Система очистки выхлопных газов двигателя автомобиля и способ управления такой системой - RU2651896C2

Чертежи

Описание

Область техники

Изобретение относится к способу управления системой очистки выхлопных газов двигателя автомобиля, в частности фазами регенерации сажевого фильтра. Кроме того, изобретение относится к системе очистки выхлопных газов, управляемой таким способом.

Уровень техники

Для регенерации сажевого фильтра двигателя внутреннего сгорания, т.е. для очистки фильтра от сажи, образуемой выхлопными газами двигателя и скапливающейся в этом фильтре при нормальном режиме работы двигателя, сажа подвергается окислению под действием тепловой энергии и наличии кислорода. В современном дизельном двигателе автомобиля для начала регенерации сажевого фильтра необходимо, чтобы температура на его входе составляла примерно 650°C.

Сажа сгорает при помощи топлива, которое можно впрыскивать либо напрямую в выхлопную трубу двигателя на входе сажевого фильтра, либо в цилиндры двигателя с задержкой в фазе расширения цикла сгорания, чтобы оно не сгорало в цилиндрах и попадало в выхлопную магистраль.

Повышенную температуру на входе сажевого фильтра, превышающую 650°C, можно получить посредством снижения эффективности реакции сгорания в цилиндрах, увеличивая тепловые потери, например, впрыскивая участвующее в сгорании топливо в цилиндры с задержкой, т.е. топливо, которое реально сгорает для производства крутящего момента.

В документе FR 2862100 A1 описан впрыск топлива в камеры сгорания в конце цикла. Подобные способы позволяют повысить температуру выхлопных газов на выходе из двигателя при любых условиях езды и/или работы двигателя, обеспечивая высокую эффективность регенерации.

Поскольку дизельный двигатель, как правило, работает с избытком кислорода, присутствие кислорода обеспечено. Следует отметить, что, чем больше кислорода присутствует в выхлопных газах, тем быстрее сгорает сажа. Реакция окисления сажи является экзотермической, что позволяет поддерживать окисление во время регенерации. В среде с большим количеством кислорода это может привести к форме цепной реакции, называемой разносом. Горение сажи поддерживается само собой, температура в сажевом фильтре очень быстро повышается до значений, которые могут привести к его разрушению, например, свыше 1000°C.

Существуют особые рабочие точки характеристики двигателя «обороты-нагрузка», в которых наиболее вероятно появление условий для работы вразнос. Когда двигатель находится под низкой нагрузкой, при горении расходуется небольшое количество кислорода, что оставляет свободным большое количество кислорода для сжигания сажи. Как правило, когда двигатель не приводит в движение транспортное средство, могут возникнуть условия работы вразнос. Другой критический случай возможен во время отпускания педали акселератора, когда транспортное средство трогается с места и вращает двигатель.

Первым известным способом для предотвращения работы вразнос является ограничение количества кислорода в выхлопных газах. Для этого уменьшают количество воздуха, всасываемого двигателем во время фазы впуска, при помощи клапана или заслонки. В альтернативном или в дополнительном варианте вместо впускаемого свежего воздуха используют выхлопные газы двигателя, действуя на клапан рециркуляции газов. Однако недостатком такого способа является ограничение количества кислорода, необходимого для горения в цилиндре дизельного двигателя, что повышает риск нестабильности или перебоев горения.

Вторым способом является увеличение нагрузки двигателя в этих рабочих точках, чтобы при горении потреблялось больше кислорода. Так, можно задавать режим зарядки батареи, приведение в действие системы кондиционирования или тормоза. В документе FR 2919665 A1 описана система, в которой используется система зарядки электрических аккумуляторов для управления температурой выхлопных газов во время фазы регенерации. Этот способ ограничен тем, что, как правило, мощность поглощения является ограниченной либо по своей интенсивности, либо по своей продолжительности.

Третий способ состоит в понижении температуры начала регенерации. Этот способ ограничен тем, что снижение температуры приводит к снижению эффективности регенерации в фазах, не связанных с риском работы вразнос.

Четвертым способом является ограничение количества сажи в сажевом фильтре, чтобы избежать достижения критической массы с точки зрения работы вразнос. Это решение предполагает более частые циклы регенерации и в целом приводит к перерасходу топлива.

Задача изобретения заключается в создании способа и системы очистки выхлопных газов с сажевым фильтром для двигателя транспортного средства, которые могут предотвратить риск работы вразнос во время регенерации сажевого фильтра.

Кроме того, задачей изобретения является устранение различных недостатков известных способов управления.

Раскрытие изобретения

Объектом изобретения является способ управления системой очистки выхлопных газов двигателя автомобиля, содержащей сажевый фильтр, включающий в себя управление регенерацией сажевого фильтра посредством приведения температуры газов на входе сажевого фильтра к первой заданной температуре, вызывающей горение скопившейся в сажевом фильтре сажи, при этом определяют критическую зону и нормальную зону на основе рабочей точки двигателя, характеризующейся нагрузкой двигателя и числом его оборотов, а температуру выхлопных газов приводят к первой заданной температуре в нормальной зоне и ко второй заданной температуре, меньшей первой заданной температуры в критической зоне.

Исследование условий работы двигателя и системы очистки выхлопных газов позволяет определить, в каких условиях появляются риски работы вразнос. Преобладающими параметрами являются число оборотов двигателя, т.е. скорость вращения коленчатого вала, и нагрузка двигателя, т.е. производимый крутящий момент. В зависимости от этих параметров можно ограничить критическую зону, которая находится ближе к слабым нагрузкам и к малым числам оборотов, и применять в этой зоне меньшую заданную температуру на входе сажевого фильтра, чтобы устранить риски работы вразнос. За пределами критической зоны эффективность регенерации сохраняется на ее максимальном уровне.

Предпочтительно, дополнительно определяют зону безопасности между критической и нормальной зонами, а выхлопные газы приводят к третьей заданной температуре, промежуточной между первой и второй заданными температурами. В результате создают промежуточную зону, которая позволяет строго ограничить размер критической зоны, и в которой требование к температуре является менее строгим.

Дополнительно, третья заданная температура зависит от уровня заполнения сажевого фильтра. Риск работы вразнос также зависит от уровня заполнения сажевого фильтра. В частности, риск меньше, когда уровень заполнения сажевого фильтра сажей низкий. В этом случае в зоне безопасности можно повысить уровень температуры.

В качестве альтернативы, третья заданная температура может представлять собой линейную интерполяцию между второй и первой заданными температурами в зависимости от разности чисел оборотов между критической и нормальной зонами при нагрузке в текущей рабочей точке «обороты-нагрузка» двигателя. Таким образом, изменение третьего заданного значения происходит постепенно в зависимости от расстояния текущей рабочей точки от критической зоны.

Вторая заданная температура может зависеть от содержания кислорода в выхлопных газах на входе сажевого фильтра. При высоком содержании кислорода скорость сгорания сажи будет выше, следовательно, повышается риск работы вразнос. В результате учета содержания кислорода и регулировки входной температуры газов, риск работы вразнос в критической зоне устраняется более успешно. Содержание кислорода может меняться в зависимости от внешних условий окружающей среды, например, в зависимости от атмосферного давления, от высоты над уровнем моря, на которой находится транспортное средство, или от температуры окружающего воздуха.

Аналогично, третья заданная температура может зависеть от содержания кислорода в выхлопных газах на входе сажевого фильтра. Как и в предыдущем случае, заданную температуру в зоне безопасности можно регулировать, одновременно гарантируя отсутствие риска работы вразнос.

Кроме того, объектом изобретения является система очистки выхлопных газов двигателя автомобиля, содержащая сажевый фильтр, тепловые элементы для управления температурой выхлопных газов на входе сажевого фильтра и блок управления тепловыми элементами, выполненный с возможностью управления тепловыми элементами так, чтобы управлять регенерацией сажевого фильтра посредством приведения температуры выхлопных газов на входе сажевого фильтра к первой заданной температуре, причем блок управления выполнен с возможностью определения критической зоны и нормальной зоны на основе рабочей точки двигателя, характеризующейся нагрузкой двигателя и числом его оборотов, и с возможностью приведения температуры выхлопных газов к первой заданной температуре в нормальной зоне и ко второй заданной температуре, меньшей первой заданной температуры, в критической зоне.

Особенности изобретения будут более понятны из дальнейшего описания со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана система очистки выхлопных газов в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 - диаграмма, показывающая различные зоны работы двигателя, определенные в соответствии с изобретением.

Описание варианта осуществления

На фиг. 1 показана силовая установка 1, включающая в себя двигатель 12 внутреннего сгорания и систему 10 очистки выхлопных газов двигателя 12. Двигатель может быть дизельным. Выхлопная линия 14 позволяет удалять газы G из двигателя 12 в атмосферу. В выхлопной линии 14 установлена система 10 очистки, содержащая катализатор 20 окисления на входе сажевого фильтра 16. Кроме того, силовая установка содержит впускной коллектор 22 для распределения поступающего воздуха А в различные цилиндры двигателя 12.

Производимые двигателем 12 выхлопные газы G удаляются в выхлопную линию 14. Во время своего прохождения через катализатор 20 окисления несгоревшие газы, содержащиеся в выхлопных газах G, такие как углеводороды и монооксид углерода, окисляются в ходе экзотермической реакции. Затем, при прохождении через сажевый фильтр 16 частицы сажи, содержащиеся в выхлопных газах, задерживаются фильтром в нормальном режиме работы двигателя (то есть: вне фазы регенерации фильтра 16).

Система 10 очистки дополнительно содержит блок 18 управления, который получает информацию о температуре, измеряемой в выхлопной линии 14 датчиком 19 на входе сажевого фильтра 16. Блок 18 управления позволяет также управлять двигателем 12 так, чтобы задавать температуру выхлопных газов G на входе сажевого фильтра 16 в определенных случаях.

Периодически частицы, захваченные таким образом в сажевом фильтре 16, сжигаются в ходе фазы регенерации. Для осуществления регенерации необходимо, чтобы фильтр достигал температуры, превышающей или равной температуре сгорания частиц. Сажевый фильтр 16 нагревается выхлопными газами G.

Если необходимо осуществить регенерацию сажевого фильтра 16, блок 18 управления изменяет, например, условия впрыска, чтобы снизить производительность сгорания в цилиндрах и повысить за счет этого температуру выхлопных газов G. При этом ставится задача получения заданной температуры выхлопных газов G на входе сажевого фильтра 16.

Например, понижения производительности горения можно достичь посредством задержки впрыска топлива в цилиндры двигателя во время рабочего цикла.

На представленной на фиг. 2 диаграмме показаны рабочие зоны двигателя 12. На оси абсцисс показаны числа оборотов двигателя 12, а на оси ординат - крутящий момент, выдаваемый двигателем 12 на коленчатом валу. Пограничная кривая 30 отображает максимальный крутящий момент, производимый двигателем 12, в зависимости от оборотов.

Ниже пограничной кривой 30 показаны три зоны: нормальная зона 31 со стороны максимального режима, критическая зона 32 со стороны более низких режимов, и промежуточная зона 33 безопасности между нормальной зоной 31 и критической зоной 32.

В соответствии с изобретением температуру газов на входе сажевого фильтра 16 приводят в нормальной зоне 31 к первой заданной температуре Т1, в критической зоне 32 - ко второй заданной температуре Т2, меньшей первой заданной температуры, а в зоне 33 безопасности - к третьей заданной температуре Т3, промежуточной между первой и второй заданным температурам Т1 и Т2. Первая заданная температура Т1 равна, например, 650°C. Вторая заданная температура Т2 может быть фиксированной и определяется заранее после проведения испытаний, чтобы убедиться в отсутствии риска работы вразнос. Третью заданную Т3 температуру тоже можно определить заранее, и она может быть фиксированной и промежуточной между первой и второй заданными температурами Т1 и Т2. Во время фазы регенерации блок 18 управления определяет, в какой зоне работает двигатель 12, и применяет соответствующую заданную температуру, регулируя эту температуру при помощи температурного датчика 19 на входе сажевого фильтра 16, например, применяя регулятор типа ПИД-регулятора.

В частном варианте выполнения блок 18 управления дополнительно получает информацию о заполнении сажевого фильтра 16, т.е. о скопившейся в фильтре массе сажи. Как известно, эту информацию получают, например, посредством измерения разности давления между входом и выходом сажевого фильтра 16. Блок 18 управления адаптирует третью заданную температуру Т3 в зависимости от уровня заполнения сажевого фильтра 16, т.е. в зависимости от заполнения фильтра 16, поделенного на его максимальную емкость. Таким образом, третья заданная температура Т3 равна первой заданной температуре Т1, когда уровень заполнения сажевого фильтра 16 является нулевым или близким к нему, и равно второй заданной температуре Т2, когда уровень заполнения сажевого фильтра 16 находится в допустимом пределе. Третье значение заданной температуры Т3 интерполируют между этими двумя значениями температур Т1, Т2 в зависимости от степени заполнения сажевого фильтра 16.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения система содержит средства определения содержания кислорода в выхлопных газах G. Этими средствами может быть датчик кислорода, напрямую измеряющий содержание кислорода, или блок 18 управления выполняется с возможностью вычисления этого содержания кислорода в зависимости от измеряемых или регулируемых параметров окружающей среды и работы двигателя 12. В этом варианте выполнения блок 18 управления определяет вторую заданную температуру Т2 в зависимости от вычисленного содержания кислорода в выхлопных газах G на входе сажевого фильтра 16.

Например, вторую заданную температуру Т2 определяют следующим образом:

- если содержание кислорода превышает первый заранее определенный порог, вторую заданную температуру Т2 устанавливают по нижнему пределу T2min;

- если содержание кислорода ниже второго заранее определенного порога, вторую заданную температуру Т2 устанавливают по верхнему пределу Т2max;

- если содержание кислорода находится между первым T2min и вторым T2max порогами, вторую заданную температуру Т2 вычисляют посредством линейной интерполяции между нижним пределом и верхним пределами T2min и T2max в зависимости от изменения содержания кислорода между первым и вторыми порогами.

Точно так же, как и для второй заданной температуры Т2, третья заданная температура Т3 зависит от вычисленного содержания кислорода в выхлопных газах G на входе сажевого фильтра 16. Например, при вычислении третьей заданной температуры Т3 в зависимости от уровня заполнения сажевого фильтра 16 принимают в расчет вторую заданную температуру Т2, вычисленную, как было указано выше, в зависимости от содержания кислорода.

В соответствии с другим вариантом выполнения третья заданная температура Т3 представляет собой линейную интерполяцию между второй и первой заданными температурами Т2 и Т1 в зависимости от разности чисел оборотов между критической зоной 32 и нормальной зоной 31 для нагрузки в текущей точке работы двигателя 12. На фиг. 2 горизонтальная линия 34, отходящая от текущей рабочей точки 35 в зоне безопасности 33, пересекает границы критической зоны 32 и нормальной зоны 31 на абсциссах N₂ и N₁ соответственно. Для этой текущей рабочей точки 35 третью заданную температуру Т3 вычисляют посредством линейной интерполяции между второй и третьей заданными температурами Т2, Т3 по формуле:

Изобретение не ограничивается описанными выше и представленными в качестве примеров вариантами его осуществления. Температуру на входе сажевого фильтра 16 можно определить на основе других измерений и посредством математических моделей, применяемых блоком 18 управления или другими вычислительными устройствами, установленными в транспортном средстве. Блок 18 управления был представлен как независимый, однако его функции может выполнять вычислительное устройство, реализующее также другие функции, такие как управление двигателем 12.

Реферат

Изобретение относится к системе очистки выхлопных газов (G) двигателя (12) автомобиля. Система содержит сажевый фильтр (16), а его регенерацией управляют посредством приведения температуры газов на входе сажевого фильтра (16) к первой заданной температуре (Т1), вызывающей горение скопившейся в сажевом фильтре (16) сажи. Определяют критическую зону (32) и нормальную зону (31) на основе рабочей точки двигателя (12), характеризующейся нагрузкой двигателя (12) и числом его оборотов, а температуру выхлопных газов (G) приводят к первой заданной температуре (Т1) в нормальной зоне (31) и ко второй заданной температуре (Т2), меньшей первой заданной температуры (Т1) в критической зоне (32), при этом вторая заданная температура (Т2) зависит от оцененного содержания кислорода в выхлопных газах (G) на входе сажевого фильтра (16). При использовании изобретения предотвращается риск работы вразнос во время регенерации сажевого фильтра. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула