СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧКИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ
METHOD OF REDUCING AGENT LEAKAGE DETERMINING

Изобретение относится к способу определения утечки восстановителя из устройства для обработки отработавшего газа (ОГ), прежде всего для передвижных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Для предотвращения высвобождения соединений оксидов азота в результате сгорания в современных ДВС, прежде всего дизельных агрегатах, успешно применяется так называемый способ СКВ (селективного каталитического восстановления). Для этого применяется катализатор СКВ, который имеет покрытие, которое делает возможной реакцию при относительно низких температурах. При селективном каталитическом восстановлении соединения оксидов азота вступают в реакцию с аммиаком, так что образуется азот и вода. Чтобы добиться как можно более высокой скорости превращения, является желательным предоставлять в распоряжение как можно больше аммиака для реакции. Однако, в то же время, требуется, чтобы как можно меньше аммиака покидало катализатор СКВ или же устройство для обработки ОГ, так как аммиак уже в незначительных количествах воспринимается как неблагоприятный запах. Поэтому стехиометрическая добавка аммиака представляет собой оптимальное количество добавки. Для приближения к этому оптимуму уже известно множество способов, которые, однако, либо медленны в адаптации, либо имеют низкую эффективность в отношении превращенного объема или израсходованного аммиака.
Исходя из этого, в основе настоящего изобретения лежит задача, по меньшей мере, частично преодолеть известные из уровня техники недостатки и/или проблемы. Задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Благоприятные усовершенствования являются предметом зависимых пунктов формулы.
Изобретение относится к способу определения утечки восстановителя из устройства для обработки ОГ, которое имеет, по меньшей мере, следующие компоненты:
- катализатор СКВ,
- расположенная в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ точка подачи восстановителя,
- устройство для определения количества соединений оксидов азота в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ, и
- второй датчик оксидов азота в направлении потока ОГ за катализатором СКВ.
Для устройства и второго датчика оксидов азота восстановитель и соединения оксидов азота являются неразличимыми. Количество добавки восстановителя в устройство для обработки ОГ регулируется звеном регулирования, которое имеет интегрирующий компонент регулирования. При этом способ имеет, по меньшей мере, следующие шаги:
а) определение разности сигналов датчика второго датчика оксидов азота и устройства,
б) определение рассогласования из разности и целевой величины регулятора,
г) определение градиента интегрирующего компонента регулирования,
д) установление утечки восстановителя, если рассогласование превышает первую пороговую величину, а градиент - вторую пороговую величину.
Подлежащая предотвращению утечка восстановителя возникает, прежде всего, при сверхстехиометрической добавке аммиака или же восстановителя, или предшественника восстановителя, прежде всего водного раствора мочевины, такого как, например, AdBlue с содержанием мочевины 32,5%. При этом водный раствор мочевины термически в ОГ (термолиз) и/или гидролитически в гидролизном катализаторе превращается в аммиак и воду. Эта сверхстехиометрическая добавка может, во-первых, возникнуть в результате отклонения требуемого количества от добавленного количества и/или в результате изменений температуры на способном к накоплению аммиака катализаторе СКВ, так как накопительная способность изменяется посредством температуры. Утечка восстановителя также может возникать исключительно в результате изменения температуры катализатора-накопителя.
Катализатор СКВ является, прежде всего, (например, керамическим) сотовым телом, которое является проходимым для потока ОГ и имеет как можно большую поверхность. На поверхности катализатора СКВ, которая входит в контакт с потоком ОГ, предусмотрено покрытие, которое понижает температуру окислительно-восстановительной реакции между аммиаком и соединениями оксидов азота. Кроме того, на катализаторе СКВ может быть предусмотрено покрытие, которое может хранить неиспользованный аммиак и тем самым делает катализатор СКВ способным к накоплению. Такое покрытие также может быть предусмотрено в конструктивно отдельном катализаторе-накопителе. В этой заявке катализатор СКВ и катализатор-накопитель и при конструктивном разделении совместно называются катализатором СКВ. В этом месте следует указать на то, что способ функционирует, как при использовании способного к накоплению катализатора, так и без способного к накоплению катализатора.
