Способ управления работой системы нейтрализации отработавших газов и система нейтрализации отработавших газов - RU2494267C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления работой системы нейтрализации отработавших газов и к системе нейтрализации отработавших газов.

Уровень техники

Для снижения выбросов вредных веществ в отработавших газах транспортных средств используются системы нейтрализации отработавших газов. Перспективные законодательные нормы, касающиеся эксплуатации дизельных двигателей коммерческих транспортных средств, таких как тяжелые грузовые автомобили, требуют сокращения таких выбросов. Для уменьшения выбросов сажи в отработавших газах двигателя транспортного средства может использоваться система улавливания частиц с сажевым фильтром. Обычно после езды в течение времени от нескольких дней до нескольких недель сажевый фильтр заполняется и требует регенерации.

В публикации ЕР 1882829 А1 раскрыта система нейтрализации отработавших газов, в которой перед дизельным сажевым фильтром по потоку отработавших газов расположен каталитический нейтрализатор окислительного типа. Известная система также включает в себя средства для определения количества частиц сажи в фильтре, и при превышении количеством частиц определенного предела выдается сигнал регенерации. Для регенерации фильтра на соответствующие параметры работы двигателя воздействуют таким образом, чтобы достичь требуемой температуры. Запуск регенерации сажевого фильтра также может осуществляться вручную. Для повышения температуры отработавших газов с целью регенерации сажевого фильтра в отработавшие газы может впрыскиваться несгоревшее топливо.

Раскрытие изобретения

Одной задачей изобретения является разработка способа управления работой системы нейтрализации отработавших газов, обеспечивающего возможность управляемой регенерации сажевого фильтра. Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованной системы нейтрализации отработавших газов.

Эти задачи решаются признаками независимых пунктов формулы изобретения. В других пунктах формулы изобретения и в его описании раскрываются преимущественные варианты осуществления изобретения.

Предложен способ управления работой системы нейтрализации отработавших газов, содержащей по меньшей мере сажевый фильтр для улавливания сажи из отработавших газов двигателя и deNOx-каталитический нейтрализатор для уменьшения содержания оксида азота в отработавших газах двигателя. Для проведения регенерации сажевого фильтра рабочие режимы сажевого фильтра и deNOx-каталитического нейтрализатора синхронизируют друг с другом, когда каталитический нейтрализатор обеспечивает эффективность превращения оксида азота, превышающую заданный предел.

Рабочие режимы сажевого фильтра и deNOx-каталитического нейтрализатора могут синхронизироваться таким образом, чтобы сажевый фильтр можно было регенерировать при благоприятных условиях работы deNOx-каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра. Это может выполняться, когда уровень заполнения сажевого фильтра достиг заданного значения, или во время работы deNOx-каталитического нейтрализатора в благоприятном режиме. Двигателем при этом целесообразно управлять таким образом, чтобы он работал в режиме с повышенным выходом в отработавших газах оксида азота NO_x и при более высоких температурах отработавших газов. Для сжигания сажи в сажевом фильтре предпочтительно вместо использования кислорода обеспечивать подачу диоксида азота NO₂. Это запускает процесс регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии частиц сажи с NO₂, при которой NO₂ окисляет сажу, накопившуюся в сажевом фильтре. После снижения степени заполнения сажевого фильтра до требуемого уровня режим работы двигателя можно вернуть к нормальным условиям с нормальным уровнем образования NO_x и меньшими температурами отработавших газов.

Активная регенерация сажевого фильтра, основанная на взаимодействии частиц с NO₂, может выполняться при работе двигателя и движении транспортного средства. Запуск регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии частиц с NO₂, может быть осуществлен даже в условиях нахождения транспортного средства на месте, когда оно припарковано. Например, водитель может запустить регенерацию сажевого фильтра вручную, нажав кнопку или выключатель, что соответственно переведет двигатель в режим работы с повышенным образованием NO_x и более высокой температурой отработавших газов. Регенерацию сажевого фильтра предпочтительно проводить, когда в отработавших газах имеется достаточное количество NO₂ при достаточно высокой температуре.

Перевод двигателя в подобный режим работы (режим разогрева системы выпуска отработавших газов) может осуществляться путем соответствующего регулирования рециркуляции отработавших газов, массового расхода воздуха (например, за счет регулировки геометрии турбины с изменяемой геометрией (ТИГ/VGT)), путем дополнительного впрыска углеводорода в отработавшие газы, путем дросселирования впускного канала и/или с помощью устройства регулирования давления отработавших газов (РДОГ/EPG).

Работой двигателя в режиме разогрева желательно управлять таким образом, чтобы значения температуры отработавших газов находились между верхним и нижним пределами. Верхний предел температуры может быть задан по условиям работы нейтрализующего NO_x катализатора с учетом того, что воздействие на катализатор слишком высоких температур приводит к вредным эффектам старения катализатора, а нижний предел температуры может быть задан по условиям работы нейтрализующего NO_x катализатора с учетом вредного влияния низких температур на снижение им токсичных выбросов во время регенерации сажевого фильтра.

В то же время, если рабочий режим deNOx-каталитического нейтрализатора обеспечивает превращение оксидов азота NO_x с высокой эффективностью, регенерация сажевого фильтра может не оказывать влияния на уровень выбросов или, по крайней мере, уровень выбросов может колебаться в заданных пределах. Синхронизация рабочего режима сажевого фильтра, в котором может быть выполнена его регенерация, с рабочим режимом deNOx-каталитического нейтрализатора, характеризующимся высокой степенью превращения NO_x, в частности за счет селективного каталитического восстановления (CKB/SCR), может быть инициирована путем определения степени превращения NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе. Это делается легко, например, посредством двух датчиков концентрации NO_x, один из которых расположен перед deNOx-каталитическим нейтрализатором, а другой - за ним по потоку отработавших газов. Датчик концентрации NO_x перед deNOx-каталитическим нейтрализатором может быть виртуальным датчиком, т.е. "сигнал" такого виртуального датчика выводится (вычисляется) на основании рабочих параметров двигателя и компонентов, расположенных между двигателем и deNOx-каталитическим нейтрализатором или реальным датчиком. Предпочтительно, чтобы датчик концентрации NO_x за deNOx-каталитическим нейтрализатором был реальным датчиком. Целесообразно, чтобы два таких датчика концентрации NO_x были связаны с таймером и/или датчиком перепада давления, определяющим степень заполнения сажевого фильтра.

Изображение позволяет избежать риска самопроизвольного горения сажи, влекущего за собой сильное повышение температуры и приводящего к повреждению фильтра. Регенерация сажевого фильтра может быть активной и контролируемой. Регенерацию сажевого фильтра предпочтительно осуществлять за счет окисления накопившейся в нем сажи диоксидом азота (NO₂). Такая активная регенерация сажевого фильтра может проводиться при низких температурах, находящихся в диапазоне от 300 до 350°С. В отличие от этого, для активной регенерации кислородом потребовались бы гораздо более высокие температуры, превышающие 600°С, что может неблагоприятно сказаться на каталитических нейтрализаторах, расположенных за сажевым фильтром по потоку отработавших газов.

Изобретение позволяет эксплуатировать сажевые фильтры с более высокой степенью их заполнения сажей, а также с более долгими интервалами между регенерациями без риска повреждения сажевого фильтра. В частности, окисление всей сажи, содержащейся в сажевом фильтре, не требуется, так как регенерация сажевого фильтра при необходимости может быть прервана. Позже процесс регенерации сажевого фильтра может быть легко возобновлен. В отличие от этого, регенерация кислородом, а не NO₂, потребовала бы окисления всей сажи, содержащейся в сажевом фильтре, с сопутствующими высокими температурами отработавших газов и без возможности остановки регенерации.

Предлагаемый в изобретении способ может осуществляться при относительно низких температурах. Это позволяет обезопасить компоненты, входящие в состав системы нейтрализации отработавших газов, от повреждений, вызванных высокими температурами. При этом может быть уменьшена скорость старения каталитических нейтрализаторов, например, дизельного каталитического нейтрализатора окислительного типа. В частности, может быть уменьшена скорость старения компонентов, расположенных за сажевым фильтром по потоку отработавших газов.

Если при осуществлении изобретения необходимо обеспечить повышение температуры отработавших газов, применение повышающего их температуру оборудования в виде устройства, создающего повышенное противодавление, такого как дроссельная заслонка, позволяет свести к минимуму или даже исключить необходимость впрыска углеводорода в отработавшие газы.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа синхронизация рабочих режимов может осуществляться по меньшей мере по одному из следующих показателей: рабочая температура сажевого фильтра и/или deNO_x-каталитического нейтрализатора; состав отработавших газов; время корректировки по меньшей мере одного из рабочих режимов. Изобретение позволяет системе работать в температурном диапазоне, подходящем для правильного и эффективного функционирования deNOx-каталитического нейтрализатора, а также при достаточном количестве NO₂ как окислителя для сажи в сажевом фильтре.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа дозирование восстановителя перед deNOx-каталитическим нейтрализатором может корректироваться таким образом, чтобы поддерживать уровень выбросов оксида азота постоянным или изменять его в пределах заданных границ. Изобретение позволяет проводить регенерацию сажевого фильтра, практически не оказывая влияния на уровень выбросов, т.е. нейтрально в этом отношении.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа рабочая температура отработавших газов за сажевым фильтром и перед deNOx-каталитическим нейтрализатором по потоку отработавших газов может быть ограничена верхней температурой, предельно допустимой для deNOx-каталитического нейтрализатора. Это позволяет уменьшить скорость старения deNOx-каталитического нейтрализатора, обусловленного воздействием высоких температур отработавших газов.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа рабочая температура отработавших газов за сажевым фильтром и перед дополнительным каталитическим нейтрализатором по потоку отработавших газов может быть ограничена верхней температурой, предельно допустимой для дополнительного каталитического нейтрализатора. Это позволяет уменьшить скорость старения дополнительного каталитического нейтрализатора, обусловленного воздействием высоких температур отработавших газов. Таким дополнительным каталитическим нейтрализатором может быть каталитический нейтрализатор окислительного типа, предназначенный для окисления остатков в содержащихся отработавших газах восстановителей, таких как углеводороды и/или аммиак. Такой каталитический нейтрализатор также иногда называют доочищающим каталитическим нейтрализатором.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа рабочий режим сажевого фильтра и/или каталитического нейтрализатора может корректироваться внесением поправки на эффект старения одного или нескольких компонентов системы нейтрализации отработавших газов. Это выгодно позволяет оптимизировать регенерацию сажевого фильтра и уровень выбросов.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа рабочие режимы сажевого фильтра и deNOx-каталитического нейтрализатора можно синхронизировать непрерывно по меньшей мере во время работы двигателя. Сажевый фильтр может регенерироваться в то время, когда deNO_x-каталитический нейтрализатор работает с высокой эффективностью превращения NO_x в азот и воду. Регенерация может быть остановлена, когда рабочий режим deNOx-каталитического нейтрализатора начнет становиться менее эффективным. Регенерация сажевого фильтра может быть возобновлена, как только deNOx-каталитический нейтрализатор снова выйдет на режим высокой эффективности превращения. В среднем по времени сажевый фильтр может быть поддерживаться в состоянии с низкой степенью заполнения частицами сажи.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа рабочие режимы сажевого фильтра и deNOx-каталитического нейтрализатора можно синхронизировать на периодической основе по меньшей мере во время работы двигателя. Регенерация сажевого фильтра может проводиться в четко определенные отрезки времени, которые могут выбираться в соответствии с требуемыми режимами работы или внешними условиями эксплуатации транспортного средства или иными подобными факторами.

Еще одним объектом изобретения является система нейтрализации отработавших газов для осуществления предлагаемого в изобретении способа, содержащая устройство управления, обеспечивающее синхронизацию рабочих режимов сажевого фильтра и deNOx-каталитического нейтрализатора для увеличения количества оксида азота на окисление сажи в сажевом фильтре и усиления превращения оксида азота в указанном каталитическом нейтрализаторе во время фазы регенерации сажевого фильтра. Изобретение позволяет достичь управляемой регенерации сажевого фильтра может быть, которая практически не оказывает влияния на уровень выбросов вредных веществ. Регенерация сажевого фильтра может быть остановлена контролируемыми образом и при желании может быть возобновлена. Регенерация может быть запущена путем обеспечения наличия в отработавших газах достаточного количества диоксида азота. Регенерация сажевого фильтра может проводиться оксидом азота, который может окислять сажу при сравнительно низких температурах, составляющих от 300 до 350°С, в отличие от регенерации кислородом, которая может протекать при гораздо более высоких температурах в диапазоне от 600 до 650°С. Таким образом, изобретение позволяет избежать перегрева отработавших газов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения deNOx-каталитический нейтрализатор может быть каталитическим нейтрализатором селективного каталитического восстановления. Каталитический нейтрализатор селективного каталитического восстановления (CKB/SCR) может эффективно превращать NO_x в азот и воду.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения между сажевым фильтром и deNOx-каталитическим нейтрализатором может быть расположен каталитический нейтрализатор окислительного типа. Каталитический нейтрализатор окислительного типа может окислять монооксид углерода и углеводороды, а также NO до NO₂.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения сажевый фильтр может быть расположен перед deNOx-каталитическим нейтрализатором по потоку отработавших газов, таким образом обеспечивая защиту deNOx-каталитического нейтрализатора от отрицательного влияния так называемых каталитических ядов, которыми в случае катализатора СКВ могут быть калий, фосфор, сера, сажа, углеводороды и т.д.

Сажевый фильтр может быть расположен за deNO_x-каталитическим нейтрализатором по потоку отработавших газов с обеспечением уменьшения теплоемкости компонентов перед deNOx-каталитическим нейтрализатором. Эта мера позволяет deNOx-каталитическим нейтрализатору иметь благоприятную температуру включения в работу в отношении превращения NO_x в низкотемпературных ездовых циклах или в условиях холодного запуска.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения за сажевым фильтром, deNOx-каталитическим нейтрализатором и каталитическим нейтрализатором окислительного типа по потоку отработавших газов может быть расположен доочищающий катализатор. Доочищающий каталитический нейтрализатор может, например, удалять из отработавших газов аммиак, который мог пройти через deNOx-каталитический нейтрализатор, не прореагировав.

Изобретение может предпочтительно использоваться в коммерческих транспортных средствах, таких как тяжелые грузовики, грузовые автомобили средней или малой грузоподъемности.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение, решаемые им вышеупомянутые и другие задачи, а также его преимущества наиболее наглядно представлены в приведенном ниже подробном описании вариантов осуществления изобретения, но объем изобретения не ограничивается этими вариантами его осуществления изобретения, причем на прилагаемых чертежах схематически показано:

на фиг.1 - схема предлагаемой в изобретении системы нейтрализации отработавших газов,

на фиг.2а, 2б - характерный температурный профиль в динамическом цикле, имитирующем низкотемпературные циклы (фиг.2а), и кривая, представляющая накопление сажи в фильтре и регенерацию фильтра, причем представленное накопление сажи происходит во время работы двигателя по циклу с подобным температурным профилем (фиг.2б),

на фиг.3 - пример зависимости отношения NO_x/сажа, требуемого для основанного на взаимодействии с NO₂ сжигания сажи, от температуры отработавших газов,

на фиг.4 - схематическое представление уровней заполнения сажевого фильтра, используемых для запуска активной регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии с NO₂, с несколькими входными параметрами,

на фиг.5 - блок-схема, иллюстрирующая логику запуска регенерации, исходя из эффективности восстановления NO_x в каталитическом нейтрализаторе 44 селективного каталитического восстановления,

на фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая логику запуска регенерации на основании степени заполнения дизельного сажевого фильтра частицами сажи, и

на фиг.7 - кривая, иллюстрирующая вероятность химического превращения NO₂ на частице сажи в зависимости от температуры для содержащего сажу фильтра.

Осуществление изобретения

На чертежах одинаковые или аналогичные элементы обозначены одними и теми же номерами позиций. Чертежи представляют собой лишь схематические изображения, не предназначенные для отображения конкретных параметров осуществления изобретения. Кроме того, чертежи предназначены для иллюстрации только типичных вариантов осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.

На фиг.1 показана схема предлагаемой в изобретении системы 100 нейтрализации отработавших газов. Двигатель 10 оснащен системой рециркуляции отработавших газов (РОГ/EGR), обеспечивающей перепуск отработавших газов из выпускного коллектора 14 во впускной коллектор 12 двигателя 10 по трубопроводу 34 рециркуляции.

В нормальном режиме работы двигателя 10 всасываемый воздух направляется через компрессор 24 турбонагнетателя 20, впускной трубопровод 26 и охладитель 28 наддувочного воздуха в смесительную камеру 30 системы рециркуляции отработавших газов. В смесительной камере 30 системы рециркуляции отработавших газов всасываемый воздух смешивается с частью отработавших газов, поступающих из выпускного трубопровода 16 и пропускаемых через трубопровод 34 рециркуляции и охладитель 36 рециркулируемых отработавших газов. Клапан 32 рециркуляции отработавших газов управляет массовым расходом рециркулируемых отработавших газов, а значит, и уровнем выбросов NO_x в отработавших газах двигателя. Понятие "оксиды азота" (NO_x) включает в себя монооксид азота NO и диоксид азота NO₂. Поток отработавших газов направляется по выпускному трубопроводу 1 6 через турбину 22 турбонагнетателя 20 к дизельному сажевому фильтру 42, предназначенному для улавливания частиц, и к deNOx-каталитическому нейтрализатору 44, например каталитическому нейтрализатору селективного каталитического восстановления (CKB/SCR), предназначенному для уменьшения содержания NO_x на выходе выхлопной трубы. Перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 по потоку отработавших газов может быть расположена форсунка 58. Форсунка 58 может впрыскивать в поток отработавших газов восстановитель, например мочевину или аммиак, что способствует восстановлению NO_x до N₂ над катализатором в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44.

Перед сажевым фильтром 42 по потоку отработавших газов может быть расположен каталитический нейтрализатор окислительного типа (на чертежах не показан), окисляющий содержащийся в отработавших газах NO до NO₂, который может использоваться в сажевом фильтре 42. Для получения теплоты в каталитическом нейтрализаторе окислительного типа также может сжигаться углеводород, который может впрыскиваться в поток отработавших газов.

В одном варианте осуществления изобретения, на чертежах не показанном, компоненты системы 100 нейтрализации отработавших газов могут быть расположены в следующем порядке: каталитический нейтрализатор окислительного типа - дизельный сажевый фильтр - каталитический нейтрализатор окислительного типа (факультативно) - deNOx-каталитический нейтрализатор - доочищающий каталитический нейтрализатор (факультативно).

В еще одном варианте осуществления изобретения, на чертежах не показанном, компоненты системы 100 нейтрализации отработавших газов могут быть расположены в следующем порядке: каталитический нейтрализатор окислительного типа - deNOx-каталитический нейтрализатор - каталитический нейтрализатор окислительного типа (факультативно) - дизельный сажевый фильтр - доочищающий каталитический нейтрализатор (факультативно).

После прохождения элементов системы 100 нейтрализации отработавших газов очищенные отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

С датчиками и компонентами системы 100 нейтрализации отработавших газов связано устройство 70 управления. Хотя устройство 70 управления представлено на схеме в виде одного компонента, или блока управления, вместо этого может быть предусмотрено несколько блоков управления, связанных с датчиками и компонентами системы.

Устройство 70 управления подключено к датчику 46 температуры перед сажевым фильтром 42, а также к датчику 48 температуры за сажевым фильтром 42 и перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 по потоку отработавших газов. Информацию, касающуюся степени заполнения сажевого фильтра 42, предоставляет датчик 50 перепада давления на фильтре. Перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 и за ним по потоку отработавших газов расположены датчики 52, 54 концентрации NO_x, предоставляющие информацию, касающуюся содержания NO_x в отработавших газах. Кроме того, устройство 70 управления может быть связано с клапаном 32 рециркуляции отработавших газов и с турбонагнетателем 20.

Датчик 52 концентрации NO_x перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 может быть виртуальным датчиком, т.е. "сигнал" такого виртуального датчика выводится (вычисляется) на основании рабочих параметров двигателя и компонентов, расположенных между двигателем 10 и deNOx-каталитическим нейтрализатором 44, или реальным датчиком. Предпочтительно, чтобы датчик 54 концентрации NOx за deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 был реальным датчиком. Увязав два датчика 52, 54 концентрации NO_x с таймером и/или с датчиком 50 перепада давления, определяющим степень заполнения сажевого фильтра 42, можно определять режим работы deNOx-каталитического нейтрализатора 44, характеризующийся высокой степенью превращения NO_x.

Применение в перспективных двигателях новых концепций сжигания топлива и снижения токсичности отработавших газов, а также значительное повышение топливной экономичности таких двигателей приведет к уменьшению энергии отработавших газов, располагаемой для поддержания надлежащего режима работы компонентов системы 100 нейтрализации отработавших газов, т.е. температура в системе 100 нейтрализации отработавших газов снижается. Эта проблема уже сегодня актуальна для определенных ездовых циклов, например циклов автобусов, мусоровозов, как показано на фиг.2а.

На фиг.2а показан характерный температурный профиль в динамическом цикле, имитирующем низкотемпературные циклы, а на фиг.2б показана кривая, представляющая накопление сажи в фильтре и регенерацию фильтра, причем представленное накопление сажи происходит во время работы двигателя по циклу с температурным профилем, подобным показанному на фиг.2а, а такие низкотемпературные циклы встречаются, например, при езде по городу, что характерно, например, для цикла мусоровоза или цикла автобуса.

Кривая А представляет температуру отработавших газов на выходе из двигателя (поз.10 на фиг.1), а кривая В - температуру отработавших газов на выходе из сажевого фильтра (поз.42 на фиг.1). Температуры отработавших газов являются низкими, находясь вблизи 200°С.

Кривая С на фиг.2б иллюстрирует процесс накопления сажи в сажевом фильтре (поз.42 на фиг.1) во время динамического цикла, подобного тому, что показан на фиг.2а. Кривая D показывает результат регенерации фильтра, основанной на взаимодействии с NO₂, при которой сажа, накопившаяся в сажевом фильтре (поз.42 на фиг.1), окисляется диоксидом азота NO₂ в течение 30 минут.

Низкие температуры отработавших газов на выходе из двигателя в сочетании с требуемым уровнем выбросов NO_x, который должен обеспечиваться для соблюдения строгих норм экологического законодательства будущего, не позволяют применять пассивную непрерывную регенерацию (в режиме непрерывно регенерирующегося улавливателя частиц - CRT) сажевого фильтра (поз.42 на фиг.1). Как видно на фиг.3, отношение (стехиометрическое) количества сажи к количеству NOx (сажа/NO_x) и температура, преобладающая в сажевом фильтре (поз.42 на фиг.1), могут быть недостаточны для многих ездовых циклов транспортного средства. Необходимое для окисления сажи количество NO₂ энергично увеличивается с понижением температуры отработавших газов и является сравнительно малым при температурах выше 300°С. Пассивная регенерация непрерывно регенерирующегося улавливателя частиц может происходить при температурах, значительно превышающих 300°С.

Со ссылкой на фиг.1 рассматривается предлагаемый в изобретении способ управления работой системы 100 нейтрализации отработавших газов, содержащей по меньшей мере сажевый фильтр 42, предназначенный для улавливания сажи из отработавших газов двигателя 10, и deNOx-каталитический нейтрализатор 44, предназначенный для уменьшения содержания оксида азота в отработавших газах двигателя 10, характеризующийся тем, что рабочие режимы сажевого фильтра 42 и deNOx-каталитического нейтрализатора 44 синхронизируют друг с другом для увеличения количества оксида азота на окисление сажи в сажевом фильтре 42 и/или усиления превращения оксида азота в каталитическом нейтрализаторе 44 во время фазы регенерации сажевого фильтра 42. Существует несколько возможностей решения проблем низкого содержания NO_x (а, следовательно, и низкого содержания NO₂) в отработавших газах и низкой температуры отработавших газов.

Одна полезная возможность повышения температуры отработавших газов заключается в изменении режима горения топлива в двигателе 10 с увеличением выбросов NO_x из двигателя за счет уменьшения потока рециркулируемых отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов. Эта мера дает более эффективное горение с выделением большей энергии и одновременно с меньшей потерей энергии в системе охлаждения через охладитель 36 рециркулируемых отработавших газов. Увеличение массового потока отработавших газов в систему 100 их нейтрализации повышает располагаемое количество энергии.

К другим полезным возможностям повышения температуры отработавших газов относятся, например, уменьшение подачи воздуха в двигатель (дросселирование двигателя), применение перепускного клапана для перепуска воздуха в обход компрессора турбоагрегата, применение форсунки для впрыска углеводорода в выпускной трубопровод, дополнительный впрыск топлива в цилиндр двигателя или отдельной горелки, сжигающей дополнительный углеводород и т.д.

Еще одна полезная возможность повышения температуры отработавших газов предусматривает изменение характеристик впрыскивания мочевины, снижающее содержание аммиака в системе выпуска отработавших газов, что сказывается на общем количестве теплоты, необходимом для испарения мочевины и ее разложения на аммиак и воду.

Повышением температуры отработавших газов можно обеспечить возможность регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии частиц с NO₂, в условиях работы двигателя, которые обычно не позволяют осуществлять подобную регенерацию, основанную на взаимодействии с NO₂. Регенерация, основанная на взаимодействии частиц с NO₂, может запускаться как активная регенерация, т.е. активным действием, и не требует ее непрерывного проведения, как в процессе регенерации непрерывно регенерирующегося улавливателя частиц (CRT). Активная регенерация, основанная на взаимодействии с NO₂, осуществляется по выбору, не оказывает влияния на выбросы вредных веществ, т.е. является нейтральной в этом отношении, и в значительной мере зависит от эффективности восстановления NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44, т.е. эффективности химического превращения в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44, например каталитическом нейтрализаторе СКВ.

Эффективность превращения NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44 зависит от минимально допустимой температуры химических реакций восстановления NO_x до N₂ над катализатором в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44. Если в качестве восстановителя используется мочевина, определяющим параметром является температура гидролиза мочевины, который сопровождается выделением аммиака и протекает при температуре примерно от 200 до 250°С. Применение катализаторов СКВ, способных накапливать аммиак, может снизить температуру реакции превращения NOx в N₂ до значения ниже 200°С, что также очень удобно для холодного пуска.

Примерами катализаторов, способных накапливать аммиак, являются материалы на основе цеолита, например Fe-содержащие цеолиты или Cu-содержащие цеолиты, а также ванадийсодержащие экструдаты.

С другой стороны, поскольку многие катализаторы СКВ, способные накапливать аммиак, имеют цеолитовую основу, очень важно избегать превышения температуры, максимально допустимой по условиям интенсивного старения таких катализаторов СКВ.

Эта максимальная температура определяется характеристиками материала deNOx-каталитического нейтрализатора 44 и/или возможно предусмотренного доочищающего каталитического нейтрализатора и обычно находится в диапазоне 600-650°С.

Для регенерации сажевого фильтра 42, основанной на взаимодействии с кислородом, нужны температуры, значительно превышающие 600°С, причем управлять процессом такой регенерации крайне сложно. Максимальная температура может контролироваться датчиками 46, 48 температуры. Если применяются присадки к топливу, например оксиды церия, способствующие регенерации, основанной на взаимодействии с кислородом, при температурах ниже 600°С, во время регенерации все равно очень важно избегать повышения температуры с превышением максимальной температуры. Таким образом, при низких температурах регенерация, основанная на взаимодействии с NO₂, лучше регенерации, основанной на взаимодействии с кислородом.

Когда требуется выполнить активную регенерацию сажевого фильтра 42, основанную на взаимодействии частиц с NO₂, время проведения такой регенерации зависит от степени заполнения сажевого фильтра 42 и от степени превращения NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44, как это подробнее показано на фиг.4, 5 и 6.

Вообще, допустимая степень заполнения сажевого фильтра для предусмотренной изобретением активной регенерации, основанной на взаимодействии с NO₂, выше, чем в случае регенерации, основанной на взаимодействии с кислородом, поскольку вызываемое экзотермической реакцией окисления повышение температуры в зависимости от времени ниже для регенерации, основанной на взаимодействии с NO₂, чем для регенерации, основанной на взаимодействии с кислородом. Поэтому изобретение выгодно тем, что оно позволяет легко предотвращать превышение максимальной температуры во время регенерации сажевого фильтра 42, основанной на взаимодействии с NO₂.

На фиг.4 схематически представлены уровни заполнения сажевого фильтра, используемые для запуска активной регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии с NO₂, и несколько входных параметров, таких как входной параметр р_а состояния системы рециркуляции отработавших газов, входной параметр р_b состояния турбины с изменяемой геометрией, параметр времени р_с, параметр p_d давления открытия иглы.

Задано четыре уровня заполнения сажевого фильтра SL, а именно низкая степень заполнения сажевого фильтра SL_l, средняя степень заполнения сажевого фильтра SL_m, высокая степень заполнения сажевого фильтра SL_h, критическая степень заполнения сажевого фильтра SL_c. Эти уровни заполнения сажевого фильтра соответствуют рабочим характеристикам двигателя с оптимизацией по различным критериям, причем низкая степень заполнения сажевого фильтра SL_l соответствует рабочим характеристикам двигателя с оптимизацией по расходу топлива (op_f), средняя степень заполнения сажевого фильтра SL_m соответствует рабочим характеристикам двигателя с оптимизацией по температуре (op_t), высокая степень заполнения сажевого фильтра SL_h соответствует рабочим характеристикам двигателя с оптимизацией по температуре и уровню выбросов NO_x или NO₂(op_t, NO_x), a критическая степень заполнения сажевого фильтра SL_c соответствует рабочим характеристикам двигателя при экстренной регенерации сажевого фильтра с использованием NO_x (op_ereg).

На основании указанных входных параметров из многопараметровой (многомерной) регулировочной характеристики двигателя (Map_Sel), которая может содержаться в блоке управления двигателем, могут выбираться требуемые рабочие характеристики двигателя с оптимизацией по требуемым критериям. Параметры могут быть выбираться бесступенчато, т.е. вместо выбора отдельных уровней можно выбирать интерполированные значения, например значения 1,5; 1,6; 1,7 вместо одних лишь значений 1 или 2 и т.д.

На фиг.5 приведена блок-схема, иллюстрирующая логику запуска регенерации, исходя из эффективности восстановления NO_x в каталитическом нейтрализаторе 44 селективного каталитического восстановления. Номера позиций, приведенные для компонентов системы 100 нейтрализации отработавших газов, относятся к компонентам, показанным на фиг.1.

На шаге 200 считываются сигналы датчиков температуры и датчиков концентрации NO_x (на фиг.1 - датчиков 46, 48 температуры и датчиков 52, 54 концентрации NO_x). На шаге 202 проверяется, является ли фактическая температура равной или большей заданной минимальной температуры Т1 перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 и/или сажевым фильтром 42 по потоку отработавших газов. В частности, могут использоваться сигналы температуры из обоих мест установки соответствующих датчиков. Также проверяется, является ли эффективность превращения оксидов азота η_NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44 большей или равной заданной минимальной эффективности η1.

Если оба требования выполнены (на блок-схеме - "да"), процесс продолжается переходом к шагу 204, где считываются следующие переменные: степень заполнения сажевого фильтра SL, значение таймера регенерации сажевого фильтра SL_tim, количество рециркулируемых отработавших газов в системе РОГ, параметр давления открытия иглы p_d и состояние турбины с изменяемой геометрией. Это состояние может описываться различными параметрами, например скоростью вращения турбины, степенью открытия лопаток направляющего аппарата, давлением и температурой газа и т.д.

Если же на шаге 202 и температура, и степень превращения NOx ниже требуемых для них уровней (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 210 инициируется перевод двигателя в режим разогрева системы выпуска отработавших газов. В указанном режиме разогрева работой двигателя управляют с обеспечением повышенного выхода оксида азота NOx в отработавших газах и более высоких температур отработавших газов. Перевод двигателя в режим разогрева может осуществляться путем соответствующего изменения рециркуляции отработавших газов, массового расхода воздуха (например, через изменение геометрии турбины с изменяемой геометрией), дополнительного впрыска углеводорода в отработавшие газы, дросселирования впускного трубопровода и/или с помощью устройства регулирования давления отработавших газов. Устройство регулирования давления отработавших газов (РДОГ/EPG) представляет собой устройство, создающее противодавление и заставляющее двигатель работать более напряженно.

В конце режима разогрева на шаге 212 снова считываются сигналы датчиков температуры и датчиков концентрации NOx. На шаге 214 проверяется, является ли теперь фактическая температура равной или большей заданной минимальной температуры Т1 перед сажевым фильтром 42 по потоку отработавших газов, и является ли теперь эффективность превращения оксидов азота η_NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44 равной или большей заданной минимальной эффективности η1. Если это не так (на блок-схеме - "нет"), то программа переходит обратно на шаг 210, и последовательность шагов 210,212и214 повторяется. Если же указанные минимальная температура Т1 и минимальная эффективность η1 превышены фактическими значениями (на блок-схеме - "да"), то программа переходит к шагу 204, где считываются следующие переменные: степень заполнения сажевого фильтра SL, значение таймера регенерации сажевого фильтра SL_tim, количество рециркулируемых отработавших газов в системе РОГ, параметр давления открытия иглы p_d и состояние турбины с изменяемой геометрией. Это состояние может описываться различными параметрами, например скоростью вращения турбины, степенью открытия лопаток направляющего аппарата, давлением и температурой газа и т.д.

На шаге 206 проверяется, является ли степень заполнения сажевого фильтра SL равной или большей заданного первого уровня SL1 (низкий уровень) и/или является ли значение таймера регенерации сажевого фильтра SL_tim равным или большим заданного параметра времени ST1. Если первый уровень заполнения сажевого фильтра SL1 и/или заданное время регенерации сажевого фильтра ST1 не был (-о) достигнут (-о) (на блок-схеме - "нет"), на шаге 208 оценивается следующая удобная возможность для выполнения контрольной последовательности. Затем программа завершается на шаге 240.

Если на шаге 206 первый уровень заполнения сажевого фильтра SL1 и/или заданное время регенерации сажевого фильтра ST1 был (-о) достигнут (-о) (на блок-схеме - "да") выполнение программы продолжается переходом к шагу 220, и в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя, содержащейся в блоке управления двигателем, будет выбрана рабочая характеристика двигателя, оптимизированная по требуемому критерию, в зависимости от степени заполнения сажевого фильтра SL.

На шаге 220 считываются сигналы датчиков температуры и датчиков концентрации NO_x. На следующем шаге 222, проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра SL в пределах первого, низкого, уровня SL1 и второго, среднего, уровня SL2. Если степень заполнения сажевого фильтра находится в указанных пределах (на блок-схеме - "да"), то на шаге 224 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по расходу топлива (op_f). Затем программа переходит к шагу 206, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 208 и 240, либо обратно перейти к шагу 220 и продолжить на шаге 222.

Если на шаге 222 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 226 проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра в пределах второго, среднего, уровня SL2 и третьего, высокого, уровня SL3. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 228 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по температуре (op_t), и программа переходит к шагу 206, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 208 и 240, либо обратно перейти к шагу 220 и продолжить на шаге 222.

Если на шаге 226 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 230 проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра в пределах третьего, высокого, уровня SL3 и четвертого, критического уровня SL4. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 232 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по температуре и уровню выбросов оксидов азота (op_t, NOx), и программа переходит к шагу 206, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 208 и 240, либо обратно перейти к шагу 220 и продолжить на шаге 222.

Если на шаге 230 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 234 проверяется, превысила ли степень заполнения сажевого фильтра четвертый, критический, уровень SL4. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 236 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя, оптимизированная для экстренной регенерации сажевого фильтра с использованием NOx (op_ereg), и программа переходит к шагу 206, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 208 и 240, либо обратно перейти к шагу 220 и продолжить на шаге 222.

Если же на шаге 230 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL ниже критического уровня SL4 (на блок-схеме - "нет"), то программа переходит обратно на шаг 206, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 208 и 240, либо обратно перейти к шагу 220 и продолжить на шаге 222.

На фиг.6 приведена блок-схема, иллюстрирующая логику запуска регенерации, исходя из степени заполнения дизельного сажевого фильтра 42 частицами сажи. Номера позиций, приведенные для компонентов системы 100 нейтрализации отработавших газов, относятся к компонентам, показанным на фиг.1.

На шаге 300 считываются степень заполнения сажевого фильтра SL, значение таймера регенерации сажевого фильтра SL_tim, количество рециркулируемых отработавших газов в системе РОГ, параметр давления открытия иглы p_d и состояние турбины с изменяемой геометрией. Это состояние может описываться различными параметрами, например скоростью вращения турбины, степенью открытия лопаток направляющего аппарата, давлением и температурой газа и т.д. На шаге 302 проверяется, является ли степень заполнения сажевого фильтра SL равной или большей заданного первого уровня SL1 (низкий уровень) и/или является ли значение таймера регенерации сажевого фильтра SL_tim равным или большим заданного параметра времени ST1. Если первый уровень заполнения сажевого фильтра SL1 и/или заданное время регенерации сажевого фильтра ST1 не был (-о) достигнут (-о) (на блок-схеме - "нет"), на шаге 304 оценивается следующая удобная возможность для выполнения контрольной последовательности. Затем программа завершается на шаге 340.

Если на шаге 302 первый уровень заполнения сажевого фильтра SL1 и/или заданное время регенерации сажевого фильтра ST1 был (-о) достигнут (-о) (на блок-схеме - "да"), то выполнение программы продолжается переходом к шагу 306, где считываются сигналы датчиков температуры и датчиков концентрации NOx (на фиг.1 - датчиков 46, 48 температуры и датчиков 52, 54 концентрации NO_x).

На следующем шаге 308 проверяется, является ли фактическая температура равной или большей заданной минимальной температуры Т1 перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 и/или сажевым фильтром 42 по потоку отработавших газов, и является ли эффективность превращения оксидов азота η_NOx в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44 равной или большей заданной минимальной эффективности η1. Если оба требования выполнены (на блок-схеме - "да"), то выполнение программы продолжается переходом к шагу 320, и в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя, содержащейся в блоке управления двигателем, будет выбрана рабочая характеристика двигателя, оптимизированная по требуемому критерию, в зависимости от степени заполнения сажевого фильтра SL.

Если же на шаге 308 и температура, и степень превращения NO_x ниже требуемых для них уровней (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 310 инициируется перевод двигателя в режим разогрева системы выпуска отработавших газов. В указанном режиме разогрева работой двигателя управляют с обеспечением повышенного выхода оксида азота NO_x в отработавших газах и более высоких температур отработавших газов. Перевод двигателя в режим разогрева может осуществляться путем соответствующего изменения рециркуляции отработавших газов, массового расхода воздуха (например, через изменение геометрии турбины с изменяемой геометрией), дополнительного впрыска углеводорода в отработавшие газы, дросселирования впускного трубопровода и/или с помощью устройства регулирования давления отработавших газов.

В конце режима разогрева на шаге 312 снова считываются сигналы датчиков температуры и датчиков концентрации NO_x. На шаге 314 проверяется, является ли теперь фактическая температура равной или большей заданной минимальной температуры Т1 перед deNOx-каталитическим нейтрализатором 44 и/или сажевым фильтром 42 по потоку отработавших газов, и является ли теперь эффективность превращения оксидов азота η_NO_x в deNOx-каталитическом нейтрализаторе 44 равной или большей заданной минимальной эффективности η1. Если это не так (на блок-схеме - "нет"), то программа переходит обратно на шаг 310, и последовательность шагов 310, 312 и 314 повторяется. Если же указанные минимальная температура Т1 и минимальная эффективность η1 превышены фактическими значениями (на блок-схеме - "да"), то программа переходит к шагу 320.

На шаге 320 проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра SL в пределах первого, низкого, уровня SL1 и второго, среднего, уровня SL2. Если степень заполнения сажевого фильтра находится в указанных пределах (на блок-схеме - "да"), то на шаге 322 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по расходу топлива (op_f). Затем программа переходит к шагу 302, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 304 и 340, либо обратно перейти к шагу 306 и продолжить на шаге 308.

Если на шаге 320 установлено, что степень заполнения саженого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 324 проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра в пределах второго, среднего, уровня SL2 и третьего, высокого, уровня SL3. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 326 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по температуре (op_t), и программа переходит к шагу 302, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 304 и 340, либо обратно перейти к шагу 306 и продолжить на шаге 308.

Если на шаге 324 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 328 проверяется, находится ли степень заполнения сажевого фильтра в пределах третьего, высокого, уровня SL3 и четвертого, критического уровня SL4. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 330 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя с оптимизацией по температуре и уровню выбросов оксидов азота (op_t, NO_x), и программа переходит к шагу 302, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 304 и 340, либо обратно перейти к шагу 306 и продолжить на шаге 308.

Если на шаге 328 установлено, что степень заполнения сажевого фильтра SL находится вне указанных выше пределов (на блок-схеме - "нет"), то на шаге 332 проверяется, превысила ли степень заполнения сажевого фильтра четвертый, критический, уровень SL4. Если это так (на блок-схеме - "да"), то на шаге 334 в многопараметровой регулировочной характеристике двигателя выбирается рабочая характеристика двигателя, оптимизированная для экстренной регенерации сажевого фильтра с использованием NO_x (op_ereg), и программа переходит к шагу 302, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 304 и 340, либо обратно перейти к шагу 306 и продолжить на шаге 308.

Если же на шаге 332 установлено, что степень заполнения саженого фильтра SL ниже критического уровня SL4 (на блок-схеме - "нет"), то программа переходит обратно на шаг 302, где принимается решение о том, чтобы либо продолжить выполнение программы переходом к шагам 304 и 340, либо обратно перейти к шагу 306 и продолжить на шаге 308.

На фиг.7 представлен график, иллюстрирующий вероятность химического превращения NO₂ на частице сажи в зависимости от температуры для содержащего сажу фильтра. Например, сажевый фильтр заполнен сажей в количестве 2 г/л. Как видно на графике, степень превращения NO₂ низка при низких температурах и высока при высоких температурах. Например, при температуре около 220°С степень превращения NO₂ составляет 10%, тогда как при температуре около 320°С степень превращения NO; составляет 50%, а при температуре около 430°С она составляет 90%.

Например, перед сажевым фильтром по потоку отработавших газов может быть расположен каталитический нейтрализатор окислительного типа, не только окисляющий содержащийся в отработавших газах NO до NO₂, который затем может использоваться для сжигания сажи в сажевом фильтре, но и способен вырабатывать теплоту за счет сжигания углеводорода, впрыскиваемого в поток отработавших газов.

Если температура отработавших газов слишком низка для эффективной регенерации сажевого фильтра, основанной на взаимодействии с NO₂, для повышения температуры целесообразен впрыск углеводорода, т.е. топлива. Углеводород может сжигаться на катализаторе окисления перед сажевым фильтром и повышать температуру отработавших газов, выходящих из катализатора окислительного типа. Когда катализатор окисления окисляет углеводороды, он не может одновременно обеспечивать превращение NO в NO₂. Это ведет к тому, что регенерации сажевого фильтра не происходит или ее интенсивность низка. Во избежание отравления катализатора окисления углеводородом для впрыска углеводорода могут использоваться короткие импульсы.

Реферат

Изобретение относится к способу управления работой системы нейтрализации отработавших газов и к системе нейтрализации отработавших газов. Сущность изобретения: способ управления работой системы (100) нейтрализации отработавших газов, содержащей по меньшей мере сажевый фильтр (42) для улавливания сажи из отработавших газов двигателя (10) и deNOx-каталитический нейтрализатор (44) для уменьшения содержания оксида азота в отработавших газах двигателя (10). Для проведения регенерации сажевого фильтра (42) рабочие режимы сажевого фильтра (42) и deNOx-каталитического нейтрализатора (44) синхронизируют друг с другом, когда каталитический нейтрализатор (44) обеспечивает эффективность превращения оксида азота, превышающую заданный предел. Техническим результатом изобретения является обеспечение эксплуатации сажевого фильтра с более высокой степенью его заполнения, а также с более долгими интервалами между регенерациями без риска повреждения сажевого фильтра. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула