СИСТЕМА ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ Российский патент 2015 года по МПК F01N13/18 F01N3/23 

Настоящее изобретение относится к системе выпуска отработавших газов (ОГ) с компонентом нейтрализации ОГ, выпускным трубопроводом, присоединительным устройством и крепежным элементом. Кроме того, описывается автомобиль с системой выпуска ОГ и способ эксплуатации автомобиля.

Компоненты нейтрализации ОГ в системах выпуска ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) могут выполнять различные функции. Так, например, компоненты нейтрализации применяются в качестве носителей катализатора, в качестве адсорбера, в качестве фильтра, в качестве смесителей потока и/или в качестве сепаратора частиц. Обычно эти компоненты нейтрализации ОГ имеют проходимые для текучей среды проходы или каналы, которые, при необходимости, по меньшей мере, частично имеют (каталитическое) покрытие и/или образованы фильтрующим материалом. ОГ, который входит в канал, отклоняющими структурами может быть также побужден к тому, чтобы частично проходить стенки канала, так что достигаются, например, фильтрующие материалы или сепарационные поверхности для частиц и/или тесный контакт с каталитически активной поверхностью. Осажденные частицы сажи, зола и/или углеродные частицы за счет высоких температур ОГ в присутствии NO₂ (диоксид азота) и/или посредством каталитически действующего покрытия могут быть, по меньшей мере, частично преобразованы.

Однако бывает так, что осажденные частицы сажи и/или углеродные частицы или же зола преобразуются неполностью. Если такие непреобразованные остатки скапливаются в фильтрующем материале и/или на стенках канала, прежде всего, в местах перехода между соседними каналами, компонент нейтрализации ОГ может, по меньшей мере, частично засориться. Это может привести к увеличенному падению давления ОГ над компонентом нейтрализации ОГ и поэтому к уменьшению эффективности ДВС. Кроме того, причем каталитически активная поверхность может быть частично покрыта и тем самым уменьшена, что также нежелательно.

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники проблемы и, прежде всего, указать систему выпуска ОГ, с помощью которой может происходить устранение непреобразуемых в газообразные вещества частиц (как, например, золы) из критических областей системы выпуска ОГ.

Эта задача решена посредством системы выпуска ОГ и способом согласно признакам независимых пунктов формулы изобретения. Другие благоприятные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и в дальнейшем описаны более подробно. Следует указать на то, что приведенные отдельно в независимых пунктах формулы признаки могут быть комбинированы между собой любым технологически рациональным образом и определяют дополнительные варианты осуществления изобретения. Кроме того, указанные в формуле изобретения признаки уточняются и поясняются более детально в описании, причем представляются другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Задача решена посредством системы выпуска ОГ по меньшей мере с одним компонентом нейтрализации ОГ, по меньшей мере одним выпускным трубопроводом, по меньшей мере одним присоединительным устройством для присоединения системы выпуска ОГ к ДВС автомобиля и по меньшей мере одним крепежным элементом для дополнительного крепления системы выпуска ОГ на автомобиле, причем по меньшей мере один компонент нейтрализации ОГ в закрепленном состоянии выполнен с возможностью возбуждения колебаний с первым диапазоном резонансных частот менее 300 Гц [1/сек], предпочтительно менее 150 Гц, причем компонент нейтрализации ОГ в закрепленном состоянии предпочтительно выполнен с возможностью возбуждения колебаний с первым диапазоном резонансных частот по меньшей мере 50 Гц.

Под компонентом нейтрализации ОГ подразумевается, прежде всего, по меньшей мере один из следующих компонентов: сотовое тело, фильтр, сепаратор, носитель катализатора, адсорбер или смеситель потока. Эти компоненты нейтрализации ОГ расположены в выпускном трубопроводе или же трубопроводе для возврата ОГ соотнесенной с ДВС системы выпуска ОГ и поэтому подвержены воздействию ОГ. При этом компонент нейтрализации ОГ соединен с выпускным трубопроводом, например, с силовым замыканием, и/или с геометрическим замыканием, и/или сплошным образом, или же находится в контакте с ним.

Под присоединительным устройством подразумеваются элементы, через которые система выпуска ОГ непосредственно соединяется или контактирует с ДВС. Присоединительное устройство может быть выполнено в виде фланца, который привинчивается к ДВС. Но присоединительное устройство также может быть реализовано через сварное соединение системы выпуска ОГ с ДВС. Обычно к присоединительному устройству примыкает выпускной трубопровод, через который направляется ОГ и в котором расположен по меньшей мере один компонент нейтрализации ОГ. Система выпуска ОГ посредством по меньшей мере одного другого крепежного элемента соединена с автомобилем. По меньшей мере один крепежный элемент может обеспечивать жесткое или упругое соединение системы выпуска ОГ с автомобилем. По меньшей мере один крепежный элемент предусмотрен, прежде всего, на днище кузова автомобиля и содержит, например по меньшей мере один держатель, который фиксирует систему выпуска ОГ на удалении от ДВС в желаемом положении.

Под закрепленным состоянием подразумевается прежде всего то, что система выпуска ОГ закреплена на присоединительном устройстве и по меньшей мере одном крепежном элементе в соответствии с применением по назначению. Таким образом, для определения резонансной частоты система выпуска ОГ либо в соответствии с назначением установлена в автомобиле, либо закреплена в испытательном стенде как при применении по назначению.

Резонансные частоты по меньшей мере одного компонента нейтрализации ОГ системы выпуска ОГ, во-первых, могут быть определены числовым способом при моделировании. Кроме того, также является возможным экспериментальное определение резонансных частот расположенных в системе выпуска ОГ компонентов нейтрализации ОГ. Для этого система выпуска ОГ, закрепленная как при эксплуатации ДВС, например, в ортогональных относительно друг друга направлениях в количестве до трех (3), одно за другим возбуждается источником колебаний амплитудой по меньшей мере 1 мм [миллиметр] в направлении пространства. Источник колебаний проходит частоту возбуждения, например, от 1 Гц до 16000 Гц. Для определения резонансной частоты измеряется амплитуда колебаний в различных местах системы выпуска ОГ, прежде всего на компонентах нейтрализации ОГ, в качестве функции частоты возбуждения. Частота, при которой определяются максимальные амплитуды, обозначается как резонансная частота.

В качестве диапазона резонансных частот обозначается частотный интервал в 10 Гц, предпочтительно в 5 Гц, особо предпочтительно в 2 Гц, который центрально окружает резонансную частоту. В качестве альтернативы диапазон резонансных частот может быть определен через полуширину резонансной частоты в представлении амплитуды колебаний через возбуждение частоты, причем диапазону резонансных частот соответствует максимально 10-кратная, предпочтительно максимально 5-кратная, особо предпочтительно максимально 3-кратная величина полуширины.

Колебания системы выпуска ОГ могут возбуждаться посредством вибраций. Колебания могут характеризоваться амплитудой и частотой в заданном месте системы выпуска ОГ. При этом амплитуда и частота не должны обязательно совпадать во всех местах системы выпуска ОГ. Колебания с частотами в первом диапазоне резонансных частот - это прежде всего такие колебания, которые совершает компонент нейтрализации ОГ как целое, то есть прежде всего такие колебания, с которыми вибрирует корпус компонента нейтрализации ОГ из своего положения покоя. С колебаниями корпуса из его положения покоя заодно вибрируют и все детали компонента нейтрализации ОГ. Демпфировано установленные в корпусе детали при определенных условиях вибрируют с меньшей амплитудой, чем сам корпус. Однако является предпочтительным, чтобы колебания с частотой в первом диапазоне резонансных частот переносились без демпфирования на все детали. Но также является возможным, что жесткие структуры системы нейтрализации ОГ, как, например, корпус вибрируют с относительно малой амплитудой, в то время как мягкие элементы компонента нейтрализации ОГ, такие как, например, фильтрующий материал, вибрируют с большей амплитудой. Таким образом, за счет колебаний компонента нейтрализации ОГ происходит возбуждение колебаний также и осажденных в компоненте нейтрализации ОГ частиц золы и/или частиц сажи. В связи с их отличной от места отложения инерцией осажденные частицы могут отделяться от места отложения и попадают, например, обратно в поток ОГ.

В результате возбуждения компонента нейтрализации ОГ частотой в первом диапазоне резонансных частот компонент нейтрализации ОГ совершает колебания с большой амплитудой, в результате чего частицы отделяются от их мест отложения.

Первый диапазон резонансных частот менее 300 Гц и прежде всего менее 150 Гц выбирается так, что колебания по меньшей мере одного компонента нейтрализации ОГ, по меньшей мере, при пуске или выключении ДВС являются возбуждаемыми посредством вибраций ДВС. Поскольку ДВС при пуске проходит вибрации с частотами от 0 Гц до частот в 300 Гц, которые могут быть ассоциированы с числом оборотов холостого хода, компонент нейтрализации ОГ при работе ДВС по меньшей мере один раз очищается за счет вибраций. Если диапазон резонансных частот составляет более чем 50 Гц, возбуждение колебаний компонента нейтрализации ОГ предотвращается колебаниями, которые возникают в результате неровностей дорожного покрытия во время движения.

Предпочтительно частоты из первого диапазона резонансных частот достигаются расчетом по меньшей мере двух из следующих компонентов:

- присоединительное устройство,

- крепежный элемент,

- масса компонента нейтрализации ОГ,

- выпускной трубопровод.

То есть прежде всего механические свойства указанных выше компонентов согласуются (между собой) так, что реализуется первый диапазон резонансных частот величиной менее 300 Гц или даже менее 150 Гц. Под механическими свойствами прежде всего имеются в виду масса, прочность на изгиб, модуль упругости компонентов и/или мест их соединения.

Предпочтительно по меньшей мере один компонент нейтрализации ОГ имеет проходимые для текучей среды каналы со стенками, которые, по меньшей мере, частично образованы фильтрующим материалом, и множество вдающихся в каналы структур. По выполненному таким образом компоненту нейтрализации ОГ текущая по каналу текучая среда может проходить к соседнему каналу через фильтрующий материал, который поглощает частицы и/или золу. В предпочтительной конструктивной форме каналы расположены слоями. Таким образом, ОГ может быть отклонен в двух ортогональных друг другу направлениях. При этом является благоприятным, если по меньшей мере один компонент нейтрализации ОГ может колебаться по меньшей мере в одном направлении отклонения. При этом осажденные в фильтрующем материале частицы сажи и/или углеродные частицы могут ускоряться в обоих направлениях из положения покоя в сторону канала. «Открытая» форма такого сепаратора частиц имеет то преимущество, что может быть удалена и зола за счет того, что в результате вибрации она транспортируется к открытому выходу и покидает сепаратор частиц. Для более детального описания этих так называемых открытых фильтров побочного потока следует указать на известные патентные публикации заявителя. При этом прежде всего делается ссылка на WO 00/00326 А1 или WO 2005/099867 А1, содержание которых может быть привлечено к характеризации этого открытого фильтра побочного потока.

Согласно еще одному благоприятному варианту системы выпуска ОГ по меньшей мере один компонент нейтрализации ОГ имеет по меньшей мере одну деталь, которая имеет второй диапазон резонансных частот величиной более чем 500 Гц, предпочтительно более чем 800 Гц, особо предпочтительно более чем 1000 Гц. В противоположность первому диапазону резонансных частот, который характеризует поведение закрепленного компонента нейтрализации ОГ в системе выпуска ОГ, второй диапазон резонансных частот характеризует деталь самого компонента нейтрализации ОГ. Деталями по меньшей мере одного компонента нейтрализации ОГ прежде всего являются структуры и/или стенки каналов, прежде всего фильтрующий материал. Таким образом, второй диапазон резонансных частот находится за пределами обычно производимых ДВС частот вибрации. Поэтому в самих по себе деталях компонента нейтрализации ОГ (то есть прежде всего без соответствующей резонансной вибрации выпускного трубопровода в этой области) не может происходить возбуждение колебаний со стороны ДВС, в результате чего предотвращается нежелательное возбуждение колебаний деталей во время движения.

Второй диапазон резонансных частот определяется прежде всего посредством того, что закрепленный компонент нейтрализации ОГ возбуждается вибрацией, причем регистрируются колебания отдельных деталей в зависимости от частоты возбуждающих колебаний.

Является благоприятным, если по меньшей мере с одним компонентом нейтрализации ОГ соотнесен вибрационный элемент, который может возбуждать колебания компонента нейтрализации ОГ с частотой во втором диапазоне резонансных частот. За счет колебаний осажденные в компоненте нейтрализации ОГ частицы отделяются от места отложения. С помощью вибрационного элемента компонент нейтрализации ОГ дополнительно к вызываемым ДВС при пуске или же выключении вибрациям может целенаправленно очищаться во время работы ДВС.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается автомобиль с системой выпуска ОГ согласно изобретению.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ эксплуатации автомобиля с ДВС и системой выпуска ОГ, в котором ДВС в процессе пуска эксплуатируют так, что вибрации возбуждаются так долго, что они переносятся на компонент нейтрализации ОГ, в котором происходит возбуждение колебаний в диапазоне резонансных частот менее 150 Гц, так что он освобождается от частиц. Такой способ реализуется прежде всего за счет того, что при пуске двигателя соответствующим образом выбирают момент времени и длительность впрыска.

