СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВПРЫСКОМ МОЧЕВИНЫ В СИСТЕМУ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING INJECTION OF UREA INTO SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к области систем обработки выхлопных газов, установленных на автотранспортных средствах. В частности, изобретение касается способа управления впрыском мочевины в такую систему, который позволяет оптимизировать работу системы обработки. Описанный в настоящей заявке способ находит наиболее предпочтительное, но не ограничительное применение в системах катализа оксидов азота, выделяемых двигателем, путем селективного каталитического восстановления, называемого SCR.
3
Принцип системы обработки SCR основан на химическом восстановлении оксидов азота NOx с добавлением восстановителя, такого как аммиак NH, содержащийся в мочевине или в любом другом восстановителе, например, AdBlue или DeNOXIUM, или C-Blue на выходе специального катализатора, называемого катализатором SCR. Такая система позволяет транспортным средствам, в частности, оборудованным дизельными двигателями, соблюдать допускаемые нормами уровни выбросов, причем эти уровни становятся все ниже и ниже.
Оксидами азота являются, например, монооксид азота, диоксид азота или любое другое химическое соединение, содержащее молекулы азота и кислорода.
В такой системе мочевина, впрыскиваемая в выхлопной трубопровод, преобразуется в аммиак в ходе двух последовательных химических реакций:
2
2
3
- первой реакции пиролиза (NH)CO->HNCO+NH, затем
2
2
3
- реакции гидролиза HNCO+HO->CO+NH.
Полученный аммиак реагирует в катализаторе SCR с оксидами азота, выходящими из двигателя. В зависимости от состава потока выхлопных газов в катализаторе могут происходить одна или несколько следующих реакций:
3
2
2
2
- так называемая стандартная реакция SCR восстановления монооксидов азота: 4NH+4NO+O->4N+6HO,
3
2
2
2
- так называемая «быстрая» реакция SCR восстановления монооксидов азота и диоксидов азота: 4NH+2NO+2NO->4N+6HO.
Эта реакция является более быстрой, чем стандартная реакция, но она требует эквивалентного количества монооксидов азота и диоксидов азота, и
3
2
2
2
- реакция восстановления только диоксида азота, менее быстрая, чем предыдущие реакции: 8NH+6NO->7N+12HO.
С учетом условий реакции, предусмотренных для химических реакций, оказалось, что одним из основных факторов нормального функционирования селективного каталитического восстановления является температура выхлопных газов. Действительно, эта температура должна быть достаточно высокой:
- на уровне инжектора мочевины для обеспечения хорошего разложения мочевины в аммиак, и
- на уровне катализатора SCR для обеспечения нормального каталитического превращения оксидов азота.
Из предшествующего уровня техники известны многие системы обработки оксидов азота, в которых применяют аммиак, содержащийся в жидкой мочевине.
В таких системах применяют, например, способы впрыска мочевины, в которых мочевину впрыскивают, только когда температура в выхлопном трубопроводе превышает заранее определенное значение. Такие системы, хотя и являются очень эффективными во время фаз движения на длинные расстояния или в транспортных средствах, таких как грузовики, оказываются малоэффективными, если их устанавливают на легковых транспортных средствах, перемещающихся в городских условиях. Действительно, в этих условиях движения температура выхлопных газов является относительно низкой из-за низкой скорости и частых остановок транспортного средства. Следовательно, впрыск восстановителя часто оказывается недостаточным для правильной обработки оксидов азота, выделяемых двигателем.
Катализаторы SCR, обычно используемые в системах обработки, могут адсорбировать аммиак. Таким образом, в многочисленных известных системах, когда температурные условия не позволяют впрыскивать мочевину, можно использовать аммиак, содержащийся в катализаторе, чтобы получать химические реакции восстановления оксидов азота.
Однако в таких системах трудно контролировать количество аммиака, накапливаемого в катализаторе. В этом случае катализатор иногда насыщается аммиаком, что может привести к выбросу газообразного аммиака в атмосферу. Поскольку аммиак является пахучим и раздражающим газом, такое выделение газа создает проблемы для пользователей транспортного средства.
В некоторых системах было также предложено нагревать выхлопные газы, непрерывно или при трогании с места, чтобы постоянно обеспечивать достаточную температуру. Однако эти системы, как правило, имеют все тот же упомянутый выше недостаток, то есть приводят к регулярным выбросам аммиака в атмосферу. Кроме того, применяемые способы нагрева требует большого расхода энергии, что приводит к повышенному расходу топлива в двигателе.
Настоящее изобретение призвано устранить все или часть этих недостатков и предложить стратегию управления впрыском мочевины в сочетании с использованием устройства нагрева выхлопных газов, чтобы обеспечить оптимальную обработку оксидов азота с одновременным ограничением расхода топлива транспортным средством.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является способ управления впрыском мочевины в систему обработки оксидов азота с селективным каталитическим восстановлением, называемым SCR, предназначенную для установки в выхлопном трубопроводе двигателя автотранспортного средства, при этом обработка состоит в химическом восстановлении в катализаторе, называемом катализатором SCR, оксидов азота путем добавления аммиака, содержащегося в мочевине. Способ содержит следующие этапы:
- измеряют температуру газов в выхлопном трубопроводе двигателя на входе катализатора SCR,
- если измеренная температура превышает заранее определенное минимальное значение, называемое минимальной температурой впрыска, подают команду на впрыск мочевины,
- если измеренная температура меньше минимальной температуры впрыска, применяют следующие подэтапы:
• определяют массу аммиака, накопившегося в катализаторе SCR,
• определяют количество аммиака, необходимое для осуществления конверсии оксидов азота, превышающее заранее определенное значение,
• если масса аммиака, накопившегося в катализаторе, меньше этого необходимого количества, подают команду на активацию режима нагрева выхлопных газов и на впрыск мочевины в систему.
В дальнейшем тексте описания будут использованы понятия горячей фазы и холодной фазы, которые соответствуют рабочим фазам транспортного средства, определяемым в зависимости от температуры газов в выхлопном трубопроводе.
Катализатор типа SCR обладает способностью накапливать аммиак. Поэтому можно применить принцип впрыска восстановителя, который состоит во впрыске восстановителя в горячие фазы, чтобы обеспечить, с одной стороны, восстановление оксидов азота за счет реакции с аммиаком и, с другой стороны, накопление аммиака в катализаторе.
Этот впрыск восстановителя в горячей фазе становится возможным благодаря первому этапу способа, во время которого измеряют температуру газов в выхлопном трубопроводе, чтобы определить, находится ли система в горячей фазе или в холодной фазе.
Было установлено, что химические реакции, применяемые в процессе селективного каталитического восстановления, требуют температуры газов свыше 180°С, чтобы протекать в нормальных условиях. Таким образом, горячую фазу определяют, например, как фазу, во время которой температура газов превышает 180°С.
Таким образом, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, минимальную температуру впрыска устанавливают на уровне 180°С.
Согласно этому же принципу, во время холодных фаз впрыск мочевины останавливают и используют аммиак, накопившийся в катализаторе SCR, для восстановления оксидов азота. Холодная фаза соответствует, например, фазе малого хода транспортного средства.
Вместе с тем, иногда накопленного количества аммиака недостаточно для обеспечения нормальной конверсии оксидов азота в течение всей холодной фазы и, следовательно, для получения степени конверсии, востребованной конструкторами или пользователями транспортного средства. При этом одной из задач изобретения является оптимизация преобразования оксидов азота, выделяемых двигателем с учетом его нормативной мощности. Поэтому, если аммиак накоплен в недостаточном количестве, необходимо иметь возможность производить впрыск вне горячих фаз. Для этого, согласно способу, активируют режим нагрева, предназначенный для повышения температуры газов, чтобы создать нормальные условия для реакции.
Следовательно, решение активировать или не активировать режим нагрева принимают в зависимости от требуемой эффективности конверсии. Ниже со ссылками на фигуры будут указаны параметры, позволяющие принимать решение об активации.
Другой задачей изобретения является разработка способа управления впрыском мочевины, позволяющего ограничить расход топлива в транспортном средстве. Таким образом, согласно предпочтительному варианту выполнения, желательно иметь возможность ограничивать продолжительность режима нагрева до необходимого минимума.
В этой связи, согласно варианту выполнения, способ содержит следующие этапы:
- определяют максимальное количество аммиака, которое может накопиться в катализаторе SCR,
- непрерывно измеряют количество аммиака, накопившегося в катализаторе, и
- если режим нагрева выхлопных газов активирован, когда накопленное количество достигает максимального значения, подают команду на деактивацию этого режима нагрева.
Максимальное количество аммиака определяют, например, в зависимости от соотношения между эффективностью конверсии и массой аммиака, содержащегося в катализаторе. Максимальное количество аммиака может также соответствовать количеству насыщения катализатора, то есть количеству, сверх которого происходит десорбция накопленного аммиака. Это количество зависит, например, от размера и типа используемого катализатора SCR.
В этом варианте реализации изобретения этап измерения количества аммиака заменяют этапом моделирования этого количества аммиака на основании заранее определенных данных в зависимости от рабочих параметров транспортного средства.
В другом предпочтительном варианте выполнения, чтобы еще больше уменьшить расход топлива, используют модель термической инерции выхлопного трубопровода для прогнозирования остановки режима нагрева, продолжая при этом впрыскивать восстановитель. Действительно, модель инерции позволяет определить, с какого момента масса восстановителя, накопленная в катализаторе, и температура газов оказываются достаточными, чтобы после деактивации режима нагрева температура оставалась больше минимальной температуры впрыска в течение достаточного времени, позволяющего достичь максимального количества аммиака.
При воплощении изобретения этап подачи команды на активацию и/или деактивацию режима нагрева включает изменение, по меньшей мере, одного параметра двигателя, оказывающего влияние на температуру выхлопных газов.
Параметром двигателя является, например, степень циркуляции выхлопных газов или фаза впрыска топлива, или количество впрыскиваемого топлива.
Таким образом, согласно примеру, активация режима нагрева состоит в повторной калибровке параметра, характеризующего определение фазы впрыска и воздушного цикла. Действительно, было установлено, что при уменьшении основного впрыска мочевины и повышении расхода выхлопных газов, которые повторно нагнетают в цилиндры двигателя, температура выхлопных газов повышается.
В другом примере активация режима нагрева состоит в использовании инжектора для впрыска в выхлопной трубопровод количества топлива, превышающего количество, необходимое для нормальной работы двигателя. В этом случае часть дополнительного количества топлива воспламеняется во время впрыска в выхлопной трубопровод, что приводит к повышению температуры выхлопных газов.
Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания некоторых из вариантов выполнения, представленных в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - дизельное транспортное средство, в котором применяют способ в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 2а и 2b - изменение некоторых параметров двигателя во время рабочего цикла типа NEDC в транспортном средстве, в котором не применяют способ в соответствии с настоящим изобретением,
Фиг. 3 - изменение параметров двигателя в случае применения способа в соответствии с настоящим изобретением, и
Фиг. 4 - изменение эффективности конверсии оксидов азота в катализаторе SCR в зависимости от массы аммиака, накопленного в катализаторе.
Способ в соответствии с настоящим изобретением представляет особый интерес для использования в легковом транспортном средстве, таком как транспортное средство, показанное на фиг. 1. Для обеспечения применения такого способа транспортное средство оборудуют системой обработки выхлопных газов, выходящих из двигателя 2, при этом обработку осуществляют путем селективного каталитического восстановления в катализаторе 3, называемом катализатором SCR, находящемся в выхлопном трубопроводе 6.
Согласно вариантам выполнения, катализатор SCR размещают на входе или на выходе фильтра-улавливателя частиц, установленного в выхлопном трубопроводе.
Обработка состоит в восстановлении оксидов азота при помощи восстановителя, например аммиака, содержащегося в мочевине. Этот восстановитель содержится в резервуаре 4, например, находящемся в задней части транспортного средства. В ходе осуществления способа восстановитель впрыскивают через инжектор 5, установленный на входе катализатора 3 в выхлопном трубопроводе 6.
Кроме того, транспортное средство 1 необходимо оборудовать электронным вычислительным устройством, обеспечивающим управление системой SCR. Это вычислительное устройство не представлено на Фиг.1. Такое вычислительное устройство может быть предназначено специально для осуществления способа или являться вычислительным устройством управления двигателем, уже установленным на транспортном средстве.
Как уже было указано выше, некоторыми из существующих систем SCR управляют при помощи способа, не обеспечивающего достаточной подачи восстановителя для обработки оксидов азота. Такая ситуация показана на фиг. 2а и 2b, где представлено изменение различных параметров двигателя в транспортном средстве, оборудованном системой SCR, управляемой при помощи классического способа впрыска мочевины.
График, представленный на фиг. 2а, показывает изменение температуры выхлопных газов двигателя, работающего согласно стандартному рабочему циклу типа NEDC (New European Driving Cycle). Этот рабочий цикл разбит на 4 городских рабочих цикла, называемых циклами ЕСЕ или циклами UDC (Urban Driving Cycle) и один загородный рабочий цикл, называемый циклом EUDC (Extra-Urban Driving Cycle).
На этой фигуре показаны несколько параметров:
- кривая 10 показывает изменение скорости транспортного средства в ходе рабочего цикла,
- кривая 11 показывает температуру на уровне носика инжектора восстановителя, установленного в выхлопном трубопроводе,
- кривая 12 показывает температуру в катализаторе SCR.
Как было указано выше, в системе обработки SCR химические реакции могут протекать, только начиная с определенной температуры.
Так, реакции разложения мочевины на аммиак могут происходить только сверх определенной температуры на уровне носика инжектора; что касается реакций восстановления, то они могут происходить только при превышении определенной температуры в катализаторе SCR.
Следовательно, в первую очередь, впрыск мочевины необходимо производить только сверх минимальной требуемой температуры на уровне носика инжектора, иначе он не будет иметь смысла. Эта минимальная температура впрыска, как правило, равная 180°С, показана горизонтальной линией 13.
На кривой 11 изменения температуры видно, что в ходе рабочего цикла NEDC между запуском и 450-й секундой восстановитель можно впрыскивать только в два захода. Эти два случая соответствуют моментам, в которые кривая 11 пересекает линию 13, что отмечено кругами 14 на фиг. 2а.
Однако впрыск желательно производить раньше в ходе цикла, начиная с момента появления значительного количества оксидов азота.
Изменение этого количества оксидов азота в ходе рабочего цикла показано на фиг. 2b. Здесь видно, что, начиная с 50-й секунды цикла, количество выделяемых оксидов превышает 0,25 граммов, что является существенным. Следовательно, необходимо иметь возможность начать восстановление оксидов азота с этого момента.
Кроме того, цикл NEDC содержит много замедлений, во время которых температура в выхлопном трубопроводе значительно понижается. Следовательно, впрыск восстановителя на четырех городских циклах цикла NEDC может оказаться недостаточным для нормальной обработки всех оксидов, выделяемых двигателем.
Способ в соответствии с настоящим изобретением призван устранить этот недостаток путем активации режима нагрева для обеспечения испарения и разложения восстановителя, чтобы получить возможность осуществления более частых впрысков.
На фиг. 3 показано изменение параметров двигателя в транспортном средстве, на котором системой SCR управляют при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.
На этой фигуре кривые показывают изменение параметров двигателя аналогично фиг. 2а, а именно:
- кривая 20 показывает изменение скорости транспортного средства во время рабочего цикла,
- кривая 21 показывает изменение температуры на уровне носика инжектора восстановителя, установленного в выхлопном трубопроводе,
- кривая 22 показывает температуру в катализаторе SCR, и
- линия 23 показывает минимальную температуру впрыска.
Пунктирная линия 24 показывает активацию и деактивацию режима нагрева: когда линия находится на значении 1, это значит, что нагрев активирован.
Из этой фигуры следует, что температура на уровне носика инжектора резко повышается в момент начала рабочего цикла и превышает минимальную температуру впрыска восстановителя, начиная с 50-й секунды.
Однако, согласно способу в соответствии с настоящим изобретением, активация режима нагрева зависит не только от температуры газов, поскольку настоящее изобретение предназначено также для ограничения расхода топлива и предусматривает активацию режима нагрева, только когда в этом действительно возникает необходимость.
Действительно, катализаторы SCR, обычно используемые в рамках систем обработки SCR, обладают способностью накапливать аммиак. Таким образом, этот накопленный аммиак можно использовать для восстановления оксидов азота, даже если не производится впрыск восстановителя.
Таким образом, чтобы оптимизировать конверсию оксидов и одновременно ограничить расход топлива, согласно способу, режим нагрева активируют, только когда количество накопленного аммиака не позволяет достичь заранее определенной эффективности конверсии.
Массу аммиака, обеспечивающую эту эффективность, определяют при помощи заранее построенного графика изменения эффективности конверсии оксидов в зависимости от массы, показанного на фиг. 4.
1
Кривая 30 показывает это изменение и позволяет определить минимальную массу m, необходимую для обеспечения требуемой эффективности в двигателе транспортного средства.
2
Можно также определить максимальную массу накопления m, сверх которой происходит десорбция аммиака в атмосферу, не желательная для пользователей транспортного средства.
1
2
Таким образом, в наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения, когда температурные условия, необходимые для впрыска мочевины, не выполняются, режим нагрева активируют, как только масса аммиака, накопленного в катализаторе, становится меньше m. Впоследствии этот режим нагрева деактивируют, как только масса становится больше m.
Кроме того, как было указано выше, можно еще больше ограничить расход топлива, используя термическую модель впрыска, позволяющую спрогнозировать остановку режима нагрева.
В варианте выполнения, показанном на фиг. 3, режим нагрева не активирован по максимуму, чтобы сохранить компромисс между конверсией и нормальным расходом топлива.
При этом было установлено, что, несмотря на активацию режима нагрева, иногда температура газов остается меньше минимальной температуры впрыска, в частности, на малом ходу. В этом случае для восстановления оксидов азота используют только аммиак, накопившийся в катализаторе.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет существенно повысить эффективность конверсии оксидов азота в ходе цикла NEDC без внесения изменений в детали транспортного средства; действительно, активация и деактивация режима нагрева предполагают лишь разную регулировку некоторых параметров двигателя, что не требует внесения изменений в конструкцию транспортного средства или системы SCR для применения этого изобретения.
Кроме того, этот способ обеспечивает такое усовершенствование без существенного увеличения расхода топлива, что позволяет достичь хорошего компромисса между конверсией оксидов и расходом топлива в ходе осуществления способа.