Способ и система очистки выхлопных газов - RU2535440C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сажевым фильтрам и, в частности, к способу оценки количества сажи в сажевом фильтре в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения. Изобретение также относится к системе, выполненной с возможностью выполнять оценку количества сажи в сажевом фильтре в соответствии с ограничительной частью п.20 формулы изобретения. Изобретение также относится к компьютерной программе для применения способа и к транспортному средству, оснащенному такой системой.

Предпосылки к созданию изобретения

Растущая озабоченность загрязнением и качеством воздуха, особенно в городах, привела к принятию во многих юрисдикциях стандартов и нормативов на выбросы.

Такие стандарты на выбросы часто устанавливают требования, которые определяют допустимые пределы для выхлопных газов транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. Такие стандарты часто регулируют, например, уровни выбросов окислов азота (No_x), углеводородов (НС), монооксида углерода (СО) и сажи для большинства типов транспортных средств.

Попытки выполнить такие стандарты на выбросы имели следствием продолжающиеся до сих пор исследования, направленные на снижение выбросов путем пост-обработки (очистки) выхлопных газов, образующихся в результате горения в двигателях внутреннего сгорания.

Одним из способов пост-обработки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания является так называемый каталитический процесс очистки, потому автомобили и многие другие, по меньшей мере, большие транспортные средства, оснащенные двигателями внутреннего сгорания, оснащены также по меньшей мере одним катализатором.

Системы пост-обработки также могут альтернативно или в комбинации с одним или более катализатором, содержать другие компоненты, например сажевые фильтры. Имеются решения, в которых сажевые фильтры и катализаторы выполнены интегрированными друг с другом.

В результате горение в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания образуются частицы сажи. Сажевые фильтры используются для захвата этих частиц и работают так, чтобы поток выхлопных газов направлялся через структуру фильтра, в результате чего частицы сажи захватываются из проходящего потока выхлопных газов и хранятся в сажевом фильтре.

Сажевый фильтр постепенно заполняется частицами сажи и рано или поздно его приходится опорожнять, что осуществляется так называемой регенерацией.

Регенерация заключается в том, что частицы сажи, которая в основном состоит из частиц углерода, преобразуют в диоксид углерода и/или монооксид углерода одним или более химическим процессом, при этом регенерацию можно в принципе выполнять двумя разными способами. Одним способом является так называемая регенерация на основе кислорода (О₂), также именуемая активной регенерацией. При активной регенерации в выхлопные газы добавляют топливо, которое предназначено для сгорания в окислительном катализаторе, который расположен перед сажевым фильтром. При активной регенерации углерод преобразуется с помощью кислорода в диоксид углерода и воду.

Эта химическая реакция для достижения требуемой скорости реакции (скорости опорожнения фильтра) требует относительно высокой температуры в сажевом фильтре.

Вместо активной регенерации можно использовать регенерацию на основе NO₂, которую также именуют пассивной регенерацией. При пассивной регенерации в ходе реакции между углеродом и диоксидом азота формируются оксиды азота и оксиды углерода. Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что требуемую скорость реакции и, следовательно, скорость, с которой опорожняется фильтр, можно достичь при существенно более низких температурах.

Как описано ниже, для определения количества сажи в фильтре используют перепад давления на сажевом фильтре, т.е. падение давления на фильтре. Это падение давления затем используют как основу для принятия решения о необходимости проведения регенерации. Однако измерения перепада давления на сажевом фильтре подвержены воздействию ряда источников ошибок, что приводит к тому, что ранее полученные оценки количества сажи становятся неправильными.

Это может привести к тому, что регенерация будет проводиться в неоптимальное время и транспортное средство будет работать с ненужным высоким противодавлением в сажевом фильтре, что приводит к перерасходу топлива. Альтернативно регенерация в неоптимальное время может осуществляться слишком часто, также приводя к перерасходу топлива.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа оценки количества сажи в сажевом фильтре. Эта цель достигается вышеупомянутым способом согласно отличительной части п.1 формулы изобретения. Эта цель также достигается с помощью вышеупомянутой системы согласно отличительной части п.20 формулы изобретения. Эта цель также достигается с помощью вышеупомянутой компьютерной программы и вышеупомянутого транспортного средства.

