СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ВЫБРОСОВ NOx НА ВЫХОДЕ ДВИГАТЕЛЯ ИЗ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F02D35/00 F01N3/20 F01N9/00 F01N11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к системе и способу калибровки для управления выбросами NO_x на выходе двигателя. В частности, изобретение относится к системе и способу калибровки, приспособленным для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

NO_x - общее обозначение для одноазотных оксидов NO и NO₂ (окиси азота и оксида азота). Они производятся в ходе реакции газообразных азота и кислорода в воздухе во время сгорания, в частности, при высоких температурах. В зонах с интенсивным дорожным движением выбросы NO_x могут быть значительными, так как они могут вступать в реакцию для формирования смога и кислотного дождя.

Основным источником производства NO_x из азотсодержащих видов топлива, таких как нефть, является превращение связанного азота топлива в NO_x во время сгорания. Во время сгорания связанный азот в топливе высвобождается в качестве свободного радикала и, в конечном счете, образует свободный N₂ или NO. Выбросы NO_x могут доходить до настолько больших величин, как 50% от суммарных выбросов из сгорания нефти.

Законодательство по выбросам продолжает меняться с неизменно возрастающими требованиями к низким выбросам от правительственных органов. Например, европейские и американские власти строго регламентируют выбросы NO_x и твердых частиц из транспортных средств. В 1990-х выбросы по стандарту Euro 3 были достигнуты с использованием высоких давлений впрыска для низких выбросов твердых частиц и использовали подвергнутый запаздыванию впрыск для более низких выбросов NO_x. Выбросы NO_x, установленные согласно Euro 4, оказались трудно достижимыми, и некоторые производители транспортных средств внедрили охлажденные рециркулированные выхлопные газы (EGR) для снижения NO_x. EGR возвращает захваченные выхлопные газы в камеру сгорания двигателя, тем самым повышая экономию топлива и снижая выбросы. Было обнаружено, что 25% EGR могут производить снижение на 50% выбросов NO_x.

Некоторые производители транспортных средств использовали устройства последующей обработки, такие как избирательное каталитическое восстановление (SCR) и/или уловители обедненных NO_x (LNT) для снижения выбросов NO_x из выхлопной трубы.

Как описано выше, известно, что устройства последующей обработки, такие как устройства LNT и SCR, могут использоваться для снижения количества NO_x, выбрасываемого транспортными средствами. Однако эти устройства нужно периодически очищать, чтобы они могли продолжать накапливать NO_x. Эффективность процесса обработки и накопления меняется в показателях нежелательных выбросов других категорий (например, материала твердых частиц, таких как сажа) или расхода топлива согласно состоянию/режиму двигателя и условиям последующей обработки. Некоторые из устройств последующей обработки NO_x полагаются на впрыск добавок в выхлопные газы выше по потоку от устройства. Количество добавок нужно эффективно регулировать, чтобы выбросы NO_x из выхлопной трубы после обработки находились в пределах регулирующих нормативов, установленных властями.

С непрерывным давлением, возлагаемым на производителей транспортных средств, производить транспортные средства, которые эффективны по низким выбросам, очевидно, что требуется дополнительное усовершенствование системы двигателя, которое соответствует строгим регулятивным нормам в настоящем и будущем, к тому же обеспечивая эффективность и производительность, ожидаемые со стороны потребителя.

Требуется предложить систему, которая обеспечивает улучшенную надежность касательно уровня выбросов NO_x.

Также требуется предложить систему, посредством которой управляют количеством выбросов NO_x на выходе двигателя, чтобы также управлять нагрузкой на устройства последующей обработки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения предложен способ калибровки выбросов NO_x на выходе двигателя из дизельного двигателя, включающий в себя этапы, на которых:

получают состояния одного или более устройств последующей обработки; и

управляют одним или более параметрами двигателя для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя на основании состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки.

Следует понимать, что термин «на выходе двигателя» в качестве используемого выше относится к выбросам, которые не подверглись никакой последующей обработке. В противоположность, ниже делается ссылка на выбросы в выхлопе, следует понимать, что выбросы в выхлопе упоминаются как выбросы в атмосферу вслед за последующей обработкой.

Преимущественно регулирование параметров двигателя на основании измеренного или оцененного состояния одного или более устройств последующей обработки может давать более эффективную систему и обеспечивать систему, требующую менее обременительного режима технического обслуживания.

Измерение состояния одного или более устройств последующей обработки может включать в себя физические датчики для установления состояния каждого устройства последующей обработки. Оценка состояния одного или более устройств последующей обработки может использовать параметры, такие как наработка устройства последующей обработки, условия вождения и выхлопных газов во время использования устройства последующей обработки, при этом условия вождения могут оказывать влияние на режим/состояние устройств последующей обработки, и по существу эти параметры могут использоваться для оценки или прогнозирования состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки.

Как определено выше, первый аспект изобретения направлен на увеличение или уменьшение выбросов NO_x двигателя. Вследствие строгих норм, заложенных для регламентации выбросов, следует понимать, что увеличение выбросов NO_x на любой стадии процесса сгорания кажется идущим против нормальных и традиционных способов, так как общая задача состоит в том, чтобы снижать выбросы NO_x. Однако благодаря мониторингу состояния посредством измерения или оценки одного или более устройств последующей обработки увеличение выбросов NO_x на выходе двигателя может быть уместным, когда состояние одного или более устройств последующей обработки идентифицировано в качестве, по существу, не имеющего изъянов или когда идентифицирована высокая эффективность. Более того, если устройство последующей обработки, которое выполнено с возможностью фильтрации материалов твердых частиц, найдено неэффективным, повышение уровня выбросов NO_x на выходе двигателя обладает эффектом снижения выброса твердых частиц.

В этой связи следует понимать, что увеличение или уменьшение выбросов NO_x на выходе двигателя оказывает воздействие на выработку сажи или произведенный материал твердых частиц. Есть компромисс в тех случаях, поскольку, когда выбросы NO_x на выходе двигателя возрастают, как правило, обнаружено, что выработка сажи должна снижаться. Подобным образом, когда выбросы NO_x уменьшаются, обнаружено, что выработка сажи, как правило, должна повышаться. Поэтому посредством снижения NO_x большая нагрузка прикладывается к дизельному сажевому фильтру (DPF), и по существу эффективность фильтрации DPF может быстро ухудшаться. Поэтому, если выбросы NO_x на выходе двигателя увеличиваются, соответствующий уровень сажи снижается и, по существу, обеспечивается долговечность DPF.

Изобретение поэтому обеспечивает способ продления срока службы всех устройств последующей обработки наряду с удовлетворением строгих норм выбросов, при этом наиболее важными выбросами являются те, которые измеряют на выходе из системы выпуска.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровни повышенного расхода топлива.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают серное загрязнение устройства последующей обработки.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровни топлива в масле.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают эффективность накопления устройства накопления NO_x.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровень добавки в резервуаре на выходе из двигателя.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают выбросы оксида углерода или углеводородных продуктов.

В одном из вариантов предложен способ, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровни загрузки дизельного сажевого фильтра.

Способ дополнительно может включать себя этап, на котором сверяют измеренные или оцененные уровни загрузки в отношении устройств последующей обработки и увеличивают или уменьшают выбросы NO_x на выходе двигателя посредством регулирования основных параметров двигателя.

В одном из вариантов предложен способ, в котором управление одним или более параметрами двигателя включает в себя этап, на котором управляют массовым расходом рециркуляции выхлопных газов, и/или управляют объемом впрыскиваемого топлива, и/или управляют установкой момента впрыска топлива, и/или управляют давлением направляющей распределителя и давлением наддува, чтобы увеличивать или уменьшать выбросы NO_x на выходе двигателя.

В одном из вариантов предложен способ, включающий в себя этап, на котором регулируют один или более параметров двигателя для увеличения выбросов NO_x на выходе двигателя выше заданного уровня при условии, что на этапе получения состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки была измерена или оценена эффективность окисления выше заданного уровня и/или были измерены или оценены уровни материала твердых частиц в сажевом фильтре последующей обработки выше заданного значения, указывающего низкую эффективность фильтрации.

В одном из вариантов предложен способ, включающий в себя этап, на котором регулируют один или более параметров двигателя для уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя ниже заданного уровня при условии, что на этапе получения состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки был измерен или оценен повышенный расход топлива выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены уровни серы выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены уровни топлива в масле выше заданного уровня, и/или была измерена или оценена эффективность накопления в устройстве последующей обработки с накоплением NO_x ниже заданного уровня или уровень загрузки NO_x в устройстве последующей обработки с накоплением NO_x выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены выбросы оксида углерода или углеводородов питающих газов выше заданного уровня, и/или была измерена или оценена высокая эффективность фильтрации устройства сажевого фильтра выше заданной эффективности.

Согласно второму аспекту изобретения предложена система управления, выполненная с возможностью калибровки выбросов NO_x на выходе двигателя из дизельного двигателя, содержащая:

средство получения состояния одного или более устройств последующей обработки; и

средство управления одним или более параметрами двигателя для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя на основании состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки.

В одном из вариантов предложена система управления, в которой средство управления параметрами двигателя содержит средство управления массовым расходом рециркуляции выхлопных газов, и/или средство управления количеством впрыска топлива, и/или средство управления установкой момента впрыска топлива, и/или средство управления давлением направляющей распределителя и/или массовым расходом воздуха, протекающим в двигатель, и давлением наддува.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения далее будут описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичное представление моторного транспортного средства, содержащего двигатель и устройства последующей обработки выбросов двигателя; и

фиг.2 - блок-схема последовательности операций способа, представляющего модель регулирования выбросов NO_x на выходе двигателя, согласно варианту осуществления изобретения.

ОПИСАНИЕ НАИБОЛЕЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 - схематичное представление транспортного средства 10, которое содержит дизельный двигатель 12, массив устройств 14 последующей обработки и выпускную или выхлопную трубу 16.

Стрелки 18, 20 и 22 представляют поток продуктов выделения или выбросов, которые содержат выхлопные газы и твердые частицы в качестве продуктов выделения из процесса сгорания внутри двигателя 12. Стрелка 18 представляет поток выхлопных газов и твердых частиц, выходящий из двигателя (выбросы на выходе двигателя). Стрелка 20 представляет поток выхлопных газов и твердых частиц через устройства последующей обработки, а стрелка 22 представляет выхлоп выхлопных газов в атмосферу (выбросы в выхлопе).

Примерами устройств последующей обработки являются дизельный сажевый фильтр (DPF), избирательные каталитические восстановители (SCR) и устройства уловителя обедненных NO_x (LNT). Каждое из устройств 14 последующей обработки выполнено с возможностью обработки и фильтрации выбросов 18 на выходе двигателя, чтобы уровни выбросов 22 в выхлопе из выхлопной трубы 16 снижались до приемлемых уровней. Уровни выбросов строго регламентированы национальными и международными стандартами.

Варианты осуществления изобретения, в частности, относятся к регулированию выбросов NO_x на выходе двигателя. Как следствие изменения выбросов NO_x на выходе двигателя, выбросы твердых частиц, как правило, находятся под влиянием, как будет дополнительно описано ниже со ссылкой на фиг.2.

Фиг.2 показывает схематичное представление модели решения, посредством которой регулируют выбросы NO_x на выходе двигателя.

На фиг.2 прямоугольники 101-109, каждый, указывают разные параметры, которые оказывают непосредственное влияние на выбросы NO_x из выхлопной трубы, и по существу в зависимости от их состояния можно регулировать выбросы 18 на выходе двигателя, чтобы устройства 14 последующей обработки были использованы оптимально. Например, когда эффективность или полезность устройств 14 последующей обработки была измерена или оценена в качестве находящейся вблизи эффективности в 100%, логично считать, что было бы приемлемым, чтобы высокие выбросы NO_x на выходе двигателя приводили к выбросам на выходе выхлопной трубы на уровне в пределах регулирующих норм. Увеличение выбросов NO_x на выходе двигателя приводит к снижению выбросов сажи на выходе двигателя, а потому увеличивает долговечность DPF.

Со ссылкой на фиг.2, прямоугольник 101 представляет этап, на котором измеряют или оценивают повышенный расход топлива очистительного цикла последующей обработки NO_x. Прямоугольник 102 представляет этап, на котором измеряют или оценивают уровни серы в качестве индикатора серного загрязнения устройства последующей обработки NO_x. Прямоугольник 103 представляет этап, на котором измеряют или оценивают уровни топлива в масле. Прямоугольник 104 представляет этап, на котором измеряют или оценивают уровень загрузки устройства накопления NO_x. Прямоугольник 105 представляет этап, на котором измеряют или оценивают накопительную емкость/эффективность устройства накопления NO_x. Прямоугольник 106 представляет этап, на котором измеряют или оценивают уровень добавок в резервуаре, принимающем выбросы на выходе двигателя перед выталкиванием выбросов в устройства последующей обработки. Прямоугольник 107 представляет этап, на котором измеряют или оценивают эффективность окислительного устройства последующей обработки. Прямоугольник 108 представляет этап, на котором измеряют или оценивают выбросы питающих газов, таких как оксид углерода или углеводороды. Прямоугольник 109 представляет этап, на котором измеряют или оценивают уровень загрузки и/или эффективности устройства последующей обработки сажи, например, DPF.

Прямоугольник 110 представляет этап принятия решения, на котором определяют, должны ли выбросы NO_x на выходе двигателя быть увеличены выше заданного уровня или уменьшены ниже заданного уровня. Измерения или оценки, полученные на каждом из этапов 101-109, учитывают и сопоставляют на этапе 110 для определения, должен ли уровень изменения выбросов NO_x на выходе двигателя быть увеличен или уменьшен относительно заданного уровня.

Прямоугольник 112 представляет этап в процессе, на котором уровни NO_x на выходе двигателя уменьшают ниже заданного уровня, а прямоугольник 114 представляет этап, на котором уровни NO_x на выходе двигателя увеличивают выше заданного уровня.

Например, уровни NO_x на выходе двигателя уменьшают ниже заданного уровня в тех случаях, когда на этапах измерения или оценки, представленных прямоугольниками 101-109, обнаруживают высокий повышенный расход 101 топлива, при этом повышенный расход топлива находится выше заданного уровня, высокое серное загрязнение 102, при этом уровень серы является большим, чем заданное значение, высокие уровни 103 топлива в масле, при этом уровень топлива в масле является большим, чем заданный уровень, высокую загрузку 104 NO_x, при этом устройство накопления NO_x содержит в себе уровень NO_x выше заданного уровня, и эффективность 105 накопления устройства накопления NO_x поэтому ограничена, и высокие выбросы 108 питающих газов углеводородов и оксида углерода находятся выше заданного уровня.

В качестве дополнительного примера уровни выбросов NO_x на выходе двигателя увеличивают выше заданного уровня в тех случаях, когда устройство 105 накопления NO_x имеет емкость для накопления большего количества NO_x, и в то время как эффективность такого накопления высока, когда высоки уровни 106 добавок, то есть уровень добавок является большим, чем заданный уровень, когда высока эффективность 107 окисления, то есть является большей, чем заданное значение, и когда устройство 109 последующей обработки сажи содержит в себе высокие уровни сажи, а потому уменьшена емкость для накопления сажи. Как обсуждено выше, увеличение уровня выбросов NO_x на выходе двигателя, как правило, связано со снижением уровня вырабатываемой сажи.

Выбросы NO_x на выходе двигателя увеличивают или уменьшают посредством регулирования параметров двигателя, которые обладают непосредственным влиянием на уровень выделяемых NO_x. Например, уровень выбросов NO_x на выходе двигателя может изменяться посредством регулирования установки момента впрыска топлива, объема впрыскиваемого топлива, давления направляющей-распределителя, давления наддува и массового расхода наддува и массового расхода рециркуляции выхлопных газов (EGR). Посредством регулирования параметров двигателя эффективность сгорания изменяется, и по существу уровень выбросов NO_x на выходе двигателя может управляться прогнозируемым образом, и по существу уровни можно увеличивать и уменьшать по требованию.

Несмотря на то, что выше были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что отклонения от описанных вариантов осуществления по-прежнему могут подпадать под объем изобретения.

Изобретение относится к системе и способу калибровки для управления выбросами NO_x. Предложен способ калибровки выбросов NO_x дизельного двигателя, включающий этапы, на которых получают состояние одного или более устройств последующей обработки и управляют одним или более параметрами двигателя для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя на основании состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки, при этом получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают серное загрязнение устройства последующей обработки, или уровни топлива в масле, или эффективность накопления устройства накопления NO_x, или уровень добавки в резервуаре на выходе из двигателя. Техническим результатом является создание системы, посредством которой управляют количеством выбросов NO_x на выходе двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ калибровки выбросов NO_x на выходе двигателя из дизельного двигателя, включающий этапы, на которых:

получают состояние одного или более устройств последующей обработки; и

управляют одним или более параметрами двигателя для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя на основании состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки,

при этом получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают серное загрязнение устройства последующей обработки, или уровни топлива в масле, или эффективность накопления устройства накопления NO_x, или уровень добавки в резервуаре на выходе из двигателя.

2. Способ по п. 1, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровни повышенного расхода топлива.

3. Способ по п. 1, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают выбросы оксида углерода или углеводородных продуктов.

4. Способ по п. 1, в котором получение состояния конкретного или каждого устройства последующей обработки включает в себя этап, на котором измеряют или оценивают уровни загрузки дизельного сажевого фильтра.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором управление одним или более параметрами двигателя включает в себя этап, на котором управляют массовым расходом рециркуляции выхлопных газов, и/или управляют объемом впрыскиваемого топлива, и/или управляют установкой момента впрыска топлива, и/или управляют давлением направляющей-распределителя и давлением наддува.

6. Способ по п. 5, включающий в себя этап, на котором регулируют один или более параметров двигателя для увеличения выбросов NO_x на выходе двигателя выше заданного уровня при условии, что на этапе получения состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки была измерена или оценена эффективность окисления выше заданного уровня и/или были измерены или оценены уровни материала твердых частиц в сажевом фильтре последующей обработки выше заданного значения, указывающего низкую эффективность фильтрации.

7. Способ по п. 5, включающий в себя этап, на котором регулируют один или более параметров двигателя для уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя ниже заданного уровня при условии, что на этапе получения состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки был измерен или оценен повышенный расход топлива выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены уровни серы выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены уровни топлива в масле выше заданного уровня, и/или была измерена или оценена эффективность накопления в устройстве последующей обработки с накоплением NO_x ниже заданного уровня, или уровень загрузки NO_x в устройстве последующей обработки с накоплением NO_x выше заданного уровня, и/или были измерены или оценены выбросы оксида углерода или углеводородов питающих газов выше заданного уровня, и/или была измерена или оценена высокая эффективность фильтрации устройства сажевого фильтра выше заданной эффективности.

8. Система управления, выполненная с возможностью калибровки выбросов NO_x на выходе двигателя из дизельного двигателя способом по любому из пп. 1-7, содержащая:

средство получения состояния одного или более устройств последующей обработки; и

средство управления одним или более параметрами двигателя для увеличения или уменьшения выбросов NO_x на выходе двигателя на основании состояния конкретного или каждого из устройств последующей обработки.

9. Система по п. 8, в которой средство управления параметрами двигателя содержит средство управления массовым расходом рециркуляции выхлопных газов, и/или средство управления количеством впрыска топлива, и/или средство управления установкой момента впрыска топлива, и/или средство управления давлением направляющей распределителя и/или массовым расходом воздуха, протекающим в двигатель, и давлением наддува.