Система и способ регенерации сажевого фильтра
SYSTEM AND METHOD OF REGENERATING PARTICULATE FILTER

Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к способам и системам управления работой автомобильного двигателя с целью окисления твердых частиц в сажевом фильтре выхлопной системы.
Известный уровень техники и краткое изложение сущности изобретения
В автомобильных выхлопных системах могут использоваться сажевые фильтры для улавливания углеродистой сажи, которая может выходить из двигателя внутреннего сгорания. После того как в сажевом фильтре скопились твердые частицы, они могу подвергаться окислению и выпускаться из сажевого фильтра в виде диоксида углерода. Процесс окисления способен снижать кпд топлива транспортного средства. Таким образом, может оказаться целесообразным производить окисление или регенерацию сажевого фильтра только тогда, когда в этом сажевом фильтре скопится определенное количество твердых частиц. Один из методов оценки количества твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, основан на изменении давления на этом фильтре. Однако использование датчиков давления приводит к удорожанию выхлопной системы, и кроме того, эти датчики могут забиваться сажей. Другой способ оценки количества сажи, уловленной в сажевом фильтре, состоит в оценке выброса сажи из двигателя с помощью специальной модели и в использовании выходных данных модели в качестве оценки количества сажи, накопленной в сажевом фильтре. Однако из-за погрешностей моделирования и меняющихся условий эксплуатации может получиться так, что оценки количества твердых частиц потребуют более или менее частого выполнения регенерации фильтра, чем это требуется. Поэтому может потребоваться такая процедура оценки количества сажи, накопленной в сажевом фильтре, которая была бы более экономичной, чем при использовании датчиков давления, и более точной, чем применение модели для твердых частиц в двигателе.
С учетом вышеперечисленных проблем, авторы настоящего изобретения разработали способ регенерации сажевого фильтра, включающий в себя следующие этапы: оценивают количество воды, накопленной в сажевом фильтре, и регенерируют сажевый фильтр в соответствии с количеством накопленной воды.
Благодаря регенерации сажевого фильтра в соответствии с количеством воды, накопленной в сажевом фильтре, становится возможным обеспечить технический эффект регенерации сажевого фильтра без увеличения стоимости из-за датчиков давления и в условиях, когда необходима регенерация сажевого фильтра. В соответствии с одним из примеров, выходные данные существующих датчиков давления на входе и выходе служат основой для определения количества воды, накопленной в сажевом фильтре, в процессе холодного пуска двигателя. Количество воды, накопленной в сажевом фильтре, можно коррелировать с количеством сажи, удерживаемой в сажевом фильтре, поскольку сажа демонстрирует тенденцию к увеличению количества воды, которая может скопиться в сажевом фильтре. В результате оценка воды, накопленной в сажевом фильтре, может служить основой для определения количества сажи, накопленной в сажевом фильтре, и инициирования регенерации сажевого фильтра.
Настоящее изобретение дает ряд преимуществ. Если говорить конкретнее, принятый подход способен обеспечить своевременную регенерацию фильтра без дополнительных затрат на датчики давления. Кроме того, он дает возможность выполнить регенерацию сажевого фильтра с использованием имеющихся датчиков, благодаря чему отпадает необходимость в диагностике дополнительных датчиков. Наконец, такой подход обеспечивает более точную оценку количества сажи, накопленной в сажевом фильтре, по сравнению с другими метолами оценки.
Вышеперечисленные и другие преимущества, а также признаки настоящего изобретения с очевидностью явствуют из нижеследующего детального описания, которое может рассматриваться как отдельно, так и в сочетании с приложенными чертежами.
Следует понимать, что приведенное выше краткое изложение представляет собой лишь упрощенный сводный перечень принципов, которые будут разъяснены в нижеследующем описании более детально. Оно не подразумевает выявление ключевых или существенных признаков заявляемого объекта, объем охраны которого определяется исключительно формулой изобретения, следующей за детальным описанием. Кроме того, заявляемый объект не ограничивается теми вариантами осуществления, с помощью которых устраняются те или иные недостатки, указанные выше или в любой из частей данного описания.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение двигателя;
фиг. 2 и 3 представляют собой блок-схемы, иллюстрирующие типовой способ
регенерации сажевого фильтра;
фиг. 4 иллюстрирует характеристики кислородного датчика, требуемые для определения содержания воды в выхлопных газах;
фиг. 5 иллюстрирует моделированную последовательность в соответствии со способом по фиг. 2 и 3.
Детальное описание
Настоящее описание относится к регенерации сажевого фильтра выхлопной системы транспортного средства, в состав которого входит двигатель. Возможная конструкция двигателя представлена на фиг. 1. Управление двигателем по фиг. 1 может осуществляться с использованием способа по фиг. 2 и 3 с целью регенерации сажевого фильтра. Способ по фиг. 2 и 3 позволяет эффективно использовать характеристики кислородных датчиков по фиг. 4, чтобы определять, требуется ли регенерация сажевого фильтра в соответствии с количеством воды, которая скапливается в сажевом фильтре при холодном пуске двигателя. Наконец, на фиг. 5 показана типовая последовательность работы системы по фиг. 1, функционирующей в соответствии со способом по фиг. 2 и 3.
Как видно на фиг. 1, работой двигателя 10 внутреннего сгорания, имеющего ряд цилиндров, один и которых показан на фиг. 1, управляет электронный контроллер 12 двигателя. В двигателе 10 имеется камера сгорания 30 и стенки 32 цилиндров с поршнем 36, помещенным между ними и соединенным с коленчатым валом 40. С коленчатым валом 40 связаны маховик 97 и зубчатый венец 99. Имеется также стартер 96 (например, низковольтная электрическая машина, работающая от напряжения менее 30 вольт), который включает в себя вал 98 с шестерней и ведущую шестерню 95. Вал 98 с шестерней может избирательно сдвигать ведущую шестерню 95 до зацепления с зубчатым венцом 99. Стартер 96 может быть смонтирован непосредственно на передней или задней стороне двигателя. В соответствии с некоторыми вариантами, стартер 96 может избирательно передавать крутящий момент на коленчатый вал 40 через ремень или цепь. В соответствии с одним из вариантов, в исходном состоянии стартер 96 не зацеплен с коленчатым валом двигателя. Как показано на чертеже, камера сгорания 30 сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через посредство впускного клапана 52 и выпускного клапана 54. Работой каждого впускного и выпускного клапана может управлять впускной кулачок 51 и выпускной кулачок 53. Положение впускного кулачка 51 можно задавать датчиком 55 впускного кулачка. Положение выпускного кулачка 53 можно задавать датчиком 57 выпускного кулачка. Впускной клапан 52 может избирательно активироваться и дезактивироваться устройством 59 включения клапана. Выпускной клапан 54 может избирательно активироваться и дезактивироваться устройством 58 включения клапана.
Предусмотрена топливная форсунка 66, устанавливаемая таким образом, чтобы топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр 30, - эта технология известна специалистам под названием «непосредственный впрыск». Топливная форсунка 66 обеспечивает подачу жидкого топлива в соответствии с длительностью импульса, поступающего от контроллера 12. Подача топлива в топливную форсунку 66 осуществляется топливной системой (не показана), в состав которой входят топливный бак, топливный насос и топливная рампа (не показаны). В соответствии с одним из вариантов, для создания более высоких давлений впрыска топлива используется высоконапорная двухступенчатая топливная система.
Кроме этого, показано, что впускной коллектор 44 сообщается с компрессором 162 турбонагнетателя и с воздухозабором 42 двигателя. В соответствии с другими вариантами, в качестве компрессора 162 может быть использован компрессор нагнетателя. Механическая связь турбины 164 турбонагнетателя с компрессором 162 этого турбонагнетателя обеспечивается с помощью вала 161. При необходимости предусматривается дроссель 62 с электроприводом (например, дроссель центрального или впускного коллектора двигателя), регулирующий положение дроссельной заслонки 64 с целью управления воздушным потоком от компрессора 162 к впускному коллектору 44. Давление в усилительной камере 45 может называться «давлением на входе дросселя», поскольку вход дросселя 62 располагается в этой усилительной камере 45. Выход дросселя находится во впускном коллекторе 44. В соответствии с некоторыми вариантами, дроссель 62 и дроссельная заслонка 64 могут находиться между впускным клапаном 52 и впускным коллектором 44, так что дроссель 62 становится дросселем впускного окна. Имеется клапан 47 рециркуляции компрессора, который можно избирательно отрегулировать на ряд положений между полностью открытым и полностью закрытым. Предусмотрен также разгрузочный клапан 163, который можно регулировать с помощью контроллера 12 таким образом, чтобы выхлопные газы могли избирательно обходить турбину 164 с целью регулирования числа оборотов компрессора 162.
Имеется воздушный фильтр 43 для очистки воздуха, поступающего в воздухозабор 42 двигателя по всасывающему каналу 3, где действуют температура и давление окружающей среды. Преобразованные побочные продукты сгорания выпускаются через выпускной канал 5, где действуют температура и давление окружающей среды. Таким образом, поршень 36 и камера сгорания 30 могут при вращении двигателя 10 работать как насос. Всасывающий канал 3 располагается перед выпускным каналом 5, если смотреть по направлению потока через двигатель 10, выпускной коллектор 48 и воздухозабор 42 двигателя. В понятие «перед» не включается что-либо, находящееся за пределами двигателя за всасывающим каналом, а в понятие «за» - что-либо, находящееся за пределами двигателя за выпускным каналом.
Имеется безраспределительная система зажигания 88, обеспечивающая формирование искры зажигания в камере сгорания 30 с помощью свечи зажигания 92 по команде от контроллера 12. Показан также предусмотренный в выхлопной системе 151 датчик 126 УСКОГ (универсальный содержания кислорода в отработавших газах), который соединяется с выпускным коллектором 48 перед каталитическим нейтрализатором 70 отработавших газов. В соответствии с другим решением, вместо датчика 126 УСКОГ можно использовать двухрежимный датчик содержания кислорода в отработавших газах.
В соответствии с одним из вариантов, в состав нейтрализатора 70 может входить ряд брикетов катализатора. В соответствии с другим вариантом, можно использовать ряд устройств контроля выбросов, каждое из которых будет состоять из нескольких брикетов. В соответствии с одним из вариантов, нейтрализатор 70 может представлять собой катализатор трехкомпонентного типа. Нейтрализатор 70 располагается перед сажевым фильтром 170. Имеются универсальный (линейный) кислородный датчик 127, помещенный перед сажевым фильтром 170, и универсальный кислородный датчик 128, помещенный за сажевым фильтром 170.
Двигатель 10 может вырабатывать вакуум, подаваемый в вакуум-бачок 81 через обратный клапан 83. Из вакуум-бачка 81 вакуум поступает к потребителям вакуума 82. В число потребителей вакуума могут входить (хотя ими возможный перечень не ограничивается) усилители тормоза, исполнительные механизмы разгрузочного клапана и исполнительные механизмы воздухопровода кондиционера.
В качестве показанного на фиг. 1 контроллера 12 используется традиционный микрокомпьютер, включающий в себя: микропроцессорное устройство (ПМУ) 102, порты 104 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 106 (например, долговременное запоминающее устройство), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 108, энергонезависимую память (ЭНП) 110 и обычную шину данных. Как видно на схеме, на контроллер 12 поступают, помимо ранее упоминавшихся сигналов, различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, в том числе: сигнал температуры охлаждающей жидкости двигателя (ТОЖД) от датчика температуры 112, соединенного с патрубком охлаждения 114; от датчика положения 134, соединенного с педалью акселератора 130, для измерения усилия, создаваемого ногой 132; от датчика положения 154, соединенного с тормозной педалью 150, для измерения усилия, создаваемого ногой 152; сигнал измерения абсолютного давления в коллекторе (АДК) двигателя от датчика давления 123, соединенного с впускным коллектором 44; сигнал измерения давления наддува двигателя или давления на входе дросселя от датчика давления 122; сигнал положения двигателя от датчика 118 на эффекте Холла, определяющего положение коленчатого вала 40; сигнал измерения влажности от датчика влажности 145 для определения температуры точки росы выхлопных газов; сигнал измерения массы воздуха, поступающего в двигатель, от датчика 120 (например, измерителя расхода воздуха с термоэлементом); и сигнал измерения положения дросселя от датчика 68. Может также измеряться барометрическое давление (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В соответствии с одним из предпочтительных аспектов настоящего изобретения, датчик 118 положения двигателя выдает заданное количество равномерно разнесенных импульсов за каждый оборот коленчатого вала, на основании чего можно определить число оборотов двигателя (об/мин).
В процессе работы в каждом цилиндре двигателя 10 имеет место, как правило, четырехтактный цикл, включает в себя такт впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. В процессе такта впуска, как правило, выпускной клапан 54 закрывается, а впускной клапан 52 открывается. В камеру сгорания 30 через впускной коллектор 44 поступает воздух, при этом поршень 36 смещается в нижнюю часть цилиндра, увеличивая тем самым объем в камере сгорания 30. Положение, при котором поршень 36 находится в нижней части цилиндра и в конце своего хода (то есть при наибольшем объеме камеры сгорания 30), специалисты называют обычно «нижней мертвой точкой» (НМТ).
В процессе такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 смещается в направлении головки цилиндра, сжимая при этом воздух в камере сгорания 30. Положение, при котором поршень 36 находится в конце своего хода и максимально близко к головке цилиндра (то есть при наименьшем объеме камеры сгорания 30), специалисты называют обычно «верхней мертвой точкой» (ВМТ). В ходе операции, называемой ниже впрыском, производится ввод топлива в камеру сгорания. В ходе операции, называемой ниже зажиганием, производится зажигание топлива известными средствами типа свечи зажигания 92, вследствие чего происходит сгорание этого топлива.
В процессе такта расширения расширившиеся газы сдвигают поршень 36 обратно в сторону НМТ. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, в процессе такта выпуска происходит открытие выпускного клапана 54 с выпуском при этом сгоревшей топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор 48, после чего поршень возвращается в ВМТ. Следует иметь в виду, что выше был рассмотрен всего лишь один из возможных примеров цикла, так что распределение времени открытия и/или закрытия впускного и выпускного клапанов может меняться с формированием положительного или отрицательного перекрытия клапанов, запаздыванием закрытия впускного клапана и различными другими событиями.
Итак, благодаря системе по фиг. 1 удается получить систему транспортного средства, содержащую: двигатель; соединенную с двигателем выхлопную систему, причем выхлопная система включает в себя сажевый фильтр, первый кислородный датчик и второй кислородный датчик; и контроллер, содержащий команды, хранящиеся в долговременном запоминающем устройстве, на оценку количества воды, накопленной в сажевом фильтре, в соответствии с выходными сигналами первого и второго кислородных датчиков. В этой системе транспортного средства первый кислородный датчик находится перед сажевым фильтром по направлению потока выхлопных газов, а второй кислородный датчик находится за сажевым фильтром. В системе транспортного средства контроллер содержит дополнительные команды на регулирование напряжения ячеек Нернста первого и второго кислородных датчиков.
В соответствии с некоторыми вариантами, в системе транспортного средства количество воды, накопленной в сажевом фильтре, основано на разнице в токе накачки первого кислородного датчика и разнице в токе накачки второго кислородного датчика. В системе транспортного средства контроллер содержит дополнительные команды на оценку количества воды, накопленной в сажевом фильтре, на основе количества воды, поступающей в сажевый фильтр до того, как температура сажевого фильтра станет выше температуры точки росы в сажевом фильтре. Система транспортного средства содержит также дополнительные команды на регенерацию сажевого фильтра при превышении количеством воды, накопленной в сажевом фильтре, некоторого порогового значения. В системе транспортного средства пороговое значение количества соответствует пороговому значению количества сажи, накопленной в сажевом фильтре. В системе транспортного средства дополнительные команды на регенерацию сажевого фильтра включают в себя команды на задержку момента зажигания с целью повышения температуры выхлопных газов.
Обратимся теперь к фиг. 2 и 3, где иллюстрируется способ управления работой двигателя. Способ по фиг. 2 и 3 может быть интегрирован в систему по фиг. 1 в виде исполнимых команд, хранящихся в долговременном запоминающем устройстве. Кроме того, способ по фиг. 2 и 3 обеспечивает формирование рабочей последовательности, представленной на фиг. 4.
В соответствии со способом 200, на этапе 202 определяют рабочие характеристики двигателя. Эти рабочие характеристики включают в себя (но этим перечнем не ограничиваются) время, прошедшее с момента пуска двигателя, температуру охлаждающей жидкости двигателя, температуру точки росы выхлопных газов, температуру окружающего воздуха, число оборотов двигателя и нагрузку двигателя. Рабочие характеристики двигателя могут быть определены с помощью данных с показанных на фиг. 1 датчиков двигателя и на основании передаточных функций для преобразования выходных сигналов датчиков в значения переменных. После того как определены рабочие характеристики двигателя, приступают в рамках способа 200 к выполнению этапа 204.
На этапе 204 в рамках способа 200 выносится суждение о том, имеет ли место режим холодного пуска. Режим холодного пуска действует после пуска двигателя, при котором температура ниже некоторого первого порогового значения, и перед наступлением заданных условий. Заданные условия могут включать в себя, но не ограничиваясь этим перечнем, превышение температурой выхлопных газов температуры точки росы в выхлопной системе или сажевом фильтре и/или температуру ниже второго порогового значения, каковое второе пороговое значение больше первого порогового значения. Можно также выйти из режима холодного пуска, когда время с момента останова двигателя превысило пороговое значение. Если в рамках способа 200 сделан вывод, что режим холодного пуска имеет место, то выдается положительный ответ и переходят к этапу 208. В противном случае, при отрицательном ответе, переходят к этапу 206.
На этапе 206 в рамках способа 200 определение количества воды, накопленной в сажевом фильтре выхлопной системы двигателя, прекращают, если перед этим был произведен холодный пуск двигателя. Кроме того, в рамках способа 200 можно выйти из режима холодного пуска двигателя, если двигатель работал в этом режиме. В дополнение к этому количества сажи и воды, для которых была произведена оценка скопления в сажевом фильтре, могут быть отрегулированы на ноль или сохранены в памяти для целей сравнения от одного холодного пуска к другому. Управление двигателем может осуществляться в соответствии с потребными для водителя крутящим моментом и числом оборотов двигателя после выхода из режима холодного пуска.
На этапе 208 в рамках способа 200 начинают или продолжают определение концентрации воды в выхлопных газах перед сажевым фильтром. Определение концентрации воды в выхлопных газах в рамках способа 200 производят в соответствии с тем, что будет описано при рассмотрении фиг. 3. В рамках способа 200 после того, как началось определение концентрации воды в выхлопных газах, переходят к этапу 212.
На этапе 212 в рамках способа 200 производят интегрирование разности между содержанием воды в выхлопных газах перед сажевым фильтром и содержанием воды в выхлопных газах за сажевым фильтром с целью определения количества воды, накопленной в сажевом фильтре. В соответствии с одним из вариантов, во время действия режима холодного пуска концентрацию воды в выхлопных газах, определенную на этапе 208, умножают на расход воздуха через двигатель, определяемый датчиком массового расхода воздуха или датчиком абсолютного давления в коллекторе, с целью определения расхода воды, поступающей в сажевый фильтр, каждый раз, когда производится снятие отсчетов с верхового кислородного датчика на предмет получения данных о содержании воды в выхлопных газах. Кроме того, концентрацию воды в выхлопных газах, определенную на этапе 210, умножают на расход воздуха через двигатель, определяемый датчиком массового расхода воздуха или датчиком абсолютного давления в коллекторе, с целью определения расхода воды, вытекающей из сажевого фильтра, каждый раз, когда производится снятие отсчетов с низового кислородного датчика на предмет получения данных о содержании воды в выхлопных газах. Расход воды, вытекающей из сажевого фильтра, вычитают из расхода воды, поступающей в сажевый фильтр, каждый раз, когда производится снятие отсчетов с кислородных датчиков на предмет получения данных о содержании воды в выхлопных газах, и осуществляют интегрирование результатов в течение интервала холодного пуска. Результат интегрирования выражается в количестве воды, накопленной в сажевом фильтре, при этом интегрирование продолжают в течение времени, когда двигатель работает в режиме холодного пуска.
Таким образом, получают ряд оценок концентрации воды перед сажевым фильтром и за ним в течение интервала холодного пуска двигателя, начиная с момента, когда был произведен пуск двигателя с помощью стартера, и заканчивая моментом, когда температура выхлопных газов превысит температуру точки росы в выхлопной системе или в сажевом фильтре. Значения концентрации воды преобразуют в значения расхода воды, поступающей в сажевый фильтр и вытекающей из него, после чего разность между расходом воды, поступающей в сажевый фильтр, и расходов воды, вытекающей из сажевого фильтра, интегрируют с целью определения количества воды, накопленной в сажевом фильтре. В рамках способа 200 переходят к этапу 214 после корректировки количества воды, накопленной в сажевом фильтре, каждый раз, когда производится снятие отсчетов с кислородных датчиков с целью определения концентрации воды в выхлопных газах.
