СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И СИСТЕМОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F01N9/00 B01D53/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который имеет по меньшей мере один цилиндр и один выхлопной трубопровод для вывода выхлопных газов из по меньшей мере одного цилиндра, причем в выхлопном трубопроводе предусмотрена по меньшей мере одна система обработки выхлопных газов.

Кроме того, изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием для осуществления указанного способа.

Уровень техники

Согласно уровню техники двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием или двигатели с циклом Отто оснащают различными системами нейтрализации выхлопных газов для того, чтобы уменьшить выброс загрязняющих веществ. Даже без применения дополнительных средств окисление несгоревших углеводородов (НС) и монооксида углерода (СО) обычно происходит в процессе расширения смеси и удаления газов из камеры цилиндра при достаточно высокой температуре и в присутствии достаточно большого количества кислорода. Однако протекание этих реакций быстро прекращается из-за того, что температура выхлопных газов стремительно снижается по направлению потока, что приводит к быстрому снижению скорости реакции.

По этой причине в уровне техники описано применение каталитических реакторов, которые обеспечивают окисление НС и СО даже при низкой температуре за счет использования каталитических материалов, увеличивающих скорость определенных реакций. Если дополнительно необходимо снизить концентрацию оксидов азота, этого можно достичь за счет использования трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, однако для этой цели необходимо стехиометрическое функционирование (коэффициент избытка воздуха λ≈1) двигателя с циклом Отто в узких пределах. В данном случае концентрация оксидов азота NOx снижается за счет присутствующих неокисленных компонентов выхлопного газа, особенно монооксидов углерода и несгоревших углеводородов, причем указанные компоненты выхлопных газов окисляются одновременно.

В случае двигателей внутреннего сгорания, которые работают при сильном избытке воздуха, например двигатели Отто, работающие в режиме обедненной горючей смеси, а также двигатели Отто с прямым впрыском, оксиды азота в выхлопных газах в принципе не могут быть восстановлены, в частности, из-за недостатка восстанавливающих агентов. Для эффективной обработки выхлопных газов приемы, описанные выше, потребовали бы использование систем нейтрализации выхлопных газов, которые применяют в дизельных двигателях, по сути, работающих при сильном избытке воздуха. Для окисления несгоревших углеводородов (НС) и монооксида углерода (СО) в выхлопной системе необходимо использовать окислительный каталитический нейтрализатор. Для восстановления оксидов азота можно применять избирательные каталитические нейтрализаторы, в которых восстановительный агент целенаправленно введен в отработавший газ для того, чтобы селективно восстановить оксиды азота. Также выбросы оксидов азота можно уменьшить, используя накапливающий оксиды азота каталитический нейтрализатор, в котором оксиды азота сначала абсорбируются, т.е. собираются и удерживаются, во время работы двигателя внутреннего сгорания в режиме обедненной горючей смеси, для того чтобы потом быть восстановленными, когда возникает дефицит кислорода во время фазы регенерации.

Проблема выброса сажи изначально относилась к дизельным двигателям. Однако внимание к таким выбросам сажи даже от двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием со временем возрастает.

Для того чтобы соответствовать будущим ограничением на выброс загрязняющих веществ, в особенности сажи, необходимыми стали дополнительные меры, требующие оборудования сажевым фильтром двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Согласно уровню техники в дизельных двигателях уже используют так называемые регенерируемые сажевые фильтры, чтобы свести к минимуму выброс частиц сажи. В этом случае частицы сажи отфильтровываются из отработавшего газа, накапливаются и периодически сгорают во время регенерации фильтра. Для окисления сажи в фильтре требуется кислород или избыток воздуха в выхлопных газах. Этого можно достичь, например, сверхстехиометрическим функционированием (λ>1) двигателя внутреннего сгорания.

Дизельные двигатели и двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием значительно отличаются по принципу работы. В отличие от дизельных двигателей, которые, в основном, работают с большим избытком воздуха (λ>>1), двигатели Отто, как правило, оборудованы трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, который, как говорилось ранее, требует стехиометрической работы в узких пределах. В случае с двигателем Отто использование сажевого фильтра требует выполнение принципа, в котором обеспечивается необходимое для регенерации фильтра количество кислорода, в то время как в случае с дизельным двигателем избыток воздуха присутствует в любом случае в выхлопных газах согласно принципу его работы.

В двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием даже при обычном режиме работы довольно часто достигаются высокие температуры, необходимые для регенерации сажевого фильтра, например Трег≈550ºС, в отсутствие каталитического обеспечения. Это обусловлено высокими температурами выхлопных газов по сравнению с дизельным двигателем.

Тем не менее, фильтр также должен иметь возможность целенаправленной регенерации, если его загруженность того требует. Это необходимо потому, что в зависимости от манеры вождения конкретного водителя, то есть режима, в котором работает двигатель внутреннего сгорания, больше невозможно быть уверенным, что необходимые для регенерации фильтра условия будут достигаться достаточно часто во время работы двигателя, то есть без вмешательства. Например, в случае транспортных средств, использующихся только для перемещения на короткие дистанции и требующих большого количества холодных запусков двигателя, фильтр может быть критически загружен, поскольку условия для его регенерации не возникают во время работы двигателя. Следовательно, необходимо прибегнуть к дополнительным мерам, чтобы обеспечить регенерацию фильтра.

На основе всего вышеизложенного целью настоящего изобретения является разработка способа, с помощью которого двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, оборудованный сажевым фильтром, сможет работать, обеспечивая условия достаточно частой регенерации сажевого фильтра.

Также дополнительной целью изобретения является обеспечение двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, осуществляющего этот метод.

Раскрытие изобретения

Первая цель достигается с помощью способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, который имеет по меньшей мере один цилиндр и по меньшей мере один выхлопной трубопровод для вывода выхлопных газов из по меньшей мере одного цилиндра, причем в по меньшей мере одном выхлопном трубопроводе предусмотрен сажевый фильтр для сбора и сжигания частиц сажи в выхлопных газах. Для того чтобы инициировать процесс регенерации сажевого фильтра, в данном способе увеличивают температуру фильтра Т_{фильтра} до такого значения, что Т_{фильтра}≥Т_рег, где Т_рег - предварительно заданная минимальная температура регенерации; и эксплуатируют двигатель внутреннего сгорания в режиме сверхстехиометрии (λ>1).

Согласно настоящему изобретению температуру фильтра Т_{фильтра} целенаправленно увеличивают для того, чтобы очистить фильтр, тем самым обеспечивая достижение условий для регенерации фильтра. В дополнение к этому кислород, необходимый для окисления собранных в фильтре частиц, обеспечивается двигателем внутреннего сгорания, работающим в режиме сверхстехиометрии (λ>1), то есть двигатель переводят в этот режим, если он работал до этого в режимах стехиометрии (λ=1) или субстехиометрии (при λ<1).

Если двигатель внутреннего сгорания согласно предпочтительному варианту реализации изобретения имеет трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, размещенный в по меньшей мере одном выхлопном трубопроводе, предпочтительным является режим слабого обеднения, для того чтобы даже во время регенерации фильтра обеспечить необходимое количество воздуха для преобразования вредных веществ в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

По причинам, отмеченным выше, эффективными являются те варианты реализации способа, в которых двигатель внутреннего сгорания работает при коэффициенте λ≤1,15 для возможности реализации регенерации сажевого фильтра.

В особенности эффективны варианты реализации способа, в которых двигатель внутреннего сгорания работает при коэффициенте λ≤1,1 и, предпочтительнее, λ≤1,05, для возможности реализации регенерации сажевого фильтра.

Процесс, использованный в данном изобретении, позволяет достичь первой цели, лежащей в основе изобретения, главным образом, определяя способ, при котором двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, оборудованный сажевым фильтром, может работать, обеспечивая достаточно частую регенерацию этого фильтра.

Далее приведены другие эффективные варианты способа согласно зависимым пунктам формулы изобретения.

Эффективными являются такие варианты реализации способа, в которых процесс регенерации фильтра инициируется, когда текущая его загруженность больше предварительно определенного значения.

Эффективными вариантами реализации являются такие, в которых регенерация фильтра инициируется только когда текущая загруженность фильтра больше, чем номинальное максимально допустимое значение, то есть когда фильтр перегружен.

Два вышеприведенных альтернативных способа гарантируют необходимую регенерацию. Собранные фильтром частицы окисляются только в том случае, когда это действительно необходимо. Таким образом, учитывается тот факт, что двигатель внутреннего сгорания, в общем, не может работать оптимально, т.е. не оптимизирован с точки зрения эффективности, во время регенерации, что в принципе должно рассматриваться как недостаток.

В связи с этим, в эффективных вариантах реализации способа загруженность фильтра оценивают с использованием математических моделей.

Эффективные варианты реализации способа включают в себя такие варианты, в которых текущую загруженность фильтра оценивают с использованием противодавления выхлопных газов выше по потоку фильтра.

Противодавление выхлопных газов, которое возникает вследствие возрастающего сопротивления фильтра потоку из-за накапливаемой массы частиц в фильтре, может быть обнаружено путем измерения с помощью датчика или может быть, в свою очередь, оценено с использованием математических моделей.

Определение противодавления выхлопных газов выше по потоку фильтра также может быть основано на давлении выхлопных газов, определенном в разных местах выхлопного тракта. Таким образом, при определенных обстоятельствах можно использовать уже существующие датчики давления, даже если эти датчики не расположены непосредственно выше по потоку фильтра.

Также в эффективных вариантах способа процесс регенерации фильтра инициируют при достижении заданного пробега.

Согласно этому альтернативному варианту фильтр всегда очищается именно после прохождения заданной дистанции независимо от фактической загруженности фильтра. Этот способ эффективен в случае, если законодательство регулирует частоту регенерации фильтра с тем, чтобы число допустимых операций очистки фильтра было заранее определено по отношению к определенной дистанции, например пять тысяч километров.

Также эффективны такие варианты реализации способа, в которых процесс регенерации фильтра инициируется по истечении заданного периода эксплуатации.

По сравнению с описанным выше альтернативным вариантом способа в данном случае вместо определения пройденного расстояния, то есть пробега, измеряют и аккумулируют период времени, в течение которого двигатель внутреннего сгорания работал с момента последней регенерации фильтра. В этом способе также не принимают во внимание фактическую загруженность фильтра, а также режим работы и в особенности количество холодных запусков двигателя, преимущественно при движении по городу или при других вариантах использования, например при поездках на большие расстояния.

Таким образом, являются эффективными такие варианты способа, в которых процесс регенерации фильтра инициируют, когда достигнуто определенное количество холодных запусков n_хол.

В данном альтернативном варианте способа также не следуют строго принципу регенерации фильтра тогда, когда это требуется, то есть когда фактическую загруженность фильтра принимают во внимание и используют в качестве ключевого критерия для запуска процесса регенерации. Однако по сравнению с предыдущими альтернативами способа загруженность фильтра принимают во внимание косвенно, через режим работы двигателя внутреннего сгорания, а именно отслеживают количество холодных запусков n_хол исходя из предположения, что фильтру может потребоваться или требуется очистка после определенного количества холодных запусков n_хол.

Другим эффективным вариантом реализации способа является способ, в котором для того чтобы увеличить температуру фильтра Т_{фильтра}, увеличивают температуру выхлопных газов Т_{выхлопа}, что обеспечивается по меньшей мере одним внутренним средством двигателя.

Внутренние средства двигателя можно использовать для нагрева систем нейтрализации выхлопных газов, расположенных в выхлопной системе, а именно трехкомпонентного каталитического нейтрализатора и/или сажевого фильтра.

Эффективными также являются такие варианты реализации способа, в которых температуру выхлопных газов Т_{выхлопа} увеличивают путем установки момента зажигания в режим позднего зажигания. Процесс сгорания смеси, протекающий в цилиндре, соответственно также сдвигается во времени в сторону задержки, то есть в направлении такта выпуска, в результате чего увеличивается вывод тепла в выпускную систему или в отработавший газ, что приводит к повышению температуры выхлопных газов.

Также эффективными являются варианты реализации способа, в которых температуру выхлопных газов Т_{выхлопа} увеличивают посредством позднего впрыска рабочей смеси в по меньшей мере один цилиндр.

Сажевый фильтр можно нагреть посредством позднего впрыска дополнительного топлива в камеру сгорания, в котором топливо воспламеняется непосредственно в камере сгорания, которое может быть осуществлено в конце основного процесса сгорания или за счет высоких температур в камере сгорания в конце процесса сгорания. Следовательно, температура выхлопных газов, выходящих в выхлопной тракт, повышают с помощью внутренних средств двигателя.

Что касается позднего впрыска, следует иметь в виду, что использование дополнительного топлива для цели нагрева сажевого фильтра в принципе оказывает неблагоприятное влияние на эффективность двигателя внутреннего сгорания. В частности, частота и длительность процесса регенерации сажевого фильтра несомненно и прямо влияют на используемое для этих целей количество топлива, а следовательно, на общий расход топлива двигателя внутреннего сгорания.

В качестве альтернативы позднему впрыску топливо можно вводить непосредственно в выхлопной тракт перед фильтром. В этом случае топливо для нагрева фильтра сгорает вместе с остаточным кислородом, присутствующим в выхлопных газах, или с дополнительно введенным воздухом.

Эффективными альтернативными вариантами реализации метода также являются варианты, в которых увеличение температуры выхлопных газов осуществляют посредством рециркуляции выхлопных газов (РВГ), которая применительно к настоящему изобретению относится к внутренним средствам двигателя внутреннего сгорания. Горячие выхлопные газы, рециркулированные в камеру сгорания, повышают температуру свежего заряда рабочей смеси цилиндра. Кроме того, в результате образования рабочей смеси нового состава скорость сгорания снижается, вследствие чего процесс сгорания удлиняется и длится до выпуска рабочей смеси.

Эффективными также являются такие варианты реализации способа, в которых сажевый фильтр оборудован нагревателем, который активируют для повышения температуры фильтра Т_{фильтра}.

Вторая цель, лежащая в основе настоящего изобретения, а именно обеспечение двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием для реализации изложенного выше способа, достигается посредством применения двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеющим по меньшей мере один цилиндр и по меньшей мере один выхлопной трубопровод для вывода выхлопных газов из по меньшей мере одного цилиндра, причем в по меньшей мере одном выхлопном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания предусмотрен трехкомпонентный каталитический нейтрализатор для нейтрализации выхлопных газов, а также сажевый фильтр для сбора и сжигания частиц сажи в выхлопных газах.

Необходимо отметить, что способ по изобретению может быть применен по аналогии в двигателе внутреннего сгорания по изобретению и, следовательно, при описании данного двигателя сделана отсылка к признакам способа.

Комбинация трехкомпонентного каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра позволяет осуществить полную обработку выхлопных газов, а именно несгоревших углеводородов (НС), монооксида углерода (СО), оксидов азота (NOx) и частиц сажи.

Два компонента системы нейтрализации выхлопных газов могут быть выполнены в виде отдельных элементов. Специальные носители катализатора могут быть предусмотрены как для трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, так и для сажевого фильтра. Эти носители либо расположены на расстоянии друг от друга либо объединены вместе, а трехкомпонентный каталитический нейтрализатор расположен выше по потоку сажевого фильтра. Такое расположение является предпочтительным, так как необходимо иметь в виду тот факт, что после холодного старта трехкомпонентный каталитический нейтрализатор должен быть нагрет как можно быстрее, а сажевый фильтр для выполнения его функций нуждается в высоких температурах только для регенерации, что осуществляется сравнительно редко.

В качестве альтернативы можно использовать комбинированную систему нейтрализации выхлопных газов, в которой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и сажевый фильтр объединены в один компонент, т.е. выполнены в виде четырехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

По указанным выше причинам эффективными являются варианты, в которых трехкомпонентный каталитический нейтрализатор расположен выше по потоку сажевого фильтра, либо в которых трехкомпонентный каталитический нейтрализатор и сажевый фильтр объединены в один компонент.

Краткое описание чертежей

Далее приведено более подробное описание изобретения со ссылкой на один из примеров воплощения двигателя внутреннего сгорания для реализации способа, показанного на Фиг. 1, где:

На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант воплощения двигателя внутреннего сгорания.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 схематически представлен первый вариант воплощения двигателя 1 внутреннего сгорания с искровым зажиганием для осуществления способа по изобретению.

Показан трехцилиндровый однорядный двигатель 1, в котором три цилиндра 3 размещены в ряд вдоль продольной оси головки цилиндра, каждый из них имеют свечу 5 зажигания для инициирования искрового воспламенения. Свечи 5 зажигания активируют, то есть контролируют, по отдельности с помощью контроллера 8 двигателя через линию 10 управления. Коэффициент избытка воздуха λ устанавливают через количество впрыскиваемой горючей смеси (не показано).

Всасывающая линия 2 предусмотрена для подачи в цилиндры 3 свежего воздуха или свежей смеси. Выхлопной трубопровод 4 служит для вывода горячих газов сгорания. В выхлопном трубопроводе 4 предусмотрены трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 7, предназначенный для нейтрализации выхлопных газов, и сажевый фильтр 6, предназначенный для сбора частиц сажи в выхлопных газах, причем трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 7 расположен выше по потоку сажевого фильтра 6, а следовательно, в непосредственной близости к двигателю.

Для того чтобы запустить процесс регенерации сажевого фильтра 6, его температуру Т_{фильтра} увеличивают до значения, необходимого для регенерации Т_рег, за счет установки момента зажигания в режим позднего зажигания с помощью контроллера 8 двигателя. Дополнительно, при необходимости, двигатель внутреннего сгорания переводят в режим сверхстехиометрии (λ>1).

Процесс регенерации фильтра запускают только в случае, если текущая загруженность фильтра 6 делает это необходимым, то есть загруженность фильтра больше заданного значения, что обеспечивает необходимую частоту регенерации. Текущую загруженность фильтра 6 можно оценить, используя противодавление выхлопных газов, которое возникает в результате возрастающего сопротивления потоку фильтра 6 из-за накапливаемой в нем массы частиц. В данном случае противодавление выхлопных газов определяют путем измерения с помощью датчика 9 давления.

Используемые обозначения:

1 Двигатель внутреннего сгорания

2 Всасывающая линия

3 Цилиндр

4 Выхлопной трубопровод

5 Свеча зажигания

6 Сажевый фильтр

7 Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

8 Контроллер двигателя

9 Датчик давления

10 Линия управления

EGR Рециркуляция выхлопных газов

СО Монооксид углерода

НС Несгоревшие углеводороды

NOx Оксиды азота

n_хол Количество холодных запусков

Т_{фильтра} Температура фильтра

Т_рег Минимальная температура регенерации фильтра

λ Коэффициент избытка воздуха

Группа изобретений относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Способ имеет один цилиндр и один выхлопной трубопровод для вывода выхлопных газов из одного цилиндра. Сажевый фильтр для сбора и сжигания частиц сажи в выхлопных газах, установленный в одном выхлопном трубопроводе, в котором для инициирования процесса регенерации сажевого фильтра увеличивают температуру фильтра до значения большего, чем предварительно заданная минимальная температура регенерации фильтра, путем увеличения температуры выхлопных газов за счет установки момента зажигания в режим позднего зажигания или за счет осуществления одного позднего впрыска топлива в один цилиндр и обеспечивают эксплуатацию двигателя внутреннего сгорания в режиме сверхстехиометрии при λ>1. Техническим результатом является разработка способа, с помощью которого двигатель с искровым зажиганием, оборудованный сажевым фильтром, сможет работать, обеспечивая условия частой регенерации фильтра. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации двигателя (1) внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеющего по меньшей мере один цилиндр (3) и по меньшей мере один выхлопной трубопровод (4) для вывода выхлопных газов из по меньшей мере одного цилиндра (3), а также сажевый фильтр (6) для сбора и сжигания частиц сажи в выхлопных газах, установленный в по меньшей мере одном выхлопном трубопроводе (4), в котором для инициирования процесса регенерации сажевого фильтра (6) увеличивают температуру фильтра до значения большего, чем предварительно заданная минимальная температура регенерации фильтра, путем увеличения температуры выхлопных газов за счет установки момента зажигания в режим позднего зажигания или за счет осуществления по меньшей мере одного позднего впрыска топлива в по меньшей мере один цилиндр (3) и обеспечивают эксплуатацию двигателя (1) внутреннего сгорания в режиме сверхстехиометрии при λ>1.

2. Способ по п. 1, в котором двигатель (1) внутреннего сгорания эксплуатируют при λ≤1,15 для регенерации сажевого фильтра (6).

3. Способ по п. 1, в котором двигатель (1) внутреннего сгорания эксплуатируют при λ≤1,15, предпочтительно при λ≤1,05 для регенерации сажевого фильтра (6).

4. Способ по п. 1, в котором процесс регенерации фильтра инициируют, когда текущая загруженность сажевого фильтра (6) больше заранее заданного значения.

5. Способ по п. 4, в котором текущую загруженность фильтра (6) оценивают с помощью математических моделей.

6. Способ по п. 4, в котором текущую загруженность фильтра (6) оценивают с использованием противодавления выхлопных газов выше по потоку фильтра (6).

7. Способ по п. 1, в котором процесс регенерации фильтра инициируют при достижении заранее заданной величины пробега.

8. Способ по п. 1, в котором процесс регенерации фильтра инициируют при достижении заранее заданной величины периода эксплуатации.

9. Способ по п. 1, в котором процесс регенерации фильтра инициируют при достижении заранее заданного количества холодных запусков двигателя.

10. Двигатель (1) внутреннего сгорания с искровым зажиганием для осуществления способа по одному из предшествующих пунктов, имеющий по меньшей мере один цилиндр (3) и по меньшей мере один выхлопной трубопровод (4) для вывода выхлопных газов из одного цилиндра (3), отличающийся тем, что в по меньшей мере одном выхлопном трубопроводе (4) установлены трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (7) для обработки выхлопных газов и сажевый фильтр (6) для сбора и сжигания частиц сажи в выхлопных газах, объединенные в один компонент.