ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2015 года по МПК F02M25/07 F01N3/08 F02B37/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к дизельному двигателю автотранспортного средства, более точно дизельному двигателю, оснащенному системой рециркуляции отработавших газов по длинному маршруту (LR-EGR, от английского - long route exhaust gas recirculating).

Предпосылки создания изобретения

Дизельный двигатель в целом имеет впускной трубопровод, выпускной трубопровод, всасывающий патрубок для подачи приточного воздуха из окружающей среды во впускной трубопровод и выхлопной патрубок для выпуска выхлопных газов из выпускного трубопровода в окружающую среду.

В выхлопном патрубке обычно установлен окислительный нейтрализатор дизельного двигателя (DOC, от английского - diesel oxidation catalyst) для разложения остаточных углеводородов (HC) и окисей углерода (CO), содержащихся в выхлопных газах, и сажевый фильтр (DPF, от английского - diesel particulate filter), расположенный после DOC и служащий для улавливания и удаления твердых частиц (сажи) из выхлопных газов дизельного двигателя.

Для снижения токсичности выбросов окислов азотов в большинстве систем дизельного двигателя с турбонаддувом используется система рециркуляции отработавших газов (EGR), которая возвращает и смешивает соответствующее количество выхлопных газов с приточным всасываемым воздухом, который вдувают в дизельный двигатель.

Усовершенствованные системы EGR имеют первый трубопровод EGR, который с возможностью движения текучей среды соединяет выпускной трубопровод с впускным трубопроводом, и второй трубопровод EGR, который с возможностью движения текучей среды соединяет выхлопной патрубок после DPF с всасывающим патрубком до впускного трубопровода.

Если первый трубопровод EGR образует короткий маршрут рециркуляции выхлопных газов, то второй трубопровод EGR образует длинный маршрут, в который также входит соответствующая часть выхлопного патрубка, включая DPF, и соответствующая часть всасывающего патрубка.

За счет этого длинный маршрут EGR (LR-EGR) позволяет эффективно возвращать во впускной трубопровод выхлопные газы с более низкой температурой, чем выхлопные газы, которые возвращают по короткому маршруту EGR (SR-EGR).

Эти усовершенствованные системы EGR в целом рассчитаны на возврат выхлопных газов частично по SR-EGR и частично по LR-EGR, чтобы поддерживать оптимальную промежуточную температуру всасываемого воздуха во впускном трубопроводе в любом режиме эксплуатации двигателя.

Одним из альтернативных способов более эффективного сокращения выбросов окислов азота (NO_x) по сравнению с использованием отдельного контура длинного маршрута EGR является применение системы избирательного каталитического восстановления (SCR, от английского - selective catalytic reduction).

SCR является каталитическим устройством, в котором окислы азота (NO_x), содержащиеся в выхлопных газов, восстанавливаются до двухатомного азота (N₂) и воды (H₂O) с помощью газообразного восстановителя, обычно мочевины (CH₄N₂O), которую впрыскивают в выхлопной патрубок и смешивают с выхлопными газами до SCR для ее поглощения ими.

SCR обычно размещают под полом и устанавливают в выхлопном патрубке, то есть после DPF.

Один из недостатков этой конфигурации состоит в том, что ее многочисленные компоненты обычно являются дорогостоящими и сложными в компоновке.

Другим недостатком является то, что для системы SCR необходим резервуар для восстановителя, который должен периодически доливаться водителем, что увеличивает стоимость эксплуатации автомобиля.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача преодоления или, по меньшей мере, ослабления упомянутых недостатков с помощью простого, рационального и более дешевого решения.

Задача изобретения согласно одному из вариантов осуществления охарактеризована признаками независимого пункта формулы изобретения. В зависимых пунктах заявлены предпочтительно и/или особо выгодные варианты осуществления изобретения.

В одном из вариантов осуществления изобретения предложен дизельный двигатель автотранспортного средства, имеющий систему рециркуляции отработавших газов по длинному маршруту (LR-EGR), в которой до сажевого фильтра (DPF) расположен уловитель окислов азота работающего на бедных смесях двигателя (LNT, от английского - Lean NO_x Trap).

Система LR-EGR рассчитана на подачу во впускной трубопровод выхлопных газов, имеющих преимущественно низкую температуру.

По существу, в систему LR-EGR входит начальная часть выхлопного патрубка между выпускным трубопроводом и точкой разветвления после DPF, то есть включая сам DPF; трубопровод LR-EGR, который с возможностью движения текучей среды соединяет точку разветвления выхлопного патрубка с передней точкой всасывающего патрубка; и конечная часть всасывающего патрубка между передней точкой и впускным трубопроводом.

В выхлопном патрубке до DPF расположен уловитель окислов азота работающего на бедных смесях двигателя (LNT).

LNT является каталитическим устройством, содержащим катализаторы, такие как родий, и поглотитель, такие как поглотители на основе бария, которые служат активными участками для связывания окислов азота (NO_x), содержащихся в выхлопных газах, с целью их улавливания в самом устройстве.

