишь примеров осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения

На фиг.1 схематически иллюстрируется первый пример варианта системы 100 доочистки выхлопных газов (СДВГ) в соответствии с настоящим изобретением. Данная СДВГ сообщается с двигателем 110 внутреннего сгорания, например, дизельным двигателем. Упомянутая СДВГ включает в себя узел (блок) 125 сажевого фильтра (УДСФ), узел 150 селективного каталитического восстановления (УСКВ), первый восстановительный инжектор 145, датчик 156 температуры, датчик 148 NOx и координатор 112 NOx.

УДСФ 125 находится в прямом сообщении с двигателем 110 внутреннего сгорания. УДСФ 125 включает в себя дизельный катализатор 120 окисления (ДКО) и дизельный сажевый фильтр (ДСФ) 130. В этом варианте ДКО 120 расположен выше (по направлению газового потока) ДСФ 130.

В ДКО протекает следующая реакция:

Температура в ДКО зависит, в частности, от материала катализатора, содержания НС, СО и массового потока. Каталитическая реакция начинается в ДКО 120 примерно при 200°С, максимальная температура каталитической реакции составляет примерно 300-400°С. После достижения максимума температура реакции снижается. Это снижение зависит от равновесия реакции, при котором обратимая реакция

в большей степени зависит от температуры, чем реакция (1).

ДКО 120 обычно получают в форме монолитной структуры, изготовленной из кордиерита или металла. Эта монолитная структура может быть покрыта каталитическим материалом в форме оксида простого металла и благородным металлом, например платиной и/или палладием.

Реакция, протекающая в ДСФ 130:

На температуру в ДСФ 130 влияет толщина слоя сажи в ДСФ, она может составлять примерно 200°С, однако становится более эффективной выше 250°С. При температурах выше примерно 700°С возможно старение как самого ДСФ 130, так и катализатора(ов), расположенного за ДСФ 130.

ДСФ 130 может быть получен из пористых форм кордиерита, карбида кремния или спеченного металлического порошка. Упомянутая пористая форма может быть покрыта каталитическим материалом в форме оксида простого металла и благородным металлом, например платиной и/или палладием.

Если в ДСФ 130 улавливается слишком много сажи, что может быть обусловлено слишком низкой температурой и/или низким соотношением NOx/сажа из двигателя, можно использовать тепловой генератор перед УДСФ для нагрева ДСФ 130 до соответствующей рабочей температуры. Данный тепловой генератор может иметь разные формы. В первом примере варианта осуществления изобретения температура в ДСФ 130 может быть увеличена по требованию последующим впрыском дизтоплива в один или более цилиндров двигателя 110 внутреннего сгорания и/или впрыском дизтоплива в выхлопную систему перед ДКО 120, обозначенную 111 на фиг.1. При этом реакция в ДКО 120 описывается уравнением (4) вместо вышеприведенного уравнения (1):

Температура реакции (4) зависит, в частности, от содержания НС. Она может начаться при 200°С для достижения температуры на выходе ДКО примерно 350°С и при 280°С для достижения пика температуры 600°С.

Каталитический материал и/или температура ДКО 120 влияют на то, какое из уравнений (1) или (4) будет доминировать. Можно оптимизировать реакцию (4), если целью ДКО 120 является увеличение температуры выхлопных газов, и оптимизировать реакцию (1), если целью ДКО является образование NO₂.

Другим примером теплового генератора является электрически нагреваемый катализатор.

При высоком соотношении NOx/сажа требуется лишь увеличить температуру в ДКО до примерно 400°С для удаления SOx, препятствующих протеканию реакции (1).

Другая реакция, протекающая в ДСФ:

Температура реакции (5) составляет примерно 600°С и несколько ниже, если фильтр покрыт катализатором или с катализатором добавлено топливо. Более низкая температура может потребовать добавления каталитического материала к топливу, которое в свою очередь адсорбируется частицами сажи.

В этом варианте УСКВ 150 размещают за упомянутым УДСФ 125. Реакции, протекающие в УСКВ 150:

Так как реакция (7) протекает с более высокой скоростью, чем реакции (6)-(9), и для исключения реакции (9) соотношение NO/NO₂ поддерживают на уровне примерно 50:50.

Реакция (7) эффективна в температурном диапазоне УСКВ 150 начиная с примерно 200°С и выше, однако реакция начинается при намного более низких температурах, но чем ниже температура, тем медленнее идет реакция. Начальная температура для реакции (6) в УСКВ 150 составляет примерно 250°С. На начальные температуры и температурные диапазоны до некоторой степени влияет выбор каталитического материала в УСКВ 150.

УСКВ 150 получают в форме монолитной структуры из кордиерита или металла. Подобную структуру покрывают оксидом ванадия сверху оксида титана, содержащего некоторое количество оксида вольфрама, или покрытием, содержащим цеолит. Цеолит может содержать некоторое количество железа, или меди, или другого соответствующего антииона. Имеются также катализаторы из оксида ванадия, которые экструдируют с получением монолитных структур, то есть катализатор и структуру изготавливают из одного и того же материала.

В варианте, проиллюстрированном на фиг.1, инжектор 145 расположен между УДСФ 125 и УСКВ 150. Упомянутый инжектор впрыскивает восстанавливающий материал перед УСКВ 150. Восстанавливающим материалом могут быть мочевина, аммиак, аммиак, абсорбированный в воде, карбонат аммония или хлориды металлов, которые могут адсорбировать аммиак.

Координатор 112 NOx получает информацию от датчика 148 NOx и датчика 156 температуры. С помощью датчиков NOx и температуры оптимизируют эффективность системы СКВ. Эффективность системы СКВ 150 зависит от температуры и/или степени износа, различные режимы двигателя могут быть оптимизированы для достижения наивысшей общей эффективности. Мгновенную эффективность УСКВ измеряют с помощью датчика 156 температуры и датчика 148 NOx.

Например, можно переключиться в режим, подходящий для более высокой пассивной регенерации ДСФ 130, когда катализатор УСКВ 150 и выхлопы находятся в физическом/химическом состояниях, допускающих высокую конверсию NOx. На нее влияют такие параметры, как, например, температура, массовый поток выхлопа, состав NOx, адсорбированные яды (такие как углеводороды и металлы) и состояние термической деструкции. Когда эффективность УСКВ 150 находится в диапазоне, допускающем высокую конверсию NOx, можно, например, переключиться в режим высокого уровня NOx, дающий лучшую пассивную регенерацию ДСФ 120. Как правило, режим высокого уровня NOx дает также меньший расход топлива, но более высокий расход восстанавливающего агента. В ситуациях, когда УСКВ 150 находится в состоянии, когда не наблюдается высокая конверсия NOx, например, температура УСКВ 150 временно находится на более низком уровне, выбросы NOx из двигателя можно уменьшить для того, чтобы получить заданные выбросы NOx из выводящей трубы глушителя.

Выбросы NOx из двигателя измеряют датчиком 148 NOx, установленным за упомянутым УСКВ 150. Измерение датчиком 148 NOx (и степени конверсии NOx) применяют для регулирования выбросов NOx из двигателя. Выбросы NOx из двигателя являются постоянной величиной, регулируемой координатором 112 NOx. Координатор 112 NOx использует функциональную зависимость между двумя стационарными режимами для достижения заданных выбросов NOx из двигателя. Степень превращения в УСКВ 150 не будет быстро изменяться, но уровень NOx после УСКВ 150 будет следовать за уровнем NOx в УСКВ 150. Это дает возможность регулирования по замкнутому циклу координатором 112 NOx, который получает информацию от датчика 148 NOx и датчика 156 температуры. Координатор NOx является контроллером и также имеет требуемое значение(я) (пороговое значение (я)) для регулирования. Если двигатель все время находится в режиме низкого уровня NOx (= высокое сажеобразование), это может быть признаком повреждения катализатора.

Координатор 112 NOx, получающий температурные сигналы от датчика 156 температуры и сигналы по NOx от датчика 148 NOx, в зависимости от значений упомянутых сигналов может настроить двигатель по меньшей мере на два разных режима, режим высокого уровня NOx и режим низкого уровня NOx. Координатор NOx регулирует управление двигателем, то есть упомянутый координатор NOx может, в частности, изменить один или более следующие параметры: степень рециркуляции выхлопных газов (РВГ); давление наддува турбокомпрессора; момент(ы) впрыска основного и/или вспомогательного топлива в камеру сгорания; давление впрыска топлива; температуру в камере сгорания и/или число впрысков топлива на рабочий цикл двигателя. Например, высокая РВГ приводит к снижению NOx, высокое давление наддува приводит к увеличению NOx, запаздывание момента впрыска топлива приводит к снижению NOx.

УСКВ 150 имеет оптимальный или наилучший рабочий диапазон с высокой способностью к конверсии NO₂ в NO в пределах температурного интервала от первой температуры Т1 до второй температуры Т2. Значения первой температуры Т1 и второй температуры Т2 зависят, в частности, от типа УСКВ 150 и срока службы УСКВ 150. Упомянутый температурный интервал и главным образом первая температура Т1 зависит от соотношения NO/NO₂, которое в свою очередь зависит от состояния предшествующих компонентов СДВГ. На Т1 и Т2 также влияет объемная скорость выхлопных газов. При старении УСКВ 150 температурный интервал будет более узким в сравнении со свежим УСКВ 150. УСКВ 150 может временно отравляться, в частности, НС и/или аммиаком, то есть если УСКВ используют в течение продолжительного времени при низкой температуре Т1, то способность к конверсии упадет до низкого значения. Упомянутого отравления можно избежать путем увеличения температуры УСКВ 150. Увеличения температуры можно достигнуть разными способами, например, с помощью отдельных тепловых генераторов, установленных перед УСКВ 150, впрыском жидкости в камеру сгорания и/или выхлопную систему перед УСКВ 150, увеличением противодавления перед УСКВ 150 посредством регулируемого ограничения.

Для того чтобы координатор NOx 112 изменил режим высокого уровня NOx в режим низкого уровня NOx, необходимо, чтобы отфильтрованный сигнал от датчика NOx был выше заданного порогового значения. Пороговое значение может быть частью (около единицы) нормативного значения. Как правило, нормативное значение задается как удельная величина и, следовательно, сигнал должен быть соответствующим образом преобразован.

Для того чтобы координатор 112 NOx перешел с режима низкого уровня NOx в режим с высоким NOx, необходимо, чтобы отфильтрованный сигнал от датчика 148 NOx был ниже некоторого значения и чтобы температура УСКВ 150, заданная температурным сигналом от датчика 156 температуры, была в пределах Т1 и Т2 и/или чтобы уровень сажи в ДСФ был выше заданного значения. Этот уровень сажи можно скорректировать по перепаду давления в ДСФ или с помощью физической модели.

Можно утверждать, что режим высокого уровня NOx применяется при условии, что датчик 148 NOx обнаруживает низкие значения, то есть ниже порогового значения. При переключении режима низкого уровня NOx в режим высокого уровня NOx и обнаружении датчиком 148 NOx уровней NOx выше упомянутого порогового значения координатор 112 мгновенно переключается обратно в режим низкого уровня NOx. Это будет означать наличие некоторых временных выбросов NOx и, как правило, это может быть результатом слишком высоких пороговых значений. Причиной этого может быть неудовлетворительное измерение параметров, например, содержания ядов или старение катализатора. Путем статистической обработки этих случаев пороговые значения могут быть скорректированы. При установлении более точных пороговых значений это никогда не произойдет.

