СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F01N11/00 F02D41/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится к регулированию с обратной связью соотношения топливо/воздух в двигателе внутреннего сгорания.

ПРЕДПОСЫЛКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эффективная нейтрализация выбросов отработавших газов в бензиновом двигателе включает в себя поддержание соотношения топливо/воздух в узком околостехиометрическом интервале. Однако во время реальной работы двигателя могут возникать незначительные отклонения от стехиометрии. Для увеличения рабочего интервала и, таким образом, улучшения характеристик по выбросам, каталитические нейтрализаторы часто включают в себя оксид церия, чтобы предусмотреть буфер для накопления кислорода. Для поддержания оптимальных рабочих характеристик каталитического нейтрализатора накопленный кислород может поддерживаться на требуемом заданном значении, калиброванном на основании нагрузки и температуры двигателя, с помощью регулирования с обратной связью соотношения топливо/воздух в двигателе.

Однако изобретатели в рамках настоящей заявки осознали проблему, связанную с вышеприведенным подходом. Определение уровня накопленного кислорода в каталитическом нейтрализаторе типично подразумевает использование физической модели каталитического нейтрализатора, которая включает в себя множество дифференциальных уравнений в частных производных в одном или более измерений. Такая модель может быть трудной в реализации и может требовать большей вычислительной мощности, чем типично имеется в распоряжении в контроллере двигателя.

Таким образом, в одном из примеров, вышеприведенная проблема может быть по меньшей мере частично решена способом для системы выпуска двигателя. В одном из вариантов осуществления способ включает настройку величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем состояние частичного окисления основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса для фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, а также основано на обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух.

В еще одном примере способ выпуска отработавших газов из двигателя включает настройку величины впрыска топлива на основании: состояния частичного окисления (FOS) каталитического нейтрализатора относительно заданного значения FOS, причем FOS основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса, а также на отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика HEGO относительно заданного значения HEGO, причем заданные значения FOS и HEGO привязаны друг к другу.

Согласно первому аспекту изобретения предложен способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя настройку величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем состояние частичного окисления основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса для фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, а также на основании отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух.

Предпочтительно, способ по первому аспекту дополнительно включает настройку впрыска топлива с помощью первого контроллера на основании обратной связи от расположенного выше по потоку датчика соотношения топливо/воздух. При этом расположенный выше по потоку датчик находится выше по потоку от каталитического нейтрализатора, а расположенный ниже по потоку датчик находится ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

Предпочтительно, в способе по первому аспекту впрыск топлива настраивают по состоянию частичного окисления посредством второго контроллера, тогда как одновременно настраивают впрыск топлива по отдельной обратной связи посредством третьего контроллера, отдельного от первого и второго контроллеров. При этом заданное значение кислорода отработавших газов, выдаваемое в третий контроллер, и заданное значение состояния частичного окисления, выдаваемое во второй контроллер, хранятся, каждое, в памяти в контроллере и индексируются по меньшей мере одним общим параметром, действующим в качестве условия эксплуатации. При этом условие эксплуатации предпочтительно включает в себя число оборотов двигателя и/или нагрузку двигателя.

Предпочтительно, способ по первому аспекту дополнительно включает определение оценочной общей способности к накоплению кислорода и указывание ухудшения каталитического нейтрализатора, если общая способность к накоплению кислорода ниже порогового значения способности или если определенная активность каталитического нейтрализатора ниже калиброванного порогового значения. При этом, предпочтительно, определение общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления дополнительно включает определение концентраций веществ на выходе на основании концентраций веществ на входе, причем концентрации веществ на входе определяют на основании массы воздуха, температуры, соотношения топливо/воздух в отработавших газах и числа оборотов двигателя. Также предпочтительно, скорости реакций множества веществ отработавших газов и состояние частичного окисления дополнительно основаны на определенном коэффициенте привеса каталитического нейтрализатора.

Согласно второму аспекту изобретения предложен способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя следующие этапы:

определяют активность каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированным выходным сигналом датчика отработавших газов и измеренным выходным сигналом датчика отработавших газов;

применяют активность каталитического нейтрализатора и множество концентраций веществ отработавших газов на входе в модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя систему аксиально усредненных балансов масс и энергетических балансов фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, для определения общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора;

поддерживают требуемое соотношение топливо/воздух на основании общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, а также на основании отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух, предусмотренной параллельно с состоянием частичного окисления; и

указывают ухудшение каталитического нейтрализатора, если активность или общая способность к накоплению кислорода каталитического нейтрализатора является меньшей, чем пороговое значение.

Предпочтительно, способ по второму аспекту дополнительно включает настройку впрыска топлива с помощью первого контроллера на основании обратной связи от расположенного выше по потоку датчика соотношения топливо/воздух. При этом расположенный выше по потоку датчик находится выше по потоку от каталитического нейтрализатора, а расположенный ниже по потоку датчик находится ниже по потоку от каталитического нейтрализатора. При этом предпочтительно в способе по второму аспекту впрыск топлива настраивают по состоянию частичного окисления посредством второго контроллера, тогда как одновременно настраивают впрыск топлива по отдельной обратной связи посредством третьего контроллера, отдельного от первого и второго контроллеров.

Предпочтительно, в способе по второму аспекту заданное значение кислорода в отработавших газах, выдаваемое в третий контроллер, и заданное значение состояния частичного окисления, выдаваемое во второй контроллер, хранятся, каждое, в памяти в контроллере и индексируются по меньшей мере одним общим параметром, действующим в качестве рабочего состояния.

Предпочтительно, в способе по второму аспекту условие эксплуатации включает в себя число оборотов двигателя и/или нагрузку двигателя.

Согласно третьему аспекту изобретения предложен способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя настройку величины впрыска топлива на основании:

состояния частичного окисления (FOS) каталитического нейтрализатора относительно заданного значения FOS, причем FOS основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса, и

отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика HEGO относительно заданного значения HEGO, причем заданные значения FOS и HEGO привязаны друг к другу.

Предпочтительно, в способе по третьему аспекту заданные значения FOS и HEGO привязаны друг к другу непосредственно.

Предпочтительно, в способе по третьему аспекту заданное значение FOS возрастает с повышением числа оборотов двигателя, а заданное значение HEGO убывает с повышением числа оборотов двигателя.

Настоящее раскрытие может предложить несколько преимуществ. Например, могут быть уменьшены ресурсы обработки, посвященные модели каталитического нейтрализатора. Кроме того, может быть улучшен контроль за токсичностью выбросов посредством поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. В дополнение, может отслеживаться выделение веществ отработавших газов, таких как HC, NOx и CO, или сгруппированных окислителей и восстановителей, и, если спрогнозирован прорыв, водитель транспортного средства может уведомляться об этом, и/или могут предприниматься дополнительные операции управления двигателем для регулирования выработки веществ отработавших газов. Еще одно преимущество настоящего подхода состоит в том, что он предлагает неинвазивный контроль за управлением и диагностикой, который является менее зависимым от расположения датчика, а значит, будет равным образом применим к системам каталитического нейтрализатора как частичного, так и полного объема. В заключение, посредством привязывания друг к другу двух заданных значений таким образом может улучшаться устойчивость контроллера наряду с ограничением сложности и усилий по калибровке.

Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут совершенно очевидны из последующего раздела «Подробное описание», при ознакомлении в отдельности или в связи с прилагаемыми чертежами.

Должно быть понятно, что вышеизложенная сущность изобретения приведена для знакомства в упрощенной форме с подборкой концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Она не предполагается указывающей ключевые или существенные признаки заявленного объекта изобретения, объем охраны которого определяется исключительно формулой изобретения, следующей за подробным описанием. Более того, заявленный объект изобретения не ограничен теми вариантами реализации, которые позволяют преодолеть какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого раскрытия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 схематически показывает примерную систему транспортного средства.

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

Фиг. 3 схематически показывает примерную схему стратегий управления по внутреннему и внешнему контуру в координации с модельной обратной связью.

Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая примерный способ контроля каталитического нейтрализатора согласно варианту осуществления настоящего раскрытия.

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

Фиг. 6 показывает графики подаваемых в контроллер заданных значений как функции различных параметров по фиг. 3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Для уменьшения прорыва выбросов каталитические нейтрализаторы могут использовать материал-накопитель кислорода, например, в виде оксида церия, чтобы обеспечивать буфер для кислорода во время отклонений обогащения или обеднения. Соотношение топливо/воздух, поступающих в каталитический нейтрализатор, может регулироваться так, чтобы состояние окисления каталитического нейтрализатора поддерживалось на требуемом уровне. В одной из примерных моделей по настоящему раскрытию концентрация различных веществ в отработавших газах, таких как H₂, CO, NOx, HC и O₂, от входа до выхода каталитического нейтрализатора может моделироваться с использованием упрощенной низкоразмерной модели. Эта модель учитывает сложную динамику каталитического нейтрализатора, например, диффузию и реакцию в тонком покрытии, а также старение каталитического нейтрализатора, и упрощает динамику до системы уравнений аксиально усредненной модели. Уравнения модели прослеживают баланс каждого из веществ отработавших газов в фазе текучей среды и в тонком покрытии каталитического нейтрализатора. Кроме того, модель компенсирует общий энергетический баланс в фазе текучей среды и тонком покрытии каталитического нейтрализатора.

В частности, модель может отслеживать изменение концентрации окислителей и восстановителей для того, чтобы определять состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, которое может использоваться для регулирования соотношения топливо/воздух в двигателе. Кроме того, коэффициент привеса каталитического нейтрализатора может определяться и применяться в модели для отслеживания изменения общей способности к накоплению кислорода, которая может указывать, ухудшился ли каталитический нейтрализатор или нет. Дополнительно, концентрация различных компонентов отработавших газов может использоваться для прогнозирования общих выбросов в выхлопной трубе. Фиг. 1 показывает примерный двигатель, включающий в себя каталитический нейтрализатор и систему управления. Фиг. 2-5 иллюстрируют различные процедуры управления, которые могут выполняться двигателем по фиг. 1.

Фиг. 1 показывает схематическое изображение системы 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства включает в себя двигатель 10 с множеством цилиндров 30. Двигатель 10 включает в себя впуск 23 и выпуск 25. Впуск 23 включает в себя дроссель 62, проточно связанный с впускным коллектором 44 двигателя через впускной канал 42. Выпуск 25 включает в себя выпускной коллектор 48, ведущий в выпускной канал 35, который направляет отработавшие газы в атмосферу. Выпуск 25 может включать в себя одно или более устройств 70 снижения токсичности выбросов, которые могут быть установлены в плотно соединенном положении в выпуске. Одно или более устройств снижения токсичности выбросов могут включать в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, уловитель обедненных NOx, дизельный или бензиновый сажевый фильтр, окислительный каталитический нейтрализатор и т.д. Может быть принято во внимание, что в состав двигателя могут входить и другие компоненты, такие как разнообразные клапаны и датчики.

Двигатель 10 может получать топливо из топливной системы (не показана), включающей в себя топливный бак и один или более насосов для повышения давления топлива, подаваемого в инжекторы (форсунки) 66 двигателя 10. Несмотря на то, что показан лишь один единственный инжектор 66, для каждого цилиндра предусмотрены дополнительные инжекторы (форсунки). Может быть принято во внимание, что топливная система может быть безвозвратной топливной системой, возвратной топливной системой или топливной системой различных других типов. В топливном баке может содержаться множество топливных смесей, в том числе, топливо с диапазоном концентраций спиртов, таким как различные бензинэтаноловые смеси, включая E10, E85, бензин и т.д., и их комбинации.

Система 6 транспортного средства дополнительно может включать в себя систему 14 управления. Система 14 управления показана принимающей информацию с множества датчиков 16 (различные примеры которых описаны здесь) и отправляющей сигналы управления на множество исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых описаны здесь). В качестве одного из примеров, датчики 16 могут включать в себя датчик 126 отработавших газов (такой как линейный датчик UEGO), расположенный выше по потоку от устройства снижения токсичности выбросов, датчик 128 температуры и расположенный ниже по потоку датчик 129 отработавших газов (такой как двоичный датчик HEGO). Другие датчики 124, 125, такие как датчики давления, температуры и состава, могут быть подсоединены к различным местоположениям в системе 6 транспортного средства, как подробнее обсуждено здесь. В одном из примеров исполнительный механизм может включать в себя «центр сообщений на приборной панели», включающий в себя операционный дисплей 82, где, в ответ на указание ухудшения каталитического нейтрализатора, водителю транспортного средства может выводиться сообщение, например, указывающее на необходимость в техническом обслуживании системы снижения токсичности выбросов. В качестве еще одного примера, исполнительные механизмы могут включать в себя топливные инжектор или форсунку 66 и дроссель 62. Система 14 управления может включать в себя контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные с различных датчиков, обрабатывать эти входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные на основании запрограммированных в нем команд или кода, соответствующих одной или более процедур. Примерные процедуры управления описаны здесь со ссылкой на фиг. 2-5.

Для диагностики каталитического нейтрализатора могут использоваться различные входные параметры в модель каталитического нейтрализатора. В одном из вариантов осуществления входные параметры могут включать в себя коэффициент привеса каталитического нейтрализатора, количество воздуха (AM), такое как массовый расход воздуха с датчика MAF, температуру каталитического нейтрализатора, оцененную на основании условий эксплуатации двигателя, таких как число оборотов, нагрузка и т.д., выходной сигнал HEGO и выходной сигнал UEGO. В некоторых вариантах осуществления все перечисленные выше примерные входные данные могут использоваться в модели каталитического нейтрализатора. В еще одном варианте осуществления модель HEGO может использоваться последовательно с моделью каталитического нейтрализатора. В такой модели оцененное моделью электрическое напряжение сравнивается с измеренным электрическим напряжением датчика (например, напряжением HEGO), и вычисленная ошибка затем используется для обновления активности каталитического нейтрализатора (a_c). Активность каталитического нейтрализатора используется в качестве показателя старения каталитического нейтрализатора для диагностики. Этот основанный на модели подход является неинвазивным и менее зависящим от расположения датчика HEGO, делая его равно действенным для каталитического нейтрализатора как частичного, так и полного объема. В других вариантах осуществления может использоваться только подмножество входных параметров, такое как температура каталитического нейтрализатора и коэффициент привеса каталитического нейтрализатора.

Коэффициент привеса каталитического нейтрализатора является рассчитываемой в процессе обработки оценкой способности каталитического нейтрализатора к накоплению кислорода, которая уменьшается по мере того, как каталитический нейтрализатор стареет, и проиллюстрирован на фиг. 2. Примерная функция по фиг. 2 показывает, что коэффициент привеса каталитического нейтрализатора является функцией массы воздуха, температуры каталитического нейтрализатора и относительного соотношения топливо/воздух в отработавших газах (например, лямбда). Коэффициент привеса каталитического нейтрализатора может быть указывающим на условия в каталитическом нейтрализаторе, такие как количество кислорода, накопленного в каталитическом нейтрализаторе, эффективность нейтрализации каталитического нейтрализатора и т.д.

Фиг. 2 иллюстрирует примерную функцию 200 расчета коэффициента привеса каталитического нейтрализатора по выходным сигналам датчиков UEGO и HEGO. Коэффициент привеса каталитического нейтрализатора может быть определен как линейная, не зависящая от времени система, которая реагирует в виде импульса на описанные выше входные сигналы. Определение коэффициента привеса каталитического нейтрализатора основывается на передаточных функциях (TF), которые представляют зависимость между входными сигналами и выходными сигналами в системе. Две передаточных функции (TF) показаны ниже в пространстве Лапласа, причем s является оператором Лапласа:

Передаточная функция 1 (TF1)

Передаточная функция 2 (TF2)

где w=conv(u,v) выполняет операцию свертки над векторами u и v. Алгебраически, свертка является такой же операцией, как умножение полиномов, чьи коэффициенты являются элементами u и v.

Определение коэффициента привеса каталитического нейтрализатора включает определение выходного сигнала TF1 с использованием входного сигнала от датчика HEGO на этапе 210. Этот выходной сигнал может подаваться на выход TF2, как будет подробнее описано ниже. На этапе 212 определяется разность между выходным сигналом датчика UEGO и лямбда (например, 1), и эта разность умножается на массу воздуха на этапе 214. Это произведение используется в качестве входного сигнала для TF2 на этапе 216. Так как коэффициент привеса каталитического нейтрализатора может рассчитываться и обновляться непрерывно, выходные сигналы определений коэффициента привеса каталитического нейтрализатора могут подаваться в функцию на этапе 218. Произведение TF2 и предыдущего коэффициента привеса каталитического нейтрализатора может прибавляться к выходному сигналу TF1 на этапе 220. На этапе 222 определяется разность между входным сигналом из датчика HEGO и произведением 220, и она умножается на выходной сигнал TF2 на этапе 224. Для определения коэффициента привеса каталитического нейтрализатора, K, на этапе 226 берется интеграл произведения, определенного на этапе 224.

Фиг. 3 включает в себя схему, изображающую стратегии управления по внутреннему контуру и внешнему контуру для поддержания соотношения топливо/воздух в двигателе. Двигатель 10 и устройство 70 снижения токсичности выбросов по фиг. 1 являются неограничивающими примерами тех компонентов двигателя, которые могут контролироваться и/или управляться с использованием последующих стратегий управления. Фиг. 3 изображает примерную схему 300, включающую в себя внутренний контур 302 и внешний контур (один основан на обратной связи от датчика без оценок модели, а другой основан на оценках модели). Стратегия управления по внутреннему контуру 302 включает в себя первый контроллер C1 306 соотношения топливо/воздух, который подает команду топливоснабжения на двигатель 308. Двигатель вырабатывает отработавшие газы, концентрация кислорода в которых определяется расположенным выше по потоку датчиком, таким как UEGO 310, перед достижением каталитического нейтрализатора, такого как TWC 312. Внешний контур включает в себя информацию с расположенного ниже по потоку датчика кислорода, такого как HEGO 314, которая подается во второй контроллер C2 316 соотношения топливо/воздух только после того, как она была использована в качестве входного сигнала для описанных здесь различных оценок модели. Выходной сигнал из модели 318 коэффициента привеса каталитического нейтрализатора (смотри фиг. 2), которая принимает входной сигнал из UEGO 310, двигателя 308 и HEGO 314, подается в модель 320 каталитического нейтрализатора (смотри фиг. 5) и сравнивается с заданным для каталитического нейтрализатора значением состояния частичного окисления (FOS). Как будет подробнее пояснено ниже, модель каталитического нейтрализатора определяет общую способность к накоплению кислорода и состояние частичного окисления (FOS) каталитического нейтрализатора. На этапе 322 может определяться разность между выходным сигналом C2 и сигналом UEGO, которая выводиться в качестве сигнала ошибки в первый контроллер C1.

Дополнительно, модель 320 каталитического нейтрализатора принимает входной сигнал из модели 324 HEGO в дополнение к модели коэффициента привеса каталитического нейтрализатора. Модель 324 HEGO может использоваться последовательно с моделью 320 каталитического нейтрализатора. Модель 324 HEGO сравнивает электрическое напряжение HEGO, спрогнозированное моделью 320 каталитического нейтрализатора, с измеренным электрическим напряжением HEGO. Вычисленная ошибка затем используется для обновления активности каталитического нейтрализатора (a_c).

Кроме того, предусмотрен дополнительный контроллер C3 (350) внешнего контура для объединения преимуществ основанной на модели архитектуры регулирования, описанной выше, наряду с достижением устойчивого регулирования по внешнему контуру. Точнее, контроллер C3 внешнего контура расположен последовательно, чтобы воспользоваться состоянием частичного окисления, спрогнозированным по физическим моделям, для модулирования расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух ради улучшенных рабочих характеристик. Преимущество этой методологии происходит от того, что с FOS внутреннее состояние каталитического нейтрализатора было бы известным, обеспечивая раннюю обратную связь для ввода поправки на любое отклонение от требуемого коэффициента избытка воздуха (A/F), наряду с прежней устойчивостью к потенциальной нестабильности оценки FOS. Как подробнее описано ниже, поправка, предусмотренная контроллером FOS, будет ограничиваться на этапе 352, чтобы уменьшать потенциальную возможность того, что ошибка из оценки FOS повысит нестабильность контроллера. Ограничение может включать в себя установление предела верхней и нижней границ состояния частичного окисления, оцененного в каталитическом нейтрализаторе. В одном из примеров ограничение выходного сигнала контроллером 316 может ограничиваться на основании обратной связи из контроллера C3 внешнего контура. Контроллером C3 может быть ПИ-регулятором (т.е. пропорционально-интегральным) и может настраиваться различными линейными и/или нелинейными коэффициентами усиления управления. Кроме того, в одном из примеров, контроллер C3 не является основанным на модели с тем, чтобы избегать ошибок оценки модели.

Как показано на фиг. 3, дополнительная обратная связь из контроллера C3 внешнего контура является дополнительной и отдельной от обратной связи из модели каталитического нейтрализатора через контроллер C2. Вот почему этот подход настолько полезен в показателях его способности уменьшать нестабильность оценки FOS.

Заданные значения FOS и соотношения топливо/воздух ниже по потоку также могут быть связаны друг с другом через стационарное отображение заданных значений для расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух (HEGO) в зависимости от FOS для уменьшения противоречащих заданных значений. Например, стационарное отображение может формировать заданное значение HEGO и заданное значение FOS, например, исходя из текущих числа оборотов и нагрузки двигателя. Таким образом, так как заданное значение HEGO и заданное значение FOS привязаны друг к другу непосредственно, системные расхождения не могут побуждать их уходить на несовместимые значения. Точнее, могут быть предусмотрены парные наборы значений заданного значения HEGO и заданного значения FOS, специфичные для некоего набора текущих условий эксплуатации. В качестве примера, фиг. 6 показывает некий примерный график, иллюстрирующий, каким образом заданные значения могут координироваться друг с другом как функция числа оборотов двигателя. Отметим, что несмотря на то, что заданные значения скоординированы, они не обязательно изменяются идентичным образом с изменениями числа оборотов двигателя, хотя и могут для некоторых областей числа оборотов двигателя. Отметим, что фиг. 6 показывает относительное увеличение/уменьшение заданных значений как функции числа оборотов двигателя (нижний график) или нагрузки двигателя (верхний график). В еще одном примере заданные значения могут быть функцией как числа оборотов, так и нагрузки двигателя, и в таком случае среднее значение, считанное для текущей комбинации числа оборотов/нагрузки текущих условий, может использоваться для определения соответственных заданных значений, применяемых в системе управления по фиг. 3.

Координация заданных значений FOS и соотношение топливо/воздух внешнего контура также для расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух

Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 400 контроля каталитического нейтрализатора согласно варианту осуществления настоящего раскрытия. Способ 400 может выполняться системой управления двигателем, такой как система 14 управления по фиг. 1, с использованием обратной связи от различных датчиков двигателя. На этапе 402 способ 400 включает в себя определение коэффициента привеса каталитического нейтрализатора. Коэффициент привеса каталитического нейтрализатора может определяться в соответствии с процессом, описанным выше со ссылкой на фиг. 2. На этапе 404 определяется концентрация веществ в отработавших газах на входе каталитического нейтрализатора. Определение концентрации веществ на входе может включать в себя определение концентрации одного или более из O₂, H₂O, CO, HC, NOx, H₂ и CO₂. Концентрации веществ на входе могут определяться на основании одного или более из массы воздуха, температуры, соотношения топливо/воздух, числа оборотов двигателя, установки момента зажигания и нагрузки. Например, концентрации соответственных веществ могут автономно отображаться в массу воздуха, температуру, соотношение топливо/воздух и число оборотов двигателя, и эти концентрации хранятся в справочной таблице в памяти системы управления.

На этапе 406 коэффициент привеса каталитического нейтрализатора и концентрация веществ вводятся в модель каталитического нейтрализатора. В еще одном варианте осуществления вместо коэффициента привеса каталитического нейтрализатора используется модель HEGO для обновления активности каталитического нейтрализатора в реальном времени. Модель каталитического нейтрализатора включает в себя систему (набор) аксиально усредненных обыкновенных дифференциальных уравнений, которые позволяют вычислить, для продольной оси канала каталитического нейтрализатора, баланс в фазе текучей среды каталитического нейтрализатора для каждого из веществ, баланс в тонком покрытии каталитического нейтрализатора для каждого из веществ, энергетический баланс фазы текучей среды и тонкого покрытия, а также баланс окисления/восстановления оксида церия в каталитическом нейтрализаторе. На этапе 408 по модели каталитического нейтрализатора определяются общая способность к накоплению кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, что будет пояснено более подробно ниже со ссылкой на фиг. 5. На этапе 410 настраивается впрыск топлива, чтобы поддерживать требуемое состояние частичного окисления. Например, может требоваться поддерживать состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора (например, частичное окисление оксида церия внутри каталитического нейтрализатора) на требуемом уровне, калиброванном на основании нагрузки и температуры двигателя, для оптимальных рабочих характеристик, таком как 50%.

На этапе 412 определяется, является ли общая способность к накоплению кислорода каталитического нейтрализатора большей, чем пороговое значение. Общая способность к накоплению кислорода каталитического нейтрализатора указывает на состояние каталитического нейтрализатора, например, новый каталитический нейтрализатор будет иметь относительно высокую способность к накоплению кислорода, тогда как ухудшившийся каталитический нейтрализатор будет иметь относительно низкую способность к накоплению кислорода вследствие уменьшенной способности оксида церия накапливать кислород. Общая способность к накоплению кислорода нового каталитического нейтрализатора может быть определена на основании количества оксида церия, присутствующего в каталитическом нейтрализаторе во время производства, или же она может быть определена во время начальной эксплуатации каталитического нейтрализатора. Пороговое значение может быть подходящим пороговым значением, ниже которого каталитический нейтрализатор прекращает эффективно снижать токсичность выбросов. Если общая способность к накоплению кислорода является большей, чем пороговое значение, на этапе 414 указывается отсутствие ухудшения, а затем способ 400 осуществляет возврат. Если общая способность к накоплению кислорода не больше, чем пороговое значение, то есть, если способность к накоплению кислорода является меньшей, чем пороговое значение, то на этапе 416 указывается ухудшение каталитического нейтрализатора и предпринимается действие по умолчанию. Действие по умолчанию может включать в себя уведомление водителя транспортного средства с помощью лампы индикации неисправности, установку диагностического кода и/или настройку рабочих параметров двигателя для того, чтобы уменьшать выработку выбросов. Способ 400 затем осуществляет возврат.

Фиг. 5 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 500 определения состояния окисления каталитического нейтрализатора с использованием модели каталитического нейтрализатора. Способ 500 может быть осуществлен системой 14 управления двигателем во время выполнения способа 400 по фиг. 4. На этапе 502 рассчитывается баланс масс для фазы текучей среды каталитического нейтрализатора по каждому веществу. Баланс масс учитывает перенос массы веществ из фазы текучей среды в тонкое покрытие. Баланс масс для фазы текучей среды может рассчитываться с использованием следующего уравнения (1):

,

где - мольная доля газообразных веществ в объемной фазе текучей среды, - мольная доля веществ в тонком покрытии, - гидравлический радиус канала, - средняя скорость подаваемых газов, L - длина каталитического нейтрализатора, и - коэффициент массопереноса между текучей средой и тонким покрытием, определенный так:

Здесь k_me и k_mi - коэффициенты внешнего и внутреннего массопереноса.

На этапе 504 рассчитывается баланс масс для тонкого покрытия по каждому веществу, который учитывает вклад от массопереноса с границы раздела в объем тонкого покрытия и расхода вследствие реакции, с использованием следующего уравнения (2):

,

где r - скорость реакции, ε_w - пористость тонкого покрытия, u представляет собой матрицу стехиометрии, а δ_c - толщина тонкого покрытия.

На этапе 506 рассчитывается энергетический баланс для фазы текучей среды с использованием следующего уравнения (3):

,

где - средняя плотность газа, - температура фазы текучей среды, T_fⁱⁿ представляет собой температуру подаваемых газов на входе, - температура твердой фазы, - удельная теплоемкость, и h - коэффициент теплопереноса.

На этапе 508 рассчитывается энергетический баланс для тонкого покрытия с использованием уравнения (4):

,

где - толщина тонкого покрытия, и - эффективная толщина стенки.

На этапе 510 рассчитывается скорость окисления оксида церия с использованием следующего уравнения (5):

,

где состояние частичного окисления оксида церия (FOS), .

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

,

где a_c - активность каталитического нейтрализатора или параметр старения каталитического нейтрализатора. Параметр старения каталитического нейтрализатора указывает на состояние накопления кислорода каталитическим нейтрализатором. Например, по мере того, как каталитический нейтрализатор стареет, его способность накапливать кислород может уменьшаться. В одном из примеров параметр старения в единицу указывает на новый каталитический нейтрализатор, а уменьшающиеся параметры старения указывают на пониженную способность накапливать кислород. Параметр старения может быть основан на объемных оценках соотношения топливо/воздух выше по потоку, соотношения топливо/воздух ниже по потоку, массы воздуха и температуры. В некоторых вариантах осуществления параметр старения может быть вычислен по предварительно определенному коэффициенту привеса каталитического нейтрализатора, описанному со ссылкой на фиг. 2. В еще одном варианте осуществления используется модель HEGO последовательно с моделью каталитического нейтрализатора для оценки напряжения расположенного ниже по потоку HEGO, а затем, с использованием измеренного напряжения HEGO, вычисляется ошибка, которая используется для обновления активности каталитического нейтрализатора. Члены A и E указывают предэкспоненциальный множитель и энергию активации соответственно. A и E являются настраиваемыми параметрами, которые могут оптимизироваться автономно, с использованием генетического алгоритма или другой нелинейной условной оптимизации.

На этапе 512 определяются состояние частичного окисления (FOS) и общая способность к накоплению кислорода (TOSC). FOS может определяться с использованием приведенного выше уравнения для , а, кроме того, на основании уравнения (6):

.

В то время как общий баланс элементарных веществ (например, C, H и O) не изменяется (пока нет накопления или высвобождения внутри каталитического нейтрализатора), величина изменения кислорода от концентрации на входе может приписываться изменению FOS оксида церия. Кроме того, это уравнение может использоваться для подтверждения действительности модели посредством сравнения рассчитанных концентраций веществ с измеренным соотношением топливо/воздух, как выше по потоку, так и ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

TOSC представляет общую способность к накоплению кислорода и, так как каждая молекула оксида церия (Ce₂O₃) накапливает половину моля кислорода, TOSC может быть эквивалентным половине общей емкости оксида церия.

На этапе 514 могут рассчитываться выбросы в выхлопной трубе с использованием изменения концентрации веществ на выходе каталитического нейтрализатора. В некоторых вариантах осуществления, если выбросы регулируемых веществ, NOx, CO и HC, находятся выше порогового значения, работу двигателя можно настраивать для снижения выбросов, к примеру, усиливая рециркуляцию выхлопных газов (EGR) для того, чтобы снижать NOx. После расчета выбросов в выхлопной трубе способ 500 осуществляет возврат.

Таким образом, способы 400 и 500, представленные выше со ссылкой на фиг. 4 и 5, предусматривают способ для двигателя с каталитическим нейтрализатором. Способ включает определение активности каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированным выходным сигналом датчика отработавших газов и измеренным выходным сигналом датчика отработавших газов; применение активности каталитического нейтрализатора и множества концентраций веществ отработавших газов на входе в модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя систему аксиально усредненных балансов масс и энергетических балансов фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, для определения общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; поддержание требуемого соотношения топливо/воздух на основании общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; и указывание ухудшения каталитического нейтрализатора, если активность или общая способность к накоплению кислорода каталитического нейтрализатора является меньшей, чем пороговое значение. Таким образом, каждое из веществ отработавших газов может вводиться в модель каталитического нейтрализатора, которая усредняет аксиально (т.е. по оси) динамические характеристики каталитического нейтрализатора, такие как температура, состав и т. д. На основании модели каталитического нейтрализатора может регулироваться соотношение топливо/воздух и может указываться ухудшение каталитического нейтрализатора.

Несмотря на то, что вариант осуществления, описанный со ссылкой на фиг. 4 и 5, рассчитывает баланс масс для семи отдельных веществ в отработавших газах (CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ и CO₂), тем самым обеспечивая возможность контроля каждого вещества, в некоторых вариантах осуществления могут контролироваться только одно вещество или сочетание веществ. Например, вместо расчета баланса масс для каждого из отдельных веществ, вещества могут быть сгруппированы в окислители (например, O₂ и NOx) и восстановители (например, HC, CO и H₂). Дополнительно или в качестве альтернативы, может контролироваться изменение концентрации только требуемых регулируемых выбросов, таких как CO, HC и NOx.

Будет понятно, что раскрытые здесь конфигурации и способы являются примерными по сути и что эти конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные вариации. Например, вышеприведенная технология может быть применена к двигателям типа V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, а также другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые здесь.

Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новых и неочевидных. В пунктах формулы изобретения некий элемент может упоминаться в единственном числе либо как «первый» элемент, либо его эквивалент. Такие пункты формулы изобретения следует понимать как охватывающие введение 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 путем изменения данной формулы изобретения или путем представления новой формулы изобретения в этой или родственной заявке. Такая формула изобретения, будто более широкая, более узкая, равнозначная или отличная по объему притязаний по отношению к исходной формуле изобретения, также рассматривается как входящая в рамки объекта изобретения настоящего раскрытия.

Способ выпуска отработавших газов из двигателя включает в себя настройку с помощью первого контроллера, связанного с датчиками и исполнительными механизмами величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора. Состояние частичного окисления основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса для фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора. Состояние частичного окисления основано также на основании отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух. Раскрыты варианты способа выпуска отработавших газов из двигателя. Технический результат заключается в улучшении контроля над токсичностью выбросов посредством поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя:

настройку с помощью первого контроллера, связанного с датчиками и исполнительными механизмами, величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем состояние частичного окисления основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса для фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, а также на основании отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий настройку впрыска топлива с помощью первого контроллера на основании обратной связи от расположенного выше по потоку датчика соотношения топливо/воздух.

3. Способ по п. 2, при этом расположенный выше по потоку датчик находится выше по потоку от каталитического нейтрализатора, а расположенный ниже по потоку датчик находится ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

4. Способ по п. 3, при этом состояние частичного окисления настраивает впрыск топлива посредством второго контроллера, тогда как отдельная обратная связь одновременно настраивает впрыск топлива посредством третьего контроллера, отдельного от первого и второго контроллеров.

5. Способ по п. 4, при этом заданное значение кислорода в отработавших газах, выдаваемое в третий контроллер, и заданное значение состояния частичного окисления, выдаваемое во второй контроллер, хранятся, каждое, в памяти в контроллере и индексируются по меньшей мере одним общим параметром, действующим в качестве условия эксплуатации.

6. Способ по п. 5, при этом условие эксплуатации включает в себя число оборотов двигателя.

7. Способ по п. 5, при этом условие эксплуатации включает в себя нагрузку двигателя.

8. Способ по п. 1, дополнительно включающий определение оценочной общей способности к накоплению кислорода и указывание ухудшения каталитического нейтрализатора, если общая способность к накоплению кислорода ниже порогового значения способности или если определенная активность каталитического нейтрализатора ниже калиброванного порогового значения.

9. Способ по п. 8, при этом определение общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления дополнительно включает определение концентраций веществ на выходе на основании концентраций веществ на входе, причем концентрации веществ на входе определяют на основании массы воздуха, температуры, соотношения топливо/воздух в отработавших газах и числа оборотов двигателя.

10. Способ по п. 2, при этом скорости реакций упомянутого множества веществ отработавших газов и состояние частичного окисления дополнительно основаны на определенном коэффициенте привеса каталитического нейтрализатора.

11. Способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя следующие этапы:

определяют с помощью контроллера активность каталитического нейтрализатора на основании ошибки между спрогнозированным выходным сигналом датчика отработавших газов и измеренным выходным сигналом датчика отработавших газов;

применяют с помощью упомянутого контроллера активность каталитического нейтрализатора и множество концентраций веществ отработавших газов на входе в модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя систему аксиально усредненных балансов масс и энергетических балансов фазы текучей среды и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, для определения общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора;

поддерживают с помощью упомянутого контроллера требуемое соотношение топливо/воздух на основании общей способности к накоплению кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, а также на основании отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика соотношения топливо/воздух, предусмотренной параллельно с состоянием частичного окисления; и

указывают с помощью упомянутого контроллера на ухудшение каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или его общая способность к накоплению кислорода является меньшей, чем пороговое значение; и

настраивают с помощью упомянутого контроллера и исполнительного механизма впрыск топлива с помощью первого контроллера на основании обратной связи от расположенного выше по потоку датчика соотношения топливо/воздух.

12. Способ по п. 11, при этом расположенный выше по потоку датчик находится выше по потоку от каталитического нейтрализатора, а расположенный ниже по потоку датчик находится ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

13. Способ по п. 12, при этом состояние частичного окисления настраивает впрыск топлива посредством второго контроллера, тогда как отдельная обратная связь одновременно настраивает впрыск топлива посредством третьего контроллера, отдельного от первого и второго контроллеров.

14. Способ по п. 13, при этом заданное значение кислорода в отработавших газах, выдаваемое в третий контроллер, и заданное значение состояния частичного окисления, выдаваемое во второй контроллер, хранятся, каждое, в памяти в контроллере и индексируются по меньшей мере одним общим параметром, действующим в качестве рабочего состояния.

15. Способ по п. 14, при этом условие эксплуатации включает в себя число оборотов двигателя.

16. Способ по п. 14, при этом условие эксплуатации включает в себя нагрузку двигателя.

17. Способ выпуска отработавших газов из двигателя, включающий в себя:

настройку с помощью контроллера, связанного с датчиками и топливными инжекторами, величины впрыска топлива на основании:

состояния частичного окисления (FOS) каталитического нейтрализатора относительно заданного значения FOS, причем FOS основано на скоростях реакций множества веществ отработавших газов по продольной оси каталитического нейтрализатора и системе уравнений аксиально усредненных баланса масс и энергетического баланса, и

отдельной обратной связи от расположенного ниже по потоку датчика HEGO относительно заданного значения HEGO, причем заданные значения FOS и HEGO привязаны друг к другу.

18. Способ по п. 17, при этом заданные значения FOS и HEGO привязаны друг к другу непосредственно.

19. Способ по п. 17, при этом заданное значение FOS возрастает с повышением числа оборотов двигателя, а заданное значение HEGO убывает с повышением числа оборотов двигателя.