СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ, РАСПОЛОЖЕННОГО В ВЫХЛОПНОМ КАНАЛЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE TO RESTORE DEBRIS TRAP INSTALLED IN EXHAUST CHANNEL OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение касается процесса восстановления фильтра твердых частиц, расположенного в выхлопном канале (канал отработавших газов) двигателя внутреннего сгорания, согласно ограничительной части пункта 1, а также устройства для восстановления фильтра твердых частиц, расположенного в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, согласно ограничительной части пункта 9.
В частности, изобретение касается способа и устройства для восстановления фильтров твердых частиц у двигателей внутреннего сгорания, работающих с избытком воздуха, таких как, например, дизельные двигатели или бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, которые применяются в грузовых автомобилях или безрельсовых транспортных средствах.
Для сокращения до минимума количества пылевидных частиц в транспортных средствах регулярно используются так называемые сепараторы твердых частиц или фильтры твердых частиц. Система отделения твердых частиц в транспортных средствах известна, например, из EP 1072765 A2. Такого рода сепараторы твердых частиц отличаются от фильтров твердых частиц тем, что поток выхлопных газов (отработавших газов) направляется вдоль сепарационных структур, в то время как у фильтров твердых частиц выхлопной газ должен проходить сквозь фильтрующую среду. Вследствие этого конструктивного различия фильтры твердых частиц склонны к засорению, что повышает противодавление выхлопных газов, то есть вызывает нежелательное повышение давления в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, что, в свою очередь, уменьшает мощность двигателя и следствием чего является повышенный расход топлива двигателем внутреннего сгорания. Пример системы с такого рода фильтром твердых частиц известен из EP 0341832 A2.
2
2
У каждой из двух описанных выше систем окислительный катализатор, расположенный соответственно выше по потоку сепаратора твердых частиц или фильтра твердых частиц, окисляет окись азота (NO) в выхлопном газе с помощью содержащегося в нем также остаточного кислорода (O) с образованием двуокиси азота (NO), причем в соответствии со следующим уравнением:
2
2
2NO+O↔2NO.
2
2
2
2
2
В фильтре твердых частиц для его восстановления NOреагирует с углеродосодержащими частицами твердого вещества, превращаясь в CO, CO, Nи NO. С помощью сильного окислительного средства NO может, таким образом, происходить непрерывное удаление отложившихся пылеобразных частиц (пассивное восстановление). Впрочем, это устройство и способ имеют тот недостаток, что здесь образуется или соответственно имеется большое количество токсичного NOв выхлопном тракте.
2
2
3
3
2
Поэтому, чтобы избежать выхода NO в окружающую среду, необходимо следить за тем, чтобы область между окислительными катализаторами NO и фильтрами твердых частиц была выполнена достаточно герметично. Но наряду с NO в этом способе на платиносодержащих катализаторах NO образуется также SO из содержащейся в топливе и/или моторном масле серы. Этот SO и NOконденсируются на холодных местах в выхлопном тракте с образованием высококоррозионных серных или соответственно селитренных кислот, так что выхлопная система вплоть до фильтров твердых частиц должна быть выполнена из нержавеющей стали, чтобы наверняка избежать коррозии.
Кроме того, известен процесс восстановления фильтра твердых частиц путем активного повышения температуры выхлопных газов посредством подвода и окисления углеводородов (HC). В этой связи, например, в DE 102005055240 A1 описана конструкция, у которой в главном выхлопном канале, если смотреть в направлении потока выхлопного газа, расположен окислительный катализатор HC, фильтр твердых частиц дизельного выхлопа и затем катализатор SCR. Кроме того, предусмотрен дополнительный выхлопной канал, который ответвляется от главного выхлопного канала выше по потоку катализатора HC и который после фильтра твердых частиц дизельного выхлопа снова входит в главный выхлопной канал. В дополнительном выхлопном канале предусмотрен дроссель для регулирования ответвляемого потока выхлопного газа, окислительный катализатор и, выше по потоку окислительного катализатора - сепаратор твердых частиц. В конструкции такого рода в обычном режиме дроссельная заслонка закрыта, так что весь поток выхлопных газов проходит через главный выхлопной канал и очищается в нем. Во время фазы восстановления фильтра твердых частиц дизельного выхлопа главного выхлопного канала дроссельная заслонка, однако, открывается, чтобы направить часть потока выхлопного газа через дополнительный выхлопной канал, минуя фильтр твердых частиц дизельного выхлопа, и снова соединить потоки выхлопных газов, проходящие через главный выхлопной канал и дополнительный выхлопной канал, в точке смешения выше по потоку катализатора SCR.
Благодаря такому режиму работы массовый поток выхлопных газов через фильтр твердых частиц дизельного выхлопа во время фазы его восстановления сокращается, так что должна быть только повышена температура небольшого количества выхлопного газа, и фильтр твердых частиц дизельного выхлопа может быть восстановлен при небольшом подводе энергии. Дополнительно путем разделения массового потока выхлопных газов и последующего смешения имеющего высокую температуру потока выхлопных газов главного выхлопного канала и имеющего низкую температуру потока выхлопных газов дополнительного выхлопного канала в точке смешения температура потока выхлопных газов может быть снова понижена катализатором SCR. С помощью сепаратора твердых частиц в дополнительном выхлопном канале должен предотвратиться выход потока выхлопных газов из выхлопного канала без сепарации частиц сажи.
2
2
2
2
Добавление углеводородов к окислительным катализаторам происходит через включенное непосредственно перед ними инжекционное устройство. Так как окислительные катализаторы в конструкции такого рода осуществляют окисление NO до NO даже в режиме отсутствия восстановления, то в режиме отсутствия восстановления происходит также, хотя и небольшое, пассивное восстановление фильтра с помощью NO. Это значит, что у конструкции такого рода даже в режиме отсутствия восстановления происходит образование NO, который потом, как правило, выпускается неизрасходованным. Из-за токсичности NO это, однако, неудобно и нежелательно.
Как очевидно, такого рода конструкция состоит из относительно большого количества деталей и к тому же малокомпактна, так что в целом получается большой объем конструкционных работ.
Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставление способа и устройства для восстановления расположенного в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания фильтра твердых частиц, с помощью которого (способа или устройства) конструктивно просто можно будет проводить функционально надежное и безопасное восстановление фильтра твердых частиц.
Эта задача решается в отношении способа с помощью отличительных признаков пункта 1. В отношении устройства эта задача решается с помощью отличительных признаков пункта 9. Предпочтительные варианты осуществления этого решения являются соответственно предметом зависимых пунктов.
В соответствии с изобретением предлагается, в режиме восстановления от неочищенного потока выхлопных газов выше по потоку работающей на выхлопных газах турбины работающего на выхлопных газах турбонагнетателя, ответвлять заданное количество подлежащего нагреву потока выхлопных газов, для чего от подводящего канала, направляющего поток выхлопных газов к упомянутой турбине, ответвляется отвод. Подлежащий нагреву поток выхлопных газов затем нагревается в отводе с помощью нагревательного устройства, предпочтительным образом с помощью, по меньшей мере, одного нагреваемого катализатора, причем этот нагретый поток выхлопных газов затем в виде горячего потока выхлопных газов выше по потоку, по меньшей мере, одного фильтра твердых частиц снова смешивается с выходящим из упомянутой турбины и имеющим более низкую по сравнению с ним температуру остаточным потоком выхлопных газов. Для этого отвод соединяется там с ведущим от турбины к фильтру твердых частиц выхлопным каналом или соответственно оканчивается в нем.
