ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
DIESEL ENGINE AND DIESEL ENGINE CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к дизельным двигателям и, в частности, к дизельному двигателю и способу управления дизельным двигателем для управления восстановлением сажевого фильтра, предусмотренного в выпускной магистрали двигателя.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Снижение выбросов твердых частиц в отработавших газах дизельного двигателя составляет ключевую проблему для удовлетворения текущих и будущих стандартов по загрязняющим выбросам. Для надлежащего соблюдения ограничений выбросов твердых частиц необходимо использовать системы очистки отработавших газов, среди которых, в частности, сажевый фильтр или уловитель, который действует в качестве механического барьера, предназначенного для предотвращения прохождения твердых частиц. Вышеупомянутый уловитель встроен в выпускную магистраль двигателя и способен задерживать внутри себя твердые частицы, вырабатываемые во время процесса сгорания, с эффективностью, близкой к 100%. Накопление твердых частиц на фильтрующей поверхности, однако, вызывает увеличение давления на выпуске двигателя, что определяет снижение коэффициента полезного действия двигателя. Следовательно, становится периодически необходимым восстановление уловителя посредством сжигания (выжигания) твердых частиц, накопленных внутри него.
Для того чтобы приводить в действие сгорание твердых частиц, не прибегая к использованию химических катализаторов, подмешиваемых в топливо, температура отработавших газов на впуске уловителя должна доводиться по меньшей мере до 600°C на всем рабочем диапазоне двигателя. В большинстве случаев уровень температуры отработавших газов на выпуске современных двигателей с наддувом далек от температуры приведения в действие сгорания твердых частиц, так что становится необходимым повышать температуру отработавших газов до тех пор, пока она не достигает значения для зажигания твердых частиц. Решение для упомянутой проблемы, уже применяемое в настоящее время, основано на исключительной гибкости управления процессом сгорания, которая может быть получена с современными системами впрыска топлива типа с общей направляющей-распределителем, которые способны управлять многочисленными впрысками (большими чем пять по количеству) в одном и том же цикле двигателя, а также на присутствии окислительных каталитических устройств, установленных вдоль выпускной магистрали двигателя.
Фиг. 1 прилагаемых чертежей является схематической иллюстрацией системы управления впрыском и выпускной системы современного дизельного двигателя. На упомянутой фигуре номер 1 ссылки обозначает двигатель, имеющий множество цилиндров, каждый оснащен электромагнитной топливной форсункой 2, управляемой электронным блоком 3 управления. Номер 4 ссылки обозначает воздушный впускной трубопровод, в котором установлены расходомер 5, дроссельный клапан 6, клапан 7 рециркуляции отработавших газов (EGR) и компрессор 8 наддува. Номер 9 ссылки обозначает в целом выпускную магистраль двигателя, в которой установлены турбина 10, которая механически присоединена к компрессору 8 наддува, предварительный каталитический нейтрализатор 11, каталитический нейтрализатор 12 отработавших газов и сажевый фильтр 13. Номер 14 ссылки обозначает магистраль для рециркуляции отработавших газов от выпуска двигателя до клапана 7 EGR. Датчик 15 выявляет перепад давления, существующий между выше по потоку и ниже по потоку от системы для очистки отработавших газов, представленной ансамблем каталитического нейтрализатора отработавших газов и сажевого фильтра. Электронный блок 3 управления принимает сигналы на выходе из упомянутого датчика 15, из датчика 16 температуры, ассоциированного с устройством для очистки отработавших газов, и из расходомера 5 и отправляет сигналы управления на дроссельный клапан 6, на клапан 7 EGR и на форсунки 2.
В верхней части фиг. 1 схематически представлен кортеж управляющих импульсов, отправляемых блоком управления на одиночную форсунку 2. Как может быть видно, в дополнение к основному импульсу «ΜΑΙΝ» и к импульсу «PRE», который предшествует основному импульсу и импульсу «PILOT», блок управления также способен отправлять один или более задержанных импульсов «AFTER» и «POST» впрыска.
Разница между температурой поджига окисления твердых частиц и температурой отработавших газов может полностью заполняться даже в условиях низкой нагрузки посредством надлежащей калибровки основных параметров двигателя и использования одного или более впрысков типа «POST» с целью обогащения потока газа несгоревших углеводородов, которые преобразуются окислительными каталитическими нейтрализаторами, установленными выше по потоку от сажевого фильтра.
Со ссылкой на фиг. 1 приведение в действие импульса впрыска типа «AFTER» вместе с модификацией дополнительных параметров, среди которых установка момента впрысков типов «PILOT», «PRE» и «ΜΑΙΝ», давление впрыска, величина давления наддува EGR и положение дроссельного клапана, дает возрастанию температуры отработавших газов возможность получаться непосредственно на выходе из двигателя (на входе в турбину 10).
Приведение в действие импульса впрыска типа «POST» дает возможность увеличения количества углеводородов на выпуске с последующим подъемом температуры на выходе из каталитического нейтрализатора 12 отработавших газов.
Благодаря упомянутым мерам электронный блок управления отсюда способен приводить в действие автоматический режим восстановления фильтра, временно доводя температуру отработавших газов, отправленных в фильтр 13, до значения, не меньшего чем 600°C, с тем чтобы вызывать поджиг твердых частиц.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Наличие впрыска типа «POST», то есть впрыска, который очень сильно задержан относительно верхней мертвой точки сгорания (начало впрыска «POST» содержится между 100° и 180° после верхней мертвой точки), является необязательным для надлежащего действия стратегии восстановления, но имеет противопоказания, связанные с проблемой разбавления смазочного масла двигателя. Фактически значительное расстояние от верхней мертвой точки сгорания, которое является особенностью этого типа впрыска, заставляет условия (давление и температуру) заряда воздуха, вовлеченного в цилиндр, под углами двигателя, где выполняется впрыск типа «POST», быть неблагоприятными с точки зрения проникновения струи топлива в цилиндр. В своей основе в упомянутых условиях аэродинамического сопротивления, проявляемого нагрузкой и теплообменными процессами между последним и струей топлива, распыляемого из форсунки, недостаточно для предохранения части топлива, впрыснутого с помощью впрыска типа «POST», от достижения пленки масла на стенке цилиндра. Капельки топлива, сопровождающие контакт с пленкой смазочного масла, наделяются сферической формой внутри пленки также при условии превосходной смешиваемости между двумя жидкостями. В каждом цикле двигателя пленка смазки, загрязненной дизельным топливом, возвращается в поддон картера одним из колец поршня, установленным вокруг поршня (так называемым «маслосъемным» кольцом).
То, что было описано только что, не является единственным способом, которым дизельное топливо входит в контакт со смазочным маслом двигателя. Фактически вследствие потока прорыва газов часть газа внутри цилиндра, содержащая в себе высокий процент несгоревших углеводородов, просачивается через поршневые кольца прямо в поддон картера. Очевидно, уровень и скорость, с которой взаимодействуют две жидкости, являются функцией рабочих условий двигателя и условий использования транспортного средства.
Подвергание смазочного масла воздействию дизельного топлива, впрыснутого в цилиндр, определяет разбавление смазочного масла, которое может быть выражено в качестве весового процентного содержания топлива, присутствующего в растворе, которое вызывает изменение смазочных свойств масла. Загрязнение масла топливом становится причиной для снижения кинематической вязкости, которая представляет собой основной параметр для оценки качества масла. Снижение вязкости приблизительно на 30% приводит к необходимой замене масла, поскольку смазывающая жидкость больше не способна выполнять свои основные функции (снижение трения, защиту механических деталей от износа, рассеяние тепла).
Проблема, описанная выше касательно разбавления масла, присутствует во время автоматического этапа восстановления сажевого фильтра в любом режиме работы двигателя, но принимает большую важность в условиях, где двигатель работает на низком числе оборотов в минуту и низкой нагрузке, где условия внутри цилиндра наименее благоприятны в показателях снижения проникновения струи и количества топлива, впрыскиваемого при впрыске типа «POST», необходимого для достижения температуры поджига окисления твердых частиц, являются более высокими.
Дополнительная проблема представлена тем обстоятельством, что при конкретных целевых назначениях вождения, например так называемого типа «от двери до двери», то есть для коротких отрезков с частым остановом и запуском, температура сажевого фильтра снижается во время остановок, так что при последующем повторном запуске двигателя необходим прогрев, который удлиняет времена восстановления и обостряет проблему разбавления масла, тогда как одновременно краткость отрезка целевого назначения приводит к прерыванию автоматического восстановления до его завершения.
Ближайшим аналогом предлагаемой группы изобретений является документ EP 1584802 A2. Также аналогами предлагаемой группы изобретений являются следующие документы EP 2128392 A1, FR 2872213 A1, US 2008/295491 A1, EP 1983165 A1, FR 2933735 Α1.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить дизельный двигатель, оборудованный системой для управления восстановлением сажевого фильтра, которая будет давать возможность преодолевать недостатки, обсужденные выше.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы добиться вышеизложенного намерения простым и недорогим средством.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С намерением решения вышеупомянутых задач предметом изобретения являются двигатель согласно пункту 1 формулы изобретения и способ согласно пункту 8 формулы изобретения.
Согласно дополнительной характеристике изобретения в случае, когда режим автоматического восстановления фильтра запрещен по причинам, указанным выше, электронный блок управления запрограммирован для управления, чтобы процедура ручного восстановления выполнялась в пределах определенного расстояния, проезжаемого транспортным средством от того, когда оно обнаружено в состоянии тревоги с запрещенным режимом автоматического восстановления. Предпочтительно система запрограммирована двумя следующими один за другим пороговыми значениями пробега в милях. Когда достигнуто первое пороговое значение, первое состояние тревоги приводится в действие, а когда достигнуто второе пороговое значение, приводится в действие второе состояние тревоги; например, первое состояние тревоги может предусматривать приведение в действие ограничения технических характеристик транспортного средства настолько, чтобы побуждать водителя начинать стратегию ручного восстановления. Когда достигнуто второе состояние тревоги, может формироваться предупредительный сигнал касательно поломки двигателя и процедура ручного восстановления больше не разрешается водителю, но может быть разрешена только в ремонтной мастерской.
В предпочтительном варианте осуществления приведение в действие ручного восстановления может получаться водителем только при следующих условиях:
- транспортное средство неподвижно и тормоза включены;
- двигатель работает и находится в установившихся рабочих условиях; и
- запрос на ручное восстановление от водителя (посредством использования специального кнопочного выключателя или иначе посредством приведения в действие педали акселератора и тормозной педали согласно заранее заданному способу).
Нормально процедура ручного восстановления может иметь длительность приблизительно 15 минут. В конце упомянутой процедуры автоматическое восстановление разрешается вновь и запускается повторно с этапа накопления твердых частиц в фильтре со сбросом счетчика неблагоприятных событий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут выясняться из последующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые предоставлены только в качестве неограниченного примера и на которых:
фиг. 1, уже описанная выше, - схематическая иллюстрация дизельного двигателя типа, к которому применяется система управления согласно изобретению; и
фиг. 2-4 - блок-схемы последовательности операций способов, которые показывают этапы работы способа, реализованного в двигателе согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Еще раз со ссылкой на фиг. 1 предусмотрен двигатель согласно изобретению, в некоторой степени подобный предшествующему уровню техники, с системой, которая приводит в действие автоматическое восстановление сажевого фильтра, когда количество твердых частиц, накопленных в фильтре, превышает заранее заданный уровень. В случае изобретения упомянутое количество оценивается с использованием моделей способа накопления твердых частиц в фильтре, которые дают возможность определения количества упомянутого накопления как во время нормальной работы двигателя, так и в конце процесса восстановления. В основном существует две разных модели оценки массы твердых частиц, присутствующих в фильтре: модель статистического типа и модель физического типа.
Как обсуждено выше, двигатель, оборудованный только одной системой, которая приводит в действие автоматическое восстановление фильтра, когда количество твердых частиц, накопленных в фильтре, превышает заранее заданный уровень, подвергается риску чрезмерного разбавления смазочного масла двигателя из-за впрысков типа «POST», которые приводятся в действие на этапе автоматического восстановления, главным образом в случае, где возникает длинная последовательность неблагоприятных событий, представленных прерываниями этапа автоматического восстановления до его завершения, как происходит в случае целевых назначений типа «от двери до двери», то есть коротких отрезков с частым остановом и повторным запуском транспортного средства.
Согласно изобретению, для того чтобы предотвратить упомянутую проблему, идентифицируются некоторые критические условия, в которых система формирует состояние тревоги, которое, например, может сигнализироваться водителю включением предупредительного светового сигнала сажевого фильтра («светового сигнала DPF»), запрещая режим автоматического восстановления и разрешая режим восстановления по запросу, который приводится в действие водителем, например, посредством нажатия специального кнопочного выключателя или иначе посредством приведения в действие педали акселератора и тормозной педали транспортного средства согласно заранее заданному способу.
Фиг. 2 показывает первый способ приведения в действие состояния тревоги с запрещением режима автоматического восстановления и разрешения режима восстановления по запросу. Согласно упомянутому решению предусмотрен счетчик неблагоприятных событий, которые представлены прерыванием этапа автоматического восстановления до его завершения, вызванным пользователем (типично в той мере, в какой транспортное средство останавливается, а двигатель выключается). Как проиллюстрировано на фиг. 2, в случае где счетчик неблагоприятных событий выявляет количество неблагоприятных событий, более высокое, чем пороговое количество, состояние тревоги приводится в действие с включением светового сигнала DPF, запрещением режима автоматического восстановления DPF и разрешением режима восстановления по запросу. Однако, как подобным образом проиллюстрировано на фиг. 2, предпочтительно, как только выявлено количество неблагоприятных событий, более высокое, чем пороговое значение, вышеупомянутое состояние тревоги приводится в действие только в случае, где система также выявляет сопротивление потоку отработавших газов, вызванное сажевым фильтром, более высокое, чем пороговое значение. Упомянутое сопротивление, например, может измеряться на основе значения перепада давления, существующего между выше по потоку и ниже по потоку сажевого фильтра.
Со ссылкой на фиг. 3 в качестве альтернативы или в дополнение к способу, описанному выше, система может идентифицировать критическое состояние, которое оправдывает запрет режима автоматического восстановления, как только достигается значение качества смазочного масла двигателя, оцененное недостаточным. В случае примера, проиллюстрированного на фиг. 3, в случае, где режим автоматического восстановления активен, и в случае, где автоматическое восстановление запрошено системой (в той мере, в какой было выявлено чрезмерное количество твердых частиц, накопленных фильтре), система разрешает автоматическое восстановление только в случае, где подтверждено, что достаточно качества смазочного масла. Качество смазочного масла контролируется посредством специфичного алгоритма на основе параметра, идентифицирующего качество масла, например сигнала на выходе из датчика вязкости масла. В случае где результат упомянутого алгоритма находится ниже, чем заранее заданное пороговое эталонное значение, которое повышало бы частоту замены моторного масла до неприемлемой степени, вновь формируется состояние тревоги с включением светового сигнала DPF, запрещением режима автоматического восстановления и разрешением режима восстановления по запросу.
Со ссылкой на фиг. 4 система при всем при том запрограммирована для проверки, что водитель приводит в действие ручное восстановление до того, как транспортное средство достигло определенного пробега в милях после того, как состояние тревоги было сформировано последний раз, с запрещением режима автоматического восстановления. В случае примера, проиллюстрированного на фиг. 4, предусмотрены два следующих один за другим пороговых значения расстояния, покрываемого транспортным средством. В случае где процедура ручного восстановления не была выполнена, когда первое пороговое значение достигает вышеприведенного расстояния, транспортное средство входит в состояние ограничения технических характеристик, для того чтобы побудить водителя выполнять стратегию ручного восстановления. Если это состояние также игнорируется и достигнуто второе пороговое значение для покрытого расстояния, приводится в действие предупредительный сигнал касательно поломки двигателя и запрещается возможность, чтобы водитель приводил в действие ручное восстановление. Процедура в этом состоянии может выполняться только в ремонтной мастерской.
Для того чтобы выполнять ручную процедуру, предпочтительно необходимы следующие условия:
- транспортное средство неподвижно и тормоза включены;
- двигатель находится в установившихся рабочих условиях;
- наличие запроса на ручное восстановление от водителя (например, посредством нажатия специального кнопочного выключателя или иначе посредством приведения в действие педали акселератора и тормозной педали согласно заранее заданному способу).
После приведения в действие режима ручного восстановления упомянутое восстановление выполняется в течение приблизительно 15 минут. В конце ручного восстановления режим автоматического восстановления разрешается повторно с возвратом к нормальным условиям эксплуатации, в которых твердые частицы могут еще раз накапливаться в фильтре. Конечно, счетчик неблагоприятных событий сбрасывается.
Конечно, без ущерба принципы изобретения, детали конструкции и варианты осуществления могут меняться в широких пределах в отношении того, что было описано и проиллюстрировано в материалах настоящей заявки чисто в качестве примера, в силу этого не выходя из объема настоящего изобретения.