СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ Российский патент 2015 года по МПК F01N3/23 F01N9/00 

Настоящее изобретение относится к фильтрам для твердых частиц и, в частности, к способу регенерации фильтров для твердых частиц согласно преамбуле п.1. Изобретение относится также к системе и к транспортному средству.

Растущая озабоченность властей в отношении загрязнения окружающей среды и качества воздуха, в особенности на городских территориях, привела к принятию стандартов на выбросы и правил для многих подведомственных территорий.

Такие стандарты на выбросы часто задают требования, которые очерчивают приемлемые границы отработанных выбросов из транспортных средств, оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Эти стандарты часто регулируют, например, уровень выбросов оксидов азота (NO₂), углеводородов (НС), оксида углерода (СО) и твердых частиц из большинства видов транспортных средств.

Стремление соответствовать этим стандартам на выбросы ведет к продолжающимся исследованиям с целью уменьшения выбросов посредством последующей обработки (очистки) выхлопных газов, возникающих в процессе сжигания в двигателе внутреннего сгорания.

Одним из способов последующей обработки выхлопных газов, отходящих из двигателя внутреннего сгорания, является так называемый каталитический процесс очистки, так что транспортные средства и многие другие по меньшей мере крупные транспортные средства, приводимые в движение двигателем внутреннего сгорания, снабжаются также по меньшей мере одним катализатором.

Системы последующей обработки могут также, или альтернативно, или в сочетании с одним или больше катализаторами, содержать другие компоненты, например фильтры для твердых частиц. Существуют также варианты, при которых фильтры для твердых частиц и катализаторы встроены один в другой.

Сгорание горючего в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания ведет к образованию частиц сажи. Фильтры для твердых частиц используются для улавливания этих частиц сажи и действуют таким образом, что отходящий поток проходит через структуру фильтра, так что частицы сажи улавливаются из проходящего отходящего потока и накапливаются в фильтре для твердых частиц.

Фильтр для твердых частиц последовательно заполняется сажей в процессе работы транспортного средства и рано или поздно должен быть освобожден от нее, что обычно достигается с помощью так называемой регенерации.

Регенерация включает в себя преобразование частиц сажи, которые состоят главным образом из частиц угля, в двуокись углерода и/или оксид углерода в ходе одного или больше химических процессов, причем эта регенерация может в принципе осуществляться двумя различными путями. Одним из путей регенерации является так называемая регенерация на основе кислорода (О₂), которая называется также активной регенерацией. При активной регенерации углерод превращается с помощью кислорода в двуокись углерода и воду.

Эта химическая реакция требует относительно высоких температур в фильтре для твердых частиц для достижения нужных скоростей реакции (скоростей опорожнения фильтра).

Вместо активной регенерации можно применить регенерацию на основе NO₂, которую называют также пассивной регенерацией. При пассивной регенерации оксиды углерода и оксиды углерода образуются в ходе реакции между углеродом и двуокисью азота. Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что нужные скорости осуществления реакции и, следовательно, скорость опорожнения фильтра могут быть достигнуты при значительно более низких температурах.

Когда фильтр для твердых частиц заполнен сажей, система управления транспортным средством обычно определяет, например, с помощью подходящих алгоритмов, подходящее время регенерации фильтра посредством пассивной регенерации. В то время, когда масса сажи в фильтре снижается до нужного уровня, регенерация считается завершенной. Поскольку регенерация зависит от температуры, при управлении двигателем принимаются меры, направленные на повышение температуры выхлопов и достижение таким образом более быстрой регенерации. Такие меры по повышению температуры выхлопов влекут за собой, однако, повышение затрат в форме потребления горючего. Если температура выхлопов не может быть поднята до уровня, при котором может быть осуществлена пассивная регенерация так быстро, как требуется, транспортное средство может действовать при мерах повышения температуры, применяемых в течение длительного времени, что может вести к значительному повышению затрат, связанных с повышением потребления горючего.

Поэтому существует потребность в улучшенном решении проблемы регенерации фильтров для твердых частиц, позволяющем возникновения таких ситуаций.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа регенерации эффективным путем фильтров для твердых частиц. Эта задача достигается с помощью способа согласно характеризующей части пункта 1.

Настоящее изобретение относится к способу, относящемуся к способу регенерации фильтра для твердых частиц, относящемуся к процессу горения, каковой фильтр приспособлен для обработки выхлопных газов, возникающих при сгорании в двигателе внутреннего сгорания. Способ, применяемый в то время, когда применяется по меньшей мере одна мера по повышению температуры в указанном фильтре для твердых частиц, содержит определение температуры указанного фильтра для твердых частиц по сравнению с указанной температурой, определяемой при первой температуре, и прекращение действия указанной меры по повышению температуры указанного фильтра для твердых частиц в то время, когда указанная определяемая температура ниже указанной первой температуры.

Одна или больше мер, направленных на повышение температуры, применяемых во время регенерации фильтров для твердых частиц, обычно ведет к значительному повышению потребления горючего транспортным средством. Согласно настоящему изобретению, меры, направленные на повышение температуры, прекращаются в то время, когда температура фильтра, несмотря на применяемые меры, остается слишком низкой для достижения требующейся скорости регенерации. Согласно настоящему изобретению, горючее можно сэкономить в ситуациях, при которых никакая регенерация не имеет места или при которых регенерация происходит с такой низкой скоростью, что повышение расхода горючего оказывается неоправданным.

Процесс регенерации может, например, относится к регенерации фильтров для твердых частиц в транспортных средствах. Транспортные средства могут использоваться таким образом, что температура выхлопов во время пассивной регенерации не может быть поднята до уровня, при котором она осуществляется так быстро, как требуется. Это означает, что транспортное средство может использоваться с мерами по повышению температуры в течение очень длительного времени и часто практически без какой-либо пассивной регенерации. Это оказывается очень дорогостоящим в отношении потребления горючего, и настоящее изобретение позволяет предотвратить такие ситуации.

Другие особенности настоящего изобретения и его преимущества подробно раскрыты в описании, приведенном ниже на примерах вариантов реализации и на прилагаемых чертежах, где:

на фиг.1а изображена силовая цепь транспортного средства, при которой с удобством может быть использовано настоящее изобретение;

на фиг.1b изображен пример блока управления в системе управления транспортного средства;

на фиг.2 изображен пример системы последующей обработки транспортного средства, при которой с удобством может быть использовано настоящее изобретение;

на фиг.3 изображен пример скорости регенерации (скорости выгорания сажи) как функция количества сажи в фильтре для твердых частиц и ее зависимость от температуры;

на фиг.4 изображена зависимость от температуры окисления оксида азота до двуокиси азота в катализаторе окисления;

на фиг.5 показана схематическая диаграмма примера варианта реализации согласно настоящему изобретению.

На фиг.1а схематически изображено тяжелое транспортное средство 100, например грузовик, автобус и тому подобное, согласно примеру варианта реализации настоящего изобретения. Транспортное средство 100, схематически изображенное на фиг.1а, содержит пару передних колес 111, 112 и пару приводных задних колес 113, 114. Транспортное средство содержит также силовую цепь с двигателем внутреннего сгорания 101, соединенным обычным образом, посредством выходного вала 102 двигателя 101, с коробкой передач 103, например, через сцепление 106.

Выходной вал 107 из коробки передач 103 осуществляет привод приводных колес 113, 114 через зубчатое колесо последней ступени 108, например обычный дифференциал и приводные валы 104, 106, которые соединяются с указанным зубчатым колесом последней ступени 108.

Транспортное средство 100 содержит также систему последующей обработки (очистки выхлопных газов) 200, предназначенную для обработки (очистки) выхлопных газов из двигателя 101.

Система последующей обработки изображена более подробно на фиг.2. Схема иллюстрирует двигатель 101 транспортного средства 100, в котором выхлопные газы, образованные при сгорании, отводятся через турбосиловую установку 220 (в двигателях с турбонаддувом поток выхлопных газов, возникающий при сгорании, часто приводит в действие турбосиловую установку, применяемую для сжатия поступающего воздуха для сгорания в цилиндрах). Назначение турбосиловых установок хорошо известно и поэтому не описывается здесь более подробно. Поток выхлопов проводится затем через трубу 204 (обозначенную стрелками) к фильтру для твердых частиц (дизельному фильтру для твердых частиц, DPF) 202 через катализатор окисления (дизельный катализатор окисления DOC) 205. Система последующей обработки содержит также катализатор SCR 202 (избирательного каталитического восстановления), расположенный после фильтра для твердых частиц 202. В катализаторе SCR используется аммиак (NH₃) или соединение, из которого может быть образован или сформирован аммиак, в качестве добавки для уменьшения количества оксидов азота NO_X. Фильтр для твердых частиц 202 может быть с другой стороны расположен после катализатора SCR 201, хотя это может быть менее предпочтительным в случаях, когда настоящее изобретение относится к так называемой пассивной регенерации, которая зависит от оксидов азота, которые обычно восстанавливаются катализатором SCR. Согласно варианту реализации настоящего изобретения, система последующей обработки вообще не содержит катализатора SCR. Катализатор окисления DOC 205 имеет несколько функций и использует дополнительный воздух, при котором в процессе, происходящем в дизельном двигателе, происходит усиление потока выхлопных газов как химического реагента в сочетании с покрытием из благородного металла в катализаторе окисления. Катализатор обычно используется в первую очередь для окисления остающихся углеводородов и оксида углерода в потоке выхлопных газов до двуокиси углерода и воды.

Катализатор окисления может, однако, окислять также двуокись азота (NO₂), большую долю оксидов азота (NO), присутствующих в потоке выхлопных газов. Эта двуокись азота используется затем при пассивной регенерации согласно настоящему изобретению. В катализаторе окисления могут также иметь место другие реакции.

В изображенном варианте реализации DOC 205, DPF 202, а также катализатор SCR 201 объединяются в блоке очистки выхлопов 203. Однако следует отметить, что нет необходимости интегрирования DOC 205 и DPF 202 в комбинированный блок очистки выхлопов, но вместо этого они могут быть размещены каким-либо другим образом, который будет сочтен подходящим. Например, DOC 205 может быть расположен ближе к двигателю 101. Катализатор SCR может быть аналогичным образом отделен от DPF 202 и/или DOC 205.

Структура системы последующей обработки, изображенная на фиг.2, обычно имеет место в тяжелых транспортных средствах, по меньшей мере на территориях, на которых применяются жесткие требования к выбросам, но в качестве альтернативы катализатору окисления фильтр для твердых частиц может быть снабжен вместо этого покрытием из благородного металла, так что химические процессы, которые должны происходить в катализаторе окисления, происходят вместо этого в фильтре для твердых частиц, и поэтому система последующей обработки не содержит DOC.

Как упоминалось ранее, сгорание в двигателе внутреннего сгорания 101 ведет к образованию частиц сажи. Эти частицы сажи не должны и во многих случаях не допускаются к выбросу в среду, окружающую транспортное средство. Частицы, образующиеся в дизеле, состоят из углеводородов, углерода (сажи) и неорганических веществ, таких как сера и зола. Как упоминалось выше, эти частицы сажи улавливаются при этом фильтром для твердых частиц 202, который действует таким образом, что поток выхлопов пропускается через структуру фильтра, в которой частицы сажи улавливаются из проходящего потока выхлопов для того, чтобы накапливаться в фильтре 202. Фильтром может быть отделена очень большая доля частиц из потока выхлопов.

Частицы, отделенные таким образом из потока выхлопов, накапливаются таким образом в фильтре 202, вызывая со временем его заполнение сажей. В зависимости от таких факторов, как существующие условия вождения, способ вождения водителем и груз транспортного средства, может образоваться большее или меньшее количество частиц сажи, так что это заполнение может произойти более или менее быстро, но после достижения фильтром определенного уровня заполнения он нуждается в «опорожнении». Если фильтр заполнен слишком сильно, это может оказать отрицательное влияние на показатели работы транспортного средства и создать опасность возгорания из-за накопления сажи в сочетании с высокими температурами.

Как и выше, опорожнение фильтра для твердых частиц 202 осуществляется путем регенерации, при которой частицы сажи, частицы углерода превращаются в ходе химического процесса в двуокись углерода и/или в окись углерода. Со временем фильтр 202 может быть таким образом регенерирован через более или менее правильные интервалы, и определение подходящего времени для этой регенерации может, например, производиться с помощью блока управления 208, который может, например, определять подходящее время или времена по меньшей мере частично на основании сигналов от датчика давления 209, который определяет перепад давления в фильтре. Чем более заполненным становится фильтр 202, тем выше может быть перепад давления в нем.

Никакого действия по регенерации обычно не может быть предпринято, если степень заполнения фильтра остается ниже определенного уровня. Например, система управления регенерацией фильтра может быть приспособлена так, что никакого действия не может быть предпринято, пока степень заполнения фильтра остается, например, ниже определенного подходящего уровня в пределах 60-80%. Степень заполнения можно определить любым подходящим путем, например, на основании перепада давления, как указано выше, когда определенное значение перепада давления будет представлять определенную степень заполнения.

Блок управления 208 также контролирует процесс регенерации согласно настоящему изобретению, как более подробно описано ниже.

В целом системы управления современными транспортными средствами обычно содержат систему коммуникационных шин, состоящую из одной или больше коммуникационных шин, соединяющих вместе ряд электронных управляющих устройств (ECU), или контроллеров, и различные компоненты, помещенные на транспортном средстве. Такая система управления может содержать большое количество управляющих устройств, а ответственность за выполнение определенной функции может быть разделена двумя или более из них.

Ради простоты на фиг.2 изображено только управляющее устройство 208, однако устройства изображенного типа часто имеют относительно большое количество управляющих устройств, предназначенных, например, для управления двигателем, коробкой передач и т.д., как хорошо известно специалистам в данной области техники.

Настоящее изобретение может быть реализовано в управляющем устройстве 208, но может также полностью или частично реализовано в одном или более из других управляющих устройств, которыми снабжено транспортное средство. Изображенные управляющие устройства этого типа обычно приспособлены для приема сигналов датчиков из различных частей транспортного средства, например, как показано на фиг.2, от датчика давления 209 и датчиков температуры 210-212 и также, например, от управляющего устройства двигателя (не показано). Управляющие сигналы, вырабатываемые управляющими устройствами, обычно зависят как от сигналов от других управляющих устройств, так и от сигналов от компонентов. Например, контроль, осуществляемый управляющим устройством 208 в ходе регенерации согласно настоящему изобретению, может, например, зависеть от информации, полученной, например, от управляющего устройства двигателя и датчиков температуры/давления, изображенных на фиг.2.

Управляющие устройства изображенного типа также обычно приспосабливаются к отправке сигналов управления в различные части и компоненты транспортного средства, например в настоящем примере в управляющее устройство двигателя для контроля процесса горения в двигателе, как показано ниже.

Управление часто осуществляется посредством запрограммированных команд. Эти команды обычно принимают форму компьютерной программы, которая при выполнении в компьютере или управляющем устройстве заставляет компьютер или устройство управления осуществлять нужные формы управляющего действия, например операции согласно настоящему изобретению. Компьютерная программа обычно принимает форму компьютерного программного продукта 109, который хранится в носителе цифровых данных 121 (см. фиг.1b), например ROM (постоянном запоминающем устройстве), PROM (программируемом постоянном запоминающем устройстве), EPROM (стираемом постоянном запоминающем устройстве), EEPROM (электрически стираемом постоянном запоминающем устройстве), на жестком диске и т.д., в управляющем устройстве или соединенном с ним, и которая выполняется управляющим устройством. Поведение транспортного средства в определенной ситуации может, таким образом, регулироваться путем изменения команд компьютерной программы.

Пример управляющего устройства (управляющее устройство 208) схематически изображен на фиг.1b, причем это управляющее устройство 208 может само содержать расчетное устройство 120, которое может принимать форму по существу любого подходящего типа процессора или микрокомпьютера, то есть схемы цифровой обработки сигналов (процессор цифровой обработки сигналов DSP) или схемы с определенной конкретной функцией (интегральной схемы прикладной ориентации, ASIC). Расчетное устройство 120 соединяется с запоминающим устройством 121, которое снабжает его, например, хранящимся в памяти программным кодом 109 и/или записанной информацией, которая требуется расчетному устройству 120 для выполнения расчетов. Расчетное устройство 120 приспособлено также для хранения промежуточных и конечных результатов расчетов в запоминающем устройстве 121.

Управляющее устройство 208 снабжено также соответствующими устройствами 122, 123, 124, 15, предназначенными для приема и выдачи входных и выходных сигналов. Эти входные и выходные сигналы могут содержать формы сигнала, импульсы или другие признаки, которые устройства приема входных сигналов 122, 125 могут обнаружить в качестве информации и которые могут быть преобразованы в сигналы, которые может обработать расчетное устройство 120.

Эти сигналы передаются затем в расчетное устройство 120. Отправляющие выходной сигнал устройства 123, 124 приспособлены для преобразования сигналов, полученных от расчетного устройства 120, например, путем их модулирования, для создания выходных сигналов, которые могут быть переданы к другим частям системы управления транспортным средством и/или компоненту/компонентам, для которых предназначены сигналы. Каждое из соединений с соответствующими устройствами, предназначенными для приема и отправления входных и выходных сигналов, может принимать форму одного или более из числа кабелей, шин данных, например шины CAN (шины обмена сообщениями), шины MOST (media orientated systems transport) или некоторых других ориентаций шины, или беспроводного соединения.

Как и выше, регенерация может в принципе осуществляться двумя различными путями. Одним из них является так называемая регенерация на основе кислорода (О₂), которую называют также активной регенерацией. При активной регенерации химический процесс по существу принимает следующую форму:

С+О₂=СО₂+тепло(1)

Таким образом, активная регенерация ведет к преобразованию углерода и газообразного кислорода в двуокись углерода и тепло. Однако эта химическая реакция сильно зависит от температуры и требует относительно высоких температур фильтра для достижения приемлемых скоростей реакции. Самая низкая температура фильтра требуется равной 500°, но предпочтительной для достижения нужных скоростей является еще более высокая температура.

Однако максимальная температура, которая может применяться при активной регенерации, часто ограничивается допусками, принятыми для задействованных компонентов. Например, фильтр для твердых частиц 202 и расположенный за ним катализатор SCR часто имеют проектные ограничения температуры в отношении максимальной температуры, воздействию которой могут быть подвержены компоненты.

Это означает, что активная регенерация может, благодаря подверженным воздействию компонентам, стать объектом неприемлемо низкой максимальной допустимой температуры. В то же время поэтому требуется очень высокая самая низкая температура для достижения применимой любой применимой скорости реакции вообще. При активной регенерации масса сажи в фильтре 202 обычно выгорает практически полностью. После полной регенерации фильтра уровень содержания сажи в нем по существу равен 0%.

В настоящее время все более обычной практикой является оборудование транспортных средств не только фильтрами для твердых частиц 202, но и катализаторами SCR 201, в которых в случае активной регенерации возможно возникновение проблем в форме перегрева расположенного далее катализатора SCR в процессе обработки.

По меньшей мере отчасти по этой причине настоящее изобретение применяет вместо активной регенерации, описанной выше, регенерацию на основании NO₂ (пассивную). При пассивной регенерации оксид азота и оксид углерода образуются в ходе реакции между углеродом и двуокисью азота в следующей форме:

NO₂+C=NO+CO(2)

Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что нужные скорости реакции и, следовательно, скорость опорожнения фильтра достигаются при более низких температурах. Пассивная регенерация фильтров для твердых частиц обычно имеет место при температурах в диапазоне 200-500°С, хотя температуры в верхней части этого диапазона обычно являются предпочтительными. Этот по существу более низкий диапазон температур по сравнению с активной регенерацией обладает, тем не менее, большим преимуществом в случаях наличия, например, катализаторов SCR, поскольку они не влекут за собой опасности достижения такого высокого уровня температур, который вызывает опасность повреждения катализатора SCR. Тем не менее, остается важным достижение относительно более высокой температуры, указанной выше, и настоящее изобретение относится к способу, позволяющему избежать регенерацию в ситуациях, при которых эффективная регенерация не кажется возможной.

На фиг.3 изображен пример скорости регенерации (скорости выгорания сажи) в зависимости от количества сажи в фильтре для твердых частиц 202 в условиях работы при двух различных температурах (350° и 450°). Скорость регенерации показана также для соответственно низкой и высокой концентрации двуокиси азота. Как можно видеть на диаграмме, скорость выгорания является низкой при низкой температуре (350°) и низкой концентрации двуокиси азота. Зависимость скорости регенерации от температуры ясно обозначена скоростью выгорания, являющейся относительно низкой даже при высокой концентрации двуокиси азота до тех пор, пока температура фильтра остается низкой. Скорости выгорания являются значительно более высокими при температуре 450° даже в случае низкой концентрации двуокиси азота, хотя высокое содержание двуокиси азота, очевидно, является предпочтительным.

Однако пассивная регенерация зависит не только от температуры фильтра для твердых частиц и количества сажи, как показано на фиг.3, но и, как показано приведенной выше формулой 2 и на фиг.3, от доступа к двуокиси азота. Однако доля содержания двуокиси азота (NO₂) от общего количества оксидов азота (NO_X), образующихся при сгорании в двигателе, обычно составляет только около 0-10%. Когда двигатель работает под высокой нагрузкой, доля NO₂ может составлять всего 2-4%. Для достижения быстрой регенерации фильтра желательно, чтобы доля двуокиси азота в потоке выхлопов, поступающем в фильтр 202, была как можно более высокой.

Поэтому желательно увеличить количество двуокиси азота NO₂ в потоке выхлопов, возникающих при сгорании в двигателе. Существует несколько путей осуществления этого превращения, и этого можно достичь с помощью катализатора окисления 205, в котором оксид азота окисляется до двуокиси азота.

Однако окисление оксида азота до двуокиси азота в катализаторе окисления является также сильно зависящим от температуры процессом, как показано на фиг.4. Как показано на схеме, существует возможность при благоприятной температуре довести долю двуокиси азота от общего количества азота почти до 60%. Как показывает также диаграмма, температура порядка 250-350° должна поэтому быть оптимальной для пассивной регенерации при достижении как можно большего окисления оксида азота до двуокиси азота.

Однако, как описано относительно формулы 2 и фиг.3, совершенно иная температурная ситуация применяется к фактическому процессу выгорания. Эта температурная ситуация представлена пунктиром на фиг.4 и, как можно видеть, скорость реакции может рассматриваться как фактически не существующая в фильтре для твердых частиц при температурах ниже 200-250°. Следует, однако, отметить, что вышеуказанные температурные показатели являются просто примерами и что фактические значения могут отличаться от них. Например, способ, которым определяются или вычисляются температуры, может влиять на предельные значения температуры. Некоторые пути определения температуры фильтра приведены ниже.

При наличии свободного доступа к двуокиси азота предпочтительной должна быть как можно более высокая температура фильтра. Как можно также видеть на фиг.4, однако, это ведет к недостаточному окислению оксида азота до двуокиси азота. Это означает, что регенерация не сможет извлечь полных преимуществ из высокой температуры фильтра, поскольку ход реакции будет ограничиваться нехваткой двуокиси азота. Согласно пунктиру на фиг.4, дело заключается в том, что фильтр для твердых частиц должен достичь по меньшей мере самой низкой температуры, позволяющей осуществлять регенерацию в течение допустимого времени. По этой причине так же, как выше, применяются меры по повышению температуры.

Меры по повышению температуры могут быть достигнуты путем управления двигателем так, чтобы получить высокую температуру выхлопов, что достигается путем понижения эффективности двигателя до низкого уровня, так что большая часть энергии принимает форму тепла. Низкая эффективность достигается путем впрыскивания топлива в поздней части цикла сгорания, после прохождения поршнем верхней мертвой точки и поэтому его движения вниз. Это означает, что поданное топливо меньше способствует созданию крутящего момента коленчатого вала и вместо этого в большей степени просто сгорает и таким образом вырабатывает тепло. Путем контроля времени впрыскивания (угла опережения) впрыскивание можно контролировать так, что топливо в принципе поджигается, но не вносит значительного вклада в генерирование мощности для продвижения транспортного средства. Двигателем также управляют, нацелившись на низкие значения λ, т.е. на низкую подачу воздуха с целью уменьшить охлаждающий эффект, возникающий при использовании во время сгорания больших количеств воздуха (при высоких значениях λ).

Температура выхлопов и, следовательно, повышение температуры фильтра зависит не только от эффективности двигателя, но также от его текущей нагрузки, так что она также может быть максимизирована. Этого можно достичь, например, путем повышения насосной работы, например тормозного момента, которому двигатель подвергается за счет сопротивления в потоке выхлопов. Этот тормозной момент может быть повышен с помощью, например, тормоза-замедлителя в выпускной системе двигателя, так что сужение потока выхлопов приведет к возникновению тормозного момента.

Кроме того, транспортные средства обычно снабжаются вспомогательными приспособлениями, привод которых осуществляется двигателем и которые таким образом получают энергию от продвижения транспортного средства. Примерами таких вспомогательных приспособлений могут служить охлаждающие устройства и т.п. и управление ими таким образом, что они развивают большие или максимальные нагрузки на двигатель, делая их необходимыми для повышения крутящего момента, создаваемого во время сгорания в двигателе, для того чтобы иметь возможность поддерживать нужный крутящий момент коленчатого вала и, соответственно, нужную скорость транспортного средства.

Таким образом, существуют способы повышения температуры выхлопных газов, возникающих при сгорании в двигателе, что потенциально повышает температуру в фильтре для твердых частиц до нужных уровней.

Существуют, однако, ситуации, при которых полученная температура выхлопов, несмотря на перечисленные меры по ее повышению, остается настолько низкой, что нужная скорость выгорания не достигается, и регенерация поэтому становится неприемлемо медленной. Это означает, что транспортное средство может двигаться в течение длительных периодов с действующими мерами по повышению температуры, что в принципе ведет к очень высокому расходу горючего практически без каких-либо полезных последствий.

Как показано, настоящее изобретение относится к способу, направленному на избежание регенерации в ситуациях, при которых она становится неприемлемо медленной, и на фиг.5 изображен пример применения способа 500.

Способ начинается с операции 501, при которой определяется, не является ли степень заполнения фильтра для твердых частиц превышающей первый уровень. Определение степени заполнения фильтра может, например, выполняться так, как описано выше, например, путем определения, не превышает ли перепад давления на фильтре первый уровень. Когда измеренный перепад давления показывает, что степень заполнения превышает указанный первый уровень, при котором необходимо принять указанные меры по регенерации фильтра, приводится в действие настоящее изобретение. До тех пор пока это не произойдет, способ остается на операции 501.

Когда степень заполнения фильтра для твердых частиц превышает указанный первый уровень, способ переходит на операцию 502, и в это время счетчик сбрасывается на ноль. При операции 502 приводятся в действие одна или больше подходящих мер для повышения температуры фильтра, так что может иметь место регенерация. Настоящее изобретение относится к пассивной регенерации фильтра, которая может осуществляться несколькими различными способами. Настоящее изобретение применимо в принципе ко всем путям осуществления пассивной регенерации. Изобретение не ограничивается поэтому каким-либо определенным способом осуществления пассивной регенерации. Изобретение не относится к активной регенерации.

Затем способ переходит на операцию 503, причем в то же время включается таймер t₁, и способ остается на операции 503 до тех пор, пока таймер t₁ не достигнет времени t_{t_lim1}, после чего способ переходит к операции 504, при которой определяется температура фильтра для твердых частиц T_filter. Способ переходит к операции 505.

В ходе операции 505 определяют, не является ли температура фильтра для твердых частиц T_filter ниже первого предельного значения T_limit1. Это предельное значение задается при температуре, которая настолько низка, что согласно настоящему изобретению не считается целесообразным продолжать меры по повышению температуры в то время, когда температура фильтра, несмотря на выполняемые меры по повышению температуры, не может достичь достаточно высокого уровня для достижения нужной скорости регенерации. Температура фильтра может определяться каким-либо подходящим образом, например любым из описанных ниже. T_limit1 может быть, например, подходящей температурой ниже 250°С или какой-либо другой подходящей температурой.

Если текущая температура фильтра превышает T_limit1, способ остается на операции 505 до завершения регенерации, т.е. до тех пор, пока степень заполнения фильтра не будет ниже второго уровня, который ниже указанного первого уровня и при котором регенерация считается завершенной. Этот уровень может, например, принимать форму полностью пустого фильтра, но может также быть уровнем, при котором остается определенное содержание сажи. Когда регенерация завершается, способ оканчивается на операции 508.

Степень заполнения и температура фильтра могут определяться через одинаковые или подходящие интервалы, например через интервалы в 1 секунду, 5 секунд, 10 секунд, 30 секунд, 1 минуту или какой-либо другой подходящий период времени, например от 1 секунды до 600 секунд, после чего другую температуру фильтра и/или степень заполнения определяют так, как показано выше.

Если в ходе операции 505 обнаруживают, что текущая температура фильтра T_filter ниже T_limit1, способ переходит к операции 506, при которой операцию по повышению температуры прекращают.

Затем способ переходит к операции 507, когда одновременно включается таймер t₂. Операция 507 является операцией ожидания, при которой, с отключенными действиями по повышению температуры, способ сохраняется до достижения таймером t₂ времени t_{t_lim2} или до выполнения любых из условий, описанных ниже.

Когда способ достигает операции 507, он в первую очередь определяет, не достиг ли счетчик значения n. В этом случае способ немедленно переходит к операции 508, как указано ниже, даже в случае, если таймер t₂ не достигнет t_{t_lim2}.

Наряду с прибавлением таймера t₂ операция 507 одновременно осуществляет мониторинг температуры фильтра для твердых частиц и/или скорости транспортного средства. В настоящем примере отслеживаются и температура фильтра, и скорость транспортного средства. Скорость транспортного средства сравнивают с пределом скорости h_limit1 для того, чтобы определить, равна ли она или превышает этот предел. Этот предел задан как скорость, при которой фильтр может по меньшей мере на основании указанных выше мер по повышению температуры достичь нужной температуры несмотря на то, что его текущая температура низка.

Если обнаружено, что скорость превышает h_limit1, что может быть связано, например, с тем, что транспортное средство разогналось с низкой скорости до более высокой скорости, способ возвращается к операции 502, поскольку таймер t₂ не достиг времени t_{t_lim2}, чтобы возобновить одну или более из мер по повышению температуры. В то же время таймер t₂ останавливается, и счетчик осуществляет приращение на единицу.

Аналогичным образом способ возвращается к операции 502, если в ходе операции 507 будет обнаружено, что температура фильтра T_filter превышает второе предельное значение T_limit2. Это происходит также в случае, если таймер t₂ не достигнет t_{t_lim2}. T_limit2 может быть задана на любом подходящем уровне, например, как температура, превышающая T_limit1. T_limit2 является температурой, при которой дальнейшая попытка может считаться оправданной, если счетчик не достиг значения n. T_limit2 может, например, быть подходящей температурой, превышающей 250°С. Аналогичным образом таймер t₂ останавливается, и счетчик осуществляет приращение на единицу.

Значение T_limit2 может также зависеть от температуры фильтра, определенной ранее в ходе операции 504, и может быть, например, на х градусов выше температуры, определенной в ходе операции 504, причем х задано как любая подходящая величина.

Если таймер достигает t_{t_lim2} или счетчик достигает значения n, которое может быть любым подходящим значением (n может, например, зависеть от длительности времени t_{t_lim1}, указанного выше, так что длинное t_{t_lim1} может привести к более низкому значению n и наоборот), процесс переходит к операции 508, на которой оканчивается попытка регенерации. Попытка регенерации поэтому оканчивается тогда, когда считается, что она продолжалась достаточно долго (или при достижении таймером t₂ значения t_{t_lim2}, или при достижении счетчиком значения n, означающего выполнение попытки регенерации, например, потому, что температура фильтра колеблется в широких пределах), но нет возможности завершить эту регенерацию.

Прекращение согласно настоящему изобретению мер по повышению температуры в то время, когда температура фильтра, несмотря на продолжающиеся меры по ее повышению, остается все еще слишком низкой, делает возможной экономию горючего в ситуациях, когда регенерация не имеет места или регенерация имеет место при такой низкой скорости, при которой повышенное потребление горючего неоправдано.

Способ, проиллюстрированный на фиг.5, может также определять эффективность регенерации в ходе операции 507. Если эффективность регенерации слишком низка, что можно, например, определить на основании того, является ли температура фильтра T_filter ниже T_limit1 и/или T_limit2 в течение слишком длительного времени, но также на основании других параметров, например производной от перепада давления в фильтре, или моделей окисления сажи на основании температуры, NO_X и прохождения сажи через фильтр и т.д., регенерация прекращается, как показано выше, когда она не достигает нужной скорости. Таким образом, температурный предел T_limit1 может, с дополнительными параметрами или без них, быть использован для определения нужной скорости регенерации. В зависимости от преобладающих условий могут оказаться приемлемыми различные скорости регенерации, и нужная скорость регенерации может быть приспособлена для варьирования в разных случаях.

В этом варианте реализации способ, проиллюстрированный на фиг.5, запрещен для повторного применения в течение времени, когда он достиг операции 508, с целью избежать ненужного начала других попыток регенерации. Этот запрет может быть отменен перед тем, как станет вполне допустимой другая попытка, если, например, температура фильтра превысит определенное значение, например T_limit1 или T_limit2, указанные выше.

Способ согласно изобретению содержит также возможность того, что идущая регенерация, которая продолжается в течение времени, когда условия регенерации являются предпочтительными, может быть прекращена не потому, что она завершена, но потому, что условия изменяются во время регенерации настолько, что температура фильтра T_filter снижается с предпочтительного уровня до менее предпочтительного, при котором продолжение регенерации считается бесполезным.

Способ согласно изобретению включает также в себя возможность того, поскольку меры по повышению температуры во время регенерации фильтра в принципе всегда сопровождаются потерями, в особенности в форме повышения расхода горючего, что расход горючего может вернуться к нормальному значению до новой попытки регенерации. Это направлено на то, чтобы предотвратить ненужное активирование мер по повышению температуры, которые должны быть, тем не менее, прекращены.

Пока температура фильтра T_filter остается выше T_limit1, регенерация будет продолжаться обычным путем до тех пор, пока ее не сочтут завершенной, например, потому, что перепад давления снизится до нужного уровня. Однако когда температура фильтра снижается ниже T_limit1, регенерация прекращается, как показано выше, чтобы избежать ненужного ведения транспортного средства при использовании мер по повышению температуры, которые все еще не дают нужной температуры фильтра.

Существуют различные пути определения температуры фильтра для твердых частиц, применяемые при регулировании, описанном выше. В варианте реализации, изображенном на фиг.2, первый датчик температуры 210 располагается перед катализатором окисления 205. Второй датчик температуры 211 располагается после катализатора окисления (перед фильтром для твердых частиц), и третий датчик температуры 212 располагается после фильтра для твердых частиц 202. Температура фильтра может, например, определяться на основании средней температуры, измеренной датчиками 211, 212. С другой стороны, может использоваться только температура, показанная датчиком 211 или 212. Аналогичным образом может использоваться другой подходящий датчик температуры, например датчик 210, который вычисляет температуру фильтра в сочетании с моделью системы последующей обработки, например в сочетании с имеющим место потоком выхлопов. Изобретение применимо также, однако, к любому транспортному средству, в котором может применяться система очистки выхлопов, подобная описанной выше, например к водным или воздушным судам с процессами сгорания/регенерации, подобным указанным выше. Если настоящее изобретение применяется в видах транспортных средств иных, чем наземные транспортные средства, от некоторых операций способа можно отказаться, например от определения скорости транспортного средства.

Изобретение относится к регенерации фильтра для твердых частиц. Способ (500) относится к регенерации фильтра для твердых частиц (202). Фильтр приспособлен для обработки выхлопных газов, образующихся при горении в двигателе внутреннего сгорания (101). Способ при включении по меньшей мере одной меры по повышению температуры указанного фильтра для твердых частиц (202) включает в себя этапы, на которых определяют температуру T_filter указанного фильтра для твердых частиц (202), сопоставляют указанную определенную температуру T_filter с первой температурой T_limit1, и прекращают в то время, когда указанная определенная температура T_filter оказывается ниже указанной первой температуры T_limit1, действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202). В способе после прекращения действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) осуществляют также активирование по меньшей мере одной меры по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) в то время, когда его температура T_filter превышает второй температурный предел T_limit2, который выше указанной первой температуры T_limit1. Также раскрыта система регенерации фильтра и транспортное средство, содержащее данную систему. Техническим результатом изобретения является экономия топлива транспортного средства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ (500), относящийся к регенерации фильтра для твердых частиц (202), относящейся к процессу сгорания, при этом фильтр приспособлен для обработки выхлопных газов, образующихся при горении в двигателе внутреннего сгорания (101), при этом способ при включении по меньшей мере одной меры по повышению температуры указанного фильтра для твердых частиц (202) включает в себя этапы, на которых:
- а) определяют температуру T_filter указанного фильтра для твердых частиц (202),
- b) сопоставляют указанную определенную температуру T_filter с первой температурой T_limit1, и
- с) прекращают в то время, когда указанная определенная температура T_filter оказывается ниже указанной первой температуры T_limit1, действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202),
причем в способе после прекращения действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) осуществляют также
- активирование по меньшей мере одной меры по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) в то время, когда его температура T_filter превышает второй температурный предел T_limit2, который выше указанной первой температуры T_limit1.

2. Способ по п.1, в котором до определения указанной температуры T_filter фильтра твердых частиц (202) осуществляют также ожидание первого периода времени T_{t_lim1} после применения указанной по меньшей мере одной меры по повышению температуры.

3. Способ по п.1 или 2, в котором при прекращении действия указанной меры по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) также осуществляется активирование по меньшей мере одной меры, направленной на повышение температуры фильтра для твердых частиц (202), когда скорость транспортного средства (100) превышает первый предел скорости h_limit1.

4. Способ по п.1, в котором прерывают регенерацию после прохождения первого времени, поскольку указанная мера по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) прекращается без активирования после этого по меньшей мере одной меры по повышению указанной температуры.

5. Способ по п.1, в котором также прекращают регенерацию в то время, когда указанная мера для повышения температуры указанного фильтра для твердых частиц (202) прерывается и повторно активируется первое число времен.

6. Способ по п.1, в котором также определяют эффективность регенерации и прекращают ее, если указанная определенная эффективность окажется ниже первого значения.

7. Способ по любому из пп.4-6, в котором при прерывании регенерации предотвращают ее возобновление во время второго периода времени.

8. Способ по п.1 или 2, который используют в то время, когда степень заполнения фильтра для твердых частиц превысит первый уровень.

9. Способ по п.1 или 2, в котором способ регенерации является способом регенерации фильтра для твердых частиц на основе NO₂.

10. Способ по п.1 или 2, в котором первая температура T_limit1 является подходящей температурой ниже 250°С.

11. Способ по п.1 или 2, в котором вторая температура T_limit2 является подходящей температурой ниже 250°С.

12. Способ по п.1 или 2, в котором первую и вторую температуры соответственно определяют одним или более датчиками температуры (210-212), расположенными в фильтре для твердых частиц (202) или рядом с ним.

13. Способ по п.1 или 2, в котором первую и вторую температуры соответственно определяют с помощью датчика температуры (210-212), расположенного в потоке выхлопов, в сочетании с моделью обработки указанных выхлопов.

14. Система регенерации фильтра для твердых частиц (202), относящегося к процессу сгорания, причем фильтр приспособлен для обработки выхлопных газов, образующихся при сгорании в двигателе внутреннего сгорания (101), при этом система при активировании по меньшей мере одной меры по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) содержит средства для
- а) определения температуры T_filter фильтра для твердых частиц (202),
- b) сопоставления указанной определенной температуры T_filter с первой температурой T_limit1, и
- с) прекращения в то время, когда указанная определенная температура T_filter оказывается ниже указанной первой температуры T_limit1, действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202),
причем система после прекращения действия указанных мер по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) содержит также
- активирование по меньшей мере одной меры по повышению температуры фильтра для твердых частиц (202) в то время, когда его температура T_filter превышает второй температурный предел T_limit2, который выше первой температуры T_limit1.

15. Транспортное средство (100), отличающееся тем, что содержит систему по п.14.