СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ДИЗЕЛЬНОГО САЖЕВОГО ФИЛЬТРА Российский патент 2015 года по МПК F01N3/23 F02D41/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к сажевым фильтрам и, в частности, к способу регенерации сажевых фильтров согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Изобретение также относится к системе и транспортному средству.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Растущая официальная озабоченность загрязнением окружающей среды и качеством воздуха, особенно в городских районах, привела к принятию норм выбросов и правил во многих юрисдикциях.

Такие нормы выбросов часто устанавливают требования, которые определяют допустимые пределы для выхлопных выбросов из транспортных средств, оборудованных двигателями внутреннего сгорания. Эти нормы часто регулируют, например уровни выбросов оксидов азота (NO_X), углеводородов (HC), оксида углерода (CO) и частиц из большинства типов транспортных средств.

Стремление удовлетворить таким нормам выбросов привело к проводимым в настоящее время исследованиям с целью уменьшения выбросов посредством последующей обработки (очистки) выхлопных газов, которые возникают в результате горения в двигателе внутреннего сгорания.

Одним из способов последующей обработки газов из двигателя внутреннего сгорания является так называемый каталитический процесс очистки, так что транспортные средства и многие другие, по меньшей мере, большие транспортные средства, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, обычно также снабжены по меньшей мере одним катализатором.

Системы последующей обработки также могут либо альтернативно, либо в комбинации с одним или более катализатором, содержать другие компоненты, например сажевые фильтры. Существуют также примеры, где сажевые фильтры и катализаторы интегрированы друг с другом.

Горение топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания приводит к образованию частиц сажи. Сажевые фильтры используются для захвата этих частиц сажи и работают таким образом, что поток выхлопных газов проводится через структуру фильтров, посредством чего частицы сажи захватываются из проходящего потока выхлопных газов и остаются в сажевом фильтре.

Сажевый фильтр постепенно наполняется сажей в ходе работы транспортного средства, и рано или поздно его необходимо очищать от нее, что обычно достигается с помощью так называемой регенерации.

Регенерация включает в себя преобразование частиц сажи, которые, в основном, состоят из частиц углерода, в диоксид углерода и/или оксид углерода в одном или более химических процессах, и может быть, в принципе, осуществлена двумя различными способами. Один из способов представляет собой регенерацию посредством так называемой основанной на кислороде (O₂) регенерации, также называемой активной регенерацией. В активной регенерации углерод преобразуется с помощью кислорода в диоксид углерода и воду.

Химическая реакция требует относительно высоких температур сажевого фильтра для того, чтобы вообще достичь желаемых скоростей реакции (скоростей опорожнения фильтра).

Вместо активной регенерации возможно применять основанную на NO₂ регенерацию, также называемую пассивной регенерацией. В пассивной регенерации оксид азота и оксид углерода образуются в результате реакции между углеродом и диоксидом азота. Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что желаемые скорости реакции и, следовательно, скорость, с которой опорожняется фильтр, могут быть достигнуты при значительно более низких температурах.

Вне зависимости от того, используется ли активная или пассивная регенерация, тем не менее, важно, чтобы она проводилась эффективным способом, так что регенерация сажевого фильтра могла бы быть выполнена в течение приемлемого времени.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить эффективный способ регенерации сажевых фильтров. Эта цель достигается способом согласно отличительной части п.1 формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к способу пассивной регенерации сажевого фильтра, относящегося к процессу горения и приспособленного для обработки выхлопных газов, возникающих при горении в двигателе внутреннего сгорания, при этом способ включает в себя в ходе упомянутой регенерации управление упомянутым двигателем согласно первому режиму и второму режиму, и в первом режиме двигатель управляется таким образом, что генерируется высокая температура выхлопных газов. Способ дополнительно содержит определение температуры для упомянутого сажевого фильтра и управление упомянутым двигателем согласно упомянутому первому режиму, когда упомянутая определенная температура ниже первого значения.

Настоящее изобретение дает то преимущество, что достигается высокая температура выхлопных газов, тем самым повышая температуру сажевого фильтра. Поскольку скорость регенерации зависит от температуры, это означает, что может быть достигнута высокая скорость регенерации.

Двигатель может управляться согласно упомянутому первому режиму до тех пор, пока температура сажевого фильтра не достигнет более высокой второй температуры, при которой управление упомянутым двигателем может переключиться в упомянутый второй режим, в котором двигатель может управляться таким образом, что генерируется существенно большее количество оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме. Поскольку скорость регенерации в пассивной регенерации зависит как от температуры, так и от доступа к оксидам азота (диоксиду азота), скорость регенерации, следовательно, может быть дополнительно повышена.

Упомянутая вторая температура может быть подходящей температурой, превышающей 250°C.

Когда сажевый фильтр достиг упомянутой второй температуры, и упомянутый двигатель переключился в упомянутый второй режим, двигатель может управляться согласно второму упомянутому режиму до тех пор, пока упомянутая определенная температура не упадет так низко, что появится необходимость в ее повторном повышении для предотвращения того, что скорость регенерации станет слишком низкой, например ниже 500°C. Вместо переключения назад в первый режим, когда температура упала до нижнего уровня, может быть осуществлено переключение в первый режим, когда прошло определенное время с тех пор, как произошло переключение во второй режим.

Упомянутая смена режима может повторяться до тех пор, пока упомянутый сажевый фильтр не регенерируется до желаемого уровня, или до тех пор, пока регенерация по какой-либо причине не должна будет прекращена.

В упомянутом первом режиме эффективность двигателя может быть уменьшена до нижнего уровня, так что большая часть энергии превращается в тепло. Это может быть, например, достигнуто посредством впрыскивания топлива после того, как поршень прошел верхнюю мертвую точку и, следовательно, двигается вниз. Время впрыска (угол впрыска) может, например, управляться таким образом, что топливо в принципе воспламеняется, но не вносит существенного вклада в генерирование энергии для приведения в движение транспортного средства. Двигатель также может управляться в сторону низкого λ значения, т.е. в сторону низкой подачи воздуха, чтобы уменьшить влияние охлаждения воздуха.

Дополнительные характеристики настоящего изобретения и его преимущества показаны приведенным ниже подробным описанием примеров вариантов осуществления и прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1a изображает трансмиссию транспортного средства, в котором настоящее изобретение может быть успешно использовано.

Фиг.1b изображает пример блока управления в системе управления транспортного средства.

Фиг.2 изображает пример системы последующей обработки транспортного средства, в котором настоящее изобретение может быть успешно использовано.

Фиг.3 изображает пример скорости регенерации (скорости выгорания сажи) как функции количества сажи в сажевом фильтре и ее температурную зависимость.

Фиг.4 изображает температурную зависимость окисления оксида азота в диоксид азота в окислительном катализаторе.

Фиг.5 представляет собой схематическое представление примера способа регенерации согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой схематическую иллюстрацию примера способа согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1a схематически изображает тяжелое транспортное средство 100, например грузовик, автобус или тому подобное, согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения. Транспортное средство 100, схематически изображенное на фиг.1a, содержит пару передних колес 111, 112 и пару задних колес 113, 114 с силовым приводом. Транспортное средство дополнительно содержит трансмиссию с двигателем 101 внутреннего сгорания, соединенным традиционным способом с помощью выходного вала 102 двигателя 101 с коробкой 103 передач, например, через сцепление 106.

Выходной вал 107 из коробки 103 передач приводит в движение колеса 113, 114 с силовым приводом через редуктор 108, например традиционный дифференциал, и приводные валы 104, 105, которые соединены с упомянутым редуктором 108.

Транспортное средство 100 дополнительно содержит систему 200 последующей обработки (очистки выхлопных газов) для обработки (очистки) выхлопных выбросов из двигателя 101.

Система последующей обработки изображена более подробно на фиг.2. Схема иллюстрирует двигатель 101 транспортного средства 100, в котором выхлопные газы, генерируемые горением, проводятся через турбоблок 220 (в турбодвигателях выхлопной поток, возникающий при горении, часто приводит в движение турбоблок, используемый для сжатия входящего воздуха для горения в цилиндрах). Функционирование турбоблоков очень хорошо известно и, следовательно, не описано более подробно в материалах настоящей заявки. Поток выхлопных газов затем проводится через трубу 204 (показанную стрелками) к сажевому фильтру (дизельному сажевому фильтру, DPF) 202 через окислительный катализатор (дизельный окислительный катализатор, DOC) 205.

Система последующей обработки дополнительно содержит SCR (селективное каталитическое восстановление) катализатор 201, расположенный ниже по потоку от сажевого фильтра 202. SCR катализаторы используют аммиак (NH₃) или смесь, из которой может быть сгенерирован/образован аммиак, как добавку для уменьшения количества оксидов NO_X азота.

Сажевый фильтр 202 может альтернативно быть расположен ниже по потоку от SCR катализатора 201, хотя это может быть менее выгодно в случаях, где настоящее изобретение относится к так называемой пассивной регенерации, которая зависима от оксидов азота, которые обычно уменьшаются с помощью SCR катализатора. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения система последующей обработки вообще не содержит SCR катализатора.

Окислительный катализатор DOC 205 имеет несколько функций и использует избыточный воздух, который обычно порождается процессом дизельного двигателя в потоке выхлопных газов, в качестве химического реагента в сочетании с благородным металлом, покрывающим окислительный катализатор. Окислительный катализатор обычно используется преимущественно для окисления оставшихся углеводородов и оксида углерода в потоке выхлопных газов в диоксид углерода и воду.

Однако окислительный катализатор может также окислять в диоксид (NO₂) азота большую часть оксидов (NO) азота, присутствующих в потоке выхлопных газов. Диоксид азота затем используется в пассивной регенерации согласно настоящему изобретению. Дополнительные реакции также могут происходить в окислительном катализаторе.

В изображенном варианте осуществления, DOC 205, DPF 202, а также SCR катализатор 201 интегрированы в объединенный блок 203 очистки выхлопных газов. Однако должно быть отмечено, что DOC 205 и DPF 202 не нуждаются в интеграции в объединенный блок очистки выхлопных газов, но вместо этого могут быть расположены каким-либо другим способом, найденным подходящим. Например, DOC 205 может быть расположен ближе к двигателю 101. SCR катализатор может подобным образом быть отдельным от DPF 202 и/или DOC 205.

Установка системы последующей обработки, изображенная на фиг.2, обычно встречается в тяжелых транспортных средствах, по меньшей мере в юрисдикциях, где применяются строгие требования к выбросам, но в качестве альтернативы окислительному катализатору сажевый фильтр может вместо этого быть снабжен покрытиями из благородного металла, так что химические процессы, которые происходили бы в окислительном катализаторе, происходят вместо этого в сажевом фильтре, и в этом случае система последующей обработки, следовательно, не имеет DOC.

Как было ранее упомянуто, горение в двигателе 101 приводит к образованию частиц сажи. Этим частицам сажи не нужно и во многих случаях не разрешено выбрасываться в окрестности транспортного средства. Дизельные частицы состоят из углеводородов, углерода (сажи) и неорганических веществ, таких как сера и зола. Как было отмечено выше, эти частицы сажи по этой причине захватываются сажевым фильтром 202, который работает таким образом, что поток выхлопных газов проводится через структуру фильтров, в которой частицы сажи захватываются из проходящего потока выхлопных газов, чтобы остаться в сажевом фильтре 202. Очень большая часть частиц может быть отделена от потока выхлопных газов с помощью фильтра 202.

Частицы, отделенные таким образом от потока выхлопных газов, следовательно, накапливаются в сажевом фильтре 202, приводя со временем к его наполнению сажей. В зависимости от таких факторов, как текущие условия движения, манера движения водителя и загрузка транспортного средства, будет генерироваться большее или меньшее количество частиц сажи, так что это наполнение будет происходить быстрее или медленнее, но когда фильтр достигнет определенного уровня наполнения, он нуждается в "опорожнении". Если фильтр наполнен до слишком высокого уровня, может быть затронута производительность транспортного средства, а также может существовать опасность пожара вследствие накопления сажи в сочетании с высокими температурами.

Как указано выше, опорожнение сажевого фильтра 202 осуществляется с помощью регенерации, посредством чего частицы сажи, частицы углерода преобразуются в ходе химического процесса в диоксид углерода и/или оксид углерода. Со временем фильтр 202 должен быть, следовательно, регенерирован через более или менее регулярные интервалы, и определение подходящих промежутков времени для его регенерации может быть, например, выполнено посредством блока 208 управления, который может, например, определять подходящий промежуток времени или промежутки времени по меньшей мере частично на основе сигналов из датчика 209 давления, который измеряет перепад давлений на фильтре. Чем более наполненным становится фильтр 202, тем больший перепад давлений на нем будет.

Определение сроков регенерации также может зависеть от текущих температур до и/или после окислительного катализатора 205 и/или до и/или после фильтра 202. Эти температуры могут быть определены, например, с помощью датчиков 210-212 температуры.

Обычно не предпринимается никаких действий по регенерации до тех пор, пока уровень наполнения фильтра остается ниже некоторого заданного уровня. Например, управление системы управления регенерацией фильтра может быть организовано таким образом, что не предпринимается никаких действий до тех пор, пока степень наполнения находится, например, ниже некоторого подходящего уровня в пределах 60-80%. Степень наполнения может быть оценена любым подходящим способом, например на основе разности давлений, как упомянуто выше, в этом случае определенная разность давлений будет представлять определенную степень наполнения.

Блок 208 управления также управляет процессом регенерации согласно настоящему изобретению, как описано более подробно ниже.

Как правило, системы управления в современных транспортных средствах обычно содержат систему коммуникационной шины, состоящую из одной или более коммуникационной шины для соединения вместе ряда электронных блоков управления (ECU) или контроллеров, и различных компонентов, расположенных на транспортном средстве. Такая система управления может включать в себя большое количество блоков управления, и ответственность за специфическую функцию может быть разделена между двумя или более из них.

Ради простоты, фиг.2 изображает только блок 208 управления, но транспортные средства изображенного типа часто имеют относительно большое количество блоков управления, например, для управления двигателем, коробкой передач и т.д., как хорошо известно специалистам в данной области техники.

Настоящее изобретение может быть реализовано в блоке 208 управления, но также может быть реализовано полностью или частично в одном или более другом блоке управления, которым снабжено транспортное средство.

Блоки управления изображенного типа обычно приспособлены к получению сигналов датчиков от различных частей транспортного средства, например, как изображено на фиг.2, от упомянутого датчика 209 давления и датчиков 210-212 температуры и также, например, от блока управления двигателем (не изображен). Сигналы управления, генерируемые блоками управления, как правило, зависят как от сигналов от других блоков управления, так и от сигналов от компонентов. Например, управление регенерацией, выполняемое блоком 208 управления, согласно настоящему изобретению может, например, зависеть от информации, полученной, например, от блока управления двигателем и датчиков температуры/давления, изображенных на фиг.2.

Блоки управления изображенного типа также обычно приспособлены к отправке сигналов управления к различным частям и компонентам транспортного средства, например, в настоящем примере - к блоку управления двигателем для того, чтобы требовать/запрашивать управление горением в двигателе, как описано ниже.

Управление часто регулируется запрограммированными инструкциями. Эти инструкции обычно принимают форму компьютерной программы, которая при исполнении в компьютере или блоке управления приводит к тому, что компьютер/блок управления осуществляет желаемые формы управляющего воздействия, например этапы способа согласно настоящему изобретению. Компьютерная программа обычно принимает форму компьютерного программного продукта 109, который хранится на цифровом носителе 121 (см. фиг.1b) данных, например ROM (память только для чтения), PROM (программируемая память только для чтения), EPROM (стираемая PROM), флеш-память, EEPROM (электрически стираемая PROM), накопителе на жестких дисках и т.д., в блоке управления или соединенном с блоком управления и который исполняется блоком управления. Поведение транспортного средства в специфической ситуации может, таким образом, регулироваться путем изменения инструкций компьютерной программы.

Пример блока управления (блок 208 управления) изображен схематически на фиг.1b, при этом блок 208 управления может, в свою очередь, содержать блок 120 вычислений, который может принимать форму по существу любого подходящего типа процессора или микрокомпьютера, например схемы для цифровой обработки сигналов (Цифровой Сигнальный Процессор, DSP) или схемы с заданной специфической функцией (Специализированная Интегральная Схема, ASIC). Блок 120 вычислений соединен с блоком 121 памяти, который обеспечивает его, например хранимым программным кодом 109 и/или хранимыми данными, в которых блок 120 вычислений нуждается для того, чтобы он мог выполнять вычисления. Блок 120 вычислений также выполнен с возможностью хранения частичных или конечных результатов вычислений в блоке 121 памяти.

Блок 208 управления дополнительно снабжен соответствующими устройствами 122, 123, 124, 125 для приема и отправки входных и выходных сигналов. Эти входные и выходные сигналы могут содержать колебания, импульсы или другие атрибуты, которые принимающие входной сигнал устройства 122, 125 могут распознать как информацию и которые могут быть сконвертированы в сигналы, которые может обработать блок 120 вычислений.

Эти сигналы впоследствии передаются в блок 120 вычислений. Отправляющие выходной сигнал устройства 123, 124 выполнены с возможностью конвертирования сигналов, полученных из блока 120 вычислений, чтобы, например, модулируя их, создавать выходные сигналы, которые могут быть переданы в другие части системы управления транспортного средства и/или компоненту/компонентам, для которых сигналы предназначены. Каждое из соединений к соответствующим устройствам для получения и отправки входных и выходных сигналов может принимать форму одного или более из числа кабеля, шины данных, например шины CAN (Локальная Сеть Контроллеров), шины MOST (Бортовая Оптоволоконная Автомобильная Шина) или какой-либо другой конфигурации шины или беспроводного соединения.

Как было отмечено выше, регенерация может быть в принципе осуществлена двумя различными способами. Один из способов представляет собой так называемую основанную на кислороде (O₂) регенерацию, также называемую активной регенерацией. В активной регенерации химический процесс происходит по существу следующим образом:

C+O₂=CO₂+тепло (уравнение 1)

Активная регенерация, таким образом, преобразует углерод плюс газообразный кислород в диоксид углерода плюс тепло. Однако эта химическая реакция является очень зависимой от температуры и требует относительно высоких температур фильтра, чтобы вообще достичь приемлемых скоростей реакции. Типично требуется самая низкая температура фильтра в 500°C, но все же более высокая температура является предпочтительной для того, чтобы регенерация происходила с желаемыми скоростями.

Однако максимальная температура, используемая в активной регенерации, часто ограничена предельно допустимыми параметрами связанных компонентов. Например, сажевый фильтр 202 и/или любой расположенный ниже по потоку SCR катализатор часто имеет проектные ограничения по отношению к максимальной температуре, которой они могут быть подвергнуты. Это означает, что активная регенерация может, вследствие затрагиваемых компонентов, влечь за собой неприемлемо низкую максимально допустимую температуру. В то же время, следовательно, требуется очень высокая низшая температура для того, чтобы вообще достичь допускающих возможность использования скоростей реакции. В активной регенерации сажевая загрузка в сажевом фильтре 202, как правило, сгорает практически полностью. После полной регенерации сажевого фильтра его уровень сажи будет практически равен 0%.

В настоящее время все более распространено, что транспортные средства оборудованы не только сажевыми фильтрами 202, но и SCR катализаторами 201, и в этом случае активная регенерация может вызвать проблемы в виде перегревания в процессе обработки расположенного ниже по потоку SCR катализатора.

По меньшей мере частично по этой причине настоящее изобретение применяет основанную на NO₂ (пассивную) регенерацию вместо активной регенерации, описанной выше. В пассивной регенерации оксиды азота и оксиды углерода образуются в реакции между углеродом и диоксидом азота следующим образом:

NO₂+C=NO+CO (уравнение 2)

Преимущество пассивной регенерации заключается в том, что желаемые скорости реакции и, следовательно, скорость, с которой опорожняется фильтр, достигаются при более низких температурах. Пассивная регенерация сажевых фильтров типично происходит при температурах в диапазоне 200-500°C, хотя температуры в верхней части этого диапазона, как правило, предпочтительны. Этот существенно более низкий, чем в активной регенерации, температурный диапазон является тем не менее большим преимуществом в случаях, где, например, есть SCR катализатор, поскольку он не приводит к риску достижения такого высокого температурного уровня, который мог бы вызвать риск повреждения SCR катализатора.

Фиг.3 изображает пример скорости регенерации (скорости выгорания сажи) как функции количества сажи в сажевом фильтре 202 в рабочих ситуациях при двух различных температурах (350°C и 450°C). Скорость регенерации также иллюстрируется для соответствующих низких и высоких концентраций диоксида азота. Как может быть видно на графике, скорость выгорания является низкой при низкой температуре (350°C) и низкой концентрации диоксида азота. Температурная зависимость скорости регенерации ясно показана скоростью выгорания, которая является относительно низкой даже при высоких концентрациях диоксида азота, поскольку температура фильтра низкая. Скорости выгорания существенно выше при 450°C даже в случае низкой концентрации диоксида азота, хотя высокое содержание диоксида азота является, несомненно, предпочтительным.

Однако пассивная регенерация зависит не только от температуры фильтра и количества сажи, как на фиг.3, но также, как показано уравнением 2 выше и фиг.3, от доступа к диоксиду азота. Однако доля диоксида (NO₂) азота в общем количестве оксидов (NO_X) азота, генерируемых горением в двигателе, как правило, составляет лишь около 0-10%. Когда двигатель находится под высокой нагрузкой, доля может быть такой низкой, как 2-4%. С целью достижения быстрой регенерации фильтра, таким образом, желательно, чтобы доля диоксида азота в потоке выхлопных газов, поступающих в фильтр, была как можно более высокой.

Таким образом, желательно увеличивать количество диоксида NO₂ азота в потоке выхлопных газов, возникающих при горении в двигателе. Существует несколько различных способов осуществления этого преобразования, и оно может быть достигнуто с помощью окислительного катализатора 205, в котором оксид азота может быть окислен до диоксида азота.

Однако окисление оксида азота до диоксида азота в окислительном катализаторе также является сильно зависящим от температуры процессом, как проиллюстрировано на фиг.4. Как видно из графика, при подходящих температурах возможно увеличить долю диоксида азота в общем количестве оксидов азота в потоке выхлопных газов почти до 60%. Как также показывает график, температура порядка 250-350°C, таким образом, была бы оптимальной в пассивной регенерации для достижения как можно большего окисления оксида азота до диоксида азота.

Однако, как описано в связи с уравнением 2 и фиг.3, совершенно другая температурная ситуация применяется к фактическому процессу выгорания. Эта температурная ситуация представлена пунктирной линией на фиг.4, и, как можно увидеть, скорость реакции может рассматриваться как по существу несуществующая при температурах сажевого фильтра ниже 200-250°. Следует, однако, отметить, что упомянутые указания температуры являются лишь примерами, и что фактические значения могут отличаться от них. Например, способ, с помощью которого температуры определяются/вычисляются, может оказать влияние на температурные пределы. Некоторые способы определения температуры фильтра проиллюстрированы ниже.

Если к диоксиду азота есть свободный доступ, то была бы предпочтительна как можно более высокая температура фильтра. Однако, как также можно увидеть на фиг.4, это приводит к низкому окислению оксида азота до диоксида азота, что означает, что регенерация будет ограничена недостатком диоксида азота. Другим аспектом, который дополнительно показывает трудность определения оптимальных температур регенерации, является тот факт, что связь между количеством оксида азота, генерируемого горением в двигателе, и результирующей температурой выхлопных газов такова, что высокое содержание оксида азота приводит к более низким температурам выхлопных газов и, следовательно, низким скоростям регенерации.

Следовательно, целью настоящего изобретения является достижение удовлетворительной скорости регенерации в пассивной регенерации. Это достигается в настоящем изобретении с помощью переключения способа, которым управляется двигатель, между двумя различными режимами. Как было упомянуто выше, основным требованием для горения сажи как можно более эффективным способом является высокая температура. По этой причине двигатель управляется согласно первому режиму, когда температура сажевого фильтра ниже первого значения. В первом режиме двигатель управляется таким образом, чтобы достичь высокой или даже максимальной температуры выхлопных газов.

Это выполняется путем уменьшения эффективности двигателя до нижнего уровня, так что большая часть энергии превращается в тепло. Низкая эффективность достигается посредством того, что топливо поздно впрыскивается в цикле горения, после того, как поршень прошел верхнюю мертвую точку и, следовательно, двигается вниз. Это означает, что поданное топливо вносит меньший вклад в генерирование крутящего момента коленчатого вала и вместо этого, по большому счету, просто сгорает и тем самым генерирует тепло. Время впрыска (угол впрыска) может управляться таким образом, что топливо в принципе воспламеняется, но не вносит особенно большого вклада в генерирование энергии для приведения в движение транспортного средства. Двигатель также управляется в сторону низких λ значений, т.е. в сторону низкой подачи воздуха, чтобы уменьшить охлаждающий эффект, который возникает, когда большие количества воздуха (высокие λ значения) используются в горении.

Таким образом, в первом режиме выхлопные газы могут достигать высокой температуры и, следовательно, нагревать систему последующей обработки по мере того, как они проходят через нее. Первый режим может поддерживаться до тех пор, пока температура T фильтра не достигнет второго предела, например порядка 375°C.

Пример способа согласно настоящему изобретению проиллюстрирован на фиг.5 и фиг.6. На фиг.6 способ начинается с этапа 601, который определяет, происходит ли регенерация. Если так, способ переходит на этап 602, на котором двигатель управляется согласно упомянутому первому режиму, и способ переходит на этап 603 и остается там до тех пор, пока температура T фильтра не достигнет предела T2. Это также проиллюстрировано на фиг.5, на которой двигатель управляется согласно упомянутому первому режиму вдоль линии 501 до тех пор, пока температура не достигнет T2 в точке A. Хотя работа двигателя с низкой эффективностью (высокая температура выхлопных газов) приводит к низкому содержанию оксида азота в выхлопных газах, скорость регенерации (частично зависящая от степени наполнения сажевого фильтра) в случае высокой температуры и низкого содержания диоксида азота будет, в общем, как проиллюстрировано на фиг.3, становиться лучше, чем в случае низкой температуры и высокого содержания оксида азота. Температурная зависимость скорости регенерации также проиллюстрирована на фиг.5 с помощью линий 501, 502, которые показывают соответствующие скорости регенерации при определенном содержании NO_X в выхлопных газах.

Температура выхлопных газов и, следовательно, увеличение температуры фильтра зависит не только от эффективности двигателя, но также от его текущей нагрузки, так что это тоже может быть максимизировано. Уравнение 3 описывает связь крутящего момента двигателя

M_vev=M_ind-M_gas-M_frikt-M_agg (уравнение 3)

в котором

M_ind представляет собой общий крутящий момент, генерируемый горением в двигателе.

M_vev представляет собой крутящий момент, генерируемый на коленчатом валу, т.е. результирующий приводящий в движение крутящий момент. Этот крутящий момент регулируется текущими дорожными условиями, и, следовательно, этот крутящий момент достигается, когда транспортное средство должно управляться желаемым образом.

M_gas представляет собой работу нагнетания, т.е. тормозной крутящий момент, которому подвергается двигатель вследствие сопротивления в потоке выхлопных газов. Этот тормозной крутящий момент может быть увеличен с помощью, например, тормоза-замедлителя в выпускной системе двигателя, посредством которого ограничение потока выхлопных газов будет приводить к тормозному крутящему моменту.

M_frikt представляет трения в двигателе, которые являются достаточно постоянными и на которые нельзя оказать влияние.

M_agg представляет собой тормозной крутящий момент, генерируемый вспомогательным оборудованием, которым обычно снабжено транспортное средство и которое приводится в движение двигателем и, следовательно, отбирает мощность от его движения вперед. Блоки охлаждения и т.д. являются примерами такого вспомогательного оборудования. Управление этим вспомогательным оборудованием таким образом, что оно вызывает высокую или максимальную нагрузку на двигатель, увеличивает крутящий момент, который должен быть сгенерирован горением для желаемого крутящего момента M_vev коленчатого вала и, следовательно, желаемой скорости транспортного средства, которая должна поддерживаться.

Таким образом, значение M_ind подвергается влиянию не только эффективности двигателя, но также увеличивающейся нагрузки, как описано выше. Увеличение M_gas и M_agg (которые работают против приводящего в движение крутящего момента, достигаемого на M_vev) таким образом может заставить двигатель работать тяжелее и, следовательно, генерировать более горячие выхлопные газы, тем самым быстрее повышая температуру сажевого фильтра до T2.

Когда сажевый фильтр достигает T2, настоящее изобретение переключает способ, которым управляется двигатель, во второй режим, этап 604 на фиг.6, посредством чего двигатель управляется таким образом, что количество NO_X, генерируемое при горении, увеличивается. Как было объяснено выше, скорость регенерации фильтра увеличивается с количеством доступных оксидов азота, поэтому переключение во второй режим увеличит скорость регенерации фильтра. Это также проиллюстрировано на фиг.5 с помощью пунктирной линии 502, которая представляет скорость регенерации при количестве оксида азота, генерируемого во втором режиме.

Таким образом, рабочая точка регенерации при смене режима сдвинется от сплошной линии к пунктирной линии. В изображенном примере рабочая точка регенерации изменяется с A на B на фиг.5. Как можно увидеть, это означает, что скорость регенерации поднимется до еще большего уровня (в точке B). Регенерация согласно упомянутому второму режиму может затем поддерживаться, этап 605 на фиг.6, до тех пор, пока температура фильтра не упадет до T1, например 300°C, при которой рабочая точка регенерации находится, таким образом, в точке C на графике, где происходит переключение назад в первый режим, назад к этапу 602 на фиг.6, и, следовательно, к сплошной кривой 501 в точке D, чтобы поднять температуру фильтра снова к точке A для другого переключения в упомянутый второй режим с последующим переходом к точке B. Температура T1, до которой фильтру разрешено остыть без возвращения в упомянутый первый режим, может быть любой подходящей температурой. Она может быть, например, выбрана такой, что переключение между упомянутыми режимами и последующее переключение управляющих параметров двигателя не будет происходить слишком часто. Например, температура T1 может быть выбрана такой, что смена режима не происходит чаще, чем каждую десятую секунду, каждую пятнадцатую секунду, каждую тридцатую секунду, раз в минуту или в какой-либо другой подходящий интервал.

Также могут быть приняты меры, чтобы температура T1 также зависела от текущей нагрузки на двигатель, т.е. T1 может иметь одно значение при высокой нагрузке на двигатель и другое при низкой нагрузке на двигатель. Также возможно иметь управление на основе моделирования как T2, так и T1, так что либо одна, либо обе из этих температур меняются постоянно на основе таких параметров, как текущие потребности в тяговой мощности и т.д.

Способ, изображенный на фиг.5, затем повторяется до тех пор, пока регенерация не считается завершенной, т.е. по перепаду давлений, упавшему до желаемого уровня, или по регенерации, которая по какой-либо другой причине должна быть прекращена. Это также показано на фиг.6, на которой этапы 603, 605 ожидания прекращаются, когда завершается регенерация, после чего способ завершается на этапе 606.

Обычно бывает, что чем больше эффективность горения, тем больше количество оксидов азота. Однако высокая эффективность влечет за собой более низкие температуры выхлопных газов (меньшие потери), что приводит со временем к уменьшению температуры сажевого фильтра. Высокая эффективность также означает, что большие объемы воздуха подаются в цилиндры и, следовательно, в поток выхлопных газов, приводя к более быстрому охлаждению сажевого фильтра относительно холодным воздухом. Следовательно, должен быть соблюден баланс при выборе рабочих точек для упомянутого второго режима, поскольку не факт, что максимальная эффективность с максимальными количествами генерируемых оксидов азота является оптимальным решением, поскольку оно приводит к быстрому охлаждению. Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, таким образом, использует рабочую точку, в которой генерируется существенно большее количество оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме, но в то же время поддерживается такой высокий уровень температуры выхлопных газов, насколько это возможно. Например, рабочая точка в упомянутом втором режиме может быть установлена для генерирования на 50-400% больше оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме.

Таким образом, в варианте осуществления может применяться управление двигателем, посредством которого в первом режиме топливо впрыскивается в более позднее время и/или под углом впрыска во время горения, чтобы достичь более высокой температуры выхлопных газов при эффективности, меньшей, чем при впрыскивании топлива во время работы во втором режиме, что, наоборот, привело бы к более высокой доле NO_X при более высокой эффективности.

Существуют различные способы определения температуры фильтра, применяемой в регулировании, описанном выше. В варианте осуществления, изображенном на фиг.2, первый датчик 210 температуры расположен выше по потоку от окислительного катализатора 205. Второй датчик 211 температуры расположен ниже по потоку от окислительного катализатора (выше по потоку от сажевого фильтра), а третий датчик 212 температуры расположен ниже по потоку от сажевого фильтра 202. Температура фильтра может, например, быть определена на основе средней температуры, измеренной датчиками 211, 212. В качестве альтернативы может использоваться температура только от датчика 211 или 212. Подобным образом может использоваться какой-либо другой датчик температуры, например датчик 210, который вычисляет температуру фильтра в сочетании с моделью системы последующей обработки, например, в сочетании с текущим потоком выхлопных газов.

Настоящее изобретение проиллюстрировано выше по отношению к транспортным средствам. Однако изобретение также применимо к любым транспортным средствам, в которых применима система очистки выхлопных газов, подобная описанной выше, например к летательному аппарату с процессами горения/процессами регенерации, как описано выше.

Изобретение относится к регенерации сажевого фильтра. Способ регенерации сажевого фильтра (202), относящегося к процессу горения, где фильтр выполнен с возможностью обработки выхлопных газов, возникающих при горении в двигателе (101) внутреннего сгорания, при этом способ содержит в ходе упомянутой регенерации управление упомянутым двигателем (101) согласно первому режиму и второму режиму, и в первом режиме двигатель (101) управляется таким образом, что генерируется высокая температура выхлопных газов. Способ дополнительно содержит определение температуры упомянутого сажевого фильтра (202) и управление упомянутым двигателем (101) согласно упомянутому первому режиму, когда упомянутая определенная температура ниже первого значения. Изобретение также относится к системе и транспортному средству (100). Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной регенерации сажевого фильтра. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ регенерации сажевого фильтра (202), относящегося к процессу горения, где фильтр выполнен с возможностью обработки выхлопных газов, возникающих при горении в двигателе (101) внутреннего сгорания, при этом способ заключается в том, что:
- во время упомянутой регенерации управляют упомянутым двигателем (101) согласно первому режиму и второму режиму, и в первом режиме двигатель (101) управляется таким образом, что генерируется высокая температура выхлопных газов, а в упомянутом втором режиме двигатель (101) управляется таким образом, что генерируется существенно большее количество оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме,
при этом способ дополнительно состоит в том, что:
- определяют температуру для упомянутого сажевого фильтра (202), и
- управляют упомянутым двигателем (101) согласно упомянутому первому режиму, когда упомянутая определенная температура ниже первого значения, посредством чего упомянутый двигатель (101) управляется согласно упомянутому первому режиму до тех пор, пока упомянутая определенная температура не достигнет второго значения, которое выше, чем упомянутое первое значение, после чего управление упомянутым двигателем (101) изменяется на упомянутый второй режим.

2. Способ по п.1, в соответствии с которым упомянутое второе значение представляет собой подходящую температуру, превышающую 250°С.

3. Способ по п.1, в соответствии с которым упомянутое первое значение представляет собой подходящую температуру ниже 500°С.

4. Способ по п.1, дополнительно состоящий в том, что когда упомянутая определенная температура достигла упомянутого второго значения, и управление упомянутым двигателем (101) сменилось на упомянутый второй режим, управляют упомянутым двигателем (101) согласно упомянутому второму режиму до тех пор, пока упомянутая определенная температура не упадет до упомянутого первого значения, после чего управление упомянутым двигателем (101) возвращается в упомянутый первый режим.

5. Способ по п.4, в соответствии с которым упомянутое первое и/или второе значения изменяются на основе текущей нагрузки на двигатель.

6. Способ по п.1, дополнительно состоящий в том, что когда упомянутая определенная температура достигла упомянутого второго значения, и управление упомянутым двигателем (101) сменилось на упомянутый второй режим, управляют упомянутым двигателем (101) согласно второму режиму в течение первого периода, после которого управление упомянутым двигателем (101) возвращается в упомянутый первый режим.

7. Способ по любому из пп.4-6, в соответствии с которым упомянутая смена режима повторяется до тех пор, пока упомянутый сажевый фильтр (202) не регенерируется до желаемого уровня, или регенерация по какой-либо другой причине не прекратится.

8. Способ по п.7, в соответствии с которым упомянутый сажевый фильтр (202) был регенерирован до желаемого уровня, когда перепад давлений на нем упал до желаемого уровня.

9. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым в упомянутом первом режиме двигатель (101) управляется таким образом, что достигается по существу максимальная температура выхлопных газов.

10. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым в упомянутом первом режиме эффективность двигателя (101) понижается до нижнего уровня, так что большая доля энергии превращается в тепло.

11. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым по меньшей мере в упомянутом первом режиме нагрузка на двигатель (101) внутреннего сгорания увеличивается за счет увеличения
- работы M_gas нагнетания, и/или
- тормозного крутящего момента M_agg, генерируемого вспомогательным оборудованием, которым снабжено транспортное средство.

12. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым в упомянутом втором режиме генерируется по меньшей мере на 50% более высокое содержание оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме.

13. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым упомянутая первая и вторая температуры определяются посредством одного или более датчиков (210-212) температуры, расположенных в или рядом с упомянутым сажевым фильтром (202).

14. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым упомянутая первая и вторая температуры определяются посредством датчика (210-212) температуры, расположенного в потоке выхлопных газов, в сочетании с моделью упомянутой обработки выхлопных газов.

15. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым в упомянутом первом режиме топливо впрыскивается по меньшей мере частично после того, как цилиндр в упомянутом двигателе прошел верхнюю мертвую точку.

16. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым в упомянутом первом режиме топливо впрыскивается в более позднее время и/или под углом впрыска во время упомянутого горения, чем в случае впрыскивания топлива согласно упомянутому первому режиму.

17. Способ по любому из пп.1-6, в соответствии с которым упомянутый способ регенерации представляет собой способ для основанной на NO₂ регенерации упомянутого сажевого фильтра (202).

18. Система для регенерации сажевого фильтра (202), относящегося к процессу горения, где фильтр предназначен для обработки выхлопных газов, возникающих при горении в двигателе (101) внутреннего сгорания, причем система приспособлена к управлению упомянутым двигателем (101) согласно по меньшей мере первому режиму и второму режиму, и в первом режиме двигатель (101) управляется таким образом, что генерируется высокая температура выхлопных газов, а в упомянутом втором режиме двигатель (101) управляется таким образом, что генерируется существенно большее количество оксидов азота, чем в упомянутом первом режиме, при этом система дополнительно содержит:
- средства для определения температуры для упомянутого сажевого фильтра (202) и
- средства для управления упомянутым двигателем (101) согласно упомянутому первому режиму, когда упомянутая определенная температура ниже первого значения, посредством чего упомянутый двигатель (101) управляется согласно упомянутому первому режиму до тех пор, пока упомянутая определенная температура не достигнет второго значения, которое выше, чем упомянутое первое значение, после чего управление упомянутым двигателем (101) изменяется на упомянутый второй режим.

19. Система по п.18, в которой окислительный катализатор расположен выше по потоку от упомянутого сажевого фильтра (202).

20. Транспортное средство (100), отличающееся тем, что оно включает в себя систему по п.18 или 19.