ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ САЖИ
EXHAUST SYSTEM CONTAINING CATALYTIC SOOT FILTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к выхлопной системе для двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедной смеси, которая включает каталитический фильтр для сажи (CSF), регулирующее устройство и механизм, управляемый регулирующим устройством, для увеличения содержания горючих углеводородов (НС) и/или монооксида углерода (СО) в выхлопном газе, поступающем в CSF таким образом, чтобы сжигать НС и/или СО в фильтре CSF, чтобы повысить температуру CSF и чтобы сжигать накопившиеся в нем твердые частицы (РМ).
Уровень техники
Известно применение CSF с целью соответствия законодательным нормам для выхлопных газов по твердым частицам, СО и углеводородам в дизельных двигателях малой мощности (что определено соответствующим законодательством). Известная проблема при использовании фильтров CSF состоит в том, что могут образоваться РМ на фильтре CSF в течение периодов, когда температура выхлопного газа является относительно низкой, например, 150-200°С, таких как длительные периоды холостого хода и/или в условиях медленного движения. В таких условиях, когда на фильтре CSF накапливаются твердые частицы, может повыситься противодавление в системе, что нежелательно. Обычно эта проблема решается путем подбора устройства, которое активно регенерирует CSF, то есть в CSF подводится энергия с целью активного сжигания твердых частиц.
Один такой способ активной регенерации включает увеличение содержания горючих углеводородов (обычно топливо, которое поступает в двигатель, или полученные из него продукты) и/или СО в выхлопном газе, поступающем в CSF, и посредством этого сжигать углеводороды и/или СО в фильтре CSF, повышать температуру CSF и сжигать накопившиеся в нем частицы. Такой режим активной регенерации может быть запущен, когда детектируется соответствующий показатель состояния CSF, такой как повышение противодавления в системе выше предварительно заданного порогового значения, заданное время, прошедшее после последней регенерации или заданное расстояние пробега автомобиля после последней регенерации. Такие процессы обычно регулируются соответственно запрограммированным регулирующим устройством двигателя (ECU), получающим соответствующие сигналы от датчиков.
Обычно используют два приема для увеличения содержания горючих углеводородов и/или СО в выхлопном газе: впрыск углеводородов непосредственно в выхлопной газ, поступающий в систему выхлопа; и регулируемый впрыск углеводородов в один или несколько цилиндров двигателя. Последний прием является более обычным для использования изготовителем комплектного оборудования (ИКО), причем применение общепринятых направленных систем впрыска может повысить гибкость впрыска, как по количеству, так и по времени. Например, могут быть осуществлены два общих направленных впрыска в течение такта расширения с целью повышения температуры горения и увеличения концентрации углеводородов в выхлопных газах:
(i) задержка вторичного впрыска происходит непосредственно до открывания выпускных клапанов (нижняя мертвая точка); и, кроме того,
(ii) сразу после верхней мертвой точки добавляется опережающий вторичный впрыск (называется подвпрыском топлива).
2
В выхлопной системе текущего производства, катализатор окисления дизеля (DOC) расположен ниже по потоку любой турбины двигателя, а фильтр CSF расположен ниже DOC по потоку. В ходе обычного режима работы РМ пассивно сжигаются в кислороде или NO (последний образуется при окислении NO в выхлопном газе на катализаторе DOC или CSF). Когда желательно активно регенерировать CSF, повышают содержание углеводородов и/или СО в выхлопном газе и НС и/или СО сжигаются на катализаторе DOC выше фильтра CSF, причем CSF подвергается воздействию выхлопного газа с высокой температурой, так что частицы РМ сгорают на фильтре. Температура на входе в CSF регулируется путем контроля количества углеводородов и/или СО, введенных в выхлопной газ. На практике этот контроль выполняется путем измерения температуры выхлопного газа, поступающего в CSF (или после DOC), с использованием термопары, причем впрыск углеводородов увеличивается, если температура слишком мала, или впрыск углеводородов уменьшается, если температура слишком велика. Это устройство представляет собой пример так называемого замкнутого контура регулирования с использованием ECU.
Катализатор DOC целенаправленно предназначается для облегчения окисления СО и/или углеводородов, оставшихся в выхлопных газах после сгорания в цилиндре, для того чтобы соответствовать законодательным нормам для выхлопных газов.
Используемый здесь термин "термопара" означает две проволоки из различных металлов, соединенных на концах с образованием контура, в котором разность температур между двумя соединениями нарушает равновесие контактных потенциалов и приводит к возникновению тока в этом контуре. Если поддерживать постоянной температуру одного соединения, то температура другого соединения определяется путем измерения тока.
В соответствии с законодательством для автосборочных предприятий требуется повышенный срок службы для компонентов выхлопной системы, в том числе катализаторов очистки выхлопных газов. Поэтому необходимо тщательно контролировать подвод энергии к фильтру CSF для того, чтобы избежать термического повреждения катализатора и/или фильтрующего субстрата. Следовательно, требуемый уровень контроля активной регенерации заключается в повышении температуры фильтра CSF до заданного значения, достаточного для промотирования горения твердых частиц РМ, но без превышения заданного максимального значения температуры на входе, вследствие чего обеспечивается повышение температуры внутри фильтра CSF за счет окисления РМ в заданном расчетном диапазоне.
Было бы желательно, если бы в выхлопной системе не требовалось одновременное наличие катализатора DOC, а также фильтра CSF для того, чтобы очистить выхлоп от частиц РМ, СО и углеводородов, а вместо этого нанести в блоке фильтра CSF катализатор, способный осуществлять функции катализатора DOC, а также фильтра CSF, и таким образом, обеспечить единственный каталитический блок. Конечно, на практике можно повысить температуру фильтра CSF до уровня, достаточного для сжигания РМ при сгорании горючих углеводородов и/или СО на самом фильтре CSF. Однако при этом остается проблема надежного регулирования подвода энергии к CSF для того, чтобы избежать разрушающего воздействия на нанесенный катализатор и фильтрующий субстрат высоких температур, например, выше 650°С, но обеспечить подвод достаточной энергии к фильтру CSF, чтобы сжигать на нем частицы РМ. Термопара может быть размещена внутри самого фильтра CSF для измерения температуры, однако такой компоновке присущ ряд недостатков. Во-первых, невозможно отличить дополнительную теплоту сгорания частиц РМ от теплоты, выделяющейся при сгорании углеводородов и/или СО в выхлопном газе, таким образом, прямое измерение параметров входящего газа становится затруднительным или практически невозможным. Во-вторых, возникает проблема срока службы, связанная с размещением термопары малого диаметра внутри ячеистой структуры фильтра CSF: могут быть повреждены термопара или фильтр.
В настоящем изобретении разработан способ контроля активной регенерации фильтра CSF без необходимости в катализаторе DOC для сжигания углеводородов и/или СО до фильтра CSF.
В патенте США №4029472 описан датчик для детектирования остаточного горючего в выхлопном газе, особенно в выхлопном газе двигателя внутреннего сгорания. Этот датчик содержит два термопарных спая, из которых один спай катализируется, причем разность температур между спаями пропорциональна остаточному содержанию горючего в выхлопном газе. В патенте предполагается, что датчик может быть расположен до проточного каталитического реактора-конвертера для того, чтобы детектировать фактическое остаточное содержание несгоревших углеводородов и/или СО в потоке выхлопных газов. В качестве альтернативы, когда датчик смонтирован после каталитического реактора-конвертера, датчик может быть использован для регистрации эффективности конвертера.
В патенте ЕР 1580411 описана система выхлопа дизельного двигателя, содержащая катализатор окисления после фильтра твердых частиц. Катализатор окисления содержит как платину, так и палладий в соотношении 0,05≤(Pd/Pd+Pt)≤0,75. Для повышения температуры фильтра на катализатор окисления подается топливо.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с одним замыслом в настоящем изобретении разработана выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедной смеси, которая включает: (а) каталитический фильтр для сажи (CSF); (b) регулирующее устройство; (с) средство, управляемое регулирующим устройством, для увеличения содержания горючих углеводородов (НС) и/или (СО) в выхлопном газе, поступающем в CSF, таким образом, чтобы сжигать НС и/или СО в фильтре CSF с целью повышения температуры CSF и сжигания накопившихся в нем твердых частиц (РМ); и (d) устройство катализаторного датчика, расположенное между коллектором двигателя и CSF, для сжигания СО и/или углеводородов в выхлопном газе, поступающем в выхлопную систему, и ввода в регулирующее устройство данных, которые коррелируют с энтальпией сгорания углеводородов и/или СО в выхлопном газе, посредством чего регулирующее устройство в процессе его использования контролирует устройство подачи горючих углеводородов и/или СО в зависимости от введенных в него данных, тем самым регулируется степень контактирования фильтра CSF с горючими углеводородами и/или СО.
Устройство датчика может обеспечить процессор в регулирующем устройстве для оценки экзотермического пика температуры в фильтре CSF в результате сгорания углеводородов и/или СО, присутствующих в выхлопном газе, поступающем в CSF.
В одном варианте осуществления устройство катализаторного датчика содержит спай катализаторной термопары. В конкретном варианте осуществления термопарный катализатор содержит катализатор, применяемый в фильтре CSF, например, платину, нанесенную на оксид алюминия. Калиброванная соответствующим образом катализаторная термопара может обеспечить непосредственную корреляцию температуры после CSF, поскольку на термопарном катализаторе сгорают углеводороды и/или СО, содержащиеся в выхлопном газе, с выделением тепла, которое нагревает термопарный спай. Генерируемый при этом сигнал может быть использован для регулирования, за счет замкнутого контура обратной связи, введения углеводородов и/или СО для того, чтобы поддерживать температуру фильтра CSF в заданном диапазоне.
В еще одном варианте осуществления устройство катализируемого датчика содержит спай катализаторной термопары первого варианта осуществления и, кроме того, некатализирующий спай стандартной термопары. Такой датчик описан в патенте США №4029472, полное содержание которого включено в изобретение посредством ссылки. Это устройство из двух спаев термопары обеспечивает то преимущество, что этим датчиком можно определить тепло, выделившееся при сгорании углеводородов и/или СО на фильтре CSF, а также температуру выхлопного газа до CSF, таким образом, в регулирующем устройстве может быть обеспечен дополнительный контроль с обратной связью.
Катализатор в CSF обычно содержит, по меньшей мере, один металл из платиновой группы (МПГ), однако в особых вариантах осуществления катализатор содержит или одну платину, или Pt в сочетании с одним или несколькими дополнительными МПГ, например, Pt и Pd, или Pt и Rh, или все три металла Pt, Pd и Rh, включая подходящие промоторы, такие как Mg, Ba или редкоземельные металлы, например Се. Материал, из которого выполнен монолит фильтрующего субстрата, может быть носителем катализатора или катализатор может быть нанесен на тонкий слой компонента, который увеличивает площадь поверхности, например, на гранулированный оксид алюминия.
В конкретном варианте осуществления устройство катализаторного датчика представляет собой единственный каталитический компонент в выхлопной системе, расположенный между двигателем и фильтром CSF.
В одном варианте осуществления регулирующее устройство приспособлено для предотвращения роста температуры фильтра CSF выше 650°С в ходе активной регенерации CSF (исключая тепло, выделяющееся при окислении сажи), и таким образом, снижается или предупреждается вероятность повреждения катализатора в фильтре CSF.
С целью достижения желательной температуры фильтра CSF, для облегчения регенерации, в одном варианте осуществления регулирующее устройство приспособлено поддерживать температуру CSF при 550°С и выше в ходе активной регенерации CSF.
В одном варианте осуществления выхлопная система содержит катализатор окисления для обеспечения выделения тепла за счет сгорания только части горючих углеводородов и/или СО в выхлопном газе, причем катализатор расположен между коллектором двигателя и устройством катализаторного датчика. Этот катализатор окисления может содержать монолит субстрата, имеющий объем от 1/10 до 1/3 от объема вытеснения двигателя, для которого предназначается сконструированная выхлопная система.
В этом варианте осуществления катализатор окисления полностью отличается от DOC тем, что он не предназначается для удовлетворения требованиям законодательных норм для выхлопных газов по содержанию СО и углеводородов. Напротив, он предназначается для сжигания только части дополнительного количества углеводородов и/или СО, введенных в выхлопной газ с целью повышения температуры фильтра CSF.
3
Катализатор окисления выполнен таким образом, что комбинация активности катализатора окисления и объема монолита субстрата является недостаточной для выполнения соответствующих норм для выхлопных газов по содержанию СО и углеводородов. На практике катализатор окисления может содержать один или несколько металлов платиновой группы. В одном варианте осуществления единственным МПГ является платина. В другом варианте осуществления могут быть использованы оба металла платина и палладий. Суммарная загрузка МПГ в катализаторе может составлять до 240 г/куб. фут (8,48 кг/м).
В варианте осуществления выхлопной системы, включающем катализатор окисления для выделения тепла, выхлопная система содержит устройство для шунтирования катализатора в ходе заданного режима работы. Такое устройство для шунтирования может содержать трубопровод, сечение которого регулируется клапанным приспособлением, управляемым регулирующим устройством. В этом варианте осуществления обеспечивается повышенный выбор конструкций, чтобы дать квалифицированному инженеру большую степень регулирования подвода энергии к фильтру CSF.
В соответствии с дополнительным замыслом в настоящем изобретении разработан двигатель внутреннего сгорания и соответствующая выхлопная система. Двигатель может представлять собой дизельный двигатель, например, дизель малой мощности (по соответствующему законодательству). Когда двигатель не имеет наддува или является дизелем с наддувом, устройство катализаторного датчика может быть расположено между коллектором двигателя и фильтром CSF. В качестве альтернативы, когда двигатель имеет турбокомпрессор, устройство катализаторного датчика может быть расположено между выходом из турбокомпрессора и фильтром CSF.
В одном варианте осуществления устройство для увеличения содержания горючих углеводородов и/или СО в выхлопных газах содержит топливный инжектор в цилиндре двигателя. Альтернативно или дополнительно, устройство для увеличения содержания горючих углеводородов в выхлопной системе может содержать инжектор для впрыска горючих углеводородов в выхлопной газ в местоположении после двигателя. Если выхлопная система содержит катализатор окисления, как описано выше, инжектор располагается выше (по потоку) катализатора окисления.
В соответствии с другим замыслом в настоящем изобретении разработан способ регулирования активной регенерации катализаторного фильтра для сажи (CSF) в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, этот способ включает стадии:
(i) повышение содержания горючих углеводородов (НС) и/или монооксида углерода (СО) в выхлопном газе, поступающем в фильтр CSF для того, чтобы сжигать НС и/или СО в CSF с целью увеличения температуры CSF и сжигания твердых частиц, накопившихся на фильтре;
(ii) сжигание углеводородов и/или СО в выхлопных газах до фильтра CSF в устройстве катализаторного датчика, чтобы генерировать сигнал, отображающий концентрацию углеводородов и/или СО в выхлопных газах;
(iii) корреляция сигнала с величиной энтальпии сгорания углеводородов и/или СО в выхлопных газах; и
(iv) регулирование содержания углеводородов и/или СО на стадии (i) в зависимости от величины энтальпии, определенной на стадии (iii), посредством чего поддерживается температура фильтра CSF в заданном диапазоне.
С целью более полного понимания этого изобретения, варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:
Фигура 1 представляет собой схематическое изображение устройства, содержащего дизельный двигатель малой мощности и выхлопную систему, представляющую собой первый вариант осуществления согласно изобретению; и на
Фигуре 2 показан второй вариант осуществления согласно изобретению.
Ссылаясь на фигуру 1, на которой позицией 10 обозначено устройство согласно изобретению, в котором позиция 12 означает корпус дизельного двигателя малой мощности, 14 означает поршень, 16 - это камера сгорания, 18 - это общепринятый топливный инжектор направленного впрыска, 20 означает впускной канал, 22 - это выпускной канал, 24 - впускной клапан, 26 - выпускной клапан, 28 означает выхлопной коллектор, 30 - это выхлопная труба, 32 - фильтр CSF, 34 - это корпус, содержащий диффузор выхлопной трубы для размещения и крепления фильтра CSF в соединении с выхлопной трубой, 36 означает датчик, содержащий катализаторный спай термопары, а также некатализирующий спай стандартной термопары и 38 - это регулирующее устройство двигателя (ECU), программированное для регулирования общепринятого топливного инжектора направленного впрыска при использовании при активной регенерации фильтра CSF в зависимости от детектируемого сигнала датчика 36.
При работе устройство ECU 38 определяет пробег автомобиля (в милях) с момента последней активной регенерации. Когда пробег превышает заданное значение, например, 1000 км, ECU регулирует инжектор 18, из которого начинает подаваться ряд впрысков топлива с целью повышения температуры и необязательного повышения содержания углеводородов и/или СО в выхлопном газе, поступающем в фильтр CSF. Устройство ECU 38 калибруется с целью определения относительного количества горючих углеводородов и/или СО, поступающих на фильтр CSF, в зависимости от локализованного повышения температуры, вызванного сгоранием углеводородов и/или СО на датчике. С помощью ряда таблиц преобразования или графиков устройство 38 определяет вероятность повышения температуры в фильтре 32 за счет сгорания определенного количества углеводородов и/или СО и соответственно регулирует впрыск горючих углеводородов и/или СО через инжектор 18.
Если устройство ECU 38 определяет, что частота подачи горючих углеводородов и/или СО в фильтр 32 вызовет рост температуры фильтра 32 выше заданной максимальной температуры, например, выше приблизительно 650°С, то устройство ECU 38 уменьшает частоту подачи и/или количество впрысков; или, если рассчитанная температура ниже заданного минимального порогового значения, желательного для облегчения активной регенерации фильтра 32, например, ниже приблизительно 550°С, то устройство 38 увеличивает частоту подачи и/или количество впрысков. Конечно, если рассчитанная температура находится в заданном температурном диапазоне, не требуются какие-либо изменения частоты подачи и/или количества впрысков, при условии, что все факторы, влияющие на температуру фильтра CSF, например, положение педали газа, величина объемной скорости подачи и др., остаются практически постоянными. Квалифицированный инженер сможет соответствующим образом запрограммировать устройство ECU 38, чтобы обеспечить желательное управление с обратной связью, без указания дополнительных деталей.
2
Рассмотрим фигуру 2, на которой позиция 100 относится ко второму варианту осуществления согласно изобретению, где элементы, соответствующие элементам фигуры 1, имеют такие же номера позиций. На фигуре 2, позицией 110 обозначен монолит (или "пластина") субстрата, небольшой длины, например, 2 дюйма (5 см), диаметром 5,6 дюйма (14,2 см), имеющий, например 400 ячеек на квадратный дюйм (62 ячейки/см), с нанесенным катализатором окисления, например, Pt/оксид алюминия. Датчик 136 содержит спай катализаторной термопары, расположенный сразу за "пластиной" 110, причем этот датчик связан с устройством ECU 38.
При эксплуатации углеводороды и/или СО сгорают на катализаторе окисления 110, и теплота сгорания, выделившаяся в выхлопной газ, детектируется с использованием датчика 136, в добавление к датчику, детектирующему теплоту, выделившуюся при сгорании углеводородов и/или СО на самом катализаторном датчике. Может быть выполнена корреляция между детектируемым ростом температуры выхлопного газа и ожидаемым повышением температуры в фильтре CSF.