СИСТЕМА И СПОСОБ (ВАРИАНТЫ) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО НАГРЕВА КАТАЛИЗАТОРОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
SYSTEM AND METHOD (EMBODIMENTS) OF DIFFERENTIAL HEATING OF EXHAUST GASES CATALYSTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе и способам электрического нагрева системы доочистки отработавших газов, содержащей несколько катализаторов.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Встраивание электрических нагревателей в катализаторы отработавших газов повышает эксплуатационные качества устройства. Конкретно, увеличение тепловой мощности нагревателя позволяет увеличить температуру катализатора до уровня, который повышает эффективность очистки отработавших газов, в частности, в процессе работы при низкой температуре. Разделение каталитических подложек на зональные участки обеспечивает дальнейший целенаправленный нагрев одной или нескольких зон. Однако в прежних системах зонального нагрева использовались встроенные нагреватели с теплопередачей за счет излучения и теплопроводности, при этом нагреватель помещался внутри катализатора, и это размещение могло соответствовать зональным участкам катализатора.
К примеру, в патентном документе США 7886529 раскрыт катализатор с несколькими последовательно расположенными блоками и нагревательным элементом, размещенным между ними. В патентном документе США 8826647 альтернативно раскрыт сажевый фильтр, разделенный на две зоны, причем электрический нагреватель погружен в фильтр. В патентном документе США 2014/0157982 далее раскрыт сажевый фильтр, содержащей пять зон, которые могут избирательно нагреваться с помощью электрического нагревателя. В этом фильтре четыре зоны расположены кольцом вокруг центрального участка, а ток избирательно управляется для регулировки теплоотдачи нагревателя внутри разных зон. В такой конструкции тепловая мощность на отдельном участке может зависеть от управления зональной теплоотдачей на основе балансировки подвода энергии к участкам для повышения температуры целевого участка и предотвращения одновременного нагрева соседнего участка или участка, расположенного поблизости от целевого, рассеянным теплом, которое распространяется на эти участки, что может повлиять на их термический кпд. Таким образом, управление нагревом отработавших газов может стать весьма затруднительным, особенно в системах малых размеров, где дефицит доступного пространства ограничивает размеры катализатора очистки отработавших газов.
Авторы настоящего изобретения увидели вышеуказанные, равно как и другие проблемы, связанные с таким подходом, и в настоящем изобретении раскрывают системы доочистки отработавших газов и способы снижения выбросов. В частности, один из раскрытых примеров системы доочистки отработавших газов содержит первый катализатор в первой ветви выпускного канала ниже по потоку от места разветвления, второй катализатор во второй ветви выпускного канала ниже по потоку от места разветвления, электрический нагреватель, размещенный выше по потоку от места разветвления, для нагрева потока отработавших газов, блок управления для регулировки тока электрического нагревателя и клапан для регулировки распределения потока отработавших газов по первому и второму катализаторам, причем блок управления содержит команды для регулировки клапана в зависимости от температуры подложки одного из катализаторов - первого и второго - или подложек обоих катализаторов. Таким образом, достигается технический эффект возможности эксплуатации системы выпуска с повышенной эффективностью в диапазоне рабочих температур при одновременном снижении выбросов системы выпуска.
Раскрыты также способы очистки отработавших газов. К примеру, раскрыт способ, включающий в себя электрический нагрев отработавших газов, раздельное определение перепада температур на двух катализаторах, приведение в действие первого клапана для управления потоком отработавших газов через первую ветвь выпускного канала на первый катализатор, приведение в действие второго клапана для управления потоком отработавших газов через вторую ветвь выпускного канала на второй катализатор и дифференциальный нагрев обоих катализаторов, первого и второго, с использованием потоков отработавших газов к упомянутым двум катализаторам. В такой конструкции сочетание клапанных регулировок и теплоотдачи нагревателя обеспечивает дифференциальное управление электрически нагреваемым потоком отработавших газов к каждому катализатору в зависимости от параметров, определяющих состояние отработавших газов, причем поток отработавших газов к каждому катализатору обеспечивает дифференциальное управление температурой подложки в каждом катализаторе. Введение разделенных катализаторов дает то преимущество, что позволяет выбрать свою целевую температуру для каждого катализатора исходя из состава его подложки (например, медной, в отличие от железной) для повышения общей эффективности выпуска, благодаря чему снижается уровень выбросов. Кроме того, так как первый катализатор может более эффективно уменьшать выбросы при низкой температуре, в отличие от второго катализатора, который более эффективно уменьшает выбросы при более высокой температуре, упомянутые способы также включают в себя регулировки расхода отработавших газов к каждому катализатору в зависимости от температуры. К примеру, в ответ на снижение температуры регулировки могут увеличить поток отработавших газов к первому катализатору и уменьшить поток отработавших газов ко второму катализатору, с другой стороны, в ответ на увеличение температуры регулировки могут уменьшить поток отработавших газов к первому катализатору и увеличить поток отработавших газов ко второму катализатору. Дифференциальное управление потоком отработавших газов в сочетании с расположением выше по потоку электрического нагревателя позволяет, таким образом, осуществить дифференциальное управление температурой, чтобы улучшить или повысить эксплуатационные качества системы выпуска в процессе работы.
Вышеприведенные преимущества, а также другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения», рассмотренного отдельно или вместе с сопроводительными чертежами. Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения». Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Преимущества, раскрытые в настоящем изобретении, будут более полно поняты после рассмотрения - отдельно или со ссылкой на чертежи - примера осуществления, приведенного в настоящем изобретении в разделе «Осуществление изобретения»; на чертежах:
на ФИГ. 1 представлено частичное изображение двигателя, включающее в себя систему доочистки согласно настоящему изобретению;
на ФИГ. 2А-С показаны примеры конструкций, в которых устройства избирательного каталитического восстановления (ИКВ) расположены параллельно и находятся в разных ветвях выпускного канала;
на ФИГ. 3 представлен пример блок-схемы регулировки распределения потока отработавших газов для дифференциального управления температурой подложки каждого устройства ИКВ;
на ФИГ. 4 представлен измененный пример блок-схемы регулировки распределения потока отработавших газов в зависимости от уровня выбросов;
на ФИГ. 5 представлен пример системы доочистки с параллельно расположенными устройствами ИКВ, размещенными внутри единой трубы;
на ФИГ. 6А-В дано схематическое изображение примеров распределений потоков в системе доочистки ФИГ. 5; и
на ФИГ. 7 представлен пример блок-схемы управления распределением потоков в системе доочистки ФИГ. 5.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание относится к системам доочистки и способам улучшения очистки отработавших газов для более эффективного снижения выбросов системы. В одном из примеров система доочистки отработавших газов содержит первый катализатор, размещенный в первой ветви выпускного канала и расположенный параллельно второму катализатору, размещенному во второй ветви выпускного канала. ФИГ. 1 и ФИГ. 2А-С иллюстрируют одну из таких конструкций. Согласно настоящему изобретению система выпуска содержит электрический нагреватель, размещенный выше по потоку от места разветвления потока отработавших газов, для нагрева этого потока и дифференциального управления температурами подложек двух катализаторов. В принципе, ФИГ. 3 и 4 иллюстрируют примеры программ регулировки тепловой мощности электрического нагревателя и, одновременно, регулировки положения клапана для управления распределением потока по катализаторам - с целью избирательного управления температурой подложек катализаторов. Возможны также варианты осуществления, включающие в себя один клапан в системе доочистки. Поэтому на ФИГ. 5 представлен пример системы, содержащей один клапан и два катализатора, расположенные в параллельных потоках отработавших газов, причем эти два катализатора находятся внутри одной трубы выпуска отработавших газов. Далее, на ФИГ. 6А-В показаны примеры потоков отработавших газов, иллюстрирующие разные распределения потоков отработавших газов на примере системы выпуска ФИГ. 5. Далее, на ФИГ. 7 представлен пример программы для управления потоком отработавших газов, когда в систему включен один клапан регулировки распределения потока отработавших газов.
На ФИГ. 1 дано схематическое изображение одного цилиндра 20 многоцилиндрового двигателя 10, который может входить в тяговую систему автомобиля. Двигатель 10 может представлять собой двигатель внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами и/или может быть выполнен с возможностью избирательного выключения в зависимости от условий простоя на холостом ходу. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, содержащей контроллер 12, и вводами водителя 132 транспортного средства через устройство ввода. В одном из примеров устройство ввода содержит педаль 130 акселератора и датчик 134 положения педали (ПП) для выдачи пропорционального положению педали сигнала ПП.
Камера сгорания 30 двигателя 10 может содержать стенки 32 камеры сгорания, охватывающие поршень 36. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 так, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен, по меньшей мере, с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему передач. Далее, с коленчатым валом 40 может быть через маховик соединен стартер для запуска двигателя 10.
Камера сгорания 30 может получать всасываемый воздух из впускного коллектора 144 через впускной канал 142 и может выпускать газообразные продукты сгорания через выпускный канал 148. Впускной коллектор 144 и выпускный канал 148 могут селективно соединяться с камерой сгорания 30 через, соответственно, впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 может содержать два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов. Выпускной распределительный вал 53 управляет выпускным клапаном 54 согласно профилю кулачка, расположенного на соответствующем месте выпускного распределительного вала. Впускной распределительный вал 51 управляет впускным клапаном 52 согласно профилю кулачка, расположенного на соответствующем месте указанного распределительного вала. Датчик 57 положения выпускного кулачка и датчик 55 положения впускного кулачка передают соответствующие положения распределительного вала контроллеру 12.
Топливный инжектор 66 показан соединенным непосредственно с камерой сгорания 30 для впрыска топлива прямо в цилиндр пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ДИВТ); импульс поступает из контроллера 12 через электронный драйвер 68. Таким образом, топливный инжектор 66 обеспечивает так называемый «прямой впрыск» топлива в камеру сгорания 30. Топливный инжектор может быть установлен, например, в боковине или в вершине камеры сгорания. Топливо может подаваться к топливному инжектору 66 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 может альтернативно или дополнительно содержать топливный инжектор, расположенный во впускном коллекторе 144 в исполнении, которое обеспечивает так называемый «впрыск топлива во впускной канал» выше по потоку от камеры сгорания 30.
Впускной канал 142 может содержать дроссель 62, с дроссельной заслонкой 64. В этом конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 может изменяться контроллером 12 посредством сигнала, выданного электродвигателю или приводу, входящему в состав впускного дросселя 62; эту систему обычно называют электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссель 62 может регулироваться для изменения подачи воздуха в камеру сгорания 30, а также в прочие цилиндры двигателя. Положение дроссельной заслонки 64 может передаваться в контроллер 12 с помощью сигналов положения дросселя (ПД). Во впускном канале 142 могут быть помещены датчик 120 массового расхода воздуха (МРВ) и датчик 122 давления воздуха в коллекторе (ДВК) для выдачи соответственных сигналов МРВ и ДВК контроллеру 12.
Система 88 зажигания может обеспечивать искру зажигания в камере сгорания 30 с помощью свечи 92 зажигания по сигналу опережения зажигания (03) от контроллера 12 в выбранных режимах работы. Хотя на ФИГ. изображены элементы искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 - или одна или несколько других камер сгорания двигателя 10 - может работать в режиме воспламенения от сжатия, с искрой зажигания или без таковой.
Датчик 126 отработавших газов показан соединенным с выпускным каналом 148 выше по потоку от показанного для примера устройства 200 снижения выбросов. Датчик 126 может представлять собой любой подходящий датчик для выдачи значений воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например, линейный кислородный датчик, или Универсальный или широкодиапазонный, Датчик Кислорода в Отработавших Газах (УДКОГ), бистабильный датчик кислорода, или датчик кислорода в отработавших газах (ДКОГ), нагреваемый ДКОГ (НДКОГ), датчик оксидов азота (OA), углеводородов (НС) или окиси углерода (СО). Устройство 200 снижения выбросов показано расположенным вдоль выпускного канала 148 ниже по потоку отдатчика 126 отработавших газов. Хотя это не показано, выпускный канал 148 может также содержать трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), ловушку OA, катализатор ИКВ и/или различные другие устройства снижения выбросов или сочетания таких устройств. К примеру, в некоторых вариантах осуществления в устройстве 200 снижения выбросов может содержаться бензиновый сажевый фильтр (БСФ), расположенный выше по потоку или ниже по потоку от катализатора очистки отработавших газов в одной из ветвей выпускного канала.
Устройство 200 снижения выбросов содержит первый катализатор 202 в первой ветви выпускного канала, ниже по потоку от места разветвления, второй катализатор 204 во второй ветви выпускного канала, ниже по потоку от места разветвления, и электрический нагреватель 206, размещенный выше по потоку от места разветвления для нагрева потока отработавших газов. Таким образом, тепловая энергия, выделяемая электрическим нагревателем, передается отработавшим газам, текущим через выпускный канал 148, например, из цилиндра 20. Согласно настоящему изобретению тепло, переданное отработавшим газам, может быть использовано, в сочетании с расходом отработавших газов к каждому катализатору, для увеличения температуры одного или нескольких имеющихся катализаторов с целью дальнейшего повышения эффективности или эксплуатационных качеств катализаторов в процессе работы. Другими словами, температуру отработавших газов можно еще увеличить добавлением тепловой энергии, которая используется для дифференциального нагрева подложек катализаторов до желаемой температуры, в настоящем описании называемой целевой температурой. Конкретная целевая температура, до которой нагревается подложка катализатора, может быть выбрана исходя из конкретного состава подложки катализатора и его свойств, причем целевая температура это температура, при которой катализатор очищает отработавшие газы более эффективно - в целях снижения выбросов транспортного средства.
Как подробно раскрыто ниже, в системе может также содержаться блок управления, выполненный с возможностью раздельного определения перепада температур на катализаторах, чтобы определить или оценить долю или часть подложки катализатора, которая должна быть прогрета до целевой температуры исходя из перепада температур, с целью повышения эксплуатационных качеств в плане снижения выбросов. К примеру, отработавшие газы, втекающие в катализатор выше по потоку, могут нагревать переднюю поверхность блока катализатора сильнее, чем заднюю поверхность блока. Таким образом, - в качестве примера, - часть катализатора, которая должна быть прогрета до целевой температуры, может быть определена по передаче тепла отработавших газов блоку катализатора, эта часть определяется по перепаду или градиенту температур на отрезке от передней поверхности катализатора до его задней поверхности. В принципе, контроллер может избирательно управлять величиной тока, подаваемого на электрический нагреватель, и расходом отработавших газов к каждому катализатору с целью дифференциального нагрева катализаторов до целевой температуры, которая повышает эксплуатационные качества системы выпуска, исходя из рассчитанной доли или части каждого катализатора, которая должна быть прогрета до целевой температуры.
Как показано, в некоторых случаях катализаторы устройства 200 снижения выбросов могут быть, расположены в разных каналах ниже по потоку от электрического нагревателя 206. Для регулировки потока отработавших газов система выпуска может также содержать первый клапан 220, размещенный в первой ветви выпускного канала, и второй клапан 222, размещенный во второй ветви выпускного канала. Хотя на ФИГ. 1 представлена конструкция с двумя клапанами для управления температурой и распределения потока отработавших газов, в некоторых вариантах осуществления устройство 200 снижения выбросов может содержать один клапан, например, клапан 222 для управления потоком отработавших газов и, тем самым, степенью нагрева подложек этих двух катализаторов. То есть, согласно настоящему изобретению, устройство снижения выбросов используется для управления распределением потока отработавших газов на две, первую и вторую, ветви выпускного канала, чтобы регулировать температуры подложек катализаторов с целью избирательного создания каждому катализатору набора рабочих условий, в которых он лучше очищает отработавшие газы. Блок управления может дополнительно регулировать ток, подаваемый на электрический нагреватель 206 с целью увеличения теплоотдачи, которая используется для повышения температуры отработавших газов выше по потоку от места разветвления. Далее, регулировка одного или нескольких клапанов позволяет регулировать распределение потоков по первому и второму катализаторам для избирательного нагрева каждой подложки до целевой температуры.
Система выпуска, базирующаяся на дифференциальном нагреве двух или нескольких катализаторов теплоотдачей от электрического нагревателя, в сочетании с управлением потоком отработавших газов, дает то преимущество, что позволяет управлять каждым катализатором исходя из состава его подложки. К примеру, для снижения выбросов отработавших газов подложка, содержащая медь (Сu), может более эффективно очищать газы при низкой температуре, - в сравнении с подложкой, содержащей железо (Fe). Таким образом, при падении температуры отработавших газов ниже, например, 350°С, увеличенная доля электрически нагреваемых отработавших газов может быть направлена на катализатор, содержащий в составе Сu. Альтернативно, при более высокой температуре, превышающей 350°С, могут быть проведены регулировки, отводящие часть потока на Fe-ИКВ для увеличения доли нагреваемых отработавших газов на катализатор, содержащий в составе Fe. Таким образом, раскрытые способы могут обеспечить управление положением клапанов и теплоотдачей нагревателя, например, исходя из определения части подложки каждого катализатора, которая должна быть нагрета до целевой температуры, причем эта целевая температура - своя для каждого катализатора, и исходя из состава катализатора, что обеспечивает дифференциальный нагрев. Эти способы также включают в себя в ответ на снижение температуры отработавших газов увеличение расхода отработавших газов, направляемых на Cu-ИКВ, обозначаемый в настоящем изобретении как первый катализатор, поскольку Cu-ИКВ может более эффективно работать при низкой температуре, а в ответ на увеличение температуры отработавших газов - увеличение расхода отработавших газов, направляемых на Fe-ИКВ, или второй катализатор.
Датчики выше по потоку и ниже по потоку, например, датчики 230 и 232, соответственно, могут также содержаться в системе выпуска для определения одного или нескольких параметров, именно: температуры отработавших газов и/или уровня выбросов OA. К примеру, верховой датчик 230 может представлять собой датчик температуры, который замеряет температуру отработавших газов в выпускном канале 148. Далее, исходя из замеренной температуры, блок управления может определить, должен ли быть произведен электрический нагрев отработавших газов, например, путем увеличения тока, подаваемого на электрический нагреватель 206. Низовой датчик 232 может в одном из вариантов осуществления представлять собой датчик температуры - или, в других вариантах осуществления, может, альтернативно или дополнительно, представлять собой датчик OA, отслеживающий количество отработавших газов, производимых двигателем. Сигналы обратной связи от одного или нескольких таких датчиков указывают, какие регулировки в большей мере оптимизируют нагрев и распределение потока отработавших газов и, тем самым, снижение выбросов согласно настоящему изобретению.
Контроллер 12 на ФИГ. 1 показан в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, электронную среду хранения выполняемых программ и калибровочных значений, в данном конкретном примере показанную в виде постоянного запоминающего устройства 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (ЭЗУ) и шину данных. Контроллер 12 может принимать, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, среди которых можно назвать: показание массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; показание температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал от тормоза транспортного средства; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 40; сигнал положения дросселя (ПД) от датчика положения дросселя; и сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122 давления в коллекторе. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала П3. Сигнал ДВК от датчика ДВК можно использовать для индикации разрежения или давления во впускном коллекторе. Заметим, что могут быть использованы разные сочетания вышеупомянутых датчиков, например датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В одном из примеров датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может выдавать заранее заданное количество равноотстоящих друг от друга импульсов за каждый оборот коленчатого вала.
На носителе постоянного запоминающего устройства 106 могут быть записаны машиночитаемые данные, представляющие собой команды, исполняемые процессором 102 для осуществления способов, раскрытых ниже, а также других вариантов осуществления, которые предполагаются, но не указаны конкретно.
Контроллер 12 также принимает сигналы от коробки передач (не показана) и выдает сигналы управления коробкой передач. Сигналы коробки передач могут содержать, но не ограничительно, входную и выходную скорости коробки передач, сигналы регулировки давления в трубопроводе коробки передач (например, гидравлического давления, подаваемого на муфты трансмиссии) и сигналы регулировки давления, подаваемого на муфты для привода шестерен коробки передач.
Как описано выше, на ФИГ. 1 представлен только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, и каждый цилиндр может подобным же образом содержать свой собственный набор впускных/выпускных клапанов, топливных инжекторов, свеч зажигания и т.д.
Обратимся к более подробному описанию системы 200 снижения выбросов; на ФИГ. 2А-С показаны примеры конструкций с параллельными потоками, в которых устройства ИКВ находятся в разных ветвях выпускного канала. Далее, на ФИГ. 3 представлен пример блок-схемы регулировки распределения отработавших газов при дифференциальном управлении температурой подложек ИКВ исходя из температуры отработавших газов. Далее, на ФИГ. 4 представлен пример блок-схемы регулировки распределения потока отработавших газов в зависимости от уровня выбросов.
На ФИГ. 2А представлена система 200 снижения выбросов, содержащая два клапана для управления распределением потока по выпускным каналам отработавших газов. Как показано, отработавшие газы поступают в систему выпуска выше по потоку от электрического нагревателя 206 через выпускный канал, например, выпускный канал 148. Таким образом, выше по потоку от места разветвления 212 может иметь место единый поток отработавших газов, который нагревается электрическим нагревателем 206. Далее, ниже по потоку от электрического нагревателя 206, поток отработавших газов может разветвляться при протекании отработавших газов через место разветвления 212; это разветвление потока отработавших газов обеспечивает избирательный отвод части отработавших газов к одному из катализаторов или к обоим катализаторам, первому катализатору 202 и второму катализатору 204, в зависимости от положения клапана. Поэтому система выпуска содержит также первый катализатор 202 ниже по потоку от места разветвления 212 в первой ветви 214 выпускного канала и второй катализатор 204 ниже по потоку от места разветвления 212 во второй ветви 216 выпускного канала. Электрический нагреватель 206 размещен выше по потоку от места разветвления 212 и нагревает поток отработавших газов, причем система выпуска оснащена блоком управления 12 для регулировки тока, подаваемого на электрический нагреватель с целью нагрева отработавших газов. Для управления распределением потока отработавших газов система выпуска также содержит первый клапан 220 в первой ветви 214 выпускного канала и второй клапан 222 во второй ветви 216 выпускного канала. Введение двух клапанов предпочтительно, так как позволяет регулировать распределение потока отработавших газов по первой и второй ветвям выпускного канала для управления температурой подложки одного из катализаторов - или температурой подложек обоих катализаторов, первого и второго. Далее, два клапана позволяют полностью отсечь поток отработавших газов к любому из двух катализаторов очистки отработавших газов при закрытом положении соответствующего клапана.
Хотя на ФИГ. 2А представлена конструкция системы выпуска с двумя клапанами, конструкции с одним клапаном также возможны. К примеру, в другом варианте осуществления система выпуска может содержать один клапан 222, расположенный только во второй ветви 216 выпускного канала ниже по потоку от места разветвления 212 - для регулирования расхода отработавших газов, направляемых на второй катализатор 204. Таким образом, первый катализатор, обозначенный в настоящем изобретении как Cu-ИКВ, может находиться в потоке отработавших газов при существенно всех условиях, в то время как на второй катализатор, обозначенный как Fe-ИКВ, газы отводятся в ответ на повышение температуры. Далее, согласно настоящему изобретению второй катализатор может содержать подложку, состав которой обеспечивает более эффективную работу при более высоких температурах. Таким образом, раскрытые система выпуска и способы позволяют в процессе работы транспортного средства регулировать пропорции потоков отработавших газов, направляемых к каждому катализатору. В качестве примера, поток отработавших газов на второй катализатор может быть увеличен в ответ на рост температуры, превысившей некоторый порог (например, для Fe-ИКВ это температуры, растущие выше 350°С), причем этот порог указывает точку, выше которой отработавшие газы могут более эффективно очищаться вторым катализатором. Таким образом, степень превышения порога температурой отработавших газов может быть связана с эффективностью очистки отработавших газов. В принципе, возможны также способы, в которых регулируют расход потока, отводимого к одному или другому из катализаторов, имеющихся на борту транспортного средства, в зависимости от разницы между температурой отработавших газов и пороговой температурой.
Вернемся к конструкции с двумя клапанами ФИГ. 2А; устройство 200 снижения выбросов содержит также дополнительный клапан (например, клапан 220), расположенный в первой ветви 214 выпускного канала ниже по потоку от места разветвления 212 - для избирательного управления потоком отработавших газов к обоим катализаторам, первому и второму. Как уже было отмечено, избирательное управление обеспечивает регулировку расхода отработавших газов к каждому катализатору для дифференциального управления температурами подложек первого и второго катализаторов.
К примеру, контроллер 12 может содержать способ определения степени нагрева отработавших газов, которая дает желаемые эксплуатационные качества системы выпуска в зависимости от эффективности очистки отработавших газов подложкой катализатора. Так, например, степень нагрева может быть определена с использованием модели частичного объема катализатора, в которой рассчитывается перепад температур ΔТ на каждом устройстве ИКВ. Затем, в зависимости от перепада температур, определенного по состоянию отработавших газов (например, по температуре отработавших газов), контроллер 12 может далее определить или предсказать эффективность очистки исходя из ΔT на каждом устройстве. В качестве примера: модель частичного объема катализатора это модель, которая прогнозирует, какая часть катализатора, отмеренная от передней поверхности, должна быть прогрета до целевой температуры, чтобы реализовать или получить дополнительно выигрыш в эксплуатационных качествах. Далее, раскрытые способы позволяют увеличить температуру блока катализатора или подложки в зависимости от притока тепла от отработавших газов, которые могут нагреваться выше по потоку поперечной теплопередачей от электрического нагревателя, надетого на выпускный канал. Таким образом, система управления потоком отработавших газов может получить дополнительный выигрыш в эксплуатационных качествах для увеличения эффективности очистки отработавших газов, управляя добавкой теплоты к одной или нескольким каталитическим подложкам, причем эта теплота зависит от того, какая часть подложки должна быть нагрета до целевой температуры, чтобы получить желаемое улучшение эксплуатационных качеств. Такая система выпуска может также - или альтернативно - предсказать разность температур между катализаторами ИКВ, например, путем использования своей целевой температуры для каждого устройства в зависимости от состава его подложки, - чтобы нагревать отработавшие газы до заранее заданной температуры, увеличивая ток питания, подаваемый на электрический нагреватель. Как раскрыто в настоящем изобретении, могут также быть выполнены регулировки, которые поддерживают пониженный уровень выбросов в зависимости от дифференциального нагрева в процессе работы двигателя. Нагревом отработавших газов, в сочетании с управлением распределением потоков к Cu-ИКВ и Fe-ИКВ, избирательно регулируют тепловой поток, передаваемый каждому устройству в качестве средства регулирования температуры каждого устройства.
В качестве примера: поток отработавших газов в выпускном канале 148 может иметь температуру около 350°С. Однако первый катализатор 202 (например, Cu-ИКВ) может содержать медную подложку, которая обладает повышенной эффективностью при температурах ниже 350°С, в отличие от Fe-подложки. Альтернативно, второй катализатор 204 (например, Fe-ИКВ) может содержать железную подложку, которая обладает повышенной эффективностью при температурах выше 350°С, в отличие от Cu-подложки. Поэтому контроллер 12 может быть выполнен так, чтобы оптимально определять нагрев и распределение потоков к каждому из катализаторов для повышения общей эффективности очистки отработавших газов системой выпуска. Соответственно, контроллер 12 может увеличить ток, подаваемый на электрический нагреватель 206, для повышения температуры выше 350°С. Далее, могут быть выполнены клапанные регулировки, использующие, например, первый клапан 220 и второй клапан 222, для отвода большей части потока к катализатору Fe-ИКВ, чтобы увеличить количество теплоты, переданное «железному» катализатору, обеспечивая в то же время нагрев той части подложки катализатора, которая должна быть нагрета до целевой температуры Fe-ИКВ. Аналогично, меньшая часть потока отработавших газов может быть направлена на Cu-ИКВ - так, чтобы количество теплоты, переданное «медному» катализатору, было достаточно для нагрева части подложки катализатора до целевой температуры Cu-ИКВ, которая может отличаться от целевой температуры устройства Fe-ИКВ. Таким образом, параметры будущего теплового потока в подложку каждого катализатора могут быть отрегулированы для повышения общих эксплуатационных качеств катализаторов отработавших газов в процессе работы.
Верховой датчик 230 установлен для замера одного или нескольких параметров, именно: температуры отработавших газов и уровня выбросов, причем датчик расположен ниже по потоку от электрического нагревателя 206. В некоторых примерах сигналы обратной связи от датчика 126 отработавших газов могут альтернативно или дополнительно использоваться для определения тех регулировок, которые должны быть выполнены согласно настоящему изобретению. Таким образом, возможны варианты осуществления, в которых верховой датчик 230 отсутствует, а вместо него обратную связь обеспечивает датчик 126 отработавших газов, который используется для выполнения описанных регулировок. Далее, имеется низовой датчик 232, который может замерять один или несколько параметров в потоке, именно: температуру отработавших газов и уровень выбросов - в месте ниже по потоку от первого и второго катализаторов. Таким образом, возможны одно или несколько мест размещения датчиков, именно: выше по потоку от места разветвления 212, ниже по потоку от места разветвления 212, но выше по потоку от катализатора в одной или обеих, первой и второй, ветвях выпускного канала, и ниже по потоку от первого и второго катализаторов. К примеру, на ФИГ. 2А показаны верховой датчик 230, расположенный выше по потоку от места разветвления 212, и низовой датчик 232, расположенный там, где ответвившиеся каналы отработавших газов уже соединились, образуя один общий поток отработавших газов, который выходит из транспортного средства еще ниже по потоку. Альтернативно, на ФИГ. 2В показано, что верховой датчик 230 может быть размещен ниже по потоку от места разветвления 212, но все же выше по потоку от катализатора в одной или обеих, первой и второй, ветвях выпускного канала. Поэтому показанная конструкция содержит датчик 234 первого канала в первой ветви 214 выпускного канала, в то время как датчик 236 второго канала размещен во второй ветви 216 выпускного канала. Хотя показан единственный низовой датчик 232, в некоторых вариантах осуществления могут также быть предусмотрены свои низовые датчики в каждой ветви выпускного канала ниже по потоку от катализатора в соответствующем ответвлении канала отработавших газов.
ФИГ. 2А и 2В иллюстрируют вариант осуществления, в котором первая ветвь 214 выпускного канала и вторая ветвь 216 выпускного канала сливаются, образуя единый поток отработавших газов ниже по потоку от первого катализатора 202 и второго катализатора 204. Однако возможны также варианты осуществления, в которых каждая ветвь выпускного канала выходит из системы выпуска отдельно. Поэтому ФИГ. 2С иллюстрирует вариант осуществления, в котором первая ветвь 214 выпускного канала и вторая ветвь 216 выпускного канала идут по отдельности к сдвоенной трубе выпуска отработавших газов, далее выводящей их в атмосферу (не показано). Таким образом, раскрытая система выпуска может очищать отработавшие газы двигателя (например, цилиндра 20, расположенного выше по потоку от системы выпуска), которые далее выводятся ниже по потоку в окружающую атмосферу, схематически показанную на ФИГ. 2С. Хотя это не показано явно, обозначения «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к положениям относительно места разветвления и/или мест расположения катализаторов и не включают в себя контур, образованный окружающей средой. В настоящем описании верховой датчик 230 показан выше по потоку от места разветвления 212, а индивидуальные низовые датчики 238 и 240 показаны ниже по потоку от первого катализатора 202 и второго катализатора 204, соответственно.
Для управления температурой и расходом отработавших газов через каждый катализатор с целью управления температурой подложек, блок управления 12 может содержать команды регулировки одного или нескольких параметров, именно: тока, подаваемого на электрический нагреватель, и положения клапана в зависимости от температуры отработавших газов. То есть контроллер может быть выполнен для регулировки одного или нескольких параметров, именно: тока, подаваемого на электрический нагреватель, положения клапана, например второго клапана 222, и положения дополнительного клапана, например первого клапана 220, - для регулировки температуры отработавших газов и распределения потока отработавших газов по первому и второму катализаторам с целью управления температурой подложек, причем температуры подложек зависят от части подложки, которая должна быть нагрета до целевой температуры в результате выполненных регулировок (например, с использованием модели частичного объема катализатора).
Таким образом, система выпуска согласно настоящему изобретению содержит первый катализатор в первой ветви выпускного канала, ниже по потоку от места разветвления, второй катализатор во второй ветви выпускного канала, ниже по потоку от места разветвления, электрический нагреватель, размещенный выше по потоку от места разветвления, для нагрева потока отработавших газов, блок управления для регулировки тока нагрева электрического нагревателя отработавших газов и клапан регулировки распределения потока отработавших газов по первому и второму катализаторам, причем блок управления содержит команды регулировки клапана в зависимости от температуры подложки одного из катализаторов - или температур подложек обоих, первого и второго, катализаторов. Когда в системе выпуска имеется один клапан, его размещают во второй ветви выпускного канала ниже по потоку от места разветвления в потоке отработавших газов, втекающих только во второй катализатор. Далее, в ответ на увеличение температуры выше пороговой клапан, расположенный во второй ветви выпускного канала, может быть открыт с помощью команд, записанных в блоке управления, причем это открытие увеличивает поток отработавших газов ко второму катализатору и уменьшает их поток к первому катализатору.
Когда система выпуска содержит дополнительный клапан, этот дополнительный клапан может располагаться в первой ветви выпускного канала ниже по потоку от места разветвления в потоке отработавших газов, втекающих только в первый катализатор, причем дополнительный клапан приводится в действие вместе с клапаном, расположенным во второй ветви выпускного канала, с помощью команд, записанных в блоке управления, при этом совместное приведение в действие избирательно регулирует потоки отработавших газов к первому и второму катализаторам для дифференциального управления температурой подложек первого и второго катализаторов.
С точки зрения функционирования, система выпуска может содержать верховой датчик для замера одного или нескольких параметров, именно: температуры отработавших газов и уровня выбросов, причем датчик размещается ниже по потоку от электрического нагревателя в одном или нескольких местах, именно: выше по потоку от места разветвления, ниже по потоку от места разветвления, но выше по потоку от катализатора в одной или обеих, первой и второй, ветвях выпускного канала, и ниже по потоку от первого и второго катализаторов. В некоторых вариантах осуществления, первая и вторая ветви выпускного канала сливаются ниже по потоку от первого и второго катализаторов, образуя единый поток отработавших газов. Однако возможны варианты осуществления, в которых первая и вторая ветви выпускного канала идут по отдельности к сдвоенной трубе выпуска отработавших газов, далее выводящей их в атмосферу. Для управления температурой подложек блок управления содержит команды регулировки одного или нескольких параметров, именно: тока, подаваемого на электрический нагреватель, и положения клапана - в зависимости от температуры отработавших газов. Возможны также варианты системы, в которых единственный клапан, размещенный ниже по потоку, управляет расходом через каждую ветвь выпускного канала. К примеру, когда клапан, представляющий собой заслонку потока, расположен во второй ветви выпускного канала ниже по потоку от второго катализатора, эта заслонка потока обеспечивает регулировку потоков отработавших газов к первому и второму катализаторам.
На ФИГ. 3 представлен пример блок-схемы 300 регулировки распределения потока отработавших газов при дифференциальном управлении температурой подложек ИКВ в зависимости от температуры отработавших газов. На ФИГ. 3 раскрыт способ для очистки отработавших газов, этот способ включает в себя электрический нагрев отработавших газов, раздельное определение перепада температур на каждом из двух катализаторов, приведение в действие первого клапана для управления потоком отработавших газов на первый из двух катализаторов через первую ветвь выпускного канала, приведение в действие второго клапана для управления потоком отработавших газов на второй из двух катализаторов через вторую ветвь выпускного канала и дифференциальный нагрев обоих катализаторов, первого и второго, с использованием потоков отработавших газов к упомянутым двум катализаторам. Как описано выше, способ также включает в себя регулировку электрического нагрева отработавших газов в сочетании с регулировкой одного или обоих, первого и второго, клапанов в зависимости от части каждого катализатора, которая должна быть нагрета до целевой температуры, причем дифференциальный нагрев каждого катализатора до целевой температуры снижает уровень выбросов. Преимущество раскрытой конструкции состоит в том, что раскрытые способы позволяют поддерживать пониженный уровень выбросов в зависимости от дифференциального нагрева в процессе работы двигателя. Другими словами, могут быть проведены регулировки, позволяющие системе выпуска непрерывно работать с повышенной эффективностью в зависящем от температуры рабочем диапазоне параметров транспортного средства. В некоторых случаях, в зависимости от условий, определяемых в процессе работы, могут быть выполнены регулировки, которые в ответ на снижение температуры увеличивают поток отработавших газов к первому катализатору и уменьшают поток отработавших газов ко второму катализатору, а в ответ на повышение температуры уменьшают поток отработавших газов к первому катализатору и увеличивают поток отработавших газов ко второму катализатору. Как раскрыто в настоящем изобретении, первый катализатор это Cu-ИКВ, а второй катализатор это Fe-ИКВ.
Согласно способу 300, на шаге 302 контроллер может отследить один или несколько параметров состояния отработавших газов. В настоящем изобретении к отслеживаемым параметрам состояния отработавших газов относятся температура и/или уровень выбросов. Однако система может также быть выполнена для отслеживания других переменных, например, температуры подложек катализаторов, перепада температур на одном или нескольких катализаторах, температурного градиента катализатора, давления отработавших газов и т.д.
К примеру, на шаге 310 можно определить температуру перед ИКВ, например, верховым датчиком 230 ФИГ. 2А, и сравнить с заранее заданной пороговой температурой, выбранной для индикации температуры, ниже которой дополнительная энергия в тепловой форме обеспечивает более эффективную очистку отработавших газов. На шаге 320 может также быть использован уровень OA после ИКВ, определяющий уровень выбросов, в сравнении с пороговым, причем порог выбран для индикации температуры, ниже которой дополнительный приток тепла в отработавшие газы может оптимизировать очистку в плане дальнейшего снижения выбросов в зависимости от выявленных условий. Поэтому в приводимом примере программы низкий уровень замеренной температуры перед ИКВ и/или высокий замеренный уровень OA после ИКВ следует интерпретировать как указание на необходимость регулировок для нагрева одной или нескольких каталитических подложек. После этого способ 300 может перейти к шагу 322, на котором определяют необходимые регулировки.
Альтернативно, на шаге 312 способ 300 включает в себя определение температуры после ИКВ, например низовым датчиком 232 ФИГ. 2А, и сравнение температуры ниже по потоку с заранее заданной пороговой температурой, выбранной для индикации температуры, ниже который дополнительная энергия в тепловой форме может обеспечить более эффективную очистку отработавших газов. Аналогично, на шаге 320 может также быть использован уровень OA после ИКВ, определяющий уровень выбросов, в сравнении с пороговым, причем порог выбран для индикации температуры, ниже который дополнительный приток тепла в отработавшие газы может оптимизировать очистку в плане дальнейшего снижения выбросов в зависимости от выявленных условий. Поэтому в приводимом примере программы низкий уровень замеренной температуры перед ИКВ и/или высокий замеренный уровень OA после ИКВ следует интерпретировать как указание на необходимость регулировок, после чего способ 300 переходит к шагу 322, на котором определяют необходимые регулировки.
Если температура перед ИКВ или температура после ИКВ превышает первую или, соответственно, вторую пороговую температуру, устройство 200 снижения выбросов может перейти к шагу 322, чтобы определить ДТ на каждом из устройств катализатора ИКВ для дальнейшего определения эффективности очистки отработавших газов. Альтернативно, если температура перед ИКВ или температура после ИКВ падает ниже соответствующей пороговой температуры, в то время как уровень OA после ИКВ превышает порог по выбросам, способ 300 может также перейти к шагу 322, чтобы также определить, нужны ли регулировки для нагрева одной или нескольких каталитических подложек с целью повышения эффективности работы и улучшения тем самым эксплуатационных качеств системы выпуска в плане снижения выбросов. Таким образом, система выпуска может быть выполнена для регулирования количества теплоты, передаваемой отработавшим газам, и регулирования разветвившегося потока отработавших газов - в зависимости от ожидаемых термических свойств имеющихся катализаторных устройств. Это обеспечивает преимущество дифференциально регулируемой системы для управления температурой каждого устройства, причем регулировки обеспечивают создание для каждого устройства набора условий, увеличивающих эксплуатационные качества системы выпуска.
На шаге 324 контроллер 12 может предсказать эффективность каждого устройства ИКВ в зависимости от ДТ на устройстве. Хотя эффективность предсказывается для каждого отдельного устройства ИКВ, контроллер 12 может также определить общую эффективность очистки отработавших газов в зависимости от имеющихся отдельных катализаторных устройств, в некоторых случаях - с учетом составов катализаторов. В такой конструкции система выпуска может регулировать количества передаваемой теплоты и расход/распределение отработавших газов для повышения эффективности одного или нескольких катализаторных устройств, в дополнение к общей эффективности очистки отработавших газов. В некоторых случаях регулировка передаваемой теплоты или расхода отработавших газов может приводить к понижению эффективности одного устройства при одновременном увеличении эффективности другого устройства. Контроллер 12 может поэтому быть выполнен с возможностью учета такого обмена эффективностью при обеспечении с помощью произведенных регулировок увеличения общей эффективности очистки отработавших газов.
На шаге 326 контроллер 12 может также предсказать разность температур между первым катализатором 202 и вторым катализатором 204, которая обеспечит желаемые эксплуатационные качества в зависимости от дифференциального нагрева подложек катализаторов до их соответственных целевых температур. Согласно настоящему изобретению могут быть проведены одна или несколько регулировок для нагрева и/или перераспределения потока отработавших газов, чтобы обеспечить такой тепловой поток к каждой подложке, который отрегулирует температуру подложки до целевой температуры, причем все целевые температуры совместно обеспечивают увеличение эксплуатационных качеств катализаторов в зависимости от используемых условий.
В отношении регулировок, на шаге 328 способ 300 включает в себя увеличение величины тока питания, подаваемого на электрический нагреватель 206. В качестве примера, когда низкая температура перед ИКВ опускается ниже пороговой температуры, так что замеряется увеличившееся количество OA, превышающее порог, контроллер 12 может оперативно произвести регулировки на основе записанных в нем команд для увеличения величины тока, подаваемого на нагреватель, чтобы увеличить его теплоотдачу, причем это тепло далее передается отработавшим газам, при их протекании через систему выпуска, и далее, ниже по потоку, передается подложке катализатора для регулировки температуры подложки, что повышает эффективность работы.
На шаге 330 способ 300 включает в себя управление потоком путем регулировки доли отработавших газов, направляемых к каждому катализатору, для дальнейшей регулировки температуры подложки, например, путем увеличения количества отработавших газов, направляемых на подложку с целью повышения температуры, по меньшей мере, в части подложки до целевой температуры, выбранной для индикации оптимальной эффективности. После этого контроллер 12 может приводить в действие один или несколько клапанов в потоке отработавших газов для управления потоком в зависимости от повышения теплоотдачи нагревателя - с целью регулировки теплового потока в подложку катализатора. К примеру, в зависимости от повышения температуры отработавших газов, доля нагреваемых отработавших газов, направляемых на второй катализатор 204, который представляет собой Fe-ИКВ, может быть увеличена - при одновременном уменьшении потока отработавших газов на первый катализатор 202, который представляет собой Cu-ИКВ. Как отмечено выше, такие регулировки могут позволить повысить температуру железной подложки, которая, кроме того, получает увеличенную долю отработавших газов, что позволяет более значительно снизить выбросы отработавших газов.
На ФИГ. 4 представлен пример блок-схемы 400 регулировки распределения потока отработавших газов в устройстве очистки в зависимости от уровня выбросов. Хотя способ ФИГ. 3 гибко учитывает один или несколько параметров, именно температуру и уровень выбросов, для регулирования потока отработавших газов, в некоторых случаях возможны регулировки потока в зависимости от ожидаемых или замеренных выбросов. Способ 400 представляет собой один из таких способов.
В представляемой блок-схеме способ 400 скомпонован для проведения регулировок аналогично тому, как описано выше при раскрытии способа 300 ФИГ. 3. Однако в способе 400 оперативные регулировки выполняются в зависимости от замеренных или предсказанных выбросов. В качестве примера: датчик перед ИКВ может показывать высокий уровень OA. Однако сильный кратковременный сигнал от устройства ввода, например педали 130 акселератора, связанный, например, с большим изменением положения педали, может быть использован для предсказания скачка выброса отработавших газов в выпускном канале 148. Таким образом, способ 400 может определить, с помощью одного или нескольких замеров или предсказаний уровня OA перед ИКВ относительно порога по выбросам, что должны быть выполнены оперативные регулировки. Поэтому на шаге 410 способ 400 включает в себя определение уровня OA перед ИКВ. Далее, на шаге 420, способ 400 включает в себя определение уровня OA после ИКВ, в сравнении с пороговым, чтобы определить, работает ли один или несколько катализаторов с пониженной эффективностью.
Как видно из ФИГ. 4, уровни OA, превышающие пороговые, которые в некоторых случаях могут быть разными для расположений перед и после ИКВ, могут быть использованы для индикации того, что один или несколько катализаторов работают не эффективно. После этого, аналогично описанному выше, способ 400 может определить перепад температур на подложке каждого катализатора и использовать этот перепад температур для предсказания эффективности катализатора. В способе 400 может также определяться разность температур между устройствами для выполнения регулировок, которые увеличивают эффективность очистки отработавших газов в процессе работы. Таким образом, оперативные регулировки, которые увеличивают теплоотдачу электрического нагревателя и/или корректируют распределение потоков, являются средством увеличения эффективности очистки отработавших газов в системе выпуска с целью снижения их выбросов.
Как отмечено выше, в некоторых случаях конструкция ФИГ. 2А-С может альтернативно реализовываться только с одним клапаном. Но когда имеется только один клапан, местоположение этого клапана может определять управление потоком через систему выпуска. Для простоты этот единственный клапан показан размещенным только во второй ветви выпускного канала с целью регулировки потока и управления потоком отработавших газов через второе устройство в ответ на увеличение температуры. В такой конструкции часть потока отработавших газов может непрерывно течь через первый катализатор, в то время как распределение потока или соответствующий расход может регулироваться положением клапана. К примеру, когда клапан, размещенный во второй ветви выпускного канала, закрыт, весь поток отработавших газов может быть направлен на первый катализатор. Но когда клапан открыт, например, когда температура отработавших газов превышает пороговую, часть потока отработавших газов может быть направлена на второй катализатор, что снижает расход отработавших газов, текущих к первому катализатору. Таким образом, распределение потока отработавших газов в системе выпуска может быть отрегулировано, чтобы нагревать катализаторы так, как было подробнее раскрыто выше.
В другом варианте осуществления устройство 500 снижения выбросов имеет кольцевую конструкцию с центральным сердечником, который, например, представляет собой второй катализатор 504. Таким образом, как раскрыто выше, второй катализатор 504 может также представлять собой центрально расположенный Fe-ИКВ, окруженный первым катализатором 502, который представляет собой Cu-ИКВ. Хотя система раскрыта как содержащая катализаторы на Cu и Fe, в некоторых случаях первое и второе устройства могут содержать подложки на основе меди, но, например, разного состава. Для простоты на ФИГ. 5 представлена кольцевая конструкция, в которой клапан представляет собой заслонку 520 потока (например, заслонку с регулируемым проходным сечением) для регулировки распределения потока: через первую ветвь выпускного канала и первый катализатор 502, а также через вторую ветвь выпускного канала и второй катализатор 504. Как показано, в некоторых случаях заслонка 520 потока может располагаться во второй ветви выпускного канала ниже по потоку от второго катализатора 504. Однако возможны другие типы и размещения клапана.
На ФИГ. 6А и В показано, что положение заслонки потока может быть использовано для регулировки расхода отработавших газов через каждое устройство очистки отработавших газов. К примеру, на ФИГ. 6А закрытие заслонки 520 потока направляет поток отработавших газов через первую ветвь выпускного канала, например, к первому катализатору (например 502). Собственно, показано, что перекрытие предотвращает поток 550, в то время как увеличенный поток 552 направляется к периферии кольцевой системы и течет через первый катализатор, например, Cu-ИКВ. Альтернативно, на ФИГ. 6В представлено влияние открытия заслонки 520 потока, которая перенаправляет часть потока отработавших газов через вторую ветвь выпускного канала и через второй катализатор. Таким образом, увеличенный центральный поток 560 показан сплошной линией - для обозначения увеличенного потока, в то время как ослабленный поток 562 через первый катализатор показан пунктиром, чтобы проиллюстрировать снижение расхода в связи с повышением расхода через второй катализатор. На ФИГ. 6А и В также схематически показано место разветвления 512, представляющее собой точку, в которой каждый поток в отдельности отклоняется к соответствующему катализаторному устройству. Таким образом, отдельные ветви выпускного канала могут существовать даже в одном выпускном канале.
Вернемся к ФИГ. 5; как видно, верховой датчик 530 показан ниже по потоку от электрического нагревателя и выше по потоку от места разветвления 512. Низовой датчик 532 показан в выпускном канале ниже по потоку от точки слияния отдельных потоков отработавших газов. В некоторых вариантах осуществления можно получить более прямой нагрев, встроив электрический нагреватель в кольцевую систему между первым катализатором 502 и вторым катализатором 504. Поэтому на ФИГ. 5 показан погружной нагреватель 508, который, для простоты, также имеет кольцевую форму.
Введение в систему погружного нагревателя 508 в дополнение к электрическому нагревателю, размещенному в выпускном канале, позволяет более точно управлять нагревом катализатора очистки отработавших газов, дополняющим описанный электрический нагрев отработавших газов посредством теплопередачи через выпускный канал. В некоторых случаях погружной нагреватель может позволить направленно управлять нагревом, например, одного или другого, т.е. первого или второго, катализатора. Однако в других случаях нагреватель может передавать тепло устройству очистки отработавших газов однородно, чтобы увеличить теплоотдачу и тем самым быстрее поднять температуру устройства. К примеру, транспортное средство, работающее в условиях низких окружающих температур (например, ниже точки замерзания), может содержать погружной нагреватель для более быстрого повышения температуры устройства после холодного запуска, а в процессе дальнейшей работы, когда двигатель достигнет рабочей температуры, транспортное средство может работать с использованием теплопередачи отработавших газов.
Обратимся теперь к способу управления одним клапаном; на ФИГ. 7 представлен пример блок-схемы 700 управления распределением потоков в системе доочистки по ФИГ. 5; этот способ можно также использовать в системе доочистки, выполненной как показано на ФИГ. 1-2С, когда в систему включен только один клапан, например, один клапан, расположенный только во второй ветви выпускного канала.
В одном из примеров способ доочистки отработавших газов включает в себя электрический нагрев потока отработавших газов к двум катализаторам; определение температуры отработавших газов выше по потоку от места разветвления, от которого потоки идут по отдельности к двум катализаторам, и регулирование клапана для управления потоком отработавших газов к каждому катализатору в зависимости от электрического нагрева и температуры каждого из двух катализаторов. Однако согласно настоящему изобретению введен также электрический нагреватель выше по потоку, который обеспечивает дополнительное управление температурой отработавших газов для дифференциального управления температурой подложек катализаторов, используемого как средство повышения эффективности системы выпуска. В принципе, способ также включает в себя в ответ на снижение температуры увеличение потока отработавших газов к первому катализатору и уменьшение потока отработавших газов ко второму катализатору, а в ответ на увеличение температуры - уменьшение потока отработавших газов к первому катализатору и увеличение потока отработавших газов ко второму катализатору. Кроме того, способ включает в себя управление расходом отработавших газов к первому и второму катализаторам для дифференциального нагрева первого и второго катализаторов до первой и второй целевых температур, причем расход отработавших газов к первому и второму катализаторам регулируется также в зависимости от части соответствующего катализатора, которая должна быть нагрета до целевой температуры. Когда в систему включен один клапан, регулировки могут проводиться в зависимости от одной или нескольких пороговых температур. Поэтому пороговая температура блок-схемы 400 работает так, что при температуре отработавших газов ниже пороговой температуры клапан закрыт, причем закрытый клапан направляет поток отработавших газов на первый катализатор, расположенный в первой ветви выпускного канала ниже по потоку от места разветвления, и при этом поток отработавших газов нагревает подложку первого катализатора до первой целевой температуры. Далее, в ответ на превышение температуры отработавших газов выше пороговой температуры клапан может быть открыт, причем открытый клапан направляет поток отработавших газов одновременно к обоим катализаторам - первому, расположенному в первой ветви выпускного канала, и второму, расположенному во второй ветви выпускного канала, при этом доля отработавших газов, направляемых на второй катализатор, зависит от части подложки второго катализатора, которая должна быть нагрета до второй целевой температуры. Как раскрыто в настоящем изобретении, в некоторых случаях увеличение потока отработавших газов на второй катализатор может уменьшить поток отработавших газов на первый катализатор и наоборот.
Как описано выше, когда имеется дополнительный клапан, так, что первый клапан располагается в первой ветви выпускного канала, а второй клапан - во второй ветви выпускного канала, способ также включает в себя избирательное управление потоками отработавших газов к первому и второму катализаторам с помощью дополнительного клапана, который работает совместно с основным клапаном, управляя потоком отработавших газов к упомянутым двум катализаторам. Преимущество двух клапанов состоит в том, что поток отработавших газов на первый катализатор может быть в некоторых случаях предотвращен. К примеру, Fe-ИКВ с повышенной эффективностью очищает отработавшие газы при более высоких температурах, в то время как Cu-ИКВ при высоких температурах менее эффективен (например, он эффективнее при более низких температурах). Таким образом, при более высоких температурах существенно весь поток отработавших газов может быть направлен на второй катализатор, который эффективнее работает и более эффективно очищает отработавшие газы. В этой конструкции дополнительный клапан закрыт, чтобы предотвратить поток отработавших газов на первый катализатор в зависимости от пороговой температуры. Кроме того, способ может также включать в себя регулировку электрического нагрева в сочетании с использованием одного или нескольких клапанов и дополнительного клапана для регулировки температуры катализаторов в зависимости от работы двигателя и/или в зависимости от одного или нескольких замеренных и/или предсказанных уровней выбросов - с целью снижения уровня выбросов отработавших газов.
Раскрытые оперативные регулировки позволяют регулировать один или несколько параметров, именно: теплоотдачу электрического нагревателя, подлежащего регулировке, и/или распределение потока отработавших газов в зависимости от условий работы транспортного средства. Таким образом, эти способы также включают в себя приведение в действие одного или нескольких основных и дополнительного клапанов (например, первого и второго клапанов) в сочетании с управлением электрическим нагревателем выше по потоку от места разветвления - для дифференциального управления расходом отработавших газов к каждому катализатору, причем расход к каждому катализатору определяет нагрев передней поверхности подложки в зависимости от теплового потока, доставляемого потоком отработавших газов, и также расход к каждому катализатору определяется частью каждой подложки, которая должна быть нагрета до целевой температуры. Как отмечено выше, эти способы позволяют также выполнять оперативные регулировки в зависимости от выбросов или уровня расхода отработавших газов. Поэтому упомянутые способы могут также включать в себя определение уровня выбросов в выпускном канале ниже по потоку от первого и второго катализаторов и регулировку распределения потока отработавших газов для снижения уровня выбросов в выпускном канале.
На шаге 702 способ 700 включает в себя отслеживание одного или нескольких параметров состояния отработавших газов аналогично тому, как описано выше в связи с ФИГ. 3. Для простоты способ 700 раскрыт с использованием температуры отработавших газов и уровня OA. Поэтому на шаге 710 способ 700 включает в себя определение температуры перед ИКВ, например, с использованием верхового датчика 530. Далее, когда температура превысит заранее заданное пороговое значение, поток отработавших газов может эффективно очищаться комбинацией первого катализатора 502 и второго катализатора 504, причем распределение потока отработавших газов позволяет повысить эффективность очистки. Альтернативно, когда температура отработавших газов падает ниже пороговой температуры, могут быть проведены оперативные регулировки, которые направляют поток отработавших газов на первый катализатор 502, состав которого позволяет добиться повышенной эффективности при низких температурах. Таким образом, способ 700 переходит к шагу 722, на котором выполняют регулировки, направляющие поток отработавших газов на первый катализатор 502 (например, на первое устройство ИКВ) при одновременной блокировке потока отработавших газов на второй катализатор 504 (например, на второе устройство ИКВ). Далее, на шаге 724 способ включает в себя определение ДТ на первом катализаторе 502 и предсказание эффективности системы доочистки в зависимости от перепада температур и/или условий работы двигателя. На шаге 726 способ 700 включает в себя регулировку тока питания нагревателя отработавших газов для его нагрева, с одновременной регулировкой температуры отработавших газов в зависимости от количества теплоты, переданного им электрическим нагревателем. Как подробнее раскрыто выше, количество добавляемой теплоты может регулироваться током, подаваемым на электрический нагреватель, что также позволяет регулировать температуру подложки первого катализатора в зависимости от предсказанного увеличения эффективности. Другими словами, количество энергии, подаваемой на электрический нагреватель, может регулироваться для управления количеством теплоты, переданной отработавшим газам, что также используется для избирательного нагрева подложки первого катализатора, например, путем подъема температуры передней поверхности катализатора до целевой температуры. Хотя это не показано, упомянутые способы также включают в себя предсказание целевой температуры с использованием модели, например, модели частичного объема катализатора - для предсказания части передней поверхности катализатора, которая должна быть прогрета до целевой температуры, чтобы, используя теплопередачу, получить выигрыш в виде повышения эксплуатационных качеств.
Вернемся к шагу 710; когда отработавшие газы содержат достаточно теплоты для эффективной очистки в катализаторе, другой параметр отработавших газов, например уровень OA ниже по потоку, может служить указателем эффективности очистки отработавших газов. На шаге 720 способ 700, таким образом, включает в себя сравнение уровня OA после ИКВ с пороговым для очистки отработавших газов в устройстве снижении выбросов согласно настоящему изобретению. Как описано выше, когда уровень OA после ИКВ превышает порог выбросов, в то время как температура перед ИКВ превышает пороговую температуру, устройство очистки отработавших газов при снижении выбросов двигателя может для очистки отработавших газов использовать оба катализатора, первый и второй,. И если уровень OA после ИКВ падает ниже порога выбросов, система, возможно, работает с достаточной эффективностью, чтобы продолжать работу без дополнительных регулировок. Однако система согласно настоящему изобретению может также продолжить проведение регулировок для увеличения эффективности очистки первым катализатором при блокировке потока на второй катализатор. После этого система может изменить количество добавляемой теплоты, продолжая работать с оптимальной эффективностью в зависимости от выявленных условий работы двигателя.
Замер увеличенных выбросов на шаге 720 может указывать на возможность достижения повышенного уровня эксплуатационных качеств путем использования второго катализатора. Таким образом, на шаге 730 способ 700 включает в себя определение части второго катализатора 504, которая должна быть нагрета до целевой температуры для снижения уровня OA ниже порогового. Как описано выше, контроллер 12 может быть выполнен с возможностью определить оптимальное сочетание добавляемого количества теплоты и расхода отработавших газов для обоих катализаторов, первого и второго, с тем чтобы получить повышенные эксплуатационные качества. На шаге 732 способ 700 может произвести оперативные регулировки для увеличения тока, подаваемого на электрический нагреватель, размещенный выше по потоку от места разветвления, чтобы разогреть нагреватель в зависимости от упомянутой рассчитанной части и/или расходов отдельных потоков отработавших газов к каждому катализатору. На шаге 734 способ 700 включает в себя также регулировку положения заслонки 520 потока для увеличения потока отработавших газов через второй катализатор 504 при одновременном нагреве второй подложки до целевой температуры. Эти регулировки могут также включать в себя уменьшение потока отработавших газов на первый катализатор 502, чтобы в результате произведенных регулировок еще больше изменить его температуру.
Таким образом, раскрытая система доочистки предпочтительна возможностью нагрева отработавших газов с использованием электрического нагревателя и также возможностью регулирования количества теплоты, переданной одной или нескольким подложкам катализаторов, расположенным в конструкции с параллельными потоками. Система и способ согласно настоящему изобретению, таким образом, позволяют оптимальнее использовать нагреватель отработавших газов для дифференциального управления температурой подложек катализаторов, что позволяет повысить эффективность работы и снизить выбросы системы, а также увеличить экономию энергии в процессе эксплуатации.
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и могут быть осуществлены системой управления, включающей контроллер в сочетании с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими элементами двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, причем раскрытые действия осуществляются путем исполнения команд в системе, включающей в себя различные элементы двигателя в сочетании с электронным контроллером.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.