Усовершенствование установки для очистки двигателя внутреннего сгорания
IMPROVEMENT OF AN INSTALLATION FOR CLEANING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники и предшествующий уровень техники
[001] Настоящее изобретение относится к установке для очистки силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания, причем установка относится к типу, содержащему устройство впрыска, приспособленное для впрыскивания очищающей текучей среды во впускное отверстие двигателя при работе. Настоящее изобретение является особенно преимущественным для технического обслуживания механических транспортных средств, таких как автомобили, мотоциклы, суда и т.д., а также для технического обслуживания промышленных двигателей, таких как двигатели, использующиеся для производства энергии, и т.п.
[002] Для оптимизации работы силовой установки часто стремятся снизить температуру сгорания и обеспечить оптимальное стехиометрическое соотношение воздуха и топлива, доступное в двигателе при работе. Сниженная температура сгорания позволяет улучшать производительность силовой установки и, в частности, в случае дизельных силовых установок, уменьшать образование NOx, особенно загрязняющих соединений оксида азота.
[003] Одна методика, разработанная в 1970-х гг. для снижения температуры сгорания, заключается в перенаправлении некоторой части инертных выхлопных газов ко впускному отверстию для топливно-воздушной смеси двигателя. Клапан EGR (системы рециркуляции выхлопного газа) с переменным расходом расположен на системе рециркуляции между выпускным отверстием и впускным отверстием; степень открытия клапана регулируется компьютером транспортного средства в зависимости от параметров силовой установки, таких как измеренная температура выхлопных газов, мощность, требуемая от двигателя, и т.д. Образование оксидов азота зависит, в частности, от температуры и наличия кислорода при сгорании, при этом поступление отработанных газов оказывает влияние на оба параметра (температуру и долю кислорода).
[004] Несмотря на то, что снижение температуры сгорания обеспечивает уменьшение затрат на образование NOx и улучшение производительности силовой установки, оно обладает недостатками.
[005] Сгорание в двигателе уменьшается (помимо других причин вследствие пониженного содержания кислорода) и, таким образом, образуется большее количество несгоревших углеводородов и, следовательно, большее количество частиц и сажи. Ощутимым последствием этой методики является загрязнение системы впуска газов, системы выпуска отработанных газов и системы рециркуляции выхлопных газов. Вследствие этого значительное количество твердых углеродистых остатков (также известных как кокс или нагар) образуется во впускном трубопроводе, турбокомпрессоре и регулирующем клапане EGR, иногда в таких количествах, что могут появляться сообщения о неисправности двигателя или другие сообщения. Регулирующий клапан EGR также может заклинить в открытом положении, в результате чего при полной нагрузке большое количество выхлопного газа смешивается с воздухом в камере сгорания. В случае механического транспортного средства при его ускорении наблюдается выхлоп облака черного дыма и потеря мощности. Таким образом, сгорание при низкой температуре уменьшает эффективность силовой установки и увеличивает загрязнение, создаваемое силовой установкой.
[006] Известная методика очистки силовой установки и ее систем заключается во впрыске очищающей текучей среды, такой как смесь газообразных водорода и кислорода, в систему впуска во время работы двигателя. Окисление водорода улучшает сгорание, в результате которого образуется водяной пар и углекислый газ; при высокой температуре водяной пар и углекислый газ вступают в реакцию с нагаром и, таким образом, обеспечивается устранение нагара. В заявке на патент FR 15/02059 этого же автора описана установка для реализации этой методики.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[007] Цель настоящего изобретения заключается в повышении эффективности известной установки для очистки силовой установки; силовая установка содержит двигатель внутреннего сгорания и систему циркуляции газов; причем двигатель содержит несколько впускных отверстий, выполненных с возможностью приема продуктов подлежащих сжиганию, и выпускное отверстие для выхлопных газов; при этом система циркуляции газов содержит несколько труб и несколько подвижных частей, расположенных вместе для подачи подходящей газовой смеси в одно из впускных отверстий двигателя.
[008] Очистная установка согласно настоящему изобретению относится к типу, содержащему устройство впрыска, приспособленное для впрыска очищающей текучей среды в одно из впускных отверстий двигателя.
