СИСТЕМА И СПОСОБ ВПРЫСКА ЖИДКОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК F01N3/20 

Настоящее изобретение относится к системе и способу подачи раствора жидкого восстановителя в систему обработки выхлопных газов транспортного средства

Во многих транспортных средствах в системах обработки выхлопных газов для сокращения выбросов используют катализаторы. В условиях образования обедненных выхлопных газов, например, в случае выхлопных газов дизельного двигателя или при других условиях горения обедненной смеси, в катализаторе может быть использован восстановитель, отличный от отработавшего топлива. Одним из таких устройств последующей обработки является система селективного каталитического восстановления (SCR), которая использует каталитический нейтрализатор для конверсии NOx на азот и воду. Катализатор SCR на мочевине может использовать газообразный аммиак в качестве активного восстановительного агента NOx, в этом случае водный раствор мочевины может находиться в транспортном средстве, и для ее подачи в поток выхлопных газов может быть использована система впрыска.

При температурах окружающей среды менее -11°С водный раствор мочевины (состоящий на 32,5% из мочевины и на 67,5% из воды), находящийся в баке-хранилище для мочевины, размещенном в транспортном средстве, может замерзнуть. Таким образом, мочевина не сможет попасть по передающей трубке в форсунку системы впрыска для дальнейшей передачи в поток выхлопных газов и восстановления NOx. В одном из известных способов бак-хранилище для мочевины оснащен системой электрического подогрева для предотвращения замерзания мочевины. Кроме того, конструкция компонентов бака-хранилища для мочевины и системы впрыска мочевины разработана с учетом защиты от замерзания для обеспечения функциональности и безотказной работы системы впрыска при многочисленных циклах замерзания/оттаивания.

Авторы настоящего изобретения обнаружили наличие определенной проблемы в предшествующих решениях. Во-первых, возможно повышение затрат, связанное с нагреванием и защитой от замерзания компонентов для бака-хранилища для мочевины и системы впрыска мочевины. Во-вторых, может быть уменьшена экономия топлива по причине использования энергии, производимой транспортным средством, для нагревания всего бака-хранилища для мочевины, такое нагревание может занимать много времени, сокращая тем самым объем выхлопных газов, который может быть каталитически обработан восстановителем, и, следовательно, увеличивая количество выбросов выхлопных газов в целом.

Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения некоторые из вышеизложенных недостатков могут быть устранены с помощью выхлопной системы двигателя, содержащей систему впрыска жидкого восстановителя, и способа работы системы впрыска жидкого восстановителя, при этом способ включает в себя: хранение восстановительной смеси этанола, воды и мочевины; подачу этой смеси в электронагреваемую передающую трубку для доставки через линию подачи в поток выхлопных газов с помощью насоса, работающего в первом направлении; и очистку обратной магистрали, которая возвращает сохраняемую смесь, или линии подачи с помощью работы насоса во втором, обратном, направлении.

Таким образом, путем добавления этанола в раствор восстановителя, температура замерзания жидкого восстановителя может быть снижена. По существу можно сократить количество случаев замерзания восстановителя. Если температура падает ниже значения, порогового для образования осадка, то жидкий восстановитель может быть подогрет передающей трубкой. Таким образом, система впрыска жидкого восстановителя потребляет меньше энергии, так как нагревание бака-хранилища для восстановителя не требуется. Благодаря данным особенностям системе может потребоваться меньше энергии во время работы, и общая экономия топлива может быть увеличена. Более того, обратная прокачка системы впрыска жидкого восстановителя может очистить линию подачи и обратную магистраль от остатков жидкого восстановителя. Это может предотвратить осаждение и/или замерзание восстановителя в линии подачи и обратной магистрали, когда температура окружающей среды ниже точек осаждения и замерзания жидкого восстановителя, тем самым, уменьшая засорение и повышая эффективность снижения уровня NOx.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ обработки выхлопных газов двигателя, при котором: осуществляют хранение раствора этанола, воды и мочевины в баке-хранилище; подают указанный раствор в электронагреваемую передающую трубку для доставки через линию подачи и форсунку в поток выхлопных газов с помощью насоса, работающего в первом направлении; и осуществляют очистку возвращающей раствор обратной магистрали или линии подачи с помощью насоса, работающего во втором направлении, обратном первому направлению, при этом передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

Предпочтительно, дополнительно определяют, превышает ли температура окружающей среды пороговое значение температуры осаждения раствора.

Предпочтительно, дополнительно приводят в действие систему впрыска восстановителя в первом режиме, если температура окружающей среды ниже порогового значения температуры осаждения, и приводят в действие систему впрыска восстановителя во втором режиме, если температура окружающей среды выше порога осаждения.

Предпочтительно, первый режим включает подачу электрического тока на электронагреваемую передающую трубку в течение первого промежутка времени.

Предпочтительно, первый режим дополнительно включает в себя открывание перепускного клапана регулятора давления в обратной магистрали, сохранение форсунки в закрытом положении и подогревание раствора за счет его подачи в электронагреваемую передающую трубку для рециркуляции к баку-хранилищу в течение второго промежутка времени.

