СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ Российский патент 2020 года по МПК F01N3/35 F01N3/20 F01N13/00 

Описание

Изобретение относится к способу эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, к устройству согласно ограничительной части п. 14, а также к автомобилю, в частности, грузовому автомобилю, для осуществления способа и/или с устройством по п. 15.

Как известно, на выхлопном тракте двигателя внутреннего сгорания предусмотрен сажевый фильтр, посредством которого частицы, содержащиеся в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания, в частности частицы углерода, удаляются из отработавшего газа и могут накапливаться. Регенерацию такого сажевого фильтра можно осуществить, например, путем сжигания накопившихся в сажевом фильтре частиц. Для этого сжигания требуются высокие температуры (примерно 600°C), которых при обычном режиме эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, обычно не достигаются. Чтобы все же можно было сжечь скопившиеся в сажевом фильтре частицы, обычно прибегают к мерам, с помощью которых температуру сажевого фильтра можно повысить на короткое время. Такими мерами могут быть, например, повышение количества впрыскиваемого топлива, нагревание сажевого фильтра нагревательным устройством или создание противодавления отработавшему газу. Следующей известной возможностью регенерации сажевого фильтра является непрерывная регенерация (CRT: Continuous Regeneration Trap). При такой регенерации сажевого фильтра обычно в выхлопном тракте до сажевого фильтра, если смотреть в направление потока отработавшего газа, расположен катализатор окисления, на котором моноксид азота, содержащийся в отработавшем газе дизельного двигателя, превращается в диоксид азота. Образованный диоксид азота реагирует уже при меньших температурах отработавшего газа (примерно 250°C) с накопившимися в сажевом фильтре частицами углерода, в результате чего сажевый фильтр регенерируется. Это происходит обычно в соответствии со следующим уравнением реакции:

2NO₂+C ->2NO+CO₂

Кроме того, известно также о применении на сажевом фильтре материала, каталитически активного в отношении селективного восстановления (SCR), посредством которого оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, могут быть восстановлены аммиаком в качестве восстановителя. Аммиак обычно вводят в форме водного раствора мочевины ("AdBlue") в выхлопной тракт до, если смотреть в направление течения отработавшего газа, сажевого фильтра. Восстановление оксидов азота протекает обычно в соответствии со следующими уравнениями реакции:

4NH₃+4NO+O₂ -> 4N₂+6H₂O

2NH₃+NO+NO₂ -> 2N₂+3H₂O

4NH₃+3NO₂ -> 3,5N₂+6H₂O

Как следует из указанных уравнений реакции, в случае сажевого фильтра, который должен непрерывно регенерироваться и который содержит SCR-катализатор, возникает конкуренция в отношении содержащегося в отработавшем газе диоксида азота. Как известно из DE 10/2014 001880 A1, для противодействия такой конкуренции, за сажевым фильтром, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, размещают следующий SCR-катализатор, и между, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, сажевым фильтром и следующим SCR-катализатором в выхлопной тракт также вводят водный раствор мочевины. В результате количество водного раствора мочевины, вводимого в выхлопной тракт до сажевого фильтра, можно снизить настолько, чтобы гарантировать непрерывную регенерацию сажевого фильтра. Желаемое снижение количества содержащихся в отработавшем газе оксидов азота гарантируется благодаря водному раствору мочевины, вводимому в выхлопной тракт за сажевым фильтром до следующего SCR-катализатора.

Задачей изобретения является разработать способ эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, а также предложить устройство, с помощью которого можно эффективно повысить эффективность нейтрализации отработавших газов.

Эта задача решена посредством отличительных признаков, указанных в независимых пунктах формулы изобретения.

Согласно п. 1, предлагается способ эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя, причем выхлопной тракт снабжен по меньшей мере одним сажевым фильтром, содержащим материал, каталитически активный в отношении селективного восстановления (далее сажевый SCR-фильтр) причем в указанном сажевом SCR-фильтре частицы, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, в частности, частицы углерода, удаляются из отработавшего газа и могут накапливаться, причем на сажевом SCR-фильтре оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, могут быть восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, причем предусмотрено первое устройство подачи восстановителя, которое может вводить восстановитель, в частности, в форме водного раствора мочевины, в выхлопной тракт до, если смотреть в направлении течения отработавших газов, сажевого SCR-фильтра, причем сажевый SCR-фильтр может непрерывно регенерироваться диоксидом азота в качестве окислителя, причем за сажевым SCR-фильтром в или на выхлопном тракте находится по меньшей мере один SCR-катализатор, на котором оксиды азота, также содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, и причем предусмотрено второе устройство подачи восстановителя, которое может вводить восстановитель, в частности, также в форме водного раствора мочевины, в выхлопной тракт за сажевым SCR-фильтром и до SCR-катализатора. Согласно изобретению, предусмотрен блок управления, посредством которого можно контролировать и/или регулировать количество восстановителя, введенного в выхлопной тракт через первое устройство подачи восстановителя и/или через второе устройство подачи восстановителя, в зависимости от температуры сажевого SCR-фильтра.

