СПОСОБ ДЛЯ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С УСТАНОВКОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, ВКЛЮЧАЮЩЕЙ SCR-КАТАЛИЗАТОР Российский патент 2013 года по МПК F02D41/02 

Изобретение касается способа для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор, согласно широкому определению пункта 1 формулы изобретения.

Для двигателей внутреннего сгорания с установкой для нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор, существует общая потребность, чтобы SCR-катализатор как можно быстрее достигал своей рабочей температуры, необходимой для снижения диоксида азота. Для этого в DE 19749400 А1 предлагается определять к.п.д. для SCR-катализатора и для случая, когда он, к примеру, при прогреве на холостом ходу двигателя внутреннего сгорания меньше заданного значения, так изменять определенные рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания, чтобы уменьшить содержание диоксида азота в неочищенных отработавших газах повысить температуру отработавших газов, тем самым повысив температуру SCR-катализатора. Правда, нагревание SCR-катализатора, в частности связанное с холодным запуском или прогревом двигателя внутреннего сгорания, может привести даже при допустимом значении общего выброса оксидов азота (NOx), к нежелательно высокой эмиссии диоксида азота (NO2).

Задача изобретения - заявить способ для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой для нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор, в котором выпуск NO2 в окружающую среду, прежде всего при холодном запуске или прогреве двигателя внутреннего сгорания, находится на допустимом низком уровне.

Эта задача решается при помощи способа с признаками пункта 1 формулы изобретения.

В заявленном в изобретении способе для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор, производится оценка количества оксидов азота, накапливающегося в SCR-катализаторе, и активируется режим холодного запуска мотора с заданными значениями рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, когда получается такая оценка, что количество накопившихся оксидов азота превышает заданное для него предельное значение. Специфический режим холодного запуска мотора, предусмотренный для случая, когда количество накопившихся оксидов азота в SCR-катализаторе превышает предельное значение, не применим или применим, в крайнем случае, в измененном виде, пока не превышено предельное значение для количества накопившихся оксидов азота. Благодаря этому можно избежать перерасхода горючего, который обычно устанавливается при специфическом режиме холодного запуска мотора, если только это не является необходимым с точки зрения нежелательных выбросов NO2.

Изобретатели сознавали, что нежелательные большие выбросы NO2 в первую очередь обусловлены слишком большим количеством скапливающихся в SCR-катализаторе оксидов азота (NOx). Скапливающиеся NOx могут существовать в физически сорбированной или хемосорбированной форме или в химически связанном виде, например, как азотистая кислота. Было убедительно показано, что скапливающиеся в SCR-катализаторе NOx при нагревании десорбируются преимущественно как NO2, тогда как удельный вес NO в десорбированных NOx существенно меньше. Поэтому из-за более высокой вредоносности NO2 по сравнению с NO особо желательно ограничить выбросы NO2. Благодаря предусмотренной согласно изобретению оценке количества накопившихся оксидов азота, можно также оценить риск нежелательно высокой десорбции NO2 вследствие нагрева SCR-катализатора в связи с холодным запуском или прогревом двигателя внутреннего сгорания. Если количество накопившихся оксидов азота превышает свое критическое предельное значение, то активируется способ холодного запуска мотора, заявленный в изобретении. Этим осуществляется нагревание SCR-катализатора заблаговременно, что ограничивает выброс NO2 заданными значениями. С другой стороны способ холодного запуска мотора, заявленный в изобретении, позволяет целенаправленно установить скорость нагрева SCR-катализатора таким образом, что выброс NO2 остается на заданном уровне.

В варианте осуществления изобретения при активированном способе холодного запуска мотора значения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания задаются таким образом, что SCR-катализатор нагревается выходящим от двигателя внутреннего сгорания отработавшим газом так, чтобы полученная при нагревании доля десорбированного вследствие нагревания SCR-катализатора диоксида азота не превышала заданную норму десорбции или заданную максимальную концентрацию NO2 в выходящих в окружающую среду отработавших газах. Установлено, что быстрое нагревание SCR-катализатора, загруженного накопленными оксидами азота, может иметь очень быстро растущую десорбцию NO2, т.е. как следствие большую норму десорбции. Это, в частности, тот случай, когда при нагревании достигается или проходится обычный температурный диапазон от +10°С до +60°С. В соответствии с величиной количества накопившихся оксидов азота, отсюда получается более или менее высокая максимальная концентрация NO2 в отработавших газах, которые поступают в окружающую среду. А потому особенным преимуществом будет, если в дальнейших вариантах изобретения при нагревании SCR-катализатора не будет превышено заданное максимальное значение для градиента нагревания SCR-катализатора. Установленные в зависимости от количества накопившихся оксидов азота и/или температуры SCR-катализатора значения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания могут целенаправленно влиять на градиент нагревания и норму десорбции или максимальную концентрацию NO2 и с надежностью не дают переступать задаваемые и заданные наперед предельные значения. Например, благодаря соответствующим образом установленным значениям рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, можно достичь сравнительно медленным нагреванием, менее чем 10°С в мин, в частности, в интервале температур от -20°С до +40°С, плавной NO2-десорбции, при которой можно избежать критической пиковой концентрации NO2. Установка малых градиентов нагревания предпочтительна в особенности тогда, когда SCR-катализатор имеет температуру немного ниже или внутри температурного диапазона десорбции. Особенно выгодным является то, что при низких температурах, т.е. меньших чем 0°С, в частности меньших чем -20°С, на первом этапе нагревания можно установить сначала большой градиент нагревания около 20°С/мин или больше. Благодаря этому сокращается длительность экспозиции SCR-катализатора в температурном режиме, критическом для аккумулирования NOx, устраняется дальнейшее накопление NOx, тем самым ограничивается количество накопившихся оксидов азота. Если SCR-катализатор достигает температуры, находящейся вблизи нижней границы температурного диапазона десорбции, т.е. ниже на 10°С, устанавливается небольшой градиент нагревания, находящийся ниже максимального значения для градиента. При этом существенным является то, что можно устанавливать градиенты нагревания в зависимости от температуры, в частности растущими при увеличении температуры.

В следующем варианте осуществления изобретения оценка количества накопившихся оксидов азота основана на продолжительности эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с температурой, длительно не превышающей заданную, в частности, первую пороговую температуру для SCR-катализатора. Критическими оказались специально удлиненные периоды работы при слабой нагрузке в условиях низких температур. Если, например, двигатель внутреннего сгорания дольше эксплуатируется на холостом ходу при температуре ниже пороговой, зависящей от катализатора и обычно составляющей ок. 30°С, то выделяемые оксиды азота концентрируются, увеличиваясь, в SCR-катализаторе. При многократных, следующих друг за другом процессах холодного запуска и/или прогрева, в которых SCR-катализатор имеет постоянные температуры, при которых может происходить скапливание NOx, каждый раз аккумулируются соответствующие количества NOx. При последующем, особенно при быстром нагревании вследствие растущей нагрузки двигателя внутреннего сгорания может произойти нежелательная сильная NO2-десорбция. В соответствии с заявленным изобретением из-за этого сталкиваемся с тем, что количество накопившихся оксидов азота оценивается суммарно по времени работы с NOx-аккумулированием. Режим холодного запуска мотора может активироваться уже до достижения критического интегрального количества накопившихся оксидов азота и может инициироваться целенаправленное нагревание SCR-катализатора. Для оценки количества накопившихся оксидов азота прибегают к хранящимся в памяти эмиссионным параметрическим характеристикам двигателя внутреннего сгорания и соответствующим характеристическим кривым адсорбции. Также может быть предусмотрено вычисление в режиме онлайн, основанное на модели адсорбции и десорбции для SCR-катализатора.

В следующем варианте осуществления изобретения в качестве предельного значения количества накопившихся оксидов азота, задается доля емкости оксидов азота SCR-катализатора. Емкость оксидов азота как максимально накапливаемое SCR-катализатором количество оксидов азота обычно сильно зависит от температуры данной компоненты и кроме того от вида и/или уровня старения. Ее целесообразно определять сначала эмпирически и запоминать в устройстве управления. При этом наряду с зависимостью от температуры необходимо учитывать зависимость от старения. Для предусмотренного преимущественно SCR-катализатора железно - или медноцеолитного типа емкость оксидов азота обычно находится в диапазоне от 1 до 30 г на л объема катализатора при низких температурах от 0°С и ниже. Благодаря заявленной в изобретении ориентации предельного значения количества накопившихся оксидов азота на определенную подобным образом емкость, можно избежать нежелательно высокой нагрузки на SCR-катализатор. При этом особо выгодно, если доля емкости оксидов азота SCR-катализатора задается зависящей от температуры, в частности, уменьшающейся с уменьшением температуры SCR-катализатора.

В следующем варианте осуществления изобретения после достижения одной из заданных, в частности, второй пороговой температуры для SCR-катализатора режим холодного запуска мотора прекращается. Изобретатели признают, что накопление оксидов азота при температуре выше обычной пороговой температуры, присущей данному катализатору, в SCR-катализаторе мало или даже такое, что им можно пренебречь, причем при известных условиях накопленные оксиды азота уже ниже этой температуры могут почти полностью десорбироваться. Если режим холодного запуска прекратить как можно быстрее после достижения пороговой температуры, то можно также избежать перерасхода горючего или, по меньшей мере, его ограничить. Если требуемая для пользователя нагрузка двигателя превышает заданное минимальное значение, при котором обеспечивается дальнейшее нагревание мотора или, по крайней мере, он не остывает, то непосредственно после достижения пороговой температуры режим холодного запуска мотора прекращается. В противном случае можно предусмотреть, чтобы он оставался еще какое-то время активированным. В этой связи полезным является, в частности, установление точного момента времени прекращения в зависимости от нагрузки мотора. Естественно, можно также предусмотреть, чтобы регистрировать NO2-десорбцию датчиками и после превышения обнаруженного максимума десорбции прекращать активный режим холодного запуска мотора, выполнив все необходимые действия.

В следующем варианте осуществления изобретения при активированном режиме холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания, которые включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание, следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание и основное впрыскивание, следующее за вторым предварительным впрыскиванием. При этом предусматривается, чтобы первое и/или второе предварительное впрыскивание делились на два быстро следующих друг за другом впрыскивания в каждый цилиндр отдельной форсункой. Благодаря сделанным хотя бы двум предварительным впрыскиваниям, предшествующим основному впрыскиванию, становится возможным воспламенение впрыснутого горючего также и при низких температурах мотора ниже точки замерзания. Преимуществом является сравнительно малое количество горючего, около 20% или меньше, относительно основного впрыскивания, которое впрыскивается при первом или втором предварительном впрыскивании. При таком способе становится возможным зажигание также и при очень низких температурах окружающей среды и мотора, от минус 20°С и менее. На основе небольшого количества горючего при предварительных впрыскиваниях спад температуры, обусловленный испарением, по меньшей мере, уменьшается, а воспламенение гомогенизированного горючего при предварительных впрыскиваниях улучшается.

Особое преимущество будет, когда в следующем варианте осуществления изобретения первое предварительное впрыскивание осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших чем 20 градусов до верхней мертвой точкой в такте сжатия данного цилиндра. Типичным является то, что при низких температурах от минус 20°С или менее температура в цилиндре для обычного диффузного горения слишком низкая. Заявленное в изобретении предварительное впрыскивание дает возможность гомогенизации смеси, благодаря чему улучшается воспламеняемость. При помощи соответствующей задержки воспламенения осуществляется реакция горения первого предварительного впрыскивания, что приводит к росту уровня температуры в цилиндре. Поэтому горючее, внесенное при втором предварительном впрыскивании, может быстро испаряться и также воспламениться. НС-эмиссия, обычно связанная с гомогенным или частично гомогенным горением, имеет при этом преимущество по отношению к уменьшению количества накопившихся оксидов азота и десорбированного количества NO2. Поскольку связи до конца не выяснены, то исходят из того, что содержащиеся в отработанном газе НС, сопутствующие NOx, благодаря блокированию адсорбционных мест уменьшает накопление NOx. С другой стороны проявляется уменьшение газообразного и/или накапливаемого NO2 и/или NO, благодаря чему количество десорбируемого NO2 также уменьшается. Отсюда можно предусмотреть, чтобы параллельно с активированным режимом холодного запуска мотора и/или начинающейся NO2-десорбцией целенаправленно предпринимать насыщение отработавших газов углеводородами. При этом, в частности, устанавливается заданное значение концентрации НС в диапазоне от 80 ppm до 3000 ppm, предпочтительнее в диапазоне от 200 ppm до 1000 ppm. Отсюда соответственно повышается преимущественно количество горючего, впрыскиваемого при первом и/или втором предварительном впрыскивании. Естественно, здесь также может быть предусмотрена подача НС в отработавший газ вне мотора, например, через блок подачи горючего.

В следующем варианте осуществления изобретения второе предварительное впрыскивание осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание. Благодаря заявленному в изобретении выбору момента времени для второго предварительного впрыскивания улучшается характеристика тепловыделения для горючего во втором предварительном впрыскивании, а также в последующем основном впрыскивании.

Дальнейшее улучшение характеристик тепловыделения становится возможным, кода в следующем варианте осуществления изобретения основное впрыскивание осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание. Этим обеспечивается надежное зажигание также и при очень низких температурах и становится возможным целенаправленное нагревание установки нейтрализации отработавших газов.

Типичным образом главное впрыскивание происходит только после верхней мертвой точки такта сжатия, в частности, только при угле поворота коленчатого вала около 10 градусов после верхней мертвой точки. Отсюда получается позднее возгорание или позднее основное горение. Это дает возможность надежного зажигания и целенаправленного и быстрого нагревания установки нейтрализации отработавших газов и SCR-катализатора. К тому же уменьшается обусловленное горением образование NO.

В следующем варианте осуществления изобретения происходит выполнение режима холодного запуска мотора в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания, а при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки режим холодного запуска прекращается. После прекращения режима холодного запуска устанавливается преимущественно режим горения с преобладающим диффузным горением.

Варианты осуществления изобретения наглядно представлены на чертежах и будут описаны далее. При этом названные ранее характеристики и те, которые еще нужно пояснить далее, используются не только в заданных комбинациях характеристик, но и в других комбинациях или рассматриваться отдельно, не покидая рамок данного изобретения.

При этом показывают:

Фиг.1 двигатель внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор, в схематическом изображении,

Фиг.2 диаграмму со схематическим изображением зависимости NOx-емкости типичного цеолитного SCR-катализатора от температуры,

Фиг.3 диаграмму с представленными схематически десорбционными характеристическими кривыми для NO2 для катализатора из фиг.2, загруженного различными количествами накопившихся NOx,

Фиг.4 следующую диаграмму с представленными схематически десорбционными характеристическими кривыми для NO2, полученными при различных градиентах нагревания, для катализатора из фиг.2, загруженного накопившимися NOx, и

Фиг.5 диаграмму со схематическим изображением выделения тепла в цилиндре дизельного мотора и управляющий импульс I_injek соответствующего инжектора для горючего в зависимости от времени.

Фиг.1 показывает схематически вариант выполнения системы из двигателя внутреннего сгорания 1 и установки нейтрализации отработавших газов 2 для автомобиля, здесь не изображенного. Двигатель внутреннего сгорания 1 выполнен как двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыскиванием и воздушным компрессором по поршневому принципу, далее упрощенно обозначен как дизельный мотор. Подчиненная ему и не изображенная здесь система впрыскивания горючего выполнена преимущественно как так называемая Common-Rail-System (система, предусматривающая использование общей топливной магистрали) с регулируемым давлением в магистрали или давлением впрыскивания горючего.

Цилиндрам дизельного мотора 1 подчинены соответственно камера сгорания с одним или двумя впускными и выпускными вентилями, свечой накаливания и инжектором, а также один или несколько впускных каналов для воздуха, необходимого для горения, что по отдельности здесь подробно не изображено. Инжекторы для горючего при этом пригодны для выполнения многократных впрыскиваний с регулируемым количеством впрыскиваемого горючего. Впускные и выпускные вентили приводятся в действие преимущественно при помощи регулируемых фаз газораспределения и регулируемым тактом открытия.

Дизельный мотор 1 получает свой воздух для горения через провод для подачи воздуха 3, в котором размещен не изображенный здесь расходомер воздуха. Посредством регулируемого дроссельного элемента, также здесь не изображенного, в проводе для подачи воздуха поток воздуха, подаваемый на дизельный мотор 1, может дросселироваться на установленный размер. Воздух для горения сжимается посредством турбокомпрессора 15 и подводится к охладителю надувочного воздуха 16 для охлаждения. Предусмотрены не изображенные здесь подробнее средства для повышения уровня температуры подводимого к дизельному мотору 1 воздуха для горения, в частности, связанные с холодным запуском или прогревом. Предусмотрена, при необходимости, перепускность охладителя надувочного воздуха 16. Для активного повышения температуры воздуха для горения в тракте подачи воздуха может быть предусмотрено устройство для подогрева. Особо полезным является активное нагревание посредством, так называемого абсорбционного нагревателя, который размещен преимущественно в перепускной линии для отработавших газов 13 перед ее примыканием к проводу для подачи воздуха 3. Турбокомпрессор 15 выполняется преимущественно как так называемый VTG-компрессор или как компрессор с перепускной заслонкой для отработавших газов с регулируемым давлением наддува.

В камерах сгорания цилиндров дизельного мотора 1 получающийся отработавший газ отводится через выпускной трубопровод 4. При этом воздух для горения может примешивать отработавший газ через перепускную линию для отработавших газов 13 и возвращаться к дизельному мотору 1. Часть возвращаемого отработанного газа (доля рециркуляции ОГ) может регулироваться через вентиль рециркуляции ОГ 14. Возвращаемый к дизельному мотору 1 отработавший газ охлаждается преимущественно посредством, не изображенного здесь радиатора рециркуляции ОГ, причем для радиатора рециркуляции ОГ может быть предусмотрен при необходимости регулируемый перепуск. Благодаря этому воздух для горения может подмешивать по выбору охлажденный или горячий, соответственно, нагретый отработавший газ. Невозвращаемый отработавший газ подводится через турбокомпрессор 15 к установке нейтрализации отработавших газов 2.

Далее предусмотрен не изображенный здесь дроссельный элемент в выпускном трубопроводе 4 в направлении турбокомпрессора 15.

При помощи описанных вариантов осуществления изобретения могут быть представлены, согласно требованиям, различные значения для существенных рабочих параметров мотора таких, к примеру, как поток воздушной массы, время впрыскивания, количество горючего, давление и моменты нескольких впрыскиваний, доля циркуляции ОГ, давление надувочного воздуха, наполнение цилиндра и при этом различные режимы горения. Дальнейшее увеличение вариантности может быть предусмотрено в виде регулируемого коэффициента сжатия.

Вариант выполнения подчиненной дизельному мотору 1 установки нейтрализации отработавших газов 2 включает в направлении потока отработавших газов в такой последовательности первый катализатор окисления 5, второй катализатор окисления 6, сажевый фильтр 7 и SCR-катализатор 8. В качестве сажевого фильтра 7 применение находит преимущественно, так называемый, Wallflow-фильтр на базе SiC, кордиерита или титаната алюминия. Однако сажевый фильтр 7 может быть сконструирован как металлокерамический фильтр или как фильтрующий модуль с открытой фильтровальной структурой. Преимущественно катализаторы 5, 6, 8 выполняются как сотовые монолитные конструкции, которые пронизаны каналами с каталитическим покрытием, через которые может течь подводимый отработавший газ. SCR-катализатор 8 выполнен преимущественно как катализатор на носителе с цеолитовым покрытием, содержащим медь или железо. Вследствие такой модели SCR-катализатор 8 обладает свойством накапливать компоненты отработавших газов, в частности, НС, NOx и NH3. Однако существенное свойство заключается в том, что в условиях окисления он может являться катализатором в реакции избирательного восстановления NOx до N2 посредством накопленного или подведенного NH3 в качестве реагента. Подача NH3 осуществляется преимущественно через не представленное здесь дозирующее устройство, через которое может впрыскиваться отработавший газ, идущий против SCR-катализатора 8, раствор, содержащий карбамид. Впрыскиваемый в отработавший газ карбамид разлагается при этом, выделяя NH3.

Со стороны входа первого катализатора окисления 5 и/или второго катализатора окисления 6 может быть предусмотрен блок подачи горючего, через который может подаваться к отработанному газу в качестве горючего бензин. Это предоставляет возможность насыщения отработавшего газа горючим или НС. Вследствие экзотермического окисления горючего, подведенного при необходимости к отработавшему газу, становится возможным целевое нагревание отработавшего газа в сочетании с активной регенерацией сажевого фильтра 7 благодаря дожиганию сажи.

В установке окончательной обработки отработавшего газа 2 для регистрации температуры отработавшего газа и конструктивных элементов, а также концентрации различных составных частей отработавших газов, предусмотрены различные температурные датчики и зонды для забора ОГ. Например, на фиг.1 со стороны входа второго катализатора окисления 6, а также со стороны выхода сажевого фильтра 7 в установке нейтрализации отработавших газов находится по одному датчику температуры 10, 11. Со стороны выхода второго катализатора окисления 6, а также SCR-катализатора 8 предусмотрены газовые датчики 9, 12, чувствительные к NOx и/или NH3. Для определения загрузки сажевого фильтра 7 сажей и/или золой необходимо предусмотреть со стороны входа и выхода сажевого фильтра 7 датчики давления или датчик перепада давлений, что на фиг.1 отдельно не представлено. Посредством этих и при необходимости других датчиков рабочее состояние установки нейтрализации отработавших газов определяется полностью и может быть при необходимости согласовано с режимом дизельного мотора 1.

Для регулирования или регистрации режима работы мотора предусмотрено электронное устройство управления мотора 17. Управляющее устройство 17, с одной стороны, получает информацию о важных параметрах режима мотора таких, как число оборотов, нагрузка мотора, температура, давление от соответствующих датчиков или зондов, а с другой стороны, может выдавать управляющие сигналы в качестве параметров настройки на актуаторы, например, на вентиль рециркуляции ОГ 14, турбокомпрессор 15 или дроссельный элемент 3 в проводе для подачи воздуха. Предусмотрено регулирование рабочих параметров или параметров состояния со стороны подачи газа и со стороны подачи горючего. В частности управляющее устройство мотора 17 в состоянии настраивать инжекторы горючего для выполнения многократных впрыскиваний и при необходимости устанавливать требуемое давление впрыскивания. Далее, устройство управления мотором 17 устроено для выполнения операций регулирования и управления, с помощью которых рабочие параметры мотора могут регулироваться или устанавливаться под контролем. Для этого устройство управления 17 может прибегнуть к хранящимся в памяти универсальным характеристикам или программам расчета или регулирования и управления. Предусмотренные для этого подсистемы такие, как процессор, память или устройства ввода-вывода и тому подобные, отдельно не представлены

Подобным образом для регистрации и настройки рабочих параметров и параметров состояния предусмотрено второе управляющее устройство 18 для устройства окончательной очистки отработавших газов. Устройство управления мотором 17 и второе управляющее устройство 18 соединены между собой посредством двунаправленного канала передачи данных 19. Таким образом, становится возможным взаимный обмен данными, имеющимися в распоряжении устройств управления. Подразумевается, что управляющие устройства 17, 18 могут быть также объединены в отдельный интегральный блок регистрации и управления для измеряемых величин.

В изображенном варианте осуществления изобретения становится возможной оптимальная во всех отношениях эксплуатация дизельного мотора 1, и всеобъемлющая очистка отдаваемых им отработавших газов. Нейтрализация отработанных газов в желаемом объеме возможна только тогда, когда каталитические нейтрализаторы 5, 6, 8 имеют свою рабочую температуру. Ниже так называемой точки начала температурного скачка имеется пониженная или недостаточная каталитическая активность, отчего, в частности при холодном запуске или прогреве, требуются особые меры, чтобы устранить нежелательный возврат вредных веществ в окружающую среду или сделать их как можно меньшими. Следующее направлено специально на то, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота (NO2) при температурах ниже температурного скачка SCR-катализатора 8. В частности, последующие рассматриваемые меры касаются уменьшения выбросов NO2 при окружающей температуре ниже или близко от точки замерзания или при температурах SCR-катализатора 8 ниже специфической для адсорбции NOx или ресорбции NO2 пороговой температуры, которая для преимущественно используемых моделей находится обычно в диапазоне от 10°С до 50°С.

Перед тем как в подробностях перейти к действиям по уменьшению нежелательных выбросов NO2, объясним лежащие в их основе феномены согласно фиг.2-4.

На диаграмме из фиг.2 схематически изображена зависимость от температуры NOx-емкости К типичного SCR-катализатора на основе цеолита. Как можно видеть, с уменьшением температуры TSCR NOx-емкости κ, т.е. количество NOx, которое может скапливаться в SCR-катализаторе, возрастает. При этом с убывающей температурой зафиксирована растущая характеристика насыщения. Хотя в зависимости от вида и объема каталитического цеолитового покрытия, зависимость от температуры NOx-емкости κ может проявляться по-разному, значения в диапазоне от 0,5 до 30 г NO2 на л объема катализатора, в частности, от 1 до 20 г/л для NOx-емкости κ в диапазоне температур от +20°С до минус 20°С можно рассматривать как типичные. В частности, максимальные значения ок. 20 л при температуре TSCR<-15°С является характерными для обычных типов катализаторов. Выше пороговой для данного катализатора температуры от+10°С до+50°С, в частности, ок. +30°С NOx-емкостью κ обычно пренебрегают.

NOx-емкость κ, подтвержденная изобретателями, влечет за собой то, что при режиме мотора, в котором SCR-катализатор 8 не превышает пороговую температуру, имеющиеся в отработавших газах оксиды азота скапливаются в большом объеме. Соответствующие рабочие состояния включают, например, один или несколько следующих друг за другом процессов холодного запуска, к которым могут присоединяться в определенный момент фазы слабой нагрузки или прогрева. Если при присоединении к таким рабочим состояниям дизельного мотора 1 потребуется более высокая нагрузка, то вследствие сильно нагретого отработавшего газа наступает нагревание SCR-катализатора 8, что может привести к нежелательной десорбции скопившихся до этого оксидов азота, еще до достижения SCR-катализатором 8 своей температуры скачка. При этом оксиды азота десорбируются преимущественно как NO2 и выделяются в окружающую среду. Изобретатели установили, что масштабы NO2-десорбции в значительной степени зависят от скопившегося в SCR-катализаторе 8 количества оксидов азота, а также от скорости нагревания SCR-катализатора 8, что далее можно объяснить при помощи фиг.3 и 4.

На диаграмме из фиг.3 схематически представлены десорбционные характеристические кривые для NO2 для SCR-катализатора, загруженного различным количеством накопившихся NOx. При этом характеристики измеренных со стороны выхода SCR-катализатора концентраций NO2 в отработавших газах cNO2 нанесены в зависимости от температуры TSCR SCR-катализатора. В соответствующих опытах SCR-катализатор загружался различным количеством NOx при температурах ниже пороговой температуры, существенной для NOx-адсорбции, и затем нагревался при помощи постоянной температуры. Как здесь представлено, в характерном для десорбции температурном диапазоне имеются пики NO2-десорбции, которые имеют с ростом накопления NOx растущую высоту. Поскольку диапазон температуры десорбции зависит от вида каталитического цеолитового покрытия, значения в диапазоне от +10°С до +60°С, в частности, от +20°С до +50°С можно рассматривать как типичные для появления максимума концентрации NO2.

Далее было установлено, что норма NO2-десорбции, соответственно высота и ширина пиков NO2-десорбции зависит от скорости нагревания, т.е. от величины градиента нагревания, как показано с помощью фиг.4. На диаграмме из фиг.4 аналогично диаграмме из фиг.3 схематически представлены десорбционные характеристические кривые для NO2 для SCR-катализатора в соответствии с фиг.2, загруженного одинаковым количеством накопившихся NOx. При этом происходило нагревание после загрузки SCR-катализатора при помощи постоянных, но различных норм нагревания dTsc./dt. Аналогично представленным на диаграмме из фиг.3 кривым в характерном для десорбции температурном диапазоне появляются пики NO2-десорбции, которые с ростом градиентов нагревания dTsc./dt имеют растущую высоту и уменьшающуюся ширину.

На основе результатов основополагающих опытов, представленных на диаграммах из фиг.2-4, были разработаны стратегии для устранения нежелательного мощного выделения NO2 при холодном запуске и/или прогреве дизельного мотора, которые, согласно заявленного изобретения, с одной стороны, нацелены на то, чтобы ограничить в количественном отношении скопление NOx в SCR-катализаторе 8. Этого можно достичь благодаря тому, что осуществляется оценка количества скопившихся NOx в SCR-катализаторе 8 и происходит целевое нагревание SCR-катализатора 8 посредством нагретого отработавшего газа, если получена такая оценка, что количество накопившихся NOx превышает заданное свое предельное значение. Таким способом можно избежать скопления критично больших количеств NOx, а десорбция скопившихся в SCR-катализаторе 8 NOx становится вынужденной до того момента времени, как количество накопившихся NOx достигнет столь критического уровня, что выполняющееся позднее нагревание может повлечь за собой нежелательно высокие пики NO2-десорбции. С другой стороны, далее предпринимается подробно объясненный процесс нагревания такого рода, чтобы получаемая норма десорбированных NO2 в SCR-катализаторе 8 вследствие его нагревания не превышала заданное значение или заданную максимальную концентрацию NO2 в выделяемом в окружающую среду отработанном газе.

Для оценки количества накопившихся NOx в SCR-катализаторе 8 согласно заявленному изобретению предусмотрено, регистрировать количество следующих друг за другом процессов холодного запуска и прогрева, в которых заданная пороговая температура для SCR-катализатора постоянна или превышается ненамного. Также устанавливается испускаемое дизельным мотором 1 и скапливающееся в SCR-катализаторе 8 количество накопившихся NOx. Для этого прибегают преимущественно к хранящимся в памяти параметрическим полям эмиссии дизельного мотора 1, в которых записаны значения для эмиссии NOx в зависимости от важных рабочих параметров мотора. В сочетании с характеристическими кривыми для адсорбции и десорбции, также хранящимися в памяти и соответственно изображенным на фиг.2-4, можно суммировать скапливающееся в SCR-катализаторе 8 каждый раз при холодном запуске и прогреве количество накопившихся NOx. Если получается такая оценка, что количество накопившихся NOx превышает свое предельное значение, которое превышает, в частности, в зависимости от температуры SCR-катализатора 8 и/или проходящего отработавшего газа заданную долю NOx-емкости κ SCR-катализатора 8, то тогда активируется нагревание, которым преимущественно управляют так, что заданное максимальное значение градиента нагревания для SCR-катализатора 8 не превышается в диапазоне температур десорбции или немного ниже него.

Максимальное значение градиента нагревания фиксируется в зависимости от количества накопившихся NOx и/или температуры SCR-катализатора 8 таким образом, что максимальная концентрация NO2 в отдаваемом в окружающую среду отработавшем газе не превышает заданное значение. Преимущественно это значение соответствует при максимальной концентрации NO2 при границе видимости NO2. Типичные значения для предельных количеств накопившихся NOx составляют от 10% до 30% NOx-емкости κ. Типичные значения для максимального значения градиента нагревания составляют от 5 до 20°С в мин.

Согласно заявленному изобретению многие установленные стандартным образом рабочие характеристики мотора для целевого нагревания SCR-катализатора 8 при холодном запуске и/или следующему за ним прогреву или при работе непрогретого двигателя изменяются таким образом, что в противоположность к нормальному режиму появляется отработавший газ, нагретый сильнее. Способы, обозначенные в дальнейшем как режимы холодного запуска мотора, охватывают преимущественно одно или несколько следующих действий:

закрытие находящегося в выпускном газопроводе 4 дроссельного элемента в соответствии с уменьшением свободного проходного сечения от 10% до 95%, в частности, в зависимости от нагрузки, при помощи более мощного дросселирования при малой нагрузке. Особое преимущество имеет закрытие дроссельного элемента таким образом, что получается скоростной напор от 1 до 4 бар, в частности от 2 до 3 бар.

закрытие находящегося в проводе для подачи воздуха 3 дроссельного элемента в соответствии с уменьшением свободного проходного сечения от 10% до 95%, предпочтительнее от 30% до 70%.

уменьшение давления наддува, обеспечиваемого турбокомпрессором, при необходимости до достижения границы устойчивой работы или заданной границы дымления, преимущественно в соответствии с показателем дымности от 1 или больше.

приведение в действие абсорбционного нагревателя в контуре рециркуляции ОГ.

изменение фазы газораспределения выпускного вентиля одного или нескольких цилиндров дизельного мотора 1 таким образом, что выпускной вентиль открывается в области от 10°KWnOT до 75°KWnOT, предпочтительнее от 40°KWnOT до 65°KwnOT (KwnOT - угол поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки).

закрытие вентиля рециркуляции ОГ 14, по меньшей мере, периодически полностью, при необходимости временно или постепенно открывая его до приемлемой в нормальном режиме степени открытия.

проведение первого предварительного впрыскивания, следующего за первым, второго предварительного впрыскивания и следующего за вторым основного впрыскивания горючего в цилиндры дизельного мотора таким образом, что главное положение сгорания топлива получается после верхней мертвой точки такта сжатия.

В частности, при низких наружных температурах от -10°С или ниже, особое преимущество состоит в том, что для холодного запуска и вслед за ним фазы прогрева или работы холодного мотора, в соответствии с упомянутым последним пунктом, происходит специальная настройка параметров впрыскивания горючего, как это в дальнейшем подробнее поясняет представленная на фиг.5 диаграмма.

В диаграмме на фиг.5 в верхней части схематически представлено выделение тепла dQ в цилиндре дизельного мотора 1, а в нижней части управляющий импульс Iinjek соответствующего инжектора в зависимости от времени, поделенный на угол поворота коленчатого вала KW.

Заявленный в изобретении способ холодного запуска мотора с выбранными соответствующим образом параметрами впрыскивания, может быть истолкован как способ сжигания при неполной гомогенизации с, по меньшей мере, двумя предварительными впрыскиваниями ПВ1, ПВ2 и основным впрыскиванием ОВ горючего в камеры сгорания дизельного мотора. При этом первое предварительное впрыскивание ПВ1 происходит преимущественно в более ранний момент времени такта сжатия таким образом, что дальше в процессе такта сжатия преобладает гомогенная способная воспламеняться смесь воздуха и горючего и после определенной задержки воспламенения происходит гомогенное сжигание смеси с выделением тепла, обозначенное VPE1 со стрелкой.

Второе предварительное впрыскивание ПВ2 происходит преимущественно у верхней мертвой точки такта сжатия в момент времени, когда вследствие сжигания впрыснутого ранее при первом предварительном впрыскивании ПВ1 горючего имеется явное повышение температуры в камере сгорания. Основное впрыскивание OB происходит после второго предварительного впрыскивания ПВ2 в аналогичный момент времени, когда вследствие сгорания впрыснутого до этого при втором предварительном впрыскивании ПВ2 имеется дальнейшее явное выделение тепла в камере сгорания, обозначенное VPE2 со стрелкой. Таким способом обеспечивается воспламенение впрыснутого горючего даже при очень низких температурах от -20°С и ниже.

Сгорание основного впрыскивания OB происходит преимущественно как обычное диффузионное горение. При этом может быть предусмотрено деление основного впрыскивания OB на несколько частичных впрыскиваний таким образом, что получается заторможенное горение. При этом особое преимущество в том, что количество горючего в каждом частичном впрыскивании устанавливается большим, чем количество горючего в предшествующих частичных впрыскиваниях.

Первое предварительное впрыскивание ПВ1 происходит преимущественно в диапазоне от 20°KWvOT до 40°KWvOT. Впрыскиваемое количество при первом предварительном впрыскивании ПВ1 выбирается при этом предпочтительно в области от 5% до 25% впрыскиваемого количества при основном впрыскивании 0 В. Второе предварительное впрыскивание ПВ2 происходит преимущественно в области верхней мертвой точки в диапазоне от 5°KWvOT до 5°KWnOT, однако не раньше, чем после зажигания впрыснутого при первом предварительном впрыскивании ПВ1 горючего. Впрыскиваемое количество при втором предварительном впрыскивании ПВ2 выбирается при этом предпочтительно в области от 2% до 15% впрыскиваемого количества при основном впрыскивании OB.

В отличие от показанного в диаграмме на фиг.5 изображения, начало впрыскивания при основном впрыскивании OB выбирается обычно в диапазоне от 5°KWnOT bis 20°KWnO так, что получается сравнительно позднее положение сгорания. При этом нагревание отработавшего газа целенаправленно устанавливается при помощи момента начала управляющего импульса для инжектора таким образом, что желаемая норма нагревания SCR-катализатора 8 может быть с надежностью достигнута. В предпринимаемом при необходимости делении основного впрыскивания OB на два частичных впрыскивания, второе частичное впрыскивание происходит, присоединяясь к первому, в области от 25°KWnOT до 60°KWnOT. Из-за этого получается на 20°KWnOT сравнительно позднее положение начала горения, благодаря чему становится возможным целевое нагревание установки нейтрализации отработавших газов 2 и SCR-катализатора 8. При помощи растущей нагрузки мотора предусмотрен дальнейший сдвиг запаздывания начала горения.

С помощью заявленного в изобретении способа холодного запуска мотора становится возможным целевое нагревание установки нейтрализации отработавших газов 2 и SCR-катализатора 8 даже при очень низких температурах и при низких нагрузках мотора. Нагревание во избежание нежелательно высоких пиков NO2-десорбции становится также возможным независимо от установления определенных режимов движения. Согласно заявленному изобретению предусматривается при достижении заданной пороговой температуры для SCR-катализатора 8 прекращение режима холодного запуска мотора. Под прекращением здесь понимается окончание хотя бы части перечисленных выше действий. При этом появляется возможность ограничения перерасхода горючего, обусловленного таким режимом холодного запуска мотора. Прекращение режима холодного запуска мотора предусматривается даже тогда, когда нагрузка мотора превышает заданное или задаваемое значение на 30% от номинальной нагрузки. В этом случае происходит по большей части и без того естественное нагревание установки нейтрализации отработавших газов 2 и SCR-катализатора 8.

Изобретение касается способа для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов, включающей SCR-катализатор. Этим способом в сочетании с холодным запуском и/или прогревом на холостом ходу двигателя внутреннего сгорания двигатель (1) запускается с помощью режима холодного запуска с заданными значениями рабочих параметров двигателя. Согласно заявленному изобретению осуществляется оценка количества оксидов азота, которые накопились в SCR-катализаторе (8), и активируется режим холодного запуска мотора, когда получена такая оценка, что количество накопившихся оксидов азота превосходит заданное предельное для него значение. Улучшение характеристик тепловыделения для горючего и обеспечение надежного зажигания при очень низких температурах является техническим результатом предложенного изобретения. 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов, включая SCR-катализатор с каталитическим цеолитовым покрытием, который в условиях окисления может катализировать селективное восстановление оксидов азота посредством аммиака, в котором в сочетании с холодным запуском и/или прогревом на холостом ходу двигателя внутреннего сгорания (1), двигатель (1) приводится в действие при помощи режима холодного запуска для нагревания SCR-катализатора (8) с заданными значениями для рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что осуществляется оценка количества оксидов азота, которые накопились в SCR-катализаторе (8) с каталитическим цеолитовым покрытием, и активируется режим холодного запуска мотора, когда получена такая оценка, что количество накопившихся оксидов азота превосходит заданное предельное для него значение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при активированном режиме холодного запуска мотора значения рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания задаются таким образом, что SCR-катализатор подогревается отработавшим в двигателе внутреннего сгорания (1) газом так, что не превышается заданное значение для доли диоксида азота, который десорбируется в каталитическом цеолитовом покрытии SCR-катализатора (8) при нагревании SCR-катализатора (8), или заданное максимальное значение концентрации диоксида азота в отработавших газах, возвращаемых в окружающую среду.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что максимальная концентрация выбрана таким образом, чтобы не превышалась граница видимости для диоксида азота.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при нагревании SCR-катализатора (8) не превышается максимальное значение градиента нагревания для градиента нагревания SCR-катализатора (8).

5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при нагревании, происходящем при температурах ниже нуля градусов Цельсия, внутри диапазона температур десорбции, в котором происходит десорбция диоксида азота в каталитическом цеолитовом покрытии SCR-катализатора (8), не превышается заданное максимальное значение градиента нагревания.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что внутри диапазона температур десорбции от 10°C до 60°С максимальное значение градиента нагревания не превышает 20°C в минуту.

7. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что оценка количества накопившихся оксидов азота основана на продолжительности эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (1) с температурой, длительно не превышающей заданную, в частности первую пороговую температуру для SCR-катализатора (8).

8. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве предельного значения для количества накопившихся оксидов азота задается значение от 30% или менее емкости диоксида азота (κ) каталитического цеолитового покрытия SCR-катализатора (8).

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве предельного значения для количества накопившихся оксидов азота задается значение от 30% или менее емкости диоксида азота (κ) каталитического цеолитового покрытия SCR-катализатора (8).

10. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что после достижения одной из заданных, в частности, второй пороговой температуры для SCR-катализатора режим холодного запуска мотора прекращается.

11. Способ по п.5, отличающийся тем, что после достижения одной из заданных, в частности второй пороговой температуры для SCR-катализатора режим холодного запуска мотора прекращается.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что после достижения одной из заданных, в частности второй пороговой температуры для SCR-катализатора режим холодного запуска мотора прекращается.

13. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что при выполнении режима холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которое включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем
первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших, чем 20° до верхней мертвой точки в такте сжатия данного цилиндра,
- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и
- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

14. Способ по п.5, отличающийся тем, что при выполнении режима холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которое включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем
- первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших, чем 20° до верхней мертвой точки в такте сжатия данного цилиндра.
- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и
- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что при выполнении режима холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которое включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем
- первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших, чем 20° до верхней мертвой точки в такте сжатия данного цилиндра,
- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и
- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что количество впрыскиваемого горючего при втором предварительном впрыскивании (ПВ2) выбирается меньшим, чем количество впрыскиваемого горючего при первом предварительном впрыскивании (ПВ1).

17. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что количество впрыскиваемого горючего при втором предварительном впрыскивании (ПВ2) выбирается меньшим, чем количество впрыскиваемого горючего при первом предварительном впрыскивании (ПВ1).

18. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что выполнение режима холодного запуска мотора осуществляется в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания (1) и режим холодного запуска мотора при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки прекращается.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что выполнение режима холодного запуска мотора осуществляется в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания (1) и режим холодного запуска мотора при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки прекращается.

20. Способ по п.13, отличающийся тем, что предпринимается оценка количества накопившихся оксидов азота в SCR-катализаторе (8), который размещен после сажевого фильтра в установке нейтрализации отработавших газов.