Способ бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателестроении, а более конкретно к обезвреживанию выхлопных газов двигателя путем каталитического преобразования токсичных компонентов. Сущность изобретения: диагностику нейтрализатора осуществляют при работе регулятора топливоподачи с временными задержками при переключениях топливоподачи относительно моментов достижения пороговых значений сигнала первого λ -зонда. В качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр, характеризующий отношение чувствительностей l -зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах при заданной величине временных задержек. Поскольку оценку работоспособности нейтрализатора производят путем сравнения чувствительностей l -зондов к концентрации кислорода в отработавших газах в зависимости от концентрации в них продуктов неполного сгорания, а соотношение концентраций их на входе и выходе нейтрализатора непосредственно характеризует его окислительную способность, заявляемый способ диагностики обеспечивает более высокую достоверность получаемых результатов. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к обезвреживанию выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, а более конкретно к обезвреживанию их от токсичных компонентов путем каталитического преобразования.

Одним из наиболее эффективных методов снижения токсичности отработавших газов бензиновых двигателей транспортных средств является использование трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Для эффективной работы этого нейтрализатора необходимо поддерживать состав горючей смеси, подаваемой в двигатель, в узком диапазоне около стехиометрического состава. Это достигается использованием в системах топливоподачи двигателей замкнутой системы регулирования с обратной связью, датчиком которой является λ-зонд.

В процессе эксплуатации каталитического нейтрализатора возможно снижение эффективности его работы вследствие старения, использования этилированного бензина, длительной работы с неисправной системой зажигания. Поскольку уменьшение эффективности работы системы нейтрализации практически не влияет на управляемость автомобилем, и потому может быть своевременно не замечено водителем, необходимо иметь возможность диагностирования работоспособности нейтрализатора в эксплуатационных условиях, на борту транспортного средства.

Известен способ бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания, основанный на определении разности температур газов на входе и выходе из нейтрализатора с учетом того, что при нормальной его работе температура газов на выходе из нейтрализатора примерно на 50^оС выше, чем на входе вследствие дополнительного тепловыделения при окислении токсичных компонентов. Если разность температур ниже установленного значения, делают вывод о недостаточной эффективности нейтрализатора [1] Относительно малые величины измеренной разности температур и в связи с этим пониженная точность ее определения, зависимость этой величины от большого количества случайных трудноучитываемых факторов снижают достоверность диагностики нейтрализатора. К недостаткам этого способа следует добавить инерционность работы используемых термопар и необходимость их дополнительной установки на двигатель.

В связи с этим более широкое распространение получили способы бортовой диагностики каталитических нейтрализаторов с использованием двух λ-зондов, устанавливаемых до и за каталитическим нейтрализатором, предусматривающие работу системы топливоподачи в двигатель с обратной связью в штатном режиме.

Известен способ бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания с регулированием топливоподачи в двигатель с использованием сигналов обратной связи, заключающийся в том, что при работе двигателя на режиме, в области действия регулятора топливоподачи с периодическими попеременными ее переключениями в сторону более бедных относительно стехиометрического и более богатых составов топливовоздушной смеси по сигналам установленного на входе в нейтрализатор λ-зонда в моменты достижения их пороговых значений, измеряют сигналы от первого и второго λ-зондов соответственно на входе и выходе из нейтрализатора, на основе сравнения сигналов упомянутых λ-зондов определяют фактическое значение критерия, характеризующего эффективность работы нейтрализатора, сравнивают его с эталонным и в зависимости от величины разности этих величин делают вывод о работоспособности нейтрализатора. В качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр отставания по времени сигнала λ-зонда, установленного после нейтрализатора, от сигнала λ-зонда, размещенного на входе нейтрализатора [2] Отставание по времени сигнала второго λ-зонда от сигнала первого λ-зонда является следствием процесса аккумулирования исправным нейтрализатором кислорода. Однако, поскольку этот эффект неоднозначно связан с преобразующими свойствами нейтрализатора, известный способ диагностики нейтрализатора недостаточно достоверен.

Известен способ бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания с регулированием топливоподачи в двигатель с использованием сигналов обратной связи, заключающийся в том, что при работе двигателя на режиме, в области действия регулятора топливоподачи с периодическими попеременными ее переключениями в сторону более бедных относительно стехиометрического и более богатых составов топливовоздушной смеси по сигналам установленного на входе в нейтрализатор λ-зонда в моменты достижения их пороговых значений, измеряют сигналы от первого и второго λ-зондов соответственно на входе и выходе из нейтрализатора, на основе сравнения сигналов упомянутых λ-зондов определяют фактическое значение критерия, характеризующего эффективность работы нейтрализатора, сравнивают его с эталонным и в зависимости от величины разности этих величин делают вывод о работоспособности нейтрализатора. Диагностику нейтрализатора осуществляют без внесения каких-либо изменений в работу регулятора топливоподачи, а в качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр, характеризующий эффект накопления нейтрализатором кислорода. Известный способ предусматривает несколько этапов определения задержек выхода сигнала второго λ-зонда относительно первого, включая определение упомянутых задержек при периодическом переключении топливоподачи в сторону более бедных и более богатых относительно стехиометрического состава смеси [3] Возникновение задержек в сигналах двух λ -зондов при реализации известного способа диагностики нейтрализатора, как и предыдущего аналога, обусловлено эффектом накопления кислорода, степень проявления которого неоднозначно связана с эффективностью работы каталитического нейтрализатора. Причиной этого может быть то, что накопление кислорода происходит не только в металлах платиновой группы, входящих в состав активной массы нейтрализатора, но и в стабилизирующей оксидной пленке матрицы, состоящей из окиси церия. Установлено, что оксидная пленка аккумулирует большую часть кислорода, в то время как в процессе преобразования токсических компонентов участвует в незначительной степени. Отмеченное снижает достоверность получаемых результатов.

Задачей изобретения является создание способа бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов, обладающего повышенной достоверностью получаемых результатов, при этом заявляемый способ должен реализовываться бортовой системой управления при минимальном вмешательстве в работу регулятора топливоподачи.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания с регулированием топливоподачи в двигатель с использованием сигналов обратной связи, заключающемуся в том, что при работе двигателя на режиме, в области действия регулятора топливоподачи с периодическими попеременными ее переключениями в сторону более бедных относительно стехиометрического и более богатых составов топливовоздушной смеси по сигналам установленного на входе в нейтрализатор λ-зонда, измеряют сигналы от первого и второго λ-зондов соответственно на входе и выходе из нейтрализатора, на основе сравнения сигналов упомянутых λ-зондов определяют фактическое значение критерия, характеризующего эффективность работы нейтрализатора, сравнивают его с эталонным и в зависимости от величины разности этих величин делают вывод о работоспособности нейтрализатора, диагностику нейтрализатора осуществляют при работе регулятора топливоподачи с временными задержками при упомянутых переключениях топливоподачи относительно моментов достижения пороговых значений сигнала первого λ-зонда, а в качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр, характеризующий отношение чувствительностей упомянутых λ-зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах при заданной величине упомянутых временных задержек.

Величины упомянутых временных задержек составляют 50-150 мс.

Для получения фактического значения критерия эффективности работы нейтрализатора сначала определяют для каждого λ-зонда значение среднего уровня сигнала IND' в циклах работы упомянутого регулятора с уменьшенной топливоподачей и значение среднего уровня сигнала IND" в циклах с увеличенной топливоподачей, затем для каждого λ-зонда определяют разность найденных значений IND' и IND", характеризующую при заданных величинах упомянутых временных задержек чувствительность каждого из λ-зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах, после чего определяют отношение величин упомянутых разностей, при этом значения среднего уровня сигнала каждого из датчиков определяются по формуле: IND1(2) U1_i(1) где IND1(2) средний уровень сигнала первого (второго) датчика; U1(2) мгновенное значение выходного сигнала первого (второго) датчика; n количество замеров на принятом интервале осреднения.

При реализации заявляемого способа оценка работоспособности нейтрализатора производится посредством сравнения чувствительностей λ-зондов к концентрации кислорода, имеющих различную величину, в зависимости от уровня концентрации в отработавших газах компонентов продуктов неполного сгорания окиси углерода и углеводородов. Поскольку соотношение уровней концентраций окиси углерода и углеводородов на входе и выходе нейтрализатора непосредственно характеризует его окислительную способность, заявляемый способ, требующий минимального вмешательства в работу регулятора топливоподачи, обеспечивает более высокую достоверность диагностики работоспособности нейтрализатора.

На фиг.1 показано устройство, размещенное на борту транспортного средства и используемое для реализации заявляемого способа диагностики каталитического нейтрализатора; на фиг.2 зависимости выходного напряжения λ-зондов, установленных до и после нейтрализатора, от концентрации кислорода в отработавших газах; на фиг.3 зависимости средних уровней сигналов для упомянутых λ-зондов от длительности упомянутых временных задержек переключений регулятора топливоподачи; на фиг.4 те же зависимости при различной эффективности работы нейтрализатора.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 1 установлен в выпускной системе 2 двигателя 3 внутреннего сгорания транспортного средства. В выпускной системе 2 перед и за нейтрализатором установлены соответственно первый и второй λ-зонды 4 и 5, подключенные линиями обратной связи 6 и 7 к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 8 блока управления 9. Последний содержит также запоминающее устройство (ПЗУ) 10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 11, таймер (Т) 12, выходной драйвер (Д) 13, устройство 14 ввода вывода информации (УВВ), центральный процессор (ЦП) 15. Упомянутые элементы блока управления связаны между собой посредством шины 16. Выходной драйвер 13 подключен к электромагнитным форсункам 17 системы впрыска бензина, установленным во впускном трубопроводе 18 двигателя внутреннего сгорания. Блок управления 9 включен в систему электрооборудования, источниками энергии которой являются аккумуляторная батарея 19 и генератор 20 транспортного средства. Блок управления с подключенными к нему линиями обратной связи 6 и 7 выполняет функции регулятора топливоподачи, обеспечивая управление топливоподачей в цилиндры двигателя внутреннего сгорания в соответствии с алгоритмом, запрограммированным в ПЗУ 10.

λ-зонды 4 и 5 представляют собой датчики, в данном случае на основе окиси циркония. Их выходной сигнал имеет практически релейную характеристику с линейной областью в узком диапазоне концентраций определенных компонентов отработавших газов. Как установлено в процессе экспериментов, генерация датчиком выходного сигнала рабочего уровня связана с процессами окисления компонентов газовой смеси на поверхности чувствительного элемента датчика находящимся в нем кислородом.

Нахождение выходного сигнала λ-зонда на линейном участке его характеристики при незначительной концентрации кислорода в отработавших газах отражает наличие на поверхности чувствительного элемента датчика концентраций окисляемых и восстанавливаемых компонентов отработавших газов, соответствующих стехиометрическому составу смеси (с учетом реакций преобразования отработавших газов в нейтрализаторе). По мере увеличения концентрации окиси углерода (СО) для нахождения выходного сигнала λ-зонда на линейном участке его характеристики необходимо увеличение избытка кислорода в отработавших газах относительно уровня, соответствующего стехиометрическому составу смеси. Чувствительность λ-зонда к изменению концентрации кислорода в отработавших газах при уменьшении фоновой концентрации СО возрастает.

Работа нейтрализатора оценивается по его способности преобразования токсичных компонентов отработавших газов с максимальной эффективностью. Диапазон значений состава смеси на впуске, в пределах которого коэффициенты преобразования по всем компонентам лежат не ниже 80% от максимального значения, определяет зону эффективной работы нейтрализатора или "окно бифункциональности".

При эффективной работе нейтрализатора в "окне бифункциональности" отработавшие газы за ним практически не содержат продуктов неполного сгорания и кислорода. Такой состав отработавших газов свидетельствует о полном преобразовании компонентов в нейтрализаторе и о том, что состав смеси соответствует стехиометрическому. Сигнал второго λ-зонда (установленного за нейтрализатором) в этих условиях будет иметь уровень, соответствующий середине линейного участка его характеристики.

Вследствие несовершенства процесса сгорания в ДВС его отработавшие газы перед нейтрализатором одновременно содержат и продукты неполного сгорания и окислитель. Согласно установленным для λ-зонда зависимостям положение середины линейного участка характеристики первого λ-зонда смещается в сторону увеличения концентраций кислорода в тем большей степени, чем более высок уровень содержания в отработавших газах продуктов неполного сгорания. Таким образом, положение линейного участка характеристики первого λ-зонда, установленного перед нейтрализатором, будет определяться составом смеси и эффективностью процесса сгорания в ДВС.

На фиг. 2 проведено сравнение зависимостей выходного напряжения U λ-зондов, установленных до (кривая 21) и после нейтрализатора (кривая 22), от концентрации кислорода в отработавших газах. Из сравнения видно, что середина линейного участка рабочей характеристики λ-зонда, установленного до нейтрализатора, соответствует более высоким концентрациям кислорода в отработавших газах, чем у λ-зонда, установленного после нейтрализатора. Крутизна линейного участка характеристики также различна: для λ-зонда, установленного за нейтрализатором, крутизна значительно больше, что свидетельствует о более высокой его чувствительности к изменению концентрации кислорода в отработавших газах.

Поскольку наличие на поверхности λ-зонда восстанавливаемых компонентов отработавших газов окислов азота не влияет на выходной сигнал датчика, поэтому количественно оценить концентрацию NOX в отработавших газах при помощи λ-зонда невозможно. Следовательно, количественная оценка степени преобразования токсичных компонентов в нейтрализаторе, определяющая эффективность его работы, при помощи λ-зонда может быть выполнена только по окисляемым компонентам отработавших газов (СО, СН, Н₂).

При разработке способа диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов ДВС использовалась выявленная в результате экспериментов функциональная зависимость чувствительности λ-зонда к изменению концентрации кислорода в отработавших газах от концентрации в них СО. Изменение концентрации О₂ и СО в отработавших газах обеспечивалось настройкой регулятора топливоподачи.

Используемый в автомобильных системах с нейтрализатором отработавших газов регулятор топливоподачи работает в режиме автоколебаний, осуществляя переключение топливоподачи в сторону более бедной (R > L) или более богатой (L > R) смеси по сигналу λ-зонда, находящегося в контуре обратной связи. При этом в качестве порога переключения регулятора топливоподачи принимается сигнал, соответствующий середине линейного участка характеристики λ-зонда, установленного перед нейтрализатором. Учитывая, что положение выходного сигнала λ-зонда в середине линейного участка его характеристики отражает наличие на его поверхности концентраций окисляемых и восстанавливаемых компонентов отработавших газов, соответствующих стехиометрическому составу смеси, а также предполагая, что временные задержки в λ-зонде и системе топливоподачи двигателя при переходе R > L и L > R одинаковы, можно считать, что средний уровень концентрации СО и О₂ на поверхности λ-зонда в процессе работы регулятора топливоподачи также соответствует условиям стехиометрии. Очевидно, что такое допущение тем более справедливо, чем менее значительны колебания концентрации компонентов отработавших газов в процессе работы регулятора.

Также очевидно, что несимметричные задержки при переходе R> L и L> R приведут к смещению среднего уровня концентрации продуктов сгорания в процессе регулирования относительно условий стехиометрии в сторону избытка СО или О₂. Следовательно, введение искусственных задержек при переключении регулятора топливоподачи позволит регулировать соотношение концентраций СО и О₂ в отработавших газах, что может быть использовано для количественной оценки чувствительности λ-зонда к изменению концентрации О₂.

Реализация процедуры введения задержек обеспечивается программным путем при работе регулятора топливоподачи. Она позволяет путем сравнения чувствительностей первого и второго λ-зондов диагностировать работу нейтрализатора, а также постоянно подстраивать работу регулятора в оптимальный режим по среднему уровню выходного сигнала второго λ-зонда.

При выборе величины временной задержки переключения регулятора топливоподачи относительно моментов достижения пороговых значений сигнала первого λ-зонда целесообразно принять значение, при котором смещение среднего уровня сигнала первого λ-зонда в процессе регулирования при минимальных концентрациях СО в отработавших газах равно половине ширины линейного участка его характеристики. Оптимальная величина задержки переключения регулятора топливоподачи составляет 50-150 мс. Задержка в уровне R-DTR, задержка в уровне L-DTL.

В качестве критерия, позволяющего количественно оценить чувствительность λ-зонда к изменению концентрации О₂ и удобного для применения в системе управления, используется средний уровень сигнала λ-зонда при работе регулятора топливоподачи, рассчитываемый по зависимости (1).

При этом для повышения точности измерения, целесообразно принять интервал осреднения равным 8-10 периодам автоколебаний регулятора.

На фиг. 3 представлены графики зависимости параметров IND1 и IND2 для λ-зондов, установленных до (кривая 23) и после нейтрализатора (кривая 24) соответственно, при изменении длительности временных задержек в управлении топливоподачей. Точка DT 0 соответствует работе регулятора топливоподачи без задержек, положительная величина DT соответствует величине задержки в области R-DTR, а отрицательная в области L-DTL. Из полученных зависимостей видно, что смещение топливоподачи в R путем введения задержки DTR 100 мс приводит к повышению среднего уровня выходного сигнала первого λ-зонда IND1 от 0,41 до 0,44 В, в то время как второго λ-зонда от 0,40 до 0,72 В. Симметричное смещение в области L на величину DTL 100 мс приводит к уменьшению параметра IND1 от 0,41 до 0,38, а IND2 от 0,40 до 0,09 В.

Заявляемый способ диагностики трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов осуществляется следующим образом.

При работе автомобильного двигателя в области режимных точек, соответствующих зоне работы регулятора топливоподачи, в блок управления 9 при переходе R > L вводят заданную временную задержку DTL (фиг.3). Для каждого λ-зонда определяют показатель IND'1(2). Затем вводят заданную временную задержку при переходе L> R''dTR и для каждого λ-зонда определяют показатель IND" 1(2). Затем для первого и второго λ-зондов рассчитывают разность найденных значений IND' и IND", характеризующую при заданных величинах упомянутых временных задержек чувствительность каждого из λ-зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах, после чего определяют отношение величин упомянутых разностей.

Аппаратная реализация описанных расчетных процедур осуществляется центральным процессором 15 блока управления 9, а сигналы на временные задержки в управлении топливоподачей обеспечиваются таймером 12 и далее после преобразования устройством 14 и усиления выходным драйвером 13 поступают на форсунки 17. Сравнивая полученное значение отношения чувствительностей λ-зондов, как критерия эффективности работы нейтрализатора, с эталонными значениями, предварительно полученными посредством вышеописанных действий с эталонными нейтрализаторами, имеющими различную эффективность очистки, делают вывод о работоспособности нейтрализатора.

На фиг.4 кривая 25 представляет зависимость изменения от временной задержки параметра IND2 λ-зонда, установленного за исправным эталонным нейтрализатором, кривая 26 аналогичную зависимость при снижении эффективности работы нейтрализатора до среднего уровня 75% кривая 27 при снижении уровня эффективности до 50% и кривая 28 при неисправном нейтрализаторе. Кривая 29 представляет зависимости изменения от временной задержки параметра IND1 λ-зонда, установленного перед нейтрализатором, практические совпадающие для нейтрализаторов различной эффективности. В экспериментах снижение эффективности нейтрализатора моделировалось путем байпасирования части отработавших газов. Как видно из фиг.4, снижение эффективности преобразования нейтрализатором от исправного состояния (100%-ная эффективность) до уровня 50% -ной эффективности сопровождается уменьшением разности IND'-IND" примерно в 3 раза. Отношение этих разностей при симметричных временных задержках DTL и DTR 100 мс для первого и второго λ-зондов, т.е. эталонное значение критерия эффективности при исправном нейтрализаторе, составляет порядка 8, в то время как для нейтрализатора с уменьшенной до 50% эффективностью преобразования компонентов около 4. При вышедшем из строя нейтрализаторе отношение указанных параметров равно единице.

Таким образом, заявляемый способ бортовой диагностики каталитических нейтрализаторов позволяет с высокой степенью достоверности давать не только качественную оценку их работоспособности, но и количественно оценивать эффективность их работы. Реализация заявляемого способа диагностики достигается при минимальном вмешательстве в работу системы регулирования топливоподачи. Обязательным условием для реализации заявляемого способа является использование исправных λ -зондов.

Формула изобретения

1. СПОСОБ БОРТОВОЙ ДИАГНОСТИКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ТРАНСПОРТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ с регулированием топливоподачи в двигатель с использованием сигналов обратной связи, заключающийся в том, что при работе двигателя на режиме в области действия регулятора топливоподачи с периодическими попеременными ее переключениями в сторону более бедных относительно стехиометрического и более богатых составов топливовоздушной смеси по сигналам установленного на входе в нейтрализатор λ-- зонда измеряют сигналы от первого и второго l- зондов соответственно на входе и выходе из нейтрализатора, на основе сравнения сигналов упомянутых λ- зондов определяют фактическое значение критерия, характеризующего эффективность работы нейтрализатора, сравнивают его с эталонным и в зависимости от величины разности этих величин делают вывод о работоспособности нейтрализатора, отличающийся тем, что диагностику нейтрализатора осуществляют при работе регулятора топливоподачи с временными задержками при переключениях топливоподачи относительно моментов достижения пороговых значений сигнала первого λ- зонда, а в качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр, характеризующий отношение чувствительностей λ- зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах при заданной величине временных задержек.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величины временных задержек составляют 50 150 мс.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для получения фактического значения критерия эффективности работы нейтрализатора сначала определяют для каждого λ- зонда значение среднего уровня сигнала INDʹ в циклах работы регулятора с уменьшенной топливоподачей и значение среднего уровня сигнала INDʺ в цикле с увеличенной топливоподачей, затем для каждого λ- зонда определяют разность найденных значений INDʹ и INDʺ, характеризующую при заданных величинах упомянутых временных задержек чувствительность каждого из λ-- зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах, после чего определяют отношение величин упомянутых разностей, при этом значения среднего уровня сигнала каждого из датчиков определяют по формуле где IND1(2) средний уровень сигнала первого (второго) датчика;
U1(2) мгновенное значение выходного сигнала первого (второго) датчика;
n количество замеров на принятом интервале осреднения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4