СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2013 года по МПК F01N3/08 F01N5/02 F02D35/02 F02M25/07 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для снижения содержания оксидов азота (NO_x) в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания транспортного средства в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы изобретения.

Уровень техники

В последние годы четко прослеживается тенденция ужесточения законодательства, относящегося к уровню выбросов вредных веществ транспортными средствами. Для транспортных средств, работающих на бензине, трехкомпонентный катализатор обеспечивает работу двигателя практически без нежелательных выбросов.

Однако для транспортных средств с дизельными двигателями (двигателями с воспламенением от сжатия) проблемы с уровнем выбросов вредных веществ далеки от разрешения. Для двигателей с воспламенением от сжатия характерны высокие уровни выбросов оксидов азота NO_x, таких как NO и NO₂, и твердых частиц, таких как сажа, тогда как уровни выбросов монооксида углерода (СО) и углеводородов (НС) невысоки. Кроме того, эти и так невысокие уровни выбросов НС и СО двигателями с воспламенением от сжатия снижаются довольно легко.

Другой важной характеристикой, присущей двигателям с воспламенением от сжатия, является низкий расход топлива. Однако существует хорошо известное соотношение между потреблением топлива и выбросами вредных веществ: двигатель, настроенный на максимальную экономию топлива, будет выбрасывать большие количества NO_x и малые количества твердых частиц, тогда как двигатель, настроенный на низкий уровень выброса NO_x, будет расходовать много топлива и выбрасывать большие количества твердых частиц.

Также хорошо известна зависимость между частотой вращения коленчатого вала двигателя (далее также называемой оборотами двигателя) и уровнем выбросов твердых частиц. Уменьшение частоты вращения коленчатого вала двигателя обычно приводит к снижению уровня выбросов твердых частиц, и происходит это просто в связи с увеличением времени горения твердых частиц в камере сгорания.

В настоящее время практически стандартом в отрасли стало обеспечение системы выпуска отработавших газов двигателя системой нейтрализации этих газов, например улавливателем твердых частиц, трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (для бензиновых двигателей), каталитическим нейтрализатором селективного каталитического восстановления (СКВ) для очистки отработавших газов от NO_x.

Общепринятым способом повышения мощности и уменьшения расхода топлива двигателя с воспламенением от сжатия является использование турбонагнетателя. Задачей турбонагнетателя является утилизация части энергии отработавших газов с использованием турбины, соединенной с компрессором, который обеспечивает сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. В результате на такте впуска в цилиндры подается больше воздуха, что, в свою очередь, позволяет повысить мощность двигателя.

Другим методом утилизации энергии отработавших газов является применение так называемого турбокомпаунда. Турбокомпаунд напоминает турбонагнетатель, однако в этом случае турбина соединена не с приводом компрессора, обеспечивающего турбонаддув двигателя, а с коленчатым валом двигателя. Передача энергии от турбины на коленчатый вал может осуществляться любым подходящим способом, однако чаще всего используется один из двух способов: механическое соединение между турбиной и коленчатым валом или использование электрического генератора, приводимого турбиной, который связан с электродвигателем, соединенным с коленчатым валом.

Следует отметить, что уровень выбросов твердых частиц существенно зависит от давления впрыска, т.е. давления, под которым дизельное топливо впрыскивается в камеры сгорания. Чем выше давление впрыска, тем ниже уровень выбросов твердых частиц.

В документе ЕР 1036270 раскрывается система нейтрализации отработавших газов (СНОГ) и турбонагнетатель, соединенный последовательно с турбокомпаундом, для снижения уровня выбросов NO_x двигателем внутреннего сгорания. Полезной особенностью турбокомпаунда является то, что он обеспечивает увеличение противодавления отработавших газов, которое может использоваться для их рециркуляции.

В документе US 6539716 В2 раскрывается двигатель внутреннего сгорания с турбонагнетателем и турбокомпаундом, установленными последовательно и приводимыми отработавшими газами. В этом случае используются две турбины, размеры которых находятся в определенном соотношении, которое определяется возможностями соответствующих турбин по поглощению (утилизации) энергии отработавших газов. Последовательное соединение турбин увеличивает давление на выходе двигателя по сравнению с давлением на входе, в результате чего обеспечивается действующее давление для работы системы рециркуляции отработавших газов (РОГ, англ. EGR).

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка усовершенствованного способа снижения содержания NO_x в отработавших газах установленного на транспортном средстве двигателя внутреннего сгорания, который обеспечит низкий уровень выбросов вредных веществ, в частности низкий уровень выбросов НС, СО, NO_x и твердых частиц, а также заметную экономию топлива, потребляемого двигателем. Другой целью изобретения является создание усовершенствованного устройства для снижения содержания NO_x в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания на транспортном средстве.

Указанные цели изобретения достигаются с использованием признаков независимых пунктов формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Первым объектом настоящего изобретения является способ снижения содержания NO_x в отработавших газах установленного на транспортном средстве двигателя внутреннего сгорания, содержит по меньшей мере один цилиндр, впускной трубопровод для подачи воздуха, выпускной трубопровод для отвода отработавших газов в систему нейтрализации отработавших газов, предназначенную для снижения уровня выбросов двигателем внутреннего сгорания вредных веществ, систему рециркуляции отработавших газов двигателя, подающую отработавшие газы из выпускного трубопровод во впускной трубопровод, а также по меньшей мере два преобразователя энергии, установленные последовательно в потоке газов за выпускным трубопроводом для поглощения энергии отработавших газов. Температуру отработавших газов повышают до первой температуры, управляя двигателем внутреннего сгорания таким образом, чтобы частота вращения коленчатого вала двигателя обеспечивала высокую температуру отработавших газов в выпускном коллекторе, причем первая температура достаточна для привода указанных по меньшей мере двух преобразователей энергии, и устанавливают такую температуру отработавших газов за этими двумя преобразователями энергии, которая достаточна для удаления NO_x из отработавших газов системой нейтрализации отработавших газов с коэффициентом нейтрализации, превышающим 80%. Обеспечивается возможность работы системы нейтрализации отработавших газов, в частности каталитического нейтрализатора в этой системе, при оптимальной температуре, тогда как двигатель внутреннего сгорания работает в оптимальном режиме в отношении расхода топлива. В предпочтительном варианте частоту вращения коленчатого вала двигателя задают минимально возможной, но при более высокой нагрузке двигателя, для поддержания постоянной выходной мощности. Достоинством этого варианта является высокий к.п.д. двигателя в этой области, в особенности для двигателей с турбокомпаундом. При увеличении нагрузки повышается температура отработавших газов. Повышение температуры отработавших газов может быть осуществлено на пониженных оборотах двигателя с повышенной нагрузкой для обеспечения данной постоянной мощности и/или меньшим избытком воздуха. В частности, низкие обороты (частота вращения коленчатого вала) двигателя используются для обеспечения высокой температуры ("перегрева") отработавших газов по сравнению с такой же мощностью двигателя на более высоких оборотах.

Предлагаемый в изобретении способ используется при работе двигателя по меньшей мере в режиме высокой нагрузки. Способ может также использоваться и в режиме средней нагрузки. Предпочтительно задают низкие обороты двигателя, на которых повышается температура отработавших газов. Низкие обороты двигателя предпочтительно задают с использованием автоматизированной механической трансмиссии, в которой используется переключение передач под нагрузкой и которая представляет собой трансмиссию с двойным сцеплением, в которой фактически не происходит потери выходной мощности при переключении передач.

Частота вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания может изменяться, или регулироваться, в зависимости от содержания NO_x в отработавших газах после прохождения ими системы нейтрализации отработавших газов и/или в зависимости от расчетной возможности этой системы по нейтрализации NO_x.

Частота вращения может регулироваться таким образом, чтобы она находилась в диапазоне высокоэффективной работы системы нейтрализации отработавших газов. В частности, частота вращения коленчатого вала двигателя может быть специально снижена при низкой нагрузке для повышения температуры отработавших газов, что благоприятно сказывается на работе каталитического нейтрализатора для селективного каталитического восстановления (СКВ) и фильтра твердых частиц. Повышенная температура отработавших газов на низких оборотах двигателя увеличивает энергию, которая используется в работе турбокомпаунда. Кроме того, на пониженных оборотах можно снизить потери мощности на трение. При высокой нагрузке температуру отработавших газов снижают таким образом, чтобы она была в интервале температур высокоэффективной работы системы нейтрализации отработавших газов, путем расширения газов в двух турбинах. Достоинство этого варианта заключается в обеспечения необычно узкого диапазона температур для работы системы нейтрализации отработавших газов.

В частности, при холодном запуске, когда каталитический нейтрализатор СКВ не работает, двигатель может работать с повышенной температурой отработавших газов для обеспечения улучшенной работы системы рециркуляции отработавших газов, чтобы снизить уровень выбросов NO_x на выходе двигателя. Другим решением этой проблемы может быть использование известного регулятора давления отработавших газов для обеспечения при холодном запуске повышенного давления для работы системы рециркуляции отработавших газов.

В предпочтительном варианте для надежного управления двигателем внутреннего сгорания измеряется и/или рассчитывается содержание NO_x. Обороты двигателя могут поддерживаться на низком уровне, особенно если может использоваться автоматизированная механическая трансмиссия, переключаемая под нагрузкой. Поддержание низких оборотов двигателя будет обеспечивать практически постоянную и достаточно высокую температуру отработавших газов, которая будет находиться в определенном температурном диапазоне, и объемная скорость будет ниже за счет низкой скорости, т.е. меньшего поступления воздуха.

Путем регулирования скорости узла трансмиссии в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и требуемой движущей силы и/или требуемой температуры перед указанными по меньшей мере двумя преобразователями энергии могут быть заданы такие низкие обороты двигателя, что температура отработавших газов может поддерживаться на достаточно высоком уровне. Таким образом, может быть снижено содержание NO_x. Скорость может быть изменена с помощью коробки передач узла трансмиссии. При поддержании частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания в диапазоне от 800 до 1500 об/мин, предпочтительно от 850 до 1300 об/мин, обеспечивается достаточно высокая температура отработавших газов.

В предпочтительном варианте разброс значений частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания не должен превышать 200 об/мин.

Температура отработавших газов может быть снижена до значения, находящегося в желаемом диапазоне температур, подходящем для нейтрализации NO_x в каталитическом нейтрализаторе, предпочтительно путем использования в потоке отработавших газов турбины турбонагнетателя и турбины турбокомпаунда, соединенных последовательно для охлаждения отработавших газов. Хотя температура отработавших газов повышается, когда двигатель внутреннего сгорания работает на очень малых оборотах, указанные по меньшей мере два преобразователя энергии снижают эту температуру, так что она будет находиться в нужном диапазоне температур, которые особенно подходят для удаления NO_x из отработавших газов. Каталитический нейтрализатор может представлять собой каталитический нейтрализатор СКВ или каталитический нейтрализатор, поглощающий NO_x. Температуру отработавших газов предпочтительно устанавливают на уровне, находящемся в диапазоне от 330°С и 450°С включительно. В частности, температуру отработавших газов устанавливают на уровне, находящемся в диапазоне между 350°С и 400°С включительно. В этом диапазоне температур каталитический нейтрализатор СКВ может работать в оптимальном режиме с очень высоким коэффициентом нейтрализации NO_x.

В частности, диапазон температур может быть установлен в диапазоне оптимальных температур для селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота в отработавших газах путем хорошо подобранного сочетания низких оборотов двигателя внутреннего сгорания, подходящего передаточного отношения трансмиссии и поглощения энергии указанными по меньшей мере двумя преобразователями энергии. Предпочтительно узел трансмиссии, соединенный с двигателем внутреннего сгорания, является ступенчатой коробкой передач, переключаемой без потерь или с незначительными потерями движущей силы.

Предпочтительно коэффициент избытка воздуха, характеризующий отношение топлива к воздуху, подаваемому в двигатель внутреннего сгорания, устанавливают на уровне, не превышающем 1,4. Предпочтительно коэффициент избытка воздуха устанавливают в диапазоне от 1,2 до 1,4. В частности, низкие значения коэффициента избытка воздуха могут быть получены за счет использования турбокомпаунда в качестве узла преобразования энергии.

Система для двигателя внутреннего сгорания, содержащая турбонагнетатель, предназначенный для извлечения из отработавших газов некоторого количества энергии и возвращения ее обратно в двигатель, например, путем передачи ее на коленчатый вал, обычно называется турбокомпаундной системой. Энергия, возвращаемая в двигатель, может быть передана в генератор, подсоединенный к двигателю, или же она может одновременно передаваться на коленчатый вал двигателя, а также в генератор (сплит-система). Используя две турбины (турбонагнетатель и турбокомпаунд), соединенные последовательно, можно в процессе работы двигателя внутреннего сгорания повысить давление в его выпускном коллекторе, которое будет выше, чем давление во впускном коллекторе. Таким образом, может быть получено достаточное давление для работы системы рециркуляции отработавших газов (РОГ) во впускной коллектор без ухудшения к.п.д. двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, часть энергии, содержащейся в отработавших газах, используется в качестве дополнительной энергии, передаваемой на коленчатый вал, вместо выбрасывания ее в атмосферу.

В связи с использованием турбокомпаунда количество избыточного воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания, снижается и значение коэффициента избытка воздуха уменьшается с обычных высоких значений, таких, например, как 1,7, до 1,4 и ниже. Достоинством турбокомпаунда является повышение противодавления отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, что благоприятно для работы системы рециркуляции отработавших (РОГ) и позволяет использовать турбонагнетатель с высокой производительностью на стороне впуска воздуха двигателя. При использовании высокопроизводительного турбонагнетателя разница давлений в выпускном и впускном коллекторах не обеспечивает работу системы рециркуляции отработавших газов. Эта проблема обычно решается использованием турбонагнетателя с пониженной производительностью. Меньшая производительность означает больший перепад давлений, обеспечивающий более высокое давление в выпускном коллекторе, и дополнительное снижение давления во впускном коллекторе. Однако с дополнительным перепадом давления, связанным с использованием турбокомпаунда, давление в выпускном коллекторе будет возрастать и рециркуляция отработавших газов будет обеспечиваться с высокопроизводительным турбонагнетателем.

Объектом изобретения является также устройство для снижения содержания NO_x в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания вышеописанным способом, включающее в себя двигатель внутреннего сгорания, имеющий по меньшей мере один цилиндр, впускной трубопровод для подачи воздуха, выпускной трубопровод для отвода отработавших газов в систему нейтрализации отработавших газов, предназначенную для снижения уровня выбросов двигателем внутреннего сгорания вредных веществ, систему рециркуляции отработавших газов двигателя, подающую отработавшие газы из выпускного трубопровода во впускной трубопровод, а также по меньшей мере два преобразователя энергии, установленные последовательно в потоке отработавших газов за выпускным коллектором. Между двигателем внутреннего сгорания и приводным валом транспортного средства установлен соединенный с ними узел трансмиссии, который обеспечивает для заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя повышение температуры отработавших газов, и энергия отработавших газов может утилизироваться по меньшей мере двумя преобразователями энергии для установления температуры отработавших газов в температурном диапазоне, необходимом для нейтрализации NO_x в системе нейтрализации отработавших газов, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. В частности, низкие обороты двигателя используются для обеспечения высокой температуры ("перегрев") отработавших газов по сравнению с такой же мощностью двигателя на более высоких оборотах.

Передаточное отношение узла трансмиссии является переменным для обеспечения частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, которое находится в заданном узком диапазоне оборотов двигателя. Двигателем внутреннего сгорания предпочтительно управлять таким образом, чтобы обеспечивалась работа на низких оборотах от 850 до 1500 об/мин.

Предлагаемое в изобретении устройство предназначено для двигателя внутреннего сгорания, предпочтительно для дизельного двигателя, в особенности для дизельного двигателя транспортного средства большой грузоподъемности, который имеет по меньшей мере один цилиндр, впускной трубопровод для подачи воздуха, выпускной трубопровод для выпуска отработавших газов, дополнительную линию для рециркуляции отработавших газов из выпускного трубопровода коллектора во впускной трубопровод для снижения уровня выбросов двигателем вредных веществ (в форме соединений СО, NO_x и НС), управляемый клапан, установленный в этой дополнительной линии, и узел турбонагнетателя, содержащий первый преобразователь энергии отработавших газов и компрессор для сжатия воздуха, подаваемого во впускной трубопровод. Устройство содержит второй преобразователь энергии, поглощающий энергию отработавших газов, установленный по потоку за первым преобразователем энергии, для повышения давления на выпуске, превышающего давление на впуске.

Для рециркуляции отработавших газов предусмотрена отдельная линия между выпускным трубопроводом двигателя и точкой, находящейся рядом с впускным отверстием двигателя, через которое поступает атмосферный воздух. В этой линии устанавливается управляемый клапан, который соединяется с блоком управления. Блок управления в соответствии с текущим режимом работы двигателя, особенно с учетом частоты вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузки, определяет степень открытия клапана, т.е. количество отработавших газов, которое должно быть возвращено во впускной трубопровод двигателя. Затем определенное количество отработавших газов будет подано со стороны выпуска двигателя на сторону впуска, поскольку давление на стороне выпуска обычно превышает давление на стороне впуска, в результате чего создается естественное давление, обеспечивающее рециркуляцию отработавших газов.

В тех случаях, когда дизельный двигатель с системой рециркуляции отработавших газов используется вместе с узлом турбонагнетателя, будет возникать проблема, связанная для большей части рабочих режимов с более высоким давлением после компрессора турбонагнетателя (т.е. в точке впускного коллектора двигателя, в которой атмосферный воздух подается в двигатель) по сравнению с давлением в выпускном коллекторе двигателя. Это, в свою очередь, означает, что рециркуляция отработавших газов в системе РОГ будет невозможна, поскольку будет отсутствовать давление, обеспечивающее подачу газов от стороны выпуска двигателя на сторону впуска. В этом случае режим рециркуляции отработавших газов не может быть осуществлен.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения двигатель может быть снабжен системой РОГ и системой дополнительного извлечения энергии из отработавших газов и возвращения этой энергии на коленчатый вал двигателя и/или в генератор. Таким образом, будет обеспечиваться необходимое действующее давление на стороне выпуска двигателя без ухудшения к.п.д. двигателя, поскольку нарушенный газообмен будет компенсироваться извлечением дополнительной энергии из отработавших газов и возвращением ее в двигатель.

Узел трансмиссии предпочтительно содержит автоматизированную механическую трансмиссию, переключаемую под нагрузкой. Может также использоваться трансмиссия с двойным сцеплением, которая является одним из видов автоматизированной трансмиссии с переключением под нагрузкой.

Предпочтительно один из указанных по меньшей мере двух преобразователей энергии может быть соединен с компрессором турбонагнетателя. Предпочтительно другой из указанных по меньшей мере двух преобразователей энергии соединяется с коленчатым валом или с электрической машиной. В одном из предпочтительных вариантов один преобразователь энергии может быть турбиной турбонагнетателя, а другой преобразователь энергии может быть турбиной турбокомпаунда.

В одном из предпочтительных вариантов система нейтрализации отработавших газов может содержать устройство для снижения содержания твердых частиц, например сажи, в отработавших газах. Эта система может содержать устройство для удаления NO_x из отработавших газов. Указанные два устройства предпочтительно устанавливаются в потоке отработавших газов последовательно. Устройство для снижения содержания твердых частиц может быть установлено по потоку перед устройством для удаления NO_x или за этим устройством. В случае расположения устройства для снижения содержания твердых частиц спереди соединения NO_x в отработавших газах могут использоваться для окисления твердых частиц, например частиц сажи и несгоревших углеводородов в устройстве снижения содержания твердых частиц. Кроме того, также может быть предусмотрено устройство для окисления одного или нескольких компонентов отработавших газов, в частности окислительный каталитический нейтрализатор.

Предпочтительно устройство содержит переключаемую под нагрузкой автоматизированную механическую трансмиссию с использованием алгоритма переключения передач, обеспечивающего работу двигателя на минимально возможных оборотах. Кроме других вышеупомянутых достоинств изобретение отличается тем, что фильтр твердых частиц (сажевый фильтр) может каталитически непрерывно регенерироваться благодаря достаточно высоким температурам, и работа каталитического нейтрализатора или системы СКВ, в которых используется мочевина, может быть улучшена, поскольку мочевина требует минимальной температуры для обеспечения надлежащего функционирования.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения, его особенности и достоинства можно лучше всего понять из нижеприведенного описания некоторых вариантов осуществления изобретения, которые не ограничивают его объем, со ссылками на чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - первый вариант предлагаемого в изобретении устройства для двигателя внутреннего сгорания, содержащего систему нейтрализации отработавших газов;

на фиг.2 - зависимость нейтрализации (конверсии) NO_x от температуры отработавших газов;

на фиг.3 - сравнение расчетных и измеренных характеристик зависимости нейтрализации NO_x от температуры.

Одинаковые или сходные элементы указываются на чертежах одинаковыми ссылочными номерами. Чертежи являются всего лишь схематическими иллюстрациями, не предназначенными для точного отображения конкретных характеристик изобретения. Кроме того, чертежи предназначены для представления только типичных вариантов осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично иллюстрируется предлагаемое в настоящем изобретении устройство, которое больше всего подходит для использования с дизельными двигателями.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения дизельный двигатель 10 предназначен для использования на грузовом транспортном средстве и содержит шесть цилиндров 11 (ссылочным номером указан только один цилиндр). Однако изобретение не ограничивается каким-либо конкретным количеством цилиндров или их конкретным расположением.

Двигатель 10 имеет обычный впускной коллектор 12, в который через впускной канал 90 подается атмосферный воздух. Всасываемый воздух распределяется по цилиндрам 11. Далее, топливо в цилиндры 11 подается соответствующими устройствами впрыска топлива (не показаны), каждое из которых соединено с центральным блоком управления (не показан) с использованием электрических проводов (не показаны). Блок управления, предпочтительно выполненный на основе компьютера, работает известным образом для управления каждым устройством впрыска топлива, чтобы обеспечивать подачу соответствующей топливовоздушной смеси в двигатель 10.

В процессе работы двигателя 10 блок управления обеспечивает управление соответствующим устройством впрыска топлива таким образом, чтобы обеспечивать подачу топливовоздушной смеси в двигатель 10 в каждый момент времени в зависимости от текущего рабочего режима. Таким образом обеспечивается подача топлива в соответствии с известным способом в зависимости от различных параметров, определяющих рабочий режим двигателя 10 и транспортного средства, на котором установлен этот двигатель. Например, управление может осуществляться в зависимости от текущего положения педали газа, частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя 10.

Каждый цилиндр 11 имеет выпускной канал. Выпускные каналы цилиндров 11 объединяются в выпускном коллекторе 14, продолжением которого является выпускной трубопровод 42. Этот выпускной трубопровод 42 проходит через узел 50 турбонагнетателя, который по существу имеет известную конструкцию. Турбонагнетатель 50 содержит компрессор 52 и преобразователь 54 энергии для поглощения энергии отработавших газов, который имеет форму турбины, размещенной в выпускном трубопроводе 42 и приводимой во вращение отработавшими газами, проходящими по трубопроводу 42, причем турбина осуществляет привод компрессора 52. В качестве альтернативы варианту, показанному на фиг.1, в котором выпускные каналы объединяются в одном выпускном трубопроводе 42, они могут объединяться в две группы, в результате чего выпускная система содержит два трубопровода, подходящих к турбине 54.

Турбина 54 установлена на валу 56, на котором аналогичным образом установлен компрессор 52. Таким образом, поглощаемая турбиной 54 энергия потока отработавших газов передается компрессору 52, который обеспечивает сжатие воздуха, поступающего через воздухопровод 100 во впускной коллектор 12 двигателя 10. В этом случае в двигатель 10 может подаваться увеличенное количество топлива, в результате чего может быть увеличена выходная мощность двигателя.

Кроме того, двигатель 10 оснащен системой для рециркуляции некоторого количества отработавших газов на сторону впуска двигателя 10. Как это уже было указано в разделе "Уровень техники", система 80 рециркуляции отработавших газов (РОГ) представляет собой известное техническое решение. В соответствии с этим вариантом к выпускному трубопроводу 42, по потоку перед турбиной 54, подсоединена линия 82 системы РОГ. Линия 82 системы РОГ выходит во впускной трубопровод 90 по потоку перед впускным коллектором 12 двигателя 10. Вместе с линией 82 системы РОГ используется управляемый клапан (не показан), соединенный с блоком управления по дополнительной соединительной линии (не показана). В другом альтернативном варианте может использоваться протяженная система РОГ, в которой отработавшие газы возвращаются не из точки перед турбиной 54 в точку после компрессора 52, а из точки перед компрессором 52 в точку после турбины 54.

Блок управления обеспечивает в зависимости от текущего рабочего режима задание закрытого, открытого или частичного открытого положения клапана. В зависимости от положения клапана во впускной коллектор 12 по линии 82 системы РОГ будет возвращаться соответствующее количество отработавших газов. За счет рециркуляции этих отработавших газов системой РОГ во впускной коллектор 12 обеспечивается снижение температуры в процессе сгорания в соответствующем цилиндре 11, в результате чего количество оксидов NO_x, образующихся в цилиндре, уменьшается.

Это количество NO_x в соответствующем цилиндре 11 зависит от температуры, и по этой причине необходимо понижать, насколько это возможно, температуру газов (т.е. поступающего воздуха и газов, возвращаемых системой РОГ), поступающих в двигатель 10. Для этого линия 82 системы РОГ снабжена охлаждающим устройством 84, обеспечивающим охлаждение отработавших газов, возвращаемых во впускной коллектор 12. Охлаждающее устройство 84 содержит контур 86, по которому циркулирует соответствующий охлаждающий агент. Предпочтительно в качестве такого охлаждающего агента используется жидкость системы охлаждения двигателя, однако для этой цели может использоваться также и воздух. С помощью этого устройства 84 отработавшие газы, возвращаемые системой РОГ, могут быть охлаждены, что способствует снижению количества образующихся оксидов NO_x.

Впускной трубопровод 90 снабжен другим охлаждающим устройством (не показано), так называемым промежуточным охладителем (интеркулером), который используется для охлаждения сжатого воздуха, обеспечиваемого компрессором 52. Это также способствует снижению количества соединений NO_x, образующихся в двигателе 10. Во втором охлаждающем устройстве для охлаждения предпочтительно используется воздух.

Для поглощения энергии отработавших газов используется вторая турбина 60. Эта турбина является частью турбокомпаунда. Отработавшие газы, выходящие из двигателя 10 и проходящие через первую турбину 54, также проходят и через вторую турбину 60, которая приводится во вращение. Для этой цели вторая турбина 60 установлена на другом валу 72 с возможностью вращения. После передачи части энергии второй турбине 60 отработавшие газы выпускаются в атмосферу, предпочтительно через глушитель (не показан), после прохождения через систему 40 нейтрализации отработавших газов. В одном из вариантов вращение вала 72 передается генератору 70, который обеспечивает электроэнергией электрическую машину 20 через преобразователь 74 напряжения. Электрическая машина 20 может быть соединена с выходным валом 16 двигателя 10 внутреннего сгорания или отсоединена от него с помощью сцепления 18.

Кроме того, вторая турбина 60 может быть соединена с коленчатым валом (не показан) двигателя 10 с помощью силовой передачи (не показана). Предпочтительно использовать механическую силовую передачу, содержащую зубчатую пару (не показана), соединяющую вал 72 с коленчатым валом. Кроме того, силовая передача является понижающей для преобразования скорости вращения второй турбины 60 в скорость вращения, подходящую для передачи крутящего момента на коленчатый вал. Таким образом, между второй турбиной 60 и коленчатым валом передается мощность, т.е. некоторая часть энергии отработавших газов может быть возвращена и использована в качестве дополнительной мощности, передаваемой коленчатому валу.

Энергия, получаемая турбиной 60 от отработавших газов, может быть также разделена между коленчатым валом и электрической машиной 20.

Система 40 нейтрализации отработавших газов предпочтительно содержит устройство 44 для снижения количества твердых частиц в отработавших газах и/или устройство 46 для нейтрализации соединений NO_x, в частности нейтрализатор селективного каталитического восстановления (СКВ). Устройство 46 нейтрализации соединений NO_x может быть установлено перед устройством 44 по потоку отработавших газов или за ним. Устройство 44 может быть фильтром твердых частиц (сажевый фильтр), который задерживает частицы сажи, и/или окислительным каталитическим нейтрализатором для окисления несгоревшего углерода.

Предпочтительно, чтобы частота вращения коленчатого вала двигателя 10 внутреннего сгорания была меньше 1500 об/мин, в частности находилась в диапазоне от 850 до 1500 об/мин. В частности, двигатель 10 внутреннего сгорания работает практически на постоянных оборотах. Использование двигателя 10 внутреннего сгорания с гибкой силовой трансмиссией позволяет оптимизировать частоту вращения коленчатого вала двигателя в отношении температуры отработавших газов и/или коэффициента нейтрализации NO_x.

Чем ниже частота вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (обороты двигателя), тем выше температура отработавших газов в выпускном коллекторе 14. С низкими оборотами двигателя связана не только высокая температура отработавших газов, но и малое количество образующейся сажи и низкая скорость воздушного потока во впускном коллекторе 12. Сгорание при низком коэффициенте избытка воздуха приводит к пониженной объемной скорости через устройства 44 и 46, что может повышать эффективность каталитической системы.

Температура отработавших газов может быть установлена в диапазоне от 200°С до 400°С, предпочтительно в диапазоне от 250°С до 380°С, по потоку отработавших газов за турбокомпаундом и перед устройством 46 нейтрализации NO_x, в качестве которого может использоваться каталитический нейтрализатор СКВ. Такой каталитический нейтрализатор СКВ имеет коэффициент нейтрализации η>80% при температуре в диапазоне от 300°С до 400°С. Этот диапазон предпочтителен как для новых нейтрализаторов СКВ, так и для нейтрализаторов, уже отработавших часть своего срока службы.

На фиг.2 представлена общая характеристика коэффициента нейтрализации NO_x нескольких систем нейтрализации отработавших газов в зависимости от температуры. При низких и высоких температурах коэффициент нейтрализации низок, что показано окружностями "НИЗК.", проведенными прерывистыми линиями. Наилучший коэффициент нейтрализации может быть достигнут в диапазоне средних температур, примерно от 200°С до 400°С, показанном окружностью "ВЫСОК.", проведенной прерывистой линией.

При работе двигателя 10 на малых оборотах температура отработавших газов за двумя преобразователями 54, 60 энергии может достаточно уверенно поддерживаться на уровне выше 250°С, причем после двухступенчатого расширения в турбонагнетателе 50 и турбине 60 турбокомпаунда температура на выходе второго преобразователя 60 энергии будет находиться в температурном диапазоне, указанном окружностью "ВЫСОК." на фиг.2, ниже температуры отработавшего газа в выпускном коллекторе 14. Утилизация энергии турбокомпаундом заметно увеличивается при повышении температуры отработавших газов. На пониженных оборотах двигатель 10 внутреннего сгорания выбрасывает в составе отработавших газов меньше сажи, что означает возможность работы двигателя с меньшим коэффициентом λ избытка воздуха, в результате чего при использовании турбокомпаунда повышается температура отработавших газов и к.п.д. двигателя. Значение коэффициента λ может быть в диапазоне от 1,2 до 1,4 в отличие от обычно используемого значения, достигающего 1,7.

За счет повышения коэффициента η, характеризующего эффективность каталитического нейтрализатора СКВ, работа двигателя 10 внутреннего сгорания может быть оптимизирована для повышенного содержания NO_x в отработавших газах, выходящих из двигателя, в результате чего обеспечивается повышение эффективности и лучшая регенерация фильтра (DPF) твердых частиц, или дизельного сажевого фильтра. Твердые частицы в сажевом фильтре могут окисляться соединениями NO_x, присутствующими в отработавших газах. В этом случае устройство 44 предпочтительно размещать перед устройством 46 по потоку отработавших газов.

Для пассивной регенерации фильтра твердых частиц предпочтительны температуры, превышающие 300°С. Для эффективной работы каталитического нейтрализатора СКВ предпочтительны температуры, меньшие 380°С. Поддержание как можно более низких оборотов двигателя 10 внутреннего сгорания улучшает объемную скорость отработавших газов (она, в частности, уменьшается) и может снижать количество соединений NO_x, которым удается пройти через каталитический нейтрализатор 46.

На фиг.3 показаны измеренные значения (экспериментальные точки А) и расчетная (прогнозная) кривая (кривая С) эффективности снижения уровня NO_x каталитическим нейтрализатором СКВ, используемом в качестве устройства 46 в системе 40 нейтрализации отработавших газов (СНОГ, англ. EATS), в зависимости от температуры.

Измеренные значения могут быть нормализованы (точки В - нормализованные значения). Можно видеть хорошее совпадение расчетной кривой С с нормализованными значениями В.

Малые обороты двигателя 10 внутреннего сгорания в сочетании с используемой в качестве узла 30 трансмиссии переключаемой под нагрузкой автоматизированной механической трансмиссией обеспечивают повышение температуры отработавших газов в выпускном коллекторе 14, а турбонагнетатель 50 в сочетании с турбокомпаундом обеспечивают понижение температуры отработавших газов. В требуемом диапазоне температур может быть достигнута эффективность снижения содержания NO_x до 80%. Для новой системы эффективность будет высокой даже при умеренно более высоких температурах. Если система уже эксплуатировалась в течение определенного времени, коэффициент нейтрализации при высоких температурах может снизиться.

Изобретение может быть использовано в устройствах для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Способ снижения содержания оксидов азота (NO_x) в отработавших газах предназначен для установленного на транспортном средстве двигателя (10) внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере один цилиндр (11), впускной трубопровод (12) для подачи воздуха, выпускной трубопровод (14) для отвода отработавших газов в систему (40) нейтрализации отработавших газов, используемую для снижения уровня выбросов двигателем (10) внутреннего сгорания вредных веществ. В двигателе предусмотрена система (80) рециркуляции отработавших газов, подающая отработавшие газы из выпускного трубопровода (14) во впускной трубопровод (12) двигателя (10) внутреннего сгорания. За выпускным трубопроводом (14) в потоке отработавших газов последовательно установлены турбина (54) турбонагнетателя (50) и турбина (60) турбокомпаунда, используемые в качестве по меньшей мере двух преобразователей (54, 60) энергии для поглощения энергии отработавших газов. Управление работой двигателя (10) внутреннего сгорания в режиме высокой и/или средней нагрузки осуществляется таким образом, чтобы при определенной выходной мощности он работал с повышенной нагрузкой и пониженной частотой вращения коленчатого вала по сравнению с частотой вращения, обычно выбираемой для указанной определенной выходной мощности. Повышение температуры отработавших газов, достигаемое за счет работы двигателя (10) внутреннего сгорания с пониженной частотой вращения коленчатого вала, осуществляется до первой температуры, достаточной для привода по меньшей мере двух турбин (54, 60) и установления за этими турбинами определенной температуры отработавших газов. Охлаждение имеющих повышенную температуру отработавших газов на двух турбинах (54, 60) осуществляется до температуры, находящейся в желаемом температурном диапазоне, благоприятствующем нейтрализации NO_x в системе (40) нейтрализации отработавших газов. Изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания осуществляется в зависимости от содержания NO_x в отработавших газах после прохождения ими системы (40) нейтрализации отработавших газов и/или в зависимости от расчетной возможности системы (40) нейтрализации отработавших газов по нейтрализации NO_x. Раскрыто устройство для снижения содержания оксидов азота. Технический результат заключается в снижении уровня выброса вредных веществ и в экономии топлива. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ снижения содержания оксидов азота (NO_x) в отработавших газах установленного на транспортном средстве двигателя (10) внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере один цилиндр (11), впускной трубопровод (12) для подачи воздуха, выпускной трубопровод (14) для отвода отработавших газов в систему (40) нейтрализации отработавших газов, предназначенную для снижения уровня выбросов двигателем (10) внутреннего сгорания вредных веществ, причем предусмотрена система (80) рециркуляции отработавших газов, подающая отработавшие газы из выпускного трубопровода (14) во впускной трубопровод (12) двигателя (10) внутреннего сгорания, а за выпускным трубопроводом (14) в потоке отработавших газов последовательно установлены турбина (54) турбонагнетателя (50) и турбина (60) турбокомпаунда, используемые в качестве по меньшей мере двух преобразователей (54, 60) энергии для поглощения энергии отработавших газов, отличающийся:
- управлением работой двигателя (10) внутреннего сгорания в режиме высокой и/или средней нагрузки таким образом, чтобы при определенной выходной мощности он работал с повышенной нагрузкой и пониженной частотой вращения коленчатого вала по сравнению с частотой вращения, обычно выбираемой для указанной определенной выходной мощности;
- повышением температуры отработавших газов, достигаемым за счет работы двигателя (10) внутреннего сгорания с пониженной частотой вращения коленчатого вала, до первой температуры, достаточной для привода указанных по меньшей мере двух турбин (54, 60) и установления за этими турбинами определенной температуры отработавших газов;
- охлаждением имеющих повышенную температуру отработавших газов на двух турбинах (54, 60) до температуры, находящейся в желаемом температурном диапазоне, благоприятствующем нейтрализации NO_x в системе (40) нейтрализации отработавших газов; и
- изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания в зависимости от содержания NO_x в отработавших газах после прохождения ими системы (40) нейтрализации отработавших газов и/или в зависимости от расчетной возможности системы (40) нейтрализации отработавших газов по нейтрализации NO_x.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания и/или от требуемой температуры перед указанными по меньшей мере двумя преобразователями (54, 60) энергии по потоку отработавших газов включают определенную передачу узла (30) трансмиссии.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что частоту вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания поддерживают в диапазоне от 800 до 1500 об/мин, предпочтительно от 850 до 1300 об/мин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что разброс значений частоты вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания удерживают ниже 200 об/мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру отработавших газов за двумя преобразователями (54, 60) энергии устанавливают в температурном диапазоне, находящемся в интервале температур, оптимальном для снижения содержания NO_x в каталитическом нейтрализаторе (46) системы (40) нейтрализации отработавших газов, обеспечивающем восстановление NO_x.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что значение температуры отработавших газов устанавливают в интервале от 330°С до 450°С включительно, предпочтительно от 350°С и 400°С включительно.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент (λ) избытка воздуха в топливовоздушной смеси, подаваемой в двигатель (10) внутреннего сгорания, устанавливают не превышающим 1,4.

8. Устройство для снижения содержания оксидов азота (NO_x) в отработавших газах двигателя (10) внутреннего сгорания способом по любому из предыдущих пунктов, включающее в себя двигатель (10) внутреннего сгорания, имеющий по меньшей мере один цилиндр (11), впускной трубопровод (12) для подачи воздуха, выпускной трубопровод (14) для отвода отработавших газов в систему (40) нейтрализации отработавших газов, предназначенную для снижения уровня выбросов двигателем (10) внутреннего сгорания вредных веществ, систему (80) рециркуляции отработавших газов, подающую отработавшие газы из выпускного трубопровода (14) во впускной трубопровод (12), а также турбину (54) турбонагнетателя (60) и турбину (60) турбокомпаунда, установленные последовательно в потоке отработавших газов за выпускным коллектором (14) в качестве по меньшей мере двух преобразователей (54, 60) энергии для поглощения энергии отработавших газов, отличающееся:
- наличием узла (30) трансмиссии, установленного между двигателем (10) внутреннего сгорания и приводным валом (16) транспортного средства, соединенного с ними и обеспечивающего установление заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя (10) для повышения температуры отработавших газов, причем узел (30) трансмиссии представляет собой переключаемую под нагрузкой автоматизированную трансмиссию, обеспечивающую возможность работы двигателя (10) внутреннего сгорания с низкой частотой вращения коленчатого вала и используемую для изменения этой частоты вращения в зависимости от содержания NO_x в отработавших газах после прохождения ими системы (40) нейтрализации отработавших газов и/или в зависимости от расчетной возможности системы (40) нейтрализации отработавших газов по нейтрализации NO_x; и
- применением по меньшей мере двух турбин (54, 60) для охлаждения имеющих повышенную температуру отработавших газов при работе двигателя (10) внутреннего сгорания в режиме высокой и/или средней нагрузки с установлением температуры отработавших газов в температурном диапазоне, желательном для нейтрализации NO_x в системе (40) нейтрализации отработавших газов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (10).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что частота вращения коленчатого вала двигателя (10) внутреннего сгорания устанавливается в диапазоне от 850 до 1500 об/мин.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что один из указанных по меньшей мере двух преобразователей (54, 60) энергии соединен с коленчатым валом или с электрической машиной (70).

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что узел (30) трансмиссии представляет собой узел трансмиссии с плавным изменением передаточного отношения.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что система (40) нейтрализации отработавших газов содержит устройство (44) для снижения содержания твердых частиц в отработавших газах.

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что система (40) нейтрализации отработавших газов содержит устройство (46) для снижения содержания NO_x в отработавших газах.

14. Устройство по п.8, отличающееся тем, что двигатель (10) внутреннего сгорания представляет собой дизельный двигатель.