Согласно настоящему изобретению предлагается точный и достоверный способ оценки количества сажи в сажевом фильтре для минимизации влияния на оценку точности и разрешающей способности применяемых датчиков и влияния конденсата в сажевом фильтре.

Способ обеспечивает достоверность оценки количества сажи путем определения подходящего времени для измерений перепада давления на сажевом фильтре. Перепад давления, измеренный в это время, затем используется для оценки количества сажи в фильтре. Выбор этого времени согласно настоящему изобретению позволяет избежать различных проблем и источников ошибок, которые приводят к ненадежности предыдущих известных оценок. Хорошо выбранное согласно настоящему изобретению время проведения измерений также означает, что полученная оценка количества сажи в фильтре становится полностью эффективной для запоминания и расчетов.

Если температура в сажевом фильтре достаточно высока в течение достаточно длительного времени до начала измерений перепада давления и оценки количества сажи, то это гарантирует, что в сажевом фильтре по существу нет никакой воды, которая была в фильтре на момент начала движения транспортного средства. Противодавление, создаваемое конденсатом, накопившемся в фильтре с момента выключения транспортного средства, таким образом, не добавляется к противодавлению, создаваемому сажей в момент оценки.

Если во время измерения падения давления на сажевом фильтре и, следовательно, оценки количества сажи расход потока выхлопных газов превышает достаточно высокую пороговую величину, появляется уверенность в том, что разрешающая способность датчика падения давления будет достаточной для достижения высокой точности величины измеряемого потока. Другими словами, падение давления на фильтре при таких высоких потоках становится большим относительно точности датчика. В результате сигнал от датчика может содержать только такие ошибки, которые оказывают относительно небольшое влияние на оценку.

Если температуру сажевого фильтра перед оценкой количества сажи, т.е. перед измерением падения давления на фильтре поддерживать выше первой пороговой величины, которая превышает температуру, при которой вода в выхлопных газах может конденсироваться, то можно избежать проблем, связанных с любой повторной конденсацией воды, которая может возникнуть, если температура во время работы транспортного средства будет временно падать.

Таким образом, согласно настоящему изобретению оценка выполняется только тогда, когда выполнены все эти условия, т.е. когда расход выхлопных газов превышает пороговую величину, когда в сажевом фильтре по существу нет воды, и когда температура превышает первую пороговую величину. В результате оценка количества сажи в сажевом фильтре является более точной и более эффективной для запоминания и расчетов, поскольку большинство возможных источников ошибок устранены путем выбора согласно настоящему изобретению подходящего времени для выполнения оценки.

Другие отличительные признаки изобретения и его преимущества будут понятны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1а - силовая передача транспортного средства, в котором можно использовать настоящее изобретение.

Фиг.1b - пример управляющего устройства в системе управления транспортным средством.

Фиг.2 - пример системы пост-обработки транспортного средства, в котором можно использовать настоящее изобретение.

Фиг.3 - перепад давления как функция расхода через сажевый фильтр для двух разных количеств сажи.

Фиг.4 - диаграмма последовательности способа по настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов

На фиг.1а схематически показано тяжелое транспортное средство 100, например грузовик, автобус и т.п. согласно варианту настоящего изобретения. Транспортное средство 100, схематически показанное на фиг.1а, содержит пару передних колес 111, 112 и пару ведущих задних колес 113, 114. Транспортное средство далее содержит силовую передачу с двигателем 101 внутреннего сгорания, соединенным известным способом через выходной вал 102 двигателя 101 с коробкой 103 передач, например, через муфту 106 сцепления.

Выходной вал 107 коробки 103 передач приводит в действие ведущие колеса 113, 114 через главную передачу 108, известный дифференциал и полуоси 104, 105, которые соединены с главной передачей 108.

Транспортное средство 100 далее содержит систему 200 пост-обработки/очистки выхлопных газов для обработки (очистки) выхлопных газов двигателя 101.

Система пост-обработки более подробно показана на фиг.2. На схеме показан двигатель 101 транспортного средства 100, в котором выхлопные газы, генерируемые при сгорании, подаются через узел 220 турбины (в турбированных двигателях выхлопной поток, образующийся в результате сгорания, часто приводит в действие турбину, используемую для сжатия входящего воздуха для сгорания в цилиндрах). Функция турбин хорошо известна и поэтому более подробно не описывается. Выхлопной поток затем по трубе 204 (показанной стрелками) направляется на сажевый фильтр (202) через окислительный катализатор (дизельный окислительный катализатор, ДОК) 205.

Система пост-обработки далее содержит СКВ (селективное каталитическое восстановление) нейтрализатор 201, расположенный после сажевого фильтра 202 (дизельный сажевый фильтр, ДСФ). СКВ-нейтрализатор использует аммиак (NH₃) или соединение, из которого можно генерировать/формировать аммиак, в качестве присадки для уменьшения количества оксидов азота No_x.

Альтернативно сажевый фильтр 202 может быть установлен после СКВ-нейтрализатора 201, хотя это может быть менее полезно в случаях, когда настоящее изобретение относится к так называемой пассивной регенерации, которая зависит от оксидов азота, которые обычно восстанавливаются в СКВ-нейтрализаторе. Согласно варианту настоящего изобретения система пост-обработки вовсе не содержит СКВ-нейтрализатора.

Окислительный катализатор (ДОК) 205 выполняет несколько функций и использует избыток воздуха, обычно имеющийся в выхлопных газах дизельного двигателя, как химический реагент вместе с покрытием из благородного металла на окислительном катализаторе. Катализатор обычно используется в первую очередь для окисления углеводородов и монооксида углерода, остающихся в выхлопном потоке для диоксида углерода и воды.

Окислительный катализатор, однако, может также окислять монооксид азота (NO), в большом количестве присутствующий в выхлопных газах, до диоксида азота (NO₂). Этот диоксид азота согласно настоящему изобретению затем используется в процессе пассивной регенерации. В окислительном катализаторе происходят и другие реакции.

В описываемом варианте системы очистки выхлопных газов ДОК 205, ДСФ 202, а также СКВ-нейтрализатор 201 интегрированы в комбинированное устройство 203 очистки выхлопных газов. Однако следует отметить, что ДОК 205 и ДСФ 202 не требуют интегрирования в комбинированное устройство очистки выхлопных газов, а могут быть расположены в другом подходящем месте. Например, ДОК 205 может быть расположен ближе к двигателю 101. СКВ-нейтрализатор также может быть выполнен отдельно от ДСФ 202 и/или ДОК 205.

Система очистки выхлопных газов обычно устанавливается на тяжелых транспортных средствах, по меньшей мере, в тех юрисдикциях, где действуют строгие нормы на выбросы, но в качестве альтернативы окислительному катализатору можно использовать сажевый фильтр с покрытием из благородного металла так, чтобы химические процессы, протекающие в окислительном катализаторе, вместо этого протекали бы в сажевом фильтре и, следовательно, система очистки выхлопных газов не имеет ДОК 205.

Как было указано выше, при сгорании в двигателе 101 образуются частицы сажи. Эти частицы сажи не должны выбрасываться в окружающую среду и во многих случаях их выброс не допускают. Сажа дизельного двигателя содержит углеводороды, углерод (собственно сажа) и неорганические вещества, такие как сера и зола. Как было указано выше, эти частицы сажи улавливаются сажевым фильтром 202, который работает так, чтобы поток выхлопных газов проходил сквозь сажевый фильтр, в котором частицы сажи улавливаются из проходящего потока и хранятся в фильтре 202. Фильтр может улавливать из потока выхлопных газов очень большую часть сажи.

Сажа, сепарированная таким способом из потока выходных газов, накапливается в фильтре 202, который со временем заполняется сажей. В зависимости от таких факторов, как текущие условия движения, манера вождения водителя и загруженность транспортного средства, будет генерироваться большее или меньшее количество сажи, поэтому заполнение происходит более или менее быстро, но когда заполненность фильтра достигает определенного уровня, его необходимо «опорожнить». Если фильтр заполнен до слишком высокого уровня, это может повлиять на характеристики транспортного средства и из-за накопившейся сажи в сочетании с высокой температурой может возникнуть угроза пожара.

Как указано выше, опорожнение сажевого фильтра 202 выполняется путем регенерации, при которой частицы сажи, частицы углерода преобразуются химическим процессом в диоксид углерода и/или монооксид углерода. Таким образом, со временем фильтр 202 нужно регенерировать с более или менее регулярными интервалами, и определение времени, подходящего для регенерации, может выполняться, например, управляющим устройством 208, которое может, например, определять подходящее время или времена по меньшей мере частично на основе сигналов от датчика 209 давления, который измеряет перепад давления на фильтре. Чем более заполнен фильтр 202, тем выше на нем будет перепад давления.

На определение времени регенерации может оказать влияние текущая температура до и/или после окислительного катализатора 205 и/или до и/или после фильтра 202. Эти температуры можно определять, например, датчиками 210-212 температуры.

Регенерация обычно не производится до тех пор, пока степень заполнения фильтра остается ниже некоторого заранее определенного уровня. Например, система управления может управлять регенерацией фильтра так, чтобы никаких действий не предпринималось, пока степень заполнения фильтра находится ниже некоторого подходящего уровня, в диапазоне 60-80%. Степень заполнения можно оценить подходящим способом, например, на основе перепада давления, как указано выше, и в этом случае определенный перепад давления будет представлять определенную степень заполнения.

Управляющее устройство 208 также управляет оценкой количества сажи в соответствии с настоящим изобретением, как более подробно описано ниже.

По существу управляющие системы в современных транспортных средствах обычно содержат систему коммуникационной шины, состоящую из одной или более коммуникационной шины для соединения друг с другом множества электронных управляющих блоков (ЭУБ) или контроллеров и различных компонентов, расположенных на транспортном средстве. Такая система управления может содержать большое количество управляющих блоков и ответственность за выполнение конкретной функции может быть распределена между двумя или более из них.

Для упрощения на фиг.2 показан только управляющий блок 208, но транспортные средства описываемого типа часто имеют относительно большое количество управляющих блоков, например, для управления двигателем, коробкой передач и т.п., как хорошо известно специалистам в данной области.

Таким образом, настоящее изобретение можно реализовать в управляющем блоке 208, но оно может быть полностью или частично реализовано в одном или более другом управляющем блоке, которые имеются на транспортном средстве.

Управляющие блоки описываемого типа обычно адаптированы к приему сигналов датчиков из различных частей транспортного средства, например, как показано на фиг.2, датчика 209 давления и датчиков 210-212 температуры, а также, например, от блока управления двигателем (не показан). Управляющие сигналы, генерируемые управляющими блоками, обычно зависят и от сигналов от других управляющих боков, и от сигналов от компонентов. Например, управление регенерацией, осуществляемое управляющим блоком 208 согласно настоящему изобретению, может, например, осуществляться в зависимости от информации, полученной, например, от блока управления двигателем и датчиков температуры/давления, показанных на фиг.2.

Управляющие блоки описываемого типа также обычно адаптированы для выдачи управляющих сигналов на части и компоненты транспортного средства, например в настоящем примере на блок управления двигателем для задания режима управления сгоранием, как описано ниже.

Управление часто осуществляется с помощью программных команд. Эти команды обычно имеют форму компьютерной программы, которая при выполнении на компьютере или в управляющем блоке заставляет компьютер/блок управления осуществлять требуемые управляющие воздействия, например этапы способа по настоящему изобретению. Компьютерная программа имеет форму компьютерного программного продукта 109, который хранится в цифровом запоминающем устройстве 121 (см. фиг.1b), например в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве), ППЗУ (программируемом постоянном запоминающем устройстве), СППЗУ (стираемом ППЗУ), ЭСППЗУ (электрически стираемом ППЗУ), НЖМД (накопитель на жестком магнитном диске) и пр., расположенном в управляющем блоке или соединенном с ним, и который выполняется управляющим блоком. Таким образом, поведение транспортного средства в конкретной ситуации можно регулировать, изменяя команды компьютерной программы.

Пример управляющего блока (управляющего блока 208) схематически показан на фиг.1b. Этот управляющий блок 208 сам может содержать вычислительный блок 120, который может иметь форму по существу любого подходящего процессора или микрокомпьютера, например цепи для цифровой обработки сигнала (цифровой сигнальный процессор, ЦСП) или цепи с заранее определенной конкретной функцией (специализированная микросхема). Вычислительный блок 120 соединен с запоминающим устройством 121, которое загружает в него, например, хранящийся в нем программный код 109 и/или данные, которые нужны вычислительному блоку 120 для выполнения расчетов. Вычислительный блок также выполнен с возможностью запоминать промежуточные или конечные результаты расчетов в запоминающем устройстве 121.

Управляющий блок 208 далее снабжен соответствующими устройствами 122, 123, 124, 125 для приема и передачи входных и выходных сигналов. Эти входные и выходные сигналы могут иметь форму волны, импульсы или другие атрибуты, которые устройства 122, 125, принимающие эти входные сигналы, могут определять как информацию, которая может быть преобразована в сигналы, которые вычислительный блок 120 может обрабатывать.

Затем эти сигналы передаются на вычислительный блок 120. Устройства 123, 124, передающие выходные сигналы, выполнены с возможностью преобразования сигналов, принятых от вычислительного блока 120, например, путем их модуляции, для создания выходного сигнала, который может быть передан на другие части системы управления транспортным средством и/или компоненты, для которых предназначены эти сигналы. Каждое соединение с соответствующим устройством для приема и передачи входных и выходных сигналов может иметь одну или более из форм, таких как кабель, шина данных, например, шина CAN (Controller Area Network) шина MOST (Media Oriented Systems Transport) или другие конфигурации шины, или форму беспроводного соединения.

Как указано выше, регенерацию можно, в частности, выполнять двумя разными способами. Один способ - это так называемая регенерация на основе кислорода (О₂) именуемая активной регенерацией. При активной регенерации происходит химический процесс, по существу заключающийся в следующем:

С+О₂=СО₂+теплота

Активная регенерация, таким образом, преобразует кислород плюс газообразный кислород в диоксид углерода плюс теплота. Однако эта химическая реакция весьма зависит от температуры и требует относительно высоких температур фильтра для достижения приемлемой скорости реакции. Низшая температура, которая должна быть на фильтре, типично равна 500°С, но предпочтительно поддерживать еще более высокую температуру, чтобы регенерация шла с приемлемой скоростью.

Однако максимальная температура, применимая в процессе активной регенерации, часто ограничена допусками соответствующих компонентов. Например, сажевый фильтр 202 и/или любой расположенный после него СКВ-катализатор часто имеют конструктивные ограничения относительно максимальной температуры, до которой может нагреваться этот компонент. Это значит, что активная регенерация из-за ее влияния на компоненты проходит при неприемлемо низких максимально допустимых температурах. В то же время требуется очень высокая низшая температура для достижения приемлемой скорости реакции. При активной регенерации сажа, скопившаяся в фильтре 202, сгорает по существу полностью. После полной регенерации фильтра уровень сажи в нем составит по существу 0%.

В настоящее время все более широкое применение находит практика, когда на транспортные средства устанавливают не только сажевый фильтр 202, но и СКВ-нейтрализатор 201, и в этом случае активная регенерация может повлечь за собой проблемы в форме перегрева процесса пост-обработки в расположенном после сажевого фильтра СКВ-нейтрализаторе.

По меньшей мере отчасти из-за этой проблемы в настоящем изобретении используется не активная регенерация, описанная выше, а регенерация на основе NO₂ (пассивная регенерация). При пассивной регенерации в ходе реакции между углеродом и диоксидом азота формируются оксид азота и оксид углерода:

NO₂+C=NO+CO

Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что требуемая скорость реакции и, следовательно, скорость опорожнения фильтра достигается при более низкой температуре. Пассивная регенерация сажевых фильтров типично происходит при температуре в пределах 200°С-500°С, хотя предпочтительными являются температуры верхней части этого диапазона. Этот температурный диапазон, существенно более низкий чем при активной регенерации, тем не менее дает большие преимущества в случаях, когда, например, имеется СКВ-нейтрализатор, поскольку этот процесс не влечет за собой риск достижения такой высокой температуры, который мог бы повредить СКВ-нейтрализатор.

Как описано выше, перепад давления на сажевом фильтре 202 определяется посредством датчика 209 перепада давления. Затем величина перепада давления используется для оценки количества сажи в фильтре 202. В ранее известном решении предполагалось, что перепад давления повторяет кривую количества сажи, которое является функцией расхода через фильтр.

На фиг.3 показаны два примера таких кривых, иллюстрирующих перепад давления на сажевом фильтре как функцию расхода при различных количествах сажи в фильтре, в котором по существу отсутствует вода. Нижняя кривая 301 представляет перепад давления на той же подложке фильтра, т.е. перепад давления, когда фильтр не содержит сажи, т.е. 0 г/л сажи. Верхняя кривая 302 представляет перепад давления на фильтре, когда в нем содержится сажа. В этом примере фильтр содержит 5 г/л сажи.

Ранее при определении количества сажи в сажевом фильтре использовались кривые, такие, как показаны на фиг.3, но такая аппроксимация отношения перепада давления, количества сажи и расход потока не дает достоверных величин количества сажи по нескольким причинам.

Одна проблема такой аппроксимации заключается в том, что использование датчиков влечет присущую им неточность, а также индивидуальный разброс, что затрудняет получения точных данных измерения положения системы на соответствующей кривой в данное время. Это, разумеется, затрудняет точное определение количества сажи в сажевом фильтре 202 на основе соответствующей кривой.

Кроме того, в пористой структуре фильтра накапливается конденсат, когда система очистки выхлопных газов не активна и не прогрета. Конденсат в фильтре ранее был источником неточных оценок количества сажи, поскольку конденсат также создает противодавление в фильтре.

Еще одной проблемой такой аппроксимации является трудность оценки, в каком количестве происходит повторная конденсация воды из выхлопных газов во время работы транспортного средства, когда их температура временно падает, что влечет ошибки в ранее известных оценках количества сажи.

Согласно настоящему изобретению указанные выше проблемы решаются путем определения подходящего времени измерения перепада давления на сажевом фильтре 202 и использования перепада давления в конкретное время для оценки количества сажи в фильтре. Согласно настоящему изобретению измерения и, следовательно, оценку выполняют когда расход потока выхлопных газов превысит пороговую величину, когда сажевый фильтр по существу не содержит воды и когда температура фильтра превышает первую пороговую величину. Таким образом, оценка выполняется только тогда, когда выполнены все эти условия.

Когда расход потока выхлопных газов согласно настоящему изобретению превысит пороговую величину, перепад давления на момент оценки будет большим относительно точности датчика 209 перепада давления, что повышает точность измерений. Если как в ранее известных решениях нет уверенности, что расход потока выхлопных газов превысит пороговую величину, перепад давления вполне может не быть большим относительно точности датчика, что потенциально приводит к ошибке в оценке количества сажи. Согласно ранее известным решениям этот перепад давления может быть настолько мал во время оценки, что точность датчика может стать существенным источником ошибки.

Поскольку согласно настоящему изобретению измерение и, следовательно, оценка выполняются, когда сажевый фильтр 202 не содержит конденсата, в результате полученная величина количества сажи является более точной и свободной от влияния противодавления, создаваемого конденсатом, который имелся в фильтре в момент пуска транспортного средства.

Согласно настоящему изобретению, измерение и, следовательно, оценку выполняют в момент, когда температура фильтра превышает первую пороговую величину, и влияние любой повторной конденсации воды в порах фильтра, когда температура во время работы транспортного средства временно падает, снижается. Результатом являются более точные измерения величины перепада давления для данного расхода потока выхлопных газов и сопротивления потоку.

Подводя итоги, применение настоящего изобретения приводит к оценке количества сажи, по существу свободной от неблагоприятного влияния точности датчиков, наличия конденсата в разных количествах в сажевом фильтре при пуске или любой конденсации воды во время работы транспортного средства из-за временного падения температуры выхлопных газов ниже уровня, при котором возможна повторная конденсация воды в фильтре 202.

Согласно варианту настоящего изобретения величина расхода потока выхлопных газов определяется на основе массового расхода через систему 200 очистки выхлопных газов, давления перед сажевым фильтром 202 и температуры фильтра.

Имеются разные способы расчета массового расхода выхлопных газов. Его можно, например, рассчитывать на основе сигнала от датчика 214 массового расхода, расположенного на входе двигателя 101 и соединенного с управляющим блоком 208. Массовый расход выхлопных газов также можно рассчитывать, например, на основе давления и температуры во впускном коллекторе двигателя, с коррекцией на наличие любых клапанов EGR (Exhaust Gas Recirculation, рециркуляция выхлопных газов).

Давление перед сажевым фильтром 202 относительно атмосферного давления можно определить по сигналу давления от датчика 213 давления, который установлен перед сажевым фильтром 202 и соединен с управляющим блоком 208. Температуру сажевого фильтра можно оценить на основе сигнала температуры по меньшей мере от одного датчика 211, 212 температуры для этого фильтра, которые расположены либо перед ним (211), либо после (212) него.

Пороговая величина расхода, которая согласно настоящему изобретению должна быть превышена до выполнения оценки количества сажи, должна быть задана достаточно высокой, чтобы обеспечить точность датчика давления, которая, как известно специалистам, разная у разных датчиков. Типично эта пороговая величина расхода может соответствовать расходу от 200 до 300 литров в секунду. Согласно варианту настоящего изобретения эта пороговая величина расхода соответствует расходу приблизительно 250 литров в секунду. Это гарантирует, что применение датчиков давления выдадут надежные выходные сигналы.

Как описано выше, в сажевом фильтре 202 часто скапливается конденсат, потенциально создавая противодавление, которое неотличимо от противодавления, создаваемого накопившейся сажей и, следовательно, приводит к ошибочной оценке количества сажи.

Согласно настоящему изобретению, сажевый фильтр 202 считается по существу не содержащим воды, если в нем в течение достаточно длительного времени поддерживалась температура, превышающая определенную пороговую величину, достаточно высокую, чтобы удалить из фильтра воду.

Согласно варианту настоящего изобретения содержание воды в сажевом фильтре 202 определяют с помощью модели, которая учитывает характеристики воды так, что считает фильтр по существу свободным от воды, если он в течение по меньшей мере заранее определенного времени имел температуру выше второй пороговой величины. При низких температурах сажевого фильтра, например, когда транспортное средство работает на холостых оборотах, вода может конденсироваться в фильтре. Эта вторая пороговая величина, следовательно, превышает среднюю температуру, при которой вода выкипает из пор сажевого фильтра.

Вторая пороговая величина температуры, таким образом, находится в диапазоне 150°С-250°С. Согласно варианту настоящего изобретения, вторая пороговая величина температуры составляет приблизительно 200°С. Это значит, что если температура сажевого фильтра выдерживается в этом диапазоне, любая имеющаяся в нем вода будет удалена.

Согласно варианту настоящего изобретения заранее определенное время, в течение которого фильтр согласно модели должен выдерживаться при температуре 150°С-250°С, составляет от 8 до 12 минут. Согласно варианту настоящего изобретения, это заранее определенное время составляет 10 минут.

Таким образом, поддерживая достаточно долгое время достаточно высокую температуру для удаления воды из фильтра, настоящее изобретение гарантирует, что фильтр 202 по существу не будет содержать воды. Результатом будет более точная оценка количества сажи, поскольку к противодавлению, вызванному сажей, по существу, не добавляется противодавление, создаваемое конденсатом.

Как указано выше, конденсат увеличивает противодавление на сажевом фильтре 202. После того как фильтр прогреется, желательно избегать выполнения оценки количества сажи тогда, когда вновь может происходить конденсация воды, что может произойти, если, например, температура выхлопных газов временно упадет. Следовательно, согласно настоящему изобретению, измерение падения давления и оценку количества сажи выполняют только после того, как температура фильтра достигнет первого температурного порога, который выше температуры, при которой вода может конденсироваться из выхлопных газов в фильтр. Эта первая пороговая величина может быть в диапазоне от 140°С до 200°С. Согласно настоящему изобретению, эта первая пороговая величина составляет приблизительно 170°С. Выполнение оценки только после того как будет достигнута такая высокая температура, позволяет избежать ошибочных оценок количества сажи из-за накопления воды в порах фильтра.

Как описано выше, оценка количества сажи связана с использованием величины массового расхода выхлопных газов, определенного на основе сигнала массового расхода выхлопных газов, сигнала давления от датчика 213 давления, относительно атмосферного давления, и сигнала температуры, от датчиков 211, 212 для сажевого фильтра 202. Массовый расход выхлопных газов и температура имеют разную инерционность, что означает, что соответствующие сигналы имеют разные задержки относительно друг друга. Более того, эти сигналы также имеют задержку относительно сигнала от датчика давления. Все эти задержки приводят к тому, что сигнал на оценку количества сажи становится очень зигзагообразным, неравномерным и трудным в интерпретации. Сигнал становится просто трудным для интерпретации из-за его неравномерности и, следовательно, возникает риск неправильной интерпретации.

На фиг.4 приведена диаграмма последовательности способа по настоящему изобретению. Первый этап 401 после старта способа проверяет, предпочтительно, используя модель, описанную выше, наличие конденсата, имеется ли в сажевом фильтре какая-либо вода, которая может иметься в нем, когда транспортное средство запускают. Если будет обнаружено, что в фильтре по существу нет воды, способ переходит на этап 402. Если в фильтре имеется вода, способ возвращается в начало.

На втором этапе проверяется, превышает ли массовый расход выхлопных газов пороговую величину, и если превышает, способ переходит на этап 403. Если массовый расход выхлопных газов не превышает пороговую величину, способ возвращается к началу.

На третьем этапе 403 выполняется проверка, превышает ли температура сажевого фильтра первый температурный порог. Если температура выше этого порога, способ переходит на четвертый этап 404. Если температура ниже порога, способ вновь возвращается в начало.

Как понятно специалистам, первые три этапа 401, 402, 403 настоящего способа можно выполнять по существу в любом желаемом порядке. Можно также реализовать способ так, чтобы любое не выполненное условие этапа проверялось еще несколько раз, прежде чем способ вернется в начало.

Существенным признаком способа является то, что перед тем как перейти к четвертому этапу 404, массовый расход выхлопных газов должен превысить пороговую величину, и сажевый фильтр должен быть по существу свободен от воды и иметь температуру, превышающую пороговую величину.

На четвертом этапе 404 способа производится оценка количества сажи, т.е. измеряется падение давления и производится оценка количества сажи. Тот факт, что все три условия первого, второго и третьего этапов 401, 402 и 403 соответственно выполнены, дает гарантию точности и достоверности оценки количества сажи.

На пятом этапе 405 способа обновляется предыдущая конкретная величина оценки количества сажи. Таким образом, новая конкретная величина количества сажи записывается поверх предыдущей сохраненной величины.

Настоящее изобретение также относится к системе, выполненной с возможностью оценки количества сажи в сажевом фильтре 202. Система по настоящему изобретению содержит средство расходомера, выполненного с возможностью определять, превышает ли массовый расход выхлопных газов пороговую величину расхода. Система также содержит средство определения наличия воды, выполненное с возможностью определять воду, присутствующую в сажевом фильтре, и средство измерения температуры, выполненное с возможностью оценки температуры сажевого фильтра 202. Система содержит также средство оценки, выполненное с возможностью оценивать количество сажи в сажевом фильтре 202, когда массовый расход выхлопных газов превышает пороговую величину, фильтр по существу свободен от воды и температура фильтра превышает первую пороговую величину.

Система далее содержит средство для осуществления различных вариантов описанного выше способа по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение далее относится к транспортному средству в соответствии с фиг.1а, содержащему сажевый фильтр 202 и систему по настоящему изобретению, выполненную с возможностью оценивать количество сажи в фильтре способом по настоящему изобретению.

Настоящее изобретение описано выше в связи с автомобилями. Однако настоящее изобретение может применяться к любым транспортным средствам, в которых применяются системы очистки выхлопных газов, например к судам или летательным аппаратам с описанными процессами сгорания/регенерации.

Реферат

Настоящее изобретение относится к сажевым фильтрам. Сущность изобретения: способ и система для оценки количества сажи в сажевом фильтре в системе очистки выхлопных газов, при этом оценка связана с использованием падения давления на сажевом фильтре для определения количества сажи. Согласно изобретению измерение падения давления на сажевом фильтре и, следовательно, эта оценка производится во время, когда массовый расход выхлопных газов через систему очистки выхлопных газов превышает пороговую величину, сажевый фильтр по существу свободен от воды и температура сажевого фильтра превышает первую пороговую величину. Техническим результатом изобретения является точная и достоверная оценка количества сажи в сажевом фильтре для минимизации влияния на оценку точности и разрешающей способности применяемых датчиков и влияния конденсата в сажевом фильтре. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула