СПОСОБ ПРОДУВКИ УЛОВИТЕЛЯ ОКСИДОВ АЗОТА И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2019 года по МПК F01N3/08 F01N11/00 F02D41/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области пост-обработки загрязняющих выбросов в выхлопе двигателей внутреннего сгорания, обычно работающих на бедной смеси, в частности, дизельных двигателей, которыми оснащают автотранспортные средства.

В частности, оно относится к способу продувки уловителя оксидов азота (NO_x), которым оснащена выхлопная система таких двигателей.

Уровень техники

Современные двигатели, обычно работающие на бедной смеси, то есть при отношении количества топлива к количеству воздуха, меньшем стехиометрического соотношения, часто оснащены выхлопной системой, содержащей каталитический уловитель оксидов азота (NO_x), чтобы ограничивать выбросы в атмосферу этого химического вещества, вредного для здоровья и для окружающей среды.

Как известно, такой уловитель работает циклично. Во время обычной работы двигателя на бедной смеси, он накапливает молекулы оксидов азота, поступающих после горения в двигателе, с определенной эффективностью, называемой эффективностью накопления, то есть в определенной пропорции, при этом остальная часть молекул проходит через уловитель, не задерживаясь в нем, и напрямую выбрасывается в атмосферу.

На втором этапе, как правило, когда масса оксидов азота, скопившихся в уловителе, достигает определенного порога, вычислительное устройство двигателя переключает его в режим работы на богатой смеси, то есть с избытком топлива относительно воздуха по сравнению со стехиометрическими условиями. При этом степень обогащения, как правило, составляет от 1,03 до 1,10, например, в среднем 1,04. В этом случае уловитель продувают: молекулы NO_x, скопившиеся в уловителе во время фазы работы на бедной смеси, восстанавливаются в безвредные вещества под действием топлива, направляемого в уловитель вместе с отработавшими газами двигателя. Газы, получаемые в результате этого восстановления, удаляются во внешнюю атмосферу.

Как правило, продувку останавливают, когда сигнал обогащения, выдаваемый кислородным зондом, установленным на выходе уловителя, переходит от значения обогащения, меньшего 1, к значению обогащения, превышающему 1, например, когда значение указанного обогащения достигает значения обогащения топливовоздушной смеси во время продувки, например, 1,04. Действительно, считается, что переход сигнала обогащения выходного зонда указывает на удаление массы оксидов азота, накопившейся в уловителе, и в этом случае топливо, направляемое на вход уловителя, проходит напрямую на выход уловителя.

Известны многие примеры таких способов. Например, в публикации FR-А-1-2916017 описан способ, в котором, чтобы отслеживать состояние работы уловителя оксидов азота, осуществляют этап определения количества оксидов азота, накопившегося в уловителе во время его работы на бедной смеси, предпочтительно путем моделирования на основании характеристик уловителя, температур, получаемых из тепловой модели каждого индивидуального реактора уловителя, и массового расхода выхлопных газов, и осуществляют также этап вычисления количества восстановителей, используемых во время продувки уловителя. Продувку начинают, когда масса оксидов азота достигает порога, при этом в публикации уточняется, что уловитель накапливает оксиды азота, пока масса меньше порога. Момент завершения продувки, который не определен в этой публикации однозначно, может соответствовать переходу обогащения от выходного кислородного зонда уловителя, согласно процитированному в этой публикации документу FR-А1-2866926.

Уловители оксидов азота позволяют оснащенным ими автотранспортным средствам соблюдать законодательство стран, по которым они перемещаются. Действительно, эти законодательные нормы фиксируют максимальные пределы для различных количеств загрязняющих веществ, присутствующих в выхлопных газах. Например, европейская законодательная норма, называемая «евро6», предписывает, чтобы каждый автомобиль с дизельным двигателем, выбрасывал не более 80 миллиграммов NO_x на километр, пройденный за так называемый цикл NEDC.

Из всего вышесказанного понятно, что соблюдение такой нормы зависит от количеств NO_x, выделяемых двигателем в выхлопных газах, и от эффективности накопления уловителя оксидов азота. Например, для дизельного двигателя, выделяющего в своих выхлопных газах около 130 миллиграммов NO_x на пройденный километр, эффективность накопления уловителя оксидов азота должна быть как минимум равна около 40%, чтобы транспортное средство не выбрасывало более 80 миллиграммов NO_x на пройденный километр.

Известно, что эффективность накопления зависит от совокупности параметров, включающей в себя по меньшей мере: расход выхлопа Q_ech (расход газообразных продуктов сгорания), проходящий через уловитель; концентрацию оксидов азота в газообразных продуктах сгорания [NO_x]_in, поступающих в уловитель; степень обогащения r топливовоздушной смеси; и массу оксидов азота М_NOx, скопившуюся в уловителе.

На фиг. 1 показана кривая, которая показывает изменение эффективности накопления ε_stock (в процентах) уловителя оксидов азота в зависимости от массы оксидов азота М_NOx, скопившейся в уловителе (выраженной согласно обычной практике в граммах на литр, а не просто в граммах, при этом масса приведена к объему уловителя), при этом все другие параметры являются постоянными. Из этой фигуры можно сделать вывод, что для обеспечения эффективности накопления ε_stock уловителя, по меньшей мере равной 40%, следует ограничить массу оксидов азота М_NOx, скопившихся в уловителе, примерно до 4 г/л, что приближается к максимальной емкости накопления выпускаемых в настоящее время уловителей. Следовательно, вычислительное устройство двигателя можно запрограммировать таким образом, чтобы обнаруживать потребность в продувке, когда масса NO_x в уловителе достигает 4 г/л, что происходит через достаточно длительные промежутки времени, и практически можно использовать всю емкость уловителя.

С учетом все более строгих будущих законодательных норм, поскольку количества NO_x, выбрасываемых двигателями в источнике (в газообразных продуктах сгорания), не могут быть намного сокращены, необходимо значительно повышать эффективность накопления уловителей оксидов азота. В частности, необходимо постоянно поддерживать катализатор в зоне эффективности, не отклоняющейся от максимальной эффективности, например, как минимум 80%. Как показано на фиг. 1, такое значение можно получать и сохранять, постоянно поддерживая массу оксидов азота М_NOx, скопившихся в уловителе, ниже значения 1 г/л, при значении порядка 0,3-0,5 г/л. Иначе говоря, вычислительное устройство двигателя необходимо запрограммировать таким образом, чтобы обнаруживать потребность в продувке, когда масса NO_x в уловителе достигает только 0,3 или 0,5 г/л, что приводит к явному повышению потребности в запуске продувок по сравнению с известной ситуацией при действующих в настоящее время законодательных нормах.

Известные способы продувки не являются достаточно надежными, чтобы гарантировать достижение такой задачи по эффективности, в связи с рядом причин, которые проявляются совокупно.

Самая серьезная причина состоит в том, что остановка продувки при переходе сигнала выходного зонда уловителя к значению богатой смеси, не гарантирует того, что уловитель был полностью очищен. На фиг. 2 показано изменение во времени массы оксидов азота в уловителе во время продувки для уловителя, содержащего, например, 1г/л оксидов азота в начале продувки. Продувку останавливают спустя 10 секунд, если соблюдено условие перехода значения кислородного зонда. Отмечается, что в конце продувки уловитель еще содержит от 0,2 до 0,3 г/л оксидов азота. Аналогичные точные измерения, произведенные для уловителей, содержащих более значительные первоначальные массы NO_x, показали, что уловитель может сохранять примерно до трети своей первоначальной массы NO_x в конце продувки при том же условии завершения продувки, например, около 1,5 г/л при первоначальной массе 4 г/л. В целом, чем больше первоначальная масса NO_x в начале продувки, тем больше остаточная масса в конце продувки и тем больше ее доля относительно первоначальной массы.

Применение условия перехода значения кислородного зонда для остановки продувки имеет несколько последствий. С одной стороны, в конце продувки максимальная эффективность уловителя полностью не восстанавливается, что само по себе увеличивает загрязняющие выбросы транспортного средства, и, с другой стороны, искажает определение массы оксидов азота, которая скапливается в уловителе во время работы двигателя на бедной смеси, что доказывает следующий пример:

Как правило, массу оксидов азота определяют при помощи итеративной модели накопления, например, устанавливая массу на ноль в конце продувки, затем добавляя на каждом шаге времени Δt к массе оксидов азота M_NOx(t), известной в момент t, дополнительную массу оксидов азота ΔM_NOx, скопившуюся за шаг времени Δt. Эту дополнительную массу ΔM_NOx можно вычислить как произведение расхода оксидов азота Q_NOx за шаг времени Δt на эффективность накопления ε_stock (t) уловителя, что представляет входящее количество оксидов азота, действительно задержанное в уловителе. Расход оксидов азота Q_NOx равен произведению расхода выхлопных газов Q_ech и концентрации оксидов азота [NO_x]_in в газах. Иначе говоря, массу оксидов азота в уловителе можно вычислять итеративно при помощи следующего уравнения:

M_NOx (t+Δt) = M_NOx (t) + [Q_ech(t) * [NO_x]_in (t) * ε_stock (t)] * Δt (уравнение 1) ,

в котором:

- t и Δt обозначают два последовательных момента вычисления, разделенные шагом времени Δt;

- M_NOx (t) и M_NOx (t+Δt) обозначают соответственно массу оксидов азота в последовательные моменты t и t+Δt;

- Q_ech(t) обозначает расход выхлопных газов в момент t;

- [NO_x]_in(t) обозначает концентрацию оксидов азота в газах в момент t;

- ε_stock(t) обозначает эффективность накопления в момент t.

Как было указано выше, сама эффективность накопления ε_stock(t) зависит от массы оксидов азота М_NOx, уже скопившейся в уловителе.

Таким образом, из уравнения 1 понятно, что значение массы оксидов азота M_NOx (t) в момент t влияет на определение массы M_NOx (t+Δt) на следующем шаге вычисления, не только напрямую как один из членов суммы, но также второй раз при оценке эффективности накопления ε_stock(t), которая служит для определения дополнительной массы оксидов азота ΔM_NOx, скопившейся за шаг вычисления Δt. Поскольку вычисление является итеративным, оно является очень чувствительным к исходным условиям, то есть к первоначальному значению массы M_NOx (t=0), которое не является нулевым в конце продувки, остановленной по критерию перехода обогащения выходного зонда, и к первоначальному значению эффективности ε_stock(t=0), которое, в свою очередь, зависит от первоначальной массы. Незначительная ошибка в этих первоначальных значениях может вылиться в конце вычисления в большую ошибку в общей массе, так как все этапы вычисления содержат ошибку.

Следует также отметить, что нормальные разбросы между двигателями приводят к колебаниям концентрации оксидов азота [NO_x]_in(t) и эффективности накопления ε_stock(t), которые тоже способствуют неточности модели определения массы оксидов азота.

Отсюда следует, что запуск продувки тоже является неточным. Продувка начинается, когда оценочная масса оксидов азота [NO_x]_in достигает заранее определенного порога. Если реальная накопившаяся масса превышает оценочную накопившуюся массу, например, по причине первой ошибки в первоначальной массе M_NOx (t=0), то есть в массе, еще присутствующей в уловителе в конце предыдущей продувки, то масса, остающаяся в уловителе в конце следующей продувки, будет еще больше, чем в конце предыдущей продувки. Следовательно, получают еще более ошибочную оценку первоначальной массы, служащей для вычисления массы, накапливающейся во время следующего рабочего цикла накопления оксидов азота, и так далее. Как установил заявитель при применении известных способов продувки, от одной продувки к другой уловитель оксидов азота может в конечном итоге содержать массу 4 г/л оксидов в реальности, тогда как оценка не превышает 0,5 г/л на каждом последовательном цикле. В этом случае эффективность накопления уловителя ухудшается в долгосрочном плане, и транспортное средство выбрасывает слишком много загрязнителей в атмосферу.

Из всего вышесказанного понятно, что известные способы продувки характеризуются очень большим расхождением, при этом каждая ошибка при осуществлении одного цикла накопления или продувки приводит к еще более серьезной ошибке на следующем цикле. Кроме того, это явление расхождения усиливается еще больше, поскольку, когда по пороговому условию массы оксидов азота обнаруживают потребность в продувке, продувку не всегда можно начать физически или она может быть затруднена по соображениям надежности, если не соблюден ряд условий, связанных с рабочими параметрами двигателя и транспортного средства. Иначе говоря, существует задержка начала продувки Т, которая равна времени, в течение которого выжидают, чтобы были соблюдены указанные условия.

Не ограничительно, этими условиями начала продувки являются следующие условия:

- Режим двигателя, крутящий момент двигателя и скорость транспортного средства находятся в заранее определенных диапазонах;

- Колебания или отклонения крутящего момента двигателя и скорости транспортного средства меньше заранее определенных порогов;

- Передаточное отношение коробки передач транспортного средства находится в заранее определенном диапазоне передаточных отношений;

- Температура внешней атмосферы находится в заранее определенном диапазоне;

- Давление внешней атмосферы превышает заранее определенный порог;

- Температура топлива превышает заранее определенный порог;

- Температура охлаждающей жидкости двигателя находится в заранее определенном диапазоне;

- Двигатель не работает без рециркуляции выхлопных газов (или: концентрация оксидов азота в выхлопных газах ниже заранее определенного порога). Этот случай соответствует, в частности, продувке фильтра-уловителя частиц.

Некоторые из вышеуказанных параметров меняются медленно. Большинство из них невозможно прогнозировать и/или изменять. Следовательно, может случиться, что продувка не может начаться сразу по достижении порога массы оксидов азота. Если ожидание продолжается, накапливающаяся масса оксидов азота в уловителе увеличивается. В конце продувки остаточная масса оксидов азота тоже увеличивается, что приводит к искажению оценки массы оксидов азота в ходе следующего цикла накопления оксидов азота и т.д. В конечном итоге задержавшееся начало продувки оказывает такое же влияние, как и ошибки оценки массы оксидов азота и как и конец продувки, начатой по критерию перехода значения обогащения на выходном зонде, поскольку влияние оказывается совокупным.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является преодоление недостатков известных способов продувки. Оно призвано постоянно поддерживать эффективность накопления уловителей на очень высоком уровне, близком к максимальной эффективности, например, порядка 80%.

Для этого изобретением предложен способ продувки уловителя оксидов азота, при этом указанный уловитель выполнен с возможностью накопления оксидов азота, выбрасываемых двигателем внутреннего сгорания автотранспортного средства в нормальном режиме работы двигателя на бедной смеси, и с возможностью их сокращения под действием топлива из двигателя в режиме работы двигателя на богатой смеси, при этом указанный способ содержит:

- этап, на котором обнаруживают потребность в продувке уловителя, когда масса оксидов азота M_NOx, накопившаяся в уловителе, достигает порога; и

- этап продувки оксидов азота под действием топлива двигателя, начинающийся после задержки начала продувки, следующего за этапом обнаружения потребности в продувке.

Главный отличительный признак способа состоит в том, что этап продувки можно осуществлять по меньшей мере в двух разных режимах:

- в первом режиме продувки оксидов азота, при котором этап продувки останавливают по критерию перехода сигнала обогащения от выходного кислородного зонда уловителя; и

- во втором режиме усиленной продувки оксидов азота, при котором этап продувки останавливают после заранее определенного продолжительного времени продувки.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 (уже описана) иллюстрирует эффективность накопления уловителя оксидов азота в зависимости от уже содержащейся в нем массы оксидов азота.

Фиг. 2 (уже описана) - изменение во времени массы оксидов азота в уловителе во время продувки, заканчивающейся по критерию перехода обогащения выходного зонда, при первоначальной массе 1 г/л.

Фиг. 3 - силовая установка, выполненная с возможностью применения заявленного способа.

Фиг. 4 - блок-схема различных этапов заявленного способа продувки.

Фиг. 5 - график, показывающий изменение во времени массы оксидов азота в ходе прерванной продувки, при разных первоначальных массах.

Фиг. 6 - часть графика, представленного на фиг. 5, показывающая изменение во времени массы оксидов азота в рамках способа продувки согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 3 схематично показана силовая установки для осуществления заявленного способа. Здесь показан двигатель 1 внутреннего сгорания, работающий на бедной смеси, например, дизельный двигатель. Двигатель 1 содержит цилиндры 2 (в количестве четырех на фигуре), каждый из который получает питание топливом при помощи инжектора 3 от топливной рампы 4 и питание воздухом из впускного коллектора 5.

Отработавшие газы, получаемые в результате сгорания в цилиндрах 2, удаляются через выхлопной коллектор 6. Затем они проходят через расходомер 7, выполненный с возможностью определения расхода выхлопных газов. После этого они удаляются в выхлопную систему 8, которая содержит каталитическое устройство 9 обработки выхлопных газов, выхлопную трубу 10, которая соединяет расходомер 7 с каталитическим устройством 9, и глушитель 11, через который выхлопные газы удаляются во внешнюю атмосферу после обработки в каталитическом устройстве 9.

Каталитическое устройство 9 содержит уловитель 12 оксидов азота. Оно может также содержать дополнительное устройство 13 обработки выхлопных газов, например, фильтр-уловитель частиц 13, который позволяет обрабатывать сажу, выделяемую при сгорании в двигателе 1. Уловитель 12 оксидов азота оснащен температурным зондом 14, который позволяет измерять температуру θ уловителя 12. На входе и на выходе каталитического устройства 9 (по направлению прохождения выхлопных газов) соответственно установлены два кислородных зонда, входной 15 и выходной 16. Входной кислородный зонд 15 можно расположить на выхлопной трубе 10, а выходной кислородный зонд 16 можно установить на глушителе 11.

В не ограничительном варианте двигатель 1 может быть выполнен с наддувом. В этом случае он может быть связан с турбокомпрессором (на фиг. 3 не показан) и может содержать по меньшей мере один контур частичной рециркуляции выхлопных газов, например, контур рециркуляции низкого давления и/или контур рециркуляции высокого давления (не показаны).

Как известно, работой двигателя 1 управляет вычислительное устройство 17. Оно связано с определенным количеством датчиков и приводов, включающих в себя по меньшей мере один расходомер 7, инжекторы 3, температурный зонд 14 и входной и выходной кислородные зонды 15, 16.

Вычислительное устройство 17 содержит средства определения степени обогащения r топливовоздушной смеси и регулирования указанной степени обогащения путем регулирования расхода впрыскиваемого топлива Q_carb по отношению к расходу поступающего воздуха Q_adm. Расход поступающего воздуха можно вычислить на основании расхода выхлопных газов Q_ech, измеряемого расходомером 7, и расхода топлива Q_carb по принципу сохранения массы.

Когда степень обогащения r ниже 1, то есть когда расход воздуха Q_adm является избыточным по отношению к расходу топлива Q_carb относительно стехиометрических соотношений, уловитель 12 накапливает часть молекул оксидов азота, получаемых в результате сгорания в двигателе 1.

Вычислительное устройство 17 содержит средства, выполненные с возможностью обнаружения потребности уловителя 12 в продувке, когда скопившаяся в нем масса оксидов азота достигает заданного порога. Оно выполнено с возможностью непрерывной оценки скапливающейся в уловителе массы оксидов азота.

Для этого вычислительное устройство может оценивать в каждый момент концентрацию NO_x на входе [NO_x]_in каталитического устройства 9 при помощи картографии в зависимости от рабочей точки двигателя 1. Такая рабочая точка зависит от различных параметров, включающихся в себя по меньшей мере скорость вращения N двигателя 1, заданное значение крутящего момента С, которое получают, например, через нажатие педали акселератора транспортного средства водителем, и значение, характеризующее температуру θ_mot двигателя, например, температуру масла или температуру воды. Картографию концентрации NO_x в зависимости от рабочей точки двигателя 1 можно составить заранее на испытательном стенде путем сканирования параметров. Затем ее сохраняют в памяти вычислительного устройства 17 двигателя 1. Во время работы транспортного средства концентрацию NO_x на входе [NO_x]_in каталитического устройства 9 определяют с использованием этой картографии в зависимости от параметров текущей рабочей точки двигателя 1.

С другой стороны, вычислительное устройство может оценивать в каждый момент эффективность накопления ε_stock уловителя 12. Она зависит: от температуры θ уловителя 12 (измеряемой датчиком 14); от расхода выхлопных газов Q_ech (измеряемого расходомером 7), проходящих через уловитель 12; от концентрации оксидов азота [NO_x]_in на входе каталитического устройства 9 (оцениваемой, как было указано выше); от степени обогащения r (вычисляемой на основании расходов воздуха и топлива или измеряемой входным кислородным зондом 15); и от массы оксидов азота М_NOx, уже скопившейся в уловителе 12. Эту картографию можно также определить заранее в ходе испытаний на испытательном стенде.

При этом не ограничительно вычислительное устройство может итеративно определять массу оксидов азота по уравнению 1:

M_NOx (t+Δt) = M_NOx (t) + [Q_ech(t+Δt) * [NO_x]_in (t+Δt) * ε_stock (t)] * Δt (уравнение 1) ,

Массу оксидов азота устанавливают для значения М_NOx (0) равной 0 в момент t=0, когда продувка уловителя 12 завершена. Это значение позволяет определить первое значение эффективности ε_stock (0), которое вводят в уравнение 1 для определения массы оксидов азота М_NOx в момент t=0+Δt. Таким образом, путем последовательных итераций можно определить массу оксидов азота, присутствующую в уловителе 12 в каждый момент t.

Вычислительное устройство содержит средства, выполненные с возможностью сравнения этой текущей массы оксидов азота в уловителе 12 с порогом массы М_s. Предпочтительно порог массы не превышает 0,5 г/л. Например, он составляет от 0,3 г/л до 0,5 г/л. При достижении порога вычислительное устройство определяет потребность в продувке.

Вычислительное устройство содержит также средства, выполненные с возможностью определения совокупности рабочих параметров двигателя и транспортного средства, которая не ограничительно включает в себя:

- Скорость вращения двигателя, крутящий момент двигателя и скорость транспортного средства;

- Колебания или отклонения крутящего момента двигателя и скорости транспортного средства (вычисляемые на основании крутящих моментов и скорости в два последовательных момента, разделенных шагом по времени Δt);

- Передаточное отношение коробки передач транспортного средства;

- Температуру внешней атмосферы;

- Давление внешней атмосферы;

- Температуру топлива;

- Температуру охлаждающей жидкости двигателя;

- Концентрацию оксидов азота в выхлопных газах. Если двигатель является двигателем с наддувом и содержит по меньшей мере контур частичной рециркуляции выхлопных газов на впуск, в варианте можно отслеживать степень рециркуляции (степень EGR).

Вычислительное устройство содержит средства, позволяющие проверять, соблюдены ли следующие условия начала продувки:

- Скорость двигателя, крутящий момент двигателя и скорость транспортного средства находятся в заранее определенных диапазонах;

- Крутящий момент и скорость транспортного средства являются стабильными, то есть колебания или отклонения крутящего момента двигателя и скорости транспортного средства меньше заранее определенных порогов изменения крутящего момента и изменения скорости;

- Передаточное отношение коробки передач транспортного средства находится в заранее определенном диапазоне передаточных отношений;

- Температура внешней атмосферы находится в заранее определенном диапазоне;

- Давление внешней атмосферы превышает заранее определенный порог;

- Температура топлива превышает заранее определенный порог;

- Температура охлаждающей жидкости двигателя находится в заранее определенном диапазоне;

- Концентрация оксидов азота в выхлопных газах ниже заранее определенного порога. В варианте можно проверять, что двигатель с наддувом, имеющий по меньшей мере один контур частичной рециркуляции выхлопных газов, не работает без рециркуляции.

Вычислительное устройство содержит средства, выполненные с возможностью переключать работу двигателя, когда указанные условия начала продувки соблюдены. Переключение работы двигателя 1 происходит при степени обогащения r, превышающей 1, то есть с избытком расхода топлива Q_carb по отношению к расходу воздуха Q_air. Молекулы NO_x реагируют в уловителе 12 с молекулами восстановителей (несгоревших углеводородов), содержащихся в выхлопных газах, и восстанавливаются в безвредные молекулы. Как правило, степень обогащения смеси регулируют в значении, составляющем от 1,03 до 1,10, например, 1,04.

Вычислительное устройство содержит средства, выполненные с возможностью определения времени начала продувки Т, то есть времени Т, истекшего с момента, когда обнаружена потребность в продувке, до момента, когда соблюдены условия начала продувки. Оно содержит также средства, выполненные с возможностью сравнения указанного времени начала продувки Т с порогом времени T_s.

Вычислительное устройство содержит средства, выполненные с возможностью адаптировать конец продувки в зависимости от истекшего времени начала продувки Т.

В частности, оно содержит средства, выполненные с возможностью останавливать продувку, когда выходной кислородный зонд 16 измеряет степень обогащения, достигающую степени обогащения, измеренной входным кислородным зондом 15, например, значения 1,04 в случае, когда время начала продувки Т меньше порога времени T_s. Вычислительное устройство содержит также средства, выполненные с возможностью сохранять продувку в течение заранее определенного продолжительного времени в случае, когда время начала продувки Т превышает порог времени T_s. Указанное продолжительное время продувки определяют таким образом, чтобы можно было полностью продуть уловитель, достигший заранее определенной массы оксидов азота, предпочтительно соответствующей его максимальной емкости накопления. Под полной продувкой следует понимать, что остаточная масса оксидов азота в уловителе в конце продувки меньше очень низкого порога, например, не более 0,2 г/л. Продолжительное время продувки можно определить заранее в ходе предварительных испытаний, при которых точно измеряют массу оксидов азота, например, посредством взвешивания или путем характеризации на стенде с синтетическими газами.

В предпочтительном варианте изобретения вычислительное устройство дополнительно содержит средства, выполненные с возможностью чередования отдельных циклов продувки богатой смесью и охлаждения уловителя при бедной смеси в течение указанного выше заранее определенного продолжительного времени. Этот вариант представляет особый интерес, так как позволяет ускорить продувку и очищать уловитель более тщательно, чем при непрерывной продувке (см. ниже фиг. 6).

На фиг. 4 представлены этапы заявленного способа в его не ограничительном варианте осуществления.

Способу продувки предшествует этап 100 работы двигателя в его нормальном режиме накопления оксидов азота при бедной смеси. В ходе этого этапа 100 непрерывно определяют массу М_NOx оксидов азота в уловителе 12. За этим этапом 100 следует этап 200 сравнения указанной массы с порогом массы M_s.

Сам способ продувки начинается, когда указанная масса достигает указанного порога массы. При этом на этапе 300 способа продувки обнаруживают потребность в продувке. Предпочтительно порог массы M_s ниже 0,5 г/л. Например, он составляет от 0,3г/л до 0,5 г/л.

Способ итеративно продолжается этапом 400 определения совокупности рабочих параметров, не ограничительно включающей в себя:

- Скорость вращения двигателя, крутящий момент двигателя и скорость транспортного средства;

- Колебания или отклонения крутящего момента двигателя и скорости транспортного средства (вычисляемые на основании крутящих моментов и скорости в два последовательных момента, разделенных шагом времени Δt);

- Передаточное отношение коробки передач транспортного средства;

- Температуру внешней атмосферы;

- Давление внешней атмосферы;

- Температуру топлива;

- Температуру охлаждающей жидкости двигателя;

- Концентрацию оксидов азота в выхлопных газах. Если двигатель является двигателем с наддувом и содержит по меньшей мере контур частичной рециркуляции выхлопных газов, в варианте можно отслеживать степень рециркуляции (степень EGR).

Способ продолжается этапом 500, на котором проверяют, соблюдены ли следующие условия начала продувки:

- Скорость вращения двигателя, крутящий момент двигателя и скорость транспортного средства находятся в заранее определенных диапазонах;

- Крутящий момент и скорость транспортного средства являются стабильными, то есть колебания или отклонения крутящего момента двигателя и скорости транспортного средства меньше заранее определенных порогов изменения крутящего момента и изменения скорости;

- Передаточное отношение коробки передач транспортного средства находится в заранее определенном диапазоне передаточных отношений;

- Температура внешней атмосферы находится в заранее определенном диапазоне;

- Давление внешней атмосферы превышает заранее определенный порог;

- Температура топлива превышает заранее определенный порог;

- Температура охлаждающей жидкости двигателя находится в заранее определенном диапазоне;

- Концентрация оксидов азота в выхлопных газах ниже заранее определенного порога. В варианте можно проверять, что двигатель с наддувом, имеющий по меньшей мере один контур частичной рециркуляции выхлопных газов на впуск, не работает без рециркуляции.

Если все эти условия в совокупности не соблюдены, способ возвращается на этап 400. Когда условия выполнены, способ переходит на этап 600 определения задержки Т начала продувки Т, которое равно времени, истекшему между обнаружением потребности в продувке на этапе 300 и моментом, когда условия продувки были соблюдены. Способ продолжается этапом сравнения 700 задержки Т начала продувки с временным порогом T_s.

Если указанное время ожидания меньше указанного временного порога, способ переходит на этап классической продувки уловителя, то есть в первый режим продувки, который осуществляют непрерывно богатой смесью, при этом степень обогащения постоянно поддерживают в значении, например, составляющем от 1,03 до 1,10, и который останавливают на этапе 900, когда сигнал выходного зонда 16 показывает измерение степени обогащения, достигающее степени обогащения входного зонда 15, например, 1,04.

В противном случае способ переходит на этап усиленной продувки уловителя. На первом этапе 1000 заменяют в памяти массу, определенную на этапе 100, заранее определенной массой M_max, превышающей порог массы M_s. Предпочтительно речь идет о максимальной емкости накопления уловителя 12, например, около 4 г/л. В варианте можно взять меньшую заранее определенную массу, например, 2 г/л, если допустить небольшой риск меньшей эффективности собственно усиленной продувки, которая происходит на этапе 1100. Во время этого этапа усиленной продувки уловитель 12 продувают, не учитывая переход выходного кислородного зонда. В частности, продувку останавливают (на этапе 1200) только после истечения заранее определенного времени, называемого продолжительным временем продувки, которое выбирают таким образом, чтобы полностью продуть уловитель, достигший заранее определенной массы M_max, предпочтительно соответствующей максимальной емкости накопления. Под полной продувкой следует понимать, что остаточная масса оксидов азота в уловителе меньше очень низкого порога, например, 0,2 г/л.

На фиг. 5 показано изменение массы оксидов азота в уловителе в результате применения этого способа продувки. Эта фигура представляет собой график, отображающий изменение во времени массы оксидов азота в ходе непрерывной продувки при разных первоначальных массах в уловителе.

Например, при заранее определенной массе M_max, соответствующей максимальной емкости уловителя по накоплению, в данном случае 4 г/л, заранее определенное время должно быть равно 60 секундам, чтобы остаточная масса оксидов азота в конце продувки была меньше 0,5 г/л. Масса оксидов азота в уловителе уменьшается все медленнее по мере того, как температура уловителя повышается сверх определенного порога, как правило, порядка 350°С, начиная от которого КПД восстановления снижается. Так, при заранее определенной массе M_max в 4 г/л заранее определенное время для очистки уловителя (то есть для достижения очень низкого порога, например, 0,2 г/л), не показанное на фиг. 5, составляет несколько минут.

Разумеется, если ограничиться значением заранее определенного времени в 60 секунд, уловитель все равно будет очищен в большинстве случаев. Действительно, реальная масса оксидов азота, содержащихся в уловителе в начале продувки, в действительности всегда меньше заранее определенной массы M_max. Например, если первоначальная масса в действительности равна 3 г/л, остаточная масса в уловителе после 60 секунд продувки составляет около 0,2 г/л. Если в другом примере первоначальная масса равна 2 г/л, остаточная масса в уловителе после 60 секунд продувки будет меньше 0,1 г/л. Однако все же остается риск, в частности, когда задержка Т начала продувки была длительной, что некоторые уловители начинают показывать остаточную массу оксидов азота порядка 0,5 г/л, если заранее определенное время ограничено 60 секундами.

В предпочтительном варианте изобретения уловитель можно опорожнять до порога еще ниже 0,2 г/л, например, до не обнаруживаемого порога ниже 0,1 г/л, ограничивая при этом время продувки.

Для этого непрерывную усиленную продувку на этапе 100 заменяют усиленной продувкой, которая представляет собой чередование отдельных циклов продувки богатой смесью и охлаждения уловителя при бедной смеси в течение указанного выше заранее определенного продолжительного времени. Пример этого варианта представлен на фиг. 6.

Фиг. 6 представляет собой извлечение из графика, показанного на фиг. 5, показывающее изменение во времени массы оксидов азота при применении способа продувки согласно этому предпочтительному варианту изобретения. Сюда добавлены дополнительные кривые, соответствующие другим первоначальным массам оксидов азота.

В предпочтительном варианте изобретения усиленная продувка начинается с первого цикла продувки богатой смесью, например, продолжительностью 10 секунд. Масса оксидов азота уменьшается при переходе от точки А к точке В на фигуре, то есть она по существу равна 2,5 г/л. Затем запускают цикл работы двигателя на бедной смеси, чтобы охладить уловитель 12. Этот цикл с очень короткой продолжительностью по сравнению с циклом продувки позволяет охладить уловитель до температуры, которую он имел в начале первого цикла продувки, например, 250°С на фиг. 5 и 6. После этого осуществляют второй цикл продувки в режиме богатой смеси в течение 10 секунд. Сначала уловитель находится в условиях продувки, соответствующих точке С на фигуре, и масса уменьшается от точки С к точке D. Отмечается, что, благодаря очень короткому промежуточному циклу охлаждения, масса достигает теперь 1,25 г/л. При повторении нового цикла охлаждения и нового цикла продувки в 10 секунд масса переходит от точки Е к точке F на фигуре. Точка F соответствует остаточной массе, которая составляет всего 0,5 г/л. Эта остаточная масса достигается в течение немногим более 30 секунд, тогда как в случае непрерывной продувки требуется 60 секунд.

При добавлении третьего цикла охлаждения, затем четвертого цикла продувки в 10 секунд масса переходит от точки G к точке Н на фигуре, то есть достигает значения порядка 0,1 г/л. Можно еще осуществлять дополнительные последовательные циклы охлаждения и продувки, чтобы достичь не обнаруживаемой массы. Например, можно предусмотреть последовательность из 12 циклов.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления. В частности, можно адаптировать время и число циклов продувки в предпочтительном варианте усиленной продувки.

Таким образом, заявленный способ продувки, благодаря предложенному режиму усиленной продувки, позволяет устранить риски потери эффективности уловителей оксидов азота. Он является особенно предпочтительным в рамках будущих законодательных норм, которые приведут к необходимости увеличения числа продувок.

Изобретение относится к области постобработки загрязняющих выбросов в выхлопе двигателей внутреннего сгорания, работающих на бедной смеси, в частности к продувке уловителя оксидов азота (NO_x). Техническим результатом является эффективное накопление уловителей на высоком уровне, близком к максимальной эффективности порядка 80%. Предложен способ продувки уловителя оксидов азота с возможностью накопления оксидов азота, выбрасываемых двигателем в нормальном режиме работы двигателя на бедной смеси, и с возможностью их сокращения под действием топлива из двигателя в режиме работы двигателя на богатой смеси, при этом способ содержит: этап (300), на котором обнаруживают потребность в продувке уловителя (12), когда масса оксидов азота (M_NOx), накопившаяся в уловителе, достигает порога (M_s); и этап (800, 1100) продувки оксидов азота под действием топлива из двигателя, начинающийся после задержки (Т) начала продувки, следующего за этапом (300) обнаружения потребности в продувке; отличающийся тем, что этап (800, 1100) продувки можно осуществлять по меньшей мере в двух разных режимах: в первом режиме продувки оксидов азота, при котором этап (800) продувки останавливают по критерию перехода сигнала обогащения от выходного кислородного зонда (16) уловителя (12); и во втором режиме усиленной продувки оксидов азота, при котором этап (1100) продувки останавливают после заранее определенного продолжительного времени продувки. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ продувки уловителя (12) оксидов азота, при этом указанный уловитель выполнен с возможностью накопления оксидов азота, выбрасываемых двигателем внутреннего сгорания автотранспортного средства в нормальном режиме работы двигателя на бедной смеси, и с возможностью их сокращения под действием топлива из двигателя (1) в режиме работы двигателя (1) на богатой смеси, содержащий:

- этап (300), на котором обнаруживают потребность в продувке уловителя (12), когда масса оксидов азота (M_NOx), накопившаяся в уловителе, достигает порога (M_s); и

- этап (800, 1100) продувки оксидов азота под действием топлива из двигателя, начинающийся после задержки (Т) начала продувки, следующей за этапом (300) обнаружения потребности в продувке;

отличающийся тем, что этап (800, 1100) продувки осуществляют по меньшей мере в двух разных режимах:

- в первом режиме продувки оксидов азота, при котором этап (800) продувки останавливают по критерию перехода сигнала обогащения от выходного кислородного зонда (16) уловителя (12), если задержка (Т) начала продувки меньше заранее определенного временного порога (Т_s); и

- во втором режиме усиленной продувки оксидов азота, при котором этап (1100) продувки останавливают после заранее определенного продолжительного времени продувки, если задержка (Т) начала продувки превышает указанный временной порог (Т_s).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог (M_s) массы для обнаружения потребности в продувке меньше 0,5 грамма на литр в приведении к объему уловителя.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанное заранее определенное продолжительное время продувки по второму режиму продувки позволяет удалить заранее определенную массу оксидов азота (M_max), превышающую порог массы (M_s), используемый для обнаружения потребности в продувке.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанная заранее определенная масса оксидов азота (M_max), которая удаляется в течение указанного заранее определенного продолжительного времени второго режима продувки, равна максимальной емкости уловителя (12) по накоплению оксидов азота.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанная заранее определенная масса оксидов азота (M_max), по существу, равна 4 граммам на литр в расчете на объем уловителя.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что максимальная емкость уловителя (12) по накоплению оксидов азота, по существу, равна 4 граммам на литр в расчете на объем уловителя.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что указанная задержка (Т) начала продувки начинается в момент, когда обнаружена потребность в продувке, и заканчивается в момент, когда соблюдена совокупность условий, при этом условия состоят в том, чтобы по меньшей мере проверить, что:

- скорость вращения (N) двигателя, крутящий момент (С) двигателя и скорость транспортного средства находятся в заранее определенных диапазонах;

- изменение крутящего момента двигателя и изменение скорости транспортного средства меньше заранее определенных порогов;

- передаточное отношение коробки передач транспортного средства находится в заранее определенном диапазоне передаточных отношений;

- температура внешней атмосферы находится в заранее определенном диапазоне;

- давление внешней атмосферы превышает заранее определенный порог;

- температура топлива превышает заранее определенный порог и

- температура охлаждающей жидкости двигателя находится в заранее определенном диапазоне.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что во втором режиме усиленной продувки продувку (1100) уловителя осуществляют во время единственного этапа переключения работы двигателя на богатую смесь.

9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что во втором режиме усиленной продувки продувку (1100) уловителя осуществляют посредством чередования отдельных циклов переключения работы двигателя на богатую смесь и отдельных циклов охлаждения уловителя.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что охлаждение уловителя производят посредством переключения работы двигателя на бедную смесь.

11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что продолжительность указанных отдельных циклов переключения работы двигателя на богатую смесь, по существу, равна 10 секундам.

12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что продолжительность указанного единственного этапа переключения работы двигателя на богатую смесь, по существу, равна 10 секундам.