RZECZPO SPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 172092 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21)N um er zgłoszenia 301097 (22) D ata zgłoszenia: 19.11.1993 (51) Int.Cl.6: F01N 9/00 F02D 45/00 (54) Układ regeneracji filtra spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym ( 4 3 ) Zgłoszenie ogłoszono: 29.05.1995 BUP 11/95 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL (72) Twórca wynalazku: Zdzisław Nagórski, Ursus, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.08.1997 WUP 08/97 (74) Pełnomocnik: Woźnicki Jerzy, Politechnika Warszawska PL 172092 B1 (57) Układ regeneracji filtra spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym, wykorzystujący w procesie regeneracji grzałkę elektryczną, znamienny tym, że grzałka (7) zespolona z filtrem (8) jest zasilana z prądnicy (6) połączonej mechanicznie, korzystnie poprzez multiplikator (5), z układem przeniesienia napędu, zwłaszcza na wale wyjściowym skrzyni biegów (3), przy czym w obwodzie wzbudzenia prądnicy (6) włączony jest regulator obciążenia (9) sprzężony z układem hamulcowym (10), korzystnie poprzez pedał hamulca (11). FIG.1
Układ regeneracji filtra spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym Zastrzeżenia patentowe Układ regeneracji filtra spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym, wykorzystujący w procesie regeneracji grzałkę elektryczną, znamienny tym, że grzałka (7) zespolona z filtrem (8) jest zasilana z prądnicy (6) połączonej mechanicznie, korzystnie poprzez multiplikator (5), z układem przeniesienia napędu, zwłaszcza na wale wyjściowym skrzyni biegów (3), przy czym w obwodzie wzbudzenia prądnicy (6) włączony jest regulator obciążenia (9) sprzężony z układem hamulcowym (10), korzystnie poprzez pedał hamulca (11). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że regulator obciążenia (9) połączony jest z czujnikiem temperatury grzałki (7) i/lub filtra (8) 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy układem przeniesienia napędu a prądnicą (6) włączony jest zespół sprzęgła (12) połączony z wałem wyjściowym silnika (1). 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że zespół sprzęgła (12) połączony jest z regulatorem obciążenia (9) poprzez zespół sterowania regeneracją (13). * * * Przedmiotem wynalazku jest układ regeneracji filtra spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym, przeznaczony do stosowania w układzie wylotowym silnika, zwłaszcza w pojazdach municypalnych (transport miejski) oraz w pojazdach z hybrydowym układem napędowym. Regeneracja samochodowych filtrów spalin, stosowanych w urządzeniach ograniczających emisję cząstek stałych instalowanych w układach wylotowych silników o zapłonie samoczynnym, polega na okresowym wypalaniu zgromadzonych w filtrze cząstek stałych, w tym głównie sadzy. Proces regeneracji przywraca filtrowi właściwości filtracyjne. Zwykle do regeneracji filtrów spalin silników stacyjnych oraz w przypadku filtrów wypalanych w specjalnych piecach wykorzystuje się energię elektryczną pobieraną z sieci. Źródłem ciepła jest wtedy grzałka elektryczna umieszczona w sąsiedztwie filtra, od której przejmuje on ciepło drogą konwekcji i radiacji. Jak dotąd nie ma jednak rozwiązań wykorzystujących energię elektryczną do regeneracji filtrów spalin w układach wylotowych silników podczas bieżącej eksploatacji. Przy rosnącym deficycie paliw węglowodorowych i rosnących wymaganiach ekologicznych, należy się liczyć ze stopniową hybrydyzacją układów napędowych pojazdów i częściowym przejęciem funkcji napędowo-hamujących przez urządzenia elektryczne. W tej koncepcji podstawowym źródłem energii elektrycznej wykorzystywanej podczas regeneracji jest rekuperacja energii kinetycznej pojazdu w okresach hamowania jego ruchu. Ewentualny niedobór energii potrzebnej do zregenerowania filtra może być uzupełniany z innych źródeł pojazdowych lub pozapojazdowych. Koncepcję tę realizuje układ według wynalazku, zaopatrzony w grzałkę elektryczną, która to grzałka podczas okresu celowej utraty energii przez pojazd lub maszynę roboczą, w szczególności podczas hamowania, stanowi obciążenie elektryczne prądnicy odbierającej energię rekuperacji z układu przeniesienia napędu. Prądnica zasilająca grzałkę jest połączona mechanicznie, korzystnie poprzez multiplikator, z układem przeniesienia napędu, zwłaszcza z wałem wyjściowym skrzyni biegów, przy czym w obwód wzbudzenia prądnicy włączony jest regulator obciążenia sprzężony z układem hamulcowym. Korzystnym jest także, gdy regulator obciążenia połączony jest z czujnikiem temperatury grzałki lub filtra.
172 092 3 W tym układzie regulator obciążenia sterowany jest sygnałami położenia pedału hamulca, a także sygnałami podawanymi z czujnika temperatury filtra lub grzałki. W korzystnej realizacji układu, pomiedzy układem przeniesienia napędu a prądnicą w ł ą c z o n y j e s t z e s p ó ł s p r z ę g ł a p o ł ą c z o n y z w a ł e m w y j ś c i o w y m s i l n i k a, p r z y c z y m z e s p ó ł s p r z ę g ł a j e s t p o ł ą c z o n y z r e g u l a t o r e m o b c i ą ż e n i a p r ą d n i c y p o p r z e z z e s p ó ł s t e r o w a n i a regeneracją. Układ ten pozwala na alternatywne przełączanie zasilania prądnicy z rekuperacyjnego na silnikowe. W przypadku, gdy cykl eksploatacyjny pojazdu charakteryzuje się znacznym udziałem okresów hamowania, podaż energii rekuperacji jest znaczna i może w całości pokryć potrzeby energetyczne procesu regeneracji filtra. W tym przypadku napęd prądnicy będzie pobierany tylko ze źródła rekuperacyjnego. Natomiast, gdy cykl ten nie gwarantuje pełnego zaspokojenia potrzeb energetycznych rekuperacji, tzn. gdy istnieje ryzyko niedoboru energii rekuperacji, właściwym będzie rekuperacyjno-silnikowe zasilanie filtra. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zaoszczędzenie znacznych ilości energii doprowadzanej z zewnątrz do procesu regeneracji, w znacznym stopniu zapewnia "samoobsługę" energetyczną tego procesu i nie ogranicza właściwości trakcyjnych pojazdu podczas procesu regeneracji filtra, co stanowi jedną z wad pozapojazdowych układów zasilania. Jednocześnie pozwala na lepsze operowanie zasobami energetycznymi pojazdu w celu zmniejszenia ekologicznej szkodliwości emitowanych z niego spalin. Układ według wynalazku, z zasilaniem rekuperacyjnym lub rekuperacyjno-silnikowym, może, w zależności od aktualnego cyklu trakcyjnego, współpracować z pozapojazdowym układem zasilania w systemie zasilania mieszanego. Przykładowo, w pojazdach takich jak autobusy miejskie, których cykl eksploatacyjny przewiduje okresowe przerwy w ruchu, zasilanie pozapojazdowe może być oparte na sieci stacjonarnych podstacji elektrycznych, które pozwolą na okresowe podłączenie grzałki filtra i częściowe lub całkowite jego zregenerowanie. Ten sposób zasilania procesu regeneracji może być zastosowany w każdym pojeździe bez konieczności przeprowadzenia poważniejszych zmian konstrukcyjnych, poza zainstalowaniem filtra ogrzewanego elektrycznie i dwustanowego czujnika jego drożności. W mieszanym systemie zasilania zespoły grzewcze filtrów powinny mieć standardowe parametry elektryczne umożliwiające podłączenie do jednego z układów zasilania, pojazdowego lub pozapojazdowego. Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest na podstawie przykładu wykonania uwidocznionego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu rekuperacyjnego, a fig. 2 - schemat układu rekuperacyjno-silnikowego. Układ przedstawiony na fig. 1 składa się z silnika 1 i układu przeniesienia napędu złożonego ze sprzęgła 2, skrzyni biegów 3 i tylnego mostu 4 z wałem przegubowym. Wał wyjściowy skrzyni biegów 3 sprzężony jest trwale poprzez multiplikator 5 z prądnicą 6, która zasila grzałkę 7 zespoloną z filtrem spalin 8. Ponadto układ wyposażony jest w regulator obciążenia 9 prądnicy 6, który sterowany jest sygnałami temperatury filtra 8 podawanymi z czujnika 14 oraz sygnałami położenia pedału hamulca 11. Podczas hamowania pojazdu energia rekuperacji odbierana jest z wału wyjściowego skrzyni biegów 3 przez prądnicę 6. Obwód wzbudzenia prądnicy 6 zasilany jest od chwili rozpoczęcia wciskania pedału hamulca 11, aż do wyłączenia przez regulator obciążenia 9. Regulator ten sprawia, że w początkowej fazie pojazd hamowany jest tylko elektrycznie, aż do osiągnięcia przez prądnicę 6 mocy wymaganej do regeneracji filtra 8. Przy bardziej intensywnym hamowaniu nadwyżkę mocy hamowania, ponad maksymalną moc prądnicy 6, przejmują hamulce mechaniczne 10. Przebieg rekuperacji energii kontrolowany jest przez regulator obciążenia 9 prądnicy 6, którego sygnał wykonawczy zależy między innymi od temperatury grzałki 7 lub filtra 8. W kolejnych cyklach hamowania energia rekuperacji jest akumulowana, zwłaszcza w pojemności cieplnej dobrze izolowanego cieplnie filtra 8, stopniowo podnosząc jego temperaturę do wymaganej wartości. Układ przeznaczony jest głównie dla systemów z dwoma filtrami (system duplex - jeden filtr filtruje spaliny, a drugi jest regenerowany); nic nie stoi na przeszkodzie aby
4 172 092 zasilanie rekupreacyjne wykorzystywać do regeneracji systemów z jednym filtrem (system simplex - bieżące filtrowanie spalin i okresowa jednoczesna regeneracja). W przypadkach, gdy rekuperacja energii (której skumulowany zasób zależy od przebiegu cyklu trakcyinego pojazdu) nie jest w stanie pokryć zapotrzebowania energetycznego procesu regeneracji filtra spalin, przewiduje się jej uzupełnienie ze źródła energii, jakim jest silnik pojazdu. Układ realizujący tą koncepcję, przedstawiony na fig. 2, w porównaniu z układem przedstawionym na fig. 1 posiada zespół sprzęgła 12, który alternatywnie pozwala napędzać prądnicę 6 od wału skrzyni biegów 3 lub od wału silnika 1, oraz zespół sterowania regeneracją 13, załączający poprzez zespół sprzęgła 12 zasilanie silnikowe bądź rekuperacyjne. W okresie hamowania układ ten pracuje identycznie jak układ rekuperacyjny z fig. 1; w tym czasie silnik 1 pracuje na biegu jałowym. Gdy odzyskana ilość energii okaże się niewystarczająca, co może mieć miejsce zwłaszcza w systemach typu simplex, zespół sterowania regeneracją 13 włącza opcję "zasilania silnikowe" Podczas trwania tej opcji bilans energetyczny regeneracji uzupełniany jest energią wytworzoną przez silnik 1 w okresach jego pracy bez obciążenia (na przykład:postój pojazdu na światłach, jazda na biegu jałowym, postój na przystankach) lub pod obciążeniem trakcyjnym (niewielkie "dociążenie" silnika energią pobieraną przez prądnicę). Realizacja tej opcji wymaga odłączania napędu prądnicy 6 od wału skrzyni biegów 3 i podłączania poprzez zespół sprzęgła 12 do wału silnika 1; w tych warunkach silnik spalinowy służy do napędu pojazdu lub prądnicy 6. W przypadku "dociążenia" prądnicą 6 silnika 1 pracującego nabiegu jałowym (moc prądnicy 6 nie przekracza kilku procent mocy znamionowej silnika 1), korzystnie wzrasta średnia temperatura silnika i spalin (zmniejsza się zapotrzebowanie mocy na dogrzanie filtra) oraz, co jest wadą, wzrasta masa spalin, masa cząstek stałych oraz zużycie paliwa. Ponieważ sprawność transformacji energii paliwa na energię elektryczną jest w tym przypadku niska, stąd udział opcji "zasilanie silnikowe" w procesie regeneracji filtra należy ograniczać do niezbędnego minimum. W przypadku "dociążenia" prądnicą 6 silnika 1 obciążonego trakcyjnie, nieco poprawia się sprawność transformacji energii ale komplikuje się układ przeniesienia napędu. Przełączeniem napędu prądnicy z rekuperacyjnego na silnikowy steruje regulator obciążenia 9. Zanik mocy rekuperacyjnej (np. w wyniku zatrzymania pojazdu) powoduje automatyczne przełączenie napędu prądnicy 6 na silnikowy. W przypadku wersji silnika dociążonego na biegu jałowym stan ten trwa do chwili naciśnięcia pedału przyśpieszenia. Wówczas prądnica 6 zostaje odłączona od napędu silnikowego i przechodzi w stan postoju. Jej ponowne połączenie z wałem wyjściowym skrzyni biegów 3 następuje w chwili naciśnięcia pedału hamulca 11. W przypadku napędu prądnicy 6 od wału silnika 1 obciążonego trakcyjnie, silnik ten powinien być dociążony w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na moc trakcyjną. Takie dociążenie silnika 1 mocą prądnicy 6 przyczynia się do stabilizacji jego parametrów roboczych w obszarze obciążeń, które przykładowo mogłyby odpowiadać najmniejszemu jednostkowemu zużyciu paliwa lub najmniejszym stężeniom cząstek stałych w spalinach. Przy znacznym wzroście zapotrzebowania na moc trakcyjną zespół sterowania regeneracją 13 odłącza prądnicę 6 (elektrycznie lub mechanicznie) tak, aby pojazd dysponował wymaganą mocą silnika. Przedstawione układy przeznaczone są przede wszystkim dla grupy pojazdów i maszyn roboczych, których cykl eksploatacyjny charakteryzuje się częstymi zmianami obciążenia silnika i znaczną ilością okresów celowej utraty energii, na przykład hamowania pojazdu albo opuszczania ciężaru przez dźwig. Mogą być także stosowane w pojazdach o innym cyklu eksploatacyjnym, jednak wówczas należy liczyć się ze zmniejszeniem efektywności energetycznej tego typu systemów zasilania.
172 092
172 092 FIG.1 FIG.2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł