Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ДООЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и системе в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы изобретения.

Предпосылки изобретения

В двигателе внутреннего сгорания сгорает смесь воздуха и топлива, чтобы создавать вращающий момент. В процессе сгорания образуются выхлопные газы, которые выпускают из двигателя в атмосферу. Выхлопные газы содержат оксиды азота (NO_x), диоксид углерода (CO₂), монооксид углерода (CO) и частицы. NO_x - объединенный термин для обозначения выхлопных газов, которые состоят в основном из оксида азота (NO) и диоксида азота (NO₂). Система доочистки выхлопных газов обрабатывает выхлопы, чтобы уменьшить их прежде, чем они будут выпущены в атмосферу. В примере системы доочистки выхлопных газов система дозирования вводит восстановитель (например, мочевину) в выхлопные газы перед каталитическим нейтрализатором с избирательным каталитическим восстановлением (каталитический нейтрализатор SCR). Смесь выхлопных газов и восстановителя реагирует в каталитическом нейтрализаторе SCR и таким образом уменьшаются количества NO_x, выпускаемые в атмосферу.

Примером восстановителя является жидкая мочевина, коммерчески доступная в форме AdBlue®. Эта жидкость представляет собой нетоксичный раствор мочевины в воде, который используется для химического восстановления выхлопов оксидов азота (NO_x), в частности для грузовых автомобилей с дизельным двигателем.

Восстановитель реагирует с NO_x в каталитическом нейтрализаторе SCR, осуществляя восстановление NO_x. Более конкретно, восстановитель разлагается и образует аммиак (NH₃), который затем реагирует с NO_x с получением воды и газообразного азота (N₂).

Чтобы добиться описанного восстановления NO_x, NH₃ должен накапливаться в каталитическом нейтрализаторе SCR. Для эффективной работы каталитического нейтрализатора SCR это накопление должно быть на соответствующем уровне. Более подробно, восстановление NO_x, эффективность преобразования, зависит от уровня накопления. Поддержание высокой эффективности преобразования в разных рабочих состояниях зависит от поддержания запаса NH₃. Однако уровень NH₃ должен последовательно снижаться по мере повышения температуры каталитического нейтрализатора SCR, чтобы исключить выброс NH₃ (то есть избытка NH₃, выпускаемого из каталитического нейтрализатора SCR), который мог бы уменьшить эффективность преобразования каталитического нейтрализатора.

В общем, для соблюдения более строгих экологических требований производители транспортных средств все более широко используют системы каталитического нейтрализатора SCR для удаления оксидов азота (NO_x) из выхлопных газов дизелей. Это выполняют путем впрыскивания аммиачного раствора в каталитический нейтрализатор SCR, чтобы способствовать преобразованию частиц NO_x в газообразный азот и воду. Стратегия очистки выхлопных газов должна обеспечивать преобразование достаточного количества NO_x, одновременно стараясь не вводить слишком много аммиака как с целью защиты окружающей среды, так и по причинам экономии эксплуатационных расходов.

В заявке на американский патент US-2008/0250778 и в шведском патенте SE-530435 описаны известные в данной области техники устройства.

US-2008/0250778 относится к способу регулирования количества NH₃, накапливаемого в каталитическом нейтрализаторе для системы доочистки выхлопных газов, в котором используется определение количества NH₃, поступающего в каталитический нейтрализатор, на основе частоты дозирования агента дозирования, который вводят в поток выхлопных газов перед каталитическим нейтрализатором, и определение количества NH₃, покидающего каталитический нейтрализатор. Совокупный вес NH₃ в каталитическом нейтрализаторе рассчитывают на основе соответствующих количеств, поступающих в и покидающих каталитический нейтрализатор, и затем рассчитывают частоту дозирования на основе совокупного веса.

SE-530435 относится к способу наблюдения за функционированием системы доочистки выхлопных газов для моторного транспортного средства. Эта известная система выполняет частотный анализ параметра, относящегося к выхлопным газам, вытекающим из, например, каталитического нейтрализатора. Информация о функционировании системы может быть получена на основе результата частотного анализа.

Таким образом, минимизация выбросов NO_x требует осторожного регулирования дозирования восстановителя, например мочевины, в каталитический нейтрализатор. Цель состоит в том, чтобы достигнуть оптимальных накопленных количеств аммиака при разных температурах. Однако накопившееся количество не может быть измерено непосредственно, что сочетается очень разным функционированием каталитического нейтрализатора при разных температурах, что делает регулирование очень трудным.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить улучшенную форму регулирования дозирования восстановителя для оптимизации функционирования каталитического нейтрализатора.

Сущность изобретения

Упомянутая выше задача решается с помощью изобретения, охарактеризованного независимыми пунктами формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления охарактеризованы зависимыми пунктами формулы изобретения.

В упрощенных терминах она решается путем анализа наложенных вариаций NO_x в выхлопных газах после устройства доочистки выхлопных газов, например каталитического нейтрализатора SCR, для определения количества аммиака, накопившегося в нем.

Состояние каталитического нейтрализатора может быть измерено опосредованно путем анализа вариаций амплитуды содержания NO_x. Амплитуда содержания NO после каталитического нейтрализатора зависит от количества аммиака, накопившегося в нем. Количество, накопившееся при разных температурах перед каталитическим нейтрализатором, может быть определено на основе амплитуд уровней NO_x (по частоте) после каталитического нейтрализатора.

Способ и система в соответствии с настоящим изобретением предоставляют несколько потенциальных преимуществ, помимо прочего, быструю и надежную диагностику сниженного преобразования в каталитическом нейтрализаторе, которое можно, например, отнести к разбавленному восстановителю или старению катализатора.

Также возможно в соответствии с вариантом осуществления модифицировать управление, добавляя восстановитель в некоторых рабочих точках для достижения оптимального его накопления.

Решение в соответствии с изобретением также может быть обобщено до активного выявления характеристик каталитического нейтрализатора в широком диапазоне рабочих точек. Это означает реализацию в транспортном средстве функции по системному выявлению динамики каталитического нейтрализатора. Такую функцию трудно реализовать при работе, поскольку она воздействует на уровни выбросов, но можно было бы использовать при переоборудовании или как лабораторную поддержку для быстрой приблизительной калибровки.

Применение способа и системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением приводит к более эффективному управлению добавляемым количеством восстановителя, особенно при высоких температурах.

Способ может также использоваться для быстрой калибровки количества восстановителя, который требуется добавлять в каждом данном состоянии.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематично показана блок-схема, иллюстрирующая вариант реализации системы доочистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 показана блок-схема последовательности операций в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 представлены графики, иллюстрирующие настоящее изобретение.

На фиг. 4 представлены графики, иллюстрирующие настоящее изобретение.

На фиг. 5 представлены различные графики, иллюстрирующие настоящее изобретение.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Изобретение подробно описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг. 1 схематично представлен двигатель 2 внутреннего сгорания с приданной ему системой 4 доочистки выхлопных газов. Двигатель может предпочтительно находиться в моторном транспортном средстве, но изобретение применимо во многих других контекстах, где используются двигатели внутреннего сгорания, например в промышленности и на судах. Выхлопные газы, покидающие двигатель 2, выводятся через выхлопную магистраль 6 и выпускаются в окружающую среду через выхлопное отверстие 8. В выхлопной магистрали 6 предусмотрено устройство 10 доочистки выхлопных газов, предпочтительно каталитический нейтрализатор, и выхлопные газы из двигателя 2 проходят через каталитический нейтрализатор 10 прежде, чем они будут выпущены в окружающую среду через выхлопное отверстие 8.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления каталитический нейтрализатор 10 представляет собой каталитический нейтрализатор SCR. В этом случае восстановитель вводят посредством устройства 12 впрыска в выхлопные газы в выхлопной магистрали 6 перед каталитическим нейтрализатором 10. Устройство 12 впрыска содержит одно или более расположенных в выхлопной магистрали 6 средств 14 впрыска в виде впрыскивающих сопел (форсунок) и т.п., а также соединенный с ними контейнер 16 для хранения восстановителя. Устройство впрыска также содержит средство 20 управления, соединенное со средством 18 регулирования. Средство 20 управления управляет средством 18 регулирования и определяет, сколько восстановителя должно быть введено в выхлопные газы на основе преобладающих условий работы двигателя 2 и каталитического нейтрализатора 10 и в ответ на сигнал управления от средства 42 обработки.

Восстановитель может представлять собой мочевину (CO(NH₂)₂), аммиак (NH₃) или углеводород (топливо).

Система доочистки выхлопных газов часто содержит также дизельный окислительный каталитический нейтрализатор (DOC) 11, который расположен перед каталитическим нейтрализатором 10 и в котором происходят реакции, которые понижают уровни выброса выхлопных газов. До или после каталитического нейтрализатора SCR также может быть предусмотрен дизельный фильтр частиц (DPF) (не представлен на схеме), чтобы дополнительно понизить уровни выброса.

В выхлопной магистрали 6 после каталитического нейтрализатора 10 предусмотрен датчик 22. В этом примере - это датчик NO_x, выполненный с возможностью генерирования сигнала измерения, который представляет содержание NO_x в выхлопных газах, вытекающих из каталитического нейтрализатора, то есть содержание NO_x в них на выходе из каталитического нейтрализатора. Перед каталитическим нейтрализатором 10 часто предусмотрен второй датчик NO_x (не представлен на схеме). Сигнал измерения может представлять собой непрерывный сигнал, представляющий непрерывные изменения измеряемого параметра, т.е. дающий непрерывный поток измеренных значений величины параметра, но обычно регистрируется как дискретный по времени сигнал в виде последовательности следующих друг за другом дискретных измеренных значений величины параметра.

Система доочистки выхлопных газов дополнительно содержит устройство 40 наблюдения, содержащее средство 42 обработки и запоминающее устройство 44. Средство обработки выполнено с возможностью принимать сигнал измерения от датчика 22 на измеряемую величину содержания NO_x в выхлопных газах после каталитического нейтрализатора 10. Средство обработки дополнительно выполнено с возможностью приема одного или более температурных сигналов T_A, T_B и T_c для температур выхлопных газов, измеренных вдоль выхлопного канала некоторым числом датчиков температуры. Например, датчик, который выдает значение T_A, может быть установлен перед DOC, датчик на T_B может быть установлен перед каталитическим нейтрализатором SCR, но после DOC, а датчик на T_c может быть установлен после каталитического нейтрализатора SCR. Кроме того, часто перед каталитическим нейтрализатором SCR предусмотрен датчик расхода для отслеживания массового расхода выхлопных газов и выдачи измеренного значения FL в устройство 40 наблюдения. Значения массового расхода и температуры охвачены объединенным термином “значения параметра” и пригодны для их передачи в устройство 40 наблюдения. Значениями параметра могут, конечно, служить другие измеренные значения.

Таким образом, система 4 доочистки выхлопных газов для моторного транспортного средства содержит в соответствии с настоящим изобретением устройство 10 доочистки выхлопных газов, например, в виде каталитического нейтрализатора или фильтра и, более предпочтительно, каталитического нейтрализатора с избирательным каталитическим восстановлением (каталитического нейтрализатора SCR), и датчик, выполненный с возможностью определения сигнала измерения величины параметра, относящегося к NO_x в выхлопных газах, вытекающих из упомянутого устройства доочистки выхлопных газов, с обнаружением значений амплитуды выдаваемого датчиком сигнала измерения.

Система дополнительно содержит устройство 12 впрыска, выполненное с возможностью добавления восстановителя к выхлопным газам, протекающим в устройство доочистки выхлопных газов, и устройство 40 наблюдения, содержащее средство 42 обработки и запоминающее устройство 44, причем это средство обработки выполнено с возможностью приема сигнала измерения от датчика 22 и генерирования сигнала управления для устройства впрыска.

Устройство 40 наблюдения выполнено с возможностью выдачи сигнала управления в устройство впрыска так, чтобы добавляемое количество восстановителя изменялось в соответствии с заданным режимом в течение периода измерения, который может содержать заданное число периодов дозирования, которое является достаточно большим, чтобы измерение обеспечивало устойчивый результат, но не настолько большим, чтобы внешние факторы, такие как массовый расход и температура, могли бы измениться настолько, чтобы повлиять на измерение. Типичное число периодов дозирования может составлять в пределах диапазона 4-25.

Средство обработки выполнено с возможностью обнаружения вариаций амплитуды NO_x в выхлопных газах после устройства доочистки выхлопных газов и выявления и сохранения в запоминающем устройстве 44 значений добавляемых количеств восстановителя, когда амплитуда NO_x в выхлопных газах после устройства доочистки выхлопных газов соответствует заданным критериям оптимального регулирования добавляемого количества восстановителя. В соответствии с вариантом осуществления критерий оптимального регулирования состоит в том, что минимизируется амплитуда NO_x.

На фиг. 3 и 4 представлены графики, показывающие как измеренные уровни NO_x после каталитического нейтрализатора (верхние графики), так и дозирование восстановителя (нижние графики).

Восстановитель добавляют с помощью устройства 12 впрыска, выполняя впрыск с частотой дозирования F, с длительностью L периода дозирования (L=1/F), определенной как время между началом двух последовательных впрысков, причем впрыск происходит в течение устанавливаемого времени t дозирования упомянутой длительности периода дозирования, так что 0<t<L. Таким образом, количество восстановителя, впрыскиваемого в выхлопные газы, можно изменять путем изменения частоты дозирования и/или времени дозирования для впрыска восстановителя.

На фиг. 3 представлена ситуация, при которой применяют постоянное время t дозирования при постоянной частоте F дозирования, т.е. постоянной длительности L периода дозирования. Когда вводят восстановитель, уровень NO_x падает перед последующим увеличением, когда восстановитель в каталитическом нейтрализаторе по существу расходовался, что можно видеть на графике как увеличение в конце длительности L периода дозирования. На графике также показан пороговый уровень TH1, с которым можно сравнивать текущую амплитуду NO_x. Конечно, можно использовать более чем один пороговый уровень. Ситуация, проиллюстрированная на фиг. 3, относительно устойчива с точки зрения температур и потоков, поэтому уровень NO_x является относительно постоянным.

На фиг. 4 показана ситуация, при которой добавляемое количество восстановителя изменяют, в этом случае постепенно увеличивая время t дозирования, но частота дозирования является постоянной. Результат состоит в том, что увеличение амплитуды NO_x в конце периода дозирования становится меньшим, и в то же время NO_x уменьшается. На этой схеме показаны два пороговых уровня TH2 и TH3, с которыми можно сравнивать текущую амплитуду NO_x. Конечно, можно использовать больше или меньше уровней. В проиллюстрированной ситуации величина снижения, соответствующая четвертому дозировочному впрыску, показывает наиболее выгодный результат в виде самой малой амплитуды NO_x.

На фиг. 5 представлен ряд графиков, иллюстрирующих настоящее изобретение. На верхнем графике показаны измеренные значения от датчика NO_x в течение промежутка в примерно 6 секунд в двух разных случаях: один, когда мочевину добавляли с частотой 1 секунда между впрысками (помечено 1 Гц), а другой, когда мочевину добавляли с частотой четыре впрыска в секунду (помечено 4 Гц).

На следующем графике ниже показан уровень накопления в каталитическом нейтрализаторе в этих двух случаях.

На двух нижних графиках показаны дозы восстановителя, доставляемого в обоих случаях.

В обоих случаях частота дозирования является постоянной, в то время как время дозирования уменьшается, как представлено, например, на предпоследнем графике, на котором сравниваются соответствующие времена дозирования при 1 Гц в моменты времени 112 и 117.

Амплитудные вариации ясно видны на верхнем графике.

Устройство 40 наблюдения сохраняет в запоминающем устройстве 44 заданные значения параметра, относящегося к потоку выхлопных газов, для каждого соответствующего добавляемого количества восстановителя. Также выявляются и сохраняются значения параметра и соответствующие значения добавляемых количеств восстановителя, когда амплитуда NO_x в выхлопных газах после каталитического нейтрализатора удовлетворяет заданным критериям оптимального регулирования добавляемого количества восстановителя.

Заданные критерии содержат, например, сравнение значений амплитуды с одним или более устанавливаемыми пороговыми значениями для амплитуды.

В соответствии с вариантом осуществления регулирование таково, что, если значения амплитуды превышают заданное пороговое значение, подачу восстановителя в систему доочистки выхлопных газов изменяют, например, увеличивая частоту дозирования и уменьшая время дозирования. В более общем случае, добавляемое количество восстановителя регулируют средством 42 обработки так, чтобы достигалось оптимальное регулирование.

Настоящее изобретение относится также к способу наблюдения и регулирования функционирования системы доочистки выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания моторного транспортного средства. На фиг. 2 показаны самые важные этапы способа.

Сигнал измерения, выдаваемый датчиком, несет величину параметра, относящегося к NO_x в выхлопных газах, вытекающих из устройства доочистки выхлопных газов, например, в виде каталитического нейтрализатора (например, каталитического нейтрализатора SCR) или фильтра, который является частью системы доочистки выхлопных газов, с обнаружением значений амплитуды выдаваемого датчиком сигнала измерения за некоторый период измерения, и с добавлением восстановителя к выхлопным газам, которые поступают в устройство доочистки выхлопных газов.

Способ дополнительно содержит

- изменение добавляемого количества восстановителя в соответствии с заданным режимом за период измерения,

- обнаружение вариаций амплитуды NO_x в выхлопных газах после устройства доочистки выхлопных газов и

- выявление и сохранение значений добавляемого количества восстановителя, когда вариации амплитуды NO_x в выхлопных газах после устройства доочистки выхлопных газов удовлетворяют заданным критериям оптимального регулирования добавляемого количества.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления критерий оптимального регулирования состоит в том, чтобы была минимизирована амплитуда NO_x.

Способ предпочтительно также содержит

- сохранение заданных значений параметра, относящегося к потоку выхлопных газов, для каждого соответствующего добавляемого количества восстановителя,

- выявление и сохранение значений параметра и соответствующих значений добавляемых количеств восстановителя, когда амплитуда NO_x в выхлопных газах после каталитического нейтрализатора удовлетворяет упомянутым заданным критериям оптимального регулирования добавляемого количества.

Добавляемое количество восстановителя затем регулируют так, чтобы достичь оптимального регулирования. Это выполняют с помощью процессорного средства 44, генерирующего сигнал управления, который передается в средство 20 управления в устройстве 12 впрыска.

Чтобы выявить, удовлетворяются ли заданные критерии, обнаруженные значения амплитуды, например, сравнивают с одним или более устанавливаемыми пороговыми значениями.

Результат сравнения может, например, показать, что значения амплитуды, превышающие некое данное пороговое значение, могут быть обусловлены снижением способности каталитического нейтрализатора преобразовывать мочевину. Примером действия по устранению этого могло бы тогда быть изменение частоты дозирования и времени дозирования так, чтобы мочевина вспрыскивалась с меньшими дозами, но более часто. Это может привести к лучшему преобразованию в случае высоких температур, при которых катализ происходит быстро.

Количество восстановителя можно, в общем, изменять, изменяя частоту дозирования и/или время дозирования для его впрыскивания. Это может быть выполнено путем увеличения частоты дозирования и/или времени дозирования.

Также возможно изменять добавляемое количество восстановителя, изменяя давление дозирования, т.е. давление, прикладываемое к восстановителю во время впрыска. Это, конечно, может быть выполнено в комбинации с изменением частоты дозирования и/или временем дозирования.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения средство обработки выполнено с возможностью выявления модели динамики устройства доочистки выхлопных газов на основе выявленных оптимальных значений параметра, т.е. соответствующих значений температуры и массового расхода для каждой конкретной дозировки восстановителя.

Настоящее изобретение не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Могут использоваться различные альтернативы, модификации и эквиваленты. Представленные выше варианты осуществления не должны поэтому рассматриваться как ограничивающие объем охраны изобретения, который определяется приложенной формулой изобретения.