СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОЛИЧЕСТВА КРИСТАЛЛОВ МОЧЕВИНЫ, ПРИСУТСТВУЮЩИХ В ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩЕЙ КАТАЛИЗАТОР СКВ Российский патент 2020 года по МПК F01N3/20 F01N13/00 

Изобретение относится к области доочистки выхлопных газов двигателя автотранспортного средства.

Более конкретно, изобретение относится к способу регулирования количества кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx), называемый катализатор СКВ («селективного каталитического восстановления»), при помощи восстановителя, обычно Adblue®.

Изобретение также относится к силовому агрегату автотранспортного средства, содержащему двигатель внутреннего сгорания, выхлопную систему для отработанных газов двигателя, содержащую фильтр твердых частиц, катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx), называемый катализатор СКВ, при помощи восстановителя и электронный блок управления, который автоматически осуществляет процесс регулирования.

Наконец, изобретение относится к автотранспортному средству, содержащему такой силовой агрегат.

В основном двигатели внутреннего сгорания вырабатывают оксиды азота (NOx, главным образом NO и NO₂), оксид углерода (CO), углеводороды (HC) и твердые частицы.

Системы доочистки выхлопных газов, расположенные в выхлопных системах двигателей, становятся все более сложными, чтобы соответствовать снижению допустимых порогов выбросов загрязняющих газов автотранспортными средствами.

Законодательство применительно к выбросам загрязняющих веществ автотранспортными средствами, включая грузовые автомобили, также предусматривает снижение выбросов оксидов азота (NO_x) в атмосферу. Для достижения этой цели существует известный способ удаления вредных веществ селективным каталитическим восстановлением СКВ, который позволяет восстанавливать оксиды азота впрыскиванием вещества, обычно раствора мочевины (Adblue®) в выхлопную систему. Затем это вещество разлагается с образованием восстановителя, обычно аммиака, который накапливается в блоке (ах) катализатора. Эти каталитические блоки позволяют восстанавливать NOx при помощи накопленного восстановителя и преобразовывать их в молекулярный азот и воду.

В частности, эта методика используется для соблюдения европейских норм выбросов загрязняющих веществ, а именно нормы Euro 6D-Temp, более конкретно для дизельных двигателей.

С каталитической точки зрения, каталитические блоки эффективны при температуре от 140/150°C, при условии, что в блоках накоплен восстановитель (аммиак).

При этом впрыскивание вещества (раствора мочевины) может быть активным без риска только при температуре от 180/200°C во избежание проблем кристаллизации мочевины в выхлопной системе.

Действительно при низкой температуре впрыскивание раствора мочевины может вызвать закупорку выхлопной системы из-за присутствия этих кристаллов.

Однако для увеличения нейтрализации NOx может представлять интерес впрыскивание раствора мочевины при температуре ниже температуры кристаллизации (то есть ниже температуры 180/200°C) при ограниченном риске закупорки выхлопной системы кристаллами мочевины.

В этом случае для лучшего понимания этого риска важно точно оценить количество кристаллизованной мочевины в выхлопной системе.

Так, занижение количества образовавшихся кристаллов мочевины влечет за собой слишком высокий уровень кристаллизации в выхлопной системе, который может привести к изменению смачивания выхлопной системы и даже к ее закупорке.

Завышение количества образовавшихся кристаллов мочевины также может повлечь за собой избыточное потребление топлива, разбавление и снижение степени нейтрализации NOx.

Документ FR 2985770 раскрывает способ, позволяющий удалять скопившиеся кристаллы мочевины за счет регенерации фильтра твердых частиц выше по ходу потока от катализатора СКВ в выхлопной системе. Регенерация фильтра твердых частиц влечет за собой повышение температуры в катализаторе выхлопных газов и в выхлопной системе, в результате чего происходит сублимация кристаллов мочевины, приводящая к их удалению. Более конкретно, эти кристаллы мочевины сублимируются и преобразуются в аммиак, который адсорбируется в каталитическом(их) блоке(ах) катализатора СКВ.

В этом документе оценивают по модели массу кристаллов, затем, когда эта масса достигает установленного порога, запускают регенерацию.

В частности, эта модель основана на расчете расхода выхлопных газов и расхода впрыскиваемой мочевины, температуры окружающей среды и скорости автотранспортного средства относительно температуры двигателя и выхлопной системы.

Однако после регенерации, массу кристаллов продолжают оценивать по той же модели без перекалибровки в зависимости от уроков, которые можно было бы извлечь из регенерации.

Таким образом, если модель продолжает постоянно занижать накопление кристаллов мочевины, возникает опасность впрыска мочевины в условиях, когда с некоего момента, предшествующего регенерации, и до момента, когда регенерация выполняется, масса кристаллов в действительности слишком велика.

Наоборот, если модель завышает количество кристаллов мочевины, регенерацию запускают слишком рано по отношению к количеству кристаллов мочевины.

В этой связи изобретение предлагает решить эту проблему. В частности, настоящее изобретение направлено на оценку модели при каждой регенерации и на адаптацию модели в зависимости от полученных результатов оценки.

Это позволит давать разрешение на впрыск мочевины без риска в течение всей фазы, следующей за регенерацией фильтра твердых частиц, и до следующей регенерации (случай, при котором модель давала заниженную оценку массы кристаллов), или увеличивать продолжительность периода до следующей регенерации (случай, при котором модель давала завышенную оценку массы кристаллов).

Так, объектом настоящего изобретения является способ регулирования количества кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе для газов из двигателя автотранспортного средства, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx) при помощи восстановителя, называемый катализатор СКВ, причем указанный способ включает следующие стадии:

i) стадию нагрева выхлопной системы до температуры, достаточной для сублимации кристаллов мочевины, причем стадия нагрева запускается периодически в зависимости от результата, полученного на основании модели вычислений, причем указанная модель вычислений предназначена для оценки количества кристаллов мочевины MC_t, присутствующих в выхлопной системе в текущий момент времени t,

во время этой стадии нагрева проводится измерение количества оксидов азота и/или количества восстановителя на входе и на выходе из катализатора СКВ, затем

ii) стадию расчета количества кристаллов мочевины MC_m, присутствующих в выхлопной системе, на основании измерений, выполненных на стадии i), затем

iii) стадию корректировки указанной модели вычислений при помощи количества кристаллов мочевины, рассчитанного на стадии ii).

Согласно одному из вариантов осуществления способа регулирования по изобретению, стадия нагрева выхлопной системы запускается в момент T0, как только указанная модель вычислений оценит количество кристаллов мочевины MC_t0 как превышающее предварительно установленный порог MC_rg.

Согласно одному из вариантов осуществления способа регулирования по изобретению, стадия нагрева выхлопной системы реализуется при помощи регенерации фильтра твердых частиц, причем указанный фильтр твердых частиц расположен в выхлопной системе выше по ходу потока от катализатора СКВ.

Согласно одному из вариантов осуществления способа регулирования по изобретению стадии i) нагрева предшествует стадия опорожнения катализатора СКВ, причем указанная стадия опорожнения заключается в удалении восстановителя (аммиак), присутствующего в катализаторе СКВ.

Согласно этому варианту осуществления способа регулирования по изобретению, за стадией опорожнения катализатора СКВ следует стадия оценки эффективности нейтрализации катализатора СКВ при помощи измерения количества оксидов азота на входе и на выходе из катализатора СКВ с тем, чтобы убедиться в завершении опорожнения.

Согласно одному из вариантов осуществления способа регулирования по изобретению стадия расчета ii) включает оценку количества нейтрализованных оксидов азота NOx_treat, соответствующего разности между измеренным количеством оксидов азота и/или количеством восстановителя на выходе из катализатора СКВ и измеренным количеством оксидов азота и/или восстановителя на входе в катализатор СКВ.

Количество (то есть массу) оксидов азота и/или восстановителя на выходе (соответственно: на входе) из катализатора можно рассчитать как интеграл по времени расхода газа (измеряемый расходомером) и концентрации оксидов азота и/или восстановителя на выходе (соответственно: на входе) из катализатора, замеренной расположенным ниже по ходу потока (соответственно: выше по ходу потока) датчиком содержания оксидов азота, смонтированным на выходе (соответственно: на входе) из катализатора СКВ.

Хорошо известно, что такие датчики содержания оксидов азота чувствительны не только к оксидам азота, но также к аммиаку. Таким образом, концентрация, измеренная таким датчиком содержания, является или концентрацией оксидов азота, или концентрацией аммиака, или суммой концентраций оксидов азота и аммиака, в зависимости от присутствия одного и/или другого из них.

Согласно этому варианту осуществления способа регулирования по изобретению стадия iii) корректировки указанной модели вычислений зависит от оценки количества нейтрализованных оксидов азота NOx_treat.

Объектом изобретения также является силовой агрегат автотранспортного средства, содержащий двигатель внутреннего сгорания, выхлопную систему для отработанных газов двигателя, которая содержит фильтр твердых частиц, катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx) при помощи восстановителя, называемый катализатор СКВ, и содержит электронный блок управления, который автоматически осуществляет описанный выше способ регулирования.

Наконец, объектом настоящего изобретения является автотранспортное средство, содержащее описанный выше силовой агрегат.

Другие преимущества и признаки изобретения станут понятными при ознакомлении с подробным описанием варианта осуществления изобретения, который является неограничивающим примером, проиллюстрированным на единственной приложенной фигуре, на которой представлен частный вариант осуществления способа регулирования по изобретению.

Предпочтительно восстановитель, описанный в способе по изобретению, представляет собой аммиак.

На единственной приложенной фигуре описан вариант осуществления способа регулирования по изобретению.

Модель вычислений оценивает количество кристаллов мочевины MC_t, присутствующих в выхлопной системе в текущий момент времени t (стадия 1 на единственной фигуре).

Эта модель была предварительно запрограммирована в зависимости от параметров, таких как температура двигателя и выхлопной системы, расход выхлопных газов и расход впрыскиваемой мочевины, температура окружающей среды и скорость автотранспортного средства.

Эта модель - итеративная, то есть она при каждом вычислении добавляет или вычитает массу кристаллов мочевины к общей кристаллизованной массе или от общей кристаллизованной массы, рассчитанной на предыдущей стадии.

Например, если температура выхлопной системы ниже предварительно заданной температуры, мочевина только частично преобразуется в восстановитель, такой как аммиак.

Следовательно, будет иметь место тенденция увеличения количества кристаллов мочевины в выхлопной системе, в частности в катализаторе СКВ выхлопной системы. В этом случае модель вычислений добавит определенное количество кристаллов мочевины к уже рассчитанной общей кристаллизованной массе.

Наоборот, если, например, температура выхлопной системы выше предварительно заданной температуры, вся мочевина, впрыснутая в выхлопную систему, преобразуется в восстановитель, такой как аммиак.

Эта температура также позволяет кристаллам мочевины, уже присутствующим в выхлопной системе, преобразоваться в восстановитель.

В этом случае модель вычислений вычтет определенное количество кристаллов мочевины от уже рассчитанной общей кристаллизованной массы.

В момент T0 модель вычислений оценивает количество кристаллов мочевины MC_t0 как превышающее предварительно установленный порог MC_rg (стадия 2 на единственной фигуре).

Тогда начинается стадия нагрева i) выхлопной системы до температуры, достаточной для сублимации кристаллов мочевины.

Сначала в указанном варианте осуществления способа регулирования по изобретению и до стадии нагрева i) запускается стадия опорожнения катализатора СКВ.

Эта стадия заключается в полном удалении восстановителя, присутствующего в катализаторе СКВ (стадия 3 на единственной фигуре).

Для этого прекращается впрыскивание мочевины, что позволяет постепенно расходовать запас восстановителя, содержащегося в катализаторе СКВ, благодаря оксидам азота, присутствующим в выхлопных газах двигателя.

Для ускорения этой стадии можно также перекрыть систему рециркуляции выхлопных газов (систему EGR). Это позволяет увеличить выбросы NOx в выхлопных газах и, следовательно, быстрее удалить восстановитель, присутствующий в катализаторе СКВ, поскольку этот восстановитель расходуется в больших количествах.

После проведения стадии опорожнения в варианте осуществления способа регулирования по изобретению, выполняется стадия оценки эффективности нейтрализации катализатора СКВ при помощи измерения количества оксидов азота на входе и на выходе из катализатора СКВ (стадия 4 на единственной фигуре). Эта оценка эффективности позволяет убедиться в завершении опорожнения. Действительно, эффективность нейтрализации зависит в частности от количества восстановителя, присутствующего в катализаторе. Здесь система получает подтверждение, что эффективность равна нулю, что соответствует полному отсутствию восстановителя в катализаторе СКВ и отсутствию впрыскивания мочевины выше по ходу потока от катализатора СКВ.

За этой стадией оценки может следовать стадия нагрева i) выхлопной системы до температуры, достаточной для сублимации кристаллов мочевины.

Стадия нагрева может выполняться посредством регенерации фильтра твердых частиц, расположенного в выхлопной системе выше по ходу потока от катализатора СКВ (стадия 5).

Эта стадия позволит сублимировать кристаллы мочевины, присутствующие в выхлопной системе, в частности в катализаторе СКВ. Во время этой процедуры нагрева кристаллы мочевины преобразуются в аммиак, который накапливается в каталитическом(их) блоке(ах) катализатора СКВ. Однако в случае, когда количество аммиака, получившегося в результате сублимации кристаллов мочевины, превысит величину максимальной емкости катализатора, излишек выпускается на выходе из катализатора СКВ.

Из вышесказанного понятно, что с момента запуска и в течение стадии нагрева, при условии, что впрыскивание мочевины в выхлопную систему было приостановлено, единственным возможным источником восстановителя для нейтрализации оксидов азота в катализаторе СКВ является аммиак, полученный при сублимации кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе, в частности в катализаторе СКВ.

Следовательно, измерение количества оксидов азота и/или количества восстановителя на входе и на выходе из катализатора СКВ одновременно со стадией нагрева позволяет оценить количество кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе.

Так, способ по изобретению затем включает стадию ii) расчета количества кристаллов мочевины MC_m, присутствующих в выхлопной системе, на основании выполненных измерений (стадия 6 на единственной фигуре).

Более конкретно, стадия расчета включает оценку количества нейтрализованных оксидов азота NOx_treat, соответствующего разности между измеренным количеством оксидов азота и/или восстановителя на выходе из катализатора СКВ и измеренным количеством оксидов азота и/или восстановителя на входе в катализатор СКВ (стадия 7 на единственной фигуре).

Так, стадия iii) корректировки (или перекалибровки) модели вычислений может зависеть от оценки количества нейтрализованных оксидов азота NOx_treat (стадия 9 на единственной фигуре).

Более конкретно, могут иметь место три ситуации (стадия 8 на единственной фигуре):

Ситуация 1: если количество нейтрализованных оксидов азота NOx_treat выше 0

Более конкретно: если количество оксидов азота и/или аммиака, выходящее из катализатора СКВ, меньше количества на входе.

Это означает, что оксиды азота были нейтрализованы, и что в катализаторе СКВ имеется масса аммиака, полученного при сублимации кристаллов мочевины.

Рассчитывается масса восстановителя, использованного для обработки указанного количества нейтрализованных оксидов азота NOx_treat.

Для этого классически можно опираться на модель эффективности нейтрализации, уже использованную в обычном алгоритме дозировки мочевины. Более конкретно, эффективность нейтрализации является функцией, отображающей совокупность параметров, включающую по меньшей мере расход восстановителя, впрыскиваемого в катализатор СКВ, запас восстановителя, уже присутствующего в катализаторе СКВ, и другие параметры, такие как количество пропускаемых газов и температура катализатора СКВ. Здесь, наоборот, исходя из знаний в каждый момент о расходе газов, температуре, и эффективности, которая рассчитана на базе количеств оксидов азота и/или восстановителя на входе и на выходе и с допущением о нулевом запасе восстановителя, в каждый момент мы возвращаемся к эквиваленту расхода мочевины, требуемому для нейтрализации рассматриваемого количества оксидов азота, затем к общей массе восстановителя путем интегрирования по времени.

Эту используемую массу восстановителя затем сравнивают с пороговой массой, которая стала отправной точкой для запуска регенерации.

Для этого вычисления считается, что весь восстановитель, полученный при сублимации кристаллов, потребляется блоками катализатора СКВ.

Отношение двух масс (массы восстановителя, смоделированной моделью вычислений, и массы восстановителя, рассчитанной на основании измерений нейтрализованных NOx) позволяет скорректировать скорость образования кристаллов. Так, модель вычислений будет пересмотрена в сторону завышения, если указанное отношение выше 1 или в сторону занижения, если указанное отношение ниже 1.

Если указанное отношение составляет около 1, в этом случае модель вычислений является оптимальной.

Затем способ снова запускается от начала, и модель вычислений вновь начинает оценивать количество кристаллов мочевины MC_t, присутствующих в катализаторе СКВ в текущий момент времени t (стадия 1 на единственной фигуре).

Впрыскивание мочевины снова запускается, также как и система рециркуляции выхлопных газов (система EGR), если она была перекрыта.

Ситуация 2: если количество нейтрализованных оксидов азота NOx_treat по существу равно 0

Это означает, что замеренная масса кристаллов мочевины равна нулю. В катализаторе СКВ кристаллов мочевины нет.

Так, стадия нагрева не приведет к появлению восстановителя. Модель вычислений сильно завышает количество кристаллов мочевины.

Следовательно, к модели вычислений применяют соответствующую заранее установленную поправку скорости образования кристаллов мочевины.

Затем способ снова запускается от начала, и модель вычислений вновь начинает оценивать количество кристаллов мочевины MC_t, присутствующих в катализаторе СКВ в момент t (стадия 1 на единственной фигуре).

Впрыскивание мочевины снова запускается, также как и система рециркуляции выхлопных газов (система EGR), если она была перекрыта.

Ситуация 3: если количество нейтрализованных оксидов азота NOx_treat ниже 0

Более конкретно, на деле: если количество оксидов азота и/или аммиака, выходящее из катализатора СКВ, больше количества на входе.

Это означает, что в выхлопной системе присутствует очень большое количество кристаллов мочевины.

Действительно, принимая во внимание, что датчики содержания оксидов азота выше и ниже по ходу потока от катализатора СКВ определяют как количество восстановителя, так и количество NOx, это означает, что катализатор СКВ не способен адсорбировать весь восстановитель, получаемый при сублимации кристаллов мочевины.

Таким образом, восстановитель, образовавшийся при сублимации кристаллов мочевины, присутствует в большом избытке, что позволяет нейтрализовать большую часть оксидов азота, при этом излишек напрямую выпускается выхлопной системой, не абсорбируясь в блоках катализатора СКВ.

В этом случае говорят, что катализатор СКВ «дает утечку».

Таким образом, создается баланс масс между массой восстановителя, накопленного в блоках катализатора СКВ, MNH3_ASC, массой восстановителя, потребленного для нейтрализации поступающих NOx, MNH3_treatNOx и массой нейтрализованных NOx во время стадии нагрева, MNOx_calc.

Масса накопленного восстановителя MNH3_ASC зависит от характеристик блоков катализатора СКВ, температурных условий в катализаторе СКВ и расхода выхлопных газов.

Потребленную массу MNH3_treatNOx оценивают по модели эффективности.

Нейтрализованную массу MNOx_calc рассчитывают путем измерения количества оксидов азота и/или количества восстановителя на входе и на выходе из катализатора СКВ.

Этот баланс масс позволяет рассчитать общую массу кристаллов, присутствующих в катализаторе СКВ, MNH3_crys по следующей формуле:

MNOX_calc = MNH3_ASC + MNH3_treatNOx + MNH3_crys

Затем модель вычислений пересматривается с учетом общей массы кристаллов MNH3_crys, рассчитанной выше.

Более конкретно, отношение двух масс (массы восстановителя, смоделированной моделью вычислений, и массы восстановителя, рассчитанной на основании измерений нейтрализованных NOx) позволяет скорректировать скорость образования кристаллов, как в случае 1.

Затем способ снова запускается от начала, и модель вычислений вновь начинает оценивать количество кристаллов мочевины MC_t, присутствующих в катализаторе СКВ в текущий момент времени t (стадия 1 на единственной фигуре).

Впрыскивание мочевины снова запускается, также как и система рециркуляции выхлопных газов (система EGR), если она была перекрыта.

Объектом изобретения является способ регулирования количества кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx) при помощи восстановителя, называемый катализатор СКВ, причем указанный способ включает стадию нагрева выхлопной системы до температуры, достаточной для сублимации кристаллов мочевины, которая запускается периодически на основании модели вычислений, сопровождается измерением количества оксидов азота и/или количества восстановителя на входе и на выходе из катализатора, затем стадию расчета количества кристаллов мочевины (MC_m), присутствующих в выхлопной системе, на основании измерений, выполненных на стадии нагрева, затем стадию корректировки модели вычислений при помощи количества кристаллов мочевины, рассчитанного на стадии расчета. Объектом изобретения также является силовой агрегат, содержащий электронный блок управления, который автоматически осуществляет указанный способ регулирования. Наконец, объектом изобретения является автотранспортное средство, содержащее такой силовой агрегат. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования количества кристаллов мочевины, присутствующих в выхлопной системе, содержащей катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx) при помощи восстановителя, называемый катализатор СКВ, причем указанный способ включает следующие стадии:

i) стадию нагрева выхлопной системы до температуры, достаточной для сублимации кристаллов мочевины, причем стадия нагрева запускается периодически в зависимости от результата, полученного на основании модели вычислений, причем указанная модель вычислений предназначена для оценки количества кристаллов мочевины (MC_t), присутствующих в выхлопной системе в текущий момент времени (t),

во время этой стадии нагрева проводится измерение количества оксидов азота и/или количества восстановителя на входе и на выходе из катализатора СКВ, затем

ii) стадию расчета количества кристаллов мочевины (MC_m), присутствующих в выхлопной системе, на основании измерений, выполненных на стадии i), затем

iii) стадию корректировки указанной модели вычислений при помощи количества кристаллов мочевины, рассчитанного на стадии ii).

2. Способ регулирования по п. 1, характеризующийся тем, что указанная стадия нагрева запускается в момент T0, как только указанная модель вычислений оценит количество кристаллов мочевины (MC_t0) как превышающее предварительно установленный порог (MC_rg).

3. Способ регулирования по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что стадия нагрева реализуется при помощи регенерации фильтра твердых частиц, причем указанный фильтр твердых частиц расположен в выхлопной системе выше по ходу потока от катализатора.

4. Способ регулирования по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что стадии i) нагрева предшествует стадия опорожнения катализатора, причем указанная стадия опорожнения заключается в удалении восстановителя, присутствующего в катализаторе.

5. Способ регулирования по п. 4, характеризующийся тем, что за стадией опорожнения катализатора следует стадия оценки эффективности нейтрализации катализатора СКВ при помощи измерения количества оксидов азота на входе и на выходе из катализатора.

6. Способ регулирования по любому из пп. 1-5, характеризующийся тем, что стадия расчета включает оценку количества нейтрализованных оксидов азота (NOx_treat), соответствующего разности между измеренным количеством оксидов азота и/или количеством восстановителя на выходе из катализатора и измеренным количеством оксидов азота и/или восстановителя на входе в катализатор.

7. Способ регулирования по п. 6, характеризующийся тем, что стадия iii) корректировки указанной модели вычислений зависит от оценки количества нейтрализованных оксидов азота (NOx_treat).

8. Силовой агрегат автотранспортного средства, содержащий двигатель внутреннего сгорания, выхлопную систему для отработанных газов двигателя, которая содержит фильтр твердых частиц, катализатор селективного каталитического восстановления оксидов азота (NOx) при помощи восстановителя, называемый катализатор СКВ, характеризующийся тем, что он содержит электронный блок управления, который автоматически осуществляет способ регулирования по любому из пп. 1-7.

9. Автотранспортное средство, характеризующееся тем, что оно содержит силовой агрегат по п. 8.