УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
EXHAUST GAS CLEANING DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству очистки отработавшего газа, которое удаляет оксиды азота из отработавшего газа за счет выполнения избирательной каталитической нейтрализации с использованием аммиака в качестве восстановителя для очистки отработавшего газа.
Японская патентная публикация №2007-051594, выложенная для ознакомления, описывает устройство очистки отработавшего газа, устанавливаемое в выхлопном канале дизельного двигателя и состоящее из клапана подачи мочевины, блока избирательной каталитической нейтрализации и блока каталитического окисления. Клапан подачи мочевины подает водный раствор мочевины, который является исходным продуктом для аммиака, в поток отработавшего газа, который проходит по выхлопному каналу. Блок селективной каталитической нейтрализации расположен за клапаном подачи мочевины в выхлопном канале, что позволяет ему очищать отработавший газ за счет нейтрализации оксидов азота (NOx), входящих в состав отработавшего газа, с помощью аммиака, образующегося из водного раствора мочевины и использующегося в качестве восстановителя. Блок каталитического окисления расположен в выхлопном канале за блоком селективной каталитической нейтрализации и служит для окисления аммиака, поступающего из блока селективной каталитической нейтрализации, и разложения аммиака до получения безопасной воды и азота. Это сокращает выброс аммиака в окружающий воздух.
Более того, устройство очистки отработавшего газа, указанное в названной выше публикации, контролирует добавление водного раствора мочевины к отработавшему газу при необходимости охлаждения блока селективной каталитической нейтрализации. При этом отработавший газ, поступающий в блок селективной каталитической нейтрализации охлаждается скрытой теплотой от испарения водного раствора мочевины. Количество добавляемого водного раствора мочевины устанавливается таким образом, чтобы объем аммиака, полученного из водного раствора мочевины, был меньше или равен полному объему аммиака, используемого для нейтрализации оксидов азота, и аммиака, который может окисляться в блоке каталитического окисления. При этом происходит охлаждение отработавшего газа, а выброс аммиака сокращается.
Блок каталитического окисления включается в работу, когда температура слоя катализатора окисления в блоке каталитического окисления становится выше или равна температуре активации. В этом случае, благодаря реакции, выраженной в формуле (1), активированный блок каталитического окисления окисляет аммиак, поступающий из блока селективной каталитической нейтрализации, и разлагает аммиак на воду и азот. Если температура слоя блока каталитического окисления становится выше или равна предустановленной температуре, которая выше температуры активации, реакции, выраженные формулами (2)-(4), приводят к тому, что в блоке каталитического окисления из аммиака образуются компоненты NOx. Таким образом, блок каталитического окисления воспроизводит NOx и увеличивает объем NOx, выпускаемых в окружающую атмосферу
При таких условиях можно контролировать добавление водного раствора мочевины, чтобы охлаждать отработавший газ, поступающий в блок каталитического окисления. Это позволяет снизить температуру слоя в блоке каталитического окисления и ограничить увеличение объема воспроизводимых NOx, выпускаемых в окружающую атмосферу. Тем не менее, осуществление контроля подачи водного раствора мочевины при отсутствии восстановления NOx в блоке каталитического окисления приведет лишь к избыточному добавлению водного раствора мочевины и увеличит объем выброса аммиака. В этом случае объем выпускаемых NOx уменьшится лишь незначительно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание устройства очистки отработавшего газа, которое надлежащим образом ограничит увеличение объемов выброса NOx при образовании NOx.
Одним из объектов настоящего изобретения является устройство очистки отработавшего газа в комплекте с клапаном подачи, который расположен в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания и обеспечивает подачу раствора исходного продукта для аммиака в отработавший газ; а также блоком избирательной каталитической нейтрализации, который снижает содержание оксидов азота в отработавшем газе, используя аммиак, полученный из раствора, в качестве восстановителя; блоком каталитического окисления, который окисляет аммиак, поступающий в блок селективной каталитической нейтрализации; и блоком контроля объема добавки, сконфигурированным таким образом, чтобы регулировать объем добавки раствора, поступающий через клапан подачи. Клапан подачи, блок избирательной каталитической нейтрализации и блок каталитического окисления расположены друг за другом со стороны впуска выхлопного канала. Объем оксидов азота в отработавшем газе, поступающем в блок избирательной каталитической нейтрализации, называется поступающим объемом NOx. Объем оксидов азота, выходящий из блока каталитического окисления, называют выходным объемом NOx. Блок контроля объема добавки сконфигурирован таким образом, что при выходном объеме NOx блока каталитического окисления, превышающем поступающий объем NOx блока селективной каталитической нейтрализации, блок контроля объема добавки запускает процесс увеличения объема добавки раствора по сравнению с условиями, когда выходной объем NOx блока каталитического окисления меньше или равен поступающему объему NOx блока селективной каталитической нейтрализации.
Прочие особенности и преимущества данного изобретения явно следуют из приведенного ниже описания и сопутствующих чертежей, иллюстрирующих основные принципы изобретения в виде примера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данное изобретение с учетом его задач и преимуществ лучше всего раскрывается в описании предпочтительных на данный момент вариантов осуществления изобретения с соответствующими чертежами, где:
на Фиг. 1 представлена блок-схема, демонстрирующая конструкцию приточно-вытяжной системы дизельного двигателя, в которой применен первый вариант осуществления устройства очистки отработавшего газа;
на Фиг. 2 представлен график зависимости температуры слоя катализатора в каталитическом нейтрализаторе аммиака, установленном в устройстве очистки отработавшего газа, и выходного объема NOx;
на Фиг. 3 представлена блок-схема процедуры вычисления объема добавляемого водного раствора мочевины, выполняемой устройством очистки отработавшего газа;
на Фиг. 4 представлен график зависимости между величиной поправки на увеличение добавки, которая определяется процедурой расчета объема добавки водного раствора мочевины, и температурой слоя катализатора в каталитическом нейтрализаторе аммиака;
на Фиг. 5 представлена блок-схема процедуры вычисления объема добавляемого водного раствора мочевины, выполняемой вторым вариантом осуществления устройства очистки отработавшего газа; и
на Фиг. 6 представлена блок-схема процедуры вычисления объема добавляемого водного раствора мочевины, выполняемой третьим вариантом осуществления устройства очистки отработавшего газа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый вариант осуществления изобретения
Ниже приводится подробное описание первого варианта осуществления устройства очистки отработавшего газа со ссылками на Фиг. 1-4. В данном варианте осуществления изобретения устройство очистки отработавшего газа применяется для дизельного двигателя, установленного на транспортном средстве.
Как показано на Фиг. 1, в состав дизельного двигателя входит входной канал 10. Начиная со стороны впуска, входной канал 10 включает в себя воздухоочиститель 11, воздушный расходомер 12, компрессор 13, промежуточный охладитель 14 (I/C), датчик 15 температуры газов за промежуточным охладителем, дроссельную заслонку 16 и датчик 27 давления всасываемого воздуха. Воздухоочиститель 11 удаляет загрязнения из всасываемого воздуха, а воздушный расходомер 12 определяет объем всасываемого воздуха, поступающего через входной канал 10. Компрессор 13 повышает давление всасываемого воздуха, а промежуточный охладитель 14 охлаждает всасываемый воздух из компрессора 13. Датчик 15 температуры газов за промежуточным охладителем определяет температуру всасываемого воздуха, поступающего от промежуточного охладителя 14, при этом степень открытия дроссельной заслонки 16 изменяется, чтобы регулировать объем всасываемого воздуха. Датчик 27 давления всасываемого воздуха определяет давление всасываемого воздуха за дроссельной заслонкой 16 во входном канале 10.
Участок входного канала 10 за дроссельной заслонкой 16 соединен с цилиндрами 17 дизельного двигателя. Каждый цилиндр 17 включает в себя инжектор 18, который впрыскивает топливо. В каждом цилиндре 17 всасываемый воздух, отобранный из входного канала 10, смешивается с топливом, впрыскиваемым через инжектор 18, и происходит горение.
В результате горения в каждом цилиндре 17 производится отработавший газ, который проходит через выхлопной канал 19 и выбрасывается в атмосферу. В состав выхлопного канала 19 входит турбина 20. Турбина 20 и компрессор 13, расположенный во входном канале 10, формируют турбонагнетатель на отработавшем газе. Турбина 20, приводимая в движение потоком отработавшего газа, поступающим по выхлопному каналу 19, в свою очередь приводит в движение компрессор 13. Часть выхлопного канала 19 перед турбиной 20 оснащена регулируемым соплом 21, которое регулирует степень открытия отверстия, подающего отработавший газ на турбину 20. Степень открытия регулируемого сопла 21 регулируется для настройки необходимой скорости вращения турбины.
Дизельный двигатель включает в себя устройство рециркуляции отработавшего газа (EGR), которое возвращает часть отработавшего газа во всасываемый воздух. Устройство рециркуляции отработавшего газа включает в себя канал 22, охладитель 23 и клапан 24. Участок выхлопного канала 19, расположенный перед турбиной 20, а также участок входного канала 10, расположенный за дроссельной заслонкой 16, сообщаются через канал 22 устройства рециркуляции отработавшего газа. Охладитель 23 устройства рециркуляции отработавшего газа охлаждает отработавший газ (газ устройства рециркуляции), который возвращается во всасываемый воздух через канал 22 устройства рециркуляции. Клапан 24 устройства рециркуляции отработавшего газа регулирует расход газа устройства рециркуляции отработавшего газа. Кроме того, устройство рециркуляции отработавшего газа включает в себя байпас 25 и байпасный клапан 26. Байпас 25 перенаправляет поток газа устройства рециркуляции отработавшего газа вокруг охладителя 23 устройства рециркуляции отработавшего газа. Байпасный клапан 26 регулирует расход газа устройства рециркуляции отработавшего газа, проходящего через байпас 25 вокруг охладителя 23 устройства рециркуляции отработавшего газа.
Сейчас будет описана конструкция устройства очистки отработавшего газа для дизельного двигателя в данном варианте осуществления изобретения. Устройство очистки отработавшего газа включает в себя систему дизельного сажевого фильтра, которая удаляет твердые частицы из отработавшего газа; и систему избирательной каталитической нейтрализации, которая выполняет избирательную нейтрализацию с использованием водного раствора мочевины в качестве восстановителя, чтобы удалить NOx из отработавшего газа и очистить его.
2
Система дизельного сажевого фильтра включает в себя клапан подачи топлива 30, блок 31 предварительного каталитического окисления и фильтр твердых частиц 32. Клапан подачи топлива 30 расположен в выхлопном канале 19 перед турбиной 20. Блок 31 предварительного каталитического окисления расположен в выхлопном канале 19 между турбиной 20 и фильтром твердых частиц 32. Клапан 30 подачи топлива добавляет топливо к отработавшему газу, а фильтр твердых частиц 32 захватывает и удаляет твердые частицы из отработавшего газа. Блок 31 предварительного каталитического окисления окисляет компоненты растворимых органических фракций в твердых частицах. Кроме того, блок предварительного каталитического окисления 31 окисляет закись азота (NO) в отработавшем газе и генерирует двуокись азота (NO), которая используется для непрерывной регенерации фильтра твердых частиц 32. Блок 31 предварительного каталитического окисления 31 принудительно регенерирует фильтр твердых частиц 32, окисляет углеводород (HC) в топливе, подаваемом через клапан подачи топлива 30, и использует тепло, генерированное в процессе реакции окисления, чтобы поднять температуру отработавшего газа. Таким образом, блок 31 предварительного каталитического окисления работает на повышение температуры фильтра твердых частиц 32, чтобы обеспечить сжигание твердых частиц.
Кроме того, в состав системы дизельного сажевого фильтра входят датчики, которые определяют состояние отработавшего газа в различных участках системы. Датчик 33 температуры перед дизельным сажевым фильтром расположен на участке в выхлопном канале 19 перед блоком 31 предварительного каталитического окисления и определяет температуру отработавшего газа, поступающего в блок 31 предварительного каталитического окисления. Датчик 34 промежуточной температуры дизельного сажевого фильтра расположен на участке в выхлопном канале 19 между блоком 31 предварительного каталитического окисления и фильтром 32 твердых частиц и определяет температуру отработавшего газа, поступающего на фильтр твердых частиц 32. Датчик 35 температуры за дизельным сажевым фильтром расположен на участке в выхлопном канале 19 за фильтром твердых частиц 32 и определяет температуру отработавшего газа, выходящего из фильтра твердых частиц 32. Кроме того, в выхлопном канале 19 на участке установки фильтра твердых частиц 32 расположен датчик 36 перепада давления, который определяет перепад давления между входом и выходом фильтра твердых частиц 32.
Система избирательной каталитической нейтрализации (SCR) включает в себя клапан 40 подачи мочевины, два блока избирательной каталитической нейтрализации, а именно: передний блок 41 избирательной каталитической нейтрализации и задний блок 42 избирательной каталитической нейтрализации, а также блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака (ASC). Клапан 40 подачи мочевины расположен на участке в выхлопном канале 19 за фильтром твердых частиц 32. Он подает водный раствор мочевины, который является раствором исходного продукта для аммиака, в отработавший газ. Передний 41 и задний 42 блоки избирательной каталитической нейтрализации нейтрализуют оксиды азота в отработавшем газе с помощью аммиака, который работает в качестве восстановителя. Аммиак образуется из мочевины, содержащейся в подающемся водном растворе, в процессе гидролиза, который происходит за счет тепла отработавшего газа. Передний блок 41 избирательной каталитической нейтрализации расположен на участке в выхлопном канале 19 за клапаном подачи мочевины 40. Задний блок 42 избирательной каталитической нейтрализации расположен на участке в выхлопном канале 19 за передним блоком 41. Блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака окисляет аммиак, выходящий из переднего 41 и заднего 42 блоков избирательной каталитической нейтрализации. В выхлопном канале 19 на участке между клапаном подачи мочевины 40 и передним блоком 41 селективной каталитической нейтрализации расположена диффузионная пластинка 44, которая рассеивает водный раствор мочевины, подающийся через клапан подачи мочевины, в отработавшем газе.
Водный раствор мочевины, добавляемый в отработавший газ через клапан 40 подачи мочевины, хранится в баке 45 водного раствора мочевины. Бак 45 водного раствора мочевины соединен с клапаном 40 подачи мочевины посредством трубопровода 46, в состав которого входит нагреватель. В баке 45 водного раствора мочевины предусмотрен подающий насос 47. Подающий насос 47 забирает водный раствор мочевины и подает его на клапан подачи мочевины 40 через трубопровод 46. В состав бака водного раствора мочевины 45 входит датчик 48 уровня водного раствора мочевины, который определяет, сколько раствора осталось в баке 45 водного раствора мочевины.
Кроме того, в состав системы избирательной каталитической нейтрализации входят датчики, которые определяют состояние отработавшего газа в различных частях системы. Датчик 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализации, датчик 51 состава смеси «воздух-топливо» и датчик 52 давления отработавшего газа расположены в выхлопном канале 19 между фильтром твердых частиц 32 и клапаном подачи мочевины 40. Датчик 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализации определяет количество оксидов NOx в отработавшем газе, поступающем в передний блок 41 каталитической нейтрализации (здесь и далее - поступающий объем NOx - FrNOx). Датчик 51 контроля состава смеси «воздух-топливо» выдает выходной сигнал, который соответствует разнице парциального давления кислорода между отработавшим газом и исходным газом (например, атмосферой). Выходной сигнал используется для определения соотношения воздуха и топлива в топливо-воздушной смеси в цилиндрах 17. Кроме того, датчик 52 давления отработавшего газа определяет давление отработавшего газа в зоне установки датчика 52 давления отработавшего газа в выхлопном канале 19. Датчик 53 оксидов NOx на выходе блока нейтрализации, датчик 54 температуры за каталитическим нейтрализатором аммиака, и датчик 55 твердых частиц расположены в выхлопном канале 19 за блоком 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака. Датчик 53 оксидов NOx на выходе блока нейтрализации определяет количество оксидов NOx в отработавшем газе, выходящем из блока 43 каталитического нейтрализатора аммиака (здесь и далее - выходной объем NOx - RrNOx). Датчик 54 температуры за каталитическим нейтрализатором аммиака определяет температуру отработавшего газа, выходящего из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака (здесь и далее - температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc). Датчик 55 твердых частиц определяет количество твердых частиц, выходящих из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака в атмосферу.
В устройстве очистки отработавшего газа электронный блок управления 56 регулирует количество топлива, подаваемого клапаном подачи топлива 30, а также количество водного раствора мочевины, подаваемого клапаном подачи мочевины 40. Электронный блок управления 56 включает в себя: центральный процессор, выполняющий вычисления для реализации управления; ПЗУ, сохраняющее программы и данные управления; машиночитаемое ЗУ, которое временно хранит результаты вычислений центрального процессора и результаты измерений датчиков; входные порты, которые получают сигналы от внешних устройств; а также выходные порты, передающие сигналы на внешние устройства. Электронный блок управления 56 представляет собой микросхему управления или процессор. Входные порты электронного блока управления 56 подключены к вышеуказанным датчикам, а выходные порты электронного блока управления 56 подключены к клапану 30 подачи топлива и клапану 40 подачи мочевины. Электронный блок управления 56 приводит в работу и управляет клапаном 30 подачи топлива и клапаном 40 подачи мочевины, чтобы контролировать количество топлива и аммиака, которые добавляются в отработавший газ. Таким образом, в устройстве очистки отработавшего газа по данному варианту осуществления изобретения электронный блок управления 56 соответствует блоку контроля объема добавки.
Фиг. 2 показывает соотношение между температурой слоя катализатора окисления, поддерживаемой блоком 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака (здесь и далее - температура слоя нейтрализатора) и количеством аммиака и оксидов NOx, выходящих из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака при постоянном объеме поступления аммиака в блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака. Каталитический нейтрализатор проскока аммиака становится активным и окисляет аммиак, когда температура слоя нейтрализатора поднимается до температуры α или выше, т.е. аммиак разлагается на безопасную воду и азот. Если температура слоя каталитического нейтрализатора аммиака повышается далее и превышает температуру β, блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака работает в усиленном режиме и продолжает окислять аммиак. В результате формируются компоненты NOx. Таким образом, как видно из Фиг. 2, если температура каталитического нейтрализатора проскока аммиака выше или равна температуре α, количество аммиака, выходящего из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, может быть снижено. Но если температура нейтрализатора превышает температуру β, количество аммиака, выходящего из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, снизить невозможно. Более того, количество оксидов NOx, выходящих из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, увеличивается. Далее в описании температура а называется температурой активации блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, а температура β - температурой инициации восстановления NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака. Если температура слоя каталитического нейтрализатора аммиака находится в пределах от температуры активации α до температуры инициации восстановления NOx β, выброс аммиака и NOx в атмосферу значительно снижаются. Диапазон значений между температурой активации α и температурой инициации восстановления NOx β называют "каталитическим окном" блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака.
Температура отработавшего газа, проходящего через блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, становится высокой при работе дизельного двигателя под высокими нагрузками при высокой скорости вращения, а также при принудительной регенерации фильтра 32 твердых частиц. В результате температура газа за блоком 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака Tasc превысит температуру восстановления NOx β. В этом случае, даже если передний 41 и задний 42 блоки избирательной каталитической нейтрализации обеспечивают достаточное удаление NOx, полученных в результате горения в дизельном двигателе, блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака генерирует восстановленные NOx. Таким образом, количество NOx, поступающих в окружающую атмосферу, не может быть достаточным образом снижено. В устройстве очистки отработавшего газа по данному варианту осуществления изобретения процесс увеличения объема добавляемого водного раствора мочевины выполняется с целью ограничить количество восстановленных NOx, выпускаемых в окружающую атмосферу.
На Фиг. 3 представлена блок-схема процедуры вычисления количества добавляемого водного раствора мочевины, которая выполняется электронным блоком управления 56, чтобы определить нужный объем раствора мочевины, подаваемый клапаном 40 в отработавший газ. Электронный блок управления 56 повторяет данную процедуру заданными циклами при работающем дизельном двигателе. Процесс увеличения добавки, описанный выше, выполняется в рамках данной процедуры.
В начале выполнения процедуры, на шаге S100, электронный блок управления 56 вычисляет базовое количество добавляемого раствора Qbase. Базовое количество добавляемого раствора Qbase - это количество водного раствора мочевины, добавляемого к отработавшему газу с целью снизить NOx и очистить отработавший газ с помощью переднего 41 и заднего 42 блоков избирательной каталитической нейтрализации. Базовое количество добавляемого раствора Qbase устанавливается в соответствии с текущей поглощающей способностью (максимальным количеством поглощения аммиака) переднего 41 и заднего 42 блоков селективной каталитической нейтрализации. Точнее говоря, при вычислении базового количества добавляемого раствора Qbase получают целевое количество поглощения аммиака, расчетное количество поглощения аммиака и количество потребления аммиака. Базовое количество добавляемого раствора Qbase рассчитывается таким образом, что аммиак, полученный из водного раствора мочевины, добавленного к отработавшему газу, соответствует количеству, полученному в результате вычитания расчетного количества поглощения аммиака из целевого количества поглощения аммиака и добавления количества потребления аммиака к этой разнице.
Целевое количество поглощения аммиака является требуемым целевым значением количества аммиака, который должен быть поглощен передним 41 и задним 42 блоками селективной каталитической нейтрализации. Кроме того, целевое количество поглощения аммиака устанавливается в соответствии с текущей полной способностью поглощать аммиак передним 41 и задним блоками селективной каталитической нейтрализации 42. Способность поглощать аммиак (максимальное значение поглощения аммиака) у переднего 41 и заднего 42 блоков селективной каталитической нейтрализации изменяется в зависимости от температуры слоя катализатора, поддерживаемой этими блоками, и как правило уменьшается при падении температуры слоя. Таким образом, целевое количество поглощения аммиака получают исходя из температуры слоя катализатора в каждом блоке: переднем 41 и заднем 42. Количество тепла, полученного в ходе реакции нейтрализации NOx, рассчитывают исходя из температуры отработавшего газа, поступающего в передний блок 41 избирательной каталитической нейтрализации, определенной датчиком 35 температуры за дизельным сажевым фильтром, поступающего объема оксидов NOx переднего блока 41 избирательной каталитической нейтрализации, определенного датчиком 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализации, а также условий подачи водного раствора мочевины. Температура слоев катализаторов в переднем блоке 41 избирательной каталитической нейтрализации и заднем блоке 42 избирательной каталитической нейтрализации рассчитывается на основе количества тепла, полученного в ходе реакции нейтрализации NOx.
Количество потребления аммиака - это количество аммиака, потребленное передним 41 и задним 42 блоками избирательной каталитической нейтрализации для нейтрализации NOx и очистки отработавшего газа. Количество потребления аммиака получают по количеству NOx, поступающих в передний блок 41 селективной каталитической нейтрализации, которое определяется датчиком 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализаци, и температуре слоев катализатора в переднем 41 и заднем 42 блоках.
Расчетное количество поглощения аммиака является расчетным количеством аммиака, поглощенного передним 41 и задним 42 блоками избирательной каталитической нейтрализации. Расчетное количество поглощения аммиака получают, сложив значения, полученные вычитанием количества потребления аммиака и объема проскока аммиака из количества аммиака, полученного из добавленного водного раствора мочевины (количества добавляемого аммиака). Объем проскока аммиака - это количество аммиака, выходящего из заднего блока 42 селективной каталитической нейтрализации. Если значение, полученное в результате вычитания максимального значения поглощения аммиака и значения потребления аммиака из суммы количества добавляемого аммиака и расчетного значения поглощения аммиака, равно или меньше "0", то объем проскока аммиака устанавливается на "0." Если это значение превышает "0," то объем проскока аммиака устанавливается на это значение.
На шаге S101 электронный блок управления 56 определяет, снят или нет флаг выполнения процесса увеличения объема. Как будет описано далее, флаг выполнения упомянутого процесса увеличения добавки устаналивается в начале процесса увеличения добавляемого объема водного раствора мочевины и снимается при остановке этого процесса.
Если упомянутый процесс увеличения добавки не выполняется и снят флаг выполнения процесса увеличения добавки (S101: ДА), электронный блок управления 56 переходит к шагу S102. На шаге S102 электронный блок управления 56 определяет, не превышает ли выходной объем NOx - RrNOx, определяемый датчиком 53 оксидов NOx на выходе из блока нейтрализации, поступающий объем NOx - FrNOx, определяемый датчиком 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализации. Если выходной объем NOx RrNOx больше поступающего объема NOx FrNOx (ДА), электронный блок управления 56 переходит к шагу S103. Если выходной объем NOx RrNOx не больше поступающего объема NOx FrNOx (НЕТ), электронный блок управления 56 переходит к шагу S106.
Если выходной объем NOx RrNOx больше поступающего объема NOx FrNOx, электронный блок управления 56 переходит к шагу S103 и устанавливает флаг выполнения процесса увеличения добавки, чтобы начать его исполнение. Затем электронный блок управления 56 переходит к шагу S104. На шаге S104 электронный блок управления 56 вычисляет величину поправки на увеличение охлаждения Qcm на основе значения температуры газа за каталитическим нейтрализатором аммиака Tasc. На шаге S105 электронный блок управления 56 устанавливает итоговый объем добавки Qfin на количество, полученное в результате добавления величины поправки на увеличение охлаждения Qcm к базовому количеству добавляемого раствора Qbase. Таким образом, текущий цикл процедуры заканчивается.
Если выходной объем NOx RrNOx не больше поступающего объема NOx FrNOx, то базовое количество добавляемого раствора Qbase устанавливается как итоговый объем добавки Qfin. Таким образом, текущий цикл процедуры заканчивается.
Если флаг выполнения процесса увеличения добавки устанавливается при выполнении процесса увеличения добавки (S101: НЕТ), электронный блок управления 56 переходит к шагу S107. На шаге S107 электронный блок управления 56 определяет, соблюдены ли оба из следующих условий: температура газа за каталитическим нейтрализатором аммиака Tasc меньше температуры инициации восстановления NOx β, а выходной объем NOx RrNOx меньше или равен поступающему объему NOx FrNOx.
При положительном результате (ДА) на шаге S107 электронный блок управления 56 переходит к шагу S108. На шаге S108 убирается флаг выполнения процесса увеличения добавки, чтобы остановить этот процесс. После того, как, электронный блок управления 56 переходит к шагу S106 и устанавливает итоговый объем добавки Qfin к базовому количеству добавляемого раствора Qbase, электронный блок управления 56 заканчивает текущий цикл процедуры.
При отрицательном результате (НЕТ) на шаге S107 электронный блок управления 56 переходит к шагу S104. После того, как электронный блок управления 56 вычисляет величину поправки на увеличение охлаждения Qcm на шаге S104 и устанавливает итоговый объем добавки Qfin на шаге S105, электронный блок управления 56 заканчивает текущий цикл процедуры.
По окончании текущего цикла процедуры электронный блок управления 56 регулирует клапан подачи мочевины 40 на добавление водного раствора мочевины в соответствии с итоговым объемом добавки Qfin, установленным в ходе процедуры. Таким образом, количество добавляемого водного раствора мочевины определяется на основе базового количества добавляемого раствора Qbase. Процесс увеличения добавки корректирует объем добавки водного раствора мочевины за счет увеличения итоговой добавки Qfin, который определяется по базовому количеству добавляемого раствора Qbase, на величину добавки на увеличение охлаждения Qcm.
На Фиг. 4 показана зависимость между величиной добавки на увеличение охлаждения Qcm, которая вычисляется на шаге S104, и температурой газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc. Как показано на Фиг. 4, величина добавки на увеличение охлаждения Qcm устанавливается на более высокое значение, так как температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc увеличивается, после превышения температуры инициации восстановления NOx β.
Далее описывается работа устройства очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения.
В каталитическом нейтрализаторе проскока аммиака 43, пока не происходит процесс восстановления NOx, объем NOx в отработавшем газе, проходящем через систему селективной каталитической нейтрализации, уменьшается в связи с восстановлением, которое выполняется в переднем 41 и заднем 42 блоках селективной каталитической нейтрализации. Количество NOx не возрастает. Таким образом, если выходной объем NOx RrNOx после каталитического нейтрализатора аммиака 43 выше, чем поступающий объем NOx FrNOx, вероятнее всего, происходит восстановление NOx.
В устройстве очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения объем добавки водного раствора мочевины увеличивается и корректируется, если выходной объем NOx RrNOx выше поступающего объема NOx FrNOx. При корректировке и увеличении объема добавки водного раствора мочевины испарение водного раствора мочевины в отработавшем газу увеличивает количество тепла, которое водный раствор мочевины получает от отработавшего газа, и отработавший газ охлаждается. Это ограничивает восстановление NOx в каталитическом нейтрализаторе проскока аммиака 43, а также ограничивает увеличение объема NOx, которые будут выпущены в атмосферу, при выполнении восстановления NOx.
В процессе увеличения добавки, так как увеличивается количество водного раствора мочевины, и увеличение корректируется, то каталитический нейтрализатор проскока аммиака 43 охлаждается более эффективно. Однако при этом увеличивается количество аммиака, выбрасываемого в атмосферу. В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения, так как температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc становится выше, то величина добавки на увеличение охлаждения Qcm устанавливается на более высокое значение, при этом величина поправки объема добавки водного раствора мочевины увеличивается в процессе увеличения добавки. При этом ограничивается восстановление NOx и ограничивается увеличение объема выбросов аммиака.
В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения процесс увеличения добавки обеспечивает прекращение увеличения объема добавки водного раствора мочевины, если температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc становится меньше температуры инициации восстановления NOx β, и при этом выходной объем NOx RrNOx становится меньше или равен поступающему объему NOx FrNOx. Если температура слоя нейтрализатора меньше температуры инициации восстановления NOx β, восстановление NOx ограничено. В результате снижается количество NOx, выходящих из блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака. Таким образом, при появлении в процессе увеличения объема такой ситуации, когда увеличивается объем добавки водного раствора мочевины, наиболее вероятно, что восстановление NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака прекратилось. В этих условиях в данном варианте осуществления изобретения электронный блок управления 56 прекращает увеличение объема добавки водного раствора мочевины. Таким образом, после ограничения восстановления NOx ненужного постоянного увеличения объема добавки водного раствора мочевины не происходит. Это позволяет избежать ситуации, когда объем выпускаемого аммиака непрерывно растет их-за непрерывного увеличения объема добавки водного раствора мочевины.
Ниже описываются преимущества устройства очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения.
(1) Объем добавки водного раствора мочевины увеличивается, чтобы еще сильнее охдаждать отработавший газ, к которому добавляется водный раствор мочевины. При этом понижается температура слоя нейтрализатора и ограничивается образование восстановленных NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака.
(2) Объем добавки водного раствора мочевины увеличивается, если выходной объем NOx RrNOx больше поступающего объема NOx FrNOx. Процесс увеличения добавки не запускается, пока не происходит восстановления NOx. Это позволяет ограничить ненужное увеличение выброса аммиака.
(3) Если соблюдены оба условия: температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc меньше температуры инициации восстановления NOx β, а выходной объем NOx RrNOx меньше или равен поступающему объему NOx FrNOx, то увеличение объема добавки водного раствора мочевины прекращается. При этом ограничивается объем выбросов аммиака, что могло бы произойти в ином случае при непрерывной добавке водного раствора мочевины после того, как восстановление NOx прекратилось.
(4) Итоговый объем добавки Qfin, возросший в процессе увеличения добавки, определяется после раздельного вычисления базового количества добавляемого раствора Qbase и вычисления величины поправки на увеличение охлаждения Qcm. При этом получается объем добавляемой мочевины, который требуется для поддержания процесса очистки передним 41 и задним 42 блоками избирательной каталитической нейтрализации. В итоге можно выполнять охлаждение отработавшего газа, поступающего в блок 43 каталитического нейтрализатора аммиака, наиболее удобным способом и при этом поддерживать параметры очистки в переднем 41 и заднем 42 блоках избирательной каталитической нейтрализации.
(5) Объем добавки водного раствора мочевины в процессе увеличения добавки корректируется на большее значение, так как температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc растет. Получается, что можно охладить блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, и при этом ограничить ненужное увеличение выпускаемого количества аммиака.
Второй вариант осуществления изобретения
Ниже описан второй вариант осуществления изобретения устройства очистки отработавшего газа со ссылкой на Фиг. 5. Для второго и третьего (который будет описан ниже) вариантов осуществления изобретения для одних и тех же компонентов используются одни и те же позиции, как и для первого варианта.
Если количество оксидов NOx, образовавшихся при горении в цилиндрах 17, мало, то объем NOx, выпускаемых в атмосферу, будет находиться в пределах допуска, даже при условии восстановления NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака. В этом случае, даже если восстановление NOx не прекращено, предпочтительно остановить увеличение объема добавки водного раствора мочевины, чтобы ограничить увеличение выбросов аммиака. В устройстве очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения, если выходной объем NOx RrNOx блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака становится меньше или равным заданному значению в процессе увеличения объема добавки водного раствора мочевины, электронный блок управления 56 прекращает увеличение объема добавки водного раствора мочевины.
На Фиг. 5 представлена блок-схема процедуры вычисления количества добавляемого водного раствора мочевины, которая выполняется электронным блоком управления 56, чтобы определить нужный объем раствора мочевины, подаваемый клапаном 40 в отработавший газ, в устройстве очистки в данном варианте осуществления изобретения. В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения электронный блок управления 56 выполняет данную процедуру вместо процедуры вычисления объема добавки водного раствора мочевины, которая используется в первом варианте осуществления изобретения, см. Фиг. 3.
Данная процедура добавляет шаг S200 между шагами S102 и S103 процедуры вычисления объема добавки водного раствора мочевины, используемой в первом варианте осуществления изобретения, см. Фиг. 3. На шаге S102, если электронный блок управления 56 определяет, что выходной объем NOx RrNOx больше поступающего объема NOx FrNOx (S102: ДА), то электронный блок управления 56 переходит к шагу S200 и определяет, является ли выходной объем NOx RrNOx меньше или равным заданному значению γ. Заданное значение γ устанавливается для допустимого верхнего предела количества NOx, выпускаемого в атмосферу. Таким образом, если выходной объем NOx RrNOx меньше или равен заданному значению γ, то количество NOx, выбрасываемых в окружающую атмосферу, ограничивается допустимым диапазоном значений, даже при восстановлении NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака.
Если выходной объем NOx RrNOx больше заданного значения γ (S200: НЕТ), электронный блок управления 56 переходит к шагу S103. В этом случае после установки флага на выполнении процесса добавки на шаге S103 увеличивается объем добавки водного раствора мочевины, чтобы охладить блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака, на шагах S104 и S105.
Если выходной объем NOx RrNOx меньше или равен заданному значению у (S200: ДА), электронный блок управления 56 переходит к шагу S106 и устанавливает базовое количество добавляемого раствора Qbase для итогового объема добавки Qfin. В этом случае электронный блок управления 56 не увеличивает объем добавки водного раствора мочевины, так как не требуется охлаждать блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака.
Устройство очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения имеет такие же преимущества (1)-(5), указанные для первого варианта. В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения объем добавки водного раствора мочевины не увеличивается до тех пор, пока выпуск NOx в окружающую атмосферу находится в пределах допустимого диапазона значений, даже если высока вероятность того, что блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака восстанавливает NOx. Это позволяет ограничить увеличение выброса аммиака.
Третий вариант осуществления изобретения
Ниже описан третий вариант осуществления изобретения устройства очистки отработавшего газа со ссылкой на Фиг. 6. Так же, как и второй вариант осуществления изобретения, устройство очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения прекращает увеличение добавки водного раствора мочевины, если выходной объем NOx RrNOx становится меньше или равным заданному значению, при увеличении объема добавки водного раствора мочевины.
На Фиг. 6 представлена блок-схема процедуры вычисления количества добавляемого водного раствора мочевины, которая выполняется электронным блоком управления 56, чтобы определить нужный объем раствора мочевины, подаваемый клапаном 40 в отработавший газ, в устройстве очистки в данном варианте осуществления изобретения. В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения электронный блок управления 56 выполняет данную процедуру вместо процедуры вычисления объема добавки водного раствора мочевины, которая используется в первом варианте осуществления изобретения, см. Фиг. 3.
Данная процедура добавляет шаг S300 между шагами S107 и S104 процедуры вычисления объема добавки водного раствора мочевины, используемой в первом варианте осуществления изобретения, см. Фиг. 3. При отрицательном результате (НЕТ) на шаге S107 электронный блок управления 56 переходит к шагу S300. Другими словами, электронный блок управления 56 переходит к шагу S300, если определяет, что температура газа за каталитическим нейтрализатором аммиака Tasc выше или равна температуре инициации восстановления NOx β, или что в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака не прекращено восстановление NOx, так как выходной объем NOx RrNOx больше поступающего объема NOx FrNOx.
На шаге S300 электронный блок управления 56 определяет, является ли выходной объем NOx RrNOx меньше или равным заданному значению γ. Если выходной объем NOx больше заданного значения γ (S300: НЕТ), электронный блок управления 56 переходит к шагу S104. На шагах S104 и S105 электронный блок управления 56 выполняет процесс увеличения объема добавки водного раствора мочевины, чтобы охладить блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака.
Если выходной объем NOx RrNOx меньше или равен заданному значению γ (S300: ДА), электронный блок управления 56 переходит к шагу S108. На шаге S108 электронный блок управления 56 снимает флаг выполнения процесса увеличения объема добавки. Затем на шаге S106 электронный блок управления 56 устанавливает итоговое количество добавки Qfin для базового количества добавляемого раствора Qbase.
Устройство очистки отработавшего газа в данном варианте осуществления изобретения имеет такие же преимущества (1)-(5), указанные для первого варианта. В устройстве очистки отработавшего газа данного варианта осуществления изобретения объем добавки водного раствора мочевины не увеличивается до тех пор, пока выпуск NOx в окружающую атмосферу находится в пределах допустимого диапазона значений, даже если высока вероятность того, что блок 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака восстанавливает NOx. Далее, если электронный блок управления 56 определяет, что восстановление NOx в блоке 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака в процессе увеличения объема добавки водного раствора мочевины для охлаждения блока 43 каталитического нейтрализатора проскока аммиака еще не прекращено, то, пока NOx выбрасываются в атмосферу в пределах допуска, электронный блок управления 56 не будет увеличивать объем добавки водного раствора мочевины. Это позволяет ограничить увеличение выброса аммиака.
Описанный вариант осуществления изобретения можно модифицировать, как показано ниже.
В каждом из перечисленных вариантов осуществления изобретения электронный блок управления 56 прекращает увеличение объема добавки водного раствора мочевины, при соблюдении двух условий: условие (А) - температура газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc меньше температуры инициации восстановления NOx β, и условие (В) - выходной объем NOx RrNOx меньше или равен поступающему объему NOx FrNOx. Однако, электронный блок управления 56 может прекратить увеличение подачи водного раствора мочевины, если соблюдено только одно условие: (А) или (В). Более того, соблюдение условия (А) может быть единственной причиной остановки увеличения объема добавки водного раствора мочевины. С другой стороны, соблюдение условия (В) может быть единственной причиной остановки увеличения объема добавки водного раствора мочевины.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения величина добавки на увеличение охлаждения Qcm задается на основании результатов определения температуры газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc, чтобы увеличить величину добавки по мере увеличения температуры газа за каталитическим нейтрализатором проскока аммиака Tasc. Вместо этого можно, к примеру, задать величину добавки на увеличение охлаждения Qcm как фиксированное значение.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения электронный блок управления 56 вычисляет базовое количество добавляемого раствора Qbase и величину добавки на увеличение охлаждения Qcm по отдельности и затем использует величину добавки на увеличение охлаждения Qcm для задания итогового объема добавки Qfin, который основывается на базовом количестве добавляемого раствора Qbase, чтобы увеличить и откорректировать объем добавки водного раствора мочевины. Объем добавки водного раствора мочевины можно получить посредством других процессов при увеличении добавки.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения датчик 50 оксидов NOx на входе блока нейтрализаци определяет и получает поступающий объем NOx FrNOx. При этом поступающий объем NOx можно рассчитать по рабочим условиям дизельного двигателя.
Кроме системы селективной каталитической нейтрализации, устройство очистки отработавшего газа в каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения включает в себя систему дизельного сажевого фильтра. При этом регулирование объема добавки водного раствора мочевины в каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения может выполняться таким же образом, как и для устройства очистки отработавшего газа, не имеющего в своем составе системы дизельного сажевого фильтра.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления изобретения можно использовать раствор, иной чем водный раствор мочевины, к примеру добавление к отработавшему газу раствора исходного продукта для аммиака.