Предпочтительно, первый режим дополнительно включает закрывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и подачу раствора в электронагреваемую передающую трубку с помощью насоса, работающего в первом направлении, для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения.

Предпочтительно, первый режим дополнительно включает в себя открывание форсунки и впрыскивание раствора в поток выхлопных газов, когда давление в системе впрыска восстановителя больше порогового значения.

Предпочтительно, второй режим включает в себя сохранение форсунки в закрытом положении, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении, поддержание электронагреваемой передающей трубки в ненагретом состоянии и подачу раствора в электронагреваемую передающую трубку с помощью насоса, работающего в первом направлении, для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения.

Предпочтительно, второй режим дополнительно включает в себя открывание форсунки и впрыскивание раствора в поток выхлопных газов, когда давление в системе впрыска восстановителя выше порогового значения.

Предпочтительно, дополнительно, после выключения двигателя, сохраняют перепускной клапан регулятора давления в закрытом положении и осуществляют очистку возвращающей раствор обратной магистрали или линии подачи с помощью насоса, работающего во втором направлении, обратном первому, и, затем, закрывают форсунку.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ обработки выхлопных газов двигателя посредством системы впрыска восстановителя, включающий: при запуске двигателя из холодного состояния: подачу электрического тока на электронагреваемую передающую трубку в течение первого промежутка времени, после окончания первого промежутка времени открывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для подогрева и рециркуляции раствора восстановителя в течение второго промежутка времени, после окончания второго промежутка времени закрывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения, после чего открывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для распыления раствора восстановителя в поток выхлопных газов; при запуске двигателя из прогретого состояния: сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения, после чего открывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для впрыскивания раствора восстановителя в поток выхлопных газов; и при выключении двигателя: закрывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса во втором направлении, обратном первому, для очистки линии подачи и обратной магистрали от раствора восстановителя; при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

Предпочтительно, раствор восстановителя содержит воду, этанол и мочевину.

Предпочтительно, первый конец передающей трубки соединен с насосом, а второй противоположный конец передающей трубки проходит в бак-хранилище раствора восстановителя.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создана система выпуска выхлопных газов двигателя, содержащая: выхлопной патрубок, в который поступают выхлопные газы двигателя, и систему впрыска жидкого восстановителя для впрыскивания жидкого восстановителя в выхлопной патрубок, содержащую: форсунку для впрыскивания жидкого восстановителя в выхлопной патрубок, бак-хранилище для хранения жидкого восстановителя, реверсивный насос и электронагреваемую передающую трубку, соединенную с реверсивным насосом и содержащую нагревательный механизм, для подачи жидкого восстановителя из бака-хранилища к форсунке; при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

Предпочтительно, система впрыска жидкого восстановителя дополнительно содержит обратную магистраль, содержащую регулятор давления и перепускной клапан регулятора давления.

Предпочтительно, жидкий восстановитель содержит воду, этанол и мочевину.

Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан способ обработки выхлопных газов двигателя с помощью системы впрыска жидкого восстановителя, включающий: хранение восстановительного раствора этанола, воды и мочевины в баке-хранилище; в первом режиме подачу указанного раствора в электронагреваемую передающую трубку и рециркуляцию раствора восстановителя к баку-хранилищу без подачи в поток выхлопных газов двигателя в обход регулятора давления в системе впрыска жидкого восстановителя; переход после первого режима ко второму режиму путем прерывания подачи в обход регулятора давления и обеспечения работы регулятора давления в режиме контроля давления в форсунке во время подачи раствора восстановителя в поток выхлопных газов двигателя; и во время остановки двигателя прекращение впрыскивания раствора восстановителя и применение отрицательного давления для очистки обратной магистрали и линии подачи системы впрыска жидкого восстановителя; при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

Следует отметить, что вышеизложенное раскрытие изобретения приведено для представления в упрощенной форме ряда принципов, которые далее описаны более детально. Данное раскрытие не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков заявленной формулы изобретения, объем которых определяется единственным образом в пунктах изобретения, следующих за детальным описанием. Кроме того, заявленная формула изобретения не ограничивается вариантами осуществления изобретения, направленными на разрешение какого-либо из недостатков, указанных выше или описанными в любой части данного раскрытия сущности изобретения.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых обозначено:

Фиг. 1 - вариант осуществления системы выпуска выхлопных газов для получения и обработки выхлопных газов двигателя;

Фиг. 2 - вариант выполнения бака-хранилища для мочевины и системы впрыска мочевины в системе выпуска выхлопных газов, показанной на Фиг. 1;

Фиг. 3 - поперечное сечение варианта выполнения передающей трубки системы впрыска мочевины, показанной на Фиг. 2;

Фиг. 4 - блок-схема варианта осуществления способа работы системы впрыска мочевины, показанной на Фиг. 2; и

Фиг. 5 - блок-схема варианта осуществления способа работы системы впрыска мочевины, показанной на Фиг. 2 в режиме растворения осадка.

В настоящем разделе раскрыты варианты осуществления системы выпуска выхлопных газов и системы впрыска мочевины для использования с водным раствором мочевины и этанола. Такая система впрыска мочевины может быть использована для обработки выхлопных газов восстановлением оксидов азота (NOx) при различных температурных условиях окружающей среды. В частности, система впрыска мочевины может быть использована для обработки выхлопных газов при температурах окружающей среды, которые ниже нормальной температуры замерзания водного раствора мочевины, как более подробно описано далее.

На Фиг. 1 показан вариант осуществления системы выпуска выхлопных газов для транспортного средства с дизельным двигателем, содержащей систему впрыска мочевины. На Фиг. 2 показан детальный вид системы впрыска мочевины. На Фиг. 3 показано поперечное сечение нагреваемой передающей трубки вдоль оси 3-3', показанной на Фиг. 2. На Фиг. 4 показана блок-схема варианта осуществления способа работы системы впрыска мочевины, показанной на Фиг. 2, в нормальном режиме или в режиме растворения осадка. На Фиг. 5 показана блок-схема варианта осуществления способа для режима растворения осадка.

В частности, на Фиг. 1 показана система 100 выпуска выхлопных газов для транспортировки выхлопных газов, вырабатываемых двигателем 110 внутреннего сгорания. В данном неограничивающем варианте осуществления двигатель 110 представляет собой дизельный двигатель, который производит механическую полезную мощность путем сжигания смеси воздуха и дизельного топлива. В альтернативном варианте осуществления двигатель 110 может представлять собой другие типы двигателей, в частности бензиновые двигатели.

Выхлопная система 100 может содержать один или более следующих элементов: выпускной коллектор 120, в который поступают выхлопные газы, вырабатываемые одним или более цилиндрами двигателя 110, участок 130 смешивания, расположенный ниже по потоку выпускного коллектора 120, в которую поступает жидкий восстановитель, каталитический нейтрализатор 140 селективного каталитического восстановления (SCR), расположенный ниже по потоку участка 130 смешивания, и устройство 150 подавления шумов, расположенное ниже по потоку каталитического нейтрализатора 140. Кроме того, система 100 выпуска выхлопных газов может содержать несколько выхлопных труб или патрубков для соединения потоков различных компонентов выхлопной системы. Например, как показано на Фиг. 1, выпускной коллектор 120 может быть соединен с участком 130 смешивания с помощью одного или более выхлопных патрубков 162 и 164. Каталитический нейтрализатор 140 может быть соединен с устройством 150 подавления шумов с помощью выхлопного патрубка 166. В результате выхлопные газы могут проходить от устройства 150 подавления шумов в окружающую среду через выхлопной патрубок 168. Стоит отметить, что, хотя это и не показано на Фиг. 1, система 100 выпуска выхлопных газов может содержать сажевый фильтр и/или дизельный окислительный нейтрализатор, установленный выше или ниже по потоку каталитического нейтрализатора 140. Кроме того, необходимо отметить, что выхлопная система 100 может содержать два или более каталитических нейтрализатора.

В некоторых вариантах осуществления участок 130 смешивания может иметь большую площадь поперечного сечения или площадь сечения потока, чем выхлопной патрубок 164 выше по потоку. Участок 130 смешивания может содержать первую часть 132 и вторую часть 134. Первая часть 132 участка 130 смешивания может содержать форсунку 136 для селективного впрыскивания жидкости в выхлопную систему. Вторая часть 134 участка 130 смешивания может быть выполнена с возможностью согласования изменения площади поперечного сечения или площади сечения потока между первой частью 132 и каталитическим нейтрализатором 140. Стоит отметить, что каталитический нейтрализатор 140 может представлять собой любой подходящей каталитический нейтрализатор восстановления оксидов азота (NOx) или других продуктов горения в результате сгорания топлива в двигателе 110.

Форсунка 136 является частью системы 200 впрыска жидкого восстановителя. В неограничивающем варианте осуществления жидкость, впрыскиваемая с помощью форсунки 136, может представлять собой жидкий восстановитель 178, например, раствор мочевины. В одном конкретном варианте осуществления жидкий восстановитель содержит водный раствор мочевины и этанола. В частности, жидкий восстановитель может содержать водный раствор, в котором 32,5% составляет мочевина, 25% составляет этанол и 42,5% составляет вода. По существу, в данном конкретном варианте осуществления точка замерзания жидкого восстановителя составляет примерно -30°С. Жидкий восстановитель 178 может быть подан в форсунку 136 через трубку 174 из бака-хранилища 176 с помощью насоса 172. Жидкий восстановитель 178 может быть возвращен в бак-хранилище 176 для восстановителя через канал 180 возврата восстановителя. В настоящем варианте осуществления насос 172 представляет собой реверсивный насос, хотя в альтернативном варианте осуществления система впрыска жидкого восстановителя может содержать второй насос, который прокачивает жидкий восстановитель в противоположном направлении относительно насоса 172.

Стоит отметить, что с точки зрения применения в транспортных средствах выхлопная система 100 может быть установлена в нижней части шасси транспортного средства. Кроме того, стоит отметить, что выхлопной патрубок может содержать один или более сгибов или искривлений для приспособления к определенной конструкции транспортного средства. Более того, стоит отметить, что в некоторых вариантах осуществления выхлопная система 100 может содержать дополнительные компоненты, непоказанные на Фиг. 1, и/или может не включать описанные здесь компоненты.

На Фиг. 2 показано более детальное изображение системы 200 впрыска жидкого восстановителя. Как описано выше, жидкий восстановитель 178 хранится в баке-хранилище 176 для восстановителя. В описанном выше варианте осуществления, где жидкий восстановитель представляет собой водный раствор мочевины и этанола, мочевина полностью растворена в водно-этанольном растворе при температурах выше 0°С; однако, при охлаждении до температур ниже диапазона от 0°С до -5°С мочевина может, по меньшей мере частично, осаждаться из раствора в виде осадка 222 мочевины. В одном варианте осуществления осадок 222 мочевины оседает в нижней части, занимая пространство между одной третьей до одной четвертой бака-хранилища 176 для восстановителя. Описанный выше водный раствор мочевины и этанола имеет преимущество, так как он замерзает не при -11°С (нормальная температура замерзания водного раствора мочевины), а при более низкой температуре около -30°С.

Кроме того, система 200 впрыска жидкого восстановителя имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что при температурах ниже порогового значения, например, в промежутке между 0°С и -5°С, в системе предусмотрен механизм для растворения осадка мочевины, при котором не требуется нагревания бака-хранилища. Для данной цели, как показано на Фиг. 2, насос 172 соединен с передающей трубкой 202. Передающая трубка проходит в нижнюю часть бака-хранилища 176, занимая от одной трети до одной четвертой бака-хранилища 176, в которой может находиться осадок 222 мочевины при температуре окружающей среды ниже порога осаждения жидкого восстановителя. В настоящем варианте осуществления передающая трубка 202 является нагреваемой передающей трубкой. Одна вариант осуществления нагреваемой передающей трубки показан на Фиг. 3.

В частности, на Фиг. 3 показано поперечное сечение устройства нагреваемой передающей трубки вдоль оси 3-3′ передающей трубки 202, изображенной на Фиг. 2, в соответствии с одним вариантом осуществления. В данном варианте осуществления передающая трубка 202 включает в себя наружную трубку 302, внутреннюю трубку 308 и внутреннее цилиндрическое пространство 310, которое представляет собой пространство внутри внутренней трубки 308. Внутренне цилиндрическое пространство 310 имеет коническое отверстие 312 на всасывающем конце 320, через которое жидкий восстановитель 178 может поступать в цилиндрическое пространство 310 за счет всасывания или отрицательного давления, создаваемого насосом 172. В альтернативном варианте осуществления передающая трубка может быть цилиндрической на всасывающем конце и содержать коническую часть в качестве отдельно присоединяемой детали. Конец 322, противоположный всасывающему концу 320, соединен с насосом 172, как показано на Фиг. 2.

Как показано на Фиг. 3, между наружной трубкой 302 и внутренней трубкой 308 расположен воздушный зазор 304, а на внешней поверхности внутренней трубки 308 расположен слой 306 нагревательной ленты. Слой 306 нагревательной ленты может содержать электрический элемент, соединенный с источником питания транспортного средства для подачи тепла в область внутренней трубки 308. Воздушный зазор 304 может способствовать сокращению потерь тепла, возникающих из-за передачи тепла от наружной трубки 302 баку-хранилищу 176 для восстановителя, и предотвратить контакт жидкого восстановителя со слоем 306 нагревательной ленты. Таким образом, в данном варианте осуществления воздушный зазор обеспечивает эффективное использование электричества при нагревании передающей трубки и защищает компоненты нагревательной ленты от неблагоприятного воздействия жидкого восстановителя. В альтернативных вариантах осуществления передающая трубка 202 может иметь другой или дополнительный нагревающий механизм, такой как спиральный нагреватель.

Как показано на Фиг. 2, управление передающей трубкой 202 и насосом 172 осуществляют модулем 206 управления питанием (РСМ). Насос 172 соединен с подающей трубкой 174 для подачи жидкого восстановителя 178 к топливной форсунке 136, где происходит впрыскивание жидкого восстановителя в поток выхлопных газов (не показан) в форме распылителя 220 восстановителя. Подающая трубка 174 содержит фильтр 218, который фильтрует жидкий восстановитель, особенно в условиях окружающей среды ниже пороговых значений, когда в жидком восстановителе может присутствовать осадок мочевины. Подающая трубка 174 дополнительно содержит датчик 216 давления, который посылает сигнал о давлении жидкого восстановителя модулю 206 управления питанием (РСМ). В данном варианте осуществления датчик давления расположен между насосом 172 и фильтром 218, ближе к фильтру; однако, в альтернативных вариантах осуществления датчик давления может быть расположен в другом месте, например, между фильтром 218 и форсункой 136.

Форсунка 136 дополнительно соединена с каналом 180 возврата восстановителя. Управление открытием и закрытием форсунки 136 регулируется модулем 206 управления питанием (РСМ). Канал 180 возврата восстановителя своим противоположным концом соединен с регулятором 212 давления. Когда давление выше заранее заданного порогового значения, регулятор 212 давления может быть открыт для сброса давления, которое, в противном случае, может повредить систему 200 впрыска жидкого восстановителя. Обводная линия 210 и перепускной клапан 208, который контролирует открытие и закрытие обводной линии 210, соединены с каналом 180 возврата восстановителя, обеспечивая прохождение в обход регулятора 212 давления. Управление открытием и закрытием перепускного клапана 208 осуществляется модулем 206 управления питанием (РСМ). Также управление регулятором 212 давления осуществляется модулем 206 управления питанием (РСМ). По существу, пороговое значение давления для регулятора давления может быть задано через модуль 206 управления питанием (РСМ), и пороговое значение давления может быть изменено модулем 206 управления питанием (РСМ). Кроме того, для начала работы системы впрыска жидкого восстановителя РСМ может получать сигнал о температуре окружающей среды от датчика температуры (не показан). В альтернативном варианте осуществления датчик давления может представлять собой механически контролируемый регулятор давления со статическим пороговым значением давления.

На блок-схеме на Фиг. 4 показан способ 400 работы системы 200 впрыска жидкого восстановителя. Сначала на этапе 402 запускается двигатель транспортного средства, подавая сигнал модулю управления питанием (РСМ) о том, что для обработки выхлопных газов требуется впрыск жидкого восстановителя. На этапе 404 модуль управления питанием (РСМ) определяет, является ли температура окружающей среды выше порогового значения_А. В данном варианте осуществления пороговое значение_А находится в диапазоне от 0°С до -5°С. Например, для вышеописанного водного раствора мочевины и этанола температура замерзания составляет -30°С, а осаждение мочевины происходит при температурах, значение которых меньше диапазона температур от 0°С до -5°С. Если температура окружающей среды меньше порогового значения_А, то на этапе 406 система впрыска жидкого восстановителя работает в режиме растворения осадка. Описание режима растворения осадка более подробно приведено в отношении способа 500 со ссылкой на Фиг. 5. Если температура окружающей среды выше порогового значения_А, то система впрыска жидкого восстановителя работает в нормальном рабочем режиме, показанном на этапах 408-426.

На этапе 408 насос включают в прямом направлении, при котором жидкий восстановитель течет от бака-хранилища к форсунке. На этапе 410 модуль управления питанием (РСМ) определяет, является ли давление в системе впрыска жидкого восстановителя больше порогового значения₁. В одном варианте осуществления давление порогового значения₁ находится в диапазоне 4-10 бар. Пороговое значение₁ может представлять собой статическое давление, например, 5 бар; однако, в альтернативном варианте осуществления пороговое значение₁ может быть установлено на более высокое значение давления для улучшения распыления, и в дальнейшем может быть отрегулировано до более низкого значения давления для сокращения размера капель и скорости испарения воды из водного раствора мочевины. Если давление в системе меньше порогового значения₁, то насос продолжает работу в прямом направлении с закрытой форсункой на этапе 412 до тех пор, пока на этапе 410 давление не достигнет порогового значения₁. Когда давление в системе выше порогового значения₁ насос продолжает накачку в прямом направлении, а форсунка открывается на этапе 414 и восстановитель впрыскивается в поток выхлопных газов для восстановления NOx.

Впрыскивание продолжается до тех пор, пока двигатель не будет выключен, как показано на этапах 416-420, где модуль управления питанием (РСМ) определяет, что двигатель выключен. После того, как на этапе 416 двигатель выключается, на этапе 420 насос переключается на накачку в обратном направлении, когда жидкий восстановитель течет от форсунки к баку-хранилищу. Таким образом, жидкий восстановитель удаляется из подающей трубки и трубки возврата восстановителя во время продувки воздухом. В описанном выше альтернативном варианте осуществления, в котором система впрыска жидкого восстановителя содержит два отдельных насоса (первый насос для накачки в прямом направлении, второй - для накачки в обратном направлении), на этапе 420 первый насос выключается, а второй - включается.

Далее на этапе 422 определяют, истекло ли время₁. В одном варианте осуществления время₁ составляет 20-40 секунд. Если время₁ не истекло, то насос продолжает работать в обратном направлении с открытой форсункой на этапе 424. После того, как время₁ истекло, насос останавливается на этапе 426 и выполнение способа заканчивается. В альтернативном варианте осуществления форсунка может быть открыта во время работы в обратном направлении, закрываясь тогда, когда насос останавливается. Стоит отметить, что в нормальном режиме предел давления регулятора давления может быть установлен модулем управления питанием (РСМ), при этом перепускной клапан регулятора давления остается закрытым, Далее регулятор давления открывается только в том случае, если давление превышает предустановленный предел давления для защиты системы впрыска жидкого восстановителя от повреждений, вызванных высоким давлением.

Как было кратко описано выше, если на этапе 404 температура окружающей среды меньше порогового значения_А, например, температура меньше 0°С, то система впрыска жидкого восстановителя работает в режиме растворения осадка, как показано в способе 500 на Фиг. 5. В способе 500 нагреватель передающей трубки включается на этапе 502. Например, на слой нагревательной ленты передающей трубки может быть подан электрический ток. Передающая трубка продолжает нагреваться на этапе 506 до тех пор, пока на этапе 504 модуль управления питанием (РСМ) не определит, что время₂ истекло. В одном варианте осуществления время₂ составляет одну минуту. По истечении времени₂ перепускной клапан регулятора давления открывается, насос осуществляет накачку в прямом направлении (как описано выше), в то время как форсунка закрыта, на этапах 508 и 510 соответственно. Таким образом, жидкий восстановитель рециркулирует в системе впрыска жидкого восстановителя и во время рециркуляции жидкий восстановитель нагревается с помощью передающей трубки для растворения осадка мочевины, который может скапливаться в нижней части бака-хранилища.

Рециркуляция продолжается во время работы насоса в прямом направлении с закрытым клапаном форсунки и открытым перепускным клапаном регулятора давления на этапе 514 до тех пор, пока на этапе 512 модуль управления питанием (РСМ) не определит, что время₃ истекло. В одном варианте осуществления время₃ составляет две минуты. Далее перепускной клапан регулятора закрывается, насос продолжает работать в прямом направлении на этапе 516. Накачка в прямом направлении с закрытым перепускным клапаном и закрытой форсункой продолжается на этапе 520 до тех пор, пока на этапе 518 модуль управления питанием (РСМ) не определит, что давление в системе впрыска жидкого восстановителя выше порогового значения₁. Следует отметить, что этапы 518 и 520 способа 500 по существу аналогичны этапам 410 и 412 способа 400. Таким образом, от этапов 518 и 520 способа 500 происходит переход на этапы 414-426 способа 400, показанного на Фиг. 4, для осуществления впрыска раствора восстановителя в поток выхлопных газов во время работы двигателя и продувки воздухом системы впрыска жидкого восстановителя при выключенном двигателе.

Описанные выше система и способ обеспечивают повышенную защиту от замерзания жидкого раствора восстановителя путем понижения температуры точки замерзания раствора. Также система и способ обеспечивают эффективные средства подогрева раствора восстановителя и предотвращения засорения линии подачи и обратной магистрали в системе впрыска жидкого восстановителя. В одном варианте осуществления жидкий восстановитель содержит мочевину, этанол и воду, а не только мочевину и воду, снижая, таким образом, температуру точки замерзания. В одном варианте осуществления температура замерзания может быть снижена с -11°С до -30°С.

Если температура окружающей среды ниже порогового значения, что приводит к осаждению мочевины, система впрыска жидкого восстановителя может работать в режиме растворения осадка, который является альтернативой нормальному рабочему режиму. В системе впрыска жидкого восстановителя электронагреваемая передающая трубка может быть соединена с насосом и перепускным клапаном регулятора давления, и траектория движения может проходить по обратной магистрали восстановителя. Таким образом, в режиме растворения осадка восстановитель может рециркулировать, когда насос осуществляет накачку в прямом направлении, перепускной клапан открыт, форсунка закрыта, а электронагреваемая передающая трубка нагревается для растворения осадка мочевины.

В одном варианте осуществления передающая трубка содержит внутреннюю трубку и наружную трубку с воздушным зазором, расположенным между внутренней трубкой и наружной трубкой. Слой нагревательной ленты расположен на внешней поверхности внутренней трубки, внутри воздушного зазора. При засасывании с помощью насоса жидкий восстановитель попадает в передающую трубку и контактирует с внутренней поверхностью внутренней трубки. Тепло передается от нагревательной ленты жидкому восстановителю через внутреннюю трубку, когда электрический ток подается на нагревательную ленту, что происходит в том случае, если определенная температура окружающей среды ниже порогового значения. Воздушный зазор предотвращает передачу тепла от нагревательной ленты к баку-хранилищу через наружную трубку. Также воздушный зазор предотвращает повреждение компонентов нагревательной ленты в результате контакта с жидким восстановителем. Пока жидкий восстановитель рециркулирует и нагревается с помощью системы впрыска жидкого восстановителя, осадок мочевины растворяется. Таким образом, раствор жидкого восстановителя имеет необходимую концентрацию мочевины при впрыскивании в поток обработки выхлопных газов для восстановления NOx в выхлопных газах.

Кроме того, система впрыска жидкого восстановителя может содержать реверсивный насос или второй насос, который направляет восстановитель в направлении, противоположном направлению работы первого насоса, как описано выше. После отключения двигателя форсунка может быть закрыта и в системе впрыска жидкого восстановителя происходит накачка в обратном направлении. Таким образом, жидкий восстановитель может быть удален из канала подачи и обратной магистрали, предотвращая выпадение осадка и/или замерзание восстановителя, что, в противном случае, может вызвать засорение канала подачи и обратной магистрали, когда температура окружающей среды находится ниже точек замерзания или осаждения раствора жидкого восстановителя.

