СПОСОБ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2019 года по МПК F01N3/20 F01N9/00 F01N11/00 F02D41/30 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее раскрытие относится к регулированию с обратной связью топливо-воздушного соотношения в двигателе внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Снижение токсичности выбросов отработавших газов в бензиновом двигателе с использованием каталитического нейтрализатора является наиболее эффективным, когда топливо-воздушное соотношение подаваемых газов каталитического нейтрализатора находится около стехиометрии. Во время реальной работы бензинового двигателя, могут случаться отклонения от стехиометрии. Оксид церия обычно добавляется в каталитический нейтрализатор, чтобы действовать в качестве буфера для накопления кислорода, чтобы помогать сдерживать прорыв выбросов и увеличивать рабочий интервал вокруг стехиометрического топливо-воздушного соотношения. Накопленный кислород может поддерживаться на требуемом заданном значении на основании датчиков контроля каталитического нейтрализатора и/или физических моделей каталитического нейтрализатора.

Один из подходов для регулирования и диагностирования выбросов отработавших газов использует физическую модель для определения уровня накопленного кислорода в каталитическом нейтрализаторе, которая включает в себя множество дифференциальных уравнений в частных производных в одном или более измерений с множеством соединений отработавших газов. Еще один подход использует усредненную в осевом направлении физическую модель нулевой размерности, которая включает в себя множество соединений отработавших газов, которые могут быть сгруппированы в группу окислителей и группу восстановителей.

Однако, изобретатели осознали проблему у вышеприведенных подходов. Определение уровня накопленного кислорода с использованием модели, которая включает в себя множество дифференциальных уравнений в частных производных в одном или более измерений, может быть трудным для реализации и может требовать большей вычислительной мощности, чем типично имеющаяся в распоряжении в контроллере двигателя. Кроме того, использование модели нулевой размерности может пренебрегать параметрами и может не предсказывать выбросы точно во время холодного запуска вследствие пониженного порядка модели.

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 содержит настройку величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора, состояние частичного окисления основано на скоростях реакций соединений отработавших газов в усредненных по пространству и времени уравнениях баланса масс и энергетического баланса одномерной модели для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора. Градиенты в поперечном направлении учитываются в коэффициентах внутреннего и внешнего переноса массы. Это может улучшать время вычисления одномерной модели посредством группирования химических соединений отработавших газов в две или меньшее количество групп, которые могут включать в себя группу окислителей и группу восстановителей, при этом, может использоваться единое значение диффузности.

Например, состояние частичного окисления может определяться на основании одномерной модели, выведенной из подробной двухмерной модели. Модель может отслеживать развитие двух или более сгруппированных химических соединений отработавших газов внутри каталитического нейтрализатора. Кроме того, модель также учитывает диффузию в тонком покрытии, где реакции происходят благодаря использованию концепции переноса эффективной массы. Таким образом, упрощенная одномерная модель может использоваться для предсказания общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора. Таковые могут использоваться при регулировании с обратной связью топливо-воздушного соотношения двигателя для поддержания состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора на требуемой величине. Кроме того, ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора может указываться, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода находится ниже порогового значения.

Согласно одному аспекту изобретения предложен способ для двигателя, содержащий этапы, на которых: определяют состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании скоростей реакций каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, одномерной модели, усредненной по пространству и времени, и уравнений баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора; и настраивают величину впрыска топлива на основании состояния частичного окисления.

Согласно другому варианту осуществления способа соединения отработавших газов содержат химические соединения отработавших газов.

Согласно другому варианту осуществления способа единое значение диффузности используется в уравнениях баланса масс как для группы окислителей, так и для группы восстановителей.

Согласно другому варианту осуществления способа настройка величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора применяется во время холодного запуска двигателя.

Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором определяют оцененную общую способность накопления кислорода и настраивают величину впрыска топлива на основании оцененной общей способности накопления кислорода, при этом, оцененная общая способность накопления кислорода поддерживается на 50%.

Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если оцененная общая способность накопления кислорода находится ниже порогового значения способности, или если определенная активность каталитического нейтрализатора находится ниже калиброванного порогового значения.

Согласно другому варианту осуществления способа определение оцененной общей способности накопления кислорода и состояние частичного окисления дополнительно содержит этап, на котором определяют концентрацию каждой из группы окислителей и группы восстановителей на выходе каталитического нейтрализатора на основании концентрации каждой из группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора, при этом концентрации группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора определяются на основании массы воздуха, температуры, топливо/воздушного соотношения отработавших газов и числа оборотов двигателя.

Согласно другому варианту осуществления способа скорости реакций группы окислителей и группы восстановителей дополнительно основаны на определенном коэффициенте передачи каталитического нейтрализатора и причем состояние частичного окисления дополнительно основано на определенном коэффициенте передачи каталитического нейтрализатора.

Согласно другому варианту осуществления способа величина впрыска топлива дополнительно настраивается на основании входного сигнала с датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора, и при этом, величина впрыска топлива настраивается, для того чтобы поддерживать состояние частичного окисления на пороговом уровне, калиброванном на основании нагрузки и температуры двигателя.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложена система для двигателя содержащая: каталитический нейтрализатор, расположенный в системе выпуска двигателя; контроллер, включающий в себя команды, сохраненные в памяти, чтобы: определять активность каталитического нейтрализатора, общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании модели каталитического нейтрализатора, которая отслеживает изменение концентрации каждой из концентраций группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, и группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, причем модель каталитического нейтрализатора содержит одномерную модель, усредненную по пространству и времени, а также уравнения баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора; указывать ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода находится ниже порогового значения; и настраивать величину впрыска топлива, если состояние частичного окисления находится вне порогового диапазона.

Согласно другому варианту осуществления системы общая способность накопления кислорода является функцией оцененной ошибки между предсказанным моделью напряжением датчика отработавших газов и измеренным напряжением датчика отработавших газов.

Согласно другому варианту осуществления системы коэффициент передачи каталитического нейтрализатора основан на соотношении топливо/воздух выше по потоку, соотношении топливо/воздух ниже по потоку, массе воздуха и температуре.

Согласно другому варианту осуществления системы контроллер дополнительно включает в себя постоянные команды, хранимые в памяти, для определения концентрации каждой из группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора на основании массы воздуха, температуры, соотношения топливо/воздух отработавших газов и числа оборотов двигателя, при этом группа окислителей содержит одно или более из NOx, O₂, H₂O и CO₂, при этом группа восстановителей содержит одно или более из CO, HC, H₂ и H₂O, и при этом каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ для двигателя, включающего в себя каталитический нейтрализатор, содержащий этапы, на которых: определяют активность каталитического нейтрализатора на основании ошибки между предсказанным выходным сигналом датчика отработавших газов и измеренным выходным сигналом датчика отработавших газов; применяют активность каталитического нейтрализатора и применяют концентрации каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, на входе каталитического нейтрализатора к модели каталитического нейтрализатора, чтобы определить общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем модель каталитического нейтрализатора включает в себя одномерную модель, усредненную по пространству и времени, а также балансы масс и энергетические балансы текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора; настраивают величину впрыска топлива, поддерживающую требуемое топливо-воздушное соотношение 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 является меньшей, чем пороговое значение.

Согласно другому варианту осуществления способа состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора дополнительно содержит состояние частичного окисления оксида церия в каталитическом нейтрализаторе, определенное на основании изменения концентрации кислорода внутри каталитического нейтрализатора.

Согласно другому варианту осуществления способа соединения отработавших газов содержат CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ и CO₂.

Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором настраивают величину впрыска топлива на основании входного сигнала с датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

Согласно другому варианту осуществления способа активность каталитического нейтрализатора указывает общую способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора.

Настоящее раскрытие может предложить несколько преимуществ. Например, могут уменьшаться ресурсы обработки, посвященные модели каталитического нейтрализатора. Кроме того, снижение токсичности выбросов может улучшаться посредством поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. В дополнение, выбросы во время холодного запуска могут точно предсказываться для управления подачей топлива в реальном времени. Еще одно преимущество настоящего подхода состоит в том, что он предлагает неинвазивный контроль каталитического нейтрализатора для управления и диагностики, который является в меньшей степени зависимым от расположения датчика, а отсюда, будет равным образом применим к системам каталитического нейтрализатора как частичного, так и полного объема.

Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящего описания будут без труда очевидны из последующего Подробного описания, когда воспринимается в одиночку или в связи с прилагаемыми чертежами.

Должно быть понятно, что сущность изобретения, приведенная выше, предоставлена для знакомства с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Она не предполагается для идентификации ключевых или существенных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые кладут конец каким-нибудь недостаткам, отмеченным 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 передачи каталитического нейтрализатора.

Фиг. 3A-3C схематически показывает примерные схемы стратегий управления по внутреннему и внешнему контуру.

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

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

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Для уменьшения прорыва выбросов, каталитические нейтрализаторы могут использовать материал накопления кислорода, например, оксид церия в форме окиси церия, чтобы обеспечивать буфер для кислорода во время отклонений обогащения или обеднения. Топливо-воздушное соотношение, поступающее в каталитический нейтрализатор, может регулироваться, из условия чтобы состояние окисления каталитического нейтрализатора поддерживалось на требуемом уровне. В одной из примерных моделей по настоящему раскрытию, концентрация различных соединений отработавших газов, таких как H₂, CO, NOx, HC и O₂, от входа до выхода каталитического нейтрализатора может моделироваться с использованием упрощенной одномерной модели, группирующей различные соединения отработавших газов в две или меньшее количество взаимно исключающих групп. Модель учитывает сложную динамику каталитического нейтрализатора, такую как ограничения диффузии и реакция в тонком покрытии, а также старение каталитического нейтрализатора и градиенты, учитываемые в коэффициентах внутреннего и внешнего переноса массы, и упрощает динамику до системы уравнений, усредненных по пространству и времени, с уменьшенным количеством химических соединений, достигаемым посредством их объединения только в две или меньшее количество групп. Уравнения модели отслеживают баланс только двух или менее групп соединений отработавших газов в текучей фазе и в тонком покрытии каталитического нейтрализатора. Модель может точно предсказывать выбросы во время холодного запуска, тем временем, уменьшая вычислительные требования для управления в реальном времени впрыском топлива во время работы двигателя. Кроме того, модель компенсирует общий энергетический баланс в текучей фазе и тонком покрытии каталитического нейтрализатора.

В частности, модель может отслеживать изменение концентрации двух групп соединений отработавших газов, например, группы окислителей и группы восстановителей, для того чтобы определять состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, которое может использоваться для регулирования топливо-воздушного соотношения двигателя. Группирование химических соединений отработавших газов в группу окислителей и группу восстановителей дополнительно уменьшает управление подачей топлива в реальном времени, поскольку обе группы могут быть выбраны, чтобы иметь почти сходные молекулярные массы, и предоставляют возможность, чтобы использовалось единственное значение диффузности. Кроме того, коэффициент передачи каталитического нейтрализатора может определяться и применяться к модели для отслеживания изменения общей способности накопления кислорода, которая может указывать, подвергнут или нет ухудшению характеристик каталитический нейтрализатор. Фиг. 1 показывает примерный двигатель, включающий в себя каталитический нейтрализатор и систему управления. Фиг. 2-5 иллюстрирует 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, имеющий множество цилиндров 30. Двигатель 10 включает в себя впуск 23 и выпуск 25. Впуск 23 включает в себя дроссель 62, связанный посредством текучей среды 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 другие компоненты могут быть включены в двигатель, такие как многообразие клапанов и датчиков.

Двигатель 10 может принимать топливо из топливной системы (не показана), включающей в себя топливный бак и один или более насосов для повышения давления топлива, подаваемого в форсунки 66 двигателя 10. Несмотря на то, что показана одиночная форсунка 66, дополнительные форсунки предусмотрены для каждого цилиндра. Может быть принято во внимание, что топливная система может быть безвозвратной топливной системой, возвратной топливной системой или различными другими типами топливной системы. Топливный бак может удерживать множество топливных смесей, в том числе, топливо с диапазоном концентраций спиртов, таким как различные бензинэтаноловые смеси, включающие в себя 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 в материалах настоящей заявки) и отправляющей сигналы управления на множество исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых описаны в материалах настоящей заявки). 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, такие как датчики давления, температуры и состава, могут быть присоединены к различным местоположениям в системе 6 транспортного средства, как подробнее обсуждено в материалах настоящей заявки. В одном из примеров, исполнительный механизм может включать в себя «дисплей сообщений на приборной панели», включающий в себя операционный дисплей 82, где, в ответ на указание ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, водителю транспортного средства может выводиться сообщение, например, указывающее необходимость осуществить техническое обслуживание системы снижения токсичности выбросов. В качестве еще одного примера, исполнительные механизмы могут включать в себя топливную форсунку 66 и дроссель 62. Система 14 управления может включать в себя контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные с различных датчиков, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы в ответ на обработанные входные данные, на основании команд или управляющей программы, запрограммированных в нем, соответствующих одной или более процедур. Примерные процедуры управления описаны в материалах настоящей заявки 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 передачи 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 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 напряжение сравнивается с измеренным напряжением датчика (например, напряжением HEGO), и вычисленная ошибка затем используется для обновления активности каталитического нейтрализатора (a_c). Активность каталитического нейтрализатора используется в качестве указывающей длительность работы каталитического нейтрализатора для диагностики. Этот основанный на модели подход является неинвазивным и в меньшей степени 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 передачи каталитического нейтрализатора.

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

Фиг. 2 иллюстрирует примерную функцию 200 расчета коэффициента передачи каталитического нейтрализатора по входным сигналам датчиков UEGO и HEGO. Коэффициент передачи каталитического нейтрализатора может быть определен в качестве линейной, не зависящей от времени системы, которая реагирует в качестве импульса на входные сигналы, описанные выше. Определение коэффициента передачи каталитического нейтрализатора полагается на передаточные функции (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 передачи каталитического нейтрализатора содержит определение выходного сигнала TF1 с использованием входного сигнала из датчика HEGO на 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 передачи каталитического нейтрализатора может рассчитываться и обновляться непрерывно, выходные сигналы определений коэффициента передачи каталитического нейтрализатора может подаваться в функцию на этапе 218. Произведение TF2 и предыдущего коэффициента передачи 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 это умножается на выходной сигнал TF2 на этапе 224. Для определения коэффициента передачи каталитического нейтрализатора, K, на этапе 226 берется интеграл произведения, определенного на этапе 224.

Фиг. 3A-3B - примерные схемы, изображающие стратегии управления по внутреннему контуру и внешнему контуру для поддержания топливо-воздушного соотношения в двигателе. Двигатель 10 и устройство 70 снижения токсичности выбросов по фиг. 1 являются неограничивающими примерами компонентов двигателя, которые могут контролироваться и/или управляться с использованием последующих стратегий управления. Фиг. 3A изображает примерную схему 300, включающую в себя внутренний контур 302 и внешний контур 304. Стратегия управления по внутреннему контуру 302 включает в себя первый регулятор C1 306 топливо-воздушного соотношения, который подает команду топливоснабжения на двигатель 308. Двигатель вырабатывает отработавшие газы, концентрация кислорода которых определяется расположенным выше по потоку датчиком, таким как UEGO 310, перед достижением каталитического нейтрализатора, такого как TWC 312. Внешний контур 304 включает в себя обратную связь с расположенного ниже по потоку датчика кислорода, такого как HEGO 314, который подается в второй регулятор C2 316 топливо-воздушного соотношения. Выходной сигнал из модели 318 коэффициента передачи каталитического нейтрализатора (смотрите фиг. 2), которая принимает входной сигнал из UEGO 310, двигателя 308, и HEGO 314, подается в модель 320 каталитического нейтрализатора (смотрите фиг. 5). Как будет подробнее пояснено ниже, модель каталитического нейтрализатора определяет общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора. Может определяться разность между выходным сигналом C2 и сигналом UEGO на 322, которая выводиться в качестве сигнала ошибки в первый регулятор C1.

Фиг. 3B изображает примерную схему 330, которая подобна стратегии управления схемы 300 по фиг. 3A, за исключением того, что модель 320 каталитического нейтрализатора принимает входной сигнал из модели 324 HEGO вместо модели коэффициента передачи каталитического нейтрализатора. Модель 324 HEGO может использоваться последовательно с моделью 320 каталитического нейтрализатора. Модель 324 HEGO сравнивает напряжение HEGO в качестве предсказанного моделью 320 каталитического нейтрализатора с измеренным напряжением HEGO. Вычисленная ошибка затем используется для обновления активности каталитического нейтрализатора (a_c).

Фиг. 3C изображает примерную схему 340 со стратегией управления, в которой модель 320 каталитического нейтрализатора принимает входной сигнал как из модели 318 коэффициента передачи каталитического нейтрализатора, так и из модели 324 HEGO.

Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая способ 400 для 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 с различных датчиков двигателя. На этапе 402, способ 400 включает в себя определение коэффициента передачи каталитического нейтрализатора. Коэффициент передачи каталитического нейтрализатора может определяться согласно последовательности операций, описанной выше со ссылкой на фиг. 2. На этапе 404, определяется концентрация сгруппированных соединений отработавших газов на входе каталитического нейтрализатора. Определение концентрации соединений на входе может включать в себя определение концентрации двух или меньшего количества групп, содержащих O₂, H₂O, CO, HC, NOx, H₂ и CO₂. Кроме того, соединения могут группироваться в группу окислителей и группу восстановителей. Концентрации соединений на входе могут определяться на основании одного или более из массы воздуха, температуры, топливо-воздушного соотношения, числа оборотов двигателя, установки момента зажигания и нагрузки. Например, концентрации сгруппированных соединений могут автономно отображаться в массу воздуха, температуру, топливо-воздушное соотношение и число оборотов двигателя, и концентрации хранятся в справочной таблице в памяти системы управления.

На этапе 406, коэффициент передачи каталитического нейтрализатора и концентрация соединений вводятся в модель каталитического нейтрализатора. В еще одном варианте осуществления, модель HEGO используется для обновления активности каталитического нейтрализатора в реальном времени вместо коэффициента передачи каталитического нейтрализатора. Модель каталитического нейтрализатора включает в себя систему уравнений, усредненных по пространству и времени, баланса в текучей фазе каталитического нейтрализатора для сгруппированных соединений, баланса в тонком покрытии каталитического нейтрализатора для сгруппированных соединений, энергетического баланса текучей фазы и тонкого покрытия и баланса окисления/восстановления оксида церия в каталитическом нейтрализаторе. На этапе 408, общая способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора определяются из модели каталитического нейтрализатора, которая будет пояснена подробнее ниже со ссылкой на фиг. 5. На этапе 410, впрыск топлива настраивается, чтобы поддерживать требуемое состояние частичного окисления. Например, может требоваться поддерживать состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора (например, частичного окисления оксида церия в каталитическом нейтрализаторе) 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 накопления кислорода каталитического нейтрализатора большей, чем пороговое значение. Общая способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора является указывающей состояние каталитического нейтрализатора, например, новый каталитический нейтрализатор будет иметь относительно высокую способность накопления кислорода наряду с тем, что подвергнутый ухудшению характеристик каталитический нейтрализатор будет иметь относительно низкую способность накопления кислорода вследствие уменьшенной способности оксида церия накапливать кислород. Общая способность накопления кислорода нового каталитического нейтрализатора может определяться на основании количества оксида церия, присутствующего в каталитическом нейтрализаторе во время производства, или может определяться во время начальной эксплуатации каталитического нейтрализатора. Пороговое значение может быть пригодным пороговым значением, ниже которого каталитический нейтрализатор прекращает эффективно снижать токсичность выбросов. Если общая способность накопления кислорода является большей, чем пороговое значение, отсутствие ухудшения характеристик указывается на этапе 414, а затем, способ 400 осуществляет возврат. Если общая способность накопления кислорода не является большей, чем пороговое значение, то есть, если способность накопления кислорода является меньшей, чем пороговое значение, ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора указывается, на этапе 416, 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 для определения состояния окисления каталитического нейтрализатора с использованием модели каталитического нейтрализатора. Способ 500 может выполняться системой 14 управления двигателем во время выполнения способа 400 по фиг. 4. На этапе 502, рассчитывается баланс масс для текучей фазы каталитического нейтрализатора по каждой группе соединений. Баланс масс учитывает перенос массы каждой группы соединений из текучей фазы в тонкое покрытие. Баланс масс для текучей фазы может рассчитываться с использованием следующего уравнения (1):

Где - мольная доля газовых соединений в текучей фазе основной части, - мольная доля соединений в тонком покрытии, - гидравлический радиус канала, - средняя скорость подаваемых газов, и - коэффициент переноса массы между текучей средой и тонким покрытием, определенный в качестве:

Здесь, и - коэффициенты внешнего и внутреннего переноса массы. Градиенты в поперечном направлении учитываются посредством использования коэффициентов внутреннего и внешнего переноса массы, вычисленных с использованием корреляций чисел Шервуда (Sh). Коэффициент k_me внешнего переноса массы определен в качестве:

Здесь, D_f - матрица диффузности газовой фазы, а Sh - диагональная матрица, заданная посредством где I - единичная матрица. Зависящее от положения число Sh Шервуда, определенное для полностью развитого потока с граничным условием постоянного течения, имеет значение

где Sh1=3:2 для закругленного квадратного канала.

Подобным образом, градиент концентрации в пределах тонкого покрытия и диффузионный эффект зафиксированы коэффициентом внутреннего переноса массы, определенным в качестве:

где D_s - матрица диффузности тонкого покрытия, а Sh_i - внутренняя матрица чисел Шервуда, оцененная в качестве матрицы φ Тиле:

Действующая постоянная скорости определена в качестве:

в каком случае, φ² становится диагональной матрицей с диагональными элементами, определенными в качестве:

Группирование химических соединений отработавших газов в группу окислителей и группу восстановителей предоставляет возможность для использования единого значения диффузности, так как обе группы имеют почти одинаковые молекулярные массы. В одном из примеров, группы окислителей и восстановителей выбираются специально, чтобы предусматривать единое значение диффузности, причем, одно и то же значение используется в одномерной модели для обеих групп, окислителей и восстановителей, при определении, в реальном времени в течение работы двигателя, различных соединений и значений в модели, которые затем используются для настройки подачи топлива, чтобы добиваться требуемых состояний окислителей и восстановителей на каталитическом нейтрализаторе. Такая преимущественная работа особенно пригодна для одномерной модели по сравнению с другими моделями вследствие уникального взаимодействия между двумя сгруппированными соединениями после различных упрощений и математических приемов, здесь описанных. Таким образом, способы, описанные в материалах настоящей заявки, оценивающие различные параметры, могут включать в себя одиночное значение диффузности, чтобы одно и то же единое значение использовалось как для сгруппированных окислителей, так и сгруппированных восстановителей в диагональной матрице, во время работы двигателя, чтобы, тем самым, улучшать определение и действующий впрыск количеств топлива в двигатель.

На этапе 504, баланс масс для тонкого покрытия по каждой группе соединений, который учитывает вклад от переноса масс с границы раздела в тонкое покрытие основной части и расхода, обусловленного реакцией, рассчитывается с использованием следующего уравнения (2):

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

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

где - средняя плотность газа, - температура текучей фазы, - температура твердой фазы, удельная теплоемкость, и h - коэффициент переноса тепла.

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

где - толщина тонкого покрытия, а - эффективная толщина стенки (определяемая в качестве суммы δs+δc, где δs - полутолщина стенки), ρ_w и Cρ_w - эффективная плотность и удельная теплоемкость, определенные в качестве:

и

где нижний подстрочный индекс s и c представляют подложку и тонкое покрытие катализатора, соответственно.

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

Где r_store и r_release - скорости реакций для окисления и восстановления оксида церия, соответственно, а θ - состояние частичного окисления оксида церия (FOS),

Скорость накопления (r₂), r_store и скорость высвобождения (r₃), r_release 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 является указывающим состояние накопления кислорода каталитического нейтрализатора. Например, по мере того, как каталитический нейтрализатор стареет, его способность накапливать кислород может уменьшаться. В одном из примеров, параметр старения в единицу указывает новый каталитический нейтрализатор, причем, уменьшающиеся параметры старения указывает пониженную способность накапливать кислород. Параметр старения может быть основан на оценках основной части топливо/воздушного соотношения выше по потоку, топливо/воздушного соотношения ниже по потоку, массы воздуха и температуры. В некоторых вариантах осуществления, параметр старения может вычисляться по предопределенному коэффициенту передачи каталитического нейтрализатора, описанному со ссылкой на фиг. 2. В еще одном варианте осуществления, модель HEGO используется 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 накопления кислорода (TOSC). FOS может определяться с использованием уравнения для θ, приведенного выше. TOSC представляет общую способность накопления кислорода и, в то время как каждая молекула оксида церия (Ce₂O₃) накапливает половину моля кислорода, TOSC может быть эквивалентным половине общей емкости оксида церия.

Начальные и граничные условия для вышеприведенных уравнений заданы в качестве:

Таким образом, способы 400 и 500, представленные выше со ссылкой на фиг. 4 и 5, предусматривают способ для двигателя, включающего в себя каталитический нейтрализатор. Способ содержит определение активности каталитического нейтрализатора на основании ошибки между предсказанным выходным сигналом датчика отработавших газов и измеренным выходным сигналом датчика отработавших газов; применение активности каталитического нейтрализатора и концентраций двух или меньшего количества сгруппированных соединений отработавших газов на входе к модели каталитического нейтрализатора, включающей в себя систему уравнений, усредненных по времени и пространству, балансов масс и энергетических балансов текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора, для определения общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; поддержание требуемого топливо-воздушного соотношения на основании общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора; и указание ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, если активность или общая способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора является меньшей, чем пороговое значение. Таким образом, каждая группа соединений отработавших газов может вводиться в модель каталитического нейтрализатора, которая усредняет динамику каталитического нейтрализатора одновременно по времени и пространству, такую как температуру, состав, и т.д. На основании модели каталитического нейтрализатора, может регулироваться топливо-воздушное соотношение, и может указываться ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора.

Несмотря на то, что вариант осуществления, описанный со ссылкой на фиг. 4 и 5, рассчитывает баланс масс для двух или меньшего количества сгруппированных соединений отработавших газов, содержащих: CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ и CO₂, таким образом, повышая скорость вычислений и точно предсказывая выбросы холодного запуска. Например, сгруппированные соединения могут быть сгруппированы в окислители (например, O₂ и NOx) и восстановители (например, HC, CO и H₂).

Будет принято во внимание, что конфигурации и способы, раскрытые в материалах настоящей заявки, являются примерными по сути, и что эти специфичные 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 раскрытия включает в себя все новейшие и не очевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящей заявки.

Последующая формула изобретения подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы изобретения могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Должно быть понятно, 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 изобретения настоящего раскрытия.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ для двигателя заключается в том, что определяют состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании скоростей реакций каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, одномерной модели, усредненной по пространству и времени, и уравнений баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора. Настраивают величину впрыска топлива на основании состояния частичного окисления. Раскрыты вариант способа для двигателя и система для двигателя. Технический результат заключается в снижении токсичности выбросов посредством поддержания каталитического нейтрализатора в требуемом состоянии частичного окисления. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ для двигателя, содержащий этапы, на которых:

определяют состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании скоростей реакций каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, одномерной модели, усредненной по пространству и времени, и уравнений баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора; и

настраивают величину впрыска топлива на основании состояния частичного окисления.

2. Способ по п. 1, в котором соединения отработавших газов содержат химические соединения отработавших газов.

3. Способ по п. 2, в котором единое значение диффузности используется в уравнениях баланса масс как для группы окислителей, так и для группы восстановителей.

4. Способ по п. 3, в котором настройка величины впрыска топлива на основании состояния частичного окисления каталитического нейтрализатора применяется во время холодного запуска двигателя.

5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором определяют оцененную общую способность накопления кислорода и настраивают величину впрыска топлива на основании оцененной общей способности накопления кислорода, при этом оцененная общая способность накопления кислорода поддерживается на 50%.

6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этап, на котором указывают ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если оцененная общая способность накопления кислорода находится ниже порогового значения способности, или если определенная активность каталитического нейтрализатора находится ниже калиброванного порогового значения.

7. Способ по п. 5, в котором определение оцененной общей способности накопления кислорода и состояния частичного окисления дополнительно содержит этап, на котором определяют концентрацию каждой из группы окислителей и группы восстановителей на выходе каталитического нейтрализатора на основании концентрации каждой из группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора, при этом концентрации группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора определяются на основании массы воздуха, температуры, топливо/воздушного соотношения отработавших газов и числа оборотов двигателя.

8. Способ по п. 1, причем скорости реакций группы окислителей и группы восстановителей дополнительно основаны на определенном коэффициенте передачи каталитического нейтрализатора и причем состояние частичного окисления дополнительно основано на определенном коэффициенте передачи каталитического нейтрализатора.

9. Способ по п. 1, в котором величина впрыска топлива дополнительно настраивается на основании входного сигнала с датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора, и при этом, величина впрыска топлива настраивается для того, чтобы поддерживать состояние частичного окисления на пороговом уровне, калиброванном на основании нагрузки и температуры двигателя.

10. Система для двигателя, содержащая:

каталитический нейтрализатор, расположенный в системе выпуска двигателя; и

контроллер, включающий в себя команды, сохраненные в памяти, чтобы:

определять активность каталитического нейтрализатора, общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора на основании модели каталитического нейтрализатора, которая отслеживает изменение концентрации каждой из концентраций группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, и группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, на протяжении каталитического нейтрализатора, причем модель каталитического нейтрализатора содержит одномерную модель, усредненную по пространству и времени, а также уравнения баланса масс и энергетического баланса для текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора;

указывать ухудшение характеристик каталитического нейтрализатора, если активность каталитического нейтрализатора или общая способность накопления кислорода находится ниже порогового значения; и настраивать величину впрыска топлива, если состояние частичного окисления находится вне порогового диапазона.

11. Система по п. 10, в которой общая способность накопления кислорода является функцией оцененной ошибки между предсказанным моделью напряжением датчика отработавших газов и измеренным напряжением датчика отработавших газов.

12. Система по п. 11, в которой коэффициент передачи каталитического нейтрализатора основан на соотношении топливо/воздух выше по потоку, соотношении топливо/воздух ниже по потоку, массе воздуха и температуре.

13. Система по п. 10, причем контроллер дополнительно включает в себя постоянные команды, хранимые в памяти, для определения концентрации каждой из группы окислителей и группы восстановителей на входе каталитического нейтрализатора на основании массы воздуха, температуры, соотношения топливо/воздух отработавших газов и числа оборотов двигателя, при этом группа окислителей содержит одно или более из NOx, O₂, H₂O и CO₂, при этом группа восстановителей содержит одно или более из CO, HC, H₂ и H₂O, и при этом каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

14. Способ для двигателя, включающего в себя каталитический нейтрализатор, содержащий этапы, на которых:

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

применяют активность каталитического нейтрализатора к модели каталитического нейтрализатора и применяют концентрации каждой из группы окислителей, содержащей NOx, O₂, H₂O и CO₂ соединения отработавших газов, и группы восстановителей, содержащей CO, HC, H₂, H₂O соединения отработавших газов, на входе каталитического нейтрализатора к модели каталитического нейтрализатора, чтобы определить общую способность накопления кислорода и состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора, причем модель каталитического нейтрализатора включает в себя одномерную модель, усредненную по пространству и времени, а также балансы масс и энергетические балансы текучей фазы и тонкого покрытия каталитического нейтрализатора;

настраивают величину впрыска топлива, поддерживающую требуемое топливо-воздушное соотношение 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 является меньшей, чем пороговое значение.

15. Способ по п. 14, в котором состояние частичного окисления каталитического нейтрализатора дополнительно содержит состояние частичного окисления оксида церия в каталитическом нейтрализаторе, определенное на основании изменения концентрации кислорода внутри каталитического нейтрализатора.

16. Способ по п. 14, в котором соединения отработавших газов содержат CO, HC, NOx, H₂, H₂O, O₂ и CO₂.

17. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором настраивают величину впрыска топлива на основании входного сигнала с датчика кислорода выше по потоку от каталитического нейтрализатора и датчика кислорода ниже по потоку от каталитического нейтрализатора.

18. Способ по п. 14, в котором активность каталитического нейтрализатора указывает общую способность накопления кислорода каталитического нейтрализатора.