Далее изобретение и технический контекст в качестве примера поясняются на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особо предпочтительные варианты осуществления изобретения, которое, однако, ими не ограничено. Схематически показано на:

Фиг.1: автомобиль с системой выпуска ОГ согласно изобретению,

Фиг.2: фрагмент компонента нейтрализации ОГ.

На фиг.1 схематически показан автомобиль 6 с ДВС 5 и системой 1 выпуска ОГ. Система 1 выпуска ОГ имеет выпускной трубопровод 3 с двумя интегрированными компонентами 2 нейтрализации ОГ, присоединительное устройство 4 и два крепежных элемента 7. Система 1 выпуска ОГ через присоединительное устройство 4 подсоединена к ДВС 5 и посредством крепежных элементов 7 дополнительно соединена с автомобилем 6. Кроме того, на выпускном трубопроводе 3 расположены детекторы 17, которые линиями 18 передачи данных соединены с блоком 19 управления. Кроме того, с одним компонентом 2 нейтрализации ОГ соотнесен вибрационный элемент 9, который также линией 18 передачи данных соединен с блоком 19 управления. К тому же блок 19 управления соединен с ДВС 5.

Механические свойства компонента 2 нейтрализации ОГ, выпускного трубопровода 3, присоединительного устройства 4 и крепежного элемента 7 согласованы между собой таким образом, что по меньшей мере один компонент 2 нейтрализации ОГ имеет первый диапазон резонансных частот величиной менее 300 Гц или даже менее 150 Гц, но более 50 Гц. Таким образом обеспечено то, что при пуске ДВС 5 посредством переноса вибраций ДВС 5 на систему 1 выпуска ОГ происходит возбуждение колебаний по меньшей мере одного компонента 2 нейтрализации ОГ, так что осажденные в компоненте 2 нейтрализации ОГ частицы отделяются. Но во время движения возбуждение колебаний предотвращается посредством неровностей дорожного полотна. Таким образом, возбуждение колебаний компонента 2 нейтрализации ОГ во время холостого хода ДВС 5 и/или под нагрузкой может быть (если это желательно) практически предотвращено. Блок 19 управления управляет при пуске ДВС 5 процессами впрыска таким образом, что предпочтительно возбуждаются колебания с частотами из первого диапазона резонансных частот.

Детекторы 17 определяют такие параметры ОГ, такие как давление, температура и/или состав ОГ, в выпускном трубопроводе 3 и передают их на блок 19 управления. Блок 19 управления может через задаваемые интервалы и/или при задаваемых параметрах ДВС 5 и/или при задаваемых параметрах ОГ давать вибрационному элементу 9 сигнал к совершению вибраций. Вибрационный элемент 9 совершает прежде всего колебания с частотой более 500 Гц [1/сек]. Частота других колебаний может быть установлена так, что компонент 2 нейтрализации ОГ возбуждается частотой во втором диапазоне резонансных частот деталей 8 компонента 2 нейтрализации ОГ. Компонент 2 нейтрализации ОГ может попеременно возбуждаться вибрационным элементом 9 с разными частотами. При этом возбуждающая амплитуда вибрационного элемента 9 предпочтительно меньше 1 мм. При этом во время эксплуатации ДВС 5 проводится очистка компонента 2 нейтрализации ОГ, так что осажденные в компоненте 2 нейтрализации ОГ, при регенерации не превращенные, частицы отделяются и уносятся потоком ОГ ДВС. Вибрационный элемент 9 может быть, например, пьезоэлектрическим элементом или электрическим мотором.

На фиг.2 показан фрагмент компонента 2 нейтрализации ОГ. Компонент 2 нейтрализации ОГ имеет каналы 11, в которые ОГ втекает в первоначальном направлении 16 потока. Каналы 11 образуются стенками 13 каналов, которые имеют проходы 15 и частично образованы фильтрующим материалом 12. Кроме того, стенки 13 каналов могут иметь структуры 14 (например, волнистую металлическую фольгу), которые отклоняют ОГ. Стрелки показывают направление потока ОГ. ОГ несет с собой частицы 10 и отклоняется структурами 14 так, что частицы 10 могут осаждаться в фильтрующем материале 12. Как правило, частицы сажи и зола в процессе регенерации компонента 2 нейтрализации ОГ превращаются в диоксид углерода и азот. Однако может быть так, что это превращение происходит неполностью, и вследствие этого фильтрующий материал 12 и/или проходы 15 засоряются. Такое засорение при определенных условиях увеличивает падение давления в компоненте 2 нейтрализации ОГ. В результате возбуждения к вибрациям компонента 2 нейтрализации ОГ во время пуска или же выключения ДВС 5 осажденные частицы 10 могут отделяться и попадать обратно в поток ОГ. Таким образом эффективно предотвращается засорение компонента 2 нейтрализации ОГ.

