РЕГЕНЕРАЦИЯ УСТРОЙСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
REGENERATION OF DEVICE FOR REDUCING TOXICITY OF WASTE GASES

Область техники
Раскрытое в настоящей заявке изобретение в целом относится к устройствам снижения токсичности отработавших газов.
Уровень техники и раскрытие изобретения
В выпускных системах некоторых двигателей внутреннего сгорания используют фильтры твердых частиц для улавливания твердых частиц из потока через выпускную систему и соблюдения, таким образом, нормативов выбросов. Например, в двигателе с турбонаддувом и искровым зажиганием фильтр твердых частиц может использоваться для улавливания сажи. По мере скопления твердых частиц в фильтре твердых частиц, повышается противодавление отработавших газов, что снижает эффективность использования топлива. В связи с этим, фильтр твердых частиц требует периодической регенерации путем окисления скопившихся твердых частиц. Для реакции регенерации необходимы кислород и соответствующий температурный режим. Однако подача избыточного кислорода для реакции регенерации в систему с искровым зажиганием может быть затруднена, поскольку двигатели с искровым зажиганием обычно работают в стехиометрическом режиме.
В заявке на патент США №2011/0073088 раскрыты способы регенерации фильтра твердых частиц для двигателя с искровым зажиганием. В одном примере используют отсечку топлива в режиме замедления ОТРЗ (DFSO) для подачи избыточного кислорода в фильтр твердых частиц и, следовательно, облегчения его регенерации. Также раскрыт способ пассивной регенерации фильтра, предусматривающий окисление скопившейся в фильтре сажи без явного изменения параметров работы двигателя для подачи дополнительного воздуха в фильтр.
Авторы настоящего изобретения выявили недостаток вышеуказанного способа. Избыточный кислород, подаваемый в фильтр твердых частиц для реакции регенерации во время ОТРЗ, может полностью расходоваться в процессе этой реакции. Несмотря на то, что это обеспечивает достаточную регенерацию фильтра, запас кислорода в выпускной системе (например, в покрытии из пористого оксида каталитического нейтрализатора) может истощаться и не может быть пополнен из-за полного поглощения избыточного кислорода при реакции регенерации. В этом случае пассивная регенерация фильтра невозможна без подачи избыточного кислорода иными путями.
Одно решение, по меньшей мере частично устраняющее вышеуказанные недостатки, включает способ для устройства снижения токсичности отработавших газов, содержащего каталитический нейтрализатор и фильтр, включающий пассивную регенерацию фильтра и регулирование продолжительности активной регенерации фильтра с помощью контроллера в зависимости от емкости по кислороду устройства снижения токсичности отработавших газов.
В более конкретном примере, способ также включает определение количества твердых частиц, скопившихся в фильтре, и активную регенерацию фильтра, если их количество превысило или достигло порогового.
В другом примере активная регенерация фильтра включает инициацию отсечки топлива в режиме замедления.
В еще одном примере способ также включает увеличение продолжительности отсечки топлива в режиме замедления для пополнения по меньшей мере части запаса кислорода в устройстве снижения токсичности отработавших газов.
Таким образом, ОТРЗ, инициированная в рамках активной регенерации фильтра, может использоваться для пополнения запаса кислорода в устройстве снижения токсичности отработавших газов, в связи с чем можно участить проведение пассивной регенерации фильтра. Следовательно, можно снизить частоту изменения параметров работы двигателя для подачи избыточного кислорода для регенерации фильтра, что может повысить эффективность расходования топлива и улучшить дорожные качества транспортного средства.
Вышеуказанные преимущества, а также прочие преимущества и отличительные признаки раскрытого в настоящей заявке изобретения, станут очевидны из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения» при его отдельном рассмотрении либо во взаимосвязи с прилагаемыми чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». И наконец, вышеприведенное пояснение не означает признания того, что какая-либо информация или проблемы были хорошо известны.
Краткое описание Фигур
ФИГ. 1 представляет собой блок-схему системы в составе транспортного средства.
На ФИГ. 2 схематически изображен двигатель транспортного средства.
На ФИГ. 3А представлен пример выпускной системы транспортного средства, содержащей устройство снижения токсичности отработавших газов.
ФИГ. 3В представляет собой блок-схему, иллюстрирующую особенности выпускной система транспортного средства на ФИГ. 3А.
На ФИГ. 4А представлен другой пример выпускной система транспортного средства, содержащей устройство снижения токсичности отработавших газов.
ФИГ. 4В представляет собой блок-схему, иллюстрирующую особенности выпускной система транспортного средства на ФИГ. 4А.
ФИГ. 5 представляет собой структурную схему способа регенерации фильтра твердых частиц устройства снижения токсичности отработавших газов.
На ФИГ. 6 представлен график изменения процесса регенерации фильтра в зависимости от емкости по кислороду.
Осуществление изобретения
Предложено несколько способов (вариантов) эксплуатации устройства снижения токсичности отработавших газов. В одном примере способ для устройства снижения токсичности отработавших газов, содержащего каталитический нейтрализатор и фильтр, включает пассивную регенерацию фильтра и регулирование продолжительности активной регенерации фильтра с помощью контроллера в зависимости от емкости по кислороду устройства снижения токсичности отработавших газов. ФИГ. 1 представляет собой блок-схему системы в составе транспортного средства, на ФИГ. 2 схематически изображен двигатель транспортного средства, на ФИГ. 3А представлен пример выпускной системы транспортного средства, содержащей устройство снижения токсичности отработавших газов, ФИГ. 3В представляет собой блок-схему, иллюстрирующую особенности выпускной системы транспортного средства на ФИГ. 3А, на ФИГ. 4А представлен другой пример выпускной система транспортного средства, содержащей устройство снижения токсичности отработавших газов, ФИГ. 4В представляет собой блок-схему, иллюстрирующую особенности выпускной система транспортного средства на ФИГ. 4А, ФИГ. 5 представляет собой структурную схему способа регенерации фильтра твердых частиц устройства снижения токсичности отработавших газов, на ФИГ. 6 представлен график изменения процесса регенерации фильтра в зависимости от емкости по кислороду. Двигатель, изображенный на ФИГ. 1 и 2, также содержит контроллер, выполненный с возможностью реализации способа, раскрытого на ФИГ. 5.
На ФИГ. 1 схематически изображена система 100, содержащая двигатель 10 внутреннего сгорания, в некоторых примерах представляющий собой двигатель с непосредственным впрыском и искровым зажиганием. Двигатель 10 может содержать несколько цилиндров, а выходной крутящий момент может передаваться на трансмиссию (не показана), которая, в свою очередь, соединена с ведущим колесом, соприкасающимся с дорожной поверхностью. Трансмиссия может быть механической, автоматической или представлять собой различные комбинации механической и автоматической. Система также может содержать различные дополнительные компоненты, например: гидротрансформатор крутящего момента и (или) другие механизмы, такие как механизм конечной передачи и т.п.
Система 100 содержит турбокомпрессор, содержащий турбину 164 ниже по потоку от двигателя 10 и компрессор 162 выше по потоку от двигателя 10. Дроссель 62 для регулирования подачи воздуха во впускной коллектор 44 показан расположенным ниже по потоку от компрессора 162. В других примерах дроссель 62 может быть расположен выше по потоку от компрессора 162, а также (или) могут наличествовать дополнительные дроссели.
Система 100 также содержит тракт 140 системы рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR) высокого давления ВД (HP) с первым отверстием ниже по потоку от дросселя 62 и выше по потоку от цилиндров двигателя 10 и в торое отверстие ниже по потоку от турбины 164 и выше по потоку от фильтра твердых частиц ФТЧ (PF) 72, для рециркуляции отработавших газов через них. Клапан 142 РОГ высокого давления (ВД) располагают между первым и вторым отверстиями тракта 140 РОГ ВД, при этом его положение можно регулировать в зависимости от текущих параметров работы двигателя. Например, клапан 142 РОГ ВД может быть открыт во время работы двигателя, когда наддув из турбокомпрессора нежелателен.
Система 100 также может содержать тракт 26 РОГ низкого давления с клапаном 28 РОГ низкого давления (НД). Тракт 26 РОГ низкого давления можно использовать для рециркуляции газов из отверстия ниже по потоку от трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ТКН (TWC) 71 в точку выше по потоку от компрессора 162, например, когда наддув двигателя желателен и (или) осуществляется турбокомпрессором, и когда клапан 142 РОГ ВД закрыт.
Система 100 может также содержать устройство снижения токсичности отработавших газов УСТОГ (ECD) с общим номером позиции 70. В раскрытом варианте осуществления УСТОГ 70 содержит ТКН 71 и ФТЧ 72, расположенный за ТКН. Двигатель 10, таким образом, может быть выполнен с возможностью выпуска отработавших газов через выпускной канал 48 в ТКН 71, расположенный ниже по потоку от двигателя 10. В выпускном канале 48 могут быть установлены один или несколько датчиков отработавших газов. Например, датчик 14 кислорода и датчик 16 температуры располагают ниже по потоку от ТКН 71 для замера содержания избыточного кислорода и температуры соответственно. Например, избыточный кислород может измеряться как процентная доля от содержания кислорода в потоке воздуха в выпускном канале 48. При этом следует понимать, что возможна установка дополнительных датчиков кислорода и (или) температуры выше по потоку, ниже по потоку от или на ТКН 71 ФТЧ 72. ТКН 71 можно установить выше по потоку от фильтра 72 твердых частиц для снижения выброса загрязняющих веществ, чтобы сажа и другие твердые частицы, поступающие в ФТЧ 72, были в основном инертными. ТКН 71 и ФТЧ 72 могут, таким образом, функционировать совместно для одновременного сокращения содержания углеводородов, угарного газа, оксидов азота, сажи и т.п. Однако в других вариантах ТКН 71 может быть расположен ниже по потоку от ФТЧ 72. ФТЧ 72 также можно установить между двумя и более трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами или иными устройствами снижения токсичности отработавших газов (например: системами избирательного каталитического восстановления, накопителями оксидов азота) или их комбинациями.
В некоторых вариантах ФТЧ 72 может содержать один или несколько каталитических материалов вдобавок к компонентам для фильтрации отработавших газов. Например, ФТЧ 72 может иметь пористое оксидное покрытие, содержащее один или несколько катализаторов. В некоторых примерах пористое оксидное покрытие может также содержать один или несколько материалов, могущих накапливать кислород в ФТЧ 72, далее именуемых «материалы-накопители кислорода», которые можно использовать для регенерации ФТЧ в определенных режимах. Например, данная конфигурация может использоваться в вариантах с двигателем 10 искрового зажигания. В некоторых вариантах ТКН 71 и ФТЧ 72 могут представлять собой отдельные компоненты с отдельными корпусами, расположенные на расстоянии друг от друга (например, ТКН выше по потоку от ФТЧ, как показано на ФИГ. 1). В других вариантах ТКН 71 и ФТЧ 72 могут входить в состав единого УСТОГ. Единое УСТОГ может обеспечить каталитическое преобразование и фильтрацию в рамках одной единой структуры и может также содержать один или несколько материалов-накопителей кислорода. Подробное описание примеров УСТОГ приведено ниже со ссылками на ФИГ. 3А-В. При этом следует понимать, что раскрытый пример УСТОГ 70 не имеет ограничительного характера, а также то, что в других вариантах УСТОГ может содержать другие компоненты в дополнение к ТКН 71 и (или) ФТЧ 72 или вместо них, включая накопитель оксидов азота, катализатор ИКВ (SCR) (избирательного каталитического восстановления), фильтр твердых частиц в отработавших газах дизельного или бензинового двигателя и окислительный нейтрализатор, но не ограничиваясь ими.
В некоторых вариантах осуществления двигатель 10 может представлять собой двигатель с турбонаддувом и искровым зажиганием, и в этом случае ФТЧ 72 может представлять собой фильтр твердых частиц отработавших газов бензинового двигателя, установленный для соблюдения требований к выбросам, в частности, к размерам и количеству твердых частиц. В данном примере в двигателе 10 может образовываться значительное количество твердых частиц, например, сажи, которые может улавливать ФТЧ 72. Однако в результате скопления твердых частиц в ФТЧ 72 будет расти противодавление. В связи с этим, ФТЧ 72 можно периодически регенерировать, для чего может потребоваться избыточный кислород в сочетании с соответствующими температурами. Однако при работе двигателя 10 на стехиометрической смеси, подача избыточного кислорода для регенерации фильтра может оказаться невозможной. В связи с этим, в настоящем описании раскрыты различные подходы к решению проблемы подачи достаточного количества избыточного кислорода для регенерации фильтра в случаях, когда ее невозможно обеспечить иным способом при работе двигателя 10 на стехиометрической смеси.
На ФИГ. 1 показаны необязательные преобразователь 18 энергии и накопитель 20 энергии, которые могут быть включены в состав системы. Как показано на фигуре, преобразователь 18 энергии связан с двигателем 10. Преобразователь 18 энергии может, помимо прочих устройств и их комбинаций, содержать электродвигатель и (или) генератор. Преобразователь 18 энергии показан также связанным с накопителем 20 энергии, могущим содержать батарею, конденсатор, маховик, камеру высокого давления и т.п. Преобразователь 18 энергии может поглощать энергию, образующуюся при движении транспортного средства и (или) двигателя, и преобразовывать ее в энергию, пригодную для накопления в накопителе 20 энергии (например, функционировать как генератор). Преобразователь 18 энергии также может использоваться для передачи вырабатываемой мощности, работы, крутящего момента, скорости и т.п.на ведущие колеса и (или) двигатель 10 (например, использовать электродвигатель для поддержания вращения двигателя при отсутствии сгорания топлива). Следует понимать, что преобразователь 18 энергии может, в некоторых вариантах, содержать только электродвигатель, только генератор, или и электродвигатель, и генератор, помимо разных прочих компонентов, необходимых для передачи энергии от накопителя энергии на колеса транспортного средства и (или) двигатель.
Соединения между двигателем 10, преобразователем 18 энергии, трансмиссией и ведущими колесами передают механическую энергию от одного компонента другому, а соединения между преобразователем 18 энергии и накопителем 20 энергии могут передавать различные виды энергии, например: электрическую, механическую и т.п. Например, крутящий момент может передаваться от двигателя 10 для приведения в действие ведущих колес транспортного средства через трансмиссию, при этом, как раскрыто выше, преобразователь 18 энергии может быть выполнен с возможностью функционировать в режиме генератора и (или) в режиме электродвигателя. В режиме генератора преобразователь 18 энергии поглощает часть или всю энергию от двигателя 10 и (или) трансмиссии, что уменьшает передачу эффективной мощности двигателя на ведущее колесо или величину тормозного момента, передаваемого на ведущее колесо. Данный режим может использоваться, например, чтобы добиться повышения эффективности за счет рекуперативного торможения, повышения КПД двигателя и т.п.Кроме того, выходная энергия, полученная преобразователем 18 энергии, может использоваться для зарядки накопителя 20 энергии. В режиме электродвигателя преобразователь 18 энергии может подавать механическую мощность на двигатель 10 и (или) трансмиссию, например, используя электрическую энергию, накопленную в электрической аккумуляторной батарее (например, накопителе 20 энергии).
Варианты осуществления с гибридно-электрической силовой установкой могут содержать последовательно-параллельные схемы, при наличии которых транспортное средство может приводиться в движение только двигателем, только преобразователем энергии (например, электродвигателем), либо за счет их комбинированной работы. Также могут использоваться параллельные схемы силовой установки, при которых крутящий момент создается в основном за счет сгорания топлива в двигателе, а гибридная силовая установка используется для избирательной подачи дополнительного крутящего момента, например, при резком нажатии на педаль газа или в других режимах. Кроме того, могут использоваться системы «стартер-генератор» и (или) интеллектуальные генераторы переменного тока.
На основании вышеизложенного следует понимать, что раскрытая в качестве примера гибридная силовая установка может работать в различных режимах. Например, при последовательно-параллельной схеме силовая установка может работать, используя преобразователь 18 энергии (например, электродвигатель) в качестве единственного источника крутящего момента для проворачивания коленчатого вала двигателя и (или) приведения в движение транспортного средства. Данный «безбензиновый» режим может использоваться при торможении, на низких оборотах, при стоянии на светофоре и т.п. В другом режиме двигатель 10 работает (например, сжигает топливо) и функционирует как единственный источник крутящего момента для приведения в действие ведущих колес. Еще в одном режиме, который можно назвать «параллельным», преобразователь 18 энергии может дополнять и работать совместно с двигателем, создающим крутящий момент за счет сгорания топлива. Как сказано выше, преобразователь 18 энергии также может работать в режиме генератора, поглощая энергию крутящего момента от двигателя 10 и (или) трансмиссии.
Один или несколько компонентов, раскрытых в отношении ФИГ. 1 (например: клапан 142 РОГ ВД, клапан 28 РОГ НД), и (или) других компонентов, которые не показаны на ФИГ. 1, но потенциально могут содержаться в системе 100 (например: перепускной клапан турбины, перепускной клапан компрессора, клапан на выпускной трубе), могут регулироваться электронным контроллером. В некоторых примерах цели регулирования могут включать управление параметрами работы ФТЧ 72 (например, емкостью фильтра по кислороду, подачей кислорода в фильтр) и (или) выпускной системы (например, температурой отработавших газов) как будет подробно раскрыто ниже. Пример электронного контроллера подробно раскрыт со ссылкой на ФИГ. 2.
Обратимся к ФИГ. 2 - принципиальной схеме, изображающей один из цилиндров многоцилиндрового двигателя 10, который может входить в силовую установку автомобиля. Двигателем 10 можно по меньшей мере частично управлять с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, и управляющих воздействий водителя 132 через устройство 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали ПП (РР). Камера 30 сгорания (т.е. цилиндр) двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания с расположенным между ними поршнем 36. В некоторых вариантах поверхность поршня 36 в цилиндре 30 может содержать выемку. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с по меньшей мере одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему передачи. Кроме того, для обеспечения запуска двигателя 10, с коленчатым валом 40 может быть соединен стартер через маховик.
Всасываемый воздух может поступать в камеру 30 сгорания из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а отработавшие газы могут выходить через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 соответственно. В некоторых вариантах камера 30 сгорания может содержать два и более впускных клапана и (или) два и более выпускных клапана.
Впускным клапаном 52 может управлять контроллер 12 через электрический исполнительный механизм 51 клапана ЭИМК (EVA) 51. Сходным образом, выпускным клапаном 54 может управлять контроллер 12 через ЭИМК 53. В других вариантах привод регулируемого клапана может быть электрогидравлического или другого возможного типа для приведения клапана в действие. В некоторых условиях контроллер 12 может изменять сигналы, направляемые на исполнительные механизмы 51 и 53, для регулирования степени открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов соответственно. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 могут определять датчики 55 и 57 положения клапанов соответственно. В других вариантах осуществления один или несколько впускных и выпускных клапанов могут приводиться в действие с помощью одного или нескольких кулачков с возможностью использования одной или нескольких из следующих систем: переключение профиля кулачков ППК (CPS), изменение фаз кулачкового распределения ИФКР (VCT), изменение фаз газораспределения ИФГ (VVT) и (или) изменение высоты подъема клапанов ИВПК (WL) для регулирования работы клапанов. Например, в другом варианте цилиндр 30 может содержать впускной клапан с электроприводом и выпускной клапан с кулачковым приводом, включая ППК и (или) ИФКР.
Топливная форсунка 66 показана соединенной непосредственно с камерой 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности импульса впрыска топлива ИВТ (FPW), полученного от контроллера 12. Таким образом, топливная форсунка 66 обеспечивает то, что известно как «непосредственный впрыск топлива» в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может быть установлена, например, сбоку или сверху от камеры сгорания. Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 по топливной системе (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу.
Система 88 зажигания может подавать искру зажигания в камеру 30 сгорания с помощью свечи 92 зажигания по сигналу опережения зажигания ОЗ (SA) от контроллера 12 в определенных режимах работы. Хотя компоненты системы искрового зажигания не показаны, в некоторых вариантах камера 30 сгорания, либо еще одна или несколько камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия, с искрой зажигания или без нее.
Впускной канал 42 или впускной коллектор 44 могут содержать дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 или степень ее открытия может изменять контроллер 12, направляя сигнал на электродвигатель или привод в составе дросселя 62; данная конфигурация обычно называется «электронное управление дроссельной заслонкой» ЭУДЗ (ETC). Таким образом, дроссель 62 можно использовать для изменения расхода воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания среди прочих цилиндров двигателя. Контроллер 12 может получать информацию о положении дроссельной заслонки 64 в виде сигнала положения дросселя ПД (TP). Впускной канал 42 может содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для направления сигналов МРВ (MAF) и ДВК (MAP) в контроллер 12.
2
Также, в раскрытых вариантах осуществления система рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR) может направлять необходимое количество отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44. В данном примере описывается тракт 140 РОГ высокого давления ВД (HP). Подачу отработавших газов рециркуляции во впускной коллектор 44 может регулировать контроллер 12 с помощью клапана 142 РОГ ВД. Кроме того, датчик 144 РОГ может быть установлен в тракте 140 РОГ ВД и использоваться для получения значений одного или нескольких из следующих параметров: давления, температуры и концентрации отработавших газов. В другом варианте поток РОГ можно контролировать в зависимости от значений, вычисленных на основе показаний датчиков МРВ (выше по потоку), ДВК (впускной коллектор), ТВК (температуры газа в коллекторе) и датчика частоты вращения коленчатого вала. Расход РОГ также можно регулировать в зависимости от показаний датчика O на выхлопе и (или) датчика кислорода на входе (впускной коллектор). В некоторых условиях, систему РОГ можно использовать для регулирования температуры топливно-воздушной смеси в камере сгорания и (или) температуры в ФТЧ 72. Несмотря на то, что на ФИГ. 2 показана система РОГ высокого давления, дополнительно к ней или вместо нее может использоваться система РОГ низкого давления. В системе РОГ низкого давления, отработавшие газы рециркуляции можно направлять из зоны ниже по потоку от турбины турбокомпрессора в зону выше по потоку от компрессора турбокомпрессора как показано на ФИГ. 1.
Следовательно, двигатель 10 также может включать устройство сжатия, например, турбокомпрессор или нагнетатель, содержащий по меньшей мере компрессор 162, расположенный вдоль впускного коллектора 44. В случае турбокомпрессора, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 164 (например, через вал), установленной вдоль выпускного канала 48. В случае нагнетателя, компрессор 162 может по меньшей мере частично приводиться в действие двигателем 10 и (или) другой электрической машиной, и может не содержать турбину. Таким образом, подачу сжатого газа в один или несколько цилиндров двигателя с помощью турбокомпрессора или нагнетателя может регулировать контроллер 12.
Датчик 126 отработавших газов показан подключенным в выпускной канал 48 выше по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов (УСТОГ) 70. Датчик 126 отработавших газов может представлять собой датчик любого типа, подходящего для получения показаний воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например: линейный датчик кислорода или УДКОГ (UEGO) (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или ДКОГ (EGO), НДКОГ (HEGO) (нагреваемый ДКОГ), датчик оксидов азота, углеводородов или угарного газа. Несмотря на то, что датчик 14 кислорода и датчик 16 температуры показаны в дополнение к датчику 126 отработавших газов на ФИГ. 2, один или несколько этих датчиков можно убрать и (или) переместить.
УСТОГ 70 показано установленным вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 отработавших газов. В данном примере УСТОГ 70 содержит трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) 71 и фильтр твердых частиц (ФТЧ) 72. В некоторых вариантах ФТЧ 72 может располагаться ниже по потоку от ТКН 71 (как показано на ФИГ. 2), а в других вариантах ФТЧ 72 может располагаться выше по потоку от каталитического нейтрализатора (не показано на ФИГ. 2). ФТЧ 72 также может быть установлен между двух или более трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов или других устройств снижения токсичности отработавших газов (например, систем избирательного каталитического восстановления, накопителей оксидов азота) или их комбинаций. В других вариантах ТКН 71 и ФТЧ 72 могут быть заключены в единый корпус, как раскрыто выше. Также, в некоторых вариантах ФТЧ 72 может содержать один или несколько носителей катализатора и (или) материалов-накопителей кислорода. Примеры РОГ подробно раскрыты ниже со ссылками на ФИГ. 3А-В. Как будет более подробно раскрыто далее, различные параметры работы двигателя 10 можно регулировать, чтобы обеспечить возможность выполнения различных действий с УСТОГ 70, включая, помимо прочего, регенерацию ФТЧ 72.
Контроллер 12 показан на ФИГ. 2 в виде микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102, порты 104 ввода/вывода, электронную среду хранения (например, машиночитаемую) выполняемых программ и калибровочных значений, в данном конкретном примере показанную в виде постоянного запоминающего устройства 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, среди которых можно назвать: показание массового расхода всасываемого воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; показание температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, связанного с рубашкой 114 охлаждения двигателя; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 40; положения дросселя (ПД) или степени открытия дроссельной заслонки от датчика положения дросселя; сигнал абсолютного давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал ДВК от датчика ДВК можно использовать для индикации разряжения или давления во впускном коллекторе. Следует учесть, что возможно использование различных комбинаций вышеуказанных датчиков, например, датчика МРВ без датчика ДВК или наоборот. Во время работы на стехиометрической смеси, датчик ДВК может давать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, помимо замера частоты вращения двигателя, может использоваться для оценки заряда (включая воздух), поданного в цилиндр. В одном примере датчик 118, также используемый как датчик частоты вращения двигателя, может генерировать заданное количество импульсов с равными промежутками при каждом обороте коленчатого вала.
В носитель информации - постоянное запоминающее устройство 106 могут быть введены машиночитаемые данные, представляющие собой команды, исполняемые микропроцессором 102 для выполнения раскрытых в настоящей заявке способов, а также других предполагаемых, но конкретно не перечисленных вариантов.
Как сказано выше, на ФИГ. 2 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, при этом любой его цилиндр может также включать собственный комплект впускных/выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и т.п.
На ФИГ. 3А показан пример выпускной системы 300 транспортного средства, содержащей устройство 302 снижения токсичности отработавших газов (УСТОГ). В некоторых примерах УСТОГ 302 может представлять собой УСТОГ 70, изображенное на ФИГ. 1 и (или) 2. Выпускная система 300 содержит выпускной коллектор 304 с несколькими выпускными трактами или каналами, из которых истекают отработавшие газы из цилиндров двигателя (например, цилиндра 30 на ФИГ. 2). Выпускные тракты связаны со сборной областью 306 выше по потоку от УСТОГ 302, за которой следует выпускной канал 308. Таким образом, УСТОГ 302 выполнено с возможностью приема отработавших газов из двигателя, например, двигателя 10 на ФИГ. 1 и 2.
Выпускной коллектор 304 содержит тракты 310, 312 и 314, сходящиеся и образующие короткий, узкий собирательный выпускной канал 316. Значения длины и ширины трактов 310, 312 и 314 могут быть равными или неравными, при этом под длиной тракта может пониматься результат измерений по центральной оси тракта от выпускного коллектора 304 до центра собирательного выпускного канала 316, а под шириной тракта может пониматься диаметр тракта в любом поперечном сечении перпендикулярно центральной оси этого тракта. Для вариантов, в которых длины по меньшей мере двух из трактов 310, 312 и 314 неодинаковы, наиболее длинный тракт может располагаться на одной стороне (например, верхней, нижней) выпускного коллектора 304. Кроме того, по меньшей мере часть одного или нескольких из трактов 310, 312 и 314 может быть практически соосна (например, в пределах 5°) по меньшей мере части УСТОГ 302 (например, продольной оси УСТОГ).
От геометрических характеристик трактов 310, 312 и 314 могут зависеть различные аспекты работы двигателя. Например, если диаметр выпускного тракта слишком мал, это может привести к росту противодавления в выпускной системе из-за недостаточного расхода отработавших газов. Наоборот, если диаметр выпускного тракта слишком велик, скорость потока отработавших газов может быть низкой, что может отрицательно сказаться на возможности очистки отработавших газов. Длина выпускного тракта также влияет на инерцию и настройку волны, что может отрицательно повлиять на эффект, который очистка оказывает на выработку мощности. В связи с этим, геометрические характеристики одного или нескольких из трактов 310, 312 и 314 можно выбирать с учетом этих рабочих факторов.
В примере, изображенном на ФИГ. 3А, УСТОГ 302 содержит бачок 318 каталитического нейтрализатора, расположенный в корпусе 319 УСТОГ. Бачок 318 каталитического нейтрализатора, в частности, расположен вблизи и ниже по потоку от собирательного выпускного канала 316 и выше по потоку от раскрытого ниже фильтра. Бачок 318 каталитического нейтрализатора содержит блок-носитель 320, расположенный между установочными матами 322, находящимися между блоком-носителем 320 и верхней стенкой 324 корпуса 319 УСТОГ и между блоком-носителем 320 и нижней стенкой 326 корпуса УСТОГ. Установочные маты 322 могут содержать, например, кварцевые волокна. Блок-носитель 320 может представлять собой пористую основу для металлосодержащих веществ-катализаторов, действующих совместно с подложкой для формирования каталитического нейтрализатора 321. В некоторых примерах каталитический нейтрализатор 321 может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), и может повышать эффективность преобразования частиц, содержащихся в отработавших газах, образующихся при холодном запуске. Как показано на ФИГ. 3А, блок-носитель 320 расположен в непосредственной близости от выпускного коллектора 304. Такая плотная компоновка может способствовать быстрому повышению температуры блока-носителя 320 до температуры активации катализатора. После достижения температуры активации катализатора становится возможным эффективное преобразование газообразных веществ в отработавших газах в желаемые инертные газы.
На ФИГ. 3В представлена блок-схема компонентов выпускной системы транспортного средства 300. В частности, ФИГ. 3В иллюстрирует компоненты, формирующие блок-носитель 320, и примеры материалов, которые могут содержаться в блоке-носителе. В примере, изображенном на ФИГ. 3В, блок-носитель 320 содержит подложку 328, которая может представлять собой подложку в форме сот с проточными стенками. Для подложки 328 можно использовать различные подходящие материалы, включая материалы с высокой пористостью (например, от 40% до 80%) и высокой удельной поверхностью. Неограничивающие примеры подходящих материалов подложки для каталитического нейтрализатора включают керамические материалы (например: синтетический кордиерит, титанат алюминия, карбид кремния), минералы (например, глинозем) и металлы (например, нержавеющую сталь), но не ограничиваются ими. В некоторых примерах в блоке-носителе 320 могут использоваться материалы-подложки, обычно используемые в каталитических нейтрализаторах для двигателей с воспламенением от сжатия. В некоторых вариантах осуществления блок-носитель 320 может содержать такие материалы-подложки катализатора, как окись церия (например, оксид церия(IV)) или барий для дополнительной стабилизации. Блок-носитель 320 может быть выполнен в разных подходящих вариантах, например, в виде монолитной ячеистой конструкции, из крученого волокна или слоистых материалов.
Металлические каталитические нейтрализаторы вступают в реакцию с веществами в отработавших газах, например: с окислами азота, углеводородами и угарным газом, для их преобразования в желаемые инертные газы. Носителем каталитических нейтрализаторов может быть подложка 328, на которой они загружаются в блок-носитель 320 различными способами. Например, подложка 328 может быть покрыта суспензией вещества прекурсора (веществ прекурсоров) металлосодержащих катализаторов с использованием мокрых химических методов для формирования пористого оксидного покрытия 330. После нанесения пористого оксидного покрытия 330, подложку 328 можно высушить и кальцинировать. В примере, изображенном на ФИГ. 3В, пористое оксидное покрытие 330 содержит один или несколько каталитических материалов 332, которые могут содержать драгоценные металлы (например, палладий), комбинации драгоценных металлов (например, палладия и платины) или редкоземельные металлы (например, иттрий). Пористое оксидное покрытие 330 также содержит один или несколько материалов-накопителей 334 кислорода, позволяющих накапливать в УСТОГ 302 кислород, который можно будет использовать для регенерации раскрытого ниже фильтра, расположенного ниже по потоку от блока-носителя 320. Материалы-накопители 334 кислорода могут включать, например, церий-циркониевые (Ce-Zr) материалы.
∧
-3
-2
На ФИГ. 3А также показана густота ячеек в блоке-носитель 320. Густота ячеек может измеряться как количество ячеек на квадратный дюйм (cspi) и может влиять на такие параметры, как геометрическая поверхность, на которой расположен катализатор, массовый расход отработавших материалов через блок-носитель 320, теплопередача через блок-носитель и образующееся противодавление отработавших газов, а также на другие параметры. При увеличении густоты ячеек блока-носителя увеличивается каталитически-активная поверхность без изменения габаритных размеров блока-носителя. Физическая конфигурация и химические свойства блока-носителя могут контролироваться для обеспечения контроля качества снижения токсичности отработавших газов и могут характеризоваться интервалом между ячейками (L) и толщиной стенки ячейки (t). Густота ячеек (N), определяемая как количество ячеек на единицу площади поперечного сечения, обратно пропорциональна интервалу между ячейками - например, N=1/(L2). Следовательно, если интервал между ячейками мал, на поверхности основы каталитического нейтрализатора расположено большое количество ячеек. В качестве неограничивающего примера, густота ячеек в материалах-подложках катализатора, раскрытых в настоящей заявке, например, в подложке 328, может находиться в диапазоне от 100 до 1200 ячеек на квадратный дюйм, а толщина стенки ячейки - в диапазоне от 0.1 до 10 мил (10-10 дюймов).
В некоторых примерах густота ячеек блока-носителя 320 может составлять два или более разных значений для увеличения перепада давления на подложке 328 катализатора и снижения, таким образом, несбалансированности составляющих потока отработавших газов через УСТОГ 302. Увеличение таким образом перепада давления на блоке-носителе может компенсировать недостаточное смешивание отработавших газов из трактов 310, 312 и 314 для вариантов осуществления с двумя или более трактами неравной длины и (или) ширины. На ФИГ. 3А представлена осевая проекция 338 внутренней части блока-носителя 320, в которой линии 340 в осевой проекции представляют стенки ячеек, являющиеся основой для каталитического материала 332 в блоке-носителе. Количество линий 340 соответствует количеству ячеек и связано с густотой ячеек блока-носителя 320 (например, чем больше количество линий на единицу расстояния, тем больше густота ячеек). Белое пространство 342 на осевой проекции 338 представляет каналы в блоке-носителе 320, через которые может проходить поток отработавших газов. Как показано на ФИГ. 3А, густота ячеек блока-носителя 320 неравномерна, при этом расстояние между следующими друг за другом линиями 340 изменяется, в частности, в вертикальном направлении. При этом следует понимать, что густота ячеек блока-носителя 320 может изменяться также (или) в горизонтальном направлении. В других вариантах густота ячеек блока-носителя 320 может быть равномерной.
Следует понимать, что УСТОГ 302 раскрыто в качестве примера неограничивающего характера, а также то, что возможно внесение различных дополнений и модификаций в УСТОГ без отступления от объема раскрытого в настоящей заявке изобретения. Например, в других вариантах осуществления УСТОГ 302 может содержать два или более блоков-носителей. В данном примере один или более из нескольких блоков-носителей могут иметь два или более значений густоты ячеек. Разница в густоте ячеек между несколькими блоками-носителями может быть одинаковой или разной по меньшей мере у двух из блоков-носителей. Кроме того, средняя густота ячеек нескольких блоков-носителей может быть одинаковой или разной по меньшей мере у двух из блоков-носителей. Прочие параметры могут быть как одинаковыми, так и различаться у нескольких блоков-носителей, включая, помимо прочих, длину, материалы-носители, каталитический материал, и материалы-накопители кислорода (если имеются).
УСТОГ 302 также содержит датчик 344А отработавших газов, расположенный в верхней части УСТОГ в непосредственной близости от собирательного выпускного канала 316. Датчик 344А отработавших газов может представлять собой датчик любого типа, включая: линейный датчик кислорода или универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах (УДКОГ), двухрежимный датчик кислорода (ДКОГ), нагреваемый ДКОГ (НДКОГ), датчик оксидов азота, углеводородов или угарного газа, но не ограничиваясь ими. В примере, изображенном на ФИГ. 3А, датчик 344А отработавших газов содержит внутренние электроды (не показаны), заключенные в металлический кожух 346. Поток отработавших газов из выпускных трактов 310, 312 и 314 проходит через собирательный выпускной канал 316 и регистрируется электродами датчика 344А отработавших газов. Электроды регистрируют поток отработавших газов после его попадания в металлический кожух 346 через отверстия 348, расположенные продольно вдоль днища металлического кожуха 346. Корпус 350 датчика является местом расположения датчика 344А отработавших газов внутри корпуса 319 УСТОГ и связывает электроды и систему управления (например, контроллер 12 на ФИГ. 2) проводами 352. Показания датчика 344А отработавших газов можно использовать для регулирования параметров работы УСТОГ 302 как раскрыто ниже.
УСТОГ 302 также содержит датчик 344В отработавших газов, который может быть выполнен аналогично датчику 344А отработавших газов. Как показано на ФИГ. 3А, датчик 344В отработавших газов расположен ниже по потоку от каталитического нейтрализатора 321. Как будет более подробно раскрыто ниже, показания обоих датчиков 344А и 344В отработавших газов можно использовать для регулирования параметров работы УСТОГ 302: например, по разнице в показаниях этих датчиков можно определять содержание кислорода в каталитическом нейтрализаторе 321. Следует понимать, что пример расположения датчиков 344А и 344В отработавших газов не имеет ограничивающего характера, и расположение датчиков может быть иным. В других вариантах осуществления УСТОГ 302 может содержать три или более датчиков, например, третий датчик отработавших газов, расположенный ниже по потоку от фильтра твердых частиц, раскрытого ниже, в дополнение к датчикам отработавших газов 344А и 344В.
На ФИГ. 3А также показан датчик 335 температуры с возможностью измерения температуры отработавших газов, протекающих через УСТОГ. Как показано на фигуре, датчик 335 температуры расположен по верхней стенке 324 между каталитическим нейтрализатором 321 и фильтром твердых частиц, раскрытым ниже. Следует понимать, что данный пример расположения не является ограничивающим, и расположение датчика 335 температуры в УСТОГ 302 может быть иным, например, выше по потоку от блока-носителя 320 или ниже по потоку от фильтра твердых частиц. В других вариантах УСТОГ 302 может не содержать датчик 335 температуры, а температура отработавших газов может определяться, исходя из одного или нескольких параметров работы двигателя.
УСТОГ 302 также содержит фильтр твердых частиц (ФТЧ) 336, расположенный ниже по потоку от блока-носителя 320. ФТЧ 336 может быть выполнен с возможностью улавливания твердых частиц, например, сажи, содержащихся в отработавших газах, протекающих через фильтр твердых частиц. По мере накопления сажи и (или) иных твердых частиц в ФТЧ 336, противодавление в фильтре твердых частиц может возрастать, что может отрицательно сказаться на работе двигателя и расходе топлива. В связи с этим, ФТЧ 336 можно периодически регенерировать, а скопившуюся в нем сажу сжигать, например, при превышении порогового уровня содержания сажи в фильтре. Для вариантов, в которых УСТОГ 302 используется совместно с двигателем искрового зажигания, ФТЧ 336 представляет собой фильтр твердых частиц из отработавших газов, образующихся при сжигании бензина, а отработавшие газы двигателя искрового зажигания могут быть достаточно горячими для сжигания сажи в фильтре. Однако двигатель искрового зажигания может работать преимущественно на стехиометрической смеси, и в этом случае имеющееся количество кислорода может быть недостаточным для сжигания сажи, скопившейся в ФТЧ 336.
В некоторых вариантах осуществления, для нанесения на блок-носитель 320 может быть выбран такой каталитический материал 332, чтобы блок-носитель обеспечивал преобразование трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором газообразных веществ в отработавших газах. В данном примере УСТОГ 302 содержит трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН). Кроме того, ФТЧ 336 может занимать место еще одного ТКН, который, в ином случае, находился бы там, где находится ФТЧ в УСТОГ 302. Как и блок-носитель 320 (например, первый ТКН), второй ТКН может содержать один или несколько материалов-накопителей кислорода для обеспечения подачи кислорода для регенерации фильтра твердых частиц (например, ФТЧ 336). Однако из-за замены второго ТКН на ФТЧ 336, УСТОГ 302 может содержать меньше материалов-накопителей кислорода по сравнению с конфигурацией, где используется второй ТКН, а не фильтр твердых частиц. В связи с этим, ФТЧ 336 может быть выполнен с возможностью содержать один или несколько материалов-накопителей кислорода для компенсации уменьшения запаса кислорода из-за отсутствия второго ТКН.
Вернемся к ФИГ. 3В, иллюстрирующей состав ФТЧ 336 в виде блок-схемы. Как показано на фигуре, ФТЧ 336 может содержать подложку 354 фильтра, которая в некоторых примерах может включать один или несколько материалов подложки 328 катализатора (например, кордиерит, титанат алюминия, карбид кремния, глинозем, нержавеющая сталь). Подложка 354 фильтра может образовывать структуру с возможностью размещения на ней соответствующих элементов фильтра. ФТЧ 336 также содержит пористое оксидное покрытие 356, которое может быть сформировано на подложке 354 фильтра способом, схожим с тем, что раскрыт выше в отношении формирования пористого оксидного покрытия 330 блока-носителя 320. В некоторых примерах пористое оксидное покрытие 356 может содержать один или несколько материалов-накопителей 358 кислорода, например, Ce-Zr, с помощью которых можно по меньшей мере частично компенсировать снижение запаса кислорода из-за отсутствия второго ТКН. Материалы-накопители 358 кислорода ФТЧ 336 могут быть как теми же, что и материалы-накопители 334 кислорода блока-носителя 320, так и другими. Дополнительно или вместо них, пористое оксидное покрытие 356 может содержать один или несколько каталитических материалов 360 (например, палладий, комбинацию палладия и платины, иттрий) с возможностью накапливать кислород, которые могут быть теми же, что и каталитический материал 332 блока-носителя 320, или другими. В некоторых примерах каталитический материал 360 может содержать металлооксидные покрытия, придающие ФТЧ 336 каталитические свойства для конверсии водяного газа, окисления аммония, нейтрализации серы и т.п.
Итак, в зависимости от состава пористого оксидного покрытия 356 ФТЧ 336, фильтр твердых частиц может обеспечить либо каталитическое преобразование, либо накопление кислорода, либо и то, и другое, при этом совместное каталитическое преобразование и накопление кислорода обеспечивает блок-носитель 320. В качестве неограничивающего примера, пористое оксидное покрытие 356 ФТЧ 336 может быть выполнено таким образом, чтобы фильтр твердых частиц обеспечивал преобразование трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором и содержал Ce-Zr, способствующий накоплению кислорода в фильтре и его подачу при необходимости регенерации фильтра.
Пористое оксидное покрытие 356 ФТЧ 336 может выбираться как с учетом необходимости усиления окисления сажи в фильтре твердых частиц при работе на стехиометрической смеси (путем увеличения содержания кислорода в фильтре) и ограничения противодавления, возникающего в результате включения пористого оксидного покрытия в фильтр. Для достижения этой цели, пористое оксидное покрытие 356 ФТЧ 336 может отличаться от пористого оксидного покрытия 330 блока-носителя 320 в части по меньшей мере одного физического параметра: например, пористое оксидное покрытие 356 фильтра твердых частиц может иметь меньшую массу, плотность, объем и т.п., чем пористое оксидное покрытие 330 блока-носителя. В качестве неограничивающего примера, масса пористого оксидного покрытия 356 ФТЧ 336 может равняться примерно трети массы пористого оксидного покрытия 330 блока-носителя 320. Так можно ограничить противодавление, связанное с ФТЧ 336. Однако из-за меньшей величины слоя пористого оксидного покрытия 356 по сравнению с пористым оксидным покрытием 330, количество материалов-накопителей кислорода 358 в составе пористого оксидного покрытия 356 может уменьшиться в той же или схожей пропорции. Для компенсации снижения способности запасать кислород в ФТЧ 336 из-за относительно уменьшенной величины слоя, плотность материалов-накопителей 358 кислорода может быть больше, чем плотность материалов-накопителей 334 кислорода блока-носителя 320 и (или) второго ТКН, который при других решениях занимал бы место фильтра твердых частиц.
2
3
3
Чтобы пояснить процесс выбора пористого оксидного покрытия 356 и материалов-накопителей кислорода 358 ФТЧ 336, ниже приведен неограничивающий пример. В обычном трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе (например, каталитическом нейтрализаторе 321), примерно 6% веса каталитического нейтрализатора может приходиться на материалы-накопители кислорода, такие как оксид церия (например СеO). Пористое оксидное покрытие каталитического нейтрализатора может составлять 30% от общего веса каталитического нейтрализатора, а остальные 70% приходятся на подложку (например, кордиерит). 20% веса пористого оксидного покрытия каталитического нейтрализатора может приходиться на материалы-накопители кислорода. Плотность пористого оксидного покрытия каталитического нейтрализатора может составлять 1 г/дюйм; т.е., если 20% пористого оксидного покрытия каталитического нейтрализатора приходится на материалы-накопители кислорода, 0.2 г/дюйм может приходиться на материалы-накопители кислорода. В устройстве снижения токсичности отработавших газов (например, УСТОГ 302) без второго ТКН, который заменен фильтром твердых частиц (ФТЧ), снижение способности накапливать кислород в УСТОГ из-за отсутствия второго ТКН можно компенсировать увеличением относительного содержания материалов-накопителей кислорода в пористом оксидном покрытии ФТЧ, например, на коэффициент от 1.5 до 2.5. Иначе говоря, снижение возможности накапливать кислород из-за отсутствия второго ТКН (и, соответственно, его материалов-накопителей кислорода) можно компенсировать увеличением возможности накапливать кислород в ФТЧ, использующемся вместо второго ТКН.
3
3
3
Продолжая данный неограничивающий пример, ФТЧ 336 может быть выполнен таким образом, чтобы на материалы-накопители 358 кислорода приходилось от 30% до 50% веса пористого оксидного покрытия 356 фильтра твердых частиц. По сравнению с вышеописанным обычным пористым оксидным покрытием ТКН, это означает увеличение относительного содержания материалов-накопителей 358 кислорода в пористом оксидном покрытии 356 на 10% - 30%. В таком исполнении, от 0.3 г/дюйм до 0.5 г/дюйм в пористом оксидном покрытии плотностью 1 г/дюйм может приходиться на материалы-накопители кислорода.
2
3
2
2
2
3
2
3
2
2
3
В некоторых примерах относительное содержание материалов-накопителей 358 кислорода в пористом оксидном покрытии 356 ФТЧ 336 можно повысить без увеличения массы пористого оксидного покрытия. Этого можно достигнуть заменой других составляющих пористого оксидного покрытия 356 материалами-накопителями кислорода. В качестве неограничивающего примера, пористое оксидное покрытие 356 может содержать γ-AlO, СеO, ZrO, LaO или NdO, ВаО или SrO, NiO и один из следующих материалов: Pt, Pd или Rh. В данном примере относительное содержание материалов-накопителей 358 кислорода в пористом оксидном покрытии 356 можно повысить без увеличения массы пористого оксидного покрытия путем замены инертного компонента пористого оксидного покрытия материалами-накопителями кислорода: например, используя СеO вместо γ-AlO. В некоторых вариантах, объем замены инертного компонента пористого оксидного покрытия 356 материалами-накопителями 358 кислорода может быть пропорционален степени повышения содержания материалов-накопителей кислорода относительно номинального уровня (например, содержания материалов-накопителей кислорода в обычном пористом оксидном покрытии ТКН). Например, доля инертного материала, заменяемого материалом-накопителем 358 кислорода, может практически равняться (например, в пределах 0.5%) доле материала-накопителя кислорода, заменяющего заменяемую долю инертного материала, что может предотвратить увеличение веса. В раскрытом выше неограничивающем примере, в котором относительное содержание материалов-накопителей кислорода 358 увеличивают в 1.5 - 2.5 раза, содержание инертного компонента пористого оксидного покрытия 356 можно уменьшить во столько же раз, во сколько увеличивают содержание материалов-накопителей кислорода (например, уменьшить на коэффициент от 1.5 до 2.5), однако в других вариантах данные коэффициенты могут не равняться друг другу.
Итак, выбирая материалы-накопители 358 кислорода как раскрыто выше, можно компенсировать потенциальное снижение емкости УСТОГ 302 по кислороду, которое могло бы возникнуть из-за замены второго ТКН на ФТЧ 336, а в некоторых примерах обеспечить по меньшей мере такую же емкость по кислороду, как и в УСТОГ с двумя ТКН. Следовательно, можно обеспечить достаточное количество кислорода для сжигания золы (и (или) других твердых частиц), скопившейся в ФТЧ 336, в частности, во время работы двигателя искрового зажигания на стехиометрической смеси. Более того, эта цель может быть достигнута без увеличения массы пористого оксидного покрытия 356 путем замены по меньшей мере одной инертной составляющей пористого оксидного покрытия материалом-накопителем 358 кислорода. На ФИГ. 6 также показано влияние емкости по кислороду на регенерацию фильтра.
Следует понимать, что различные аспекты выпускной системы транспортного средства 300 и УСТОГ 302 могут быть модифицированы без отступления от объема раскрытого в настоящей заявке изобретения. Например, относительное расположение, геометрические характеристики и размеры (например: длина, ширина, высота) различных компонентов системы 300 (например: каталитического нейтрализатора 321, ФТЧ 336, датчика 344А отработавших газов, датчика 335 температуры) могут быть скорректированы. В некоторых вариантах могут быть установлены два и более датчиков отработавших газов и (или) температуры, а в других вариантах осуществления датчик 335 температуры может отсутствовать в системе 300.
Например, первый датчик отработавших газов может быть установлен выше по потоку от каталитического нейтрализатора 321, а второй датчик отработавших газов может быть установлен ниже по потоку от каталитического нейтрализатора. В некоторых вариантах два или более УСТОГ могут быть установлены последовательно таким образом, чтобы за первым УСТОГ (например, содержащим каталитический нейтрализатор и (или) фильтр твердых частиц) могло следовать второе УСТОГ, расположенное ниже по потоку от первого УСТОГ, при этом второе УСТОГ может содержать или не содержать те же компоненты, что и первое УСТОГ. Кроме того, УСТОГ 302 может быть модифицировано путем включения в его состав, дополнительно к каталитическому нейтрализатору 321 и (или) ФТЧ 336 или вместо них, других устройств снижения токсичности отработавших газов, таких как накопитель оксидов азота, каталитический нейтрализатор ИКВ и т.п.
ФИГ. 4А иллюстрирует пример выпускной системы 400 транспортного средства, содержащего устройство снижения токсичности отработавших газов (УСТОГ) 402. Цель заключается в том, чтобы пояснить различия между ФИГ. 3А и 4А, в связи с чем аналогичные детали имеют схожие номера позиций. Как и УСТОГ 302, УСТОГ 402 выполнено с возможностью приема отработавших газов из двигателя, например, двигателя 10 на ФИГ. 1 и 2. Однако УСТОГ 402 в целом отличается от УСТОГ 302 на ФИГ. 3А тем, что каталитическое преобразование и фильтрация отработавших газов осуществляются с использованием одной единой конструкции, в отличие от варианта, где каталитическое преобразование осуществляет каталитический нейтрализатор (например, каталитический нейтрализатор 321), а фильтрацию - фильтр (например, ФТЧ 336), являющийся отдельным и расположенным на расстоянии от каталитического нейтрализатора, как в УСТОГ 302. Следовательно, УСТОГ 402 содержит бачок 404 каталитического нейтрализатора-фильтра, образующий одну единую конструкцию, на которой могут быть сформированы каталитические и фильтрующие материалы, помимо прочих возможных элементов. Таким образом, может быть реализовано одновременное каталитическое преобразование и фильтрация отработавших газов, протекающих через УСТОГ 402, с помощью каталитического нейтрализатора-фильтра 406, расположенного в единой конструкции, образованной бачком 404.
На ФИГ. 4В представлена блок-схема, иллюстрирующая аспекты выпускной системы 400 транспортного средства. В частности, ФИГ. 4В иллюстрирует аспекты формирования каталитического нейтрализатора-фильтра 406 и примеры материалов, которые могут использоваться в каталитическом нейтрализаторе-фильтре. В примере, изображенном на ФИГ. 4В, каталитический нейтрализатор-фильтр 406 содержит носитель 408 каталитического нейтрализатора-фильтра, который в некоторых примерах может представлять собой носитель с проточными стенками. В носителе 408 можно использовать различные материалы, подходящие в качестве подложки для каталитических и фильтрующих материалов, включая такие материалы подложки с высокой пористостью (например, от 40% до 80%) и высокой удельной поверхностью, как кордиерит, титанат алюминия, карбид кремния, глинозем, нержавеющая сталь и т.п. В некоторых примерах каталитический нейтрализатор-фильтр 406 может содержать такие материалы-носители, как оксид церия или барий для улучшения стабилизации.
Каталитический нейтрализатор-фильтр 406 может также включать пористое оксидное покрытие 410, нанесенное на носитель 408 каталитического нейтрализатора-фильтра с последующей сушкой и кальцинированием. Пористое оксидное покрытие 410 может содержать один или несколько каталитических материалов 412, обеспечивающих преобразование веществ в отработавших газах (например, NOx, углеводородов, СО) в желаемые инертные газы. Например, каталитический материал 412 может содержать драгоценные металлы (например, палладий), комбинации драгоценных металлов (например, палладия и платины) или редкоземельные металлы (например, иттрий). Пористое оксидное покрытие 410 может также включать один или несколько материалов-накопителей 414 кислорода, обеспечивающих накопление в УСТОГ 402 кислорода, который можно использовать для сжигания сажи и (или) других твердых частиц, скапливающихся в каталитическом нейтрализаторе-фильтре 406, и, следовательно, регенерации фильтра. Например, материалы-накопители 414 кислорода могут включать Ce-Zr. В некоторых примерах пористое оксидное покрытие 410 можно сформировать путем смешивания каталитического материала 412 и материала-накопителя 414 кислорода с последующим нанесением на носитель 408 смешанного пористого оксидного покрытия. Например, один или несколько из раскрытых выше каталитических материалов могут быть внедрены в Ce-Zr для формирования пористого оксидного покрытия, которое может быть нанесено на носитель 408. В некоторых вариантах осуществления пористое оксидное покрытие 410 может, вместо вышеуказанных материалов или в дополнение к ним, содержать один или несколько оксидов металлов с каталитическими свойствами для одной или нескольких из следующих реакций: конверсия водяного газа, окисление аммония, нейтрализация серы и т.п.
На ФИГ. 4А также изображена осевая проекция 416 внутренней части каталитического нейтрализатора-фильтра 406, на которой линии 418 представляют стенки ячеек, несущие фильтрующие материалы, каталитический материал 412 и материалы-накопители 414 кислорода. Количество линий 418 соответствует количеству ячеек и связано с густотой ячеек каталитического нейтрализатора-фильтра 406. Белое пространство 420 на осевой проекции 416 представляет каналы, через которые могут протекать отработавшие газы. Как показано на ФИГ. 4А, густота ячеек каталитического нейтрализатора-фильтра 406 равномерна. Однако в других вариантах густота ячеек каталитического нейтрализатора-фильтра 406 может быть неравномерна, как, например, в случае УСТОГ 302 на ФИГ. 3А, для увеличения перепада давления на УСТОГ 402.
Для вариантов, в которых УСТОГ 402 используется совместно с двигателем искрового зажигания, каталитический нейтрализатор-фильтр 406 может быть выполнен как трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН) и фильтр твердых частиц из отработавших газов бензинового двигателя ФТЧБД (GPF). В данном примере включение материалов-накопителей 414 кислорода в пористое оксидное покрытие 410 способствует накапливанию достаточного количества кислорода для сжигания золы и (или) других твердых частиц, уловленных в каталитическом нейтрализаторе-фильтре 406. Это может иметь особенно полезный эффект в случае работы двигателя искрового зажигания на стехиометрической смеси, поскольку в ином случае невозможно было бы обеспечить достаточное количество избыточного кислорода для регенерации фильтра.
Следует понимать, что выпускная система транспортного средства 400 и УСТОГ 402 раскрыты в качестве неограничивающих примеров, а также то, что различные аспекты системы и УСТОГ могут быть изменены без отступления от объема раскрытого в настоящей заявке изобретения. Например, относительное расположение, геометрические характеристики и размеры (например: длина, ширина, высота) различных компонентов системы 400 (например, каталитического нейтрализатора-фильтра 406, датчика 344А отработавших газов, датчика 335 температуры) могут быть скорректированы. В некоторых вариантах могут быть установлены два и более датчика отработавших газов и (или) температуры, а в других вариантах осуществления датчик 335 температуры может отсутствовать в системе 400. В некоторых вариантах два или более УСТОГ могут быть установлены последовательно таким образом, чтобы за первым УСТОГ могло следовать второе УСТОГ, расположенное ниже по потоку от первого УСТОГ. В данном примере любое УСТОГ может содержать совмещенный каталитический нейтрализатор-фильтр (например, каталитический нейтрализатор-фильтр 406), реализованный в общем корпусе, или каталитические нейтрализаторы и фильтры в отдельных корпусах. Кроме того, УСТОГ 402 может быть модифицировано путем включения в его состав, дополнительно к каталитическому нейтрализатору-фильтру 406 или вместо него, других устройств снижения токсичности отработавших газов, таких как накопитель оксидов азота, каталитический нейтрализатор ИКВ и т.п. Также, в некоторых вариантах осуществления каталитический нейтрализатор и фильтр могут быть установлены в едином общем кожухе, но каталитический материал и фильтрующие материалы расположены отдельно, например, единый кожух может содержать первую секцию, где расположен каталитический нейтрализатор, ниже по потоку от которой следует вторая секция, где расположен фильтр.
Работу двигателя можно регулировать таким образом, чтобы УСТОГ 302 и 402 на ФИГ. 3А и 4А соответственно работали в заданных условиях. Например, работу двигателя (например, двигателя 10 на ФИГ. 1 и 2) можно регулировать так, чтобы обеспечить каталитическое преобразование веществ в отработавших газах с той или иной скоростью для поддержания выбросов двигателя в приемлемом диапазоне. Поскольку каталитическое преобразование по меньшей мере частично зависит от температуры, работу двигателя можно регулировать для поддержания температуры каталитических нейтрализаторов в УСТОГ 302 и 402 в заданном диапазоне. Например, такое регулирование работы двигателя может включать использование показаний датчика 335 температуры и регулирование одного или нескольких параметров работы двигателя с помощью контроллера, например контроллера 12 на ФИГ. 2.
Также может быть необходимо улавливание твердых частиц ТЧ (РМ), таких как сажа, в фильтрах твердых частиц УСТОГ 302 и 402 с той или иной скоростью для поддержания выбросов двигателя в приемлемом диапазоне. Однако, по мере скопления ТЧ в фильтрах, противодавление, вызываемое фильтрами, растет, что может снизить эффективность расходования топлива. В связи с этим, ТЧ, скопившиеся в фильтрах УСТОГ 302 и 402, можно периодически окислять, а фильтры регенерировать для снижения количества скопившихся ТЧ и ограничения противодавления. В некоторых примерах количество ТЧ, скопившихся в фильтрах УСТОГ 302 и 402, можно определить путем измерения (например, с помощью одного или нескольких датчиков давления, не показанных на ФИГ. 3А-4В) или на основании значения противодавления в УСТОГ. Затем можно воспользоваться соответствующей структурой данных, например, таблицей соответствий, используя полученное значение противодавления для поиска соответствующего значения содержания ТЧ (например, массы). В другом варианте можно использовать передаточную функцию для определения соответствующего количества ТЧ на основании полученного значения противодавления.
Когда будет установлена необходимость окисления ТЧ, скопившихся в фильтрах УСТОГ 302 и 402, и регенерации фильтров (например, при превышении соответствующих пороговых значений содержания скопившихся ТЧ и (или) противодавления), можно оценить наличие кислорода в УСТОГ и их температуру, так как регенерация ФТЧ в целом зависит от наличия избыточного кислорода и температурного режима окружающей среды. В частности, температуру фильтра можно регулировать таким образом, чтобы она по меньшей мере равнялась температуре активации катализатора (например, 400-600°С), при которой начинается регенерация фильтра при условии наличия достаточного количества кислорода. Во время регенерации фильтров, скопившиеся ТЧ можно окислять со скоростью, превышающей скорость осаждения ТЧ в фильтре. Реакция регенерации фильтра твердых частиц является экзотермической, поэтому, как только она начинается, температура может быстро повысится, если не регулировать тщательно подачу кислорода. Например, если температура превысит верхнее пороговое значение, реакция может стать неконтролируемой и полностью прекратиться, так как невозможно будет обеспечить подачу избыточного кислорода на уровне, необходимом для регенерации фильтра при высоких температурах. Кроме того, при недостаточной подаче кислорода реакция регенерации может быть неспособна к самоподдержанию. Также, при слишком высоком уровне избыточного кислорода, температура может упасть, а реакция регенерации - замедлиться.
В некоторых примерах необходимость подачи кислорода в УСТОГ 302 и 304 может быть установлена на основании противодавления в УСТОГ. Скорость окисления скопившихся в УСТОГ 302 и 304 ТЧ можно определить, например, по показаниям датчика 344А отработавших газов и датчика 335 температуры; значения скорости окисления ТЧ, в увязке с соответствующими значениями температуры в фильтре и массового расхода кислорода, можно хранить в соответствующей структуре данных, например, в таблице соответствий.
Вместо одного или нескольких из раскрытых выше факторов или в дополнение к ним, алгоритмы управления могу учитывать емкость УСТОГ 302 и 402 по кислороду. В тексте настоящего описания под «емкостью по кислороду» понимается способность УСТОГ накапливать кислород, обусловленная наличием одного или нескольких материалов-накопителей кислорода, которые, как раскрыто выше, могут быть внедрены в пористое оксидное покрытие, нанесенное на носитель каталитического нейтрализатора и (или) подложку фильтра. Емкость УСТОГ 302 и 402 по кислороду можно определить и использовать для регулирования подачи избыточного кислорода в УСТОГ, например, таким образом, чтобы количество избыточного кислорода, подаваемого в УСТОГ за определенный отрезок времени, не превышало емкость УСТОГ по кислороду в соответствующий отрезок времени. В некоторых примерах подача избыточного кислорода в УСТОГ 302 и 402 может быть ограничена подсовокупностью их емкостей по кислороду: например, подача избыточного кислорода может быть ограничена 40-60% совокупной емкости УСТОГ по кислороду. В одном примере емкость любого из УСТОГ 302 и 402 по кислороду можно определить путем измерения разницы в концентрации кислорода по показаниям датчиков кислорода выше по потоку и ниже по потоку в определенных условиях: например, емкость по кислороду каталитического нейтрализатора-фильтра 406 на ФИГ. 4А можно определить по разнице показаний датчика 344А отработавших газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора-фильтра и датчика 344В отработавших газов ниже по потоку от каталитического нейтрализатора-фильтра за период, в течение которого отработавшие газы, поступающие в каталитический нейтрализатор-фильтр, переходят из насыщенного в обедненное состояние. Датчики 344А и 344В отработавших газов можно использовать для определения количества кислорода, поступившего в УСТОГ во время перехода из насыщенного в обедненное состояние. В других вариантах осуществления емкость по кислороду УСТОГ 302 и 402 можно определить, обратившись к структуре данных (например, таблице соответствий), содержащей значения емкости по кислороду, увязанные со значениями температуры (например, температуры каталитического нейтрализатора, температуры отработавших газов). В данном примере значение емкости по кислороду, полученное из структуры данных, может быть скорректировано с учетом ухудшения характеристик каталитического нейтрализатора, которое может со временем произойти.
В некоторых вариантах осуществления работу двигателя можно регулировать для изменения емкости по кислороду УСТОГ 302 и 402. Например, отработавшие газы, подаваемые в УСТОГ 302 и 402, можно переводить из насыщенного в обедненное состояние для регулирования емкости УСТОГ по кислороду. Чтобы определить, когда емкость УСТОГ по кислороду изменилась как описано выше, можно использовать разницу показаний датчиков отработавших газов выше и ниже по потоку.
Для регенерации фильтров в УСТОГ 302 и 402 можно использовать пассивную и (или) активную методику регенерации фильтров. При пассивной регенерации фильтра работу двигателя можно не регулировать для увеличения подачи избыточного кислорода в УСТОГ 302 и 402. Наоборот, двигатель может работать в номинальном режиме (например, на стехиометрической смеси), при этом для регенерации фильтров используется кислород, заранее накопленный в УСТОГ 302 и 402. Во время пассивной регенерации фильтров твердые частицы, скопившиеся в УСТОГ 302 и 402, можно окислять со скоростью, превышающей скорость их осаждения в УСТОГ.
В свою очередь, активная регенерация фильтра может включать регулирование работы двигателя для содействия регенерации фильтра. Например, режим работы двигателя можно изменять во время активной регенерации фильтра для увеличения подачи избыточного кислорода в УСТОГ 302 и 402. В некоторых вариантах осуществления в соответствующих условиях может быть инициирована отсечка топлива в режиме замедления (ОТРЗ), если будет установлена необходимость активной регенерации фильтра: например, если будет установлено, что содержание твердых частиц, скопившихся в УСТОГ, превышает пороговое. В данном примере ОТРЗ можно использовать для увеличения подачи избыточного кислорода в УСТОГ 302 и 402 и обеспечения регенерации фильтров в их составе. ОТРЗ можно использовать также (или) для увеличения запаса кислорода в УСТОГ 302 и 402, что, в некоторых вариантах, позволяет пополнить количество заранее накопленного кислорода. В некоторых примерах активная регенерация фильтра во время ОТРЗ может включать первый этап, на котором ОТРЗ используется для подачи избыточного кислорода для окисления твердых частиц. Избыточный кислород, подаваемый в УСТОГ 302 и 402, на первом этапе может практически весь (например, на 90% и более) использоваться в реакции регенерации и, следовательно, не может накапливаться в УСТОГ. После первого этапа, ОТРЗ можно продлить на второй этап, на котором избыточный кислород подают в УСТОГ 302 и 402 для создания в них запаса кислорода, который можно использовать для следующей регенерации фильтра. При этом, ОТРЗ может содержать только первый этап в условиях, когда ОТРЗ желательна, а регенерация фильтра - нет.
Активная регенерация фильтра может включать другие действия для увеличения подачи избыточного кислорода УСТОГ 302 и 402, включая, помимо прочего, регулирование степени открытия дросселя (например, степени открытия дросселя 62 на ФИГ. 1 и 2), воздушно-топливного отношения, изменение фаз кулачкового распределения и т.п. Активная регенерация фильтра может, в других вариантах или дополнительно, включать одно или несколько действий для повышения температуры отработавших газов в УСТОГ 302 и 304, например: уменьшение угла опережения зажигания и (или) увеличение степени открытия дросселя.
Во время ОТРЗ, двигатель (например, двигатель 10 на ФИГ. 1 и 2) работает без впрыска топлива, при этом двигатель вращается и прокачивает воздух через цилиндры. Условия начала и окончания ОТРЗ могут зависеть от различных параметров работы транспортного средства и двигателя. В частности, для регулирования вхождения в режим ОТРЗ и выхода из него можно использовать комбинацию одного или нескольких из следующих параметров работы транспортного средства: скорость транспортного средства, разгон транспортного средства, частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, положение дросселя, положение педали, положение коробки передач и различные другие параметры. В одном примере условием для входа в режим ОТРЗ может быть частота вращения двигателя ниже пороговой. В другом примере условием для входа в режим ОТРЗ является нагрузка двигателя ниже пороговой. Еще в одном примере условием для ОТРЗ может быть положение педали акселератора. В дополнение к этим параметрам или вместо них, необходимость входа в режим ОТРЗ может быть установлена по управляющему сигналу на прекращение впрыска топлива. В одном примере, выход из режима ОТРЗ может осуществляться по управляющему сигналу на начало впрыска топлива. В другом примере режим ОТРЗ можно завершить при резком нажатии водителем педали акселератора, при достижении пороговой скорости транспортного средства и (или) достижении пороговой нагрузки двигателя. Следует понимать, что ОТРЗ может включать частичное отключение цилиндров, при котором отключают по меньшей мере один (но не все) из цилиндров двигателя (например, впрыск топлива в него прекращается, но воздух перекачивается через него), а в других примерах ОТРЗ может включать отключение всех цилиндров двигателя.
На ФИГ. 5 представлена структурная схема, иллюстрирующая способ 500 регенерации фильтра твердых частиц (ФТЧ) устройства снижения токсичности отработавших газов (УСТОГ). Например, способ 500 можно использовать для регенерации ФТЧ УСТОГ 302 (ФИГ. 3А) и (или) 402 (ФИГ. 4А). Следовательно, под регенерацией фильтра по способу 500 может пониматься регенерация фильтра, отдельного от одного или нескольких других УСТОГ, или для регенерации совмещенного каталитического нейтрализатора-фильтра. В одном примере способ 500 можно использовать для регенерации ФТЧ бензинового двигателя (например, окисления скопившейся в нем сажи), расположенного ниже по потоку от трехкомпонентного каталитического нейтрализатора (ТКН). Способ 500 может храниться в памяти контроллера 12 (ФИГ. 2) и исполняться, например, МПУ (CPU) 102.
На шаге 502 способа 500 твердые частицы (ТЧ), такие как сажа, скапливаются в ФТЧ. ТЧ могут скапливаться в ФТЧ в номинальном режиме работы двигателя, например, при сжигании стехиометрической топливной смеси, когда отработавшие газы, образующиеся при сгорании топлива, протекают через ФТЧ.
2
На шаге 504 способа 500 ТЧ, скопившиеся в ФТЧ, окисляют, используя запас кислорода (O). Кислород можно запасать в различных местах УСТОГ в зависимости от его конфигурации; например, кислород может запасаться в компонентах УСТОГ, содержащих материалы-накопители кислорода, выполненных с возможностью накапливать кислород. Следовательно, запас кислорода в УСТОГ может находиться как в ФТЧ, так и в каталитическом нейтрализаторе, так и в них обоих, при этом, в некоторых вариантах осуществления они могут быть объединены в совмещенный каталитический нейтрализатор-фильтр, как раскрыто выше. Окисление ТЧ, скопившихся в ФТЧ, может происходить после достижения в ФТЧ температуры активации катализатора, при которой возможно окисление ТЧ. Далее, окисление ТЧ, скопившихся в ФТЧ, на шаге 504 может представлять собой пассивную регенерацию ФТЧ, если скорость окисления ТЧ превышает скорость осаждения ТЧ, образующихся при сгорании топлива, в ФТЧ. Пассивная регенерация ФТЧ позволяет по меньшей мере частично регенерировать ФТЧ без регулирования параметров работы двигателя для обеспечения регенерации фильтра.
На шаге 506 способа 500 определяют количество ТЧ, скопившихся в ФТЧ, и скорость окисления ТЧ, находящихся в ФТЧ. В некоторых примерах количество ТЧ, скопившихся в ФТЧ, можно определить путем измерения (например, перепада давления на ФТЧ с помощью датчика давления в выпускной системе) либо вывести из значения противодавления, создаваемого ФТЧ, используя измеренное или выведенное значение противодавления для доступа к структуре данных или передаточной функции, с помощью которых будет получено количество скопившихся в ФТЧ частиц, соответствующее значению противодавления. Скорость окисления ТЧ, скопившихся в ФТЧ, можно определить, обратившись к структуре данных, где хранятся значения скорости окисления ТЧ, привязанные к значениям температуры и массового расхода кислорода: например, значения температуры могут быть получены с помощью датчика 335 температуры (ФИГ. 3А), а значения массового расхода кислорода получены на основании разницы показаний датчиков отработавших газов 344А и 344В (ФИГ. 3А).
На шаге 508 способа 500 устанавливают необходимость активной регенерации ФТЧ. Активная регенерация фильтра может включать регулирование одного или нескольких параметров работы двигателя для обеспечения активной регенерации ФТЧ. Установить необходимость активной регенерации ФТЧ можно на основании количества ТЧ, скопившихся в ФТЧ, и (или) скорости окисления ТЧ, скопившихся в ФТЧ, определенных на шаге 506. Например, если количество скопившихся ТЧ превышает пороговое или равняется ему, и (или) скорость окисления скопившихся ТЧ ниже пороговой, может быть выполнена активная регенерация ФТЧ. Если количество скопившихся ТЧ ниже порогового, и (или) скорость окисления скопившихся ТЧ выше пороговой или равняется ей, может быть выполнена пассивная, а не активная, регенерация ФТЧ. При установлении необходимости активной регенерации ФТЧ могут быть оценены другие или дополнительные параметры, например: если противодавление в УСТОГ превышает пороговое, может быть выполнена активная регенерация ФТЧ. Если будет установлено, что в активной регенерации ФТЧ нет необходимости («НЕТ»), способ 500 возвращается к шагу 502. Таким образом, окисление ТЧ, скопившихся в ФТЧ, можно по меньшей мере частично осуществлять пассивным способом до возникновения потребности в активной регенерации. Если будет установлена необходимость активной регенерации ФТЧ («ДА»), способ 500 переходит к шагу 510.
На шаге 510 определяют, достигнута ли в ФТЧ температура регенерации. Температуру ФТЧ можно определить по показаниям датчика температуры отработавших газов, например, датчика 335 температуры на ФИГ. 3А. Под температурой регенерации может пониматься температура активации катализатора, при которой (при наличии достаточного количества избыточного кислорода) ТЧ, скопившиеся в ФТЧ, могут быть окислены. Если будет установлено, что температура регенерации в ФТЧ не достигнута (например, температура ФТЧ ниже температуры регенерации) («НЕТ»), способ 500 переходит к шагу 512, на котором повышают температуру отработавших газов, чтобы довести температуру ФТЧ до температуры регенерации. Температуру отработавших газов также можно регулировать для достижения необходимой скорости окисления ТЧ. Повышение температуры отработавших газов на шаге 512 может включать одно или несколько из следующих действий: уменьшение угла опережения зажигания, увеличение степени открытия дросселя (например, степени открытия дросселя 62 на ФИГ. 1), повышение частоты вращения двигателя, увеличение нагрузки на двигатель и т.п. Если будет установлено, что температура ФТЧ достигла температуры регенерации (например, превышает ее или равняется ей) («ДА»), способ 500 переходит к шагу 516.
На шаге 516 способа 500 инициируют активную регенерацию ФТЧ. Инициация активной регенерации ФТЧ может включать отсечку топлива в режиме замедления (ОТРЗ) на шаге 518 для подачи кислорода для окисления ТЧ. В некоторых примерах ОТРЗ можно инициировать только при наличии определенных условий, раскрытых выше; например, ОТРЗ можно инициировать, если частота вращения и (или) нагрузка двигателя ниже соответствующих пороговых значений, и (или) показания других датчиков (например, положения педали акселератора) указывают на ожидающиеся резкое открытие водителем дроссельной заслонки или запрос на крутящий момент. Инициация ОТРЗ позволяет обеспечить достаточный уровень подачи кислорода в ФТЧ, что, в сочетании с достаточной температурой, обеспечивает окисление скопившихся ТЧ и по меньшей мере частичную регенерацию ФТЧ. Таким образом, возможна активная регенерация ФТЧ за счет избыточного кислорода, полученного от двигателя. Вместо ОТРЗ или в дополнение к ней можно использовать другие методы. Например, для подачи избыточного кислорода можно отрегулировать один или несколько из следующих параметров: степень открытия дросселя, воздушно-топливное отношение (например, обеднить воздушно-топливную смесь), изменение фаз кулачкового распределения.
На шаге 520 способа 500 ОТРЗ можно, в качестве необязательного варианта, продлить для пополнения запаса кислорода в ФТЧ. В некоторых примерах продление ОТРЗ на шаге 520 может представлять собой второй этап ОТРЗ, следующий за первым этапом ОТРЗ. На первом этапе ОТРЗ практически весь избыточный кислород может быть использован для окисления ТЧ, скопившихся в ФТЧ, а не для накапливания в ФТЧ для следующего окисления ТЧ. В связи с этим, первый этап ОТРЗ может продолжаться столько времени, сколько будут иметь место условия для вхождения в режим ОТРЗ, и в течение которого будет окислено желаемое количество скопившихся ТЧ. На втором этапе ОТРЗ практически весь избыточный кислород может быть запасен в ФТЧ для следующего окисления ТЧ, но не для окисления ТЧ, находящихся на тот момент в ФТЧ. Второй этап ОТРЗ может осуществляться столько времени, сколько будут иметь место условия для вхождения в режим ОТРЗ, а также необходимость и возможность пополнения запаса кислорода. В некоторых примерах продолжительность продления ОТРЗ на шаге 520 может зависеть от расхода избыточного кислорода и емкости УСТОГ по кислороду. Например, режим ОТРЗ может быть продлен на такое время, какое, при подаче избыточного кислорода, позволит создать запас кислорода в размере желаемой процентной доли емкости по кислороду, например, 40-60%. После достижения желаемой процентной доли заполнения емкости по кислороду, продление ОТРЗ можно прекратить. Таким образом, продолжительность активной регенерации ФТЧ можно регулировать в зависимости от емкости ФТЧ по кислороду. После шага 520 выполнение способа 500 завершается. Однако следует понимать, что способ 500 может вернуться к шагу 502 для циклического выполнения способа в течение всего периода работы двигателя. После прекращения активной регенерации ФТЧ можно приступить к пассивной регенерации ФТЧ, например, используя кислород, накопленный в результате продления ОТРЗ на шаге 520.
Также следует понимать, что в некоторых примерах ОТРЗ можно прекратить до того, как желаемое количество ТЧ, скопившихся в ФТЧ, будет окислено, или до пополнения запаса кислорода до желаемого уровня, например, из-за исчезновения подходящих условий для ОТРЗ. Например, ОТРЗ может быть прекращена в случае резкого нажатия водителем на педаль акселератора. В любом случае, окисление ТЧ и (или) пополнение запаса кислорода можно возобновить с момента его прерывания после того, как режим ОТРЗ будет впоследствии инициирован. В некоторых примерах, в случае невозможности ОТРЗ, для увеличения подачи избыточного кислорода ФТЧ могут быть выполнены другие действия, включая раскрытые выше - например, регулирование воздушно-топливного отношения (например, обеднение смеси). Например, после первого этапа активной регенерации ФТЧ, на котором было окислено желаемое количество ТЧ, скопившихся в ФТЧ, воздушно-топливное отношение может быть отрегулировано в зависимости от количество кислорода в ФТЧ, если выполнение второго этапа активной регенерации ФТЧ невозможно. В одном примере воздушно-топливную смесь можно обеднить пропорционально разнице между количеством кислорода, накопленного в ФТЧ, и желаемым количеством кислорода в ФТЧ, например, воздушно-топливную смесь можно обеднять тем больше, чем больше разница между фактическим и желаемым уровнями запаса кислорода, и обеднять тем меньше, чем меньше разница между указанными уровнями запаса кислорода. В других примерах емкость ФТЧ по кислороду может не быть заполнена в желаемой степени даже по завершении второго этапа активной регенерации ФТЧ; в этом случае можно выполнить одно или несколько из раскрытых выше действий для подачи избыточного кислорода, чтобы завершить пополнение запаса кислорода до желаемой степени заполнения емкости по кислороду, например - обеднить воздушно-топливную смесь, при этом степень обеднения может быть пропорциональна желаемой степени пополнения запаса. Таким образом, воздушно-топливное отношение можно регулировать после завершения активной регенерации ФТЧ в зависимости от фактического уровня запаса кислорода в ФТЧ.
В составе способа 500 можно выполнить другие действия, не показанные на ФИГ. 5. Как раскрыто выше, реакция регенерации в ФТЧ в большой степени зависит от подачи избыточного кислорода и температуры; как подача избыточного кислорода, так и температура могут отрицательно повлиять на реакцию регенерации или привести к ее прекращению. В связи с этим, способ 500 может включать ограничение подачи избыточного кислорода или температуры отработавших газов, либо и того, и другого, если будет установлено, что какой-либо из этих параметров превышает или превысит соответствующее пороговое значение. Кроме того, как раскрыто выше, температуру отработавших газов можно контролировать для достижения желаемой скорости регенерации. В целом, способ 500 может быть модифицирован без отступления от объема раскрытого в настоящей заявке изобретения.
Итак, как показано и раскрыто, способ 500 может обеспечить регенерацию фильтра твердых частиц с учетом подачи избыточного кислорода в ФТЧ, а также общей емкости по кислороду устройства снижения токсичности отработавших газов. Способ 500 обеспечивает как пассивную регенерацию фильтра, при которой ФТЧ можно по меньшей мере частично регенерировать за счет ранее накопленного в УСТОГ кислорода без регулирования параметров работы двигателя для увеличения подачи избыточного кислорода, так и активную регенерацию, при которой параметры работы двигателя можно изменять для увеличения подачи избыточного кислорода для регенерации фильтра и, в качестве необязательного этапа, для по меньшей мере частичного пополнения запаса кислорода в УСТОГ.
2
3
2
В некоторых вариантах способ 500 можно использовать совместно с УСТОГ, содержащим каталитический нейтрализатор и фильтр твердых частиц, с повышенной емкостью по кислороду, обусловленной тем, что часть по меньшей мере одного инертного компонента пористого оксидного покрытия, нанесенного на каталитический нейтрализатор и (или) фильтр, заменена дополнительными материалами-накопителями кислорода. Одним из таких УСТОГ может быть УСТОГ 302 (ФИГ. 3А) или УСТОГ 402 (ФИГ. 4А), раскрытые выше, в которых инертный компонент пористого оксидного покрытия γ-AlO частично заменен материалом-накопителем кислорода СеO. Таким образом, пассивная регенерация фильтра может быть выполнена более эффективно благодаря увеличенному запасу кислорода в УСТОГ, в связи с чем можно уменьшить частоту выполнения активной и пассивной регенерации фильтра. Более того, увеличение емкости УСТОГ по кислороду позволяет уменьшить частоту подачи избыточного кислорода в УСТОГ. Оба этих эффекта могут снизить токсичность отработавших газов двигателя, повысить эффективность расходования топлива и улучшить дорожные качества транспортного средства.
На ФИГ. 6 показан график 600, иллюстрирующий изменение процесса регенерации фильтра в зависимости от емкости по кислороду. На графике 600 представлены различные параметры для четырех примеров процесса регенерации фильтра с использованием кислорода, накопленного в устройстве снижения токсичности отработавших газов, содержащем фильтр (например, накопленного в материалах-накопителях кислорода в составе фильтра и (или) каталитического нейтрализатора, который, в некоторых примерах, может быть объединен с фильтром в одном корпусе) для окисления сажи и (или) других твердых частиц, уловленных в фильтре. Четыре примера процесса регенерации фильтра могут быть выполнены с получением соответствующих данных в тестовых условиях, в которых, например, накопленный кислород используют для пассивной регенерации фильтра без задействования активной регенерации фильтра и регулирования работы двигателя для регенерации фильтра. Вместе с тем, возможны варианты осуществления, в которых процессы регенерации фильтра включают активную регенерацию, которую, в некоторых примерах, можно использовать в практически том же объеме (например, с разницей в пределах 5%). Степень регенерации показана для каждого примера процесса регенерации фильтра в виде ромбов, при этом под степенью регенерации может пониматься отношение скопившихся ТЧ, окисленных после завершения регенерации, к общему количеству скопившихся ТЧ до начала регенерации. Для каждого примера процесса регенерации фильтра также показано содержание сажи, представленное в виде квадратиков, в граммах на литр до начала регенерации. На графике 600 также представлена емкость по кислороду в микромоль, потребляемая фильтром за каждый процесс регенерации.
Как видно на ФИГ. 6, для всех четырех примеров регенерации фильтра характерна существенная линейная корреляция степени регенерации и емкости по кислороду. В частности, данные, представленные на ФИГ. 6, свидетельствуют о том, что степень регенерации существенно линейно возрастает с увеличением емкости по кислороду, то есть повышенная степень регенерации может стать результатом наличия у фильтра повышенной емкости по кислороду, а пониженная степень регенерации может иметь место, когда емкость фильтра по кислороду также относительно низка. В некоторых сценариях, такой результат может быть следствием увеличения (или) уменьшения запаса кислорода, обусловленного текущей емкостью по кислороду. В качестве неограничивающего примера, линейная зависимость, представленная линией 602, согласовывалась с данными, полученными в результате выполнения четырех процессов регенерации фильтра, имела крутизну 0.0003, точку пересечение с осью у 0.3497 и коэффициент смешанной корреляции 0.9271.
Таким образом, график 600 показывает, что максимальное увеличение емкости по кислороду устройства снижения токсичности отработавших газов может потребоваться для достижения максимальной степени регенерации фильтра в результате регенерации с использованием по меньшей мере части запаса кислорода в устройстве снижения токсичности отработавших газов. Чем больше емкость по кислороду, тем больше доля кислорода, которую можно запасти для регенерации, обеспечив возможность увеличения частоты, с который фильтр можно регенерировать пассивно, не прибегая к активной регенерации. Если по меньшей мере частично заменить активную регенерацию фильтра пассивной, снизится частота случаев изменения параметров работы двигателя для активной регенерации, вследствие чего можно снизить токсичность выбросов, повысить эффективность расходования топлива и улучшить дорожные качества транспортного средства. Как раскрыто выше, в некоторых примерах емкость по кислороду устройства снижения токсичности отработавших газов можно увеличить без повышения веса устройства снижения токсичности отработавших газов путем замены инертных материалов пористого оксидного покрытия материалами-накопителями кислорода. Увеличение емкости по кислороду также может повысить эффективность процессов, при которых избыточный кислород подается в устройство снижения токсичности отработавших газов для создания запаса кислорода.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и (или) транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и выполняться системой управления, содержащей контроллер, совместно с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и (или) функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и (или) функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и (или) функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, содержащей различные аппаратные компоненты и электронный контроллер.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и (или) свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.