Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение имеет отношение к способу и устройству для оценки выбросов оксидов азота в двигателях внутреннего сгорания.

Описание известного уровня техники

Одной из самых важных целей рециркуляции выхлопного газа является уменьшение выбросов оксидов азота.

В настоящее время большинство двигателей оборудовано системой дополнительной очистки выхлопных газов от оксидов азота, такой как каталитический нейтрализатор SCR (Избирательная Каталитическая Нейтрализация) или абсорбер оксидов азота (LNT). Управление эффективностью нейтрализации оксидов азота этих систем основывается на оцененных или измеренных значениях входных концентраций оксидов азота. Поэтому датчик оксидов азота часто устанавливается на входе системы дополнительной очистки выхлопных газов, что соответствует выпуску двигателя.

Выбросы оксидов азота двигателя внутреннего сгорания могут быть значительно уменьшены при использовании рециркуляции выхлопного газа (EGR). Таким образом, выбросы оксидов азота очень ощутимо реагируют на изменения степени рециркуляции выхлопного газа, где степень рециркуляции выхлопного газа представляет собой массовое отношение между рециркулированным выхлопным газом и общим объемом газа, введенным в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от нормы по выбросам стремятся к степени рециркуляции выхлопного газа между 20% и 60%, что приводит к сокращению содержания оксидов азота в 3-10 раз.

Так как главной целью применения рециркуляции выхлопного газа является уменьшение содержания оксидов азота, то методика измерения, основанная на устройстве, измеряющем содержание оксидов азота, является прямой.

Поэтому датчик оксидов азота используется в качестве источника сигнала обратной связи для управления рециркуляцией выхлопного газа.

Однако доступные в настоящее время датчики оксидов азота обладают большим временем отклика, как правило, временные задержки составляют 500-1000 мс и постоянная времени приблизительно 500-1500 мс. Кроме того, точность во время работы в неустановившемся режиме часто ограничена из-за принципа измерения датчика. Поэтому прямое использование сигнала датчика в обратной связи системы рециркуляции выхлопного газа или как входного значения для системы дополнительной очистки выхлопных газов часто не дает удовлетворительных результатов.

При управлении рециркуляцией выхлопного газа плохая работа датчика делает эффективное, надежное и достаточно быстрое управление очень трудной, если не невозможной, задачей. Даже если датчик используется только для определения входной концентрации оксидов азота системы дополнительной очистки выхлопных газов, малая скорость устройства может привнести серьезные проблемы для поддержания надежных и устойчивых показателей нейтрализации оксидов азота.

Сущность изобретения

Поэтому главной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для оценки выбросов оксидов азота в двигателе внутреннего сгорания, которые преодолевают вышеупомянутые проблемы/недостатки.

Согласно изобретению способ обеспечивает коррекцию быстрой, но потенциально неточной модели выбросов оксидов азота с помощью разности между первым измеренным значением, полученным с датчика оксидов азота, и вторым оцененным значением, полученным из оценки оксидов азота.

Предпочтительно, чтобы такая оценка корректировалась с помощью фильтра адаптации, такого как интегратор, адаптивная кривая или карта, или любого подобного элемента или процедуры.

Такая поправка может, предпочтительно, использоваться для того, чтобы или отрегулировать степень рециркуляции выхлопного газа в случае двигателя, который использует рециркуляцию выхлопного газа, или отрегулировать нахождение оценки оксидов азота в случае двигателя без рециркуляции выхлопного газа.

Устройство, реализующее такой способ, содержит датчик оксидов азота, используемый в контуре адаптации, где система управления рециркуляцией выхлопного газа без обратной связи или с обратной связью настроена таким образом, что ожидаемые выбросы оксидов азота (от контроллера рециркуляции выхлопного газа) соответствуют им же, измеренным с помощью датчика оксидов азота при установившихся условиях работы. Таким образом, можно рассмотреть два варианта воплощения: во-первых, если присутствует какой-либо датчик для определения степени рециркуляции выхлопного газа, то эта измеренная степень рециркуляции выхлопного газа может быть скорректирована; во-вторых, если методика используется в контроллере рециркуляции выхлопного газа без обратной связи, то может быть отрегулирована управляемая степень рециркуляции выхлопного газа или даже положение исполнительного механизма рециркуляции выхлопного газа.

Для двигателей без рециркуляции выхлопного газа устройство, реализующее такой способ, корректирует модель оценки оксидов азота, которая основана, например, на модели сгорания и такова, что установившаяся концентрация оксидов азота, оцененная моделью, соответствует концентрации, полученной с датчика.

Эти и дополнительные задачи были решены посредством устройства и способа, как описано в приложенной формуле изобретения, которая образует неотъемлемую часть настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет полностью понятным из следующего подробного описания, данного посредством простой иллюстрации и не ограниченного примером, которое должно истолковываться с учетом приложенных чертежей, на которых:

Фиг.1 показывает схему управления в соответствии с изобретением для структуры управления рециркуляцией выхлопного газа с обратной связью с устройством измерения рециркуляции выхлопного газа;

Фиг.2 показывает схему управления, использующую датчик оксидов азота в случае структуры управления рециркуляцией выхлопного газа без обратной связи, без какого-либо устройства измерения рециркуляции выхлопного газа;

Фиг.3 показывает схему управления для двигателей без рециркуляции выхлопного газа.

Одинаковые номера и буквы на фигурах обозначают одинаковые или функционально эквивалентные части.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Модель для оценки выбросов оксидов азота учитывает несколько величин, которые оказывают влияние на образование оксидов азота. Этими величинами могут быть впрыснутое топливо, скорость вращения двигателя, давление наддува, температура наддувочного воздуха, магистральное давление, опережение впрыска, степень рециркуляции выхлопного газа или другие, которые оказывают влияние на температуру пламени и на горение.

Согласно приложенным фигурам блоки 5, 5' и 5'' на соответствующих схемах являются входными блоками, учитывающими упомянутые величины/параметры, такие как впрыснутое топливо, скорость вращения двигателя и т.д.

Если имеется принцип работы устройства измерения рециркуляции выхлопного газа или какого-либо датчика для вычисления рециркуляции выхлопного газа в единицах степени рециркуляции или массового расхода, то это полученное значение учитывается в оценке оксидов азота. В случае отсутствия измерения рециркуляции выхлопного газа в оценке оксидов азота учитывается заданное значение рециркуляции выхлопного газа или любая вычисленная степень рециркуляции выхлопного газа.

Фигура 1 показывает схему адаптивной методики, если существует методика управления рециркуляцией выхлопного газа с обратной связью с устройством измерения рециркуляции выхлопного газа.

Блок 3 изображает заданное значение рециркуляции выхлопного газа, используемое и как входное значение для первого суммирующего устройства, и как значение цепи упреждения для блока 4, который изображает управление рециркуляцией выхлопного газа. В упомянутом первом суммирующем устройстве из этого значения вычитается выходное значение блока 2, изображающего блок коррекции измерения рециркуляции выхлопного газа для измерения рециркуляции выхлопного газа, получаемого с блока 1. Выходное значение упомянутого первого суммирующего устройства является еще одним входным значением для упомянутого блока 4 управления рециркуляцией выхлопного газа.

Упомянутый блок 2 использует выходное значение блока 8 адаптации, такого как интегратор, адаптивная кривая или карта, или любой подобный элемент или процедура.

Входным значением такого блока 8 адаптации является разность между первым измеренным значением, полученным с датчика 7 оксидов азота, и вторым оцененным значением, полученным с блока 6 оценки оксидов азота, который имеет в качестве входных упомянутые величины/параметры двигателя, изображаемые посредством блока 5, и выходное значение упомянутого блока 2 коррекции измерения рециркуляции выхлопного газа.

Устройство 6 оценки может быть реализовано известным способом, например согласно раскрытию Александра Шиллинга (Alexander Schilling): "Model-Based Detection and Isolation of Faults in the Air and Fuel Paths of Common-rail DI Diesel Engines Equipped with a Lambda and a Nitrogen Oxides Sensor", PhD thesis, Diss. ETH No. 17764, ETH Zurich, Switzerland, 2008.

В случае методики управления рециркуляцией выхлопного газа с обратной связью одним подходом является коррекция измеренной степени рециркуляции выхлопного газа или массового расхода с использованием способа адаптации, который использует разность между измеренной и оцененной концентрациями оксидов азота. Измерение рециркуляции выхлопного газа корректируется таким образом, что эта разность, то есть ошибка, сходится к нулю. Способ адаптации может содержать интегрирование, адаптивную кривую или карту или любой подобный элемент или процедуру. Коррекция рециркуляции выхлопного газа может быть аддитивной (смещение) или мультипликативной (поправочный множитель), или использующей любую другую алгебраическую операцию, кривую поправок или карту поправок.

Так как контроллер подгоняет измеренную и скорректированную степени рециркуляции выхлопного газа или массовые расходы к заданному значению, то окончательное значение, идентичное заданному значению, используется для оценки оксидов азота. Следовательно, после коррекции контроллером устройство оценки оксидов азота всегда вычисляет то же самое значение, если все другие параметры двигателя идентичны и поэтому упомянутая ошибка равна нулю. Так как способ адаптации подгоняет оцененное значение количества оксидов азота к измеренному, то после коррекции оцененное значение количества оксидов азота представляет собой измеренное значение. Следовательно, контроллер рециркуляции выхлопного газа может рассматриваться как контроллер оксидов азота. Концентрация оксидов азота поддерживается с учетом нарушения линии рециркуляции выхлопного газа (загрязнение охладителя в системе рециркуляции выхлопного газа, разброс при производстве, загрязнение клапана в системе рециркуляции выхлопного газа и т.д.) или методики измерения рециркуляции выхлопного газа (дрейф датчика и т.д.).

Фигура 2 показывает адаптивную методику с упреждающим контроллером рециркуляции выхлопного газа и без измерения рециркуляции выхлопного газа.

Согласно фигуре 2 блок 3' изображает заданное значение рециркуляции выхлопного газа, используемое в качестве одного входного значения блока 4' упреждающего управления рециркуляцией выхлопного газа. Еще одним входным значением упомянутого блока 4' упреждающего управления рециркуляцией выхлопного газа является выходное значение блока 8' адаптации, такого как интегратор и т.п. Входным значением такого блока 8' адаптации аналогично фигуре 1 является разность между первым измеренным значением, полученным с датчика 7' оксидов азота, и вторым оцененным значением, полученным с блока 6' оценки оксидов азота, который имеет в качестве одних входных значений упомянутые величины/параметры двигателя, изображаемые посредством блока 5', и в качестве второго входного значения выходное значение упомянутого блока 3' заданного значения рециркуляции выхлопного газа.

Устройство 6' оценки может быть реализовано подобно устройству 6 оценки.

В случае методики управления рециркуляцией выхлопного газа без обратной связи, как изображено на фигуре 2, одним подходом является коррекция положения исполнительного механизма рециркуляции выхлопного газа непосредственно с использованием способа адаптации, который использует разность между измеренной и оцененной концентрациями оксидов азота. Положение исполнительного механизма рециркуляции выхлопного газа корректируется таким образом, что эта разность, то есть ошибка, сводится к нулю. Способ адаптации может быть выполнен посредством интегратора, адаптивной кривой или карты или любого подобного элемента или процедуры. Коррекция положения исполнительного механизма рециркуляции выхлопного газа может быть аддитивной (смещение), или мультипликативной (поправочный множитель), или использующей любую другую алгебраическую операцию, кривую поправок или карту поправок.

Заданное значение рециркуляции выхлопного газа используется для оценки оксидов азота. Следовательно, устройство оценки оксидов азота всегда вычисляет то же самое значение, если все другие параметры двигателя идентичны. Так как способ адаптации подгоняет оцененное значение количества оксидов азота к измеренному, то после коррекции оцененное значение количества оксидов азота представляет собой измеренное значение. Следовательно, контроллер рециркуляции выхлопного газа может рассматриваться как контроллер оксидов азота. Концентрация оксидов азота поддерживается с учетом нарушения или постепенных изменений линии рециркуляции выхлопного газа (загрязнение охладителя в системе рециркуляции выхлопного газа, разброс при производстве, загрязнение клапана в системе рециркуляции выхлопного газа и т.д.).

Фигура 3 показывает схему способа адаптации для двигателей, когда рециркуляции выхлопного газа нет. В этом случае оцененные количества оксидов азота принимаются такими, чтобы они соответствовали измеренным значениям при установившемся режиме. Это гарантирует статическую точность устройства измерения и быструю переходную характеристику устройства оценки количества оксидов азота. Адаптация может быть реализована с использованием простого интегратора (медленного I-контроллера), адаптивной кривой или карты или любой подобной адаптивной методики.

Согласно фигуре 3 устройство оценки оксидов азота, представленное блоком 6'', принимает как входные значения и упомянутые параметры/величины двигателя, представленные блоком 5'', и выходные значения блока 8'' адаптации оксидов азота, который является интегратором и т.п. Входным значением упомянутого блока 8'' адаптации оксидов азота аналогично фигурам 1 и 2 является разность между первым измеренным значением, полученным с датчика 7'' оксидов азота, и вторым оцененным значением, полученным с блока 6'' оценки оксидов азота.

Устройство 6'' оценки может быть реализовано подобно устройству 6 оценки.

Предпочтительно, измерение рециркуляции выхлопного газа имеет отношение к измерению степени рециркуляции выхлопного газа или массового расхода рециркуляции выхлопного газа, но тот же самый способ может быть применен для любой системы, влияющей на оксиды азота (подобно вентиляционному замеру и управлению с использованием контроллера рециркуляции выхлопного газа или, например, впрыска топлива), такой как магистральное давление, опережение впрыска, предварительный впрыск и т.д. Кроме того, вместо измерения рециркуляции выхлопного газа также может быть скорректировано заданное значение рециркуляции выхлопного газа.

Это изобретение может быть осуществлено предпочтительно в компьютерной программе, содержащей средства программного кода для выполнения одного или более этапов такого способа, когда такая программа запущена на компьютере. По этой причине патент должен также охватывать такую компьютерную программу и машиночитаемый носитель, который содержит записанную информацию, такой машиночитаемый носитель, содержащий средства программного кода для выполнения одного или более этапов такого способа, когда такая программа запущена на компьютере.

Множество изменений, модификаций, вариаций и прочего использования и применения рассматриваемого изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после рассмотрения спецификации и сопровождающих чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты воплощения изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и прочие использования и применения, которые не отступают от духа и контекста настоящего изобретения, как считают, охватываются этим изобретением.

Дополнительные подробности реализации не будут описаны, поскольку специалист в данной области техники в состоянии осуществить изобретение, изучив вышеупомянутое описание.