Система двигателя и моторное транспортное средство - RU143272U1
Код документа: RU143272U1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к снижению выбросов из дизельных двигателей и, в частности, к работе системы дизельного двигателя, имеющей устройства доочистки с уловителем обедненных NOx (LNT) и избирательным каталитическим восстановлением (SCR).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно, что оксиды азота (NOx) являются значимыми загрязняющими атмосферу веществами, и что будущие европейские и североамериканские стандарты по охране окружающей среды скоро потребуют более чистых транспортных средств, имеющих двигатели с низкими выбросами NOx.
Двумя известными способами для снижения выбросов NOx являются использование LNT (уловителя обедненных NOx) и SCR (устройства избирательного каталитического восстановления) посредством восстановителя, такого как аммиак (NH3).
Оба способа имеют свои преимущества и недостатки.
Каталитический нейтрализатор с LNT использует металлы группы платины (PGM), преимущественно, Pt, Pd и Rh в качестве каталитического элемента, который рассосредоточен на основе с большой площадью поверхности. При нормальных температурах выхлопных газов дизельного двигателя, и в среде с избытком кислорода, LNT будет поглощать газы NOx в материалах щелочноземельных оксидов основы, что давно установлено в данной области техники. Через некоторый период времени, такие места поглощения становятся насыщенными, с являющимся результатом уменьшением массы удаляемых NOx, поэтому, чтобы продолжать удалять NOx из газовой фазы, требуется обогащенная продувка. Таковая является средой с недостатком кислорода, в которой редкоземельный оксид становится нестабильным при гораздо более низкой температуре. Это освобождает NO2 и NO, которые без труда реагируют в той же самой среде с HC (несгоревшими углеводородами), CO и H2, чтобы формировать N2, H2O и CO2.
LNT является весьма дорогостоящим компонентом вследствие высокой загрузки PGM и, в частности высокой загрузки родия.
SCR восстанавливает NOx в пределах широкого температурного диапазона и в насыщенной кислородом среде. SCR не требует элементов PGM, а потому, является дорогостоящим в меньшей степени. Однако, SCR необходим дополнительный восстановитель, подобный аммиаку, который в известных системах подавался посредством добавления мочевины из резервуара. Мочевина разлагается в потоке выхлопных газов, чтобы вырабатывать аммиак. Отсюда, реализация традиционного SCR требует дополнительной инфраструктуры и оборудования для снабжения каждого транспортного средства мочевиной или аммиаком. Гидролиз мочевины требует минимальной температуры 180°C.
При работе с обогащением, известно, что LNT должен вырабатывать NH3 благодаря нежелательным побочным реакциям. Аммиак является выбросом, который также должен регулироваться. Поэтому, было предложено использовать комбинированные системы доочистки с LNT/ SCR, в которых каталитический нейтрализатор с SCR установлен ниже по потоку от каталитического нейтрализатора с LNT. Это могло бы добавлять некоторую способность удаления NOx системе, а также минимизировать выбросы NH3 на выхлопной трубе.
При работе системы двигателя, двигатель работает главным образом с использованием обедненного сгорания, давая возможность экономичной работы двигателя. Во время этой фазы, выбросы NOx поглощаются каталитическим нейтрализатором LNT в качестве нитратов, как обсуждено ранее. Однако двигатель должен работать с обогащением периодически, чтобы LNT удалял (продувал) накопленные нитраты, и этот процесс продувки вырабатывает аммиак (NH3). NH3, вырабатываемый в LNT, скорее может адсорбироваться в SCR, расположенном ниже по потоку, нежели испускаться, как имело бы место в ином случае. Этот адсорбированный NH3 впоследствии используется SCR для восстановления NOx во время следующего периода обедненного сгорания.
Такая комбинированная конфигурация LNT и SCR, поэтому, устраняет необходимость во внешнем источнике NH3, например, таком как бак с раствором мочевины, который необходим в случае отдельного SCR. Она также сдерживает риск, что аммиак будет формироваться посредством LNT, а затем испускаться.
Однако есть некоторое количество проблем, связанных с такими комбинированными системами LNT/SCR уровня техники (см. например, US 2012/214663, МПК B01J21/06, B01J23/63, опубл. 23.08.2012).
Прежде всего, вследствие выработки сажи, когда дизельный двигатель работает на богатой смеси, период времени, в течение которого двигатель может работать с обогащением, должен ограничиваться несколькими секундами. Это происходит потому, что сажа является нежелательным продуктом сгорания. Поэтому, для удовлетворения современных и предполагаемых технических норм по выбросам, большинство дизельных применений требуют использования дизельного сажевого фильтра (DPF) для удаления сажи из выхлопных газов. Поэтому, является проблемой, если количество сажи, вырабатываемой двигателем, увеличивается вследствие работы с обогащением, так как DPF будет быстро наполняться и требовать восстановления. Как хорошо известно в данной области техники, восстановление DPF требует, чтобы температура выхлопных газов повышалась до высокой температуры, такой как 600-650°C, а чтобы делать это, требуется дополнительное топливо, тем самым, ухудшая расход топлива двигателя.
Поэтому, так как двигатель может работать с обогащением только периодически в течение очень короткого периода времени, загрузка PGM у LNT и, в частности, загрузка родия значительно увеличивает себестоимость транспортного средства. В дополнение, количество NH3, которое может вырабатываться за такой короткий период времени, при работе с обогащением, является относительно малым, тем самым, ограничивая количество NOx, которое может подвергаться реакции с ним, чтобы вырабатывать двухатомный азот N2 в SCR, при работе с обеднением.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы предложить систему дизельного двигателя, имеющую устройства доочистки с LNT и SCR, которые преодолевают вышеуказанные недостатки.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Согласно первому аспекту полезной модели, предусмотрен способ работы системы дизельного двигателя, имеющей устройства доочистки с LNT и SCR, выполненные с возможностью последовательно принимать выхлопные газы из двигателя, при этом способ включает в себя этап, на котором осуществляют работу двигатель в режимах обедненного и обогащенного сгорания, осуществляют переключение между режимом обедненного сгорания и режимом обогащенного сгорания на основании рабочих параметров LNT и SCR для минимизации выбросов NOx из двигателя, и используют режим обогащенного сгорания с ранним впрыском при работе двигателя в режиме обогащенного сгорания.
Это обладает преимуществом синергетического использования, при котором, недостаток LNT (выработка NH3) и недостаток SCR (потребность в NH3) собираются вместе в преимущество обоих. Более того, режим обогащенного сгорания с ранним впрыском создает большие количества NH3 и, в дополнение, дает обогащенному сгоранию возможность происходить в течение более длительного периода времени, что дополнительно увеличивает количества вырабатываемого NH3. SCR таким образом может снабжаться стимулирующими эффективную деятельность количествами NH3.
Способ дополнительно может содержать использование режима обедненного сгорания с ранним впрыском для режима обедненного сгорания.
Двигатель может работать в режиме обедненного сгорания до тех пор, пока накопленное количество нитратов в LNT не достигнет заданного верхнего предела, а затем, может переключаться в режим обогащенного сгорания, чтобы восстанавливать нитраты.
Двигатель может работать в режиме обедненного сгорания до тех пор, пока подача аммиака, накопленного в SCR, не достигнет заданного нижнего предела, а затем, может переключаться в режим обогащенного сгорания, чтобы вырабатывать аммиак в LNT для накопления в SCR.
Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором осуществляют работу двигателя в режиме обогащенного сгорания до тех пор, пока подача аммиака, накопленного в SCR, не достигнет заданного верхнего предела, и/или накопленное количество нитратов в LNT не достигнет заданного нижнего предела.
NOx могут накапливаться в LNT в качестве нитрата(ов).
Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором осуществляют впрыск топлива за одиночный впрыск топлива. Способ дополнительно может содержать впрыск топлива за множество отдельных впрысков топлива, например, во время обогащенного раннего впрыска или обедненного раннего впрыска.
Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором осуществляют впрыск большей части топлива, которое должно впрыскиваться, до начала сгорания. Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором осуществляют впрыск всего топлива, которое должно впрыскиваться, до начала сгорания.
Способ может включать в себя этап, на котором осуществляют рециркуляцию части выхлопных газов двигателя на впуск двигателя. Способ дополнительно может включать в себя этап, на котором увеличивают часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции во время обогащенного раннего впрыска, чтобы часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции, могла быть большей, чем 50% выхлопных газов из двигателя. Часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции, может быть большей чем или равной по существу 70% выхлопных газов из двигателя.
Согласно второму аспекту полезной модели, предложена система двигателя, содержащая дизельный двигатель, уловитель обедненных NOx (LNT), выполненный с возможностью приема выхлопных газов из двигателя, избирательный каталитический восстановитель (SCR), выполненный с возможностью приема выхлопных газов, которые ранее были очищены посредством LNT, и электронный контроллер для управления работой двигателя, при этом электронный контроллер выполнен с возможностью обеспечения работы двигателя в режимах обедненного и обогащенного сгорания, переключения двигателя между режимом обедненного сгорания и режимом обогащенного сгорания на основании требований к функционированию LNT и SCR, чтобы минимизировать выбросы NOx из двигателя, и использования режима обогащенного сгорания с ранним впрыском при работе двигателя в режиме обогащенного сгорания.
Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью использования режима обедненного сгорания с ранним впрыском при работе двигателя в режиме обедненного сгорания.
Электронный контроллер может осуществлять работу двигателя в режиме обедненного сгорания до тех пор, пока накопленное количество нитратов в LNT не достигнет заданного верхнего предела, и затем, может переключать в режим обогащенного сгорания, чтобы восстанавливать нитраты.
Электронный контроллер может осуществлять работу двигателя в режиме обедненного сгорания до тех пор, пока подача аммиака, накопленного в SCR, не достигнет заданного нижнего предела, а затем может переключать двигатель в режим обогащенного сгорания с ранним впрыском, чтобы вырабатывать аммиак LNT для накопления в SCR.
Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью обеспечения работы двигателя в режиме обогащенного сгорания с ранним впрыском до тех пор, пока подача аммиака, накопленного в SCR, не достигнет заданного верхнего предела, и/или накопленное количество нитратов в LNT не достигнет заданного нижнего предела, а затем, может переключать работу двигателя в режим обедненного сгорания.
Накопленное количество нитратов в LNT может быть накопленным количеством NOx.
Электронный контроллер, кроме того, может быть выполненным с возможностью впрыска топлива за одиночный впрыск топлива. Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью впрыска топлива за множество отдельных впрысков топлива, например, при обогащенном раннем впрыске или обедненном раннем впрыске.
Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью впрыска большей части топлива, которое должно впрыскиваться, до начала сгорания. Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью впрыска по существу всего топлива, которое должно впрыскиваться, до начала сгорания.
Система двигателя может быть выполнена с возможностью обеспечения рециркуляции части выхлопных газов двигателя на впуск двигателя. Электронный контроллер дополнительно может быть выполненным с возможностью увеличения части выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции при обогащенном раннем впрыске, чтобы часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции, могла быть большей, чем 50% выхлопных газов из двигателя. Часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции, может быть большей чем или равной по существу 70% выхлопных газов из двигателя.
Согласно третьему аспекту полезной модели, предложено моторное транспортное средство, имеющее систему двигателя, выполненную в соответствии с указанным вторым аспектом полезной модели.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее, полезная модель, в качестве примера будет описана со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичное изображение моторного транспортного средства согласно третьему аспекту полезной модели, имеющего систему двигателя согласно второму аспекту полезной модели;
фиг. 2 - схематичное изображение, показывающее работу LNT и SCR, формирующих часть системы двигателя, показанной на фиг. 1, при событии обедненного сгорания;
фиг. 3 - схематичное изображение, показывающее работу LNT и SCR, формирующих часть системы двигателя, показанной на фиг. 1, при событии обогащенного сгорания с ранним впрыском согласно полезной модели;
фиг. 4 - схематичное изображение, показывающее возможные сценарии впрыска и сгорания топлива, использующие обогащенное сгорание с ранним впрыском топлива, в соответствии с настоящей полезной моделью;
фиг. 5 - схематичное изображение, подобное фиг. 4, но показывающее традиционные впрыск и сгорание топлива; и
фиг. 6 - высокоуровневая блок-схема последовательности операций способа, показывающая базовые операции в соответствии со способом работы системы дизельного двигателя, имеющей устройства доочистки с LNT и SCR, согласно первому аспекту полезной модели.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
С конкретной ссылкой на фиг. 1, показано моторное транспортное средство 1, имеющее систему 5 двигателя.
Система 5 двигателя содержит дизельный двигатель 10, уловитель 11 обедненных NOx (LNT), дизельный сажевый фильтр 12 (DPF), пассивное устройство 13 избирательного каталитического восстановления (SCR) и электронный контроллер 20.
Выхлопные газы из двигателя 10 протекают через систему 14 выпуска в LNT 11, из LNT в DPF 12, из DPF 12 в SCR 13, а затем, наружу в атмосферу через выхлопную трубу 15 системы 14 выпуска.
LNT 11, DPF 12 и SCR 13 выполнены традиционным образом с использованием материалов, широко известных в данной области техники.
В дополнение к вышеуказанным компонентам, также может быть предусмотрен окислительный каталитический нейтрализатор (не показан). Окислительный каталитический нейтрализатор может быть отдельным компонентом, или окислительный каталитический нейтрализатор может формировать часть LNT 11.
Как показано, DPF 12 и SCR 13 могут быть отдельными компонентами. Однако DPF 12 и SCR 13 могут быть объединены, чтобы они были выполнены в виде единого компонента.
Двигатель 10 выполнен с возможностью работы в двух основных режимах сгорания, режиме работы с обеднением, в котором смесь для сгорания является бедной по стехиометрии (λ> от 1,001 до 5), и режиме работы с обогащением, в котором смесь для сгорания является богатой по стехиометрии (λ< от 0,700 до 0,995).
При работе в режиме работы с обогащением, двигатель 10 управляется электронным блоком 20 управления для работы в режиме с ранним впрыском, и получающийся в результате режим сгорания в дальнейшем указывается ссылкой как обогащенный ранний впрыск (REI).
При работе в режиме работы с обеднением, двигатель 10 управляется электронным блоком 20 управления для работы в режиме с ранним впрыском, и получающийся в результате режим сгорания в дальнейшем указывается ссылкой как обедненный ранний впрыск (LEI).
Общий признак между LEI и REI состоит в том, что впрыск дизельного топлива начинается задолго до начала сгорания, тем самым, давая возможность хорошего смешивания топливно-воздушной смеси до начала сгорания. Со ссылкой на фиг. 4 и 5, основное отличие между традиционным сгоранием с впрыском дизельного топлива (иногда указываемым ссылкой как CIDI), показанным на фиг. 5, и LEI или REI, показанными на фиг. 4, состоит в том, что, при традиционном сгорании с впрыском топлива, топливо впрыскивается одновременно с тем, как происходит сгорание (как указано событием «Inj» впрыска и событием «Comb» сгорания на фиг. 5).
Тогда как, в случае LEI или REI, впрыск предпочтительно завершается до начала сгорания (как указано событием «InjA» впрыска и событием «Comb» сгорания на фиг. 4). Соответственно, в одном из примеров, все или по существу все топливо, которое должно впрыскиваться (например, в этом цикле сгорания), впрыскивается до начала сгорания.
Однако, положительный эффект также получается, если есть небольшое перекрытие между окончанием события впрыска и началом сгорания (как указано событием «InjB» впрыска и событием «Comb» сгорания на фиг. 4). Такое перекрытие может быть желательным, поскольку оно может уменьшать скорость, с которой возрастает давление в камере сгорания, что, в свою очередь, может ослаблять вырабатываемый шум. Соответственно, в одном из примеров, большая часть топлива, которая должна впрыскиваться, может впрыскиваться до начала сгорания. В конкретном примере, по меньшей мере по существу 90% топлива, которое должно впрыскиваться, может впрыскиваться до начала сгорания. В дополнительном примере, по меньшей мере по существу 95% топлива, которое должно впрыскиваться, может впрыскиваться до начала сгорания.
Поэтому, в случае REI или LEI, большая часть энергии, вырабатываемой сгоранием, возникает после того, как заканчивается событие впрыска, и смесь для сгорания хорошо смешивается до того, как начинается событие сгорания. Воспламенение от сжатия предварительно смешанного заряда (PCCI) является одним из примеров такого режима работы с ранним впрыском.
Топливо может впрыскиваться за одиночный впрыск, например, импульс. Однако, как изображено на фиг. 4, топливо, которое должно впрыскиваться, может впрыскиваться за два или более отдельных впрысков, например, импульсов. Топливо может впрыскиваться за многочисленные впрыски во время REI или LEI, но, иначе, может впрыскиваться за одиночный впрыск. В отношении наличия многочисленных впрысков, последний впрыск может не перекрываться с началом сгорания, как указанно выше. Многочисленные впрыски могут улучшать смешивание топлива и воздуха.
Впрыск топлива может начинаться в любой момент после того, как плечо кривошипа, связанное с соответствующим поршнем и камерой сгорания, находится за 40° до того, как плечо кривошипа достигает верхней мертвой точки (ВМТ, TDC). В отношении одиночного впрыска, впрыск топлива может начинаться, когда плечо кривошипа находится на 30° раньше ВМТ. В отношении многочисленных впрысков, впрыски топлива могут начинаться, когда плечо кривошипа находится за 40° до ВМТ. Сгорание может начинаться, когда плечо кривошипа находится приблизительно на 3° после ВМТ. Как указанно выше, все или по существу все топливо, которое должно впрыскиваться, может впрыскиваться до начала сгорания. Однако впрыск топлива может завершаться незадолго до, на или после того, как плечо кривошипа находится на приблизительно 3° после ВМТ. Например, впрыск топлива может завершаться, когда плечо кривошипа находится в диапазоне от 2° раньше ВМТ до 8° позже ВМТ. С другой стороны, следует принимать во внимание, что впрыск топлива может завершаться на углах поворота кривошипа за пределами этого диапазона, в частности, углах поворота кривошипа до этого диапазона, например, до того, как кривошипы достигают 2° раньше ВМТ.
Хотя не изображено, рециркуляция выхлопных газов (EGR) может применяться к двигателю 10, чтобы часть выхлопных газов двигателя подвергалась рециркуляции на впуск двигателя. Величина EGR может регулироваться клапаном EGR (не показанным), который, в свою очередь, может управляться электронным контроллером 20.
Во время REI или LEI, часть выхлопных газов двигателя, которая подвергается рециркуляции, может увеличиваться. Например, пропорция EGR, которая определяется подвергнутым рециркуляции массовым расходом в качестве процента общего массового расхода в дизельный двигатель 10, может увеличиваться до более чем 50%, например, приблизительно 70% или больше, во время REI или LEI. Пропорция EGR в ином случае может не превышать 50% и типично может иметь значение приблизительно 20-30% во время традиционного сгорания с впрыском топлива.
Увеличение пропорции EGR дает возможность дополнительного снижения выбросов NOx благодаря улучшенному смешиванию REI или LEI и получающегося в результате более низкой температуры пламени. Однако увеличение пропорции EGR до таких высоких пропорций раньше не было возможным вследствие проблем пропусков зажигания и насыщенной сажи. Преимущественно, режим с REI или LEI, описанный выше, дает усиленное смешивание, которое преодолевает проблемы и дает возможность больших пропорций EGR и, тем самым, уменьшенных выбросов NOx.
Повышенные уровни EGR также могут поддерживать или снижать уровни шума от сгорания, которые иначе могли повыситься при режиме с REI. Описанный выше режим с REI также может давать возможность относительно низких температур сгорания по сравнению с другими режимами обогащенного впрыска. В дополнение, описанный выше режим с REI может иметь небольшое или никакого отрицательного воздействия на удельный расход топлива по сравнению с режимом обедненного впрыска.
Вкратце, режим с REI по настоящей полезной модели улучшает эффективность системы доочистки, не оказывая отрицательного воздействия на удельный расход топлива, уровни сажи или шумы от сгорания.
Работа системы 5 двигателя является следующей.
Всякий раз, когда возможно, двигатель 10 подвергается работе электронным контроллером 20 в LEI, так как это создает меньшие выбросы и использует минимальное количество топлива.
При сгорании в двигателе с использованием LEI, окись азота (NO) и двуокись азота NO2 вырабатываются двигателем 10 в качестве побочного продукта процесса сгорания, и таковые поступают в LNT 11 из системы 14 выпуска.
В LNT 11, NO подвергается реакции в окислительном каталитическом нейтрализаторе с использованием материала катализатора PGM, чтобы вырабатывать NO2, который абсорбируется или накапливается наряду с NO2, вырабатываемым двигателем 10 в качестве нитратов, в LNT.
Какое-либо количество NOx, не удаленных посредством LNT 11, протекает через DPF 12 в SCR 13. В SCR 13, эти просочившиеся NOx могут подвергаться реакции с аммиаком NH3, накопленным в SCR 13, как описано в дальнейшем. NH3 выпускается, когда температура внутри SCR 13 превышает 180°, а использование LEI способно создавать такую температуру, даже когда двигатель 10 является работающим с очень высокой нагрузкой, что совсем не так при традиционном обедненном сгорании.
Хотя в соответствии с настоящей полезной моделью предпочтительно, чтобы двигатель 10 работал в LEI во время этой фазы работы с обедненным сгоранием, чтобы максимизировать снижение выбросов и использовать меньшее количество топлива вследствие лучшего смешивания топлива, следует принимать во внимание, что также было бы возможным осуществлять работу двигателя 10 с обеднением, используя традиционные временные характеристики впрыска во время этой фазы работы с обедненным сгоранием.
В некоторый момент времени, накопленное количество нитратов в LNT достигает заданного верхнего предела, и накопленным нитратам будет необходимо уменьшаться. Электронный контроллер 20, в таком случае, может быть выполненным с возможностью переключения режима сгорания с обедненного сгорания на режим сгорания с REI, показанный на фиг. 3. Подобным образом, NH3, накопленный в SCR 13, может истощаться, и значит, может испытывать необходимость в том, чтобы пополняться, чтобы продолжать реакцию NH3 с просочившимися NOx из LNT 11. Электронный контроллер 20, в таком случае, может быть выполненным с возможностью переключения режима сгорания с обедненного сгорания на режим сгорания с REI, показанный на фиг. 3. Электронный контроллер 20 может быть выполненным с возможностью переключения режима сгорания с обедненного сгорания на режим сгорания с REI, когда накопленное количество нитратов в LNT достигает заданного верхнего предела, и/или истощается NH3, накопленный в SCR 13.
Когда двигатель 10 является работающим в режиме сгорания с REI, HC, CO и H2 вырабатываются в качестве побочных продуктов сгорания, и количества этих побочных продуктов увеличиваются по сравнению с работой, использующей традиционный впрыск дизельного топлива. Однако, использование REI вырабатывает значительно меньшее количество сажи, чем если используется традиционный непосредственный впрыск дизельного топлива, вследствие того обстоятельства, что смесь хорошо смешивается до начала сгорания. Предварительное смешивание топлива и воздуха сглаживает колебания топливно-воздушного соотношения в смеси при сгорании по сравнению с традиционным процессом непосредственного впрыска дизельного топлива, где, локально, смесь для сгорания значительно меняется по топливно-воздушному соотношению. Очень богатые порции смеси в случае традиционного процесса непосредственного впрыска дизельного топлива ответственны, главным образом, за выработку сажи, обусловленную неполным сгоранием, и значит, посредством использования REI, количество вырабатываемой сажи значительно уменьшается, и даже может по существу устраняться.
HC, CO и H2 реагируют в LNT 11 с накопленными нитратами и восстанавливают нитраты, чтобы вырабатывать NH3. Одно из преимуществ полезной модели состоит в том, что вырабатываемое количество NH3 является более высоким, чем, если используется традиционный процесс непосредственного впрыска дизельного топлива, вследствие повышенных уровней HC, CO и, в особенности, H2, вырабатываемых посредством использования REI.
NH3, вырабатываемый в LNT 11, втекает в SCR 13, где он накапливается для использования, когда происходит следующая фаза обедненного сгорания.
Так как использование REI вырабатывает значительно меньше сажи, чем традиционный процесс непосредственного впрыска дизельного топлива, работа двигателя 10 с обогащением, используя REI, может использоваться в течение более длительного периода времени, чем имеет место при традиционном процессе непосредственного впрыска дизельного топлива. В качестве альтернативы, размер DPF 12 может делаться меньшим, тем самым, делая его более легким для упаковки и потенциально менее дорогостоящим для производства.
Использование REI обладает рядом дополнительных преимуществ, прежде всего, так как работа с обогащением двигателя 10 может использоваться в течение гораздо более длительного периода времени, можно использовать LNT 11, имеющий меньшую загрузку PGM, которая дает значительную экономию затрат. Потребность в меньшем количестве материала PGM также может давать LNT 11 возможность делаться меньшим, тем самым, предоставляя ему возможность легче укладываться в моторном транспортном средстве 1. В дополнение, противодавление из системы доочистки будет снижаться, предоставляя возможность улучшенных рабочих характеристик, лучшей экономии топлива и более низких выбросов CO2 из транспортного средства.
Использование REI не только увеличивает количество NH3, который вырабатывается в LNT 11 посредством реакции с выхлопными газами из двигателя 10 вследствие более высоких уровней HC, CO и особенно H2, так как работа с обогащением двигателя 10 может использоваться в течение гораздо более длительного периода времени, объем NH3 может дополнительно увеличиваться. LNT 11, поэтому, может оптимизироваться для выработки требуемого количества NH3 посредством: изменения количества используемых PGM и базовых материалов; регулировки топливно-воздушного соотношения (например, соотношения эквивалентности, λ) и/или времени, которое двигатель 10 подвергается работе электронным контроллером 20 в режиме сгорания с REI.
Как следствие повышенной выработки NH3 посредством LNT 11 при работе с обогащением, двигатель 10 потенциально может работать в течение более длительного периода времени в режиме работы с обеднением, если большее количество NH3 накапливается в SCR 13 при работе с обогащением.
Хотя электронный контроллер 20, как описано выше, управляет впрыском топлива в двигатель 10, чтобы давать двигателю 10 возможность работать в режимах REI и LEI, следует принимать во внимание, что фактическое управление впрыском топлива могло бы выполняться отдельным контроллером впрыска топлива, и электронный контроллер 20, в таком случае, действовал бы, чтобы определять, когда требуется LEI или REI, и чтобы давать контроллеру впрыска топлива команду обеспечивать такие условия сгорания. Соответственно, следует принимать во внимание, что контроллер 20 может содержать один или более отдельных контроллеров.
Далее, со ссылкой на фиг. 6 показаны основные этапы способа работы системы 5 дизельного двигателя.
На этапе 110, электронный контроллер 20 осуществляет работу двигателя 10 в режиме работы с обеднением, который предпочтительно является режимом работы с LEI, но мог бы быть, как указанно ранее, традиционным режимом работы с обеднением.
Как обсуждено ранее, в этой фазе обедненного сгорания работы двигателя, LNT 11 окисляет NO в NO2 и накапливает окисленный NO и какое-либо количество NO2, выработанного двигателем 10, в качестве нитратов в LNT 11. Какое-либо количество NOx, не окисленных и не накопленных в LNT 11, выходит из LNT в качестве просочившихся NOx и подвергается реакции в SCR 13 с его накопленным NH3, чтобы вырабатывать двухатомный азот N2, который выходит из SCR 13 через выхлопную трубу 15.
На этапе 120, проверяется, достигло ли количество нитратов, накопленных в LNT 11, заданного верхнего предела, например, когда LNT стал по существу насыщенным нитратами. Этому этапу могла бы даваться возможность многими способами, например, такими как и без ограничения, непосредственным измерением выбросов на выхлопной трубе, непосредственным измерением уровней O2, выходящих из LNT, моделированием нитратов, вырабатываемых посредством LNT, моделированием нитратов, восстанавливаемых во время последней фазы работы с обогащением и истекшего времени с последней фазы сгорания с REI.
На этапе 120, дополнительно или в качестве альтернативы может проверяться, требуется ли большее количество NH3 в SCR. Этому этапу могла бы даваться возможность многими способами, например, такими как и без ограничения, непосредственным измерением выбросов на выхлопной трубе, моделированием потребления NH3 на основании вырабатываемого количества просочившихся NOx, моделированием NH3, накопленного во время последней фазы работы с обогащением и истекшего времени с последней фазы сгорания с REI.
Если количеству нитратов, накопленных в LNT, не нужно уменьшаться, и/или достаточное количество NH3 остается для реагирования с просочившимися NOx из LNT 11, то способ возвращается на этап 110, и двигатель работает с обеднением.
Однако если есть указание, что количество нитратов, накопленных в LNT, достигло заданного верхнего предела, и/или количество NH3, накопленного в SCR 13, находится ниже заданного уровня, то способ продвигается на этап 130, и двигатель 10 подвергается работе электронным контроллером 20 в режиме работы с REI.
Как обсуждено ранее, во время режима сгорания с REI, NH3 вырабатывается в LNT 11 и впоследствии накапливается в SCR 13, тем самым, пополняя накопленный NH3.
На этапе 140, повторно проверяется, остается ли количество нитратов, накопленных в LNT 11, выше заданного нижнего предела, например, при котором остается по существу нисколько или малое количество нитратов. Если количество нитратов, накопленных в LNT 11, не достигло заданного нижнего предела, то способ возвращается на этап 130, и работа в режиме с REI продолжается. Дополнительная или альтернативная проверка на этапе 140, требуется ли большее количество NH3 для SCR 13, и, если требуется, способ может возвращаться на этап 130.
Однако если на этапе 140 определено, что количество нитратов, накопленных в LNT 11, достигло заданного нижнего предела, то способ может возвращаться с этапа 140 на этап 110, где двигатель 10 еще раз работает электронным контроллером 20 в режиме с обеднением, а предпочтительно, в режиме работы с LEI. Однако возврат на этап 140 может задерживаться, например, на установленный период времени или до тех пор, пока не сформировано достаточное количество NH3, поскольку LNT по-прежнему может быть вырабатывающим NH3 после того, как количество нитратов, накопленных в LNT 11, достигло заданного нижнего предела.
Следует принимать во внимание, что различные технологии могли бы использоваться для определения, когда количество нитратов, накопленных в LNT 11, достигло заданного нижнего предела, например, такого как и без ограничения, непосредственное измерение выбросов на выхлопной трубе, непосредственное измерение уровней NOx и/или O2, выходящих из LNT, моделирование нитратов, вырабатываемых посредством LNT, моделирование нитратов, восстанавливаемых во время фазы работы с обогащением, и истекшего времени в течение фазы сгорания с REI.
Хотя не показано на фиг. 6, дополнительные или альтернативные проверка или требование состоит в том, что достаточное количество NH3 было накоплено в SCR 13, и если таковое имеет место, способ может возвращаться с этапа 140 на этап 110, чтобы осуществлять работу двигателя 10 в режиме сгорания с обеднением.
Следует принимать во внимание, что различные технологии могли бы использоваться для определения, когда следует завершать выработку NH3, например, такие как и без ограничения, непосредственное измерение выбросов на выхлопной трубе, моделирование количества NH3, накопленного на данный момент в SCR 13, и истекшего времени в режиме с REI.
Поэтому, подводя итог вышесказанному, во время обедненного сгорания в двигателе, LNT накапливает NOx в качестве нитратов, и SCR осуществляет реакцию какого-либо количества NOx из LNT с NH3, чтобы вырабатывать N2.
При работе двигателя с обогащенным сгоранием, с использованием REI, нитраты, накопленные в LNT, выпускаются в газовую фазу и впоследствии восстанавливаются посредством PGM и, в особенности, родия для выработки N2, который формирует NH3, а SCR накапливает NH3 для использования при реагировании с NOx при работе двигателя с обеднением.
Использование REI при обогащенной продувке формирует высокие выбросы HC, CO и H2 в выхлопных газах с более низким ухудшением экономии топлива по сравнению с традиционной обогащенной продувкой вследствие улучшенного теплового коэффициента полезного действия. REI создает более короткую продолжительность времени сгорания, которое происходит приблизительно в верхней мертвой точке (ВМТ).
В дополнение, использование REI для обогащенной продувки LNT дает преимущество, что NH3 вырабатывается в больших количествах во время режима обогащенной продувки по сравнению с традиционным обогащенным сгоранием, и это улучшает функционирование SCR во время обедненной работы посредством выдачи большего количества аммиака для реагирования с каким-либо количеством NOx, просочившихся из LNT.
Потенциальные улучшения и преимущества комплектующего оборудования включают в себя уменьшение размера DPF, предпочтительно, до оптимизированного однокорпусного решения, сделанного возможным вследствие уменьшения сажи, вырабатываемой во время условий обогащенной продувки при использовании REI, снижение себестоимости LNT вследствие улучшенных рабочих характеристик SCR, тем самым, требующих меньшего PGM в LNT, и потенциально улучшенную эффективность восстановления NOx в режиме обеднения вследствие использования меньших LNT и DPF, тем самым, дающую местоположению SCR возможность быть ближе к выходу выхлопных газов из двигателя. Это подвергает SCR воздействию более высоких температур выхлопных газов (300°C), которое улучшает его рабочие характеристики по восстановлению NOx.
Специалистам в данной области техники следует принимать во внимание, что, хотя полезная модель была описана в качестве примера со ссылкой на один или более вариантов осуществления, она не ограничена раскрытыми вариантами осуществления, и что альтернативные варианты осуществления могли бы быть созданы, не выходя из объема полезной модели, как определено в прилагаемой формуле полезной модели.
Реферат
1. Система двигателя, содержащая дизельный двигатель, уловитель обедненных NOx (LNT), выполненный с возможностью приема выхлопных газов из двигателя, избирательный каталитический восстановитель (SCR), выполненный с возможностью приема выхлопных газов, которые ранее были обработаны посредством LNT, и электронный контроллер для управления работой двигателя, при этом электронный контроллер выполнен с возможностью обеспечения работы двигателя в режимах обедненного и обогащенного сгорания, переключения двигателя между режимом обедненного сгорания и режимом обогащенного сгорания на основании требований к функционированию LNT и SCR, чтобы минимизировать выбросы NOx из двигателя, и использования режима обогащенного сгорания с ранним впрыском при работе двигателя в режиме обогащенного сгорания.2. Система двигателя по п. 1, в которой электронный контроллер дополнительно выполнен с возможностью использования режима обедненного сгорания с ранним впрыском при работе двигателя в режиме обедненного сгорания.3. Система двигателя по п. 1 или 2, в которой электронный контроллер обеспечивает работу двигателя в режиме обедненного сгорания до тех пор, пока накопленное количество нитратов в LNT не достигнет заданного верхнего предела, и/или подача аммиака, накопленного в SCR, не достигнет заданного нижнего предела, а затем переключает двигатель в режим обогащенного сгорания с ранним впрыском, чтобы вырабатывать аммиак в LNT для накопления в SCR.4. Система двигателя по п. 1, в которой электронный контроллер дополнительно выполнен с возможностью обеспечения работы двигателя в режиме обогащенного сгорания с ранним впрыском до тех пор, пока по
Формула
