СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
CONTROL METHOD OF EXHAUST GAS TEMPERATURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления температурой отработавших газов, в частности на коммерческом транспортном средстве, преимущественно автомобиле, имеющем дизельный двигатель.
Уровень техники
x
x
x
2
Перспективные законодательные нормы, регламентирующие эксплуатацию дизельных двигателей тяжелых транспортных средств, требуют применения систем нейтрализации отработавших газов для сокращения вредных выбросов. Как в случае сажевых фильтров, так и в случае систем снижения объема выбросов NO (deNOx-систем) для обеспечения приемлемой эффективности, соответственно, химического превращения NO и удаления сажи требуются повышенные температуры отработавших газов, составляющие примерно от 250 до 350°С. Температуры отработавших газов во время прокрутки двигателя и легкого торможения двигателем столь низки, что система восстановления NOне будет работать, пока она снова не разогреется. Регенерация сажевых фильтров прерывается, а регенерация, основанная на взаимодействии частиц сажи с NO, не будет работать, пока система снова не разогреется. Из уровня техники известно несколько методов повышения температуры отработавших газов в определенных условиях эксплуатации, например - путем сжигания дополнительного топлива для подогрева отработавших газов. В публикации WO 2008/015406 А1 раскрыто использование в выпускном тракте дроссельной заслонки для повышения температуры отработавших газов.
В публикации WO 2007/032714 А1 раскрыт способ поддержания высокой, температуры в системе нейтрализации отработавших газов. Известный способ препятствует закачке двигателем холодного воздуха в систему нейтрализации отработавших газов при движении транспортного средства накатом за счет рециркуляции потока отработавших газов по соответствующему каналу. Для торможения двигателя, когда подача топлива прерывается, например, во время движения транспортного средства накатом, предложено использовать моторный тормоз-замедлитель (горный тормоз) или турбину с изменяемой геометрией.
Раскрытие изобретения
Одна задача изобретения заключается в разработке усовершенствованного способа, который позволил бы поддерживать температуру отработавших газов на уровне, обеспечивающем возможность работы системы нейтрализации отработавших газов в приемлемом температурном диапазоне. Еще одна задача заключается в создании транспортного средства с усовершенствованной системой сокращения вредных выбросов.
Эти задачи решаются признаками независимых пунктов формулы изобретения. В других пунктах формулы изобретения и в его описании раскрываются преимущественные варианты осуществления изобретения.
Предложен способ управления температурой отработавших газов двигателя транспортного средства во время прерывания подачи топлива в двигатель, причем двигатель приводит трансмиссию транспортного средства.
Предлагаемый в изобретении способ предусматривает чередование двух или большего числа рабочих режимов двигателя, по меньшей мере один из которых поддерживает более высокую температуру отработавших газов, чем один или несколько других рабочих режимов. В частности, изобретение позволяет избежать остывания компонентов системы нейтрализации отработавших газов, таких как каталитические нейтрализаторы отработавших газов и/или сажевые фильтры, когда двигатель не вырабатывает теплоты.
В области низких моментов, т.е. во время торможения за счет внутреннего трения в двигателе, в разных случаях можно использовать две различные стратегии. В первом случае двигатель переводят на холостой ход, и скорость двигателя изменяют до меньшего значения. В этом случае целесообразным является использование автоматизированной механической трансмиссии (АМТ). Во втором случае может использоваться рециркуляция отработавших газов при неизменной скорости двигателя. Во втором случае автоматизированная механическая трансмиссия не требуется.
x
Изобретение позволяет поддерживать температуру отработавших газов в требуемом температурном диапазоне, несмотря на то, что двигатель активно не вырабатывает теплоту за счет горения топлива. При этом может быть обеспечена устойчивая работа каталитического нейтрализатора отработавших газов и сажевого фильтра в диапазоне их рабочих температур. Как только подача топлива возобновится, эти компоненты сразу будут готовы к химическому превращению NO и сжиганию сажи, что снижает суммарные выбросы транспортным средством токсичных веществ. Изобретение позволяет исключить период разогрева этих компонентов, когда эффективность очистки отработавших газов понижена. Следует отметить, что температура системы нейтрализации отработавших газов, в частности каталитических нейтрализаторов отработавших газов и сажевых фильтров, и температура самих отработавших газов различаются. Согласно изобретению температуры этих компонентов могут поддерживаться в температурном диапазоне, обеспечивающем работоспособность этих компонентов, т.е. способность каталитического нейтрализатора селективного восстановления к химическому превращению оксидов азота с достаточной эффективностью и возможность регенерации сажевого фильтра. Довольно высокие значения теплоемкости каталитических нейтрализаторов делают их подогрев при низкой средней нагрузке двигателя сложным и затратным.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа частота и/или длительность включения по меньшей мере одного из рабочих режимов может регулироваться в зависимости от требуемого тормозного момента. Это позволяет создавать требуемый тормозной момент даже в случае рабочих режимов, в которых тормозной момент ниже требуемого, чередуя эти рабочие режимы с рабочими режимами с более высоким тормозным моментом. В предпочтительном случае требуемый тормозной момент может создаваться за счет работы двигателя попеременно в режиме прокручивания с рециркуляцией отработавших газов и в режиме с более высокой степенью торможения двигателем. Рабочая точка прокручивания двигателя не охладит систему нейтрализации отработавших газов благодаря крайне низкому массовому расходу. Более высокая степень торможения двигателем будет обеспечиваться при температуре, достаточной для того, чтобы система нейтрализации отработавших газов не остыла. Результатом будет средняя (осредненная) температура, значительно более высокая, чем температура при низкой степени торможения двигателем.
При прерывании подачи топлива в двигатель транспортное средство замедляется за счет торможения двигателем, при котором фаза сжатия двигателя, требующая подвода энергии, используется для рассеяния энергии и уменьшения скорости движения транспортного средства. Этот режим торможения также называют компрессионным торможением. В больших грузовых автомобилях также применяется устройство для дросселирования выхлопа при торможении двигателем, называемое горным тормозом и повышающее эффективность торможения двигателем с помощью регулятора давления отработавших газов (РДОГ/EPG). На негибридных транспортных средствах торможение двигателем реализуется независимо от типа коробки передач в трансмиссии и включается, когда водитель снимает ногу с педали акселератора, коробка передач не на нейтрали, сцепление включено и не активирован режим движения накатом. Это также называется сопротивлением двигателя. Активное торможение двигателем, т.е. переключение на пониженную передачу, преимущественно используется, когда водитель желает контролировать скорость при движении на очень крутых и затяжных спусках. Оно может применяться перед включением дисковых или барабанных тормозов рабочей системы торможения, что позволяет воспользоваться этими тормозами при экстренной остановке. Требуемая скорость поддерживается за счет использования торможения двигателем для противодействия ускорению, создаваемому силой тяготения при движении на спуске.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа, особенно при необходимости создания двигателем тормозного момента, рабочий режим торможения двигателем, создающий первый тормозной момент, может чередоваться с рабочим режимом с рециркуляцией отработавших газов,. создающим тормозной момент, меньший первого тормозного момента. Благодаря рециркуляции отработавших газов через систему нейтрализации отработавших газов проходит лишь небольшой газовый поток, что сохраняет температуру высокой и позволяет избежать охлаждения каталитических нейтрализаторов или сажевого фильтра потоком холодного газа. В частности, в рабочем режиме торможения двигателем первый тормозной момент можно развивать до значения, превышающего требуемый тормозной момент, таким образом, чтобы требуемый тормозной момент достигался как момент, осредненный по двум или более рабочим режимам. Рабочий режим торможения двигателем с уровнем момента, более высоким, чем требуется, может включаться первым, до перехода в рабочий режим с рециркуляцией отработавших газов, так чтобы температура системы выпуска отработавших газов оставалась на высоком уровне в начальной фазе торможения двигателем с высоким тормозным моментом, прежде чем в режиме с рециркуляцией отработавших газов в двигателе начнут циркулировать теплые отработавшие газы. При этом в каталитическом нейтрализаторе и сажевом фильтре может сохраняться остаточная теплота без нежелательного прохождения потока охлаждающего газа.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа, в частности во время холостого хода двигателя, когда тормозного момента практически не требуется, может быть предусмотрено отключение двигателя от трансмиссии, выполняемое в одном из рабочих режимов, чередуемом с режимом работы двигателя в качестве компрессионного тормоза для создания тормозного момента. Этот режим позволяет избежать прокачки холодного воздуха через систему нейтрализации отработавших газов. При этом в системе нейтрализации отработавших газов можно сохранить остаточную теплоту. В частности, когда двигатель отключен от трансмиссии, может выполняться дросселирование потока воздуха во впускной коллектор двигателя. В еще одном варианте осуществления изобретения может быть предусмотрено снижение давления во впускном коллекторе двигателя. Целесообразно уменьшить поток газа через систему нейтрализации отработавших газов, чтобы система нейтрализации отработавших газов контактировала лишь с небольшими количествами газа, способного охлаждать компоненты системы.
Еще одним объектом изобретения является транспортное средство, в частности автомобиль, с управлением температурой отработавших газов двигателя, выполняемым предлагаемым в изобретении способом в любом описанном выше варианте его осуществления. Предлагаемое в изобретении транспортное средство характеризуется меньшим уровнем выбросов токсичных компонентов при движении в нормальном режиме и меньшим расходом топлива, поскольку изобретение позволяет избежать сжигания дополнительного топлива для разогрева системы нейтрализации отработавших газов.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение, решаемые им вышеупомянутые и другие задачи, а также его преимущества наиболее наглядно представлены в приведенном ниже подробном описании вариантов осуществления изобретения, но объем изобретения не ограничивается этими вариантами его осуществления изобретения, причем на прилагаемых чертежах схематически показано:
на фиг.1 - характерный вариант выполнения системы нейтрализации отработавших газов, эксплуатируемой в соответствии с предлагаемым в изобретении способом,
на фиг.2 - предпочтительное выполнение предлагаемого в изобретении транспортного средства,
на фиг.3 - кривые, иллюстрирующие тормозные моменты, создаваемые двигателем в различных рабочих режимах с высоким, низким и осредненным тормозным моментом согласно изобретению,
на фиг.4 - кривые многопараметровой характеристики двигателя для отрицательных моментов, иллюстрирующие управление температурой отработавших газов во время торможения двигателем, и
на фиг.5 - кривые управления моментом посредством перепускного клапана турбонагнетателя, иллюстрирующие изменение мощности торможения и температуры отработавших газов с помощью перепуска воздуха.
Осуществление изобретения
На чертежах одинаковые или аналогичные элементы обозначены одними и теми же номерами позиций. Чертежи представляют собой лишь схематические изображения, не предназначенные для отображения конкретных параметров осуществления изобретения. Кроме того, чертежи предназначены для иллюстрации только типичных вариантов осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.
На фиг.1 схематически показан характерный вариант осуществления изобретения в установке, включающей в себя двигатель 10 внутреннего сгорания и систему 40 нейтрализации отработавших газов, и эксплуатируемой в соответствии с предлагаемым в изобретении способом. На фиг.2 изображено транспортное средство 200, в котором используется предлагаемый в изобретении способ. Транспортным средством 200 предпочтительно является автомобиль малой, средней или большой грузоподъемности, такой как грузовик.
Двигатель 10 имеет впускной коллектор 12 для воздуха, сжимаемого компрессором 52 турбонагнетателя 50 и подаваемого по воздушному трубопроводу 80, и выпускной коллектор 14 для отвода отработавших газов по выпускному трубопроводу 30 к турбине 54 турбонагнетателя 50 и далее в систему 40 нейтрализации отработавших газов. Турбина 54 может приводить компрессор 52 во вращение посредством общей оси 56.
Часть отработавших газов может направляться из выпускного коллектора 14 во впускной коллектор 12 по трубопроводу 60 рециркуляции, в котором установлен охладитель 62 отработавших газов. Количество рециркулируемых отработавших газов может регулироваться клапаном 64 рециркуляции отработавших газов в трубопроводе 60 рециркуляции и клапаном 46 регулирования давления отработавших газов (РДОГ/EPG), расположенным в выхлопной трубе 42 системы 40 нейтрализации отработавших газов.
x
Отработавшие газы очищаются в секции 44 нейтрализации, содержащей, например, снижающий объем выбросов NO каталитический нейтрализатор, например нейтрализатор селективного каталитического восстановления (СКВ/SCR), сажевый фильтр, каталитический нейтрализатор окислительного типа и иные аналогичные устройства, в основном известные из уровня техники.
Параллельно компрессору 52 может быть включен перепускной клапан 74, расположенный в трубопроводе 72 перепуска таким образом, чтобы направлять в обход компрессора 52 по меньшей мере часть воздуха из входного трубопровода 70 перед компрессором 52, таким образом снижая давление во впускном коллекторе 12. Двигатель 10 приводит трансмиссию 22 и связан с трансмиссией 22 выходным валом 16 и коробкой передач 20. При необходимости между двигателем 10 и коробкой передач 20 может быть предусмотрено сцепление 18. Двигатель 10 может подключаться к трансмиссии 22 или отключаться от нее посредством коробки передач 20 или сцепления 18.
Для управления клапанами 46, 64, 74, применяемым по выбору сцеплением 18, коробкой передач 20 и подачей топлива в двигатель 10 может быть предусмотрено устройство 90. В предпочтительном случае осуществления изобретения устройство 90 может содержать блоки управления, такие как компьютерные процессоры и память, на которых реализуется предлагаемый в изобретении способ.
Изобретение предусматривает управление температурой отработавших газов двигателя 10 во время прерывания подачи топлива в двигатель 10. Подача топлива прерывается, например, когда водитель отпускает педаль газа или снимает управляющее воздействие с иного устройства, посылающего двигателю 10 команды на создание момента для приведения транспортного средства в движение.
При прекращении подачи топлива в движении происходит чередование (попеременное включение) двух или большего числа рабочих режимов, по меньшей мере один из которых поддерживает более высокую температуру отработавших газов, чем один или несколько других рабочих режимов.
В первом варианте, показанном на фиг.3, предлагаемый в изобретении способ предусматривает чередование рабочего режима торможения двигателем, создающего первый тормозной момент, и рабочего режима с рециркуляцией отработавших газов, создающего тормозной момент, меньший первого тормозного момента.
На фиг.3 показаны кривые зависимости момента от частоты вращения (выходного вала) двигателя, иллюстрирующие тормозные моменты, создаваемые двигателем в режимах двигателя с высоким, низким и осредненным тормозным моментом согласно изобретению.
Кривая А иллюстрирует изменение момента трения в двигателе в зависимости от частоты вращения двигателя, представляя мощность торможения двигателем без подачи топлива во время движения транспортного средства, т.е. при торможении за счет момента внутреннего трения в двигателе. Кривая В иллюстрирует пример среднего тормозного момента. Высокий тормозной момент означает высокий (по модулю) отрицательный момент, например момент в районе -1500 Нм. Низкий тормозной момент означает низкий (по модулю) отрицательный момент, например момент в районе -200 Им.
Вообще, когда речь идет о торможении двигателем, высокий тормозной момент означает высокое абсолютное значение отрицательного момента.
При создании в рабочем режиме торможения двигателем первого тормозного момента Т_hi, а во втором рабочем режиме - меньшего тормозного момента Т_lo результатом их осреднения будет средний момент T_av. Если требуется создание определенного значения момента, тормозные моменты Т_hi и Т_lo могут выбираться с таким расчетом, чтобы получить средний момент T_av, равный требуемому моменту.
Меньший тормозной момент Т_lo может создаваться при работе в режиме с рециркуляцией отработавших газов, поскольку этот режим может быть отрегулирован на очень малый поток газа через систему нейтрализации отработавших газов, таким образом обеспечивая высокую температуру в системе нейтрализации отработавших газов, поскольку поток охлаждающего газа практически отсутствует. Когда двигатель не создает высокого отрицательного или положительного крутящего момента, минимизация прохождения холодного воздуха через двигатель и систему нейтрализации отработавших газов является подходящей стратегией поддержания высокой температуры в системе нейтрализации отработавших газов. При низком крутящем моменте двигателя температура отработавших газов не может быть очень высокой. Обычно при создании тормозного момента за счет внутреннего трения в двигателе температура отработавших газов составляет около 100°С. При более высоком тормозном моменте двигателя, например, превышающем 1000 Нм, в частности находящемся в районе 1500 Нм, температура отработавших газов является более высокой, например, составляет от 200 до 400°С, и с точки зрения температурного режима не оказывает отрицательного влияния на систему нейтрализации отработавших газов или оказывает лишь небольшое влияние.
При сбросе газа, т.е. прекращении подачи топлива, и торможении двигателем, осуществляемом практически за счет одного лишь внутреннего трения в двигателе (фрикционное торможение двигателем), температура отработавших газов очень низка, а массовый расход газа через систему нейтрализации отработавших газов довольно высок, и тормозной момент T_hi высок. Путем чередования двух рабочих режимов с различными моментами T_hi, T_lo можно обеспечить требуемый тормозной момент T_av при температуре в выпускном тракте, достаточно высокой, например, для поддержания работоспособности сажевого фильтра и каталитического нейтрализатора селективного восстановления в системе нейтрализации отработавших газов.
В качестве альтернативы описанному выше варианту осуществления изобретения способа или в дополнение к нему, в другом варианте двигатель можно отключать от трансмиссии в первом рабочем режиме, чередуемом с режимом работы двигателя в качестве компрессионного тормоза для создания тормозного момента. На фиг.4 и 5 представлены кривые, относящиеся к этому варианту, где на фиг.4 показаны кривые многопараметровой характеристики двигателя для отрицательных крутящих моментов, иллюстрирующие управление температурой отработавших газов во время торможения двигателем, а на фиг.5 показаны кривые управления крутящим моментом посредством перепускного клапана турбонагнетателя, иллюстрирующие поведение мощности торможения и температуру отработавших газов при использовании перепуска.
Зависимость крутящего момента двигателя от частоты вращения (выходного вала) двигателя представлена кривыми С, D, Е на фиг.4. Линии S1, S2, S3 соответствуют постоянным частотам вращения двигателя, составляющим примерно 1000 об/мин, 1300 об/мин и 1600 об/мин. Кривая С характеризует тормозной момент при торможении за счет внутреннего трения в двигателе. Тормозной момент возрастает с увеличением частоты вращения. Кривая Е характеризует тормозной момент при компрессионном торможении с максимальным перекрытием выпускного тракта, что обычно дает температуру отработавших газов, достаточно высокую для поддержания работоспособности компонентов системы нейтрализации отработавших газов. Кривая D характеризует компрессионное торможение с дросселированием выпускного тракта. Точка T_id на отметке 600 об/мин представляет двигатель на холостом ходу с нулевым моментом при частоте вращения, составляющей, например, 600 об/мин.
Во время работы двигателя на холостом ходу высокую температуру в системе нейтрализации отработавших газов поддерживать тяжело, поскольку эта система охлаждается сильным потоком холодных газов. Температуру можно повысить до определенного уровня или поддерживать на высоком уровне путем использования, например, дроссельной заслонки во впускном тракте, что также уменьшает массовый расход. Так можно делать в рабочих режимах с коротким или средним временем работы на холостом ходу. Приемлемая длительность поддержания температуры системы нейтрализации отработавших газов с помощью дросселирования впускного тракта исчисляется минутами и составляет, например, от 0 до 10 минут. В частности, дроссельная заслонка может несколько повышать температуру отработавших газов, но в основном она уменьшает массовый расход через систему нейтрализации отработавших газов.
x
Во избежание торможения, обеспечиваемого только за счет внутреннего трения в двигателе во время работы на холостом ходу с высоким расходом холодных отработавших газов, рабочий режим холостого хода (или с возможным отключением двигателя) может чередоваться с рабочим режимом компрессионного торможения с уменьшенным расходом отработавших газов, в частности на высшей передаче. Примером этого является момент Т_С при частоте вращения 1000 об/мин, соответствующей, например, скорости движения 90 км/ч. Температура системы нейтрализации отработавших газов может поддерживаться на уровне, достаточно высоком для обеспечения работоспособности сажевого фильтра и снижающем объем выбросов NO каталитического нейтрализатора без создания на холостом ходу слишком высокого тормозного момента. Во время работы на холостом ходу двигатель может быть отключен от трансмиссии с установкой рычага коробки передач на нейтраль или по крайней мере может приводиться принудительно при движении накатом.
В качестве еще одной меры вместо компрессионного торможения с дросселированием выхлопа также может применяться дросселирование потока воздуха во впускной коллектор двигателя, когда двигатель отключен от трансмиссии, и/или давление во впускном коллекторе двигателя может уменьшаться с помощью перепускного клапана турбонагнетателя (DRV - Discharge Recirculation Valve).
На фиг.5 показано поведение мощности торможения и температуры отработавших газов при использовании перепускного клапана турбонагнетателя. Теперь мощность торможения характеризуется положительными значениями.
Кривая F представляет базовую линию без включения перепускного клапана турбонагнетателя, а кривая Temp_F является соответствующей температурной кривой. Мощность торможения сильно увеличивается по частоте вращения двигателя, а температура отработавших газов изменяется примерно в пределах 250°С и 350°С.
При включенном перепускном клапане мощность торможения уменьшается, например, с 250 кВт при 1900 об/мин (кривая F) до менее чем 200 кВт, как видно по кривой G, тогда как температура Temp_G почти не меняется по сравнению с выключенным перепускным клапаном турбонагнетателя.