Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя

Техническое решение относится к автомобилестроению, а именно к системам нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6. Система нейтрализации токсичных компонентов, содержащая окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования включающая: резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него, дополнительно снабжена окислительным нейтрализатором аммиака, установленным после нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота и размещенным в одном корпусе с ним, при этом форсунка смесителя раствора карбамида системы дозирования, установлена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора селективного восстановления оксида азота, а для контроля параметров системы дозирования, она снабжена датчиками. Техническое решение по полезной модели позволяет повысить эффективность системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов путем более полной конверсии оксидов азота, а также сокращения выбросов оксида углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами для выполнения требований экологических стандартов Евро-5 и Евро-6. 1 с., 4 з.п. ф-лы, 2 илл.

Техническое решение относится к автомобилестроению, а в частности, к системе нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6 в которой для восстановления оксидов азота используется раствор карбамида.

Из уровня техники, известны различные системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей, а также различное исполнение смесительных устройств, обеспечивающих равномерное распределение восстановителя в потоке отработавших газов.

Например, в заявке на изобретение FR 2940921 (B01D 53/94, F01N 3/28, опубл. 16.07.2010) изобретение предлагает лепестковое устройство, располагающееся в выпускном трубопроводе перед восстановительным нейтрализатором и предназначенное для увеличения равномерности распределения мочевины в отработавших газах.

В патенте US 8033104 (F01N 3/10, опубл. 11.10.2011) представлен смеситель восстановителя с отработавшими газами двигателя. Смеситель представляет собой трубопровод, перекрытый перфорированной стенкой, в которой расположен цилиндрический канал подачи восстановителя. В стенке канала также имеются отверстия. Таким образом, поток отработавших газов проходит через отверстия канала и смешивается с восстановителем. Равномерность распределения восстановителя в отработавших газах достигается также благодаря перфорированной стенке, разбивающей поток отработавших газов.

Все представленные выше изобретения обеспечивают достаточную равномерность распределения водного раствора карбамида в отработавших газах, но при этом возрастает газодинамическое сопротивление выпускного тракта. К тому же, все форсунки расположены под углом к потоку. В этом случае некоторая доля восстановителя будет образовывать пленку на поверхности выпускного трубопровода, что увеличивает инерционность системы дозирования.

В заявках: US 2010 257 844 (F01N 11/00, F01N 9/00, F01N 3/10, опубл. 14.10.2010), US 2009 030 1067 (F01N 9/00, F01N 3/00, опубл. 10.12.2009) предложены системы очистки отработавших газов дизельного двигателя, включающие в себя фильтр дисперсных частиц, объединенный с окислительным нейтрализатором, систему дозирования мочевины и селективный нейтрализатор восстановления оксидов азота.

Все вышеперечисленные системы имеют нецентральное расположение форсунок подачи раствора карбамида. В состав систем очистки не входят окислительные нейтрализаторы аммиака, необходимые для выполнения требований экологического стандарта Евро-6.

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является система очистки отработавших газов дизельного двигателя, рассмотренная в заявке US 2010 0319324 (F01N 9/00, F01N 3/035, F01N 3/10, опубл. 23.12.2010).

Система нейтрализации содержит окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования включающая: резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него.

Но форсунка системы дозирования водного раствора карбамида, расположенная в смесителе перед селективным нейтрализатором восстановления оксидов азота, имеет нецентральное расположение, а также в системе очистки отсутствует окислительный нейтрализатор аммиака, необходимый для выполнения требований экологического стандарта Евро-6. Все это снижает эффективность нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя.

Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.

Задача полезной модели состоит в улучшении экологических параметров дизельного двигателя путем создания перспективной системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов.

Технический результат - более полная конверсия оксидов азота, а также сокращение выбросов оксида углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами.

Этот технический результат достигается тем, что система нейтрализации содержащая окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования включающая: резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него, дополнительно снабжен окислительным нейтрализатором аммиака, установленным после нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота и размещенным в одном корпусе с ним, при этом форсунка смесителя раствора карбамида системы дозирования, установлена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора селективного восстановления оксида азота, а для контроля параметров системы дозирования, она снабжена датчиками.

Кроме того, еще отличия состоят в том, что:

- впрыск раствора карбамида форсункой осуществляется перпендикулярно фронтальной поверхности каталитического блока нейтрализатора селективного восстановления оксида азота;

- на резервуаре с раствором карбамида системы дозирования установлены датчики: температуры и уровня;

- снабжена системой жидкостного охлаждения для поддержания температурного режима форсунок систем: активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования раствора карбамида;

- система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника.

При таком исполнении системы нейтрализации обеспечивается комплексная нейтрализация всех нормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелей, включая оксид углерода, углеводороды, дисперсные частицы и оксиды азота с эффективностью, достаточной для выполнения экологических стандартов Евро-5 и Евро-6.

Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 - принципиальная схема системы нейтрализации;

фиг.2 - разрез смесителя водного раствора карбамида с отработавшими газами двигателя.

Система включает: дизельный двигатель 1, окислительный нейтрализатор 2 с катализатором на металлоблочном носителе для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц с системой активной регенерации, нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота, окислительный нейтрализатор аммиака 5, причем окислительный нейтрализатор 2, фильтр-нейтрализатор 3, нейтрализаторы 4 и 5 последовательно расположены в системе выпуска дизельного двигателя 1, кроме того система включает резервуар 6 с топливом, насос-дозатор 7 впрыскиваемого топлива, форсунку 8 подачи топлива, смеситель топлива 9, при этом элементы 6, 7, 8 и 9 входят в систему активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3, резервуар 10 с раствором карбамида, насос-дозатор 11, форсунка 12 впрыска раствора карбамида, смеситель раствора карбамида 13, при этом элементы 10, 11, 12 и 13 входят в систему дозирования восстановителя, также в систему охлаждения форсунок 8 и 12 входят: циркуляционный насос 14, расширительный бачок 15, теплообменник 16, и комплекс датчиков: уровня 17 раствора карбамида, температуры 18 раствора карбамида, кислородный 19, температуры 20, перепада давления 21, температуры 22, концентрации оксидов азота 23.

Смеситель раствора карбамида с отработавшими газами двигателя состоит из стакана 24 с крышкой, образующую полость охлаждения форсунки 12, втулки-штуцера 25 форсунки 12 и штуцера 26 системы охлаждения.

Действие фильтра-нейтрализатора 3 основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов оснащена системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра дисперсными частицами. Необходимость регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 21. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора до 600-650°С за счет впрыскивания топлива в поток отработавших газов. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления сажи до оксида углерода. Форсунка 8 подачи топлива, расположенная в смесителе 9, оснащена подпружиненным клапаном, который запирает проточную часть при падении давления подачи в конце впрыска для предотвращения крупнокапельного распыла. Объем впрыскиваемого топлива определяется насосом-дозатором 7, забирающим топливо из резервуара 6.

Система нейтрализации работает следующим образом.

Отработавшие газы из дизельного двигателя 1 по выпускному тракту поступают в окислительный нейтрализатор 2, где происходит очистка отработавших газов от оксида углерода и углеводородов. Перед окислительным нейтрализатором 2 размещен кислородный датчик 19, назначение которого заключается в измерении концентрации кислорода в отработавших газах.

После окислительного нейтрализатора 2 отработавшие газы поступают в фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, действие которого основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц оснащен системой активной регенерации. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра-нейтрализатора 3 дисперсными частицами. Начало регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 21. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива форсункой 8 в смеситель топлива 9, установленный перед фильтром-нейтрализатором 3. Форсунка 8 подачи топлива оснащена внутренним клапаном (на чертеже не показано), который запирает проточную часть при падении давления подачи в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления дисперсных частиц до оксида углерода. Датчики температуры 20 и 22 отработавших газов, установленные до и после фильтра-нейтрализатора 3 дисперсных частиц, предназначены для контроля температурного режима фильтра-нейтрализатора 3.

После фильтра-нейтрализатора 3 отработавшие газы проходят через нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота. Для увеличения степени конверсии оксидов азота в системе нейтрализации используется восстанавливающий реагент - раствор карбамида. Подача раствора карбамида в нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота осуществляется системой дозирования. Необходимое количество раствора карбамида из резервуара 10 с помощью насоса-дозатора 11 подается в форсунку 12, расположенную в смесителе раствора карбамида 13. Резервуар 10 с раствором карбамида оснащен датчиками уровня и температуры 17 и 18. В зависимости от режима работы двигателя объемная подача раствора карбамида находится в пределах 3-6% от объемного расхода топлива. Изменение расхода раствора карбамида осуществляется с помощью частотной регулировки насоса-дозатора 11 раствора-карбамида.

Содержание оксидов азота в отработавших газах на выходе из нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота определяется датчиком концентрации оксидов азота 23.

За нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота установлен окислительный нейтрализатор аммиака 5. На некоторых совместных режимах работы дизельного двигателя 1 и системы дозирования раствора карбамида создаются условия, в результате которых в отработавших газах появляется избыточное количество аммиака, не участвующего в реакции селективного восстановления оксидов азота. Для очистки отработавших газов от аммиака применен окислительный нейтрализатор аммиака 5.

Для охлаждения форсунок 8 и 12 систем дозирования водорода и активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3 предусмотрена общая жидкостная система охлаждения. Циркуляционный насос 14 последовательно прокачивает охлаждающую жидкость через полость охлаждения форсунок 8 и 12 и теплообменник 16, предназначенный для рассеивания тепла. Тепловое расширение охлаждающей жидкости компенсируется расширительным бачком 15. Система охлаждения поддерживает рабочий диапазон температур форсунок 8 и 12 на всех режимах работы системы нейтрализации.

Смеситель 13 раствора карбамида представляет собой трубу, имеющую два поворота под углом 112°. На смесителе 13 расположен стакан 24, который вместе с резьбовой втулкой-штуцером 25 форсунки 12 образует полость для жидкостного охлаждения форсунки 12. С помощью штуцеров 26 обеспечивается циркуляция охлаждающей жидкости. Форсунка 12 подачи раствора карбамида расположена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота. Впрыск раствора карбамида осуществятся перпендикулярно фронтальной поверхности каталитического блока нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота.

В такой системе нейтрализации, уровень очистки отработавших газов от оксидов азота составляет не ниже 50% при температуре восстановления не выше 400°С. Фильтр-нейтрализатор 3 с системой регенерации обеспечивает очистку от дисперсных частиц не ниже 65% при температуре 350°С. Окислительный нейтрализатор обеспечивает очистку от оксида углерода и углеводородов не ниже 60% при температуре 350°С. Уровень сокращения вредных выбросов приведен относительно выбросов двигателя, соответствующего требованиям экологического стандарта Евро-4. Конструкция элементов системы нейтрализации обеспечивает общее газодинамическое сопротивление не более 1200 мм вод. ст.

1. Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя, содержащая окислительный нейтрализатор для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, размещенный перед фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц с системой активной регенерации, систему дозирования, включающая резервуар с раствором карбамида, смеситель раствора карбамида с форсункой, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота с каталитическим блоком внутри него, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена окислительным нейтрализатором аммиака, установленным после нейтрализатора селективного восстановления оксидов азота и размещенным в одном корпусе с ним, при этом форсунка смесителя раствора карбамида системы дозирования установлена на одной оси с каталитическим блоком нейтрализатора селективного восстановления оксида азота, а для контроля параметров системы дозирования она снабжена датчиками.

2. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что впрыск раствора карбамида форсункой осуществляется перпендикулярно фронтальной поверхности каталитического блока нейтрализатора селективного восстановления оксида азота.

3. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что на резервуаре с раствором карбамида системы дозирования установлены датчики температуры и уровня.

4. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена системой жидкостного охлаждения для поддержания температурного режима форсунок систем активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования раствора карбамида.

5. Система нейтрализации по п.4, отличающаяся тем, что система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника.