Способ управления регенерацией очистительной системы и устройство для его осуществления - RU2435043C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности дизельным, поскольку они выбрасывают в атмосферу частицы. Более конкретно, изобретение касается управления фильтрами-улавливателями частиц или FAP.

Изобретение может быть использовано, в частности, в любом транспортном средстве, оборудованном фильтром-улавливателем частиц, а также при использовании дополнительного инжектора, предназначенного для продувки ловушки для оксида азота (NOxTrap) или для ее десульфатации.

В отличие от обычного традиционного катализатора окисления эти системы работают циклично или в режиме чередования, то есть при нормальной работе они захватывают загрязнители для их обработки только во время фаз регенерации. В целях регенерации эти фильтры или ловушки требуют наличия специального режима сгорания, чтобы обеспечить необходимые уровни температуры и обогащения.

Для регенерации фильтра-улавливателя частиц можно произвести один или несколько впрысков с запаздыванием в камеры сгорания двигателя после верхней мертвой точки (ВМТ) во время такта расширения, и в результате этих впрысков повышается температура выпускных газов. Дизельное топливо, впрыскиваемое с большим запаздыванием после ВМТ, сгорает не в камере сгорания, а в каталитической части выхлопного коллектора. Чтобы снизить выброс загрязняющих веществ, можно кроме фильтра-улавливателя частиц размещать либо катализатор окисления (DOC) в выхлопном коллекторе на входе фильтра-улавливателя частиц, либо непосредственно каталитический материал (такой как платина) внутри фильтра-улавливателя частиц. Именно в этих каталитических центрах окисляются НС и СО топлива, впрыскиваемого с запаздыванием, повышая температуру газов.

Наконец, путем увеличения расхода топлива, впрыскиваемого с запаздыванием, увеличивают выход НС и СО на выходе двигателя. Эти реагенты-восстановители реагируют в катализаторе окисления с кислородом, присутствующим в выхлопных газах, за счет чего получают тепло, повышающее температуру выхлопных газов на входе фильтра-улавливателя частиц.

Таким образом, для регенерации фильтра-улавливателя частиц можно использовать тепло, выделяемое катализатором окисления, который, как правило, размещают на входе фильтра-улавливателя частиц, и тепло каталитической фазы, нанесенной на каталитический фильтр-улавливатель частиц. Эта фаза выполняет функцию окисления углеводородов и моноксидов углерода, не обработанных катализатором окисления. Она может также использовать тепло, производимое окислительной фазой каталитического фильтра-улавливателя частиц, если на его входе нет катализатора окисления.

Приведение в действие различных средств, обеспечивающих регенерацию, обычно управляется вычислительным устройством управления двигателем, которое в зависимости от нескольких параметров, в том числе степени забивания сажей фильтра-улавливателя частиц, определяет момент регенерации, а также ее продолжительность и параметры впрыска во время этой фазы.

Однако для повышения эффективности регенерации необходимо получать температуру внутри фильтра, способствующую окислению сажи (570-650°С), превышающую нормальную температуру выхлопных газов, причем независимо от рабочего такта двигателя. Точно также, чтобы оптимизировать обработку всех загрязнителей, необходимо соответствующим образом управлять фазами накопления и регенерации в этих ловушках. Таким образом, эти операции требуют регулирования температуры на входе фильтра-улавливателя частиц в момент фаз регенерации и разбавления, связанного с пост-впрыском.

В настоящее время тепло, необходимое для регенерации элементов-накопителей частиц, получают при помощи дополнительных впрысков либо во время такта расширения в цилиндре, либо непосредственно в выхлопном коллекторе. Как правило, регулирование впрыска осуществляют путем замыкания цикла по температуре на выходе катализатора окисления T_SDOC при помощи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), который вводит вычисленную поправку для регулирования этой температуры.

Два активатора, которыми располагают для достижения экзотермического пика, ожидаемого в каталитической фазе выхлопного коллектора, не являются равнозначными с точки зрения критерия разбавления топлива смазочным маслом.

Использование пост-впрыска в цилиндр приводит к повышенному расходу разбавителя, тогда как применение прямого впрыска в выхлопной коллектор может облегчить реализацию системы с этой точки зрения.

Задачей настоящего изобретения является максимальное повышение эффективности регенерации фильтра-улавливателя частиц за счет применения впрыска восстановителей в выхлопной коллектор, более предпочтительного, чем пост-впрыск, чтобы снизить стоимость разбавления, связанного с использованием пост-впрыска.

Для решения этой задачи используют подаваемое топливо для прямых впрысков в выхлопной коллектор и/или для впрысков с запаздыванием в камеры сгорания, в зависимости от значения температуры стенки.

Предпочтительно впрыск топлива в выхлопной коллектор ограничен зонами наименьших и наибольших нагрузок двигателя, и расход топлива, впрыскиваемого в выхлопной коллектор, ограничен максимальным расходом, сверх которого впрыскиваемое топливо не будет полностью окисляться в этом коллекторе.

Объектом изобретения является также устройство, содержащее первый температурный датчик на входе турбины, катализатор окисления, второй температурный датчик, измеряющий температуру на входе очистительной системы, очистительную систему и средство определения температуры стенки выхлопного коллектора.

Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего описания неограничивающего варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан пример осуществления изобретения;

на фиг.2 показано распределение впрысков в зависимости от условий такта выпуска;

на фиг.3 представлен способ определения температуры стенки;

на фиг.4 показана блок-схема управления;

на фиг.5 показаны кривые насыщения количества топлива, впрыскиваемого в выхлопной коллектор (пятый инжектор), для трех значений температуры стенки.

На фиг.1 показан неограничивающий пример использования изобретения в двигателе транспортного средства. На фигуре показаны четырехцилиндровый двигатель 1, турбина 2 и компрессор 3 турбокомпрессора, а также система дожигания выхлопных газов (EGR) и ее охлаждающий контур 4. В выхлопном коллекторе находится катализатор 7 окисления (DOC), за ним следует фильтр-улавливатель частиц 8 (FAP). Инжектор 9 для впрыска топлива в выхлопной коллектор, называемый пятым инжектором, установлен на входе в катализатор 7. Среди различных датчиков следует указать датчик 11 температуры (T_avt) перед турбиной, датчик 13 температуры (T_efap) на входе в фильтр-улавливатель частиц, датчик 14 температуры (T_esfap) на выходе из фильтра-улавливателя частиц, кислородный датчик 16 и датчик 17 разности давлений или датчик относительного давления между входом в фильтр и атмосферой. Наконец, на схеме показаны дроссельная заслонка 18 двигателя, клапан 19 EGR и средства 21 изоляции выхлопного коллектора. Соответствующее вычислительное устройство 22 двигателя принимает и обрабатывает сигналы, поступающие от упомянутых датчиков, а также другие данные, поступающие от потребителей 23 электрического тока, от автоматического вентилятора 25, управляемого термостата 26 и от датчиков 27 и 28 атмосферной температуры и атмосферного давления соответственно.

Вместе с тем в рамках настоящего изобретения дополнительный инжектор, расположенный в выхлопном коллекторе, или пятый инжектор 9 можно разместить либо на входе, либо на выходе из турбины, что не имеет значения для способа в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие элементы: инжектор 9 на выхлопном коллекторе, первый температурный датчик 11 на входе в турбину, катализатор 7 окисления, второй температурный датчик 12, измеряющий температуру (T_efap) на входе очистительной системы, очистительную систему 8 и средство определения температуры T_paroi стенки выхлопного коллектора. Согласно изобретению средство измерения температуры стенки может быть моделью вычисления, введенной в вычислительное устройство, или датчиком температуры стенки (не показан). Наконец, очистительная система 8 может быть либо фильтром-улавливателем частиц, либо другой системой, например ловушкой для оксидов азота, а инжектор 9 на выхлопном коллекторе может быть установлен на входе или на выходе из турбины.

Как было указано выше, настоящим изобретением предусмотрено назначение количества топлива Q_rec, позволяющее получить необходимую температуру на входе в фильтр-улавливатель частиц, между дополнительным инжектором, установленным в канале выпуска отработавших газов, и пост-впрыском.

В частности, количество Q_red, управляемое согласно стратегии контроля температуры на входе фильтра-улавливателя частиц, будет связано в первую очередь с дополнительным инжектором Q_5inj и/или с пост-впрыском Q_poi, в зависимости от значения температуры T_paroi стенки выхлопного коллектора в данный момент времени.

Изобретение исходит из того, что выхлопной инжектор не может быть использован во всем диапазоне рабочих режимов двигателя. Действительно, зона, характеризующаяся низким выходом выхлопных газов и низкой температурой стенки, не обеспечивает достаточного испарения впрыскиваемого топлива. Из соображений безопасности предпочтительно также не использовать выхлопной инжектор в зонах, характеризующихся большим выходом выхлопных газов и высокой температурой стенки, в силу незначительного времени нахождения восстановителей в катализаторе окисления, чтобы обеспечить окисление всего количества восстановителей. Как показано на фиг.2, впрыск топлива в выхлопной коллектор применяют только в некоторых диапазонах работы двигателя, и он ограничен, например, зонами наименьших и наибольших нагрузок двигателя.

Температуру стенки можно определять либо при помощи датчика, либо при помощи введенной в вычислительное устройство двигателя модели в зависимости от различных параметров. Действительно, чтобы определить температуру стенки T_paroi, можно использовать датчик или вычислительную модель, введенную, например, в вычислительное устройство управления двигателем, которая позволяет получить значение T_paroi в данный момент времени. Эта температура зависит от различных параметров, указанных на фиг.3, в том числе от температуры T_avt выхлопных газов перед турбиной турбокомпрессора, от температуры T_eau воды двигателя, от расхода выхлопных газов Q_ech и от расхода воздуха Q_aur (измеряемого, например, на такте впуска). Модель может использовать все эти параметры или только некоторые из них, в зависимости от фазы работы двигателя.

Количество впрыскиваемого топлива Q_red зависит от температуры стенки, от температуры на выходе катализатора окисления DOC или от температуры T_efap на входе фильтра-улавливателя частиц и от рабочей точки двигателя (выход выхлопных газов). Количество топлива Q_red вычисляют при помощи модуля, интегрированного в вычислительное устройство управления двигателем. Этот модуль, показанный на фиг.4, включает в себя базовое регулирование расхода впрыскиваемого восстановителя (предположительно не зависящего от активатора), отмечаемое на картографии рабочей точкой режим/крутящий момент двигателя, и поправку, генерируемую корректором типа ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) и зависящую от разности между измерением температуры на входе фильтра-улавливателя частиц и заданной температурой T_cons. Конверсионная способность катализатора окисления DOC, которая зависит от температуры стенки и от расхода проходящих через нее газов, определяет максимальный расход для пятого инжектора, сверх которого часть восстановителей, впрыскиваемых в выхлопной коллектор, не будет окисляться. Чтобы учитывать это условие, предусмотрено, чтобы количество Q_5inj впрыскиваемого в выхлопной коллектор топлива было ограничено максимальным количеством Q_injmax, сверх которого впрыскиваемое топливо не будет полностью окислено в этом коллекторе. В частности, топливо впрыскивают в выхлопной коллектор, пока количество Q_inj впрыскиваемого топлива остается меньше максимального количества топлива Q_injmax, способного окислиться в этом коллекторе.

На фиг.5 показан принцип высокого насыщения расхода пятого инжектора для разных температур стенки T_paroi1, T_paroi2, T_paroi3. В двух зонах, где не может быть использован этот инжектор, можно применять пост-впрыск, если стратегия контроля температуры на входе фильтра-улавливателя частиц требует получения экзотермического пика в DOC.

Если допустимо использование пятого инжектора, его насыщают в первую очередь, чтобы обеспечить его использование до насыщения, перенося при этом избыток на поствпрыск:

- если Q_red5inj максимального, то Q_5inj=Q_red и Q_poi1=0;

- если Q_red>=Q_5inj максимальному, то Q_5inj=Q_5inj максимальному и Q_poi1=Q_red-Q_5inj максимальный.

Таким образом, избыток топлива Q_poi по отношению к количеству окисляемого топлива в выхлопном коллекторе Q_injmax вводят путем впрысков с запаздыванием в камеры сгорания двигателя. Предпочтительно вычислительное устройство 22 двигателя управляет количеством топлива Q_red в инжекторе, предназначенном для выхлопного коллектора 9, до уровня насыщения катализатора 7 окисления, прежде чем перенести избыток, требуемый для регенерации фильтра 8, на впрыски топлива с запаздыванием в камеры сгорания двигателя.

В случае одновременной активации впрыска в выхлопной коллектор и поствпрыска предпочтительно, чтобы подача всего впрыскиваемого топлива следовала наклонному графику роста для достижения заданного значения, чтобы избежать прохождения части впрыскиваемого топлива через катализатор без вступления в реакцию. При таком профиле впрыска восстановители, проходящие через катализатор, имеют больше шансов окислиться в случае большого выхода выхлопных газов и высокой температуры стенки.

Чтобы улучшить динамику системы, предпочтительно менять расход инжектора на выхлопном коллекторе в ответ на изменение общего заданного значения расхода. Таким образом, пост-впрыск становится нечувствительным к изменению заданного значения. Вместе с тем, поскольку приоритетной задачей является максимальное уменьшение разбавления, связанного с пост-впрыском, изобретение предусматривает восстановление равновесия (то есть получение максимального расхода восстановителей в выхлопном коллекторе и минимального расхода в камерах сгорания двигателя) путем постепенного повышения расходов восстановителей в выхлопном коллекторе.

Модель стратегии впрыска восстановителей в выхлопной коллектор введена в электронный блок управления ECU транспортного средства. Эта стратегия предусматривает следующие этапы:

- сначала на основе картографии модель определяет дополнительное количество впрыскиваемого топлива (Q_red) для рассматриваемой рабочей точки;

- измерение температуры на выходе катализатора окисления DOC (или на входе фильтра-улавливателя частиц FAP) позволяет скорректировать это количество восстановителя, чтобы максимально приблизиться к искомой температуре (заданной температуре) на входе фильтра-улавливателя частиц FAP (T_SDOC=T_EFAP);

- после этого блок управления управляет распределением дополнительного топлива между пятым инжектором (Q_5inj) и пост-впрыском (Q_poi1) в зависимости от характеристик выхлопных газов (T_paroi и Q_ECH). При этом может работать или только пятый инжектор, или только впрыск с запаздыванием.

Наконец, следует отметить, что уточнение модели вычисления температуры стенки может ограничить применение способа в соответствии с настоящим изобретением. Действительно, необходимо иметь возможность использования дополнительного инжектора в максимально большом диапазоне режима нагрузки, но вместе с тем важно не использовать его, когда температура стенки является слишком низкой. Пределы, принимаемые для значения T_paroi, будут непосредственно влиять на допустимое поле режим/нагрузка.

Реферат

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности дизельным. Сущность изобретения: способ управления регенерацией очистительной системы основан на введении топлива в выхлопные газы путем впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания двигателя и/или путем прямых впрысков в выхлопной коллектор на входе в фильтр в зависимости от температуры на входе системы. Согласно изобретению количество (Qred) вводимого топлива для прямых впрысков в выхлопной коллектор и/или для впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания назначают в зависимости от температуры стенки (Tparoi) выхлопного коллектора. Техническим результатом изобретения является повышенная эффективность регенерации фильтр-уловителя частиц за счет применения впрыска восстановителей в выхлопной коллектор. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула