СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДОЗИРОВКИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ ПРИ СЕЛЕКТИВНОМ КАТАЛИТИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ
METHOD OF CONTROLLING REDUCING AGENT BATCHING DURING SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION

Изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
x
Наряду с твердыми частицами к ограничиваемым компонентам отработавших газов относятся окислы азота, которые образуются в процессах горения и допустимые выбросы которых все больше и больше снижаются. Для минимизации уровня этих компонентов отработавших газов в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в настоящее время применяются различные способы. В большинстве случаев снижение уровня окислов азота производится с помощью катализаторов. В обогащенных кислородом отработавших газах дополнительно требуется восстановитель, чтобы повысить селективность и конверсию NO.
2
5
2
5
3
2
2
5
Эти способы стали известны под общим понятием SCR-способа, где SCR означает "селективное каталитическое восстановление". Он применяется много лет в области электростанций, а с недавнего времени и в двигателях внутреннего сгорания. Подробное описание такого способа представлено в DE 3428232 A1. В качестве SCR-катализаторов могут применяться смешанные оксиды, содержащие VO, например, в форме VO/WO/TiO. При этом типичное содержание VO составляет 0,2-3%. Допустимо также применение железо- и/или медьсодержащих цеолитов.
Для практического применения в качестве восстановителя подходят аммиак или соединения, отщепляющие аммиак, такие как мочевина или формиат аммония, в твердой форме или в форме раствора.
Так, мочевина при высоких температурах распадается на изоциановую кислоту и аммиак:
(NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>CO<=>NH<sub>3</sub>+HNCO
(1)
3
2
Дальше изоциановая кислота гидролизуется содержащейся в отработавшем газе водой с образованием NH и CO:
HNCO+H<sub>2</sub>O=>NH<sub>3</sub>+CO<sub>2</sub>
(2)
Таким образом, при полном гидролизе из одного моля мочевины образуется два моля аммиака и один моль диоксида углерода.
(NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>CO+H<sub>2</sub>O=>2NH<sub>3</sub>+CO<sub>2</sub>
(3)
Таким образом, в результате гидролиза мочевины в распоряжении дается тот же проверенный восстановитель, что и в области электростанций, а именно аммиак.
При этом для превращения одного моля оксида азота необходим один моль аммиака.
4NO+4NH<sub>3</sub>+O<sub>2</sub>=>4N<sub>2</sub>+6H<sub>2</sub>O
(4)
3
x
Соотношение между NH и NO называется коэффициентом загрузки.
3
x
α=NH/NO
x
x
NOx
Для идеального катализатора это означает, что при коэффициенте загрузки, равном единице, восстанавливаются все окислы азота, то есть достигается 100%-ная конверсия NO, так как для конверсии NO, X справедливо:
NOx,0
x
где c - неочищенные выбросы NO [ppm]
NOx
x
c - выбросы NO после катализатора [ppm]
2
Если SCR-катализаторам предшествует содержащий платину катализатор окисления NO для образования NO,
2NO+O<sub>2</sub><=>2NO<sub>2</sub>
(5)
то SCR-реакцию можно существенно ускорить и заметно повысить низкотемпературную активность.
NO+2NH<sub>3</sub>+NO<sub>2</sub>=>2N<sub>2</sub>+3H<sub>2</sub>O
(6)
2
Правда, в присутствии NO следует учитывать также повышенную эмиссию закиси азота согласно следующей реакции:
2NH<sub>3</sub>+2NO<sub>2</sub>+0,5O<sub>2</sub>=>2N<sub>2</sub>O+3H<sub>2</sub>O
(7)
x
Поэтому в автомобильных двигателях внутреннего сгорания уменьшение уровня окислов азота с помощью SCR-способа затруднительно, так как там условия работы могут изменяться, такие как колебания температуры отработавшего газа, количества отработавшего газа и неочищенных выбросов NO, что затрудняет количественную дозировку восстановителя. Хотя, с одной стороны, должна достигаться как можно более высокая степень превращения окислов азота, но с другой стороны нужно следить, чтобы не дошло до выбросов закиси азота, изоциановой кислоты или неиспользованного аммиака.
В настоящее время для дозировки восстановителя для SCR-способа в автомобилях применяются два способа определения правильного дозируемого количества восстановителя.
x
x
Во-первых, это чистое управление без обратной информации от датчиков для определения фактической эмиссии за каталитической системой. При этом дозируемое количество определяется с помощью моделей из данных, которые хранятся и/или рассчитываются в запоминающем устройстве электронного блока управления двигателя внутреннего сгорания в виде таблиц или кривых, семейств характеристик или функций, и при необходимости с помощью датчиков для определения температуры катализатора, которая определяет количество NO и отработавшего газа. Так, например, неочищенные выхлопы двигателя рассчитываются из количества впрыскиваемого топлива, числа оборотов двигателя, давления впрыска, воздушно-топливного отношения и т.д. Возможные конверсии и требующиеся для этого дозируемые количества восстановителя зависят, в свою очередь, от температуры катализатора, неочищенных выбросов NO, количества отработавшего газа и т.д. Фактические выбросы за системой не детектируются и, тем самым, не имеют никакого влияния на дозируемое количество (DE 4315278 A1, DE 19536571 A1, DE 19906344 A1, EP 898061 A1).
Недостаток этого способа состоит в том, что из-за отсутствия обратной информации о фактической эмиссии едва ли возможно компенсировать ошибки, дефекты или влияние окружающей среды.
2
x
3
x
Вторая возможность дозировки восстановителя состоит в том, чтобы построить за системой классическую замкнутую цепь автоматического регулирования с помощью датчиков HNCO, NO, NO и/или NH. Для этого предоставляемые датчиками текущие фактические значения сравниваются с предписанными значениями, и дозируемое количество непрерывно корректируется. Правда, при перманентном управлении существует проблема инерционности системы и датчиков, а также одновременно высокодинамичной работы двигателя внутреннего сгорания в автомобилях. Так, например, в процессах ускорения или ударного включения нагрузки в двигателях внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом выбросы NO в пределах одной секунды повышаются в 10 раз. Для безнаддувных двигателей повышение происходит еще быстрее из-за недостатка инерционности газотурбинного нагнетателя. Это же справедливо при сбросе нагрузки или при переходе в режим принудительного холостого хода.
90
Датчики для определения выбросов не способны детектировать эти высокодинамичные процессы. Во-первых, это связано с инерционностью датчиков, у которых время t, то есть время, при котором достигнуто 90% от конечного значения, типично составляет около 300-500 мс, а во-вторых, с необходимостью размещать датчики за каталитической системой. Так, одно только время прохода газа от выхода из головки цилиндра до выхода из каталитической системы составляет, в зависимости от объемного потока отработавшего газа и системы выпуска отработавшего газа, 200-2000 мс.
Чтобы устранить эту проблему, в DE 10100420 A1 предлагается типичная система доочистки отработавшего газа и способ управления такой системой доочистки отработавшего газа, в частности, для двигателя внутреннего сгорания, которая частично решает эту проблему. В систему доочистки отработавшего газа, которая содержит, по меньшей мере, один катализатор, в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания и/или системы доочистки отработавшего газа подается заданное количество восстановителя. Количество подаваемого восстановителя подстраивается. Для этого при стационарной работе двигателя внутреннего сгорания с помощью датчиков измеряется выпуск окислов азота или аммиака и сравнивается с предписанными значениями, хранящимися в памяти для этого стационарного режима работы. Если устанавливается отклонение, управление системой доочистки отработавшего газа определяет поправку, с которой подстраивается подводимое количество восстановителя, то есть корректируется.
Недостаток такой системы состоит в том, что подстройку, ввиду описанной выше инерционности системы, можно осуществлять только в относительно длительной стационарной фазе работы при заданных рабочих параметрах двигателя внутреннего сгорания. При этом под стационарными условиями работы понимается, что режимные параметры, определяющие дозировку восстановителя, не должны изменяться или могут изменяться лишь минимально. Такие стационарные фазы работы при определенных типах работы двигателя внутреннего сгорания, например, когда он эксплуатируется в автомобиле, и автомобиль движется по городу, в течение продолжительных периодов времени не выдерживаются. Из-за того что в течение продолжительных периодов времени нельзя осуществлять корректировку количества восстановителя, дело доходит до повышенного выпуска вредных веществ: окислов азота или аммиака.
Следующий подход к решению описанных проблем излагается в DE 19536571 A1. В этой публикации описан способ, а также соответствующее устройство для дозировки восстановителя, вводимого в поток отработавшего газа или отходящего воздуха установок сжигания, в частности, двигателей внутреннего сгорания, с установленным за ним катализатором. Регулирование вводимого количества восстановителя осуществляется, исходя из релевантных для работы параметров установки сжигания, отработавшего газа и катализатора, через положение (семейства) характеристики, причем положение (семейства) характеристики проверяется и подстраивается к фактическому состоянию, а также к фактическим условиям работы двигателя внутреннего сгорания, отработавшего газа и катализатора. Таким образом, происходит адаптация характеристических кривых или семейств характеристик путем сравнения определенной датчиками фактической концентрации вредных веществ с хранящимися в памяти предписанными значениями.
И при таком порядке действий высокая инерционность системы, в частности, датчиков, обусловливает то, что проверка возможна только при наличии стационарных условий работы двигателя внутреннего сгорания, так что недостатки, описанные выше в отношении документа DE 10l00420 A1, встречаются и здесь.
В основе настоящего изобретения стоит задача устранить недостатки способов, известных из уровня техники. Эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа охарактеризованы в зависимых пунктах.
Способ согласно настоящему изобретению применяется вместе с установкой доочистки отработавшего газа для дозировки отщепляющего аммиак восстановителя в поток отработавшего газа автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего при избытке воздуха. Как это принято в таких системах, дозировка восстановителя производится с помощью управляемого блоком управления дозатора, сопряженного с установкой доочистки отработавшего газа. Для снижения уровня окислов азота за дозатором в потоке отработавшего газа устанавливают, в качестве следующей части установки доочистки отработавшего газа, по меньшей мере, один SCR-катализатор.
Дозируемое количество восстановителя (для обычных в настоящее время установок это в большинстве случаев водный раствор мочевины, но допустимы также и другие восстановители: аммиак или отщепляющие аммиак соединения, такие как мочевина или формиат аммония в твердой форме или в виде раствора) устанавливается блоком управления с помощью записанной в нем модели, охватывающей все возможные рабочие точки двигателя внутреннего сгорания или установки доочистки отработавшего газа.
При этом под моделью в простейшем случае следует понимать характеристическую кривую или семейство характеристик, но это может быть также и множество характеристических кривых, семейств характеристик или же одно- или многопараметрические функции, которые рассчитываются или устанавливаются с помощью так называемой эталонной системы и/или из теоретических рассмотрений. Под эталонной системой в настоящем случае имеется в виду типичная для данного конструктивного ряда структура, состоящая из двигателя внутреннего сгорания и системы доочистки отработавшего газа, которая уже может быть встроена в автомобиль. Через измерения на эталонной системе и/или путем теоретических рассмотрений для множества рабочих точек системы, с одной стороны, определяется дозируемое количество восстановителя, а с другой стороны, для этих рабочих точек определяются предписанные эмиссии. При этом рабочая точка определяется величиной, по меньшей мере, одного рабочего параметра эталонной системы. Установленное дозируемое количество и соответствующие предписанные эмиссии или предписанные конверсии хранятся в форме модели в блоке управления соответствующего конструктивного ряда, так что из модели для всех возможных величин, которые может принимать этот, по меньшей мере, один, рабочий параметр, то есть для всех рабочих точек, которые имеют место, можно извлечь, напрямую или интерполяцией с помощью блока управления, величину, пропорциональную дозируемому количеству и предписанным эмиссиям или предписанным конверсиям.
Из этой модели, то есть характеристических кривых, семейств характеристик или функций, блок управления устанавливает дозируемое количество в зависимости от, по меньшей мере, одного оцениваемого блоком управления рабочего параметра двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа. Соответствующее текущее значение этого, по меньшей мере, одного рабочего параметра определяет при этом соответствующую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа. На практике речь часто идет не об одном, а о множестве рабочих параметров, которые влияют на правильно дозируемое количество восстановителя, следовательно, в модели следует учитывать эту множественную зависимость.
Однако так как эта множественная зависимость не постоянна, но, в частности, подвержена изменению во времени, то есть зависит от продолжительности работы установки, а также изменяется под влиянием окружающей среды, то дозируемое количество, устанавливаемое через модель, нужно корректировать. Для этого предпочтительно действуют так, чтобы при работе двигателя внутреннего сгорания блок управления путем сравнения пропорциональной предписанным эмиссиям или предписанным конверсиям величины, установленной для двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа блоком управления двигателя внутреннего сгорания из хранящихся в памяти значений, с пропорциональной фактической эмиссии или фактическим конверсиям величиной, определенной блоком управления из измерений, определяет отклонение и в зависимости от этого отклонения определяет поправку в дозируемое количество. Затем на последующих операциях дозировки записанная в памяти модель модифицируется блоком управления с этой поправкой.
Модифицированная модель с поправкой будет сохраняться до тех пор, пока блок управления путем сравнения пропорциональной предписанным эмиссиям или предписанным конверсиям величины, установленной для двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа блоком управления двигателя внутреннего сгорания из хранящихся в памяти значений, с новой пропорциональной фактической эмиссии или фактическим конверсиям величиной, определенной блоком управления из измерений, не установит отклонение и в зависимости от этого отклонения не определит новую поправку для дозируемого количества. Затем в последующих операциях дозировки записанная в памяти модель будет модифицирована с этой новой поправкой.
x
3
2
x
3
2
Для сбора значений фактической эмиссии или фактической конверсии в двигателе внутреннего сгорания с расположенной за ним установкой доочистки отработавшего газа, с одной стороны, требуется определенное время, в течение которого сигнал от NO-датчика, и/или NH-датчика, и/или NO-датчика будет суммироваться или интегрироваться, кроме того, условия работы при этом по возможности не должны изменяться. Это ограничивает определение значений фактической эмиссии или фактических конверсий стационарными режимами работы. Чтобы, тем не менее, для определения поправки предпочтительным образом получить независимость от стационарности условий работы, при определении фактической эмиссии или фактических конверсий согласно способу по изобретению действуют так, чтобы блок управления суммировал или интегрировал результат измерения находящегося за SCR-катализатором NO-датчика, и/или NH-датчика, и/или NO-датчика и одновременно проверял, находится ли, по меньшей мере, один рабочий параметр внутри одной из, по меньшей мере, двух областей значений, причем эти области значений определяются через хранящиеся в блоке управления величины. Суммирование или интегрирование может продолжаться в течение заданного времени t или до тех пор, пока не будет достигнуто заданное количество выбросов или пока не будет достигнуто заданное значение, получаемое суммированием или интегрированием, по меньшей мере, одного рабочего параметра. Этот рабочий параметр может представлять собой, например, количество отработавшего газа, и/или количество топлива, и/или количество восстановителя, и/или работу, произведенную двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, для определения продолжительности суммирования или интегрирования можно использовать также рабочие параметры, определяемые для контроля областей значений. Разумеется, для определения предписанных и фактических конверсий дополнительно необходимо определение неочищенных выбросов.
Достижение количества выбросов может при этом быть рассчитано суммированием или интегрированием значений концентрации и/или массы выбросов, и/или массовых потоков выбросов.
Благодаря упомянутому выше определению областей значений, внутри которых, по меньшей мере, один рабочий параметр может варьироваться при суммировании или интегрировании, то есть благодаря разбиению на классы, частота, с которой могут быть получены значения фактической эмиссии или фактических конверсий и, тем самым, поправки для дозировки восстановителя, резко повышается. При этом выбором областей значений, внутри которых может варьироваться этот, по меньшей мере, один, рабочий параметр, можно удержать ошибки, которые получаются при таком разбиении на классы, пренебрежимо малыми.
Если этот, по меньшей мере, один рабочий параметр при суммировании или интегрировании выходит за пределы текущей области значений, то есть класса, получаются две альтернативы способа действия. С одной стороны, можно действовать так, чтобы блок управления при установлении, что текущая область значений покинута, отбрасывал просуммированную или проинтегрированную сумму. С другой стороны, можно при установлении, что текущая область значений покинута, сохранить просуммированную или проинтегрированную сумму в буфере блока управления, чтобы затем, когда блок управления установит возвращение в покинутую ранее область значений, продолжить суммирование или интегрирование до достижения заданного количества выбросов, произведенной работы или суммы или интеграла другого рабочего параметра или до тех пор, пока не истечет заданное время t для суммирования или интегрирования.
Обе альтернативы имеют достоинства и недостатки. В первом случае гарантируется, что суммирование или интегрирование проводится "одним махом", то есть между началом и концом процесса проходят секунды. За такой короткий период факторы времени или влияние окружающей среды не проявятся, то есть не будут иметь никакого влияния на результат измерения фактической эмиссии. Но, с другой стороны, частота, с которой в распоряжении появляются новые измеренные значения фактической эмиссии, сильно уменьшается. Во втором случае могут, по меньшей мере, теоретически, пройти дни или даже недели, пока не завершится определение фактической эмиссии, вследствие чего обусловленные временем факторы или влияние окружающей среды проявляется очень сильно, и результаты измерения могут исказиться. С этим можно бороться, ограничивая по времени применимость хранящихся в буфере значений. Выгодным при осуществлении способа с промежуточным хранением является то, что частота, с которой в распоряжении поступают измеренные значения фактической эмиссии и, тем самым, текущие поправки, сильно повышается.
При другом образе действия блок управления в качестве фактической эмиссии использует сумму, просуммированную или проинтегрированную в течение заданного времени t или до заданного количества выбросов, до заданной произведенной работы или до заданной суммы или интеграла другого рабочего параметра, использует или пропорциональную ей величину для сравнения с сохраненными предписанными выбросами и рассчитывает из установленной разницы поправку для дозируемого количества. Каждый раз текущие поправки, справедливые для одной области значений, по меньшей мере, одного рабочего параметра, сохраняются в блоке управления, так что блок управления может прибегнуть к ним, чтобы с поправкой, определенной для соответствующей области значений этого, по меньшей мере, одного, рабочего параметра изменить дозируемое количество на основании модели, если определенная для текущего момента блоком управления величина этого, по меньшей мере, одного, рабочего параметра лежит в соответствующей области значений.
Таким образом, можно эффективно и вместе с тем выгодно адаптировать модель расчета дозируемого количества к изменениям, обусловленным временем и окружающей средой.
Альтернативно имеется возможность, чтобы блок управления, в зависимости от определенной им текущей величины, по меньшей мере, одного рабочего параметра, рассчитывал в качестве поправки промежуточное значение путем интерполяции поправок, которые были рассчитаны для величин этого, по меньшей мере, одного рабочего параметра, соседних с данной текущей величиной. Таким путем можно, с одной стороны, благоприятным образом уменьшить ошибки, обусловленные разбиением на классы, так как для каждой рабочей точки можно создать промежуточные значения к сохраненным поправкам, а с другой стороны, можно создать области значений, для которых поправки еще не были определены, выгодно перекрыть путем интерполяции.
Особенно простой и, стало быть, выгодный способ расчета по модели предписанной эмиссии или предписанной конверсии состоит в том, что блок управления в течение заданного времени t или до тех пор, пока не будут достигнуты заданное количество выбросов, или произведенная работа, или сумма или интеграл другого рабочего параметра, то есть параллельно по времени определению фактической эмиссии или фактической конверсии, суммирует или интегрирует взятые из модели, в зависимости от рабочей точки, значения предписанной эмиссии или предписанной конверсии и полученную так сумму или пропорциональную ей величину использует в качестве предписанной эмиссии или предписанной конверсии для сравнения фактической эмиссии или фактической конверсии с предписанной эмиссией или предписанной конверсией.
Существенное преимущество этого образа действий состоит в том, что за исключением рабочего параметра, для которого должна быть определена поправка и который поэтому может варьироваться только в соответствующей области значений, то есть в классе, все другие рабочие параметры могут принимать произвольные значения, так как обнаруженные вследствие этого эффекты устраняются суммированием или интегрированием фактической эмиссии и предписанной эмиссии. Или, другими словами, как при определении фактической эмиссии или фактической конверсии, так и при определении предписанной эмиссии или предписанной конверсии проходятся одни и те же рабочие точки, так что получающиеся тем самым эффекты устраняются при сравнении обеих величин, и как результат, остается только отклонение относительно одного рабочего параметра, для которого должна рассчитываться поправка.
Чтобы модифицировать определенное из модели дозируемое количество с помощью поправки, блок управления создает сумму дозируемого количества и поправки, если поправка сохранена в форме положительной или отрицательной коррекции дозируемого количества, или произведение дозируемого количества и поправки, если поправка сохранена как коэффициент.
Что касается оцениваемых блоком управления рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа, то это могут быть температура охлаждающей воды, и/или температура масла, и/или температура топлива, и/или давление впрыска топлива, и/или температура всасываемого воздуха, и/или температура наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя, и/или давление наддува, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температура отработавшего газа, и/или температура катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или выбросы, и/или топливно-воздушное отношение, и/или изменение во времени этих величин.
Для дозировки восстановителя это означает, что в простейшем случае, то есть когда блоком управления обрабатывается всего один рабочий параметр, например, массовый поток отработавшего газа, имеющаяся в блоке управления модель может содержать всего одну характеристическую кривую. Если блоком управления оценивается несколько рабочих параметров, то речь будет идти об одном или нескольких семействах характеристик или об одной или нескольких многопараметрических функциях.
Из-за множественности рабочих параметров, которые могут оказывать влияние на дозируемое количество восстановителя, имеет смысл, чтобы блок управления для разных рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа определял и сохранял разные поправки и/или разные параметры для, по меньшей мере, одной поправочной функции и/или нескольких поправочных функций и чтобы блок управления, в зависимости от текущей рабочей точки двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа, из этих поправок и/или поправочных функций рассчитывал поправку, относящуюся к рабочей точке.
Из-за обсуждавшейся выше множественной зависимости важность разбиения рабочих параметров на классы является особенно существенной, так как только такие множественно зависимые поправки вообще могут быть рассчитаны за приемлемый период времени. Разбиение на классы приводит к тому, что рабочие параметры в пределах соответственно определенных границ области можно рассматривать как постоянные, вследствие чего получается область рабочих точек, которую можно рассматривать как квазистационарный режим. Вероятность, что реальная рабочая точка, в которой в данный момент находится двигатель внутреннего сгорания и/или система доочистки отработавшего газа, будет достаточно долго лежать в такой считающейся квазистационарной области рабочих точек, чтобы рассчитать поправку, резко повышается при упомянутом разбиении на классы.
2
x
3
В качестве датчиков для определения фактической эмиссии, неочищенных выбросов и фактических конверсий можно использовать HNCO-датчики, и/или NO-датчики, и/или NO-датчики, и/или NH-датчики, и/или лямбда-зонды. Эти датчики имеются в продаже, поэтому их конструкция не требует дальнейшего пояснения.
Далее изобретение более подробно поясняется на примерах осуществления.
При дальнейшем изложении будем исходить из установки доочистки отработавшего газа для дозировки отщепляющего аммиак восстановителя в поток отработавшего газа автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего с избытком воздуха.
Как уже было показано вначале, для таких установок недостаточно регулируемо дозировать восстановитель в зависимости от рабочей точки, более того, необходимо корректировать дозируемое количество в зависимости от изменений во времени установки доочистки отработавшего газа или двигателя внутреннего сгорания, а также в зависимости от влияний окружающей среды. Для этого поправки рассчитываются в зависимости от рабочей точки.
Принцип действия, чтобы рассчитать поправку, относящуюся к соответствующей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа, будет далее показан на примерах. При этом предполагается, что описываемые процессы реализуются как программируемые процессы управления в блоке управления, например, программируемом электронном блоке управления двигателя, какой применяется в современных двигателях внутреннего сгорания. Блок управления связан множеством датчиков с двигателем внутреннего сгорания и установкой доочистки отработавшего газа и через эти датчики устанавливает все текущие значения релевантных рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания или установки доочистки отработавшего газа, а также текущую фактическую эмиссию или текущую фактическую конверсию установки доочистки отработавшего газа. При этом текущие значения релевантных рабочих параметров определяют текущую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания или установки доочистки отработавшего газа.
Сначала при работе двигателя внутреннего сгорания проводится непрерывный контроль релевантных рабочих параметров. Это, с одной стороны, служит тому, чтобы брать из хранящейся в памяти блока управления модели, в зависимости от рабочей точки, дозируемое количество восстановителя, а с другой стороны, контроль за рабочим параметром служит для того, чтобы в зависимости от значений рабочего параметра определять поправки для количества восстановителя как сохраняемого в памяти значения, зависящего от рабочей точки. Далее подробно остановимся на этом определении поправок.
Как уже говорилось, расчет поправок проводится в отношении классов. Под этим следует понимать, что значения, которые могут принимать релевантные рабочие параметры, распределяют по областям значений, или классам. Для каждого релевантного рабочего параметра задаются, по меньшей мере, две области значений, или класса. Сколько классов существует для одного рабочего параметра или как получаются классы, то есть какое начальное значение и какое конечное значение они имеют, зависит от того, в каких областях значений соответствующего рабочего параметра получается пренебрежимо малое изменение поправки. Соответствующие области значений устанавливаются с помощью эталонной системы. Под эталонной системой понимается, как уже говорилось, установка доочистки отработавшего газа для дозировки отщепляющего аммиак восстановителя в поток отработавшего газа автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего с избытком воздуха, которая соответствует уровню конструктивной серии и на которой проводятся соответствующие измерения в испытаниях. Определенные так области значений или классы для каждого релевантного рабочего параметра записываются в память блока управления серии, чтобы к ним можно возвращаться.
При работе установки согласно серийному режиму и при условии, что сначала в блоке управления не сохранено никаких поправок, например, при первом пуске двигателя внутреннего сгорания, дозировка осуществляется с применением записанного в модели дозируемого количества, то есть нескорректированного. Одновременно блок управления начинает с того, что периодически запрашивает текущие значения релевантных рабочих параметров и сравнивает их с областями значений или классами, которые хранятся в блоке управления. В зависимости от результата этого сравнения получаются две возможности:
- текущее значение рабочего параметра остается в пределах границ одного класса;
- текущее значение рабочего параметра выходит за границы класса.
Остановимся подробнее на обоих указанных случаях.
Параллельно вышеуказанному процессу идет другой процесс. При этом относящиеся к текущему классу или классам, в которых находятся рабочий параметр или параметры, значения, поступающие от датчика отработавшего газа, или конверсия, определенная с помощью этого датчика, суммируются или интегрируются блоком управления. Для суммирования или интегрирования в блоке управления могут заранее задаваться время t, количество выбросов, работа, произведенная двигателем внутреннего сгорания, или сумма или интеграл другого рабочего параметра, по достижении которых, при условии, что до этого момента не происходит выхода за пределы класса или классов, блок управления завершает процесс суммирования или интегрирования, и полученное таким образом значение используется как эквивалент фактической эмиссии или фактической конверсии в установке для сравнения исходного значения с предписанным значением.
При этом заранее задаваемое время t должно составлять, по меньшей мере, 15 секунд. Для случая, если вместо времени t критерием обрыва служит заданное количество выбросов, то количество выбросов, как уже упоминалось, можно рассчитать суммированием или интегрированием значений концентрации, и/или массы выбросов, и/или массового потока выбросов.
x
3
2
Если заданное количество в единицах массы задается суммированием или интегрированием массы выбросов и/или массового потока выбросов, то заданное количество выбросов для NO должно составлять, по меньшей мере, 1 мг, и/или заданное количество выбросов для NH должно составлять, по меньшей мере, 0,01 мг, и/или заданное количество выбросов для NO должно составлять, по меньшей мере, 0,02 мг, и/или заданное количество выбросов для HNCO должно составлять, по меньшей мере, 0,01 мг.
Значение предписанной эмиссии или предписанной конверсии можно определить, прибегнув к записанным в памяти значениям, которые аналогичны значениям фактической эмиссии, определяемым блоком управления, однако были рассчитаны на основе теоретических рассмотрений и/или были определены из испытаний с помощью эталонного двигателя внутреннего сгорания в предшествующем процессе, и которые хранятся в запоминающем устройстве блока управления вместе с дозируемыми количествами. Такие сохраненные значения могут аналогично суммированию или интегрированию значений фактической эмиссии или фактической конверсии суммироваться или интегрироваться в течение заданного времени t или альтернативно до достижения заданного количества выбросов, произведенной работы или суммы или интеграла другого рабочего параметра, так что полученное таким образом значение пропорционально предписанной эмиссии.
x
Если фактическое значение рабочего параметра или рабочих параметров выходит за границы класса, как это обсуждалось выше в качестве второй возможности, также опять имеются две возможности дальнейших действий. С одной стороны, можно отбросить уже полученную частичную сумму или частичный интеграл, так что не будет образовано никакой поправки или новой поправки. С другой стороны, имеется возможность при выходе за границы класса прервать процесс суммирования или интегрирования и при возвращении в класс начать снова с прерванного места. Заданное время t или альтернативно заданное количество выбросов, заданная проделанная работа или заданная сумма или интеграл другого рабочего параметра, который предусмотрен для процесса суммирования или интегрирования, делится таким образом на частичные времена t или частичные количества выбросов, частичные работы, или частичные суммы, или частичные интегралы другого рабочего параметра.
Какой рабочий параметр (например, температура масла, отработавшего газа, воды в двигателе и внешняя температура и т.д.) следует учитывать при определении фактической эмиссии, зависит от реальных условий. На практике следует принимать во внимание только некоторые из рассмотренных выше теоретически возможных параметров.
Если отклонение между предписанной и фактической эмиссией, соответственно предписанной и фактической конверсией определено, из него можно рассчитать поправку и запомнить ее, вместе с соответствующим классом рабочего параметра или классами рабочего параметра, в запоминающем устройстве блока управления.
Если теперь в блоке управления имеются поправки, то дозируемое количество корректируется в зависимости от этих поправок, рассчитанных в отношении классов рабочего параметра. Это осуществляется тем, что блок управления связывает дозируемое количество, хранящееся в нем в рамках встроенной модели и вызываемое из запоминающего устройства в зависимости от фактической рабочей точки, с поправкой или поправками.
Из вышеизложенного можно сформулировать следующие общие высказывания:
n
E
n
k
n
f
Для  рабочих параметров, называемых далее факторами влияния , нужно определить, по меньшей мере, 2 поправок и/или, по меньшей мере, одну поправочную функцию  с  параметрами.
m
t
m
E
K
E
t'
E
k
k
восстановитель
восстановитель, модель
f
f
Фактически добавленное количество восстановителя  к моменту времени  получается тогда из сохраненных в виде кривых, семейств характеристик, таблиц или функций данных о рассчитанном количестве восстановителя  и из, по меньшей мере, одной, связанной с, по меньшей мере, одним фактором влияния  поправки . Эта поправка зависит от текущего значения фактора влияния  и определенной к моменту времени  и связанной с фактором влияния  поправкой , причем поправка , как написано выше, была рассчитана в отношении класса.
Вообще говоря, можно записать:
m
t
K
E
t
k
t
m
восстановитель
f
восстановитель, модель
()=((),('))•,
t
где t описывает фактическое время, а ' время в прошлом.
Разумеется, наряду с умножением возможно также сложение согласно
m
t
K
E
t
k
t
m
восстановитель
f
восстановитель, модель
()=((),('))+,
E
Для определения действия различных значений фактора влияния определяется расхождение между предписанными и фактическими эмиссиями или между предписанными и фактическими конверсиями для, по меньшей мере, двух разных областей значений фактора влияния  и тем самым для двух разных моментов времени в прошлом.
t
Приведем в этой связи один пример. Сначала в предшествующем процессе рабочие параметры распределяют по классам, как описано выше, затем поправки для каждого класса определяются интегрированием или суммированием фактических значений внутри классов и сравниваются с предписанным значением. При этом нужно заранее задать определенное время измерения , которое необходимо для надежного определения поправки.
Далее для иллюстрации показан способ разбиения на классы рабочих параметров или факторов влияния на примере фактора влияния "массовый поток отработавшего газа".
При сравнении фактических значений с предписанными при работе:
t
- для 100-1000 кг/ч определена поправка 120% к моменту времени ',
t
- для 1001-2000 кг/ч получена поправка 90% к моменту времени ",
t
- для 2001-3000 кг/ч получена поправка 130% к моменту времени '".
Рассчитанные так поправки наносятся в форме характеристической кривой и сопоставляются с классами массового потока отработавшего газа 100-1000 кг/ч, 1000-2000 кг/ч и 2000-3000 кг/ч:
Классы массового потока отработавшего газа [кг/ч]
100-1000
1001-2000
2001-3000
Поправка [%]
120
90
130
Таким образом, поправка связывается с одним классом фактора влияния, притом не более чем с одним-единственным значением фактора влияния.
В таком случае при нестационарной работе двигателя можно определенную поправку распространить затем либо на всю ширину класса, либо только на одно значение класса, например, нижнюю границу, середину или верхнюю границу, причем тогда текущая поправка рассчитывается предпочтительно путем линейной интерполяции из характеристической кривой и используется для подстройки регулируемого дозируемого количества. В первом случае для массового потока от 1001 до 2000 кг/ч получилась бы постоянная поправка 90%, на которую нужно скорректировать определенное из модели дозируемое количество путем умножения на поправку, а начиная с 2001 кг/ч следует корректировать на 130%. В другом случае для массового потока отработавшего газа 1800 кг/ч при линейной интерполяции, в предположении, что поправка относится к середине обоих ближайших поправочных классов, получилась бы поправка в 102%.
Поправки могут, как написано выше, быть определены и записаны в виде относительных величин или в виде абсолютных величин, как, например, измененное количество восстановителя. Следующий пример должен пояснить различие, причем для простоты как для относительных, так и для абсолютных поправок отклонения сразу принимаются в качестве поправок. Однако в реальности предлагается ограничить максимальное значение поправки и/или изменение поправки, допустимое при каждой проверке, чтобы предотвратить выход системы из-под контроля.
x
Как уже было написано выше, для фактора влияния "массовый поток отработавшего газа" должны определяться относительные поправки, причем в качестве критерия оценки используется конверсия NO.
Классы массового потока отработавшего газа [кг/ч]
100-1000
1001-2000
2001-3000
Предписанная конверсия NO<sub>x</sub>, [%]
90
80
65
Фактическая конверсия NO<sub>x</sub> [%]
75
89
46,2
Поправка [%]
120
90
130
x
x
Если используются абсолютные значения, предлагается при применении датчиков NO в качестве критерия оценки использовать концентрации NO за SCR-системой.
Классы массового потока отработавшего газа [кг/ч]
100-1000
1001-2000
2001-3000
Предписанная концентрация NO<sub>x</sub> [ppm]
800
1200
650
Фактическая концентрация NO<sub>x</sub> [ppm]
650
1400
650
Поправка [ppm]
150
-200
0
m
t
k
восстановитель
f
При определении количества восстановителя () к более позднему моменту времени при использовании абсолютных поправок  надо следить за тем, чтобы поправки возвращали добавленные количества восстановителя. То есть в приведенном выше примере значение концентрации, рассчитанное из значения поправки, должно быть пересчитано с помощью текущего количества отработавшего газа в надбавку к текущему добавляемому количеству восстановителя. Этого можно избежать, если в качестве поправок записывать не концентрацию отработавшего газа, а уже количество восстановителя.
x
При определении поправок для других факторов влияния, таких как температура охлаждающей воды, и/или температура масла, и/или температура топлива, и/или массовый поток отработавшего газа, и/или давление впрыска топлива, и/или температура всасываемого воздуха, и/или температура наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя, и/или давление наддува, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температура отработавшего газа, и/или температура катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или неочищенные выбросы NO, и/или часы работы, и/или влажность воздуха, и/или атмосферное давление, можно действовать аналогично приведенным выше примерам определения абсолютных и относительных поправок.
n
E
E
n
1
n
Если имеется  факторов влияния, с  по , то для  поправок определить реально добавляемое дозируемое количество можно, например, умножением
m
t
K
E
t
k
t
K
E
t
k
t"
K
E
t
k
t"'
K
E
t
k
t""
m
восстановитель
1
1
f1
2
2
f2
3
3
f3
n
n
fn
восстановитель, модель
()=((),('))•((),())•((),())• ...•((),())•
или сложением
m
t
K
E
t
k
t
K
E
t
k
t"
K
E
t
k
t"'
K
E
t
k
t""
m
восстановитель
1
1
f1
2
2
f2
3
3
f3
n
n
fn
восстановитель, модель
()=(((),('))+((),())+((),())+ ...+((),()))+.
Сложение поправок применяется чаще всего тогда, когда поправки представляют собой абсолютные величины, а умножение, когда поправки являются относительными величинами.
K
E
Возможно также составление многопараметрической поправочной функции , в которой содержатся факторы влияния :
m
t
K
E
t
k
t
E
t
k
t"
E
t
k
t"'
E
t
k
t""
m
восстановитель
1
f1
2
f2
3
f3
n
fn
восстановитель, модель
()=((),('),(),(),(),(), ...,(),())•.
Отдельные поправки для фактора влияния могут, но необязательно, должны, определяться в разные моменты времени t', t", t'" и т.д.
Поправки являются "замороженными", то есть хранятся неизменными и продолжают применяться для коррекции сохраненных значений и тем самым для управления до тех пор, пока снова не будет достигнуто возвращение в соответствующий класс рабочих параметров и/или пока не будет завершено новое интегрирование или суммирование, в результате которого проводится новая проверка выбросов и могут быть рассчитаны новые поправки.
В предыдущих примерах отклонение предписанного значения от фактического принималось в качестве поправки один к одному. Это не всегда ведет к цели. При больших отклонениях отсюда получаются большие поправки, что может привести к выходу системы из-под контроля. Поэтому разумно ограничить изменение поправок за один этап проверки. Этого можно достичь, устанавливая максимальное разрешенное изменение поправки за один этап проверки и/или устанавливая минимальное и/или максимальное значение поправки. Следующая возможность состоит в том, чтобы рассчитывать поправку путем умножения отклонения на какую-то величину, лежащую между нулем и единицей.
w
1
2
3
n
При расчете нескольких поправок для нескольких рабочих параметров или факторов влияния нужно следить за тем, чтобы разные факторы влияния имели в разной степени сильное влияние на фактическую эмиссию или фактические конверсии. Поэтому разумно влияние отдельных факторов, зависящих от факторов влияния, которые ведут к коррекции дозируемого количества, осуществлять через коэффициенты значимости , w, w,..,w для отдельных поправок. Это приводит, например, к следующему выражению:
m
t
K
E
t
k
t
K
E
t
k
t"
K
E
t
k
t"'
K
E
t
k
t""
m
восстановитель
1
1
1
f1
2
2
2
f2
3
3
3
f3
n
n
n
fn
восстановитель, модель
()=(w•((),('))+w•((),())+w•((),())+...+w•((),()))•.
Прежде всего, при определении дозируемого количества через умножение и/или построение многопараметрической поправочной функции можно учитывать влияние разных факторов влияния уже при расчете отдельных поправок, так что для параметра с низким влиянием получаются меньшие поправки, чем для параметра с более сильным влиянием. Кроме того, допустимо также для разных факторов влияния вводить разное максимально разрешенное изменение поправок за один этап проверки и/или разные минимальные, и/или максимальные значения поправки. Другая возможность состоит в том, чтобы рассчитывать разные поправки умножением на разные коэффициенты значимости, которые лежат между нулем и единицей, и таким образом характеризуют влияние соответствующего фактора влияния. В простейшем случае коэффициенты значимости могут быть определены как константы. Следующая возможность состоит в том, чтобы определить коэффициенты значимости помощью функции, и/или семейства характеристик, и/или характеристической кривой, которые дополнительно зависят от величины, по меньшей мере, одного рабочего параметра или фактора влияния и/или от отклонения между предписанными и фактическими эмиссиями/конверсиями. Так как эффект фактора влияния в ходе работы, например, из-за старения катализаторов может меняться, допустимо, кроме того, корректировать коэффициенты значимости в течение времени. Это можно осуществить, например, тем, чтобы сделать коэффициенты значимости зависящими от числа изменений соответствующей поправки и/или от величины изменения поправки. Кроме того, можно осуществить взвешивание поправки и/или определение поправки в зависимости от, по меньшей мере, одного фактора влияния с помощью, по меньшей мере, одной нейронной сети.