УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖИМОГО ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF CONTENT OF EXHAUST GASES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
x
Настоящее изобретение относится к устройству в соответствии с ограничительной частью независимого пункта формулы изобретения. В частности, изобретение относится к устройству, предназначенному, главным образом, для улучшения измерения содержания окислов азота (NO) в выхлопных газах от двигателя внутреннего сгорания с целью обеспечения более точной регулировки системы доочистки выхлопных газов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
x
2
x
2
2
Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь воздуха и топлива и производит выхлопные газы, которые, помимо прочего, содержат окислы азота (NO), двуокись углерода (СO), окись углерода (СO) и твердые частицы. NO представляет собой общую формулу, используемую для обозначения главным образом окиси азота (NO) и двуокиси азота (NO). Чтобы уменьшить выбросы вредных составляющих, в выхлопной линии от двигателя обычно устанавливают систему доочистки выхлопных газов. Чтобы уменьшить содержание окислов азота, в случае дизельных двигателей, система доочистки выхлопных газов обычно включает в себя катализатор системы выборочного каталитического восстановления (SCR) в комбинации с системой инжекции восстанавливающего агента до катализатора. Восстанавливающий агент в присутствии катализатора вступает в реакцию с окислами азота и уменьшает содержание выбрасываемых в атмосферу окислов азота. В частности, восстанавливающий агент распадается и образует аммиак, который затем вступает в реакцию с окислами азота с образованием воды и газообразного азота (N).
Чтобы достичь описанного уменьшения окислов азота, аммиак должен быть запасен в катализаторе системы SCR. Для того чтобы катализатор работал эффективно, уровень этого запаса должен быть соответствующим. В частности, уменьшение окислов азота или "преобразовательная" эффективность зависит от уровня запаса. Чтобы поддерживать высокую "преобразовательную" эффективность в различных рабочих ситуациях, должен поддерживаться этот уровень аммиака. Однако по мере того как температура катализатора увеличивается, уровень аммиака постепенно должен снижаться во избежание его выхода наружу (то есть из катализатора выводится избыток аммиака), что могло бы уменьшить "преобразовательную" эффективность катализатора.
Таким образом, и по соображениям, относящимся к окружающей среде, и по причинам экономичности работы, стратегия очистки выхлопа требует принимать во внимание необходимость преобразования достаточного количества окислов азота, в то же время стараясь не инжектировать слишком много восстанавливающего агента.
x
Выхлопные газы после SCR-катализатора имеют различные концентрации окислов азота (NO) по поперечному сечению катализатора из-за неравномерного распределения восстанавливающего агента до катализатора. Это приводит к неодинаковому распределению концентрации окислов азота в выпускном потоке после катализатора в тех случаях, когда производится измерение содержания окислов азота. Использование датчика окислов азота для создания обратной связи и правильного управления количеством добавленного восстанавливающего агента по отношению к концентрации окислов азота связано с "сенсорным" измерением средней величины содержания в выпускном потоке окислов азота, что трудно выполнить, поскольку измерение часто проводится только в одной точке выпускного потока.
Существуют различные общие способы измерения содержимого газов.
Публикация DD 249096 раскрывает устройство для измерения различных газов, например, выдыхаемого воздуха, проходящего через трубку. Все из трех измерительных трубок этого устройства имеют одно и то же сопротивление потоку, но газ к измерительной камере, где смешиваются газы, и где производится измерение, протекает по ним из разных точек в трубке. Затем газ через выпускную трубку направляется назад в трубку.
Публикация DЕ 193117U раскрывает измерительное устройство с измерительными трубками различной длины, которые направляют газ в смесительный корпус, оснащенный фильтром, который направляет газ через трубку к датчику. Затем газ через выпускную трубку направляется назад.
Публикация ЕР 0658756 раскрывает измерительное устройство, в котором в измерительную камеру через пять каналов подается аэрозоль.
Публикация GB 2135462 обращается к использованию направляющей трубки для направления выхлопных газов в выпускном потоке к датчику.
Патент США № 6843104 приводит решение, в котором в выпускном трубопроводе установлена поперечная труба с несколькими впусками с целью забора выхлопных газов по разным радиусам и смешивания их, прежде чем они будут направлены к датчику. После этого выхлопные газы направляются назад в выхлопную трубу.