Фиг.2 иллюстрирует другой пример варианта осуществления настоящего изобретения. Единственным отличием этого варианта от такового, представленного на фиг.1, является то, что за упомянутым УСКВ 150 установлен второй датчик 157 температуры и второй датчик 147 NOx перед УСКВ 150. В этом варианте предусмотрены первый датчик температуры перед УСКВ, второй датчик температуры за УСКВ 150, первый датчик NOx перед УСКВ и второй датчик NOx за УСКВ 150. Преимущество подобного расположения заключается в более эффективном регулировании температуры на входе и выходе из УСКВ 150 и также более эффективном регулировании NOx на входе и выходе из УСКВ 150. В результате сокращается время срабатывания при переключении с одного режима на другой.

Фиг.3 иллюстрирует другой пример варианта системы 100 доочистки выхлопных газов СДВГ в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант отличается от предыдущего лишь тем, что УДСФ 125 включает в себя ДСФ, покрытый материалом 122 ДКО, в то время как на фиг.1 упомянутые ДКО 120 и ДСФ 130 являются отдельными узлами. Для описания других признаков используют те же номера для ссылок, как на фиг.1, и поэтому они не требуют дальнейших пояснений, так как их функциональное назначение и структура могут быть одинаковыми. Другое отличие от варианта, проиллюстрированного на фиг.1, заключается в исключении инжектора 111. Безусловно, упомянутый инжектор 111 можно также исключить из варианта, изображенного на фиг.1, то есть инжектор 111 на фиг.1 является необязательным.

Как видно из фиг.1, реакции, протекающие в УДСФ 125 на фиг.2, аналогичны реакциям, протекающим в ДСФ 130 и ДКО 120, то есть реакциям (1) и (3).

На фиг.4 иллюстрируется другой пример варианта системы 100 доочистки выхлопных газов СДВГ в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант отличается от такового, изображенного на фиг.1, тем, что между двигателем 110 внутреннего сгорания и УДСФ 125 расположен отдельный тепловой генератор 121. Здесь, как и в варианте на фиг.2 и фиг.3, исключен инжектор 111. Упомянутый отдельный тепловой генератор 121 может включать дизельную горелку или регулируемый ограничитель в выхлопной системе перед упомянутым УДСФ.

Фиг.5 иллюстрирует еще один пример варианта системы 100 доочистки выхлопных газов СДВГ в соответствии с настоящим изобретением. Этот вариант отличается от такового, проиллюстрированного на фиг.1, тем, что катализатор 140 восстановления NO₂ и УСКВ 150 располагают как комбинированный узел 155 и перед упомянутым комбинированным узлом 155 устанавливают инжектор 135. В одном варианте упомянутый катализатор 140 восстановления NO₂ располагают как зональное покрытие на субстрате УСКВ, то есть по меньшей мере первая часть субстрата УСКВ может быть покрыта материалом катализатора восстановления NO₂ и по меньшей мере вторая часть субстрата УСКВ может быть покрыта каталитическим материалом СКВ. Порядок зональных покрытий каталитическими материалами NO₂ и СКВ можно изменять. В одном варианте первая зона покрытия катализатором NO₂ располагается перед второй зоной покрытия СКВ. В другом варианте несколько покрытий катализатором NO₂ размещены отдельно одно от другого и между ними предусмотрены покрытия СКВ.

В альтернативном варианте катализатор восстановления NO₂ и УСКВ 150 представляют собой отдельные узлы.

Еще в одном примере варианта осуществления изобретения упомянутый каталитический материал восстановления NО₂ располагается как зональное покрытие на субстрате ДСФ, то есть по меньшей мере первая часть субстрата ДСФ может быть покрыта каталитическим материалом ДКО и по меньшей мере вторая часть упомянутого субстрата ДСФ может быть покрыта каталитическим материалом NO₂. Порядок зональных покрытий каталитическим материалом NO₂ и ДКО может меняться. В одном варианте первая зона покрытия катализатором ДКО расположена перед второй зоной покрытия NO₂. В другом варианте несколько покрытий ДКО размещены отдельно одно от другого и между ними предусмотрены покрытия NO₂.

В упомянутом катализаторе 140 восстановления NO₂ протекают следующие реакции:

Как видно из реакций (10) и (11), катализатор 140 восстановления NO₂ восстанавливает NO₂ до NO. В отсутствие катализатора 140 восстановления NO₂ наблюдается компромисс между пассивной регенерацией и окислением НС в ДКО 120/ДСФ 130 и высокой конверсией NOx в системе СКВ 150. Подобную проблему с компромиссом можно решить путем добавки катализатора 140 восстановления NO₂ за ДСФ 130 и/или УДСФ 125. Катализатор 140 восстановления NO₂ действует как балансир для стабилизации соотношения NO₂/NO в УСКВ 150. Катализатор 140 восстановления NO₂ обеспечит высокую нагрузку благородного металла на ДКО 120 и/или ДСФ 130 (удовлетворительное NO- и НС-окисление) одновременно с достижением оптимального соотношения NO₂/NO для УСКВ 150. Для восстановления NO₂→NO можно добавить восстанавливающий агент, такой как топливо (углеводородное топливо, такое как дизтопливо) или мочевину с помощью инжектора, обозначенного числом 135, перед упомянутым катализатором 140 восстановления NO₂. В другом варианте упомянутые инжекторы 135 и 145 образуют отдельный узел, то есть один инжектор для впрыска восстанавливающего агента как для УСКВ 150, так и катализатора 140 восстановления NO₂.

При применении катализатора 140 восстановления NO₂ возможно осуществить оптимальную пассивную регенерацию и окисление НС в менее активной системе УСКВ 150 и в то же время поддерживать высокую конверсию NOx в системах со свежим катализатором. Возможно также использование меньшего количества катализатора УСКВ 150, что дает преимущества в отношении стоимости, объема и массы.

Температура катализатора 140 восстановления NO₂ составляет примерно от 250°С до 600°С, более подробные данные можно найти в WO 2006/040533.

Катализатор 140 восстановления NO₂ может быть основан на цеолитном материале, более подробные данные можно найти в WO 2006/040533.

Еще в одном примере варианта осуществления настоящего изобретения используется комбинация зонного покрытия субстрата ДСФ катализатором восстановления NO₂ и зонного покрытия катализатором восстановления NO₂ субстрата УСКВ. Подобное NO₂ покрытие может быть предусмотрено как отдельная зона или несколько зон на обоих узлах ДСФ и/или УСКВ.

Выбросы NOx из двигателя можно непрерывно регулировать между уровнями высокого и низкого режимов NOx, применяя датчик 148 NOx и/или датчик 156 температуры.

Хотя разные варианты иллюстрируются на разных фигурах, следует понимать, что возможны также комбинации вариантов, изображенных на фигурах. Например, можно комбинировать вариант на фиг.1 с вариантом на фиг.2, другая комбинация может быть с фиг.1 и фиг.3. Для специалиста будет очевидно, что любой из вариантов можно комбинировать с любым или несколькими другими вариантами.

Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами и проиллюстрированными на чертежах, специалист поймет, что в пределах объема и приложенной формулы изобретения возможны многие изменения и модификации.

Изобретение относится к способу и устройству для очистки выхлопных газов дизельного двигателя. Сущность изобретения: система доочистки выхлопных газов включает в себя узел дизельного сажевого фильтра (УДСФ), установленный за дизельным двигателем, устройство селективного каталитического восстановления (УСКВ), сообщающееся с УДСФ, первый инжектор для подачи восстанавливающего агента в выхлопные газы, установленный за УДСФ и перед УСКВ, по меньшей мере один датчик NOx, установленный за УСКВ, для предоставления по меньшей мере одного сигнала координатору NOx, по меньшей мере один датчик температуры, установленный перед и/или за УСКВ для предоставления по меньшей мере одного температурного сигнала координатору NOx, который предназначен для переключения дизельного двигателя в режим высокого или низкого уровня NOx в зависимости от значений по меньшей мере одного сигнала по NOx и по меньшей мере одного температурного сигнала. Также представлен способ доочистки выхлопных газов и считываемая компьютерная память. Техническим результатом изобретения является максимизация пассивного генерирования сажи, поддержание минимального числа регенерации на основе активного О₂, низкий расход топлива и восстанавливающего агента при удержании выбросов NOx ниже нормальных уровней. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система доочистки выхлопных газов, содержащая узел дизельного сажевого фильтра (УДСФ), установленный за дизельным двигателем по направлению газового потока, узел селективного каталитического восстановления (УСКВ), сообщающийся с УДСФ, первый инжектор для подачи восстанавливающего агента в выхлопные газы, установленный по направлению газового потока за УДСФ и перед УСКВ, по меньшей мере один датчик NOx, установленный по направлению газового потока за УСКВ для предоставления по меньшей мере одного сигнала по NOx координатору NOx, по меньшей мере один датчик температуры, установленный по направлению газового потока перед и/или за УСКВ для предоставления по меньшей мере одного температурного сигнала координатору NOx, причем координатор NOx предназначен для переключения данного дизельного двигателя в режим высокого уровня NOx или режим низкого уровня NOx в зависимости от значений по меньшей мере одного сигнала по NOx и/или по меньшей мере одного температурного сигнала.

2. Система по п.1, в которой дизельный двигатель переключается в режим низкого или высокого уровня NOx путем изменения одного или более параметров, включающих количество рециркулирующих выхлопных газов (РВГ), давление наддува, момент впрыска топлива, давление впрыска топлива, число впрысков топлива.

3. Система по п.1 или 2, в которой упомянутое переключение режима высокого уровня NOx в режим низкого уровня NOx выполняется, когда сигнал по NOx выше заданного порогового значения.

4. Система по п.3, в которой упомянутое пороговое значение сигнала по NOx связано с допустимой величиной выбросов.

5. Система по п.1, в которой упомянутое переключение режима низкого уровня NOx в режим высокого уровня NOx выполняется, когда сигнал по NOx ниже заданного порогового значения и упомянутый температурный сигнал находится между первой температурой Т1 и второй температурой Т2.

6. Система по п.5, в которой упомянутое заданное пороговое значение зависит от потока выхлопных газов и/или соотношения NO₂/NO и далее может адаптироваться.

7. Система по п.5, в которой упомянутая первая температура Т1 зависит от потока выхлопных газов и/или соотношения NO₂/NO и далее может адаптироваться.

8. Система по п.1, в которой упомянутое переключение режима низкого уровня NOx в режим высокого уровня NOx, кроме того, зависит от содержания мочевины и/или расчетного количества сажи в УДСФ.

9. Система по п.1, в которой УДСФ представляет собой дизельный сажевый фильтр (ДСФ), покрытый катализатором окисления.

10. Система по п.1, в которой УДСФ включает в себя дизельный катализатор окисления (ДКО), способный превращать NO в NO₂ перед ДСФ по направлению газового потока.

11. Система по п.1 или 2, в которой между двигателем и УДСФ установлен тепловой генератор.

12. Система по п.11, в которой тепловой генератор включает в себя ДКО, способный превращать топливо в диоксид углерода и воду.

13. Система по п.11, в которой тепловой генератор представляет из себя горелку.

14. Система по п.1, включающая в себя катализатор восстановления NO₂, сообщающийся с УДСФ и УСКВ.

15. Система по п.14, в которой предусмотрен катализатор восстановления NO₂ по направлению газового потока за УДСФ и перед УСКВ.

16. Система по п.14, в которой упомянутый катализатор восстановления NO₂ располагают как зональное покрытие на УСКВ или зональное покрытие на УДСФ.

17. Способ доочистки выхлопных газов, включающий следующие шаги:
окисление NO в NO₂ и улавливание частиц от сгорания в узле дизельного сажевого фильтра (УДСФ), сообщающемся с дизельным двигателем, восстановление NO₂ в NO в узле селективного каталитического восстановления (УСКВ), сообщающемся с УДСФ, впрыскивание в выхлопные газы восстанавливающего агента первым инжектором, расположенным по направлению газового потока за УДСФ и перед УСКВ, предоставление сигнала по NOx координатору NOx по меньшей мере от одного датчика NOx, установленного по направлению газового потока за УСКВ, предоставление температурного сигнала упомянутому координатору NOx по меньшей мере от одного датчика температуры, установленного по направлению газового потока перед и/или за УСКВ, переключение дизельного двигателя в режим высокого уровня NOx или режим низкого уровня NOx в зависимости от значений по меньшей мере одного сигнала по NOx и/или по меньшей мере одного температурного сигнала.

18. Способ по п.17, в котором дизельный двигатель переключают в режим низкого или высокого уровня NOx путем изменения одного или более параметров, включающих количество рециркулирующих выхлопных газов (РВГ), давление наддува, момент впрыска топлива, давление впрыска топлива, число впрысков топлива.

19. Способ по п.17 или 18, в котором упомянутое переключение режима высокого уровня NOx в режим низкого уровня NOx выполняют, когда сигнал по NOx выше заданного порогового значения.

20. Способ по п.19, в котором упомянутое пороговое значение сигнала по NOx связано с допустимой величиной выбросов.

21. Способ по п.17, в котором упомянутое переключение режима низкого уровня NOx в режим высокого уровня NOx выполняют, когда сигнал по NOx ниже заданного порогового значения и упомянутый температурный сигнал находится между первой температурой Т1 и второй температурой Т2.

22. Способ по п.21, в котором упомянутое заданное пороговое значение зависит от потока выхлопных газов и/или соотношения NO₂/NO и далее может адаптироваться.

23. Способ по п.21, в котором упомянутая первая температура Т1 зависит от потока выхлопных газов и/или соотношения NO₂/NO и далее может адаптироваться.

24. Способ по п.17, в котором упомянутое переключение режима низкого уровня NOx в режим высокого уровня NOx, кроме того, зависит от содержания мочевины и/или расчетного количества сажи в УДСФ.

25. Способ по п.17, в котором используют покрытие дизельного сажевого фильтра (ДСФ) материалом катализатора окисления.

26. Способ по п.17, в котором используют дизельный катализатор окисления (ДКО) для превращения NO в NO₂ по направлению газового потока за ДСФ, улавливающим частицы от сгорания.

27. Способ по п.26, в котором по направлению газового потока перед ДСФ устанавливают ДКО.

28. Способ по п.17, в котором используют тепловой генератор, устанавливаемый между дизельным двигателем и УДСФ.

29. Способ по п.17, в котором тепловой генератор включает в себя дизельный катализатор окисления ДКО для превращения топлива в диоксид углерода и воду.

30. Способ по п.17, в котором в качестве теплового генератора используют горелку.

31. Способ по п.17, в котором используют датчик NO₂, устанавливаемый по направлению газового потока за катализатором восстановления NO₂.

32. Способ по п.31, в котором: используют упомянутый катализатор восстановления NO₂ в качестве зонального покрытия на ДСФ и располагают упомянутый первый инжектор перед этим зональным покрытием.

33. Способ по п.31, в котором: располагают упомянутый катализатор восстановления NO₂ в качестве зонального покрытия на УСКВ и располагают упомянутые первый и второй инжекторы как отдельный узел по направлению газового потока за УДСФ и перед катализатором восстановления NO₂ и УСКВ.

34. Способ по п.17, в котором: располагают упомянутый катализатор восстановления NO₂ как зональное покрытие на УСКВ и как зональное покрытие на ДСФ и располагают первый инжектор перед зональным покрытием катализатора восстановления NO₂ на ДСФ.

35. Считываемая компьютером память, включающая программный код для выполнения способа по любому из пп.17-34.