В результате заметно улучшается эффективность нейтрализации отработавших газов, так как количество восстановителя, введенное в выхлопной тракт первым устройством подачи восстановителя, и/или количество восстановителя, введенное в выхлопной тракт вторым устройством подачи восстановителя, устанавливается или изменяется теперь в зависимости от температуры сажевого SCR-фильтра. Температура сажевого SCR-фильтра имеет большое влияние на каталитический эффект SCR и непрерывную регенерацию сажевого SCR-фильтра и является важным параметром, который можно использовать для оптимизации системы или подачи восстановителя в выхлопной тракт. С помощью этого параметра можно достичь желаемой непрерывной регенерации сажевого SCR-фильтра, а также желаемого уменьшения количества оксидов азота, содержащихся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, при одновременной минимизации вводимого в выхлопной тракт количества восстановителя. Благодаря низкому расходу восстановителя снижаются эксплуатационные расходы на систему нейтрализации отработавших газов и, если система нейтрализации отработавших газов установлена в автомобиле, повышается пробег автомобиля.

При этом определить температуру сажевого SCR-фильтра можно, например, с помощью предусмотренных в или на выхлопном тракте первого, находящегося до сажевого SCR-фильтра, и второго, находящегося за сажевым фильтром, датчиков температуры, в частности, термоэлементов, использующихся для измерения температуры отработавшего газа, из результатов измерения этих датчиков блоком управления рассчитывается температура сажевого SCR-фильтра.

Далее, термин "выхлопной тракт" здесь определенно следует понимать в широком смысле. Так, выхлопной тракт включает все области и детали, через которые протекает отработавший газ двигателя внутреннего сгорания.

В одной предпочтительной реализации способа, когда текущая температура сажевого SCR-фильтра становится ниже заданного значения, первое устройство подачи восстановителя не вводит восстановитель в выхлопной тракт. Если текущая температура сажевого SCR-фильтра превышает заданное значение температуры, то первое устройство подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт заданное количество восстановителя. Таким образом, восстановитель можно вводить в выхлопной тракт через первое устройство подачи восстановителя только тогда, например, когда сажевый SCR-фильтр имеет достаточно высокую эффективность селективного каталитического восстановления.

Предпочтительно, заданное значение температуры сажевого фильтра ниже, чем температура инициирования SCR в сажевом SCR-фильтре, начиная с которой оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе, могут эффективно восстанавливаться на сажевом SCR-фильтре. Этим надежно гарантируется, что при достижении температуры инициирования SCR в сажевом SCR-фильтре там уже имеется достаточное количество восстановителя, чтобы восстановить текущие через сажевый SCR-фильтр оксиды азота. При этом предпочтительно предусматривается, что температура инициирования SCR в сажевом SCR-фильтре составляет от 220°C до 250°C. Конечно, альтернативно можно было бы принять заданное значение температуры сажевого фильтра равным, или идентичным, температуре инициирования SCR в сажевом SCR-фильтре.

В следующем предпочтительном варианте реализации способа блок управления контролирует и/или регулирует количество восстановителя, введенное первым устройством подачи восстановителя в выхлопной тракт, и/или количество восстановителя, введенное вторым устройством подачи восстановителя в выхлопной тракт, также в зависимости от температуры SCR-катализатора. Таким образом, можно еще больше повысить эффективность нейтрализации отработавших газов. Температуру SCR-катализатора также можно определить с помощью первого, предусмотренного в или на выхлопном тракте до сажевого SCR-фильтра, и второго, предусмотренного за SCR-катализатором, температурного датчика, в частности термоэлемента, использующихся для измерения температуры отработавшего газа, из результатов измерения этих датчиков блок управления рассчитывает температуру SCR-катализатора.

При этом если текущая температура SCR-катализатора становится ниже заданного значения температуры катализатора, второе устройство подачи восстановителя предпочтительно не вводит восстановитель в выхлопной тракт. Если текущая температура сажевого SCR-фильтра превышает заданное значение температуры, то второе устройство подачи восстановителя может вводить заданное количество восстановителя в выхлопной тракт. В результате можно, например, вводить восстановитель в выхлопной тракт только тогда, когда SCR-катализатор имеет достаточно высокую каталитическую активность в отношении SCR. В результате можно сберечь восстановитель и помешать вытеканию неизрасходованного аммиака из выхлопного тракта в атмосферу.

В принципе, заданное значение температуры катализатора можно установить равным или идентичным температуре инициирования SCR на SCR-катализаторе. Однако предпочтительно, если заданное значение температуры катализатора также меньше, чем температура инициирования SCR, начиная с которой оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе, можно восстановить на SCR-катализаторе. Этим также обеспечивается восстановление оксидов азота на SCR-катализаторе, когда SCR-катализатор достигает своей температуры инициирования SCR. При этом предпочтительно предусматривается, чтобы температура инициирования SCR на SCR-катализаторе лежала в температурном диапазоне от 220°C до 250°C.

Особенно предпочтительно, если заданное значение температуры сажевого фильтра и/или заданное значение температуры катализатора составляет от 150°C до 190°C. В таком температурном диапазоне гарантируется особенно эффективное применение восстановителя.

Далее, когда текущая температура сажевого SCR-фильтра превышает заданное значение температуры сажевого фильтра, а текущая температура SCR-катализатора становится ниже заданного значения температуры катализатора, предпочтительно вводить в выхлопной тракт такое количество восстановителя первым устройством подачи восстановителя, чтобы в зоне первого устройства подачи восстановителя имелось по существе стехиометрическое соотношение между восстановителем и оксидом азота. В результате с помощью сажевого SCR-фильтра можно восстановить большое количество содержащихся в отработавшем газе оксидов азота, когда SCR-катализатор еще достиг своей рабочей температуры. Кроме того, такое количество восстановителя препятствует отложению водного раствора мочевины в выхлопном тракте. Альтернативно этому стехиометрическому введению восстановителя, можно также предусмотреть, что через первое устройство подачи восстановителя в выхлопной тракт вводится такое количество восстановителя, чтобы в зоне первого устройства подачи восстановителя имелось большее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. В результате с помощью сажевого SCR-фильтра можно очень значительно снизить количество оксидов азота.

Когда текущая температура сажевого SCR-фильтра превышает заданное значение температуры сажевого фильтра, а текущая температура SCR-катализатора превышает заданное значение температуры катализатора, первое устройство подачи восстановителя предпочтительно вводит в выхлопной тракт такое количество восстановителя, чтобы в зоне первого устройства подачи восстановителя имелось меньшее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. В результате обеспечивается непрерывная регенерация сажевого SCR-фильтра. При этом предпочтительно предусматривается, что первое устройство подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт такое количество восстановителя, что в зоне первого устройства подачи восстановителя имеется от 50% до 80% восстановителя от количества, требующегося для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. Этим гарантируется эффективная непрерывная регенерация сажевого SCR-фильтра и одновременно также эффективное восстановление оксидов азота, содержащихся в отработавшем газе, на сажевом SCR-фильтре.

Далее, когда текущая температура сажевого SCR-фильтра превышает заданное значение температуры сажевого фильтра, а текущая температура SCR-катализатора превышает заданное значение температуры катализатора, второе устройство подачи восстановителя предпочтительно вводит в выхлопной тракт такое количество восстановителя, чтобы в зоне второго устройства подачи восстановителя имелось по существу стехиометрическое отношение восстановитель/оксид азота. В результате благодаря SCR-катализатору восстанавливается большое количество оксидов азота, содержащихся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, такое количество восстановителя препятствует отложению водного раствора мочевины в выхлопном тракте. Однако альтернативно можно было бы также предусмотреть введение в выхлопной тракт такого количества восстановителя вторым устройством подачи восстановителя, чтобы в зоне второго устройства подачи восстановителя имелось большее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. В результате благодаря SCR-катализатору можно очень сильно уменьшить количество оксидов азота.

В одном предпочтительном варианте осуществления в или на выхлопном тракте выше сажевого SCR-фильтра установлен по меньшей мере один катализатор окисления, на котором моноксид азота, содержащийся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, можно окислить до диоксида. С таким катализатором окисления надежно гарантируется непрерывная регенерация сажевого SCR-фильтра.

