СПОСОБ ДЛЯ ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ, СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F01N3/10 F02D41/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение изобретения относится к управлению с обратной связью соотношением воздух-топливо в двигателе внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Эффективное преобразование выбросов выхлопных газов в бензиновом двигателе включает в себя поддерживание соотношения воздух-топливо в подаваемом в каталитический нейтрализатор газе в узком окне вокруг стехиометрического состава. Однако, во время фактической работы двигателя, могут возникать небольшие отклонения от стехиометрии. Чтобы увеличивать рабочее окно и, таким образом, улучшать характеристику выбросов, каталитические нейтрализаторы зачастую включают в себя окись церия, чтобы обеспечивать буфер для накопления кислорода. Чтобы поддерживать оптимальные эксплуатационные характеристики каталитического нейтрализатора, сохраненный кислород может поддерживаться в требуемой заданной точке, откалиброванной на основании нагрузки двигателя и температуры, через управление с обратной связью соотношением воздух-топливо двигателя.

Однако, авторы в данном документе увидели проблему с вышеописанным подходом. Определение уровня хранимого кислорода в каталитическом нейтрализаторе типично подразумевает использование физической модели каталитического нейтрализатора, которая включает в себя множество дифференциальных уравнений с частными производными в одном или более измерениях. Такую модель может быть трудно реализовать, и она может потребовать больше вычислительной мощности, чем типично доступно в контроллере двигателя.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте изобретения раскрывается способ уменьшения выхлопа двигателя, включающий этап, на котором: регулируют объем впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем состояние частичного окисления основано на скоростях реакции множества частиц выхлопного газа по продольной оси каталитического нейтрализатора и наборе усредненных по оси уравнений баланса массы и баланса энергии для текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора.

В дополнительных аспектах раскрывается, что определяют оцененную общую способность накопления кислорода; указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если общая способность накопления кислорода ниже пороговой способности, или если определяемая активность каталитического нейтрализатора ниже откалиброванного порогового значения; определение общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления дополнительно включает этап, на котором определяют концентрации выходных частиц на основании концентраций входных частиц; концентрации входных частиц определяются на основании массы воздуха, температуры, соотношения воздух/топливо выхлопа и скорости вращения двигателя; скорости реакции множества частиц выхлопного газа и состояние частичного окисления дополнительно основаны на определяемом коэффициенте работоспособности каталитического нейтрализатора; объем впрыска топлива дополнительно регулируется на основании входных данных от датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора; объем впрыска топлива регулируется для того, чтобы поддерживать состояние частичного окисления на пороговом уровне, откалиброванном на основании нагрузки двигателя и температуры.

В еще одном аспекте изобретения раскрыта система для уменьшения выхлопа двигателя, содержащая: каталитический нейтрализатор, расположенный в выхлопной системе двигателя; контроллер, включающий в себя инструкции, для: определения активности каталитического нейтрализатора, общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании модели каталитического нейтрализатора, которая отслеживает изменение в концентрации частиц в каталитическом нейтрализаторе с помощью набора усредненных по оси уравнений баланса массы и баланса энергии для текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора; и указания ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода ниже порогового значения.

В дополнительных аспектах раскрывается, что общая способность накопления кислорода является функцией оцененной ошибки между спрогнозированным согласно модели напряжением датчика выхлопного газа и измеренным напряжением датчика выхлопного газа; коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора основан на соотношении воздух/топливо выше по потоку, соотношении воздух/топливо ниже по потоку, воздушной массе и температуре; контроллер содержит дополнительные инструкции для регулирования объема впрыска топлива в двигатель, если состояние частичного окисления находится вне порогового диапазона; дополнительно определяют концентрацию входных частиц на основании массы воздуха, температуры, соотношения воздух/топливо выхлопа и скорости вращения двигателя; входные частицы содержат одно или более из СО, НС, NOx, Н₂, Н₂О, О₂ и СО₂; каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

В еще одном аспекте изобретения раскрыт способ уменьшения выхлопа двигателя, содержащего каталитический нейтрализатор, включающий этапы, на которых: определяют активность каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированными выходными данными датчика выхлопного газа и измеренными выходными данными датчика выхлопного газа; применяют активность каталитического нейтрализатора и множество концентраций входных частиц выхлопа к модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя набор усредненных по оси балансов масс и балансов энергий текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора для определения общей способности накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; поддерживают требуемое соотношение воздух-топливо на основании общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; и указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода ниже порогового значения.

В дополнительных аспектах изобретения раскрыто, что состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора дополнительно содержит состояние частичного окисления окиси церия в каталитическом нейтрализаторе, определяемое на основании изменения концентрации кислорода в каталитическом нейтрализаторе; входные частицы выхлопа содержат CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ и CO₂, и в котором применение множества концентраций входных частиц выхлопа к набору усредненных по оси балансов масс и балансов энергий текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора дополнительно включает этап, на котором применяют совокупные концентрации окислителей и совокупные концентрации восстановителей; требуемое соотношение воздух-топливо дополнительно поддерживается на основании входных данных от датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора; активность каталитического нейтрализатора указывает общую способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора.

Состояние частичного окисления может быть определено на основании нульмерной модели, представленной набором обыкновенных дифференциальных уравнений. Модель может отслеживать передвижение одной или более химических частиц выхлопа через каталитический нейтрализатор. Дополнительно, модель также учитывает диффузию в покрытии из пористого оксида, где реакции происходят с применением концепции переноса эффективной массы. Таким образом, может быть использована упрощенная модель, чтобы прогнозировать как общую способность накопления кислорода, так и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора. Они могут быть использованы в управлении с обратной связью соотношением воздух-топливо двигателя для того, чтобы поддерживать состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора в требуемой величине. Дополнительно, может быть указано ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или совокупный объем накопления кислорода ниже порогового значения.

Настоящее раскрытие изобретения может предложить несколько преимуществ. Например, ресурсы обработки, предназначенные для модели каталитического нейтрализатора, могут быть уменьшены. Дополнительно, управление выбросами может быть улучшено за счет поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. Кроме того, может наблюдаться выделение критических частиц выхлопа, таких как HC, NOx и CO или агрегированных окислителей и восстановителей, и если прогнозируется прорыв, водитель транспортного средства может быть уведомлен, и/или могут быть предприняты дополнительные операции управления двигателем, чтобы управлять выпуском частиц выхлопа. Другим преимуществом настоящего подхода является то, что он предлагает ненавязчивое наблюдение за каталитическим нейтрализатором для управления и диагностики, которое менее зависимо от местоположения датчика и, следовательно, будет равно применимо как к частичным, так и полнообъемным каталитическим системам.

Вышеописанные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут видны из последующего подробного описания, взятого отдельно или в сочетании с сопровождающими чертежами.

Следует понимать, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании изобретения. Оно не идентифицирует ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 схематично показывает примерную систему транспортного средства.

Фиг. 2 иллюстрирует операцию управления для оценки коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора.

Фиг. 3A-3C схематично показывают примерные схемы стратегий управления во внутреннем и внешнем контуре.

Фиг. 4 - это блок-схема, иллюстрирующая примерный способ наблюдения за каталитическим нейтрализатором согласно варианту осуществления настоящего раскрытия изобретения.

Фиг. 5 - это блок-схема, иллюстрирующая примерный способ определения состояния окисления каталитического нейтрализатора согласно варианту осуществления настоящего раскрытия изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы уменьшать прорыв выбросов, каталитические нейтрализаторы могут использовать материал, сохраняющий кислород, например, окись церия в форме оксида церия, чтобы обеспечивать буфер для кислорода во время отклонений в сторону насыщения или обеднения. Соотношение компонентов воздушно-топливной смеси, входящей в каталитический нейтрализатор, может управляться так, что состояние окисления каталитического нейтрализатора поддерживается на требуемом уровне. В одной примерной модели настоящего раскрытия изобретения концентрация различных частиц выхлопного газа, таких как H₂, CO, NOx, HC и O₂ от впускного до выпускного отверстия каталитического нейтрализатора может быть смоделирована с помощью упрощенной модели наименьшей размерности. Модель учитывает сложную динамику каталитического нейтрализатора, такую как диффузия и реакция в покрытии из пористого оксида и износ каталитического нейтрализатора, и упрощает динамику в набор усредненных вдоль оси уравнений модели. Уравнения модели отслеживают баланс каждых частиц выхлопа в текучей фазе и в покрытии из пористого оксида каталитического нейтрализатора. Дополнительно, модель компенсирует общий баланс энергии в текучей фазе и покрытии из пористого оксида каталитического нейтрализатора.

В частности, модель может отслеживать изменение в концентрации оксилителей и восстановителей для того, чтобы определять состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, которое может быть использовано, чтобы управлять соотношением воздух-топливо двигателя. Дополнительно, коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора может быть определен и применен к модели, чтобы отслеживать изменение в общей способности накопления кислорода, которая может указывать, ухудшились ли характеристики каталитического нейтрализатора. Дополнительно, концентрация различных компонентов выхлопа может быть использована, чтобы прогнозировать общие выбросы из выхлопной трубы. Фиг. 1 показывает примерный двигатель, включающий в себя каталитический нейтрализатор и систему управления. Фиг. 2-5 иллюстрируют различные алгоритмы управления, которые могут выполняться двигателем на фиг. 1.

Фиг. 1 показывает схематичное изображение системы 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства включает в себя двигатель 10, имеющий множество цилиндров 30. Двигатель 10 включает в себя входной канал 23 и выхлопную трубу 25. Входной канал 23 включает в себя дроссельную заслонку 62, связанную по текучей среде с впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выхлопная труба 25 включает в себя выпускной коллектор 48, ведущий к выхлопному каналу 35, который направляет выхлопной газ в атмосферу. Выхлопная труба 25 может включать в себя одно или более устройств 70 управления выбросами, которые могут быть установлены как единый блок с выхлопной трубой. Одно или более устройств управления выбросами может включать в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, уловитель обедненного NOx, фильтр для улавливания частиц дизельного или бензинового топлива, окислительный каталитический нейтрализатор и т.д. Может быть принято во внимание, что другие компоненты могут быть включены в двигатель, например, множество клапанов и датчиков.

Двигатель 10 может получать топливо из топливной системы (не показана), включающей в себя топливный бак и один или более насосов для подкачки топлива, доставляемого к форсункам 66 двигателя 10. Тогда как только одна форсунка 66 показана, для каждого цилиндра предусмотрены дополнительные форсунки. Может быть принято во внимание, что топливная система может быть безвозвратной топливной системой, возвратной топливной системой или топливной системой других различных типов. Топливный бак может хранить множество топливных смесей, включающих в себя топливо с некоторой концентрацией спирта, например, бензин-этиловые смеси, включающие E10, E85, бензин и т.д., и их комбинации.

Система 6 транспортного средства может дополнительно включать в себя систему 14 управления. Система 14 управления показана принимающей информацию от множества датчиков 16 (различные примеры которых описаны в данном документе) и отправляющей управляющие сигналы множеству исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых описаны в данном документе). В качестве одного примера, датчики 16 могут включать в себя датчик 126 выхлопного газа (такой как линейный UEGO-датчик), расположенный выше по потоку, чем устройство управления выбросами, температурный датчик 128 и расположенный ниже по потоку датчик 129 выхлопного газа (такой как бинарный HEGO-датчик). Другие датчики, такие как датчики давления, температуры и состава, могут быть подключены в различных местах в системе 6 транспортного средства, как обсуждается более подробно в данном документе. В одном примере исполнительный механизм может включать в себя "центр сообщений", включающий в себя операционный дисплей 82, где, в ответ на указание ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, водителю транспортного средства может быть выведено сообщение, указывающее о необходимости сервисного обслуживания системы выброса, например. В качестве другого примера, исполнительные механизмы могут включать в себя топливную форсунку 66 и дроссельную заслонку 62. Система 14 управления может включать в себя контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные от различных датчиков, обрабатывать входные данные и запускать исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные на основании инструкций или кода, запрограммированного в нем, соответствующего одной или более программам. Примерные управляющие программы описаны в данном документе относительно фиг. 2-5.

Для диагностики каталитического нейтрализатора могут быть использованы различные входные параметры в модели каталитического нейтрализатора. В одном варианте осуществления входные параметры могут включать в себя коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора, объем воздуха (AM), такой как массовый расход воздуха от MAF-датчика, температура каталитического нейтрализатора, оцененная на основании рабочих условий двигателя, таких как скорость, нагрузка и т.д., выходной сигнал HEGO-датчика и выходной сигнал UEGO-датчика. В некоторых вариантах осуществления все примерные входные данные, перечисленные выше, могут быть использованы в модели каталитического нейтрализатора. В другом варианте осуществления HEGO-модель может быть использована последовательно с моделью каталитического нейтрализатора. В такой модели, рассчитанное моделью напряжение сравнивается с измеренным датчиком напряжением (например, HEGO-напряжением), и вычисленная ошибка затем используется, чтобы обновлять активность каталитического нейтрализатора (a_c). Активность каталитического нейтрализатора используется в качестве индикатора продолжительности службы каталитического нейтрализатора до диагностики. Этот основанный на модели подход является ненавязчивым и менее зависимым от местоположения HEGO-датчика, делая его одинаково действенным как для частичного, так и полнообъемного каталитического нейтрализатора. В других вариантах осуществления может быть использован только поднабор входных параметров, таких как температура каталитического нейтрализатора и коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора.

Коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора является оценкой в реальном времени способности накопления кислорода каталитического нейтрализатора, которая уменьшается, когда каталитический нейтрализатор изнашивается, и иллюстрирован на фиг. 2. Примерная функция на фиг. 2 показывает, что коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора является функцией массы воздуха, температуры каталитического нейтрализатора и относительного соотношения воздух-топливо выхлопа (например, лямбда). Коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора может указывать условия каталитического нейтрализатора, такие как количество кислорода, накопленного в каталитическом нейтрализаторе, эффективность преобразования каталитического нейтрализатора и т.д.

Фиг. 2 иллюстрирует примерную функцию 200 вычисления коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора из входных сигналов UEGO и HEGO-датчиков. Коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора может быть определен как линейная, независимая от времени система, которая реагирует как импульс на входные данные, описанные выше. Определение коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора полагается на передаточные функции (TF), которые представляют соотношение между входными и выходными данными в системе. Две передаточные функции (TF) показаны ниже в лапласовой области, где s является оператором Лапласа:

Передаточная функция 1 (TF1)

Передаточная функция 1 (TF2)

где w=conv(u,v) свертывает векторы u и v. Алгебраически свертка является такой же операцией, что и умножение полиномов, коэффициенты которых являются элементами u и v.

Определение коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора содержит определение выходных данных TF1 с помощью входных данных от HEGO-датчика на этапе 210. Эти выходные данные могут быть загружены в выходные данные TF2, как будет описано более подробно ниже. На этапе 212 разница между выходными данными UEGO-датчика и лямбдой (например, 1) определяется, и эта разница умножается на массу воздуха на этапе 214. Это произведение используется в качестве входных данных для TF2 на этапе 216. Поскольку коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора может вычисляться и обновляться непрерывно, выходные данные предыдущих определений коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора могут быть загружены в функцию на этапе 218. Произведение из TF2 и предыдущий коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора могут быть добавлены к выходным данным TF1 на этапе 220. На этапе 222 разница определяется между входными данными от HEGO-датчика и произведением этапа 220, и она умножается на выходные данные TF2 на этапе 224. Чтобы определять коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора, K, на этапе 226 берется интеграл произведения, определенного на этапе 224.

Фиг. 3A-3B - это примерные схемы, изображающие стратегии управления внутренним контуром и внешним контуром для поддержания соотношения компонентов воздушно-топливной смеси в двигателе. Двигатель 10 и устройство 70 управления выбросами на фиг. 1 являются неограничивающими примерами компонентов двигателя, которые могут отслеживаться и/или управляться с помощью следующих стратегий управления. Фиг. 3A изображает примерную схему 300, включающую в себя внутренний контур 302 и внешний контур 304. Стратегия управления внутренним контуром 302 включает в себя первый контроллер C1 306 воздушно-топливной смеси, который подает команду подачи топлива двигателю 308. Двигатель производит выхлопной газ, концентрация кислорода которого определяется расположенным выше по потку датчиком, таким как UEGO 310, перед достижением каталитического нейтрализатора, такого как TWC 312. Внешний контур 304 включает в себя обратную связь от расположенного ниже по потоку датчика кислорода, такого как HEGO 314, который выдает сигнал второму контроллеру C2 316 воздушно-топливной смеси. Выходные данные из модели 318 коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора (см. фиг. 2), которая принимает входные данные от UEGO-датчика 310, двигателя 308 и HEGO-датчика 314, предоставляются в модель 320 каталитического нейтрализатора (см. фиг. 5). Как будет объяснено более подробно ниже, модель каталитического нейтрализатора определяет аккумулирующую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора. Может быть определена разница между выходными данными из C2 и UEGO-сигналом на этапе 322, которая выводится в качестве сигнала ошибки в первый контроллер C1.

Фиг. 3B изображает примерную схему 330, которая аналогична стратегии управления из схемы 300 на фиг. 3A, за исключением того, что модель 320 каталитического нейтрализатора принимает входные данные скорее из HEGO-модели 324, чем модели коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора. HEGO-модель 324 может быть использована последовательно с моделью 320 каталитического нейтрализатора. HEGO-модель 324 сравнивает HEGO-напряжение, которое спрогнозировано посредством модели 320 каталитического нейтрализатора, с измеренным HEGO-напряжением. Вычисленная ошибка затем используется, чтобы обновлять активность каталитического нейтрализатора (a_c).

Фиг. 3C изображает примерную схему 340 со стратегией управления, где модель 320 каталитического нейтрализатора принимает входные данные как из модели 318 коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора, так и HEGO-модели 324.

Фиг. 4 - это блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ 400 наблюдения за каталитическим нейтрализатором согласно варианту осуществления настоящего раскрытия изобретения. Способ 400 может выполняться системой управления двигателя, такой как система 14 управления на фиг. 1, используя обратную связь от различных датчиков двигателя. На этапе 402 способ 400 включает в себя определение коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора. Коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора может быть определен согласно процессу, описанному выше относительно фиг. 2. На этапе 404 определяется концентрация частиц выхлопа на входе каталитического нейтрализатора. Определение концентрации входящих частиц может включать в себя определение концентрации одного или более из O₂, H₂O, CO, HC, NOx, H₂ и CO₂. Концентрации входящих частиц могут быть определены на основании одного или более из массы воздуха, температуры, соотношения воздух-топливо, скорости вращения двигателя, установки момента зажигания и нагрузки. Например, соответствующие концентрации частиц могут быть сопоставлены с массой воздуха, температурой, соотношением воздух-топливо и скоростью двигателя заранее, и концентрации могут быть сохранены в справочной таблице в памяти системы управления.

На этапе 406 коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора и концентрация частиц вводятся в модель каталитического нейтрализатора. В другом варианте осуществления HEGO-модель используется, чтобы обновлять активность каталитического нейтрализатора в реальном времени, вместо коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора. Модель каталитического нейтрализатора включает в себя набор усредненных по оси обыкновенных дифференциальных уравнений, которые вычисляют, для продольной оси канала каталитического нейтрализатора, баланс в текучей фазе каталитического нейтрализатора для каждых частиц, баланс в покрытии из пористого оксида для каждых частиц, баланс энергии текучей фазы и покрытия из пористого оксида, и баланс окисления/восстановления окиси церия в каталитическом нейтрализаторе. На этапе 408 общая способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора определяются из модели каталитического нейтрализатора, которая будет объяснена более подробно со ссылкой на фиг. 5 ниже. На этапе 410 регулируется впрыск топлива, чтобы поддерживать требуемое состояние частичного окисления. Например, может быть желательным поддерживать состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора (например, частичное окисление окиси церия в каталитическом нейтрализаторе) на требуемом уровне, откалиброванном на основании нагрузки двигателя и температуры для оптимального функционирования, таком как 50%.

На этапе 412 определяется, больше ли общая способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора, чем пороговое значение. Общая способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора указывает состояние каталитического нейтрализатора, например, новый каталитический нейтрализатор будет иметь относительно высокую способность накопления кислорода, в то время как каталитический нейтрализатор с ухудшившимися характеристиками будет иметь относительно низкую способность накопления кислорода вследствие уменьшившейся способности окиси церия к накоплению кислорода. Общая способность накопления кислорода нового каталитического нейтрализатора может быть определена на основании количества окиси церия, присутствующего в каталитическом нейтрализаторе во время производства, или может быть определена во время первоначальной работы каталитического нейтрализатора. Пороговое значение может быть подходящим пороговым значением, ниже которого каталитический нейтрализатор перестает эффективно управлять выбросами. Если общая способность накопления кислорода больше, чем пороговое значение, ухудшение не указывается на этапе 414, и тогда способ возвращается на этап 400. Если общая способность накопления кислорода не больше, чем пороговое значение, т.е., если способность накопления кислорода меньше, чем пороговое значение, ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора указывается 416, и предпринимается действие по умолчанию. Действие по умолчанию может включать в себя уведомление водителя транспортного средства посредством лампы индикатора неисправности, настройку диагностического кода и/или корректировку рабочих параметров двигателя для того, чтобы уменьшать выработку выбросов. Способ 400 затем снова осуществляется.

Фиг. 5 - это блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ 500 определения состояния окисления каталитического нейтрализатора с помощью модели каталитического нейтрализатора. Способ 500 может выполняться системой 14 управления двигателем во время выполнения способа 400 на фиг. 4. На этапе 502 вычисляется баланс массы для текучей фазы каталитического нейтрализатора для каждых частиц. Баланс массы учитывает перенос массы частиц из текучей фазы на покрытие из пористого оксида. Баланс массы для текучей фазы может быть вычислен с помощью следующего уравнения (1):

где - это молярная доля газообразных частиц в объеме текучей фазы, - это молярная доля частиц в покрытии из пористого оксида, - это гидравлический радиус канала, - это средняя скорость подаваемого газа, L - это длина каталитического нейтрализатора, а - это коэффициент переноса массы между текучей средой и покрытием из пористого оксида, определенный как:

Здесь, k_me и k_mi – это коэффициенты переноса внешней и внутренней массы.

На этапе 504 баланс массы для покрытия из пористого оксида для каждых частиц, который учитывает вклад от переноса массы с поверхности взаимодействия в объем покрытия из пористого оксида и расход вследствие реакции, вычисляется с помощью следующего уравнения (2):

где r − это скорость реакции, ε_w − это пористость покрытия из пористого оксида, υ представляет стехиометрическую матрицу, δ_c − это толщина покрытия из пористого оксида.

На этапе 506 баланс энергии для текучей фазы вычисляется с помощью следующего уравнения (3):

где − это средняя плотность газа, − это температура текучей фазы, T_fⁱⁿ представляет температуру подаваемого газа на входе, − это температура твердой фазы, − это удельная теплоемкость, и h – это коэффициент теплопередачи.

На этапе 508 баланс энергии для покрытия из пористого оксида вычисляется с помощью уравнения (4):

где − это толщина покрытия из пористого оксида, а − эффективная толщина стенок.

На этапе 510 скорость окисления окиси церия вычисляется с помощью следующего уравнения (5):

где - это состояние частичного окисления окиси церия (FOS),

Скорость накопления (r₂), и скорость выпуска (r₃), кислорода из окиси церия могут быть основаны на следующих уравнениях:

где a_c - это активность каталитического нейтрализатора или параметр износа каталитического нейтрализатора. Параметр износа каталитического нейтрализатора указывает состояние накопления кислорода каталитического нейтрализатора. Например, когда каталитический нейтрализатор изнашивается, его способность к накоплению кислорода может уменьшаться. В одном примере параметр износа, равный единице, указывает новый каталитический нейтрализатор, с уменьшающимся параметром износа, указывающим уменьшившуюся способность к накоплению кислорода. Параметр износа может быть основан на объемных оценках соотношения воздух/топливо выше по потоку, соотношения воздух/топливо ниже по потоку, массы воздуха и температуры. В некоторых вариантах осуществления параметр износа может быть вычислен из предварительно определенного коэффициента работоспособности каталитического нейтрализатора, описанного со ссылкой на фиг. 2. В другом варианте осуществления HEGO-модель используется последовательно с моделью каталитического нейтрализатора, чтобы оценивать HEGO-напряжение ниже по потоку, и затем, с помощью измеренного HEGO-напряжения, вычисляется ошибка, которая используется, чтобы обновлять активность каталитического нейтрализатора. Выражения A и E указывают предэкспоненциальный множитель и энергию активации, соответственно. A и E - это настраиваемые параметры, которые могут быть оптимизированы автономно, с помощью генетического алгоритма или другой нелинейной оптимизации в заданных пределах.

На этапе 512 определяются состояние частичного окисления (FOS) и общая способность накопления кислорода (TOSC). FOS может быть определено с помощью уравнения для выше и дополнительно на основании уравнения (6):

Поскольку общий баланс элементарных частиц (например, C, H и O) не изменяется (если не существует накопления или выпуска в каталитическом нейтрализаторе), величина изменения кислорода от входной концентрации может быть приписана изменению в FOC окиси церия. Дополнительно, это уравнение может быть использовано, чтобы подтверждать модель посредством сравнения вычисленных концентраций частиц с измеренным соотношением воздух-топливо, как выше, так и ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

TOSC представляет общую способность накопления кислорода, и поскольку каждая молекула окиси церия (Ce₂O₃) хранит половину моли кислорода, TOSC может быть эквивалентна половине всей способности окиси церия.

На этапе 514 выбросы из выхлопной трубы могут быть вычислены с помощью изменения в концентрации частиц на выходе каталитического нейтрализатора. В некоторых вариантах осуществления, если выбросы регулируемых частиц NOx, CO и HC выше порогового значения, работа двигателя может быть откорректирована, чтобы уменьшать выбросы, например, увеличивая EGR для того, чтобы снижать NOx. После вычисления выбросов из выхлопной трубы способ 500 снова осуществляется.

Таким образом, способы 400 и 500, представленные выше относительно фиг. 4 и 5, предоставляют способ работы двигателя, включающий в себя каталитический нейтрализатор. Способ содержит определение активности каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированными выходными данными датчика выхлопного газа и измеренными выходными значениями датчика выхлопного газа; применение активности каталитического нейтрализатора и множества концентраций входных частиц выхлопа к модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя набор усредненных по оси балансов масс и балансов энергий текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора, чтобы определять общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора; поддержание требуемого соотношения воздух-топливо на основании общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; и указание ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода меньше, чем пороговое значение. Таким образом, все частицы выхлопного газа могут быть введены в модель каталитического нейтрализатора, которая усредняет по оси динамические характеристики каталитического нейтрализатора, такие как температура, состав и т.д. На основании модели каталитического нейтрализатора может управляться соотношение воздух-топливо, и может быть указано ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора.

В то время как вариант осуществления, описанный относительно фиг. 4 и 5, вычисляет баланс массы для семи отдельных частиц выхлопного газа (CO, HC, NOx, H₂, H₂O и CO₂), таким образом, позволяя наблюдение за каждыми частицами, в некоторых вариантах осуществления могут наблюдаться только одни выбранные частицы или комбинация частиц. Например, вместо вычисления баланса массы для каждых отдельных частиц, частицы могут быть сгруппированы в окислители (например, O₂ и NOx) и восстановители (например, HC, CO и H₂). Дополнительно или альтернативно, может наблюдаться только изменение в концентрации требуемых регулируемых выбросов, таких как CO, HC и NOx.

Следует отметить, что конфигурации и процедуры, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются примерными по сути, и что эти конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящей заявки.

Последующая формула изобретения в частности указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новых и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы изобретения включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой изобретения посредством изменения настоящей формулы изобретения или представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается в качестве включенной в предмет настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к машиностроению, а именно к устройствам и способам управления с обратной связью соотношением воздух-топливо в двигателях внутреннего сгорания. Способ уменьшения выхлопа двигателя включает этап, на котором регулируют объем впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора. При этом состояние частичного окисления основано на скоростях реакции множества частиц выхлопного газа по продольной оси каталитического нейтрализатора и наборе усредненных по оси уравнений баланса массы и баланса энергии для текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора. Также раскрыт вариант способа уменьшения выхлопа двигателя и система для уменьшения выхлопа двигателя. Технический результат заключается в уменьшении ресурсов обработки, предназначенных для модели каталитического нейтрализатора, а также в улучшении управление выбросами за счет поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ уменьшения выхлопа двигателя, включающий этап, на котором:

регулируют объем впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем состояние частичного окисления основано на скоростях реакции множества частиц выхлопного газа по продольной оси каталитического нейтрализатора и наборе усредненных по оси уравнений баланса массы и баланса энергии для текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий этап, на котором определяют оцененную общую способность накопления кислорода.

3. Способ по п. 2, дополнительно включающий этап, на котором указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если общая способность накопления кислорода ниже пороговой способности или если определяемая активность каталитического нейтрализатора ниже откалиброванного порогового значения.

4. Способ по п. 2, в котором определение общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления дополнительно включает этап, на котором определяют концентрации выходных частиц на основании концентраций входных частиц.

5. Способ по п. 4, в котором концентрации входных частиц определяются на основании массы воздуха, температуры, соотношения воздух/топливо выхлопа и скорости вращения двигателя.

6. Способ по п. 1, в котором скорости реакции множества частиц выхлопного газа и состояние частичного окисления дополнительно основаны на определяемом коэффициенте работоспособности каталитического нейтрализатора.

7. Способ по п. 1, в котором объем впрыска топлива дополнительно регулируется на основании входных данных от датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

8. Способ по п. 1, в котором объем впрыска топлива регулируется для того, чтобы поддерживать состояние частичного окисления на пороговом уровне, откалиброванном на основании нагрузки двигателя и температуры.

9. Система для уменьшения выхлопа двигателя, содержащая:

каталитический нейтрализатор, расположенный в выхлопной системе двигателя;

контроллер, включающий в себя инструкции, для:

определения активности каталитического нейтрализатора, общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании модели каталитического нейтрализатора, которая отслеживает изменение в концентрации частиц в каталитическом нейтрализаторе с помощью набора усредненных по оси уравнений баланса массы и баланса энергии для текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора; и

указания ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода ниже порогового значения.

10. Система по п. 9, в которой общая способность накопления кислорода является функцией оцененной ошибки между спрогнозированным согласно модели напряжением датчика выхлопного газа и измеренным напряжением датчика выхлопного газа.

11. Система по п. 10, в которой коэффициент работоспособности каталитического нейтрализатора основан на соотношении воздух/топливо выше по потоку, соотношении воздух/топливо ниже по потоку, воздушной массе и температуре.

12. Система по п. 9, в которой контроллер содержит дополнительные инструкции для регулирования объема впрыска топлива в двигатель, если состояние частичного окисления находится вне порогового диапазона.

13. Система по п. 9, дополнительно содержащая определение концентрации входных частиц на основании массы воздуха, температуры, соотношения воздух/топливо выхлопа и скорости вращения двигателя.

14. Система по п. 13, в которой входные частицы содержат одно или более из СО, НС, NOx, Н₂, Н₂О, О₂ и СО₂.

15. Система по п. 9, в которой каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

16. Способ уменьшения выхлопа двигателя, содержащего каталитический нейтрализатор, включающий этапы, на которых:

определяют активность каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированными выходными данными датчика выхлопного газа и измеренными выходными данными датчика выхлопного газа;

применяют активность каталитического нейтрализатора и множество концентраций входных частиц выхлопа к модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя набор усредненных по оси балансов масс и балансов энергий текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора для определения общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора;

поддерживают требуемое соотношение воздух-топливо на основании общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; и

указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода ниже порогового значения.

17. Способ по п. 16, в котором состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора дополнительно содержит состояние частичного окисления окиси церия в каталитическом нейтрализаторе, определяемое на основании изменения концентрации кислорода в каталитическом нейтрализаторе.

18. Способ по п. 16, в котором входные частицы выхлопа содержат СО, НС, NOx, H₂, Н₂О, О₂ и СО₂ и в котором применение множества концентраций входных частиц выхлопа к набору усредненных по оси балансов масс и балансов энергий текучей фазы и покрытия из пористого оксида каталитического нейтрализатора дополнительно включает этап, на котором применяют совокупные концентрации окислителей и совокупные концентрации восстановителей.

19. Способ по п. 16, в котором требуемое соотношение воздух-топливо дополнительно поддерживается на основании входных данных от датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

20. Способ по п. 16, в котором активность каталитического нейтрализатора указывает общую способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора.