СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, ОСНАЩЕННОГО НАГРЕВАТЕЛЕМ
CONTROL OVER DEVICE FOR REDUCTION OF OFF-GAS TOXICITY EQUIPPED WITH HEATER

Настоящее изобретение относится к способу управления работой устройства для снижения токсичности отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на горючих смесях с избытком воздуха (т.е. на обедненных смесях), каковое устройство имеет по меньшей мере один по меньшей мере частично контактирующий с ОГ нагреватель, активизируемый электрической энергией и по меньшей мере частично снабженный окислительным покрытием. Подобный способ используется прежде всего в системах выпуска ОГ дизельных двигателей транспортных средств, прежде всего легковых автомобилей.
Известно применение электронагреваемых сотовых элементов для нагрева имеющегося у них окислительного покрытия уже вскоре после пуска холодного ДВС и/или после его повторного пуска до так называемой начальной рабочей температуры, например до температуры выше 200°C. По достижении этой температуры окислительное покрытие становится способным катализировать превращение содержащихся в ОГ вредных веществ, инициируя тем самым экзотермическую реакцию, в результате которой температура ОГ может быстро повышаться далее, а последующие компоненты для снижения токсичности ОГ достигают своей необходимой для каталитического превращения температуры. В этом отношении как известный следует рассматривать также тот факт, что используемый для нагрева такого сотового элемента нагреватель активизируют прежде всего после пуска холодного двигателя, соответственно после его повторного пуска на заданный период времени, а по его истечении затем вновь отключают. После этого при работе двигателей прежде всего на топливе с повышенным относительным содержанием углеводородов преобладают условия, в которых благодаря протеканию подобной экзотермической реакции может автоматически сохраняться активность указанных компонентов для снижения токсичности ОГ.
Именно ОГ двигателей внутреннего сгорания, которые работают на горючих смесях с избытком воздуха, таких, например, как дизельные двигатели, обычно имеют обедненный состав, т.е. характеризуются пониженным содержанием углеводородов. Помимо этого, в отношении подобных ДВС следует учитывать, что их ОГ направляются в систему их выпуска с пониженной температурой прежде всего во избежание высокого относительного содержания в них оксидов азота. Кроме того, было также установлено, что при работе подобных ДВС именно в диапазоне низких нагрузок в относительно больших количествах образуются и поступают в систему выпуска холодные ОГ. При наличии таких условий не исключена возможность падения температуры окислительного покрытия вновь ниже его начальной рабочей температуры, из-за чего не обеспечивается активность системы выпуска ОГ во всех режимах работы ДВС.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке способа управления работой подобного устройства для снижения токсичности ОГ двигателя внутреннего сгорания, работающего на горючих смесях с избытком воздуха, каковой способ при минимально возможном расходе энергии позволял бы поддерживать функциональность указанного устройства при работе ДВС.
Указанные задачи решаются с помощью способа, заявленного в п.1 формулы изобретения, и с помощью автомобиля, заявленного в п.7 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в пунктах формулы изобретения его отличительные особенности могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемый в изобретении способ управления работой устройства для снижения токсичности отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на горючих смесях с избытком воздуха, каковое устройство имеет по меньшей мере один по меньшей мере частично контактирующий с ОГ нагреватель, активизируемый электрической энергией и по меньшей мере частично снабженный окислительным покрытием, заключается в том, что
а) по меньшей мере один нагреватель нагревают до температуры выше первой заданной температуры,
б) после этого контролируют по меньшей мере температуру по меньшей мере одного нагревателя или ОГ и
в) инициируют повышение относительного содержания углеводородов в ОГ в том случае, когда по меньшей мере
- температура нагревателя или ОГ достигла граничной температуры или
- ДВС работает в режиме с низкой нагрузкой.
Под устройством для снижения токсичности ОГ работающего на горючих смесях с избытком воздуха ДВС подразумевается прежде всего система выпуска ОГ, соединенная с дизельным двигателем и/или с двигателем, работающим на обедненных смесях. При этом такое устройство обычно имеет выпускной трубопровод, в который встроен по меньшей мере один нагреватель. Подобный нагреватель позволяет активизировать его по мере необходимости путем подачи на него электроэнергии и, например, при протекании через него электрического тока нагревается в результате своего резистивного нагрева. С этой целью нагреватель может быть подсоединен к соответствующей электрической бортовой сети с напряжением, например, 12 или 24 В. Подобный нагреватель обычно имеет сравнительно большую суммарную площадь поверхности, вдоль которой проходят ОГ. Эта поверхность может быть частично выполнена с окислительным покрытием. Предпочтителен вариант с выполнением всей контактирующей с ОГ поверхностью с окислительным покрытием. Само окислительное покрытие может иметь различное исполнение, а обычно оно представляет собой покрытие из пористого оксида, в частности из γ-оксида алюминия, содержащее благородные металлы, такие, например, как платина, родий и другие. Предпочтительно далее, чтобы нагреватель являлся первым по ходу потока ОГ после ДВС компонентом для снижения их токсичности, с которым они входят в контакт для каталитического превращения содержащихся в них вредных веществ.
В отношении подобного устройства, таким образом, сначала на стадии а) предлагается использовать нагреватель для достижения первой заданной температуры. Эту первую заданную температуру следует выбирать с таким расчетом, чтобы окислительное покрытие обладало достаточной активностью, соответственно эффективностью по превращению содержащихся в ОГ вредных веществ. В соответствии с этим стадию а) выполняют прежде всего при пуске ДВС. С этой целью на нагреватель можно, например, в течение нескольких секунд, а с запасом - в течение периода времени, достигающего 20 с, подавать электроэнергию, отбираемую, например, от аккумулятора автомобиля или сопоставимого источника напряжения.
В последующем, т.е. при последующей работе устройства, контролируют по меньшей мере температуру по меньшей мере одного нагревателя или ОГ. Очевидно, что можно также контролировать температуру нагревателя и температуру ОГ. Для этого могут быть предусмотрены соответствующие датчики, контактирующие с ОГ и/или с нагревателем, однако существует также возможность по меньшей мере частично вычислять температуру, соответственно оценивать ее, например, на основании моделей данных. Контролировать температуру можно непрерывно и/или периодически в заданные моменты через задаваемые интервалы времени либо в качестве реакции на особые режимы работы ДВС.
На основании результатов такого контроля можно проводить сравнение с заданной граничной температурой нагревателя и/или ОГ. По достижении этой граничной температуры, соответственно при падении контролируемой температуры ниже этой граничной температуры, в данном случае предлагается изменять состав ОГ путем повышения относительного содержания в них углеводородов. В соответствии с этим предпочтительно, чтобы граничная температура была выше так называемой начальной рабочей температуры окислительного покрытия. Присутствие дополнительного углеводорода в ОГ приводит к тому, что вследствие протекания экзотермической реакции с участием углеводородов на окислительном покрытии тепловая энергия выделяется в большем количестве и тем самым предотвращается дальнейшее снижение температуры нагревателя, соответственно его окислительного покрытия. Альтернативно этому или дополнительно к этому повышение относительного содержания углеводородов в ОГ в принципе можно также инициировать при обнаружении режима работы ДВС с низкой нагрузкой и/или при переходе ДВС на работу в таком режиме. "Режимом с низкой нагрузкой" обозначается прежде всего режим работы ДВС с низкой частотой вращения его вала и/или с низкой нагрузкой, т.е., например, работа в режиме холостого хода, режиме принудительного холостого хода и аналогичном режиме. Именно у дизельных двигателей при их работе в подобном режиме с низкой нагрузкой через устройство для снижения токсичности ОГ в значительном количестве проходит воздух с низкой температурой, что может приводить к остыванию компонентов для снижения токсичности ОГ. Воспрепятствуют такому остыванию компонентов для снижения токсичности ОГ путем повышения относительного содержания углеводородов в ОГ с сопутствующей интенсификацией химических экзотермических реакций.
Тем самым изобретение предполагает отход от того представления, что поддержание эффективности, соответственно конвертирующей способности системы выпуска ОГ, возможно только с помощью нагревателя. Более того, в данном случае предлагается использовать нагреватель только в немногих режимах работы ДВС, например только в период его пуска. При последующей же работе ДВС, таким образом, предпочтительно поддерживать конвертирующую способность системы выпуска ОГ лишь путем принятия предусмотренных стадией в) мер, избегая последующего активизирования нагревателя путем подачи на него электроэнергии. Благодаря этому удается прежде всего разгрузить систему электроснабжения автомобиля, что позволяет обеспечить наличие достаточного количества энергии для остальных компонентов автомобиля.
В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа относительное содержание углеводородов в ОГ повышают таким образом, что превращение присутствующих в ОГ углеводородов на окислительном покрытии предотвращает остывание по меньшей мере одного нагревателя до температуры ниже второй заданной температуры. В соответствии с этим относительное содержание углеводородов в ОГ повышают, например, с учетом фактической, соответственно ожидаемой температуры нагревателя и/или ОГ, химической активности образовавшихся ОГ, обеспечиваемой окислительным покрытием площади поверхности, конкретного режима работы ДВС с низкой нагрузкой и иных параметров. В предпочтительном варианте вторая заданная температура ниже первой заданной температуры, однако эту вторую заданную температуру целесообразно выбирать выше так называемой начальной рабочей температуры окислительного покрытия.
Предпочтителен далее вариант, в котором предлагаемый в изобретении способ используют для управления работой устройства для снижения токсичности ОГ двигателя внутреннего сгорания с несколькими цилиндрами, каждый из которых имеет по устройству подачи топлива, с помощью по меньшей мере одного из которых на стадии в) подают топливо в заданном количестве для его поступления в по меньшей мере один нагреватель. Именно дизельные двигатели обычно имеют 4, 6, 8 или 12 цилиндров, в которые поступают и в которых сгорают подаваемые в ДВС топливовоздушные смеси. Устройства подачи топлива образованы, например, топливными форсунками, соединенными с системой питания ДВС и активизируемыми в регулируемом режиме. Сказанное в данном случае означает также, что подача топлива таким устройством его подачи происходит таким образом, что (несгоревшее) топливо подается в устройство для снижения токсичности ОГ и тем самым в конечном итоге поступает в нагреватель. Лишь на окислительном покрытии нагревателя должна протекать экзотермическая реакция с участием углеводородных компонентов дополнительно поступающего в нагреватель топлива с выделением в этом месте тепловой энергии, необходимой для достижения рабочей температуры нагревателя, лежащей выше начальной рабочей температуры. В принципе необходимое количество топлива целиком или отдельными порциями можно также подавать в устройство для снижения токсичности ОГ каждый раз одним из (разных) устройств подачи топлива.
При этом предпочтительно, однако, чтобы всегда всеми устройствами подачи топлива, относящимися ко всем цилиндрам ДВС, подавалась часть от заданного количества топлива. Сказанное означает, например, что сначала определяют, какое количество топлива необходимо для установления требуемых рабочих условий в системе выпуска ОГ. Затем подачу этого количества топлива предпочтительно поровну распределяют по количеству имеющихся устройств подачи топлива, каждым из которых тем самым (прежде всего со смещением во времени) впрыскивается своя порция топлива. Связанное с этим преимущество состоит в равномерном использовании всех цилиндров, равно как и последующих выпускных трубопроводов. Таким путем исключается также учащенное контактирование определенных частей системы выпуска ОГ с топливом, благодаря чему предотвращается прежде всего возможное старение выпускного трубопровода, соответственно компонентов для снижения токсичности ОГ и в первую очередь окислительного покрытия на нагревателе.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа относительное содержание углеводородов в ОГ повышают при работе ДВС в режиме принудительного холостого хода. На работу в режиме принудительного холостого хода двигатель переходит во время движения автомобиля, например при его замедлении или при его движении под уклон, когда задаваемый водителем крутящий момент меньше мгновенного тормозного момента двигателя автомобиля. На время работы в режиме принудительного холостого хода обычно прекращают подачу топлива в ДВС, который вследствие этого работает без сгорания горючей смеси (прекращение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода). В результате этого в ОГ обнаруживается особо низкое относительное содержание углеводородов, при этом в данном случае предлагаемый в изобретении способ не осуществляют при наличии для этого соответствующих предпосылок.
Помимо этого, в еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа определяют, предотвращает ли выполнение стадии в) остывание по меньшей мере одного нагревателя до температуры ниже второй заданной температуры, и при отрицательном результате такой проверки по меньшей мере один нагреватель дополнительно периодически активизируют путем подачи на него электроэнергии. Сказанное означает, что уже перед выполнением, соответственно при выполнении стадии в), проверяют, возможно ли повышение температуры нагревателя сверх второй заданной температуры исключительно за счет увеличения относительного содержания углеводородов в ОГ. В том случае когда повышение температуры нагревателя указанным путем невозможно, например, по той причине, что следует ожидать слишком значительного падения температуры нагревателя и/или для такого повышения температуры нагревателя потребуется слишком большое количество топлива, нагреватель в качестве своего рода "экстренной меры" вновь активизируют путем подачи на него электроэнергии. Однако подача электроэнергии на нагреватель в этом случае не должна быть длительной и непрерывной, а должна быть периодической, т.е. прежде всего импульсной. С этой целью на нагреватель в течение заданного периода времени длительностью менее 1 с многократно, например более 10 или 20 раз, подают электроэнергию, выдерживая при этом также паузы продолжительностью менее одной секунды. Так, например, на нагреватель можно на 10-50 мс подавать электрический ток, а затем нагреватель можно вновь обесточивать с выдержкой паузы аналогичной продолжительности перед подачей следующего импульса тока. При подаче электрического тока на нагреватель в таком периодическом режиме сокращается потребление электроэнергии и снижается нагрузка на электрическую бортовую сеть.
Еще одним объектом настоящего изобретения является также автомобиль с работающим на горючих смесях с избытком воздуха двигателем внутреннего сгорания, который имеет несколько цилиндров, каждый из которых имеет по устройству подачи топлива, и с устройством для снижения токсичности образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания отработавших газов (ОГ), каковое устройство имеет по меньшей мере один нагреватель в виде электронагреваемого сотового элемента, соединенного с источником напряжения и регулирующим блоком, при этом автомобиль и регулирующий блок выполнены с возможностью осуществления предлагаемого в изобретении способа.
Под автомобилем при этом подразумевается прежде всего легковой автомобиль с дизельным двигателем. Несмотря на то что для снижения токсичности всего потока ОГ в принципе достаточно только одного нагревателя, тем не менее можно также предусматривать несколько нагревателей, например, на разных отдельных путях потоков ОГ. Преимущество, связанное с выполнением нагревателя в виде электронагреваемого сотового элемента, состоит в возможности обеспечить таким путем особо тесный контакт ОГ с нагревателем. В качестве примера подобного электронагреваемого сотового элемента можно назвать сотовый элемент, описанный в публикации WO 89/10471 А1. Согласно этой публикации описанный в ней электронагреваемый сотовый элемент в предпочтительном варианте имеет металлическую сотовую структуру, образованную множеством по меньшей мере частично профилированных листов фольги, которые образуют проточные для ОГ каналы. Такой сотовый элемент при этом частично электрически изолирован внутри себя и соединен с источником напряжения таким образом, что образуются один или несколько путей прохождения электрического тока через сотовую структуру. В качестве источника напряжения можно использовать, например, генератор и/или аккумулятор. Регулирующий блок может быть также частью системы управления двигателем, что позволяет в данном случае подавать электроэнергию на сотовый элемент в заданные моменты с учетом различных рабочих параметров автомобиля. В соответствии с этим частью регулирующего блока могут/может также быть соответствующая модель данных и/или соответствующее программное обеспечение, реализующее соответствующий предлагаемый в изобретении способ управления работой устройства для снижения токсичности ОГ.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг.1 - автомобиль с устройством для снижения токсичности ОГ,
на фиг.2 - электронагреваемый сотовый элемент и
на фиг.3 - график изменения температуры.
На фиг.1 схематично показан автомобиль 7 с ДВС 2, прежде всего с дизельным двигателем. ДВС 2 в данном случае имеет четыре цилиндра 5, каждый из которых имеет собственное независимо приводимое в действие устройство 6 подачи топлива. Образующиеся в цилиндрах 5 ОГ затем объединяются в выпускном трубопроводе 13, в который может быть также встроен, например, турбонагнетатель 12. Турбонагнетатель 12 может быть выполнен, например, по типу работающего на ОГ турбонагнетателя, который одновременно подает сжатый воздух, необходимый для протекания процессов сгорания в ДВС. В принципе на участке между цилиндрами 5 и турбонагнетателем 12 могут быть предусмотрены другие катализаторы окисления (каталитические нейтрализаторы окислительного типа), наличие которых, однако, не является строго обязательным. Тем самым существует также возможность поступления ОГ, которые движутся по выпускному трубопроводу 13 в указанном направлении 12 их потока, первоначально в нагреватель 3 с окислительным покрытием. Далее по ходу потока ОГ может быть предусмотрено несколько дополнительных компонентов 14 для снижения токсичности ОГ, таких, например, как улавливатели твердых частиц, адсорберы, (однокомпонентные) каталитические нейтрализаторы восстановительного типа (катализаторы восстановления), трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы и иные компоненты аналогичного назначения. Для управления таким устройством 1 и для снижения токсичности ОГ двигателя 2 внутреннего сгорания предусмотрен регулирующий блок 10, взаимодействующий прежде всего с ДВС 2 и нагревателем 3. Такой регулирующий блок 10 дополнительно может взаимодействовать с датчиками 15, регистрирующими, например, температуру ОГ.
На фиг.2 схематично в виде с торца показан выполненный по одному из вариантов электронагреваемый сотовый элемент 8, в виде которого по одному из предпочтительных вариантов выполнен нагреватель 3. Подобный сотовый элемент 8 образован множеством совместно свернутых в рулон гладких и гофрированных листов фольги 18, которые с попеременным чередованием прилегают друг к другу и образуют каналы 17 для прохождения ОГ. Все листы фольги 18 выполнены с окислительным покрытием 4. При этом отдельные пакеты листов фольги 18 электрически изолированы друг от друга, благодаря чему электрический ток, подводимый по мере необходимости через один электрод, принудительно протекает через весь сотовый элемент 8 и вновь отводится через другой электрод. Указанные листы фольги 18, кроме того, расположены в корпусе 16, от которого они электрически изолированы и через который пропущены электроды, также электрически изолированные от него. Для работы сотового элемента 8 предусмотрен источник 9 напряжения, который для подачи электроэнергии по мере необходимости в ней на нагреватель 3 взаимодействует с регулирующим блоком 10.
На фиг.3 схематично показан график 25 изменения контролируемой температуры в функции времени, в течение которого работает устройство для снижения токсичности ОГ. Как показано слева на фиг.3, сначала в первый промежуток времени к нагревателю подводится электроэнергия 23, благодаря чему температура ОГ, соответственно нагревателя, максимально быстро после пуска холодного двигателя достигает первой заданной температуры 19, соответственно становится выше нее. В предпочтительном варианте первая заданная температура 19 значительно превышает начальную рабочую температуру окислительного покрытия, например превышает ее на 100°C. С учетом ездового цикла после прекращения подачи электроэнергии 23 контролируемая температура начинает согласно графику 25 ее изменения изменяться соответственно нагрузке ДВС. Однако при обнаружении падения контролируемой температуры ниже граничной температуры 21 в данном случае в ОГ подают углеводород 22, вследствие чего на окислительном покрытии нагревателя протекает экзотермическая реакция, а температура вновь повышается. Таким путем прежде всего достигается возрастание температуры согласно графику 25 ее изменения до температуры выше граничной температуры 21. Углеводород 22 предпочтительно добавлять каждый раз, когда контролируемая температура падает ниже граничной температуры 21. Граничная температура 21 также превышает начальную рабочую температуру окислительного покрытия, например превышает ее по меньшей мере на 30°C.
Справа на фиг.3 отражена возможная ситуация, которая могла бы возникнуть при работе двигателя в режиме 24 с экстремально низкой нагрузкой, прежде всего после продолжительного прекращения подачи топлива в режиме принудительного холостого хода. При этом температура согласно графику 25 ее изменения падает до уровня значительно ниже граничной температуры 21, вследствие чего в данном случае наряду с подачей углеводорода 22 в повышенных количествах, при необходимости повторяемой многократно, дополнительно периодически подают электроэнергию 23 на нагреватель. Подобная комбинированная мера также позволяет добиться быстрого возрастания температуры до температуры выше граничной температуры 21.
Необходимо отметить, что для достижения аналогичного результата можно принимать и ряд других мер, не выходя при этом за рамки предлагаемой в изобретении концепции. Особо в этом отношении следует упомянуть возможность использования нагревателя в различных вариантах его конструктивного исполнения, возможность варьирования места его расположения в системе выпуска ОГ, возможность использования измерительных средств на основе датчиков и иные меры. Очевидно, что при необходимости предлагаемый в изобретении способ может также оказаться целесообразно и предпочтительно использовать для управления работой устройств для снижения токсичности ОГ, образующихся при работе ДВС иных типов.