На этапе 214 в рамках способа 200 производят оценку количества сажи, накопленной в сажевом фильтре, на основе количества воды, накопленной в сажевом фильтре во время холодного пуска двигателя. В соответствии с одним из вариантов, определенные опытным путем количества сажи (например, массовые значения этих количеств) сохраняются в виде таблиц или функций, которые индексируются с использованием или через посредство количества воды, накопленной в сажевом фильтре, определенного на этапе 212. Каждый раз, когда количество воды, накопленной в сажевом фильтре, корректируется в процессе холодного пуска двигателя, производят также корректировку количества сажи, накопленной в сажевом фильтре, на основе количества воды, накопленной в сажевом фильтре. Таким образом, определенные опытным путем количества, хранящиеся в виде таблиц и/или функций, подвергают корреляции с количеством воды, накопленной в сажевом фильтре. После того, как количество твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, будет скорректировано в процессе холодного пуска двигателя, происходит переход в рамках способа 200 к этапу 216.
На этапе 216 в рамках способа 200 выносится суждение о том, превышает ли количество сажи, накопленной в сажевом фильтре, некоторое пороговое значение. В соответствии с одним из вариантов, пороговое значение может быть определено опытным путем и сохранено в памяти. Пороговое количество может представлять собой количество, которое увеличивает дросселирование потока выхлопных газов до величины, большей, чем пороговая величина сопротивления. Если по результатам способа 200 делается вывод, что количество сажи, накопленной в сажевом фильтре, больше порогового значения, то выдается положительный ответ и в рамках способа 200 переходят к этапу 218. В противном случае, при отрицательном ответе, переходят к этапу 220.
На этапе 218 в рамках способа 200 задают некоторое значение переменной в запоминающем устройстве для указания необходимости начать регенерацию сажевого фильтра, как только это позволят рабочие характеристики транспортного средства. В соответствии с одним из вариантов, регенерация сажевого фильтра может начинаться тогда, когда температура двигателя превысит некоторое пороговое значение. Кроме того, может потребоваться наличие других условий для начала регенерации сажевого фильтра. Так, например, может понадобиться, чтобы скорость транспортного средства превысила пороговое значение скорости, а расход воздуха в двигателе превысил пороговое значение расхода воздуха.
В соответствии с одним из вариантов, осуществляют задержку момента зажигания двигателя и осуществляют работу цилиндров двигателя на бедной топливно-воздушной смеси с целью регенерации сажевого фильтра. Благодаря задержке момента зажигания повышается температура сажевого фильтра, тогда как бедная топливно-воздушная смесь увеличивает содержание кислорода в выхлопных газах двигателя, вследствие чего становится возможным окисление твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре. Двигатель может работать с задержкой момента зажигания и с малым отношением количества топлива к количеству воздуха в одном или более цилиндров в течение некоторого времени, основанного на массе сажи, накопленной в сажевом фильтре. По окончании регенерации сажевого фильтра выполнение способа 200 прекращают.
На этапе 220 в рамках способа 200 к регенерации сажевого фильтра не приступают. Поскольку количество сажи, накопленной в сажевом фильтре, меньше пороговой величины, регенерацию сажевого фильтра не начинают. Оценку количеств воды и сажи, накопленных в сажевом фильтре, продолжают в процессе функционирования двигателя в режиме холодного пуска. Выполнение способа 200 прекращают после того, как будет произведена корректировка количеств воды и сажи, для которых производится оценка их возможного скопления в сажевом фильтре.
На фиг. 3 иллюстрируется способ определения концентрации воды в выхлопных газах. Способ по фиг. 3 может быть использован совместно со способом по фиг. 2 в системе по фиг. 1 или как его составная часть. При реализации способа по фиг. 3 двигатель может работать с постоянным соотношением количеств топлива и воздуха.
На этапе 302 в рамках способа 300 на кислородный датчик выхлопной системы транспортного средства подают первое опорное напряжение. Кислородный датчик может располагаться либо перед сажевым фильтром, либо за ним. Первое опорное напряжение является меньшим опорным напряжением, при этом опорное напряжение подается в ячейку Нернста кислородного датчика. Первое опорное напряжение может составлять менее 700 мВ. Ток накачки кислородного датчика определяют после подачи первого опорного напряжения на ячейку Нернста. В соответствии с одним из вариантов, ток накачки кислородного датчика измеряют с помощью резистора и преобразуют в напряжение, которое трактуется как ток накачки кислородного датчика.
1
1
1
Таким образом, для первого опорного напряжения V может быть задано такое значение, чтобы накачка кислорода производилась из ячейки кислородного датчика, но оно должно быть при этом достаточно низким для того, чтобы такие кислородные соединения, как вода, не разлагались в датчике. При подаче первого опорного напряжения V может происходить генерация выходного сигнала кислородного датчика в форме первого тока накачки Ip который характеризует количество кислорода в пробе выхлопного газа. В рамках способа 300 после того, как определен ток накачки кислородного датчика, когда на ячейку Нернста кислородного датчика подано первое опорное напряжение, переходят к этапу 304.
На этапе 304 в рамках способа 300 повышают опорное напряжение, подаваемое на ячейку Нернста кислородного датчика. В соответствии с одним из вариантов, предусмотрен цифроаналоговый преобразователь, повышающий напряжение, подаваемое на ячейку Нернста. Опорное напряжение повышают до уровня второго опорного напряжения. В соответствии с одним из вариантов, второе опорное напряжение больше 1000 мВ. После того как опорное напряжение повышено, в рамках способа 300 переходят к этапу 306.