Остаточный поток выхлопных газов так же, как и горячий смешанный поток, выше по потоку фильтра твердых частиц не должен проходить через окислительный катализатор NO, так как поток выхлопных газов за счет отбора подлежащего нагреву потока выхлопных газов находится на значительно более высоком температурном уровне выше по потоку турбины, чем ниже по потоку турбины. Благодаря этому возможен особенно эффективный нагрев, в частности, путем окисления, например, подводимых к подлежащему нагреву потоку выхлопных газов углеводородов посредством соответствующего окислительного катализатора. Тогда, благодаря экзотермии этой реакции, впоследствии возможно также эффективное термическое восстановление отделяемых на расположенном ниже фильтре твердых частиц углеродосодержащих частиц сажи.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления идеи настоящего изобретения предусмотрено, что горячий поток выхлопных газов создается посредством, по меньшей мере, одного нагреваемого катализатора, который расположен в отводе. Этот нагреваемый катализатор, предпочтительным образом, выполнен в виде окислительного катализатора, в частности в виде окислительного катализатора HC. К этому окислительному катализатору выше него по потоку подводятся углеводороды. Подводимые углеводороды представляют собой, предпочтительным образом, топливо из системы подачи топлива транспортного средства, которое посредством дозирующего устройства, например форсунки или тому подобного, в высокодисперсном или соответственно распыленном состоянии вдувается в отвод выше по потоку нагревательного или соответственно окислительного катализатора в заданные моменты времени в заданном количестве. Такого рода нагреваемый или соответственно окислительный катализатор имеет такой активный компонент, который с заданными составными частями потока выхлопных газов, то есть, в настоящем примере, с углеводородами, путем экзотермической реакции создает нагретый поток выхлопных газов. Особенно подходящими в качестве активных компонентов для окислительного катализатора HC являются элементы платиновой группы металлов, и/или ванадий, и/или вольфрам, и/или церий. Эти активные компоненты могут использоваться или соответственно применяться как по отдельности, так и в комбинации друг с другом.
С помощью этого предпочтительного варианта осуществления можно, таким образом, выше по потоку, по меньшей мере, одного фильтра твердых частиц ответвлять подлежащий нагреву поток выхлопных газов перед работающей на выхлопных газах турбиной, причем в этом случае в ответвленный частичный поток затем добавляются углеводороды, которые потом каталитически окисляются посредством окислительного катализатора HC, чтобы затем нагретый таким образом частичный поток выхлопных газов выше по потоку, по меньшей мере, одного фильтра твердых частиц снова повести к выходящему из турбины остаточному потоку выхлопных газов. При этом ответвленное через отвод количество выхлопных газов в восстановительном режиме, предпочтительным образом, с помощью электронного устройства управления и/или регулирования задается в соответствии с заданными рабочими параметрами и/или параметрами восстановления так, чтобы в заданные моменты времени ответвлялось заданное количество выхлопных газов. Конкретно устройство управления и/или регулирования может при этом управлять, по меньшей мере, одним дроссельным и/или запорным устройством, которое, например, представляет собой дроссельную и/или запорную заслонку или дроссельный и/или запорный клапан. Но альтернативно или дополнительно к этому ответвленное количество выхлопных газов может также задаваться или соответственно устанавливаться с помощью турбины с варьируемой геометрией турбины. Кроме того, по меньшей мере, одно из предусмотренных дроссельных и/или запорных устройств может быть одновременно выполнено в виде перепускного клапана и выполнять соответствующую функцию.
Дроссельное и/или запорное устройство располагаются, предпочтительным образом, в остаточном потоке выхлопных газов после упомянутой турбины и перед местом входа отвода в выходящий из турбины выхлопной канал и/или в ответвленном потоке выхлопных газов выше по потоку нагреваемого катализатора.
2
3
2
С помощью такого рода конструкции можно, например, предусмотреть особенно предпочтительное осуществление способа, чтобы в режиме отсутствия восстановления через подводящий канал ответвленное количество выхлопных газов уменьшалось до заданного минимального значения, в частности, также, чтобы по существу предотвращался любой поток выхлопных газов через подводящий канал. Благодаря этому предотвращается или соответственно сокращается образование NO и SO при окислении NO и SO на выполненном предпочтительным образом в виде окислительного катализатора HC нагреваемом катализаторе. Эта возможность запирания является также преимуществом и потому, что благодаря этому ответвлению ухудшается коэффициент полезного действия упомянутой турбины.
Для зажигания дозированно добавленных углеводородов подлежащий нагреву поток выхлопных газов направляется через выполненное, предпочтительным образом, в виде окислительного катализатора HC нагревательное устройство, при этом поток выхлопных газов нагревается. Полученная при этом тепловая мощность, впрочем, лимитируется имеющимся количеством кислорода. Так, в случае, если величина лямбда достигнет значения 1, окисление углеводородов станет невозможным. Чтобы избежать этого, предлагается в подлежащий нагреву поток выхлопных газов, по достижении определенной заданной температуры и/или после опускания ниже заданного значения или достижения заданного значения лямбды, подавать свежий воздух. Эта опциональная подача свежего воздуха вызывает увеличение значения лямбда и вместе с тем также увеличение тепловой мощности. Свежий воздух может при этом, в принципе, ответвляться со стороны наддувочного воздуха, конкретно, например, также ниже по потоку окончания возвращающего канала выхлопных газов в канал наддувочного воздуха.
Благодаря добавлению, например, углеводородов или соответственно во время него, благодаря окислению на окислительном катализаторе HC, остаточное количество кислорода в подлежащем нагреву или соответственно нагретом потоке выхлопных газов может, таким образом, очень сильно уменьшиться, так что соответственно полного окисления углеводородов больше происходить не будет. Чтобы избежать этого, остаточный поток выхлопных газов ниже и/или выше по потоку турбины, но выше по потоку соединения смешиваемых потоков выхлопных газов может, например, дросселироваться, благодаря чему затем снова через отвод будет направляться больше выхлопных газов и вместе с тем больше кислорода. Для этого в области отвода ниже и/или выше по потоку нагреваемого катализатора может быть предусмотрен сенсор кислорода, посредством которого может регистрироваться концентрация кислорода в потоке выхлопных газов. Точно так же там может быть предусмотрен, по меньшей мере, один сенсор температуры.
Нагреваемый катализатор может быть, в принципе, расположен также вне выхлопного канала, что, однако, при известных условиях может привести к быстрому охлаждению этого нагреваемого катализатора. Поэтому по одному из предпочтительных вариантов осуществления предусмотрено расположение нагреваемого катализатора в выхлопном канале таким образом, чтобы он обтекался, по меньшей мере, одним потоком выхлопных газов, по меньшей мере, в отдельных областях. Тогда в этом случае отдельные потоки выхлопных газов будут гидравлически (т.е. по потоку) разъединены.
2
3
Чтобы, например, в случае углеводородов, применяемых в качестве окислительного средства, избежать высокой концентрации углеводородов ниже по потоку фильтра твердых частиц, он может быть оснащен каталитически активным покрытием для окисления углеводородов. И ниже и/или выше по потоку фильтра твердых частиц, после места соединения или окончания потоков, возможно расположение катализатора, обладающего активностью окисления углеводородов. Чтобы избежать ненужного выпуска NO и SO, нагружение этих дополнительных катализаторов активными компонентами и/или их объем меньше по сравнению, по меньшей мере, с одним расположенным в отводе нагреваемым катализатором.
x
x
x
Вся система может комбинироваться с другими катализаторами для восстановления NO, такими как, например, катализаторами-накопителями NO и/или катализаторами SCR, которые, предпочтительным образом, могут быть предусмотрены или соответственно расположены ниже по потоку фильтра твердых частиц в выхлопном канале. Для катализаторов-накопителей NO в качестве активных компонентов предпочтительными являются платина, и/или барий, и/или кальций. В отличие от этого, для катализаторов SCR целесообразно применение стабилизированного оксидом вольфрама пентоксида ванадия на основе диоксида титана, или цеолитов железа, или цеолитов меди, или цеолитов кобальта.
В принципе, активность всех катализаторов может быть повышена путем применения цеолитов.
2
2
2
В принципе, по меньшей мере, один, предпочтительным образом, выполненный в виде окислительного катализатора HC нагреваемый катализатор дополнительно может также обладать активностью окисления NO, в результате чего доли NO в режиме отсутствия восстановления повышаются, так что в заданных границах дополнительно появляется принципиальная возможность восстановления фильтра твердых частиц с помощью NO. Образующиеся здесь при известных условиях количества NO однако, значительно ниже, чем это было бы при использовании включенных перед фильтром твердых частиц окислительных катализаторов NO. Впрочем, тогда в этой связи необходимо также обратить внимание на то, что окислительный катализатор HC должен быть выполнен термически более стабильно, чем чистый окислительный катализатор NO. Вследствие этого, в свою очередь, обычно имеет место более низкая активность окисления NO по сравнению с чистыми окислительными катализаторами NO, так что и по этой причине количество NO остается пониженным.
Кроме того также, по меньшей мере, один фильтр твердых частиц может дополнительно обладать активностью окисления NO.
Ниже изобретение поясняется более подробно с помощью чертежа.
На единственном чертеже показан схематично и только в качестве примера возможный вариант осуществления предлагаемого изобретением устройства 1 для восстановления для фильтра 3 твердых частиц, расположенного в выхлопном канале 2 не изображенного здесь двигателя внутреннего сгорания.
Конкретно выхлопной канал 2 имеет здесь подводящий канал 4, посредством которого поступающий от двигателя внутреннего сгорания поток неочищенных газов или соответственно поток 15 выхлопных газов направляется к работающей на выхлопных (т.е. отходящих) газах турбине 19 работающего на выхлопных газах турбонагнетателя 20, дополнительно имеющего еще один компрессор 21. От этого подводящего канала 4 выше по потоку турбины 19 в месте 6 ответвления ответвляется отвод 5, причем этот отвод 5 выше по потоку фильтра 3 твердых частиц в месте 7 входа соединяется с отходящим от турбины 19 выхлопным каналом 4′, образуя ведущий к фильтру 3 твердых частиц канал газовой смеси 4″.
В отводе 5 расположен окислительный катализатор 8 HC.
Кроме того, устройство 1 для восстановления включает в себя дозирующее устройство 9 топлива, которое, как это показано очень схематично, соединено с устройством 10 управления и/или регулирования. Дозирующее устройство 9 имеет вдающуюся внутрь отвода 5 впрыскивающую форсунку 11, через которую в режиме восстановления происходит управляемый или соответственно регулируемый с помощью устройства 10 управления и/или регулирования впрыск топлива 12 в заданные моменты времени в заданных количествах в отвод 5 выше по потоку окислительного катализатора 8 HC.
Как это также видно на фиг.1, выше по потоку окислительного катализатора 8 HC области отвода 5 расположена также дроссельная заслонка 13, которая также соединена с устройством 10 управления и/или регулирования. Далее, в выхлопном канале 4′ в области между турбиной 19 и местом 7 входа расположена также дроссельная заслонка 14, которая также соединена с устройством 10 управления и/или регулирования.
В зависимости от положения обеих дроссельных заслонок 13, 14 может происходить управление или соответственно регулирование количества и массы подлежащего нагреву потока выхлопных газов 16, отводимого от поступающего от двигателя внутреннего сгорания потока 15 выхлопных газов в отвод 5. На фиг.1 сплошными линиями изображено открытое положение дроссельных заслонок 13, 14, а пунктиром - закрытое положение дроссельных заслонок 13, 14. Стрелки 22 изображают здесь схематически варьируемую возможность перестановки дроссельных заслонок 13, 14.
Подлежащий нагреву поток 16 выхлопных газов вдоль своего пути потока выше по потоку окислительного катализатора 8 HC принимает впрыснутое топливо или соответственно впрыснутые углеводороды и, обогащенный топливом, проходит через окислительный катализатор 8 HC, в котором затем происходит экзотермическая реакция, или соответственно окисление, благодаря которому поток 16 выхлопных газов нагревается до заданной температуры.
2
2
Этот нагретый поток 16′ выхлопных газов затем, ниже по потоку окислительного катализатора 8 HC, в месте 7 входа подводится к поступающему от работающей на выхлопных газах турбины остаточному потоку 15′ выхлопных газов, где оба потока 15′, 16′ выхлопных газов перемешиваются, так что затем, после перемешивания двух потоков 15′, 16′ выхлопных газов, горячий смешанный поток 17 газовой смеси направляется к фильтру 3 твердых частиц, где отложившиеся в фильтре 3 твердых частиц углеродосодержащие частицы сажи преобразуются в CO, CO, N и NO, благодаря чему фильтр 3 твердых частиц восстанавливается.
В режиме отсутствия восстановления дроссельная заслонка 13 установлена так, что она практически полностью закрывает отвод 5, так что поток выхлопных газов не может или почти не может попасть в фильтр 3 твердых частиц по отводу 5, и коэффициент полезного действия наддувочной группы не ухудшается. Тогда в этом случае дроссельная заслонка 14 полностью открыта.
В режиме восстановления дроссельная заслонка 13, а также дроссельная заслонка 14 открыты настолько широко, что заданное количество выхлопных газов отводится от потока 15 выхлопных газов, и уже описанным выше образом создается горячий смешанный поток 17, который затем подводится к фильтру 3 твердых частиц для его восстановления.
В случае, если, например, при добавлении топлива 12 в отвод 5 остаточное количество кислорода в потоке 16 выхлопных газов будет сильно уменьшаться и вместе с тем не будет происходить полного окисления углеводородов на окислительном катализаторе 8 HC, дроссельная заслонка 14 может быть более или менее закрыта, а дроссельная заслонка 13 открыта, благодаря чему поток 15′ выхлопных газов через канал 4′ остаточных выхлопных газов будет сильно дросселироваться, так что большее количество выхлопных газов через отвод 5 и вместе с тем через окислительный катализатор 8 HC будет поступать в фильтр 3 твердых частиц. Точно так же, как символически показано каналом 24 свежего воздуха (штриховая линия), во время режима восстановления со стороны наддувочного воздуха в подлежащий нагреву поток 16 выхлопных газов может подмешиваться поток свежего воздуха, чтобы еще больше повысить тепловую мощность за счет увеличенного количества кислорода для окисления еще большего количества углеводородов в заданные моменты времени или соответственно при достижении заданных температур выхлопных газов.
Подлежащее нагреву количество 16 выхлопных газов может быть также изменено за счет использования варьируемой геометрии турбины, так как за счет ее регулирования может варьироваться противодавление выхлопных газов выше по потоку турбины 19.
x
В настоящем примере после фильтра 3 твердых частиц подключается также катализатор 23 восстановления NO, например, катализатор SCR.
Кроме того, как это показано на чертеже только штриховыми линиями, ниже по потоку от места 7 входа и выше по потоку фильтра 3 твердых частиц также может быть предусмотрен окислительный катализатор 18 HC, посредством которого могут быть надежно предотвращены высокие концентрации углеводородов ниже по потоку фильтра 3 твердых частиц. Альтернативно или дополнительно к этому можно также оснастить сам фильтр 3 твердых частиц соответствующим активным компонентом.
Кроме того, дроссельная заслонка 13 может также, предпочтительным образом, выполнять здесь двойную функцию перепускного клапана.