СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА В ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF VEHICLE EXHAUST SYSTEM CARBON-BLACK FILTER REACTIVATION AND DEVICE TO THIS END

Настоящее изобретение относится в целом к адаптации стратегии управления для механической трансмиссии с целью обеспечения соответствующих условий эксплуатации систем доочистки.
Известно, что коммерческие транспортные средства (далее - автомобили) для тяжелых условий эксплуатации, такие как грузовые автомобили для сухопутных перевозок и автобусы, оснащают автоматическими механическими трансмиссиями, которые действуют согласно заданным программам. Кроме того, с целью уменьшения выбросов в атмосферу автомобильного двигателя в последнее время на транспортных средствах для тяжелых условий эксплуатации устанавливают устройства для снижения токсичности выхлопа различных типов, включая сажевые фильтры твердых частиц, выделяющихся с выхлопными газами дизельного двигателя, каталитические конвертеры и устройства для снижения выброса окислов азота. Одним из примеров дизельного сажевого фильтра (ДСФ или DPF от англ. Diesel Particulate Filter) является фильтр типа, который способен избирательно улавливать твердые частицы, а также рассчитан на способность сжигать твердые частицы с целью очистки фильтра. Во время эксплуатации автомобиля с ДСФ частицы со временем накапливаются в фильтре, что может привести к засорению фильтра, нарушению его нормальной работы и увеличению выбросов. Кроме того, поскольку в результате засорения фильтров повышается противодавление отработавших газов в выхлопной системе, для обеспечения нормального тягового усилия двигатель должен вырабатывать излишнее количество энергии, что увеличивает расход топлива. С помощью автоматической механической трансмиссии выбор и переключение передач осуществляется с использованием специально разработанных программ.
В WO 2004/088100 описано установка выбора передач трансмиссии с целью регулирования температуры фильтра типа ДСФ в пределах заданного диапазона температур, посредством регулирования температуры фильтра можно сжигать частицы, накопившиеся в фильтре. За счет этого может быть продлен срок службы фильтра, а также обеспечено постоянное снижение выбросов системы.
Настоящее изобретение относится к обеспечению регулирования рабочих температур внутри дизельного сажевого фильтра, а также других систем доочистки посредством управления трансмиссией и двигателем с целью обеспечения соответствующих условий эксплуатации этих систем.
В настоящем изобретении предложен способ регенерации фильтра типа ДСФ в выхлопной системе транспортного средства с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), который оснащен автоматической механической трансмиссией (АМТ). При осуществлении этого способа определяют, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, эффективное для проведения регенерации фильтра. Далее определяют, что существуют текущие условия эксплуатации транспортного средства, позволяющие обеспечить в выхлопной системе соответствующие условия для осуществления регенерации заполненного твердыми частицами фильтра посредством выбора соответствующего режима (конфигурации) АМТ. Осуществляют анализ условий движения в ближайшем будущем с целью убедиться в том, что они допускают работу ДВС под достаточной нагрузкой и с достаточно низкими оборотами, чтобы поддерживать в выхлопной системе под управлением АМТ достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации ДСФ. Наконец, осуществляют регенерацию фильтра, выбрав соответствующий режим АМТ таким образом, чтобы ДВС работал в режиме, который обеспечивает достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов в выхлопной системе и который сохраняется в течение заданного времени.
Предложена также система регенерации фильтра типа ДСФ в выхлопной системе транспортного средства с приводом от ДВС, который оснащен АМТ. Система имеет микропроцессорный контроллер, обеспечивающий обработку данных транспортного средства и создание управляющих команд по меньшей мере для АМТ транспортного средства, при этом контроллер поддерживает связь управления с АМТ транспортного средства и запрограммирован с возможностью обеспечения: определения, когда содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, эффективное для проведения регенерации фильтра; определения, что существуют текущие условия эксплуатации транспортного средства, позволяющие обеспечить в выхлопной системе соответствующие условия для осуществления регенерации заполненного твердыми частицами фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ; подтверждения, что условия движения в ближайшем будущем допускают работу ДВС под достаточной нагрузкой и с достаточно низкими оборотами, чтобы поддерживать в выхлопной системе под управлением АМТ достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации ДСФ; и регенерации фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ, чтобы ДВС работал в режиме, который обеспечивает достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов в выхлопной системе и который сохраняется в течение заданного времени.
На приложенных чертежах проиллюстрированы частные варианты осуществления изобретения. Следует учесть, что проиллюстрированные варианты осуществления являются лишь примерами и не ограничивают объем правовой охраны. При этом чертежи является частью описания, на которых:
на фиг.1 схематически показан автомобиль, оснащенный двигателем внутреннего сгорания, автоматической механической трансмиссией и устройством для снижения токсичности выхлопа,
на фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая программу управления для определения момента, когда следует осуществить регенерацию ДСФ,
на фиг.3 - устройство, используемое в одном из вариантов осуществления изобретения.
Описанное изобретение относится к усовершенствованию выбора передач АМТ таким образом, чтобы согласовать выбор передач, осуществляемый АМТ, с обеспечением соответствующего управления системой доочистки.
По меньшей мере в одном из вариантов осуществления и, как в целом показано на фиг.1, изобретение реализовано в транспортном средстве (далее - автомобиль) 10 большой грузоподъемности, таком как грузовой автомобиль, имеющий двигатель 15 внутреннего сгорания. Двигатель 15 внутреннего сгорания посредством сцепления 18 связан с трансмиссией 20. Сцеплением 18 предпочтительно является фрикционное сцепление 18, которое может быть автоматизировано с целью управления включением и выключением трансмиссии 20. Трансмиссия 20 соединена с ведущими колесами 90 автомобиля 10 карданным валом 80, шестерней 85 дифференциала и задними мостами 87.
В одном из вариантов осуществления системой доочистки является устройство для снижения токсичности выхлопа, которое соединено с двигателем 15 первой выхлопной трубой. На выхлопной трубе между двигателем 15 и устройством для снижения токсичности выхлопа могут быть установлены другие устройства. Обычно устройство для снижения токсичности выхлопа имеет такое приспособление, как окислительный нейтрализатор или горелку и фильтр. Очищенный выхлоп вместе с любыми остающимися посторонними примесями выходит из автомобиля через вторую выхлопную трубу. Корпус устройства для снижения токсичности выхлопа может быть изготовлен из нержавеющей стали. Предпочтительно окислительный нейтрализатор или горелку устанавливают перед фильтром. В одном из вариантов осуществления окислительным нейтрализатором или горелкой является окислительный каталитический конвертер с открытыми каналами, в которых протекают химические реакции, или горелка. После завершения желаемых химических реакций устанавливают ДСФ, предпочтительно типа ДСФ. Выхлопные газы и содержащиеся в них твердые частицы принудительно подают через фильтр. Фильтр служит ловушкой, которая не дает частицами выходить из выхлопной системы через вторую выхлопную трубу.
Для управления двигателем 15 предусмотрен блок 25 управления двигателя (БУД), который посредством шины 28 данных соединен с блоком 30 управления трансмиссии (БУД), служащим для управления трансмиссией 20. Хотя в описании упоминается конкретный контроллер, в том или ином блоке управления могут быть реализованы различные управляющие команды. Кроме того, блок 25 управления двигателя и блок 30 управления трансмиссии могут быть объединены в один блок управления. Помимо этого, блок 25 управления двигателя и блок 30 управления трансмиссии также могут состоять из нескольких блоков управления, таких как блок управления переключением передач и блок управления выбором передач, заменяющих блок 30 управления трансмиссии и поддерживающих связь друг с другом. Дополнительно предусмотрены педаль 32 акселератора и переключатель 34 передач, позволяющие водителю передавать команды блоку 25 управления двигателя, а также блоку 30 управления трансмиссии. Переключатель 34 передач предпочтительно имеет положения для ручного переключения, автоматического переключения, низшие передачи и передачу заднего хода. Объемом настоящего изобретения также предусмотрен выбор других передач, а перечисленные выше передачи приведены в качестве примеров возможного выбора передач.
Обычно установленные на автомобиле датчики и другие индикаторы, которые должны поддерживать связь с блоком 30 управления трансмиссии или блоком 25 управления двигателя, соединены с шиной 28 данных. За счет этого блоки 25, 30 управления (контроллеры) могут совместно использовать информацию. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен специализированный шинный контроллер для управления совместным использованием данных, а также для функционирования в качестве точки приема информации от датчиков. На схеме показан один из таких датчиков, а именно датчик температуры. Его используют с целью передачи блокам 25, 30 управления температуры внутри устройства для снижения токсичности выхлопа.
Чтобы определить степень забивания ДСФ, осуществляют расчет с использованием информации, доступной посредством шины 28 данных. Расчет может быть произведен вычислителем в блоке 30 управления трансмиссии или блоке 25 управления двигателя или специальном контроллере. В случае специального контроллера информацию передают соответствующему блоку управления, которому она необходима. Расчет осуществляют на основании данных пробега, которые могут включать количество израсходованного топлива, мгновенную нагрузку на двигатель и температуру ДСФ, измеренную датчиком температуры. С помощью этой информации можно произвести расчет забивания или степени забивания ДСФ. Кроме того, эта величина также может являться качественным показателем, означающим, что расчетное забивание является достаточно значительным, чтобы служить основанием для корректировочных мер, которые должен предпринять соответствующий(-е) блок(-и) управления. Шина 28 данных также способна передавать мгновенные параметры крутящего момента двигателя, температуры выхлопа, мощности двигателя, ускорения автомобиля, противодавления отработавших газов, расхода топлива, установки момента впрыска, положения клапана рециркуляции отработавших газов и давления открытия игольчатого клапана. Эти параметры могут использоваться при вычислении степени забивания ДСФ.
Часто твердые частицы, которые накапливаются во время работы двигателя 15 в ДСФ, могут образовывать неровности и впадины, дополнительно способствующие созданию условий забивания. При соответствующих температурных условиях эти частицы могут вступать в реакцию с кислородом. Таким образом, можно вызвать эту реакцию посредством повышения до соответствующего уровня температуры в устройстве для снижения токсичности выхлопа. Обычно эту реакцию называют регенерацией фильтра или "очисткой выжиганием". Этот метод представляет собой окислительный процесс.
С помощью блока управления двигателя и блока управления трансмиссии можно получать желаемую рабочую температуру. При нормальных условиях езды температура в устройстве для снижения токсичности выхлопа ниже температуры, необходимой для регенерации ДСФ. Таким образом, для повышения температуры в устройстве для снижения токсичности выхлопа до уровня, при котором требуется очистка устройства, необходима специальная программа. Типичные температуры для очистки устройства могут составлять порядка 350-650°С. Температура, необходимая для других систем доочистки, может находиться в этом или другом диапазоне в зависимости от конкретной системы доочистки. Хотя в некоторых системах регенерации для создания этих температур используется особый режим работы двигателя 15, желательно осуществлять эти программы в обычных режимах движения, чтобы сократить время работы двигателя, а также обеспечить более эффективный способ достижения этих температур.
Степень забивания фильтра является определяющим фактором для принятия решения о том, когда необходима соответствующая программа управления, чтобы повысить температуру в устройстве для снижения токсичности выхлопа. Это может быть сделано посредством качественного расчета числа частиц, которые, вероятно, находятся в устройстве для снижения токсичности выхлопа. Для этого может быть оценено число всех содержащихся частиц или конкретных частиц, которые исследуют с использованием доступных данных. В последнем случае может быть создана таблица для внесения в нее величины, отображающей число частиц, находящихся в устройстве для снижения токсичности выхлопа. Затем эти величины используют при вычислении степени забивания устройства для снижения токсичности выхлопа.
После того, как установлено, что степень забивания превышает заданную величину, осуществляют специальную программу управления, чтобы инициировать регенерацию устройства для снижения токсичности выхлопа. Осуществляют качественную оптимизацию, чтобы выбрать соответствующее передаточное отношение трансмиссии 20 и обеспечить желаемое изменение температуры в выхлопной системе для инициирования регенерации. Оптимизация может быть достигнута посредством согласования с выбором передач в блоке 30 управления трансмиссии. Оптимизация может быть основана на ряде различных параметров, таких как передаточное отношение цепи привода и период времени, в течение которого включено это передаточное отношение. Таким образом, регенерация устройства для снижения токсичности выхлопа является управляемой в том, что касается ее длительности, а также желаемого результата, когда регенерация завершена. Если заданная величина не превышена, специальную программу управления не осуществляют.
С целью обеспечения непрерывной эффективной работы двигателя 15 и трансмиссии 20 необходимо определить момент времени для осуществления регенерации. При некоторых обстоятельствах регенерацию желательно отложить. Одним из примеров ситуации, в которой регенерацию предпочтительно следует отложить, может являться случай, когда автомобиль 10 преодолевает подъем, поскольку повышение температуры в устройстве для снижения токсичности выхлопа потребовало бы переключения на более высокую передачу. Тем не менее, переключение на более высокую передачу в этот момент было бы нежелательным, поскольку двигателю 15 пришлось бы работать на малых оборотах и, следовательно, он не смог бы обеспечить мощность, необходимую для преодоления подъема. Если регенерация не начата немедленно, программа возвращается в состояние, в котором вычислитель регистрирует данные, поступающие от шины 28 данных, для вычисления момента инициирования такой регенерации.
Кроме того, чтобы могла произойти регенерация, необходимо временно изменить некоторые функции выбора передач трансмиссии и стратегий переключения передач. С целью повышения эффективности в программах работы трансмиссии может быть предусмотрен режим свободного хода, чтобы при соответствующих обстоятельствах автомобиль 10 мог двигаться без помех, создаваемых сопротивлением двигателя. Подробности программы свободного хода дополнительно описаны в заявке US 10/709384, поданной 30 апреля 2004 г. (соответствующей WO 03/037672), в частности, в абзацах 20-89, содержание которых в порядке ссылки включено в настоящую заявку. Как указано в упомянутом документе, функция свободного хода полезна для обеспечения более топливосберегающей работы двигателя 15 по сравнению с работой двигателя 15 без использования функции свободного хода. Другие примеры режима свободного хода описаны в US 6869377, WO 02/092378, WO 03/037672 и WO 2005/084995, при этом все они в прямой форме в порядке ссылки целиком включены в настоящую заявку. Некоторые примеры ситуаций, в которых может быть полезен свободный ход, включают движение по склону от небольшого до умеренного и замедление хода автомобиля 10, но без использования ни рабочего тормоза, ни вспомогательных тормозов автомобиля 10. Функция свободного хода может быть обеспечена посредством выведения из зацепления синхронного разъемного зубчатого колеса или синхронного зубчатого колеса при отсутствии в коробке передач разъемного зубчатого колеса. Контроллер, принимающий решение о включении функции свободного хода, предпочтительно принимает сигналы от переключателя 34 передач, датчика нажатия педали 32 акселератора, устройства управления вспомогательным тормозом, датчика положения педали тормоза и модуля автоматического поддержания скорости движения. Если условия предварительно заданной программы соблюдены, включается функция свободного хода.
Если эта функция свободного хода приведена в действие во время регенерации, сопротивление двигателя 15 уменьшится, поскольку не будет сопротивления со стороны цепи привода автомобиля 10. Кроме того, функция свободного хода трансмиссии 20 обеспечивает работу двигателя 15 преимущественно в режиме холостого хода. Хотя при этом температура в устройстве для снижения токсичности выхлопа может достигать желаемой рабочей температуры, эту температуру сложно поддерживать на постоянном уровне на протяжении определенного времени и, кроме того, из-за уменьшения потока выхлопных газов по поверхностям каталитического конвертера и ДСФ на их поверхностях могут образовываться трещины.
По меньшей мере в одном из вариантов осуществления описываемого изобретения, показанном на фиг.2, предложен способ регенерации фильтра типа ДСФ в выхлопной системе автомобиля 10 с приводом от двигателя 15 внутреннего сгорания (ДВС), который оснащен автоматической механической трансмиссией 20 (АМТ). При осуществлении способа в период нормальной работы двигателя 10 (шаг 205) определяют, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, эффективное для проведения регенерации фильтра (шаг 210). Дополнительно определяют, что существуют текущие условия эксплуатации автомобиля, позволяющие обеспечить в выхлопной системе соответствующие условия для осуществления регенерации забитого твердыми частицами фильтра посредством выбора соответствующего режима (конфигурации) АМТ 20 (шаг 215). Осуществляют анализ условий движения в ближайшем будущем с целью убедиться в том, что они допускают работу ДВС 15 под достаточной нагрузкой и с достаточно низкими оборотами, чтобы поддерживать в выхлопной системе под управлением АМТ 20 достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации ДСФ (шаг 220). Наконец, осуществляют регенерацию фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ 20 таким образом, чтобы ДВС 15 работал в режиме, который обеспечивает достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов в выхлопной системе и который сохраняется в течение заданного времени (шаг 225). В способе дополнительно предусмотрен запрет некоторых функций программы управления трансмиссии (шаг 230).
Также установлено несколько необязательных условий. Одним из них является запрет во время регенерации режима АМТ 20, при котором значительно снижается рабочая частота вращения ДВС 15. Другим условием является запрет расцепления АМТ 20 и ДВС 15 во время регенерации. Еще одним условием является запрет во время регенерации режима АМТ 20, при котором значительно снижается нагрузка на ДВС 15. Дополнительным условием является запрет автоматического поддержания скорости движения во время регенерации. Еще одним дополнительным условием является запрет функции свободного хода АМТ 20 во время регенерации.
В одном из вариантов или усовершенствований способа дополнительно определяют, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, при котором требуется немедленная регенерация фильтра, и затем осуществляют немедленную регенерацию фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ 20 таким образом, чтобы ДВС 15 работал в режиме, в котором в выхлопной системе в течение заданного времени поддерживается достаточная температура регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации.
Аналогичным образом при осуществлении способа также необязательно определяют, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, при котором требуется немедленная регенерация фильтра, и затем осуществляют немедленную регенерацию фильтра посредством увеличения подачи топлива по меньшей мере в ДВС 15 или выхлопную систему, при которой в выхлопной системе в течение заданного времени поддерживается достаточная температура регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации.
В итоге, одной из общих задач способа является обеспечение сокращения потребления топлива автомобилем 10 в связи с регенерацией за счет того, что большинство операций регенерации осуществляются без необходимости установления условий работы двигателя, в которых расход топлива увеличивается сверх того, что необходимо для приведения в движение автомобиля 10.
В родственном, но отличающемся варианте осуществления изобретения предложена система регенерации фильтра типа ДСФ в выхлопной системе автомобиля с приводом от ДВС 15, который оснащен АМТ 20. Система имеет микропроцессорный контроллер, настроенный на обработку данных автомобиля и создание управляющих команд по меньшей мере для АМТ 20 автомобиля 15, при этом контроллер поддерживает связь управления с АМТ 20 автомобиля 10 и запрограммирован так, что позволяет: определять, когда содержание твердых частиц в фильтре типа ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, эффективное для проведения регенерации фильтра; определять, что существуют текущие условия эксплуатации автомобиля, позволяющие обеспечить в выхлопной системе соответствующие условия для осуществления регенерации забитого твердыми частицами фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ 20; убеждаться в том, что условия движения в ближайшем будущем допускают работу ДВС 15 под достаточной нагрузкой и с достаточно низкими оборотами, чтобы поддерживать в выхлопной системе под управлением АМТ 20 достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации ДСФ; и осуществлять регенерацию ДСФ посредством выбора соответствующего режима АМТ 20 таким образом, чтобы ДВС 15 работал в режиме, который обеспечивает достаточную температуру регенерации и поток выхлопных газов в выхлопной системе и который сохраняется в течение заданного времени.
Как и ранее, дополнительные условия включают: (1) контроллер дополнительно запрограммирован на запрет во время регенерации режима АМТ 20, при котором значительно снижается рабочая частота вращения ДВС 15; (2) контроллер дополнительно запрограммирован на запрет расцепления АМТ 20 и ДВС 15 во время регенерации; (3) контроллер дополнительно запрограммирован на запрет во время регенерации режима АМТ 20, при котором значительно снижается нагрузка на ДВС 15; (4) контроллер дополнительно запрограммирован на запрет автоматического поддержания скорости движения во время регенерации; и (5) контроллер дополнительно запрограммирован на запрет функции свободного хода АМТ 20 во время регенерации.
В качестве дополнительного необязательного условия контроллер может быть дополнительно запрограммирован на определение, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, при котором требуется немедленная регенерация фильтра, и затем обеспечивать осуществление немедленной регенерации фильтра посредством выбора соответствующего режима АМТ 20 таким образом, чтобы ДВС 15 работал в режиме, в котором в выхлопной системе в течение заданного времени поддерживается достаточная температура регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации.
В качестве еще одного дополнительного необязательного условия контроллер может быть запрограммирован на определение, что содержание твердых частиц в ДСФ превышает минимальное заданное пороговое количество, при котором требуется немедленная регенерация фильтра, и затем осуществлять немедленную регенерацию фильтра посредством увеличения подачи топлива по меньшей мере в ДВС 15 или выхлопную систему, при которой в выхлопной системе в течение заданного времени поддерживается достаточная температура регенерации и поток выхлопных газов для осуществления регенерации.
На фиг.3 показано устройство 500 согласно одной из особенностей изобретения, имеющее энергонезависимую память 520, блок 510 обработки данных (процессор) и память 560 с оперативной записью и считыванием. Память 520 имеет первую область 530, в которой хранится компьютерная программа для управления устройством 500. Хранящейся в части 530 памяти компьютерной программой для управления устройством 500 может являться операционная система. Устройство 500 может помещаться, например, в блоке управления, таком как блок 30 управления трансмиссии или блок 25 управления двигателя. Блок 510 обработки данных может представлять собой, например, микрокомпьютер.
Память 520 также имеет вторую область 540, в которой хранится программа, очистки выхлопов автоавтомобиля. В одном из альтернативных вариантов осуществления программа очистки выхлопов автоавтомобиля хранится в отдельной энергонезависимой запоминающей среде 550, такой как флэш-память. Программа может храниться в выполнимой форме или в сжатом виде.
Когда далее указано, блок 510 обработки данных выполняет конкретную функцию, и должно быть ясно, что блок 510 обработки данных выполняет конкретную часть программы, хранящейся в энергонезависимой запоминающей среде 550 для записи.
Блок 510 обработки данных рассчитан на обмен данными с энергонезависимой запоминающей средой (памятью) 550 посредством шины 514 данных. Блок 510 обработки данных также рассчитан на обмен данными с памятью 520 посредством шины 512 данных. Кроме того, блок 510 обработки данных рассчитан на обмен данными с памятью 560 посредством шины 511 данных. Блок 510 обработки данных также рассчитан на обмен данными с портом 590 данных посредством использования шины 515 данных.
Предложенные в настоящем изобретении способы могут осуществляться посредством блока 510 обработки данных, который выполняет программу, хранящуюся в памяти 540, или программу, хранящуюся в энергонезависимой запоминающей среде 550 для записи.