Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗЕРВНЫМ УРОВНЕМ ВОССТАНОВИТЕЛЯ В УСТРОЙСТВЕ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу управления резервным уровнем восстановителя в устройстве нейтрализации отработавших газов в соответствии с преамбулой независимого пункта формулы.

Уровень техники

Законодательные нормы, регулирующие рынок автомобилей, стимулируют спрос на автомобили с уменьшенным расходом топлива и сниженными выбросами. Эти законодательные нормы необходимо гармонично сочетать с потребностями потребителя в высоких эксплуатационных и динамических характеристиках автомобиля.

Дизельный двигатель обладает КПД до, примерно, 52% и является вследствие этого наилучшим преобразователем энергии органического топлива. Концентрация выбросов оксидов азота (NO_x) зависит от локальной концентрации атомов кислорода и локальной температуры. Достижение упомянутого высокого КПД возможно, однако, только при повышенной температуре сгорания, когда неизбежно образование большого количества NO_x. Более того, подавление образования NO_x внутренними средствами (соотношением воздух/топливо) способствует росту образования твердых частиц в отработавших газах, так называемый компромисс "NO_x - твердые частицы". Кроме того, избыток кислорода в выхлопных газах дизельного двигателя предотвращает использование для восстановления NO_x стехиометрического трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, как это делается в автомобилях с бензиновыми двигателями с конца 80-х годов. Восстановление оксидов азота и твердых частиц в выхлопных газах дизельного двигателя превратилось в очень важную проблему в связи с защитой окружающей среды и сбережения ограниченных запасов ископаемого топлива.

Транспортные средства с дизельными или другими двигателями, работающими на бедных смесях, позволяют улучшить топливную экономичность, однако каталитическое восстановление выбросов NO_x при использовании обычных средств в таких системах затруднено из-за высокого содержания кислорода в выхлопных газах. В этом отношении селективная каталитическая нейтрализация (SCR - от англ. selective catalytic reduction), при котором NO_x постоянно удаляется путем активной инжекции восстановителя в смесь выхлопных газов, попадающую в каталитический нейтрализатор, является известным способом достижения высокой эффективности преобразования оксидов азота. SCR каталитические нейтрализаторы на основе мочевины используют газообразный аммиак в качестве активного восстановителя NO_x. Обычно водный раствор аммиака имеется на борту транспортного средства, и используется инжекционная система для подачи его в поток выхлопных газов, входящих в SCR каталитический нейтрализатор, где он разлагается на изоциановую кислоту (NHCO) и газообразный аммиак (NH₃), который затем используется для преобразования NO_x. В таких системах, однако, требуется прецизионное управление уровнем инжектируемой мочевины. Недостаточное количество инжектируемой мочевины приводит к неоптимальному преобразованию NO_x, в то время как излишнее количество может вызвать утечку аммиака из выхлопной трубы. В обычном SCR каталитическом нейтрализаторе на основе мочевины количество впрыскиваемой мочевины пропорционально концентрации NO_x в выхлопных газах, что представляет собой компромисс между максимальным преобразованием NO_x и минимальной утечкой аммиака.

Эффективность преобразования NO_x SCR каталитическим нейтрализатором повышается в присутствии поглощенного аммиака. Однако не обязательно, чтобы вся вместимость каталитического нейтрализатора целиком использовалась для аммиака для достижения оптимальной эффективности преобразования NO_x. С другой стороны, если в каких-либо условиях работы, например при высокой температуре, количество запасенного в каталитическом нейтрализаторе аммиака слишком велико, часть поглощенного в катализаторе аммиака может из него десорбироваться и улетучиться или окислиться до NO_x, снизив тем самым общую эффективность преобразования NO_x.

Проблемой каталитического нейтрализатора с хранением восстановителя является управление количеством восстановителя, хранящегося в этом нейтрализаторе, поскольку прямое его измерение невозможно.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа управления резервным уровнем восстановителя в устройстве нейтрализации отработавших газов для поддержания низких уровней NO_x на выходе системы.

Эти задачи решаются использованием признаков независимых пунктов формулы. Другие пункты формулы и описание раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Согласно первой особенности изобретения предложен способ управления резервным уровнем восстановителя в устройстве нейтрализации отработавших газов, присоединенном (по газовому потоку) к выходу двигателя внутреннего сгорания. Этот способ включает шаги: первой инжекции первого количества восстановителя на входе устройства нейтрализации отработавших газов, второй инжекции второго количества восстановителя на входе устройства нейтрализации отработавших газов, причем второе количество отличается от первого количества. Этот способ далее включает шаги: оценки на выходе устройства нейтрализации отработавших газов преобразования NO_x в результате первой и второй инжекции восстановителя для получения первого и второго результата, управления дальнейшей инжекцией восстановителя в зависимости от первого и второго результата на основании первой и второй оценок преобразования NO_x.

Преимущество данного частного варианта осуществления изобретения состоит в том, что шаг оценки и шаг управления, выполняемые в процессе без обратной связи, могут быть введены в любой существующий способ управления резервным уровнем в системе нейтрализации отработавших газов.

Другим преимуществом настоящего частного варианта осуществления изобретения является то, что преобразование NO_x может поддерживаться на минимальных значениях при использовании процесса без обратной связи.

В другом частном варианте осуществления настоящего изобретения следующее инжектируемое количество после проведенного шага оценки может быть увеличено или уменьшено по сравнению с первой инжекцией, если второй результат второй оценки преобразования NO_x оказывается выше или ниже первого результата первой оценки преобразования NO_x, при условии что второе инжектируемое количество было больше первого инжектируемого количества.

В еще одном частном варианте осуществления настоящего изобретения упомянутая следующая инжекция после шага оценки может быть увеличенной или уменьшенной по сравнению с первой инжекцией, если упомянутый второй результат второй оценки преобразования NO_x будет больше или меньше упомянутых первых результатов первой оценки преобразования NO_x, при условии что второе инжектируемое количество было ниже первого инжектируемого количества.

Преимущество этих вариантов осуществления состоит в том, что небольшие изменения в количестве инжектируемого восстановителя немедленно отражаются на изменении уровня восстановителя NO_x, что, в свою очередь, является индикацией наполненности резерва восстановителя нейтрализации отработавших газов.

В еще одном частном варианте осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает шаг продолжения упомянутой дальнейшей увеличенной или уменьшенной инжекции, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x.

Преимуществом этого варианта осуществления является то, что существующий способ управления резервом может быть усовершенствован дополнительными шагами способа, независящими от этого существующего способа управления резервом.

Другим преимуществом этого варианта осуществления является то, что резервный уровень может поддерживаться оптимальным независимо от начальных условий.

Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что процесс без обратной связи может запускаться так часто, как это необходимо.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения вместе с упомянутыми выше и другими задачами и преимуществами далее приводится подробное описание варианта (-ов) осуществления, не ограничивающего изобретение, и чертежей, на которых:

на фиг.1 и 2 показана известная система нейтрализации отработавших газов;

на фиг.3 представлена блок-схема предложенного в изобретении способа управления системой нейтрализации отработавших газов;

на фиг.4 представлена зависимость степени преобразования NO_x от хранящегося количества восстановителя.

Подробное описание осуществления изобретения

На чертежах одинаковые или аналогичные элементы имеют одинаковые цифровые обозначения. Чертежи схематически представляют изобретение и не предназначены для отображения его конкретных параметров. Более того, предполагается, что на чертежах изображены только типичные варианты осуществления изобретения, которые не должны считаться ограничивающими область притязаний изобретения.

На фиг.1 схематически показана известная система 100 нейтрализации отработавших газов. Эта система 100 нейтрализации отработавших газов включает первый NO_x датчик 102, второй NO_x датчик 104, SCR каталитический нейтрализатор 106. Первый NO_x датчик 102 установлен по потоку перед SCR каталитическим нейтрализатором 106. Второй NO_x датчик 104 установлен по потоку после SCR каталитического нейтрализатора 106. SCR каталитический нейтрализатор 106 имеет впускное отверстие 110 и выпускное отверстие 112. Восстановитель может быть помещен во впускном отверстии 110 SCR каталитического нейтрализатора 106 или непосредственно в SCR каталитическом нейтрализаторе 106 перед выпускным отверстием 112. Восстановитель может быть в виде аммиака или мочевины.

Работа SCR каталитического нейтрализатора хорошо известна и не будет рассматриваться в данном описании.

На фиг.2 схематически показан другой пример другой системы 200 нейтрализации отработавших газов. Эта система 200 нейтрализации отработавших газов включает первый NO_x датчик 202, второй NO_x датчик 204, SCR каталитический нейтрализатор 206 и каталитический нейтрализатор 208 аммиака (СС - от англ. clean-up catalyst). Первый NO_x датчик 202 установлен по потоку перед SCR каталитическим нейтрализатором 206. Второй NO_x датчик 104 установлен по потоку после каталитического нейтрализатора 208 аммиака. SCR каталитический нейтрализатор 206 установлен по потоку перед каталитическим нейтрализатором 208 аммиака. Система 200 нейтрализации отработавших газов имеет впускное отверстие 210 и выпускное отверстие 212. Восстановитель может быть помещен во впускном отверстии 210 SCR каталитического нейтрализатора 206 или непосредственно в SCR каталитическом нейтрализаторе 206 перед каталитическим катализатором 208 аммиака. Восстановитель может быть в виде аммиака или мочевины. Каталитический катализатор 208 аммиака может быть использован для нейтрализации излишнего количества аммиака (утечки аммиака). Каталитический катализатор 208 аммиака может окислять неиспользованные восстановители и непоглощенный NH₃, используя запасенный кислород или остаточный кислород выхлопа, в соответствии с формулами:

4NH₃+3О₂=>2N₂+6H₂O

4NH₃+5O₂=>4NO+6Н₂О

На фиг.3 представлена блок-схема предложенного в изобретении способа управления системой нейтрализации отработавших газов. При нормальной работе 310 номинальное количество восстановителя может инжектироваться в выхлопную газовую смесь двигателя внутреннего сгорания в поток перед системой 100, 200 нейтрализации отработавших газов. Номинальное количество инжектируемого восстановителя может быть взято из первой справочной таблицы. Фактические данные (номинальное количество инжектируемого восстановителя), взятые из первой справочной таблицы, могут быть функцией ряда рабочих параметров, например температуры каталитического нейтрализатора, скорости двигателя, нагрузки двигателя, степени рециркуляции отработавших газов, концентрации NO_x перед системой нейтрализации отработавших газов и после нее. Фактические данные (номинальное количество инжектируемого восстановителя), взятые из первой справочной таблицы, могут быть выработаны блоком управления.

Этот блок управления включает модель инжекции восстановителя, полученную на основе опытных данных для конкретной системы 100, 200 нейтрализации отработавших газов.

Во второй справочной таблице хранятся величины ожидаемых уровней преобразования NO_x для каждой ситуации, которые могут быть определены по номинальному количеству инжектированного восстановителя и по меньшей мере одному из следующих параметров: температуре каталитического нейтрализатора, скорости двигателя, нагрузки двигателя, степени рециркуляции отработавших газов.

В том случае, если имеется расхождение между ожидаемым уровнем преобразования NO_x и фактически измеренным уровнем преобразования NO_x, способ переходит от нормальной работы, обозначенной прямоугольником 310, к процессу инжекции восстановителя без обратной связи, обозначенному прямоугольником 320.

В первом частном варианте осуществления процесса 320 без обратной связи делается предположение, что резерв восстановителя в системе 100, 200 нейтрализации отработавших газов пуст или почти пуст.

Если имеется предположение, что резерв восстановителя в системе 100, 200 нейтрализации отработавших газов пуст или почти пуст, первым шагом в процессе без обратной связи является выполнение двух инжекций восстановителя. При первой инжекции может инжектироваться номинальное количество восстановителя. При второй инжекции количество инжектируемого восстановителя может быть увеличено на Δ по сравнению с количеством инжектированного восстановителя при первой инжекции.

В следующем шаге процесса без обратной связи выполняется оценка 330 результатов процесса.

Если уровень преобразования NO_x увеличивается при увеличении на Δ количества инжектированного восстановителя в ходе второй инжекции по сравнению с количеством инжектированного восстановителя при первой инжекции, это означает, что предположение в начале процесса было правильным, т.е. резерв восстановителя пуст или почти пуст. Этот случай соответствует участку с положительным наклоном кривой 400 на фиг.4, т.е. слева от максимума 402 на фиг.4.

Если предположение верно, процесс без обратной связи переходит к шагу 340 заполнения. На шаге заполнения по меньшей мере одна следующая инжекция восстановителя является управляемой.

В первом частном варианте осуществления управление этой по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется дальнейшей избыточной инжекцией с увеличением на Δ в ходе процесса без обратной связи, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x. Для этого может потребоваться одна или несколько инжекций.

В другом частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется посредством избыточной инжекции, в которой превышается упомянутая величина Δ в процессе без обратной связи, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x. Для этого может потребоваться одна или несколько инжекций.

В другом частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется посредством избыточной инжекции, которая начинается с величины превышения Δ и затем нарастает линейно или экспоненциально в каждой следующей инжекции, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x. Для этого может потребоваться одна или несколько инжекций.

В другом частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется использованием избыточной инжекции с превышением, равным Δ или больше или меньше, чем Δ, продолжающимся заданный период времени. В течение этого заданного периода времени может быть выполнена одна или несколько инжекций.

В еще одном частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется использованием избыточной инжекции с превышением, равным Δ или больше или меньше, чем Δ, продолжающимся для заданного числа инжекции. Это может быть одна или несколько инжекции.

Величины Δ могут быть взяты из первой справочной таблицы.

Величина Δ может представлять собой превышение на 1-25% от номинального инжектируемого количества реагента.

Когда достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x, или истек заранее установленный промежуток времени, или было выполнено заранее установленное число инжекций, процесс без обратной связи завершается и работа возвращается к нормальному режиму 310 согласно стрелке между прямоугольником 340 шага заполнения и прямоугольником 310 нормальной работы.

В том случае, если по результатам оценки процесса, на шаге 330, уровень преобразования NO_x уменьшается при увеличении на Δ второго инжектируемого количества восстановителя по сравнению с первым инжектируемым количеством восстановителя, делается вывод, что предположение в начале процесса было неверным, т.е. резерв восстановителя на самом деле полон. Этот случай соответствует участку с отрицательным наклоном кривой 400 на фиг.4, т.е. справа от максимума 402 на фиг.4.

В случае признания неверным первого предположения может быть сделано новое предположение, что резерв восстановителя полон, и процесс без обратной связи переходит к шагу 350 опорожнения.

На шаге 350 опорожнения производится управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя.

В первом частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется путем сокращения инжектируемого количества на Δ в ходе процесса без обратной связи, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x. Для этого может потребоваться одна или несколько инжекций.

В другом частном примере осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется путем сокращения инжекций на величину, превышающую упомянутую Δ в упомянутом процессе без обратной связи, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x. Для этого может потребоваться одна или несколько инжекций.

В еще одном частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется использованием сокращенной инжекции, которая начинается с сокращения на Δ и затем снижается в каждой следующей инжекции линейно или экспоненциально, пока не будет достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x.

В еще одном частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется использованием сокращенной инжекции с величиной сокращения, равной Δ или больше или меньше, чем упомянутое Δ, и продолжается заданный период времени. В течение этого заданного периода времени может быть выполнена одна или несколько инжекций.

В еще одном частном варианте осуществления это управление по меньшей мере одной следующей инжекцией восстановителя выполняется использованием сокращенной инжекции с величиной сокращения, равной Δ или больше или меньше, чем упомянутое Δ, и продолжается для заданного числа инжекций. Заданное число инжекций может быть одной или несколькими инжекциями.

Когда достигнут заранее установленный уровень преобразования NO_x, процесс без обратной связи завершается и работа возвращается к нормальному режиму 310 согласно стрелке между прямоугольником 350 шага опорожнения и прямоугольником 310 нормальной работы.

В приведенном выше частном варианте осуществления исходное предположение перед началом процесса без обратной связи состоит в том, что выявленное расхождение между измеренным преобразованием NO_x и ожидаемым преобразованием NO_x согласно второй справочной таблице вызвано пустым резервом восстановителя. Однако во втором частном варианте осуществления процесса без обратной связи может быть сделано предположение, что резерв восстановителя полон, а не пуст. Если предположить, что резерв полон, а не пуст, все сказанное выше остается справедливым, за исключением того, что когда количество инжектируемого восстановителя увеличивается в процессе без обратной связи и преобразование NO_x повышается, это предположение оказывается ложным, т.е. резерв пуст, а когда преобразование NO_x снижается при увеличении количества инжектируемого восстановителя, предположение о переполненном резерве было справедливым и инжектируемое количество должно быть уменьшено на соответствующую заранее установленную величину.

Если же, напротив, исходно предполагают, что резерв полон, а уменьшение на Δ количества инжектируемого восстановителя приводит к повышению преобразования NO_x, это означает, что предположение о полном резерве было правильным. Однако, если исходно предполагать, что резерв полон, и при уменьшении на Δ количества инжектированного восстановителя получить снижение преобразования NO_x, это будет означать, что предположение было неверным, т.е., резерв был пустым.

Предположение, что резерв пуст, обычно может привести к выбору избыточной инжекции для заполнения резерва. Предположение, что резерв полон, обычно может привести к выбору сокращенной инжекции для опорожнения резерва. Однако предположение может быть неверным с самого начала, резерв, который предполагался полным, на самом деле может оказаться пустым, а резерв, который предполагался пустым, на самом деле может оказаться полным. Все это становится очевидным из оценки результатов преобразования NO_x при инжекции восстановителя в процессе без обратной связи.

В другом частном примере осуществления инжекции восстановителя (которые могут быть названы первой (номинальной) и второй (увеличенной/уменьшенной на Δ)), выполняющиеся в процессе без обратной связи перед шагом оценки, могут быть специальными инжекциями, связанными с данным процессом, т.е. представлять собой дополнительную последовательность инжекций по сравнению с нормальной последовательностью инжекций, которая определяется по первой справочной таблице, т.е., с отличающимися временными и количественными параметрами.

В частном варианте осуществления, подробно описанном выше, эти инжекции (которые могут быть названы первой (номинальной) и второй (увеличенной/уменьшенной на Δ)) встроены в нормальную последовательность инжекций. Первое инжектируемое количество может иметь место в начале процесса без обратной связи. Первое (номинальное) инжектируемое количество восстановителя определяется из модели, хранящейся в блоке управления, и конкретных условий в данный момент (температуры каталитического нейтрализатора, скорости двигателя, нагрузки двигателя, степени рециркуляции отработавших газов, концентрации NO_x перед системой нейтрализации отработавших газов и после нее).

Второе количество инжектируемого восстановителя может представлять собой первое инжектируемое количество плюс заранее установленное Δ. В другом частном варианте осуществления это второе количество инжектируемого восстановителя представляет собой величину, определяемую по модели в данный конкретный момент, когда должна быть выполнена вторая инжекция. Это означает, что второе количество инжектируемого восстановителя определяется из модели, хранящейся в блоке управления, и с учетом условий в данный момент времени (температуры каталитического нейтрализатора, скорости двигателя, нагрузки двигателя, степени рециркуляции отработавших газов, концентрации NO_x перед системой нейтрализации отработавших газов и после нее). Первая и вторая инжекции разделены во времени согласно модели инжекций, хранящейся в блоке управления. В процессе без обратной связи эта вторая инжекция восстановителя может проводиться с увеличением/уменьшением количества на величину Δ.

Далее процесс без обратной связи продолжается с увеличенным или уменьшенным инжектируемым количеством (в зависимости от фактического состояния уровня резерва), пока уровень преобразования NO_x не сравняется с заранее заданной величиной или пока не будет выполнено заданное число инжекций либо пока не истечет заданный промежуток времени.

Модель инжекции создается на основании измерений характеристик нового каталитического нейтрализатора. При введении в эту модель инжекции процесса без обратной связи, который может запускаться, когда обнаруживаются расхождения ожидаемого преобразования NO_x и фактически измеренного преобразования NO_x, можно эффективно бороться со старением каталитического нейтрализатора. Вместимость каталитического нейтрализатора и преобразование NO_x могут меняться по мере старения нейтрализатора, в результате чего модель инжекции, полностью подходящая для нового каталитического нейтрализатора, может не подходить для старого нейтрализатора. Вместо того чтобы использовать разные модели инжекции в зависимости от возраста катализатора, можно использовать одну единую модель инжекции и процесс без обратной связи. Использование комбинации единой модели инжекции с процессом без обратной связи позволяет достичь хорошего преобразования NO_x в течение всего срока службы каталитического нейтрализатора и при малых утечках мочевины.

Данные оценок преобразования NO_x при первой и второй инжекциях восстановителя ниже по потоку после устройства нейтрализации отработавших газов для получения первого и второго результатов могут быть использованы в качестве индикатора или оценки возраста каталитического нейтрализатора. Чем больше результат измерения преобразования NO_x отличается от оценки преобразования NO_x, хранящейся в упомянутой второй справочной таблице, тем старше может быть каталитический нейтрализатор.

Данные оценок преобразования NO_x при первой и второй инжекциях восстановителя ниже по потоку после устройства нейтрализации отработавших газов для получения первого и второго результатов могут быть использованы для корректировки в первой справочной таблице параметров номинальных инжекции, определяемых инжектируемым количеством. Это означает, что результат, полученный в процессе без обратной связи, может быть использован для адаптивной настройки номинальных инжекций восстановителя в ходе процесса без обратной связи.

Процесс без обратной связи для определения резервного уровня каталитического нейтрализатора или его возраста может быть использован в комбинации с любой стандартной регулировкой номинальной инжекции восстановителя с обратной связью.

На фиг.4 иллюстрируется степень преобразования NO_x как функции хранящегося/резервного количества восстановителя. Преобразование NO_x приводится в процентах, в предположении что 100% соответствует полное преобразование NO_x , a 0% означает, что преобразования NO_x не происходит. Хорошее преобразование NO_x обычно получают, когда хранящееся количество NO_x составляет примерно 20-80% от максимальной вместимости. Хорошим преобразованием NO_x может считаться более 50%.

Количество восстановителя дано, например, в граммах или сентилитрах. Даже небольшого количества запасенного восстановителя достаточно для улучшения преобразования NO_x. Причина, почему NO_x преобразование ухудшается при количестве запасенного восстановителя, превышающего количество максимума, состоит в том, что избыточный восстановитель может быть преобразован в NO_x в системе нейтрализации отработавших газов.

Компьютерная программа может содержать программные средства для осуществления по меньшей мере процесса без обратной связи, когда эта программа выполняется компьютером.

Компьютерный программный продукт может включать программные средства, хранящиеся на машиночитаемом носителе для выполнения по меньшей мере процесса без обратной связи, когда этот программный продукт выполняется компьютером.

Подразумевается, что изобретение не сводится к вариантам осуществления, описанным выше, и многочисленные другие варианты и модификации могут быть предложены в пределах области притязаний приведенной далее патентной формулы.