В направлении потока ОГ перед катализатором СКВ предусмотрена точка подачи (клапан, инжектор или тому подобное) восстановителя, так что в катализаторе СКВ имеется в распоряжении газ аммиак для реакции СКВ. Часто в ОГ вводится предшественник восстановителя, полностью испаряется лишь только в ОГ и таким образом только там превращается в аммиак.
Кроме того, устройство для обработки ОГ имеет второй датчик оксидов азота в направлении потока ОГ за катализатором СКВ. Под понятием «направление потока ОГ» при пульсирующем потоке ОГ имеется в виду направление, которое в устройстве для обработки ОГ указывает от ДВС к выходу выпускного трубопровода в окружающую среду.
Кроме того, устройство для обработки ОГ содержит устройство для определения количества соединений оксидов азота в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ. Это может быть, например, датчик оксидов азота, который по существу конструктивно идентичен второму датчику оксидов азота и отличается только своим положением относительно катализатора СКВ. Но устройство для определения также может быть моделью ОГ, которая рассчитывается на основе эмпирических экспериментальных данных или на основе справочных таблиц предоставляет в каждом случае соответствующие хранимые в памяти выходные величины для хранимых в памяти входных величин.
Для пояснения следует указать на то, что устройство для определения количества соединений оксидов азота может содержать первый датчик оксидов азота в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ. Так как ОГ в направлении потока сначала достигает первого датчика оксидов азота (пред катализатором СКВ), а затем второго датчика оксидов азота (за катализатором СКВ), были выбраны названия «первый» и «второй» датчик оксидов азота. Если устройство для определения количества соединений оксидов азота не имеет датчика оксидов азота, то устройство для обработки ОГ также может иметь только один единственный (здесь далее называемый «вторым») датчик оксидов азота.
По меньшей мере, для второго датчика оксидов азота, и при использовании первого датчика оксидов азота, восстановитель не является отличимым от соединений оксидов азота. Это означает, что датчик оксидов азота выдает одинаковый измерительный сигнал, когда он детектирует восстановитель (то есть, прежде всего, газ аммиак), как и при детектировании соединений оксидов азота. Если первый датчик оксидов азота расположен перед точкой подачи восстановителя, то результаты измерения в принципе идентичны основанному на модели расчету количества соединений оксидов азота перед катализатором СКВ, так как здесь еще нет восстановителя.
Количество добавки восстановителя регулируется звеном регулирования, которое в принципе выравнивает скорость превращения с подлежащим введению в последующем количеством добавки восстановителя. В этом звене регулирования предусмотрен компонент регулирования, который выполняет функцию памяти: посредством наинтегрирования входных величин регулятора выходная величина регулятора корректируется на средние входные величины, и таким образом имеет место длительно в режиме регулирования демпфирующее регулирующее действие, которое не допускает слишком большие отклонения относительно среднего значения входных величин. Если в звене регулирования отказываются от дифференцирующего компонента, то получают быстрый и точный регулятор, который, прежде всего, достигает желательной выходной величины и имеет стабильную характеристику в течение эксплуатации.
Чтобы можно было полностью использовать способности звена регулирования, предлагаются следующие шаги способа: сначала с помощью первого разностного оператора рассчитывается разность сигналов датчика или же выходной величины модели количества соединений оксидов азота перед катализатором СКВ и количества соединений оксидов азота за катализатором СКВ. Затем с помощью другого разностного оператора рассчитывается рассогласование из разности (сохраненной в памяти и/или рассчитанной) целевой величины регулятора (для достижения стехиометрического оптимума). При этом целевая величина регулятора также может быть расположена ниже стехиометрического оптимума или выше стехиометрического оптимума, причем должно быть принято во внимание, предусмотрен ли катализатор-накопитель, насколько он вовлечен в модель и/или сколько превращения может быть достигнуто посредством зачастую применяемого блокирующего катализатора (расположенный за катализатором СКВ катализатор окисления).
На следующем шаге, который может быть выполнен параллельно шагам а) и б), определяется градиент интегрирующего компонента регулирования. Градиент показывает скорость временного изменения интегрирующего компонента регулирования. Если величина градиента велика, то необходимо исходить из большого изменения интегрирующего компонента регулирования. Если же градиент мал, то регулятор работает в стабильном диапазоне или же в диапазоне около заданной целевой величины. Заданная целевая величина вытекает, например, из соответствующих законных требований. Эти законные требования руководствуются областью применения и необработанными выбросами (выбросы без существенной обработки ОГ) двигателя. Законными требованиями заданная величина также может быть установлена в процентах. Например, целевая величина восстановления оксидов азота в ОГ по отношению к необработанным выбросам может быть около 80%. Например, может быть допустимым снижение до 65% (и повышение впрыснутого количества жидкой добавки до 1,3-1,4-кратной величины) в течение периода времени от 5 до 180 секунд в рамках проведения описанного способа (в зависимости от массового потока ОГ и количества впрыснутой жидкой добавки).
Если же определенным рассогласованием превышается (и/или достигается) первая пороговая величина и также превышается градиентом интегрирующего компонента регулирования вторая пороговая величина, то из этого делается вывод, что имеется утечка восстановителя (проход газа аммиака через катализатор СКВ). В соответствии с этим дозируемое количество уменьшается регулятором. Это предположение основано на следующих взаимосвязях: по меньшей мере, второй датчик оксидов азота не делает различия между восстановителем, который в результате сверхстехиометрического наличия уходит из катализатора СКВ, и соединениями оксидов азота. Если исходить из того, что восстановитель был добавлен сверхстехиометрически и в каждом случае полностью превращается, то есть утечки не происходит, то второй датчик оксидов азота регистрирует исключительно соединения оксидов азота, а именно на величину интервала до стехиометрического количества добавки. В таком случае звено регулирования должно увеличить и увеличит количество добавки до целевой величины регулятора, например стехиометрический оптимум.
Если же добавляется больше восстановителя, чем может быть превращено, то второй датчик оксидов азота регистрирует часть восстановителя и, при определенных условиях, часть соединений оксидов азота. Без учета пороговых величин количество добавки восстановителя увеличивалось бы дальше, так как входной сигнал говорит об избытке соединений оксидов азота. Но поскольку при возникновении утечки количество восстановителя измерительное отклонение посредством второго датчика оксидов азота после медленного приближения к целевой величине заставляет внезапно значительно возрастать, через комбинацию пороговых величин регистрируется неправильная интерпретация регулятора, и количество добавки восстановителя может быть соответственно уменьшено звеном регулирования. Скорость такого регулятора, который базируется на предложенном способе, очень высока, и алгоритм удивительно прост. За счет этого получается надежный способ, при котором возникающая утечка восстановителя надежно регистрируется и поэтому является надежно предотвращаемой.
В одной благоприятной форме осуществления способа в направлении потока ОГ перед вторым датчиком оксидов азота и за точкой ввода добавки расположен катализатор-накопитель для накопления восстановителя. При этом является совершенно особенно предпочтительным, чтобы катализатор СКВ был выполнен как катализатор-накопитель, то есть сам (время от времени) накапливал восстановитель. Этого можно добиться посредством пористого основного материала (например, керамики) и/или особо адаптированного покрытия (пористость, количество, толщина слоя и т.д.).
К тому же катализатор-накопитель в состоянии накапливать аммиак, который был добавлен сверхстехиометрически, и при возникновении потребности (позднее или же при других условиях окружающей среды) снова выдавать его. Катализаторы-накопители часто имеют сильную температурную зависимость накопительной способности. Если катализатор-накопитель холодный, он может накапливать лишь незначительное количество аммиака. Если катализатор-накопитель слишком горячий, накопительная способность также уменьшается. Если катализатор-накопитель работает в стабильном температурном диапазоне, то тем самым может быть в достаточной мере обеспечено, чтобы в распоряжении имелось стехиометрическое количество аммиака для реакции СКВ. Однако, прежде всего, в мобильных ДВС температуры очень сильно колеблются. В результате этого использование катализатора-накопителя ухудшается. Возможность обхождения с этим лабильным свойством катализатора-накопителя состоит в том, что катализатор-накопитель дополняется лишь настолько, что в большинстве температурных диапазонов он не доходит до своего накопительного максимума, и поэтому не происходит обусловленной температурой утечки. Однако такое регулирование является неэффективным, так как оно приблизительно полностью не исчерпывает буферные способности катализатора-накопителя.
С помощью описанного выше способа может быть очень быстро отреагировано на такие изменения температуры и/или ошибочные дозировки, так что буферные свойства катализатора-накопителя могут использоваться с явно более высоким КПД. Регистрация температуры катализатора-накопителя для большинства случаев в связи с имеющимися конструктивными деталями с теплоемкостью является недостаточно быстрым, устранению чего способствует предложенный способ и к тому же предлагает прямое измерение утечки восстановителя, так что сбои и старение катализатора-накопителя адекватно регулируются.
Еще в одной благоприятной форме осуществления способа способ активируется, когда подсоединенный к устройству для обработки ОГ ДВС находится в устойчивом рабочем состоянии.
Прежде всего, при устройстве для обработки ОГ без катализатора-накопителя или же с катализатором СКВ лишь с незначительным накопительным действием является рациональным активировать способ только в устойчивом рабочем состоянии (распознаваемая или же прогнозируемая рабочая фаза с лишь незначительно изменяющимися условиями окружающей среды в устройстве для обработки ОГ) ДВС.
Различение того, имеется «устойчивое» рабочее состояние или нет, может быть сделано на основе предельных величин для определенных рабочих параметров автомобиля. Например, для различения могут использоваться градиент числа оборотов двигателя и/или градиент нагрузки на двигатель. Градиент учитывает временное изменение рабочего параметра. Если этот градиент или же градиенты ниже заданной предельной величины, имеется «устойчивое» рабочее состояние. В качестве параметра для распознавания «устойчивого» рабочего состояния также может использоваться градиент массового потока оксидов азота. Только когда этот градиент ниже установленной пороговой величины, имеется «устойчивое» рабочее состояние.
Для остальных состояний, в которых возникают изменение нагрузки на ДВС и тем самым изменения температур и составов ОГ, применяются традиционные способы. Именно в устойчивом рабочем состоянии с помощью предложенного способа быстро достигается оптимальное стехиометрическое состояние количества добавки. Возникновение утечки восстановителя вследствие сверхстехиометрической добавки восстановителя хорошо регистрируется уже при малых количествах. За счет этого достигается чрезмерное превышение верхнего предела утечки восстановителя. Прежде всего, предложенный способ подходит для того, чтобы компенсировать снижение количества превращения в катализаторе СКВ вследствие старения, отравления и прочих периодических изменений на катализаторе СКВ.
В еще одной благоприятной форме осуществления способа интегрирующий компонент регулирования для первого временного интервала ограничивается максимальной величиной, если на шаге д) констатируется утечка восстановителя.
Посредством установки интегрирующего компонента регулирования на максимальную величину «функция памяти» интегрирующего компонента регулирования преобразуется в задатчик с пропорциональным звеном регулирования. При этом максимальная величина на основе эмпирических данных может быть установлена на устойчивую величину, при которой в обычных условиях предотвращается утечка восстановителя. Также, максимальная величина может быть адаптирована в зависимости от входных параметров, а именно, например, степени отклонения от первой пороговой величины и/или от второй пороговой величины, например, на основе «Справочной» таблицы. Как правило, интегрирующий компонент регулирования сводится к максимальной величине, которая ниже наинтегрированного компонента регулирования. При этом далее шаг д), прежде всего, максимальная величина, или вводится (снова) и/или уже существующая предельная величина уменьшается до задаваемой максимальной величины. При установлении максимальной величины для интегрирующего компонента регулирования следует учитывать время восстановления, которое требуется регулятору после проведения описанного способа, и максимально допустимое время, в течение которого не происходит надлежащего уменьшения выброса оксидов азота. Эти периоды времени зависят от соответствующего предписания по ОГ. В течение времени восстановления обычно не происходит надлежащего уменьшения. Чем ниже максимальная величина, тем легче инициируется описанный способ.
Изобретение является применимым, прежде всего, в автомобиле, который имеет ДВС и устройство для обработки ОГ для очистки ОГ ДВС. Устройство для обработки ОГ имеет, по меньшей мере, следующие компоненты:
- катализатор СКВ,
- расположенную в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ точку подачи восстановителя,
- устройство для определения количества соединений оксидов азота в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ, и
- второй датчик оксидов азота в направлении потока ОГ за катализатором СКВ,
а также управляющее устройство, которое выполнено для осуществления способа в соответствии с вышеприведенным описанием.
Устройство для обработки ОГ выполнено для устранения вредных веществ из ОГ, так что на выходе впускного трубопровода в окружающую среду в очень высоком процентном отношении выделяются исключительно диоксид углерода, азот и вода. Прежде всего, в устройстве для обработки ОГ продукты сгорания дизельного топлива предпочтительно при низких температурах превращаются в безвредные ОГ. Для восстановления соединений оксидов азота в ОГ применяется катализатор СКВ, который имеет накопительные свойства или выполнен только для инициирования реакции, например, посредством снижения температуры реакции.
В направлении потока ОГ перед катализатором СКВ расположена точка подачи для восстановителя, например инжектор, как он известен для впрыска топлива в камеру сгорания ДВС. Через нее добавляется восстановитель или предшественник восстановителя, причем предшественник восстановителя, например, с помощью температуры ОГ и химического состава ОГ превращается в аммиак.
Кроме того, в направлении потока ОГ перед катализатором СКВ предусмотрено устройство для определения количества соединений оксидов азота. Оно может быть, как первым датчиком оксидов азота, так и моделью оксидов азота, например, на базе зачастую предвключенного катализатора окисления. Кроме того, в направлении потока ОГ за катализатором СКВ предусмотрен второй датчик оксидов азота, который может определять количество оксидов азота в ОГ после произошедшей реакции СКВ. Добавка восстановителя управляется контрольным устройством, которое может осуществлять описанный здесь способ. При этом это контрольное устройство может быть разработано и/или выполнено так, что наряду с этим способом альтернативно или параллельно является проводимым традиционный способ.
Приведенные в формуле изобретения отдельно признаки являются комбинируемыми между собой любым, технологически рациональным, образом и могут дополняться пояснительными фактами из описания и деталями из фигур, причем показываются дополнительные варианты осуществления изобретения.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются более детально на фигурах. Фигуры показывают особенно предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. Прежде всего, следует указать на то, что фигуры и, прежде всего, представленные отношения размеров являются лишь схематическими. Показано на:
Фиг. 1: схема соединений варианта осуществления способа определения утечки восстановителя из устройства для обработки ОГ,
Фиг. 2: диаграмма управления, и
Фиг. 3: автомобиль с устройством для обработки ОГ.
На фиг. 1 показана схема соединений варианта осуществления способа определения утечки восстановителя из устройства для обработки ОГ. Модель 1 катализатора СКВ 25 (изображен на фиг. 2) определяет скорость превращения. Входными величинами модели 1 являются первый сигнал 3 датчика и сигнал 8 дозирования. Первый сигнал 3 датчика может быть получен с помощью устройства и/или первого датчика оксидов азота и показывает определенное количество соединений оксидов азота в набегающем потоке ОГ перед катализатором СКВ 25. Сигнал 8 дозирования показывает количество добавленного восстановителя через точку 26 подачи (изображена на фиг. 2) перед катализатором СКВ 25. При регистрации количества оксидов азота посредством первого датчика 28 оксидов азота (изображен на фиг. 2) за точкой подачи восстановителя неправильное измерение может быть устранено с помощью сигнала 8 дозирования к первому сигналу 3 датчика.
В катализаторе СКВ 25 (или же в равной мере в модели катализатора СКВ 25) соединения оксидов азота и аммиак превращаются в окислительно-восстановительной реакции. Результат регистрируется посредством второго сигнала 4 датчика за катализатором СКВ 25, причем второй сигнал 4 датчика не делает различия между соединениями оксидов азота и восстановителем. Затем посредством первого разностного оператора 15 с входными сигналами второго сигнала 4 датчика и первым сигналом 3 датчика образуется разность 5. При этом, при определенных условиях, первый сигнал 3 датчика может направляться через звено 11 с запаздыванием, так что сигналы датчика относятся к одному и тому же участку ОГ, который обрабатывается в модели 1 катализатора СКВ 25. При этом звено 11 с запаздыванием может быть установлено на основе (ранее определенных) эмпирических экспериментальных данных через пространственную скорость ОГ в катализаторе СКВ 25 или на основе моделей и/или измерений адаптировано к имеющейся в каждом случае пространственной скорости. Затем с помощью второго разностного оператора 16 из входных величин разности 5 и целевой величины 6 образуется рассогласование 7. При этом целевой величиной 6 является желательно количество добавки восстановителя, например (фактически) стехиометрическое количество добавки. При этом целевая величина 6 может быть фиксированной величиной или адаптированной посредством еще одной модели к превращению в катализаторе СКВ 25, что здесь обозначено пунктирным функциональным полем 12 и стрелками. Затем рассогласование 7 подается на звено 2 регулирования, которое имеет интегрирующий компонент 20 регулирования и которое через сигнал 8 дозирования определяет количество подачи восстановителя. Одновременно измеряется рассогласование 7 и с помощью оператора 17 сравнения сравнивается с первой пороговой величиной 9.
Интегрирующий компонент 20 регулирования через дифференцирующее звено 14 пересчитывается в градиент. Градиент 21 через второй оператор 18 сравнения сравнивается со второй пороговой величиной 10. Лишь только когда превышаются обе пороговые величины, они через основной оператор 19 будут оказывать влияние на интегрирующий компонент 20 регулирования.
Чтобы сравнить между собой результаты сравнения одной и той же последовательности регулирования, между основным оператором 19 и оператором 17 сравнения включено второе звено 13 с запаздыванием.
На фиг. 2 показана диаграмма регулирования, на которой реакция регулятора 27 показана в форме утечки 36 восстановителя на нарушенную или же нежелательную скорость 37 превращения. При этом абсцисса 34 представляет собой ось времени. Ордината определяет показанные здесь немасштабно величины утечки 36 восстановителя и скорости 37 превращения. Пока скорость превращения конгруэнтна заданной скорости 38 превращения, утечка составляет ноль, как это можно считать на ординате. При возникновении нарушения скорость 37 превращения снижается, и кривая ПИ-регулятора пошла бы вверх, так как она не распознает, что скорость 37 превращения снизилась. Вместо этого она сделает допущение, что возможна повышенная скорость, и захочет подавать больше восстановителя. Но регулятор 27, который выполняет описанный здесь способ, реагирует на снижающуюся скорость 37 превращения и устанавливает утечку 36, которая в среднем 39 лишь немного отклоняется от нуля.
На фиг. 3 показан автомобиль 22, который имеет устройство 23 для обработки ОГ и ДВС 24. В устройстве 23 для обработки ОГ предусмотрен катализатор СКВ 25 и точка 26 подачи восстановителя, которая здесь в качестве примера изображена в виде впрыскивающего сопла. В этом примере регулятор 27 на основе входных величин от первого датчика 28 оксидов азота и второго датчика 29 оксидов азота выдает сигнал 8 дозирования (см. фиг. 1) на точку 26 подачи. На основании этого точка 26 подачи вводит восстановитель из бака 32 для восстановителя в устройство 23 для обработки ОГ в направлении 31 потока ОГ перед катализатором СКВ 25. В представленном примере катализатор СКВ 25 предусмотрен в виде катализатора-накопителя 40 (неразъемного или же интегрированного). Но катализатор-накопитель также может быть предусмотрен в виде (отдельной) конструктивной детали и расположен непосредственно перед входной стороной катализатора СКВ 25 (в качестве частичной области сотового тела и/или в виде отдельного тела-накопителя (нетканый материал, сотовое тело и т.п.) межу точкой 26 подачи и катализатором СКВ 25. В этом примере также предусмотрен катализатор 30 окисления перед точкой 26 подачи и первым датчиком 28 оксидов азота, который здесь является компонентом устройства 41 для определения количества соединений оксидов азота. Еще один катализатор 30 окисления предусмотрен вслед за вторым датчиком 29 оксидов азота.
С помощью предложенного здесь способа является возможным надежно устанавливать утечку восстановителя также и при использовании датчика оксидов азота с поперечной чувствительностью к восстановителю, причем может применяться очень быстрое звено регулирования.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