СИСТЕМА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Техническое решение относится к автомобилестроению, а в частности, к системе нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6 в которой для восстановления оксидов азота используется раствор карбамида.
Из уровня техники, известны различные системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей, а также различное исполнение смесительных устройств, обеспечивающих равномерное распределение восстановителя в потоке отработавших газов.
Например, в заявке на изобретение FR 2940921 (B01D 53/94, F01N 3/28, опубл. 16.07.2010) изобретение предлагает лепестковое устройство, располагающееся в выпускном трубопроводе перед восстановительным нейтрализатором и предназначенное для увеличения равномерности распределения мочевины в отработавших газах.
В патенте US 8033104 (F01N 3/10, опубл. 11.10.2011) представлен смеситель восстановителя с отработавшими газами двигателя. Смеситель представляет собой трубопровод, перекрытый перфорированной стенкой, в которой расположен цилиндрический канал подачи восстановителя. В стенке канала также имеются отверстия. Таким образом, поток отработавших газов проходит через отверстия канала и смешивается с восстановителем. Равномерность распределения восстановителя в отработавших газах достигается также благодаря перфорированной стенке, разбивающей поток отработавших газов.
Все представленные выше изобретения обеспечивают достаточную равномерность распределения водного раствора карбамида в отработавших газах, но при этом возрастает газодинамическое сопротивление выпускного тракта. К тому же, все форсунки расположены под углом к потоку. В этом случае некоторая доля восстановителя будет образовывать пленку на поверхности выпускного трубопровода, что увеличивает инерционность системы дозирования.
В заявках: US 2010 257 844 (F01N 11/00, F01N 9/00, F01N 3/10, опубл. 14.10.2010), US 2009 030 1067 (F01N 9/00, F01N 3/00, опубл. 10.12.2009) предложены системы очистки отработавших газов дизельного двигателя, включающие в себя фильтр дисперсных частиц, объединенный с окислительным нейтрализатором, систему дозирования мочевины и селективный нейтрализатор восстановления оксидов азота.
Все вышеперечисленные системы имеют нецентральное расположение форсунок подачи раствора карбамида. В состав систем очистки не входят окислительные нейтрализаторы аммиака, необходимые для выполнения требований экологического стандарта Евро-6.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является система очистки отработавших газов дизельного двигателя, рассмотренная в заявке US 2010 0319324 (F01N 9/00, F01N 3/035, F01N 3/10, опубл. 23.12.2010).
Система нейтрализации содержит окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования включающая: резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него.
Но форсунка системы дозирования водного раствора карбамида, расположенная в смесителе перед селективным нейтрализатором восстановления оксидов азота, имеет нецентральное расположение, а также в системе очистки отсутствует окислительный нейтрализатор аммиака, необходимый для выполнения требований экологического стандарта Евро-6. Все это снижает эффективность нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя.
Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.
Задача полезной модели состоит в улучшении экологических параметров дизельного двигателя путем создания перспективной системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов.
Технический результат - более полная конверсия оксидов азота, а также сокращение выбросов оксида углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами.
Этот технический результат достигается тем, что система нейтрализации содержащая окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования включающая: резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него, дополнительно снабжен окислительным нейтрализатором аммиака, установленным после нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота и размещенным в одном корпусе с ним, при этом форсунка смесителя раствора карбамида системы дозирования, установлена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора селективного восстановления оксида азота, а для контроля параметров системы дозирования, она снабжена датчиками.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что:
- впрыск раствора карбамида форсункой осуществляется перпендикулярно фронтальной поверхности каталитического блока нейтрализатора селективного восстановления оксида азота;
- на резервуаре с раствором карбамида системы дозирования установлены датчики: температуры и уровня;
- снабжена системой жидкостного охлаждения для поддержания температурного режима форсунок систем: активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования раствора карбамида;
- система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника.
При таком исполнении системы нейтрализации обеспечивается комплексная нейтрализация всех нормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелей, включая оксид углерода, углеводороды, дисперсные частицы и оксиды азота с эффективностью, достаточной для выполнения экологических стандартов Евро-5 и Евро-6.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - принципиальная схема системы нейтрализации;
фиг.2 - разрез смесителя водного раствора карбамида с отработавшими газами двигателя.
Система включает: дизельный двигатель 1, окислительный нейтрализатор 2 с катализатором на металлоблочном носителе для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц с системой активной регенерации, нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота, окислительный нейтрализатор аммиака 5, причем окислительный нейтрализатор 2, фильтр-нейтрализатор 3, нейтрализаторы 4 и 5 последовательно расположены в системе выпуска дизельного двигателя 1, кроме того система включает резервуар 6 с топливом, насос-дозатор 7 впрыскиваемого топлива, форсунку 8 подачи топлива, смеситель топлива 9, при этом элементы 6, 7, 8 и 9 входят в систему активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3, резервуар 10 с раствором карбамида, насос-дозатор 11, форсунка 12 впрыска раствора карбамида, смеситель раствора карбамида 13, при этом элементы 10, 11, 12 и 13 входят в систему дозирования восстановителя, также в систему охлаждения форсунок 8 и 12 входят: циркуляционный насос 14, расширительный бачок 15, теплообменник 16, и комплекс датчиков: уровня 17 раствора карбамида, температуры 18 раствора карбамида, кислородный 19, температуры 20, перепада давления 21, температуры 22, концентрации оксидов азота 23.
Смеситель раствора карбамида с отработавшими газами двигателя состоит из стакана 24 с крышкой, образующую полость охлаждения форсунки 12, втулки-штуцера 25 форсунки 12 и штуцера 26 системы охлаждения.
Действие фильтра-нейтрализатора 3 основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов оснащена системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра дисперсными частицами. Необходимость регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 21. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора до 600-650°С за счет впрыскивания топлива в поток отработавших газов. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления сажи до оксида углерода. Форсунка 8 подачи топлива, расположенная в смесителе 9, оснащена подпружиненным клапаном, который запирает проточную часть при падении давления подачи в конце впрыска для предотвращения крупнокапельного распыла. Объем впрыскиваемого топлива определяется насосом-дозатором 7, забирающим топливо из резервуара 6.
Система нейтрализации работает следующим образом.
Отработавшие газы из дизельного двигателя 1 по выпускному тракту поступают в окислительный нейтрализатор 2, где происходит очистка отработавших газов от оксида углерода и углеводородов. Перед окислительным нейтрализатором 2 размещен кислородный датчик 19, назначение которого заключается в измерении концентрации кислорода в отработавших газах.
После окислительного нейтрализатора 2 отработавшие газы поступают в фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, действие которого основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц оснащен системой активной регенерации. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра-нейтрализатора 3 дисперсными частицами. Начало регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 21. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива форсункой 8 в смеситель топлива 9, установленный перед фильтром-нейтрализатором 3. Форсунка 8 подачи топлива оснащена внутренним клапаном (на чертеже не показано), который запирает проточную часть при падении давления подачи в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления дисперсных частиц до оксида углерода. Датчики температуры 20 и 22 отработавших газов, установленные до и после фильтра-нейтрализатора 3 дисперсных частиц, предназначены для контроля температурного режима фильтра-нейтрализатора 3.
После фильтра-нейтрализатора 3 отработавшие газы проходят через нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота. Для увеличения степени конверсии оксидов азота в системе нейтрализации используется восстанавливающий реагент - раствор карбамида. Подача раствора карбамида в нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота осуществляется системой дозирования. Необходимое количество раствора карбамида из резервуара 10 с помощью насоса-дозатора 11 подается в форсунку 12, расположенную в смесителе раствора карбамида 13. Резервуар 10 с раствором карбамида оснащен датчиками уровня и температуры 17 и 18. В зависимости от режима работы двигателя объемная подача раствора карбамида находится в пределах 3-6% от объемного расхода топлива. Изменение расхода раствора карбамида осуществляется с помощью частотной регулировки насоса-дозатора 11 раствора-карбамида.
Содержание оксидов азота в отработавших газах на выходе из нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота определяется датчиком концентрации оксидов азота 23.
За нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота установлен окислительный нейтрализатор аммиака 5. На некоторых совместных режимах работы дизельного двигателя 1 и системы дозирования раствора карбамида создаются условия, в результате которых в отработавших газах появляется избыточное количество аммиака, не участвующего в реакции селективного восстановления оксидов азота. Для очистки отработавших газов от аммиака применен окислительный нейтрализатор аммиака 5.
Для охлаждения форсунок 8 и 12 систем дозирования водорода и активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3 предусмотрена общая жидкостная система охлаждения. Циркуляционный насос 14 последовательно прокачивает охлаждающую жидкость через полость охлаждения форсунок 8 и 12 и теплообменник 16, предназначенный для рассеивания тепла. Тепловое расширение охлаждающей жидкости компенсируется расширительным бачком 15. Система охлаждения поддерживает рабочий диапазон температур форсунок 8 и 12 на всех режимах работы системы нейтрализации.
Смеситель 13 раствора карбамида представляет собой трубу, имеющую два поворота под углом 112°. На смесителе 13 расположен стакан 24, который вместе с резьбовой втулкой-штуцером 25 форсунки 12 образует полость для жидкостного охлаждения форсунки 12. С помощью штуцеров 26 обеспечивается циркуляция охлаждающей жидкости. Форсунка 12 подачи раствора карбамида расположена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота. Впрыск раствора карбамида осуществятся перпендикулярно фронтальной поверхности каталитического блока нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота.
В такой системе нейтрализации, уровень очистки отработавших газов от оксидов азота составляет не ниже 50% при температуре восстановления не выше 400°С. Фильтр-нейтрализатор 3 с системой регенерации обеспечивает очистку от дисперсных частиц не ниже 65% при температуре 350°С. Окислительный нейтрализатор обеспечивает очистку от оксида углерода и углеводородов не ниже 60% при температуре 350°С. Уровень сокращения вредных выбросов приведен относительно выбросов двигателя, соответствующего требованиям экологического стандарта Евро-4. Конструкция элементов системы нейтрализации обеспечивает общее газодинамическое сопротивление не более 1200 мм вод. ст.