СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И СПОСОБ ПОДАЧИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ В ВЫПУСКНОЙ ТРАКТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
EXHAUST GASES TOXICITY REDUCTION SYSTEM AND METHOD FOR SUPPLYING REDUCING AGENT INTO EXHAUST PATH OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к системе снижения токсичности отработавших газов (ОГ), а также к способу подачи восстановителя в выпускной тракт двигателя внутреннего сгорания (ДВС) согласно ограничительным частям соответствующих независимых пунктов формулы изобретения.
Для снижения токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания, прежде всего для нейтрализации оксидов азота, присутствующих в ОГ, известно использование соответствующих систем снижения токсичности ОГ, в которых в выпускной тракт ДВС дозируется восстановитель, в качестве которого обычно применяется водный раствор мочевины и из которого в выпускном тракте в результате гидролиза образуется аммиак. При своем взаимодействии с аммиаком оксиды азота в результате происходящего при этом селективного каталитического восстановления превращаются в экологически безвредные вещества, такие как азот и вода. Из DE 19856366 известна система снижения токсичности ОГ, в которой водный раствор мочевины и сжатый воздух подаются насосом в смеситель, в которой раствор мочевины распыляется посредством сжатого воздуха с образованием аэрозоля, который клапанной форсункой дозируется в выпускной тракт.
Краткое изложение сущности изобретения
Преимущество предлагаемой в изобретении системы снижения токсичности ОГ, а также способа подачи восстановителя в выпускной тракт ДВС с отличительными признаками соответствующих независимых пунктов формулы изобретения состоит перед уровнем техники в том, что насос выполнен в виде дозировочного насоса, которым осуществляется подача и дозирование восстановителя в потребном количестве в смеситель, соответственно в выпускной тракт. При этом согласно изобретению дозировочный насос бесклапанным соединением соединен предназначенным для подачи восстановителя трубопроводом (ниже называемым восстановителепроводом по аналогии с топливопроводом, водопроводом, воздухопроводом и т.п.) с выпускным трактом ДВС. Объединение функций по подаче и дозированию восстановителя в дозировочном насосе позволяет упростить систему снижения токсичности ОГ и тем самым удешевить ее благодаря возможности отказа от использования дополнительного дозатора. Благодаря бесклапанному соединению дозировочного насоса с выпускным трактом предлагаемая в изобретении система является "стойкой к давлению льда", т.е. при замерзании находящегося в восстановителепроводе восстановителя возможно его объемное расширение (увеличение в объеме) без опасности повреждения компонентов системы снижения токсичности ОГ. Подобную стойкость к давлению льда можно обеспечить путем выполнения восстановителепровода эластичным, а также путем компенсации объемного расширения, поскольку восстановитель при своем замерзании и сопровождающем его увеличении в объеме может при необходимости расширяться за конец восстановителепровода в направлении смесителя, соответственно выпускного тракта. Благодаря пространственному отделению смесителя и дозировочного насоса друг от друга последний не подвергается высокой тепловой нагрузке со стороны выпускного тракта, тогда как смеситель эффективно обогревается теплом от выпускного тракта. Размещение смесителя на выпускном тракте без отступа от него позволяет отказаться от использования дополнительного трубопровода, соединяющего смеситель и выпускной тракт. Помимо этого смеситель может обогреваться теплом от выпускного тракта, например в целях интенсификации испарения восстановителя, соответственно для расплавления отложений восстановителя в смесителе.
Благодаря мерам, представленным в зависимых пунктах формулы изобретения, возможны предпочтительные модификации и усовершенствования системы снижения токсичности ОГ, а также способа, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения.
В одном из предпочтительных вариантов восстановителепровод по меньшей мере на своем входящем в смеситель участке выполнен в виде капилляра. Благодаря высоким силам адгезии между жидким восстановителем и стенкой такого капилляра предотвращается неконтролируемый выход восстановителя из восстановителепровода в смеситель. Тем самым восстановитель выходит в смеситель только в том случае, когда дополнительно к восстановителю, находящемуся в капилляре, прикладывается давление, превышающее давление в смесителе. Помимо этого площадь свободной поверхности восстановителя мала по сравнению с площадью граничной поверхности у выходного отверстия в смеситель, и поэтому происходит лишь незначительное испарение восстановителя.
Особенно предпочтителен при этом вариант, в котором в восстановителепроводе на участке между дозировочным насосом и смесителем расположен дроссель. Такой дроссель позволяет демпфировать колебания давления в восстановителепроводе, исключая тем самым непреднамеренное дозирование восстановителя в смеситель.
В еще одном предпочтительном варианте предусмотрены нагревательные средства, прежде всего отличные от ОГ в выпускном тракте нагревательные средства, предназначенные для нагрева смесителя до температуры выше температуры плавления возможно образовавшихся кристаллов восстановителя. Такие нагревательные средства, например резистивные электронагревательные элементы, позволяют нагревать смеситель до температуры выше температуры плавления образовавшихся кристаллов восстановителя и в тех режимах работы ДВС, в которых одного лишь подводимого с отработавшими газами ДВС тепла недостаточно для такого расплавления образовавшихся кристаллов восстановителя. Благодаря этому во всех режимах работы ДВС надежно предотвращается нарушение работоспособности системы снижения токсичности ОГ из-за образования кристаллов восстановителя в смесителе.
В следующем предпочтительном варианте предусмотрены подающие средства, которые предназначены, прежде всего при выключении или при намерении выключить ДВС, для подачи восстановителя из восстановителепровода обратно в расходную емкость. Такими подающими средствами, прежде всего отличными от дозировочного насоса подающими средствами, восстановитель может подаваться из восстановителепровода обратно в расходную емкость, что позволяет отказаться от выполнения предлагаемой в изобретении системы стойкой к замерзанию и изготавливать ее компоненты из недорогих материалов, например из простых полимерных материалов.
В еще одном предпочтительном варианте смеситель распылительной трубкой соединен или сообщается с выпускным трактом ДВС. Подобная распылительная трубка позволяет подавать распыленный восстановитель в выпускной тракт таким образом, чтобы выходящий из нее восстановитель не осаждался на стенках выпускного тракта. Благодаря целенаправленной подаче восстановителя через распылительную трубку обеспечивается, кроме того, особо равномерное распределение восстановителя по поперечному сечению выпускного тракта, благодаря чему в свою очередь удается повысить степень химического превращения в расположенном далее каталитическом нейтрализаторе.
Предпочтителен далее вариант, в котором в предназначенном для подачи сжатого газа трубопроводе, который соединяет систему подачи сжатого газа, соответственно его источник со смесителем, расположен клапан, прежде всего обратный клапан. Такой клапан позволяет прерывать, соответственно по мере необходимости открывать подачу сжатого газа в смеситель, благодаря чему по сравнению с непрерывной подачей сжатого газа в смеситель сокращается расход сжатого газа. Особенно предпочтительно при этом применение обратного клапана, поскольку он дополнительно предотвращает обратный поток восстановителя из смесителя в систему подачи сжатого газа.
Особенно предпочтителен при этом вариант, в котором управление указанным клапаном в системе подачи сжатого газа и дозировочным насосом осуществляется общим для них блоком управления, благодаря чему возможно идеальное согласование количества подаваемого сжатого газа с количеством подаваемого дозировочным насосом восстановителя.
Чертежи
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. На этих чертежах одинаковые детали и элементы или выполняющие одинаковую функцию детали и элементы обозначены одинаковыми позициями.
На фиг. 1 показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ, выполненная по первому варианту.
На фиг. 2 показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ, выполненная по альтернативному варианту.
На фиг. 3 показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ, выполненная еще по одному альтернативному варианту.
На фиг. 4 показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ, выполненная еще по одному альтернативному варианту.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показана предлагаемая в изобретении система 10 снижения токсичности ОГ. Предусмотренная в такой системе расходная емкость 40 с восстановителем 42 соединена трубопроводом 43, 45 с подающим агрегатом 50. В трубопроводе 43, 45 расположен фильтр 44. Подающий агрегат 50 содержит дозировочный насос 55, а также фильтр 52 грубой очистки. Подающий агрегат 50 соединен восстановителепроводом 60 с первым входом 71 смесителя 70. При этом подающий агрегат 50 пространственно отделен от смесителя 70. Смеситель 70 имеет второй вход 72, через который к нему подсоединена система 30 подачи сжатого газа. Система 30 подачи сжатого газа имеет источник 32 сжатого газа, из какового источника в смеситель 70 по подводящему трубопроводу 34, 36 может подаваться находящийся под давлением газ 33. В подводящем трубопроводе 34, 36 расположен клапан 35, позволяющий отсоединять источник 32 сжатого газа от смесителя 70. Смеситель 70 имеет смесительную камеру 75, в которой оканчиваются подводящий трубопровод 34, 36 и восстановителепровод 60. Между первым входом 71 смесителя 70 и его смесительной камерой 75 в восстановителепроводе 60 расположены фильтр 74 и дроссель 73. От смесительной камеры 75 отходит распылительная трубка 77, ведущая в выпускной тракт 20 ДВС 5, при этом смеситель 70, соответственно его смесительная камера 75 расположен/расположена непосредственно на том участке выпускного тракта 20, где проходит поток ОГ. В направлении потока ОГ за распылительной трубкой 77 в выпускном тракте 20 расположено устройство 25 для снижения токсичности ОГ. С дозировочным насосом 55 подающего агрегата 50 сигнальной линией 82 соединен блок 80 управления. Блок 80 управления еще одной сигнальной линией 84 соединен с клапаном 35. Дозировочный насос 55 подающего агрегата 50 при этом бесклапанным соединением соединен с выпускным трактом 20, т.е. между выходом дозировочного насоса 55 и выпускным трактом не предусмотрен никакой клапан, однако сам дозировочный насос 55 может иметь известный, расположенный с его напорной стороны клапан для отсечки своей камеры сжатия.
Отработавшие газы ДВС 5 проходят по выпускному тракту 20 к устройству 25 для снижения их токсичности. Для повышения эффективности устройства 25 снижения токсичности ОГ в выпускной тракт 20 можно через распылительную трубку 77 дозировать восстановитель 42. Управление системой 10 снижения токсичности ОГ осуществляется блоком 80 управления, который управляет дозировочным насосом 55 подающего агрегата 50. При этом восстановитель 42 подается из содержащей его расходной емкости 40 по трубопроводу 43 к первому фильтру 44, в котором из восстановителя отфильтровываются возможно присутствующие в нем твердые частицы и загрязнения. Далее по трубопроводу 45 восстановитель 42 поступает в подающий агрегат 50. В подающем агрегате 50 восстановитель 42 проходит через еще один фильтр 52, в котором из восстановителя 42 дополнительно отфильтровываются возможно присутствующие в нем загрязнения и твердые частицы, и затем попадает в дозировочный насос 55. Дозировочный насос 55 в зависимости от сигнала блока 80 управления отмеряет определенное количество восстановителя 42 и подает его в этом количестве по восстановителепроводу 60 на первый вход 71 смесителя 70. В смесителе 70 восстановитель 42 до своего входа в смесительную камеру 75 проходит сначала через еще один фильтр 74 и дроссель 73. В смесительной камере 75 восстановитель 42 распыляется газом 33, который при этом подается по трубопроводу 36, соединенному со вторым входом 72 смесителя 70. К этому второму входу 72 смесителя 70 подсоединена система 30 подачи сжатого газа 33, который подается из его источника 32, например из баллона со сжатым воздухом, по трубопроводу 34, 36 в смесительную камеру 75 смесителя 70. При этом газ 33, предпочтительно сжатый воздух, находится под давлением, которое выше давления в выпускном тракте 20, соответственно в смесительной камере 75, например под давлением в пределах от 5 до 20 бар. Для отсоединения источника 32 сжатого газа от смесителя 70 можно перекрывать трубопровод 34, 36 клапаном 35, приводимым в действие по сигналу блока 80 управления и разобщающим соединение между источником 32 сжатого газа и смесителем 70. Путем прежде всего совместного управления клапаном 35 и дозировочным насосом 55 блоком 80 управления можно также согласовывать потребность в газе 33, предназначенном для распыления восстановителя 42, с тем его количеством, в котором он должен подаваться дозировочным насосом 55 в смеситель 70, соответственно в его смесительную камеру 75. Распыленный восстановитель 42, прежде всего в виде его аэрозоля, подается из смесительной камеры 75 через распылительную трубку 77 в выпускной тракт 20, где он способствует нейтрализации отработавших газов в устройстве 25 для снижения их токсичности. В качестве восстановителя 42 для восстановления оксидов азота находят применение, например, водный раствор мочевины или топливо, прежде всего дизельное топливо. Управление клапаном 35 осуществляется электрически, например при его выполнении в виде электромагнитного клапана, однако может также осуществляться механически, пневматически или гидравлически. Управление дозировочным насосом 55 в предпочтительном варианте равным образом осуществляется электрически, однако не ограничено исключительно электрическими приводами.
В одном из особенно простых вариантов можно исключить по меньшей мере некоторые из фильтров 44, 52, 74, прежде всего фильтры 52 и 74. Вместо дросселя 73 в восстановителепроводе 60 весь он или же по меньшей мере его входящий в смесительную камеру 75 участок может быть также выполнен в виде капилляра. В крайне упрощенном варианте дроссель 73 может также полностью отсутствовать.
На фиг. 2 показана предлагаемая в изобретении система 10 снижения токсичности ОГ, выполненная еще по одному варианту. Смеситель 70, расположенный непосредственно на выпускном тракте 20, имеет два входа 71, 72, через первый 71 из которых смеситель соединен при этом восстановителепроводом 60 с подающим агрегатом 50. Дополнительно в данном варианте второй вход 72 смесителя 70 соединен с подающим агрегатом 50 вторым трубопроводом 34 для подачи газа 33. Подающий агрегат 50 содержит дозировочный насос 55, которым возможна подача восстановителя 42 из содержащей его расходной емкости 40 в смеситель 70. Подающий агрегат 50 имеет далее систему 30 подачи сжатого газа с еще одним - вторым - насосом 90, который трубопроводом 92 соединен с окружающим пространством. На этом втором насосе 90 расположен приводной агрегат 91, например электродвигатель. В трубопроводе 92 расположен воздушный фильтр 29. Трубопровод 34, соединяющий второй насос 90 со смесительной камерой 75 смесителя 70, имеет накопительную емкость 37, а также еще один фильтр 38 для отфильтровывания из сжатого газа 33 возможно присутствующих в нем загрязнений. Подающий агрегат 50 соединен трубопроводом 43, 45 с расходной емкостью 40, содержащей восстановитель 42, при этом от восстановителепровода 60, соединяющего дозировочный насос 55 подающего агрегата 50 со смесительной камерой 75 смесителя 70, ответвляется обратный трубопровод 57, 59, который для возврата восстановителя 42 в трубопровод 45 входит в него перед дозировочным насосом 55. В обратном трубопроводе 57, 59 расположены первый клапан 53, который в предпочтительном варианте выполнен электрически переключаемым, а также обратный клапан 54. С дозировочным насосом 55 первой сигнальной линией 82 соединен блок 80 управления, который второй сигнальной линией 84 соединен со вторым насосом 90 или его приводным агрегатом 91.
Для дозирования восстановителя 42 блок 80 управления приводит в действие дозировочный насос 55, которым восстановитель 42 подается в смесительную камеру 75 смесителя 70. Одновременно блок 80 управления непосредственно или посредством приводного агрегата 91 приводит в действие второй насос 90, которым в смесительную камеру 75 пропорционально количеству подаваемого восстановителя 42 в соответствующем количестве подается газ 33, прежде всего сжатый воздух, которым восстановитель 42 распыляется в смесительной камере 75. В этом первом рабочем режиме, ниже называемом нормальным режимом, клапан 53 закрыт и тем самым перекрывает обратный трубопровод 57, 59, не допуская обратное перетекание по нему восстановителя 42. Помимо этого обратный трубопровод 57, 59 перекрыт также обратным клапаном 54 во избежание образования байпаса в обход дозировочного насоса 55, благодаря чему исключается возможность протекания восстановителя 42, например, в результате превышения давления в расходной емкости 40 в смеситель 70 в обход дозировочного насоса 55. Подача восстановителя 42, а также необходимого для его распыления газа 33 в потребных количествах позволяет избежать излишней подачи обеих этих текучих сред, благодаря чему система 10 снижения токсичности ОГ работает с особо экономным расходом энергии. При выключении ДВС 5 в нормальном режиме работы системы 10 снижения токсичности ОГ происходит опорожнение ее частей, прежде всего смесителя 70 и восстановителепровода 60. Для этого открывается клапан 53. Вторым насосом 90 или из накопительной емкости 37 в смесительную камеру 75 подается находящийся под давлением газ 33, который вытесняет обратно восстановитель 42 из смесителя 70 и восстановителепровода 60. Вытесняемый газом 33 восстановитель 42 поступает по обратному трубопроводу 57, 59 и по трубопроводам 45, 43 обратно в расходную емкость 40. При этом под действием давления газа 33, соответственно обратного потока восстановителя 42 открывается обратный клапан 54, открывающий в результате соединение с расходной емкостью через обратный трубопровод 57, 59.
На фиг. 3 показана предлагаемая в изобретении система 10 снижения токсичности ОГ, выполненная еще по одному, альтернативному варианту. По своей конструкция такая система в основном соответствует системе, показанной на фиг. 1, и поэтому ниже рассматриваются только различия между обоими вариантами. Расходная емкость 40 с восстановителем 42 соединена трубопроводами 43, 45 с подающим агрегатом 50, который в свою очередь соединен восстановителепроводом 60 с первым входом 71 смесителя 70. Смеситель 70 имеет смесительную камеру 75, которая расположена в пределах того участка выпускного тракта 20, где проходит поток ОГ. На своем продолжении в смесителе 70 восстановителепровод 60 имеет фильтр 74, а также дроссель 73, предпочтительно закритический дроссель (дроссель для надкритического режима истечения), который расположен между первым входом 71 смесителя 70 и его смесительной камерой 75. Смесительная камера 75 выполнена с возможностью подачи в нее находящегося под давлением газа 33 из системы 30 подачи сжатого газа, которая подсоединена ко второму входу 72 смесителя 70, между вторым входом 72 и смесительной камерой которого при этом расположены фильтр 38, дроссель 79, а также обратный клапан 39. У смесительной камеры 75 расположены нагревательные средства 78 в виде резистивного электронагревательного элемента, позволяющие дополнительно обогревать смесительную камеру 75. Подающий агрегат 50 наряду с дозировочным насосом 55 имеет обратный трубопровод 57, 59, в котором расположен отсасывающий насос 58. Обратный трубопровод 57, 59 представляет собой байпас, который ведет в обход дозировочного насоса 55 и благодаря которому при этом возможен слив восстановителя 42 из восстановителепровода 60 отсасывающим насосом 58 по обратному трубопроводу 57, 59 и по трубопроводам 45, 43 обратно в расходную емкость 40. С дозировочным насосом 55 первой сигнальной линией 82 соединен блок 80 управления. Второй сигнальной линией 84 блок 80 управления соединен с клапаном 35 в трубопроводе 34, 36, который соединяет источник 32 сжатого газа со смесительной камерой 75 смесителя 70. Третья сигнальная линия 86 от блока 80 управления ведет к отсасывающему насосу 58.
Дозирование восстановителя 42 осуществляется аналогично вариантам, рассмотренным выше со ссылкой на фиг. 1 и 2. Поскольку при применении восстановителей, содержащих растворимые вещества, например водного раствора мочевины, может происходить выкристаллизовывание этих веществ, в тех частях системы снижения токсичности ОГ, через которые проходит восстановитель 42, например в смесителе 70, прежде всего в его смесительной камере 75, и в распылительной трубке 77, возможно образование отложений и/или кристаллов, которые сужают в поперечном сечении или даже полностью закупоривают гидравлическое соединение, ведущее от расходной емкости 40 к выпускному тракту 20, что может привести к нарушению работоспособности системы 10 снижения токсичности ОГ вплоть до ее отказа. Благодаря размещению смесительной камеры 75 смесителя 70 на том участке выпускного тракта 20, где проходит поток ОГ, они могут в определенных режимах работы ДВС 5 нагревать смеситель 70, прежде всего его смесительную камеру 75, до температуры, при которой такие образовавшиеся кристаллы расплавляются и вновь освобождают указанное гидравлическое соединение с восстановлением его поперечного сечения до исходного. Применение дополнительных нагревательных средств 78, таких как резистивные электронагревательные элементы, позволяет усилить подобный эффект, соответственно распространить его на те режимы работы ДВС 5, в которых одного лишь подводимого с отработавшими газами ДВС 5 тепла недостаточно для расплавления образовавшихся кристаллов, соответственно для разрушения образовавшихся отложений. Соответствующие дополнительные нагревательные средства 78, предусмотренные в показанном на фиг. 3 варианте, можно также использовать в показанных на фиг. 1, 2 и 4 вариантах. В простом варианте дополнительные нагревательные средства 78 отсутствуют, а смеситель 70, соответственно его смесительная камера 75, а также распылительная трубка 77 нагреваются исключительно теплом отработавших газов в выпускном тракте 20 таким образом, что происходит расплавление образовавшихся кристаллов, соответственно разрушение образовавшихся отложений.
В нормальном режиме обратный трубопровод 57, 59 перекрыт отсасывающим насосом 58, что исключает возможность образования байпаса в обход дозировочного насоса 55. При выключении ДВС 5 восстановитель 42 начинает нагнетаться отсасывающим насосом 58 из восстановителепровода 60 обратно в расходную емкость 40.
В другом варианте отсасывающий насос 58, соответственно функцию отсоса восстановителя можно интегрировать в дозировочный насос 55, и в этом случае, обратный трубопровод 57, 59 может отсутствовать.
На фиг. 4 показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ, выполненная еще по одному варианту. Показанный на фиг. 4 вариант отличается от показанного на фиг. 2 варианта лишь тем, что второй насос 90 не интегрирован в подающий агрегат 50, а вместо этого второй насос 90, равно как и непосредственно функционально связанный с ним воздушный фильтр 29 и/или необязательная накопительная емкость 37, а также еще один фильтр 38 расположены вне подающего агрегата, прежде всего пространственно отдельно от него. Второй насос 90 приводится в действие приводным агрегатом 91, который представляет собой, например, электродвигатель. Принцип работы показанной на данном чертеже системы снижения токсичности ОГ в основном соответствует показанному на фиг. 2 варианту, однако подающий агрегат 50 благодаря меньшему количеству деталей менее сложен в изготовлении и сборке, а второй насос 90 может быть расположен в любом месте, прежде всего на удалении от выпускного тракта 20 и/или от восстановителя 42.