СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГОРЕНИЯ САЖИ В САЖЕВОМ ФИЛЬТРЕ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2017 года по МПК F01N3/23 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения горения сажи в транспортном средстве. В частности, не исключая иного, изобретение относится к обнаружению неконтролируемой или неприемлемой скорости горения сажи в сажевом фильтре дизельного двигателя транспортного средства.

Уровень техники

Известно, что в эксплуатации дизельные двигатели проявляют себя более экономичными, но им могут быть присущи недостатки в отношении токсичных выбросов. Дизельный двигатель располагает меньшим временем для тщательного перемешивания воздуха и топлива перед воспламенением смеси. Вследствие этого отработавшие газы дизельного двигателя содержат продукт неполного сгорания топлива, известный как «сажа» (твердые частицы).

Известно, что для физического улавливания частиц сажи используют сажевый фильтр (DPF, Diesel Particulate Filter). Однако DPF имеет тенденцию к накоплению захваченных частиц, и периодически следует проводить регенерацию фильтра путем каталитического окисления накопленных частиц. Эта операция включает в себя увеличение температуры DPF.

Однако, при определенных условиях при увеличении температуры в DPF, может происходить растрескивание или расплавление матрицы сажевого фильтра. Например, экзотермическая реакция углерода и кислорода может идти слишком быстро, когда накопление сажи превышает критический уровень, а скорость течения отработавших газов через DPF может быть понижена из-за того, что двигатель работает в режиме холостого хода или малой нагрузки (например, когда автомобиль движется по инерции). При таких условиях отработавшие газы содержат большой процент кислорода, но имеют низкую общую скорость течения, что снижает эффект конвективного охлаждения горячей матрицы фильтра. Кроме того, теплота, создаваемая экзотермической реакцией, способствует дальнейшему окислению, и, таким образом, образованию дополнительного тепла. Такой процесс называют неуправляемым нагревом.

На скорость накопления твердых частиц в DPF влияют различные факторы, и поэтому задача контроля скорости накопления далеко не простая. Эти факторы включают в себя режим работы двигателя, пробег автомобиля, стиль вождения, рельеф местности и т.п., и естественно многие из указанных факторов будут динамически меняться во время поездки.

Предпринимались различные попытки прогнозировать и предотвращать неуправляемый нагрев. В типичных случаях это заключалось в измерении температуры в DPF для формирования индикации, когда неуправляемый нагрев мог бы начаться, иногда в зависимости от содержания сажи, концентрации кислорода, скорости течения отработавшего газа и т.п. Например, в заявке США 2007/0130921 для управления регенерацией производится вычисление наклона графика роста температуры.

Однако, известно, что попытки спрогнозировать начало процесса неуправляемого нагрева достаточно рано, чтобы предпринять корректирующие действия, часто заканчивались неудачей. Для этого есть целый ряд причин, таких как большой градиент температуры в DPF после того, как процесс неуправляемого нагрева начался. Также, рост температуры может носить весьма локальный характер, и, поэтому, не обнаруживается (или обнаруживается слишком поздно) датчиком температуры, который удален от места нагрева. Кроме того, при динамическом изменении режима двигателя, когда абсолютные величины постоянно меняются, прогнозы, которые включают в себя измерение этих абсолютных величин, могут обладать слишком малой чувствительностью или, наоборот, содержать ложное распознавание сигналов.

Желательно создать усовершенствованные средства прогнозирования начала процесса неуправляемого нагрева. Желательно создать средства, которые не опирались бы на показания температуры и/или абсолютные значения величин.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению, предлагается способ контроля горения сажи в сажевом фильтре дизельного двигателя транспортного средства, включающий измерение перепада давления на сажевом фильтре; нормализацию измеренного перепада давления на сажевом фильтре; вычисление величины градиента на основе по меньшей мере изменения нормализованного перепада давления на сажевом фильтре; и контроль регенерации сажевого фильтра в зависимости по меньшей мере от вычисленной величины градиента.

Способ может содержать этап измерения расхода отработавшего газа через сажевый фильтр. Величину градиента можно получить по меньшей мере на основе изменения измеренного перепада давления по отношению к изменению расхода отработавшего газа.

Способ может содержать этап измерения объемного расхода отработавшего газа через сажевый фильтр. Величину градиента можно получить по меньшей мере на основе изменения измеренного перепада давления по отношению к изменению объемного расхода отработавшего газа.

Этап начала регенерации сажевого фильтра может содержать дополнительный ввод катализатора в поток отработавшего газа, протекающего через сажевый фильтр.

Этап контроля регенерации сажевого фильтра может включать в себя действие, направленное на коррекцию процесса горения. Действие, направленное на коррекцию процесса горения, может заключаться в изменении температуры в сажевом фильтре. Дополнительно к этому или в ином варианте, действие, направленное на коррекцию процесса горения, может заключаться в изменении количества катализатора, дополнительно вводимого в поток отработавшего газа, протекающего через сажевый фильтр.

Способ может содержать этап осуществления действия, направленного на коррекцию процесса горения, когда по меньшей мере полученная величина градиента достигает установленного значения.

Способ может содержать этап осуществления действия, направленного на коррекцию процесса горения, когда по меньшей мере скорость уменьшения нормализованного перепада давления достигает установленного значения.

Способ может содержать этап измерения по меньшей мере одного из следующих параметров: температуры, содержания сажи и концентрации кислорода в сажевом фильтре. Способ может содержать этап контроля регенерации сажевого фильтра, по меньшей мере частично зависящий по меньшей мере от одного из измеренных параметров.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 схематически изображает транспортное средство;

фиг.2 схематически изображает двигатель;

фиг.3 схематически изображает систему снижения токсичности выбросов;

фиг.4 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость скорости транспортного средства от времени;

фиг.5 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость температуры в сажевом фильтре от времени;

фиг.6 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость скорости горения сажи от времени;

фиг.7 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость концентрации кислорода от времени;

фиг.8 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость перепада давления на сажевом фильтре от времени;

фиг.9 изображает график результатов испытаний двигателя, представляющий зависимость нормализованного перепада давления на сажевом фильтре от времени.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически изображено транспортное средство (автомобиль) 1, в котором имеется дизельный двигатель 2, отработавшие газы из которого проходят через выпускной патрубок 5 к системе 20 снижения токсичности выбросов, которая включает сажевый фильтр (DPF) 6, откуда отработавшие газы выходят в атмосферу через выхлопную трубу 7.

Дизельный двигатель 2 функционально связан с электронным контроллером 3, который выполняет множество разных функций, включая управление фазой и объемом впрыска топлива в различные цилиндры двигателя 2. Электронный контроллер 3 также управляет регенерацией DPF 6, о чем более подробно будет сказано ниже. Электронный контроллер 3 принимает сигналы от ряда источников, включая один или более датчиков 8 автомобиля и датчики 9 двигателя.

Двигатель 2 содержит несколько цилиндров 30, один из которых показан на фиг.2. Двигатель содержит камеру 32 сгорания с поршнем 36, который расположен в указанной камере и соединен с коленчатым валом 40. Камера 32 сгорания сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 5 через впускной клапан 52 и выпускной клапан 54.

Контроллер 3 представляет собой микрокомпьютер, в состав которого входит микропроцессорное устройство 102 CPU (Central Processor Unit), порты 104 ввода/вывода I/O (Input/Output), постоянное запоминающее устройство 106 ROM (Read Only Memory), оперативное запоминающее устройство 108 RAM (Random Access Memory) и стандартная шина данных.

Согласно фиг.3 система 20 снижения токсичности выбросов содержит каталитическую систему 13, расположенную перед DPF 6. Могут быть использованы катализаторы различных типов. Фильтр DPF 6 предусмотрен после каталитической системы 13 для улавливания твердых частиц, таких как сажа, которая образуется при работе двигателя 2. Как только накопление сажи достигает установленного уровня, может быть начат процесс регенерации DPF 6. Регенерацию фильтра можно осуществлять путем его нагревания до температуры, при которой сгорание частиц сажи будет происходить с более высокой скоростью.

В фильтре DPF 6 предусмотрен по меньшей мере один датчик температуры или термопара 21. Кроме того, может быть выработан сигнал перепада давления на основе данных датчиков 124 и 126 давления, которые измеряют давление, соответственно, после DPF 6 и перед DPF 6. Также предусмотрен датчик 24 для измерения объемного расхода отработавшего газа через DPF 6.

В число датчиков 9 могут также входить датчики для измерения частоты вращения вала двигателя 2 (оборотов двигателя), рабочей температуры двигателя и температуры отработавшего газа в одной или более выбранных точках.

Данные от указанных датчиков могут быть обработаны микропроцессорным устройством 102 и/или сохранены в памяти 108.

На фиг.4 представлены результаты испытаний, проведенных с целью намеренно вызвать неуправляемый нагрев в DPF 6. График 200 изображает скорость автомобиля за время испытаний. Регенерация 202 DPF 6 была начата в точке (в момент времени) 140 с. В интервале 250-350 с автомобиль 1 двигался по инерции на участке 204 с небольшим уклоном 2,5%, а затем было включено торможение до полной остановки в момент 470 с.

В период движения по инерции, когда происходила регенерация 202, температура DPF 6 имела высокое значение, однако расход отработавших газов через DPF 6 был низким. Состояние 206 неуправляемого нагрева наблюдалось на дне выходного конуса 208 фильтра DPF 6. Неуправляемый нагрев начался с того, что с момента 300 с материал фильтра стал накаляться, а примерно через 30 с произошло прогорание стенки фильтра.

На фиг.5 показано расположение четырех термопар 21 в зоне выходного конуса 208 DPF 6, а также графики температур, измеренных каждой термопарой 21. Термопары 21 были установлены в точках, соответствующих северному (N), южному (S), восточному (Е) и западному (W) направлениям на выходном конусе 208. Графики показывают, что рост измеренной температуры был, как и ожидалось, постепенным, и на него не повлияло вступление автомобиля 1 в режим движения по инерции, и лишь в состоянии 206 неуправляемого нагрева наблюдался быстрый рост температуры. Поэтому, никакое прогнозирование неуправляемого нагрева на основе изменений температуры не оставит достаточного времени для выполнения корректирующих действий.

Кроме того, рост измеренной температуры сильно зависел от расположения термопары 21, причем наибольший рост был зарегистрирован «южной» термопарой 21 (место прогорания стенки). Это демонстрирует еще одно ограничение использования измеренных температур в качестве параметров для прогнозирования неуправляемого нагрева.

На фиг.6 приведен график измеренной скорости 210 горения сажи, вычисленной на основе данных изменения выброса двуокиси углерода двигателем 2 и температуры S (по «южной» термопаре) во времени. Скорость 210 горения сажи оставалась постоянной, и быстро нарастала только в состоянии 206 неуправляемого нагрева, лишь слегка опережая измеренную температуру. Поэтому, прогнозы, сделанные на основе скорости 210 горения сажи, также не оставляют достаточно времени, чтобы предпринять корректирующие действия.

На фиг.7 приведен график изменения измеренной концентрации кислорода во времени - как концентрации 212 перед DPF 6, так и концентрации 214 после DPF 6. Видно, что концентрация кислорода сильно флуктуировала во время испытаний, поскольку она очень чувствительна к динамике изменения режима двигателя. Имело место заметное падение концентрации кислорода после начала процесса регенерации, однако и после этого флуктуации все равно достигали уровня аналогичного их уровню до регенерации. Поэтому, следует признать, что данные измеренной концентрации кислорода слишком изменчивы, чтобы их использовать в качестве основного параметра для прогнозирования начала неуправляемого нагрева.

На фиг.8 приведен график изменения во времени перепада 220 давления, полученного на основе данных давления на входе и на выходе фильтра DPF 6. Вначале перепад 220 давления сильно флуктуировал, но после начала процесса регенерации флуктуации уменьшились по амплитуде и частоте. Имело место также ощутимое снижение перепада 220 давления в момент времени около 250 с. Это произошло перед развитием горения 210 сажи (что также показано на графике) и ростом температуры.

Можно произвести нормализацию перепада 220 давления в каждой точке оси времени путем деления данных перепада на другой параметр. Конкретно, данные изменения перепада давления во времени можно нормализовать, используя соответствующий измеренный объемный расход отработавшего газа через DPF 6. Это можно выполнить посредством контроллера 3. Полученный параметр можно назвать «нормализованным перепадом 230 давления».

На фиг.9 изображен график изменения нормализованного перепада 230 давления во времени. Установлено, что у нормализованного перепада 230 давления сильные флуктуации отсутствуют. По-прежнему имеется ощутимый спад параметра в области 250 с. Однако виден и более ранний спад, начинающийся в области около 180 с. Отсюда понятно, что нормализованный перепад 230 давления является надежным параметром для раннего прогнозирования начала неуправляемого нагрева.

Следовательно, соответствующий настоящему изобретению способ контроля горения сажи в DPF 6 может содержать определение градиента нормализованной величины на основе данных изменения измеренного перепада давления на DPF 6 и управление регенерацией DPF 6 на основе полученного значения градиента. Значение градиента может быть получено путем нормализации измеренного перепада давления на DPF 6. Конкретно, данные перепада давления могут быть нормализованы путем их деления на данные соответствующего измеренного объемного расхода отработавшего газа через DPF 6.

Контроллер 3 может вычислять градиент нормализованной величины на основе текущего значения нормализованного перепада 230 давления и одного или более ранних значений. Хотя это и не обеспечивает самой ранней индикации, но позволяет избежать неверного прогнозирования на основе фактических величин, которые все же имеют небольшую флуктуацию.

Управление регенерацией DPF 6 на основе полученного градиента нормализованной величины можно осуществить, например, путем изменения температуры DPF 6 и/или путем управления количеством катализатора, дополнительно вводимого в поток отработавшего газа через DPF 6. Например, когда полученный градиент нормализованной величины достигает установленного высокого порогового значения, контроллер 3 может уменьшить температуру в месте, где находится DPF 6, и/или уменьшить количество катализатора, дополнительно вводимого в поток отработавшего газа через DPF 6.

Хотя настоящее изобретение было описано на примерах конкретных предпочтительных вариантов, следует понимать, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Способ контроля горения сажи в сажевом фильтре дизельного двигателя транспортного средства содержит следующие этапы: измерение перепада давления на сажевом фильтре; измерение расхода отработавшего газа через сажевый фильтр или объемного расхода отработавшего газа через сажевый фильтр; нормализацию измеренного перепада давления на сажевом фильтре во времени путем деления измеренного перепада давления на измеренный расход отработавшего газа через сажевый фильтр или объемный расход отработавшего газа через сажевый фильтр; вычисление величины градиента на основе по меньшей мере изменения нормализованного перепада давления на сажевом фильтре; контроль регенерации сажевого фильтра в зависимости по меньшей мере от вычисленной величины градиента. При использовании изобретения создается средство прогнозирования начала процесса неуправляемого нагрева, не основанное на измерении температуры. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ контроля горения сажи в сажевом фильтре дизельного двигателя транспортного средства, содержащий следующие этапы:

измерение перепада давления на сажевом фильтре;

измерение расхода отработавшего газа через сажевый фильтр или объемного расхода отработавшего газа через сажевый фильтр;

нормализацию измеренного перепада давления на сажевом фильтре во времени путем деления измеренного перепада давления на измеренный расход отработавшего газа через сажевый фильтр или объемный расход отработавшего газа через сажевый фильтр;

вычисление величины градиента на основе по меньшей мере изменения нормализованного перепада давления на сажевом фильтре; и

контроль регенерации сажевого фильтра в зависимости по меньшей мере от вычисленной величины градиента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этап контроля регенерации сажевого фильтра включает в себя действие, направленное на коррекцию процесса горения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что действие, направленное на коррекцию процесса горения, заключается в изменении температуры в сажевом фильтре.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что действие, направленное на коррекцию процесса горения, заключается в изменении количества катализатора, дополнительно вводимого в поток отработавшего газа через сажевый фильтр.

5. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что действие, направленное на коррекцию процесса горения, осуществляют, когда по меньшей мере вычисленная величина градиента достигает установленного значения.

6. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что действие, направленное на коррекцию процесса горения, осуществляют, когда по меньшей мере скорость уменьшения нормализованного перепада давления достигает установленного значения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержит этап измерения по меньшей мере одного из следующих параметров: температуры, содержания сажи и концентрации кислорода в сажевом фильтре, а также этап контроля регенерации сажевого фильтра, по меньшей мере частично зависящий по меньшей мере от одного из измеренных параметров.