СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ С ЛЯМБДА -РЕГУЛИРОВАНИЕМ
LAMBDA-CONTROLLED WASTE GAS EXHAUST GAS SYSTEM OPERATION

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации системы выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с расположенными в ней по меньшей мере одним улавливателем твердых частиц и по меньшей мере одним каталитическим нейтрализатором. Помимо этого изобретение относится также к автомобилю, пригодному для осуществления на нем предлагаемого в изобретении способа. Преимущественной областью применения изобретения является прежде всего регенерация улавливателей твердых частиц в процессе работы ДВС.
Именно в связи с обработкой ОГ, образующихся при работе ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси, с целью снижения токсичности таких ОГ могут возникать проблемы с удалением из них твердых остаточных продуктов сгорания. К настоящему времени было установлено, что при обработке ОГ, образующихся при работе ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси, с целью снижения токсичности таких ОГ содержание в них твердых частиц по массе значительно ниже, чем в ОГ, образующихся при работе дизельного двигателя. Для удаления подобных частиц сажи используют, например, улавливатель твердых частиц или сажевый фильтр (фильтр с проницаемыми стенками каналов, многопоточный фильтр и иные фильтры), задерживающий такие частицы. Во избежание забивания улавливателя твердых частиц и/или для повышения его эффективности вновь до необходимого высокого уровня сажу удаляют путем ее термического превращения (выжигания), например, при температуре в пределах от 550 до 600°С, для чего требуется кислород.
Для управления работой ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси обычно используется система так называемого лямбда-регулирования. Подобная система лямбда-регулирования предназначена прежде всего для согласования процессов сгорания рабочей смеси в ДВС для обеспечения оптимальной мощности при оптимальном удельном расходе топлива. Через "лямбда" (λ) при этом обозначается коэффициент избытка воздуха (обозначаемый в русскоязычной литературе также через "альфа" (α)), отражающий соотношение между количеством воздуха и количеством топлива в рабочей смеси в сравнении с рабочей смесью стехиометрического состава. В стехиометрической рабочей смеси воздух содержится точно в таком количестве, которое необходимо для полного сгорания топлива. В соответствии с этим у стехиометрической смеси коэффициент избытка воздуха λ равен 1,0. При использовании бензина в качестве топлива массовое соотношение между воздухом и бензином составляет 14,7:1. Рабочую смесь, количество топлива в которой превышает стехиометрическое, называют обогащенной (λ<1), а смесь, в которой, наоборот, в сверхстехиометрическом количестве присутствует воздух, называют обедненной (λ>1). Система лямбда-регулирования имеет соответствующие датчики, которыми определяется фактическое значение коэффициента лямбда, и на основании измеренных значений изменяет количество топлива или количество воздуха в рабочей смеси, настраивая таким путем коэффициент лямбда в качестве регулируемой величины на требуемое значение.
В системах выпуска ОГ, оснащенных трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, система лямбда-регулирования рассчитана на поддержание регулируемой величины точно на значении, равном 1,0. В этом отношении известны два различных варианта выполнения системы лямбда-регулирования, а именно вариант с поддержанием значения коэффициента лямбда на постоянном уровне, точно равном 1,0, и вариант с поддержанием постоянного колебания фактического значения коэффициента лямбда около его среднего значения, равного 1,0. Благодаря этому при сгорании рабочей смеси в ДВС образуются ОГ такого состава, при котором обеспечивается максимально эффективное превращение все еще содержащихся в них вредных веществ в безвредные при контакте с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке способа, который обеспечивал бы в процессе работы ДВС более эффективное превращение содержащихся в потоке его ОГ вредных веществ и/или твердых частиц. Еще одна задача изобретения состояла в разработке автомобиля с системой выпуска ОГ, который позволял бы реализовать контролируемое регулирование процесса регенерации улавливателя твердых частиц с дальнейшим сохранением надежного и эффективного превращения и газообразных компонентов ОГ в безвредные вещества.
Указанные задачи решаются с помощью способа, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью автомобиля, заявленного в п.7 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в формуле изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемый в изобретении способ эксплуатации системы выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с расположенными в ней по меньшей мере одним улавливателем твердых частиц и по меньшей мере одним каталитическим нейтрализатором заключается в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
а) управляют процессами, протекающими в ДВС, с помощью системы лямбда-регулирования регулируемой величины,
б) устанавливают необходимость в проведении процесса регенерации улавливателя твердых частиц,
в) определяют потребное количество кислорода для проведения процесса регенерации улавливателя твердых частиц,
г) с помощью системы лямбда-регулирования регулируемую величину настраивают на значение, согласованное с определенным на предыдущей стадии потребным количеством кислорода и поддерживаемое в течение периода регенерации улавливателя твердых частиц.
Действия, выполняемые на стадии а), прежде всего подразумевают подачу воздуха и топлива в ДВС в зависимости от значения коэффициента лямбда. При этом обычно для работы ДВС значение регулируемой величины задают преимущественно постоянным.
Необходимость в проведении процесса регенерации улавливателя твердых частиц на стадии б) можно устанавливать путем проведения измерений с помощью соответствующих измерительных средств и/или путем вычислений. Так, например, путем измерений и/или вычислений можно определять падение давления на улавливателе твердых частиц. Помимо этого возможно использование математической модели, на основании которой можно определять, соответственно вычислять количество твердых частиц, накопившихся в их улавливателе, в зависимости от параметров процессов, протекающих в ДВС. При любых условиях в данном случае в расчет принимается граничное значение, достижение которого влечет за собой регенерацию улавливателя твердых частиц. Такое граничное значение может быть при этом постоянным, но может быть также переменным и соответственно может варьироваться в данном случае в зависимости от нагрузки ДВС и/или температуры в системе выпуска ОГ.
На стадии в) определяют, какое количество кислорода в ОГ необходимо только для окисления твердых частиц, скопившихся в их улавливателе. С этой целью прежде всего можно также использовать различные граничные условия, такие, например, как температура ОГ, скорость их потока, температура в улавливателе твердых частиц, масса и/или размеры и/или распределение твердых частиц в их улавливателе и иные параметры. Потребное количество кислорода при этом определяют на основании конкретных измеренных значений и/или вычисляют, при необходимости, с использованием приемлемых моделей.
В зависимости от определенного таким путем потребного количества кислорода изменяют регулируемую системой лямбда-регулирования величину, увеличивая прежде всего количество воздуха (соответственно кислорода) в подаваемой в двигатель рабочей смеси с целью повышения концентрации кислорода в ОГ до (по возможности только точно) потребного количества. Тем самым в период регенерации улавливателя твердых частиц кислород подают в таком дополнительном количестве, что, с одной стороны, регенерация улавливателя твердых частиц происходит с требуемой эффективностью их превращения, а с другой стороны, каталитический нейтрализатор обеспечивает превращение вредных веществ в безвредные в определяемых отработавшими газами условиях, в которых сохраняется его эффективность.
В этом отношении на стадии а) регулируемую величину, которой является коэффициент избытка воздуха (коэффициент лямбда), предпочтительно устанавливать на значение, равное 1,0. В соответствии с этим предлагаемый в изобретении способ пригоден прежде всего для регулирования процессов сгорания рабочей смеси в ДВС с ее принудительным воспламенением, благодаря чему расположенный в системе выпуска ОГ трехкомпонентный каталитический нейтрализатор даже в процессе регенерации улавливателя твердых частиц работает в своих оптимальных условиях.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа на его стадии г) регулируемую величину, которой является коэффициент лямбда, устанавливают на значение в пределах от 1,02 до 1,05. Предлагаемый в этом варианте интервал значений коэффициента лямбда точно ориентирован на покрытие потребности в кислороде для процесса регенерации улавливателя твердых частиц и предпочтительно должен поддерживаться в течение всего процесса его регенерации. В этом отношении в данном случае прежде всего предлагается сдвигать (среднее) значение коэффициента лямбда в зависимости от тяговой мощности ДВС и определенных температур в сторону значений, соответствующих обедненной рабочей смеси.
Наряду с повышением среднего значения коэффициента лямбда на период регенерации улавливателя твердых частиц предлагается также значение регулируемой величины, которой является коэффициент лямбда, варьировать на стадии а) с первой амплитудой относительно значения, равного 1,0, а на стадии г) настраивать на варьирование со второй амплитудой, которая больше первой амплитуды. Таким путем по меньшей мере периодически обеспечивают повышенное содержание кислорода в ОГ в период регенерации улавливателя твердых частиц, благодаря чему и в данном случае возможно надежное окислительное превращение сажи. Разность между значениями амплитуды составляет предпочтительно от 2 до 10%, прежде всего от 3 до 6%.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа потребное количество кислорода определяют путем вычислений на основании модели процесса регенерации улавливателя твердых частиц. Сказанное означает, в частности, что с учетом параметров процессов сгорания, температуры и иных параметров либо независимо от них необходимость в проведении процесса регенерации улавливателя твердых частиц устанавливают на основании модели процесса его регенерации. Такая модель процесса регенерации улавливателя твердых частиц может содержать экспериментальные данные и/или параметры, на основании которых можно устанавливать необходимость в проведении процесса регенерации улавливателя твердых частиц.
Предлагаемый в изобретении способ осуществляют прежде всего в том случае, когда при выполнении стадии г) температура в зоне улавливателя твердых частиц составляет по меньшей мере 500°С. Температура в зоне улавливателя твердых частиц может представлять собой температуру самого улавливателя твердых частиц, а также расположенных перед и/или за ним частей системы выпуска ОГ, соответственно температуру ОГ на его входе, соответственно выходе. В этом случае для определения температуры путем вычислений может оказаться целесообразным использовать прежде всего датчики температуры и/или температурные модели.
В изобретении предлагается, кроме того, автомобиль, имеющий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением рабочей смеси и присоединенную к нему систему выпуска отработавших газов (ОГ), через которую образующиеся при работе ДВС отработавшие газы проходят в направлении их потока. В системе выпуска ОГ имеется далее по меньшей мере один датчик. Помимо этого в системе выпуска ОГ имеются последовательно расположенные в направлении потока ОГ по меньшей мере один улавливатель твердых частиц и по меньшей мере один трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, при этом с по меньшей мере одним датчиком системы выпуска ОГ взаимодействует система управления двигателем внутреннего сгорания, предназначенная для осуществления предлагаемого в изобретении способа.
Для полноты описания следует отметить, что наряду с улавливателем твердых частиц и трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором в системе выпуска ОГ могут быть предусмотрены и другие компоненты для снижения токсичности ОГ. Важное же значение при этом имеет то, что улавливатель твердых частиц расположен по ходу потока ОГ перед трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором, т.е. ОГ сначала проходят через улавливатель твердых частиц и лишь затем попадают в трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. В соответствии с этим между улавливателем твердых частиц и трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором могут быть также предусмотрены другие компоненты для снижения токсичности ОГ. Под системой управления может подразумеваться прежде всего система управления двигателем автомобиля, которая может быть также интегрирована в его бортовую систему. В любом случае в подобной системе управления могут обрабатываться сигналы, соответственно данные, поступающие от датчиков, а при необходимости такие сигналы, соответственно данные могут также сравниваться, соответственно коррелироваться с математическими моделями.
В подобном автомобиле в предпочтительном варианте в направлении потока ОГ перед улавливателем твердых частиц расположен первый лямбда-зонд, а за улавливателем твердых частиц или за трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором расположен по меньшей мере один второй лямбда-зонд. При необходимости по меньшей мере один из указанных выше лямбда-зондов может быть также интегрирован в улавливатель твердых частиц, соответственно в трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Лямбда-зонды представляют собой при этом датчики системы выпуска ОГ. Лямбда-зонды можно применять прежде всего для определения момента, в который процесс регенерации улавливателя твердых частиц в основном завершился, для чего при этом используют главным образом лямбда-зонд, расположенный за улавливателем твердых частиц. В этом отношении таким путем можно определять продолжительность периода регенерации улавливателя твердых частиц и тем самым завершать выполнение стадии г).
Помимо этого предпочтителен автомобиль, у которого улавливатель твердых частиц выполнен с сотовым элементом, имеющим открытые каналы, которые ограничены фольгой и проволочным нетканым материалом. В соответствии с этим под предлагаемым в данном случае улавливателем твердых частиц подразумевается не так называемый фильтр с проницаемыми стенками каналов и с попеременно закрытыми (глухими) с его противоположных концов каналами, а открытая структура, которая в других заявках фирмы "EMITEC Gesellschaft fur Emissionstechnologie mbH" называется "многопоточным фильтром" (нем. "Nebenstromfilter"). В подобном улавливателе твердых частиц сотовый элемент имеет множество каналов, которые в свою очередь в принципе проточны для ОГ. В каналах предусмотрены направляющие лопатки, возвышения и иные потокоотклоняющие структуры, которыми содержащиеся в ОГ твердые частицы отклоняются к тому участку стенки канала, на котором она образована проволочным нетканым материалом, при этом по меньшей мере часть проходящих по каналу ОГ всегда может также проходить мимо, соответственно в обход таких направляющих лопаток, возвышений и иных потокоотклоняющих структур и тем самым оставаться в канале. Для этого фольга в предпочтительном варианте выполнена профилированной с волнистым или гофрированным профилем, а металлический проволочный нетканый материал имеет с этой целью один или несколько слоев из наложенных друг на друга тончайших проволочек, которые соединены между собой спеканием и/или сваркой. При необходимости фольгу и/или подобный нетканый материал можно выполнять с (каталитически активным) покрытием.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - диаграмма, иллюстрирующая первый вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа,
на фиг.2 - диаграмма, иллюстрирующая второй вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа,
на фиг.3 - выполненный по одному из вариантов автомобиль для осуществления предлагаемого в изобретении способа,
на фиг.4 - улавливатель твердых частиц открытого типа и
на фиг.5 - фрагмент выполненного по другому варианту улавливателя твердых частиц открытого типа.
На фиг.1 показана диаграмма, на которой по оси y указана регулируемая величина 5, значение которой регулируется системой лямбда-регулирования в процессе работы системы выпуска ОГ. При этом на диаграмме представлена характеристика изменения коэффициента лямбда в качестве регулируемой величины 5 в функции времени 21. Согласно левой части диаграммы сначала процессы в ДВС при его работе протекают при постоянном значении регулируемой величины 5, например, при значении коэффициента лямбда, равном 1,0. При установлении необходимости в проведении процесса регенерации улавливателя твердых частиц определяют необходимое для этого количество кислорода. После этого система лямбда-регулирования согласует коэффициент лямбда с потребным количеством 20 кислорода, ступенчато увеличивая регулируемую величину 5, повышенное значение которой сохраняется в данном случае в течение периода 19 регенерации улавливателя твердых частиц. При этом в течение периода 19 регенерации улавливателя твердых частиц регулируемая величина 5 имеет значение в пределах от 1,02 до 1,05. В момент окончания процесса регенерации улавливателя твердых частиц регулируемая величина 5 вновь снижается до своего исходного значения.
На фиг.2 представлена аналогичная ситуация, однако в данном случае для управления работой ДВС используется система динамического лямбда-регулирования по амплитуде. На указанном чертеже также показана характеристика изменения регулируемой величины 5 в функции времени 21. Согласно левой части диаграммы регулируемая величина 5 сначала периодически изменяется относительно обозначенного в данном случае штрихпунктирной линией среднего значения с первой амплитудой 6. На период 19 регенерации улавливателя твердых частиц система лямбда-регулирования изменяет амплитуду колебания регулируемой величины на вторую амплитуду 7, которая больше первой амплитуды 6. Таким путем обеспечивают присутствие кислорода в рабочей смеси в дополнительном количестве, соответствующем его ранее определенному потребному количеству. По окончании периода регенерации улавливателя твердых частиц амплитуда регулируемой величины вновь снижается до значения первой амплитуды 6.
На фиг.3 схематично показан автомобиль 8 с ДВС 2 типа ДВС 9 с принудительным воспламенением рабочей смеси. К ДВС 9 присоединена система 1 выпуска ОГ. Отработавшие газы, образующиеся при работе ДВС, проходят в направлении своего потока сначала через улавливатель 3 твердых частиц, а затем через трехкомпонентный каталитический нейтрализатор 4. В направлении 10 потока ОГ перед улавливателем 3 твердых частиц предусмотрен первый лямбда-зонд 13. Второй лямбда-зонд 14 установлен непосредственно за улавливателем 3 твердых частиц. Однако второй кислородный датчик 14 может располагаться в направлении 10 потока ОГ и за трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором 4 в положении, условно обозначенном на фиг.3. Автомобиль 8 имеет, кроме того, систему 12 управления. Система 12 управления линиями 22 для передачи по ним данных, соответственно сигналов и/или для управления соединена с компонентами ДВС 2 и датчиками 11. Система 12 управления позволяет прежде всего воздействовать на процессы, происходящие в ДВС 2, на основании зарегистрированных датчиками 11 параметров ОГ.
На фиг.4 в продольном разрезе показан улавливатель 3 твердых частиц, выполненный по одному из возможных вариантов по типу многопоточного фильтра с открытыми каналами 16. Каждый из каналов 16 при этом с одной стороны ограничен фольгой, а с другой стороны - проволочным нетканым материалом 18. При своем прохождении через улавливатель 3 твердых частиц в направлении 10 отработавшие газы вместе с содержащимися в них твердыми частицами отклоняются потоконаправляющими поверхностями 24 и/или отверстиями 26 к проволочному нетканому материалу 18 и в результате проходят частично вдоль него и/или сквозь него. При этом твердые частицы задерживаются проволочным нетканым материалом. У подобного улавливателя 3 твердых частиц открытого типа отсутствует опасность закупоривания его отдельных каналов 16, поскольку ОГ всегда могут двигаться байпасным, соответственно ответвляющимся потоком в обход потоконаправляющих поверхностей 24 в каналах 16. По этой причине улавливатель твердых частиц сравнительно редко требует его регенерации. Обычно все компоненты подобного улавливателя 3 твердых частиц выполнены из металла, и поэтому он состоит из металлического кожуха 25 и из полностью металлического сотового элемента 15.
На фиг.5 на примере фрагмента улавливателя твердых частиц схематично проиллюстрировано отклонение отдельных потоков 13 ОГ при использовании профилированной и имеющей потоконаправляющие поверхности 24 фольги 17. Благодаря наличию таких потоконаправляющих поверхностей 24 по меньшей мере часть ОГ направляется к металлическим проволочным нетканым материалам 18, при этом перетеканию таких отдельных потоков ОГ в соседние каналы дополнительно способствует существующий между ними перепад давления.