LNT может быть дополнительно оснащен другими катализаторами, такими как палладий и платина, служащими для вступления в реакцию с углеводородами (HC) и окисью углерода (CO), которые содержатся в выхлопных газах, с целью их преобразования в двуокись углерода (CO₂) и воду (H₂O).

За счет этого LNT также эффективно выполняет функцию DOC, который уже не требуется.

Таким образом, дизельный двигатель имеет ряд важных преимуществ по сравнению с известным уровнем техники.

Первым важным преимуществом является то, что LNT в целом дешевле, чем SCR, за счет чего снижается общая стоимость дизельного двигателя.

Другим важным преимуществом является то, что LNT способен обеспечивать функциональные возможности DOC, и, следовательно, сокращаются расходы, поскольку не требуются две различные каталитические системы как для окислительной, так и восстановительной реакций.

Кроме того, в одном из вариантов осуществления предложена более простая в компоновке конфигурация, чем известные из уровня техники конфигурации.

Наконец, поскольку LNT расположен до точки разветвления трубопровода LR-EGR, выхлопные газы, которые возвращаются по нему, преимущественно не содержат окислы азота (NOx) при любом режиме эксплуатации двигателя, за счет чего в конце процесса сгорания снижается содержание NO_x.

В другом варианте осуществления дизельный двигатель дополнительно имеет общий наружный корпус LNT и DPF. За счет этого сокращается длительность сборки двигателя, и устраняются сложности компоновки.

В другом варианте осуществления в систему LR-EGR дополнительно входит турбокомпрессор, который включает компрессор, расположенный во всасывающем патрубке после DPF, и турбину, расположенную в выхлопном патрубке до LNT.

Согласно одной из дополнительных предпочтительных особенностей дизельный двигатель дополнительно имеет систему короткого маршрута EGR (SR-EGR).

Система SR-EGR служит для подачи во впускной трубопровод выхлопных газов, имеющих преимущественно высокую температуру, а именно более высокую температуру, чем выхлопные газы, возвращаемые по LR-EGR.

По существу, система SR-EGR представляет собой трубопровод SR-EGR, который с возможностью движения текучей среды соединяет выпускной трубопровод непосредственно с впускным трубопроводом.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет в порядке примера описано со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых:

на фиг.1 схематически проиллюстрирована система дизельного двигателя с турбонаддувом согласно изобретению.

Описание предпочтительного варианта осуществления

Далее описан один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на автомобильный дизельный двигатель 1 с турбонаддувом.

Дизельный двигатель 1 с турбонаддувом имеет впускной трубопровод 10 и выпускной трубопровод 11, всасывающий патрубок 2 для подачи приточного воздуха из окружающей среды во впускной трубопровод 10, выхлопной патрубок 3 для выпуска выхлопных газов из выпускного трубопровода 11 в окружающую среду и турбокомпрессор 4, который имеет компрессор 40, расположенный во всасывающем патрубке 2 и служащий для сжатия протекающего по нему потока воздуха, и турбину 41, расположенную в выхлопном патрубке 3 и служащую для приведения в действие упомянутого компрессора 40.

Дизельный двигатель 1 с турбонаддувом дополнительно имеет промежуточный охладитель (охладитель наддувочного воздуха) 20, расположенный во всасывающем патрубке 2 после компрессора 40 турбокомпрессора 4 и служащий для охлаждения поток воздуха до того, как он достигнет впускного трубопровода 10, и дроссельный клапан 21, расположенный во всасывающем патрубке между промежуточным охладителем 20 и впускным трубопроводом 10.

Дизельный двигатель 1 с турбонаддувом дополнительно имеет сажевый фильтр (DPF) 31, расположенный в выхлопном патрубке 3 и служащий для улавливания и удаления твердых частиц (сажи) из выхлопных газов дизельного двигателя.

Для снижения токсичности выбросов дизельный двигатель 1 с турбонаддувом оснащен системой рециркуляции отработавших газов (EGR), которая возвращает выхлопные газы и подает их в сам дизельный двигатель 1.

В систему EGR входит первый трубопровод 50 EGR, который с возможностью движения текучей среды соединяет выпускной трубопровод 11 с впускным трубопроводом 10, первый охладитель 51 EGR для охлаждения выхлопных газов и первый клапан 52 с электрическим управлением для определения расхода выхлопных газов через первый трубопровод 50 EGR.

Поскольку первый трубопровод EGR 50 соединяет выпускной трубопровод 11 непосредственно с впускным трубопроводом 10, он образует систему короткого маршрута EGR (SR-EGR) для возврата высокотемпературных выхлопных газов.

В систему EGR дополнительно входит второй трубопровод EGR 60, который с возможностью движения текучей среды соединяет точку 32 разветвления выхлопного патрубка 3 с передней точкой 22 всасывающего патрубка 2, и второй охладитель 61 EGR, расположенный во втором трубопроводе EGR 60.

Точка 32 разветвления расположена после DPF 31, а передняя точка 22 расположена после воздушного фильтра 23 и до компрессора 40 турбокомпрессора 4.

Скорость потока выхлопных газов через второй трубопровод 60 EGR определяет второй трехходовой клапан 62 с электрическим управлением, который расположен в передней точке 22.

По существу, система EGR имеет систему длинного маршрута EGR (LR-EGR), в которую входит начальная часть выхлопного патрубка 3 между дизельным двигателем 1 и точкой 32 разветвления, включая турбину 41 турбокомпрессора 4 и DPF 31; второй трубопровод 60 EGR, включая второй охладитель 61 EGR; и конечная часть всасывающего патрубка 2 между передней точкой 22 и дизельным двигателем 1, включая второй клапан 62, компрессор 40 турбокомпрессора 4, охладитель 20 наддувочного воздуха и клапан 21.

Протекающие по длинному маршруту EGR выхлопных газов становятся значительно холоднее, чем выхлопные газы, которые протекают по первому трубопроводу 50 EGR, в результате чего имеют более низкую температуру при достижении впускного трубопровода 10.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом управляется микропроцессорной схемой управления (ECU), которая служит для генерации подачи управляющих сигналов на клапаны 52 и 62, чтобы возвращать выхлопные газы частично по SR-EGR и частично по LR-EGR и тем самым поддерживать во впускном трубопроводе 10 оптимальную температуру всасываемого воздуха в любом режиме эксплуатации двигателя.

Дизельный двигатель 1 с турбонаддувом дополнительно имеет уловитель 30 окислов азота работающего на бедных смесях двигателя (LNT), который расположен в выхлопном патрубке 3 после турбины 41 турбокомпрессора 4 и до DPF31.

LNT 30 служит для улавливания окислов азота, содержащихся в выхлопных газах.

Подробнее, LNT 30 является устройством, имеющим носитель каталитического нейтрализатора, обычно изготовленный из керамического материала с особым тонким покрытием, содержащим катализаторы, такие как, например, барий и родий, которые служат активными участками для связывания окислов азота (NO_x), содержащихся в выхлопных газах, с целью их улавливания в LNT 30.

В рассматриваемом примере особое тонкое покрытие LNT 30 дополнительно содержит другие катализаторы, такие как, например, палладий и платина, которые способны вступать в реакцию с углеводородами (HC) и окисью углерода (CO), которые содержатся в выхлопных газах, и окислять их до двуокиси углерода (CO₂) и воды (H₂O).

За этот счет LNT 30 эффективно выполняет функцию DOC, который уже не требуется.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения LNT 30 помещается в наружном корпусе 33, в котором также помещается DPF 31, за счет чего образуется единый компонент.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты осуществления и частные применения, подразумевается, что изложенное выше описание следует рассматривать в качестве примера, а не ограничения. Специалисты в данной области техники выявят различные модификации частных вариантов осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, подразумевается, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а его полный объем охарактеризован в следующей далее формуле изобретения.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях автотранспортных средств. Дизельный двигатель (1) автотранспортного средства имеет систему (50) рециркуляции отработавших газов по первому маршруту и систему (60) рециркуляции отработавших газов по второму маршруту, более длинному, чем первый маршрут системы (50) и уловитель (30) окислов азота. Уловитель (30) окислов азота расположен до сажевого фильтра (31), работает на бедных смесях двигателя и помещается в общем наружном корпусе (33) с сажевым фильтром (31). Уловитель (30) окислов азота имеет носитель каталитического нейтрализатора с тонким покрытием, содержащим катализаторы, которые служат активными участками для связывания окислов азота, содержащихся в выхлопных газах, с целью их улавливания в уловителе (30) окислов азота, и дополнительно содержащим другие катализаторы, способные вступать в реакцию с углеводородами и окисью углерода, содержащимися в выхлопных газах, и окислять их до двуокиси углерода и воды. Технический результат заключается в упрощении компоновки системы рециркуляции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Дизельный двигатель (1) автотранспортного средства, имеющий систему (50) рециркуляции отработавших газов по первому маршруту и систему (60) рециркуляции отработавших газов по второму маршруту, более длинному, чем первый маршрут системы (50), и расположенный до сажевого фильтра (31) уловитель (30) окислов азота работающего на бедных смесях двигателя, помещающиеся в общем наружном корпусе (33) для уловителя (30) окислов азота и сажевого фильтра (31), при этом уловитель (30) окислов азота имеет носитель каталитического нейтрализатора с тонким покрытием, содержащим катализаторы, которые служат активными участками для связывания окислов азота, содержащихся в выхлопных газах, с целью их улавливания в уловителе (30) окислов азота, и дополнительно содержащим другие катализаторы, способные вступать в реакцию с углеводородами и окисью углерода, содержащимися в выхлопных газах, и окислять их до двуокиси углерода и воды.

2. Дизельный двигатель по п. 1, в котором в систему (60) рециркуляции отработавших газов по второму маршруту дополнительно входит турбокомпрессор (4), имеющий компрессор (40), расположенный после сажевого фильтра во всасывающем патрубке (2), и турбину (41), расположенную до уловителя (30) окислов азота работающего на бедных смесях двигателя.