Способ и устройство для системы рециркуляции выхлопных газов и клапан, а также способ и устройство регулирования - RU2230212C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для системы РВГ (рециркуляции выхлопных газов), в особенности для использования в дизельных двигателях большой мощности. Изобретение также относится к клапану, который в особенности подходит для способа и устройства в соответствии с изобретением, но клапан также может быть использован в других областях. В конце концов изобретение также относится к способу и устройству регулирования для дизельного двигателя.

Для того чтобы уменьшить содержание вредных выхлопных газов, в особенности, оксида азота (Nox), так называемые системы РВГ используются в течение многих лет во многих типах двигателей внутреннего сгорания. Такие системы дают возможность осуществить рециркуляцию части выхлопных газов в систему впуска двигателя, где они смешиваются со впускаемым воздухом и подаются далее в камеру сгорания двигателя. Рециркулирующие выхлопные газы замещают часть впускаемого воздуха и создают эффект понижения образования Nox. Так называемый клапан РВГ в таком случае устанавливается в соединении с выхлопной системой двигателя, причем цель установки такого клапана заключается в регулировании количества рециркулирующих выхлопных газов.

Способ и устройство в соответствии с ограничительными частями пунктов 1 и 6 прилагаемой формулы изобретения описаны в DE A1 4007516. Хотя по известному уровню техники возможно использовать систему РВГ в дизельных двигателях с наддувом, в которых давление в системе впуска, расположенной ниже по потоку, чем нагнетатель, выше, чем давление в трубопроводе рециркуляции из клапана РВГ, ряд важных недостатков присущ этому известному уровню техники. Поэтому устройство клапана содержит отдельные заслонки, размещенные в канале РВГ и в канале впуска воздуха. Отдельные приводные двигатели предусмотрены для этих заслонок, причем это делает устройство клапана сложным, что также относится к устройству для его контроля.

Задача изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является создание способа, который дает возможность более надежного и простого регулирования соотношения воздух/рециркулирующие выхлопные газы. Целью устройства в соответствии с изобретением является упрощение устройства клапана и обеспечение более надежного и простого его контроля.

Второй задачей изобретения является создание клапана, пригодного для смешения двух текучих сред, проходящих по двум входным каналам. Такой клапан должен быть пригодным для обычных целей, но в особенности полезен в системе РВГ для дизельных двигателей, включая дизельные двигатели с наддувом.

Третьей задачей изобретения является создание способа и устройства регулирования, обеспечивающих возможность улучшенного регулирования дизельного двигателя, снабженного системой РВГ.

Краткое изложение сущности изобретения

Первая задача изобретения решается благодаря способу рециркуляции части выхлопных газов из выхлопной трубы дизельного двигателя на вход двигателя, причем выхлопные газы отводят из выхлопной трубы и направляют через трубопровод рециркуляции в контролируемое устройство клапана, размещенное между двигателем и воздухозаборником для того, чтобы дать возможность подачи воздуха/рециркулирующих выхлопных газов в требуемом соотношении в камеру сгорания двигателя, причем устройство клапана содержит заслонки, размещенные во входных каналах для рециркулирующих выхлопных газов и воздуха, соответственно, в котором согласно изобретению, по меньшей мере, одну из заслонок всегда удерживают открытой, а другую заслонку закрывают посредством регулирующего двигателя, общего для заслонок. Выхлопные газы из выхлопной трубы отводят после катализатора и уловителя частиц. При этом соотношение воздух/рециркулирующие выхлопные газы регулируют посредством контрольного устройства, регулирующего устройство клапана, на основе информации, которую подают о действительном рабочем положении двигателя. Выхлопные газы в трубопроводе рециркуляции охлаждают в охладителе, размещенном в трубопроводе рециркуляции. Кроме того, в дизельном двигателе с наддувом рециркулирующие выхлопные газы подают между воздухозаборником и нагнетателем.

Первая задача изобретения решается также тем, что в устройстве для рециркуляции части выхлопных газов из выхлопной трубы дизельного двигателя на вход двигателя, в котором трубопровод рециркуляции предусмотрен для того, чтобы отводить выхлопные газы из выхлопной трубы и направлять их в контролируемое устройство клапана, размещенное между двигателем и воздухозаборником для того, чтобы дать возможность подачи воздуха/рециркулирующих выхлопных газов в требуемом соотношении в камеру сгорания двигателя, причем устройство клапана содержит заслонки, размещенные во входных каналах для рециркулирующих выхлопных газов и воздуха, соответственно, согласно изобретению, устройство клапана выполнено так, чтобы всегда удерживать, по меньшей мере, одну из заслонок открытой, и регулирующий двигатель, общий для заслонок, установлен так, чтобы закрывать другую из заслонок. Регулирующий двигатель устройства клапана контролируется контрольным устройством, регулирующим посредством изменения положений заслонок соотношение воздух/рециркулирующие выхлопные газы в устройстве клапана на основе информации, которая подается о действительном рабочем положении двигателя. При этом трубопровод рециркуляции соединен с выхлопной трубой двигателя после катализатора и уловителя частиц. Кроме того, устройство содержит охладитель, размещенный в трубопроводе рециркуляции для охлаждения рециркулирующих выхлопных газов.

Причем в дизельном двигателе, имеющем нагнетатель, клапан размещен между воздухозаборником и нагнетателем. Регулирующий двигатель представляет собой шаговый электродвигатель, установленный так, чтобы одновременно управлять одной из заслонок и устанавливать эту заслонку в произвольное положение. Обе заслонки в нормальном положении удерживаются пружинами в открытом положении. Устройство клапана содержит первую ось, на которой размещена первая из заслонок, и вторую ось, на которой размещена вторая заслонка, причем первая и вторая оси являются концентрическими, и обе оси установлены так, чтобы они вращались регулирующим двигателем. При этом первая ось соединена с первым приводным рычагом, вторая ось соединена со вторым приводным рычагом, и устройство клапана содержит приводной штифт, который движется посредством регулирующего двигателя для того, чтобы вращать первую ось и вторую ось путем взаимодействия с первым приводным рычагом и вторым приводным рычагом соответственно, для того, чтобы регулировать положение заслонок. Кроме того, устройство клапана содержит пружины, действующие на приводные рычаги для того, чтобы нагружать пружиной каждую заслонку в сторону открытого положения.

Конструкция устройства клапана, содержащего две заслонки, в котором, по меньшей мере, одна из заслонок всегда открыта и в котором другая заслонка закрывается посредством регулирующего двигателя, общего для заслонок, обеспечивает простоту конструкции и надежность работы.

Вторая задача изобретения решается посредством клапана для смешения двух текучих сред, поступающих через два входных канала, в котором заслонки размещены в обоих входных каналах так, что, по меньшей мере, одна заслонка всегда открыта, и общий регулирующий двигатель установлен так, чтобы закрывать вторую заслонку. При этом регулирующий двигатель представляет собой шаговый электродвигатель, установленный так, чтобы одновременно управлять одной из заслонок и устанавливать ее в произвольное положение. Согласно изобретению обе заслонки в нормальном положении удерживаются пружинами в открытом положении. Клапан содержит первую ось, на которой размещена первая из заслонок, и вторую ось, на которой размещена вторая заслонка, причем первая и вторая оси являются концентрическими, и обе оси установлены так, чтобы они вращались регулирующим двигателем. Причем первая ось соединена с первым приводным рычагом, вторая ось соединена со вторым приводным рычагом, и клапан содержит приводной штифт, который движется посредством двигателя для того, чтобы вращать первую ось и вторую ось путем взаимодействия с первым приводным рычагом и вторым приводным рычагом соответственно, для того, чтобы регулировать положение заслонок. Клапан содержит пружины, действующие на приводные рычаги для того, чтобы нагружать пружиной каждую заслонку в сторону открытого положения.

Третья задача изобретения решается посредством способа регулирования дизельного двигателя, в котором осуществляют рециркуляцию части выхлопных газов из дизельного двигателя на его вход и регулируют подачу свежего воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в дизельный двигатель посредством устройства клапана, контролируемого контрольным устройством, для регулирования соотношения между подаваемым свежим воздухом и рециркулирующими выхлопными газами, в котором согласно изобретению в контрольное устройство подают информацию из лямбда-пробника, датчика числа оборотов двигателя и датчика нагрузки двигателя для того, чтобы регулировать соотношение воздух/топливо дизельного двигателя посредством указанной информации и устройства клапана. При этом в качестве устройства клапана используют клапан, описанный выше в соответствии с изобретением. Вышеуказанная задача решается также и тем, что в устройстве для регулирования дизельного двигателя, содержащем трубопровод рециркуляции для рециркуляции части выхлопных газов из дизельного двигателя на его вход, и устройство клапана, контролируемое контрольным устройством для регулирования подачи свежего воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в дизельный двигатель для того, чтобы регулировать соотношение между подаваемым свежим воздухом и рециркулирующими выхлопными газами, согласно изобретению лямбда-пробник, датчик числа оборотов двигателя и датчик нагрузки двигателя соединены с контрольным устройством для подачи в него информации, и что контрольное устройство установлено так, чтобы регулировать соотношение воздух/топливо в дизельном двигателе посредством указанной информации и устройства клапана. При этом устройство клапана представляет собой клапан в соответствии с изобретением.

Таким образом, этот аспект изобретения основан на использовании пробников и датчиков, соединенных с контрольным устройством для устройства клапана так, чтобы дать возможность регулирования не только соотношения воздух/рециркулирующие выхлопные газы, но также регулирования соотношения воздух/топливо двигателя. Этот аспект изобретения обеспечивает усовершенствование общего регулирования двигателя и уменьшение количества загрязнений.

Использование системы РВГ, как она предложена в изобретении, для двигателя, снабженного катализатором и фильтром частиц в соответствии с известным уровнем техники, дает в результате существенное уменьшение содержания Nох. Это уменьшение может составлять до 50% и делает возможным модернизацию существующих дизельных двигателей до существующих требований к выбросам и модернизацию современных дизельных двигателей для будущих требований к выбросам.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет описано посредством неограничительных конструктивных исполнений, показанных на чертежах, на которых:

фиг.1 изображает в схематическом виде систему РВГ в соответствии с изобретением;

фиг.2а изображает разрез клапана в соответствии с изобретением в одном крайнем положении;

фиг.2b изображает вид в разрезе клапана по фиг.2а, как видно по направлению стрелки В-В;

фиг.3а изображает разрез клапана в соответствии с изобретением в промежуточном положении;

фиг.3b изображает вид в разрезе клапана по фиг.3а, как видно по направлению стрелки В-В;

фиг.4а изображает разрез клапана в соответствии с изобретением во втором крайнем положении и

фиг.4b изображает вид в разрезе клапана по фиг.4а, как видно по направлению стрелки В-В.

Подробное описание предпочтительных конструктивных исполнений

Фиг.1 представляет собой схематический вид, на котором показаны части, которые являются существенными для изобретения, двигателя внутреннего сгорания, обозначенного ссылочной позицией 1. Двигатель представляет собой выбранный образец конструктивного исполнения дизельного двигателя с турбонаддувом, но, как уже было отмечено, двигатель может представлять собой дизельный двигатель без наддува или дизельный двигатель с другим типом наддува, чем турбонагнетатель. Воздух поступает в двигатель 1 через воздухозаборник, воздушный фильтр 2 и направляется через входной канал воздуха 3 в турбонагнетатель 4, где производится его наддув, и затем подается дальше через промежуточный охладитель 5, где нагнетаемый воздух охлаждается перед тем, как он подается в двигатель 1. Выхлопные газы из двигателя 1 сначала направляются через вторую сторону турбонагнетателя 4, а именно, такую сторону, которая является рабочей стороной, и затем через выхлопную трубу 6, катализатор 7 и уловитель частиц 8 окончательно выходят наружу через крайнюю трубу 9.

Крайняя труба 9, т.е. продолжение выхлопной трубы после катализатора и уловителя частиц, имеет ответвление, трубопровод рециркуляции 10, для того, чтобы осуществлять рециркуляцию части выхлопных газов в двигатель. Трубопровод рециркуляции 10 целесообразно провести через охладитель 11 для того, чтобы охладить рециркулирующие выхлопные газы, и он соединен со входным каналом воздуха 3 через устройство клапана 12, которое контролируется посредством контрольного устройства РВГ 13. Устройство клапана 12 может с помощью контрольного устройства РВГ 13 регулировать соотношение между количеством подаваемого свежего воздуха из входного канала воздуха 3 и количеством подаваемых рециркулирующих выхлопных газов из трубопровода рециркуляции 10.

В контрольное устройство РВГ 13, регулирующее устройство клапана 12, подается информация о фактическом рабочем состоянии двигателя - средний выходной сигнал из лямбда-пробника 14, датчика числа оборотов двигателя 15 и датчика нагрузки двигателя 16, и это контрольное устройство запрограммировано, чтобы контролировать устройство клапана 12 и, соответственно, соотношение в смеси свежий воздух/выхлопные газы для того, чтобы довести до минимума содержание вредных веществ, выходящих из крайней трубы 9 и выделяющихся в атмосферу. Программирование контрольного устройства РВГ 13 происходит известным ранее образом с учетом соотношений между различными факторами, приведенными выше. Как хорошо известно, лямбда-пробник обеспечивает выходной сигнал, изменяющийся в зависимости от содержания кислорода в выхлопных газах. Датчик нагрузки 16 двигателя может, например, быть датчиком положения дроссельной заслонки и/или датчиком, определяющим количество топлива, впрыскиваемого в двигатель. Отличные от упомянутых датчики могут быть также добавлены для достижения улучшенного регулирования.

Устройство клапана 12 может содержать отдельные клапаны во входном канале воздуха 3 и в трубопроводе рециркуляции 10, причем указанные клапаны затем раздельно контролируются контрольным устройством РВГ 13. Альтернативно, устройство клапана 12 может также содержать блок, в котором потоки из входного канала воздуха 3 и трубопровода рециркуляции 10 могут избирательно объединяться посредством клапанов, которые имеются в устройстве клапана, в общий выходной поток, который поступает далее в турбонагнетатель для наддува и подачи в двигатель через промежуточный охладитель 5. Чрезвычайно удобное устройство клапана 12 из одного блока является характерной частью изобретения и будет описано более подробно далее.

Клапан, изображенный на фиг.2-4, относится к типу смесительных клапанов, который предусмотрен для смешения двух поступающих потоков текучих сред таким образом, что поступающий поток текучей среды в одном из двух входных каналов может быть отрегулирован от 0 до максимума и соответственно поступающий поток текучей среды во втором входном канале - от максимума до 0.

При использовании клапана в соответствии с изобретением, показанного на фиг.2-4 как устройство клапана 12, в способе или устройстве в соответствии с изобретением, входной канал воздуха 3 соединен со вторым входным каналом 18 клапана, в то время как трубопровод рециркуляции 10 соединен с первым входным каналом 17 клапана. Более того, в клапане имеется выходной канал 19, по которому в настоящем конструктивном исполнении проходят газы, смешанные в клапане, к турбонагнетателю 4. В обоих входных каналах 17 и 18 имеются заслонки 20, 21, которые могут поворачиваться между открытым и закрытым положениями посредством регулирующего двигателя 22, например, шагового электродвигателя, чтобы открыть или закрыть входные каналы. Две заслонки 20, 21 расположены на концентрических осях 23, 24, которые приводятся во вращение посредством регулирующего двигателя 22 и приводного штифта 25, приводимого двигателем, причем приводной штифт может поворачивать приводные рычаги 26, 27, соединенные с осями 23 и 24, соответственно. Приводные рычаги 26, 27 удерживаются пружиной посредством одной или более пружин 28, 29, в нормальном положении, показанном на фиг.3, где обе заслонки 20, 21 удерживаются в таком положении, что входные каналы 17, 18 открыты.

В положении, показанном на фиг.2а, b, которое представляет собой начальное положение, регулирующий двигатель 22 посредством приводного штифта 25 и посредством приводного рычага 26 поворачивает заслонку 20 в закрытое положение и таким образом первый входной канал 17, соединенный с трубопроводом рециркуляции 10, закрывается и выхлопные газы не могут рециркулировать в турбонагнетатель и двигатель.

Второй приводной рычаг 27 удерживается в нормальном положении посредством пружины 29, что означает, что заслонка 21 во втором входном канале 18, соединенном со входным каналом воздуха 3, удерживается в нормально открытом положении и дает возможность свободного потока входящего воздуха через клапан и выходной канал 19 к турбонагнетателю. Регулирующий двигатель 22 управляется контрольным устройством РВГ 13 так, чтобы регулировать соотношение между свежим воздухом, поступающим через входной канал воздуха 3, и рециркулирующими выхлопными газами, поступающими через трубопровод рециркуляции 10. В положении, когда заслонка 21 открыта, регулирующий двигатель 22 может поворачивать посредством приводного штифта 25 и посредством приводного рычага 26 заслонку 20 из полностью закрытого положения, показанного на фиг.2а, b, в положение, которое показано на фиг.3а,b, в котором заслонка 20 также находится в таком положении, что открыт также первый входной канал 17. Регулирующий двигатель может также устанавливать заслонку 20 в любое положение между этими двумя крайними положениями.

Положение, показанное на фиг.3а, b, которое является нормальным положением для регулирующего двигателя 22, таково, что приводной штифт 25 приводного двигателя не приводит в действие ни один приводной рычаг 26, 27, но они удерживаются пружинами 28, 29 в нормальном положении, в котором, соответственно, заслонки 20, 21 открывают оба входных канала 17, 18.

На фиг 4а, b показано положение, противоположное положению на фиг.2а, b. Так, регулирующий двигатель 22 посредством приводного штифта 25 и посредством приводного рычага 27 поворачивает заслонку 21 в закрытое положение, что означает, что соединение входного канала воздуха 3 с выходным каналом 19 полностью прекращается, в то время как в противоположность этому, первый входной канал 17, соединенный с трубопроводом рециркуляции 10, полностью открыт и дает возможность рециркулирующим выхлопным газам свободно проходить дальше через выходной канал 19 и затем в турбонагнетатель 4 и далее в двигатель. Однако, посредством регулирующего двигателя 22 заслонка 21 может быть установлена в любое промежуточное положение между конечными положениями, показанными на фиг.3 и фиг.4, чтобы дать возможность смешения требуемого количества свежего воздуха, контролируемого контрольным устройством РВГ 13, с рециркулирующими выхлопными газами.

Таким образом, при помощи клапана в соответствии с изобретением становится возможным контролировать простым способом трехходовой клапан, имеющий два входа и имеющий нормальное положение, в котором оба входа открыты, так что один или другой вход может регулироваться плавно, в то время, как оставшийся вход удерживается открытым. Клапан может, конечно, регулироваться другими способами, чем посредством контрольного устройства РВГ 13, описанного выше, и он может быть использован в совершенно других соединениях, чем описанное здесь соединение, и в которых требуются соответствующие контрольные параметры.

В способе регулирования в соответствии с изобретением используется контрольное устройство, в которое подается информация от лямбда-пробника 14, датчика числа оборотов двигателя 15 и датчика нагрузки двигателя 16. Контрольное устройство соединено с устройством клапана, соответствующим устройству клапана 12, описанному выше, для регулирования количеств воздуха и/или рециркулирующих выхлопных газов, поступающих в двигатель. Устройство клапана размещено между фильтром воздуха и входным каналом двигателя и может, как также было описано для устройства клапана 12, содержать отдельные клапаны во входном канале воздуха и трубопроводе рециркуляции, или трехходовой клапан того типа, который также описан выше. Устройство клапана регулируется соответствующим образом, как также описано выше, и контрольное устройство может поэтому регулировать на основе полученных входных сигналов соотношение воздух/топливо в двигателе посредством регулирования количества поступающего воздуха и одновременного регулирования соотношения между поступающим свежим воздухом и рециркулирующими выхлопными газами. Этот аспект изобретения применим при наддуве или без него.

При этом при использовании способа и устройства регулирования в соответствии с изобретением возможно дальнейшее уменьшение содержания Nox в выхлопных газах, выходящих из крайней трубы дизельного двигателя.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности способу и устройству рециркуляции части выхлопных газов, к клапану, который используется в способе и устройстве в соответствии с изобретением, а также к способу и устройству регулирования дизельного двигателя. Изобретение обеспечивает надежность и простоту регулирования соотношения воздух/рециркулирующие выхлопные газы. В способе рециркуляции части выхлопных газов из выхлопной трубы дизельного двигателя на вход двигателя выхлопные газы отводят из выхлопной трубы и направляют через трубопровод рециркуляции в контролируемое устройство клапана. Устройство клапана содержит заслонки. По меньшей мере, одну из заслонок всегда удерживают открытой, а другую заслонку закрывают посредством регулирующего двигателя, общего для заслонок. Устройство для рециркуляции части выхлопных газов из выхлопной трубы дизельного двигателя на вход двигателя содержит устройство клапана. Устройство клапана содержит заслонки. Устройство клапана выполнено так, чтобы всегда удерживать, по меньшей мере, одну из заслонок открытой. Регулирующий двигатель, общий для заслонок, установлен так, чтобы закрывать другую из заслонок. Клапан для смешения двух текучих сред содержит два входных канала. Заслонки размещены в обоих входных каналах так, что, по меньшей мере, одна заслонка всегда открыта. Общий регулирующий двигатель установлен так, чтобы закрывать вторую заслонку. В способе регулирования дизельного двигателя осуществляют рециркуляцию части выхлопных газов из дизельного двигателя на его вход и регулируют подачу свежего воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в дизельный двигатель посредством устройства клапана, контролируемого контрольным устройством. В контрольное устройство подают информацию из лямбда-пробника, датчика числа оборотов двигателя и датчика нагрузки двигателя для того, чтобы регулировать соотношение воздух/топливо дизельного двигателя посредством указанной информации и устройства клапана. Устройство для регулирования дизельного двигателя содержит трубопровод рециркуляции, устройство клапана, контролируемое контрольным устройством. Лямбда-пробник, датчик числа оборотов двигателя и датчик нагрузки двигателя соединены с контрольным устройством для подачи в него информации. Контрольное устройство установлено так, чтобы регулировать соотношение воздух/топливо в дизельном двигателе посредством указанной информации и устройства клапана. 5 с. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула