Способ управления работой каталитического нейтрализатора двигателя внутреннего сгорания, элемент управления для блока управления двигателем внутреннего сгорания, блок управления для двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания - RU2261340C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу управления работой каталитического нейтрализатора двигателя внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего транспортного средства, при осуществлении которого обеспечивают накопление и высвобождение этим каталитическим нейтрализатором оксидов азота (NO_x) и за указанным каталитическим нейтрализатором измеряют количество выбрасываемых NO_x. Изобретение относится далее к элементу управления для блока управления ДВС, к самому этому блоку управления для ДВС, прежде всего транспортного средства, а также к двигателю внутреннего сгорания, прежде всего транспортного средства.

Подобные способ, блок управления и ДВС известны по применению, например, так называемых систем с непосредственным впрыскиванием бензина. В таких системах топливо впрыскивается в камеру сгорания ДВС на такте впуска в режиме с гомогенным смесеобразованием или такте сжатия в режиме с послойным смесеобразованием. Режим с гомогенным смесеобразованием предусмотрен преимущественно для работы ДВС при полной нагрузке, тогда как режим с послойным смесеобразованием используется при работе ДВС на холостом ходу и в диапазоне частичных нагрузок. Переключение с одного из указанных режимов на другой происходит в подобном ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива, например, в зависимости от требуемого крутящего момента.

Для работы прежде всего в режиме с послойным смесеобразованием необходимо наличие так называемого катализатора-накопителя, способного промежуточно накапливать образующиеся оксиды азота с целью их восстановления при последующей работе ДВС в режиме с гомогенным смесеобразованием. Подобный катализатор-накопитель аккумулирует оксиды азота в режиме с послойным смесеобразованием и снова высвобождает их в режиме с гомогенным смесеобразованием. Для управления и контроля за каталитическим нейтрализатором расположен датчик NO_x, предназначенный для измерения количества выбрасываемых NO_x в выходящем потоке отработавших газов (ОГ).

В результате старения каталитически активного материала каталитического нейтрализатора или по иным причинам определенные его части могут выходить из строя.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой способ управления работой каталитического нейтрализатора ДВС, который позволял бы распознавать неисправность этого нейтрализатора.

В отношении способа указанного в начале описания типа эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что накопление каталитическим нейтрализатором оксидов азота обеспечивают только до степени, не достигающей полного его насыщения оксидами азота, перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом создают повышенное количество выбрасываемых NO_x и на основании измеряемого затем количества выбрасываемых NO_x делают вывод об исправности каталитического нейтрализатора.

Благодаря лишь частичному насыщению катализатора оксидами азота он способен уменьшать создаваемое перед ним или в нем самом повышенное количество выбрасываемых NO_x. В результате количество выбрасываемых NO_x на выходе каталитического нейтрализатора меньше созданного вначале повышенного их количества. Подобное уменьшение выбросов оксидов азота позволяет согласно изобретению сделать вывод об исправности каталитического нейтрализатора. При наличии существенного снижения первоначально повышенного количества выбрасываемых NO_x можно по меньшей мере в этом отношении сделать вывод об исправной работе каталитического нейтрализатора.

И наоборот, каталитический нейтрализатор может быть классифицирован как неисправный в том случае, когда при измерении будет зарегистрировано повышенное количество выбрасываемых NO_x. При этом каталитический нейтрализатор не снижает первоначально повышенное количество выбрасываемых NO_x, что свидетельствует о его неисправности.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагается создавать повышенное количество выбрасываемых NO_x перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом за счет создания условий, обеспечивающих высвобождение им оксидов азота. Создание условий, при которых каталитический нейтрализатор начинает высвобождать оксиды азота, позволяет повысить количество выбрасываемых NO_x. Поскольку степень насыщения каталитического нейтрализатора оксидами азота не достигает максимального уровня, выброс оксидов азота повышается "в начале" или по меньшей мере "внутри" него. Тем самым повышенное количество выбрасываемых NO_x у исправного катализатора удается вновь снизить еще в пределах последнего. В этом случае датчик NO_x регистрирует на выходе каталитического нейтрализатора нулевое или же лишь очень незначительное количество выбрасываемых NO_x, что позволяет сделать вывод об исправной работе этого каталитического нейтрализатора.

Создавать повышенное количество выбрасываемых NO_x перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом предпочтительно далее за счет снижения интенсивности рециркуляции ОГ и/или за счет изменения момента зажигания в сторону раннего и/или за счет уменьшения давления подачи топлива. Альтернативно этому или в дополнение к этому создавать повышенное количество выбрасываемых NO_x можно за счет использования химических источников NO_x, обеспечивающих добавление в поток ОГ перед каталитическим нейтрализатором, например, мочевины или нитрата. Кроме того, создавать повышенное количество выбрасываемых NO_x можно и с помощью расположенной перед каталитическим нейтрализатором свечи зажигания.

Особое значение имеет реализация предлагаемого в изобретении способа на базе элемента управления, предназначенного для блока управления ДВС, прежде всего транспортного средства. При этом в таком элементе управления хранится программа, ориентированная на выполнение в вычислительном устройстве, прежде всего в микропроцессоре, и предназначенная для осуществления предлагаемого в изобретении способа. Таким образом, в этом случае предлагаемое в изобретении решение реализуется с помощью хранящейся в памяти элемента управления программы, и поэтому подобный элемент управления с заложенной в него программой также является одним из объектов изобретения аналогично описанному выше способу, для осуществления которого предназначена эта программа. В качестве элемента управления можно использовать прежде всего электрический носитель данных, например постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или флэш-память.

В изобретении предлагается также блок управления для ДВС, прежде всего ДВС транспортного средства. Такой ДВС оснащен каталитическим нейтрализатором, способным накапливать и высвобождать оксиды азота, и датчиком NO_x, позволяющим измерять количество выбрасываемых NO_x за каталитическим нейтрализатором. Согласно изобретению предлагаемый в нем блок управления выполнен с возможностью обеспечивать накопление оксидов азота в каталитическом нейтрализаторе только до степени, не достигающей полного его насыщения оксидами азота, создавать перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом повышенное количество выбрасываемых NO_x и делать вывод об исправности каталитического нейтрализатора на основании измеряемого затем количества выбрасываемых NO_x.

Объектом изобретения является также собственно двигатель внутреннего сгорания, прежде всего транспортного средства, оснащенный каталитическим нейтрализатором, который способен накапливать и высвобождать оксиды азота, датчиком NO_x, позволяющим измерять количество выбрасываемых NO_x за указанным каталитическим нейтрализатором, и блоком управления. Подобный ДВС отличается тем, что указанный блок управления выполнен с возможностью обеспечивать накопление оксидов азота в каталитическом нейтрализаторе только до степени, не достигающей полного его насыщения оксидами азота, создавать перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом повышенное количество выбрасываемых NO_x и делать вывод об исправности каталитического нейтрализатора на основании измеряемого затем количества выбрасываемых NO_x.

Другие отличительные особенности, возможности применения и преимущества изобретения рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом все рассмотренные в описании или представленные на чертежах отличительные признаки индивидуально и в любых сочетаниях характеризуют объект изобретения независимо от их компоновки в пунктах формулы изобретения или ссылки на них, а также независимо от их формулировки, соответственно представления в описании и на чертежах.

На прилагаемых к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - схематичное изображение одного из вариантов выполнения предлагаемого в изобретении двигателя внутреннего сгорания,

на фиг.2 - характеристика выбросов NO_x на выходе каталитического нейтрализатора ДВС, показанного на фиг.1, и

на фиг.3а и 3б - характеристики степени насыщения и выбросов NO_x каталитического нейтрализатора, показанного на фиг.1.

На фиг.1 схематично показан устанавливаемый на транспортном средстве двигатель 1 внутреннего сгорания (ДВС), в цилиндре 3 которого с возможностью возвратно-поступательного движения установлен поршень 2. В цилиндре 3 имеется камера 4 сгорания, которая ограничена, в частности, поршнем 2, впускным клапаном 5 и выпускным клапаном 6. Впускной клапан 5 управляет соединением цилиндра с впускным трубопроводом 7, а выпускной клапан 6 управляет его соединением с выпускным трубопроводом 8.

В зоне впускного клапана 5 и выпускного клапана 6 в камеру 4 сгорания выступают клапанная форсунка 9 и свеча 10 зажигания. Клапанная форсунка 9 служит для впрыскивания топлива в камеру 4 сгорания. Свеча 10 зажигания предназначена для воспламенения топлива в камере 4 сгорания.

Во впускном трубопроводе 7 расположена поворотная дроссельная заслонка 11, регулирующая поступление воздуха в этот впускной трубопровод 7. Количество поступающего воздуха зависит от углового положения дроссельной заслонки 11. В выпускном трубопроводе 8 расположен каталитический нейтрализатор 12, служащий для нейтрализации отработавших газов, образующихся при сгорании топлива.

Каталитический нейтрализатор 12 представляет собой катализатор-накопитель, объединенный с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Таким образом, каталитический нейтрализатор 12 предназначен, в частности, для промежуточного накопления оксидов азота (NO_x).

В состав показанного на фиг.1 каталитического нейтрализатора 12 входят два носителя 13 каталитического покрытия, так называемые монолитные блоки-носители. На том участке выпускного трубопровода, который расположен непосредственно за каталитическим нейтрализатором 12, предусмотрен датчик NO_x 14, предназначенный для измерения количества выбросов NO_x в выходящем из каталитического нейтрализатора потоке ОГ.

На вход блока 18 управления поступают сигналы 19, характеризующие измеренные различными датчиками рабочие параметры ДВС 1. Блок 18 управления формирует выходные сигналы 20, которые в виде управляющих воздействий, подаваемых на приводные и/или исполнительные механизмы, позволяют влиять на режим работы ДВС 1. Блок 18 управления предназначен, в частности, для управления рабочими параметрами ДВС 1 и/или для их регулирования. Для этой цели в блоке 18 управления предусмотрен микропроцессор, в памяти которого, выполненной, в частности, в виде флэш-памяти, хранится программа, на основании которой осуществляются указанные процессы управления и/или регулирования.

В первом режиме работы ДВС 1, так называемом режиме с гомогенным смесеобразованием, происходит частичное открытие, соответственно, закрытие дроссельной заслонки 11 в зависимости от требуемой величины крутящего момента. Топливо впрыскивается клапанной форсункой 9 в камеру 4 сгорания на ходе впуска поршня 2. Воздух, одновременно впускаемый дроссельной заслонкой 11, завихряет впрыскиваемое топливо, которое в результате практически равномерно распределяется по камере 4 сгорания. После этого на такте сжатия происходит сжатие топливовоздушной смеси, которая в последующем воспламеняется свечой 10 зажигания. Расширяющиеся газы, которые образуются в результате воспламенения топлива, создают давление, под действием которого поршень 2 приводится в движение. Создаваемый при этом крутящий момент зависит в режиме с гомогенным смесеобразованием, в частности, от положения дроссельной заслонки 11. С целью снижения количества образующихся при сгорании топлива вредных веществ коэффициент избытка воздуха (лямбда) горючей смеси по возможности устанавливают равным единице.

Во втором режиме работы ДВС 1, так называемом режиме работы с послойным смесеобразованием, дроссельная заслонка 11 открыта на достаточно большую величину. При этом топливо впрыскивается клапанной форсункой 9 в камеру 4 сгорания на ходе сжатия поршня 2 в определенное место непосредственно вблизи от свечи 10 зажигания, а также в некоторый заданный момент времени, предшествующий моменту зажигания. Затем топливо воспламеняется свечой 10 зажигания с образованием газов, которые, расширяясь, на следующем такте приводят поршень 2 в движение. В режиме с послойным смесеобразованием создаваемый крутящий момент в значительной степени зависит от количества впрыснутого топлива. Режим с послойным смесеобразованием предназначен в основном для работы ДВС 1 на холостом ходу и в диапазоне частичных нагрузок.

При работе двигателя в режиме с послойным смесеобразованием катализатор-накопитель каталитического нейтрализатора 12 накапливает оксиды азота. В последующем режиме с гомогенным смесеобразованием оксиды азота вновь высвобождаются из катализатора-накопителя и восстанавливаются в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе. В процессе подобного непрерывного накопления и высвобождения оксидов азота в катализаторе-накопителе с течением времени накапливается и поглощаемая им сера. В результате способность катализатора-накопителя аккумулировать оксиды азота снижается, что в последующем называется старением этого катализатора-накопителя.

На фиг.2 показана характеристика изменения во времени содержания NO_x в выбросах, измеряемого, например, датчиком NO_x 14 на выходе каталитического нейтрализатора 12. По мере увеличения количества NO_x, накапливаемых катализатором-накопителем, их содержание в выбросах также возрастает. По достижении некоторого заданного порогового значения, соответствующего полному насыщению катализатора-накопителя оксидами азота, ДВС 1 переключается на другой режим работы, и катализатор-накопитель, как уже упоминалось выше, вновь высвобождает накопленные им оксиды азота, например, в режиме с гомогенным смесеобразованием.

Непосредственно после переключения ДВС 1 на работу в режиме с гомогенным смесеобразованием происходит выброс повышенного количества NO_x. Подобное увеличение выброса оксидов азота отмечено на фиг.2 позицией 15. Это увеличение 15 выброса NO_x обусловлено тем, что, с одной стороны, катализатор-накопитель при работе ДВС в режиме с гомогенным смесеобразованием вновь начинает высвобождать накопленные им оксиды азота, а с другой стороны, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор оказывается еще не в состоянии превращать высвобождаемые оксиды азота в азот и кислород. В результате оксиды азота в том же количестве выходят из каталитического нейтрализатора 12, чем и обусловлено указанное повышение 15 выбросов NO_x.

На фиг.3а показана кривая 16, отражающая изменение степени насыщения каталитического нейтрализатора 12 в зависимости от пути, проходимого потоком ОГ в каталитическом нейтрализаторе 12 через оба носителя 13. Как следует из этой кривой 16 изменения степени насыщения, оксиды азота в основном частично накоплены только в первом, если смотреть по ходу потока ОГ, из двух носителей 13 каталитического нейтрализатора 12 и полностью удалены из второго носителя 13.

Когда состояние каталитического нейтрализатора 12 соответствует показанной на фиг.3а кривой 16 изменения степени насыщения, блок 18 управления переключает ДВС на работу в режиме с гомогенным смесеобразованием. Таким образом, блок 18 управления инициирует высвобождение оксидов азота из катализатора-накопителя даже несмотря на то, что согласно кривой 16 он способен и далее аккумулировать оксиды азота, т.е. степень его насыщения этими оксидами азота еще не достигает предельной.

У катализатора-накопителя при его полном насыщении оксидами азота в результате такого переключения на выходе каталитического нейтрализатора 12 было бы измерено повышенное количество выбрасываемых NO_x, как это показано на фиг.2. Поскольку, однако, насыщение катализатора-накопителя оксидами азота согласно фиг.3а еще не достигло максимальной степени, подобное повышенное количество выбрасываемых NO_x образуется не на выходе каталитического нейтрализатора 12, а в основном лишь "в начале", соответственно "внутри", этого каталитического нейтрализатора 12. Сказанное следует из того факта, что согласно фиг.3а высокая степень насыщения оксидами азота, соответственно значительное их накопление, отмечается у катализатора-накопителя только в его "начале".

Показанная на фиг.3б характеристика отражает изменение повышенного количества выбрасываемых NO_x, с одной стороны, в зависимости от пути, проходимого потоком ОГ в каталитическом нейтрализаторе 12, а с другой стороны, и в зависимости от времени, которое необходимо затратить потоку с повышенным количеством выбрасываемых NO_x для прохождения этого пути через каталитический нейтрализатор 12.

Как следует из показанной на фиг.3б диаграммы и как уже указывалось выше, сравнительно высокий выброс повышенных количеств NO_x происходит "в начале" каталитического нейтрализатора 12. Это высокое повышенное количество выбрасываемых NO_x сохраняется на всем пути движения потока ОГ через каталитический нейтрализатор 12 в сторону его выхода. На этом пути трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по меньшей мере частично превращает выбрасываемые в повышенном количестве NO_x в азот и кислород. В результате вначале относительно высокое повышенное количество выбрасываемых NO_x медленно снижается со временем на пути движения потока ОГ. Описанный процесс отражен на фиг.3б в виде последовательных кривых 17 с непрерывно уменьшающимися пиками по мере снижения выбросов NO_x.

В результате на выходе каталитического нейтрализатора 12, показанном на фиг.3а и 3б прерывистой линией, из этого каталитического нейтрализатора 12 выходит сравнительно малое повышенное количество выбрасываемых NO_x. При соответствующем подборе кривой 16 изменения степени насыщения каталитического нейтрализатора это сравнительно малое повышенное количество выбрасываемых NO_x можно практически полностью свести к нулю.

Если оба носителя 13 каталитического нейтрализатора 12 находятся в исправном состоянии, то, как описано выше, датчик NO_x 14 более не будет или по меньшей мере практически не будет регистрировать повышенный выброс NO_x. На основании этого блок 18 управления может сделать вывод о функциональной исправности обоих носителей 13 каталитического нейтрализатора 12.

Если же первый в направлении движения потока ОГ носитель 13 каталитического нейтрализатора 12 вышел из строя, а второй носитель 13 продолжает исправно работать, то повышенный выброс NO_x будет происходить лишь "в начале" второго носителя 13, который при этом окажется не в состоянии полностью свести к нулю подобный повышенный выброс оксидов азота. В результате в этом случае датчик NO_x 14 будет регистрировать на выходе каталитического нейтрализатора 12 повышенный выброс NO_x, на основании чего блок 18 управления может сделать вывод о неисправности по меньшей мере одного из двух носителей 13 каталитического нейтрализатора 12.

Сказанное относится и к случаю, когда первый носитель 13 продолжает работать исправно, а второй носитель 13, напротив, вышел из строя. При этом несмотря на образование повышенного количества выбрасываемых NO_x "в начале" первого носителя 13 последний окажется не в состоянии полностью свести к нулю подобный повышенный выброс оксидов азота без второго носителя 13. В результате в этом случае датчик NO_x 14 будет регистрировать на выходе каталитического нейтрализатора 12 повышенный выброс NO_x, на основании чего блок 18 управления может сделать вывод о неисправности по меньшей мере одного из двух носителей 13 каталитического нейтрализатора 12.

В случае выхода из строя обоих носителей 13 каталитического нейтрализатора 12 датчик NO_x 14 вообще не будет регистрировать никаких параметров, поскольку катализатор-накопитель не накапливал оксиды азота, и поэтому образование повышенных количеств выбрасываемых NO_x в принципе невозможно. Подобную ситуацию, по меньшей мере в этом отношении, невозможно отличить от первого из рассмотренных случаев, когда оба носителя 13 каталитического нейтрализатора 12 работают исправно. Для проведения различий между обеими этими ситуациями необходимо применять другие подходы, не рассматриваемые в настоящем описании.

Таким образом, если при степени насыщения катализатора, соответствующей показанному на фиг.3а графику, и после переключения ДВС на работу в режиме с гомогенным смесеобразованием датчик NO_x 14 регистрирует повышенный выброс NO_x, то блок 18 управления может на основании этой информации сделать вывод о неисправности по меньшей мере одного из носителей 13 каталитического нейтрализатора 12.

Для обнаружения повышенного выброса NO_x блок 18 управления может использовать максимальное значение измеряемого датчиком NO_x 14 количества выбрасываемых NO_x, и/или площадь поверхности под кривой, описывающей подобные выбросы NO_x, и/или имеющиеся постоянные времени этих выбросов NO_x, или иные параметры.

Очевидно, что рассмотренный выше способ применим и в отношении каталитического нейтрализатора 12 с одним единственным носителем 13 каталитического покрытия. В этом случае наличие повышенного количества выбрасываемых NO_x может свидетельствовать о выходе из строя по меньшей мере определенной части этого каталитического нейтрализатора 12.

В описанном выше способе показанное на фиг.2 увеличение 15 выбросов NO_x обусловлено переключением ДВС на работу в режиме с гомогенным смесеобразованием. Равным образом увеличивать выброс NO_x можно и другим методом. Так, например, увеличить выброс NO_x можно за счет снижения интенсивности рециркуляции ОГ, и/или за счет изменения момента зажигания в сторону раннего, и/или за счет уменьшения давления подачи топлива. Кроме того, образование повышенного количества выбрасываемых NO_x можно обеспечить с помощью химических источников NO_x, обеспечивающих добавление в поток ОГ перед каталитическим нейтрализатором 12, например, мочевины или нитрата. Помимо этого повысить выброс NO_x можно за счет соответствующего управления свечой зажигания, расположенной перед каталитическим нейтрализатором 12.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах очистки выхлопных газов двигателей транспортных средств. Двигатель внутреннего сгорания, прежде всего транспортного средства, оснащен каталитическим нейтрализатором, который способен накапливать и высвобождать оксиды азота. При этом предусмотрен также датчик NO_x, позволяющий измерять количество выбрасываемых NO_x за указанным каталитическим нейтрализатором. Такой двигатель оснащен также блоком управления, который выполнен с возможностью обеспечивать накопление оксидов азота в каталитическом нейтрализаторе только до степени, не достигающей полного его насыщения оксидами азота. Помимо этого блок управления позволяет также создавать перед каталитическим нейтрализатором или в нем самом повышенное количество выбрасываемых NO_x. Кроме того, блок управления позволяет сделать вывод об исправности каталитического нейтрализатора на основании измеряемого затем количества выбрасываемых NO_x. Изобретение позволяет распознать неисправность нейтрализатора. 4 н.и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула