СПОСОБ АДАПТАЦИИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ФИЛЬТРА-УЛАВЛИВАТЕЛЯ ЧАСТИЦ Российский патент 2013 года по МПК F01N3/25 F01N9/00 

Приоритет настоящего изобретения испрашивается по французской заявке 0855119, поданной 25 июля 2008 года, содержание которой (текст, чертежи и формула изобретения), включено в настоящее описание в качестве ссылки.

Изобретение касается фильтров-улавливателей частиц и, в частности, способов регулирования температуры фильтра-улавливателя частиц, связанного с системой впрыска дизельного топлива в выхлопную систему.

Для снижения содержания частиц в выхлопных газах дизельного двигателя широко используют фильтр, улавливающий эти частицы на выходе двигателя.

Поскольку частицы, накапливающиеся в фильтра, образуют сажу, необходимо подвергать эту сажу соответствующей обработке, чтобы избежать закупоривания фильтра. Эту обработку осуществляют путем доведения фильтра до температуры, обеспечивающей сгорание накопившейся сажи.

Чтобы сделать эту обработку более оптимальной, согласно первому решению, в топливо добавляют присадку для снижения температуры горения сажи с 600°С до 450°С.

Согласно второму решению, непосредственно в выхлопные газы впрыскивают дизельное топливо. Сгорание этого топлива внутри катализатора окисления на входе фильтра позволяет нагреть выхлопные газы и довести фильтр до требуемой температуры 600°С. Эту температуру необходимо регулировать, чтобы поддерживать ее в максимально стабильном значении для обеспечения быстрой и эффективной регенерации фильтра.

В заявке, зарегистрированной под номером FR0757789 на имя заявителя, описан способ регулирования температуры на входе фильтра. Это способ объединяет разомкнутый контур и замкнутый контур для регулирования температуры на входе фильтра-улавливателя частиц, чтобы обеспечить сгорание сажи. Разомкнутый контур и замкнутый контур определяют соответствующие составляющие количества топлива, впрыскиваемого в выхлопные газы. Объединив эти составляющие, определяют количество топлива, необходимое для впрыска в выхлопные газы.

Однако такое регулирование имеет свои недостатки. На практике регулируемые элементы выхлопной системы подвергаются старению, в частности, такие как катализатор, различные температурные датчики, расходомер воздуха и инжектор топлива. В этой топливной системе могут также появляться утечки. Изготовление выхлопной системы предполагает также наличие разбросов. Поскольку с проявлением старения тепловая эффективность катализатора снижается, в выхлопную систему необходимо впрыскивать большее количество топлива для обеспечения регенерации. При нормальной работе нехватку топлива компенсирует замкнутый контур. С учетом тепловой инерции выхлопной системы коррекция, осуществляемая замкнутым контуром, достигает ожидаемого эффекта с определенной задержкой. Чтобы температура все же гарантированно оставалась в желаемом температурном диапазоне, согласно одному из решений, фазы регенерации удлиняют в ущерб работе двигателя. Кроме того, эти колебания регулирования могут привести к слишком высокой температуре на входе катализатора, что может стать причиной его разрушения.

Задачей настоящего изобретение является устранение части или всех этих недостатков. В связи с этим объектом изобретения является способ адаптации регулирования температуры фильтра-улавливателя частиц выхлопной системы во время фазы регенерации этого фильтра путем впрыска топлива в выхлопные газы, содержащий этапы, на которых измеряют температуру на уровне фильтра-улавливателя частиц, определяют количество топлива, необходимое для впрыска в выхлопные газы, при этом упомянутое количество содержит первую составляющую, определяемую при помощи разомкнутого контура автоматического регулирования, не учитывающего измеряемую температуру, и это количество содержит вторую составляющую, определяемую при помощи замкнутого контура автоматического регулирования, учитывающего измеряемую температуру, и в зависимости от амплитуды второй составляющей относительно определяемого количества топлива определяют поправку для первой составляющей и эту поправку вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования.

Согласно варианту, способ включал в себя вычисление показателя, характеризующего амплитуду второй составляющей относительно впрыскиваемого количества топлива, и введение поправки для первой составляющей в разомкнутый контур автоматического регулирования, когда показатель превышает заранее определенный порог.

Согласно еще одному варианту, порог вычисляют в зависимости, от, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя.

Согласно еще одному варианту, поправку первой составляющей вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования, только когда несколько вычисленных значений показателя превышают упомянутый порог.

Согласно еще одному варианту, упомянутый показатель I вычисляют при помощи следующей формулы:

где RG - время регенерации, Q_c2ini и Q_c2 - значения расхода второй составляющей, определяемые соответственно в контрольный момент и во время текущего определения, Q_igecini и Q_igec - значения расхода количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы, определяемые соответственно в контрольный момент и во время текущего определения.

Согласно другому варианту, разомкнутый контур автоматического регулирования основан на модели оценки температуры на уровне фильтра-улавливателя частиц в зависимости от расхода выхлопных газов, от температуры выхлопных газов на входе катализатора окисления, установленного на входе фильтра-улавливателя частиц, и в зависимости от количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы.

Согласно варианту, способ включает в себя обнаружение нарушений в работе двигателя и сохранение введенной поправки во время обнаружения нарушения в работе.

Согласно еще одному варианту, замкнутый контур автоматического регулирования содержит пропорционально-интегральный регулятор.

Объектом изобретения является также автотранспортное средство, оборудованное выхлопной системой, содержащей фильтр-улавливатель частиц и устройство впрыска топлива в выхлопную систему на входе фильтра-улавливателя частиц; устройство измерения температуры на уровне фильтра-улавливателя частиц; и устройство определения количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы с целью регулирования температуры на уровне фильтра-улавливателя частиц, содержащее разомкнутый контур автоматического регулирования, не учитывающий измеряемую температуру и определяющий первую составляющую упомянутого количества топлива, и содержащее замкнутый контур автоматического регулирования, учитывающий измеряемую температуру и определяющий вторую составляющую упомянутого количества топлива.

Устройство определения предназначенного для впрыска топлива определяет поправку первой составляющей и вводит эту поправку в разомкнутый контур автоматического регулирования в зависимости от амплитуды второй составляющей по отношению к определенному количеству впрыскиваемого топлива.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид выхлопной системы, в которой применяют изобретение;

Фиг.2 - пример процесса регулирования температуры регенерации фильтра-улавливателя частиц;

Фиг.3 - схема процесса введения поправки амплитуды в разомкнутый контур.

Изобретением предлагается изменять соответствующие амплитуды двух составляющих количества топлива, впрыскиваемого в выхлопную систему. В зависимости от амплитуды составляющей, определенной замкнутым контуром автоматического регулирования, учитывающим температуру на уровне фильтра-улавливателя частиц, изменяют амплитуду составляющей, определенной разомкнутым контуром автоматического регулирования, не учитывающим эту температуру.

На Фиг.1 показан дизельный двигатель 9, содержащий выхлопную систему 1. Выхлопная система 1 содержит выхлопной коллектор 2. Выхлопные газы проходят через коллектор 2 при температуре Т4, измеряемой температурным датчиком 7, и с расходом Qair, обычно измеряемым не показанным на фигуре расходомером. Выхлопная система содержит инжектор 3 впрыска дизельного топлива. Инжектор 3 установлен на входе катализатора 4 окисления. Катализатор 4 находится на входе фильтра-улавливателя 5 частиц. Температуру Т5 воздуха, входящего в фильтр-улавливатель 5 частиц, необходимо поддерживать в значении порядка 600°С во время регенерации, чтобы обеспечивать сгорание сажи, образуемой улавливаемыми частицами. Для этого применяют впрыск дизельного топлива в выхлопную систему при помощи инжектора 3. Катализатор 4 окисляет впрыскиваемое топливо во время экзотермической реакции. Температурный датчик 6 измеряет температуру на уровне фильтра-улавливателя 5 частиц, как правило, в канале соединения между катализатором 4 окисления и фильтром-улавливателем 5 частиц.

Устройство 8 управления, показанное на Фиг.2, позволяет управлять впрысками топлива через инжектор 3 таким образом, чтобы регулировать температуру Т5 на уровне фильтра-улавливателя 5 частиц во время регенерации. Температурный датчик 6 измеряет температуру Т5 выхлопных газов на уровне входа фильтра-улавливателя 5 частиц. Эта температура Т5 не должна быть ни слишком высокой, поскольку это может привести к разрушению фильтра и катализатора или к его преждевременному старению, ни слишком низкой, так как это может вызвать остановку горения сажи и увеличит общее время регенерации фильтра. Температуру Т5 воздуха на входе фильтра 5 определяют при помощи датчика 6. В зависимости от места установки этого датчика конечная искомая температура меняется, так как температура в центре фильтра 5 выше, чем на его периферии.

Устройство 8 управления определяет количество топлива, предназначенное для впрыска в выхлопные газы. Это количество определяют в виде заданного значения расхода топлива Q_igec инжектора 3 в течение времени впрыска. Таким образом, заданное значение расхода, связанное с временем впрыска, дает заданное значение количества топлива. Расход впрыскиваемого топлива определяют двумя составляющими Qc1c и Qc2. Сумма этих двух составляющих соответствует заданному значению расхода Q_igec.

Первую составляющую Qc1c определяют при помощи разомкнутого контура автоматического регулирования. Этот разомкнутый контур автоматического регулирования не учитывает температуру Т5, измеряемую датчиком 6. Разомкнутый контур автоматического регулирования характеризуется коротким временем реагирования. Предпочтительно разомкнутый контур автоматического регулирования предназначен для определения более 85-90% амплитуды определяемого количества впрыскиваемого топлива.

Разомкнутый контур автоматического регулирования использует, например, модель термического поведения катализатора 4 в зависимости от расхода топливного инжектора Q_igec, от температуры выхлопных газов Т4 и от расхода выхлопных газов на входе катализатора 4. Для этого применяют вычислительный модуль 83, использующий модель термического поведения катализатора 4, для вычисления оценочного значения температуры Т5 на уровне фильтра-улавливателя 5 частиц.

Термическое поведение катализатора 4 зависит от параметров быстрого регулирования, таких как расход воздуха в коллекторе 2 выхлопной системы 1. По сути дела, гомогенизация температур в этой системе 1 происходит тем быстрее, чем выше этот расход воздуха. Вторым параметром быстрого регулирования является температура Т4 выхлопных газов на входе 2 выхлопной системы 1. Сильное повышение этой температуры Т4, генерируемой двигателем 9, приводит к повышению температуры на входе катализатора 4. Это повышение температуры на входе катализатора 4 приводит к соответствующему повышению температуры Т5 фильтра с учетом теплообмена с окружающей атмосферой. Кроме этих параметров быстрого регулирования существуют также параметры медленного регулирования температуры фильтра, в том числе характеристики распространения тепла внутри катализатора, которые влияют на температуру Т5 фильтра.

Из сведений в данной области техники известно, что при первом приближении уровень повышения температуры Т5 зависит от концентрации углеводорода внутри катализатора 4. Эту концентрацию определяют как соотношение между расходом топлива и расходом воздуха и учитывают ее в модели.

Вычислительный модуль 83 вычисляет заданное значение расхода Qc1 в зависимости от этой модели.

Вторую составляющую Qc2 определяют при помощи замкнутого контура автоматического регулирования. Замкнутый контур автоматического регулирования учитывает температуру Т5, измеряемую датчиком 6. Эту температуру Т5 сравнивают с заданным значением температуры Ct. Заданным значением температуры Ct является, например, температура 600°С. Разность между Т5 и Ct вводят в пропорционально-интегральный регулятор 81. Регулятор 81 определяет вторую составляющую расхода Qc2 в зависимости от погрешности, соответствующей этой разности. Регулятор 81 определяет вторую составляющую Qc2, учитывая член, пропорциональный разности, и член, включающий эту разность. Интегральный член обеспечивает задачу максимального приближения температуры Т5 к заданному значению температуры Ct.

Устройство 8 управления содержит устройство 84 коррекции. Это устройство 84 коррекции определяет амплитуду второй составляющей Qc2 относительно расхода топлива Q_igec. В зависимости от этой амплитуды устройство 84 коррекции определяет поправку Кс, применяемую для первой составляющей. Эту поправку Кс вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования. Поправка Кс является множителем заданного значения расхода Qc1, применяемым таким образом, чтобы Qc1c=Qc1*Kc. Можно также предусмотреть сложение поправки с заданным значением Qc1.

За счет коррекции амплитуды первой составляющей, генерируемой разомкнутым контуром, на регулирование температуры на уровне фильтра-улавливателя частиц не влияет старение компонентов выхлопной системы 1, загрязнение элемента дозировки топлива (например, дозирующего насоса или инжектора), рассогласование температурных датчиков 6 и 7 или рассогласование расходомеров воздуха. Действительно, необходимо поддерживать пропорцию первой составляющей в заданном количестве впрыскиваемого топлива таким образом, чтобы старение компонентов не приводило к возрастанию преобладания второй составляющей, вычисляемой замкнутым контуром. Таким образом, регулирование не будет подвергаться увеличению задержки в его коррекции. Таким образом, будет выдерживаться продолжительность фазы регенерации. Кроме того, снижаются также риски разрушения катализатора 4 по причине чрезмерной переходной температуры выхлопных газов, поскольку амплитуду второй составляющей ограничивают за счет коррекции первой составляющей.

Обычно устройство 84 коррекции увеличивает значение поправки Кс, когда амплитуда второй составляющей Qc2 увеличивается по отношению к количеству впрыскиваемого топлива Q_igec.

Для подтверждения применения поправки Кс в первой составляющей Qc1c устройство 84 вычисляет показатель I, характеризующий амплитуду второй составляющей Qc2 относительно впрыскиваемого количества топлива Q_igec. При этом вычисленную поправку Кс применяют, только когда показатель I превышает заранее определенный порог. Вычисленная поправка Кс заменяет при этом значение ранее введенной поправки. Порог, подтверждающий применение новой поправки Кс, можно вычислять, в частности, в зависимости от рабочих параметров двигателя, таких как скорость транспортного средства, крутящий момент или режим двигателя. Таким образом, условия адаптации первой составляющей будут зависеть от типа движения транспортного средства.

Таким образом, можно избежать несвоевременного применения новой поправки при переходных условиях работы. Чтобы еще больше снизить риск несвоевременной замены поправки, можно также предусмотреть, чтобы показатель несколько раз подряд переходил упомянутый порог, прежде чем подтвердить применение вычисленной новой поправки Кс. Действительно, поскольку старение или рассогласование компонентов происходит медленно, желательно не применять новые поправки через слишком короткие промежутки времени.

Чтобы нарушения в работе двигателя, например, наружная или внутренняя утечки бензина не приводили к ошибочному применению поправки Кс, предпочтительно во время обнаружения такого нарушения в работе сохранять текущую поправку.

Показатель I можно вычислить при помощи следующей формулы:

где RG - время регенерации, Qc2_ini и Qc2 - значения расхода второй составляющей, определяемые соответственно в контрольный момент и во время последнего определения, Qigec_ini и Qigec - значения расхода количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы, определяемые соответственно в контрольный момент и во время последнего определения. Значения в контрольный момент могут соответствовать значениям, ранее сохраненным в памяти и считанным при запуске транспортного средства. Этот показатель I основан на интегральной части замкнутого контура автоматического регулирования. Чем выше значение показателя, тем хуже отрегулирован разомкнутый контур автоматического регулирования. Значение поправки может быть основано на значении показателя I.

Как правило, поправка-множитель Кс находится в пределах от 0,5 до 1,5, то есть ±50% от номинального значения. На практике при испытаниях реальный диапазон составляет от 0,8 до 1,2.

На Фиг.3 схематично показан процесс применения поправки Кс первой составляющей. На этапе 101 в зависимости от значений Qc2 и Q_igec вычисляют показатель I. На этапе 102 в зависимости от параметров двигателя, таких как скорость транспортного средства или крутящий момент, вычисляют порог S. На этапе 103 показатель I сравнивают с порогом S. Если показатель I превышает порог S, генерируют сигнал подтверждения поправки. На этапе 104 в зависимости от показателя I вычисляют поправку Кс. Если был генерирован сигнал подтверждения поправки, вводят поправку Кс для коррекции первой составляющей.

Вычисление поправки и подтверждение ее применения можно осуществлять в конце каждой регенерации. Если новая поправка подтверждена, эту поправку можно обновить и применить для следующей или следующих регенераций фильтра-улавливателя частиц. Поправку можно сохранить в энергонезависимой памяти устройства 8 управления. Поправку можно обновлять по мере необходимости, в частности, во время замены катализатора. При замене катализатора новым катализатором поправку необходимо изменить, чтобы избежать лишнего расхода топлива или чрезмерной температуры выхлопных газов.

Предпочтительно устройство 82 изменяет заданное значение расхода инжектора дизельного топлива в зависимости от существенных значений насыщения газа в выхлопной системе 1. Заданное значение расхода топлива можно насытить перед его применением для инжектора 3. По сути дела, учет насыщений внутри разомкнутого контура автоматического регулирования обеспечивает более точное регулирование.

Эти вышеуказанные насыщения в основном связаны с расчетной концентрацией кислорода в выхлопной системе 1. По сути дела количество топлива, впрыскиваемого в выхлопную систему, ограничено восстановительной способностью катализатора 4, которая зависит от количества присутствующего кислорода.

Изобретение относится к способу регулирования температуры фильтра-улавливателя частиц. Сущность изобретения: способ регулирования температуры фильтра-улавливателя частиц выхлопной системы (1) во время фазы регенерации этого фильтра путем впрыска топлива в выхлопные газы, содержащий этапы, на которых измеряют температуру (Т5) на уровне фильтра-улавливателя частиц; определяют количество топлива (Q_igec), необходимое для впрыска в выхлопные газы, при этом упомянутое количество содержит первую составляющую (Qc1c), определяемую при помощи разомкнутого контура автоматического регулирования, не учитывающего измеряемую температуру, и это количество содержит вторую составляющую (Qc2), определяемую при помощи замкнутого контура автоматического регулирования, учитывающего измеряемую температуру; и в зависимости от амплитуды второй составляющей относительно определяемого количества топлива определяют поправку (Кс) для первой составляющей и эту поправку вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования. Техническим результатом изобретения является обеспечение быстрой и эффективной регенерации фильтра. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования температуры фильтра-улавливателя (5) частиц выхлопной системы (1) во время фазы регенерации этого фильтра (5) путем впрыска топлива в выхлопные газы, содержащий этапы, на которых:
- измеряют температуру (Т5) на уровне фильтра-улавливателя (5) частиц;
- определяют количество топлива (Q_igec), необходимое для впрыска в выхлопные газы, при этом упомянутое количество топлива содержит первую составляющую (Qc1c), определяемую при помощи разомкнутого контура автоматического регулирования, не учитывающего измеряемую температуру, и это количество содержит вторую составляющую (Qc2), определяемую при помощи замкнутого контура автоматического регулирования, учитывающего измеряемую температуру;
- в зависимости от амплитуды второй составляющей относительно определяемого количества топлива определяют поправку (Кс) для первой составляющей и эту поправку вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования.

2. Способ по п.1, в котором вычисляют показатель (I), характеризующий амплитуду второй составляющей (Qc2) относительно впрыскиваемого количества топлива (Q_igec), и вводят поправки для первой составляющей в разомкнутый контур автоматического регулирования, когда показатель превышает предварительно определенный порог (S).

3. Способ по п.2, в котором упомянутый порог (S) вычисляют в зависимости, от, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя.

4. Способ по п.2 или 3, в котором поправку (Кс) первой составляющей вводят в разомкнутый контур автоматического регулирования, при превышении несколькими вычисленными значениями показателя (I) упомянутого порога (S).

5. Способ по п.2, в котором показатель (I) вычисляют при помощи следующей формулы:

где RG - время регенерации, Qc2_ini и Qc2 - значения расхода второй составляющей, определяемые соответственно в контрольный момент и во время текущего определения, Q_igecini и Q_igec - значения расхода количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы, определяемые соответственно в контрольный момент и во время текущего определения.

6. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором разомкнутый контур автоматического регулирования основан на модели оценки температуры на уровне фильтра-улавливателя частиц в зависимости от расхода выхлопных газов, от температуры выхлопных газов на входе катализатора (4) окисления, установленного на входе фильтра-улавливателя (5) частиц, и в зависимости от количества топлива (Q_igec), предназначенного для впрыска в выхлопные газы.

7. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором проводят контроль нарушений в работе двигателя (9) и сохраняют введенную поправку во время обнаружения нарушения в работе.

8. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором замкнутый контур автоматического регулирования содержит пропорционально-интегральный регулятор (81).

9. Автотранспортное средство, оборудованное выхлопной системой (2), содержащей фильтр-улавливатель (5) частиц, а также устройство (3) впрыска топлива в выхлопную систему на входе фильтра-улавливателя частиц; устройство (6) измерения температуры (Т5) на уровне фильтра-улавливателя частиц; устройство (8) определения количества топлива, предназначенного для впрыска в выхлопные газы с целью регулирования температуры (Т5) на уровне фильтра-улавливателя частиц, содержащее разомкнутый контур автоматического регулирования, не учитывающий измеряемую температуру и определяющий первую составляющую (Qc1c) упомянутого количества топлива, и содержащее замкнутый контур автоматического регулирования, учитывающий измеряемую температуру и определяющий вторую составляющую (Qc2) упомянутого количества топлива, отличающееся тем, что устройство определения предназначенного для впрыска количества топлива выполнено с возможностью определения поправки (Кс) первой составляющей и введения этой поправки в разомкнутый контур автоматического регулирования в зависимости от амплитуды второй составляющей по отношению к определенному количеству впрыскиваемого топлива.