СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ РАСПОЛОЖЕННОГО В ВЫПУСКНОМ ТРАКТЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ФИЛЬТРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2013 года по МПК F01N3/23 F01N3/35 

Изобретение относится к способу регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к устройству для регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц согласно ограничительной части п.9 формулы изобретения.

В частности, изобретение относится к способу и устройству для регенерации фильтров твердых частиц в работающих с избытком воздуха двигателях внутреннего сгорания, таких как дизельные двигатели или бензиновые двигатели с прямым впрыском, которые используются, например, в транспортных средствах (автомобилях) для перевозки пассажиров и грузов.

Для минимизации содержащих углерод мелких твердых частиц в автомобилях используются обычно так называемые отделители твердых частиц или фильтры твердых частиц. Типичная система отделителя твердых частиц в автомобилях известна, например, из ЕР 1072765 А2. Такие отделители твердых частиц отличаются от фильтров твердых частиц тем, что поток отработавших газов направляется вдоль отделительных структур, в то время как в фильтрах твердых частиц поток отработавших газов должен проходить через фильтрующую среду. Вследствие этого различия фильтры твердых частиц имеют склонность к закупориванию, что приводит к повышению противодавления в системе выпуска отработавших газов, т.е. нежелательному увеличению давления на выходе выпускной системы отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь снижает мощность двигателя и увеличивает расход топлива двигателя внутреннего сгорания. Пример такой системы фильтра твердых частиц известен из ЕР 0341832 А2.

В обеих указанных выше системах происходит в расположенном по потоку выше отделителя твердых частиц или, соответственно, фильтра твердых частиц окислительном катализаторе окисление моноксида азота (NO) в отработавших газах с помощью также присутствующего остатка кислорода (О₂) в диоксид азота (NO₂), а именно в соответствии со следующим уравнением:

2NO + O₂ <-> 2NO₂.

При этом следует учитывать, что равновесие указанной выше реакции при высоких температурах лежит на стороне NO. Это в свою очередь приводит к тому, что достигаемая доля NO₂ при высоких температурах ограничена на основании этого термодинамического ограничения.

NO₂ преобразуется в свою очередь в фильтре твердых частиц с помощью содержащих углерод мелких частиц в CO, CO₂, N₂ и NO. Таким образом, с помощью сильного окислительного средства NO₂ происходит непрерывное удаление осажденных мельчайших твердых частиц, так что циклы регенерации, которые с большими затратами необходимо выполнять в других системах, становятся ненужными. Это называется пассивной регенерацией, происходящей в соответствии с нижеследующими уравнениями:

2NO₂ + С -> 2NO + CO₂.

NO₂ + С -> NO + CO.

2С + 2NO₂ -> N₂ + 2CO₂.

Наряду с NO₂ на содержащих платину катализаторах окисления NO образуется также SO₃ из содержащейся в топливе и/или моторном масле серы. SO₃ и NO₂ конденсируются на холодных местах выпускного тракта в сильно коррозийную серную или, соответственно, соляную кислоту, так что выпускную систему вплоть до фильтров твердых частиц необходимо выполнять из нержавеющей стали для предотвращения коррозии.

Если не удается полное окисление содержащегося в твердых частицах углерода с помощью NO₂, то повышается доля углерода и тем самым увеличивается противодавление отработавших газов. Для предотвращения этого в настоящее время фильтры твердых частиц все чаще снабжают каталитическим покрытием для окисления NO (ЕР 0341832 А2). При этом речь идет конкретно о содержащих платину катализаторах. Однако недостатком этого способа является то, что образующийся в фильтре твердых частиц NO₂ может служить лишь для окисления частиц, которые осаждаются по потоку ниже каталитически активного слоя для окисления NO, т.е. тем самым внутри фильтрующей среды. Если же в противоположность этому на поверхности фильтра и тем самым на каталитически активном слое образуется слой из осажденных частиц, так называемая лепешка, то катализатор окисления NO на стороне фильтра твердых частиц лежит по потоку выше лепешки, так что осажденные там частицы сажи не могут окисляться с помощью NO₂ из расположенного в фильтре твердых частиц катализатора окисления NO. К этому добавляется еще то, что, строго говоря, лишь расположенный на стороне исходного газа слой катализатора вносит свой вклад в работу системы, поскольку каталитически образованный на стороне чистого газа NO₂ больше не может приходить в контакт с осажденной на стороне исходного газа и внутри фильтрующего материала сажей.

Другой недостаток покрытия фильтра твердых частиц состоит в том, что геометрическая поверхность фильтра явно меньше поверхности обычно используемых подложек катализатора. Причина этому состоит в том, что для фильтра необходимы относительно большие свободные поперечные сечения и тем самым свободные объемы для осаждения сажи и золы моторного масла. Если применяются керамические подложки, то это реализуется за счет небольшой плотности ячеек от 50 до 200 ячеек на квадратный дюйм. В противоположность этому чисто катализаторы обычно выполняются с плотностью ячеек от 400 до 900 ячеек на квадратный дюйм. За счет повышения с 50 до 900 ячеек на квадратный дюйм получается увеличение геометрической поверхности с 1 м²/л до 4 м²/л, за счет чего возможно значительное увеличение производительности катализаторов.

По этим причинам, несмотря на каталитическое покрытие фильтра, нельзя отказаться от катализатора окисления NO перед фильтром твердых частиц, так что получается относительно большой конструктивный объем. Это имеет место даже в том случае, когда катализаторы окисления NO и фильтры твердых частиц образуют один конструктивный блок, в котором входная зона фильтра твердых частиц выполнена в виде катализатора окисления NO, как это указано, например, в DE 10327030 А1.

Хотя с помощью этих мер еще возможно окисление сажи до температур 250°С, однако имеются случаи применения, в которых не достигаются даже эти температуры отработавших газов и тем самым не может обеспечиваться надежная работа фильтра твердых частиц. Это происходит обычно в слабо нагружаемых и в установленных внутри транспортного средства двигателях, например, в легковых автомобилях, линейных автобусах и автомобилях для вывоза мусора, которые имеют еще дополнительные высокие доли холостого хода. Поэтому специально в таких случаях применяют вторую возможность регенерации фильтра твердых частиц за счет активного повышения температуры отработавших газов. Это осуществляется обычно посредством добавления углеводородов (НС) по потоку выше катализаторов, в частности катализаторов окисления НС. За счет этой экзотермической реакции или, соответственно, окисления углеводородов на катализаторах достигается значительное повышение температуры.

Если при этом обеспечивается подъем температуры до свыше 600°С, то происходит окисление или, соответственно, сгорание осажденного в фильтре твердых частиц углерода с помощью кислорода в соответствии с приведенным ниже уравнением:

С + О₂ -> СО₂.

Однако при этой так называемой активной регенерации фильтра имеется опасность того, что за счет экзотермического сгорания содержащей углерод сажи происходит слишком сильное увеличение температуры вплоть до 1000°С и тем самым в большинстве случаев повреждение фильтра твердых частиц и/или включенных за ним катализаторов. Поскольку дополнительно к этому необходимо удерживать повышение температуры в течение нескольких минут для обеспечения количественного окисления частиц сажи, то потребность в углеводородах не является пренебрежимо малой, и уменьшается коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания, поскольку в качестве источника углеводородов применяют топливо.

Простая комбинация этих обоих видов регенерации посредством подачи углеводородов перед катализаторами окисления NO не приводит к цели по следующим причинам: за счет повышения температуры до свыше 600°С, на катализаторах окисления NO больше почти не образуется NO₂ на основании термодинамического ограничения. Дополнительно к этому окислению NO препятствует слишком сильное уменьшение образования NO₂. Это приводит к тому, что частицы должны окисляться лишь с помощью кислорода, поскольку в этой фазе нет NO₂, что удлиняет время регенерации.

Одновременно катализаторы окисления NO являются относительно термического повреждения намного менее стабильными, чем катализаторы для окисления углеводородов, поскольку при температурах свыше 550°С происходит необратимое спекание активных компонентов и тем самым снижение активности окисления NO.

Поэтому задачей данного изобретения является создание способа и устройства для регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц, с помощью которых достигается конструктивно простым и компактным образом надежная в работе регенерация фильтра твердых частиц.

Эта задача решается в отношении способа с помощью признаков п.1 формулы изобретения. В отношении устройства эта задача решается с помощью признаков п.9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.

Согласно изобретению предусмотрено по меньшей мере одно расположенное по потоку перед фильтром твердых частиц и пропускающее дополнительный поток газа нагревательное устройство, которое образовано, в частности, по меньшей мере одним нагревательным катализатором, с помощью которого нагревается дополнительный поток газа, при этом этот нагретый дополнительный поток газа затем смешивается по потоку перед фильтром твердых частиц с приходящим из катализатора окисления NO, насыщенным, в частности, NO₂ потоком отработавших газов.

Это означает, что согласно изобретению по потоку перед фильтром твердых частиц расположены по меньшей мере один катализатор окисления NO и по меньшей мере одно нагревательное устройство, в частности нагревательный катализатор, параллельно друг другу относительно потока, и через них проходит поток отработавших газов (катализатор окисления NO) или, соответственно, дополнительный поток газа (нагревательное устройство). Таким образом, за счет нагретого дополнительного потока газа можно повышать температуру у фильтра твердых частиц, при этом одновременно в распоряжении имеется еще большое количество NO₂ из катализатора окисления NO, поскольку в зоне катализатора окисления NO не происходит отрицательно воздействующего на образование NO₂ повышения температуры или, соответственно, нет повышенной концентрации углеводородов, которые приводят к понижению активности окисления NO. Таким образом, это повышение температуры потока отработавших газов перед фильтром твердых частиц происходит в отдельной части выпускного тракта на расстоянии от катализатора окисления NO, при этом этот нагретый поток газа затем смешивается по потоку за катализатором окисления NO с приходящим из него, нагруженным NO₂ потоком отработавших газов для повышения температуры отработавших газов этого потока перед фильтром твердых частиц. Таким образом, согласно изобретению создается надежная в работе, использующая соответствующие преимущества и исключающая отрицательные взаимодействия комбинация активной и пассивной регенерации фильтра твердых частиц.

На основании обеспечиваемой за счет этого высокой температуры при одновременной поддержке окисления сажи за счет сильного окислительного средства NO₂ удается сократить длительность регенерации и понизить температуру регенерации до примерно 400°С. За счет этого уменьшается как необходимое для повышения температуры количество углеводородов, так и опасность неконтролируемого повышения температуры и связанного с этим термического повреждения фильтра твердых частиц или включенных за ним катализаторов.

Дополнительный поток газа, с помощью которого реализуется повышение температуры, ответвляется, например, от потока свежего воздуха на стороне наддува воздуха или от потока наддувочного воздуха по потоку ниже вхождения трубопровода возврата отработавших газов внешней системы возврата отработавших газов. Тем самым, простым образом обеспечивается возможность обеспечения достаточного количества кислорода в выполненном предпочтительно в виде катализатора окисления нагревательном устройстве. Однако особенно предпочтительным является вариант выполнения, в котором дополнительный поток газа образован ответвленным из тракта отработавших газов двигателя внутреннего сгорания потоком отработавших газов, который затем образует второй поток отработавших газов; ниже рассматривается этот предпочтительный вариант выполнения, при этом всегда тогда, когда это является технически целесообразным, второй поток отработавших газов может быть аналогичным образом заменен, например, потоком свежего воздуха со стороны наддува воздуха или, соответственно, смешиваться с ним.

В принципе можно подлежащий нагреванию второй поток отработавших газов ответвлять с любого подходящего места системы отработавших газов и затем в нагретом состоянии подмешивать в первый поток отработавших газов. Однако особенно предпочтительной является конструкция, в которой ведущий к катализатору окисления NO и к нагревательному устройству трубопровод отработавших газов разделен на проводящий первый поток отработавших газов первый отводной трубопровод, в котором расположен катализатор окисления NO, и на проводящий второй поток отработавших газов второй отводной трубопровод, в котором расположено включенное параллельно катализатору окисления NO нагревательное устройство. Эти оба отводных трубопровода затем снова объединяются в ведущий к фильтру твердых частиц трубопровод отработавших газов. Особенно предпочтительным в соединении с таким конкретным вариантом выполнения является выполнение второго отводного трубопровода в виде байпасного трубопровода, который ответвляется от одновременно образующего первый отводной трубопровод и ведущего к катализатору окисления NO трубопровода отработавших газов. С помощью такого байпасного трубопровода учитывается то обстоятельство, что количество отработавших газов или, соответственно, поток отработавших газов, который направляется через образованное, в частности, нагревательным катализатором нагревательное устройство, как правило, меньше направляемого через катализатор окисления NO потока отработавших газов.

Нагревательное устройство, согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения, образовано нагревательным катализатором, в частности, катализатором окисления, с помощью которого посредством экзотермической реакции или, соответственно, окисления достигается увеличение температуры потока отработавших газов. Окислительный катализатор предпочтительно является катализатором окисления НС, с помощью которого окисляются углеводороды с высвобождением тепловой энергии. При этом углеводороды предпочтительно образованы топливом. Однако в принципе углеводороды могут создаваться за счет того, что за счет позднего впрыска топлива в камеру сгорания создается большой выброс углеводородов в отработавших газах. Однако особенно предпочтительным является добавление углеводородов с помощью предусмотренного в тракте отработавших газов отдельного дозировочного устройства, например, впрыскивающего сопла. В этом случае добавочное дозирование осуществляется по потоку перед нагревательным катализатором за счет того, что во второй поток отработавших газов в заданные промежутки времени добавляется заданное количество углеводородов. Особенно предпочтительным является выполняемое в соответствии с заданными параметрами управления и/или регулирования, например, периодически повторяемое дозирование с помощью электронного управляющего устройства.

Таким образом, для зажигания дозированно добавляемых углеводородов подлежащий нагреванию поток отработавших газов можно направлять через выполненное предпочтительно в виде катализатора окисления НС нагревательное устройство, за счет чего поток отработавших газов нагревается. Однако достигаемая за счет этого мощность нагревания ограничена имеющимся количеством кислорода. Для достижения значения коэффициента лямбда, равного 1, больше невозможно окисление углеводородов. Для предотвращения этого предлагается подавать в подлежащий нагреванию поток отработавших газов свежий воздух после достижения определенной заданной температуры и/или заданного времени и/или после уменьшения коэффициента лямбда или количества кислорода ниже заданного значения. Эта не обязательная подача свежего воздуха вызывает повышение коэффициента лямбда и тем самым также нагревательной мощности. При этом свежий воздух можно в принципе отводить со стороны наддува воздуха, в частности, например, также по потоку перед и/или после вхождения возвратного трубопровода отработавших газов в трубопровод наддувочного воздуха.

Обычно направляемый через катализатор окисления NO поток отработавших газов больше потока через нагревательный катализатор. Это разделение можно обеспечивать с помощью простых аэрогидродинамических средств, таких как, например, различный гидравлический диаметр. Однако разделение можно выполнять также активно с помощью, по меньшей мере, одного изменяемого дроссельного и/или запирающего устройства, которое может быть соединено с устройством управления и/или регулирования, с помощью которого можно управлять или регулировать количество отработавших газов и/или массу отработавших газов первого и второго потока отработавших газов в соответствии с заданными параметрами количества и/или массы. Дроссельное и/или запирающее устройство может быть образовано, например, дроссельной и/или запирающей заслонкой или же также дроссельным и/или запирающим клапаном. Например, это дроссельное и/или запирающее устройство может быть расположено в зоне разветвления первого и второго потока отработавших газов и тем самым по потоку перед катализатором окисления NO или, соответственно, нагревательным устройством или, соответственно, нагревательным катализатором. В частности, в соединении со своего рода байпасным трубопроводом, в котором расположен нагревательный катализатор или, соответственно, нагревательное устройство, т.е. при параллельном включении этих конструктивных элементов катализатору окисления NO, является целесообразным расположение механических средств или соответственно дроссельного и/или запирающего устройства в зоне трубопровода, проводящего второй поток отработавших газов.

Это является предпочтительным, в частности, тогда, когда второй поток отработавших газов, согласно еще одному альтернативному варианту выполнения, ответвляется по потоку перед турбонагнетателем отработавших газов. Это объясняется тем, что недостатком слабо нагружаемых двигателей внутреннего сгорания с работающим на отработавших газах турбонагнетателем состоит в том, что температура отработавших газов за счет выполняемой турбонагнетателем работы сжатия лежит еще ниже, чем в двигателях внутреннего сгорания без турбонагнетания отработавших газов. Это может приводить к тому, что не достигается температура запуска выполненного, например, в виде нагревательного катализатора катализатора окисления НС, и тем самым невозможен впрыск углеводородов. Этот недостаток еще усиливается при использовании двухступенчатого наддува и/или при высоких коэффициентах возврата отработавших газов. В этом случае можно отбирать направляемый через выполненный, например, в виде катализатора окисления НС нагревательный катализатор по потоку перед работающей на отработавших газах турбиной и по потоку после катализатора окисления НС снова подавать, согласно изобретению, в поток отработавших газов. За счет этого выполненный, например, в качестве нагревательного катализатора катализатор окисления НС имеет явно более высокий уровень температуры, что обеспечивает возможность окисления впрыскиваемых углеводородов также в указанных проблемных случаях. Поскольку коэффициент полезного действия группы наддува за счет пропускания части потока, например, через катализатор окисления НС ухудшается, то в такой системе необходимо предусматривать управляемый дроссельный и/или запирающий элемент в отбираемом по потоку за турбиной потоке отработавших газов. За счет этого можно дросселировать или совсем отключать частичный поток в режиме невыполнения регенерации. Если необходим перепускной клапан отработавших газов для защиты турбонагнетателя и/или двигателя внутреннего сгорания, то можно использовать частичный поток и дроссельное или запирающее устройство одновременно также в качестве перепускного клапана отработавших газов.

Нагревательное устройство, в частности, нагревательный катализатор может быть в принципе расположен вне тракта отработавших газов, то есть так, что его не обтекает поток отработавших газов. Однако это приводит к относительно быстрому охлаждению этого нагревательного устройства, в частности, нагревательного катализатора. Поэтому более целесообразно располагать нагревательное устройство, в частности, нагревательный катализатор в тракте отработавших газов так, что его обтекает поток отработавших газов, за счет чего уменьшаются потери тепла в нагревательном катализаторе. Особенно экономящее место расположение состоит в заключении или, соответственно, окружении нагревательного устройства, в частности, нагревательного катализатора, по меньшей мере частично или, соответственно, зонально (местами), катализатором окисления NO. Целесообразным вариантом является также расположение в одном общем корпусе.

Для дальнейшего улучшения системы возможно также снабжение выполненного предпочтительно в виде катализатора окисления НС нагревательного катализатора дополнительно функцией окисления NO, за счет чего повышается доля NO₂ в режиме отсутствия регенерации и улучшается окисление частиц с помощью пассивной регенерации. За счет этого удается увеличивать интервалы между активными повышениями температуры. Однако следует учитывать, что нагревательный катализатор должен быть выполнен термически более стабильным, чем катализатор окисления NO. Это приводит обычно к меньшей активности окисления NO по сравнению с катализаторами чисто для окисления NO, как указывалось выше.

Для предотвращения, в частности, при использовании катализаторов окисления НС в качестве нагревательных катализаторов высоких концентраций углеводородов по потоку за фильтром твердых частиц, его можно снабжать катализатором для окисления углеводородов. Возможен также расположенный по потоку перед и/или после фильтра твердых частиц катализатор с функцией окисления углеводородов.

В качестве активных компонентов можно использовать для катализаторов окисления NO, а также НС металлы платиновой группы, однако различного состава: для улучшения термической стабильности катализаторов окисления НС доля палладия в них лежит выше, чем в катализаторах окисления NO. Для катализаторов окисления НС можно в принципе использовать в качестве активного элемента также церий.

Активность катализаторов обоих типов можно дополнительно повышать, например, за счет использования цеолитов.

Кроме того, в тракте или, соответственно, системе отработавших газов могут быть предусмотрены катализаторы для восстановления NO_x, такие как, например, по меньшей мере один катализатор накопления NO_x и/или по меньшей мере один катализатор SCR. Катализаторы накопления NO_x могут быть расположены по потоку после катализаторов окисления и/или по потоку после фильтра твердых частиц. Для катализаторов накопления NO_x используются в качестве активных компонентов платина, и/или барий, и/или кальций. В противоположность этому, для катализаторов SCR целесообразно использовать стабилизированный оксидом вольфрама пентоксид ванадия, предпочтительно на основе диоксида титана, или цеолиты железа, или цеолиты меди, или цеолиты кобальта.

Ниже приводится подробное пояснение изобретения лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - схема устройства, согласно изобретению, для регенерации расположенного в тракте отработавших газов двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц согласно первому варианту выполнения;

фиг.2 - схема устройства, согласно изобретению, для регенерации расположенного в тракте отработавших газов двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц согласно второму варианту выполнения;

фиг.3 - схема устройства, согласно изобретению, для регенерации расположенного в тракте отработавших газов фильтра твердых частиц согласно третьему варианту выполнения.

На фиг.1 показано схематично и лишь в качестве примера регенерационное устройство 1 для расположенного в тракте или, соответственно, системе 2 отработавших газов не изображенного двигателя внутреннего сгорания фильтра 3 твердых частиц.

Тракт 2 отработавших газов имеет в данном случае трубопровод 5 отработавших газов. По потоку перед катализатором 6 окисления NO от трубопровода 5 отработавших газов ответвляется байпасный трубопровод 7, в котором расположен катализатор 8 окисления НС; в идущем после места ответвления дальше трубопроводе 5' отработавших газов расположен катализатор 6 окисления NO. По потоку после катализатора 8 окисления НС и по потоку после катализатора 6 окисления NO байпасный трубопровод 7 и трубопровод 5' отработавших газов снова соединяются в трубопровод 5'' отработавших газов, в котором расположен фильтр 3 твердых частиц.

Кроме того, регенерационное устройство 1 содержит в данном случае устройство 9 для дозированного добавления топлива, которое, как показано лишь очень схематично, связано с управляющим и регулировочным устройством 10. Дозировочное устройство 9 имеет входящую в байпасный трубопровод 7 впрыскивающее сопло 11, через которое топливо 12 управляемым или, соответственно, регулируемым образом с помощью управляющего и регулировочного устройства 10 в заданные промежутки времени в заданных количествах, предпочтительно периодически, впрыскивается в байпасный трубопровод 7 по потоку перед катализатором 8 окисления НС.

Как показано на фиг.1, по потоку перед катализатором 8 окисления НС в зоне байпасного трубопровода 7 дополнительно расположена дроссельная заслонка 13, которая также может быть соединена с неизображенным управляющим и/или регулировочным устройством. В зависимости от положения дроссельной заслонки 13 можно управляемым или, соответственно, регулируемым образом задавать ответвляемое из приходящего от двигателя внутреннего сгорания потока 4 отработавших газов в байпасный трубопровод 7 количество и массу второго потока 14 отработавших газов. На фиг.1 штриховыми линиями показано максимально открытое положение дроссельной заслонки 13 и точечными линиями закрытое положение дроссельной заслонки 13. Стрелка 21 обозначает возможность изменения положения дроссельной заслонки. Остающийся после ответвления второго потока 14 отработавших газов первый поток 15 отработавших газов проходит затем через катализатор окисления NO, при этом моноксиды азота NO первого потока отработавших газов окисляются в катализаторе 6 окисления NO при относительно низких температурах большей частью в NO₂, так что катализатор 6 окисления NO покидает загруженный большим количеством NO₂ первый поток отработавших газов. В первом потоке 15 отработавших газов может быть также предусмотрено дроссельное и/или запирающее устройство для обеспечения возможности изменения количества отработавших газов в обоих частичных потоках. Однако с целью наглядности оно не изображено на фиг.1.

Второй поток 14 отработавших газов принимает вдоль пути прохождения потока по потоку перед катализатором 8 окисления НС впрыснутое топливо или, соответственно, впрыснутые углеводороды и проходит обогащенный топливом через катализатор 8 окисления НС, в котором затем происходит экзотермическая реакция или, соответственно, окисление, в результате которой второй поток 14 отработавших газов нагревается на заданную температуру.

Этот нагретый второй поток 14 отработавших газов затем по потоку перед катализатором 6 окисления NO снова смешивается с насыщенным NO₂ первым потоком 15 отработавших газов, так что затем, после смешивания обоих потоков 14, 15 отработавших газов, горячий, имеющий большую долю NO₂ поток 16 отработавших газов проходит к фильтру 3 твердых частиц, где осажденные в фильтре 3 твердых частиц содержащие углерод частицы сажи преобразуются в СО, СО₂, N₂ и NO, за счет чего происходит регенерация фильтра 3 твердых частиц. Как показано лишь штриховыми линиями на фиг.1, можно подавать во второй поток 14 отработавших газов заданное количество потока 26 свежего воздуха со стороны наддува воздуха, с помощью которого можно во время режима регенерации в заданные промежутки времени, в частности, при уменьшении заданного значения коэффициента лямбда или кислорода, еще раз дополнительно увеличивать нагревательную мощность.

На фиг.2 схематично показан другой вариант выполнения регенерационного устройства 1 согласно изобретению, в котором одинаковые с вариантом выполнения, согласно фиг.1, конструктивные элементы обозначены одинаковыми позициями, и их описание повторно не приводится. В отличие от показанного на фиг.1 варианта выполнения в данном случае второй поток 14 отработавших газов ответвляется по потоку перед работающей на отработавших газах турбиной 17 турбонагнетателя 18 отработавших газов, который наряду с турбиной 17 имеет еще, как обычно, компрессор 19 отработавших газов. Этот ответвленный по потоку перед турбиной 17 из потока 4 отработавших газов второй поток 14 отработавших газов проходит затем, аналогично варианту выполнения, согласно фиг.1, через дроссельную заслонку 13 и впрыскивающее топливо 12 сопло 11 в катализатор 8 окисления НС, где снова происходит экзотермическая реакция или, соответственно, окисление, т.е. создается нагретый второй поток 14 отработавших газов.

Дроссельная заслонка может быть также расположена по потоку после подвода углеводородов. Это показано в качестве примера на фиг.2, на которой другая дроссельная заслонка 20 расположена по потоку после катализатора 8 окисления НС в зоне вхождения байпасного трубопровода 7 в трубопровод 5 отработавших газов. Она может быть установлена дополнительно к дроссельной заслонке 13 или же также без нее (здесь не изображена). Показанная здесь дроссельная заслонка 20 взаимодействует с дроссельной заслонкой 13, которые в зависимости от заданных параметров могут дополнять друг друга и могут, например, выполнять известную саму по себе функцию перепускного клапана отработавших газов для защиты турбонагнетателя и/или двигателя от повреждений.

По потоку после работающей на отработавших газах турбины 17 остающийся первый поток 15 отработавших газов проходит указанным выше образом через катализатор 6 окисления NO, где NO окисляется в NO₂, так что затем по потоку после катализатора 6 окисления NO нагруженный NO₂ первый поток 15 отработавших газов можно смешивать с горячим вторым потоком 14 отработавших газов и направлять нагруженный NO₂ поток 16 отработавших газов к фильтру 3 твердых частиц. Функции и принцип действия регенерационного устройства 1, согласно фиг.2, соответствуют в данном случае функции и принципу действия, которые были уже подробно пояснены и представлены в связи с фиг.1. Поэтому их повторное описание не приводится.

Лишь в качестве примера и схематично в варианте выполнения, согласно фиг.2, после фильтра 3 твердых частиц включен еще выполненный, например, в виде катализатора накопления NO_x или катализатора SCR катализатор 22 восстановления NO_x, с помощью которого возможно восстановление NO_x покидающего фильтр 3 твердых частиц потока 23 отработавших газов.

На фиг.3 показан схематично и в качестве примера третий вариант выполнения регенерационного устройства 1 согласно изобретению, в котором особенно компактный и экономящий место катализатор 8 окисления НС расположен внутри охватывающего кольцеобразно катализатор 8 окисления НС катализатора 6 окисления NO. Проходящий через трубопровод 5 отработавших газов в направлении обоих катализаторов 6, 8 поток 4 отработавших газов разделяется в данном случае с помощью одного или нескольких разделяющих поток элементов 24 на проходящий лишь через катализатор 6 окисления NO первый поток 15 отработавших газов, а также на проходящий лишь через катализатор 8 окисления НС второй поток 14 отработавших газов. При этом масса проходящего через катализатор 8 окисления НС второго потока 14 отработавших газов задается геометрией разделяющих поток элементов 24 и/или с помощью выполненных интегрально с ними или предусмотренных дополнительно к ним дроссельных и/или запирающих элементов, которые здесь не изображены. Так, например, отверстие подачи в катализатор 8 окисления НС можно закрывать или более или менее открывать с помощью заслонки или клапана в качестве запирающего элемента, при этом управление заслонкой или, соответственно, клапаном можно осуществлять через электронное управляющее и/или регулировочное устройство, а именно, в зависимости от заданных рабочих параметров, аналогично указанному выше в связи с вариантами выполнения, согласно фиг.1 и 2, управлению дроссельными заслонками 13 или, соответственно, 20.

Непосредственно перед зоной входа разделяющих поток элементов 24 в данном случае снова расположено впрыскивающее сопло 11 дозировочного устройства 9, с помощью которого топливо 12 можно впрыскивать во второй поток 14 отработавших газов, так что в катализаторе 8 окисления НС происходит экзотермическая реакция, и выходящий из катализатора 8 окисления НС горячий поток отработавших газов вместе с проходящим через катализатор 6 окисления NO первым потоком 15 отработавших газов смешивается в горячий, нагруженный NO₂ поток 16 отработавших газов. Этот горячий, нагруженный NO₂ поток 16 отработавших газов проходит затем через фильтр 3 твердых частиц, а также после него через катализатор 22 восстановления NO_x, как уже указывалось выше применительно к фиг.2.

Образованные разделяющими поток элементами 24 зоны потока образуют в данном случае затем аналогично вариантам выполнения, показанным на фиг.1 и 2, снова ответвляющиеся от трубопровода 5 отработавших газов отводные трубопроводы 5' и 7', которые затем в зоне по потоку после катализатора 6 окисления NO и по потоку после катализатора 8 окисления НС снова сводятся в общий трубопровод 5” отработавших газов.

Как дополнительно схематично показано на фиг.3, катализатор 6 окисления NO и катализатор 8 окисления НС расположены в данном случае предпочтительно в общем корпусе 25.

Указанные выше варианты выполнения можно, естественно, осуществлять различным образом на основе доступных для специалистов в данной области техники знаний без отхода от основополагающей изобретательской идеи. Таким образом, указанные варианты выполнения следует рассматривать лишь в качестве примеров.

Изобретение относится к способу и устройству для регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц. Сущность изобретения: способ и устройство для регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц расположенным по потоку перед фильтром твердых частиц катализатором (6) окисления NO, в частности в NO₂, через который проходит поток отработавших газов. Согласно изобретению предусмотрено расположенное по потоку перед фильтром (3) твердых частиц, проводящее дополнительный поток газа или, соответственно, второй поток (14) отработавших газов нагревательное устройство (8), в частности нагревательный катализатор, с помощью которого нагревается дополнительный поток (14) газа, при этом нагретый дополнительный поток (14) газа смешивается по потоку перед фильтром (3) твердых частиц с приходящим из катализатора (6) окисления NO, в частности, насыщенным NO₂ потоком (15) отработавших газов. Техническим результатом изобретения является обеспечение конструктивно простой, безопасной и надежной регенерации фильтра твердых частиц. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц по меньшей мере с одним расположенным по потоку перед фильтром (3) твердых частиц катализатором (6) окисления NO, в частности, в NO₂, через который проходит поток (15) отработавших газов, отличающийся тем, что предусматривают по меньшей мере одно расположенное по потоку перед фильтром (3) твердых частиц нагревательное устройство (8), в частности нагревательный катализатор, через которое пропускают дополнительный поток (14) газа и с помощью которого дополнительный поток (14) газа нагревают, при этом нагретый дополнительный поток (14) газа смешивают по потоку перед фильтром (3) твердых частиц с приходящим из катализатора (6) окисления NO, в частности насыщенным NO₂, потоком (15) отработавших газов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный поток (14) газа ответвляют от потока свежего воздуха на стороне наддува воздуха или от имеющегося по потоку ниже вхождения трубопровода возврата наддувочного воздуха в трубопровод наддувочного воздуха потока наддувочного воздуха и/или от образующего второй поток отработавших газов потока отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующий дополнительный поток газа второй поток (14) отработавших газов ответвляют по потоку перед катализатором (6) окисления NO и по потоку перед нагревательным устройством (8) от направляемого к катализатору (6) окисления NO потока (4) отработавших газов так, что первый поток (15) отработавших газов проходит через катализатор (6) окисления NO, а второй поток (14) отработавших газов проходит через нагревательное устройство (8), и оба потока (14, 15) отработавших газов по потоку после катализатора (6) окисления NO и нагревательного устройства (8) снова сводят вместе и направляют к фильтру (3) твердых частиц.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в дополнительный поток (14) газа, в частности во второй поток отработавших газов, дозированно добавляют углеводороды (12), в частности топливо, с помощью дозировочного устройства (9) в заданные промежутки времени в заданном количестве, в частности периодически, и окисляют, при этом предпочтительно предусмотрено, что углеводороды (12) дозированно добавляют в дополнительный поток (14) газа по потоку перед выполненным в виде катализатора окисления нагревательным устройством (8).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что во второй поток (14) отработавших газов по потоку перед выполненным в виде катализатора окисления нагревательным устройством (8) в заданные промежутки времени, и/или при уменьшении температуры отработавших газов ниже заданной температуры, и/или при уменьшении коэффициента лямбда ниже заданного значения, и/или при уменьшении содержания кислорода ниже заданного значения подают заданное количество потока (26) свежего воздуха со стороны наддува воздуха и/или заданное количество потока наддувочного воздуха, ответвленного по потоку после вхождения трубопровода возврата отработавших газов в трубопровод наддувочного воздуха.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что масса отработавших газов первого потока (15) отработавших газов больше массы отработавших газов второго потока (14) отработавших газов, при этом предпочтительно предусмотрено, что массу отработавших газов первого и второго потоков (14, 15) отработавших газов задают с возможностью управления или регулирования с помощью по меньшей мере одного дроссельного и/или запирающего устройства (13, 20), управляемого управляющим и/или регулировочным устройством.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что второй поток (14) отработавших газов отбирают по потоку перед по меньшей мере одним работающим на отработавших газах турбонагнетателем (18).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере одно дроссельное и/или запирающее устройство (13, 20), которое расположено в зоне проводящего второй поток (14) отработавших газов трубопровода (7), выполняет функцию перепускного клапана отработавших газов.

9. Устройство для регенерации расположенного в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц по меньшей мере с одним расположенным по потоку перед фильтром твердых частиц катализатором окисления NO, через который проходит поток отработавших газов, отличающееся тем, что в нем предусмотрено по меньшей мере одно расположенное по потоку перед фильтром (3) твердых частиц нагревательное устройство (8), в частности нагревательный катализатор, через которое проходит дополнительный поток (14) газа, так, что дополнительный поток газа и поток (15) отработавших газов подаются в фильтр (3) твердых частиц в смешанном состоянии по потоку ниже катализатора (6) окисления NO и нагревательного устройства (8).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительный поток (14) газа является потоком свежего воздуха со стороны наддува воздуха и/или ответвленным по потоку после вхождения возвратного трубопровода отработавших газов в трубопровод надувочного воздуха и/или образующим второй поток отработавших газов потоком отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что ведущий к катализатору (6) окисления NO и к нагревательному устройству (8) трубопровод (5) отработавших газов разделяется на проводящий первый поток (15) отработавших газов первый отводной трубопровод (5'), в котором расположен катализатор (6) окисления NO, и на проводящий второй поток (14) отработавших газов второй отводной трубопровод (7), в котором расположено включенное параллельно катализатору (6) окисления NO нагревательное устройство (8), причем оба отводных трубопровода (5', 7) снова объединяются по потоку после катализатора (6) окисления NO и нагревательного устройства (8) в ведущий к фильтру (3) твердых частиц трубопровод (5'') отработавших газов.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что второй отводной трубопровод (7) выполнен в виде байпасного трубопровода, который ответвляется от одновременно образующего первый отводной трубопровод (5') и ведущего к катализатору (6) окисления NO трубопровода (5) отработавших газов.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что нагревательное устройство (8) образовано нагревательным катализатором, при этом нагревательный катализатор (8) предпочтительно выполнен в виде окислительного катализатора, наиболее предпочтительно в виде катализатора окисления НС.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что в нем предусмотрено дозировочное устройство (9), с помощью которого в дополнительный поток (14) газа, в частности во второй поток (14) отработавших газов, дозированно добавляется по потоку перед нагревательным катализатором (8) восстановитель (12) для экзотермической реакции.

15. Устройство по любому из пп.13 или 14, отличающееся тем, что проводящий второй поток (14) отработавших газов трубопровод (7) соединен с запираемым с помощью запирающего элемента трубопроводом свежего воздуха, с помощью которого обеспечивается возможность подачи в проводящий второй поток (14) отработавших газов трубопровод (7) потока свежего воздуха со стороны наддува воздуха и/или потока наддувочного воздуха, ответвленного по потоку после вхождения возвратного трубопровода отработавших газов в трубопровод наддувочного воздуха.

16. Устройство по любому из пп.9-14, отличающееся тем, что выполненное предпочтительно в виде нагревательного катализатора по меньшей мере одно нагревательное устройство (8) расположено в выпускном тракте (2) так, что его зонально обтекает по меньшей мере один поток отработавших газов выпускного тракта (2).

17. Устройство по любому из пп.9-14, отличающееся тем, что по меньшей мере один катализатор (6) окисления NO по меньшей мере частично окружает или охватывает предпочтительно выполненное в виде нагревательного катализатора нагревательное устройство (8), при этом через него с аэродинамической развязкой проходит поток (14, 15) отработавших газов или соответственно газа, при этом предпочтительно предусмотрено, что по меньшей мере один катализатор (6) окисления NO и по меньшей мере одно нагревательное устройство (8), в частности по меньшей мере один нагревательный катализатор (8), расположены в общем корпусе.

18. Устройство по любому из пп.9-14, отличающееся тем, что для регулирования массы первого и второго потоков (14, 15) отработавших газов предусмотрены механические влияющие на поток средства и/или управляющее, и/или регулировочное устройство, которое управляет по меньшей мере одним управляемым в соответствии с задаваемыми параметрами количества или массового расхода дроссельным и/или запирающим устройством (13, 20), в частности дроссельной и/или запирающей заслонкой или дроссельным и/или запирающим клапаном, при этом предпочтительно предусмотрено, что по меньшей мере одно дроссельное и/или запирающее устройство (13, 20) расположено в первом и/или втором отводном трубопроводе (5', 7).

19. Устройство по любому из пп.9-14, отличающееся тем, что второй поток (14) отработавших газов ответвляется по потоку перед работающей на отработавших газах турбиной (17) работающего на отработавших газах турбонагнетателя (18).

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что по меньшей мере одно расположенное в зоне проводящего второй поток (14) отработавших газов трубопровода (7) дроссельное и/или запирающее устройство (13, 20) выполнено в виде перепускного клапана отработавших газов.