СИСТЕМА ДИЗЕЛЬНОГО САЖЕВОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ-ГЕНЕРАТОРА
DIESEL PARTICLE FILTER SYSTEM FOR ENGINE-GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к фильтру очистки выхлопного газа, предназначенному для двигателя-генератора, и, в частности, к системе, которая удаляет твердые частицы (ТЧ, PM), образующиеся при работе дизельного двигателя для генератора и накапливаемые в дизельном сажевом фильтре (DPF), чтобы регенерировать DPF.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
x
Дизельный двигатель образует твердые частицы вдобавок к оксидам азота (NO) в результате сгорания топлива по своему характеру. Чтобы препятствовать выделению твердых частиц в атмосферу, возрастающее число дизельных двигателей оснащаются DPF, чтобы собирать твердые частицы (ТЧ, PM), содержащиеся в выхлопном газе. Это также применяется к генераторам, приводимым в действие двигателем.
В генераторе с приводом от двигателя, оснащенном DPF, генератор G приводится в действие дизельным двигателем E, электрическая энергия подается на нагрузку (не показана на чертежах) через выходной зажим OUT, и выхлопной газ из дизельного двигателя E выделяется в атмосферу через DPF, как показано на Фиг. 5.
Однако DPF является ограниченным в показателях количества накопленных PM, и, таким образом, как только некоторое количество твердых частиц накапливается, твердые частицы должны удаляться, например, путем сжигания некоторым способом, чтобы регенерировать DPF. Для регенерации DPF измеряют количество твердых частиц и температуру выхлопного газа и двигателем E управляют, чтобы сжечь твердые частицы.
То есть измеритель количества твердых частиц PMD (ИТЧ), обеспеченный в DPF, измеряет количество твердых частиц, и термочувствительное устройство (датчик температуры) TD (ДТ) измеряет температуру выхлопного газа. На основании результатов измерений измерительным устройством блок управления двигателем ECU (БУД) передает сигналы на двигатель E и принимает сигналы от него, чтобы управлять двигателем E. Таким образом, твердые частицы сжигаются своевременно, чтобы регенерировать DPF.
Кроме того, другой способ для регенерации DPF состоит в том, чтобы сжигать твердые частицы, используя электронагреватель, встроенный в DPF (см. выложенную заявку на патент Японии №2009-216075).
Регенерация DPF, как описано выше, позволяет двигателю-генератору, использующему дизельный двигатель, работать в непрерывном режиме. Нарушение надлежащей регенерации DPF является причиной накапливания большого количества твердых частиц. Это ведет к очень неблагоприятной ситуации, которая влечет за собой выключение генератора и ручное удаление твердых частиц в DPF.
Чтобы регенерировать DPF, другими словами, сжечь твердые частицы, выхлопной газ должен быть горячим, выше некоторой температуры. В этом случае следует принять во внимание, что установленный двигатель-генератор обычно имеет мощность, приблизительно в три раза большую, чем номинальная входная мощность для нагрузки, с тем, чтобы иметь возможность справляться, например, с запуском электродвигателя, когда большой пусковой ток течет быстро.
Таким образом, в установившемся состоянии двигатель эксплуатируется при небольшой нагрузке, и температура выхлопного газа остается низкой. Поскольку генератор используется в качестве нагрузки на двигатель, двигатель нужно эксплуатировать при постоянной скорости. Следовательно, такой способ в повышении скорости для подъема температуры выхлопного газа, как в случае с автомобилями, нельзя принять.
Следовательно, регенерация DPF в двигателе-генераторе может подразумевать способ для сжигания твердых частиц с использованием такого нагревателя, как проиллюстрировано в выложенной заявке на патент Японии №2009-216075.
Однако, обеспечение нагревателя для того, чтобы сжигать твердые частицы, не всегда приемлемо с точки зрения эффективности использования топлива. Кроме того, специальный DPF со встроенным нагревателем не является предпочтительным. Вместо специального DPF универсальный DPF (например, DPF для автомобилей) по желанию используется, но принятие универсального DPF для двигателя-генератора является неподходящим, как описано выше.
Ввиду вышеизложенного, объект настоящего изобретения состоит в обеспечении системы DPF для двигателя-генератора, которая препятствует накоплению твердых частиц без остановки подачи питания и которая позволяет регенерировать DPF эффективным по использованию топлива образом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для осуществления этой задачи настоящее изобретение обеспечивает:
систему DPF для двигателя-генератора, которая выполняет процесс регенерации на фильтре (DPF), обеспеченном для удаления твердых частиц, образующихся при сгорании топлива для двигателя, когда количество твердых частиц, приставших к DPF, превышает заранее заданное значение, двигатель-генератор выполняет процесс регенерации путем выполнения операции автоматической регенерации, чтобы поднять температуру выхлопного газа из двигателя для сжигания твердых частиц, система DPF содержит:
эквивалент нагрузки, подключаемой к двигателю-генератору, когда это необходимо; и
устройство управления для позволения двигателю выполнять операцию подготовки к автоматической регенерации таким образом, что как только количество твердых частиц превышает заранее заданное значение, операция автоматической регенерации выполняется, когда температура выхлопного газа достигает опорной температуры автоматической регенерации, и эквивалент нагрузки подключается к генератору, чтобы поднять температуру выхлопного газа, если температура выхлопного газа не достигает опорной температуры автоматической регенерации.
Как описано выше, согласно настоящему изобретению, когда количество твердых частиц в двигателе увеличивается, эквивалент нагрузки подключается к генератору на основании температуры выхлопного газа, чтобы поднять температуру выхлопного газа. Таким образом, твердые частицы сжигаются, чтобы регенерировать DPF. Это препятствует накоплению чрезмерного количества твердых частиц и, кроме того, позволяет обеспечение системы DPF для двигателя-генератора, которая имеет высокую эффективность использования топлива. В результате двигатель-генератор может эксплуатироваться, не вызывая ситуацию, в которой подача питания останавливается и в которой DPF затем регенерируется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - блок-схема, показывающая конфигурацию системы DPF для двигателя-генератора согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 - схема, иллюстрирующая конфигурацию DPF, установленного в двигателе-генераторе;
Фиг. 3 - структурная схема, показывающая основную операцию управления для регенерации DPF в двигателе-генераторе;
Фиг. 4 - структурная схема, показывающая операцию управления регенерацией DPF согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 5 - блок-схема, показывающая конфигурацию системы DPF в обычном двигателе-генераторе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описываться со ссылкой на сопроводительные чертежи, как изложено ниже.
Вариант 1 осуществления изобретения
Фиг. 1 является блок-схемой, показывающей конфигурацию для осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, генератор G включает в себя эквивалент нагрузки L и контактор MC, оба обеспеченные на выходной стороне генератора G; контактор MC прикладывает эквивалент нагрузки L к генератору G и удаляет эквивалент нагрузки L. Контактор MC включается и выключается, чтобы подключать эквивалент нагрузки L, такой как резистор, к генератору G, когда это необходимо. Генератор G затем приводится в действие, чтобы повышать мощность, выводимую из двигателя E.
На основании результатов измерений устройством PMD измерения количества твердых частиц и устройством TD измерения температуры контактором MC управляет дополнительный блок управления двигателем, G-ECU, соединенный с блоком управления двигателем ECU через локальную сеть контроллеров (протокол CAN). То есть, дополнительный блок управления двигателем G-ECU включает и выключает контактор MC в соответствии с управлением двигателем, выполняемым блоком управления двигателем ECU, чтобы с возможностью управления прикладывать эквивалент нагрузки L к генератору G, и отключает эквивалент нагрузки L.
То есть, если необходимо, эквивалент нагрузки L подключается к генератору G для повышения мощности, выводимой из двигателя E, чтобы поднять температуру выхлопного газа. Таким образом, твердые частицы в DPF сжигаются и удаляются, чтобы регенерировать DPF.
В этом случае блоком ECU управления двигателем является, например, аппаратура управления, подсоединенная к автомобильному дизельному двигателю E. Дополнительный блок G-ECU управления двигателем является аппаратурой управления, добавляемой для того, чтобы управлять контактором MC с тем, чтобы прикладывать эквивалент нагрузки L к двигателю E и отключать эквивалент нагрузки в соответствии с работой двигателя E.
Фиг. 2 иллюстрирует структуру DPF. DPF в широком смысле состоит из окислительного нейтрализатора DOC и основного корпуса DPF, который является DPF в узком смысле. DOC и основной корпус DPF как целое действуют, чтобы обрабатывать выхлопной газ IN (входной) для выработки выхлопного газа OUT (выходного). Затем устройство PMD измерения количества твердых частиц определяет количество твердых частиц на основании, например, разности давления между входным и выходным в DPF.
Фиг. 3 является структурной схемой, показывающей основную операцию по управлению регенерацией DPF в двигателе-генераторе, показанном на Фиг. 5, то есть операцию, соответствующую предпосылке для настоящего изобретения. Со ссылкой на Фиг. 3 будет представлено описание, которое относится к обычной работе и операции регенерации DPF для двигателя-генератора, оснащенного системой DPF.
"Обычная работа и операция регенерации DPF для двигателя-генератора, оснащенного системой DPF"
Сначала оператор выполняет ручные операции запуска двигателя E (S1), установки двигателя E во вращение с номинальной частотой (S2) и приложения нагрузки к генератору G (S3). Таким образом, двигатель-генератор выполняет обычную операцию (S4).
Если двигатель E эксплуатируется, твердые частицы образуются в выхлопном газе и постепенно накапливаются в DPF (S5). В это время, когда температура выхлопного газа в двигателе E является равной или более высокой, чем допускающая регенерацию DPF температура, при которой DPF может быть восстановлен, другими словами, температура, при которой твердые частицы сгорают (S6), твердые частицы в DPF спонтанно сгорают (S7). Другими словами, DPF спонтанно регенерируется, тогда как двигатель E продолжает обычную работу.
С другой стороны, когда температура выхлопного газа является более низкой, чем допускающая регенерацию температура DPF, процесс переходит на этап S8, чтобы определить, является или не является количество PM равным или более большим, чем опорное количество для автоматической регенерации. Когда количество PM меньше, чем опорное количество для автоматической регенерации, процесс возвращается на этап S4, где двигатель E продолжает обычную работу.
Если на этапе S8 определяется, что количество накопленных PM равно или больше чем опорное количество, то есть количество PM указывает, что DPF подлежит регенерации, процесс переходит на этап S9, чтобы запустить автоматическую регенерацию, если температура выхлопного газа является равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации (S10).
В этом случае опорная температура автоматической регенерации относится к температуре, равной допускающей регенерацию температуре минус температура, до которой температура выхлопного газа может быть поднята управлением двигателем в той мере, что генератор может использоваться образом, эквивалентным таковому во время обычной работы.
В операции автоматической регенерации двигатель E управляется согласно параметру блока ECU управления двигателем в той мере, что генератор G может использоваться образом, подобным таковому в течение обычной работы, на основании количества твердых частиц (количества PM), измеренного устройством измерения количества твердых частиц PMD, обеспеченным в двигателе E, и температуры выхлопного газа, измеренной устройством измерения температуры TD, также обеспеченным в двигателе E.
Затем, процесс переходит на этап S11, где двигателем E управляют для сжигания твердых частиц в DPF (автоматическая регенерация). Управление двигателем включает поздний впрыск (впрыск топлива в течение такта выпуска поршня), ограничение впуска и т.п. В течение автоматической регенерации двигателем E управляют в той мере, что генератор может использоваться образом, эквивалентным таковому в течение обычной работы.
→
→
→
→
→
Процесс продолжает автоматическую регенерацию до тех пор, пока количество PM не уменьшится до опорного количества для окончания автоматической регенерации, проверяя при этом, является или не является температура выхлопного газа равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации (S11S12S13S11…). Когда автоматической регенерацией количество PM снижается ниже опорного количества для окончания автоматической регенерации, автоматическая регенерация завершается, и двигатель E возвращается к обычной работе (S15S4).
С другой стороны, в течение операции автоматической регенерации нагрузка может снижать к более низкой температуру выхлопного газа, ниже опорной температуры автоматической регенерации. В этот момент, другими словами, когда температура выхлопного газа падает ниже опорной температуры автоматической регенерации, хотя количество PM не уменьшилось до опорного количества окончания автоматической регенерации (S13), процесс приостанавливает автоматическую регенерацию (S14) и переходит на этап S16, чтобы определять, является ли количество PM равным или более большим, чем опорное количество, при котором должна выполняться регенерация в ручном режиме.
Когда количество PM меньше, чем опорное количество, при котором должна выполняться ручная регенерация, процесс возвращается на этап S4, где двигатель E приводится в действие обычным образом. Однако, когда количество PM равно или больше, чем опорное для ручной регенерации, процесс переходит на этап S17, чтобы выдать запрос ручной регенерации. Когда выдается запрос ручной регенерации, процесс переходит на этап S18, где оператор выполняет определение и необходимые ручные операции.
Ручная регенерация является последней регенерацией DPF, которая может выполняться системой управления двигателем, и опорное значение ручной регенерации для количества PM является близким к предельному количеству, при котором DPF может безопасно восстанавливаться. Для ручной регенерации выходная мощность, частота вращения и т.п. должны быть корректируемыми и регулируемыми вплоть до большего диапазона, превышающего диапазон регулирования двигателя для автоматического управления.
Это может препятствовать выполнению генератором обычной работы, и, таким образом, подача питания должна быть остановлена. Однако внезапный перебой в питании является опасным, и осуществляемые оператором определение и ручные операции включаются в процесс для того, чтобы остановить подачу питания с использованием нагрузки, ход операции и т.п., принимаемые во внимание. Регенерация на этой стадии называется "ручное восстановление", но непосредственно операция регенерации автоматически выполняется аппаратурой ECU управления двигателем.
Сначала, на этапе S18 оператор определяет, принять ли запрос ручной регенерации. Если оператор не отвергает запрос ручной регенерации, процесс в ручном режиме продолжается на этапе S19, где нагрузка на генератор G отключается, при двигателе E, удерживаемом в состоянии холостого хода. Затем, оператор нажимает кнопку (переключатель) ручной регенерации (S20).
Таким образом, операция ручной регенерации начинается (S21), и двигателем E управляют, чтобы сжечь твердые частицы (S22). Управление выполняется до тех пор, пока количество PM не снизится до опорного количества окончания ручной регенерации (S23). Управление завершается, когда количество PM достигает опорного количества окончания ручной регенерации (S24). Процесс затем возвращается на этап S2.
С другой стороны, если оператор решает не принять запрос ручной регенерации или пропускает запрос ручной регенерации, процесс переходит на этап S25, где блок ECU управления двигателем определяет, является ли количество PM равным или большим, чем опорное количество для аварийного останова. Затем, если количество PM меньше опорного количества для аварийного останова, процесс переходит на этап S4, где двигатель E используется обычным образом. Когда количество PM достигло опорного количества для аварийного останова, двигатель Е вводится в аварийный останов (S26), поскольку твердые частицы могут подвергаться аномальному возгоранию, являясь причиной несчастного случая.
"Операция автоматической регенерации системой DPF согласно настоящему изобретению"
Фиг. 4 является структурой схемой, иллюстрирующей операцию регенерации в системе согласно настоящему изобретению, каковая операция должна вставляться между этапами S8 и S17 на фиг. 3 вместо этапов S9-S16 с такими выражениями, как заданы в диаграммах деятельности.
Структурная схема иллюстрирует содержание операции посредством этапов S101-S124, и описание ниже следует этому порядку этапов.
Сначала, на этапе S8 в структурной схеме на фиг. 3 процесс переходит на этап S101, когда количество РМ является равным или более большим, чем опорное количество для автоматической регенерации. Этап S101 определяет, является ли температура выхлопного газа равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации. Когда температура выхлопного газа является равной или более высокой, чем опорная температура, процесс переходит на этап S108, чтобы запустить операцию автоматической регенерации. Когда температура выхлопного газа является более низкой, чем опорная температура, процесс переходит на этап S102, где эквивалент нагрузки L прикладывается к генератору.
Когда эквивалент нагрузки L прикладывается к генератору,  блок управления ECU для двигателя Е управляет двигателем Е, чтобы увеличить величину впрыска топлива, поддержания режима постоянной скорости. В результате температура выхлопного газа повышается, но вследствие временной задержки в подъеме температуры газа результат операции аппаратуры управления появляется с временной задержкой. Следовательно, этап S103 рассматривает временную задержку, используя таймер (время 1 удержания).
То есть, когда время 1 удержания истекает, делается определение относительно того, является ли температура выхлопного газа равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации (S107). Если определяется, что температура выхлопного газа является равной или более высокой, чем опорная температура автоматической регенерации, процесс переходит на этап S108 для запуска операции автоматической регенерации на этапе S109 и последующих этапах.
С другой стороны, когда температура выхлопного газа является более низкой, чем опорная температура автоматической регенерации, процесс переходит на этап S124, где эквивалент нагрузки L отключается, и на этапе S16 делается определение относительно того, является ли количество РМ равным или более высоким, чем опорное количество для ручной регенерации. Когда количество РМ меньше, чем опорное количество для ручной регенерации, процесс возвращается на этап S4, где двигатель Е приводится в действие обычным образом. Когда количество РМ равно или больше, чем опорное количество для ручной регенерации, процесс переходит на этап S17 для выдачи запроса ручной регенерации.
Описание операции возвращается на этап S103. Когда нагрузка быстро возрастает в течение заданной длительности для таймера на этапе 103 (S104a), процесс немедленно переходит на этап S105, где эквивалент нагрузки L отключается. Процесс затем возвращается на этап S101. В этом случае эквивалент нагрузки L отключается в ответ на быстрое увеличение нагрузки, чтобы обеспечить всю способность подачи питания двигателя-генератора на нагрузку при условии, что быстрое увеличение нагрузки происходит из-за, например, запуска электродвигателя. Это также относится к периоду операции автоматической регенерации, описанной ниже.
Кроме того, когда нагрузка становится равной или большей, чем опорное значение, в течение установленной длительности для таймера (S104b), процесс переходит на этап S106, где эквивалент нагрузки L отключается с использованием другого таймера (время 2 удержания) (S105). Процесс затем возвращается на этап S101. Кроме того, когда нагрузка становится меньше, чем опорное значение, в течение установленной длительности для другого таймера, процесс возвращается на этап S103, причем эквивалент нагрузки L остается приложенным к генератору.
"Управление эквивалентом нагрузки в течение операции автоматической регенерации согласно настоящему изобретению"
Когда операция автоматической регенерации запускается на этапе S108, как описано выше, двигателем E управляют для сжигания твердых частиц (автоматическая регенерация) на этапе S109. Процесс затем переходит на этап S110.
Этап S110 определяет, приложен ли эквивалент нагрузки L в текущий момент к генератору. Если эквивалент нагрузки в текущий момент приложен к генератору, когда нагрузка быстро возрастает (S111) или является равной или большей, чем опорное значение (S113), эквивалент нагрузки L отключается на этапе S112.
Кроме того, когда, на этапе S113, нагрузка меньше, чем опорное значение, процесс переходит на этап S114, чтобы определять, достигло ли количество PM опорного количества для окончания автоматической регенерации. Когда количество PM достигло опорного количества окончания автоматической регенерации, автоматическая регенерация завершается (S118). С другой стороны, когда количество PM меньше, чем опорное количество для окончания автоматической регенерации, процесс переходит на этап S121. Этап 121 определяет, является ли температура выхлопного газа равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации. Когда температура выхлопного газа является равной или более высокой, чем опорная температура автоматической регенерации, процесс возвращается на этап S109, чтобы продолжить операцию автоматической регенерации.
Если на этапе S110 эквивалент нагрузки L не был приложен к генератору, когда нагрузка быстро возрастает (S115) или является равной или большей, чем опорное значение (S116), процесс переходит на этап S114. Кроме того, когда нагрузка меньше, чем опорное значение, эквивалент нагрузки L прикладывается к генератору (S117) и осуществляется переход на этап S114, чтобы определить, соответствует ли количество PM опорному значению для окончания автоматической регенерации.
Если на этапе S114 количество РМ достигло опорного количества окончания автоматической регенерации, процесс переходит на этап S118, чтобы завершить автоматическую регенерацию, и затем переходит на этап S119, чтобы проверить, был ли эквивалент нагрузки L приложен к генератору. Если эквивалент нагрузки L был приложен к генератору, процесс переходит на этап S120, чтобы отключить эквивалент нагрузки L. Если эквивалент нагрузки L не был приложен к генератору, процесс возвращается на этап S4, где двигатель-генератор приводится в действие обычным образом.
С другой стороны, когда этап S114 определяет, что количество РМ не соответствует опорному компоненту для окончания автоматической регенерации, этап S121 определяет, является ли температура выхлопного газа равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации. Если температура выхлопного газа является более низкой, чем опорная температура автоматической регенерации, процесс временно приостанавливает автоматическую регенерацию (S122) и переходит на этап S123, чтобы определить, был ли эквивалент нагрузки L приложен к генератору. Если эквивалент нагрузки L не был приложен к генератору, эквивалент нагрузки L прикладывается к генератору (S102). Если эквивалент нагрузки был приложен к генератору (определение, что автоматическая регенерация более не будет эффективной), эквивалент нагрузки L отключается (S124) и осуществляется переход на этап S17, чтобы выдать запрос ручной регенерации.Если на этапе S121 температура выхлопного газа является равной или более высокой, чем опорная температура для автоматической регенерации, процесс переходит на этап S109, чтобы продолжить автоматическую регенерацию. За этим следует операция на этапе S110 и последующие этапы.
Итак, техническая предпосылка для настоящего изобретения состоит в том, что в основном избегается состояние, в котором, даже если эквивалент нагрузки L приложен к генератору (S102), чтобы увеличить нагрузку на двигатель E, температура выхлопного газа не сможет повыситься и является более низкой, чем опорная для автоматической регенерации. Такое состояние может происходить, только когда имелась бы особенно анормальная ситуация, такая как экстремальное снижение внешней температуры до неожидаемого значения или отказ механического элемента.
Вариант 2 осуществления изобретения
Вариант 1 осуществления выше описан на предпосылке, что выходное напряжение питания от генератора является фиксированным. Однако, учитывая, что многие генераторы на рынках допускают переключение между классом трехфазного напряжения 400 В и классом трехфазного напряжения 200 В, эквивалент нагрузки L по желанию выполняется переключаемым в ответ на переключение напряжения.
Для осуществления этого, например, реле детектирования напряжения может обеспечиваться во входной секции эквивалента нагрузки L, чтобы позволять автоматическое переключение эквивалента нагрузки L согласно напряжению генератора. В эквиваленте нагрузки L резисторы могут быть соединенными для возможности являться переключаемыми между последовательным соединением и параллельным соединением или между соединением звездой и соединением треугольником. Когда напряжение выходной мощности от генератора является высоким, соединение может переключаться на последовательное соединение или соединение звездой. Когда напряжение выходной мощности от генератора является низким, соединение может переключаться на параллельное соединение или соединение треугольником.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
E - Двигатель
G - Генератор
DPF - Дизельный сажевый фильтр
DOC - Окислительный нейтрализатор
TD - Устройство измерения температуры
PMD - Устройство измерения количества твердых частиц
ECU - Блок управления двигателем
G-ECU - Дополнительный блок управления двигателем
MC - Контактор
L - Эквивалент нагрузки