СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ, СИСТЕМА ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ТАКОЙ СИСТЕМОЙ
CONTROL METHOD OF COMPOSITION OF COMBUSTIBLE MIXTURE, WASTE GASES EXHAUST SYSTEM INTENDED FOR ITS IMPLEMENTATION, AND TRANSPORT MEANS WITH SUCH SYSTEM

Настоящее изобретение относится к способу регулирования состава (качества) горючей смеси с использованием регулирующего зонда в системе выпуска отработавших газов нестационарного двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, изобретение относится к системе выпуска отработавших газов для нестационарного двигателя внутреннего сгорания. Преимущественной областью применения подобных систем выпуска отработавших газов, соответственно способа является автомобилестроение.
Как известно, в системах выпуска отработавших газов нестационарных двигателей внутреннего сгорания используются датчики и/или зонды, предназначенные для получения исчерпывающей информации о рабочих состояниях двигателя внутреннего сгорания и систем обработки отработавших газов, встроенных в систему выпуска отработавших газов.
Так, например, известно применение кислородного датчика, соединенного с электронным блоком управления, для определения степени старения каталитического нейтрализатора отработавших газов. Датчик имеет чувствительную к кислороду часть для измерения парциального давления кислорода в отработавших газах. На основе этой измеряемой величины блок управления определяет степень старения каталитического нейтрализатора, поскольку уровень накопления кислорода каталитическим нейтрализатором можно использовать в качестве параметра, определяющего его работоспособность (так называемая бортовая система диагностики).
Кроме того, известно также что, контролируя содержание по меньшей мере одного компонента отработавших газов в системе выпуска отработавших газов, можно оказывать влияние на подачу топлива в двигатель внутреннего сгорания. Так, например, после прогрева двигателя внутреннего сгорания или достижения температурой отработавших газов заданного значения используются кислородные датчики для регулирования работы двигателя внутреннего сгорания по коэффициенту избытка воздуха (λ). Коэффициент λ (лямбда) избытка воздуха определяется отношением фактического соотношения количества воздуха и количества топлива к стехиометрическому соотношению количества воздуха и количества топлива и широко используется в качестве характеристического параметра для процессов сгорания горючей смеси. При этом первый кислородный датчик, расположенный перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, выполняет функцию регулирующего зонда, а второй кислородный датчик, расположенный за каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, выполняет функцию подстроечного зонда. С помощью первого кислородного датчика определяются колебания коэффициента λ с определенной амплитудой и частотой, обусловленными процессами сгорания горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. Показатели колебания коэффициента λ определяются с помощью первого кислородного датчика, расположенного перед каталитическим нейтрализатором. При этом метод определения этого коэффициента хорошо известен специалистам и поэтому ниже более подробно не рассматривается.
Колебания коэффициента λ, отражающие колебания состава отработавших газов и имеющие место на входе в каталитический нейтрализатор, все сильнее сглаживаются по мере прохождения отработавших газов через каталитический нейтрализатор благодаря его способности накапливать кислород. В результате происходит снижение амплитуды колебаний коэффициента λ вдоль каталитического нейтрализатора. При высокой способности накапливать кислород колебания коэффициента λ, например на выходе каталитического нейтрализатора, практически не регистрируются. Поэтому по амплитуде колебаний коэффициента λ, которые удается зарегистрировать после прохождения отработавших газов через часть каталитического нейтрализатора или весь каталитический нейтрализатор, можно судить о способности части каталитического нейтрализатора или всего каталитического нейтрализатора накапливать кислород.
В этом случае значение коэффициента λ обычно колеблется вокруг постоянного среднего значения колебаний коэффициента λ, имеющих место перед каталитическим нейтрализатором. Это среднее значение определяется вторым датчиком, расположенным за каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, так называемым подстроечным зондом. Таким образом, подстроечным зондом устанавливается среднее значение коэффициента λ, которое невозможно точно определить или корректировать с помощью кислородного датчика или регулирующего зонда, установленного перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов. Причинами этого являются, например, так называемое "отравление", т.е. отрицательное влияние высокой концентрации вредных веществ, или иное отрицательное воздействие не подвергавшихся очистке отработавших газов на этот регулирующий зонд, установленный перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов. Из-за этого характеристика регулирующего зонда, установленного перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, изменяется, вследствие чего, хотя регулирующий зонд по-прежнему сохраняет способность достаточно надежно определять динамическую характеристику колебаний, без подстроечного зонда невозможно делать точные выводы относительно значения (среднего) коэффициента λ на протяжении длительного периода времени эксплуатации регулирующего зонда, установленного перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов.
При химическом равновесии коэффициент λ определяется непосредственно парциальным давлением кислорода. Поэтому путем измерения парциального давления кислорода вторым, расположенным за каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, кислородным датчиком (подстроечным зондом) можно определять коэффициент λ, а следовательно, и способность каталитического нейтрализатора накапливать кислород. Таким образом можно реализовать программу "медленной" коррекции, компенсирующей старение или отравление регулирующего зонда, расположенного перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов.
Определяемое кислородными датчиками изменение парциального давления или иных параметров, характеризующих состав отработавших газов, позволяет также делать выводы относительно эффективности или полноты сгорания горючей смеси в отдельных камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, полученные при этом значения можно также использовать для обеспечения регулирования работы двигателя внутреннего сгорания по коэффициенту λ, при этом, например, можно воздействовать на состав топливовоздушной смеси, момент зажигания, создаваемое при сгорании давление и т.д.
Недостаток подобных применяемых кислородных датчиков или же других регулирующих зондов состоит также в их чувствительности к воде. При контакте чувствительной зоны регулирующего зонда с водой гарантировать его работоспособность обычно уже невозможно. По этой причине было предложено множество различных конструкций регулирующих зондов или кислородных датчиков, которые исключают контакт чувствительной зоны с водой. Подобные кислородные датчики или лямбда-зонды обычно подогревают до рабочей температуры электрическим нагревательным элементом. Кроме того, известно также применение специальных экранов, решеток или покрытий, оказывающих сопротивление проникновению воды. В связи с тем, что эти зонды или датчики контактируют с выпускным трубопроводом или вставляются в него, они обычно имеют более низкую температуру по сравнению с отработавшими газами. Кроме того, следует принимать во внимание то обстоятельство, что температура отработавших газов колеблется в значительных пределах в зависимости от рабочего состояния двигателя внутреннего сгорания. Отсюда опять же возникает опасность того, что датчик или корпус, в котором датчик находится, будет иметь температуру, при которой может происходить конденсация воды из отработавших газов.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки упрощенного способа регулирования состава горючей смеси с использованием регулирующего зонда в системе выпуска отработавших газов нестационарного двигателя внутреннего сгорания. В частности, была поставлена задача по меньшей мере частичного устранения описанных выше проблем, присущих уровню техники. Кроме того, необходимо разработать экономичную и конструктивно простую систему выпуска отработавших газов.
Указанные задачи решаются с помощью способа регулирования состава горючей смеси, охарактеризованного в независимом пункте 1 формулы изобретения, а также с помощью системы выпуска отработавших газов, охарактеризованной в другом независимом пункте формулы изобретения. Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Дополнительно следует отметить, что все по отдельности представленные в формуле изобретения отличительные признаки могут использоваться в любых технологически рациональных комбинациях друг с другом и составляют при этом другие варианты осуществления изобретения.
Для регулирования состава горючей смеси нестационарного двигателя внутреннего сгорания в системе выпуска отработавших газов имеется регулирующий зонд, причем система выпуска отработавших газов содержит по меньшей мере один каталитический нейтрализатор, расположенный в выпускном трубопроводе. Предлагаемый в изобретении способ характеризуется тем, что регулирование состава горючей смеси выполняют с использованием одиночного регулирующего зонда, расположенного внутри по меньшей мере указанного одного каталитического нейтрализатора и представляющего собой кислородный датчик (лямбда-зонд), причем кислородный датчик одновременно используют для проверки способности по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора к превращению токсичных компонентов отработавших газов в нетоксичные.
Прежде всего изобретение отходит от традиционного представления специалистов о том, что регулирование состава горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания должно осуществляться с использованием нескольких регулирующих зондов (одного - для определения динамических колебаний коэффициента λ, а другого - для обеспечения инерционной подстройки). Благодаря предлагаемому в изобретении решению становится возможным осуществлять способ с меньшими производственными издержками и при меньшей сложности электроники, при этом автоматически снижается и чувствительность системы регулирования состава горючей смеси к помехам. Для защиты от конденсационной воды, от воздействия агрессивной окружающей среды в виде неочищенных отработавших газов и от влияния значительных колебаний температуры этот одиночный регулирующий зонд расположен внутри по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора. Сказанное, в частности, означает, что части регулирующего зонда входят во внутренние зоны каталитического нейтрализатора. Очевидно, что регулирующий зонд должен быть выведен из системы выпуска отработавших газов или из выпускного трубопровода, и поэтому регулирующий зонд не полностью расположен внутри каталитического нейтрализатора. Сам каталитический нейтрализатор представляет собой своего рода демпфирующее звено в отношении температур, концентраций вредных веществ в отработавших газах и т.д. Каталитический нейтрализатор представляет собой, в частности, тепловую инерционную массу, благодаря чему в этом месте наблюдается несколько бóльшая инерционность тепловых процессов. Благодаря этому колебания температуры, возникающие вследствие перехода двигателя внутреннего сгорания в различные рабочие состояния, оказывают влияние на регулирующий зонд не в той мере, в которой они оказывали бы влияние на него в том случае, если бы он входил непосредственно в выпускной трубопровод.
При этом в ходе исследований, проводившихся при создании настоящего изобретения, было установлено, что интеграция одиночного регулирующего зонда в каталитический нейтрализатор неожиданно обеспечивает получение точных результатов измерений в течение длительного срока эксплуатации. Было установлено, что степень влияния характеристик отработавших газов (например, колебаний температуры, давления и т.д.) значительно понижается уже на нескольких первых миллиметрах по длине каталитического нейтрализатора, благодаря чему была обеспечена существенная защита регулирующего зонда от старения или отравления. Более подробная информация касательно этих процессов изложена ниже. Одновременно все еще имеют место достаточно высокие колебания значений коэффициента λ, которые можно использовать для регулирования работы двигателя внутреннего сгорания по коэффициенту λ. При таком исполнении предпочтительно использовать регулирующие зонды соответствующих типов. Так, например, в зоне, в которой регистрируется уменьшение вплоть до 50% амплитуды регистрируемых в каталитическом нейтрализаторе колебаний коэффициента λ, можно еще использовать так называемые зонды мгновенного действия (например, зонд на основе диоксида циркония со скачкообразным изменением выходного сигнала при значении коэффициента λ, примерно равном 1), поскольку они отличаются наибольшей экономичностью и обладают еще достаточной чувствительностью. При дальнейшем уменьшении амплитуд колебаний коэффициента λ, например, до 5% от исходного уровня предпочтительно использовать так называемые линейные зонды.
В связи со сказанным выше необходимо отметить, что при этом не следует считать, что в системе выпуска отработавших газов вообще не требуются какие-либо другие датчики. Так, например, за каталитическим нейтрализатором могут быть установлены датчики оксида азота, предназначенные для определения концентрации оксида азота в отработавших газах после их контакта с каталитическим нейтрализатором. Однако полученные при этом данные измерений не используются для обеспечения регулирования двигателя внутреннего сгорания по коэффициенту λ.
В случае кислородного датчика речь идет прежде всего о так называемом широкополосном датчике коэффициента λ (лямбда-зонде), выдающем постоянный, например, линейный выходной сигнал в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах при значениях коэффициента λ, равных примерно 1 (например, с допуском ±0,005). С использованием этого сигнала выполняется регулирование состава смеси в соответствии с заданными значениями. Регулирующий зонд предлагаемой в изобретении конструкции допускает его введение в каталитический нейтрализатор на относительно большом расстоянии от его входной стороны, прежде всего на расстоянии от 25 до 60 мм. В этой части каталитического нейтрализатора колебания коэффициента λ обычно уже снижены или сглажены более чем на 50%, а частично даже более чем на 90%. Тем не менее, применение подобного широкополосного кислородного датчика обеспечивает получение точных результатов измерений, и благодаря положению датчика в каталитическом нейтрализаторе можно констатировать исключительно низкую склонность к отравлению, благодаря чему на протяжении длительного периода эксплуатации он обеспечивает также точное определение среднего значения коэффициента λ. Концентрацию кислорода, определяемую кислородным датчиком, можно также использовать в качестве меры способности каталитического нейтрализатора к превращению токсичных компонентов отработавших газов в нетоксичные. В отношении этого процесса необходимо упомянуть пояснения, изложенные в начале описания. С использованием такого кислородного датчика можно легко реализовать бортовую систему диагностики. Таким образом, выше описан способ, отличающийся особой простотой в осуществлении и одновременно обеспечивающий как регулирование работы двигателя внутреннего сгорания по коэффициенту λ и создание бортовой системы диагностики.
В частном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа после пуска двигателя внутреннего сгорания, прежде чем по меньшей мере один каталитический нейтрализатор нагреется до 95°С, регулирующий зонд подогревают с таким расчетом, чтобы его температура увеличилась по меньшей мере до 70°С. При этом регулирующий зонд может нагреваться пассивно (в основном только вследствие его контакта с нагретыми отработавшими газами) и/или активно (например, с использованием нагревательного элемента, электрического нагрева и т.д.). Как указано в начале описания, подобные регулирующие зонды обычно отличаются особой чувствительностью к воде. В изобретении предлагается обеспечивать нагрев регулирующего зонда до температуры, равной по меньшей мере 70°С (при которой не проявляется сколько-нибудь заметно явление конденсации благодаря предлагаемому в изобретении размещению датчика в каталитическом нейтрализаторе), прежде чем каталитический нейтрализатор нагреется до 95°С. Помимо достаточно большой тепловой инерционной массы каталитический нейтрализатор обладает также большой по площади поверхностью, на которую могут осаждаться вода, соответственно водяной пар. Иначе говоря, каталитический нейтрализатор и в особенности его покрытие как губка взаимодействуют с водой и связывают ее на относительно длительный промежуток времени.
При (повторном) пуске двигателя внутреннего сгорания проходящие через каталитический нейтрализатор отработавшие газы постепенно нагревают носитель каталитического нейтрализатора и покрытие. При этом в каталитическом нейтрализаторе в направлении потока отработавших газов устанавливается определенный профиль распределения температур, вследствие чего сначала с входной стороны регистрируются наибольшие величины температуры, которые далее уменьшаются по ходу потока. В изобретении, в частности, предлагается обеспечивать нагрев регулирующего зонда уже до температуры, равной по меньшей мере 70°С, в частности по меньшей мере 90°С, прежде чем каталитический нейтрализатор или носитель каталитического нейтрализатора нагреется до 95°С в плоскости, расположенной параллельно входной стороне и отстоящей от нее на 10 мм. При усредненной температуре выше 95°С происходит усиливающееся испарение накопившейся воды, которая перемещается по ходу потока в каталитический нейтрализатор и при этом снова конденсируется, достигая более холодных его частей. Тем самым генерируется своего рода "фронт водяного пара", проходящий через каталитический нейтрализатор. Нагрев до определенной температуры регулирующего зонда не допускает его функционирования как теплостока при контакте с фронтом водяного пара, который тем самым не может осаждаться на зонде. Благодаря этому обеспечивается сохранение работоспособности одиночного регулирующего зонда.
Кроме того, отработавшие газы на выходе двигателя внутреннего сгорания предлагается также перемешивать в выпускном трубопроводе, прежде чем они достигнут регулирующего зонда. Ввиду того, что регулирующий зонд занимает в выпускном трубопроводе определенное положение, измеряемые им значения всегда характеризовали бы лишь определенные периферийные потоки отработавших газов. С целью обеспечить получение репрезентативного результата, характеризующего поток отработавших газов в целом, этот поток перемешивают, прежде чем он достигнет регулирующего зонда. Далее можно исходить из того, что положение одиночного регулирующего зонда по отношению к трубопроводу выпуска отработавших газов не оказывает никакого сколько-нибудь существенного отрицательного влияния на результат измерения. Для перемешивания отработавших газов можно предусмотреть отдельные смесители (статические или динамические) и/или же придание особых конфигураций каталитическим нейтрализаторам и/или иным системам очистки отработавших газов.
Согласно еще одному варианту осуществления способа по меньшей мере один каталитический нейтрализатор используют для очистки отработавших газов по меньшей мере от одного из следующих компонентов: углеводород, моноксид углерода, оксид азота, твердые частицы. При этом речь идет прежде всего о металлическом носителе каталитического нейтрализатора или о керамической сотовой структуре, снабженной покрытием, каталитически воздействующим по меньшей мере на один из названных выше компонентов и способствующим их нейтрализации. Наряду со своей прямой функцией каталитический нейтрализатор может также исполнять функции, например, адсорбера и/или фильтра, и/или иные аналогичные функции. При этом покрытие должно оставаться предпочтительно нейтральным по отношению к кислороду, чтобы не оказывать отрицательного влияния на результат измерения.
Еще одним объектом изобретения является система выпуска отработавших газов для нестационарного двигателя внутреннего сгорания по меньшей мере с одним выпускным трубопроводом, в котором расположен по меньшей мере один каталитический нейтрализатор, а также регулирующий зонд и связанный с ним регулирующий блок для регулирования состава горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания. При этом система выпуска отработавших газов имеет только одиночный (единственный) регулирующий зонд, расположенный внутри по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора. Результаты измерений от регулирующего зонда обрабатываются регулирующим блоком, и в соответствии с сохраненными в нем заданными значениями осуществляется регулирование в первую очередь такого параметра, как состав горючей смеси, а при необходимости - и момента зажигания, давления впрыска и т.д. Таким образом можно также отказаться от применения системы, состоящей из регулирующего зонда, расположенного перед каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, и подстроечного зонда, расположенного за каталитическим нейтрализатором по ходу потока отработавших газов, и заменить ее на систему, состоящую из одиночного регулирующего зонда, входящего во внутренние части по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора. Таким путем понижаются чувствительность этой системы к помехам, ее техническая сложность и себестоимость.
Согласно одному из вариантов выполнения системы выпуска отработавших газов регулирующий зонд расположен на расстоянии от 10 до 80 мм от входной стороны по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора. В ходе испытаний было установлено, что в зависимости от характеристик двигателя внутреннего сгорания указанное выше расстояние является вполне достаточным, чтобы при пуске холодного двигателя внутреннего сгорания и при одновременном электрическом нагреве регулирующего зонда гарантировать его нагрев до температуры выше 70°С, прежде чем этого зонда достигнет описанный выше фронт водяного пара. В предпочтительном варианте регулирующий зонд располагается от входной стороны каталитического нейтрализатора на расстоянии от 25 до 60 мм.
Кроме того, в качестве регулирующего зонда предлагается также использовать кислородный датчик с подогревом. Хотя в принципе нагрев регулирующего зонда до требуемой температуры может осуществляться только обтекающим его потоком отработавших газов после пуска холодного двигателя, в предпочтительном варианте предлагается обеспечить подогрев кислородного датчика, в частности с использованием электрического устройства с электронагревательным элементом, встроенным в кислородный датчик. В момент пуска двигателя внутреннего сгорания через это устройство с электронагревательным элементом пропускается электрический ток, благодаря чему входящие внутрь трубопровода выпуска отработавших газов и контактирующие с ними отдельные компоненты кислородного датчика быстро нагреваются до температуры, превышающей 70°С.
Кроме того, по меньшей мере в одной части по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора между его входной стороной и регулирующим зондом могут быть предусмотрены средства снижения скорости распространения воды или водяного пара. Это, в частности, означает, что благодаря этим мероприятиям вода или водяной пар не может двигаться через часть каталитического нейтрализатора с той же скоростью, что и отработавшие газы. Некоторые из этих возможностей снижения скорости распространения воды или водяного пара указаны в следующем абзаце.
В соответствии со сказанным выше по меньшей мере одна часть по меньшей мере одного каталитического нейтрализатора между входной стороной и регулирующим зондом выполнена с каналами и характеризуется по меньшей мере одним из следующих признаков:
- плотность расположения каналов составляет от 600 до 1200 ячеек на кв. дюйм,
- наличие отверстий в стенках каналов,
- наличие перемешивающих структур,
- наличие у каналов пористой поверхности,
- наличие покрытия, способного накапливать по меньшей мере воду или водяной пар,
- стенки каналов выполнены металлическими толщиной от 40 до 110 мкм.
Конструкции каталитического нейтрализатора с каналами хорошо известны. При этом речь идет предпочтительно о так называемых сотовых элементах, имеющих множество каналов, расположенных в основном параллельно друг другу. В принципе каналы могут иметь металлические или керамические стенки.
Под "плотностью расположения каналов" следует понимать количество каналов, приходящихся на единицу площади поперечного сечения каталитического нейтрализатора, соответственно сотовой структуры. Под размерностью "ячеек на кв. дюйм" следует понимать обычно используемую в этой области техники размерность "каналов или ячеек на квадратный дюйм". При этом 1 ячейка на кв. дюйм соответствует примерно 6,4516 ячейки или канала на квадратный сантиметр. Указанная выше плотность расположения каналов, составляющая от 600 до 1200 ячеек на кв. дюйм, является относительно высокой и обеспечивает большую площадь поверхности, а также относительно большую тепловую инерционную массу этой части. Таким образом обеспечиваются, с одной стороны, большая площадь контакта для воды, соответственно водяного пара, а с другой стороны, одновременно и относительно высокая теплоемкость, благодаря чему именно на стадии пуска холодного двигателя внутреннего сгорания в каталитическом нейтрализаторе обеспечивается надежное связывание или удержание воды либо водяного пара.
Наличие отверстий в стенках каналов обеспечивает возможность перемешивания отдельных потоков отработавших газов, протекающих через отдельные каналы. Это перемешивание приводит к уменьшению градиентов температур, соответственно разброса концентраций компонентов отработавших газов в поперечном сечении каталитического нейтрализатора, благодаря чему независимо от своего положения в системе выпуска отработавших газов регулирующий зонд способен определять величину, характеризующую весь поток отработавших газов.
Для интенсификации этого процесса перемешивания предлагается предусмотреть по меньшей мере в одной части каталитического нейтрализатора перемешивающие структуры. Под перемешивающими структурами следует понимать прежде всего возвышения, направляющие поверхности и т.д., по меньшей мере частично выступающие во внутренние объемы каналов или иным путем обеспечивающие перепады давления или изменение направления потоков отработавших газов. Эти структуры направляют отдельные потоки отработавших газов в соседние каналы, благодаря чему гарантировано достаточное перемешивание этих потоков.
Стенки каналов с пористой поверхностью способны накапливать на ней, соответственно в порах воду или водяной пар в значительных количествах. При этом имеются в виду прежде всего пористые поверхности, соответственно материалы, из которых изготовлены сами стенки каналов, например, также и носителя каталитического нейтрализатора, соответственно сотовой структуры.
Кроме того, каналы, соответственно их поверхность могут иметь покрытия, способные накапливать по меньшей мере воду или водяной пар. Сказанное означает, что эти покрытия обладают, например, свойством гигроскопичности. Благодаря наличию покрытия обеспечивается задержка по времени распространения фронта водяного пара, по продолжительности достаточная и необходимая для того, чтобы успеть нагреть в свою очередь сам регулирующий зонд до соответствующей температуры. При определенных условиях предпочтительно обеспечивать более высокую способность к накоплению воды в той части каталитического нейтрализатора, которая расположена по ходу потока отработавших газов выше регулирующего зонда, по сравнению с расположенной ниже него частью.
Согласно еще одному варианту каталитический нейтрализатор можно также выполнять с металлическим носителем. В этом случае толщина металлических стенок каналов составляет предпочтительно от 40 до 110 мкм. Стенки такой толщины обеспечивают в свою очередь достаточно высокую теплоемкость каталитического нейтрализатора, предотвращающую быстрое испарение накопившейся воды с поверхности, соответственно из пор.
В принципе необходимо отметить, что предпочтительно использовать в комбинации по меньшей мере две из указанных выше отличительных особенностей.
В соответствии со следующим вариантом выполнения системы выпуска отработавших газов регулирующий зонд имеет покрытие, обладающее по меньшей мере способностью накапливать по меньшей мере воду или водяной пар либо каталитической активностью по отношению по меньшей мере к одному компоненту отработавших газов. Согласно предпочтительному варианту покрытие обладает обоими качествами. При этом предпочтительно, чтобы способность накапливать воду сохранялась вплоть до той температуры, при которой начинает проявляться каталитическая активность покрытия.
Кроме того, предлагается также использовать рассмотренную выше систему выпуска отработавших газов в составе транспортного средства. Под транспортным средством следует понимать, в частности, легковой автомобиль, грузовой автомобиль, мотоцикл, моторную лодку, летательный аппарат с двигателем и т.д.
Независимо от описанных выше регулирующих зондов измерительный преобразователь, прежде всего кислородный датчик, можно снабжать защитным кожухом, эффективно защищающим измерительный преобразователь от удара фронта водяного пара или гидравлического удара. Под ударом фронта водяного пара следует понимать попадание капелек воды на измерительный преобразователь или же конденсацию на нем водяного пара. В результате удара фронта водяного пара по меньшей мере ухудшается работоспособность прежде всего датчиков коэффициента λ, попавший под удар фронта водяного пара датчик или зонд может даже оказаться полностью непригодным для дальнейшего применения.
В предпочтительном варианте удар фронта водяного пара можно предотвратить, обеспечив более быстрый нагрев защитного кожуха по сравнению с сотовой структурой, соответственно с сотовым элементом, в который вставлен измерительный преобразователь. Защитный кожух предпочтительно максимально быстро нагревать до такой температуры, при которой полностью исключается конденсация водяного пара на поверхности измерительного преобразователя. Выполнение этого условия обеспечивается, например, за счет изготовления защитного кожуха из материала, обладающего заметно меньшей теплоемкостью, прежде всего удельной теплоемкостью по сравнению с материалом, из которого изготовлен сотовый элемент. Согласно предпочтительному варианту выбирают материал с такой удельной теплоемкостью, при которой в нормальных условиях работы в том случае, когда часть сотового элемента, расположенная по ходу потока отработавших газов перед измерительным преобразователем, имеет температуру выше температуры кипения воды, защитный кожух также имеет температуру выше температуры кипения воды, а именно и в том случае, когда часть сотового элемента по ходу потока отработавших газов выше и непосредственно рядом с измерительным преобразователем все еще имеет температуру ниже температуры кипения воды. В том случае, когда сотовый элемент в направлении потока перед измерительным преобразователем имеет температуру выше температуры кипения воды, равным образом предпочтительно выбирать теплоемкость, прежде всего удельную теплоемкость защитного кожуха таким образом, чтобы он имел такую температуру, которая в обычных рабочих условиях безусловно не соответствует точке росы для воды на измерительном преобразователе, соответственно на защитном кожуха, и тем самым эффективно предотвращается конденсация воды на измерительном преобразователе, соответственно на защитном кожухе.
Еще одна возможность создать соответствующий защитный кожух состоит в изменении его коэффициента теплопередачи α. Путем подбора этого коэффициента теплопередачи α можно также обеспечить быстрый нагрев измерительного преобразователя, соответственно защитного кожуха до такой температуры, при которой эффективным путем исключается конденсация водяного пара, образовавшегося вследствие испарения внутри сотового элемента. Защитный кожух можно выполнять как съемную или же несъемную деталь измерительного преобразователя. Защитный кожух можно также использовать в комбинации с предлагаемыми в изобретении регулирующими зондами.
Ниже изобретение, а также техническая область его применения более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом необходимо отметить, что на чертежах частично проиллюстрированы наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид автомобиля, оснащенного системой выпуска отработавших газов,
на фиг.2 - схематичный вид каталитического нейтрализатора, снабженного регулирующим зондом,
на фиг.3 - схематичный вид каталитического нейтрализатора в поперечном сечении,
на фиг.4 - схематичный вид каталитического нейтрализатора, выполненного еще по одному варианту,
на фиг.5 - фрагмент каталитического нейтрализатора, показанного на фиг.4,
на фиг.6 - диаграмма в схематичном представлении, иллюстрирующая качество результатов измерений регулирующим зондом в зависимости от его положения относительно каталитического нейтрализатора, и
на фиг.7 - схематичный вид конструкции регулирующего зонда.
На фиг.1 схематично и в аксонометрии показан автомобиль 17, оснащенный двигателем 3 внутреннего сгорания и соответствующей системой 2 выпуска отработавших газов. В качестве двигателя 3 внутреннего сгорания можно применять, в частности, дизельные двигатели и двигатели с принудительным (искровым) воспламенением горючей смеси. Образующиеся в двигателе 3 внутреннего сгорания отработавшие газы выбрасываются по выпускному (выхлопному) трубопроводу 5 в окружающую атмосферу. Для этого отработавшие газы приводятся в контакт с системами очистки отработавших газов, такими, например, как каталитические нейтрализаторы, адсорберы, улавливатели твердых частиц и т.д., при этом содержащиеся в отработавших газах вредные вещества по меньшей мере частично превращаются в компоненты, по меньшей мере менее вредные.
Как показано на фиг.1, поток отработавших газов сначала проходит через смеситель 20 и затем поступает в каталитический нейтрализатор 4. Каталитический нейтрализатор 4 оснащен вставленным внутрь него регулирующим зондом 1 для обеспечения регулирования состава горючей смеси и функционирования бортовой системы диагностики каталитического нейтрализатора 4. Регулирующий зонд 1 связан с регулирующим блоком 6, в частности с блоком управления двигателем. Регулирующий блок 6 регулирует состав горючей смеси в зависимости от измеряемых регулирующим зондом 1 значений параметров, а также сохраненных в блоке заданных значений этих параметров.
На фиг.2 схематично показан каталитический нейтрализатор 4, оснащенный регулирующим зондом 1. Регулирующий зонд 1 вставляется через стенку выпускного трубопровода 5 во внутренние структуры каталитического нейтрализатора 4. В данном случае каталитический нейтрализатор 4 имеет кожух 18, в котором размещена проточная для отработавших газов сотовая структура. Сотовая структура образована множеством стенок 12, образующих проточные для отработавших газов каналы 10. Отработавшие газы движутся в направлении 19 и поступают в сотовый элемент с входной стороны 8. Между входной стороной 8 и регулирующим зондом 1 предусмотрена часть 9, имеющая средства снижения скорости распространения через каталитический нейтрализатор 4 фронта водяного пара при (повторном) пуске двигателя внутреннего сгорания. С целью обеспечить нагрев регулирующего зонда 1 до температуры выше 70°С после пуска холодного двигателя, прежде чем этот фронт водяного пара достигнет регулирующего зонда 1, последний размещен от входной стороны на расстоянии 7, составляющем от 10 до 80 мм. При этом необходимо отметить, что на фиг.2 расстояние 7 обозначено условно, т.е. не строго пропорционально относительно общей длины каталитического нейтрализатора 4 в направлении 19 потока отработавших газов.
На фиг.3 в поперечном сечении показан каталитический нейтрализатор 4, выполненный еще по одному варианту. Каталитический нейтрализатор 4 и в этом случае имеет корпус 18, а также часть 9, протяженность которой, равная расстоянию 7, измеряется, начиная от входной стороны 8. При этом каталитический нейтрализатор 4 имеет металлический носитель, так что стенки 12 каналов изготовлены в данном случае из металла.
В пределах части 9 каналы 10 ограничены их стенками 12, имеющими толщину 16 больше толщины стенок в других частях каталитического нейтрализатора. Одновременно предусмотрены отверстия 11, а также смесительные структуры 13, обеспечивающие перемешивание соседних отдельных потоков отработавших газов. Тем самым можно обеспечить для вставленного в выемку 23 регулирующего зонда 1 получение вблизи него достоверных результатов определения состава отработавших газов.
По ходу потока отработавших газов за частью 9 каналы ограничены более тонкими стенками 12, при этом поверхность 14 может быть также покрыта, например, покрытием 15. Согласно показанному на фиг.3 варианту стенки 12 каналов также имеют отверстия 11 в отстоящей ниже по ходу потока части. Различные части 9 каталитического нейтрализатора 4 могут быть выполнены при определенных условиях также в виде различных, отдельных (при необходимости отделенных друг от друга зазором) сотовых структур, соответственно носителей каталитического нейтрализатора.
На фиг.4 и 5 показан каталитический нейтрализатор 4, выполненный по следующему варианту и имеющий регулирующий зонд 1. При этом каталитический нейтрализатор 4 имеет также корпус 18, в котором расположенная внутри сотовая структура образована гладкими 21 и гофрированными 22 листами фольги, скрученными вместе по эвольвенте и соединенными между собой пайкой (прежде всего высокотемпературной пайкой). Как показано в виде с торца, гладкие 21 и гофрированные 22 листы фольги образуют соответственно слои 24, при этом перемешивание потоков отработавших газов, протекающих в соседних каналах 10, возможно также и внутри этих слоев 24. Как детально показано на фиг.5, гладкие 21 и гофрированные 22 листы фольги расположены, попеременно чередуясь друг с другом, и таким образом образуют каналы 10. На поверхности 14 каналов 10 предусмотрено каталитически активное покрытие 15.
На фиг.6 схематично показана диаграмма, иллюстрирующая точность измерения регулирующего зонда в зависимости от его положения относительно каталитического нейтрализатора. На оси абсцисс указано в миллиметрах, например, расстояние 7 между регулирующим зондом 1 и входной стороной 8. На оси ординат обозначено в процентах, например, уменьшение колебания коэффициента λ (коэффициент избытка воздуха). На основании представленных на диаграмме данных можно сделать вывод о том, что уже через несколько миллиметров, например 10 мм, имеет место уже заметное уменьшение колебания коэффициента λ, в частности как минимум на 50%. Так, например, при определенных условиях можно обеспечить уменьшение колебания этого коэффициента более чем на 80% уже на расстоянии 40 мм или даже на 95% на расстоянии 60 мм. Представленная кривая 25 показана схематично и лишь качественно отражает изменение величины коэффициента λ. С целью обеспечить получение достаточно точных результатов измерения, необходимых для регулирования по коэффициенту λ, в данном случае предлагается выбирать различные варианты выполнения регулирующего зонда при определенных условиях в зависимости от его положения. Для этого была указана предельная величина 26, которую можно рассматривать как меру чувствительности регулирующего зонда. Обозначенная позицией I часть характеризует область применения зонда мгновенного действия, обозначенная позицией II часть характеризует область применения широкополосного линейного зонда. Из этого следует, что, например, вплоть до расстояния, равного примерно 20 мм (в других случаях даже до 40 мм) предпочтительно использовать зонд мгновенного действия (низкая стоимость, достаточно высокая точность измерения), а на большем расстоянии для регулирования необходимо использовать широкополосный линейный зонд.
На фиг.7 схематично показана конструкция регулирующего зонда 1 в установленном в сотовый элемент положении, при этом описанный ниже регулирующий зонд 1 выполнен по наиболее предпочтительному варианту и в определенных условиях может быть также установлен как одиночный (единственный) регулирующий зонд 1, например, за каталитическим нейтрализатором 4. Этот зонд имеет гайку 27 и резьбовую часть 28 для крепления к корпусу 18. Чувствительная часть 29 входит в выемку 23 каталитического нейтрализатора 4, выполненную в стенках 12, образующих каналы 10.
Благодаря описанным выше мерам по защите чувствительной части 29 с использованием каталитического нейтрализатора 4 как демпфирующего звена (например, в отношении температур, вредных веществ, содержащихся в отработавших газах в больших количествах, колебаний давления, воды, содержащейся в отработавших газах) регулирующий зонд 1 может подвергаться воздействию непосредственно потока отработавших газов, поэтому можно отказаться от обычно применяемого защитного кожуха. Однако с учетом необходимости защищать чувствительную часть 29 в процессе хранения, транспортировки, монтажа и т.д. при определенных условиях тем не менее необходимо предусмотреть кожух 30. Однако он выполнен таким образом, что имеет особо низкую теплоемкость, составляющую прежде всего менее 1 Дж/К или даже менее 0,8 Дж/К. Это условие можно соблюсти, если использовать, например, особо тонкостенный кожух 30, пористый кожух 30, кожух 30 с большим количеством отверстий 32, исключительно небольшой кожух 30 и т.д. Этот кожух 30 предпочтительно изготавливать из стали и прежде всего методом пластической деформации (например, методом глубокой вытяжки). Кроме того, можно предусмотреть направляющие поверхности 31, обеспечивающие в результате необходимое набегание отработавших газов на чувствительную часть 29 и при определенных условиях также более продолжительное пребывание отработавших газов внутри кожуха 30. В том случае, когда кожух 30 по меньшей мере частично покрыт покрытием, то указанный выше параметр относится к кожуху 30 вместе с покрытием. Такой вариант выполнения регулирующего зонда 1 предпочтительно применять также независимо от описанного в изобретении способа регулирования состава горючей смеси прежде всего вместе с системой выпуска отработавших газов, в которой этот регулирующий зонд 1 используется в каталитическом нейтрализаторе 4.