СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЯ С НАГРЕВАТЕЛЕМ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
METHOD OF OPERATING VEHICLE WITH EXHAUST GAS HEATER

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации автомобиля, имеющего привод и систему выпуска отработавших газов (ОГ) с по меньшей мере одним регулируемым и вводимым в контакт с ОГ нагревателем.
Как известный должен рассматриваться тот факт, что образующиеся при работе автомобильного двигателя ОГ вводят для изменения их температуры в контакт с нагревателем. Как известный должен далее рассматриваться тот факт, что подобные нагреватели используют в системе выпуска ОГ для быстрого нагрева ОГ, соответственно компонентов для снижения токсичности ОГ, снабженных каталитически активным покрытием, до температуры реакции, прежде всего до температуры, при которой происходит взаимодействие катализатора с содержащимися в ОГ вредными веществами, например, непосредственно после пуска холодного двигателя или повторного пуска двигателя.
В качестве нагревателей уже предлагалось прежде всего использовать таковые с нагревом электросопротивлением (резистивным нагревом). При этом электрический проводник, по которому в требуемые моменты времени пропускается электрический ток, нагревается вследствие своего электрического сопротивления и может тем самым нагревать расположенный на нем каталитически активный материал и/или ОГ. Подобные нагреватели имеют самое разнообразное конструктивное исполнение, при этом в литературных источниках уже описаны прежде всего конструкции с проволочными сетками, сотовые элементы, пластинчатые конструкции и иные аналогичные конструкции.
С точки зрения управления работой или эксплуатации таких нагревателей как известный должен также рассматриваться тот факт, что их активизируют на ограниченный период времени перед пуском, соответственно при пуске двигателя или при необходимости сразу после пуска двигателя для улучшения пусковых качеств холодного двигателя, при этом прежде всего учитывали возможность получения достаточного количества энергии со стороны транспортного средства. Помимо этого известно также применение подобных нагревателей в сочетании с фильтрами для улавливания твердых частиц с целью обеспечить возможность термической регенерации фильтров путем выжигания задержанных ими твердых частиц. Для этого, как известно, нагреватель активизируют по истечении заданного периода времени работы фильтра либо по достижении степенью насыщения фильтра твердыми частицами заданной величины.
Однако при применении нагревателей по известному назначению и/или при управлении их работой известными методами удавалось лишь отчасти достичь требуемых результатов. Особо приходилось констатировать, что применение нагревателя отчасти связано с нежелательно высоким расходом энергии, а продолжительность циклов, в течение которых нагреватель находился в активизированном состоянии, отчасти была очень большой.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично снизить остроту присущих рассмотренному выше уровню техники проблем. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке способа, который обеспечивал бы энергосберегающее и эффективное применение подобных нагревателей по самому разнообразному назначению в системах выпуска ОГ, образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания.
Указанные задачи решаются с помощью способа, заявленного в п.1 формулы изобретения. Необходимо отметить, что по отдельности представленные в формуле изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать тем самым другие варианты осуществления изобретения. Другие особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения рассмотрены в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами.
Предлагаемый в изобретении способ эксплуатации автомобиля, имеющего привод и систему выпуска отработавших газов (ОГ) с по меньшей мере одним регулируемым и вводимым в контакт с ОГ нагревателем, заключается в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
(а) определяют по меньшей мере один рабочий параметр системы выпуска ОГ, представляющий собой температуру ОГ или температуру компонента для снижения токсичности,
(б) определяют величину по меньшей мере одного воздействия нагревателя, представляющую собой потенциал нагревателя по повышению температуры за счет теплопроизводительности при данном массовом расходе ОГ,
(в) величину по меньшей мере одного воздействия сравнивают с целевым параметром системы выпуска ОГ, представляющим собой заданное значение рабочего параметра системы выпуска ОГ,
(г) активизируют нагреватель, в результате чего рабочий параметр достигает целевого параметра, причем активизация нагревателя происходит только в том случае, когда рабочий параметр может достигнуть целевого параметра, и если на стадии (б) определено, что величины по меньшей мере одного воздействия нагревателя недостаточно для достижения рабочим параметром целевого параметра, отклоняют внешний запрос на активизацию нагревателя,
Осуществление способа начинают в момент включения привода в работу, затем непрерывно продолжают и прекращают в момент выключения привода из работы.
