СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING PARTICULATE FILTER PRESENCE AND PERFORMANCE

Изобретение относится к способу и устройству определения наличия и работоспособности сажевого фильтра двигателя внутреннего сгорания с управляемым воспламенением.
Известно желание диагностировать сажевый фильтр двигателя внутреннего сгорания. Такая диагностика заключается в определении, находится ли сажевый фильтр в рабочем состоянии или он находится в неисправном состоянии. Когда двигатель, оснащенный сажевым фильтром, устанавливают на автомобиле, регламент бортовой диагностики требует обеспечения способности выполнения такой диагностики в любой момент времени, и в частности в ситуации, когда транспортное средство находится в движении.
Обычно архитектура системы очистки выхлопного газа автомобиля включает в себя два монолита, расположенных ниже по потоку двигателя, которые осуществляют каталитическую постобработку газов: расположенный выше по потоку монолит и расположенный ниже по потоку монолит, который выполняет функцию сажевого фильтра. Расположенный ниже по потоку монолит имеет распложенную выше по потоку зону, через которую входят выхлопные газы, и расположенную ниже по потоку зону, через которую выходят выхлопные газы. Он оснащен датчиками и, в частности, датчиком давления, позволяющим выдавать значение перепада давления между расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной. Такой датчик давления позволяет обнаружить перегрузку сажевого фильтра, и таким образом предотвращает риски воспламенения. Монолиты также включают в себя расположенное выше по потоку средство измерения расхода, например счетчик-расходомер, позволяющий измерять массовый расход газов, проходящих через сажевый фильтр. В другом случае расход может быть определен исходя из поперечного сечения клапана, который регулирует расход газов, входящих в двигатель, и исходя из давления и температуры, имеющихся во впускном коллекторе двигателя.
Известно, что, используя эти измерения или эти оценки, можно оценить работоспособность сажевого фильтра. Чтобы сделать это, с помощью элемента памяти и компьютера: регистрируют разность между давлением в зоне, расположенной выше по потоку, и давлением в зоне, расположенной ниже по потоку; регистрируют массовый расход газов, и, таким образом, вычисляют мгновенное количество (массовый расход) твердых частиц, входящих в сажевый фильтр и сажевую нагрузку сажевого фильтра, а именно, вычисляют массу сажи, осевшей в нем, путем интегрирования этого мгновенного значения по времени; затем с помощью таблицы, предварительно сформированной по результатам тестирования, определяют теоретическое значение падения давления газов при прохождении через фильтр в зависимости от расхода газа и нагрузки фильтра; затем вычисляют диагностический критерий, равный разности между теоретическим падением давления и фактическим падением давления; и, наконец, если критерий выше порога, причем последний является функцией количества твердых частиц или сажи, осевшей в фильтре, фильтр, считается неисправным. Точнее говоря, если фильтр неисправен, а именно, если он поврежден, или если расположенный ниже по потоку монолит вовсе отсутствует, то фильтру затруднительно задерживать частицы сажи, содержащиеся в выхлопных газах двигателя, или он вовсе не в состоянии задерживать их, в отличие от фильтра в хорошем рабочем состоянии, который склонен засоряться из-за эффекта прогрессивного накопления сажи. Поэтому неисправный фильтр демонстрирует только небольшое падение давления по сравнению с фильтром в хорошем рабочем состоянии при одном и том же расходе, что означает, что упомянутое фактическое падение давления отклоняется от теоретического падения давления.
Можно обратиться к документу FR-A1-2939474, который описывает такой способ определения наличия и работоспособности сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита, который является относительно сложным и требует длительного времени вычисления.
Таким образом, одной из задач, которая возникает и которую призвано решить настоящее изобретение, является задача разработки способа и устройства определения работоспособности и/или наличия сажевого фильтра, являющихся более простыми и обеспечивающими получение надежных и быстрых результатов.
Предлагается способ определения наличия и работоспособности сажевого фильтра двигателя внутреннего сгорания с управляемым воспламенением, производящего выхлопные газы с переменным расходом, причем упомянутые выхлопные газы проходят через упомянутый сажевый фильтр между расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной упомянутого сажевого фильтра, способ включает этапы:
a) осуществления выборки, для последовательных моментов, значений массового расхода газа, проходящего через упомянутый сажевый фильтр, и одновременно значений перепада давления газов между упомянутой расположенной выше по потоку зоной и упомянутой расположенной ниже по потоку зоной упомянутого сажевого фильтра, соответствующего значениям массового расхода; и
b) определение, в зависимости от упомянутых зарегистрированных значений расхода газа и перепада давления газов, имеется ли в наличии упомянутый сажевый фильтр, и работоспособен ли он.
На этапе b) для каждого момента выборки вычисляют, исходя из выбранных значений расхода и перепада давлений газа, значение интеграла по времени от массового расхода и значение критерия наличия, соответствующего сумме выбранных значений перепада давления; и
когда упомянутое значение интеграла по времени от массового расхода достигает или превышает верхнее пороговое значение, сравнивают значение критерия наличия с пороговым значением наличия, чтобы определить наличие и работоспособность сажевого фильтра.
Таким образом, можно обеспечить надежное и быстрое определение наличия сажевого фильтра в расположенном ниже по потоку монолите независимо от знания данных измерения содержания сажи в сажевом фильтре.
Преимущественно и без ограничения, упомянутое значение интеграла по времени от массового расхода, вычисленное на этапе b) для данного момента времени, соответствует сумме значения интеграла по времени от массового расхода, вычисленного для предыдущего момента времени, и значения массового расхода газа, выбранного в данный момент времени. Таким образом, вычисление значения интеграла по времени происходит быстро и не требует больших ресурсов для обработки.
Преимущественно и без ограничения, пороговое значение наличия является ниже 50 мбар, и предпочтительно ниже 25 мбар. Таким образом, можно относительно надежно обнаруживать, имеется ли сажевый фильтр в наличии.
Преимущественно и без ограничения, выборки, полученные на этапе a), фильтруют, используя фильтр первого порядка. Таким образом, обнаружение наличия сажевого фильтра дополнительно улучшается, особенно при малых значениях массового расхода газа.
Преимущественно и без ограничения, выбранные значения перепада давления смещают на заданную величину. Таким образом, способ обнаружения улучшают посредством добавления смещения к выбранным значениям, чтобы таким образом компенсировать любую возможную неточность датчиков давления, используемых для определения перепада давления.
Преимущественно и без ограничения, осуществление выборки на этапе a) выполняют только в том случае, если значение массового расхода газа выше нижнего порогового значения. Таким образом, способ не применяется, когда значение массового расхода газа недостаточно велико, чтобы предотвращать ошибочное обнаружение ложноположительного типа.
Изобретение также относится к устройству, например к микропроцессору, для определения наличия и работоспособности сажевого фильтра двигателя внутреннего сгорания с управляемым воспламенением, производящего выхлопные газы с переменным расходом, причем выхлопные газы проходят через упомянутый сажевый фильтр между расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной упомянутого сажевого фильтра, при этом устройство содержит следующие средства:
- средства осуществления выборки, для последовательных моментов времени, значений массового расхода газа, проходящего через упомянутый сажевый фильтр, и одновременно значений перепада давлений газов между расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной упомянутого сажевого фильтра, соответствующих значениям массового расхода; и
- средства определения, определяющие на основе значений упомянутого зарегистрированного расхода газа и перепада давления наличие и работоспособность упомянутого сажевого фильтра,
при этом упомянутые средства определения предназначены для вычисления, в каждый момент осуществления выборки, на основе выбранных значений расхода и перепада давления газа, значения интеграла по времени от массового расхода газа и значения критерия наличия, соответствующего сумме выбранных значений перепада давления газа; и
когда упомянутое значение интеграла по времени от массового расхода газа достигнет или превысит верхнее пороговое значение, сравнивают значение критерия наличия с пороговым значением наличия, чтобы определить наличие и работоспособность сажевого фильтра.
Изобретение также относится к силовой установке, представляющей собой двигатель внутреннего сгорания с управляемым воспламенением, производящий выхлопные газы с переменным расходом, причем упомянутые выхлопные газы проходят через упомянутый сажевый фильтр между расположенной выше по потоку зоной и расположенной ниже по потоку зоной упомянутого сажевого фильтра, при этом упомянутая силовая установка, кроме того, включает в себя описанное выше устройство определения наличия и работоспособности сажевого фильтра.
Изобретение также относится к автомобилю, включающему в себя описанную выше силовую установку.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после прочтения описания одного из конкретных вариантов осуществления, не носящего ограничивающего характера, приведенного со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 схематично показана часть элемента обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства согласно изобретению, которым оснащен элемент обработки, показанный на фиг. 1;
на фиг. 3 схематично показана блок-схема этапов способа согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 4 представлен график, показывающий, как параметры, замеренные на элементе обработки выхлопного газа, изображенном на фиг. 1, изменяются в первом варианте осуществления изобретения;
на фиг. 5 представлен график, показывающий, как параметры, замеренные на элементе обработки выхлопного газа, изображенном на фиг. 1, изменяются во втором варианте осуществления изобретения.
На фиг. 1 показан элемент 10 обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, который на чертеже не показан. Такой двигатель внутреннего сгорания преимущественно предназначен для автомобилей. Элемент 10 обработки имеет входное отверстие 12, соединенное с выхлопным отверстием двигателя внутреннего сгорания, например, с выпускным коллектором или с турбиной турбокомпрессора двигателя, и противоположное ему выходное отверстие 14, соединенное, например, с глушителем системы выпуска. Элемент 10 обработки содержит два монолита для каталитической обработки загрязнителей, содержавшихся в выпускаемых двигателем газах: расположенный выше по потоку монолит 16 и расположенный ниже по потоку монолит 18, который также выполняет функцию сажевого фильтра. У расположенного ниже по потоку монолита 18 имеется входное отверстие или расположенная выше по потоку зона 20, через которую входят выхлопные газы, а на противоположном конце – выходное отверстие или расположенная ниже по потоку зона 22, через которую выходят выхлопные газы.
Кроме того, элемент 10 обработки снабжен датчиком 24 входного давления, и датчиком 26 выходного давления, позволяющими определять значение разности давлений выхлопных газов между входной зоной 20 и выходной зоной 22.
Кроме того, элемент 10 обработки имеет, например, выше по потоку расположенного выше по потоку монолита 16 измеритель 25 расхода, позволяющий измерять расход выхлопных газов, проходящих через него и, следовательно, через расположенный ниже по потоку монолит 18. Кроме того элемент 10 обработки также оснащен зондом 28 измерения обогащения.
В хорошо известном альтернативном решении, расход газа может определяться с помощью других средств, не рассматриваемых в данном документе, например, с помощью модели, которая учитывает степень открытия дроссельной заслонки двигателя и величины давления и температуры во впускном коллекторе двигателя.
В другом альтернативном варианте, измеритель расхода может устанавливаться на входе в двигатель, при этом расход выхлопных газов получают как сумму расхода впускных газов и расхода топлива, используя принцип сохранения массы.
2
x
Выхлопные газы, произведенные двигателем внутреннего сгорания, по существу, содержат в дополнение к водяному пару и углекислому газу CO, оксиды азота NO, угарный газ СО и несгоревшие углеводороды. Они поступают в расположенный выше по потоку монолит 16, чтобы там преобразоваться в безопасные молекулы.
Расположенный ниже по потоку монолит 18, помимо функций окисления и восстановления вышеупомянутых молекул, выполняет функцию фильтрования твердых частиц, которые присутствуют в газах в виде сажи.
Таким образом, необходимо, чтобы такая функция фильтрования твердых частиц исправно работала при любых обстоятельствах. Вот почему проверка этой функции должна выполняться регулярно и автоматически, когда автомобиль эксплуатируется. Возможные причины работы со сбоями включают в себя повреждение расположенного ниже по потоку монолита 18; или даже его отсутствие в элементе 10 обработки.
Ради упрощения, сажевый фильтр будет ассоциироваться с расположенным ниже по потоку монолитом 18, поскольку изобретение претендует только на оценку наличия и работоспособности сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита 18. Другими словами, ссылка будет делаться в равной степени на расположенный ниже по потоку монолит 18 или на сажевый фильтр 18.
На фиг. 2 схематично показан элемент 10 обработки, включающий в себя расположенный ниже по потоку монолит и сажевый фильтр 18. Также имеется датчик 24 входного давления и датчик 26 выходного давления, а также измеритель 25 расхода или другое средство определения расхода. Датчики связаны с памятью 30, которая, в свою очередь, связана с процессором 32. Последний управляет отображением информации на элементе 34 отображения. Датчики 24, 26, измеритель 25 расхода, память 30, процессор 32 и элемент 34 отображения вместе составляют устройство 35 определения, которое позволяет определять, является ли функция фильтрации твердых частиц расположенного ниже по потоку монолита 18 работоспособной.
Таким образом, элемент 10 обработки обеспечивает реализацию предлагаемого в настоящем изобретении способа определения наличия и работоспособности сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита 18.
Предлагаемый в настоящем изобретении способ определения наличия и работоспособности сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита 18 основывается на корреляции между массовым расходом воздуха, входящего в расположенный ниже по потоку монолит 18, и перепадом давления, измеренным между входной зоной 20 и выходной зоной 22 сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита 18.
В настоящем описании выражения массовый расход воздуха и массовый расход газа используются как синонимы.
Рассматривая фиг. 4, следует отметить, что первое поле 41 разброса точек, выбранных в случае наличия и работоспособного состояния сажевого фильтра, отображает перепад давления, который увеличивается по мере увеличения массового расхода воздуха.
Такое увеличение выбранных значений, как ни удивительно, не зависит от сажевой нагрузки сажевого фильтра. Точнее говоря, наличие сажи приводит к увеличению перепада давления по сравнению с чистым сажевым фильтром и, как следствие, к увеличению градиента поля разброса точек, соответствующих случаю работоспособного сажевого фильтра, как это показано на фиг. 4. Однако градиент поля разброса точек не является параметром, принимаемым во внимание при определении наличия сажевого фильтра; только изменение перепада давления, независимо от скорости его изменения, позволяет определять наличие и работоспособность упомянутого сажевого фильтра.
С другой стороны, второе поле 42 разброса точек, относящееся к случаю, когда сажевый фильтр отсутствует или неисправен в том смысле, что больше не отфильтровывает твердые частицы, отображает значения перепада давления, распределенные вокруг нуля независимо от изменения массового расхода воздуха.
Таким образом, предлагаемый в данном изобретении способ определения предусматривает повторяющийся этап, на котором в каждый момент осуществления выборки вычисляют интеграл по времени от массового расхода воздуха с момента инициализации и, параллельно, вычисляют значение, называемое значением критерия наличия, которое соответствует сумме перепадов давлений, измеренных с упомянутого момента инициализации.
Когда значение интеграла по времени достигает или превышает граничное значение, итеративный этап осуществления выборки останавливают.
Такое граничное значение соответствует объему воздуха, который прошел через расположенный ниже по потоку монолит 18, с момента инициализации, причем этот объем воздуха считается достаточным, чтобы обнаружить изменение перепада давления.
Сразу, как только итеративный этап остановлен, значение критерия наличия сравнивают с пороговым значением наличия.
Если критерий наличия имеет значение ниже упомянутого порога наличия, то сажевый фильтр считается отсутствующим или неисправным.
С другой стороны, если критерий наличия вышеупомянутого порога наличия, то считается, что сажевый фильтр имеется в наличии.
Таким образом, со ссылкой на фиг. 3, чтобы определить наличие или работоспособность сажевого фильтра на первом этапе 31 инициализации, расчетное значение интеграла по времени расход_инт принимается равным 0, и переменная, известная как переменная критерия наличия, принимается равной 0.
В каждый момент t осуществления выборки массовый расход воздуха, входящего в расположенный ниже по потоку монолит 18, сравнивают 32 с нижним пороговым значением расхода НижнПорогРасхода.
Если массовый расход воздуха ниже нижнего порогового значения расхода НижнПорогРасхода, то ожидают 33 следующего момента осуществления выборки, чтобы принятое во внимание значение обеспечивало надежное обнаружение. Точнее говоря, чтобы четко различить динамику изменения полей разброса точек, и, следовательно, чтобы получить надежный критерий наличия, необходимо иметь достаточно большой массовый расход воздуха, например, больше 100 кг/ч. При более низких значениях выбранные значения могут привести к неопределенности в вопросе наличия или отсутствия сажевого фильтра.
Когда массовый расход воздуха выше упомянутого нижнего порогового значения расхода НижнПорогРасхода, вычисляют 34 новое значение интеграла по времени от массового расхода с момента инициализации и значение критерия наличия. Этот этап 34 вычисления также известен как этап 34 обновления значений интеграла по времени от массового расхода и критерия наличия с момента инициализации.
Обновление 34 значения интеграла от массового расхода предусматривает суммирование интеграла по времени от массового расхода в предыдущий момент с массовым расходом воздуха, выбранным в настоящий момент.
Обновление 34 значения критерия наличия соответствует суммированию значения критерия наличия в предыдущий момент с перепадом давления, выбранным в настоящий момент.
После этапа 34 обновления обновленное значение интеграла по времени от массового расхода сравнивают 35 с верхним пороговым значением ИнтВерхПорогРасхода.
Если значение обновленного интеграла по времени от массового расхода ниже верхнего порогового значения ИнтВерхнПорогРасхода, способ возвращается к этапу 32 сравнения массового расхода воздуха, входящего в расположенный ниже по потоку монолит 18, с нижним пороговым значением расхода НижнПорогРасхода.
Если значение обновленного интеграла по времени от массового расхода выше верхнего порогового значения ИнтВерхнПорогРасхода, повторяющиеся этапы осуществления выборки и обновления 34 способа прекращаются 36.
Полученное значение критерия наличия затем сравнивают 37 с пороговым значением наличия.
Если значение критерия наличия ниже 38 порогового значения наличия, то сажевый фильтр считается отсутствующим или неисправным.
И наоборот, если значение критерия наличия выше 39 порогового значения наличия, то считается, что сажевый фильтр имеется в наличии и работоспособен.
Пороговое значение наличия зависит от чувствительности и надежности датчиков давления, используемых для вычисления перепада давления. Точнее говоря, можно отметить, в частности, в отношении фиг. 4 и 5, что значения 42, 52, измеренные, по существу, при нулевом перепаде давления, на практике изменяются таким образом, что оказываются сосредоточенными приблизительно около 0 в диапазоне значений, содержащихся между двумя порогами; положительный порог считается пороговым значением наличия. Эти пороги позволяют учитывать недостаточную точность и шумы, которые могут наблюдаться у датчиков, используемых для вычисления перепада давления.
Пороговое значение наличия составляет, например, 50 мбар, и предпочтительно 25 мбар, особенно для описанного ниже второго варианта осуществления.
Способ целиком, начиная с этапа 31 инициализации, может быть затем возобновлен и повторно инициализирован либо немедленно, либо после некоторой задержки, длительность которой изменяется в зависимости от требований к проверке и обнаружению сажевого фильтра расположенного ниже по потоку монолита 18.
В частности, способ может осуществляться однократно при каждом запуске двигателя.
Такой способ диагностики особенно быстр, потому что он не страдает от инерционности датчика, и надежен, потому что не зависит от уровня засоренности сажевого фильтра, и не может быть никакого ложного обнаружения, связанного с "горячим" пуском.
Тем не менее, изобретение в его первом варианте осуществления может быть улучшено, особенно, в части его надежности. Точнее говоря, из-за разброса выбранных значений и вследствие эффекта смещения измеренных значений относительно нулевого давления, что явно связано с недостаточной точностью используемых датчиков, могут иметь место ложные срабатывания даже при отсутствующем или неисправном фильтре, и такие срабатывания известны как “ложноположительные срабатывания”.
По этой причине во втором варианте осуществления к выбранным данным применяют фильтр первого порядка с постоянной времени τ = 1с, чтобы фильтровать данные.
Кроме того, к измерениям перепада давления применяют смещение с самого начала осуществления выборки, в частности на основании изучения эталонного давления, которое выполняют, в частности, когда двигатель не работает. Это позволяет таким образом перенастроить значения, измеренные датчиками, и согласовать их друг с другом.
Таким образом получают значения, обозначенные полями разброса точек на графике, показанном на фиг. 4, причем первое поле 41 разброса точек соответствует значениям, характерным для имеющегося в наличии и работоспособного сажевого фильтра, а второе поле 42 разброса точек соответствует значениям, характерным для отсутствующего или неисправного сажевого фильтра.
Этапы 32, 33, 34, 35 многократно осуществляемые способом 3, в таком случае выполняют на основе этих отфильтрованных и перенастроенных значений выборки.
В таком случае вычисление критерия наличия сажевого фильтра основано на интеграле по времени от сигнала перепада давления, когда расход превышает пороговое значение, чтобы сделать более очевидным разделение полученных значений.
Описанный выше способ по любому из вариантов осуществления изобретения может также быть осуществлен путем предварительной регистрации выбранных значений, например, в течение заданного интервала времени и последующего выполнения этапов определения на основе выбранных значений после того, как они были зарегистрированы. Таким образом, сбор данных может быть отделен от обработки этих данных.