НЕЙТРАЛИЗАТОР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/02 F01N3/35 F01N3/24 B01D53/94 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к нейтрализатору выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В технике известно применение сажевого фильтра для улавливания частиц (здесь и далее именуется в некоторых случаях, как просто фильтр), катализатор селективного восстановления окислов азота (NOx) (здесь и далее именуется в некоторых случаях, как просто NOx-катализатор) и аналогичных устройств в качестве нейтрализаторов выхлопных газов в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания. Фильтр улавливает твердые частицы [здесь и далее именуются в некоторых случаях, как ТЧ (РМ)], образующиеся при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания. NOx-катализатор снижает содержание NOx в выхлопных газах, используя аммиак в качестве восстановителя.

[0003] В патентном документе 1 описан способ установки фильтра в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания и последующая установка датчика ТЧ в выхлопном канале после фильтра. Кроме того, в патентном документе 1 указано, что NOx-катализатор расположен в выхлопном канале между фильтром и датчиком ТЧ.

[0004] В патентном документе 2 описан способ расположения первого NOx-катализатора (первого SCR-катализатора (катализатора селективного каталитического восстановления)) после окислительного катализатора, расположения после первого катализатора второго NOx-катализатора (второго SCR-катализатора), способного поглощать больше аммиака, чем первый NOx-катализатор, и также установки блока для подачи водного раствора мочевины перед вторым NOx-катализатором в канале выхлопных газов.

[0005] В патентном документе 3 представлен способ установки после первого каталитического преобразователя второго каталитического преобразователя, обладающего большей преобразовательной способностью по сравнению с первым каталитическим преобразователем, и расположения датчика О₂ между первым каталитическим преобразователем и вторым каталитическим преобразователем в выхлопном канале.

Цитируемые документы

Патентные документы

[0006] Патентный документ 1: Публикация Заявки на выдачу патента Японии №2010-229957 (JP-2010-229957 А)

Патентный документ 2: Публикация Заявки на выдачу патента Японии №2011-052612 (JP-2011-052612А)

Патентный документ 3: Публикация Заявки на выдачу патента Японии №08-296430 (JP-08-296430 А)

КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, решаемые с помощью изобретения

[0007] В случае, когда NOx-катализатор размещен в выхлопном канале, к нему нужно подавать аммиак в качестве восстанавливающего агента. Поэтому в выхлопном канале перед NOx-катализатором установлен блок для добавления мочевины. Аммиак, полученный в результате гидролиза мочевины, добавленной из указанного блока, поступает к NOx-катализатору.

[0008] Кроме того, если в выхлопном канале установлен фильтр, после него можно установить датчик ТЧ для определения количества ТЧ, прошедших через фильтр. Датчик ТЧ - это датчик, определяющий количество ТЧ в выхлопных газах.

[0009] Здесь следует отметить, что если датчик ТЧ установлен после блока добавления мочевины в случае, если датчик ТЧ установлен также после фильтра в конфигурации, где блок добавления мочевины и NOx-катализатор расположены после фильтра в выхлопном канале, на этот датчик ТЧ может попадать вода от клапана блока добавления мочевины. Попадание воды на датчик ТЧ может способствовать ухудшению работы датчика ТЧ.

[0010] Более того, если мочевина, прилипшая к датчику ТЧ, нагревается выхлопными газами, возможно образование производных аммиака, таких как карбамилмочевина, циануровая кислота или аналогичных соединений. В случае образования производных аммиака датчик ТЧ может определять эти производные как ТЧ. Если датчик ТЧ определяет производные аммиака как ТЧ, то точность определения количества ТЧ, образованных при сгорании топлива и которые, собственно, и должен определять датчик ТЧ, может снизиться.

[0011] Изобретение было сделано для решения описанных выше проблем. Задачей настоящего изобретения является не допустить ухудшения точности измерения загрязнения датчиком ТЧ и определения количества ТЧ в случае, когда датчик ТЧ установлен после фильтра в конфигурации, где блок добавления мочевины и NOx-катализатор расположены после фильтра в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания.

Средства решения проблем

[0012] Согласно настоящему изобретению в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания первый NOx-катализатор и второй NOx-катализатор установлены в указанном порядке от входной стороны по потоку выхлопных газов к выходу из фильтра. Далее, между фильтром и первым NOx-катализатором расположен блок добавления мочевины, а датчик ТЧ установлен между первым NOx-катализатором и вторым NOx-катализатором.

[0013] Точнее, нейтрализатор выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению оборудован сажевым фильтром для улавливания частиц, установленным в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, первым NOx-катализатором селективного восстановления, помещенным в выхлопном канале после сажевого фильтра для улавливания частиц, вторым NOx-катализатором селективного восстановления, помещенным в выхлопном канале после первого NOx-катализатора селективного восстановления, блоком добавления мочевины, установленным в выхлопном канале между сажевым фильтром для улавливания частиц и первым NOx-катализатором селективного восстановления, чтобы добавлять мочевину в выхлопные газы, а также датчиком ТЧ, который установлен в выхлопном канале между первым NOx-катализатором селективного восстановления и вторым NOx-катализатором селективного восстановления, для определения количества твердых частиц в выхлопных газах.

[0014] Здесь следует отметить, что датчик ТЧ может передавать сигнал, соответствующий количеству (скорости потока) ТЧ в выхлопных газах, либо может передавать сигнал, соответствующий количеству ТЧ, отложившихся на нем.

[0015] Согласно настоящему изобретению, поскольку первый NOx-катализатор устанавливается между блоком добавления мочевины и датчиком ТЧ, очень маловероятно, что на этот датчик ТЧ будет попадать мочевина. Таким образом, датчик ТЧ может быть защищен от ухудшения точности измерения.

[0016] Кроме того, согласно настоящему изобретению, поскольку датчик ТЧ устанавливается перед вторым NOx-катализатором, вследствие окисления ТЧ в фильтре датчик ТЧ нагревается сильнее, чем в случае установки датчика ТЧ после второго NOx-катализатора. В результате вероятность того, что отложения производных аммиака на датчике ТЧ будут удалены, довольно высока. Соответственно, можно предотвратить снижение точности определения количества ТЧ в датчике ТЧ.

[0017] Более того, вероятность нагрева датчика ТЧ выхлопными газами выше, чем в случае установки этого датчика ТЧ после второго NOx-катализатора. Следовательно, датчик ТЧ может быть активирован на более раннем этапе, если начальная температура датчика ТЧ ниже, чем температура его активизации, как это имеет место при низкотемпературном пуске или в аналогичных условиях.

[0018] Кроме того, согласно настоящему изобретению тепловая емкость первого NOx-катализатора может быть меньше, чем тепловая емкость второго NOx-катализатора. Таким образом, вероятность нагрева датчика ТЧ довольно высока.

Достигаемый технический результат

[0019] Согласно настоящему изобретению можно предотвратить ухудшение точности измерения датчика ТЧ и снижение точности определения количества ТЧ, если датчик ТЧ устанавливается после фильтра в конфигурации, где блок добавления мочевины и NOx катализатор установлены после фильтра в выхлопном канале.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0020] Фиг.1 - вид, показывающий принципиальную схему выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания согласно одному из вариантов изобретения.

Фиг.2 - вид, показывающий принципиальную схему датчика ТЧ согласно примеру осуществления изобретения.

Фиг.3 - график, показывающий соотношение между количеством ТЧ в датчике ТЧ, электрическим сопротивлением между электродами датчика ТЧ и значением выходного сигнала датчика ТЧ.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] Конкретная реализация настоящего изобретения будет описана здесь и далее со ссылками на чертежи. Размеры, материалы, формы частей компонентов, описанные в рассматриваемом варианте изобретения, их взаимное расположение и т.д. не имеют целью ограничить объем изобретения, если не указано иначе.

[0022] (Вариант осуществления)

Здесь будет описан случай, когда нейтрализатор выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению применяется для дизельного двигателя транспортного средства. Однако тип двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению не ограничивается только дизельным двигателем, это также может быть бензиновый двигатель и т.д.

[0023] [Принципиальная схема выхлопной системы]

На Фиг.1 показана принципиальная схема выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания в одном из вариантов осуществления изобретения. Двигатель внутреннего сгорания 1 - это дизельный двигатель транспортного средства. С двигателем внутреннего сгорания 1 соединен выхлопной канал 2. Кроме того, стрелки на Фиг.1 показывают направление потока выхлопных газов.

[0024] В выхлопном канале 2 установлен фильтр 3. Фильтр 3 улавливает ТЧ из выхлопных газов, которые образуются при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания 1. Кроме того, катализатор, такой как окислительный нейтрализатор, накопительный восстанавливающий NOx-катализатор, NOx-катализатор селективного восстановления или подобный катализатор, может быть нанесен на поверхности фильтра 3. Вследствие улавливания ТЧ фильтром 3 эти ТЧ постепенно откладываются на фильтре 3. Когда температура фильтра 3 возрастает до температуры, при которой ТЧ могут быть окислены, в результате повышения температуры выхлопных газов и т.д. ТЧ, отложенные на поверхностях фильтра 3, окисляются. Кроме того, посредством так называемой регенерационной обработки фильтра, проводимой, чтобы принудительно повысить температуру фильтра 3, отложения ТЧ на фильтре 3 также могут быть окислены и удалены.

[0025] Первый NOx-катализатор селективного восстановления (первый NOx-катализатор) 4 установлен в выхлопном канале 2 после фильтра 3. Второй NOx-катализатор селективного восстановления (второй NOx-катализатор) 5 установлен в выхлопном канале 2 после первого NOx-катализатора 4. Тепловая емкость первого NOx-катализатора 4 меньше тепловой емкости второго NOx-катализатора 5.

[0026] Клапан добавления мочевины 6 установлен в выхлопном канале 2 между фильтром 3 и первым NOx-катализатором 4. Клапан добавления мочевины 6 добавляет водный раствор мочевины в выхлопные газы. Емкость для мочевины (не показана), в которой находится водный раствор мочевины, соединена с клапаном добавления мочевины 6. Водный раствор мочевины поступает из емкости для мочевины к клапану добавления мочевины 6. Кроме того, клапан добавления мочевины 6 электрически соединен с электронным контрольным устройством (ECU) (не показано) для управления двигателем внутреннего сгорания 1 и управляется посредством этого ECU. К тому же в этом варианте изобретения клапан добавления мочевины 6 эквивалентен блоку добавления мочевины согласно настоящему изобретению.

[0027] Вследствие добавления водного раствора мочевины из клапана добавления мочевины 6 в поток выхлопных газов, мочевина поступает к первому NOx-катализатору 4 и второму NOx-катализатору 5. Мочевина, поступающая к первому NOx-катализатору 4 или второму NOx-катализатору 5, временно адсорбируется каждым из NOx-катализаторов 4 и 5. Затем в результате гидролиза адсорбированной мочевины образуется аммиак. Аммиак служит восстановительным агентом для уменьшения количества NOx в выхлопных газах.

[0028] Далее, в этом варианте изобретения датчик ТЧ 7, определяющий количество ТЧ в выхлопных газах, устанавливают в выхлопном канале 2 между первым NOx-катализатором 4 и вторым NOx-катализатором 5. Датчик ТЧ 7 передает электрический сигнал, соответствующий количеству ТЧ, отложившихся на нем.

[0029] Здесь необходимо отметить, что подробнее датчик ТЧ 7 будет описан со ссылками на Фиг.2 и 3. На Фиг.2 показана принципиальная схема чувствительного элемента датчика ТЧ 7. Фиг.3 представляет график, показывающий соотношение между количеством отложений ТЧ в датчике ТЧ 7, электрическим сопротивлением между электродами 7а и 7б датчика ТЧ 7 и значением выходного сигнала датчика ТЧ 7. На Фиг.3 по оси абсцисс откладывают величину отложений ТЧ в датчике ТЧ 7, по оси ординат на нижнем графике откладывают электрическое сопротивление между электродами 7а и 7б датчика ТЧ 7, а по оси ординат на верхнем графике - значение выходного сигнала датчика ТЧ 7.

[0030] Как показано на Фиг.2, чувствительный элемент датчика ТЧ 7 имеет пару гребенчатых электродов 7а и 7б. ТЧ из выхлопных газов оседают на датчик ТЧ 7, так что постепенно накапливаются отложения этих осевших ТЧ. По мере увеличения количества отложений ТЧ в датчике ТЧ 7 количество ТЧ между электродами 7а и 7б увеличивается.

[0031] Таким образом, как показано на Фиг.3, по мере увеличения количества отложений ТЧ в датчике ТЧ 7 электрическое сопротивление между электродами 7а и 7б уменьшается. Затем по мере уменьшения электрического сопротивления между электродами 7а и 7б значение выходного сигнала датчика ТЧ 7 возрастает. Таким образом, значение выходного сигнала датчика ТЧ 7 отражает значение, соответствующее количеству отложений ТЧ в датчике ТЧ 7.

[0032] Кроме того, датчик ТЧ 7 устанавливают после фильтра 3. Таким образом, ТЧ, прошедшие через фильтр 3 и не захваченные им, улавливаются датчиком ТЧ 7. Соответственно, количество отложений ТЧ в датчике ТЧ 7 представляет собой величину, соответствующую суммарному значению количества ТЧ, которые прошли через фильтр 3.

[0033] Датчик ТЧ 7 электрически соединен с блоком ECU, куда поступает выходной сигнал датчика ТЧ. На основе значения выходного сигнала датчика ТЧ 7 блок ECU диагностирует неисправность фильтра 3. В случае неисправности фильтра 3, такой как поломка, эрозия и т.п., количество ТЧ, проходящих через фильтр 3, увеличивается по сравнению с ситуацией нормальной работы фильтра 3. Таким образом, если изменение значения выходного сигнала датчика ТЧ 7 в течение заданного периода превышает заданный порог, ECU определяет, что произошел сбой в работе фильтра 3.

[0034] Кроме того, если количество ТЧ между электродами 7а и 7б изменяется, значение электрических характеристик, отличных от электрического сопротивления, например, ток между электродами 7а и 7б и т.п., также изменяется. Таким образом, датчик ТЧ 7 может передавать сигнал, соответствующий количеству отложений ТЧ на нем, на основании значения электрической характеристики, отличной от электрического сопротивления. Более того, датчик ТЧ согласно настоящему изобретению не ограничен вариантом, который выводит выходной сигнал, соответствующий количеству отложений ТЧ на этом датчике, но может быть датчиком, выводящим сигнал, соответствующий количеству (скорости потока) ТЧ в выхлопных газах.

[0035] [Технический результат конфигурации согласно рассматриваемому варианту осуществления]

Если датчик ТЧ установлен после клапана добавления мочевины в выхлопном канале, на этот датчик ТЧ может попадать вода из-за добавления водного раствора мочевины из клапана добавления мочевины. Однако в рассматриваемом варианте осуществления изобретения между клапаном добавления мочевины 6 и датчиком ТЧ 7 расположен первый NOx-катализатор 4. В этой конфигурации вероятность того, что вода будет попадать на датчик ТЧ 7 из-за введения водного раствора мочевины, очень мала. Соответственно, можно предотвратить неисправности датчика ТЧ 7.

[0036] Более того, если мочевина, налипшая на датчик ТЧ 7, нагревается выхлопными газами, могут образоваться производные аммиака (карбамилмочевина, циануровая кислота или аналогичные). Если такие производные аммиака образуются в датчике ТЧ 7, то датчик ТЧ 7 может определить эти производные аммиака, как ТЧ. То есть производные аммиака, равно как ТЧ, образовавшиеся при сгорании топлива, накапливаются в виде отложений на датчике ТЧ 7, так что электрическое сопротивление между электродами 7а и 7б становится ниже, чем при отложении только ТЧ. В результате датчик ТЧ 7 может выдавать значение выходного сигнала большее, чем количество отложений ТЧ на датчике ТЧ 7. Таким образом, если датчик ТЧ 7 определяет производные аммиака как ТЧ, точность определения количества ТЧ, которые образовались при сгорании топлива и которые, собственно, и должен определять датчик ТЧ 7, может снизиться.

[0037] Следует отметить, что даже если датчик ТЧ 7 устанавливается в выхлопном канале после второго NOx-катализатора 5, можно предотвратить попадание воды на датчик ТЧ 7 вследствие добавления водного раствора мочевины из клапана добавления мочевины 6. Однако если датчик ТЧ 7 установлен в выхлопном канале 2 перед вторым NOx-катализатором 5, как в рассматриваемом варианте осуществления изобретения, датчик ТЧ 7 с большей вероятностью получит тепло, выделившееся при окислении ТЧ в фильтре 3, чем когда датчик ТЧ 7 установлен в выхлопном канале 2 после второго NOx-катализатора 5. Таким образом, весьма вероятно, что датчик ТЧ 7 будет нагреваться.

[0038] Если датчик ТЧ 7 нагревается, происходит окисление и удаление производных аммиака, отложившихся на датчике ТЧ 7. То есть если датчик ТЧ 7 установлен в выхлопном канале 2 перед вторым NOx-катализатором 5, производные аммиака, отложившиеся на датчике 7, будут удалены с большей вероятностью, чем когда датчик ТЧ 7 установлен в выхлопном канале 2 после второго NOx-катализатора 5.

[0039] Более того, в данном варианте осуществления изобретения тепловая емкость первого NOx-катализатора 4 меньше, чем тепловая емкость второго NOx-катализатора 5. Таким образом, когда ТЧ окисляются в фильтре 3, датчик ТЧ 7 будет нагреваться с большой вероятностью. Это дополнительно способствует удалению отложений производных аммиака с датчика ТЧ 7.

[0040] Соответственно, конфигурация согласно рассматриваемому варианту изобретения делает возможным предотвращение снижения точности определения количества ТЧ в датчике ТЧ 7. Как результат, можно также предотвратить ошибочную диагностику неисправности фильтра 3, как было описано выше.

[0041] Кроме того, если датчик ТЧ 7 установлен в выхлопном канале 2 перед вторым NOx-катализатором 5, датчик ТЧ 7 будет с большей вероятностью нагреваться выхлопными газами, чем при установке датчика ТЧ 7 в выхлопном канале 2 после второго NOx-катализатора 5. Более того, поскольку тепловая емкость первого NOx-катализатора 4 меньше, чем тепловая емкость второго NOx-катализатора 5, нагрев датчика ТЧ 7 за счет выхлопных газов является также более вероятным, как и в случае, где датчик ТЧ 7 нагревается за счет тепла, выделяемого при окислении ТЧ. Соответственно, конфигурация согласно данному варианту осуществления изобретения делает возможной активизацию датчика ТЧ 7 на более раннем этапе, если начальная температура датчика ТЧ ниже, чем температура его активизации, как это имеет место при низкотемпературном пуске или в аналогичных условиях.

Нумерация позиций

[0042]

1… ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2… ВЫХЛОПНОЙ КАНАЛ

3… САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ

4… ПЕРВЫЙ NOx-КАТАЛИЗАТОР СЕЛЕКТИВНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

5… ВТОРОЙ NOx-КАТАЛИЗАТОР СЕЛЕКТИВНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

6… КЛАПАН ДОБАВЛЕНИЯ МОЧЕВИНЫ

7… ДАТЧИК ТЧ

Изобретение относится к нейтрализатору выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания. Нейтрализатор выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания содержит блок добавления мочевины и катализатор селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатор) установлены после сажевого фильтра для улавливания частиц (фильтра) в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, при этом датчик ТЧ располагается после фильтра. Согласно настоящему изобретению в выхлопном канале (2) двигателя внутреннего сгорания (1) первый NOx-катализатор (4) и второй NOx-катализатор (5) располагаются после фильтра (3) один за другим по направлению потока выхлопных газов. Блок добавления мочевины (6) располагается между фильтром (3) и первым NOx-катализатором (4). Датчик ТЧ (7) располагается между первым NOx-катализатором (4) и вторым NOx-катализатором (5). Техническим результатом изобретения является предотвращение снижения точности измерения датчика ТЧ и снижения точности определения количества ТЧ. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нейтрализатор выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что содержит:
сажевый фильтр для улавливания частиц, устанавливаемый в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания;
первый катализатор селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатор), устанавливаемый в выхлопном канале после сажевого фильтра для улавливания частиц;
второй катализатор селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатор), устанавливаемый в выхлопном канале после первого катализатора селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатора);
блок добавления мочевины, устанавливаемый в выхлопном канале между сажевым фильтром для улавливания частиц и первым катализатором селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатором), для добавления мочевины в выхлопные газы; и
датчик твердых частиц (ТЧ), устанавливаемый в выхлопном канале между первым катализатором селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатором) и вторым катализатором селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатором), для определения количества твердых частиц в выхлопных газах.

2. Нейтрализатор выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что тепловая емкость первого катализатора селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатора) меньше, чем тепловая емкость второго катализатора селективного восстановления окислов азота (NOx-катализатора).