УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФОРСУНКОЙ СИСТЕМЫ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
DEVICE AND METHOD OF NOZZLE CONTROLLING OF EXHAUST GAS PROCESSING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам последующей обработки отработавших газов (ПООГ) двигателей внутреннего сгорания и к способам управления такими системами. Более конкретно, изобретение относится к устройству и к способу предотвращения закоксовывания сопла форсунки системы ПООГ.
Уровень техники
Системы ПООГ в моторных транспортных средствах используются для преобразования или удаления определенных веществ из отработавших газов. Такие системы включают, например, блок дизельного катализатора окисления (ДКО), который может удалять твердые частицы из потока отработавших газов и окислять оксид углерода и несгоревшие углеводороды, дизельный сажевый фильтр (далее "фильтр"), который обеспечивает удаление твердых частиц из потока отработавших газов, блок селективного каталитического восстановления (СКВ), который обеспечивает впрыскивание восстановителя на основе аммиака в присутствии катализатора для преобразования оксидов азота (NOx) в газообразный азот и воду. Некоторые устройства системы ПООГ, такие как, например, блок СКВ работают только, когда температура превышает определенный уровень. Другие устройства, например фильтр, требует регулярно удаления накопленных твердых частиц из корпуса фильтра. Один такой процесс, известный как регенерация фильтра, осуществляется путем окисления накопленных твердых частиц, и для этого необходима повышенная температура корпуса фильтра, обычно выше 600°C.
Сразу после запуска двигателя температура компонентов системы ПООГ может быть примерно равна температуре окружающего воздуха, что слишком мало для работы этих компонентов. Кроме того, отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, и особенно дизельных двигателей, обычно недостаточно высоки для нормальной работы некоторых устройств системы ПООГ на транспортном средстве, в частности для регенерации фильтра. Соответственно, при необходимости обеспечивается устройство или способ повышения температуры отработавших газов. Способы и устройства для нагрева отработавших газов включают управление работой двигателя для регулирования температуры отработавших газов, электрические нагреватели на резисторах, расположенные в потоке отработавших газов, и горелки. Одно такое устройство представляет собой средство впрыска углеводородов, обычно дизельного топлива в отработавшие газы, через форсунку, сопло которой расположено таким образом, чтобы топливо впрыскивалось в поток отработавших газов.
Проблема с форсунками для впрыска углеводородов связана с нарушением работы ("закоксовыванием") сопла форсунки продуктами разложения жидких углеводородов, твердыми частицами и другими остаточными продуктами сгорания, скапливающимися на сопле, которые называются "нагаром".
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается устройство и способ для устранения указанных проблем.
В соответствии с изобретением система ПООГ содержит форсунку для подачи углеводорода с соплом, имеющим покрытие из каталитического материала. Каталитическое покрытие обеспечивает возможность окисления материала нагара, который осаждается на сопле форсунки, при температуре, которая ниже температуры окисления в случае отсутствия катализатора.
Устройство по настоящему изобретению также содержит контроллер для обеспечения и регулирования потока воздуха, проходящего через форсунку, в зависимости от температуры отработавших газов.
Предлагаемый в изобретении способ управления работой форсунки включает: 1) впрыск топлива для нагрева блоков системы ПООГ; 2), подачу воздуха для продувки и/или охлаждения сопла форсунки, после впрыска топлива, для предотвращения осаждения углерода, если температура отработавших газов низка; и 3) прекращение подачи воздуха (или подачу лишь малого количества) для обеспечения возможности пассивного нагрева сопла форсунки отработавшими газами для окисления отложений углерода, если температура отработавших газов достаточно высока для обеспечения окисления. Способ может включать, сразу же после стадии 3), дополнительную продувку форсунки воздухом для удаления сажи.
Способ управления работой форсунки для системы ПООГ для предотвращения ее закоксовывания, причем сопло форсунки имеет каталитическое покрытие, включает: впрыск углеводородной текучей среды в поток отработавших газов в течение заданного временного интервала; подачу воздуха для прохождения через сопло форсунки, если температура отработавших газов ниже порогового уровня; и по существу прекращение потока воздуха через сопло форсунки, если температура отработавших газов выше порогового уровня.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения способ включает: мониторинг состояния системы ПООГ; мониторинг температуры отработавших газов; и регулирование впрыска углеводорода в поток отработавших газов в зависимости от состояния системы ПООГ и от температуры отработавших газов.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения поток воздуха предпочтительно подают в импульсном режиме, причем параметры потока воздуха, расход, частоту и продолжительность импульсов регулируют в соответствии с температурой отработавших газов.
Краткое описание чертежей
Изобретение можно будет лучше понять из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - блок-схема двигателя внутреннего сгорания с системой выпуска отработавших газов, содержащей систему ПООГ, в соответствии с одним из вариантов изобретения;
на фиг. 2 - упрощенный вид форсунки системы ПООГ;
на фиг. 3 - блок-схема способа по настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 приведена схема устройства 12 по настоящему изобретению для системы ПООГ двигателя 10 внутреннего сгорания. Двигатель 10 соединен с выпускным трубопроводом 14, в который поступают отработавшие газы двигателя. Отработавшие газы по выпускному трубопроводу 14 поступают в систему 16 ПООГ, которая может содержать блок ДКО, дизельный сажевый фильтр и устройство для нейтрализации оксидов азота, такое как блок СКВ или накопительный катализатор. После очистки отработавших газов они выпускаются в атмосферу через выпускной патрубок 18.
Сажевый фильтр фильтрует проходящие через него отработавшие газы и собирает сажу и другие твердые частиц, которые должны периодически удаляться, или же фильтр может быть забит. Общепринятый способ удаления твердых частиц, которые содержат в основном углерод, заключается в повышении температуры корпуса фильтра до уровня, достаточного для окисления твердых частиц. Как это известно специалистам, температура корпуса фильтра может быть повышена разными способами. Один из способов заключается в добавлении углеводорода (или топлива) в поток отработавших газов, в результате чего углеводород окисляется с выделением энергии. Как показано на фиг. 1, для этой цели используется форсунка 20, подсоединенная к источнику 22 углеводорода. Форсунка 20 имеет сопло 24 для подачи углеводорода в поток отработавших газов. Форсунка 20 в рассматриваемом варианте также соединена с источником 26 воздуха. Для регулирования потоков углеводорода и воздуха через форсунку 20 используется программируемый контроллер 20, который ниже будет описан более подробно. На входе и выходе системы 16 ПООГ установлены температурные датчики 30 и 34, соответственно, для мониторинга температуры отработавших газов, на входе и выходе устройства 16. В других вариантах, в которых система ПООГ содержит блок ДКО и сажевый фильтр, температурные датчики могут быть установлены выше и ниже блока ДКО по потоку, а также ниже и выше фильтра по потоку. Кроме того, на входе и выходе системы 16 ПООГ установлены датчики давления 30 и 34, соответственно, для мониторинга изменения давления отработавших газов на сажевом фильтре. Разница между входным и выходным давлениями используется для определения степени заполнения фильтра сажей.
Поскольку форсунка 20 находится выше системы 16 ПООГ по потоку, она подвергается действию отработавших газов, содержащих твердые частицы. Кроме того, сопло 24 форсунки и жидкий углеводород, выходящий из сопла 24, подвергаются действию высокой температуры отработавших газов. В результате сопло может закоксовываться, по мере того как в нем будут накапливаться отложения жидкого углеводорода и твердых частиц.
Если поддерживать сравнительно низкую температуру сопла, то можно предотвращать его закоксовывание, хотя и не полностью. Отложения нагара могут быть удалены путем нагрева сопла до достаточно высокой температуры для окисления углерода, и в этой связи были разработаны устройства для нагрева сопел. Однако в этом случае увеличивается стоимость и сложность системы форсунки.
В настоящем изобретении предлагается сопло 24 форсунки с покрытием из каталитического материала, который обеспечивает возможность окисления отложений нагара при сравнительно низкой температуре. Подходящие каталитические материалы включают катализаторы на основе благородных металлов, таких как платина и палладий. Как показано на фиг. 2, сопло 24 форсунки включает корпус 40, в котором проходит канал 42 для потока жидкого топлива. Канал 42 заканчивается наконечником 44, который может содержать средства распределения текучей среды, например, для управления расходом подаваемого топлива или для придания потоку завихрений или определенного угла выхода из сопла. В качестве форсунки 20 может использоваться любая подходящая форсунка для текучей среды, которая может иметь корпус 50 форсунки с внутренним проходом 52 для впрыскиваемой текучей среды, иглу 54, которая может перемещаться в проходе 52, и движением которой может управлять приводное устройство (не показано) вместе с пружиной 56, для регулирования потока текучей среды, проходящего через канал 42 сопла и через наконечник 44.
Каталитическое покрытие предпочтительно наносят на поверхности, которые непосредственно подвергаются действию высокотемпературных отработавших газов и топлива, подаваемого соплом 24. Такие поверхности включают внешнюю поверхность 46 корпуса 24 сопла, наконечник 44 и поверхность 48, формирующую канал 42 для текучей среды.
Каталитическое покрытие на указанных поверхностях будет снижать температуру, необходимую для окисления отложений углерода. На фиг. 3 приведена блок-схема способа по настоящему изобретению для предотвращения закоксовывания форсунки. В соответствии с предложенным способом на стадии S100 осуществляется мониторинг рабочего режима блока системы ПООГ путем измерения разности давлений отработавших газов на входе и выходе блока и/или путем измерения его температуры. Также на стадии S102 осуществляется мониторинг температуры отработавших газов на входе блока ПООГ.
На стадии S104 определяется, превышает ли температура отработавших газов пороговый уровень, при котором отработавшие газы могут нагревать сопло, покрытое катализатором, до температуры, достаточной для окисления отложений углерода. При использовании благородного металла в качестве катализатора нагрев сопла до температуры 240°C или выше будет стимулировать процесс окисления.
Следует понимать, что способ необязательно должен выполняться строго в том порядке, который указан в описании; стадии мониторинга блока системы ПООГ, мониторинга температуры отработавших газов и определения превышения температурой отработавших газов порогового уровня выполняются непрерывно или в повторяющейся последовательности после выполнения остальных стадий способа.
Если на стадии S104 определяется, что температура отработавших газов превышает пороговый уровень, то на стадии S106 прекращается подача воздуха через форсунку, или по существу прекращается подача воздуха для обеспечения минимального воздушного потока, например, для предотвращения засасывания в сопло отработавших газов (однако в этом случае не происходит эффективное охлаждение сопла). В этом случае, при отсутствии воздушного потока или при минимальном воздушном потоке, форсунка может нагреваться до температуры, достаточной для окисления отложений углерода. Для измерения интервала времени, в течение которого происходит нагрев сопла и окисление нагара, может использоваться счетчик времени. В других вариантах воздушный поток может быть прекращен или может поддерживаться на минимальном уровне, пока температура отработавших газов превышает пороговый уровень, как это определяется на стадии S104.
После истечения интервала нагрева/окисления (стадия S108) или после падения температуры отработавших газов ниже порогового уровня воздушный поток, проходящий через сопло, на стадии S110 увеличивается для обеспечения охлаждения, замедляющего закоксовывание.
Если температура отработавших газов ниже порогового уровня, как это определяется на стадии S104, осуществляется оценка состояния блока системы ПООГ для определения на стадии S112 необходимости повышения температуры отработавших газов. Например, для сажевого фильтра может требоваться выполнение регенерации для удаления накопившихся твердых частиц.
Если для блока системы ПООГ нагрев не требуется, то на стадии S114 через сопло пропускается воздушный поток. Он будет содействовать охлаждению сопла для предотвращения или замедления процесса закоксовывания.
Если для блока системы ПООГ требуется нагрев, на стадии S116 через форсунку впрыскивается углеводород, и при этом осуществляется мониторинг температуры отработавших газов. Количество подаваемого углеводорода и частота впрысков регулируется в соответствии с температурой отработавших газов таким образом, чтобы нагреть сажевый фильтр до требуемой температуры и поддерживать эту температуру в течение времени, достаточного для регенерации фильтра. В других вариантах сажевый фильтр может нагреваться до тех пор, пока разность давлений на входе и выходе фильтра не станет ниже пороговой величины.
После завершения процесса регенерации впрыск углеводорода прекращается, и на стадии S114 обеспечивается подача воздушного потока через сопло форсунки. Воздушный поток после впрыска углеводорода будет способствовать удалению из сопла остатков углеводорода, и продолжающийся воздушный поток помогает охладить сопло для предотвращения или замедления процесса закоксовывания.
Следует отметить, что в соответствии с настоящим изобретением, при низких температурах отработавших газов, когда температура форсунки недостаточно высока для окисления углерода, воздух непрерывно подается через сопло для поддержания температуры сопла на минимально возможном уровне для замедления процесса осаждения нагара. При температурах отработавших газов, достаточно высоких для обеспечения окисления отложений углерода на сопле, воздушный поток через сопло полностью или по существу полностью прекращается для предотвращения охлаждения сопла и обеспечения окисления нагара.
В настоящем описании такие указания, как "включающий", используются в широком смысле так же, как и указания "содержащий", и не исключают наличия других структур, материалов или действий. Аналогично, хотя слово "может" используется в широком смысле для указания того, что некоторые структуры, материалы или действия не являются необходимыми, однако если такое слово не используется, это не означает, что некоторая структура, материал или действие является существенным признаком. В той степени, в которой структура, материал или действие в настоящее время считается существенным признаком, они указываются таковыми в явной форме.
Изобретение иллюстрируется в настоящем описании на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления, однако при этом следует иметь в виду, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации без выхода за пределы объема изобретения, определяемого нижеприведенной формулой.