Помимо пониженной температуры точки замерзания жидкого восстановителя вышеописанные система и способ могут иметь ряд других преимуществ. Например, может быть снижена стоимость нагревательных компонентов, так как проводится нагревание только передающей трубки, а не всего бака-хранилища. Также стоимость может быть снижена благодаря тому, что для компонентов, за исключением передающей трубки, не требуется использование конструкции с защитой от замерзания и защитой компонентов системы от многочисленных циклов замерзания/оттаивания. В другом варианте осуществления размеры бака-хранилища для восстановителя могут быть уменьшены до более пригодного для использования объема за счет уменьшения использования изоляционного материала на стенках бака-хранилища и сокращения парового пространства, необходимого для вмещения увеличенного объема восстановителя при образовании льда.

В другом варианте осуществления снижение температуры замерзания жидкого восстановителя может привести к тому, что концентрация мочевины не будет зависеть от точки замерзания. Таким образом возможно использование более высокого содержания химического восстановителя благодаря возможности работать при повышенной концентрации восстановителя в заданном объеме. Более пригодный для использования объем может позволить увеличить пробег между проведением дозаправки мочевиной, сокращая расходы на техническое обслуживание транспортного средства. В другом варианте осуществления более пригодный для использования объем и/или более высокая концентрация восстановителя может позволить увеличить нагрузку по восстановлению NOx на систему последующей обработки выхлопных газов, одновременно сокращая нагрузку по восстановлению NOx на систему сгорания топлива двигателя. Это может сократить объем рециркуляции выхлопных газов, обеспечивая дополнительное повышение экономии топлива транспортного средства.

Кроме того, свойство этанола испаряться из раствора жидкого восстановителя также может предоставлять определенные преимущества. Например, раствор жидкого восстановителя может образовывать газообразные фракции (NH₃ и HNCO) благодаря более быстрому испарению жидкой фракции, содержащей этанол, так как этанол имеет более низкую точку кипения по сравнению с водной частью. Это может сократить продолжительность обработки, необходимую для испарения капель, и сделать возможным использование меньшей длины участка смешивания, сокращая пространство, занимаемое системой последующей обработки. В другом варианте осуществления жидкий раствор восстановителя может предоставлять возможность для сокращения объема тепла, требующегося от выхлопных газов для испарения капелек раствора восстановителя, благодаря более низкой удельной теплоемкости этанола по сравнению с водой. Это может также способствовать снижению продолжительности обработки, необходимой для испарения капель, и позволить использование меньшей длины участка смешивания, также улучшая компактность системы обработки и доступность пространства. Также благодаря более низкой точке кипения раствора этанола, раствор жидкого восстановителя может образовывать меньшее количество отложений на поверхностях смесителей распылителей восстановителя и внутренних стенках выхлопных труб благодаря более быстрому испарению капель восстановителя.

Необходимо отметить, что раскрытые здесь варианты осуществления и способы приведены в качестве примеров и что данные конкретные варианты осуществления не стоит рассматривать как ограничивающие, так как существует множество различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Например, вышеописанная технология может применяться к двигателям V-6, 1-4, 1-6, V-12, двигателям с четырьмя оппозитными цилиндрами и другим типам двигателя. Объект настоящего раскрытого изобретения включает все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и вариантов их осуществления, а также других раскрытых в настоящем описании характеристик, функций и/или свойств.

Изобретение относится к системе и способу подачи раствора жидкого восстановителя в систему обработки выхлопных газов. При реализации способа работы системы впрыска жидкого восстановителя осуществляют хранение раствора этанола, воды и мочевины в баке-хранилище. Подают указанный раствор в электронагреваемую передающую трубку для доставки через линию подачи и форсунку в поток выхлопных газов с помощью насоса, работающего в первом направлении. Осуществляют очистку возвращающей раствор обратной магистрали или линии подачи с помощью насоса, работающего во втором направлении, обратном первому направлению. При этом передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки. Также предложена система для реализации данного способа. При использовании изобретения достигается экономия топлива, предотвращаются осаждение и замерзание восстановителя. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обработки выхлопных газов двигателя, при котором:
осуществляют хранение раствора этанола, воды и мочевины в баке-хранилище;
подают указанный раствор в электронагреваемую передающую трубку для доставки через линию подачи и форсунку в поток выхлопных газов с помощью насоса, работающего в первом направлении; и
осуществляют очистку возвращающей раствор обратной магистрали или линии подачи с помощью насоса, работающего во втором направлении, обратном первому направлению,
при этом передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

2. Способ по п. 1, при котором дополнительно определяют, превышает ли температура окружающей среды пороговое значение температуры осаждения раствора.

3. Способ по п. 2, при котором дополнительно приводят в действие систему впрыска восстановителя в первом режиме, если температура окружающей среды ниже порогового значения температуры осаждения, и приводят в действие систему впрыска восстановителя во втором режиме, если температура окружающей среды выше порога осаждения.

4. Способ по п. 3, при котором первый режим включает подачу электрического тока на электронагреваемую передающую трубку в течение первого промежутка времени.

5. Способ по п. 4, при котором первый режим дополнительно включает в себя открывание перепускного клапана регулятора давления в обратной магистрали, сохранение форсунки в закрытом положении и подогревание раствора за счет его подачи в электронагреваемую передающую трубку для рециркуляции к баку-хранилищу в течение второго промежутка времени.

6. Способ по п. 5, при котором первый режим дополнительно включает закрывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и подачу раствора в электронагреваемую передающую трубку с помощью насоса, работающего в первом направлении, для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения.

7. Способ по п. 6, при котором первый режим дополнительно включает в себя открывание форсунки и впрыскивание раствора в поток выхлопных газов, когда давление в системе впрыска восстановителя больше порогового значения.

8. Способ по п. 3, при котором второй режим включает в себя сохранение форсунки в закрытом положении, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении, поддержание электронагреваемой передающей трубки в ненагретом состоянии и подачу раствора в электронагреваемую передающую трубку с помощью насоса, работающего в первом направлении, для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения.

9. Способ по п. 8, при котором второй режим дополнительно включает в себя открывание форсунки и впрыскивание раствора в поток выхлопных газов, когда давление в системе впрыска восстановителя выше порогового значения.

10. Способ по п. 1, при котором дополнительно, после выключения двигателя, сохраняют перепускной клапан регулятора давления в закрытом положении и осуществляют очистку возвращающей раствор обратной магистрали или линии подачи с помощью насоса, работающего во втором направлении, обратном первому, и, затем, закрывают форсунку.

11. Способ обработки выхлопных газов двигателя посредством системы впрыска восстановителя, включающий:
при запуске двигателя из холодного состояния: подачу электрического тока на электронагреваемую передающую трубку в течение первого промежутка времени, после окончания первого промежутка времени открывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для подогрева и рециркуляции раствора восстановителя в течение второго промежутка времени, после окончания второго промежутка времени закрывание перепускного клапана регулятора давления, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения, после чего открывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для распыления раствора восстановителя в поток выхлопных газов;
при запуске двигателя из прогретого состояния: сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении, сохранение форсунки в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для повышения давления в системе впрыска восстановителя до тех пор, пока давление в системе впрыска восстановителя не станет больше порогового значения, после чего открывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса в первом направлении для впрыскивания раствора восстановителя в поток выхлопных газов; и
при выключении двигателя: закрывание форсунки, сохранение перепускного клапана регулятора давления в закрытом положении и приведение в действие насоса во втором направлении, обратном первому, для очистки линии подачи и обратной магистрали от раствора восстановителя;
при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

12. Способ по п. 11, при котором раствор восстановителя содержит воду, этанол и мочевину.

13. Способ по п. 11, при котором первый конец передающей трубки соединен с насосом, а второй противоположный конец передающей трубки проходит в бак-хранилище раствора восстановителя.

14. Система выпуска выхлопных газов двигателя, содержащая:
выхлопной патрубок, в который поступают выхлопные газы двигателя, и
систему впрыска жидкого восстановителя для впрыскивания жидкого восстановителя в выхлопной патрубок, содержащую:
- форсунку для впрыскивания жидкого восстановителя в выхлопной патрубок,
- бак-хранилище для хранения жидкого восстановителя,
- реверсивный насос и
- электронагреваемую передающую трубку, соединенную с реверсивным насосом и содержащую нагревательный механизм, для подачи жидкого восстановителя из бака-хранилища к форсунке;
при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.

15. Система по п. 14, в которой система впрыска жидкого восстановителя дополнительно содержит обратную магистраль, содержащую регулятор давления и перепускной клапан регулятора давления.

16. Система по п. 14, в которой жидкий восстановитель содержит воду, этанол и мочевину.

17. Способ обработки выхлопных газов двигателя с помощью системы впрыска жидкого восстановителя, включающий:
хранение восстановительного раствора этанола, воды и мочевины в баке-хранилище;
в первом режиме подачу указанного раствора в электронагреваемую передающую трубку и рециркуляцию раствора восстановителя к баку-хранилищу без подачи в поток выхлопных газов двигателя в обход регулятора давления в системе впрыска жидкого восстановителя;
переход после первого режима ко второму режиму путем прерывания подачи в обход регулятора давления и обеспечения работы регулятора давления в режиме контроля давления в форсунке во время подачи раствора восстановителя в поток выхлопных газов двигателя; и
во время остановки двигателя прекращение впрыскивания раствора восстановителя и применение отрицательного давления для очистки обратной магистрали и линии подачи системы впрыска жидкого восстановителя;
при этом электронагреваемая передающая трубка содержит внутреннюю трубку, наружную трубку, воздушный зазор между внутренней трубкой и наружной трубкой и слой нагревательной ленты, расположенный на внешней поверхности внутренней трубки.