ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИСТЕМОЙ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, В КОТОРУЮ С ПОМОЩЬЮ ДОЗИРОВОЧНОГО БЛОКА ДОЗИРОВАННО ВВОДИТСЯ ДОБАВКА
ICE WITH WASTE GAS EXHAUST SYSTEM WITH PROPORTIONING UNIT TO ADD METERED ADDITIVE THEREIN

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с системой выпуска отработавших газов, в которую вводятся отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания и внутри которой предусмотрен блок переноса тепла, с помощью которого из системы выпуска отработавших газов можно отводить тепло и подавать в технологическую камеру системы обработки отработавших газов. При этом вводимая из запасного резервуара в технологическую камеру добавка, в которой с помощью извлекаемого из системы выпуска отработавших газов тепла может вызываться, по меньшей мере, частичное изменение агрегатного состояния, дозируется в систему выпуска отработавших газов с помощью установленного в системе обработки отработавших газов после технологической камеры дозировочного блока.
x
Минимизацию выброса частиц и NO до утвержденных законом предельных значений Евро-2 для колесных транспортных средств можно было обеспечивать лишь с помощью оптимизации сгорания, т.е. с помощью мер внутри двигателя. Предельные значения Евро-3 можно также обеспечивать без обработки отработавших газов.
x
Однако для выполнения также предельных значений для отработавших газов Евро-4 и в особенности Евро-5, а также других будущих предельных значений для отработавших газов автомобилей, дополнительно к мерам внутри двигателя необходимо использование систем обработки отработавших газов. Для выполнения также в будущем устанавливаемых законодательством предельных значений для отработавших газов предлагаются различные технические решения для автомобилей. В одном из этих технических решений предусмотрено уменьшение количества частиц с помощью мер внутри двигателя в комбинации с уменьшением выброса NO посредством обработки отработавших газов с помощью избирательного каталитического восстановления (технология SCR).
Центральным элементом технологии SCR является катализатор, который с использованием аммиака превращает оксиды азота в водяной пар и азот. При этом в отработавшие газы подают перед достижением катализатора добавку, из которой можно получать восстанавливающий аммиак, или сам аммиак в качестве восстанавливающего средства с помощью форсунки.
В качестве добавок для получения необходимого восстанавливающего средства можно использовать в принципе чистый аммиак, карбонат аммиака или водный раствор мочевины. В этой связи в настоящее время предпочтительным является применение не ядовитой, имеющей нейтральный запах мочевины по сравнению с другими веществами для создания необходимого для восстановления аммиака. Применяемая мочевина разлагается при температурах от около 200°С с образованием аммиака и диоксида углерода. При этом способ основан на впрыске мочевины в горячие дизельные отработавшие газы. Содержащаяся в мочевине доля аммиака соединяется на поверхности катализатора из оксида титана, оксида вольфрама и/или оксида ванадия с имеющимися в отработавших газах оксидами азота, окисляется с помощью кислорода и образует при использовании подключенного или интегрированного окислительного катализатора безвредные составляющие части воздуха - азот и воду. Как следует из приведенного выше, термогидролизное расщепление водного раствора мочевины происходит за счет потребления тепла с отдачей аммиака в качестве средства восстановления.
В этой связи из DE 3422175 А1 известно получение необходимого для реакции в тракте отработавших газов аммиака посредством хранения необходимой для отделения аммиака добавки в запасном резервуаре, введения этой добавки в расщепительную камеру и нагревания в ней для обеспечения возможности последующего ввода аммиака в отделенном виде в тракт отработавших газов. В качестве источников тепла для нагревания вещества, из которого в конечном итоге выделяется аммиак, в DE 3422175 А1 предлагаются электрические нагреватели или инфракрасный излучатель.
x
Дополнительно к предыдущему абзацу, из DE 4200514 А1 известен способ каталитического удаления азота из отработавших газов, в котором также для более быстрого распределения реактивных составляющих частей в тракте отработавших газов сначала выполняют в предварительной камере разложение химического соединения на его газообразные продукты разложения, среди прочего, в аммиак. Наряду с более быстрым распределением реактивных веществ в отработавших газах и связанной с этим более быстро проходящей реакцией, указанный способ должен обеспечивать более равномерную и полную реакцию газообразного аммиака с NO и тем самым более высокую эффективность обработки отработавших газов. Кроме того, из указанной публикации известно применение мочевины в качестве химического соединения, из которого в предварительной стадии способа перед впрыском в тракт отработавших газов отделяют аммиак под воздействием тепла.
С учетом указанного выше уровня техники, в основу изобретения положена задача создания устройства, которое обеспечивает возможность выполнения нагревания химического соединения и, соответственно, отделения аммиака в предшествующей впрыску в тракт отработавших газов стадии так, что необходимые для этого компоненты установки можно просто интегрировать в обычную конструкцию двигателя внутреннего сгорания. При этом, в частности, должно обеспечиваться, что необходимые компоненты установки для нагревания добавки занимают возможно меньшее конструктивное пространство. Кроме того, техническое решение согласно изобретению должно обеспечивать выполнение достаточного и эффективного нагревания добавки также в критических рабочих состояниях двигателя внутреннего сгорания с низкими температурами отработавших газов.
Положенная в основу изобретения задача решена с помощью двигателя внутреннего сгорания с системой выпуска отработавших газов согласно признакам пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, пояснение которых будет приведено ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему систему выпуска отработавших газов, в которую выводятся отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания и внутри которой предусмотрен блок переноса тепла, предназначенный для извлечения тепла из системы отработавших газов и для подачи в технологическую камеру системы дополнительной обработки отработавших газов. При этом подаваемая из запасного резервуара в технологическую камеру добавка, в которой с помощью извлеченного из системы отработавших газов тепла вызывается, по меньшей мере, частичное изменение агрегатного состояния, дозируется с помощью расположенного в системе дополнительной обработки отработавших газов после технологической камеры дозировочного блока в систему отработавших газов. Изобретение характеризуется тем, что в системе рециркуляции отработавших газов системы выпуска отработавших газов расположен блок переноса тепла, в который вводятся отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания и через который, по меньшей мере, часть отработавших газов подается в подвод воздуха для сгорания топлива двигателя внутреннего сгорания.
В принципе, внутренняя система рециркуляции отработавших газов обеспечивает возможность понижения выброса отработавших газов, в частности выброса оксидов азота. При этом во всасываемое количество воздуха примешивается часть отработавших газов с помощью подходящего выбора фаз газораспределения, за счет чего доля кислорода в свежем воздухе в цилиндре уменьшается и за счет этого увеличивается удельная теплоемкость. Это приводит к понижению температуры сгорания и тем самым к уменьшению выброса оксидов азота. Одновременно за счет подачи части отработавших газов в процесс сгорания уменьшается в целом количество выбрасываемых отработавших газов.
Кроме того, повышение эффективности системы возможно, в частности, за счет того, что подаваемые через систему рециркуляции отработавших газов в воздух сгорания отработавшие газы охлаждаются с помощью соответствующего теплообменника отработавших газов. При этом находящееся в системе рециркуляции отработавших газов удаляемое тепло можно использовать либо для более быстрого разогрева двигателя, в частности, во время запуска, либо для нагревания других компонентов установки, таких как, например, система дополнительной обработки отработавших газов. С помощью указанной системы согласно изобретению обеспечивается возможность особенно эффективного использования системы дополнительной обработки отработавших газов.
Техническое решение согласно изобретению основано на том, что из системы рециркуляции отработавших газов с помощью блока переноса тепла выделяется тепло, и это тепло подается в технологическую камеру системы дополнительной обработки отработавших газов. При этом существенным является то, что технологическая камера выполнена так, что предусмотрена возможность подачи в нее из запасного резервуара добавки, агрегатное состояние которой изменяется вследствие нагревания в технологической камере. Затем переведенная предпочтительно, по меньшей мере, частично в парообразное и/или газообразное состояние добавка, в частности, отделенный аммиак, посредством соответствующего впрыска впрыскивается в тракт отработавших газов системы выпуска отработавших газов. Для обеспечения компактной конструкции блок переноса тепла интегрирован непосредственно в систему рециркуляции отработавших газов.
В одной особой модификации изобретения предусмотрено, что технологическая камера имеет средства, с помощью которых реализуется впрыск частичного потока отработавших газов в качестве несущего потока. Ответвленный из системы рециркуляции отработавших газов несущий поток впрыскивается в этом случае в технологическую камеру и направляет переведенную, по меньшей мере, частично в парообразное и/или газообразное состояние добавку в зону других компонентов системы дополнительной обработки отработавших газов, в которой добавка реагирует с содержащимися в отработавших газах веществами.
В одном специальном варианте выполнения изобретения технологическая камера, в которой происходит изменение агрегатного состояния добавки с отделением аммиака, интегрирована непосредственно в блок переноса тепла. Высокая степень интеграции компонентов установки блока переноса тепла и технологической камеры приводит в конечном итоге к тому, что камера для предварительного нагревания и отделения аммиака выполнена с особой экономией пространства и может интегрироваться непосредственно в блок двигателя.
В одной специальной модификации изобретения предусмотрено, что блок переноса тепла и технологическая камера выполнены в виде теплообменника типа труба в трубе. При этом внутренняя труба предпочтительно образует ограничительную стенку между лежащим снаружи блоком переноса тепла и лежащей внутри технологической камерой. Таким образом, проходящий в системе рециркуляции отработавших газов поток отработавших газов направляется снаружи на ограничительную стенку технологической камеры. Это обеспечивает эффективное нагревание технологической камеры и вводимой в технологическую камеру добавки. Вводимая в технологическую камеру добавка предпочтительно является жидкой добавкой, в частности, водным раствором мочевины, или твердым веществом, которое содержит, по меньшей мере, частично мочевину, циануровую кислоту, карбонат аммония или карбанат аммония.
Выполнение согласно изобретению системы рециркуляции отработавших газов, в которую интегрирован блок переноса тепла с лежащей внутри технологической камерой для создания содержащего аммиак газа, обеспечивает, с одной стороны, эффективное охлаждение отработавших газов внутри системы рециркуляции отработавших газов и, с другой стороны, обеспечивает достаточное количество энергии для превращения добавки в аммиак. В частности, уже указанное выполнение труба в трубе блока переноса тепла с лежащей внутри технологической камерой обеспечивает высокую надежность процесса также в критичных рабочих состояниях двигателя внутреннего сгорания, то есть, в частности, в рабочих состояниях, которые обычно отличаются сравнительно низкими температурами отработавших газов. Такие рабочие состояния возникают как в фазе запуска двигателя внутреннего сгорания, так и при так называемых «пилообразных» нагрузках, которые возникают, например, при движении автомобиля внутри города.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения, в котором предусмотрена интеграция технологической камеры в блок переноса тепла в виде теплообменника типа труба в трубе, обеспечивает дополнительно хорошее накопление тепла внутри технологической камеры. Тепловые свойства технологической камеры, в частности теплопроводность и тем самым также излучение тепла технологической камерой, можно оптимизировать за счет подходящего выбора размера труб. В этом случае внутренняя труба, которая предпочтительно образует ограничительную стенку технологической камеры, имеет такие размеры, что, с одной стороны, обеспечивается эффективное нагревание технологической камеры и, соответственно, введенной в технологическую камеру добавки, и, с другой стороны, даже при низких скоростях рециркуляции отработавших газов надежно предотвращается быстрое охлаждение технологической камеры.
2
Кроме того, в одной совсем специальной модификации изобретения предусмотрено, что ограничительная стенка технологической камеры на внутренней стороне покрыта, по меньшей мере, на некоторых участках диоксидом титана (TiO), с целью положительного влияния на отделение содержащего аммиак газа из добавки.
Покидающая технологическую камеру текучая среда, содержащая аммиак, которая выделена из водного раствора, в качестве альтернативного решения, из твердого вещества, подается через трубопроводы и/или шланги в дозировочный блок. Подача добавки из запасного резервуара в технологическую камеру и/или из технологической камеры в дозировочный блок происходит принципиально с помощью подающего блока. Однако, в качестве альтернативного решения, если соотношения давления в системе дополнительной обработки отработавших газов это позволяют, возможно также, что подача добавки и/или содержащей аммиак текучей среды вызывается перепадом давления в системе.
Дозировочный блок расположен в системе дополнительной обработки отработавших газов так, что впрыск содержащей аммиак текучей среды в тракт отработавших газов происходит в зоне восстанавливающих катализаторов. В одной предпочтительной модификации изобретения дозировочный блок имеет в месте впрыска в тракт отработавших газов сопло Вентури. Вследствие наличия сопла Вентури осуществляется особенно быстрое и равномерное распределение содержащей аммиак текучей среды в тракте отработавших газов. Как уже указывалось в начале, впрыскиваемый в зоне восстанавливающих катализаторов аммиак вызывает превращение оксидов азота и кислорода в азот и воду.
В одной другой предпочтительной модификации изобретения в технологическую камеру дополнительно к добавке время от времени вводится окружающий воздух. При этом отбираемый из окружающей среды воздух всасывается с помощью соответствующего вентиляторного блока и вдувается в технологическую камеру. Дозирование воздуха в технологическую камеру регулируется с помощью центрального управляющего блока в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания и/или системы дополнительной обработки отработавших газов.
Отбор добавки из запасного резервуара, а также ее ввод в технологическую камеру предпочтительно осуществляется с регулированием количества. В этом случае в центральном управляющем блоке также хранятся управляющие характеристики, так что дозирование добавки осуществляется в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания и/или системы дополнительной обработки отработавших газов.
В другом совсем специальном варианте выполнения изобретения интегрированный в систему рециркуляции блок переноса тепла, который обеспечивает нагревание технологической камеры, расположен последовательно, по меньшей мере, с одним дополнительным блоком переноса тепла. Упомянутый, по меньшей мере, один дополнительный, расположенный дополнительно к системе рециркуляции отработавших газов блок переноса тепла обеспечивает возможность дополнительного извлечения (отбора) тепла и тем самым охлаждения отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов. Таким образом, можно нагревать другие компоненты системы дополнительной обработки отработавших газов, другие теплостоки приводного блока и/или приводимого в движение с помощью приводного блока автомобиля. Такое дополнительно предусмотренное охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов происходит, по меньшей мере, частично и предпочтительно в зависимости от определенных рабочих параметров приводного блока, системы дополнительной обработки отработавших газов и/или приводимого в движение с помощью приводного блока автомобиля. В этой связи в одной особенно предпочтительной модификации изобретения предусмотрено, что с помощью дополнительно извлеченного из системы рециркуляции отработавших газов тепла нагреваются предусмотренные в системе дополнительной обработки отработавших газов катализаторы, такие как восстанавливающие катализаторы, катализаторы гидролиза и/или окисляющие катализаторы, в частности, в рабочих состояниях, в которых температура окружающих катализаторы отработавших газов мала, как, например, в работающем в городе автомобиле.
Ниже приводится подробное описание изобретения на основе примера выполнения без ограничения общей идеи изобретения со ссылками на чертеж, на котором схематично показана система рециркуляция отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания безрельсового транспортного средства.
На чертеже показан двигатель 1 внутреннего сгорания безрельсового транспортного средства с системой 2 выпуска отработавших газов, которая имеет систему 3 рециркуляции отработавших газов, с помощью которой из покидающего двигатель 1 внутреннего сгорания потока отработавших газов отбирается, по меньшей мере, один поток отработавших газов и снова подается в подвод воздуха для сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания. Внутри системы 3 рециркуляции отработавших газов предусмотрен блок 4 переноса тепла, с помощью которого обеспечивается отбор из содержащихся внутри системы 3 рециркуляции отработавших газов тепла, так что охлаждаются находящиеся в системе 3 рециркуляции отработавшие газы.
В блок 4 переноса тепла интегрирована технологическая камера 5, при этом наружная ограничительная стенка 6 технологической камеры 5 находится в связи с проходящими через систему 3 рециркуляции отработавшими газами. Блок 4 переноса тепла, а также технологическая камера 5 выполнены в виде теплообменника типа труба в трубе, при этом образованный между наружной трубой 7 и внутренней трубой проточный канал служит для направления отработавших газов, находящихся в системе рециркуляции, а внутренняя труба образует наружную ограничительную стенку 6 технологической камеры 5. Таким образом, наружная труба 7 служит для пропускания отработавших газов, а внутренняя труба - для размещения технологической камеры 5.
Кроме того, предусмотрен запасной резервуар 8, в котором хранится запас водного раствора мочевины. Применяемый водный раствор мочевины имеет долю мочевины 32,5% (DIN 70070/AUS32) и известен под торговой маркой AdBlue. В зоне запасного резервуара предусмотрен выполненный в виде насоса подающий блок 9, с помощью которого водный раствор мочевины направляется из запасного резервуара 8 через трубопроводы и/или шланги и через место 10 ввода в технологическую камеру 5. Дозирование водного раствора мочевины в технологическую камеру 5 происходит с регулированием количества и регулируется с помощью центрального управляющего блока 11.
Дополнительно к этому, предусмотрен вентиляторный блок 12 с обратным клапаном 13, так что обеспечивается возможность подачи в технологическую камеру 5 дополнительно к водному раствору мочевины еще и окружающего воздуха. В зависимости от рабочих параметров двигателя 1 внутреннего сгорания, а также системы 14 дополнительной обработки отработавших газов происходит с учетом соответствующих интегрированных в центральном управляющем блоке 11 характеристик дозирование водного раствора мочевины и/или всасываемого с помощью вентилятора 12 окружающего воздуха в технологическую камеру 5. Дополнительно или в качестве альтернативного решения к впрыску окружающего воздуха, как показано на чертеже, частичный поток отработавших газов из системы рециркуляции отработавших газов вводится в технологическую камеру 5 с помощью впрыскивающего средства 22. Несущий поток увлекает с собой образующийся внутри технологической камеры содержащий аммиак газ и обеспечивает его транспортировку к последующим компонентам системы дополнительной обработки отработавших газов.
Горячие, проходящие через систему 3 рециркуляции отработавшие газы нагревают на основе контакта с наружной ограничительной стенкой 6 технологической камеры 5 внутреннее пространство 15 технологической камеры 5, температура которой повышается до величины примерно 200°С. Это нагревание технологической камеры 5 одновременно вызывает нагревание вводимого в технологическую камеру 5 водного раствора мочевины. На основании этого нагревания происходит, в конечном итоге, отделение содержащего аммиак газа. Создаваемый таким образом содержащий аммиак газ проходит из технологической камеры 5 через трубопроводы и/или шланги в дозировочный блок 16, который впрыскивает поток содержащего аммиак газа или, соответственно, аммиак в зоне восстанавливающего катализатора 17 в систему 2 выпуска отработавших газов. Для достижения возможно быстрого и эффективного распределения содержащего аммиак газа или, соответственно, аммиака дозировочный блок 16 имеет выполненное в виде сопла Вентури сопло 18, которое своим выпускным отверстием выступает в систему 2 выпуска отработавших газов. Использование сопла 18 Вентури происходит, когда этого требуют соотношения давления в системе.
Внутри системы 2 выпуска отработавших газов находятся, по выбору, фильтры или, соответственно, блоки отделения частиц и/или другие катализаторы. В показанном на чертеже варианте выполнения впрыск содержащего аммиак газа или, соответственно, аммиака происходит между отделителем 19 частиц и последующим восстанавливающим катализатором 17 (катализатором SCR). Впрыск содержащего аммиак газа или, соответственно, аммиака в систему 2 выпуска отработавших газов происходит по принципу карбюратора, при этом предпочтительно в месте впрыска применяется выполненное в виде сопла Вентури сопло 18.
Внутри технологической камеры 5 водный раствор мочевины разлагается при температурах около 200°С на аммиак и диоксид углерода. После впрыска в систему 2 выпуска отработавших газов находящийся в содержащем аммиак газе аммиак соединяется на специальной керамической поверхности катализатора из оксида титана, оксида вольфрама и оксида ванадия с имеющимися в отработавших газах оксидами азота, окисляется кислородом и образует с помощью окисляющего катализатора безвредные составляющие части воздуха - азот и воду.
Наряду с теплообменником 4, 5 типа труба в трубе с интегрированной технологической камерой 5 для расщепления содержащего аммиак газа, в систему 3 рециркуляции отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания интегрирован дополнительный теплообменник 20. Относительно направления потока в системе рециркуляции отработавших газов теплообменник 4, 5 типа труба в трубе и дополнительный теплообменник 20 расположены последовательно один за другим. С помощью дополнительного теплообменника 20 из покидающих теплообменник 4, 5 типа труба в трубе отработавших газов в системе 3 рециркуляции отработавших газов снова извлекается тепло и передается в проходящий через дополнительный теплообменник 20 поток несущей тепло среды.
Таким образом, внутри системы 3 рециркуляции отработавших газов происходит двухступенчатое охлаждение отработавших газов. Отобранное с помощью дополнительного теплообменника 20 системы 3 рециркуляции отработавших газов тепло можно в принципе подавать во множество компонентов внутри автомобиля. Предпочтительно, это тепло подается, в частности, в пределах фазы запуска двигателя 1 внутреннего сгорания или в других критических рабочих состояниях, в находящиеся в отработавших газах катализаторы, с целью удерживания и, соответственно, приведения их в течение достаточно длительного рабочего периода времени до необходимых для реакций рабочих температур.
Перечень позиций
1 Двигатель внутреннего сгорания
2 Система выпуска отработавших газов
3 Система рециркуляции отработавших газов
4 Блок переноса тепла
5 Технологическая камера
6 Наружная ограничительная стенка технологической камеры (внутренняя труба)
7 Наружная труба
8 Запасной резервуар
9 Подающий блок
10 Место ввода
11 Управляющий блок
12 Вентиляторный блок
13 Обратный клапан
14 Система дополнительной обработки отработавших газов
15 Внутреннее пространство технологической камеры
16 Дозировочный блок
17 Восстанавливающий катализатор
18 Сопло
19 Отделитель частиц
20 Дополнительный теплообменник
21 Подвод воздуха для сгорания
22 Впрыск частичного потока отработавших газов в качестве несущего потока.