На этапе 306 в рамках способа 300 подают второе опорное напряжение на кислородный датчик выхлопной системы транспортного средства. Второе опорное напряжение, которое меньше первого, подают на ячейку Нернста кислородного датчика. После того, как на ячейку Нернста будет подано второе опорное напряжение, определяют ток накачки кислородного датчика. В соответствии с одним из вариантов, ток накачки кислородного датчика измеряют с помощью резистора и преобразуют в напряжение, которое трактуется как ток накачки кислородного датчика.
2
2
2
2
Таким образом, второе напряжение V может иметь достаточно большое значение для того, чтобы произошло разложение рассматриваемого кислородного соединения. Так, например, второе напряжение V может быть достаточно большим для того, чтобы произошло разложение молекул воды на водород и кислород. При подаче второго напряжения V может генерироваться второй ток накачки 1р, который характеризует количество кислорода и воды в пробе газа. Следует понимать, что употребляемые здесь термин «вода» в выражении «количество кислорода и воды» относится к количеству кислорода из разложенных молекул воды в пробе газа. В рамках способа 300 после того, как определен ток накачки кислородного датчика, когда на ячейку Нернста этого датчика подано второе опорное напряжение, переходят к этапу 308.
На этапе 308 в рамках способа 300 определяют концентрацию воды в выхлопных газах, проходящих через кислородный датчик. Говоря конкретнее, из второго тока накачки, определенного на этапе 306, вычитают первый ток накачки, определенный на этапе 302. Изменение в концентрации кислорода характеризует концентрацию воды в выхлопных газах. В соответствии с одним из вариантов, определенные опытным путем значения концентрации воды в выхлопных газах служат входными данными для таблиц и/или функций, которые индексируются через изменение тока накачки кислородного датчика. Из таблиц и/или функций выводится концентрация воды в выхлопных газах. Далее в рамках способа 300 операции прекращают или возвращаются к способу по фиг. 2.
Способ 300 может исполняться в процессе холодного пуска некоторое количество раз, при этом периодически меняют первое опорное напряжение верхового и низового кислородных датчиков на второе опорное напряжение, с тем чтобы определить ток накачки верхового и низового кислородных датчиков. Благодаря этому можно в процессе холодного пуска двигателя уточнять величину концентрации воды, поступающей в сажевый фильтр и выходящей из него.
Итак, благодаря способу по фиг. 2 и 3 удается добиться регенерации сажевого фильтра с использованием следующих операций: оценивают количество воды, накопленной в сажевом фильтре, и регенерируют сажевый фильтр в соответствии с количеством накопленной воды. В соответствии с этим способом, оцениваемое количество воды, накопленной в сажевом фильтре, основано на количестве воды, накопленной в сажевом фильтре после холодного пуска двигателя и до превышения температуры точки росы в сажевом фильтре. Если прекратить оценку воды, накопленной в сажевом фильтре, после превышения температуры точки росы в сажевом фильтре, то количество воды, которая уже один раз скапливалась в сажевом фильтре, нельзя будет вычесть из количества воды, снова накопленной в сажевом фильтре. В соответствии с рассматриваемым способом, оценка количества воды, накопленной в сажевом фильтре, основана на выходных сигналах двух кислородных датчиков.
В соответствии с некоторыми вариантами, в рамках способа первый из двух кислородных датчиков расположен перед сажевым фильтром, а второй из двух кислородных датчиков расположен за сажевым фильтром. В соответствии с рассматриваемым способом, регенерацию сажевого фильтра проводят путем повышения температуры сажевого фильтра сверх порогового значения температуры и подачи бедного выхлопного газа двигателя в сажевый фильтр. В соответствии с рассматриваемым способом, регенерация сажевого фильтра включает в себя окисление накопленных в сажевом фильтре твердых частиц. Способ дополнительно включает в себя этап, на котором оценивают количество твердых частиц, накопленных в сажевом фильтре, в соответствии с оценкой количества воды, накопленной в сажевом фильтре.
Способ по фиг. 2 и 3 предусматривает также регенерацию сажевого фильтра, включающую в себя следующий этап: регенерируют сажевый фильтр в соответствии с интегрированием разности между количеством воды, поступающей в сажевый фильтр, и количеством воды, выходящей из сажевого фильтра. В соответствии с рассматриваемым способом, количество воды, поступающей в сажевый фильтр, основано на количестве воды, поступающей в сажевый фильтр после холодного пуска двигателя и до достижения температуры точки росы в сажевом фильтре. В соответствии с рассматриваемым способом, регенерацию сажевого фильтра проводят при превышении значением интегрирования некоторой пороговой величины. В соответствии с рассматриваемым способом, количество воды, поступающей в сажевый фильтр, основано на выходном сигнале кислородного датчика перед сажевым фильтром.
р
Обратимся теперь к фиг. 4, где представлен график зависимости тока накачки (I) кислородного датчика от напряжения на ячейке Нернста. Показанная на фиг. 4 реакция датчика относится к кислородным датчикам 127 и 128, изображенным на фиг. 1.
По оси ординат отложен ток накачки кислородного датчика в мА, который возрастает в направлении стрелки по оси ординат, а по оси абсцисс отложено напряжение на ячейке Нернста, возрастающее в направлении стрелки по оси абсцисс.
2
2
2
1
2
Кривая 410 характеризует реакцию кислородного датчика на выхлопные газы, содержащие 10 масс. % НO. Кривая 420 характеризует реакцию кислородного датчика на выхлопные газы, содержащие 6,3 масс. % НO. Кривая 430 характеризует реакцию кислородного датчика на выхлопные газы, содержащие 1,2 масс. % НO. V характеризует меньшее, или первое, опорное напряжение, а V - большее, или второе, опорное напряжение.
1
2
2
2
2
Таким образом, можно видеть, что кривая 410 демонстрирует наименьший ток накачки, когда на ячейку Нернста кислородного датчика подано опорное напряжение менее V. Кривая 430 демонстрирует наибольший ток накачки, когда на ячейку Нернста кислородного датчика подано опорное напряжение менее. Однако когда опорное напряжение увеличивается до значений больше V, кривая 430 демонстрирует наименьший ток накачки, а кривая 410 - наибольший ток накачки. Вертикальный маркер 450 характеризует изменение тока накачки при 10%-ном содержании НO в выхлопных газах, а вертикальный маркер 460 -изменение тока накачки при содержании НO в выхлопных газах, равном 1,2%. Следовательно, изменение тока накачки характеризует концентрацию НO в выхлопных газах, измеренную с помощью кислородного датчика.
2
Итак, изменение тока накачки кислородного датчика, на ячейку Нернста которого подаются разные напряжения, может характеризовать содержание НO в выхлопных газах. Количество воды в выхлопных газах может характеризовать количество сажи, накопленной в сажевом фильтре, поскольку количество воды, которая может скопиться в сажевом фильтре, возрастает в той же мере, в какой возрастает количество сажи, скапливающейся в сажевом фильтре, по меньшей мере, до некоторого предела скопления сажи. В другой ситуации может получиться так, что в зависимости от типа впрыскиваемого в двигатель топлива и расхода масла, частицы сажи могут оказаться гидрофобными (то есть водоотталкивающими), а не гидрофильными (то есть водопритягивающими). Тип частиц сажи и ее количество определяют количество воды, которая скопилась на сажевом фильтре. Таким образом, предметом изобретения является также использование любых изменений (например, увеличения или уменьшения) количества воды, скапливающейся в сажевом фильтре, с целью определения количества сажи, скапливающейся в сажевом фильтре.
Переходим к рассмотрению фиг. 5, где приведена типовая последовательность работы системы по фиг. 1 с использованием способа по фиг. 2 и 3. Вертикальные маркеры Т0-Т3 характеризуют наиболее важные моменты времени в этой последовательности. Представленная на фиг. 5 последовательность относится к холодному пуску двигателя (то есть пуск двигателя происходит в момент, когда его рабочая температура не достигла устойчиво высокого значения).
Первый график сверху на фиг. 5 иллюстрирует расход воды, поступающей в сажевый фильтр, определяемый с помощью кислородного датчика и массового расхода воздуха через двигатель, в зависимости от времени. Вертикальная ось характеризует расход воды, поступающей в сажевый фильтр, при этом расход воды возрастает в направлении стрелки по оси Y. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике.
Второй график сверху на фиг. 5 иллюстрирует расход воды, выходящей из сажевого фильтра, определяемый с помощью кислородного датчика и массового расхода воздуха через двигатель, в зависимости от времени. Вертикальная ось характеризует расход воды, вытекающей из сажевого фильтра, при этом расход воды возрастает в направлении стрелки по оси Y. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике.
Третий график сверху на фиг. 5 иллюстрирует интегрированную разность между расходом воды, поступающей в сажевый фильтр, и расходом воды, вытекающей из сажевого фильтра, которая определяется с помощью кислородных датчиков, в зависимости от времени. Вертикальная ось характеризует количество воды, накопленной в сажевом фильтре, при этом количество воды, накопленной в сажевом фильтре, возрастает в направлении стрелки по оси Y. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике. Горизонтальная линия 502 характеризует пороговое значение количества воды, накопленной в сажевом фильтре. Это пороговое значение коррелируется с пороговым значением количества сажи, уловленной сажевым фильтром. Регенерацию сажевого фильтра можно начинать, когда интегрированное количество воды, накопленной в сажевом фильтре, превысит пороговое значение 502.
Четвертый график сверху на фиг. 5 иллюстрирует опережение зажигания двигателя в зависимости от времени. Вертикальная ось характеризует опережение зажигания двигателя, при этом опережение зажигания двигателя возрастает в направлении стрелки по оси Y. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике. Горизонтальная линия 504 характеризует регулировку момента зажигания цилиндров двигателя в верхней мертвой точке такта сжатия. Регулировка момента зажигания ниже верхней мертвой точки соответствует регулировке момента зажигания в такте расширения, а регулировка момента зажигания выше верхней мертвой точки - опережению регулировки зажигания в такте сжатия.
Пятый график сверху на фиг. 5 иллюстрирует индикатор регенерации сажевого фильтра (то есть хранящийся в ЗУ двоичный разряд для индикации необходимости (значение 1) или отсутствия необходимости (значение ноль) инициирования регенерации сажевого фильтра в зависимости от времени. Верхнее значение кривой в направлении стрелки по вертикальной оси указывает на необходимость начала регенерации сажевого фильтра, когда условия благоприятствуют регенерации. Нижнее значение кривой указывает на отсутствие необходимости в регенерации. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике.
Шестой график сверху на фиг. 5 иллюстрирует число оборотов двигателя в зависимости от времени. Вертикальная ось характеризует число оборотов двигателя, при этом число оборотов двигателя возрастает в направлении стрелки по вертикальной оси. Горизонтальная ось характеризует время, при этом время возрастает в направлении справа налево на графике.
В момент Т0 происходит пуск двигателя, при этом наблюдают за верховым и низовым кислородными датчиками с целью определения расхода воды, поступающей в сажевый фильтр. Опорные напряжения верхового и низового кислородного датчиков переключают с меньшего значения, когда вода не отделяется от выхлопных газов двигателя, на большее значение, когда вода отделяется от выхлопных газов двигателя (не показано). Значений концентрации воды, проходящей через верховой и низовой кислородные датчики, умножают на расход выхлопных газов или на расход воздуха через двигатель с целью определения расхода воды, поступающей в сажевый фильтр и вытекающей из него, как описано при рассмотрении фиг. 2 и 3. Далее приступают к интегрированию разности между расходом воды, поступающей в сажевый фильтр, который определяется верховым кислородным датчиком, и расходом воды, вытекающей из сажевого фильтра, который определяется низовым кислородным датчиком. Индикатор регенерации сажевого фильтра (СФ), или двоичный разряд в ЗУ для индикации необходимости или отсутствия необходимости инициирования регенерации сажевого фильтра, утверждению не подлежит, при этом двигатель разгоняется с нулевых оборотов до числа оборотов холостого хода.
Между моментами Т0 и Т1 расход воды, поступающей в сажевый фильтр, возрастает, а расход воды, вытекающей из сажевого фильтра, остается небольшим, что указывает на накопление воды в сажевом фильтре. Интегрированное количество воды, накопленной в сажевом фильтре, увеличивается, а регулировка зажигания смещается от опережения к запаздыванию. Индикатор регенерации сажевого фильтра остается не утвержденным, при этом происходит увеличение числа оборотов двигателя ближе к моменту Т1.
В момент Т1 интегрированное количество воды, накопленной в сажевом фильтре, превышает пороговое значение 502. Соответственно, происходит утверждение индикатора регенерации сажевого фильтра. Зажигание по-прежнему происходит с опережением, вода продолжает поступать в сажевый фильтр, а число оборотов продолжает возрастать с небольшой скоростью.
В момент Т2 температура в сажевом фильтре превышает температуру точки росы, а вода, скопившаяся в сажевом фильтре, начинает выходить. Расход воды, вытекающей из сажевого фильтра, возрастает, а двигатель продолжает работать. Регенерация сажевого фильтра при этом еще не началась. Количество воды, накопленной в сажевом фильтре, уменьшается по мере ей вытекания из фильтра.
В момент Т3 начинается регенерация сажевого фильтра. К регенерации сажевого фильтра можно приступать после того, как температура двигателя достигнет порогового значения и/или будут достигнуты иные рабочие характеристики двигателя. Осуществляют запаздывание момента зажигания с целью повышения температуры сажевого фильтра и стимулирования окисления сажи. В дальнейшем работа двигателя может происходить с малым соотношением топлива и воздуха. Количество воды, накопленной в сажевом фильтре, регулируется на ноль.
Таким образом, количество воды, накопленной в сажевом фильтре в процессе холодного пуска двигателя, может служить критерием необходимости регенерации этого фильтра. Благодаря применению кислородных датчиков для определения засорения сажевого фильтра становится возможным использование существующих датчиков выхлопной системы, что избавляет от необходимости увеличивать стоимость системы.
Следует отметить, что рассмотренные здесь типовые программы управления и оценки можно использовать для разных конфигураций двигателя и/или транспортной системы. Изложенные выше способы и программы управления могут храниться в виде исполняемых команд в долговременном запоминающем устройстве, и осуществляться управляющей системой, в состав которой входит контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и прочим оборудованием двигателя. Описанные здесь специальные программы могут характеризовать одну или более из любого количества стратегий обработки типа управляемых событиями, управляемых прерываниями, многозадачных, многопоточных и т.п. По сути дела, различные проиллюстрированные здесь действия, операции и/или функции могут быть осуществлены в рассмотренной последовательности или параллельно, либо, в ряде случаев, опущены. Подобным же образом, порядок обработки не обязательно должен обеспечивать достижение признаков и преимуществ описанных здесь типовых вариантов осуществления и был изложен лишь для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более действий, операций и/или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой методики. Кроме того, описанные здесь действия, операции и/или функции могут графически отображать код, подлежащий программированию в долговременном запоминающем устройстве машиночитаемого носителя в системе управления двигателем, где описанные действия осуществляются посредством выполнения команд в системе, включающей в себя различные компоненты оборудования двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует иметь в виду, что описанные здесь конфигурации и программы являются по своей природе лишь иллюстративными примерами, так что эти конкретные варианты осуществления не следует рассматривать как единственно возможные, поскольку возможны самые разнообразные модификации. Так, например, описанную выше технологию можно применить для таких типов двигателей, как V-6, I-4, I-6, V-12, оппозитный четырехцилиндровый и др. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и субкомбинации различных систем и конфигураций, а также иные описанные выше признаки, функции и/или свойства.
В прилагаемой формуле изобретения демонстрируются некоторые комбинации и субкомбинации, считающиеся новыми и неочевидными. В пунктах формулы могут иметься ссылки на «любой» или «первый» элемент или на его эквивалент. Эти пункты следует понимать как подразумевающие присоединение одного или более таких элементов, без требования при этом наличия или исключения двух или более таких элементов. Могут быть заявлены и другие комбинации и субкомбинации раскрытых здесь признаков, функций, элементов и/или свойств путем изменения данной формулы изобретения или путем представления новой формулы в этой или родственной заявке. Такая формула, будь она шире, уже, такой же или отличной по объему притязаний от первоначальной формулы изобретения, тоже будет учтена и включена в предмет настоящего изобретения.