Настоящее изобретение делает возможным прежде всего удаление остатков золы из компонента 2 нейтрализации ОГ во время пуска автомобиля 6, благодаря чему уменьшаются затраты на его техобслуживание и долгосрочно является возможной эффективная эксплуатация компонента 2 нейтрализации ОГ.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 - Система выпуска ОГ

2 - Компонент нейтрализации ОГ

3 - Выпускной трубопровод

4 - Присоединительное устройство

5 - ДВС

6 - Автомобиль

7 - Крепежный элемент

8 - Деталь

9 - Вибрационный элемент

10 - Частица

11 - Канал

12 - Фильтрующий материал

13 - Стенка канала

14 - Структуры

15 - Проход

16 - Направление потока

17 - Детектор

18 - Линия передачи данных

19 - Блок управления

Изобретение относится к системе выпуска отработавших газов. Система (1) выпуска отработавших газов (ОГ) по меньшей мере с одним компонентом (2) нейтрализации ОГ, по меньшей мере одним выпускным трубопроводом (3), по меньшей мере одним присоединительным устройством (4) для подсоединения системы (1) выпуска ОГ к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) (5) автомобиля (6) и по меньшей мере одним крепежным элементом (7) для дополнительного крепления системы (1) выпуска ОГ на автомобиле (6). По меньшей мере один компонент (2) нейтрализации ОГ в закрепленном состоянии выполнен с возможностью возбуждения колебаний с первым диапазоном резонансных частот, составляющим по меньшей мере 50 Гц и менее 300 Гц. Также раскрыт автомобиль (6) с системой (1) выпуска отработавших газов (ОГ) по одному из предшествующих пунктов и способ эксплуатации автомобиля (6) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (5) и системой (1) выпуска отработавших газов (ОГ). Техническим результатом изобретения является эффективная эксплуатация компонента (2) нейтрализации ОГ и уменьшаются затраты на его техобслуживание. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система (1) выпуска отработавших газов (ОГ) по меньшей мере с одним компонентом (2) нейтрализации ОГ, по меньшей мере одним выпускным трубопроводом (3), по меньшей мере одним присоединительным устройством (4) для подсоединения системы (1) выпуска ОГ к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) (5) автомобиля (6) и по меньшей мере одним крепежным элементом (7) для дополнительного крепления системы (1) выпуска ОГ на автомобиле (6), причем по меньшей мере один компонент (2) нейтрализации ОГ в закрепленном состоянии выполнен с возможностью возбуждения колебаний с первым диапазоном резонансных частот, составляющим по меньшей мере 50 Гц и менее 300 Гц.

2. Система (1) выпуска ОГ по п.1, в которой колебания по меньшей мере одного компонента (2) нейтрализации ОГ, по меньшей мере, при пуске или выключении ДВС (5) являются возбуждаемыми с первым диапазоном резонансных частот за счет вибраций ДВС.

3. Система (1) выпуска ОГ по п.1 или 2, в которой по меньшей мере два из следующих компонентов выполнены так, что достигаются резонансные частоты из первого диапазона резонансных частот:
- присоединительное устройство (4)
- крепежный элемент (7),
- компонент (2) нейтрализации ОГ,
- выпускной трубопровод (3).

4. Система (1) выпуска ОГ по п.1 или 2, в которой по меньшей мере один компонент (2) нейтрализации ОГ имеет по меньшей мере одну деталь (8), которая имеет второй диапазон резонансных частот более 500 Гц.

5. Система (1) выпуска ОГ по п.1 или 2, в которой по меньшей мере с одним компонентом (2) нейтрализации ОГ соотнесен вибрационный элемент (9), который может возбуждать колебания компонента (2) нейтрализации ОГ с частотой во втором диапазоне резонансных частот.

6. Автомобиль (6) с системой (1) выпуска отработавших газов (ОГ) по одному из предшествующих пунктов.

7. Способ эксплуатации автомобиля (6) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (5) и системой (1) выпуска отработавших газов (ОГ), в котором ДВС (5) в процессе пуска эксплуатируют так, что вибрации ДВС (5) возбуждаются так долго, что они переносятся на компонент (2) нейтрализации ОГ, в котором происходит возбуждение колебаний в первом диапазоне резонансных частот, составляющем по меньшей мере 50 Гц и менее 150 Гц, так что он освобождается от частиц (10).