Более предпочтительно, в или на выхлопном тракте установлен по меньшей мере один накопитель оксида азота, в котором оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе, накапливаются и выделяются в зависимости от температуры отработавшего газа. При этом предпочтительно предусмотреть, чтобы накопитель оксида азота аккумулировал содержащиеся в отработавшем газе оксиды азота, когда температура накопителя становится ниже заданного предельного значения. Если температура накопителя оксида азота превышает заданное предельное значение, то накопитель оксида азота снова высвобождает скопившиеся оксиды азота. При этом предельное значение температуры предпочтительно лежит в диапазоне от 100°C до 200°C, особенно предпочтительно от 180°C до 200°C. Благодаря такому накопителю оксидов азота гарантируется, что оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, сначала будут накапливаться, если сажевый SCR-фильтр и/или указанный по меньшей мере один SCR-катализатор еще не достигли своей рабочей температуры. Когда сажевый SCR-фильтр и/или SCR-катализатор достигнут своей рабочей температуры, скопившиеся оксиды азота снова будут высвобождаться и восстанавливаться на сажевом SCR-фильтре и/или на SCR-катализаторе. При этом предпочтительно предусматривается, что накопитель оксидов азота в качестве аккумулирующего материала содержит нитрат бария и/или оксид церия. Накопитель оксидов азота может быть установлен в или на выхлопном тракте, например, до сажевого SCR-фильтра и/или до катализатора окисления. Альтернативно и/или дополнительно можно также расположить накопитель оксидов азота, например, непосредственно на сажевом SCR-фильтре и/или на катализаторе окисления.

Предпочтительно, сажевый SCR-фильтр и/или SCR-катализатор в качестве материала, обладающего каталитическими свойствами в отношении SCR, содержит медь, и/или ванадий, и/или по меньшей мере один цеолит. С таким каталитическим материалом гарантируется особенно эффективное восстановление оксидов азота, содержащихся в отработавшем газе.

Кроме того, для решения вышеуказанной задачи защита испрашивается на устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания, в частности, дизельный двигатель, и выхлопной тракт, причем выхлопной тракт содержит по меньшей мере один сажевый SCR-фильтр, на котором частицы, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, в частности, частицы углерода, удаляются из отработавшего газа и могут накапливаться, причем в сажевом SCR-фильтре оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, причем предусмотрено первое устройство подачи восстановителя, которое может вводить в выхлопной тракт восстановитель, в частности, в форме водного раствора мочевины, до, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, сажевого SCR-фильтра, причем сажевый SCR-фильтр может непрерывно регенерироваться диоксидом азота в качестве окислителя, причем за сажевым SCR-фильтром в или на выхлопном тракте находится по меньшей мере один SCR-катализатор, на котором оксиды азота, также содержащиеся в отработавшем газе двигателя внутреннего сгорания, могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, и причем предусмотрено второе устройство подачи восстановителя, которое может вводить в выхлопной тракт восстановитель, в частности, также в форме водного раствора мочевины, за сажевым SCR-фильтром и до SCR-катализатора. Согласно изобретению, предусмотрен блок управления, который может контролировать и/или регулировать количество восстановителя, вводимое в выхлопной тракт первым устройством подачи восстановителя и/или вторым устройством подачи восстановителя, в зависимости от температуры сажевого SCR-фильтра.

Преимущества, достигаемые с устройством согласно изобретению, идентичны уже отмеченным преимуществам способа по изобретению, так что они не будут обсуждаться повторно.

Далее, защита испрашивается также на автомобиль, в частности грузовой автомобиль, для осуществления способа согласно изобретению и/или с устройством согласно изобретению. Достигаемые при этом преимущества также идентичны уже отмеченным преимуществам способа по изобретению, так что они не будут здесь обсуждаться повторно. Альтернативно автомобилю, устройство может, естественно, быть выполненным стационарным или неподвижным.

Описанные выше и/или воспроизводимые в зависимых пунктах предпочтительные варианты осуществления и/или усовершенствования изобретения могут применяться самостоятельно или в произвольных комбинациях друг с другом, за исключением, например, случае однозначных зависимостей или несовместимых альтернатив.

Далее, исключительно в качестве иллюстрации, изобретение и его предпочтительные варианты осуществления и/или усовершенствования, а также их преимущества подробнее поясняются на рисунках.

Показано:

фиг. 1 вид сбоку грузовика с устройством согласно изобретению; фиг. 2 схема, поясняющая структуру устройства согласно изобретению; фиг. 3 график, поясняющий способ согласно изобретению; и фиг. 4 блок-схема, поясняющая последовательность операций в способе согласно изобретению.

На фиг. 1 показан автомобиль 1, здесь в качестве примера в форме грузовика, с устройством 3 согласно изобретению (фиг. 2). Структура устройства 3 подробнее поясняется ниже на фиг. 2.

Как показано на фиг. 2, устройство 3 содержит двигатель внутреннего сгорания 5 в качестве силовой установки для автомобиля 1 и соединенный с двигателем внутреннего сгорания 5 выхлопной тракт 7, по которому течет отработавший газ 9 двигателя внутреннего сгорания 5. В данном случае выхлопной тракт 7 содержит, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, катализатор окисления 11, первую зону 13 ввода восстановителя, сажевый SCR-фильтр 15, вторую зону 17 ввода восстановителя, а также SCR-катализатор 19.

После выхода из двигателя внутреннего сгорания 5 отработавший газ 9 течет сначала через катализатор окисления 11, на котором содержащийся в отработавшем газе 9 моноксид азота частично окисляется до диоксида азота. Затем отработавший газ 9 течет мимо первой зоны 13 ввода восстановителя, где в выхлопной тракт 7 можно ввести восстановитель для восстановления содержащихся в отработавшем газе 9 оксидов азота, в данном случае, например, в форме водного раствора мочевины. Водный раствор мочевины в данном примере хранится в баке 21 для мочевины устройства 3 и вводится в выхлопной тракт 7 первым устройством 22 подачи восстановителя. Устройство 22 подачи восстановителя в данном примере содержит насос 23 и проходной клапан 24. Проходной клапан 24 здесь соединен посредством сигнализационной техники с блоком управления 25, который управляет проходным клапаном 24 и, таким образом, контролирует или регулирует количество водного раствора мочевины, вводимого в выхлопной тракт 7 во вторую зону 17 ввода восстановителя.

После этого отработавший газ 9 течет через сажевый SCR-фильтр 15, в котором частицы, содержащиеся в отработавшем газе 9 двигателя внутреннего сгорания 5, в частности, частицы углерода, удаляются из отработавшего газа 9 и скапливаются. Регенерация сажевого SCR-фильтра 15 осуществляется здесь непрерывно посредством образованного на катализаторе окисления 11 диоксида азота. В качестве дополнительных мер для регенерации сажевого SCR-фильтра 15 можно было бы также сжигать в определенные моменты времени частицы, скопившиеся в сажевом SCR-фильтре 15. При этом указанные моменты времени можно устанавливать, например, через заданные временные интервалы или можно определять путем оценки текущей аккумулирующей способности сажевого SCR-фильтра 15. Для сжигания частиц можно, например, впрыскивать повышенное количество топлива, нагревать сажевый фильтр или создавать противодавление движению отработавшего газа. Далее, сажевый SCR-фильтр 15 содержит также материал, каталитически активный в отношении SCR, на котором содержащиеся в отработавшем газе 9 двигателя внутреннего сгорания 5 оксиды азота можно восстановить аммиаком в качестве восстановителя. Аммиак в форме водного раствора мочевины вводится в выхлопной тракт устройством 22 подачи восстановителя. Сажевый SCR-фильтр 15 предпочтительно содержит медь, и/или ванадий, и/или по меньшей мере один цеолит в качестве материала, каталитически активного в отношении SCR.

После выхода из сажевого SCR-фильтра 15 отработавший газ 9 двигателя внутреннего сгорания 5 течет мимо второй зоны 17 ввода восстановителя, где в выхлопной тракт 7 также можно ввести водный раствор мочевины, хранящийся в баке 21 для мочевины. В данном примере водный раствор мочевины вводится в выхлопной тракт 7 вторым устройством 26 подачи восстановителя. Второе устройство 26 подачи восстановителя здесь также содержит насос 27 и проходной клапан 28. Проходной клапан 28 здесь также соединен посредством сигнализационной техники с блоком управления 25, который управляет проходным клапаном 28 и, таким образом, контролирует или регулирует количество водного раствора мочевины, вводимого в выхлопной тракт 7 во вторую зону 17 ввода восстановителя.

Наконец, отработавший газ 9 двигателя внутреннего сгорания 5 течет через SCR-катализатор 19, на котором оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе 9 двигателя внутреннего сгорания, также могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя. Требующийся для этого аммиак вводится в выхлопной тракт 7 устройством 22 подачи восстановителя и/или устройством 26 подачи восстановителя. SCR-катализатор 19 также предпочтительно содержит медь, и/или ванадий, и/или по меньшей мере один цеолит в качестве материала, обладающего каталитическим свойствами в отношении SCR.

На фиг. 3 показан график 29 зависимости нагрузки на сажевый SCR-фильтра 15 от количества водного раствора мочевины, вводимого в выхлопной тракт 7 устройством 22 подачи восстановителя. В интервале от момента t₀ до момента t₁ устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 такое количество водного раствора мочевины, что в первой зоне 13 ввода восстановителя имеется большее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. От момента t₁ до момента t₃ устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 такое количество водного раствора мочевины, что в первой зоне 13 ввода восстановителя присутствует меньшее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. При этом в интервале между t₁ и t₂ устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 такое количество водного раствора мочевины, что в первой зоне 13 ввода восстановителя присутствует 80% восстановителя от количества, необходимого для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. При этом в интервале от t₂ до t₃ устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 такое количество водного раствора мочевины, что в первой зоне 13 ввода восстановителя присутствует 50% восстановителя от количества, требующегося для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота.

Из графика 29 видно, что нагрузка на сажевый SCR-фильтр 15 частицами возрастает, когда устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 сверхстехиометрическое количество водного раствора мочевины. Причиной этого является ослабленная непрерывная регенерация сажевого SCR-фильтра 15 из-за параллельной реакции введенного аммиака с диоксидом азота. Если в выхлопной тракт 7 вводится подстехиометрическое количество водного раствора мочевины, нагрузка сажевого SCR-фильтра 15 частицами снова снижается. Таким образом, график 29 четко показывает, что непрерывной регенерации сажевого SCR-фильтра 15 мешает введение в выхлопной тракт 7 слишком больших количеств аммиака.

Далее, количество восстановителя, вводимое в выхлопной тракт 7 устройствами 22, 26 подачи восстановителя, контролируется или регулируется, в данном случае в зависимости от температуры сажевого SCR-фильтра 15, а также в зависимости от температуры SCR-катализатора 19, блоком управления 25. Эти контроль или регулирование подробнее поясняются при помощи фиг. 4.

К примеру, в данном случае в исходном состоянии двигатель внутреннего сгорания 5 выключен. При этом водный раствор мочевины в выхлопной тракт 7 не вводится. После пуска двигателя внутреннего сгорания 5 на шаге 31 проверяется, является ли температура сажевого SCR-фильтра T_SCR-PF больше или меньше первой температуры разрешения ввода T_Freigabe,1. Например, здесь температура разрешения ввода T_Freigabe,1 меньше, чем температура инициирования SCR на сажевом SCR-фильтре 15, начиная с которой оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе 9, могут восстанавливаться в сажевом SCR-фильтре 15, или начиная с которой сажевый SCR-фильтр 15 достигает своей рабочей температуры для восстановления оксидов азота.

Если температура сажевого SCR-фильтра 15 T_SCR-PF больше или равна температуре разрешения ввода T_Freigabe,1, первое устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 первый заданный массовый поток массовый поток m₁ водного раствора мочевины. При этом величину первого заданного массового потока m₁ рассчитывают так, чтобы в зоне первого устройства 22 подачи восстановителя имелось по существу стехиометрическое отношение восстановитель/оксид азота. Кроме того, при этом второе устройство 26 подачи восстановителя не вводит никакого водного раствора мочевины в выхлопной тракт 7.

Затем на шаге 33 проверяется, является ли температура SCR-катализатора 19 T_SCR-Kat больше или равной второй температуре разрешения ввода T_Freigabe,2. В данном примере температура разрешения ввода T_Freigabe,2 также меньше, чем температура инициирования SCR на SCR-катализаторе 19, начиная с которой оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе 9, могут восстанавливаться в сажевом SCR-фильтре 15, или начиная с которой сажевый SCR-фильтр 15 достигает своей рабочей температуры для восстановления оксидов азота.

Если температура SCR-катализатора 19 (T_SCR-Kat) больше или равна температуре разрешения ввода T_Freigabe,2 первое устройство 22 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 второй заданный массовый поток m₂ водного раствора мочевины. При этом величину второго заданного массового потока m₂ рассчитывают так, чтобы в зоне первого устройства 22 подачи восстановителя имелось меньшее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота. Затем второе устройство 26 подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт 7 третий заданный массовый поток m₃ водного раствора мочевины. При этом величину третьего заданного массового потока m₃ оценивают таким образом, чтобы в зоне второго устройства 26 подачи восстановителя имелось по существу стехиометрическое отношение восстановитель/оксид азота.

Благодаря этому контролю или регулированию устройств 22, 26 подачи восстановителя можно особенно эффективно очистить отработавший газ 9 двигателя внутреннего сгорания 5.

Список позиций для ссылок

1 автомобиль 3 устройство 5 двигатель внутреннего сгорания 7 выхлопной тракт 9 отработавший газ 11 катализатор окисления 13 зона ввода восстановителя 15 сажевый SCR-фильтр 17 зона ввода восстановителя 19 SCR-катализатор 21 бак для мочевины 22 устройство подачи восстановителя 23 насос 24 проходной клапан 25 блок управления 26 устройство подачи восстановителя 27 насос 28 проходной клапан 29 график 31 шаг 33 шаг m₁ первый массовый поток m₂ второй массовый поток m₃ третий массовый поток t время t₀ момент пуска t₁ первый момент времени t₂ второй момент времени t₃ третий момент времени T_Freigabe,1 первая температура разрешения ввода T_Freigabe,2 вторая температура разрешения ввода T_SCR-PF температура сажевого SCR-фильтра T_SCR-Kat температура SCR-катализатора

Изобретение относится к способу эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя, причем в выхлопном тракте (7) предусмотрен по меньшей мере один сажевый SCR-фильтр (15), причем в сажевом SCR-фильтре (15) частицы, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), в частности, частицы углерода удаляются из отработавшего газа (9) и могут накапливаться, причем в сажевом SCR-фильтре (15) оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, причем предусмотрено первое устройство (22) подачи восстановителя, которое может вводить восстановитель, в частности, в форме водного раствора мочевины, в выхлопной тракт (7) выше, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, сажевого SCR-фильтра (15), причем сажевый SCR-фильтр (15) может непрерывно регенерироваться диоксидом азота в качестве окислителя, причем за сажевым SCR-фильтром (15) находится по меньшей мере один SCR-катализатор (19), на котором оксиды азота, также содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), могут восстанавливаться аммиаком в качестве восстановителя, и причем предусмотрено второе устройство (26) подачи восстановителя, которое может вводить в выхлопной тракт (7) восстановитель, в частности, в форме водного раствора мочевины, за сажевым SCR-фильтром (15) и до SCR-катализатора (19). Согласно изобретению, предусмотрен блок управления (25), который контролирует и/или регулирует количество восстановителя, вводимого в выхлопной тракт (7) первым устройством (22) подачи восстановителя и/или вторым устройством (26) подачи восстановителя, в зависимости от температуры (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15). 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, причем в выхлопном тракте (7) предусмотрен по меньшей мере один сажевый SCR-фильтр (15), причем в сажевом SCR-фильтре (15) частицы, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), удаляются из отработавшего газа (9) и накапливаются, причем в сажевом SCR-фильтре (15) оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), восстанавливаются аммиаком в качестве восстановителя, причем предусмотрено первое устройство (22) подачи восстановителя, которое выполнено с возможностью ввода восстановителя в выхлопной тракт (7) выше, если смотреть в направлении течения отработавшего газа, сажевого SCR-фильтра (15), причем сажевый SCR-фильтр (15) выполнен с возможностью непрерывной регенерации диоксидом азота в качестве окислителя, причем за сажевым SCR-фильтром (15) установлен по меньшей мере один SCR-катализатор (19), на котором оксиды азота, также содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), восстанавливаются аммиаком в качестве восстановителя, и причем предусмотрено второе устройство (26) подачи восстановителя, выполненное с возможностью ввода в выхлопной тракт (7) восстановителя за сажевым SCR-фильтром (15) и до SCR-катализатора (19), причем предусмотрен блок управления (25), который контролирует и/или регулирует количество восстановителя, вводимого в выхлопной тракт (7) первым устройством (22) подачи восстановителя в зависимости от температуры (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15), отличающийся тем, что если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) не превышает заданного значения температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), первое устройство (22) подачи восстановителя не вводит восстановитель в выхлопной тракт (7), а если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), первое устройство (22) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) заданное количество (m₁, m₂) восстановителя, и заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1) меньше, чем температура инициирования SCR на сажевом SCR-фильтре (15), начиная с которой содержащиеся в отработавшем газе (9) оксиды азота восстанавливаются сажевым SCR-фильтром (15).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура инициирования SCR на сажевом SCR-фильтре (15) лежит в интервале от 220°C до 250°C.

3. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что блок управления (25) контролирует и/или регулирует количество восстановителя, вводимого в выхлопной тракт (7) первым устройством (22) подачи восстановителя и/или вторым устройством (26) подачи восстановителя, также в зависимости от температуры (T_SCR-Kat) SCR-катализатора (19).

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что если текущая температура (T_SCR-Kat) SCR-катализатора (19) не превышает заданного значения температуры катализатора (T_Freigabe,2), второе устройство (26) подачи восстановителя не вводит восстановитель в выхлопной тракт (7), а если текущая температура (T_SCR-Kat) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры катализатора (T_Freigabe,2), второе устройство (26) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) заданное количество (m₃) восстановителя.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что заданное значение температуры катализатора (T_Freigabe,2) меньше, чем температура инициирования SCR на SCR-катализаторе (19), начиная с которой оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе (9), восстанавливаются в сажевом SCR-фильтре (15), причем предпочтительно предусмотрено, что температура инициирования SCR на SCR-катализаторе (19) составляет от 220°C до 250°C.

6. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1) и/или заданное значение температуры катализатора (T_Freigabe,2) лежит в температурном диапазоне от 150°C до 190°C.

7. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), а текущая температура (T_SCR-Kat) SCR-катализатора (19) не превышает заданного значения температуры катализатора (T_Freigabe,2), первое устройство (22) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) такое количество (m₁) восстановителя, что в зоне первого устройства (22) подачи восстановителя имеется по существу стехиометрическое отношение восстановитель/оксид азота.

8. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), и текущая температура SCR-катализатора (19) превышает заданное значение температуры катализатора (T_Freigabe,2), первое устройство (22) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) такое количество (m₂) восстановителя, что в зоне первого устройства (22) подачи восстановителя имеется меньшее количество восстановителя, чем требуется для стехиометрического отношения восстановитель/оксид азота, в частности, от 50% до 80% от этого отношения.

9. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), и текущая температура (T_SCR-Kat) SCR-катализатора (19) превышает заданное значение температуры катализатора (T_Freigabe,1), второе устройство (26) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) такое количество (m₃) восстановителя, что в зоне второго устройства (26) подачи восстановителя имеется по существу стехиометрическое отношение восстановитель/оксид азота.

10. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что до сажевого SCR-фильтра (15) предусмотрен по меньшей мере один катализатор окисления (11), на котором моноксид азота, содержащийся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), окисляется до диоксида азота.

11. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что предусмотрен по меньшей мере один накопитель оксидов азота, посредством которого содержащиеся в отработавший газе (7) оксиды азота накапливаются и высвобождаются в зависимости от температуры отработавшего газа, причем предпочтительно предусматривается, что накопитель оксидов азота в качества аккумулирующего материала содержит нитрат бария и/или оксид церия.

12. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сажевый SCR-фильтр (15) и/или SCR-катализатор (19) в качестве материала, каталитически активного в отношении SCR, содержит медь и/или ванадий, и/или по меньшей мере один цеолитный материал.

13. Устройство для осуществления способа по одному из предыдущих пунктов с двигателем внутреннего сгорания (5) и выхлопным трактом (7), причем выхлопной тракт (7) содержит по меньшей мере один сажевый SCR-фильтр (15), на котором частицы, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), удаляются из отработавшего газа (9) и накапливаются, причем в сажевом SCR-фильтре (15) оксиды азота, содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), восстанавливаются аммиаком в качестве восстановителя, причем предусмотрено первое устройство (22) подачи восстановителя, выполненное с возможностью ввода восстановителя в выхлопной тракт (7) выше, если смотреть в направление течения отработавшего газа, сажевого SCR-фильтра (15), причем сажевый SCR-фильтр (15) выполнен с возможностью непрерывной регенерации диоксидом азота в качестве окислителя, причем за сажевым SCR-фильтром (15) находится по меньшей мере один SCR-катализатор (19), на котором оксиды азота, также содержащиеся в отработавшем газе (9) двигателя внутреннего сгорания (5), восстанавливаются аммиаком в качестве восстановителя, и причем предусмотрено второе устройство (26) подачи восстановителя, которое выполнено с возможностью ввода в выхлопной тракт (7) восстановителя за сажевым SCR-фильтром (15) и выше SCR-катализатора (19), причем предусмотрен блок управления (25), который контролирует и/или регулирует количество восстановителя, вводимого в выхлопной тракт (7) первым устройством (22) подачи восстановителя в зависимости от температуры (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15), отличающееся тем, что если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) не превышает заданного значения температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), первое устройство (22) подачи восстановителя не вводит восстановитель в выхлопной тракт (7), а если текущая температура (T_SCR-PF) сажевого SCR-фильтра (15) превышает заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1), первое устройство (22) подачи восстановителя вводит в выхлопной тракт (7) заданное количество (m₁, m₂) восстановителя, и заданное значение температуры сажевого фильтра (T_Freigabe,1) меньше, чем температура инициирования SCR на сажевом SCR-фильтре (15), начиная с которой содержащиеся в отработавшем газе (9) оксиды азота восстанавливаются сажевым SCR-фильтром (15).

14. Автомобиль, в частности грузовой автомобиль, для осуществления способа по одному из пп. 1-12 и/или содержащий устройство по п. 13.