[009] Установка согласно настоящему изобретению отличается тем, что также содержит средства диагностики, приспособленные для определения уровня загрязнения силовой установки в зависимости от характерных параметров силовой установки, и средства управления устройством впрыска, приспособленные для управления устройством впрыска в зависимости от уровня загрязнения силовой установки.
[0010] Таким образом, впрыск текучей среды регулируется с учетом уровня загрязнения силовой установки в зависимости от характерных параметров силовой установки, например, таких как геометрическая форма двигателя, количество и диаметр цилиндров и т.д., для повышения эффективности очистки.
[0011] Предпочтительно средства диагностики приспособлены для определения уровня загрязнения силовой установки в зависимости от характерных параметров силовой установки и условий эксплуатации указанной силовой установки с целью дальнейшего улучшения эффективности очистки. Параметры, связанные с условиями эксплуатации силовой установки, будут подробно описаны ниже.
[0012] В установке согласно настоящему изобретению средства управления приспособлены для следующих действий:
[0013] • определения в зависимости от уровня загрязнения силовой установки параметров очистки для последовательности действий по очистке, включающей несколько циклов очистки, причем указанные параметры очистки включают, в частности для каждого цикла, длительность указанного цикла очистки и/или количество текучей среды, которую необходимо впрыснуть во время указанного цикла очистки, и
[0014] • передачи параметров очистки, определенных таким образом, на устройство впрыска для выполнения последовательности действий по очистке в зависимости от уровня загрязнения.
[0015] Таким образом, параметры для последовательности действий по очистке точно предназначены для обрабатываемой силовой установки, при необходимости также учитывая общее состояние силовой установки, причем указанное состояние зависит от ее эксплуатации.
[0016] Параметры для последовательности действий по очистке могут включать несколько циклов очистки. Для каждого цикла очистки они могут включать:
температуру и/или давление впрыснутой текучей среды, и/или
расход текучей среды для впрыска, и/или
состав текучей среды для впрыска, в частности, долю водорода, и/или
длительность цикла очистки.
[0017] Для большинства загрязненных силовых установок последовательность действий по очистке может, таким образом, включать несколько циклов, которые могут иметь разные параметры, например разные параметры длительности цикла и/или количества текучей среды для впрыска. Начальное определение уровня загрязнения силовой установки, которую необходимо очистить, позволяет оптимизировать параметры различных циклов.
[0018] Наконец, в установке согласно настоящему изобретению средства управления также могут быть приспособлены для определения, в зависимости от характерных параметров и условий эксплуатации силовой установки, длительности эксплуатации силовой установки, после которой желательно провести следующую очистку. В зависимости от силовой установки длительность эксплуатации может быть определена по количеству часов работы или по количеству километров пробега. Это позволяет запрограммировать будущую профилактическую очистку силовой установки до того, как загрязнение силовой установки приведет к ухудшению производительности и увеличению загрязнения, производимого силовой установкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Настоящее изобретение станет более понятным, и другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными в свете следующего описания примеров установки согласно настоящему изобретению для очистки силовой установки. Эти примеры являются неограничивающими примерами. Описание необходимо читать в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 показан общий вид установки согласно настоящему изобретению в условиях ее эксплуатации, и
на фиг. 2 показана схема, используемая для описания режима работы установки по фиг. 1.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Как было указано ранее, установка согласно настоящему изобретению представляет собой установку для очистки силовой установки, содержащей силовую установку 1 с двигателем внутреннего сгорания и системой циркуляции газов.
[0021] Известным образом, двигатель содержит несколько впускных отверстий, выполненных с возможностью приема продуктов, подлежащих сжиганию, и выпускное отверстие для выхлопных газов; в свою очередь, система циркуляции газов содержит несколько труб и несколько подвижных частей, расположенных вместе для подачи соответствующей газовой смеси в одно из впускных отверстий двигателя. Согласно одному варианту осуществления двигатель содержит одно впускное отверстие, приспособленное для приема газовой смеси, содержащей, в частности, воздух, топливо и, возможно, некоторую часть выхлопных газов. Согласно другому варианту осуществления двигатель содержит по меньшей мере два впускных отверстия: впускное отверстие, выполненное с возможностью приема газовой смеси, содержащей, в частности, воздух и, возможно, некоторую часть выхлопных газов, и впускное отверстие, выполненное с возможностью приема топлива (так называемый двигатель с непосредственным впрыском топлива).
[0022] Подвижные части включают, в частности, впускной клапан, позволяющий регулировать количество газовой смеси, впрыснутой в двигатель через впускное отверстие, выполненное с возможностью приема газов и обычно называемое всасывающим впускным отверстием. Компьютер силовой установки управляет движениями подвижных частей силовой установки, в частности, степенью открытия впускного клапана в зависимости от ожидаемой производительности силовой установки. С течением времени и по мере эксплуатации двигателя отложения сажи постепенно ограничивают движения подвижных частей и используемое сечение труб для подачи газа в двигатель.
[0023] Очистная установка содержит устройство впрыска, приспособленное для впрыска очищающей текучей среды в одно из впускных отверстий двигателя. В одном варианте осуществления очищающая текучая среда представляет собой смесь водорода и кислорода, и установка является полностью автономной в том смысле, что она самостоятельно производит очищающую текучую среду, которую она использует. В связи с этим, установка содержит конструкцию 2 в форме короба, в которой размещены резервуар с водой и общеизвестные средства для создания водорода и кислорода в процессе электролиза воды. Установка также содержит устройство впрыска текучей среды, приспособленное для впрыска очищающей текучей среды в одно из впускных отверстий двигателя, который необходимо очистить. Если двигатель содержит одно впускное отверстие, приспособленное для приема газовой смеси, содержащей, в частности, воздух и топливо, выпускное отверстие устройства впрыска очистной установки соединено с указанным впускным отверстием на расположенной выше по потоку стороне впускного клапана. Если двигатель содержит по меньшей мере два впускных отверстия, выпускное отверстие устройства впрыска очистной установки может быть присоединено либо ко впускному отверстию, выполненному с возможностью приема газовой смеси, содержащей, в частности, воздух, либо ко впускному отверстию, выполненному с возможностью приема топлива (так называемый двигатель с непосредственным впрыском топлива).
[0024] Пользовательский интерфейс 3 (также известный как человеко-машинный интерфейс или ЧМИ) позволяет пользователю 4 настраивать установку, вводить параметры, необходимые для работы установки (в частности, информацию о транспортном средстве, которое необходимо очистить), инициировать последовательность действий по очистке, получать информацию о ходе выполняемой последовательности действий по очистке и т.д. Пользовательский интерфейс содержит, в частности, информационный дисплей, средства передачи информации на очистную установку и средства выбора информации, отображаемой на дисплее в заданное время. Согласно одному варианту осуществления пользовательский интерфейс может быть расположен на конструкции (коробе) очистной установки, и при этом средства выбора состоят, например, из мыши, позволяющей перемещать курсор на дисплее, сенсорного слоя, покрывающего дисплей, и т.д. Согласно другому варианту осуществления пользовательский интерфейс может представлять собой электронное устройство, такое как смартфон, планшет с сенсорным экраном или ноутбук, соединенное с конструкцией предпочтительно посредством беспроводного соединения.
[0025] Конкретнее в контексте настоящего изобретения, установка также содержит средства диагностирования силовой установки и средства управления устройством впрыска для выполнения обработки силовой установки, соответствующей полученным результатам диагностики.
[0026] С точки зрения практической реализации, в используемом примере средства диагностики и средства управления состоят из микропроцессора, связанного с памятью для хранения программ; причем микропроцессор и память для хранения программ могут быть установлены в конструкции (коробе) установки согласно настоящему изобретению или в удаленном пользовательском интерфейсе. Микропроцессор может быть соединен с компьютером, управляющим общей работой силовой установки, которую необходимо очистить, и, в частности, движениями подвижных частей. Микропроцессор также соединен с устройством впрыска, чьей работой он управляет. Микропроцессор также может быть соединен с базой данных технических характеристик нескольких силовых установок. База данных хранится в памяти для хранения данных, в очистной установке, в удаленном пользовательском интерфейсе или на удаленном сервере 5 данных.
[0027] Память для хранения программ хранит программу, которая может быть выполнена микропроцессором; указанная программа содержит несколько строк кода, подходящего для реализации технических функций средств диагностики и функций средств управления в контексте настоящего изобретения.
[0028] Средства диагностики согласно настоящему изобретению приспособлены для определения уровня загрязнения силовой установки в зависимости от характерных параметров силовой установки; в используемом примере средства диагностики также учитывают параметры, относящиеся к условиям эксплуатации указанной силовой установки.
[0029] Могут учитываться следующие характерные параметры силовой установки и параметры, относящиеся к условиям эксплуатации указанной силовой установки:
характерные параметры двигателя, такие как геометрическая форма двигателя, рабочий объем двигателя, количество цилиндров, объем цилиндра, тип топлива и т.д.,
расход воздуха, расход выхлопного газа, поступающего в цилиндр при нормальной работе,
характерные параметры систем снижения уровня выбросов, связанных с силовой установкой (например системой рециркуляции выхлопных газов с клапаном EGR и/или фильтром твердых частиц FAP),
характерные параметры турбокомпрессора.
[0030] Характерные параметры силовой установки могут вводиться пользователем установки перед инициированием диагностирования, после которого следует очистка. В качестве альтернативы, средства диагностики имеют доступ к базам данных о силовых установках, в которых хранятся все параметры, предоставленные производителем указанной силовой установки, для каждой силовой установки, идентифицированной уникальным условным обозначением. В этом случае пользователь просто выбирает условное обозначение силовой установки в базе данных для передачи всех параметров силовой установки на средства диагностики.
[0031] В частности, могут учитываться следующие параметры, относящиеся к условиям эксплуатации силовой установки:
длительность эксплуатации силовой установки, причем длительность обозначена, например, количеством километров пробега транспортного средства, в котором установлена силовая установка, количеством часов работы промышленной машины, в которой установлена силовая установка, и т.д.,
дата начала эксплуатации силовой установки (или дата начала циркуляции текучих сред в транспортном средстве),
весовой коэффициент, определенный в зависимости от обычной ситуации, в которой наиболее часто используется силовая установка (например для транспортного средства, использования в городской черте, на шоссе, на автомагистралях, смешанное использование),
весовой коэффициент, определенный в зависимости от типа топлива, используемого с силовой установкой,
весовой коэффициент, определенный в зависимости от любой присадки, добавленной в топливо силовой установки с целью ограничения уровня ее загрязнения и т.д.
[0032] Параметры, такие как весовые коэффициенты, предоставлены пользователем. Параметр, такой как длительность эксплуатации силовой установки, которую необходимо очистить, может быть введен пользователем посредством человеко-машинного интерфейса после считывания количества часов или километров, отображаемых на счетчике, связанном с силовой установкой. В качестве альтернативы, длительность эксплуатации может быть передана непосредственно на средство диагностики устройством передачи данных, связанным со счетчиком часов или километров, который связан с силовой установкой, или, в случае транспортного средства, соединенным с системой OBD (бортовой системой диагностики) указанного транспортного средства.
[0033] Весовой коэффициент в зависимости от обычной ситуации, в которой наиболее часто используется силовая установка, например определяется по таблице состояний, связывающей весовой коэффициент с каждым качественным значением из группы качественных значений, характерных для возможных ситуаций эксплуатации силовой установки. Посредством пользовательского интерфейса пользователь вручную влияет, например, на выбор качественного значения из группы качественных значений. В этом случае средства диагностики предоставляют значение весового коэффициента в зависимости от выбранного качественного значения.
[0034] Например, для так называемого «легкового» транспортного средства, такого как автомобиль для личного пользования или небольшое грузопассажирское транспортное средство, три обычных ситуации движения могут быть определены следующей группой из четырех качественных значений: {ГОРОДСКОЕ, ШОССЕЙНОЕ, АВТОМАГИСТРАЛЬНОЕ, СМЕШАННОЕ}. Значение «ГОРОДСКОЕ» выбирается, когда транспортное средство чаще всего используется в городской черте; такое использование характеризуется очень частыми, быстрыми и происходящими в довольно большом диапазоне изменениями величин скорости и оборотов двигателя, которые приводят к серьезному загрязнению силовой установки. Значение «ШОССЕЙНОЕ» выбирается, когда транспортное средство чаще всего используется на шоссе и за чертой города; такое использование характеризуется более постоянной скоростью и оборотами двигателя с менее частыми и менее быстрыми изменениями скорости или оборотов двигателя, что приводит к умеренному загрязнению силовой установки.
[0035] Значение «АВТОМАГИСТРАЛЬНОЕ» выбирается, когда транспортное средство чаще всего используется на автомагистралях и за чертой города; такое использование характеризуется более постоянной скоростью и оборотами двигателя и более высокими значениями скорости и оборотов, что приводит к низкому загрязнению силовой установки. Значение «СМЕШАННОЕ» выбирается, когда транспортное средство используется как в черте города, так и за ее пределами. Например, таблица состояний может иметь следующий вид:
качественное значение
АВТОМАГИСТРАЛЬНОЕ ШОССЕЙНОЕ СМЕШАННОЕ ГОРОДСКОЕ
весовые коэффициенты, связанные с эксплуатацией
[0036] Весовой коэффициент, связанный с эксплуатацией, можно уточнить путем увеличения количества качественных значений и более точного определения весового коэффициента, связанного с каждым качественным значением.
[0037] Средства управления устройством впрыска приспособлены для управления устройством впрыска в зависимости от уровня загрязнения силовой установки. Точнее, в зависимости от уровня загрязнения силовой установки средства управления определяют последовательность действий по очистке, соответствующую уровню загрязнения силовой установки, и отправляют устройству для очистки соответствующие сигналы управления для выполнения определенной таким образом последовательности действий по очистке.
[0038] Последовательность действий по очистке включает по меньшей мере один цикл очистки, определенный, в частности, длительностью впрыска очищающей текучей среды и/или количеством текучей среды для впрыска. Необязательно цикл очистки можно уточнить с помощью дополнительных параметров, например таких как температура и/или давление впрыскиваемой текучей среды и/или состав текучей среды для впрыска (доля водорода и т.д.). Последовательность действий по очистке может дополнительно включать несколько циклов, и каждый цикл очистки может характеризоваться параметрами очистки, отличающимися у разных циклов.
[0039] Например, для умеренно загрязненной силовой установки транспортного средства, имеющей уровень загрязнения порядка 50-70%, последовательность действий по очистке может включать один цикл с длительностью цикла порядка от 30 минут до 4 часов, расходом текучей среды порядка от 250 л/ч до 1000 л/ч, причем текучая среда представляет собой стехиометрическую смесь газообразных водорода и кислорода.
[0040] В другом примере, для более загрязненной силовой установки, имеющей уровень загрязнения порядка 70-90%, последовательность действий по очистке может включать несколько циклов, причем длительности циклов и расходы текучей среды увеличиваются по мере выполнения циклов. Первый цикл позволит удалить наиболее свежие отложения сажи и, следовательно, отложения с наименьшим сцеплением, последующие циклы будут воздействовать на более старые отложения сажи с большим сцеплением со стенками клапана EGR, цилиндров и т.п.
[0041] Необязательно средства управления также могут быть приспособлены для определения, в зависимости от характерных параметров и условий эксплуатации силовой установки, длительности эксплуатации, после которой желательно провести следующую очистку с целью профилактического технического обслуживания. На это можно повлиять после определения уровня загрязнения до, во время или после последовательности действий по очистке. Например, информация может отображаться на пользовательском интерфейсе.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1: Транспортное средство
2: Очистная установка
3: Человеко-машинный интерфейс
4: Пользователь
5: Сервер
Стрелки, нарисованные жирными линиями, показывают потоки данных между разными объектами (транспортное средство, очистная установка, пользователь, сервер), участвующими в выполнении способа согласно настоящему изобретению.