Патент США № 6843104 приводит решение, в значительной степени похожее на систему по патенту США № 6843104.
Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного устройства забора выхлопных газов, которое выдает величину измеренного содержания вещества в выхлопных газах, которое по существу соответствует средней величине содержания вещества в выхлопных газах. Это позволяет регулировать систему очистки выхлопа с большей точностью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Вышеуказанные задачи решены посредством изобретения, определенного независимым пунктом формулы изобретения. Предпочтительные варианты исполнения определены зависимыми пунктами формулы.
В устройстве забора в соответствии с настоящим изобретением выхлопные газы забираются во множестве точек поперек поперечного сечения выпускного потока и смешиваются, прежде чем датчиком будет выполнено измерение. Результат представляет собой более репрезентативное среднее значение предназначенного к измерению газового компонента, чем полученное измерением лишь на основе величин, взятых только в одной точке измерения.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением особенно подходит для использования в контексте измерения содержания в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания окислов азота. Оно содержит по меньшей мере две заборные трубки, сконфигурированные с преимуществами трубок Пито, которые расположены с отверстиями, направленными навстречу выпускному потоку, и установлены так, что находятся в непосредственной близости от выхлопной линии, с тем, чтобы отводить часть выпускного потока к датчику окислов азота. Все упомянутые заборные трубки расположены в одной и той же плоскости под прямыми углами к основному направлению выпускного потока, а упомянутые отверстия, предпочтительно, равномерно распределены в упомянутой плоскости на предопределенном расстоянии вдоль радиуса от продольной оси выхлопной линии.
Устройство содержит смесительную камеру, расположенную таким образом, чтобы она окружала выхлопную линию с протекающими выхлопными газами. Преимущество такой смесительной камеры состоит в том, что она не занимает много места, а расстояние от различных точек измерения до смесительной камеры при этом будет минимальным, поскольку заборные трубки могут проходить радиально к поверхности оболочки выхлопной линии. Это приводит к меньшей длине линий в выпускном потоке, а следовательно, - к меньшему сопротивлению потоку.
В соответствии с изобретением, чтобы направить газ от измерительной камеры назад в выхлопную линию, используется так называемый эффект Вентури. Этот эффект вызывается обеспечением выхлопной линии с конструкцией вблизи того места, где выхлопные газы заводятся назад. Результатом является лучший поток и, следовательно, лучшее смешивание отведенного газа.
Дополнительные признаки и преимущества определены приложенным описанием, представляющим в качестве примеров несколько различных вариантов исполнения настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематичный вид сечения в продольном направлении выхлопной линии, оснащенной устройством в соответствии с первым вариантом исполнения изобретения; и
Фиг. 2-5 - схематичные виды поперечных сечений по линии B-B первого, второго, третьего и четвертого вариантов исполнения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для одних и тех же или похожих элементов на чертежах используются одни и те же ссылочные позиции.
Фиг. 1 и 2 изображают первый вариант исполнения изобретения, при этом на фиг. 1 показано сечение A-A с фиг. 2, а фиг. 2 представляет собой сечение B-B с фиг. 1.
Фиг. 1 и 2 изображают устройство 2 забора, приспособленное для использования при измерении содержимого выхлопных газов в выпускном потоке 4. В одном варианте исполнения датчик выполнен с возможностью измерения содержания в выхлопных газах окислов азота. Выхлопные газы от двигателя внутреннего сгорания, то есть от дизельного двигателя, направляются через выхлопную линию, в качестве примера показанную в виде выхлопной трубы 6, на которой расположено устройство 2. Устройство 2 содержит датчик 8, расположенный в измерительной камере 10.
Устройство 2 дополнительно содержит две заборные трубки 12, каждая из которых частично находится в выхлопной трубе 6 и каждая из которых содержит по меньшей мере одно отверстие 14, направленное навстречу выпускному потоку 4. На фиг. 1 выпускной поток представлен стрелками. Отверстия 14 предпочтительно одного и того же размера расположены в плоскости С-С, которая по существу перпендикулярна главному направлению выпускного потока. Отверстия 14 в плоскости С-С предпочтительно распределены равномерно. Заборные трубки 12 выполнены с возможностью отвода части выпускного потока к измерительной камере 10, в которой датчик 8 измеряет содержание, например, окислов азота в выхлопных газах, отобранных к измерительной камере. Датчик соединен с системой очистки выхлопных газов на основе SCR-технологии (не показана) и составляет ее часть, при этом полученные от датчика измеренные величины используются, помимо прочего, для дозирования восстанавливающего агента.
Тот факт, что отверстия 14 распределены равномерно в плоскости C-C, перпендикулярной направлению выхлопных газов, в ряде различных вариантов исполнения означает, что они равномерно распределены, по меньшей мере, по одному кругу 16 под прямыми углами к направлению выпускного потока, причем центр круга совпадает с продольной осью 18 выхлопной трубы 6 (см., например, варианты исполнения с фиг. 2, 3, 4 и 5).
Первый вариант исполнения, изображенный на фиг. 2, относится к устройству с двумя похожими заборными трубками 12.
Альтернативные варианты исполнения, изображенные на фиг. 3 и 4, отличаются только количеством заборных трубок 12. Таким образом, вариант исполнения, изображенный на фиг. 3, относится к устройству 2 с тремя заборными трубками, а вариант с фиг. 4 - к устройству с четырьмя заборными трубками. Важно, чтобы было по меньшей мере две заборные трубки, и чем больше их количество, тем выше точность измерения, но, в то же время, тем более сложным является это решение. Более четырех труб дают лишь предельно лучшую точность измерения, а если требуется еще большая точность, то их вместо этого можно сконфигурировать так, как описано далее со ссылкой на фиг. 5.
Отверстие 14 каждого из этих заборных трубок расположено на заданном расстоянии от оси 18 выхлопной трубы 6. На чертеже это расстояние составляет порядка половины радиуса трубы. Эти отверстия также распределены равномерно в окружном направлении.
Фиг. 5 изображает вариант исполнения, в котором каждая заборная трубка 12 обеспечена двумя отверстиями 14 вдоль радиуса соответствующей трубки. Проиллюстрированный вариант исполнения содержит четыре заборные трубки. На фиг. 5 некоторые части, например, измерительная камера с датчиком, не изображены. В следующих вариантах исполнения отверстия распределены подобным же образом, будучи на предопределенном расстоянии вдоль радиуса от продольной оси 18 выхлопной трубы 6, и они также равномерно распределены в окружном направлении.
В варианте исполнения, изображенном на фиг. 1-4, устройство 2 содержит смесительную камеру 20, при этом заборные трубки 12 могут проводить через нее отобранный выпускной поток 4 к измерительной камере 10. Смесительная камера является кольцевой в поперечном сечении выхлопной трубы 6, и устроена так, что окружает эту выхлопную трубу. Таким образом, выхлопные газы из соответствующих отверстий 14 направляются в смесительную камеру 20, которая является общей для всех заборных трубок, и в которой выхлопные газы с различными содержаниями окислов азота будут смешиваться. После того как эти выхлопные газы с различными концентрациями окислов азота смешаются, они будут проверены датчиком 8, чтобы получить представительную среднюю величину содержания окислов азота в выхлопных газах в выхлопной линии на основе разных величин содержания окислов азота в различных частях выхлопной линии.
Все заборные трубки 12 по существу одной и той же длины и имеют в выхлопной трубе 6 по существу радиальную протяженность относительно этой выхлопной трубы. Это значит, что поток от соответствующих заборных трубок 12 будет достигать смесительную камеру 20 примерно в одно и то же время, что имеет преимущество для получения правильной измеренной величины.
Как показано на фиг. 1, каждая из заборных трубок 12 частично введена в выхлопную трубу в виде радиального участка, который посредством 90-градусного изгиба изменяется в осевом направлении, при этом внешний радиальный участок соединен со смесительной камерой 20, а радиальный и осевой участок на своем конце имеет отверстие 14, которое направлено в сторону выпускного потока.
Выхлопные газы, отобранные посредством заборных трубок 12 в смесительную камеру 20 и, следовательно, в измерительную камеру 10, затем должны быть направлены назад к выхлопной трубе 6, что выполняется посредством по меньшей мере одной возвратной трубки 24, выполненной с возможностью направления выхлопных газов от измерительной камеры назад к выхлопной трубе 6. На фиг. 1 возвратная трубка выполнена в форме соединения с измерительной камерой 10 и является просто отверстием 24 в стенке выхлопной трубы. Возвратная трубка/отверстие 24 расположена в выхлопной трубе на месте за соответствующими отверстиями заборных трубок 12 по ходу потока.
Выхлопная труба 6 преимущественно обеспечена сужением 22 вблизи того места, где выхлопные газы направляются от измерительной камеры 10 назад. Это сужение может преимущественно принимать форму внутренней выпуклости выхлопной трубы у отверстия 24, через которое выхлопные газы направляются назад. Назначением этого сужения является применение так называемого эффекта Вентури, в соответствии с которым давление в сужении будет меньше, чем до сужения, приводя к эффекту всасывания, который благоприятствует лучшему потоку выхлопных газов после датчика 8. Это сужение не должно быть в отверстии 24, где выхлопные газы направляются назад, а может находиться, например, где-нибудь вдоль внутренней поверхности выхлопной трубы в том сечении, где расположено отверстие 24.
В приложении данного изобретения для дизельного двигателя тяжелого транспортного средства, такого как грузовик, типичный диаметр выхлопной трубы составляет порядка 120-130 мм, например, 127 мм. Размеры заборных трубок 12 должны быть как можно меньше, чтобы минимизировать препятствие выпускному потоку от двигателя. Их диаметр может, например, находиться в диапазоне 2-10 мм. Их отверстия 14, предпочтительно, выполнены с одинаковым размером.
Заборные трубки 12 вдоль по существу всей своей протяженности имеют один и тот же внутренний диаметр, а их конфигурация рядом с отверстиями 14 подобна трубкам Пито, что означает, что их внешний диаметр в области вокруг отверстий сужается, и таким образом, становится настолько уже, что выхлопные газы, не заведенные в отверстия, с точки зрения картины потока, могут благополучно протекать мимо.
Заборные трубки 12, предпочтительно, могут быть расположены в местах вдоль выхлопной трубы, в которых температура выхлопных газов находится в диапазоне 150-450°С.
В рамках идеи изобретения можно также исключить смесительную камеру 20, так что выхлопные газы будут направляться непосредственно из заборных трубок в измерительную камеру 10. В комбинации с описанной ранее конструкцией 22 это приводит к хорошему потоку мимо датчика 8 и к последующим хорошим результатам измерения.
Настоящее изобретение не ограничено вышеописанными предпочтительными вариантами исполнения. Могут быть использованы различные альтернативы, модификации и эквиваленты.

x
Изобретение описано выше в виде примера, в котором устройство представляет собой часть системы SCR для очистки выхлопа, и измеренное содержание окислов азота используется в качестве параметра для регулирования инжекции восстанавливающего агента. Примером такого восстанавливающего агента является жидкий водный раствор мочевины, присутствующий на рынке как AdBlue. Эта жидкость представляет собой нетоксичный раствор мочевины, используемый для химического уменьшения выбросов окислов азота (NO), особенно в тяжелых транспортных средствах с дизельными двигателями.
В альтернативных вариантах исполнения для альтернативных целей это устройство может быть установлено в выхлопной линии до или после SCR-катализатора, и в выхлопной линии как до, так и после этого устройства могут находиться дополнительные компоненты.
В других приложениях это устройство может быть использовано для измерения в выпускном потоке от двигателя внутреннего сгорания составляющих, отличных от окислов азота. Более того, нет необходимости в том, чтобы датчик был датчиком окислов азота, который измеряет непосредственно концентрацию окислов азота, поскольку это может быть датчик любого другого типа, который может контролировать концентрацию окислов азота опосредованно. Кроме того, это может быть также датчик, который контролирует концентрацию окиси азота или двуокиси азота. Возможен также случай, при котором датчик может быть предназначен для измерения содержания в выхлопных газах углеводородов (НС).
В альтернативных вариантах исполнения это устройство может быть использовано аналогичным же образом в выхлопных линиях с формами поперечного сечения, отличными от круговой формы, показанной в качестве примера в виде выхлопной трубы, то есть с любыми необходимыми формами поперечного сечения.