Способ эксплуатации и диагностики системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением - RU2439343C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу эксплуатации и диагностики системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением (СКВ), содержащей катализатор селективного каталитического восстановления (СКВ), обладающий способностью аккумулирования аммиака, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Из DE 10254843 А1 известен способ эксплуатации и диагностики системы нейтрализации отработавших газов с СКВ, содержащей катализатор СКВ, обладающий способностью аккумулирования аммиака, при котором регистрируется сигнал датчика отработавших газов, расположенного в выпускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания по направлению потока за катализатором СКВ и обладающего чувствительностью к оксидам азота и аммиаку. Для диагностики системы нейтрализации отработавших газов с СКВ изменяют количество восстанавливающего средства, подводимого к катализатору СКВ, и делают заключение о неисправности, если сигнал датчика отработавших газов не изменяется ожидаемым образом.

Хотя способ позволяет достоверно обнаруживать неисправный режим системы нейтрализации отработавших газов с СКВ, однако он является относительно неспецифическим.

Задачей изобретения является создание способа эксплуатации и диагностики, который обеспечивает возможность надежной эксплуатации и улучшенного обнаружения неисправностей.

Эта задача решена посредством способа эксплуатации и диагностики с признаками п.1 формулы изобретения. В предложенном согласно изобретению способе эксплуатации и диагностики системы нейтрализации отработавших газов с СКВ, содержащей катализатор СКВ, обладающий способностью аккумулирования аммиака, по направлению потока за катализатором селективного каталитического восстановления установлен датчик отработавших газов, обладающий чувствительностью к оксидам азота и аммиаку. В нормальном режиме эксплуатации, в соответствии с моделью уровня заполнения аммиаком, аккумулированным в катализаторе СКВ, к катализатору СКВ подводят аммиак путем приведения в действие дозирующего устройства для мочевины, таким образом, что уровень заполнения аммиаком катализатора СКВ по меньшей мере приблизительно удерживается на заданном номинальном значении или в заданном диапазоне номинальных значений. При этом благодаря датчику отработавших газов, обладающему чувствительностью к оксидам азота и аммиаку, с одной стороны, можно регистрировать способность системы нейтрализации отработавших газов с СКВ к преобразованию оксидов азота, а с другой стороны, можно контролировать уровень заполнения аммиаком катализатора СКВ, важный для преобразования оксидов азота. Таким способом обеспечивается как оптимальная эксплуатация системы нейтрализации отработавших газов с СКВ, так и диагностика неисправностей. Неудовлетворительное преобразование оксидов азота или недостаточное дозирование мочевины регистрируют на основании повышенной концентрации оксидов азота и при необходимости корректируют путем адаптации дозирования мочевины. Пониженную способность аккумулирования аммиака катализатора СКВ или повышенное дозирование регистрируют на основании повышенной концентрации аммиака и при необходимости также корректируют путем адаптации дозирования мочевины.

Однако для оптимальной эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов с СКВ предпочтительна однозначная интерпретация сигнала датчика отработавших газов, что может вызвать некоторые затруднения. Эти затруднения можно преодолеть благодаря способу согласно изобретению, предусматривающему прерывание нормального режима эксплуатации, если регистрируется сигнал датчика отработавших газов, превышающий заданное первое предельное значение. Первое предельное значение предпочтительно задается в соответствии с критической концентрацией оксидов азота или аммиака и предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 50 промилле (частей на млн).

Если в нормальном режиме эксплуатации первое предельное значение не превышено, то система нейтрализации отработавших газов с СКВ работает должным образом, и в общем случае нет причин, чтобы прерывать нормальный режим эксплуатации. Однако в случае превышения первого предельного значения фиксируется неисправность, которая согласно изобретению далее анализируется. А именно согласно изобретению в том случае, если регистрируется сигнал датчика отработавших газов, превышающий заданное первое предельное значение, то нормальный режим эксплуатации прерывается и установленная дозирующим устройством для мочевины скорость дозирования мочевины повышается на заданную величину по сравнению со значением, предусмотренным в нормальном режиме эксплуатации. Затем происходит переключение в режим диагностической эксплуатации, если сигнал датчика отработавших газов в течение заданного промежутка времени после повышения установленной скорости дозирования мочевины увеличивается выше устанавливаемого второго предельного значения, которое превышает первое предельное значение.

Таким образом, анализируется характеристика сигнала датчика отработавших газов в качестве реакции на повышенную скорость дозирования мочевины, и на основании анализа принимается решение, в какой мере обнаруженная в настоящий момент неисправность требует последующей диагностики. Сигналом датчика отработавших газов может быть первичный сигнал или обработанный в смысле обычной обработки сигнала выходной сигнал датчика отработавших газов, который в любом случае коррелирует с концентрацией оксидов азота или аммиака в отработавших газах.

В варианте выполнения изобретения происходит возврат в нормальный режим эксплуатации, если сигнал датчика отработавших газов в течение заданного промежутка времени после повышения установленной скорости дозирования мочевины уменьшается ниже заданного третьего предельного значения, которое меньше первого предельного значения. Уменьшение сигнала датчика отработавших газов, рассматриваемое как коррелирующее с концентрацией оксидов азота, возникает в качестве нормальной реакции работающей должным образом системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением, в которой благодаря увеличенной подаче мочевины или аммиака происходит улучшенное преобразование оксидов азота. Поэтому система нейтрализации отработавших газов с СКВ считается принципиально исправной, и, не считая предпринимаемой при необходимости адаптации дозирования мочевины, дополнительного обнаружения неисправностей обычно не производится.

В следующем варианте выполнения диагностируется неправильная работа дозирующего устройства для мочевины, если сигнал датчика отработавших газов в течение заданного промежутка времени остается в заданном диапазоне значений, включающем первое предельное значение. Предпочтительно в этом случае предусмотрена выдача соответствующего предупреждающего сообщения, чтобы инициировать техническое обслуживание дозирующего устройства для мочевины. В отношении существенного для этого назначения величины диапазона значений особенно благоприятным является, если в следующем варианте выполнения изобретения этот диапазон значений ограничен сверху вторым предельным значением, а снизу - третьим предельным значением. Таким способом достигается возможность однозначного распознавания ожидаемых реакций датчика отработавших газов на установленную повышенную скорость дозирования мочевины.

В случае превышения сигналом датчика отработавших газов второго предельного значения в качестве реакции на установленную повышенную скорость дозирования мочевины, сначала считается, что неисправность является серьезной, при этом согласно изобретению происходит переключение в режим диагностики. В следующем варианте выполнения изобретения в режиме диагностической эксплуатации определяется параметр катализатора, характеризующий текущую активность преобразования оксидов азота. Предпочтительно определяемым параметром катализатора является имеющее место преобразование оксидов азота или свойство катализатора, например емкость для аккумулирования аммиака.

Если зафиксировано отклонение параметра катализатора, определяемого в режиме диагностической эксплуатации, от заданного базового значения, то в следующем варианте выполнения изобретения вырабатывается сообщение о неисправности, если отклонение больше, чем заданное значение разности. Адаптация модели уровня заполнения к измененному параметру катализатора предпочтительно производится, если отклонение меньше, чем заданное значение разности, и/или больше, чем заданное второе, меньшее значение разности. При этом базовое значение рациональным образом соответствует параметру катализатора СКВ в исправном состоянии. При этом следует принять во внимание также обратный случай, при котором базовое значение соответствует неисправному при предельном значении катализатору, в котором уже учтена критическая разность по отношению к надлежащему параметру катализатора.

В следующем варианте выполнения изобретения в режиме диагностической эксплуатации временно устанавливается работа двигателя внутреннего сгорания с повышенной по отношению к нормальной работе двигателя внутреннего сгорания первичной эмиссией оксидов азота, а скорость дозирования мочевины одновременно снижается или устанавливается равной нулю. Посредством повышения скорости подвода оксидов азота к катализатору, при сниженном или отключенном дозировании мочевины или подводе аммиака, и одновременного контроля сигнала датчика отработавших газов может производиться диагностика активности преобразования в катализаторе. Вследствие предпринятого ранее повышения скорости подвода мочевины при этом можно считать, что катализатор СКВ к началу повышенной скорости подвода оксидов азота оптимально снабжен аммиаком и эксплуатируется в этом отношении в наилучшей рабочей точке. Таким образом, для катализатора СКВ образуется однозначное базовое состояние для теста активности преобразования оксидов азота, что обеспечивает возможность особенно достоверной диагностики.

В следующем варианте выполнения работа двигателя внутреннего сгорания с повышенной первичной эмиссией оксидов азота завершается и осуществляется возврат в нормальный режим эксплуатации, если сигнал датчика отработавших газов после повышения первичной эмиссии оксидов азота превышает заданное четвертое предельное значение. Вследствие повышенного подвода оксидов азота при одновременном уменьшении или отключении подвода аммиака катализатор селективного каталитического восстановления должен осуществлять преобразование оксидов азота самостоятельно посредством аккумулированного ранее аммиака. Поэтому израсходование этого аккумулированного запаса аммиака неизбежно приводит через некоторое время к обнаруживаемой датчиком отработавших газов повышенной концентрации оксидов азота в отработавших газах, выходящих из катализатора СКВ. В связи с данным методом согласно изобретению для диагностики особенно предпочтительно, если подвергаются анализу промежуток времени до достижения четвертого предельного значения или же подведенное и/или преобразованное в течение этого промежутка времени количество оксидов азота. Преобразованное в течение промежутка времени количество оксидов азота пропорционально количеству аммиака, имеющегося в катализаторе СКВ в аккумулированном виде, вследствие чего можно также определить и проанализировать емкость для аккумулирования аммиака катализатора СКВ.

Выгодные варианты выполнения изобретения показаны на чертежах и описаны ниже. При этом упомянутые выше и дополнительно поясняемые ниже признаки применимы не только в соответственно приведенной комбинации признаков, но и в других комбинациях, или же индивидуально, не выходя за рамки данного изобретения.

На чертежах изображено:

фиг.1 - схематическое структурное изображение двигателя внутреннего сгорания вместе с примерным вариантом выполнения соответствующей системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением,

фиг.2 - диаграмма для пояснения способности аккумулирования аммиака катализатора СКВ,

фиг.3 - диаграмма для пояснения температурной зависимости способности аккумулирования аммиака катализатора СКВ,

фиг.4 - диаграмма для пояснения зависимости преобразования оксидов азота и протечки аммиака от уровня заполнения аммиаком катализатора СКВ,

фиг.5 - схематическое структурное изображение благоприятного варианта выполнения модуля определения уровня заполнения аммиаком соответствующего катализатора системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением,

фиг.6a-6d - диаграммы примерных параллельных временных характеристик для сигнала S соответствующего датчика отработавших газов системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением, обладающего чувствительностью к оксидам азота и аммиаку, для скорости D дозирования мочевины с целью диагностики системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением, для первичной эмиссии оксидов азота NOх_перв двигателя внутреннего сгорания с целью диагностики системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением и для степени превращения U_NOx оксидов азота NOx системой нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением.

На фиг.1 для примера показано схематическое структурное изображение двигателя 1 внутреннего сгорания вместе с соответствующей системой нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением. Двигатель 1 внутреннего сгорания предпочтительно выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания со сжатием воздуха, упрощенно обозначенного ниже как дизельный двигатель. Выпускаемые дизельным двигателем 1 отработавшие газы принимаются выпускным трубопроводом 2 и проходят последовательно через катализатор 3 окисления, пылевой фильтр 4 и катализатор 5 селективного каталитического восстановления (СКВ). Для нагревания катализатора 3 окисления или отработавших газов на стороне входа в катализатор 3 окисления в выпускном трубопроводе 2 дополнительно может быть расположен нагревательный элемент 26. Альтернативно или в дополнение к нагревательному элементу 26 может быть также предусмотрено устройство для добавки топлива, расположенное по направлению потока перед катализатором 3 окисления. Нагревание отработавших газов посредством нагревательного элемента 26 или посредством экзотермического окисления добавляемого топлива при помощи катализатора 3 окисления применяется, в частности, при регенерации пылевого фильтра 4 путем дожигания сажи. Для установления необходимости такой регенерации к пылевому фильтру 4 присоединен датчик 22 разности давлений, при помощи выходного сигнала которого может определяться критическое заполнение частицами пылевого фильтра 4. Нагревание отработавших газов может быть также предусмотрено в сочетании с холодным пуском или прогревом дизельного двигателя 1 и/или в общем случае тогда, когда зафиксирован слишком низкий уровень температуры отработавших газов, в частности на стороне входа в катализатор 5 селективного каталитического восстановления. Кроме того, при помощи катализатора 3 окисления обеспечена возможность повышения доли двуокиси азота в оксидах азота, содержащихся в отработавших газах. Благодаря этому обеспечена возможность как окисления сажи, откладывающейся в пылевом фильтре 4 при температурах отработавших газов ниже 500°С, так и улучшенное преобразование оксидов азота в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления.

Кроме того, к дизельному двигателю 1 присоединен турбонагнетатель 6, работающий на отработавших газах, турбина которого приводится потоком отработавших газов, и компрессор которого через впускной трубопровод 7 для воздуха подает всасываемый воздух через подводящий трубопровод 11 для воздуха в дизельный двигатель 1. Для регулирования количества воздуха, подаваемого в дизельный двигатель 1, в подводящем трубопроводе 11 для воздуха расположена дроссельная заслонка 12. Для очистки всасываемого воздуха или для измерения количества всасываемого воздуха во впускном трубопроводе 7 для воздуха предусмотрены воздушный фильтр 8 или расходомер 9 воздуха. Расположенный в подводящем трубопроводе 11 для воздуха охладитель 10 наддувочного воздуха служит для охлаждения сжатого всасываемого воздуха.

По направлению потока перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления расположено место подачи, содержащее дозирующий клапан 27 для подачи восстанавливающего средства в отработавшие газы. Снабжение дозирующего клапана 27 восстанавливающим средством осуществляется при помощи дозирующего насоса из емкости (не показана). Ниже при упоминании восстанавливающего средства речь идет о водном растворе мочевины. Однако может также применяться другое восстанавливающее средство, в частности восстанавливающее средство, которое содержит аммиак (NH₃) в свободной или в химически связанной форме. Раствор мочевины в соответствии с потребностью добавляется через дозирующий клапан 27 в отработавшие газы с целью удаления оксидов азота, предусмотренного при помощи катализатора 5 селективного каталитического восстановления. В горячих отработавших газах вследствие термолиза и/или гидролиза высвобождается аммиак, который селективно действует в отношении восстановления оксидов азота, содержащихся в отработавших газах.

Для управления эксплуатацией системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением, а также дизельным двигателем 1 предусмотрено управляющее устройство (на фиг.1 не показано). Для выполнения предусмотренных управляющих функций управляющее устройство получает информацию об эксплуатационных параметрах состояния дизельного двигателя 1. Это может быть, например, информация о выдаваемом вращающем моменте или о частоте вращения. Предпочтительно управляющее устройство содержит вычислительный блок и запоминающий блок, а также блок ввода-вывода. Благодаря этому управляющее устройство в состоянии производить комплексные процессы обработки сигналов и регистрировать и управлять, или же регулировать работу дизельного двигателя 1, а также работу системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением. Необходимые для этого характеристические массивы данных предпочтительно заложены в запоминающее устройство, причем может быть также предусмотрено адаптивное согласование характеристических массивов данных. Характеристические массивы данных относятся преимущественно к существенным параметрам состояния отработавших газов, таким как массовый поток, первичная эмиссия, температура, в зависимости от эксплуатационных параметров состояния дизельного двигателя 1, таких как нагрузка, частота вращения, коэффициент избытка воздуха и т.д. Кроме того, предусмотрены характеристические массивы данных для существенных параметров состояния катализатора 3 окисления, пылевого фильтра 4 и катализатора 5 селективного каталитического восстановления. В отношении катализатора 5 селективного каталитического восстановления эти характеристические массивы данных относятся, в частности, к преобразованию оксидов азота и способности аккумулирования аммиака, в зависимости от существенных для этого параметров влияния.

Регистрация эксплуатационного состояния дизельного двигателя 1, а также системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением и соответствующих узлов предпочтительно осуществляется при помощи соответствующих датчиков. Например, на фиг.1 показаны датчики 13 и 15 давления для определения давления перед компрессором и давления перед турбиной турбонагнетателя 6, а также температурные датчики 14, 16, 18, 19, 21, 23 и 24, соответственно для определения температуры после охладителя 10 наддувочного воздуха, перед турбиной, перед катализатором 3 окисления, перед пылевым фильтром 4 и после него, а также перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления и после него. Могут быть также предусмотрены дополнительные датчики, в частности, для регистрации компонентов отработавших газов. Например, предусмотрены кислородный датчик 17, а также датчик 20 оксидов азота для определения содержания оксидов азота в отработавших газах. В частности, на стороне выхода из катализатора 5 селективной каталитической нейтрализации предусмотрен датчик 25 отработавших газов, чувствительный к оксидам азота и аммиаку. Датчик 20 оксидов азота может быть также расположен по направлению потока за пылевым фильтром 4, однако предпочтительно он находится по направлению потока перед дозирующим клапаном 27. Сигналы датчиков обрабатываются управляющим устройством, так что существенные параметры состояния всегда находятся в распоряжении, и рабочая точка дизельного двигателя 1 при необходимости может быть изменена таким образом, чтобы обеспечить возможность оптимальной эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением.

Описанный вариант выполнения системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением оказался особенно выгодным в отношении удаления основных вредных веществ отработавших газов, в частности в отношении оксидов азота и пылевых частиц. Тем не менее, могут быть предусмотрены дополнительные компоненты очистки отработавших газов, например накопительный катализатор оксидов азота и/или гидролизный катализатор перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления, или дополнительный катализатор окисления. Также возможны изменения системы датчиков в отношении типа, количества и расположения датчиков.

Ниже со ссылками на фиг.2-4 с точки зрения эксплуатации катализатора 5 селективного каталитического восстановления поясняются некоторые важные свойства этого катализатора. При этом считается, что катализатором 5 селективного каталитического восстановления является типовой катализатор СКВ, обладающий способностью аккумулирования аммиака. Предпочтительно катализатор 5 селективного каталитического восстановления выполнен в виде слоистого катализатора, содержащего слой цеолита, удерживаемого керамической основой. Возможно также выполнение в виде полностью экструдированного катализатора на основе TiO₂, WO₃, V₂O₅.

На фиг.2 показана диаграмма способности аккумулирования аммиака, на которой представлена типичная временная характеристика C_NH3(t) концентрации аммиака C_NH3 при подаче аммиака в катализатор 5 селективного каталитического восстановления. При этом считается, что в освобожденный от аккумулированного аммиака катализатор 5 селективного каталитического восстановления в момент времени t1 при изотермических условиях подается входной поток отработавших газов с заданными и постоянными по времени величиной и входной концентрацией аммиака, что показано кривой 28. В соответствии со своей способностью аккумулирования аммиака катализатор 5 селективного каталитического восстановления в промежутке времени от t1 до t2 поглощает аммиак в количестве, уменьшающемся во времени. В соответствии с этим концентрация NH₃ в потоке отработавших газов, выходящих из катализатора 5 селективного каталитического восстановления, отстает от входной концентрации, что показано кривой 29. К моменту времени t2 катализатор 5 селективного каталитического восстановления является насыщенным, вследствие чего аммиак не может далее аккумулироваться, и кривая 29 сходится с кривой 28. При этом уровень заполнения аммиаком достигает максимального значения 100%. Аккумулированное при этом катализатором 5 селективного каталитического восстановления количество аммиака, которое представляет собой абсолютную способность аккумулирования аммиака при соответствующих условиях, представлено величиной площади 30 между обеими кривыми 28, 29.

Способность аккумулирования аммиака зависит в первую очередь от температуры, что показано на диаграмме, представленной на фиг.3. При этом кривая 31 представляет собой типичную характеристику зависящей от температуры способности аккумулирования Sp_NH3(T) аммиака. Как видно из диаграммы на фиг.3, способность аккумулирования Sp_NH3(T) аммиака при низких температурах Т является сравнительно большой и уменьшается при высоких температурах Т, выше примерно 300°С. Кроме того, существует зависимость от расхода газа, которая не показана.

Уровень заполнения аммиаком катализатора селективного каталитического восстановления может выдаваться как в виде абсолютной величины количества, так и в виде относительной величины, которая показывает аккумулированное количество аммиака по отношению к максимально аккумулируемому при соответствующих условиях абсолютному количеству аммиака согласно представленным соотношениям.

В связи со свойствами типового катализатора 5 селективного каталитического восстановления важный аспект относится к зависимости преобразования оксидов азота от уровня заполнения аммиаком. Эта зависимость схематически показана на фиг. 4 кривой 32. Для сравнения с ней посредством кривой 33 показана зависимость протечки S_NH3 аммиака от уровня заполнения аммиаком. При этом с увеличением уровня F заполнения степень превращения U_NOx(F) оксидов азота непрерывно возрастает, со становящимся плоским подъемом кривой, вплоть до максимального значения, которое в основном определяется расходом газа и температурой. Это означает, что начиная с определенного значения уровня F заполнения аммиаком, степень превращения U_NOx оксидов азота уже не может или уже не может существенно увеличиваться посредством дальнейшего аккумулирования аммиака в катализаторе. Напротив, как показано посредством кривой 33, повышается протечка S_NH3 аммиака. Учет этого факта является существенным при установлении значения уровня F заполнения аммиаком, оптимального для соответствующих условий.

Схематически показанные на фиг.2-4, а также, при необходимости, и другие зависимости, рациональным образом содержатся для применяемого катализатора 5 селективного каталитического восстановления в форме характеристических линий или характеристических массивов данных. Управляющее устройство может обращаться к ним, так что состояние катализатора 5 селективной каталитической нейтрализации может быть в значительной мере определено для любого эксплуатационного режима. При этом предпочтительно предусмотрено наличие набора характеристических массивов данных для несостарившегося нового состояния и следующего набора характеристических массивов данных для определенного состояния старения, предпочтительно в соответствии с заданным предельным старением. Особенно выгодно поставить в соответствие несостарившемуся состоянию первый коэффициент старения, например, равный нулю, а состоянию предельного старения - второй коэффициент старения, например, равный единице. Как подробнее поясняется ниже, во время эксплуатации дизельного двигателя 1 предусмотрена диагностическая подпрограмма, при помощи которой время от времени оценивается текущее состояние старения катализатора 5 восстановления оксидов азота. При этом предпочтительно предусмотрено поставить в соответствие текущему состоянию старения текущий коэффициент старения, который согласно приведенному выше определению находится между нулем и единицей. При этом при обращении к характеристическим массивам данных в соответствии с текущим коэффициентом старения предпочтительно производится линейная интерполяция данных из наборов характеристических массивов для нового состояния и для состояния предельного старения.

Для удаления оксидов азота посредством катализатора 5 селективного каталитического восстановления предусмотрен, в соответствии с моделью уровня заполнения аммиаком, аккумулируемым в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления, подвод к нему аммиака при помощи управляемого соответствующим образом дозирующего клапана 27, таким образом, что уровень F заполнения аммиаком катализатора 5 селективного каталитического восстановления по меньшей мере приблизительно удерживается на заданном номинальном значении или в заданном диапазоне номинальных значений. Для модели уровня заполнения предпочтительно учитываются зависимости согласно приведенным выше пояснениям. При этом достигаются или устанавливаются, с одной стороны, высокая степень превращения U_NOx оксидов азота, а с другой стороны, как можно меньшая или пренебрежимая протечка S_NH3 аммиака. При этом скорость дозирования мочевины определяется дозирующим устройством для мочевины (не показано), которое включает в себя дозирующий клапан 27 и блок определения уровня заполнения.

На фиг.5 в форме структурной схемы схематически показан предпочтительный вариант выполнения блока 35 определения уровня F заполнения аммиаком катализатора 5 селективного каталитического восстановления. Блок 35 определения уровня заполнения преобразует численную модель уровня заполнения, обращаясь к сохраненным характеристическим линиям или характеристическим массивам данных и сигналам датчиков, в соответствии с приведенными выше пояснениями, и определяет текущий уровень F заполнения аммиаком катализатора 5 селективного каталитического восстановления, а также управляющие величины, в частности, для управления дозирующим клапаном 27. Для этого блок 35 определения уровня заполнения получает входные величины Е, которые наряду с текущим коэффициентом старения относятся, например, к зарегистрированным датчиками параметрам состояния отработавших газов, таким как температура отработавших газов, содержание оксидов азота перед катализатором 5 селективного каталитического восстановления и массовому потоку отработавших газов. С целью упрощения полностью не перечисляются следующие важные величины, например выходной сигнал датчика 25 отработавших газов. Блок 35 определения уровня заполнения имеет в распоряжении наборы 36, 37, 38 характеристических массивов данных для преобразования оксидов азота, непосредственного преобразования аммиака кислородом и скорости десорбции аммиака (протечки аммиака), аккумулированного в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления и, при необходимости, дополнительные характеристические массивы данных. При этом существенные данные определяются в соответствии с имеющими место входными величинами. Значения, характеризующие расход аммиака, например, для преобразования с оксидами азота, непосредственного преобразования с кислородом и скорости десорбции, заданной протечкой S_NH3 аммиака, вместе со скоростью Z подачи аммиака, подводимого в катализатор 5, подводятся в суммирующий элемент 39, который суммирует соответствующие величины с учетом знака. Таким способом обеспечивается возможность составления баланса величин, которые в основном определяют количество аммиака, аккумулированное в катализаторе 5. При этом суммирование предпочтительно производится непрерывно, с установленными промежутками времени в миллисекундном диапазоне. Суммарное значение подается в интегрирующий элемент 40, выходная величина которого представляет текущий уровень F заполнения аммиаком катализатора 5. Наряду с этим, из имеющихся данных определяются дополнительные выходные величины А. Прежде всего, это величины, относящиеся к содержанию оксидов азота в отработавших газах, выходящих из катализатора, протечка S_NH3 аммиака, а также температура отработавших газов, возможно изменившаяся вследствие теплоты реакции или тепловых потерь.

Скорость Z подачи аммиака, подводимого в катализатор 5, определяется, в частности, скоростью дозирования мочевины, подаваемой через дозирующий клапан 27. При этом может быть предусмотрен учет влияния отложений на стенках и десорбции. Кроме того, может учитываться скорость высвобождения аммиака, получаемая из параметров состояния отработавшего газа, или скорость гидролиза аммиака, высвобождаемого из подводимой мочевины.

В соответствии с приведенными выше пояснениями обеспечена возможность эксплуатации катализатора 5 селективного каталитического восстановления с применением разработанной модели уровня заполнения аммиаком, по меньшей мере преимущественно с уровнем заполнения аммиаком, оптимально согласованным с соответствующими условиями. При этом посредством датчика 25 отработавших газов осуществляется непрерывный контроль того, содержатся ли или в каком количестве содержатся в отработавших газах, выходящих из катализатора 5 селективного каталитического восстановления, непреобразованные оксиды азота или протечки аммиака. Обычно при реализации описанного нормального режима работы система нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением работает должным образом, так что отсутствуют причины для вмешательства в модель или для адаптации параметров модели. Однако может наступить такой случай, что, например, вследствие явлений дрейфа или вследствие обусловленных старением изменений катализатора 5 селективного каталитического восстановления или вследствие других, не учтенных ранее помех возникает отклонение от нормального режима.

Ниже со ссылкой на временные диаграммы, показанные на фиг.6a-6d, поясняется предпочтительный способ диагностики, производимой, в частности, в таком случае. При этом на фиг.6а схематически показана примерная характеристика сигнала S датчика 25 отработавших газов, расположенного на стороне выхода из катализатора 5 селективного каталитического восстановления и обладающего чувствительностью к оксидам азота и аммиаку. На диаграммах фиг.6b, 6с и 6d показаны соответствующие временные характеристики скорости D дозирования мочевины, первичной эмиссии NOx_перв оксидов азота дизельного двигателя 1 и степень превращения U_NOx оксидов азота катализатором 5 селективного каталитического восстановления по отношению к первичной эмиссии NOx_перв оксидов азота дизельного двигателя 1. При этом понятно, что характеристики, изображенные в качестве примера в виде постоянных, могут быть также подвержены естественным колебаниям.

Начиная с произвольно выбранного момента времени t₀ считается, что номинальное значение скорости D дозирования мочевины установлено дозирующим устройством для мочевины таким образом, что уровень F заполнения аммиаком катализатора селективной каталитической нейтрализации в соответствии с моделью удерживается в пределах заданного диапазона или по меньшей мере приблизительно принимает заданное значение. Далее, при этом вначале считается, что номинальное значение скорости дозирования мочевины в основном соответствует фактическому значению, вследствие чего речь идет просто о скорости дозирования мочевины. Посредством регистрации сигнала S датчика 25 отработавших газов, который оценивается в качестве сигнала концентрации для содержания оксидов азота в отработавших газах на стороне выхода из катализатора 5 селективного каталитического восстановления, а также входной концентрации оксидов азота, получаемой на основании сигнала, выдаваемого датчиком 20 оксидов азота, или считываемой из эксплуатационных характеристических массивов данных двигателя, определяется текущая степень превращения U_NOx оксидов азота. При этом предпочтительно контролируется, коррелирует ли определяемая степень превращения U_NOx оксидов азота с определяемым текущим уровнем F заполнения аммиаком, в соответствии с моделью согласно фиг.4. Таким образом, производится компенсация или же взаимная верификация параметров модели уровня заполнения и измеренных величин, и тем самым, контроль и диагностика системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением во время нормальной эксплуатации. При чрезмерных отклонениях может быть предусмотрена адаптация параметров модели уровня заполнения или переход в режим диагностической эксплуатации.

Пока сигнал S находится ниже заданного первого предельного значения G1, считается, что в данный момент имеет место нормальный режим. Если же, как показано участком 41 кривой, происходит постепенное увеличение сигнала S, которое приводит к превышению заданного первого предельного значения G1 к определенному моменту времени t₁, то диагностируется аномалия системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением. Так как сначала неясно, какова причина выявленной аномалии, то согласно изобретению запускается подпрограмма обнаружения неисправностей, которая позволяет ограничивать или идентифицировать возможные источники неисправностей. В частности, вначале предусмотрена проверка в отношении того, вызвано ли превышение первого предельного значения G1 для сигнала S датчика 25 отработавших газов повышенной концентрацией оксидов азота или же повышенной протечкой аммиака катализатора 5 селективного каталитического восстановления. Для этого непосредственно после превышения первого предельного значения G1 в момент времени t₁ устанавливаемую скорость D дозирования мочевины повышают на заданную величину, например увеличивают в два раза, как показано участком 46 кривой.

Если в качестве реакции на это в течение заданного промежутка времени в размере, например, нескольких секунд возникает уменьшение сигнала S ниже заданного третьего предельного значения G3, как показано штриховым участком 42 кривой на фиг.6а, то благодаря этому устанавливается, что повышенная протечка аммиака отсутствует, так как повышение скорости D дозирования мочевины в таком случае должно было бы усилить протечку аммиака вследствие вызванного этим повышенного подвода аммиака к катализатору 5 селективной каталитической нейтрализации. Напротив, уменьшение сигнала S следует оценивать в том отношении, что имела место повышенная концентрация оксидов азота, которая была устранена посредством увеличенного подвода аммиака с возрастанием уровня F заполнения аммиаком катализатора селективного каталитического восстановления и с увеличением благодаря этому степени превращения оксидов азота U_NOx. При этом для достоверной оценки уменьшения сигнала S датчика в упомянутом смысле предпочтительно предусмотрено устанавливать третье предельное значение G3 относительно низким, предпочтительно примерно от 2 до 20 промилле (частей на миллион, ppm).

В качестве реакции на уменьшение сигнала S датчика отработавших газов до величины ниже третьего предельного значения G3 предусмотрен возврат в нормальный режим эксплуатации. Предпочтительно подвергаются адаптации один или более параметров модели уровня заполнения и/или эксплуатационные параметры системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением. Например, может быть предусмотрена соответствующая корректировка текущего значения уровня F заполнения аммиаком. Если спустя некоторое время, которое может быть задано в качестве контрольного времени, описанная выше аномалия снова возникает, то это может интерпретироваться как неисправность дозирующей системы, например, в форме ошибочно уменьшенной скорости D дозирования, которая на основании этого корректируется. Дальнейшее повторение аномалии может, например, интерпретироваться как неправильное функционирование дозирующего клапана 27, и может выдаваться соответствующее сообщение.

Если после адаптации одного параметра модели уровня заполнения зарегистрированы пониженная степень превращения оксидов азота U_NOx и/или повышенная протечка аммиака, то это предпочтительно интерпретируется как снижение каталитической активности катализатора 5 селективного каталитического восстановления, и также может быть предусмотрена выдача соответствующего сообщения о неисправности. При этом путем сравнения с сохраненными характеристическими массивами данных всегда можно оценить величину текущей степени превращения оксидов азота U_NOx и, например, можно адаптировать коэффициент старения.

Возвращаясь к диаграммам на фиг.6a-6d, ниже поясняется дополнительный метод, предусмотренный согласно изобретению, если после повышения скорости D дозирования мочевины в момент времени t₁ в течение заданного промежутка времени вместо уменьшения сигнала S датчика 25 отработавших газов ниже третьего предельного значения G3 возникает увеличение свыше заданного второго предельного значения G2.

В этом случае считается, что в момент времени t₁ повышенный сигнал S датчика был вызван повышенной протечкой аммиака. Поэтому катализатор селективного каталитического восстановления достиг своего максимального уровня заполнения аммиаком в соответствии с текущими граничными условиями. Повышение скорости D дозирования мочевины в момент времени t₁ с соответственно увеличенным подводом аммиака приводит к увеличивающейся далее протечке аммиака и, вследствие этого, к дальнейшему увеличению обусловленного аммиаком сигнала датчика, что примерно показано участком 43 кривой. При этом для обеспечения особенно достоверных результатов диагностики второе предельное значение G2 можно задавать в зависимости от величины повышения скорости D дозирования мочевины.

В качестве реакции на превышение второго предельного значения G2 предусмотрено переключение в специальный режим диагностической эксплуатации, который устанавливается по истечении периода верификации в размере, например, примерно 10 секунд, в соответствии с отмеченным на диаграммах моментом времени t₂. В этом режиме диагностической эксплуатации первичная эмиссия оксидов азота NOx_перв дизельного двигателя 1 резко повышается, и по меньшей мере приблизительно одновременно уменьшается скорость D дозирования мочевины. Предпочтительно первичная эмиссия повышается значительно и скачком, например, по меньшей мере в 2-5 раз, а дозирование мочевины полностью отключается, что показано участками 47 и 48 кривых. Для повышения первичной эмиссии NOx_перв оксидов азота дизельного двигателя 1 применяются все пригодные для этого средства. В частности, предусмотрено значительное уменьшение или отключение рециркуляции отработавших газов.

Вследствие повышенной ранее в промежутке времени от t₁ до t₂ скорости D дозирования мочевины обеспечено то, что режим диагностической эксплуатации начинается с уровнем F заполнения аммиаком в размере 100% и максимальной при прочих условиях степенью превращения U_NOx оксидов азота. Таким образом, режим диагностической эксплуатации начинается с однозначным базовым состоянием. При этом отключение подвода мочевины имеет то преимущество, что в этом отношении также создается определенное состояние, которое исключает искажение вследствие неправильного дозирования. Повышение подачи оксидов азота в катализатор 5 селективного каталитического восстановления, в свою очередь, имеет то преимущество, что состояние с повышенным уровнем F заполнения аммиаком резко прекращается и имеет место лишь кратковременно. Кроме того, обеспечена возможность однозначной интерпретации сигнала S датчика 25 отработавших газов как сигнала, вызванного оксидами азота.

Вследствие граничных условий, созданных в начале режима диагностической эксплуатации, сначала обычно происходит снижение сигнала S датчика благодаря обусловленной высоким уровнем F заполнения аммиаком активности катализатора и вытекающей отсюда вначале сравнительно низкой концентрации оксидов азота в отработавших газах, выходящих из катализатора 5 селективного каталитического восстановления. Вследствие известной реакции аммиака, аккумулированного в катализаторе СКВ, с подводимыми оксидами азота уровень F заполнения аммиаком снижается и, таким образом, неизбежно уменьшается степень превращения U_NOx оксидов азота, и концентрация оксидов азота в отработавших газах, выходящих из катализатора 5 селективного каталитического восстановления, снова возрастает. Таким образом, сигнал S датчика обычно проходит через минимум, что показано на диаграмме на фиг.6а посредством примерно изображенного участка 44 кривой.

Если выходной сигнал S датчика 25 отработавших газов достигает четвертого предельного значения G4, что имеет место, например, в момент времени t₃, то режим диагностической эксплуатации завершается, и происходит возврат в нормальный режим эксплуатации. Работа двигателя с повышенной первичной эмиссией NOx_перв оксидов азота завершается и устанавливается скорость D дозирования мочевины, базирующаяся на модели в соответствии с достигнутым уровнем F заполнения аммиаком. Скорость дозирования временно может быть сравнительно большой, однако в соответствии с имеющимися условиями она более или менее быстро приближается к нормальному значению, что примерно показано ступенчатым прохождением участка 49 кривой. В соответствии с этим степень превращения U_NOx оксидов азота более или менее быстро снова принимает требуемое высокое значение, а сигнал S уменьшается, как показано участком 45 кривой. При этом четвертое предельное значение G4, определяющее момент времени t₃, может быть задано определенной степенью превращения U_NOx оксидов азота, например, равной 50%.

В частности, для диагностики катализатора 5 селективного каталитического восстановления далее предусмотрен расчет количества оксидов азота, в общей сложности преобразованного в интервале времени от t₂ до t₃. Это можно осуществлять, например, путем интегрирования поступающей от датчика 25 отработавших газов концентрации оксидов азота в отработавших газах на выходе из катализатора 5 селективного каталитического восстановления, а также входной концентрации оксидов азота, получаемой из сигнала, поступающего от датчика 20 оксидов азота, или считываемой из эксплуатационных характеристических массивов данных двигателя. Альтернативно или дополнительно рассчитывают количество аммиака, в общей сложности преобразованное и аккумулированное в катализаторе 5 селективного каталитического восстановления в промежутке времени от t₂ до t₃. Полученные значения сравнивают с соответствующими базовыми данными, определенными из характеристических массивов данных или характеристических кривых для несостарившегося или находящегося в состоянии предельного старения катализатора. Благодаря реализации способа согласно изобретению с базовыми значениями можно сравнивать как параметры катализатора, которые непосредственно относятся к преобразованию оксидов азота и, таким образом, к активности катализатора, так и параметры, относящиеся к способности аккумулирования аммиака.

Если сравнение показывает, что катализатор 5 селективного каталитического восстановления не поврежден или поврежден несущественно, то предпочтительно предусмотрена адаптация одного или нескольких параметров модели уровня заполнения и/или эксплуатационных параметров системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением. Например, может быть предусмотрена корректировка скорости D дозирования мочевины, чтобы снизить вероятность повторного возникновения чрезмерной протечки аммиака. Кроме того, может изменяться корректирующий множитель в интегрирующем элементе 40 блока 35 определения уровня заполнения. Таким способом можно избежать «ухода» интегрирования с течением времени.

Если сравнение параметров катализатора, полученных посредством диагностической эксплуатации, с характеристиками несостарившегося или находящегося в состоянии предельного старения катализатора указывает на ухудшение в отношении его активности преобразования оксидов азота или его способности аккумулирования аммиака, то предпочтительно, как описано выше, соответствующим образом устанавливается коэффициент старения, предусмотренный для учета старения. Может быть также предусмотрено определение условного активного объема катализатора или длины катализатора, которые показывают изменение катализатора селективного каталитического восстановления по отношению к несостарившемуся или находящемуся в состоянии предельного старения катализатору.

Если после применения соответствующих корректирующих мероприятий в течение предпочтительно заданного контрольного времени повторно возникает аномалия повышенной протечки аммиака, то предпочтительно предусмотрены отмена соответствующих корректирующих мероприятий и применение иных мероприятий, направленных на другие возможные источники неисправности.

Ниже рассматривается тот случай, когда после повышения скорости D дозирования мочевины в момент времени t₁ не происходит ни увеличения выше второго предельного значения G2, ни уменьшения ниже третьего предельного значения G3. При функционировании дозирующего устройства для мочевины должным образом, при значительном и скачкообразном повышении скорости D дозирования мочевины следует ожидать соответственно значительной реакции в характеристике сигнала S. Если после установки соответствующих регулирующих параметров для скорости D дозирования мочевины сигнал S датчика остается между вторым предельным значением G2 и третьим предельным значением G3, то в этом случае имеет место неправильное функционирование. Согласно изобретению в качестве наиболее вероятной неисправности диагностируется неправильное функционирование дозирующей системы или дозирующего устройства для мочевины. На основании отсутствия соответствующей реакции датчика 25 отработавших газов на изменение регулировки считается, что она не была произведена вследствие отказа одного из элементов, относящихся к дозированию. Отказом может быть, например, засорение или неправильное функционирование дозирующего клапана 27 или дозирующего насоса. Для дальнейшей локализации неисправности могут быть предусмотрены дополнительные мероприятия, при помощи которых проверяется рабочее состояние этих компонентов. В любом случае предусмотрена выдача предупреждающего сообщения о неправильном функционировании дозирующей системы или дозирующего устройства для мочевины, чтобы инициировать техническое обслуживание.

В общем случае при обнаружении каждого критического неисправного состояния предусмотрена выдача соответствующего предупреждающего сообщения, при этом обнаруженная неисправность предпочтительно обозначается, если это возможно. При этом особым преимуществом способа эксплуатации и диагностики согласно изобретению является то, что распознавание неисправностей, по меньшей мере в определенном объеме, может осуществляться уже в течение нормальной эксплуатации механического транспортного средства. Это упрощает дальнейшую работу по техническому обслуживанию. Следующим преимуществом является обеспеченная благодаря диагностике возможность определения старения катализатора и основанная на этом адаптация модели уровня заполнения. Это обеспечивает возможность надежной и эффективной в отношении очистки отработавших газов эксплуатации системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением в течение длительного срока службы.

Реферат

Изобретение относится к способу эксплуатации и диагностики системы нейтрализации отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением (СКВ). Сущность изобретения: регистрируется сигнал (S) датчика (25) отработавших газов, расположенного по направлению потока за катализатором (5) СКВ и обладающего чувствительностью к оксидам азота и аммиаку, в нормальном режиме эксплуатации, в соответствии с моделью уровня заполнения аммиаком, аккумулированным в катализаторе (5) СКВ, к катализатору (5) СКВ подводят аммиак таким образом, что уровень (F) заполнения аммиаком катализатора (5) СКВ приблизительно удерживается на заданном номинальном значении или в заданном диапазоне номинальных значений. Нормальный режим эксплуатации прерывается, если регистрируется сигнал датчика (25) отработавших газов, превышающий заданное первое предельное значение (G1), и установленную скорость дозирования мочевины увеличивают на заданную величину по сравнению со значением, предусмотренным в нормальном режиме эксплуатации. Затем, в зависимости от характеристики сигнала (S) датчика (25) отработавших газов, происходит возврат в нормальный режим эксплуатации или переключение в режим диагностической эксплуатации. Техническим результатом изобретения является улучшенное обнаружение неисправностей и обеспечение надежной эксплуатации. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула