СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N11/00 F01N3/00 

Настоящее изобретение относится к способу диагностирования каталитического устройства, входящего в состав системы дополнительной обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Известно, что системы дополнительной обработки выхлопных газов, как правило, оборудованы одним или более каталитическими устройствами, которые предназначены для сокращения загрязняющих выбросов из двигателей внутреннего сгорания.

Например, система дополнительной обработки выхлопных газов дизельного двигателя может быть оснащена окислительным катализатором для дизельных двигателей (ОКДД) и/или накопительным нейтрализатором оксидов азота (ННОА) и/или катализатором селективного восстановления (КСВ).

Окислительный катализатор для дизельных двигателей представляет собой каталитическое устройство, которое содержит такие катализаторы, как палладий и платина, для реагирования с углеводородом (HC) и монооксидом углерода (СО), содержащимися в выхлопных газах, чтобы окислять их до диоксида углерода (СО₂) и воды (Н₂О).

Накопительный нейтрализатор оксидов азота представляет собой каталитическое устройство, содержащее такие катализаторы, как платина, палладий, родий, и абсорбент, такой как элементы на основе бария, которые создают активные центры, пригодные для связывания оксидов азота (NO_x), содержащихся в выхлопных газах, чтобы улавливать их внутри самого устройства.

Катализатор селективного восстановления представляет собой каталитическое устройство, в котором оксиды азота (NO_x), содержащиеся в выхлопных газах, восстанавливаются до двухатомного (молекулярного) азота (N₂) и воды (Н₂О), с помощью газообразного восстановителя, типично аммиака (NH₃), который может быть получен термическим гидролизом мочевины (CH₄N₂O) и который абсорбирован внутри катализатора. Как правило, мочевину впрыскивают в выхлопную трубу и смешивают с выхлопными газами выше по потоку относительно нейтрализатора КСВ.

Каждое каталитическое устройство в общем характеризуется конкретным параметром эффективности, например, таким как эффективность окислительных реакций внутри ОКДД, аккумулирующей способностью в отношении оксидов азота и коэффициентом нейтрализации отработавших газов внутри ННОА, и эффективностью аккумулирования аммиака и восстановительных реакций внутри КСВ.

Такой параметр эффективности часто используют в системе контроля двигателя для выполнения важных действий.

Например, эффективность окислительных реакций внутри ОКДД представляет собой важный параметр для системы контроля двигателя, чтобы управлять системой рециркуляции отработавших газов (EGR) и регулировать процесс регенерации сажевого фильтра (на основе экзотермических реакций).

Система рециркуляции отработавших газов в общем предназначена для направления определенной части выхлопных газов обратно во впускной коллектор двигателя. Такие выхлопные газы имеют способность восстанавливать выбросы оксидов азота (NO_x), но имеют также тот недостаток, что одновременно повышают выбросы неокисленных углеводородов (HC) и монооксида углерода (СО).

Поэтому эффективность окислительного катализатора для дизельных двигателей может быть использована в системе контроля двигателя для регулирования количества выхлопных газов, которое может быть направлено обратно в двигатель.

Аккумулирующая способность в отношении оксидов азота (NO_x) внутри накопительного нейтрализатора представляет собой важный параметр для системы контроля двигателя, чтобы управлять процессом регенерации самого ННОА.

Такой процесс регенерации в основном предусмотрен для высвобождения и восстановления захваченных оксидов азота (NO_x) из ННОА.

Поэтому аккумулирующая способность ННОА может быть использована в системе контроля двигателя для эффективного определения, когда требуется проведение процесса регенерации.

Эффективность восстановительных реакций и способность аккумулировать аммиак внутри катализатора селективного восстановления (КСВ) представляют собой важные параметры для системы контроля двигателя, чтобы управлять устройствами, которые предназначены для впрыскивания восстановителя внутрь выхлопной трубы выше по потоку относительно КСВ.

В частности, эффективность КСВ может быть использована в системе контроля двигателя для определения надлежащего количества восстановителя, необходимого для эффективного восстановления оксидов азота (NO_x) внутри КСВ.

На протяжении срока службы двигателя параметр эффективности каталитического устройства может ухудшаться с прогрессирующим снижением, которое обусловливается эффектами старения.

По этой причине многие системы контроля двигателя скомпонованы для оценки индекса старения каталитического устройства и для определения параметра эффективности каталитического устройства в зависимости от указанного индекса старения.

Традиционные методологии оценки индекса старения основываются по существу на временном критерии, который, например, проводит корреляцию между индексом старения и количеством километров, пройденных транспортным средством, на котором установлен двигатель.

Однако было установлено, что сильное вредное влияние на старение каталитического устройства оказывают также рабочие температуры, воздействию которых подвергается каталитическое устройство.

В частности, было обнаружено, что каталитическое устройство при высоких рабочих температурах стареет быстрее, чем при низких рабочих температурах, что тем самым проявляется в более быстром снижении его параметра эффективности.

Теоретически можно было бы определить максимальную рабочую температуру, выше которой параметр эффективности каталитического устройства немедленно снижается до нуля, и минимальную рабочую температуру, ниже которой параметр эффективности каталитического устройства не снижается вообще.

Рабочая температура каталитического устройства в основном зависит от условий эксплуатации транспортного средства.

В то время как традиционные методологии оценки индекса старения обычно берут за основу усредненные условия эксплуатации, каталитическое устройство может подвергаться воздействию более высоких рабочих температур во время городских циклов езды, чем во время езды в загородных циклах, например, когда действует регенерация сажевого фильтра.

Поэтому, если транспортное средство главным образом используют для езды в загородных циклах, каталитическое устройство подвергается воздействию менее агрессивных температур регенерации сажевого фильтра, так что согласно традиционным методологиям получается индекс старения, который является более высоким, чем реальный индекс старения. Если же, напротив, транспортное средство в основном эксплуатируют в городских циклах езды, каталитическое устройство подвергается более агрессивному воздействию температуры регенерации сажевого фильтра, так что традиционные методологии сообщают индекс старения, который является меньшим, чем индекс старения на самом деле.

Из вышеизложенного следует, что обычные методологии имеют недостаток, заключающийся в том, что они получают в результате индекс старения, который часто отличается от действительного коэффициента старения.

Такое отклонение включает погрешность определения параметра эффективности, которая может обусловливать неправильное проведение системой контроля двигателя регулирования каждого процесса, в котором задействован такой параметр эффективности.

Задачей настоящего изобретения является устранение или, по меньшей мере, существенное сокращение вышеупомянутого недостатка с помощью простого, рационального и недорогого решения.

Задача согласно изобретению решается за счет отличительных признаков, указанных в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают предпочтительные и/или особенно преимущественные признаки изобретения.

Согласно изобретению создан способ диагностирования каталитического устройства в системе дополнительной обработки выхлопных газов двигателя, причем способ включает, по меньшей мере, стадию оценки индекса старения каталитического устройства.

В соответствии с изобретением оценка индекса старения включает стадии:

определения рабочей температуры каталитического устройства,

определения фактора старения в зависимости от, по меньшей мере, определяемой рабочей температуры,

определения периода времени, проведенного каталитическим устройством при определяемой рабочей температуре,

расчета сопутствующего коэффициента старения в зависимости от фактора старения и периода времени, и

повышения суммарного параметра старения посредством добавления сопутствующего коэффициента старения.

В сущности, суммарный параметр старения представляет эквивалентный истекший срок службы каталитического устройства, который зависит как от рабочей температуры, так и от периода времени, в течение которого каталитическое устройство подвергалось воздействию рабочей температуры.

Таким образом, изобретение принимает во внимание реальную термическую нагрузку, которую испытывает каталитическое устройство, чтобы тем самым достигнуть более эффективной оценки индекса старения.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, оценка индекса старения предусматривает непосредственное принятие суммарного параметра старения в качестве индекса старения.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, оценка индекса старения предусматривает принятие максимального значения суммарного параметра старения и расчет индекса старения в зависимости от реального значения суммарного параметра старения и максимального значения.

Максимальное значение может быть определено опытным путем как значение суммарного параметра старения, при котором каталитическое устройство можно рассматривать как полностью неэффективное.

Индекс старения может быть рассчитан как отношение между реальным значением суммарного параметра старения и максимальным значением, чтобы тем самым получить четкий показатель уровня «изношенности» каталитического устройства.

Согласно одному аспекту изобретения, рабочая температура может быть либо определена прямым измерением с помощью подходящего(-их) датчика(-ков), либо оценена с использованием надлежащей стандартной программы для моделирования.

Согласно еще одному аспекту изобретения, сопутствующий коэффициент старения рассчитывают перемножением установленного фактора старения и выявленного периода времени.

Фактор старения может быть определен из установленного опытным путем массива данных или карты, которые проводят корреляцию между фактором старения и, по меньшей мере, рабочей температурой.

Согласно предпочтительному аспекту изобретения, определение указанного массива данных или карты включает стадии:

допущения множества неперекрывающихся диапазонов рабочих температур и

экспериментального определения фактора старения, приписываемого каждому диапазону рабочих температур.

Таким образом, каждый фактор старения является одинаковым для всех значений температуры в пределах соответствующего диапазона.

Предпочтительно, определение массива данных или карты дополнительно включает стадию нормализации факторов старения присвоением равного единице значения фактору старения, коррелирующего с диапазоном более высоких температур.

В этом контексте было найдено, что на фактор старения отчасти может оказывать негативное влияние также реальный срок службы самого каталитического устройства.

На этом основании вариант осуществления изобретения предусматривает определение фактора старения в зависимости от индекса старения, а также от рабочей температуры.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, способ диагностирования дополнительно включает стадию определения параметра эффективности каталитического устройства в зависимости от теоретического индекса старения.

Благодаря надежной оценке индекса старения этот подход обеспечивает эффективное определение также параметра эффективности, который может быть использован в системе контроля двигателя для выполнения лучшего управления системой дополнительной обработки выхлопных газов самого двигателя.

Например, этот подход может быть применен для окислительного катализатора в дизельных двигателях, чтобы определять эффективность окислительных реакций, которая может быть использована в системе контроля двигателя для лучшего управления системой рециркуляции отработавших газов и процессом регенерации сажевого фильтра (на основе экзотермических реакций).

Этот подход также может быть применимым для накопительного нейтрализатора оксидов азота, чтобы определять аккумулирующую способность в отношении оксидов азота, которая может быть использована в системе контроля двигателя для выполнения лучшего управления процессами регенерации в ННОА.

Этот подход может быть также использован для катализатора селективного восстановления, чтобы определять эффективность восстановительных реакций и способность аккумулировать аммиак, которые могут быть применены в системе контроля двигателя, чтобы лучше управлять впрыскиванием восстановителя.

Способ согласно изобретению может быть реализован в форме компьютерной программы, включающей управляющую программу для исполнения всех стадий способа согласно изобретению, и в форме компьютерного программного продукта, включающего средства для выполнения компьютерной программы.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, компьютерный программный продукт включает управляющее устройство на базе микропроцессора для двигателя внутреннего сгорания, например, электронный блок управления (ЭБУ) двигателя, в котором сохраняют программу, так что изобретение охватывает устройство управления таким же образом, как и способ. В этом случае, когда устройство управления выполняет компьютерную программу, проводятся все стадии способа согласно изобретению.

Способ согласно изобретению может быть также реализован в форме электромагнитного сигнала, причем указанный сигнал модулирован как носитель последовательности разрядов информации, которая представляет компьютерную программу для выполнения всех стадий способа согласно изобретению.

Настоящее изобретение теперь будет описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - блок-схема способа диагностирования согласно первому варианту осуществления изобретения;

Фиг. 2 - блок-схема способа диагностирования согласно второму варианту осуществления изобретения; и

Фиг. 3 - блок-схема способа диагностирования согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Изобретение представляет способ диагностирования каталитического устройства, входящего в систему дополнительной обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя.

Указанное каталитическое устройство может представлять собой, например, окислительный катализатор для дизельных двигателей, а также накопительный нейтрализатор оксидов азота или катализатор селективного восстановления.

Далее со ссылкой на фиг. 1 описан первый вариант осуществления изобретения.

Способ в общем предусматривает определение в режиме реального времени рабочей температуры Т, воздействию которой подвергается каталитическое устройство во время нормальной работы двигателя.

Рабочая температура Т может быть измерена с помощью подходящего(-их) датчика(-ков), или же может быть оценена с использованием надлежащей стандартной программы для моделирования.

Значение рабочей температуры Т затем используют для определения фактора F старения.

Такой фактор F старения представляет скорость старения каталитического устройства при конкретной рабочей температуре Т, или, аналогично, степень воздействия конкретной рабочей температуры Т на старение каталитического устройства.

Фактор F старения в основном является более высоким для высокой рабочей температуры, чем для низкой рабочей температуры.

Фактор F старения может быть определен из установленного опытным путем массива данных или карты А, которые проводят корреляцию фактора F старения с рабочей температурой Т каталитического устройства.

Согласно одному аспекту изобретения, определение массива данных или карты А проводят во время анализа испытуемого каталитического устройства.

Такой анализ в общем предусматривает допущение множества неперекрывающихся диапазонов рабочих температур, воздействию которых каталитическое устройство может фактически подвергаться в процессе его нормальной работы на реальной системе двигателя.

Например, могут быть идентифицированы следующие диапазоны рабочих температур:

I - рабочая температура вплоть до 500°С;

II - рабочая температура от 500°С до 550°С;

III - рабочая температура от 550°С до 600°С;

IV - рабочая температура от 600°С до 650°С;

V - рабочая температура от 650°С до 700°С.

Затем анализ предусматривает назначение фактора старения для каждого диапазона рабочих температур.

Факторы старения могут быть определены анализом скоростей, с которыми параметр эффективности испытуемого каталитического устройства снижается в различных температурных диапазонах, и назначением каждому температурному диапазону фактора старения, пропорционального соответствующей скорости снижения эффективности.

Предпочтительно, факторы старения нормализуют на основе более высокого температурного диапазона (“V” в предшествующем примере) путем присвоения равного единице значения фактору старения, относящемуся к более высокому температурному диапазону.

Этим путем факторы старения, соответствующие другим диапазонам, получают значения от нуля до единицы и могут быть по отдельности рассчитаны как соотношение между скоростью снижения эффективности в соответствующем температурном диапазоне и скоростью снижения эффективности в более высоком температурном диапазоне.

Во время определения рабочей температуры Т способ предусматривает определение периода t времени, в течение которого каталитическое устройство подвергалось воздействию определенной рабочей температуры.

Период t времени может быть выражен в любых единицах времени, например, таких как в секундах, минутах или часах.

Затем период t времени и фактор F старения используют для расчета сопутствующего коэффициента С старения.

Предпочтительно, сопутствующий коэффициент старения рассчитывают умножением периода времени на фактор старения:

C=F×t.

В сущности, сопутствующий коэффициент С старения представляет вклад в старение каталитического устройства, который обусловливается конкретной рабочей температурой Т в течение соответствующего периода t времени.

Далее, способ предусматривает добавление сопутствующего коэффициента С старения к суммарному параметру Р старения.

Суммарному параметру Р старения придают значение «ноль», когда каталитическое устройство является новым, или, в более общем смысле, когда эффективность каталитического устройства находится на максимальном уровне, и он прогрессивно увеличивается при добавлении коэффициентов С старения.

В сущности, суммарный параметр Р старения представляет эквивалентный истекший срок службы каталитического устройства.

Такой эквивалентный истекший срок службы «утяжеляют» на основе рабочих температур так, что время, проведенное каталитическим устройством при высокой температуре, увеличивает эквивалентный истекший срок службы больше, чем время, проведенное при низкой температуре.

Согласно настоящему варианту осуществления, суммарный параметр Р старения затем напрямую принимают как индекс I старения для данного каталитического устройства.

Наконец, индекс I старения используют для определения параметра Е эффективности каталитического устройства.

Параметр Е эффективности может представлять, например, эффективность окислительных реакций в случае ОКДД, аккумулирующую способность в отношении оксидов азота и коэффициент нейтрализации отработавших газов в случае ННОА, и эффективность восстановительных реакций и способность аккумулировать аммиак в случае КСВ.

Параметр Е эффективности может быть определен из установленного опытным путем массива данных или карты В, которые проводят корреляцию параметра Е эффективности с индексом I старения.

Далее установленный параметр Е эффективности каталитического устройства может быть привлечен к многим другим процессам управления системой двигателя.

Представленные выше стадии способа циклически повторяют во время работы двигателя.

Таким образом, способ согласно изобретению обеспечивает эффективный непрерывный мониторинг рабочей температуры Т, индекса I старения и параметра Е эффективности каталитического устройства.

Фиг. 2 иллюстрирует способ диагностирования согласно второму варианту осуществления изобретения.

Этот второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления только стадией определения индекса I старения каталитического устройства.

В сущности, способ согласно этому второму варианту осуществления предусматривает присвоение максимального значения C-max суммарному параметру Р старения каталитического устройства и расчет индекса I старения в зависимости от максимального значения C-max и реального значения суммарного параметра Р старения.

Максимальное значение C-max может быть определено опытным путем как значение суммарного параметра Р старения, при котором каталитическое устройство рассматривают как полностью неэффективное.

Индекс старения рассчитывают как соотношение между реальным значением суммарного параметра старения и его максимальным значением , тем самым предоставляя ясный и непосредственный показатель реального уровня «изношенности» каталитического устройства.

Индекс I старения затем используют для определения параметра Е эффективности каталитического устройства, как это разъяснено в описании первого варианта осуществления.

Стадии способа циклически повторяют во время работы двигателя, чтобы непрерывно отслеживать рабочую температуру, индекс старения и параметр эффективности.

Фиг. 3 иллюстрирует способ диагностирования согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Этот третий вариант осуществления принимает в расчет то, что скорость старения каталитического устройства при конкретной рабочей температуре, или же, подобным образом, степень воздействия конкретной рабочей температуры на старение каталитического устройства, может варьировать в зависимости от реального «возраста» самого каталитического устройства.

Поэтому третий вариант осуществления изобретения отличается от предшествующих вариантов осуществления только тем, что способ предусматривает определение фактора F старения не только в зависимости от рабочей температуры Т, воздействию которой подвергается каталитическое устройство, но также в зависимости от реального значения индекса I старения.

В этом случае индекс I старения рассчитывают, как разъяснено для второго варианта осуществления.

В сущности, индекс I старения может быть использован для правильного корректирования фактора F старения, которое обеспечивается экспериментально определенным массивом данных или картой А, описанными в первом варианте осуществления.

Альтернативно, фактор F старения может быть определен из другого определенного опытным путем массива данных или карты А, которые проводят прямую корреляцию между фактором старения и обеими рабочими температурами Т и индексом I старения.

Таким образом, способ согласно третьему варианту осуществления изобретения обеспечивает повышение точности оценки индекса I старения каталитического устройства.

Затем индекс I старения используют для определения параметра Е эффективности каталитического устройства, как разъяснено в описании первого варианта осуществления.

Стадии способа циклически повторяют во время работы двигателя, чтобы непрерывно отслеживать рабочую температуру, индекс старения и параметр эффективности.

Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на некоторые варианты осуществления и конкретные применения, следует понимать, что приведенное здесь описание следует рассматривать в качестве примера, а не в качестве ограничения. Специалисты в данной области техники понимают, что различные модификации отдельных вариантов осуществления находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, а имеет полный объем, определяемый прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение может быть использовано для мониторинга состояния катализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Способ оценки индекса (I) старения каталитического устройства (K) заключается в определении рабочей температуры (Т) катализатора. Определяют фактор (F) старения в зависимости от рабочей температуры (Т), определяют период (t) времени, проведенный каталитическим устройством при рабочей температуре (Т). Далее вычисляют сопутствующий коэффициент (С) старения в зависимости от фактора (F) старения и периода (t) времени и увеличивают суммарный параметр (Р) старения посредством добавления сопутствующего коэффициента (С) старения. Технический результат заключается в повышении точности определения эффективности работы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оценки индекса (I) старения каталитического устройства в системе дополнительной обработки выхлопных газов двигателя, отличающийся тем, что:
определяют рабочую температуру (Т) каталитического устройства,
определяют фактор (F) старения в зависимости от, по меньшей мере, определяемой рабочей температуры (Т),
определяют период (t) времени, проведенный каталитическим устройством при определяемой рабочей температуре (Т),
вычисляют сопутствующий коэффициент (С) старения в зависимости от фактора (F) старения и периода (t) времени, и
увеличивают суммарный параметр (Р) старения посредством добавления сопутствующего коэффициента (С) старения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценка индекса (I) старения предусматривает принятие суммарного параметра (Р) старения в качестве индекса старения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценка индекса (I) старения дополнительно включает:
присвоение максимального значения (С-max) суммарному параметру (Р) старения, и
расчет индекса (I) старения в зависимости от суммарного параметра (Р) старения и максимального значения (С-max).

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что индекс (I) старения рассчитывают как соотношение между суммарным параметром (Р) старения и максимальным значением (С-max).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочую температуру (Т) определяют измерением.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочую температуру (Т) определяют расчетом.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сопутствующий коэффициент (С) старения рассчитывают умножением определяемого фактора (F) старения на определяемый период (t) времени.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фактор (F) старения определяют из найденного опытным путем массива данных или карты (А), проводящих корреляцию фактора (F) старения, по меньшей мере, с рабочей температурой (Т).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что определение массива данных или карты (А) включает:
допущение множества неперекрывающихся диапазонов рабочих температур и
экспериментальное определение фактора старения, приписываемого каждому диапазону рабочих температур.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фактор старения определяют также в зависимости от индекса (I) старения.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметр (Е) эффективности каталитического устройства в зависимости от индекса (I) старения.

12. Управляющее устройство, отличающееся тем, что оно содержит компьютерную программу, включающую в себя компьютерный код для реализации способа по любому из предыдущих пунктов.