система дизельного двигателя и способ обработки отработавших газов

Формула изобретения

1. Система дизельного двигателя, содержащая:

дизельный двигатель, приспособленный к эксплуатации в различных рабочих условиях;

устройство снижения уровня выбросов NO _x, расположенное по потоку ниже двигателя;

выпускную линию между двигателем и устройством снижения уровня выбросов NO_x;

перепускную линию, первый конец которой подсоединен к выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем в перепускной линии отсутствует какое-либо устройство снижения уровня выбросов NO_x ;

перепускной клапан, соединяющий выпускную линию и перепускную линию с возможностью пропуска потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращения прохождения потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO_x с пропуском потока через выпускную линию в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении;

контроллер, обеспечивающий управление открытием и закрытием перепускного клапана, когда по меньшей мере одно из рабочих условий достигает заданного рабочего условия;

датчик для определения по меньшей мере одного рабочего условия, расположенный по потоку выше устройства снижения уровня выброса NO_x и выполненный с возможностью передачи в контроллер сигнала, указывающего на то, что по меньшей мере одно рабочее условие достигло заданного рабочего условия.

2. Система дизельного двигателя по п.1, в которой по меньшей мере одно рабочее условие включает работу двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO _x, и контроллер обеспечивает закрытие перепускного клапана, когда двигатель работает на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x.

3. Система дизельного двигателя по п.1, в которой контроллер обеспечивает управление открытием и закрытием перепускного клапана, когда температура газа в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO _x превышает заданную величину.

4. Система дизельного двигателя по п.3, содержащая сажевый фильтр (СФ) для дизельного двигателя, расположенный по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем перепускная линия подсоединена к выпускной линии по потоку ниже СФ, и нагревательное устройство, расположенное по потоку выше СФ и обеспечивающее нагрев отработавших газов в выпускной линии для активной регенерации СФ, причем контроллер закрывает перепускной клапан, когда работает нагревательное устройство.

5. Система дизельного двигателя по п.1, в которой по меньшей мере одно рабочее условие представляет собой работу на топливе, по меньшей мере одна характеристика которого находится за пределами диапазона характеристик.

6. Система дизельного двигателя по п.1, содержащая орган управления оператора для передачи в контроллер сигнала, указывающего на то, что по меньшей мере одно рабочее условие достигло заданного рабочего условия.

7. Система дизельного двигателя по п.1, в которой перепускной клапан может переключаться только между полностью открытым и полностью закрытым положениями.

8. Система дизельного двигателя по п.1, в которой устройство снижения уровня выбросов NO_x содержит блок селективного каталитического восстановления.

9. Система дизельного двигателя по п.1, в которой устройство снижения уровня выбросов NO_x содержит улавливатель NO_x с низкой концентрацией.

10. Система дизельного двигателя, содержащая:

дизельный двигатель;

устройство снижения уровня выбросов NO _x, расположенное по потоку ниже двигателя;

выпускную линию между двигателем и устройством снижения уровня выбросов NO_x;

перепускную линию, первый конец которой подсоединен к выпускной линии по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем в перепускной линии отсутствует какое-либо устройство снижения уровня выбросов NO_x;

перепускной клапан, соединяющий выпускную линию и перепускную линию с возможностью пропуска потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO _x, когда он находится в открытом положении, и предотвращения прохождения потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO_x с пропуском потока через выпускную линию в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении; и

контроллер, обеспечивающий управление открытием и закрытием перепускного клапана, когда температура газов в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину.

11. Система дизельного двигателя по п.11, содержащая сажевый фильтр (СФ) для дизельного двигателя, расположенный по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем перепускная линия подсоединена к выпускной линии по потоку ниже СФ, и нагревательное устройство, расположенное по потоку выше СФ и обеспечивающее нагрев отработавших газов в выпускной линии для активной регенерации СФ, причем контроллер закрывает перепускной клапан, когда работает нагревательное устройство.

12. Способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, включающий:

эксплуатацию дизельного двигателя в различных рабочих условиях;

выпуск отработавших газов из двигателя в выпускную линию, расположенную по потоку ниже двигателя, причем в выпускной линии по потоку ниже двигателя расположено устройство снижения уровня выбросов NO_x и к выпускной линии подсоединен первый конец перепускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, и при этом в перепускной линии отсутствует какое-либо устройство снижения уровня выбросов NO _x, и имеет датчик для определения по меньшей мере одного рабочего условия, расположенный по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x и выполненный с возможностью передачи в контроллер сигнала, указывающего на то, что по меньшей мере одно рабочее условие достигло заданного рабочего условия;

перемещение перепускного клапана, соединяющего выпускную линию и перепускную линию, между открытым и закрытым положениями, причем перепускной клапан пропускает поток отработавших газов через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO _x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO_x, пропуская поток через выпускную линию в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении;

закрытие перепускного клапана, когда по меньшей мере одно из рабочих условий достигает заданного рабочего условия.

13. Способ по п.12, в котором по меньшей мере одно рабочее условие представляет собой работу двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x и обеспечивается закрытие перепускного клапана, когда двигатель работает на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x.

14. Способ по п.12, в котором обеспечивается закрытие перепускного клапана, когда температура газов в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину.

15. Способ по п.14, в котором используют сажевый фильтр (СФ) для дизельного двигателя, расположенный по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем перепускная линия подсоединена к выпускной линии по потоку ниже СФ, и нагревательное устройство, расположенное по потоку выше СФ, которое обеспечивает нагрев отработавших газов в выпускной линии для активной регенерации СФ, причем обеспечивают закрытие перепускного клапана, когда работает нагревательное устройство.

16. Способ по п.12, в котором по меньшей мере одно рабочее условие представляет собой работу двигателя на топливе, по меньшей мере одна характеристика которого находится за пределами диапазона характеристик, и обеспечивают закрытие перепускного клапана, когда двигатель работает на топливе, по меньшей мере одна характеристика которого находится за пределами диапазона характеристик.

17. Способ по п.12, в котором перепускной клапан перемещают только в полностью открытое или полностью закрытое положение.

18. Способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, включающий:

эксплуатацию дизельного двигателя в различных рабочих условиях;

выпуск отработавших газов из двигателя в выпускную линию, расположенную по потоку ниже двигателя, причем в выпускной линии по потоку ниже двигателя расположено устройство снижения уровня выбросов NO_x, и к выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x подсоединен первый конец перепускной линии, и при этом в перепускной линии отсутствует какое-либо устройство снижения уровня выбросов NO_x;

перемещение перепускного клапана, соединяющего выпускную линию и перепускную линию между открытым и закрытым положениями, причем перепускной клапан обеспечивает прохождение потока отработавших газов через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока через выпускную линию в устройство снижения уровня выбросов NO _x, пропуская поток через выпускную линию в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении;

закрытие перепускного клапана, когда температура газа в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину.

19. Способ по п.18, в котором используют сажевый фильтр (СФ) для дизельного двигателя, расположенный по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x, причем перепускная линия подсоединена к выпускной линии по потоку ниже СФ, и нагревательное устройство, расположенное по потоку выше СФ, которое обеспечивает нагрев отработавших газов в выпускной линии для активной регенерации СФ, причем обеспечивают закрытие перепускного клапана, когда работает нагревательное устройство.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к системам дизельных двигателей и к способам обработки отработавших газов дизельного двигателя, в частности к таким системам и способам, в которых отработавшие газы могут выпускаться в обход устройств снижения уровня выбросов NO _x.

Уровень техники

В США предложены строгие нормативные требования к уровню выбросов вредных веществ дизельными двигателями. Например, в Калифорнии предложены нормативные положения, которые запрещают работу двигателя на холостых оборотах более 5 минут, если уровень выбросов NO_x двигателя превышает 30 г/час.

Для соблюдения таких требований на некоторых транспортных средствах реализуется режим работы на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x , при котором не допускается превышение указанного уровня 30 г/час. Хотя конкретные условия работы (рабочие условия) двигателей, связанные с низким уровнем выбросов NO_x на холостых оборотах, могут меняться от одного транспортного средства к другому, однако такие условия обычно включают работу двигателя с небольшой нагрузкой и на малых оборотах, порядка 700 об/мин. Кроме того, может использоваться система рециркуляции отработавших газов (РОГ) с низким уровнем. Другие рабочие условия могут включать прогрев двигателя, парковку транспортного средства и работу на высоте, не превышающей некоторую величину, например, 6000 футов.

При работе на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NOx температура отработавших газов слишком мала, и устройства снижения уровня выбросов NO_x, такие как, например, блок селективного каталитического восстановления (СКВ) или улавливатель NO_x с низкой концентрацией, не могут работать эффективно. Автор изобретения обнаружил, что при работе двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x обычно образуются малые количества углеводородов, которые при длительной работе могут накапливаться в устройстве снижения уровня выбросов NO _x и выводить его из строя, и поэтому в настоящем изобретении предлагается в режиме работы двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x отводить отработавшие газы в обход устройства снижения уровня выбросов NO_x . Автор изобретения также обнаружил, что перепускная система позволяет защитить устройство снижения уровня выбросов NO _x, когда, например, в сажевом фильтре (СФ) для дизельного двигателя используется экзотермическая регенерация (обеспечиваемая, например, путем нагрева отработавших газов нагревателем, расположенным по потоку выше СФ), и температура отработавших газов в этом случае может быть слишком высока для устройства снижения уровня выбросов NO_x. Кроме того, автор изобретения обнаружил, что перепускная система позволяет защитить устройство снижения уровня выбросов NO_x в случаях, когда в связи с одним или с несколькими условиями работы двигателя или с характеристиками отработавших газов, может оказаться необходимым исключить прохождение отработавших газов через устройства снижения уровня выбросов NO_x.

В настоящем изобретении предлагается система дизельного двигателя, содержащая: дизельный двигатель, который может работать в различных рабочих условиях; устройство снижения уровня выбросов NO_x, расположенное по потоку ниже двигателя; выпускную линию между двигателем и устройством снижения уровня выбросов NO_x; перепускную линию, первый конец которой подсоединен к выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x; и перепускной клапан, соединяющий выпускную линию и перепускную линию, причем перепускной клапан пропускает поток отработавших газов из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO _x, пропуская поток из выпускной линии в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении. В системе используется контроллер (блок управления) для управления открытием и закрытием перепускного клапана, когда по меньшей мере одно из рабочих условий достигает заданного рабочего условия.

В настоящем изобретении предлагается еще одна система дизельного двигателя, содержащая: дизельный двигатель; устройство снижения уровня выбросов NO_x, расположенное по потоку ниже двигателя; выпускную линию между двигателем и устройством снижения уровня выбросов NO_x; перепускную линию, первый конец которой подсоединен к выпускной линии по потоку ниже двигателя и выше устройства снижения уровня выбросов NO_x; и перепускной клапан, соединяющий выпускную линию и перепускную линию, причем перепускной клапан пропускает поток отработавших газов из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO _x, пропуская поток из выпускной линии в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении. В системе используется контроллер, который обеспечивает управление открытием и закрытием перепускного клапана, когда температура отработавших газов в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину.

В настоящем изобретении также предлагается способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, включающий: эксплуатацию дизельного двигателя в различных рабочих условиях; выпуск отработавших газов из двигателя в выпускную линию, расположенную по потоку ниже двигателя, причем в выпускной линии по потоку ниже двигателя расположено устройство снижения уровня выбросов NO_x , и к выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x подсоединен первый конец перепускной линии; перемещение перепускного клапана, соединяющего выпускную линию и перепускную линию, между открытым и закрытым положениями, причем перепускной клапан пропускает поток отработавших газов из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO _x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO_x, пропуская поток из выпускной линии в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении; и закрытие перепускного клапана, когда по меньшей мере одно из рабочих условий достигает заданного рабочего условия.

В настоящем изобретении предлагается еще один способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, включающий: эксплуатацию дизельного двигателя в различных рабочих условиях; выпуск отработавших газов из двигателя в выпускную линию, расположенную по потоку ниже двигателя, причем в выпускной линии по потоку ниже двигателя расположено устройство снижения уровня выбросов NO_x , и к выпускной линии подсоединен по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x первый конец перепускной линии; перемещение перепускного клапана, соединяющего выпускную линию и перепускную линию, между открытым и закрытым положениями, причем перепускной клапан пропускает поток отработавших газов из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство снижения уровня выбросов NO_x, пропуская поток из выпускной линии в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении; и закрытие перепускного клапана, когда температура отработавших газов в выпускной линии по потоку выше устройства снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину.

Краткое описание чертежей

Особенности и положительные качества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием со ссылками на чертеж, на котором показана блок-схема системы дизельного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

На фигуре представлена блок-схема системы 21 дизельного двигателя в соответствии с настоящим изобретением. Система 21 содержит дизельный двигатель 23, который может работать в различных рабочих условиях. Система также содержит устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, такое как блок селективного каталитического восстановления (СКВ) или улавливатель NO _x, расположенное по потоку ниже двигателя 23, и линию 27 выпуска отработавших газов, расположенную между двигателем и устройством снижения уровня выбросов NO_x.

К выпускной линии 27 по потоку выше устройства 25 снижения уровня выбросов NOx подсоединен первый конец 31 перепускной линии 29. Выпускная линия 27 соединяется с перепускной линией 29 с помощью перепускного клапана 33. Перепускной клапан 33 направляет поток отработавших газов из выпускной линии 27 в устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, направляя поток из выпускной линии в перепускную линию 29, когда он находится в закрытом положении. Обычно перепускной клапан 33 не пропускает поток отработавших газов в перепускную линию 29, когда он находится в открытом положении. Обычно перепускной клапан 33 должен находиться в полностью открытом или в полностью закрытом положении, когда весь поток, поступающий в перепускной клапан, будет поступать, соответственно, либо в устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, либо в перепускную линию 29. Однако, если необходимо, чтобы меньше 100% потока отработавших газов, поступающего в перепускной клапан 33 из выпускной линии 29, поступало в устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x и/или меньше 100% потока отработавших газов поступало в перепускную линию, то может использоваться перепускной клапан, которые может быть установлен в промежуточное положение между полностью открытым и полностью закрытым положениями.

Для управления открытием и закрытием перепускного клапана 33, когда по меньшей мере одно из рабочих условий достигает заданного рабочего условия, может использоваться контроллер 35. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения по меньшей мере одно рабочее условие может включать работу двигателя 23 на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x , определяемую для целей настоящего изобретения, как работа двигателя с достаточно малой нагрузкой и на таких оборотах, при которых уровень выбросов NO_x через 3 минуты работы на холостых оборотах не превышает 30 г/час. Контроллер 35 может быть выполнен с возможностью закрытия перепускного клапана 33, когда двигатель 23 работает при вышеуказанных условиях низкого уровня выбросов NO_x на холостых оборотах.

Контроллер 35 может быть выполнен (в дополнение к вышеуказанной возможности или вместо нее) с возможностью управления открытием и закрытием перепускного клапана 33, когда температура отработавших газов в выпускной линии 27 по потоку выше устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину. Например, система 21 может содержать СФ 37 по потоку ниже дизельного двигателя 23 и выше устройства 25 снижения уровня выбросов NOx, причем перепускная линия 29 может быть соединена с выпускной линией 27 через перепускной клапан по потоку ниже СФ, и по потоку выше СФ может быть установлено нагревательное устройство 39, обеспечивающее нагрев газа в выпускной линии для активной регенерации СФ. Контроллер 35 может быть выполнен таким образом, чтобы он закрывал перепускной клапан 33, когда работает нагревательное устройство 39. Контроллер 35 может открывать и закрывать перепускной клапан 33 независимо от каких либо условий работы двигателя.

Контроллер 35 может быть выполнен (в дополнение к вышеуказанной возможности или вместо нее) с возможностью управления открытием и закрытием перепускного клапана 33, когда по меньшей мере одно. рабочее условие представляет собой использование топлива, по меньшей мере одна характеристика которого выходит за пределы диапазона характеристик. Например, двигатель 23 может работать на топливе с низким или с высоким содержанием серы, однако при работе на топливе с высоким содержанием серы может быть повреждено устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x.

Для определения по меньшей мере одного рабочего условия, например, работы на топливе с высоким содержанием серы, может использоваться датчик 41. Датчик 41 может быть выполнен таким образом, чтобы он передавал в контроллер 35 сигнал, указывающий на то, что по меньшей мере одно рабочее условие достигло заданного рабочего условия, например, началась работа на топливе с высоким содержанием серы. Получив этот сигнал, контроллер 35 может дать команду на закрытие перепускного клапана 33, чтобы поток отработавших газов проходил в обход устройства 25 снижения уровня выбросов NO _x. Могут использоваться и другие датчики для определения других рабочих условий, например, таких, при которых осуществляется работа двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x.

Для получения другой информации, кроме информации об условиях работы двигателя, например, характеристик отработавших газов, таких как температура, может использоваться также датчик 43, установленный по потоку ниже двигателя 23, который передает соответствующий сигнал в контроллер 35, обеспечивающий закрытие перепускного клапана 33, так чтобы поток отработавших газов проходил в обход устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x. Например, в процессе активной регенерации СФ 37 нагревательное устройство 39 может нагревать отработавшие газы до температуры, превышающей температуры безопасной работы устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x. Датчик 43 может определять, что температура превысила некоторое заданное значение, лежащее ниже температуры, при которой можно ожидать повреждения устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x , и передает сигнал в контроллер 35, чтобы перепускной клапан 33 был закрыт для предотвращения повреждения устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x.

Может использоваться орган 45 управления оператора, такой как переключатель или кнопочный пульт для передачи в контроллер 35 сигнала, указывающего, что по меньшей мере одно рабочее условие достигло заданного рабочего условия, чтобы перепускной клапан 33 был закрыт для направления потока отработавших газов в перепускную линию 29, в обход устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x. Орган 45 управления оператора может быть задействован вручную оператором, например, когда ему известно, что должна начаться работа на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x, когда должна начаться активная регенерация СФ 37, или должна начаться работа двигателя на топливе с высоким содержанием серы. Рабочие условия и характеристики отработавших газов, при которых в обычных условиях необходимо будет пускать поток отработавших газов в обход устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x, конечно не ограничивается указанными условиями и характеристиками.

В предлагаемом в настоящем изобретении способе обработки отработавших газов дизельного двигателя 23, который может работать в различных рабочих условиях, отработавшие газы выходят из двигателя и проходят через выпускную линию 27, расположенную по потоку ниже двигателя, через устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, расположенное в выпускной линии по потоку ниже двигателя, и через перепускную линию 29, первый конец 31 которой подсоединен к выпускной линии по потоку выше устройства 25 снижения уровня выбросов NO _x. Перепускной клапан 33, соединяющий выпускную линию 27 и перепускную линию 29, может перемещаться между открытым и закрытым положениями, и он обеспечивает прохождение потока отработавших газов, выходящих из выпускной линии, через устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, когда он находится в открытом положении, и предотвращает прохождение потока из выпускной линии в устройство 25 снижения уровня выбросов NO_x, направляя поток из выпускной линии в перепускную линию, когда он находится в закрытом положении.

Перепускной клапан 33 может быть закрыт контроллером 35 или вручную с помощью органа 45 управления оператора, когда по меньшей мере одно рабочее условие из нескольких рабочих условий достигает заданного рабочего условия, например, заданного рабочего условия, представляющего собой работу двигателя на холостых оборотах с низким уровнем выбросов NO_x или работу двигателя на топливе с высоким содержанием серы. Перепускной клапан 33 также может быть закрыт (в дополнение к вышеуказанной возможности или вместо нее), контроллером 35 или вручную с помощью органа 45 управления оператора, когда температура отработавших газов в выпускной линии по потоку выше устройства 25 снижения уровня выбросов NO_x превышает заданную величину, или когда работает нагревательное устройство 39, обеспечивающее активную регенерацию СЖ 37.

В настоящем описании такие слова, как "включающий", используются в широком смысле так же, как и такие слова, как "содержащий", и не исключают наличия других структур, материалов или действий. Аналогично, такие слова, как "может" используются в настоящем описании в широком смысле и означают, что указанные структуры, материалы или действия не являются необходимыми, и если такие слова не используются, то это не означает, что указанные структуры, материалы или действия являются существенными. Если структуры, материалы или действия являются существенными, то это указывается в описании в явной форме.

Изобретение иллюстрируется в настоящем описании на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления, однако при этом следует иметь в виду, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации без выхода за пределы объема изобретения, определяемого нижеприведенной формулой.