СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ СГОРАНИЯ В ФИЛЬТРЕ ЧАСТИЦ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF COMBUSTION IN PARTICLE FILTER

Настоящее изобретение испрашивает приоритет французской заявки 0853563, поданной 30 мая 2008 года, содержание которой (текст, чертежи и пункты Формулы изобретения) в данном случае использованы в качестве ссылки.
Изобретение относится к области очистки от загрязнений двигателей внутреннего сгорания, и в особенности, к контролю фильтров частиц, которыми оборудуются системы выпуска отработавших газов двигателей для улавливания частиц, образующихся в процессе сгорания топлива в двигателе.
Двигатель внутреннего сгорания производит в процессе работы выхлопные газы в результате сгорания топлива, содержащие некоторое количество определенных загрязнений. Частицы, образующиеся в процессе сгорания в двигателе, могут, в частности, содержать твердые углеродные частицы. За неимением возможности регулировки двигателя для того, чтобы он выбрасывал приемлемое количество определенных загрязнений, выхлопные газы должны подвергаться обработке для уменьшения этих загрязнений до нижнего уровня нормализованных пороговых значений.
Средство обработки газов обычно размещено в системе выпуска отработавших газов двигателя. Речь идет, таким образом, о постобработке газов. Это средство обработки может быть образовано одним или несколькими элементами и может, в частности, содержать фильтр частиц.
Автомобильный фильтр частиц позволяет удалить с помощью фильтрования твердые частицы, имеющиеся в выхлопных газах двигателей, в особенности дизельных. Частицы, накапливающиеся в фильтре, должны периодически удаляться посредством повышения температуры внутри фильтра от 450 до 700°С для того, чтобы обеспечить их сгорание. Эта операция часто называется «регенерацией» фильтра частиц. Классически энергия, необходимая для регенерации, обеспечивается управляемым повышением температуры выхлопных газов.
Классически необходимую для фазы регенерации дополнительную энергию получают путем повышения температуры по сравнению с нормальной работой двигателя за счет использования позднего впрыска топлива после верхней мертвой точки цикла, либо путем снижения КПД сгорания, либо также путем впрыска топлива непосредственно в систему выпуска отработавших газов.
В случае использования позднего впрыска топлива последнее может полностью или частично сгорать в двигателе, вызывая повышение температуры выхлопных газов, либо, если он достаточно задержан, приводить к повышению в выхлопе количеств СО и НС, которые окисляются, поступая на катализатор окисления для генерирования тепла. Именно это явление обычно используется при осуществлении непосредственного впрыска топлива в распыленном или парообразном виде в систему выпуска отработавших газов двигателя.
Однако улавливаемые фильтром углеродные частицы являются горючими, и их самовозгорание может осуществляться при температуре, превышающей примерно 450°С, если в фильтре используется дополнительная присадка для обеспечения регенерации, либо, в противном случае, 600°С, и в том случае, если топливо имеется в достаточном количестве.
В выхлопных газах двигателей обычно присутствует кислород, и сгорание частиц сажи может, таким образом, осуществляться с перегрузкой в случае сильного загрязнения фильтра частицами сажи, приводящей к значительному выделению энергии в фильтре, могущему вызвать его выход из строя (например, его растрескивание) или его разрушение.
Забивание фильтра сажей может, в частности, наблюдаться, когда, снабженный фильтром автомобиль осуществляет, в основном, городские поездки, то есть с малой скоростью и частыми остановками. В этих условиях чрезвычайно сложно регенерировать фильтр частиц, так как температура выхлопных газов весьма далека от температуры регенерации фильтра, либо достигают температуры, достаточной для возникновения регенерации, лишь в весьма короткие интервалы времени, недостаточные для окончания этой регенерации. Вспомним, что обычно температура выхлопных газов автомобильного дизельного двигателя, снабженного турбокомпрессором, измеренная на выходе турбины турбокомпрессора, составляет порядка 150°С, и что необходимо, примерно, 450°С для того, чтобы осуществить регенерацию фильтра с присадкой.
Кроме того, если при большом количестве сажи в фильтре частиц двигатель подвергается длительной поездке с тяжелой нагрузкой, температура выхлопных газов может спонтанно вызвать возгорание сажи в фильтре. Кроме того, в определенных условиях сгорание сажи, начавшееся перед остановкой двигателя, может продолжаться после его остановки, и даже начаться несколько позже этой остановки, если система выпуска отработавших газов сильно нагрета и фильтр больше не охлаждается потоком выхлопных газов.
Неконтролируемое сгорание сажи может повредить фильтр, если оно происходит при значительной температуре, или если оно вызывает очень быстрое повышение температуры в фильтре. Такой ущерб является вредным по многим причинам. С одной стороны, ставится под угрозу эффективность системы последующей обработки и, с другой стороны, в соответствии с существующими и будущими нормами и правилами в том, что касается бортовой диагностики (функция «встроенная диагностика»), необходимо гарантировать эффективность систем постобработки в течение срока службы (обычно 160000 км в соответствии с нормами ЕВРО 5) или сигнализировать водителю автомобиля о неисправности системы постобработки.
В патенте FR 2814498 фирмы Renault SA описано средство для диагностики неисправности фильтра частиц или расчета его загрузки путем наблюдения за энергией, используемой в процессе регенерации фильтра. При известности различных способов осуществление контроля регенерации фильтра частиц, в известном уровне техники не известен способ, направленный на осуществление контроля в случае такого типа спонтанного сгорания частиц в фильтре, а также неисправностей фильтра, которое оно может вызвать.
Кроме того, влияние этого типа неконтролируемого сгорания частиц на сажевую загрузку фильтра в настоящее время не учитывается в моделях определения этой загрузки.
Объектом настоящего изобретения является способ распознавания сгорания и, в частности, неконтролируемого сгорания, в фильтре частиц, который встроен в систему выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Это распознавание и характеристика определяемого сгорания позволяет, таким образом, диагностировать неисправность фильтра или учитывать влияние этого сгорания на сажевую нагрузку фильтра в процессе всей фазы работы двигателя. Изобретение позволяет осуществить контроль фильтра в процессе всех их фаз использования, а не только во время его управляемых регенераций, как в известном уровне техники.
Для этого предложенный способ содержит этап измерения или оценки характерных параметров сгорания в фильтре или этап обработки этих параметров для диагностики случая сгорания и определения его интенсивности, при этом в способе эти этапы осуществляют в процессе всей фазы работы двигателя и, в частности, в процессе фаз управляемой регенерации фильтра, и в варианте способа, также в процессе предварительно рассчитанной продолжительности, следующей за остановкой двигателя.
Предпочтительно, рассматриваемыми характерными параметрами являются соответственно температура на входе фильтра частиц и температура на выходе фильтра частиц.
Оценка или измерение этих параметров и их обработка отличаются тем, что они осуществляются вне фаз управляемой регенерации фильтра. Кроме того, оценка или измерение и обработка рассматриваемых параметров продолжается после остановки двигателя.
Благодаря такому способу можно в этом случае сделать вывод о неконтролируемом сгорании частиц в фильтре (6) частиц, если температура на выходе фильтра (6) превышает температуру заданного порога на входе фильтра в течение заданного времени, хотя бортовой компьютер не управляет регенерацией.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения определяют градиент температуры в фильтре в соответствии с изменением температур на входе и на выходе фильтра, и в этом случае делают вывод о сгорании частиц в фильтре (6) частиц, если измеренный градиент температуры превышает предварительно рассчитанный максимум.
Когда определено сгорание в фильтре, можно также оценить количество сажи, сгоревшей в процессе этого горения, благодаря изменению температур на входе и на выходе фильтра при этом горении и благодаря продолжительности этого горения.
Предложенный способ может служить для диагностики повреждения фильтра частиц, встроенного в систему выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Вывод о повреждении фильтра частиц делают в том случае, если температура на выходе фильтра превышает температуру на входе фильтра на заданную величину за определенный период времени.
Вывод о повреждении фильтра делают также в том случае, если измеренный градиент температуры превышает заданный предел.
В автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, снабженным системой выпуска отработавших газов, содержащей фильтр частиц, а также содержащим модуль «бортовой диагностики» (встроенная диагностика), можно также записать в модуль информацию о повреждении фильтра частиц, если определяют повреждение фильтра частиц.
Если автомобиль дополнительно содержит, например в кабине, световое устройство, сигнализирующее о дефекте фильтра частиц, то оно сообщает водителю о неисправности фильтра частиц.
Изобретение касается также устройства для осуществления описанного способа. Устройство содержит двигатель внутреннего сгорания, снабженный системой выпуска отработавших газов, включающий фильтр частиц, средства управления регенерацией фильтра, средства оценки параметров, характеризующих сгорание в фильтре частиц, средства обработки этих параметров, позволяющие диагностировать случай сгорания, а также оценить его интенсивность, отличающееся тем, что упомянутые средства периодически включаются в процессе работы двигателя, а не только при управляемых регенерациях фильтра, как это имеет место в известном уровне техники.
Предпочтительно, чтобы устройство было снабжено средством оценки или измерения температуры на входе фильтра частиц и температурным зондом на выходе фильтра.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылкой на единственный чертеж, схематически представляющий устройство для осуществления способа в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
Фиг. 1 схематично изображает комплекс, образованный двигателем внутреннего сгорания и его основным воздушным контуром, то есть его воздухозаборником и системой выхлопа, а также средства постобработки выхлопных газов, и устройства, необходимые для осуществления диагностики фильтра частиц в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения.
Двигатель 1 дизельного типа снабжен системой наддува с помощью турбокомпрессора 2. Воздух в двигатель поступает по впускной трубе 3. Выпуск газов после сгорания осуществляется по выпускной трубе 4.
В представленном здесь примере финишная обработка выхлопных газов осуществляется с помощью окислительного катализатора 5 и фильтра 6 частиц.
Бортовой компьютер 7 (представленный в данном случае как единый комплекс, но он может быть образован из нескольких элементов или разделен на несколько плат или электронных блоков) формирует различные управляющие команды двигателю, алгоритмы впрыска топлива, а также управляет средствами постобработки и, в частности, отслеживает заполнение фильтра частиц. Бортовой компьютер 7 содержит также средства управления, предназначенные для управления периодической регенерацией фильтра 6 частиц. Бортовой компьютер 7 выполняет также функцию встроенной диагностики 8, которая записывает и регистрирует основные неисправности или дефекты работы двигателя и его периферии, и может, например, в случае неисправности выдать сигнал тревоги световым тревожным устройством 9 оператору двигателя или водителю автомобиля, снабженного таким двигателем.
В представленном здесь варианте осуществления температурный зонд 10 встроен в выпускную трубу 4 между окислительным катализатором 5 и фильтром частиц 6. Температурный зонд 11 размещен в выпускной трубе 4 на выходе фильтра 6 частиц.
Следует отметить, что температурный зонд 10 на входе фильтра может быть легко заменен цифровой моделью оценки температуры на входе фильтра частиц, хранящейся в бортовом компьютере. Этот вариант представляет определенный экономический интерес ценой меньшей точности, которая остается, однако, сравнимой с используемой в классическом автомобиле.
Температурный зонд 10 на входе фильтра 6 и температурный зонд 11 на выходе фильтра 6 соединены с бортовым компьютером 7 посредством, например, шин 12 и 13, который, кроме того, осуществляет предложенный способ. В общем, предложенный способ заключается в сравнении температуры на входе и температуры на выходе фильтра 6 частиц, а также определении изменения этих температур в процессе использования двигателя 1 и в течение заданной продолжительности, например, одной минуты после его остановки. Сравнение температур осуществляется не только в процессе регенераций фильтра 6, реализуемых бортовым компьютером. Предложенная диагностика посредством отслеживания этих двух температур и их изменения позволяет, с одной стороны, осуществить распознавание спонтанных сгораний в фильтре 6 частиц и, с другой стороны, диагностику разрушения фильтра 6, вызванного очень интенсивным и очень быстрым выделением энергии.
Обычно, если измеренная зондом 11 на выходе фильтра температура превышает температуру зонда 10 на входе фильтра на определенный порог в течение определенного времени, в то время как бортовой компьютер 7 не управляет регенерацией (например, посредством позднего впрыска топлива), то в соответствии с алгоритмом делается вывод о неконтролируемом сгорании сажи в фильтре 6. Эти температурные и временные границы позволяют отличить случай сгорания в фильтре 6 от случая уменьшения нагрузки двигателя 1, который выдает менее нагретые выхлопные газы, что в зависимости от тепловой инерции фильтра может временно привести к уменьшению температуры, измеренной зондом 10, по сравнению с температурой, измеренной зондом 11. Таким образом, представляется понятным, что порог температуры и рассматриваемая длительность зависят от используемого фильтра, а также от двигателя и его рабочих точек, выбранных бортовым компьютером.
Кроме того, отслеживание температуры на входе и на выходе фильтра 6 позволяет оценить температурный градиент в фильтре. Значительный температурный градиент является хорошим индикатором неконтролируемого сгорания в фильтре 6.
Определение такого неконтролируемого сгорания и наблюдение за температурами на входе и на выходе фильтра частиц и их изменением в процессе этого спонтанного сгорания позволяют, кроме того, корректировать оцененный уровень загрузки в фильтре 6 частиц, принимая в расчет количество окисленных частиц в процессе неконтролируемой регенерации.
Кроме того, в рамках управляемой или неконтролируемой регенерации фильтра частиц сравнение температур на входе и на выходе фильтра 6 позволяет сделать вывод о случаях разрушения фильтра. Если измеренная зондом 11 температура превышает температуру зонда 10 на определенную величину (потенциально отличную от порога, используемого для определения неконтролируемого сгорания) в течение определенного периода (потенциально отличного от продолжительности, используемой для определения спонтанного сгорания) делается вывод о том, что имеет место разрушение фильтра.
Кроме того, если градиент температуры, оцененный в фильтре 6, превышает заданный максимум, делается вывод о том, что имеет место разрушение фильтра.
Если в соответствии с алгоритмом делается вывод о том, что произошло разрушение фильтра, то модуль 8 встроенной диагностики бортового компьютера 7 выдает сигнал тревоги. В соответствии с действующим законодательством и в будущем информация может быть записана в память компьютера 7 или модуля 8 встроенной диагностики, и световое тревожное устройство 9 предупреждает водителя об имеющемся дефекте.
Таким образом, в рамках использования автомобиля и в соответствии с существующими и будущими регламентациями, которые, например, предписывают соблюдать эффективность фильтрации фильтра на протяжении 160 000 км в рамках европейской нормы ЕВРО 5, становится возможным предупредить водителя, что определена критическая регенерация фильтра частиц, управляемая или неконтролируемая и, в известных случаях, спонтанно возникшая при вождении автомобиля, и что его эксплуатационные качества могут быть ухудшены.