Способ управления регенерацией очистительной системы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности дизельным. Сущность изобретения: способ управления регенерацией очистительной системы основан на введении топлива в выхлопные газы путем впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания двигателя и/или путем прямых впрысков в выхлопной коллектор на входе в фильтр в зависимости от температуры на входе системы. Согласно изобретению количество (Q_red) вводимого топлива для прямых впрысков в выхлопной коллектор и/или для впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания назначают в зависимости от температуры стенки (T_paroi) выхлопного коллектора. Техническим результатом изобретения является повышенная эффективность регенерации фильтр-уловителя частиц за счет применения впрыска восстановителей в выхлопной коллектор. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности дизельным, поскольку они выбрасывают в атмосферу частицы. Более конкретно, изобретение касается управления фильтрами-улавливателями частиц или FAP.

Изобретение может быть использовано, в частности, в любом транспортном средстве, оборудованном фильтром-улавливателем частиц, а также при использовании дополнительного инжектора, предназначенного для продувки ловушки для оксида азота (NOxTrap) или для ее десульфатации.

В отличие от обычного традиционного катализатора окисления эти системы работают циклично или в режиме чередования, то есть при нормальной работе они захватывают загрязнители для их обработки только во время фаз регенерации. В целях регенерации эти фильтры или ловушки требуют наличия специального режима сгорания, чтобы обеспечить необходимые уровни температуры и обогащения.

Для регенерации фильтра-улавливателя частиц можно произвести один или несколько впрысков с запаздыванием в камеры сгорания двигателя после верхней мертвой точки (ВМТ) во время такта расширения, и в результате этих впрысков повышается температура выпускных газов. Дизельное топливо, впрыскиваемое с большим запаздыванием после ВМТ, сгорает не в камере сгорания, а в каталитической части выхлопного коллектора. Чтобы снизить выброс загрязняющих веществ, можно кроме фильтра-улавливателя частиц размещать либо катализатор окисления (DOC) в выхлопном коллекторе на входе фильтра-улавливателя частиц, либо непосредственно каталитический материал (такой как платина) внутри фильтра-улавливателя частиц. Именно в этих каталитических центрах окисляются НС и СО топлива, впрыскиваемого с запаздыванием, повышая температуру газов.

Наконец, путем увеличения расхода топлива, впрыскиваемого с запаздыванием, увеличивают выход НС и СО на выходе двигателя. Эти реагенты-восстановители реагируют в катализаторе окисления с кислородом, присутствующим в выхлопных газах, за счет чего получают тепло, повышающее температуру выхлопных газов на входе фильтра-улавливателя частиц.

Таким образом, для регенерации фильтра-улавливателя частиц можно использовать тепло, выделяемое катализатором окисления, который, как правило, размещают на входе фильтра-улавливателя частиц, и тепло каталитической фазы, нанесенной на каталитический фильтр-улавливатель частиц. Эта фаза выполняет функцию окисления углеводородов и моноксидов углерода, не обработанных катализатором окисления. Она может также использовать тепло, производимое окислительной фазой каталитического фильтра-улавливателя частиц, если на его входе нет катализатора окисления.

Приведение в действие различных средств, обеспечивающих регенерацию, обычно управляется вычислительным устройством управления двигателем, которое в зависимости от нескольких параметров, в том числе степени забивания сажей фильтра-улавливателя частиц, определяет момент регенерации, а также ее продолжительность и параметры впрыска во время этой фазы.

Однако для повышения эффективности регенерации необходимо получать температуру внутри фильтра, способствующую окислению сажи (570-650°С), превышающую нормальную температуру выхлопных газов, причем независимо от рабочего такта двигателя. Точно также, чтобы оптимизировать обработку всех загрязнителей, необходимо соответствующим образом управлять фазами накопления и регенерации в этих ловушках. Таким образом, эти операции требуют регулирования температуры на входе фильтра-улавливателя частиц в момент фаз регенерации и разбавления, связанного с пост-впрыском.

В настоящее время тепло, необходимое для регенерации элементов-накопителей частиц, получают при помощи дополнительных впрысков либо во время такта расширения в цилиндре, либо непосредственно в выхлопном коллекторе. Как правило, регулирование впрыска осуществляют путем замыкания цикла по температуре на выходе катализатора окисления T_SDOC при помощи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), который вводит вычисленную поправку для регулирования этой температуры.

Два активатора, которыми располагают для достижения экзотермического пика, ожидаемого в каталитической фазе выхлопного коллектора, не являются равнозначными с точки зрения критерия разбавления топлива смазочным маслом.

Использование пост-впрыска в цилиндр приводит к повышенному расходу разбавителя, тогда как применение прямого впрыска в выхлопной коллектор может облегчить реализацию системы с этой точки зрения.

Задачей настоящего изобретения является максимальное повышение эффективности регенерации фильтра-улавливателя частиц за счет применения впрыска восстановителей в выхлопной коллектор, более предпочтительного, чем пост-впрыск, чтобы снизить стоимость разбавления, связанного с использованием пост-впрыска.

Для решения этой задачи используют подаваемое топливо для прямых впрысков в выхлопной коллектор и/или для впрысков с запаздыванием в камеры сгорания, в зависимости от значения температуры стенки.

Предпочтительно впрыск топлива в выхлопной коллектор ограничен зонами наименьших и наибольших нагрузок двигателя, и расход топлива, впрыскиваемого в выхлопной коллектор, ограничен максимальным расходом, сверх которого впрыскиваемое топливо не будет полностью окисляться в этом коллекторе.

Объектом изобретения является также устройство, содержащее первый температурный датчик на входе турбины, катализатор окисления, второй температурный датчик, измеряющий температуру на входе очистительной системы, очистительную систему и средство определения температуры стенки выхлопного коллектора.

Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего описания неограничивающего варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан пример осуществления изобретения;

на фиг.2 показано распределение впрысков в зависимости от условий такта выпуска;

на фиг.3 представлен способ определения температуры стенки;

на фиг.4 показана блок-схема управления;

на фиг.5 показаны кривые насыщения количества топлива, впрыскиваемого в выхлопной коллектор (пятый инжектор), для трех значений температуры стенки.

На фиг.1 показан неограничивающий пример использования изобретения в двигателе транспортного средства. На фигуре показаны четырехцилиндровый двигатель 1, турбина 2 и компрессор 3 турбокомпрессора, а также система дожигания выхлопных газов (EGR) и ее охлаждающий контур 4. В выхлопном коллекторе находится катализатор 7 окисления (DOC), за ним следует фильтр-улавливатель частиц 8 (FAP). Инжектор 9 для впрыска топлива в выхлопной коллектор, называемый пятым инжектором, установлен на входе в катализатор 7. Среди различных датчиков следует указать датчик 11 температуры (T_avt) перед турбиной, датчик 13 температуры (T_efap) на входе в фильтр-улавливатель частиц, датчик 14 температуры (T_esfap) на выходе из фильтра-улавливателя частиц, кислородный датчик 16 и датчик 17 разности давлений или датчик относительного давления между входом в фильтр и атмосферой. Наконец, на схеме показаны дроссельная заслонка 18 двигателя, клапан 19 EGR и средства 21 изоляции выхлопного коллектора. Соответствующее вычислительное устройство 22 двигателя принимает и обрабатывает сигналы, поступающие от упомянутых датчиков, а также другие данные, поступающие от потребителей 23 электрического тока, от автоматического вентилятора 25, управляемого термостата 26 и от датчиков 27 и 28 атмосферной температуры и атмосферного давления соответственно.

Вместе с тем в рамках настоящего изобретения дополнительный инжектор, расположенный в выхлопном коллекторе, или пятый инжектор 9 можно разместить либо на входе, либо на выходе из турбины, что не имеет значения для способа в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие элементы: инжектор 9 на выхлопном коллекторе, первый температурный датчик 11 на входе в турбину, катализатор 7 окисления, второй температурный датчик 12, измеряющий температуру (T_efap) на входе очистительной системы, очистительную систему 8 и средство определения температуры T_paroi стенки выхлопного коллектора. Согласно изобретению средство измерения температуры стенки может быть моделью вычисления, введенной в вычислительное устройство, или датчиком температуры стенки (не показан). Наконец, очистительная система 8 может быть либо фильтром-улавливателем частиц, либо другой системой, например ловушкой для оксидов азота, а инжектор 9 на выхлопном коллекторе может быть установлен на входе или на выходе из турбины.

Как было указано выше, настоящим изобретением предусмотрено назначение количества топлива Q_rec, позволяющее получить необходимую температуру на входе в фильтр-улавливатель частиц, между дополнительным инжектором, установленным в канале выпуска отработавших газов, и пост-впрыском.

В частности, количество Q_red, управляемое согласно стратегии контроля температуры на входе фильтра-улавливателя частиц, будет связано в первую очередь с дополнительным инжектором Q_5inj и/или с пост-впрыском Q_poi, в зависимости от значения температуры T_paroi стенки выхлопного коллектора в данный момент времени.

Изобретение исходит из того, что выхлопной инжектор не может быть использован во всем диапазоне рабочих режимов двигателя. Действительно, зона, характеризующаяся низким выходом выхлопных газов и низкой температурой стенки, не обеспечивает достаточного испарения впрыскиваемого топлива. Из соображений безопасности предпочтительно также не использовать выхлопной инжектор в зонах, характеризующихся большим выходом выхлопных газов и высокой температурой стенки, в силу незначительного времени нахождения восстановителей в катализаторе окисления, чтобы обеспечить окисление всего количества восстановителей. Как показано на фиг.2, впрыск топлива в выхлопной коллектор применяют только в некоторых диапазонах работы двигателя, и он ограничен, например, зонами наименьших и наибольших нагрузок двигателя.

Температуру стенки можно определять либо при помощи датчика, либо при помощи введенной в вычислительное устройство двигателя модели в зависимости от различных параметров. Действительно, чтобы определить температуру стенки T_paroi, можно использовать датчик или вычислительную модель, введенную, например, в вычислительное устройство управления двигателем, которая позволяет получить значение T_paroi в данный момент времени. Эта температура зависит от различных параметров, указанных на фиг.3, в том числе от температуры T_avt выхлопных газов перед турбиной турбокомпрессора, от температуры T_eau воды двигателя, от расхода выхлопных газов Q_ech и от расхода воздуха Q_aur (измеряемого, например, на такте впуска). Модель может использовать все эти параметры или только некоторые из них, в зависимости от фазы работы двигателя.

Количество впрыскиваемого топлива Q_red зависит от температуры стенки, от температуры на выходе катализатора окисления DOC или от температуры T_efap на входе фильтра-улавливателя частиц и от рабочей точки двигателя (выход выхлопных газов). Количество топлива Q_red вычисляют при помощи модуля, интегрированного в вычислительное устройство управления двигателем. Этот модуль, показанный на фиг.4, включает в себя базовое регулирование расхода впрыскиваемого восстановителя (предположительно не зависящего от активатора), отмечаемое на картографии рабочей точкой режим/крутящий момент двигателя, и поправку, генерируемую корректором типа ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) и зависящую от разности между измерением температуры на входе фильтра-улавливателя частиц и заданной температурой T_cons. Конверсионная способность катализатора окисления DOC, которая зависит от температуры стенки и от расхода проходящих через нее газов, определяет максимальный расход для пятого инжектора, сверх которого часть восстановителей, впрыскиваемых в выхлопной коллектор, не будет окисляться. Чтобы учитывать это условие, предусмотрено, чтобы количество Q_5inj впрыскиваемого в выхлопной коллектор топлива было ограничено максимальным количеством Q_injmax, сверх которого впрыскиваемое топливо не будет полностью окислено в этом коллекторе. В частности, топливо впрыскивают в выхлопной коллектор, пока количество Q_inj впрыскиваемого топлива остается меньше максимального количества топлива Q_injmax, способного окислиться в этом коллекторе.

На фиг.5 показан принцип высокого насыщения расхода пятого инжектора для разных температур стенки T_paroi1, T_paroi2, T_paroi3. В двух зонах, где не может быть использован этот инжектор, можно применять пост-впрыск, если стратегия контроля температуры на входе фильтра-улавливателя частиц требует получения экзотермического пика в DOC.

Если допустимо использование пятого инжектора, его насыщают в первую очередь, чтобы обеспечить его использование до насыщения, перенося при этом избыток на поствпрыск:

- если Q_red<Q_5inj максимального, то Q_5inj=Q_red и Q_poi1=0;

- если Q_red>=Q_5inj максимальному, то Q_5inj=Q_5inj максимальному и Q_poi1=Q_red-Q_5inj максимальный.

Таким образом, избыток топлива Q_poi по отношению к количеству окисляемого топлива в выхлопном коллекторе Q_injmax вводят путем впрысков с запаздыванием в камеры сгорания двигателя. Предпочтительно вычислительное устройство 22 двигателя управляет количеством топлива Q_red в инжекторе, предназначенном для выхлопного коллектора 9, до уровня насыщения катализатора 7 окисления, прежде чем перенести избыток, требуемый для регенерации фильтра 8, на впрыски топлива с запаздыванием в камеры сгорания двигателя.

В случае одновременной активации впрыска в выхлопной коллектор и поствпрыска предпочтительно, чтобы подача всего впрыскиваемого топлива следовала наклонному графику роста для достижения заданного значения, чтобы избежать прохождения части впрыскиваемого топлива через катализатор без вступления в реакцию. При таком профиле впрыска восстановители, проходящие через катализатор, имеют больше шансов окислиться в случае большого выхода выхлопных газов и высокой температуры стенки.

Чтобы улучшить динамику системы, предпочтительно менять расход инжектора на выхлопном коллекторе в ответ на изменение общего заданного значения расхода. Таким образом, пост-впрыск становится нечувствительным к изменению заданного значения. Вместе с тем, поскольку приоритетной задачей является максимальное уменьшение разбавления, связанного с пост-впрыском, изобретение предусматривает восстановление равновесия (то есть получение максимального расхода восстановителей в выхлопном коллекторе и минимального расхода в камерах сгорания двигателя) путем постепенного повышения расходов восстановителей в выхлопном коллекторе.

Модель стратегии впрыска восстановителей в выхлопной коллектор введена в электронный блок управления ECU транспортного средства. Эта стратегия предусматривает следующие этапы:

- сначала на основе картографии модель определяет дополнительное количество впрыскиваемого топлива (Q_red) для рассматриваемой рабочей точки;

- измерение температуры на выходе катализатора окисления DOC (или на входе фильтра-улавливателя частиц FAP) позволяет скорректировать это количество восстановителя, чтобы максимально приблизиться к искомой температуре (заданной температуре) на входе фильтра-улавливателя частиц FAP (T_SDOC=T_EFAP);

- после этого блок управления управляет распределением дополнительного топлива между пятым инжектором (Q_5inj) и пост-впрыском (Q_poi1) в зависимости от характеристик выхлопных газов (T_paroi и Q_ECH). При этом может работать или только пятый инжектор, или только впрыск с запаздыванием.

Наконец, следует отметить, что уточнение модели вычисления температуры стенки может ограничить применение способа в соответствии с настоящим изобретением. Действительно, необходимо иметь возможность использования дополнительного инжектора в максимально большом диапазоне режима нагрузки, но вместе с тем важно не использовать его, когда температура стенки является слишком низкой. Пределы, принимаемые для значения T_paroi, будут непосредственно влиять на допустимое поле режим/нагрузка.

1. Способ управления регенерацией очистительной системы, содержащей катализатор окисления и фильтр (8), включающий введение топлива в выхлопные газы путем впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания двигателя и/или путем прямых впрысков в выхлопной коллектор на входе фильтра посредством инжектора (9), предназначенного для выхлопного коллектора, в зависимости от температуры на входе системы, отличающийся тем, что количество (Q_red) вводимого топлива для прямых впрысков в выхлопной коллектор и/или для впрысков с запаздыванием в некоторые камеры сгорания назначают в зависимости от температуры стенки (T_paroi) выхлопного коллектора.

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что впрыск топлива в выхлопной коллектор осуществляют только в некоторых диапазонах работы двигателя.

3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что впрыск топлива в выхлопной коллектор ограничен зоной наименьших нагрузок и зоной наибольших нагрузок двигателя.

4. Способ управления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что температуру стенки определяют при помощи датчика.

5. Способ управления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что температуру стенки (T_paroi) определяют посредством модели, введенной в вычислительное устройство двигателя, в зависимости от параметров, содержащих температуру выхлопных газов перед турбиной турбокомпрессора (T_avt), температуру воды (T_eau), расход выхлопных газов (Q_ech) и расход воздуха (Q_air).

6. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что количество топлива (Q_inj), впрыскиваемого в выхлопной коллектор, ограничено максимальным количеством (Q_{inj max}), сверх которого впрыскиваемое топливо не будет полностью окисляться катализатором окисления в этом коллекторе.

7. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что топливо предпочтительно впрыскивают в выхлопной коллектор, пока количество (Q_inj) впрыскиваемого топлива остается меньше максимального количества (_{Qinj max}) топлива, полностью окисляемого в этом коллекторе.

8. Способ управления по п.7, отличающийся тем, что избыток топлива (Q_poi) по отношению к количеству окисляемого топлива (Q_inj max) в выхлопном коллекторе вводят путем впрысков с запаздыванием в камеры сгорания двигателя.

9. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что общее количество (Q_red) топлива корректируют по каждой рабочей точке двигателя при помощи показателя, зависящего от разности между температурой (T_efap) на входе в фильтр и заданной (T_cons) температурой регенерации.

10. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что вычислительное устройство (22) двигателя обеспечивает количество (Q_red) топлива в инжекторе выхлопного коллектора (9) до уровня насыщения катализатора (7) окисления прежде, чем перенести избыток, требуемый для регенерации фильтра (8), на впрыски топлива с запаздыванием в камеры сгорания двигателя.

11. Способ управления по п.10, отличающийся тем, что расход выхлопного инжектора предпочтительно меняется в ответ на изменение общего заданного значения расхода.

12. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что очистительная система (8) является фильтром-улавливателем частиц.

13. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-12, отличающееся тем, что содержит инжектор (9) на выхлопном коллекторе, первый температурный датчик (11) на входе в турбину турбокомпрессора, катализатор (7) окисления, второй температурный датчик (12), измеряющий температуру (T_efap) на входе очистительной системы, очистительную систему (8) и средство определения температуры (T_paroi) стенки выхлопного коллектора.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что средством определения температуры стенки является вычислительная модель, введенная в вычислительное устройство (22).

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что топливный инжектор (9) расположен на входе в турбину турбокомпрессора (2).

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что топливный инжектор (9) расположен на входе в турбину турбокомпрессора (2).

17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что топливный инжектор (9) расположен на выходе из турбины турбокомпрессора (2).

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что топливный инжектор (9) расположен на выходе из турбины турбокомпрессора (2).

19. Устройство по любому из пп.13-18, отличающееся тем, что первый температурный датчик (11) установлен на входе в турбину турбокомпрессора (2).

20. Устройство по любому из пп.13-18, отличающееся тем, что содержит четвертый температурный датчик (14) на выходе очистительной системы (T_sfap).

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что содержит четвертый температурный датчик (14) на выходе очистительной системы (T_sfap).

22. Устройство по любому из пп.13-18, отличающееся тем, что очистительная система (8) представляет собой фильтр-улавливатель частиц.

23. Устройство по п.19, отличающееся тем, что очистительная система (8) представляет собой фильтр-улавливатель частиц.

24. Устройство по любому из пп.13-18, отличающееся тем, что очистительная система (8) представляет собой ловушку для оксидов азота.

25. Устройство по п.19, отличающееся тем, что очистительная система (8) представляет собой ловушку для оксидов азота.