ВЫХЛОПНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ, ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ ДЛЯ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, ИХ СОДЕРЖАЩЕЕ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к выхлопной системе двигателя, плавкому предохранителю для выхлопной системы и автомобильному транспортному средству, их содержащему.
Уровень техники
Установка дизельного сажевого фильтра (DPF) в выхлопных системах транспортного средства с дизельными двигателями представляет собой известный способ предотвращения выброса частиц сажи из транспортного средства. DPF необходимо регулярно подвергать регенерации, во время которой двигатель работает таким образом, чтобы обеспечить поддержание требуемой температуры DPF в течение достаточного периода времени для того, чтобы сжечь накопившиеся отложения сажи, например, путем подачи дополнительного количества топлива в поток выхлопных газов.
Фильтрующие элементы DPF могут быть изготовлены в виде монолитных блоков из различных материалов, например, кордиерита, карбида кремния и металлических материалов, которые могут быть расплавлены, сожжены или каким-либо другим образом быть разрушены при перегреве. Кроме того, монолиты размещены в металлических корпусах, которые также могут быть расплавлены при перегреве. Следовательно, необходимо принять меры по предотвращению перегрева.
Как правило, ниже по потоку прохождения выхлопных газов относительно DPF устанавливают датчики температуры. Выходной сигнал этих датчиков поступает на устройство управления, например, систему управления двигателем. Если датчик обнаруживает высокую температуру, указывающую на перегрев или ожидаемый перегрев DPF, то водитель транспортного средства получает предупреждающий сигнал, при этом система управления двигателем может принять меры для ограничения работы двигателя с целью понижения температуры, либо может выполнить полную остановку двигателя.
Как правило, температура при перегреве DPF составляет от 900°C до 950°C и находится вне температурных пределов материалов, из которых изготовлены известные датчики. Следовательно, после каждого случая перегрева приходится менять дорогостоящие датчики температуры.
В качестве ближайшего аналога полезной модели можно рассмотреть устройство, описанное в публикации патентной заявки JP 2010090851 от 22.04.2010.
В данном устройстве применяется охлаждающая среда, что усложняет конструкцию всей системы.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является предотвращение нарушения целостности системы DPF, вызванного перегревом.
Для достижения указанного результата предложена выхлопная система двигателя, содержащая дизельный сажевый фильтр и плавкий предохранитель, который расположен на пути потока выхлопных газов, идущего через фильтр или от него, при этом плавкий предохранитель включает в себя элемент из электропроводного плавкого материала, в котором размещена пара электрических контактов, изготовленных из материала, имеющего более высокую температуру плавления по сравнению с плавким материалом.
Плавкий предохранитель может включать в себя корпус, внутри которого расположен элемент из плавкого материала, в этом случае корпус может быть цилиндрическим и открытым с одного конца для выхода плавкого материла после его расплавления. Другой конец цилиндрического корпуса может содержать изоляционный материал, через который проходят электрические контакты.
Плавкий предохранитель может быть установлен таким образом, чтобы плавкий материал после расплавления мог вытекать под действием силы тяжести из открытого конца корпуса. Этого можно достичь, например, путем расположения плавкого предохранителя таким образом, что открытый конец корпуса может быть открыт по направлению вниз.
Плавкий предохранитель может предотвращать нарушение целостности системы DPF, вызванное перегревом. Плавкий предохранитель может иметь температуру плавления ниже температуры, при которой происходит повреждение дизельного сажевого фильтра. Таким образом, плавкий предохранитель может быть предназначен для создания разомкнутой цепи между электрическими контактами до того, как произойдет повреждение. Этого можно достичь путем правильного выбора температуры плавления и массы элемента из плавкого материала.
Дизельный сажевый фильтр может содержать монолитный фильтрующий элемент, в этом случае температура плавления плавкого материала может быть ниже, чем температура сгорания монолитного фильтрующего элемента.
Дизельный сажевый фильтр может иметь металлический корпус, в этом случае температура плавления плавкого материала может быть ниже, чем температура плавления материала, из которого изготовлен металлический корпус.
В одном варианте воплощения полезной модели температура плавления плавкого материала не должна быть ниже 940°C.
Во избежание преждевременного срабатывания плавкого предохранителя в случае неустойчивой высокой температуры предпочтительно, чтобы после первоначальной реакции плавкого предохранителя на температуру, превышающую температуру плавления плавкого материала, проходило некоторое время (задержка) прежде, чем элемент из плавкого материала расплавится и изолирует контакты друг от друга. Этого можно достичь путем выбора такой массы элемента из плавкого материала, при которой элемент мог бы выдержать температуру, незначительно превышающую температуру плавления плавкого материала, например, температуру 950°C, в течение не менее 10 секунд.
Электрические контакты могут быть соединены с устройством управления, например, блоком управления двигателем, для подачи входного сигнала на размыкание цепи между контактами в устройство управления при расплавлении плавкого материала. Устройство управления может быть предназначено для подачи выходного сигнала в случае расплавления плавкого материала. Выходной сигнал может сгенерировать сигнал об остановке двигателя в случае, если температура потока выхлопных газов превышает заранее определенное значение, и может сгенерировать предупреждающий сигнал о неисправности в случае, если температура потока выхлопных газов ниже или равна заранее определенному значению.
Плавкий предохранитель может быть расположен на пути потока выхлопных газов ниже по потоку относительно дизельного сажевого фильтра.
Кроме того, описано автомобильное транспортное средство, имеющее выхлопную систему двигателя.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания полезной модели пример будет описан со ссылкой на сопроводительные чертежи, из которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение части выпускной системы транспортного средства;
Фиг. 2 представляет схематическое изображение плавкого предохранителя, расположенного в выхлопной трубе системы с Фиг. 1;
Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид плавкого предохранителя;
Фиг. 4 представляет собой блок-схему, описывающую работу устройства управления, принимающую входной сигнал от плавкого предохранителя.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 представлен выпускной коллектор 2 двигателя автомобильного транспортного средства, блок 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя, DPF 6, предназначенный для отделения твердых частиц от потока выхлопных газов из двигателя. В представленном варианте воплощения полезной модели блок 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя и DPF 6 соединены друг с другом, при этом DPF 6 расположен ниже по потоку относительно блока 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя и сообщается с ним. Представленный вариант воплощения полезной модели также включает в себя выпускной трубопровод 8, соединяющий выпускной коллектор 2 и блок 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя. При такой конструкции выхлопные газы из двигателя могут проходить из выпускного коллектора 2 напрямую или через блок 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя к DPF 6 и через выхлопную трубу 10 к другим элементам выпускной системы, расположенным ниже по потоку.
Следует понимать, что в выпускном трубопроводе 8 выхлопные газы двигателя могут проходить через одно или несколько других устройств по пути к блоку 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя. Таким образом, например, выпускной трубопровод 8 может включать в себя один или несколько датчиков температуры, уловитель оксидов азота и блок трехходового каталитического нейтрализатора, расположенный ниже по потоку относительно выпускного коллектора 2 и выше по потоку относительно блока 4 окислительного каталитического нейтрализатора для дизельного двигателя.
DPF 6 может иметь какую-либо известную форму и, например, может включать в себя монолит (цельный элемент) пористого материла, имеющий каналы, сообщающиеся друг с другом посредством пористого материала элемента. Пористый материал может представлять собой любой подходящий материал, способный выдерживать высокие температуры, достигаемые при использовании DPF. Подходящими материалами являются кордиерит, карбид кремния и металлические материалы. Монолит расположен в корпусе, изготовленном, например, из стали.
Путь движения потока через DPF включает в себя зоны пористого материла, в которых происходит улавливание твердых частиц, содержащихся в потоке выхлопных газов. Таким образом, поток выхлопных газов, выходящий из DPF по существу не содержит твердых частиц и, в частности, частиц сажи.
По мере накапливания частиц сажи в порах пористого материала эффективность действия DPF снижается. DPF необходимо периодически подвергать регенерации путем увеличения температуры потока выхлопных газов до уровня, при котором отложения сажи будут сгорать. Например, это может быть выполнено путем подачи топлива в выпускную систему на дожигание.
При некоторых режимах работы двигателя температура DPF может достигать уровня, превышающего температурные пределы материала либо монолита, либо корпуса DPF, например, значения температуры, при котором монолит или корпус будут расплавлены, сожжены или каким-либо иным образом повреждены. Во избежание возникновения вышеуказанной ситуации в выхлопную трубу 10 ниже по потоку относительно DPF 6 может быть установлен плавкий предохранитель 12, как показано на Фиг. 2. Назначением плавкого предохранителя 12 является подача сигнала, который может быть использован для инициирования остановки двигателя или другого действия, позволяющего снизить температуру DPF до того, как DPF будет поврежден.
Плавкий предохранитель более подробно представлен на Фиг. 3. Он включает в себя стальной цилиндрический корпус 14, имеющий наружную резьбу 16 и головку 18 на одном из концов, являющуюся профилированной, например, шестигранной, для ее захвата инструментами, например, гаечным ключом, для того, чтобы прикрепить плавкий предохранитель к стенке выхлопной трубы 10. Внутри корпуса 14 используется изолятор 20, выполненный, например, из керамического материала, через который проходит пара электрических контактов в виде штырей 22. Штыри 22 выступают из изолятора на конце, прилегающем к головке 18 для соединения с устройством управления, описанным далее. На противоположных концах штыри 22 выступают в пространство внутри корпуса 14, которое при нормальных обстоятельствах заполнено электропроводным плавким материалом 24. Можно использовать любой подходящий материал при условии, что температура плавления данного материала ниже температуры, при которой происходит повреждение DPF в результате перегрева. В одном возможном варианте воплощения полезной модели применяют сплав, имеющий температуру плавления около 945°C±5°C, например, сплав меди.
Следует понимать, что элемент 24 создает электрическое соединение между штырями 22 таким образом, что сопротивление, измеренное между концами, выступающими от головки 18, будет очень низким.
В случае, если температура выхлопных газов, проходящих вокруг плавкого предохранителя 12, достигает уровня, близкого к уровню, при котором может произойти повреждение DPF, корпус элемента 24 плавкого материала начнет плавиться. На Фиг. 2 показано, что плавкий предохранитель расположен в верхней части стенки выхлопной трубы 10, при этом открытый конец корпуса 14 (т.е. конец, выходящий из головки 18) обращен вниз. Следовательно, при расплавлении плавкий материал 24 вытечет из корпуса 14 в выхлопную трубу 10. Если это происходит, то концы штырей 22, ранее находившиеся внутри элемента 24, будут электрически изолированы друг от друга, и сопротивление плавкого предохранителя возрастет до относительно высокого уровня. При данном условии можно сказать, что происходит срабатывание плавкого предохранителя 12.
Следует понимать, что, когда температура выхлопных газов в выхлопной трубе 10 достигает температуры плавления плавкого материала 24, имеет место ограниченный период задержки до того, как материал 24 будет расплавлен, обнажая концы штырей 22. Данный период задержки зависит от нескольких факторов, включая массу плавкого материала 24. Период задержки позволяет плавкому предохранителю выдерживать неустойчивые колебания, незначительно превышающие температуру плавления плавкого материала 24 (например, до 5°C выше температуры плавления) без размыкания цепи на плавком предохранителе. Например, масса плавкого материала 24 может быть выбрана таким образом, чтобы период задержки был не менее 5 секунд или, что является более распространенным, был не менее 10 секунд при температуре 950°C.
Плавкий предохранитель 12 соединен при помощи последовательного (добавочного) резистора с устройством управления, который может представлять собой блок управления двигателем (ECU) или являться частью ECU. Во время нормальной работы низкое напряжение указывает на то, что плавкий предохранитель 12 находится в нормальном состоянии, т.е. элемент 24 обеспечивает неразрывность электрической цепи между штырями 22, и, следовательно, плавкий предохранитель не сработал при воздействии температуры, соответствующей перегреву DPF 6, например, 950°C.
Пример процесса с применением плавкого предохранителя 12 представлен на блок-схеме с Фиг. 4. После этапа S1 включения зажигания на этапе S2 происходит определение того, являются ли значения температуры потока выхлопных газов выше и ниже по потоку относительно каталитического нейтрализатора выхлопных газов (т.е. значение температуры до нейтрализатора ТРС и значение температуры после нейтрализатора ТАС) ниже заранее заданного значения температуры, указывающего на стадию разогрева двигателя, например, 150°C. Если ТРС и ТАС равны или ниже 150°C, то на этапе S3 происходит определение того, проводит или нет плавкий предохранитель 12 электрический ток. Если это так, то в результате процедуры диагностики при запуске двигателя установлено, что целостность плавкого предохранителя 12 проверена, и задействован соответствующий индикатор D1, например, отключение предупредительной световой сигнализации о перегреве DPF.
Если на этапе S3 определено, что плавкий предохранитель 12 размыкает цепь, то это указывает на неисправность плавкого предохранителя, поскольку плавкий предохранитель не может сработать в нормальных условиях при температуре не более 150°C. Задействован соответствующий индикатор D2 предупреждения о неисправности, который предупреждает водителя о том, что плавкий предохранитель 12 необходимо проверить и (или) заменить. Процесс снова переходит к этапу S1.
Если на этапе S2 определено, что двигатель достаточно разогрет для того, чтобы значения ТРС и ТАС превысили 150°C, то процесс переходит к этапу S4, который аналогично этапу S3 определяет, находится ли сигнал о сопротивлении, получаемый от плавкого предохранителя 12, на высоком или низком уровне. Если данный сигнал находится на низком уровне, указывая на неразрывность электрической цепи между штырями 22, то процесс снова переходит к этапу S2 с частотой выборки, определяемой сигналом синхронизации, подаваемым ECU.
Если на этапе S4 определено, что сигнал о сопротивлении находится на высоком уровне, указывая на то, что плавкий предохранитель сработал, и на штырях 22 электрическая цепь разомкнута, то ECU задействует индикатор D3 для указания о перегреве DPF и на этапе S5 подает сигнал об остановке двигателя, в результате которого ECU и другие системы транспортного средства выполняют безопасную остановку транспортного средства в момент времени, который можно откалибровать или запрограммировать.
Хотя в данном описании полезной модели плавкий предохранитель 12 закреплен к выхлопной трубе 10 ниже по потоку относительно DPF 6, следует понимать, что плавкий предохранитель 12 может быть прикреплен в качестве варианта к корпусу DPF 6 таким образом, чтобы быть напрямую подверженным воздействию потока выхлопных газов, проходящего через DPF.
Кроме того, несмотря на то, что в данном описании полезной модели срабатывание плавкого предохранителя 12 приводит к началу остановки транспортного средства, в качестве варианта или начальной меры может быть выполнено ограничение выходной мощности двигателя или другое действие, которое снизит температуру DPF 6, не требуя остановки двигателя. В качестве еще одной возможной начальной меры отключению транспортного средства может предшествовать указание водителю об остановке транспортного средства или отключении двигателя в качестве крайне необходимой меры.