Способ обнаружения ненормально частой регенерации дизельного сажевого фильтра, система последующей обработки отработавших газов, система и способ предупреждения - RU2611546C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение, и его сущность

Настоящее изобретение относится к двигателям и к системам последующей обработки отработавших газов и, более конкретно, к способам и к устройствам для обнаружения слишком частой регенерации сажевого фильтра дизельного двигателя.

Уровень техники

Современные дизельные двигатели обычно снабжены дизельным сажевым фильтром (ДСФ или DPF - от англ. "diesel particulate filter") для улавливания твердых частиц, таких как несгоревшие углеводороды в потоке отработавших газов двигателя. По мере накопления сажи в ДСФ возникает необходимость в ее удалении, которое обычно осуществляется с использованием процесса, называемого регенерацией. Существуют два основных механизма регенерации, которые могут использоваться: окисление сажи кислородом ((С+О₂→СО₂) и/или (2С+О₂→2СО)), указываемое как регенерация на основе О₂, и окисление сажи диоксидом азота ((С+2NO₂→СO₂+2NO) и/или (С+NO₂→СО+NO)), указываемое как регенерация на основе NO₂. В заявке US №12/864,328 "Способ и устройство регенерации дизельного сажевого фильтра с каталитическим покрытием путем активной регенерации диоксидом азота с усовершенствованной подачей диоксида азота" и в заявке US №12/864,330 "Способ и устройство регенерации на основе диоксида азота дизельных сажевых фильтров с использованием рециркулируемых оксидов NO_x", вводимых в настоящую заявку ссылкой, описывается моделирование для расчета аккумулирования сажи в ДСФ. Регенерация кислородом обычно указывается как "активная" регенерация, поскольку она обычно включает использование дополнительного тепла для сжигания сажи, накопленной в ДСФ, хотя эта регенерация частично происходит и в процессе нормальной работы двигателя и системы последующей обработки отработавших газов (ПООГ). Регенерация диоксидом азота обычно указывается как "пассивная" регенерация, и она представляет собой основной механизм, посредством которого ДСФ непрерывно регенерируется в процессе нормальной работы двигателя и системы ПООГ.

Накопление сажи в фильтре зависит от количества сажи, выбрасываемой двигателем, а также от каталитической активности компонентов системы ПООГ, таких как блок дизельного катализатора окисления (ДКО) и ДСФ, и от других факторов, таких как температура отработавших газов и уровни содержания оксидов NO_x. В различных рабочих режимах, таких как, например, нормальное движение по автостраде грузового автомобиля с дизельным двигателем, пассивная регенерация может предотвращать существенное накопление сажи в ДСФ, и в этом случае может не возникать необходимость в активной регенерации. При менее благоприятных условиях, таких как работа, например, с пониженной температурой отработавших газов, сажа будет интенсивно накапливаться в ДСФ, и в этом случае будет необходима его активная регенерация.

Один из способов определения необходимости активной регенерации заключается в измерении падения давления на ДСФ и вычислении степени его заполнения сажей в соответствии с падением давлением при определенной температуре и массовом расходе отработавших газов двигателя. Если степень заполнения сажей, полученной на основе падения давления на ДСФ, превышает заданное пороговое значение, вырабатывается команда на запуск активной регенерации.

По мнению авторов изобретения, слишком частая регенерация может быть признаком проблемы, обычно связанной с чрезмерными выбросами сажи двигателем или с ухудшением каталитической активности блока ДКО, хотя частая регенерация может быть вызвана и другими факторами, такими как ухудшение каталитической активности ДСФ или уменьшение его эффективного объема (например, когда ДСФ заполнен золой). Если такие проблемы не идентифицировать, это может иметь катастрофические последствия для двигателя или привести к отравлению катализатора.

В настоящее время слишком частая регенерация определяется путем сравнения фактической частоты регенерации с расчетной частотой, то есть с заданным временным интервалом. Однако, как уже отмечалось, в некоторых режимах регенерация фильтра вообще может быть не нужна, а в других режимах регенерация может быть необходима каждые несколько дней. Эти колебания затрудняют использование критерия, связанного с одним конкретным временным интервалом, для определения нормальной частоты регенерации ДСФ, поскольку один интервал может быть слишком мал в случае эксплуатации грузового автомобиля в основном на автостраде, и слишком большим для случая работы с частыми остановками и троганиями автомобиля.

Имеется потребность в способе и устройстве, которые могут надежно обеспечить определение ситуации, когда регенерация ДСФ происходит слишком часто. Желательно, чтобы в таком способе и в устройстве использовалось минимальное количество дополнительного оборудования. Кроме аргументов, связанных с возможностью повреждения двигателя или катализатора, следует также учитывать, что необходимость выявления слишком частой регенерации ДСФ связана с законодательными актами, такими как Кодекс норм Калифорнии: CCR, 1971.1 (e)(8.2.2) "Частая регенерация", Свод федеральных нормативных актов: CFR, часть 86.010-18, абзац (g)(8)(ii)(B) "Частота регенерации ДСФ".

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ обнаружения ненормально частой регенерации дизельного сажевого фильтра (ДСФ). Способ включает: измерение падения давления на ДСФ и использование измеренной величины для получения расчетной степени заполнения (ДСФ) сажей (твердыми частицами) на основе падения давления; вычисление содержания сажи в отработавших газах с помощью модели двигателя и использование вычисленной величины для получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе уровня выбросов сажи; сравнение расчетной степени заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи; и обеспечение предупреждающего сигнала, если разница между расчетной степенью заполнения сажей на основе падения давления и расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину.

В изобретении также предлагается способ обнаружения возможной неисправности дизельного двигателя или блока ДКО. Способ включает: измерение падения давления на ДСФ и использование измеренной величины для получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе падения давления; вычисление содержания сажи в отработавших газах с помощью модели двигателя и использование вычисленной величины для получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе уровня выбросов сажи; сравнение расчетной степени заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи; и проверку работоспособности дизельного двигателя и исправности блока ДКО, если разница между расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину.

В изобретении также предлагается дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов (ПООГ), который содержит выпускной коллектор, блок ДКО, расположенный ниже выпускного коллектора дизельного двигателя по потоку, ДСФ, расположенный ниже блока ДКО по потоку, датчики измерения падения давления на ДСФ и контроллер. Контроллер выполнен с возможностью: получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе измеренного падения давления; получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе уровня выбросов сажи, полученного с использованием модели двигателя; сравнения расчетной степени заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи; и обеспечения предупреждающего сигнала, если разница между расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину.

В изобретении также предлагается система предупреждения для дизельного двигателя с системой ПООГ, содержащей блок ДКО, расположенный ниже выпускного коллектора дизельного двигателя по потоку, и ДСФ, расположенный ниже блока ДКО по потоку. Система предупреждения содержит датчики измерения падения давления на ДСФ и контроллер, выполненный для: получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе измеренного падения давления; получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе уровня выбросов сажи, полученного с использованием модели двигателя; сравнения расчетной степени заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи; и обеспечения предупреждающего сигнала, если разница между расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину.

Краткое описание чертежей

Особенности и достоинства настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные номера указывают одинаковые элементы и на которых показано:

на фиг. 1 - схематический вид двигателя и системы последующей обработки отработавших газов по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 - графики иллюстрирующие, как расчетные степени заполнения ДСФ сажей, получаемые на основе давления и на основе уровня выбросов сажи, могут использоваться для определения ненормальной частоты регенерации ДСФ;

на фиг. 3 - блок-схема способа определения ненормальной частоты регенерации ДСФ.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведена блок-схема системы 21 дизельного двигателя с системой ПООГ в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель 21 имеет выпускной коллектор 23 и система ПООГ содержит блок ДКО 25, расположенный ниже выпускного коллектора по потоку, и ДСФ 27 ниже блока ДКО по потоку. Система ПООГ может включать устройство 28 рециркуляции отработавших газов (РОГ).

Датчики 29 обеспечивают измерение падения давления на ДСФ и передачу сигналов измерений в контроллер 31. Контроллер 31 может быть контроллером подходящего типа, таким как обычный центральный процессор, и выполнен для вычисления расчетной степени SLp заполнения ДСФ сажей на основе падения давления (ΔР) на нем. На расчетную степень SLp заполнения сажей ДСФ, полученную на основе падения давления, обычно влияют также и другие факторы, такие как измеренный массовый расход (

) отработавших газов и температура, например, блока ДКО и ДСФ, то есть, SLp=f(ΔP, , Т). Датчики 30 для измерения температуры, расходомеры 32 и другие аналогичные приборы могут быть установлены в различных точках системы ПООГ и двигателя 21 для измерения различных характеристик отработавших газов и могут передавать сигналы измерений в контроллер 31. В обычных моделях расчета степени заполнения ДСФ сажей на основе падения давления учитывается только падение давления, связанное с отложением слоя сажи в пористых каналах материала ДСФ. Однако слишком большие отложения сажи в порах материала ДСФ могут значительно увеличить сопротивление потоку, проходящему через ДСФ, что может быть источником существенных ошибок в расчетах степени заполнения ДСФ сажей.

Контроллер 31 также выполнен для вычисления расчетной степени SLc заполнения сажей ДСФ на основе уровня выбросов сажи, определяемых на модели двигателя. Как правило, вычисление количества сажи в отработавших газах осуществляется в модели двигателя с использованием одного или нескольких следующих параметров: число оборотов двигателя, отношение воздуха к топливу в смеси, использование устройства РОГ, угол зажигания (то есть, опережение или запаздывание впрыска топлива и/или его воспламенения относительно верхней мертвой точки), измеренная температура, такая как температура окружающего воздуха, температура на входе двигателя, температура отработавших газов, температура блока ДКО, температура на входе и на выходе ДСФ и измеренный уровень выбросов оксидов NO_x. Модель двигателя обычно обеспечивает также расчет количества сжигаемой сажи в процессе регенерации ДСФ с использованием NO₂ или О₂ и использование интенсивности удаления (сжигания) сажи для вычисления степени SLc заполнения фильтра сажей на основе уровня выбросов сажи. Следует понимать, что модели двигателя, обеспечивающие расчет степени заполнения фильтра сажей и/или интенсивности сжигания сажи, и используемые в них параметры варьируются в зависимости от двигателя и системы ПООГ и используемой конкретной модели.

Контроллер 31 выполнен также для сравнения расчетной степени SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи. Контроллер 31 является частью системы предупреждения, которая обеспечивает предупреждающий сигнал, например, путем включения светового индикатора 33 на панели приборов, если разница между расчетной степенью SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину. Превышение заданной величины может быть основанием для вывода о ненормально частой регенерации ДСФ, что может указывать на другие проблемы, в частности чрезмерный уровень выбросов сажи или выход из строя катализатора блока ДКО, и может использоваться для включения предупреждающего сигнала, такого как световой индикатор.

На фиг. 2 графически иллюстрируется, что возможная заданная величина может быть, например, временным интервалом Δt между моментом времени, когда расчетная степень SLp2 заполнения ДСФ сажей, полученная на основе падения давления, достигает предельной величины SLlim, и расчетным моментом времени, когда расчетная степень SLc заполнения ДСФ сажей, полученная на основе уровня выбросов сажи, достигнет предельной величины, или же разницей ΔSL между расчетной степенью SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, когда расчетная степень заполнения сажей, полученная на основе падения давления, достигнет предельной величины. Могут использоваться и другие способы определения чрезмерной разницы между расчетной степенью SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи (вместо или в дополнение к разнице по времени или по степени заполнения ДСФ сажей). На фиг. 2 графически иллюстрируется, что при нормально работающем двигателе и блоке ДКО со временем расчетная степень SLp заполнения ДСФ сажей, полученная на основе падения давления, и расчетная степень SLc заполнения ДСФ сажей, полученная на основе уровня выбросов сажи, сближаются. Следует понимать, что графики на фиг. 2 - это всего лишь иллюстрации, и они не представляют точные расчеты степени заполнения ДСФ сажей.

Когда разница между степенью SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, и степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину, оператор или технический специалист может осуществить проверку работы двигателя 21 и блока ДКО 25, или же может быть выполнена автоматизированная диагностика для определения того, что двигатель и блок ДКО работают надлежащим образом.

Обычно контроллер 31 выполняют таким образом, чтобы он осуществлял сравнение расчетной степени SLp заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степени SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе уровня выбросов вредных веществ, по меньшей мере, когда вычисленное значение SLp или SLc достигает заданной предельной величины SLlim, хотя контроллер может осуществлять непрерывное сравнение величин SLp и SLc и обеспечивать предупреждающий сигнал всякий раз, когда разница между ними превышает некоторую абсолютную или относительную величину степени заполнения ДСФ сажей, или же может быть выбран другой критерий разницы SLp и SLc. Контроллер 31 может быть выполнен для запуска процесса регенерации ДСФ, например, путем впрыска углеводородов выше ДСФ по потоку через так называемую "седьмую форсунку" 35, когда расчетная степень SLp заполнения ДСФ сажей, полученная на основе падения давления, достигает предельной величины SLlim. Можно ожидать, что когда возникают проблемы, связанные с увеличением уровня выбросов сажи двигателем или с нарушением работы катализатора блока ДКО, то расчетная степень SLp заполнения ДСФ сажей, полученная на основе падения давления, обычно будет достигать предельной величины SLlim раньше, чем расчетная степень SLc заполнения ДСФ сажей, полученная на основе уровня выбросов сажи.

На фиг. 3 приведена блок-схема способа обнаружения ненормально частой регенерации ДСФ 27. В соответствии с этим способом на стадии 100 измеряется падение давления на ДСФ 27, и измеренное падение давления используется для вычисления степени SLp заполнения ДСФ сажей.

На стадии 200 с помощью модели двигателя вычисляется количество сажи в отработавших газах двигателя, и эта величина используется для вычисления степени SLc заполнения ДСФ сажей. При вычислении величины SLc обычно будет учитываться также расчетное количество сажи, выжигаемой при регенерации ДСФ с использованием NO₂ и О₂. Как правило, количество сажи в отработавших газах и количество выжигаемой сажи вычисляется с использованием одного или нескольких следующих параметров: число оборотов двигателя, отношение воздуха к топливу в смеси, использование устройства РОГ, угол зажигания (то есть, опережение или запаздывание впрыска топлива и/или его воспламенения относительно верхней мертвой точки), измеренная температура, такая как температура окружающего воздуха, температура на входе двигателя, температура отработавших газов и измеренный уровень выбросов оксидов NO_x.

На стадии 300 расчетная степень SLp заполнения ДСФ сажей, полученная на основе падения давления, сравнивается с расчетной степенью SLc заполнения ДСФ сажей, полученной на основе выбросов сажи. Такое сравнение может осуществляться, когда величина SLp или SLc достигнет предельной величины SLlim степени заполнения ДСФ сажей, или в некоторый другой момент, или же непрерывно.

На стадии 400 вырабатывается предупреждающий сигнал, если разница между величинами SLp2 и SLc превышает предельную величину, например слишком большой промежуток Δt времени между моментами времени, когда величины SLp2 и SLc достигают предельной величины SLlim степени заполнения ДСФ сажей, или слишком большая разница между величинами SLp2 и SLc, когда величина SLp2 достигает предельной величины степени заполнения ДСФ сажей.

В настоящем описании такие указания, как "включающий", используются в широком смысле, так же, как и указания "содержащий", и не исключают наличия других структур, материалов или действий. Аналогично, хотя слово "может" используется в широком смысле для указания того, что некоторые структуры, материалы или действия не являются необходимыми, однако если такое слово не используется, это не означает, что некоторая структура, материал или действие является существенным признаком. В той степени, в которой структура, материал или действие в настоящее время считается существенным признаком, они указываются таковыми 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.

Реферат

Изобретение относится к системам обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. В настоящей заявке описывается способ обнаружения ненормально частой регенерации дизельного сажевого фильтра (ДСФ). Способ включает: измерение падения давления на ДСФ и использование измеренной величины для получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе падения давления; вычисление содержания сажи в отработавших газах с помощью модели двигателя и использование вычисленной величины для получения расчетной степени заполнения ДСФ сажей на основе уровня выбросов сажи; сравнение расчетной степени заполнения ДСФ сажей, полученной на основе падения давления, с расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи; и обеспечение предупреждающего сигнала, если разница между расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе падения давления, и расчетной степенью заполнения сажей, полученной на основе уровня выбросов сажи, превышает заданную величину. При использовании изобретения обеспечивается надежное определение аномально частой регенерации дизельного сажевого фильтра. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула