Способ и устройство для определения эффективности установки очистки отработавших газов - RU2672546C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу определения эффективности устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя внутреннего сгорания, в частности, для автомобилей, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для определения эффективности установки очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя внутреннего сгорания, в частности, для автомобилей, согласно ограничительной части п. 11 формулы изобретения.

Подобные устройства очистки отработавших газов для дизельных двигателей внутреннего сгорания, в частности, в автомобилях, применяются для управления и контроля системы из двух датчиков NOx, один из которых находится по потоку выше катализатора окисления, а второй установлен ниже по потоку за катализатором восстановления, и значения сигналов которых позволяют судить о концентрациях NO, NO₂ и NH₃ в отработавшем газе.

Известно, что скорость конверсии в катализаторах окисления и/или сажевых фильтрах может снизиться в результате старения или, при известных условиях, в результате сульфирования (при неподходящем топливе), при этом контроль этого снижения предпочтителен для определения необходимости замены деталей или для адаптации характеристических параметров управляющих устройств, характеристических кривых или поля характеристик электронного блока управления двигателем.

Из документа DE10/2011 101174 A1 известно о размещении первого датчика NOx по потоку выше катализатора окисления, второго датчика NOx - ниже по потоку за сажевым фильтром, установленным за катализатором окисления, и третьего датчика NOx - ниже по потоку за катализатором селективного каталитического восстановления, установленным за сажевым фильтром. Первый и второй датчики NOx, оба расположенные выше по потоку перед катализатором селективного каталитического восстановления, имеют поперечную чувствительность к NO₂, чтобы определять концентрацию NO и NO₂ в отработавшем газе без негативного воздействия происходящей ниже по потоку подачи восстановителя. В результате сравнения значений сигналов обоих датчиков NOx в электронном блоке управления можно судить о снижении степени конверсии на катализаторе окисления и/или в сажевом фильтре и при необходимости генерировать сигнал ошибки. Третий датчик NOx, который находится за катализатором селективного каталитического восстановления, должен, напротив, иметь поперечную чувствительность только к NH₃, чтобы можно было зарегистрировать проскок восстановителя. Расходы на комплектующие при этом, как и расходы на обработку результатов, являются относительно высокими.

Документ WO 2010/097292 A1 описывает другой способ оценки эффективности катализатора окисления, который обходится без измерительных зондов или соответственно датчиков NOx на катализаторе окисления и для этого с помощью датчика температуры регистрирует эффективность или соответственно температурный диапазон катализатора восстановления и оценивает его с помощью запоминающего устройства для характеристических кривых. Температурный диапазон в катализаторе селективного каталитического восстановления может, например, смещаться вверх при снижении скорости конверсии в катализаторе окисления.

Задачей изобретения является разработать способ и устройство для определения эффективности устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя внутреннего сгорания, в частности, для автомобилей, посредством которых можно осуществить менее затратное с точки зрения конструктивного исполнения, но более достоверное и надежное в работе определение эффективности, в частности, катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака, установленного за катализатором восстановления.

Задача решается способом и устройством с отличительными признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления изобретения раскрываются в соответствующих зависимых пунктах.

Согласно п. 1 формулы изобретения, предлагается способ определения эффективности устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя внутреннего сгорания, в частности, для автомобилей, который включает в себя первый датчик NOx, установленный перед катализатором окисления и/или сажевым фильтром, и второй датчик NOx, находящийся ниже по потоку за катализатором восстановления, а также содержит устройство для дозированной подачи восстановителя, в частности, водного раствора мочевины, причем сигналы обоих датчиков NOx подаются на блок управления, посредством которого задается по меньшей мере одно подаваемое количество восстановителя. Согласно изобретению предусматривается, что для определения эффективности, в частности, эффективности образования NO₂, по меньшей мере катализатора окисления и/или сажевого фильтра концентрации NO и NO₂ и/или отношение NO₂/NO потока отработавшего газа в точке измерения или в зоне измерения второго датчика NOx и/или ниже по потоку за катализатором восстановления определяются в блоке управления только на основании зарегистрированных значений сигналов обоих датчиков NOx, представляющих собой, в частности, сигналы значений NOx. Для предпочтительного случая, в котором за катализатором восстановления размещен катализатор блокировки аммиака, блок управления только на основе зарегистрированных значений сигналов обоих датчиков NOx, являющихся, в частности, сигналами значений NOx, определяет концентрацию NO и NO₂ или по меньшей мере отношение NO₂/NO в отработавшем газе в зоне измерения второго датчика NOx и/или ниже по потоку за катализатором блокировки аммиака. При этом определенные таким образом значения предпочтительно сравниваются для определения эффективности (в частности, эффективности образования NO₂) катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака, друг с другом и/или с заданными номинальными значениями.

Таким образом, с помощью данного решения уже имеющийся второй датчик NOx или его поперечную чувствительность к NO₂ можно использовать в двойной функции для определения эффективности, что существенно снижает затраты на конструктивное исполнение. Тем самым, существенное отличие от объекта указанного выше документа DE10/2011 101174 A1 состоит в том, что не применяется третий датчик NOx и, следовательно, снижаются связанные с этим расходы на управление и оценку данных. Таким образом, предлагается простой и надежный в работе способ, позволяющий без дополнительных расходов конструктивное исполнение регистрировать значения сигналов обоих датчиков NOx в электронном блоке управления и на их основании оценивать концентрацию NO и NO₂ или их отношение NO/NO₂, чтобы тем самым делать заключение о эффективности катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака.

Предпочтительно, значение сигнала первого датчика NOx дает "правильное" значение сигнала NOx, то есть значение сигнала NOx, на которое оказывается меньшее влияние со стороны NO₂ или NH₃, по сравнению со значением сигнала NOx второго датчика NOx. Это зарегистрированное первым датчиком NOx первое значение сигнала NOx служит затем, при дополнительном привлечении второго значения сигнала NOx, зарегистрированного вторым датчиком NOx, в блоке управления основой для расчета концентрации NO и NO₂ или отношения NO/NO₂ потока отработавших газов в зоне второго датчика NOx, или ниже по потоку за катализатором восстановления, или ниже по потоку за катализатором блокировки аммиака. Эти значения можно затем сравнивать, как уже было описано выше, с сохраненными в памяти номинальными значениями.

Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления, предусмотрено, что в определенные моменты времени и/или при определенных режимах работы двигателя внутреннего сгорания и/или устройства очистки отработавших газов, когда должно проводиться определение эффективности (диагностика), по меньшей мере снижается, в частности, полностью прекращается подача восстановителя, в частности, подача дозируемого количества восстановителя, необходимого для фактического режима работы, заданное время, в частности, на период определения эффективности, и/или опорожняется резервуар с восстановителем в катализаторе восстановления, в частности, аммиачный резервуар -катализатора селективного каталитического восстановления как катализатора восстановления. Благодаря этому предпочтительно можно исключить влияние конверсии NOx в катализаторе восстановления на определение эффективности катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака.

То есть, другими словами, благодаря предлагаемому изобретением предпочтительному решению на основе значений сигналов обоих датчиков NOx в блоке управления рассчитывается концентрация NO и NO₂ или по меньшей мере отношение NO/NO₂ в потоке отработавших газов за по меньшей мере одним катализатором восстановления, или за по меньшей мере одним катализатором блокировки аммиака, или в зоне точки измерения второго датчика NOx. Особенно информативные результаты обусловлены при этом, в частности, применением только двух датчиков, так что во время диагностики не происходит восстановления NOx на катализаторе восстановления или соответственно на катализаторе селективного каталитического восстановления. В соответствии с этим, для диагностики необходимо временно прекращать добавление восстановителя, и резервуар с восстановителем катализатора восстановления, в частности, аммиачный резервуар катализатора селективного каталитического восстановления должен опорожняться.

В данном контексте следует упомянуть, что в случае, если требуется определить отношение NO/NO₂, возможно, разумеется, вместо отношения NO/NO₂ определять также отношение NO₂/NO.

Оценку значений сигнала обоих датчиков NOx особенно предпочтительно можно проводить стационарном режиме работы двигателя внутреннего сгорания, в частности, при стационарной регенерации и/или в интервалах между техническими обслуживаниями. При этом проверка может проводиться, например, перед и после стационарной регенерации и/или после достаточного интервала времени; в последнем случае чтобы гарантировать, что резервуар с восстановителем, или соответственно с NH_3, в катализаторе восстановления, или соответственно в катализаторе селективного каталитического восстановления, остается пустым, и исключается искажение сигнала.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения можно сохранять фактические значения сигналов обоих датчиков NOx и/или установленные на основе фактических значений сигналов обоих датчиков NOx концентрации NO и NO₂, или соответственно отношения NO/NO₂ в начальном состоянии эксплуатации устройства очистки отработавших газов в электронном блоке управления как номинальные значения и сравнивать их с соответственно зарегистрированными и/или определенными фактическими значениями в режиме работы двигателя внутреннего сгорания, причем при определенных отклонениях фактических значений от сохраненных в памяти номинальных значений адаптируются программируемые значения и/или генерируется предупредительный сигнал или сигнал ошибки.

Альтернативно этому, можно сохранять номинальные значения сигналов обоих датчиков NOx в электронный блок управления в виде поля характеристик. Этот вариант осуществления предпочтителен, в частности, если периодически проводимая проверка устройства очистки отработавших газов должна осуществляется в нестационарных или переходных режимах работы автомобиля.

Номинальные значения обоих датчиков NOx можно, кроме того, определить путем расчета, в частности, если известны точные спецификации датчиков NOx, а их поперечная чувствительность к NO₂ соответственно ограничивается, при необходимости путем измерений при определенных режимах работы или при определенных концентрациях отработавших газов.

Кроме того, предпочтительно можно регистрировать степень отклонения фактического значения сигналов от номинальных значений и использовать для анализа степени старения и/или степени сульфирования катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака. В результате обеспечивается дальнейшее улучшение оценки сигнала, что предпочтительно, так как при известных условиях на основе этого можно определить причины снижения степени конверсии на катализаторе окисления, и/или в сажевом фильтре, и/или на катализаторе блокировки аммиака.

Устройство согласно изобретению отличается, в частности, тем, что блок управления содержит устройство обработки результатов, посредством которого только на основе фактических значений сигналов обоих датчиков NOx можно определить концентрацию NO и NO₂ и/или отношение NO/NO₂ потока отработавших газов в зоне второго датчика NOx и/или ниже по потоку за катализатором восстановления, и/или ниже по потоку за катализатором блокировки аммиака, размещенным за катализатором восстановления, и определенные таким образом концентрации NO и NO₂ и/или определенное таким образом отношение NO/NO₂ можно сравнивать друг с другом и/или с заданными номинальными значениями для определения эффективности катализатора окисления, и/или сажевого фильтра, и/или катализатора блокировки аммиака. Получающиеся из этого преимущества уже подробно пояснялись выше.

Особенно предпочтительно (также в сочетании с осуществлением способа согласно изобретению) использование датчиков NOx в качестве первого и второго датчика NOx, имеющих поперечную чувствительность к NO₂, которая значительно отличается от поперечной чувствительности к NO, в частности, составляет по меньшей мере 90%, предпочтительно примерно от 75 до 90%. Это означает, что измерительный сигнал, зарегистрированный с сигналом NOx в отсутствие NH₃, например, в случае принятой в блоке управления двигателем, или соответственно блоком управления двигателем, предпочтительной поперечной чувствительности к NO₂, равной 80%, складывается из следующего: NOx_Sens=NO+0,8 NO₂.

Наконец, предлагается автомобиль, в частности, грузовой автомобиль с дизельным двигателем внутреннего сгорания, устройством очистки отработавших газов и электронным блоком управления согласно указанным выше вариантам осуществления.

Ниже один пример осуществления изобретения описывается более подробно с помощью приложенной блок-схемы, на которой показан двигатель внутреннего сгорания с устройством очистки отработавших газов и двумя датчиками NOx, соединенными с электронным блоком управления.

На единственной фигуре упрощенно показан дизельный двигатель 1 внутреннего сгорания для грузовика с системой 2 выпуска отработавших газов, в которой в качестве устройства очистки отработавших газов в направлении потока отработавшего газа предусмотрены катализатор 3 окисления (DOC), дизельный сажевый фильтр 4 (cDPF) и катализатор 5 восстановления (SCR), а также при необходимости катализатор 11 блокировки аммиака, размещенный за катализатором 5 восстановления. Как в катализаторе 3 окисления, так и в сажевом фильтре 4, а также в катализаторе 5 восстановления NO окисляется до NO₂.

Выше по потоку перед катализатором 3 окисления в выпускной трубопровод 6 установлен датчик NOx 7, а ниже по потоку за катализатором 5 восстановления или катализатором 11 блокировки аммиака 11 установлен датчик NOx 8, с помощью которых должна прежде всего измеряться концентрация NO в отработавшем газе, и которые в настоящем случае оба имеют определенную или заданную поперечную чувствительность к NO₂, чтобы с помощью датчиков NOx 7, 8 можно было регистрировать концентрацию NO и NO₂ в потоке отработавших газов и подавать ее как значения сигналов на электронный блок 9 управления двигателем.

Блок 9 управления управляет, кроме того, дозатором 10, с помощью которого дозировано подается восстановитель в отработавший газ выше по потоку перед катализатором 5 восстановления, например, в форме водного раствора мочевины.

Датчик NOx 7, установленный по потоку выше катализатора 3 окисления, измеряет неочищенные выбросы дизельного двигателя внутреннего сгорания, которые, как обусловлено системой (избыток воздуха), имеют высокую концентрацию NO и низкую концентрацию NO₂.

Концентрация NO в катализаторе 3 окисления и в сажевом фильтре 4, а также в присутствующем при известных условиях катализаторе 11 блокировки аммиака, снижается в результате окисления, причем имеет место следующая реакция:

2NO+O₂→2NO₂

Второй датчик NOx 8 регистрирует выбросы очищенного газа после добавления восстановителя и его термолиза или соответственно гидролиза в горячем отработавшем газе с образованием NH₃ при соответствующем восстановлении NOx в катализаторе 5 восстановления.

В отличие от описанной выше конверсии компонентов отработавшего газа, параметры блока 9 управления заданы так, чтобы для управления диагностикой окислительных устройств очистки отработавшего газа или соответственно катализатора 3 окисления и сажевого фильтра 4 в качестве первого этапа целенаправленно снижать с помощью дозатора 10 подаваемое количество восстановителя, а предпочтительно полностью прекращать подачу.

После прекращения подачи восстановителя по истечении определенного заданного, в частности, малого периода времени, в течение которого резервуар NH₃ или соответственно катализатор 5 восстановления должны быть опорожнены или соответственно оставаться пустыми, регистрируют фактические значения сигналов обоих датчиков NOx 7, 8 и посылают в устройство обработки результатов блока 9 управления, при этом значение сигнала первого датчика NOx 7 дает "правильное" значение NOx, так как на него меньше всего влияют NO₂ или соответственно NH₃. Этот зарегистрированное первым датчиком NOx 7 первое значение сигнала NOx служит затем, в блоке 9 управления, при дополнительном привлечении зарегистрированного вторым датчиком NOx 8 второго значения сигнала NOx, основой для расчета концентраций NO и NO₂ или отношения NO/NO₂ потока отработавшего газа в зоне второго датчика NOx 8, или за катализатором 5 восстановления, или соответственно ниже по потоку за катализатором 11 блокировки аммиака. Эти значения могут затем сравниваться, например, с сохраненными в памяти номинальными значениями. Например, в данном случае может производиться вычисление разности определенных значений, и величина разности сравнивается с заданным номинальным значением. Альтернативно, можно также сравнивать соответствующие определенные фактические значения с номинальными значениями, и затем на основе отдельных отклонений или на основе привязанных друг к другу отклонений можно делать вывод о значимом или незначимом отклонении от одного (при известных условиях нескольких) номинального значения. В данном случае существует многообразные способы осуществления оценки, и специалисту они известны. В случае установления определенного отклонения одного или нескольких определенных фактических значений от по меньшей мере одного номинального значения возможно установить считываемый накопитель сбоев, и/или генерировать предупредительный сигнал или сигнал ошибки, и/или можно адаптировать программируемые значения.

В результате прекращения подачи восстановителя в катализатор восстановления 5 в нем не происходит снижения концентрации NOx в отработавших газах. Соответственно, можно путем сравнения фактических значений сигналов обоих датчиков NOx 7, 8 с записанными в блоке 9 управления номинальными значениями сигналов предпочтительно установить, соответствует ли еще эффективность катализатора 3 окисления и сажевого фильтра 4 или, при известных условиях, катализатора 11 блокировки аммиака требуемым нормам, или она недопустимо снизилась, из-за возможного старения или сульфирования, и при необходимости требуется замена деталей.

Диагностику предпочтительно можно проводить стационарно при в рамках технического обслуживания грузового автомобиля и/или во время или после стационарной регенерации катализатора 3 окисления, или сажевого фильтра 4, или катализатора 11 блокировки аммиака через заданный период времени или после заданного пробега в километрах.

Возможно также многократное проведение диагностики, например, перед и после стационарной регенерации. В частности, перед стационарной регенерацией следует опорожнить резервуар с NH₃.

Номинальные значения сигналов датчиков NOx 7, 8 можно определять эмпирически путем измерений в начальном состоянии эксплуатации, записать в блок 9 управления и затем сравнивать с соответствующими фактическими значениями сигналов.

Альтернативно можно также рассчитать величину коррекции для фракции NO₂ в отработавшем газе относительно значений сигналов датчиков NOx 7, 8, которая затем позволит рассчитать процентное содержание NO₂ и, тем самым, позволит делать вывод о эффективности катализатора 3 окисления, и/или сажевого фильтра 4 и/или катализатора блокировки аммиака 11.

Кроме того, в запоминающее устройство для поля характеристик блока 9 управления могут записываться, зависящие от рабочего режима двигателя 1 внутреннего сгорания и других параметров номинальные значения сигналов, которые, в частности, во время технического обслуживания или, при необходимости, в нестационарном или переходном режиме работы двигателя 1 внутреннего сгорания 1 или автомобиля сравниваются через определенные интервалы с фактическими значениями сигналов датчиков NOx 7, 8.

Наконец, при фактических значениях сигналов обоих датчиков NOx 7, 8 можно посредством предшествующих, при необходимости эмпирических оценок сигналов и их характеристик делать выводы о старении или сульфировании катализатора 3 окисления, и/или сажевого фильтра 4, и/или возможно имеющегося катализатора 11 блокировки аммиака путем соответствующего дифференцирования сигналов.

Благодаря описанному усовершенствованному варианту осуществления блока 9 управления можно без дополнительных расходов на конструктивное исполнение надежнее контролировать эффективность катализатора 3 окисления и сажевого фильтра 4 или возможно имеющегося катализатора 11 блокировки аммиака в устройстве очистки отработавших газов.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

Реферат

Изобретение относится к области очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания. Предложен способ определения эффективности устройства (2) очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя (1) внутреннего сгорания, в частности, для автомобилей, с первым датчиком NOx (7), расположенным перед катализатором окисления (3) и/или сажевым фильтром (4), и вторым датчиком NOx (8), расположенным ниже по потоку за катализатором (5) восстановления, а также с устройством (10) дозированной подачи восстановителя, причем сигналы от обоих датчиков NOx (7, 8) подаются на блок (9) управления, посредством которого задается по меньшей мере одно подаваемое количество восстановителя. Согласно изобретению предусматривается, что для определения эффективности, в частности эффективности образования NO, по меньшей мере катализатора (3) окисления и/или сажевого фильтра (4) блок (9) управления определяет концентрации NO и NOи/или отношение NO/NO потока отработавших газов в точке измерения второго датчика NOx (7) и/или ниже по потоку за катализатором (5) восстановления только на основе зарегистрированных значений сигналов обоих датчиков NOx (7, 8). Кроме того, предлагается устройство, подходящее для осуществления такого способа. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула