Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ И УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Область и уровень техники

Настоящее изобретение относится в основном к способу эксплуатации системы дизельного двигателя, в частности к системе дизельного двигателя с турбонаддувом.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом, как правило, содержит дизельный двигатель, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор, впускной трубопровод для подачи чистого воздуха из окружающей среды во впускной коллектор, выхлопной трубопровод для выпуска выхлопного газа из выпускного коллектора в окружающую среду и турбокомпрессор, который содержит расположенный во впускном патрубке компрессор для сжатия проходящего через него воздушного потока и расположенную в выхлопном трубопроводе турбину для приведения в действие компрессора.

Впускной трубопровод содержит интеркулер, обозначаемый так как охладитель наддувочного воздуха (ОНВ), который расположен после компрессора турбокомпрессора, для охлаждения воздушного потока до того как он достигнет впускного коллектора.

Выхлопной трубопровод содержит дизельный окислительный нейтрализатор (ДОН), который расположен после турбины турбокомпрессора, для уменьшения содержания остаточных углеводородов и оксидов углерода, содержащихся в выхлопном газе, и дизельный сажевый фильтр (ДСФ), который расположен после ДОН, для задерживания твердых частиц дизельного двигателя (сажи) и удаления их из выхлопного газа.

С целью снижения загрязняющих выбросов большинство систем дизельного двигателя с турбонаддувом в настоящее время содержит систему рециркуляции отработавших газов (РОГ), которая установлена для возврата соответствующего количества выхлопного газа и смешивания его с подводимым чистым воздухом, поступающим в дизельный двигатель.

Такое количество выхлопного газа приводит к снижению количества оксидов азота (NO_x), образуемых в дизельном двигателе во время процесса сгорания.

Существующие системы РОГ содержат трубопровод РОГ для соединения по текучей среде выпускного коллектора с впускным коллектором, охладитель РОГ, расположенный в трубопроводе РОГ, и клапанное устройство для регулирования расхода выхлопного газа через трубопровод РОГ.

Поскольку трубопровод РОГ соединяет выпускной коллектор непосредственно с впускным коллектором, он определяет РОГ по короткому пути системы (РКП), которая возвращает высокотемпературный выхлопной газ.

Усовершенствованные системы РОГ, кроме того, содержат дополнительный трубопровод РОГ для соединения по текучей среде выхлопного трубопровода после ДСФ с впускным патрубком перед компрессором турбокомпрессора, дополнительный охладитель РОГ, расположенный в дополнительном трубопроводе РОГ, и дополнительное клапанное устройство для регулирования расхода выхлопного газа через дополнительный трубопровод РОГ.

В действительности в указанных усовершенствованных системах РОГ обеспечивается РОГ по длинному пути (РДП), которая включает в себя упомянутый дополнительный трубопровод РОГ и участок впускного трубопровода между дополнительным трубопроводом РОГ и дизельным двигателем.

Назначение РДП состоит в возврате выхлопного газа, имеющего более низкую температуру, чем температура выхлопного газа, возвращаемого посредством РКП.

В соответствии с данной конструкцией усовершенствованные системы РОГ настроены на возврат выхлопного газа частично посредством РКП и частично посредством РДП для поддержания тем самым температуры подводимого воздуха во впускном коллекторе на оптимальном промежуточном уровне в любом режиме работы двигателя.

Общее количество выхлопного газа и расход поступающего из РДП выхлопного газа определяются электронным управляющим блоком (ЭУБ) по эмпирически определенным наборам данных или таблицам, в которых общее количество РОГ и расход РДП сопоставляются с множеством рабочих параметров двигателя, таких как, например, число оборотов двигателя, нагрузка двигателя и температура охлаждающей жидкости двигателя.

Эффективность РДП, как правило, связана с эффективностью ее отдельных компонентов, включая дополнительный охладитель, дополнительное клапанное устройство, компрессор турбокомпрессора и охладитель наддувочного воздуха.

Было обнаружено, что эффективность каждого компонента РДП, как правило, более или менее быстро увеличивается в зависимости от нескольких условий, таких как, например, старение данного компонента, тепловая нагрузка, которой подвергается данный компонент, и состав выхлопного газа, проходящего через данный компонент.

Указанные условия принимаются во внимания при проектировании компонентов РДП с целью реализации РДП, общая эффективность которой, как можно ожидать, останется на уровне выше минимальной допустимой величины в течение всего периода РДП.

Поскольку РДП настроена на получение выхлопного газа после ДСФ, ее компоненты обычно проектируются с учетом условия, при котором поступающий в нее выхлопной газ содержит лишь минимальное количество сажи.

Однако в случае снижения характеристик фильтрации ДСФ ввиду, например, возможных трещин в течение срока эксплуатации реального двигателя, случайных повреждений или поломок, может оказаться, что после ДСФ и, следовательно, в РДП содержится неожиданно большое количество сажи.

Содержащаяся в выхлопном газе сажа, как правило, является горячей и влажной, вследствие чего она проявляет склонность к прилипанию к внутренним стенкам трубопроводов РДП и к механическим органам компонентов РДП, тем самым снижая их эффективность ниже минимально допустимого значения до завершения ожидаемого срока эксплуатации.

Например, отложения сажи в теплообменнике, таком как охладитель РДП или ОНВ, вызывают преждевременную потерю эффективности охлаждения и проходимости, увеличивая загрязняющие выбросы и ухудшая характеристики дизельного двигателя.

В отношении данной проблемы фактически были предложены лишь диагностические методы на основе контроля эффективности компонентов РДП, которые позволяют обнаружить отложения сажи в компонентах РДП с самого начала, но не способны предотвратить их.

Краткое описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание стратегии защиты компонентов РДП от чрезмерных осаждений сажи для предотвращения или, по крайней мере, заметного уменьшения вышеупомянутой проблемы.

Задача одного варианта осуществления настоящего изобретения решается благодаря особенностям настоящего изобретения, изложенным в независимых пунктах формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения перечислены целесообразные и/или преимущественные особенности настоящего изобретения.

Согласно настоящему изобретению создан способ эксплуатации системы дизельного двигателя, содержащей дизельный двигатель, впускной трубопровод для подачи чистого подводимого воздуха в дизельный двигатель, выхлопной трубопровод для выпуска выхлопного газа из дизельного двигателя, дизельный сажевый фильтр, расположенный в выхлопном трубопроводе, и систему рециркуляции отработавших газов для возврата выхлопного газа в дизельный двигатель, причем система рециркуляции отработавших газов включает в себя рециркуляцию отработавших газов по длинному пути (РДП), которая принимает выхлопной газ из выхлопного трубопровода после дизельного сажевого фильтра.

Способ согласно изобретению включает этапы, на которых

устанавливают порог (Sth) сажи для количества сажи, поступающей в РДП (60),

определяют фактическое количество сажи (Saa), поступающей в РДП (60), и

запускают процедуру защиты РДП, если фактическое количество сажи (Saa) превышает порог сажи (Sth).

Упомянутая процедура защиты, как правило, предусматривает уменьшение количества сажи, поступающей в РДП, для снижения тем самым риска преждевременной потери эффективности РДП.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения определение фактического количества сажи, поступающей в РДП, включает:

определение количества сажи, поступающей в ДСФ,

определение эффективности фильтрации ДСФ и

вычисление количества сажи, поступающей в РДП, как функции упомянутого определенного количества сажи, поступающей в ДСФ, и эффективности фильтрации ДСФ.

Количество сажи, поступающей в ДСФ, может быть оценено с помощью модели сажи в отказавшем двигателе.

Эффективность фильтрации ДСФ может определяться как функция количества сажи, поступающей в ДСФ.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, определение эффективности фильтрации ДСФ включает:

определение количества сажи, которое задерживается ДСФ, и

вычисление эффективности фильтрации ДСФ как функции упомянутого задерживаемого количества сажи и количества сажи, поступающего в ДСФ.

В данном случае количество сажи, которое задерживается ДСФ, может быть оценено с помощью модели засорения фильтра сажей.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения определение эффективности фильтрации ДСФ включает:

определение количества сажи, выходящей из ДСФ, и

вычисление эффективности фильтрации ДСФ как функции количества сажи, выходящей из ДСФ, и количества сажи, поступающей в ДСФ.

В данном случае количество сажи, выходящей из ДСФ, может быть измерено с помощью датчика сажи, расположенного в выхлопном трубопроводе после самого ДСФ.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения процедура защиты РДП, как правило, предусматривает регулирование, по меньшей мере, одного параметра управления сгоранием, который влияет на образование сажи в дизельном двигателе, с целью уменьшения самого образования сажи.

Таким параметром управления сгоранием может быть, например, общее количество выхлопного газа, возвращаемого системой РОГ, включая РКП и РДП, либо количество выхлопного газа, возвращаемого с помощью РДП относительно общего количества.

В действительности, пока система дизельного двигателя работает нормально, эти параметры управления сгоранием, как правило, регулируются согласно соответствующей уставке, которая определяется с помощью ЭУБ как функция одного или более рабочих параметров двигателя, таких как, например, число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, массовый расход впускного воздуха и температура охлаждающей жидкости двигателя.

В связи с этим процедура защиты РДП в предпочтительном варианте осуществления предусматривает определение поправочного коэффициента, применяемого к уставке, с целью уменьшения образования сажи.

Данный поправочный коэффициент может быть определен как функция разности между расчетным количеством сажи и порогом сажи и в конечном счете так же как функция одного или более рабочих параметров двигателя, таких как, например, число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, масса впускного воздуха и температура охлаждающей жидкости двигателя.

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть реализован в виде компьютерной программы, содержащей исходный текст программы для выполнения всех шагов данного способа настоящего изобретения, и в виде программного продукта, содержащего средство для выполнения компьютерной программы.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления программный продукт содержит микропроцессорный регулирующий прибор для двигателя внутреннего сгорания, например ЭУБ двигателя, в котором программа хранится таким образом, что регулирующий прибор определяет настоящее изобретение точно так же, как и способ. В этом случае при выполнении регулирующим прибором компьютерной программы осуществляются все шаги данного способа в соответствии с настоящим изобретением.

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть реализован также в виде электромагнитного сигнала, причем сигнал модулируется для передачи последовательности информационных битов, соответствующих выполнению компьютерной программой всех шагов данного способа настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описано ниже в виде примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематический вид системы дизельного двигателя с турбонаддувом; и

Фиг. 2 - блок-схема, на которой проиллюстрирован способ эксплуатации в соответствии с настоящим изобретением.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Настоящее изобретение описано ниже со ссылкой на систему дизельного двигателя с турбонаддувом автомобиля.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом содержит дизельный двигатель 1, имеющий впускной коллектор 10 и выпускной коллектор 11, впускной трубопровод 2 для подачи чистого воздуха из окружающей среды во впускной коллектор 10, выхлопной трубопровод 3 для выпуска выхлопного газа из выхлопного коллектора 11 в окружающую среду и турбокомпрессор 4, который содержит расположенный во впускном патрубке 2 компрессор 40 для сжатия проходящего через него воздушного потока и расположенную в выхлопном трубопроводе 3 турбину 41 для приведения в действие компрессора 40.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом, кроме того, содержит интеркулер 20, показанный так же как охладитель наддувочного воздуха (ОНВ), который расположен во впускном патрубке 2 после компрессора 40 турбокомпрессора 4, для охлаждения воздушного потока до того как он достигнет впускного коллектора 10, и клапан 21, расположенный во впускном патрубке между ОНВ 20 и впускным коллектором 10.

Система дизельного двигателя с турбонаддувом, кроме того, содержит дизельный окислительный нейтрализатор (ДОН) 30, который расположен в выхлопном трубопроводе 3 после турбины 41 турбокомпрессора 4, для уменьшения содержания остаточных углеводородов и оксидов углерода, содержащихся в выхлопном газе, и дизельный сажевый фильтр (ДСФ) 31, который расположен в выхлопном трубопроводе 3 после ДОН 30, для задерживания твердых частиц дизельного двигателя (сажи) и удаления их из выхлопного газа.

С целью снижения загрязняющих выбросов система дизельного двигателя с турбонаддувом содержит систему рециркуляции отработавших газов (РОГ) для возврата выхлопного газа и подачи его в дизельный двигатель 1.

Система РОГ содержит первый трубопровод 50 РОГ для соединения по текучей среде выпускного коллектора 11 с впускным коллектором 10, первый охладитель 51 РОГ для охлаждения выхлопного газа и первое клапанное устройство 52 с электронным управлением для определения расхода выхлопного газа через первый трубопровод 50 РОГ.

Поскольку первый трубопровод 50 РОГ соединяет выпускной коллектор 11 непосредственно с впускным коллектором 10, он определяет РОГ по короткому пути (РКП), которая возвращает высокотемпературный выхлопной газ.

Система РОГ, кроме того, содержит второй трубопровод 60 РОГ, который соединяет по текучей среде точку 32 разветвления выхлопного трубопровода 3 с точкой 22 ввода впускного трубопровода 2, и второй охладитель 61 РОГ, расположенный во втором трубопроводе 60 РОГ.

Точка 32 разветвления расположена после ДСФ 31, в то время как точка 22 ввода расположена после воздушного фильтра 23 и перед компрессором 40 турбокомпрессора 4.

Расход выхлопного газа через второй трубопровод 60 РОГ определяется вторым трехходовым клапаном 62 с электронным управлением, который расположен в точке 22 ввода.

В действительности в системе РОГ обеспечивается РОГ по длинному пути (РДП), которая включает в себя второй трубопровод 60 РОГ, включая второй охладитель 61 РОГ, и участок впускного трубопровода 2 между точкой 22 ввода и дизельным двигателем 1, включая второй клапан 62, компрессор 40 турбокомпрессора 4, ОНВ 20 и клапан 21.

Проходя вдоль РОГ по длинному пути, выхлопной газ становится значительно холоднее, чем выхлопной газ, который проходит через первый трубопровод 50 РОГ, тем самым достигая впускного коллектора 10 при более низкой температуре.

Управление системой дизельного двигателя с турбонаддувом осуществляется микропроцессорным контроллером (ЭУБ), который устанавливается для формирования управляющих сигналов и подачи их на клапаны 52 и 62 для возврата выхлопного газа частично через РКП и частично через РДП, тем самым поддерживая температуру подводимого воздуха во впускном коллекторе 10 на оптимальном промежуточном уровне в любом режиме работы двигателя.

В действительности ЭУБ предназначен для определения уставки общего количества РОГ, подаваемой в выпускной коллектор 10, определения уставки расхода РДП и управления клапанами 52 и 62 в соответствии с этим.

Эти уставки определяются с помощью ЭУБ по эмпирически определенным наборам данных или таблицам, в которых общее количество РОГ и расход РДП соответственно сопоставляются с множеством рабочих параметров двигателя, таких как, например, число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, массовый расход впускного воздуха и температура охлаждающей жидкости двигателя.

В соответствии с настоящим изобретением ЭУБ также устанавливается для защиты цепи РДП и ее компонентов (главным образом, второго охладителя 61, компрессора 40 и ОНВ 20) от чрезмерных осаждений сажи в случае потери эффективности фильтрации ДСФ 31.

Стратегия защиты, осуществляемой с помощью ЭУБ, схематически проиллюстрирована на Фиг. 2.

Данная стратегия предусматривает установку порога сажи Sth, соответствующего максимальному допустимому количеству сажи, которая может поступать в РДП.

Под количеством сажи подразумевается массовый расход сажи, который может быть выражен, например, в единицах миллиграммов сажи в секунду, в минуту, в час или на километр расстояния, пройденного автомобилем, в котором установлена система дизельного двигателя.

Порог сажи Sth может быть определен с помощью эмпирической операции калибровки, которая проводится на испытательной системе дизельного двигателя, имеющей те же характеристики, что и реальная.

Упомянутая операция калибровки предусматривает установку минимальной допустимой продолжительности РДП.

Минимальная допустимая продолжительность РДП в предпочтительном варианте осуществления совпадает с полным сроком эксплуатации автомобиля, который, как правило, устанавливается на уровне, по меньшей мере, 160000 км с учетом загрязняющих выбросов.

Кроме того, операция калибровки обеспечивает установку минимального допустимого значения параметра эффективности РДП.

Поскольку эффективность РДП, как правило, ограничена эффективностью каждого компонента РДП, в качестве параметра эффективности РДП может быть выбрана эффективность компонента РДП, наиболее чувствительного к загрязнению сажей.

Например, параметром эффективности РДП может быть эффективность охлаждения второго охладителя 61 РОГ, механическая эффективность компрессора 40 или эффективность охлаждения ОНВ 20, в зависимости от которой компоненты демонстрируют более быстрое ухудшение эксплуатационных характеристик из-за засорения сажей.

В действительности было обнаружено, что наиболее чувствительным компонентом, возможно, является охладитель 61 РДП, вследствие чего эффективность охлаждения последнего. по существу, может быть использована в качестве параметра эффективности РДП.

Наконец, операция калибровки предусматривает эмпирическое определение максимального количества сажи, поступающей в РДП, для которого выбранный параметр эффективности РДП остается на уровне выше заданного минимального допустимого значения до окончания заданного периода РДП.

Затем получившееся в результате количество сажи принимается за порог сажи Sth и запоминается в модуле памяти системы дизельного двигателя.

Кроме того, стратегия защиты предусматривает контроль количества сажи Saa, которая фактически поступает в РДП за время реальной эксплуатации системы дизельного двигателя.

Для определения количества сажи Saa данная стратегия предусматривает определение количества сажи DPFin, поступающей в ДСФ 31, и эффективности фильтрации ДСФ DPFeff.

Величина DPFeff может быть оценена с помощью известной модели сажи в отказавшем двигателе.

В соответствии с настоящим примером величина DPFeff может быть определена двумя различными способами.

Первый способ предусматривает определение количества сажи DPFtrap, которая задерживается ДСФ 31, и вычисление эффективности фильтрации ДСФ DPFeff как отношения задержанного количества сажи DPFtrap к общему количеству сажи DPFin, поступающей в ДСФ 31, в соответствии с уравнением:

(1)

в котором количество сажи DPFtrap может быть оценено с помощью известной модели засорения ДСФ сажей с использованием падения давления на ДСФ 31.

Второй способ предусматривает определение количества сажи DPFout, которая выходит из ДСФ 31, и вычисление эффективности фильтрации ДСФ DPFeff как разности между единичной эффективностью и отношением выходящего количества сажи DPFout к общему количеству сажи DPFin, поступающей в ДСФ 31, в соответствии с уравнением:

(2)

в котором количество сажи DPFout, выходящей из ДСФ 31, может быть оценено с помощью известного датчика 33 сажи, расположенного в выхлопном трубопроводе 3 после ДСФ 31.

Эффективность фильтрации DPFeff и количество сажи DPFin, поступающей в ДСФ 31, передаются далее в вычислительный модуль СМ, который вычисляет количество сажи Saa, поступающей в РДП, как функцию количества сажи DPFin, поступающей в ДСФ, и эффективности фильтрации DPFeff.

В действительности количество сажи Saa может быть вычислено с помощью уравнения:

(3)

в котором M_LRE - массовый расход выхлопного газа, направляемого во второй трубопровод 60 РОГ, а M_out - массовый расход выхлопного газа, выделяемого выхлопным трубопроводом 3 в окружающую среду.

M_LRE и M_out могут измеряться с помощью датчиков массового расхода (не показаны), которые соответственно расположены во втором трубопроводе 60 РОГ и в выхлопном трубопроводе 3 после точки 32 разветвления.

Количество сажи Saa подается на сумматор А1, который вычисляет разность Е между хранящимся в памяти порогом сажи Sth и количеством сажи Saa.

Затем разность Е подается на управляющее устройство G, которое установлено для селективного запуска процедуры защиты РДП в ответ на упомянутую разность Е.

В частности, если фактическое количество сажи Saa не превышает порога сажи Sth, это означает, что РДП не подвергается риску возникновения преждевременных потерь эффективности.

В таком случае разность Е не является отрицательной, и управляющее устройство G остается бездействующим, вследствие чего система дизельного двигателя продолжает нормально функционировать.

Если, наоборот, фактическое количество сажи Saa превышает порог сажи Sth, это означает, что РДП подвергается риску более быстрого возникновения преждевременных потерь эффективности, чем ожидалось.

В таком случае разность Е является отрицательной, и управляющее устройство G запускает процедуру защиты РДП.

Процедура защиты РДП, как правило, предусматривает регулирование, по меньшей мере, одного параметра управления сгоранием, который влияет на образование сажи в дизельном двигателе 1, с целью уменьшения самого образования сажи.

В настоящем примере управляющее устройство G настроено на снижение общего количества выхлопного газа, возвращаемого системой РОГ, включая РДП и РКП, и/или на снижение расхода выхлопного газа, возвращаемого РОГ.

В действительности известно, что снижение общего количества РОГ и/или снижение расхода РДП вызывает ограничение образования сажи в дизельном двигателе 1, что, следовательно, приводит к уменьшению поступления сажи в РДП.

Как было описано выше, общее количество РОГ и расход РДП обычно регулируются согласно соответствующим уставкам EGRsp и LREsp, которые определяются с помощью ЭУБ как функция одного или более рабочих параметров двигателя, таких как число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, массовый расход впускного воздуха и температура охлаждающей жидкости двигателя.

В связи с этим управляющее устройство G предусматривает поправочный коэффициент Cegr и/или поправочный коэффициент Clre, которые применяются соответственно к упомянутым уставкам EGRsp и LREsp с целью уменьшения образования сажи.

Поправочный коэффициент Cegr и/или Clre определяется пропорционально модулю разности Е и в конечном итоге может регулироваться как функция одного или более рабочих параметров двигателя, таких как, например, число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, массовый расход впускного воздуха и температура охлаждающей жидкости двигателя.

Действительно поправочные коэффициенты Cegr и Clre определяются по эмпирически определенным наборам данных или таблицам М1 и М2, в которых поправочные коэффициенты Cegr и Clre сопоставляются с модулем разности Е и с одним или более из рабочих параметров двигателя.

Подробнее поправочный коэффициент Cegr общего количества РОГ подается на сумматор А2, который вычисляет разность между нормальной уставкой EGRsp и поправочным коэффициентом Cegr с целью обеспечения более низкой уставки EGRsp*, используемой для эксплуатации системы дизельного двигателя.

Аналогичным образом поправочный коэффициент Clre расхода РДП подается на сумматор А3, который вычисляет разность между нормальной уставкой LREsp и поправочным коэффициентом Clre с целью обеспечения более низкой уставки LREsp*, используемой для эксплуатации системы дизельного двигателя.

В случае если управляющее устройство G обеспечивает регулирование только расхода РДП, ЭУБ должен регулировать расход РКП с целью получения неизменной уставки EGRsp общего количества РОГ.

Если впоследствии оценка сажи на выходе ДСФ Saa не превышает порога сажи Sth, сумматор А1 выдаст неотрицательную разность Е, а управляющее устройство G деактивирует процедуру защиты путем установки на ноль поправочных коэффициентов Cegr и Clre, вследствие чего ЭУБ будет осуществлять нормальное управление системой дизельного двигателя.

Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты осуществления и конкретные применения, следует понимать, что изложенное выше описание следует рассматривать в качестве примера, а не в качестве ограничения. Специалисты в данной области техники понимают, что различные модификации отдельных вариантов осуществления находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, а имеет объем, определяемый только формулой изобретения.