СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ КАТАЛИЗАТОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК F01N3/20 

Изобретение касается способа контроля работы каталитического нейтрализатора для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с газовыпускной системой, а также пригодного для этого устройства и каталитического нейтрализатора, выполненного специально для этого.

Соответственно нормам токсичности выхлопных газов многие двигатели внутреннего сгорания, в частности в автомобилях, оснащены каталитическим нейтрализатором. Такой нейтрализатор обтекается выхлопным газом и в своем каталитически активном объеме, который имеет большую поверхность, вступающую в контакт с выхлопным газом, превращает вредные вещества в выхлопном газе каталитически в обезвреженные вещества. В качестве тел носителей каталитически активного материала известны различные тела, выполненные частично из керамики и частично из металла. Вообще речь идет о телах с сотовой структурой, которые содержат большое количество каналов, через которые протекает отработавший газ. Металлические нейтрализаторы вообще наслаиваются из структурированных листов, спирально сматываются или иначе свиваются.

Для облегчения каталитического превращения с целью дальнейшего уменьшения вредных веществ непосредственно после пуска двигателя были предложены электрически нагреваемые нейтрализаторы, которые более быстро достигают необходимую для каталитического превращения температуру [1]
Нагреваемые тела нейтрализаторов одновременно через измерение своего сопротивления могут служить также в качестве температурных щупов. При использовании в качестве температурного щупа они измеряют температуру интегрально через весь нагреваемый участок, в частности участок поперечного сечения. Однако точность измерения особенно при переходных процессах невелика. Контроль одного такого нейтрализатора лишь с одним измерением сопротивления через все тело является только ограничением по содержанию.

Как дополнение известных систем была признана желательной возможность постоянного контроля работоспособности очистки выхлопных газов во время эксплуатации, чтобы заранее распознать и устранить неправильные действия. Это исследовалось, например, с помощью измерения температур в двух местах, причем наблюдалась разница температур [2]
Задача изобретения повышение точности и широты контроля функций каталитического нейтрализатора в процессе эксплуатации.

Задача решается посредством способа контроля работы каталитического нейтрализатора для выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания с выпускной системой, при котором по меньшей мере на двух, пространственно находящихся друг от друга на расстоянии участках поперечного сечения выпускной системы измеряют и контролируют температуру, причем между обеими точками измерения расположена по меньшей мере одна часть соответствующего для каталитического превращения вредных веществ в выхлопном газе объема нейтрализатора, причем температура измеряется по меньшей мере в одном месте измерения не точечно, а интегрально через одну эквивалентную часть участка поперечного сечения.

В основе изобретения лежит теория, заключающаяся в том, что превращение токсичных веществ в нейтрализаторе является экзотермической реакцией, при которой, следовательно, высвобождается энергия. Эта энергия приводит к тому, что нагруженный вредными веществами выхлопной газ перед нейтрализатором (по меньшей мере, в квазистационарном состоянии), имеет меньшую температуру, нежели очищенный выхлопной газ за нейтрализатором. В изобретении этот эффект должен привлекаться для контроля работоспособности нейтрализатора и по возможности еще для выявления других информаций. К тому же температура измеряется в газовыпускной системе в двух участках поперечного сечения, между которыми располагается по меньшей мере одна часть заданного для каталитического превращения объема нейтрализатора. Для достижения значимых результатов измерения не является безусловно необходимым то, что весь объем нейтрализатора лежит между местами измерений. Поэтому принимают во внимание различные расположения мест измерения, которые могут сильно зависеть от пространственных данных отдельной газовыхлопной системы. В самом простом случае температура, как было упомянуто, может измеряться в газовыпускной линии перед нейтрализатором и за ним. Так как вообще в одной газовыпускной системе не имеет места гомогенное распределение температуры через все поперечное сечение потока, в частности не внутри тела одного нейтрализатора, имеет смысл измерять температуру в определенных местах измерения не точечно, а через одну почти эквивалентную часть участка поперечного сечения интегрально. Вследствие этого повышается точность контроля. При этом эквивалентным считается одно измерение, которое содержит информацию как на краевых участках потоков, так и из центральных участков. При этом участок поперечного сечения представляет собой один лежащий почти в одной плоскости поперечного сечения диск из газовыпускной системы, в котором проводится измерение.

Для интегральных измерений пригодны, например, известные плоские или приблизительно линейные температурные щупы. В частности, принимаются во внимание измерительные щупы с одним зависящим от температуры сопротивлением, предпочтительно, в форме одного провода. Измерения температур относятся к самым точным и наилучшим образом господствующим измерениям в технике и поэтому могут быть применены. Кроме того, они реагируют на относительно небольшие и быстрые изменения.

Предпочтительным может быть расположение одного или двух мест измерения температуры внутри самого нейтрализатора. В частности, при нагреваемых каталитических нейтрализаторах уже имеются электрические выводы и присоединения, так что это дополнительное инструментирование не слишком повышает расходы на калибрование системы. При этом можно исходить из того, что одно интегрированное в нейтрализатор место измерения температуры на переднем торцевом участке измеряет одну температуру пропорционально температуре притекающего выхлопного газа, в то время как одно место измерения температуры на заднем участке катализатора измеряет температуру, пропорциональную температуре оттекающего выхлопного газа. При одном таком расположении могут делаться различные системотехнические и теоретические композиции. С одной стороны можно расположить температурные щупы таким образом, что они в основном обтекаются выхлопным газом и поэтому измеряют температуру выхлопного газа, однако можно также расположить места измерения температуры таким образом, что они в основном находятся в хорошем тепловом контакте с материалом нейтрализатора или материалом носителя катализатора. Для обеих возможностей имеются хорошие основания, которые должны учитываться при учете фактических рабочих температур и геометрии расположений нейтрализатора, при выборе системы измерения. Благоприятным может быть, например, измерение в передней области нейтрализатора температуры газа, а в задней области температуры носителя. Высвобождающиеся при каталитическом превращении энергии согласно теперешнему пониманию процессов теплопереноса передаются сначала на материал носителя катализатора и от него снова на отходящий выхлопной газ.

В каждом случае энергия, произведенная в нейтрализаторе, настолько высока, что значимые разности температур должны быть легко измерены. Поэтому является также достаточным, когда между местами измерений лежит не весь активный объем нейтрализатора, а лишь более чем 50% предпочтительно более чем 70%
Точность измерения повышается также благодаря тому, что в одном электронном контрольном устройстве образуется разность температур между по меньшей мере двумя измеренными значениями в местах измерения. По знаку абсолютной величины и/или временной характеристике разности температур можно сделать вывод о работе нейтрализатора, и/или даже управления двигателем внутреннего сгорания, или регулировании нейтрализатора (в случае наличия).

Если образуют разность температур Δ Т Т₁ Т₂, где Т₁ измеренное значение в одном переднем месте измерения, а Т₂ измеренное значение в одном заднем месте измерения, то могут быть непосредственно получены следующие выводы:
если D Т очень мала или положительна, то в нейтрализаторе не происходит превращения так, что должно следовать сообщение "нейтрализатор неисправен";
если D Т отрицательна и внутри одного определенного поля допуска, то все системы в порядке и не следует сообщения;
если D Т отрицательна и очень большая, то очевидно, что большие доли вредных веществ или же несгоревшие остатки топлива попадают в газовыпускную систему, вследствие чего в нейтрализаторе происходит сильная реакция; в этом случае должно последовать сообщение "управление двигателем внутреннего сгорания неисправно".

Предложенная система измерения чрезвычайно чувствительна для появления остатков несгоревшего топлива в выхлопном газе. Поэтому системой могут с высокой чувствительностью диагносцироваться также ошибки в управлении двигателем внутреннего сгорания, в частности также редкие периодические или эпизодические перебои в зажигании в двигателях с непосредственным впрыском топлива.

Способ может улучшаться тем, что в двигателях внутреннего сгорания с электронным управлением создается информационная связь между электронным контрольным устройством и устройством управления двигателем. Таким образом, к системе контроля могут подводиться данные о числе оборотов двигателя, нагрузке двигателя, массовых расходах топлива, условиях окружающей среды и т.д. из которых может предсказываться ожидаемая разность температур D Т при надлежащем (правильном) действии установки в определенных пределах. Таким образом, с помощью обычных микропроцессоров качественный диагноз, описанный выше, может быть улучшен в один точный количественный диагноз. При этом, в случае необходимости, могут также обрабатываться измеренные значения или одного, или нескольких l -зондов в газовыпускной системе. Кроме того, возможно обратное действие электронного контрольного устройства на управление двигателем, в то время как при определенных рабочих состояниях нейтрализатора (например до достижения рабочей температуры или при превышении заданной максимальной температуры) влияют на соответствующие команды управления в устройстве управления двигателем. Временное измерение температурных щупов может выравниваться посредством выполняемой самим электронным контрольным устройством случайной повторной калибровки. После одной продолжительной остановки двигателя внутреннего сгорания все температурные щупы должны находиться на одинаковой температуре так, что в этом состоянии возможна одна дополнительная калибровка, в случае необходимости при соотношении с иначе измеренной наружной температурой. Работы по обслуживанию или действие снаружи для этого не нужны.

Для решения поставленной задачи, точного и широкого контроля работы одного нейтрализатора, служит устройство, которое содержит по меньшей мере два температурных щупа в по меньшей мере двух расположенных друг за другом в направлении течения участках поперечного сечения газовыпускной системы, причем между обоими участками поперечного сечения лежит по меньшей мере одна часть соответствующего по размеру каталитического превращения вредных веществ в выхлопном газе объема катализатора и по меньшей мере один из температурных щупов (TF, TF1, TF2, TF1', TF2') выполнен плоским или почти линейным и интегрально измеряет температуру через одну приблизительно эквивалентную часть участка поперечного сечения, на котором он расположен. Кроме того, необходимо одно электронное контрольное устройство для обработки измеренных значений температуры и одно индикаторное устройство для результата обработки. Дальнейшие детали таких устройств более подробно описываются ниже при помощи чертежа.

Данная система контроля особенно пригодна в соединении с электрически нагреваемыми нейтрализаторами. При электрически нагреваемых нейтразиаторах желательно, по мере необходимости, измерять фактически действительно достигнутую температуру, чтобы тем самым регулировать нагревание и, в случае необходимости, освобождать запуск двигателя после достижения пусковой температуры. Для этой цели могут привлекаться предусмотренные для рабочего контроля температурные щупы, все или частью, вследствие чего отпадают дополнительные издержки. Так как электрически нагреваемые нейтрализаторы и без того имеют электрические вводы, также предпочтительно предусмотреть там вводы для инструментирования, так что кроме кабельного соединения одного возможно имеющегося l зонда лишь одна дополнительная кабельная ветвь ведет к газовыпускной системе.

Изобретение касается также одного специально выполненного каталитического нейтрализатора, который по меньшей мере на одном участке поперечного сечения около по меньшей мере одного из своих торцевых поверхностей содержит по меньшей мере один интегрированный температурный щуп, который интегрально измеряет температуру через одну, почти эквивалентную часть участка поперечного сечения.

Один такой катализатор пригоден, в частности, для описанных ранее устройств и для осуществления способа контроля. Кроме того, он пригоден также, независимо от этого применения, для других систем, в которых необходимы такие измеренные значения температуры. В частности, нагреваемые катализаторы могут быть оснащены таким образом также когда они не снабжены одним устройством для контроля работы. Специальные варианты выполнения интегрированных температурных щупов описываются ниже при помощи чертежа.

На фиг. 1 представлена система контроля двигателя и каталитического нейтрализатора, общий вид; на фиг. 2 пример выполнения одного поперечного сечения выполненного согласно изобретению нейтрализатора в плоскости одного температурного щупа; на фиг. 3 и 4 конструкция одного пригодного температурного щупа в продольном (фиг. 3) и поперечном (фиг. 4) сечениях; на фиг. 5 пример размещения одного температурного щупа в теле нейтрализатора.

На фиг. 1 показан двигатель 1 внутреннего сгорания с одним электронным контрольным устройством 2 управления двигателем, которое через линии 3 подвода измеренных значений получает информации снаружи и затем через подводящие линии 4 управляет двигателем. Из двигателя 1 выхлопные газы по направлению стрелки попадают в одну газоотводящую линию 5, в которой расположен один l -зонд 6, который в свою очередь через линию 7 измеренных значений находится в связи с устройством 2 управления двигателем. В линии выхлопных газов расположен один каталитический нейтрализатор 8, к которому примыкает одна газовыпукная линия 9. Нейтрализатор 8 может состоять из одного или нескольких дисков, газовыпускная система может быть построена также многопоточной, однако для изобретения это не играет решающей роли. Нейтрализатор 8 может быть также электрически нагреваемым по меньшей мере в частных областях и содержать соответственные этому электрические вводы 17 и 18.

Согласно изобретению в газовыпускной системе должны быть расположены по меньшей мере два температурных щупа, между которыми находится по меньшей мере одна часть каталитически активного объема. Для переднего температурного щупа на фиг. 1 показаны два варианта, а именно температурный щуп TF1 в передней торцевой зоне нейтрализатора 8 и температурный щуп TF1' в линии 5 выхлопных газов. Для заднего температурного щупа тоже показаны два варианта, а именно один интегрированный в заднем торцевом участке нейтрализатора 8 температурный щуп TF2 и один расположенный в газовыпускной линии 9 температурный щук FT2'. Какие из этих вариантов должны были бы предпочтительно комбинироваться друг с другом зависит от геометрических данных и других факторов. Важно прежде всего то, что между местами измерения протекает существенная часть каталитических реакций. Измеренные значения температуры через измерительные линии 13 и 14 подводятся в электронный контрольный блок 10, который обрабатывает измеренные параметры, причем, в случае необходимости, при обработке могут привлекаться данные из устройства 2 управления двигателем через линии 11 подачи данных. Возможно также обратное действие электронного контрольного блока 10 на управляющее устройство 2 через линии 12 отвода данных. Результат контроля через одну диагностическую линию 15 передается в одно устройство 16 для индикации результата диагноза (индикаторный блок). Эти индикаторные устройства могут быть выполнены, например, в виде сигнальных ламп или индикаторных приборов.

Для случая, когда температурные щупы интегрируются в одном нейтрализаторе 8, фиг. 2 наглядно поясняет один возможный пример выполнения. При этом фиг. 2 представляет собой отчасти схематично изображенный разрез нейтрализатра 8 в плоскости одного температурного щупа TF. При фиг. 2 речь идет об одном самом по себе известном из WO 89/1047 варианте выполнения одного электрически нагреваемого металлического носителя катализатора, который состоит из свитых в противоположном направлении листовых слоев и в плоскости своего поперечного сечения разделен изоляционными слоями таким образом, что возникает пригодное для нагревания электрическое сопротивление и путь тока. Этот нейтрализатор 8 составлен из чередующихся слоев волнистых 21 и гладких 22 листов и в своей внутренней полости снабжен показанными здесь лишь схематично спиралеобразно проходящими внутрь изоляционными слоями. Слои листов окружены одной оболочкой, которая состоит из двух получаш 23 и 24, которые изолирующими участками 25 и 26 электрически отделены друг от друга. Оболочковые получаши 23 и 24 снабжены электрическими вводами 27 и 28 для электрического нагрева. Внутри этого нейтрализатора 8 проходит параллельно отдельным слоям листов один температурный щуп TF, который в данном примере выполнения содержит один провод, сопротивление которого измеряется с температурой. Для того, чтобы не надо было предусматривать два ввода для температурного щупа в различных местах, провод сопротивления во внутренней полости нейтрализатора проложен U-образно, т.е. он состоит из соединенных на конце прямого и обратного проводов, как это наглядно поясняется на фиг. 3 и 4. Температурный щуп TF на одной стороне проведен через оболочку 24 наружу и имеет там вводы 29 для линий измерения. Представленный здесь принцип укладки одного температурного щупа в одном нейтрализаторе 8 является лишь одним примером выполнения. Допустимы многие другие возможности для иначе составленных нейтрализаторов, в частности допустимы спиральная намотка одного температурного щупа или также вставление в одно поперечное отверстие.

Фиг. 3 показывает для наглядного пояснения одно продольное сечение конца температурного щупа TF, а на фиг. 4 представлено одно поперечное сечение вдоль линии IV-IV на фиг. 3.

Термометр щуп имеет одну оболочку 31, которая может состоять, например, из "инконеля" или одной/другой стойкой к действию высоких температур стали с содержанием хрома и/или алюминия. Сообразно с требованиями оболочка 31 может состоять также из того же материала, что и листы нейтрализатора 8, вследствие чего без проблем возможна спайка между температурным щупом TF и листами 21 и 22 соответственно оболочкой 24. Внутри температурного щупа TF U-образно проложена проволока 33, 34, причем проволока может состоять, например, из никеля или другого материала, который имеет сильно зависящее от температуры сопротивление. Изоляционный слой 32, например из порошка оксида магния, известным образом предотвращает контакты между двумя линиями 33 и 34 проволочного сопротивления, между собой и с оболочкой 31.

Фиг. 5 показывает для наглядного пояснения один небольшой вырез из одного волнистого или же в данном случае складочного листа, как он применяется для построения тел носителей нейтрализатора. Посредством вышлифовывания одного пригодного паза поперечно ходу структуры в гребне волн может создаваться базирование для одного температурного щупа TF, которое позволяет наслаивать или же сматывать, или сплетать температурный щуп вместе со структурированным листом 21 в одно тело носителя нейтрализатора. При этом паз 51 должен был бы быть не значительно, как здесь представлено для наглядного пояснения, больше поперечного сечения температурного щупа, а иметь приблизительно его размеры так, что возможна спайка или по меньшей мере одна фиксация температурного щупа TF посредством паза. Поскольку паз 51 делается настолько глубоким, что температурный щуп TF лежит приблизительно на половине высоты волнистости, то он фактически измеряет температуру проходящего газа и не в одинаковой мере температуру самой структуры. Посредством же одной меньшей глубины паза 51 и, возможно, одной спайки с граничащим ближайшим гладким листом может достигаться то, что температурный щуп фактически измеряет температуру структуры носителя. Поэтому возможен гибкий тип конструкции сообразно с требованиями.

Данное изобретение особенно пригодно для прогрессивных интегральных систем диагноза и контроля в автомобилях, которые имеют двигатели внутреннего сгорания с электронным впрыскиванием и оснащены регулируемыми катализаторами. Особенно удачно изобретение применимо в соединении с электрически нагреваемыми нейтрализаторами.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ контроля работы каталитического нейтрализатора выхлопных газов ДВС с выпускной системой, причем по меньшей мере в двух пространственно находящихся на расстоянии друг от друга участках поперечного сечения выпускной системы замеряют температуру температурными щупами и контролируют электронным контрольным блоком. При этом замер температуры производят интегрально и температурные щупы выполнены плоскими или линейными, между которыми размещен каталитический нейтрализатор, последний выполнен частично нагреваемым. Экзотермическая реакция при каталитическом превращении вредных веществ в отработавшем газе при правильном действии системы создает определенную разность температур между обоими местами измерения, которая может контролироваться. По знаку и/или абсолютной величине и/или временной характеристике разности температур можно сделать заключение о работе каталитического нейтрализатора и/или двигателя, и/или электронного управляющего блока. 3 с и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля работы каталитического нейтрализатора выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с выпускной системой, причем по меньшей мере в двух областях выпускной системы с помощью температурных датчиков замеряют температуру, контролируют ее с помощью электронного контрольного устройства, отличающийся тем, что температуру замеряют по меньшей мере в двух пространственно находящихся на расстоянии друг от друга участках поперечного сечения выпускной системы, при этом замер температуры производят по меньшей мере в участках поперечного сечения интегрально. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для измерения температуры используют плоские или линейные температурные щупы. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одно из измерений температуры производят внутри нейтрализатора. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что первое измерение температуры внутри нейтрализатора производят в зоне притока, а второе в зоне оттока. 5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что замеренные значения температуры передают в электронный контрольный блок, в котором определяют разность измеренных значений температуры по меньшей мере в двух местах замера, и по знаку и/или абсолютной величине, и/или временной характеристике определяют работоспособность нейтрализатора и/или необходимость регулирования. 6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что периодически осуществляют калибровку температурных щупов. 7. Устройство для контроля работы каталитического нейтрализатора, имеющего переднюю и заднюю торцевые стенки и расположенного в газовыпускной системе, содержащее по меньшей мере два температурных щупа, последовательно установленных на по меньшей мере двух участках газовыпускной системы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электронный контрольный блок и связанный с ним индикаторный блок, причем электронный контрольный блок сообщен с температурными щупами, между которыми размещен каталитический нейтрализатор, температурные щупы выполнены плоскими или линейными и установлены в плоскостях по меньшей мере двух поперечных сечений газовыпускной системы. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что электронный контрольный блок через электронное контрольное устройство связан с двигателем внутреннего сгорания. 9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что между температурными щупами, заключено по меньшей мере 50% преимущественно 70% активного объема каталитического нейтрализатора. 10. Устройство по пп. 7 9, отличающееся тем, что по меньшей мере один температурный щуп установлен в нейтрализаторе вблизи его задней торцевой стенки. 11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что по меньшей мере два температурных щупа установлены в нейтрализаторе, один вблизи передней, а другой вблизи задней торцевых стенок. 12. Устройство по пп. 7 11, отличающееся тем, что по меньшей мере один температурный щуп выполнен в виде измерительного датчика с сопротивлением, изменяющимся в зависимости от температуры. 13. Устройство по пп. 7 12, отличающееся тем, что каталитический нейтрализатор выполнен частично нагреваемым. 14. Устройство по одному из пп. 7 13, отличающееся тем, что электронный контрольный блок соединен с электронным контрольным устройством двигателя внутреннего сгорания, причем данные электронного контрольного устройства по меньшей мере частично в электронном контрольном блоке функционально связаны с разностью температур, чтобы обеспечить точный диагноз функций системы. 15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что газовыпускная система снабжена по меньшей мере одним зондом и замеренные значения оцениваются в электронном контрольном блоке. 16. Каталитический нейтрализатор отработавших газов, содержащий корпус с передней и задней торцевыми стенками, подключенный к газовыпускному коллектору двигателя внутреннего сгорания, образованный слоями гладкого и волнистого листов, свернутых в рулон, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним плоским или линейным температурным щупом, установленным в плоскости по меньшей мере одного поперечного сечения нейтрализатора вблизи одной из торцевых стенок. 17. Нейтрализатор по п. 16, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электрическим нагревателем, установленным вблизи температурного щупа. 18. Нейтрализатор по пп. 16 и 17, отличающийся тем, что на волнистом листе выполнен паз, а по меньшей мере один температурный щуп размещен в последнем. 19. Нейтрализатор по пп. 16 18, отличающийся тем, что по меньшей мере один температурный щуп размещен по всей плоскости поперечного сечения нейтрализатора. 20. Нейтрализатор по пп. 16 19, отличающийся тем, что по меньшей мере один температурный щуп выполнен в виде одного провода с изменяющимся в зависимости от температуры сопротивлением, охватывающей провод металлической оболочки и расположенного между ними электрического изолятора. 21. Нейтрализатор по п.20, отличающийся тем, что металлическая оболочка выполнена из "инконеля" и/или термостойкой стали, содержащей хром и/или алюминий.