Способ регенерации фильтра частиц и двигатель внутреннего сгорания с фильтром частиц

Настоящее изобретение относится к машиностроению, а именно к способу регенерации фильтра твердых частиц. Предложен способ регенерации фильтра (3) частиц двигателя (1) внутреннего сгорания, в котором во время повторяющихся фаз регенерации выполняют регенерацию посредством выжигания частиц сажи, осажденных в фильтре (3) частиц. Во время работы двигателя (1) внутреннего сгорания определяют реактивность сажи в отложениях сажи на основании параметрической поверхности, причем определяют количество сажи и реактивность сажи, осажденной в фильтре (3) частиц. На основании этого устанавливают момент времени для фазы регенерации и температуру процесса для фазы регенерации. Также раскрыты двигатель внутреннего сгорания с фильтром частиц и транспортное средство. Технический результат заключается в оптимизации фаз регенерации. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к способу регенерации фильтра (твердых) частиц согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к двигателю внутреннего сгорания с фильтром (твердых) частиц для выполнения способа согласно пункту 9 формулы изобретения.

Устройство для очистки отработавших газов дизельного двигателя содержит обычно фильтр частиц, в котором предотвращается попадание частиц сажи, которые возникают при сгорании топлива и находятся в потоке отработавших газов, в окружающее пространство. С увеличением длительности работы фильтр частиц все сильнее загружается частицами сажи и должен быть регенерирован для сохранения своей эффективности. Для этого предусмотрены фазы регенерации, внутри которых выжигаются частицы сажи. Для этого в поток отработавших газов обычно перед имеющимся дизельным окислительным катализатором подают топливо, так что в дизельном окислительном катализаторе происходит реакция и тем самым повышение температуры потока отработавших газов. Затем имеющий повышенную температуру горячий поток отработавших газов вызывает выжигание частиц сажи в фильтре частиц.

Выжигание частиц сажи зависит от реактивности осаждаемых в фильтре частиц сажи, так что соответственно можно применять более высокие или более низкие температуры отработавших газов для выжигания частиц сажи. Частоту интервалов регенерации можно также устанавливать в зависимости от количества сажи и свойств сажи осаждаемых частиц сажи в фильтре частиц.

Из DE 102005046830 А1 известен способ работы двигателя внутреннего сгорания с фильтром частиц, в котором на сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания оказывают влияние так, что в фильтре частиц осаждаются не полностью графитизированные частицы сажи. За счет повышения температуры потока отработавших газов можно затем воспламенять эти частицы сажи для инициирования фазы регенерации.

В основу изобретения положена задача создания способа регенерации фильтра (твердых) частиц двигателя внутреннего сгорания, в котором можно учитывать образующиеся в зависимости от различных рабочих состояний отложения сажи относительно ее состава и/или количества.

Решение этой задачи достигается с помощью указанных в пункте 1 формулы изобретения признаков. Особенно предпочтительные модификации способа согласно изобретению раскрыты в зависимых пунктах 2-8 формулы изобретения.

Согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения предусмотрено, что во время работы двигателя внутреннего сгорания определяют реактивность (реакционная способность) отложений сажи на основании параметрической поверхности. Эту параметрическую поверхность предпочтительно определяют заранее эмпирически для различных рабочих диапазонов двигателя внутреннего сгорания, однако в качестве альтернативного решения или дополнительно ее можно также определять во время определенных рабочих фаз двигателя внутреннего сгорания, в частности, на основании определенных вычисленных и/или измеренных рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания. Предпочтительное эмпирическое определение свойств отложений сажи в фильтре (твердых) частиц можно выполнять, например, на испытательном стенде двигателей и с помощью соответствующих лабораторных исследований отложений сажи в фильтре частиц. При этом можно, например, исследовать, какие свойства имеют отложения сажи при полной нагрузке или в заданных различных диапазонах частичной нагрузки. Осажденные частицы сажи можно исследовать в лабораторных условиях относительно их реактивности. Кроме того, существует возможность определения реактивности осажденных частиц сажи тем, что температуру потока отработавших газов после определенной длительности работы повышают, пока не возникает воспламенения частиц сажи. На основании имеющейся при этом температуры потока отработавших газов делают вывод о реактивности осажденных частиц сажи.

Обычно реактивность сажи можно разделять на высокореактивную (температура Т меньше или равна 550°С), реактивную (температура Т больше 550°С и меньше или равна 600°С) и низкореактивную, соответственно слабореактивную (температура Т выше 600°С), при этом температура Т определяется в качестве температуры максимального выжигания в атмосфере с 5% кислорода. Приведенные выше и ниже указания степени реактивности сажи относятся предпочтительно к этому определению реактивности сажи.

При внесении значения реактивности отложений сажи для различных рабочих диапазонов двигателя в параметрическую поверхность можно при нормальной работе очень просто непрерывно определять, какую реактивность имеют осажденные в фильтре частиц частицы сажи. За счет знания реактивности осажденных частиц сажи можно осуществлять для инициирования фазы регенерации целенаправленное и, в частности, согласованное с реактивностью осажденных частиц сажи повышение температуры потока отработавших газов. При этом можно, в частности, предотвращать ненужно высокую температуру для инициирования фазы регенерации, за счет чего предотвращается ненужно высокая подача топлива для повышения температуры потока отработавших газов.

При достижении заданного максимального количества сажи в фильтре частиц, что можно называть также загрузкой сажей, за счет повышения температуры отработавших газов инициируется фаза регенерации. Однако при этом можно также учитывать, какую реактивность имеют осажденные частицы сажи, поскольку при частично заполненном фильтре частиц с определенным большим количеством реактивной, соответственно высокореактивной, сажи целесообразно выполнять дополнительную регенерацию при определенно заданной более низкой температуре отработавших газов. Предпочтительно более низкая температура составляет максимально 450°С, наиболее предпочтительно между 250 и 450°С. Это способствует также оптимизации фаз регенерации.

В противоположность этому при полностью заполненном фильтре частиц сажей слабой, соответственно низкой, реактивности регенерация осуществляется при заданной высокой температуре отработавших газов, предпочтительно при температуре отработавших газов больше 450°С, наиболее предпочтительно при высокой температуре отработавших газов от 450 до 600°С, что требует соответственно больше используемого топлива.

В противоположность этому при полностью заполненном фильтре частиц реактивной сажей или сажей высокой реактивности регенерация осуществляется при более низкой температуре отработавших газов. Предпочтительно более низкая температура отработавших газов составляет максимально 450°С, наиболее предпочтительно между 250 и 450°С.

За счет согласования температуры отработавших газов с имеющейся реактивностью осажденной сажи возможно оптимальное согласование температуры отработавших газов для выполнения фаз регенерации, за счет чего можно ограничивать необходимое для этого используемое топливо необходимым соответствующим количеством топлива. Температурой процесса можно управлять посредством целенаправленной подачи топлива в поток отработавших газов.

В одной модификации изобретения предусмотрено, что во время дополнительных фаз оказания влияния осуществляется целенаправленный ввод сажи с высокой реактивностью в фильтр частиц. При этом дополнительные фазы оказания влияния можно устанавливать на основании определяемой согласно изобретению реактивности отложений сажи. Если в фильтре частиц находится отложение сажи с высокой реактивностью, то можно отказаться от дополнительной фазы оказания влияния. В противоположность этому целесообразно применять соответствующую дополнительную фазу оказания влияния, когда в фильтре частиц имеются отложения сажи с высокой реактивностью и фильтр частиц приближается к состоянию полной загрузки. В этом случае в дополнительной фазе оказания влияния можно вводить в фильтр частиц сажу с высокой реактивностью с целью оказания благоприятного влияния на последующую фазу регенерации.

В основу изобретения также положена задача создания двигателя внутреннего сгорания с фильтром частиц, с помощью которого обеспечивается возможность выполнения способа согласно изобретению регенерации фильтра частиц.

Решение этой задачи достигается с помощью признаков пункта 9 формулы изобретения. Особенно предпочтительные модификации двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению раскрыты в зависимом пункте 10 формулы изобретения.

Согласно отличительной части пункта 9 формулы изобретения двигатель внутреннего сгорания имеет блок управления, который контролирует ввод сажи в фильтр частиц и соединен с блоком запоминания параметрической поверхности, в который занесена характеризирующая реактивность отложения сажи в фильтре частиц параметрическая поверхность. Блок управления определяет момент времени и температуру для подлежащей выполнению фазы регенерации. На основании данных параметрической поверхности можно в зависимости от фактической работы двигателя оценивать ввод сажи относительно ее реактивности. Блок управления может быть частью уже и без того имеющегося управляющего устройства, которое имеется для управления системой очистки отработавших газов. Тем самым относительно простым образом можно выполнять способ согласно изобретению с учетом данных параметрической поверхности.

Блок управления может также внутри фазы оказания влияния на основании реактивности осажденной сажи в фильтре частиц устанавливать, когда и как интенсивно следует выполнять фазу оказания влияния.

Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно расположен в качестве приводного двигателя в транспортном средстве, так что с помощью способа согласно изобретению можно осуществлять оптимизацию работы установки для очистки отработавших газов относительно требуемых фаз регенерации. Тем самым достигается как экономия топлива, так и уменьшение загрязнения окружающей среды.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1-4 - различные характеристики реактивности сажи в зависимости от различных рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания;

фиг. 5 - блок-схема выполнения фаз регенерации и

фиг. 6 - блок-схема двигателя внутреннего сгорания с дизельным окислительным катализатором и фильтром частиц.

Показанная на фиг. 1 характеристика показывает упрощенно зависимость реактивности RR сажи от скорости n вращения двигателя внутреннего сгорания. При этом реактивность RR сажи является мерой реактивной способности сажи, которая образуется в двигателе внутреннего сгорания и осаждается в фильтре частиц. Сажа с высокой реактивностью RR требует меньшую энергию активирования, чем сажа с низкой реактивностью. При этом энергия активирования является энергией, которую необходимо создавать для инициирования реакции, что в данном случае является существенным для инициирования фазы регенерации в фильтре частиц.

Если двигатель внутреннего сгорания работает с высокой скоростью n вращения, то это оказывает благоприятное влияние на реактивность сажи. На фиг. 2 характеристика показывает изменение реактивности RR сажи в зависимости от количества КЕ впрыскиваемого топлива. Характеристика на фиг. 3 показывает зависимость реактивности RR сажи от начала t_E впрыска, при этом реактивность сажи при раннем начале впрыска является низкой, а при позднем начале впрыска - высокой.

Характеристика на фиг. 4 относится к степени AGR рециркуляции отработавших газов, в соответствии с которой реактивность RR сажи уменьшается при увеличении степени AGR рециркуляции отработавших газов.

Характеристики на фиг. 1-4, а также другие зависящие от рабочих параметров двигателя характеристики можно определять для определенного двигателя внутреннего сгорания на испытательном стенде двигателей. В качестве других рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания можно учитывать давление в пневмоаккумуляторе системы с общей топливной магистралью, при этом здесь реактивность сажи также увеличивается с увеличением давления в магистрали.

Различные зависимости реактивности RR сажи от различных рабочих параметров двигателя можно вводить в специфичную для двигателя параметрическую поверхность, так что эту параметрическую поверхность можно затем при нормальной работе двигателя внутреннего сгорания использовать для определения реактивности осажденной в фильтре частиц сажи. Реактивность RR сажи можно выразить соответственно следующим уравнением:

RR=a⋅P+b⋅KE+c⋅AGR=d⋅n+e⋅t_E+…

Коэффициенты a, b, c, d, e служат для оценки влияния отдельных рабочих параметров на общую реактивность RR сажи, осажденной в фильтре частиц. На основе измерений на испытательном стенде двигателей можно определять эти коэффициенты для отдельных рабочих параметров, так что возможна точная оценка реактивности отложенной в фильтре частиц сажи в зависимости от различных рабочих диапазонов двигателя внутреннего сгорания.

Блок-схема на фиг. 5 показывает различные действия в зависимости от различных значений реактивности сажи. Сначала двигатель 1 внутреннего сгорания находится в режиме нормальной работы, при этом различные рабочие диапазоны имеют большой период длительности. С помощью само по себе известного измерения разницы давления на входе и выходе фильтра частиц можно заключать, сколько сажи отложено в фильтре PF частиц. Если при этом устанавливается, что фильтр PF частиц частично заполнен, то можно затем в зависимости от реактивности сажи принимать решение, необходимо ли выполнять регенерацию или дополнительную регенерацию при низкой температуре. В блок-схеме на фиг. 5 при частично заполненном фильтре PF частиц осуществляется лишь частичная регенерация, когда осажденная сажа имеет высокую реактивность.

В левой части блок-схемы на фиг. 5 показан случай, когда фильтр PF частиц полностью заполнен. Если в следующей стадии устанавливается, что в фильтре частиц осаждена сажа с высокой реактивностью, то выполняется регенерация при низкой температуре. Если же устанавливается, что осажденная в фильтре частиц сажа имеет лишь небольшую реактивность, то осуществляется регенерация при высокой температуре, что требует соответственно большой подачи топлива в поток отработавших газов дизельного окислительного катализатора.

Блок-схема на фиг. 5 показывает лишь часть действий при инициировании и выполнении фаз регенерации.

На фиг. 6 показана упрощенно блок-схема двигателя 1 внутреннего сгорания с дизельным окислительным катализатором 2 и фильтром 3 частиц системы очистки отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания. Направление потока отработавших газов показано стрелкой. Блок 4 управления двигателя 1 внутреннего сгорания соединен с блоком 5 запоминания параметрической поверхности, в который может быть занесена одна или несколько параметрических поверхностей, которые указывают реактивность RR сажи, осажденной в фильтре 3 частиц, в зависимости от различных рабочих диапазонов двигателя 1 внутреннего сгорания.

Блок 4 управления может для инициирования фазы регенерации через показанную штрихами линию 6 управления подавать команду на подачу топлива в поток отработавших газов, при этом подача топлива выбрана так, что достигается желаемое повышение температуры в потоке отработавших газов. Момент времени и количество подаваемого топлива блок 4 управления определяет на основе по меньшей мере одной параметрической поверхности, которая внесена в устройство 5 запоминания параметрических поверхностей.

Дополнительно имеется возможность установки с помощью блока 4 управления режима работы двигателя 1 внутреннего сгорания так, что в потоке отработавших газов в фильтр 3 частиц попадает сажа с высокой реактивностью. Это может способствовать инициированию и выполнению фазы регенерации.

1. Способ регенерации фильтра (PF) частиц двигателя (1) внутреннего сгорания, в котором во время повторяющихся фаз регенерации выполняют регенерацию посредством выжигания частиц сажи, осажденных в фильтре (PF) частиц, отличающийся тем, что во время работы двигателя (1) внутреннего сгорания определяют реактивность (RR) сажи в отложениях сажи на основании параметрической поверхности, причем определяют количество сажи и реактивность (RR) сажи, осажденной в фильтре (PF) частиц, и из этого устанавливают момент времени для фазы регенерации и температуру процесса для фазы регенерации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для составления параметрической поверхности выполняют работу двигателя (1) внутреннего сгорания на испытательном стенде двигателей в различных рабочих режимах двигателя, для различных рабочих диапазонов определяют реактивность (RR) сажи для каждого рабочего диапазона двигателя и вносят в параметрическую поверхность в зависимости от различных рабочих диапазонов двигателя.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время работы двигателя (1) внутреннего сгорания реактивность сажи в отложениях сажи определяют на основании заранее определяемой эмпирически для различных рабочих диапазонов двигателя (1) внутреннего сгорания параметрической поверхности.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что при частично заполненном фильтре (PF) частиц с определенной заданной долей реактивной или высокореактивной сажи выполняют регенерацию при определенно заданной низкой температуре отработавших газов, предпочтительно при низкой температуре отработавших газов до 450°С, наиболее предпочтительно при низкой температуре от 250 до 450°С.

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что при полностью заполненном фильтре (PF) частиц сажей слабой или низкой реактивности (RR) регенерацию выполняют при определенно заданной высокой температуре отработавших газов, предпочтительно при высокой температуре отработавших газов больше 450°С, наиболее предпочтительно при высокой температуре отработавших газов от 450 до 600°С.

6. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что при полностью заполненном фильтре (PF) частиц реактивной сажей или сажей высокой реактивности (RR) регенерацию выполняют при определенно заданной низкой температуре отработавших газов, предпочтительно при низкой температуре отработавших газов до 450°С, наиболее предпочтительно при более низкой температуре от 250 до 450°С.

7. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что температурой процесса управляют посредством целенаправленной подачи топлива в поток отработавших газов перед дизельным окислительным катализатором (2).

8. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что во время дополнительных фаз оказания влияния выполняют целенаправленный ввод сажи с высокой реактивностью (RR) в фильтр (PF) частиц.

9. Двигатель внутреннего сгорания с фильтром (PF) частиц, в котором осаждаются частицы сажи из потока отработавших газов двигателя (1) внутреннего сгорания, с блоком управления, который выполнен для осуществления способа по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что блок (4) управления контролирует ввод сажи в фильтр (PF) частиц, причем блок (4) управления соединен с блоком (5) запоминания параметрической поверхности, в который занесена характеризирующая реактивность (RR) сажи, осажденной в фильтре (PF) частиц, параметрическая поверхность, и причем блок (4) управления определяет момент времени и температуру отработавших газов для подлежащей выполнению фазы регенерации.

10. Двигатель внутреннего сгорания по п. 9, отличающийся тем, что внутри фазы оказания влияния блок (4) управления устанавливает режим работы двигателя (1) внутреннего сгорания для образования отложения сажи в фильтре (PF) частиц с высокой реактивностью (RR) сажи.

11. Транспортное средство, в частности транспортное средство промышленного назначения, содержащее двигатель внутреннего сгорания по п. 9 или 10.