Способ, а также устройство для обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания - RU2689139C1
Код документа: RU2689139C1
Чертежи
Описание
Изобретение касается способа, а также устройства для обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания по независимым пунктам формулы изобретения.
Постоянное ужесточение законодательства, касающегося отработавших газов, а также стремление к дальнейшей оптимизации расхода ставят к производителям транспортных средств высокие требования, которые решаются с помощью соответствующих мер по уменьшению необработанных выбросов двигателей и с помощью соответствующей обработки отработавших газов. Для снижения расхода осуществляется так называемый даунсайзинг (англ. «Downsizing» - уменьшение размеров), при этом при сравнимой мощности применяются меньшего размера двигатели, имеющие меньшего размера рабочий объем и/или меньшее количество цилиндров, так что могут уменьшаться трение в камере сгорания, а также вес двигателя внутреннего сгорания. Первично связанное с этим падение мощности часто компенсируется наддувом двигателя с помощью турбонагнетателя отработавших газов. У небольших двигателей с турбонаддувом реализация высокого крутящего момента при небольших частотах вращения (так называемый «Low End Torque», англ. крутящий момент при низких частотах вращения) является сложной задачей. Одним из способов повышения крутящего момента является продувка. При этом происходит перекрытие времени открытия впускных клапанов и выпускных клапанов, так что при имеющемся положительном перепаде при продувке некоторая часть свежего воздуха выдувает находящийся в цилиндре отработавший газ в выпускной коллектор, вследствие чего значительно улучшается наполнение камеры сгорания по сравнению с традиционной эксплуатацией без перекрытия клапанов. При повышенном массовом потоке в газоотводном канале из-за повышенной частоты вращения турбонагнетателя может устанавливаться более высокое давление наддува, в частности при низких частотах вращения. Однако при эффективной продувке появляется сверхстехиометрический отработавший газ, то есть в газоотводном канале имеется избыток кислорода, что ухудшает функционирование трехходового катализатора, и происходит повышенный выброс оксида азота (выброс NOx). Рассмотренным законодательством «Real-Drive-Emissions» (англ. выбросы при реальном вождении) (законодательством RDE) релевантными для сертификации и допуска двигателей и транспортных средств делаются также рабочие точки при низких частотах вращения и высоких нагрузках, так что для режима продувки двигателя внутреннего сгорания необходима какая-либо мера по обработке отработавших газов.
Из DE 10 2013 202 196 A1 известен способ обработки отработавших газов у автомобиля гибридной концепции из двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя, у которого двигатель внутреннего сгорания по меньшей мере в отдельных фазах эксплуатируется в режиме продувки, при этом кислород из сверхстехиометрического отработавшего газа кратковременно запитывается в трехходовой катализатор во избежание прорыва выбросов оксида азота (выбросов NOx), и двигатель внутреннего сгорания путем закрытия выпускных клапанов периодически эксплуатируется с богатой, подстехиометрической смесью для удаления включений кислорода в трехходовом катализаторе. Однако при этом положительный эффект подъема крутящего момента при низких частотах вращения снова уменьшается.
Итак, в основе изобретения лежит задача, поднять крутящий момент при низких частотах вращения и одновременно обеспечить возможность высокоэффективной обработки отработавших газов с помощью трехходового катализатора.
Задача решается с помощью способа обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, при этом двигатель внутреннего сгорания снабжается свежим воздухом посредством компрессора и имеет регулируемое устройство газораспределения для впускных клапанов и/или выпускных клапанов. Далее, двигатель внутреннего сгорания соединен с газоотводным каналом, при этом в газоотводном канале расположен первый трехходовой катализатор, и в направлении течения отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания через газоотводный канал ниже по потоку от выпуска двигателя внутреннего сгорания и выше по потоку от трехходового катализатора расположен клапан впрыска для ввода топлива в газоотводный канал. Способ включает в себя следующие шаги:
- эксплуатация двигателя внутреннего сгорания в режиме продувки,
- ввод сверхстехиометрического отработавшего газа в газоотводный канал,
- дозированная подача топлива в газоотводный канал выше по потоку от первого трехходового катализатора, так что на входе первого трехходового катализатора появляется стехиометрический отработавший газ,
- обработка стехиометрического отработавшего газа с помощью первого трехходового катализатора.
Термин «режим продувки» двигателя внутреннего сгорания обозначает рабочий режим, при котором управление временем открытия впускных и/или выпускных клапанов двигателя внутреннего сгорания осуществляется так, что происходит перекрытие времени открытия впускных клапанов со временем открытия выпускных клапанов (так называемое перекрытие клапанов). При этом впускные клапаны уже открываются, когда выпускные клапаны еще не закрыты. Разумеется, что режим продувки двигателя внутреннего сгорания может быть предусмотрен наряду с другими рабочими режимами, в частности режимами без перекрытия клапанов, и может выполняться в зависимости от предопределенных условий, в частности рабочей точки двигателя внутреннего сгорания. Под регулируемым устройством газораспределения в этой связи следует понимать, например, механизм перестановки распределительного вала, с помощью которого может изменяться время открытия впускных клапанов и/или выпускных клапанов по отношению друг к другу. Таким образом может достигаться необходимое для режима продувки перекрытие времени открытия впускных клапанов и выпускных клапанов, например, при низких частотах вращения. Благодаря перестановке механизма перестановки распределительного вала возможно, чтобы в других рабочих точках, например, при высоких частотах вращения и высокой нагрузке, не происходило перекрытие времени открытия впускных клапанов и выпускных клапанов.
Преимущество предлагаемого решения видится в том, что при перекрытии времени открытия впускных клапанов и выпускных клапанов достигается улучшенное выдувание остаточного газа из камер сгорания двигателя внутреннего сгорания, что способствует улучшенному наполнению камер сгорания, а также повышенной частоте вращения турбины турбонагнетателя, благодаря чему может повышаться крутящий момент двигателя внутреннего сгорания. При высоких скоростях продувки и с учетом того факта, что обогащение сжигаемой воздушной смеси ограничено условиями зажигания или, соответственно, образованием сажи, может появляться сверхстехиометрический отработавший газ. Путем дозированной подачи топлива в газоотводный канал выше по потоку от первого трехходового катализатора может создаваться стехиометрический отработавший газ, который может эффективно очищаться с помощью трехходового катализатора. Таким образом также в режиме продувки двигателя внутреннего сгорания может осуществляться действенная очистка отработавших газов, в частности действенное восстановление возникающих при режиме продувки оксидов азота, с помощью первого трехходового катализатора.
С помощью мер, приведенных в зависимых пунктах формулы изобретения, возможны предпочтительные улучшения способа, указанного в независимом пункте формулы изобретения.
Обработка стехиометрического отработавшего газа с помощью трехходового катализатора включает в себя втекание и протекание отработавшего газа, то есть смешанного отработавшего газа из отработавшего газа двигателя и дозированно подаваемого топлива, в и через трехходовой катализатор, который посредством своего трехходового каталитического покрытия осуществляет каталитическое преобразование несгоревших углеводородов (HC), моноокисда углерода (CO) и оксидов азота (NOx).
По одному из улучшений способа предусмотрено, что в газоотводном канале выше по потоку от первого трехходового катализатора предусмотрен второй трехходовой катализатор, при этом топливо дозированно подается в газоотводный канал между вторым трехходовым катализатором и первым трехходовым катализатором. Так как при режиме продувки в газоотводный канал вместе с продувочным воздухом вносятся также несгоревшие углеводороды (HC), эти несгоревшие углеводороды могут подвергаться экзотермическому преобразованию во втором катализаторе. Так как преобразование топлива, введенного через клапан впрыска в газоотводный канал, в первом трехходовом катализаторе осуществляется экзотермически, две экзотермические реакции распределяются между двумя катализаторами, вследствие чего удается избежать термического повреждения или преждевременного старения одного из трехходовых катализаторов.
По другому улучшению способа предусмотрено, что ниже по потоку от первого трехходового катализатора в газоотводном канале расположен лямбда-зонд, при этом с помощью лямбда-зонда регулируется дозирование количества топлива через клапан впрыска. Так как регистрация точной массы свежего воздуха в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания по технологии измерения невозможна, управление коэффициентом избытка воздуха осуществляется с помощью положения дроссельной заслонки и количества впрыска. Чтобы коэффициент избытка воздуха в режиме продувки не должен был слишком сильно изменяться в сторону обогащения, что может привести к повышенному выбросу сажи и повреждению конструктивных элементов трехходового катализатора вследствие экзотермического преобразования несгоревших составляющих, коэффициент избытка воздуха выбирается так, что в режиме продувки устанавливается бедное, сверхстехиометрическое отношение отработавшего газа и воздуха. Однако при этом выбросы оксида азота (выбросы NOx) уже не могут действенно уменьшаться с помощью трехходового катализатора. С помощью лямбда-зонда ниже по потоку от первого трехходового катализатора дозированно подаваемое через расположенный в газоотводном канале клапан впрыска количество топлива может регулироваться так, что в газоотводном канале выше по потоку от первого трехходового катализатора устанавливается стехиометрическое отношение отработавшего газа и воздуха, что благоприятствует эффективной очистке отработавшего газа с помощью первого трехходового катализатора.
По другому усовершенствованию способа предусмотрено, что компрессор приводится в действие турбиной в газоотводном канале. При наличии турбины в отработавшем газе можно обойтись без механического или электрического привода компрессора, благодаря чему не возникает ухудшение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Компрессор и соответствующий перепад давлений между всасывающим каналом двигателя внутреннего сгорания и газоотводным каналом двигателя внутреннего сгорания необходим, чтобы перекрытие времени открытия клапанов в режиме продувки могло использоваться для эффективной продувки камер сгорания и не приводило к возврату отработавших газов из газоотводного канала в камеры сгорания.
Особенно предпочтительно при этом, когда дозированная подача топлива в газоотводный канал осуществляется ниже по потоку от турбины и выше по потоку от первого трехходового катализатора. При дозированной подаче выше по потоку от турбины в качестве вторичного эффекта происходит экзотермическое преобразование топлива с остаточным кислородом в газоотводном канале, вследствие чего дополнительно получается энергия для привода турбины. Однако для очистки отработавших газов целесообразно дозированно подавать топливо только ниже по потоку от турбины, так как этот вторичный эффект там не возникает, и при этом возможна более точная адаптация необходимого количества топлива к имеющемуся остаточному кислороду в газоотводном канале.
В соответствии с изобретением предлагается двигатель внутреннего сгорания, имеющий устройство для обработки отработавших газов, которое имеет варьируемое устройство газораспределения, в частности механизм перестановки распределительного вала, с помощью которого может изменяться время открытия впускных клапанов и/или выпускных клапанов, имеющая компрессор для снабжения двигателя внутреннего сгорания свежим воздухом, а также имеющая газоотводный канал, при этом в газоотводном канале в направлении течения отработавшего газа через газоотводный канал ниже по потоку от выпуска двигателя внутреннего сгорания расположен первый трехходовой катализатор, при этом ниже по потоку от выпуска и выше по потоку от первого трехходового катализатора расположен капан впрыска для ввода топлива в газоотводный канал, при этом двигатель внутреннего сгорания выполнен для выполнения вышеописанного способа обработки отработавших газов. С помощью такого устройства может выполняться уже описанный способ, так что также при режиме продувки двигателя внутреннего сгорания может осуществляться эффективная обработка отработавшего газа с помощью трехходового катализатора.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусмотрено, что ниже по потоку от выпуска и выше по потоку от первого трехходового катализатора в газоотводном канале расположен второй трехходовой катализатор. Благодаря этому может достигаться особенно действенная очистка отработавших газов, так как второй трехходовой катализатор нагревается быстрее и поэтому быстрее достигает рабочей температуры, при которой получается каталитическое действие для очистки отработавших газов.
По одному из предпочтительных усовершенствований предусмотрено, что по меньшей мере один из трехходовых катализаторов выполнен в виде сажевого фильтра, имеющего покрытие, действующее в качестве трехходового катализатора. С помощью сажевого фильтра из отработавшего газа могут дополнительно отфильтровываться частицы сажи. С помощью действующего в качестве трехходового катализатора покрытия в сажевом фильтре может достигаться очищающее отработавший газ действие трехходового катализатора. Кроме того, впрыск топлива в газоотводный канал может также использоваться для нагрева отработавшего газа с целью регенерации сажевого фильтра, так что здесь не нужны никакие дополнительные компоненты, и для выполнения предлагаемого изобретением способа могут использоваться уже имеющиеся компоненты.
По одному из предпочтительных усовершенствований предусмотрено, что второй трехходовой катализатор расположен вблизи двигателя, а первый трехходовой катализатор - удаленно от двигателя, в частности в положении под полом автомобиля. При этом под расположением вблизи двигателя понимается средний путь движения отработавших газов максимум 50 см, в частности максимум 30 см, после выпуска двигателя внутреннего сгорания. Благодаря этой близости к двигателю внутреннего сгорания достигается особенно быстрое срабатывание второго трехходового катализатора после холодного пуска, так что он также выполняет функцию катализатора пуска. В отличие от этого, удаленное от двигателя расположение первого трехходового катализатора препятствует его слишком сильному нагреву и при этом термическому повреждению при предусмотренной экзотермической реакции. К тому же в области под полом имеется в распоряжении относительно много конструктивного пространства, так что возможен простой монтаж второго трехходового катализатора. Под удаленным от двигателя расположением понимается средний путь движения отработавшего газа минимум 80 см, в частности минимум 100 см, после выпуска двигателя внутреннего сгорания.
По другому предпочтительному усовершенствованию предусмотрено, что выше по потоку от второго трехходового катализатора, между вторым трехходовым катализатором и первым трехходовым катализатором, а также ниже по потоку от первого трехходового катализатора расположено по лямбда-зонду. Таким образом может регулироваться коэффициент избытка воздуха, а также отношение отработавшего газа и воздуха в первом и во втором трехходовом катализаторе, так что также вне режима продувки соответствующая адаптация количества воздуха может осуществляться таким образом, что может осуществляться наилучшая возможная очистка отработавших газов с помощью двух трехходовых катализаторов и при необходимости других расположенных в газоотводном канале компонентов обработки отработавших газов.
Разные названные в этой заявке варианты осуществления изобретения могут предпочтительно комбинироваться друг с другом, если в отдельном случае не указано иное.
Ниже изобретение поясняется на примерах осуществления с помощью соответствующих чертежей. Показано:
фиг.1: один из примеров осуществления двигателя внутреннего сгорания, имеющей всасывающий тракт и газоотводный канал, для выполнения предлагаемого изобретением способа обработки отработавших газов;
фиг.2: другой пример осуществления двигателя внутреннего сгорания, имеющей всасывающий тракт и газоотводный канал, для выполнения предлагаемого изобретением способа обработки отработавших газов;
фиг.3: другой пример осуществления двигателя внутреннего сгорания, имеющей всасывающий тракт и газоотводный канал, для выполнения предлагаемого изобретением способа обработки отработавших газов;
фиг.4: схематичное изображение открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, а также перекрытия времени открытия клапанов, при режиме продувки двигателя внутреннего сгорания, и
фиг.5: схематичное изображение двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, а также процесса продувки при перекрытии времени открытия впускных и выпускных клапанов при режиме продувки.
На фиг.1 показана двигатель 10 внутреннего сгорания, имеющий всасывающий тракт 40, а также газоотводный канал 20. Двигатель 10 внутреннего сгорания представляет собой, например, двигатель внутреннего сгорания с наддувом с помощью турбонагнетателя 46 и принудительным воспламенением. Во всасывающем тракте 40 расположен компрессор 18 турбонагнетателя 46, с помощью которого воздух с повышенным по сравнению с окружающей средой давлением нагнетается в камеры 42 сгорания двигателя внутреннего сгорания. Далее, во всасывающем тракте расположена дроссельная заслонка 44, с помощью которой может осуществляться управление количеством воздуха, подводимым в камеры 42 сгорания. В газоотводном канале 20, который присоединяется к выпуску 22 камер 42 сгорания двигателя 10 внутреннего сгорания, в направлении течения отработавшего газа двигателя 10 внутреннего сгорания расположена турбина 32 турбонагнетателя 46, второй трехходовой катализатор 28, а также первый трехходовой катализатор 24. Камеры 42 сгорания двигателя 10 внутреннего сгорания могут закрываться с помощью изображенных на фиг.5 впускных клапанов 14 и выпускных клапанов 16, которые могут открываться для смены заряда горючей смеси в камере 42 сгорания. В газоотводном канале 20 в направлении потока отработавших газов ниже по потоку от второго трехходового катализатора 28 и выше по потоку от первого трехходового катализатора 24 расположен клапан 26 впрыска для дозированной подачи топлива в газоотводный канал 20. При этом первый трехходовой катализатор предпочтительно расположен в положении под полом автомобиля, в то время как второй трехходовой катализатор 28 расположен в близком к двигателю положении. Ниже по потоку от первого трехходового катализатора 24 предусмотрен лямбда-зонд 30 для регулирования количества топлива, подводимого через клапан 26 впрыска. Выше по потоку и ниже по потоку от второго трехходового катализатора 28 предусмотрено по одному другому лямбда-зонду 36, 38, с помощью которого может регулироваться коэффициент λE избытка воздуха двигателя 10 внутреннего сгорания.
При эксплуатации двигателя 10 внутреннего сгорания воздух всасывается через всасывающий тракт 40 и сжимается с помощью компрессора 18, так что во всасывающем тракте 40 выше по потоку от впускных клапанов 14 устанавливается давление p2 заряда. Давление p2 заряда больше, чем давление p3 в газоотводном канале 20 ниже по потоку от выпускных клапанов 16 (противодавление отработавшего газа). В режиме продувки двигателя 10 внутреннего сгорания время открытия впускных клапанов 14 и выпускных клапанов 16 изменяется с помощью символически изображенного на фиг.5 устройства 12 газораспределения таким образом, что происходит перекрытие времени открытия впускных клапанов 14 и выпускных клапанов 16 (перекрытие клапанов). При этом впускные клапаны 14 уже открываются, прежде чем закрываются выпускные клапаны 16. Вследствие градиента давлений p2 > p3 между всасывающим трактом 40 и газоотводным каналом 20 происходит продувка камер 42 сгорания свежим газом, так как свежий воздух может течь через впускные клапаны 14 в камеру 42 сгорания и оттуда непосредственно через выпускные клапаны 16 в газоотводный канал 20. Это способствует улучшенному выдуванию остаточного газа, то есть улучшенному выносу сгоревших газов из камеры 42 сгорания, повышенному наполнению камер 42 сгорания свежим газом, а также повышенной частоте вращения турбины 32 турбонагнетателя 46. Это перекрытие клапанов изображено на фиг.4 Регулирование времени открытия впускных клапанов 14 и выпускных клапанов 16 может осуществляться, например, с помощью механизма перестановки распределительного вала путем вращения впускного и/или выпускного распределительного вала для клапанного газораспределения. Описанным способом может повышаться крутящий момент двигателя 10 внутреннего сгорания.
Так как регистрация точной массы свежего воздуха в камерах 42 сгорания двигателя 10 внутреннего сгорания по технологии измерения невозможна, управление коэффициентом λE избытка воздуха в камерах 42 сгорания может осуществляться с помощью положения дроссельной заслонки 44 и количества впрыска топлива в камеры 42 сгорания двигателя 10 внутреннего сгорания. Чтобы избежать слишком сильного обогащения смеси в камерах 42 сгорания, в режиме продувки устанавливается отношение λA1 > 1 отработавшего газа и воздуха, то есть избыток кислорода в газоотводном канале 20 ниже по потоку от выпуска 22 двигателя 10 внутреннего сгорания. При этом бедном отношении отработавшего газа и воздуха выбросы оксида азота больше не могут уменьшаться с помощью трехходового катализатора 24, 28. Чтобы установить стехиометрическое отношение λA2=1 отработавшего газа и воздуха на входе первого трехходового катализатора 24, выше по потоку от первого трехходового катализатора 24 и ниже по потоку от второго трехходового катализатора 28 в газоотводный канал 20 впрыскивается топливо (HC). Количество впрыскиваемого топлива может регулироваться с помощью лямбда-зонда 30 ниже по потоку от первого трехходового катализатора 24. Вследствие стехиометрического отношения отработавшего газа и воздуха все газообразные вредные вещества отработавшего газа могут эффективно конвертироваться с помощью первого трехходового катализатора 24.
На фиг.2 изображен альтернативный пример осуществления предлагаемой изобретением двигателя 10 внутреннего сгорания, имеющей устройство для обработки отработавших газов. При практически одинаковой конструкции второй трехходовой катализатор 28 выполнен в виде сажевого фильтра 34, имеющего действующее в качестве трехходового катализатора покрытие. Благодаря этому, наряду с эффективной очисткой отработавших газов, дополнительно возможно задерживание частиц сажи. При этом двигатель 10 внутреннего сгорания для регенерации сажевого фильтра 34 может эксплуатироваться с более бедной смесью, и топливо ниже по потоку от сажевого фильтра 34 дозированно подаваться в газоотводный канал 20, чтобы получить на первом трехходовом катализаторе 24 стехиометрический отработавший газ, который может очищаться с помощью первого трехходового катализатора 24.
Альтернативно, как изображено на фиг.3, первый трехходовой катализатор 24 может также выполняться в виде сажевого фильтра 34, имеющего действующее в качестве трехходового катализатора покрытие. При этом клапан 26 впрыска и дозированная подача топлива в отличающейся от режима продувки рабочей точке может использоваться для нагрева газоотводного канала 20 и таким образом обеспечения возможности регенерации сажевого фильтра 34.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Двигатель внутреннего сгорания
12 Устройство газораспределения
14 Впускной клапан
16 Выпускной клапан
18 Компрессор
20 Газоотводный канал
22 Выпуск
24 Первый трехходовой катализатор
26 Клапан впрыска
28 Второй трехходовой катализатор
30 Лямбда-зонд
32 Турбина
34 Сажевый фильтр
36 Лямбда-зонд
38 Лямбда-зонд
40 Всасывающий тракт
42 Камеры сгорания
44 Дроссельная заслонка
46 Турбонагнетатель
λE Коэффициент избытка воздуха
λA1 Отношение отработавшего газа и воздуха перед дозированной подачей HC
λA2 Отношение отработавшего газа и воздуха после дозированной подачи HC
HC Углеводороды
p2 Давление в газоотводном канале выше по потоку от впускных клапанов/давление наддува
p3 Давление в газоотводном канале ниже по потоку от выпускных клапанов/противодавление отработавшего газа.
Реферат
Изобретение относится к устройствам обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение крутящего момента при низких частотах вращения и одновременно обеспечение возможности высокоэффективной обработки отработавших газов с помощью трехходового катализатора. Предложен способ обработки отработавших газов двигателя (10) внутреннего сгорания, который снабжается свежим воздухом посредством компрессора (18) и содержит переставляемое устройство (12) клапанного газораспределения для впускных клапанов (14) и/или выпускных клапанов (16) и соединен с газоотводным каналом (20). В газоотводном канале (20) расположены первый трехходовой катализатор (24), и в направлении течения отработавшего газа двигателя (10) внутреннего сгорания ниже по потоку от выпуска (22) двигателя (10) внутреннего сгорания и выше по потоку от первого трехходового катализатора (24) клапан (26) впрыска для ввода топлива в газоотводный канал (20). Способ включает следующие шаги: эксплуатация двигателя (10) внутреннего сгорания в режиме продувки, ввод сверхстехиометрического отработавшего газа в газоотводный канал (20), дозированная подача топлива в газоотводный канал (20) выше по потоку от первого трехходового катализатора (24), так что на входе первого трехходового катализатора (24) появляется стехиометрический отработавший газ, и обработка стехиометрического отработавшего газа с помощью первого трехходового катализатора (24). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
