СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
METHOD OF OPERATING COMPONENTS FOR EXHAUST GASES PROCESSING AND DEVICE FOR EXHAUST GASES PROCESSING

Изобретение относится к способу эксплуатации компонентов для обработки отработавших газов, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для обработки отработавших газов, согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.
X
На основании все более строгих предельных значений для отработавших газов, которые не достигаются больше лишь за счет предпринимаемых в двигателе мер, большинство двигателей внутреннего сгорания снабжаются в настоящее время системой последующей обработки для снижения выброса вредных веществ. К ограничиваемым компонентам отработавших газов относятся наряду с твердыми частицами, в частности, также окислы азота, которые возникают во время процесса сгорания и допустимый выброс которых постоянно уменьшается. Для минимизации этих компонентов отработавших газов в работающих в транспортных средствах двигателях внутреннего сгорания в настоящее время используются различные способы. Уменьшение количества окислов азота осуществляется, как правило, с помощью катализаторов, при этом в обогащенные кислородом отработавшие газы дополнительно дозируется восстановительное средство, в частности, углеводороды, аммиак или мочевина, с целью повышения селективности и преобразования NO. Применяемый способ называется способом SCR, с помощью которого осуществляется селективное каталитическое восстановление (SCR). В противоположность этому, трехкомпонентные катализаторы служат для уменьшения окислов азота после лямбда-1-двигателей. Эти окислительные катализаторы служат для окисления не сгоревших углеводородов и окиси углерода.
Для минимизации твердых частиц в транспортных средствах используются отделители частиц или фильтры частиц. Типичная для применения в транспортных средствах система с отделителем частиц известна, например, из ЕР 1022765 А1. В противоположность этому, система и способ с фильтром частиц известны из ЕР 0341832 А2. В обеих названных публикациях по потоку перед отделителем частиц, соответственно, фильтром частиц расположен окислительный катализатор, который окисляет моноксид азота в отработавших газах с помощью также содержащегося в них остаточного кислорода в диоксид азота:
2
2
2NO+O↔2NO
2
2
2
2
2
При этом следует учитывать, что равновесие указанной выше реакции при высоких температурах лежит на стороне NO. Это приводит в свою очередь к тому, что достигаемые доли NO при высоких температурах ограничены на основании этого термодинамического ограничения. Этот NO преобразуется в свою очередь в отделителе частиц, соответственно, в фильтре частиц с помощью частиц углерода в СО, CO, N и NO. Таким образом, с помощью сильного окислительного средства NO происходит хорошо известным образом непрерывное удаление осажденных мелких частиц. За счет этого могут отпадать циклы восстановления, которые с большими затратами необходимо выполнять в других системах. Поэтому в этом случае говорят о пассивной регенерации. При этом происходят реакции по следующим уравнениям:
2
2
2NO+C→2NO+CO
2
2NO+2C→2NO+2CO
2
2
2
2C+2NO→N+2CO
2
2
2
2
Если не удается полное окисление осажденного в фильтре частиц углерода с помощью NO, то непрерывно увеличивается доля углерода и тем самым противодавление отработавших газов. Для предотвращения этого, в настоящее время фильтры частиц все чаще снабжаются каталитическим покрытием для окисления NO. При этом речь идет в большинстве случаев о содержащих платину катализаторах. Однако недостаток этого способа состоит в том, что образованный в фильтре частиц NO может служить только для окисления частиц, которые осаждаются по потоку после каталитически активного слоя для окисления NO, т.е. внутри фильтрующей среды. Если же на поверхности фильтра и тем самым на каталитически активном слое образуется слой из осажденных частиц, так называемая лепешка (осадок на фильтре), то катализатор окисления NO лежит по потоку после лепешки, так что осажденные там частицы сажи не могут быть окислены с помощью NO из нанесенного на фильтр частиц катализатора окисления NO. К этому добавляется то, что, точнее говоря, лишь нанесенный на сторону не обработанных газов катализаторный слой участвует в работе системы, поскольку каталитически образованный на стороне чистого газа NO не может больше приходить в контакт с осажденной на стороне не обработанного газа и внутри фильтрующего материала сажей. Поэтому, несмотря на каталитическое покрытие фильтра, нельзя отказаться от катализатора окисления NO, так что требуется относительно большой конструктивный объем.
Хотя за счет указанных выше мер возможно окисление сажи еще до температур вплоть до 250°С, однако имеются случаи применения, в которых даже эти температуры отработавших газов достигаются не достаточно часто и тем самым не может быть обеспечена надежная работа фильтра частиц. Это происходит обычно в слабо нагруженных и в установленных в транспортных средствах двигателях, которые имеют еще дополнительные высокие доли холостого хода, как, например, в легковых автомобилях, линейных автобусах или мусорных автомобилях.
Поэтому в таких случаях применяется вторая возможность регенерации фильтра частиц. Она состоит в активном повышении температуры отработавших газов. Это удается обычно за счет добавления углеводородов (НС) по потоку перед окислительными катализаторами. Добавление углеводородов можно осуществлять через установленное в тракте отработавших газов впрыскивающее сопло. Другая возможность состоит в генерировании за счет позднего впрыска топлива в камеру сгорания большого количества углеводородов. За счет экзотермического окисления углеводородов на катализаторе происходит значительное повышение температуры. Если за счет этого удается повышение температуры до выше 600°С, то происходит окисление углерода с помощью кислорода в соответствии со следующим уравнением:
2
2
С+О→СО
Необходимое для повышения температуры отработавших газов окисление углеводородов на катализаторах происходит при температурах около 230°С. Однако, в частности, в двигателях с наддувом с использованием отработавших газов и в слабо нагружаемых двигателях существует проблема, что даже эти температуры часто больше не достигаются по потоку после работающей на отработавших газах турбины. Причина лежит в том, что из отработавших газов извлекаются значительные количества энтальпии отработавших газов, с целью обеспечения возможности сжатия на стороне свежего воздуха. Эта проблема еще усиливается при использовании двухступенчатого наддува и/или при очень большой степени возврата отработавших газов.
Не только способ уменьшения частиц, но также указанный выше способ уменьшения газообразных вредных веществ, зависят от достаточно высокой температуры отработавших газов, которые, как указывалось выше, часто не достигаются при нормальной работе.
x
Кроме того, при использовании катализаторов часто добавляется другая проблема: катализаторы «отравляются» компонентами отработавших газов, такими как окислы серы из серы топлива или моторного масла. Хотя это отравление часто реверсивно и может устраняться за счет высоких температур отработавших газов, однако и в этом случае возникает проблема не достижения этих высоких температур отработавших газов, в частности, по потоку после турбонагнетателей с использованием отработавших газов. Так, для регенерации катализаторов окисления NO необходима температура по меньшей мере 500°С, для катализаторов накопления NO - свыше 600°С.
x
Кроме того, из DE 19913462 А1 известен способ термического гидролиза и дозирования мочевины, соответственно, водного раствора мочевины в реакторе. Для повышения времени пребывания мочевины в реакторе из ветви отработавших газов извлекают частичный поток и используют для образования аммиака в реакторе. За счет меньшего количества отработавших газов в частичном потоке скорость потока в реакторе небольшая и время пребывания для преобразования мочевины, соответственно, велико. Частичный поток после реактора снова подмешивается в ветвь отработавших газов, и образовавшийся аммиак можно использовать во включенном затем катализаторе SCR для восстановления NO.
Кроме того, из DE 102006038291 А1 уже известно ответвление частичного потока отработавших газов по потоку перед работающей на отработавших газах турбиной, при этом этот частичный поток отработавших газов по потоку после работающей на отработавших газах турбины снова соединяется с основным потоком отработавших газов, а затем в виде потока горячих отработавших газов проходит по меньшей мере через один компонент обработки отработавших газов. Описание в принципе аналогичной конструкции приведено в DE 102006038290 А1 и DE 102006038289 А1.
В противоположность этому, задачей данного изобретения является создание способа эксплуатации компонентов для обработки отработавших газов, а также устройства для обработки отработавших газов, с помощью которых в соединении с устройством турбонаддува с использованием отработавших газов возможно эффективное нагревание включенных после работающей на отработавших газах турбины компонентов для обработки отработавших газов.
Эта задача решена относительно способа с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Относительно устройства эта задача решена с помощью признаков пункта 10 формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты выполнения являются предметом зависящих от них пунктов формулы изобретения.
2
Согласно изобретению выше по потоку работающей на отработавших газах турбины из основного потока отработавших газов извлекают частичный поток отработавших газов, который ниже по потоку по меньшей мере одной работающей на отработавших газах турбины снова возвращается в основной поток отработавших газов. Ниже по потоку этого подвода расположен по меньшей мере один компонент для обработки отработавших газов, при этом ответвленное в виде частичного потока отработавших газов количество отработавших газов устанавливается или регулируется в зависимости по меньшей мере от одной заданной температуры по меньшей мере в одном заданном месте в тракте отработавших газов, в частности, в частичном потоке отработавших газов, и/или на упомянутом по меньшей мере одном компоненте для обработки отработавших газов. Возврат частичного потока отработавших газов осуществляется, согласно изобретению, между катализатором окисления NO и фильтром частиц. За счет этого предпочтительно удается удерживать фильтр частиц на высоком уровне температуры отработавших газов, без уменьшения доли NO ввиду слишком высоких температур на катализаторе окисления NO, и/или ускорять сжигание сажи, когда в распоряжении имеются достаточные количества NO2, а температуры на фильтре частиц слишком низкие.
Таким образом, основная идея данного изобретения состоит в извлечении ниже по потоку по меньшей мере одной работающей на отработавших газах турбиной частичного потока отработавших газов и подаче этого частичного потока отработавших газов ниже по потоку упомянутой по меньшей мере одной работающей на отработавших газах турбины снова в основной поток отработавших газов, за счет чего обеспечивается нахождение частичного потока отработавших газов на значительно более высоком уровне температуры, чем проходящий через работающую на отработавших газах турбину основной поток отработавших газов, так что ниже по потоку сведения вместе обоих потоков обеспечивается более высокая температура, чем в случае направления всего потока отработавших газов через работающую на отработавших газах турбину. Однако поскольку за счет извлечения частичного потока обычно понижается коэффициент полезного действия работающей на отработавших газах турбины, соответственно, выполняемая ею работа, то, согласно изобретению, дополнительно предлагается выполнять управление или регулирование ответвляемого в виде частичного потока отработавших газов количества отработавших газов в зависимости по меньшей мере от одной заданной температуры в частичном потоке отработавших газов и/или по меньшей мере на одном компоненте для обработки отработавших газов, так что обеспечивается возможность оптимизации потерь коэффициента полезного действия работающей на отработавших газах турбины.
Для этого может быть дополнительно предусмотрено в частичном потоке отработавших газов и/или в основном потоке отработавших газов по меньшей мере одно изменяемое дроссельное и/или запирающее устройство, которое позволяет ответвлять направляемый в обход работающей на отработавших газах турбины частичный поток отработавших газов простым как относительно конструкции, так и техники управления, соответственно, регулирования образом. Кроме того, частичный поток отработавших газов можно при достаточно высоких температурах простейшим образом дросселировать или же даже полностью отключать с помощью дросселирующего и/или запирающего устройства ниже по потоку работающей на отработавших газах турбины. Если необходим перепускной клапан отработавших газов для защиты турбонагнетателя и/или двигателя, то можно использовать обводную линию для частичного потока отработавших газов в соединении с дроссельным и/или запирающим устройством в качестве перепускного клапана отработавших газов. Подходящими дроссельными и/или запирающими устройствами являются, например, клапаны, золотники, заслонки или т.п.
Однако дополнительно к этому или же в качестве альтернативного решения, можно выполнять управление или регулирование извлекаемого в виде частичного потока отработавших газов количества отработавших газов также с помощью изменяемой геометрии турбины (VTG), за счет чего можно изменять поток через работающую на отработавших газах турбину посредством дросселирования основного потока отработавших газов.
Предпочтительно, заданная температура задается в зависимости от определенных конструктивных и/или рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, соответственно, устройства для обработки отработавших газов, в частности, в зависимости от вида по меньшей мере одного применяемого компонента для обработки отработавших газов и/или от заданного преобразования вредных веществ, и/или от величины выбросов вредных веществ перед или после компонента (компонентов) для обработки, и/или от общего количества отработавших газов и/или от добавляемого в тракт отработавших газов количества восстанавливающих средств, в частности топлива и/или мочевины, и/или от количества частичного потока отработавших газов, и/или от содержания кислорода в отработавших газах, и/или от времени работы двигателя внутреннего сгорания, соответственно, отдельных компонентов для обработки отработавших газов, и/или от действительного преобразования вредных веществ, и/или от вида режима двигателя внутреннего сгорания, в частности, в зависимости от нормального режима или режима регенерации двигателя внутреннего сгорания. Так, например, необходимые температуры отработавших газов при режиме регенерации лежат значительно выше, чем при нормальной работе, например, при десульфатации катализаторов или очищении выжиганием фильтров частиц. Задание необходимой температуры отработавших газов, соответственно, заданной температуры осуществляется в зависимости от рабочей точки с помощью образованного управляющим и/или регулировочным устройством электронного контролирующего блока, в частности, с помощью устройства управления двигателем.
Для задания необходимой температуры отработавших газов, соответственно, заданной температуры для соответствующей рабочей точки, можно с помощью электронного контролирующего блока, такого как, например, устройство управления двигателем, регистрировать самые различные входные величины, такие как, например, действительная температура отработавших газов, и/или действительная температура компонента для обработки отработавших газов, и/или масса всасываемого воздуха, и/или заданное преобразование вредных веществ, и/или действительное преобразование вредных веществ, и/или добавляемое в тракт отработавших газов количество восстанавливающих средств, в частности топлива и/или мочевины, и/или величины выброса вредных веществ перед или после компонента (компонентов) для обработки отработавших газов, и/или состояние загрузки фильтра или отделителя частиц, и/или противодавление отработавших газов, и/или давление наддува, и/или возможно возвращаемое к линии всасывания воздуха количество отработавших газов, и/или ответвляемое в виде частичного потока отработавших газов количество отработавших газов, и/или давление наддува, и/или температура воздуха наддува, и/или скорость вращения турбонагревателя. Действительные температуры отработавших газов можно регистрировать, например, с помощью расположенных в подходящих местах датчиков температуры. В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому, можно осуществлять определение действительных температур отработавших газов также с помощью подходящих моделей в зависимости от рабочей точки. Такие модели могут иметь, например, занесенные в контролирующий блок характеристики, соответственно, поля характеристик.
Если, например, ответвляемое в первоначальной установке в виде частичного потока количество отработавших газов недостаточно для достижения желаемой заданной температуры, можно дросселировать основной поток отработавших газов ниже по потоку извлечения частичного потока и выше по потоку места возврата, в частности, с помощью группы наддува VTG, так, что еще большее количество отработавших газов направляется в обход турбины в виде частичного потока отработавших газов. Если эти меры дросселирования все еще недостаточны, то можно дополнительно оказывать влияние на заданные рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания для достижения заданной температуры. Такими заданными рабочими параметрами могут быть, например, отношение воздуха и топлива, и/или начало впрыска, и/или количество впрысков, и/или давление впрыска, и/или количество возвращаемых к линии всасывания воздуха отработавших газов (степень возврата отработавших газов), которые можно изменять так, что повышается температура отработавших газов. Естественно, что такие меры могут быть в принципе предусмотрены заранее при определенных видах режимов двигателя внутреннего сгорания, например, в режиме регенерации.
Частичный поток отработавших газов можно в принципе направлять, соответственно, располагать снаружи тракта отработавших газов. Однако это приводит к сильному охлаждению. Поэтому более целесообразно располагать частичный поток отработавших газов в тракте отработавших газов так, что он обтекается отработавшими газами основного потока отработавших газов. За счет этого предпочтительно уменьшаются потери тепла.
Дополнительно к этому, в ответвленном частичном потоке отработавших газов и/или на пропускающем основной поток отработавших газов частичном участке тракта отработавших газов между работающей на отработавших газах турбиной и возвратом частичного потока отработавших газов может быть расположен, по меньшей мере один катализатор, за счет чего можно предпочтительно экономить конструктивное пространство.
x
Устройство для обработки отработавших газов согласно изобретению содержит по меньшей мере одну ведущую от двигателя внутреннего сгорания к работающей на отработавших газах турбине линию отработавших газов, а также ведущую от работающей на отработавших газах турбины отводящую линию турбины. Выше по потоку работающей на отработавших газах турбины ответвляется по меньшей мере от одной из линий отработавших газов обводная линия, которая ниже по потоку работающей на отработавших газах турбины входит в подвод в отводящую линию турбины. Обводная линия входит между катализатором окисления NO и фильтром частиц в отводящую линию турбины, что приводит к уже указанным выше применительно к выполнению способа преимуществам. Кроме того, устройство согласно изобретению содержит электронный контролирующий блок, в частности, устройство управления двигателем, в качестве управляющего и/или регулировочного устройства, с помощью которого направляемое через обводную линию количество отработавших газов управляется или регулируется в зависимости по меньшей мере от одной заданной температуры в частичном потоке отработавших газов и/или по меньшей мере на одном компоненте для обработки отработавших газов. Компоненты для обработки отработавших газов предпочтительно являются катализаторами и/или фильтрами частиц и/или отделителями частиц. В качестве катализаторов можно предпочтительно использовать, например, трехкомпонентные катализаторы и/или катализаторы SCR, и/или дизельные окислительные катализаторы, и/или накопительные катализаторы NO, и/или катализаторы окисления NO.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, где показано устройство для обработки отработавших газов, в котором приходящий от не изображенного двигателя внутреннего сгорания поток отработавших газов ниже по потоку работающей на отработавших газах турбины 14 работающего на отработавших газах турбонагнетателя 13 разветвляется на основной поток 10 отработавших газов, который направляется через работающую на отработавших газах турбину 14 и приводит в действие с помощью нее воздушный компрессор 15, и частичный поток 11 отработавших газов. Этот частичный поток 11 отработавших газов ниже по потоку работающей на отработавших газах турбины 14 с помощью обводной линии 2, которая ниже по потоку работающей на отработавших газах турбины 14 входит в подвод 7 в ведущую от работающей на отработавших газах турбины 14 отводящую линию 5 турбины, снова соединяется с основным потоком 10 отработавших газов.
На чертеж в качестве примера как в обводной линии 2, так и в отводящей линии 5 турбины расположено изменяемое дроссельное и/или запирающее устройство 12, соответственно, 16, которое через изображенные в данном случае лишь схематично и штрихпунктирными линиями управляющие линии 17, 18 соединены с электронным контролирующим блоком, в частности, блоком 19 управления двигателем.
В обводной линии 2 может быть расположен, необязательно, например, окисляющий углеводороды окислительный катализатор.
Лишь в качестве примера и схематично для пояснения принципа идеи данного изобретения, здесь как в частичном потоке 11 отработавших газов, так и в фильтре 6 частиц расположен соответственно датчик 22, 23 температуры, которые регистрируют, соответственно, фактическую температуру в частичном потоке 11 отработавших газов и на фильтре 6 частиц и подают в качестве входных величин через управляющие линии 8, 9 в электронный контролирующий блок 19.
Если в периодическом режиме регенерации с помощью устройства 19 управления двигателем распознается, соответственно, регистрируется необходимость очистки выжиганием фильтра 6 частиц, то устройство 19 управления двигателем управляет в данном случае, например, двумя дроссельными и/или запирающими устройствами 12, 16 так, что от направляемого к работающей на отработавших газах турбине 14 потока отработавших газов ответвляется заданное количество отработавших газов в виде частичного потока 11 отработавших газов и устанавливается необходимая для регенерации фильтра частиц заданная температура в частичном потоке 11 отработавших газов и/или на фильтре 6 частиц в качестве заданной температуры. Тем самым, надежным и оптимальным, а также простым с точки зрения техники управления и регулирования образом всегда устанавливается такая оптимальная температура отработавших газов в тракте отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивается возможность оптимального выполнения регенерации фильтра частиц.
2
2
Частичный поток 11 отработавших газов подается ниже по потоку катализатора 4 окисления NO, за счет чего обеспечивается возможность работы расположенного выше по потоку подвода 7 фильтра 6 частиц на более высоком уровне температуры, чем катализатор 4 окисления NO. За счет этого удается удерживать фильтр 6 частиц на высоком уровне температуры отработавших газов без уменьшения, образующегося на катализаторе 4 окисления NO количества NO, соответственно, удается ускорять сжигание сажи, когда в распоряжении имеется достаточное количество NO, а температуры на фильтре 6 частиц слишком низкие.