В соответствии с этим предлагаемый в изобретении способ относится прежде всего к регулированию нагревателя, контактирующего с ОГ, образующимися при работе автомобильного двигателя, в результате чего надежно достигается требуемый целевой параметр системы выпуска ОГ, соответственно ее компонента.
Под "приводом" наряду с известными дизельными или бензиновыми двигателями может также подразумеваться любой другой, сопоставимый с ними привод, при работе которого в конечном итоге образуются содержащие вредные (токсичные) вещества ОГ, соответственно ОГ, которые необходимо подвергать тепловой обработке. "Система выпуска ОГ" обычно образована одним выпускным трактом (или несколькими выпускными трактами), прежде всего в виде трубопровода. В такой системе выпуска ОГ, по которой они проходят в преимущественном направлении своего потока, предусмотрен по меньшей мере один нагреватель, который прежде всего по меньшей мере частично перекрывает внутреннее поперечное сечение системы выпуска ОГ. При этом нагреватель образует проходы, каналы или иные аналогичные полости, через которые проходят ОГ. Нагреватель дополнительно к своей нагревательной функции может выполнять и иные функции, например, использоваться для каталитического превращения, накопления или изменения направления движения компонентов ОГ.
На стадии (а) предлагаемого в изобретении способа сначала в задаваемый момент времени (при движении автомобиля) определяют по меньшей мере один рабочий параметр системы выпуска ОГ. Такой рабочий параметр можно определять с помощью по меньшей мере одного датчика, различных чувствительных элементов и/или математической модели. Рабочий параметр может представлять собой прежде всего температуру ОГ в одном месте, соответственно в нескольких местах системы выпуска ОГ, температуру компонента для снижения токсичности ОГ, предусмотренного в системе выпуска ОГ, состав ОГ, массовый расход ОГ или иной параметр. Измеренное или расчетное значение, существенно важное для рассматриваемого рабочего параметра, предпочтительно при этом регистрировать или даже сохранять в памяти.
На стадии (б) предлагаемого в изобретении способа, которую в принципе можно также выполнять до выполнения и/или одновременно с выполнением стадии (а), определяют величину по меньшей мере одного воздействия нагревателя. С этой целью, с одной стороны, предпочтительно использовать технические характеристики нагревателя (например, термическую массу, площадь поверхности, особенности подвода тока, электрическое сопротивление и иные аналогичные характеристики), а с другой стороны, наряду с этими техническими характеристиками учитывают также определенный на стадии (а) рабочий параметр, соответственно один из определенных рабочих параметров. При этом прежде всего используют тот факт, что величина воздействия нагревателя зависит от по меньшей мере одного рабочего параметра системы выпуска ОГ. Сказанное означает, например, что при заданном массовом расходе ОГ нагреватель может повышать температуру ОГ лишь в определенным пределах. Такой потенциал нагревателя по повышению температуры ОГ мог бы рассматриваться как его воздействие.
На стадии (в) предлагаемого в изобретении способа, которую предпочтительно выполнять после выполнения стадий (а) и (б), величину по меньшей мере одного воздействия нагревателя сравнивают с целевым параметром системы выпуска ОГ. Такой целевой параметр, например, был взят из предусмотренной памяти данных и/или был вычислен (при необходимости в режиме реального времени). Подобный целевой параметр системы выпуска ОГ может представлять собой заданное значение одного или нескольких рабочих параметров системы выпуска ОГ. В принципе при практическом применении предлагаемого в изобретении способа его выполнение можно прекращать уже в том случае, когда определенный на стадии (а) рабочий параметр уже находится в преимущественной взаимосвязи с целевым параметром, т.е. когда нет необходимости принимать дополнительные меры. Такой опрос можно выполнять до и/или в процессе, соответственно после выполнения стадии (а). Если же будет установлено, что определенный на стадии (а) рабочий параметр не находится в преимущественной взаимосвязи с целевым параметром, то путем сравнения определяют, в какой мере воздействие с достаточной вероятностью обеспечивает при активизации нагревателя возможность достижения требуемой взаимосвязи фактического рабочего параметра с целевым параметром системы выпуска ОГ.
Если при осуществлении способа, например, зарегистрированная рабочая температура системы выпуска ОГ оказывается настолько низкой, что даже при включении нагревателя повышение температуры возможно только до уровня, который не достигает требуемой целевой температуры, то нагреватель не активизируют. В этот момент дополнительно может приниматься решение о том, следует ли сразу повторно выполнять предлагаемый в изобретении способ либо следует приостановить его выполнение до того момента, в который активизация нагревателя вновь не окажется целесообразной, однако сначала можно также реализовывать другие меры, направленные в конечном итоге на энергетически оптимальное включение нагревателя в работу.
Тем самым можно прежде всего реализовать постоянную проверку возможности включения нагревателя в работу. При этом для ситуаций, в которых активизация нагревателя является нецелесообразной, прежде чем иные (дополнительные, при необходимости реализуемые одновременно или предшествующие) меры не обеспечат требуемый эффект от использования нагревателя, определяют критерий прерывания выполнения предлагаемого в изобретении способа. Таким путем обеспечивается особо экономное, энергетически эффективное использование нагревателя в процессе эксплуатации автомобиля.
В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа его выполняют по меньшей мере в течение преобладающей части периода времени, проходящего от момента включения привода в работу до момента его выключения из работы. В этом отношении выполнение предлагаемого в изобретении способа наиболее предпочтительно начинать в момент включения привода в работу, затем непрерывно продолжать и прекращать в момент выключения привода из работы. Сказанное означает, в частности, что при выполнении предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере один рабочий параметр системы выпуска ОГ сравнивают, при необходимости в постоянно заданных и/или динамических циклах, с величиной воздействия нагревателя и при необходимости активизируют нагреватель.
Помимо этого предпочтительно также определять в качестве рабочего параметра на стадии (а) по меньшей мере один из следующих параметров: температуру ОГ, массовый расход ОГ. Кроме указанных в качестве рабочего параметра можно также определять прежде всего следующие параметры ОГ: состав ОГ, концентрацию заданного компонента ОГ и другие.
Такой рабочий параметр можно определять в режиме реального времени с помощью (по меньшей мере) одного датчика, зонда или иного аналогичного измерительного средства, однако рабочий параметр можно также вычислять, например, на основании рабочих параметров привода и на основании иных показателей.
II
I
II
I
На стадии (б) в качестве воздействия предпочтительно использовать теплопроизводительность нагревателя. Теплопроизводительность представляет собой в первую очередь величину, которой определяется температура, до которой нагреватель способен нагреть ОГ при их данном массовом расходе. Следовательно, теплопроизводительность (Н) можно было бы определять, например, как разность между средней температурой (Т) ОГ после их контакта с активизированным нагревателем и средней температурой (T) ОГ до их контакта с нагревателем, т.е. Н=Т-T. Для нагревателей, выполненных в виде сотового элемента, прежде всего из по меньшей мере частично профилированных листов фольги, и работающих от источника напряжения 12-14 В, в качестве (прежде всего нижних) величин воздействия в предпочтительном варианте можно указать следующие значения теплопроизводительности:
Н (массовый расход ОГ: 0,017 кг/с): 46-52 К
Н (массовый расход ОГ: 0,023 кг/с): 40-44 К
Н (массовый расход ОГ: 0,027 кг/с): 31-35 К
Н (массовый расход ОГ: 0,030 кг/с): 24-28 К
Н (массовый расход ОГ: 0,035 кг/с): 22-24 К
Н (массовый расход ОГ: 0,040 кг/с): 18-22 К
Указанные выше данные относятся главным образом к нагревателю, выполненному из скомпонованных определенным образом листов фольги, образующих множество каналов (от 300 до 600 каналов на кв.дюйм поперечного сечения) и обеспечивающих указанную теплопроизводительность на нагревательном участке длиной от 10 до 15 мм (длина канала в направлении потока ОГ). Разброс значений теплопроизводительности в вышеуказанных интервалах обусловлен, например, нагревом конструкции из листов фольги в процессе работы (теплоемкостью), усреднением динамически изменяющихся температур и иными факторами.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа на стадии (в) в качестве целевого параметра системы выпуска ОГ используют по меньшей мере один из следующих параметров: температуру ОГ, реакционную способность содержащихся в ОГ твердых частиц, вероятность каталитической реакции, способность ОГ или добавки к изменению агрегатного состояния и другие. В отношении реакционной способности содержащихся в ОГ твердых частиц следует отметить, что нагреватель позволяет, например, создавать окружающие условия, в которых происходит конверсия, соответственно превращение твердых частиц в газообразные вещества. Вероятность каталитической реакции можно повысить, например, путем создания в нагревателе и/или в расположенных за ним по ходу потока компонентах для снижения токсичности ОГ окружающих условий, в которых инициируется каталитически активируемая химическая реакция компонентов ОГ. Помимо этого целевым параметром может являться также способность ОГ или добавки (восстановителя, воды и т.д.) к изменению агрегатного состояния.
Предпочтителен, кроме того, еще один вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа, в котором стадию (г) выполняют в зависимости от целевого параметра в течение заданного временного интервала, на протяжении которого нагреватель находится в активизированном состоянии, после чего нагреватель деактивизируют. В особенно предпочтительном варианте указанный временной интервал, на протяжении которого нагреватель находится в активизированном состоянии, является переменным в зависимости от типа целевого параметра. Так, например, повышение температуры ОГ может обеспечиваться за меньший временной интервал, на который требуется активизировать нагреватель, чем превращение твердых частиц. По результатам проведенных испытаний было установлено, что для следующих параметров и следующих граничных условий предпочтительны указанные ниже временные интервалы, на которые требуется активизировать также рассмотренные ниже нагреватели:
II
1. При наличии расположенного после нагревателя каталитического нейтрализатора с каталитически активным покрытием для окислительного превращения моноксида углерода ОГ после их контакта с активизированным нагревателем должны иметь среднюю температуру (Т), при которой обеспечивается поступление ОГ в каталитический нейтрализатор с температурой на входе в него, равной 150°C.
II
2. При наличии расположенного после нагревателя каталитического нейтрализатора с каталитически активным покрытием для окислительного превращения углеводородов ОГ после их контакта с активизированным нагревателем должны иметь среднюю температуру, (Т), при которой обеспечивается поступление ОГ в каталитический нейтрализатор с температурой на входе в него, равной 170°C.
II
x
3. При наличии расположенного после нагревателя каталитического нейтрализатора с каталитически активным покрытием для селективного превращения оксидов азота ОГ после их контакта с активизированным нагревателем должны иметь среднюю температуру (Т), при которой (а) обеспечивается поступление ОГ в каталитический нейтрализатор, снабженный ванадийсодержащим покрытием/с температурой на входе в нейтрализатор, равной 200°C, и (б) обеспечивается поступление ОГ в каталитический нейтрализатор, снабженный содержащим железозамещенный цеолит (систему Fe-ZSM) покрытием, с температурой на входе в нейтрализатор, равной от 250 до 600°C (при определенных условиях может варьироваться в зависимости от содержания NO в потоке ОГ).
Нагреватель можно деактивизировать прежде всего в том случае, когда обнаружено активизированное состояние расположенного после него каталитического нейтрализатора, соответственно фильтра для улавливания твердых частиц (например, путем контроля разности температур на каталитическом нейтрализаторе, соответственно на фильтре). В этом случае выполнение предлагаемого в изобретении способа можно вновь начинать с контроля.
С целью обеспечить особо высокую эффективность предлагаемого в изобретении способа в еще одном варианте его осуществления стадию (г) выполняют с использованием по меньшей мере одного электронагреваемого сотового элемента. Подобный сотовый элемент позволяет выполнять его со сравнительно мелкими каналами, через которые пропускают ОГ. Следовательно, сотовый элемент одновременно с этим обеспечивает наличие большой по своей площади поверхности контакта с ОГ, что позволяет обеспечить интенсивный контакт между источником тепла и ОГ. Поэтому сотовый элемент с его компактной компоновкой позволяет при коротких циклах его активизации эффективно обеспечивать достижение целевого параметра при множестве регистрируемых рабочих режимов. Конструкция подобного электронагреваемого сотового элемента описана в различных патентных публикациях фирмы Emitec Gesellschaft fur Emissionstechnologie mbH, прежде всего в публикации WO 96/10127, которая в отношении конструкции и функции таких электронагреваемых сотовых элементов в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа в том случае, когда на стадии (б) определяют, что величины по меньшей мере одного воздействия нагревателя недостаточно для выполнения условия на стадии (г), отклоняют внешний запрос на активизацию нагревателя. Сказанное означает, в частности, что активизации нагревателя могли бы требовать, например, другие компоненты автомобиля, например, зонды могут обнаружить слишком большое падение давления на улавливателе твердых частиц, и поэтому требуется его регенерация. Равным образом, например, и система контроля рабочей точки привода под нагрузкой может сигнализировать о слишком низкой температуре ОГ. При указанных условиях система управления двигателем могла бы потребовать активизации нагревателя. Однако было установлено, что именно в подобных состояниях для нагревателя лишь требуется и потребляется дополнительная энергия без гарантированного достижения при этом в конечном итоге заданной цели. Поэтому согласно изобретению дополнительно и предлагается разрешать активизацию нагревателя по внешнему запросу только при выполнимости условия на стадии (г).
Помимо этого необходимо также отметить, что предпочтительно вычислять по меньшей мере одну из следующих величин: рабочий параметр системы выпуска ОГ, воздействие нагревателя, целевой параметр системы выпуска ОГ. Такую(-ие) величину(-ы) можно вычислять на основании одной или нескольких других указанных в настоящем описании величин. По меньшей мере одну из величин предпочтительно определять (также) с помощью измерительных средств, прежде всего с использованием по меньшей мере одного датчика.
Изобретение наиболее предпочтительно использовать в автомобиле, который имеет привод и систему выпуска отработавших газов (ОГ) с по меньшей мере одним регулируемым и вводимым в контакт с ОГ нагревателем и в котором по меньшей мере нагреватель соединен с контрольным блоком, предназначенным для осуществления предлагаемого в изобретении способа.
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 наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем.
На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - диаграмма, иллюстрирующая один из возможных принципов, лежащий в основе предлагаемого в изобретении способа, и
на фиг.2 - возможная компоновка системы выпуска ОГ для эксплуатации автомобиля предлагаемым в изобретении способом.
На фиг.1 показана диаграмма, на которой приведена характеристика изменения рабочего параметра (в данном случае температуры 21) системы 6 выпуска ОГ во времени 19. Из приведенной на чертеже диаграммы следует, что начиная слева от оси ординат рабочий параметр 6 сначала имеет в основном некоторое конкретное значение. В этот промежуток времени можно было бы, например, выполнять стадию (а) предлагаемого в изобретении способа и определять фактическое значение рабочего параметра 6. Затем определяют величину воздействия 7 нагревателя (согласно стадии (б) предлагаемого в изобретении способа). Воздействие 7 обозначено на диаграмме пунктирной линией, при этом при сравнении величины воздействия 7 с обозначенным на диаграмме штриховой линией целевым параметром 8 можно констатировать, что воздействие 7 имеет столь большую величину, что возможно надежное достижение целевого параметра 8. По этой причине нагреватель активизируют на временной интервал 17. В представленном на диаграмме случае длительности такого временного интервала 17 вполне достаточно для того, чтобы рабочий параметр 6 превысил целевой параметр 8 и чтобы тем самым надежно достигался требуемый результат.
Далее правее на диаграмме, т.е. в (любой) последующий момент времени, в качестве примера представлена другая ситуация. При этом, например, обнаруживается, что скорее в некоторой отдельной части системы выпуска ОГ требуется повысить температуру до целевого параметра. В указанный момент времени система управления двигателем выдала бы при этом запрос 18 на активизацию нагревателя. В момент выдачи такого запроса 18 на активизацию нагревателя вновь выполняется предлагаемый в изобретении способ, при этом при сравнении величины воздействия 7 и целевого параметра 8 обнаруживается, что активизация нагревателя не позволяет достичь целевого параметра 8. По этой причине нагреватель в данном случае не активизируют, а сначала предпринимают иные меры (воздействие на процессы сгорания в приводе, использование добавок и т.д.).
На фиг.2 схематично показан фрагмент автомобиля 1 с приводом 2 и системой 3 выпуска ОГ. Образующиеся при работе привода 2 ОГ 9 проходят в направлении 20 их потока через систему 3 выпуска ОГ, в которой предусмотрено множество компонентов для снижения токсичности ОГ. В ОГ 9 могут присутствовать, например, твердые частицы 10. Дополнительно может быть предусмотрена система 16 подачи добавки 11 (воздуха, воды, восстановителя, топлива и т.д.). Далее ОГ 9 попадают в нагреватель 4, который в данном случае выполнен по типу электронагреваемого сотового элемента 12. В направлении 20 потока ОГ за регулируемым нагревателем 4 расположены каталитический нейтрализатор 14 и накопитель 15 (например, абсорбер, улавливатель твердых частиц или иное устройство аналогичного назначения). В качестве примера для многих других возможных положений в системе 3 выпуска ОГ нейтрализатор 14 в данном случае снабжен внутренним датчиком 5.
Для осуществления предлагаемого в изобретении способа нагреватель 4 дополнительно соединен с контрольным блоком 13, который соединен, например, с системой управления двигателем, соответственно с приводом 2 и/или с датчиком 5 и/или с системой 16 подачи добавки 11. Для осуществления предлагаемого в изобретении способа контрольный блок 13 может быть снабжен соответствующим программным обеспечением, а также средствами для обработки данных.