СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ ДОЗИРУЕМОГО КОЛИЧЕСТВА ВОССТАНОВИТЕЛЯ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
CORRECTION OF REDUCER BATCHED AMOUNT FOR SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION

Объектом изобретения является способ согласно пункту 1 формулы изобретения.
x
Наряду с твердыми частицами, к ограничиваемым компонентам отработавших газов относятся окислы азота, которые образуются в процессах горения, и допустимые выбросы которых все больше и больше снижаются. Для минимизации уровня этих компонентов отработавших газов в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в настоящее время применяются различные способы. В большинстве случаев снижение уровня окислов азота производится с помощью катализаторов. В обогащенных кислородом отработавших газах дополнительно требуется восстановитель, чтобы повысить селективность и конверсию NO.
2
5
2
5
3
2
2
5
Эти способы стали известны под общим понятием SCR-способ, причем SCR означает "селективное каталитическое восстановление". Он применяется много лет в области электростанций, а с недавнего времени и в двигателях внутреннего сгорания. Подробное описание такого способа можно найти в DE 34 28 232 A1. В качестве SCR-катализаторов могут применяться смешанные оксиды, содержащие VO, например, в форме VO/WO/TiO. При этом типичное содержание VO составляет 0,2-3%. Допустимо также применение железо- и/или медьсодержащих цеолитов.
Для применения на практике в качестве восстановителя подходят аммиак или соединения, отщепляющие аммиак, такие, как мочевина или формиат аммония, в твердой форме или в форме раствора.
Так, мочевина при высоких температурах распадается на изоциановую кислоту и аммиак:
2
2
3
(NH)CO <=> NH + HNCO (1)
3
2
Далее изоциановая кислота гидролизуется содержащейся в отработавшем газе водой с образованием NH и CO:
2
3
2
HNCO + HO => NH + CO(2)
Таким образом, при полном гидролизе из одного моля мочевины образуется два моля аммиака и один моль диоксида углерода.
2
2
2
3
2
(NH)CO + HO => 2NH + CO(3)
Таким образом, в результате гидролиза мочевины в распоряжении оказывается тот же проверенный восстановитель, что и в области электростанций, а именно аммиак.
При этом для превращения одного моля оксида азота необходим один моль аммиака.
3
2
2
2
4NO + 4NH + O => 4N + 6HO (4)
3
x
Соотношение между NH и NO называется коэффициентом загрузки
3
x
α = NH/NO (5)
x
x
NOx
Для идеального катализатора это означает, что при коэффициенте загрузки, равном единице, восстанавливаются все окислы азота, то есть достигается 100%-ная конверсия NO, так как для конверсии NO, X, справедливо:
NOx,0
x
где c - неочищенные выбросы NO [ppm];
NOx
x
c - выбросы NO после катализатора [ppm].
2
Если SCR-катализаторам предшествует содержащий платину катализатор окисления NO для образования NO
2
2
2NO + O <=> 2NO (6)
то SCR-реакцию можно существенно ускорить и заметно повысить низкотемпературную активность.
3
2
2
2
NO + 2NH + NO => 2N + 3HO (7)
2
Правда, в присутствии NO следует учитывать также повышенную эмиссию закиси азота, согласно следующей реакции:
3
2
2
2
2
2NH + 2NO + ½O => 2NO + 3HO (8)
x
Поэтому в автомобильных двигателях внутреннего сгорания уменьшение уровня окислов азота с помощью SCR-способа затруднительно, так как там имеются переменные условия работы, такие, как колебания температуры отработавшего газа, количества отработавшего газа и неочищенных выбросов NO, что затрудняет количественную дозировку восстановителя. Хотя, с одной стороны, должна достигаться как можно более высокая степень превращения окислов азота, но с другой стороны нужно следить, чтобы не дошло до эмиссии закиси азота, изоциановой кислоты или неиспользованного аммиака.
В настоящее время для дозировки восстановителя в SCR-процессе в автомобилях применяются два способа определения правильного дозируемого количества восстановителя.
x
x
x
Во-первых, это чистое управление без обратной информации от датчиков для определения фактических выбросов за каталитической системой. При этом дозируемое количество определяется с помощью моделей из данных, которые хранятся и/или рассчитываются в запоминающем устройстве электронного блока управления двигателя внутреннего сгорания в виде таблиц или кривых, семейства характеристик или функций, и при необходимости с помощью датчиков для определения температуры катализатора, которая определяет количество NO и отработавшего газа. Так, например, неочищенные выхлопы двигателя рассчитываются из количества впрыскиваемого топлива, числа оборотов двигателя, давления впрыска, воздушно-топливного отношения и т.д. Возможные конверсии NO и требующиеся для этого дозировки восстановителя зависят, в свою очередь от температуры катализатора, неочищенных выбросов NO, количества отработавшего газа и т.д. Фактическая эмиссия за системой не детектируются и тем самым не имеет никакого влияния на дозируемое количество (DE 4315278 A1, DE 19536571 A1, DE 19906344 A1, EP 898061 A1).
Недостаток этих способов состоит в том, что из-за отсутствия обратной информации о фактических выбросах едва ли можно компенсировать ошибки, дефекты или влияние окружающей среды.
x
Вторая возможность состоит в том, чтобы построить классическую за системой замкнутую цепь автоматического регулирования с помощью датчиков NO. Для этого предоставляемые датчиками текущие фактические значения сравниваются с предписанными значениями и дозируемое количество непрерывно подстраивается.
x
Правда, при перманентном управлении существует проблема инерционности системы и датчиков, а также одновременно высокодинамичной работы двигателя внутреннего сгорания в автомобилях. Так, например, в процессах ускорения или ударного включения нагрузки в двигателях внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом эмиссия NO в пределах одной секунды повышается в 10 раз. Для безнаддувных двигателей повышение происходит еще быстрее из-за недостатка инерционности газотурбинного нагнетателя. Это же справедливо при сбросе нагрузки или при переходе в режим принудительного холостого хода.
90
Датчики для определения выбросов не способны детектировать эти высокодинамичные процессы. Во-первых, это связано с инерционностью датчиков, у которых время t, то есть время, при котором достигнуто 90% от конечного значения, типично составляет около 300-500 мс, во-вторых, с необходимостью размещать датчики за каталитической системой. Так, одно только время прохода газа от выхода из головки цилиндра до выхода из каталитической системы составляет в зависимости от объемного потока отработавшего газа и системы выпуска отработавшего газа 200-2000 мс.
Одна возможность частично решить эту проблему состоит в том, чтобы в течение более длительного периода времени суммировать или интегрировать предписанные и фактические выбросы и подстраивать дозируемое количество в зависимости от разницы между предписанными и фактическими значениями (DE 10100420 A1).
x
x
x
3
x
3
x
Необходимые для регулирования датчики NO описаны в документах JP 63038154 A, JP 10062374 A и JP 9288084 A. Общим у этих датчиков является то, что они имеют высокую побочную чувствительность в отношении восстанавливающихся компонентов отработавшего газа. Это вызывает особые проблемы при применении таких датчиков в SCR-системах, так как там в отработавшем газе могут содержаться большие количества сильного восстановителя аммиака. Так как аммиак дает сходно высокий сигнал с NO, отличить NO от NH невозможно, т.е. высокие сигналы датчика могут соответствовать высоким концентрациям NO и/или высоким концентрациям NH. Если неиспользованный аммиак выходит после SCR-катализатора, то из-за этого больше невозможно регулированием установить определенную концентрацию NO за SCR-катализатором.
Исходя из этого, в основе изобретения стоит задача устранить описанные недостатки уровня техники. Эта задача решена согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Способ по изобретению применяется вместе с установкой доочистки отработавшего газа для дозировки отщепляющего аммиак восстановителя в поток отработавшего газа автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего при избытке воздуха. Как это принято в таких системах, дозировка восстановителя производится с помощью управляемого блоком управления дозатора, сопряженного с установкой доочистки отработавшего газа. Для снижения уровня окислов азота за дозатором в потоке отработавшего газа устанавливают в качестве следующей части установки доочистки отработавшего газа по меньшей мере один SCR-катализатор.
Дозируемое количество восстановителя (для обычных в настоящее время систем это в большинстве случаев водный раствор мочевины, но допустимы также и другие восстановители: аммиак или отщепляющие аммиак соединения, такие как мочевина или формиат аммония в твердой форме или в виде раствора) устанавливается блоком управления с помощью записанной в нем модели, охватывающей все возможные рабочие точки двигателя внутреннего сгорания или установки доочистки отработавшего газа.
При этом под моделью в простейшем случае следует понимать характеристическую кривую или семейство характеристик, но это может быть также и множество характеристических кривых, семейств характеристик или также одно- или многопараметрических функций, которые определяются или устанавливаются с помощью так называемой эталонной системы и/или путем теоретических рассмотрений. Под эталонной системой в настоящем случае имеется в виду типичная для данного конструктивного ряда структура из двигателя внутреннего сгорания и системы доочистки отработавшего газа, которая уже может быть встроена в автомобиль. Через измерения на эталонной системе и/или путем теоретических рассмотрений для множества рабочих точек структуры, с одной стороны, определяется дозируемое количество восстановителя, а с другой стороны, для этих рабочих точек рассчитывается предписанная эмиссия. При этом каждая рабочая точка определяется значением по меньшей мере одного рабочего параметра эталонной системы. Установленное дозируемое количество в форме модели сохраняется в блоке управления соответствующего конструктивного ряда, так что из модели для всех возможных значений, которые может принимать этот по меньшей мере один рабочий параметр, то есть для всех рабочих точек, которые имеют место, с помощью блока управления можно извлечь, напрямую или интерполяцией, величину, пропорциональную дозируемому количеству.
Из этой модели, то есть из характеристических кривых, семейств характеристик или функций, блок управления устанавливает дозируемое количество в зависимости от по меньшей мере одного оцениваемого блоком управления рабочего параметра двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа. Соответствующее текущее значение этого по меньшей мере одного рабочего параметра определяет при этом соответствующую рабочую точку двигателя внутреннего сгорания и/или установки доочистки отработавшего газа. На практике речь часто идет не об одном, а о множестве рабочих параметров, которые влияют на правильно дозируемое количество восстановителя, следовательно, в модели следует учитывать эту множественную зависимость.
Однако, так как эта множественная зависимость не постоянна, но, в частности, подвержена изменению во времени, то есть обусловлена продолжительностью работы установки, а также испытывает влияние окружающей среды, то дозируемое количество, устанавливаемое через модель, нужно корректировать.
x
x
3
Суть изобретения состоит в том, что не только рассчитывать и управляемо добавлять дозируемое количество восстановителя на основе модели, то есть из хранящихся в блоке управления (в виде таблиц, и/или кривых, и/или семейств характеристик, и/или функций) данных об обнаруженных датчиками величинах, таких, например, как температура катализатора, количество отработавшего газа и т.д., но, кроме того, исходя из управляемо добавленного дозируемого количества, представляющего исходную величину, изменять его определенным образом в определенные фазы работы и рассчитывать реакцию SCR-катализатора с помощью находящегося за ним NO-датчика и сравнивать с ожидаемой реакцией, теоретически рассчитанной в блоке управления, которая должна получаться в результате изменения. Степень соответствия между рассчитанной реакцией и ожидаемой реакцией или, другими словами, вид отклонения рассчитанной реакции от ожидаемой реакции показывает, работает ли SCR-катализатор в оптимальной области или не является ли концентрация NO или концентрация NH слишком высокой для соответствующей рабочей точки.
x
3
Так, из изменения сигнала датчика можно делать вывод о наличии NO и/или NH, причем в простейшем случае нужно различать три области:
1. Повышение дозируемого количества приводит к снижению сигнала датчика.
x
x
Это означает, что дополнительно добавленное количество восстановителя привело к восстановлению окислов азота, т.е. NO-датчик детектирует NO.
2. Повышение дозируемого количества не приводит к изменению сигнала датчика или приводит лишь к слабому изменению сигнала.
x
3
Достигнута оптимальная рабочая точка SCR-системы, т.е. уровни NO и NH минимальные.
3. Повышение дозируемого количества приводит к повышению сигнала датчика.
3
x
3
SCR-система "переполнена", то есть дополнительно подводимое количество восстановителя ведет к повышению эмиссии NH, т.е. NO-датчик детектирует преимущественно NH.
x
Из величины изменения подведенного дозируемого количества по приведенным выше уравнениям реакций (1)-(7) с помощью блока управления можно теоретически рассчитать ожидаемое значение изменения сигнала датчика. Из описанных выше типов изменения сигнала датчика блок управления может установить, нужно ли на следующем этапе увеличивать или уменьшать дозируемое количество или достигнуто ли оптимальное действие SCR-катализатора или желаемое количество, или концентрация NO.
x
x
x
x
x
x
x
Под величинами, привлекаемыми для оценки изменения, могут иметься в виду изменение концентрации NO, то есть величины, измеряемой NO-датчиком, находящимся за SCR-катализатором, но возможно также использовать выводимую из нее величину, как, например, конверсия NO. Чтобы свести к минимуму ошибки при определении конверсии NO, предлагается определять неочищенные выбросы NO с помощью NO-датчика перед SCR-катализатором. Однако из соображений стоимости можно неочищенные выбросы NO рассчитывать по подходящим моделям.
x
x
3
Изменение дозируемого количества продолжается до тех пор, пока сравнение ожидаемого изменения с изменением, определенным путем измерений, не покажет, что достигнута предписанная эмиссия NO и/или оптимальная рабочая точка SCR-катализатора. В этой оптимальной рабочей точке доля как NO, так и NH в отработавшем газе минимальная. В таком случае для расчета поправки достигнутое значение дозируемого количества сравнивают с исходным значением дозируемого количества и из этого получают поправку. Дозируемое количество корректируется с учетом этой поправки. Таким образом, с помощью способа по изобретению можно эффективно и вместе с тем выгодно подстраивать дозируемое количество к обусловленным временем и окружающей средой изменениям системы, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и установки доочистки отработавшего газа.
При определении поправки выгодно дополнительно определять значение по меньшей мере одного рабочего параметра, с которым в настоящий момент работает система из двигателя внутреннего сгорания и установки доочистки отработавшего газа, и сохранять поправку в блоке управления вместе со значением этого по меньшей мере одного рабочего параметра. Это выгодным образом открывает возможность в более поздние моменты времени проводить коррекцию дозируемого количества в зависимости от рабочего параметра. Для этого в зависимости от текущего значения соответствующего по меньшей мере одного рабочего параметра, соответствующее дозируемое количество, хранящееся в запоминающем устройстве блока управления с помощью модели, и соответствующая хранящаяся в запоминающем устройстве блока управления поправка, относящаяся к рабочему параметру, используются блоком управления для расчета корректного дозируемого количества.
x
Под рабочими параметрами, вместе с которыми поправки хранятся в запоминающем устройстве блока управления, предпочтительно могут иметься в виду температура охлаждающей среды, и/или температура масла, и/или температура топлива, и/или давление впрыска топлива, и/или температура всасываемого воздуха, и/или температура наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя, и/или давление наддува, и/или масса воздуха, и/или масса отработавшего газа, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температура отработавшего газа, и/или температура катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или массовый поток отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или продолжительность работы, и/или влажность воздуха, и/или атмосферное давление, и/или неочищенные выбросы NO.
Для разных рабочих параметров и/или для разных значений рабочих параметров можно устанавливать разные поправки и записывать в память.
С одной стороны, коррекция в расчете на рабочий параметр обусловливает, что значение рабочего параметра в процессе определения поправки должно быть стационарным, то есть должен иметь место стационарный режим работы структуры из двигателя внутреннего сгорания и установки доочистки отработавших газов. С другой стороны, нужно определять большое число поправок.
При этом вся совокупность поправок может быть сохранена в блоке управления в виде характеристических кривых, семейств характеристик или одно- или многопараметрических поправочных функций, то есть аналогично сохраненному в модели дозируемому количеству. Чтобы с выгодой сократить число определяемых и сохраняемых поправок, имеется возможность определять поправки для промежуточных значений рабочих параметров расчетом путем линейной интерполяции поправок, сохраненных для соседних значений рабочего параметра.
x
x
Чтобы с выгодой компенсировать инерционность, в частности, NO-датчика можно требующиеся для определения реакции SCR-катализатора фактические данные от датчика или выводимые из них величины, как, например, фактические конверсии NO, проинтегрировать и/или просуммировать в течение заранее заданного периода времени.
Кроме того, имеется возможность распределить рабочие параметры в предшествующем по времени процессе на области значений, или классы, и при работе определять поправки в зависимости от класса и использовать их для всех значений рабочего параметра внутри соответствующего класса. При этом путем выбора областей значений, внутри которых этот по меньшей мере один рабочий параметр может варьироваться, можно ошибки, которые получаются в результате этого разбиения на классы, удержать пренебрежимо малыми. Другими словами, установление областей значений проводится так, чтобы рабочий параметр в пределах области значений, то есть класса, мог считаться квазистационарным. Таким способом можно, с одной стороны, резко сократить число необходимых поправок, что выгодно, а с другой стороны можно с выгодой определять поправки существенно чаще, так как рабочие параметры при определении поправок могут варьироваться в пределах области значений, или класса. При этом каждый рабочий параметр, рассматривающийся для коррекции как релевантный, имеет по меньшей мере две области значений, или класса. При этом области значений, как уже говорилось, выбираются так, чтобы ошибки, обусловленные варьированием значений рабочих параметров, при определении поправки были пренебрежимо малыми.
x
Если при определении поправки текущая рабочая точка установки покидает класс рабочего параметра, то имеется два альтернативных принципа действия. С одной стороны, можно прервать процесс на этом месте и сохраненный до этого результат записать в буфер. Если текущая рабочая точка установки вернется в этот класс рабочих параметров, определение поправки будет продолжено. Процесс можно повторять до тех пор, пока поправка не будет рассчитана. В частности, можно прервать суммирование или интегрирование фактических данных от датчика и/или фактической конверсии NO и хранить полученное до этого значение в буфере, чтобы при возвращении текущей рабочей точки установки в соответствующий класс рабочих параметров снова предпринять суммирование или интегрирование.
x
С другой стороны, имеется возможность, когда во время определения поправки текущая рабочая точка установки выйдет за пределы класса рабочего параметра, прекратить процесс определения и отбросить результаты, полученные до этого момента. В частности, можно прервать суммирование или интегрирование фактических данных от датчика и/или фактической конверсии NO и отбросить рассчитанную до этого момента сумму.
Обе альтернативы имеют достоинства и недостатки. В первом случае могут, по крайней мере теоретически, пройти дни или даже недели, пока не завершится определение фактических выбросов, вследствие чего проявляются обусловленные временем факторы или влияние окружающей среды, и результаты измерения могут исказиться. С этим можно бороться, ограничивая по времени применимость хранящихся в буфере значений. Выгодным при осуществлении способа с промежуточным хранением является то, что частота, с которой в распоряжении поступают текущие значения поправки, сильно повышается. Во втором случае гарантируется, что определение поправки проводится одним махом, то есть между началом и концом процесса проходят секунды. За такой короткий промежуток факторы времени или влияние окружающей среды не проявятся, так что они не будут иметь никакого влияния на определение поправки. Но, с другой стороны, частота, с которой в распоряжении появляются текущие значения поправки, сильно уменьшается.
Рабочими параметрами для установления стационарности или, в расчете на классы, квазистационарности режима работы предпочтительно могут быть температура охлаждающей среды, и/или температура масла, и/или температура топлива, и/или давление впрыска топлива, и/или температура всасываемого воздуха, и/или температура наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя, и/или давление наддува, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температура отработавшего газа, и/или температура катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или выбросы, и/или топливо-воздушное отношение, и/или может использоваться изменение этих величин во времени.
Далее изобретение поясняется подробнее на примерах осуществления в сочетании с чертежами. При этом показано:
Фиг.1:
Первый график для наглядного объяснения зависимости сигнала датчика от соотношения подачи
Фиг.2:
Блок-схема, которая аналогично графику с фиг.1 поясняет принцип действия
Фиг.3:
Второй график для наглядного пояснения зависимости сигнала датчика от коэффициента загрузки
Фиг.4
Блок-схема, которая аналогично графику с фиг.3 поясняет принцип действия
Фиг.5
График типичного протекания во времени определения поправки для дозируемого количества восстановителя
x
3
Для последующего изложения будем исходить из установки доочистки отработавшего газа для дозировки отщепляющего аммиак восстановителя в поток отработавшего газа, например, в автомобильном двигателе внутреннего сгорания, работающем с избытком воздуха. Далее принимается, что датчик, расположенный в установке доочистки отработавшего газа за SCR-катализатором, детектирует находящееся в отработавшем газе количество NO, но имеет также чувствительность к NH.
3
x
x
3
3
x
x
3
3
График на фиг.1 показывает зависимость сигнала датчика от коэффициента загрузки, то есть от соотношения между NH и NO. Так как для восстановления одного моля NO требуется один моль NH, в идеале повышение количества NH должно вести к равному снижению эмиссии NO. Это поведение видно в области 1 на фиг.1. Ожидаемое значение, получающееся из изменения соотношения подачи, то есть изменения количества восстановителя, и сигнал датчика почти идентичны. Напротив, если данные от датчика находятся выше ожидаемого значения, как в областях 2 и 3, то наряду с NO присутствует NH, или присутствует почти исключительно NH. В соответствии с этим проскок аммиака может встречаться и уже заметно ниже оптимальной рабочей точки.
При снижении эффективности системы, которое выразилось бы в этом повышении сигнала датчика, способ согласно изобретению реагировал бы изменением подводимого количества восстановителя. При этом следует различать четыре области, как это проиллюстрировано на графике с фиг.3.
1. Повышение дозируемого количества приводит к уменьшению сигнала датчика.
x
x
x
Это означает, что добавленное дополнительно количество восстановителя привело к восстановлению окислов азота, т.е. NO-датчик детектирует исключительно NO. Следовательно, дозируемое количество можно повышать дальше для достижения желаемой конверсии или желаемой эмиссии NO, т.е. поправку можно повысить.
2. Хотя повышение дозируемого количества и приводит к снижению сигнала датчика, это не соответствует ожидаемому восстановлению.
x
3
Дополнительно к эмиссии NO измеряется также фракция NH, что приводит к сглаживанию подъема. Таким образом, переход из области 1 в область 2 может рассматриваться как оптимальная рабочая точка, т.е. поправку менять не требуется.
x
3
3. Повышение дозируемого количества не приводит к изменению сигнала датчика, так как снижение уровня NO компенсируется эмиссией NH.
Оптимальная рабочая точка пройдена, дозируемое количество и, следовательно, поправку нужно уменьшить.
4. Повышение дозируемого количества ведет к повышению сигнала датчика.
3
x
3
SCR-система "переполнена", дополнительно подводимое количество восстановителя ведет к повышению эмиссии NH, т.е. NO-датчик детектирует преимущественно NH. Дозируемое количество и, следовательно, поправка должны уменьшаться.
x
x
3
3
x
x
После того как этим путем было установлено, относится ли сигнал датчика к NO, NO+NH или только к NH, т.е. в какой именно области конверсионной кривой работает катализатор, дозируемое количество можно скорректировать с помощью по меньшей мере одной поправки таким образом, чтобы получались предписанная конверсия, или предписанная эмиссия NO, или оптимальная конверсия NO. Эта поправка заносится в память запоминающего устройства электронного блока управления и служит в последующих операциях дозировки для коррекции выдаваемых моделью предустановок дозируемого количества.
восстановитель
восстановитель, модель
В соответствии с этим, фактически добавленное количество восстановителя m к моменту времени t получается из дозируемого количества m, определенного из хранящихся в модели данных, таких, как кривые, семейства характеристик, таблицы или функции, и из по меньшей мере одной поправки K, которая была рассчитана к более раннему моменту времени (t').
Вообще говоря, можно записать:
восстановитель
восстановитель, модель
m(t)=K(E(t'))·m
восстановитель
причем t описывает фактическое время, t' - время в прошлом, m(t) означает количество восстановителя согласно модели.
Кроме того, предпочтительно проводить определение поправки в фазах работы, когда эмиссию для определения поправки можно определить достаточно точно из изменения дозируемого количества. Это есть те фазы работы, на которых система доочистки отработавших газов и/или двигатель внутреннего сгорания находятся по возможности в стационарном состоянии, так что время запаздывания датчиков и/или инерционность системы не будут иметь никакого влияния на определение фактических выбросов и/или факторов влияния.
Для определения стационарности режима работы двигателя внутреннего сгорания и/или каталитической системы может быть целесообразным привлекать в качестве критерия оценки температуру охлаждающей воды, и/или температуру масла, и/или температуру топлива, и/или давление впрыска топлива, и/или температуру всасываемого воздуха, и/или температуру наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя и/или давление наддува, и/или массу воздуха, и/или массу отработавшего газа, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температуру отработавшего газа, и/или температуру катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или выбросы, и/или топливо-воздушное отношение, и/или изменение во времени этих величин. Разумеется, на практике не все из вышеуказанных величин или рабочих параметров используются для установления стационарности режима работы, а сравнительно малое число обусловленных системой релевантных рабочих параметров.
При работе автомобилей, когда постоянно происходит переключение между процессами ускорения и торможения, как, например, при езде по городу, период между проверками эмиссии и тем самым обновление поправок может составлять от 30 до 60 минут. Чтобы позволить более частую проверку и одновременно как можно точнее детектировать ответ системы на измененное количество восстановителя, можно просуммировать или проинтегрировать предписанные и фактические данные от датчиков, и/или предписанные и фактические конверсии, и/или предписанные и фактические изменения в течение более длительного периода времени. Этим можно минимизировать кратковременные колебания рабочих параметров и/или помехи данных от датчиков, которые могли бы привести к неверному расчету поправки K.
x
Как уже говорилось, часто для определения недостаточно единственной глобальной поправки, так как достигаемые конверсии на SCR-катализаторе зависят от нескольких рабочих параметров, называемых далее также факторами влияния E, которые описывают различные режимы работы двигателя внутреннего сгорания и/или системы доочистки. В качестве факторов влияния возможны температура охлаждающей воды, и/или температура масла, и/или температура топлива, и/или давление впрыска топлива, и/или температура всасываемого воздуха, и/или температура наддувочного воздуха, и/или число оборотов турбонагнетателя, и/или давление наддува, и/или масса воздуха, и/или масса отработавших газов, и/или скорость движения, и/или число оборотов двигателя, и/или количество впрыскиваемого топлива, и/или температура отработавшего газа, и/или температура катализатора, и/или количество впрыскиваемого восстановителя, и/или степень рециркуляции отработавшего газа, и/или массовый поток отработавшего газа, и/или давление восстановителя, и/или продолжительность работы, и/или влажность воздуха, и/или атмосферное давление, и/или неочищенные выбросы NO.
Чтобы можно было охватить весь рабочий диапазон двигателя внутреннего сгорания и/или системы доочистки, для разных значений этих факторов влияния определяются разные поправки. Они могут находиться как сохраненные значения в виде таблиц, а также в виде характеристических кривых (однопараметрические поправочные функции), и/или семейств характеристик (двухпараметрические поправочные функции), и/или в виде многопараметрических функций в блоке управления установки, причем для определения фактических поправок к текущему моменту времени, то есть при работе, можно проводить интерполяцию между этими разными поправками.
восстановитель
восстановитель, модель
E
Фактически добавленное количество восстановителя m к моменту времени t получается тогда из сохраненных данных (в виде кривых, таблиц или функций) по рассчитанному количеству восстановителя m и из по меньшей мере одной, связанной с параметром влияния E, поправкой K, которая была определена к моменту t'.
Вообще говоря, можно записать:
восстановитель
E
восстановитель, модель
m(t)=K(t') ·m
причем t описывает фактическое время, t' - время в прошлом.
Для определения действия различных значений параметра влияния следует определить расхождение между предписанными и фактическими выбросами или предписанными и фактическими конверсиями для по меньшей мере двух разных значений параметра влияния и тем самым для двух разных моментов времени в прошлом. Как уже было написано выше, предпочтительно проводить определение поправки при стационарном состоянии системы доочистки и/или двигателя.
Для примера иллюстрации показан способ применения различных поправок при разных значениях параметра влияния, когда параметром влияния является "массовый поток отработавшего газа".
При проверке в течение стационарной работы при массовом потоке отработавшего газа
- 1000 кг/ч определена поправка 120%,
- при 2000 кг/ч получается поправка 90%,
- при 3000 кг/ч получается поправка 130%.
Определенные так поправки наносятся в форме характеристической кривой и сопоставляются массовым потокам отработавшего газа 100-1000 кг/ч, 1000-2000 кг/ч и 2000-3000 кг/ч:
Массовый поток отработавшего газа [кг/ч]
1000
2000
3000
Поправка [%]
120
90
130
При нестационарной работе двигателя можно затем, предпочтительно путем линейной интерполяции, рассчитать соответствующую текущую поправку из характеристической кривой и использовать для корректировки регулируемого на основе модели дозируемого количества. Так, например, для текущего массового потока отработавшего газа 1500 кг/ч получилась бы поправка 105%, чтобы скорректировать дозируемое количество.
Поправки, как описано выше, могут быть определены и сохранены в виде относительных величин или в виде абсолютных величин, как, например, измененный массовый поток восстановителя.
Аналогично можно действовать при определении поправок для других факторов влияния.
1
n
Если имеется n параметров влияния, с E по E, то для n поправок определить фактически добавленное дозируемое количество можно, например, умножением
восстановитель
1
1
2
2
3
3
n
n
восстановитель, модель
m(t)=K(E(t'))·K(E(t"))·K(E(t"'))·...·K(Et""))· m
или сложением
восстановитель
1
1
2
2
3
3
n
n
восстановитель, модель
m(t)=(K(E(t'))+K(E("))+K(E(t"'))+...K(E(t"")))+m
Сложение поправок применяется чаще всего тогда, когда поправки представляют собой абсолютные величины, а умножение - когда поправки являются относительными величинами.
1
n
Возможно также составление многопараметрической поправочной функции K, в которой содержатся параметры влияния с E по E:
восстановитель
1
2
3
n
восстановитель, модель
m(t)=K(E(t'),(E(t"),(E(t'''),…,E(t""))·m
Отдельные поправки для параметров влияния могут, но необязательно, быть определены в разные моменты времени t', t", t'" и т.д.
Поправки являются "замороженными", то есть остаются неизменными и применяются для коррекции модельных значений и тем самым для управления, до тех пор, пока не будет проведена новая проверка выбросов и можно будет рассчитать новые поправки.
Фиг.2 показывает на блок-схеме этапы регулирования для определения поправки. Как уже говорилось, показанный здесь для примера процесс осуществляется при наличии стационарного режима работы двигателя внутреннего сгорания. Однако этапы установления того, что режим работы является стационарным, на блок-схеме не показаны. Под стационарным режимом работы понимается, что основные действующие на двигатель внутреннего сгорания факторы влияния или рабочие параметры не меняются в достойной упоминания степени. Наличие стационарного режима устанавливается блоком управления путем мониторинга указанных факторов влияния. Указанные операции осуществляются через процессы регулирования, встроенные в блок управления как программа управления, при этом указанные процессы регулирования являются частью процессов управления верхнего уровня. Блоки управления указанного типа являются компонентами всех современных двигателей внутреннего сгорания.
Начиная с исходного состояния сначала проводится повышение дозируемого количества и затем сравнение текущего сигнала датчика с исходным состоянием. Изменение текущего сигнала датчика по сравнению с исходным состоянием оценивается на ближайшем этапе блоком управления, и одновременно в память записывается текущий сигнал датчика. При этом оценка может привести к трем альтернативным результатам:
1. Повышение дозируемого количества ведет к снижению сигнала датчика.
x
x
Аналогично фиг.1, система доочистки отработавших газов работает в области 1. Это означает, что добавление дополнительного количества восстановителя привело к восстановлению окислов азота, т.е. NO-датчик детектирует NO.
2. Повышение дозируемого количества не приводит к изменению сигнала датчика или ведет лишь к незначительному изменению (соответствует области 2 на фиг.1).
x
3
Достигнута оптимальная рабочая точка SCR-системы, т.е. уровень NO и NH минимальный.
3. Повышение дозируемого количества ведет к повышению сигнала датчика (соответствует области 3 на фиг.1).
3
x
3
SCR-система "переполнена", дополнительно подводимое количество восстановителя ведет к повышению эмиссии NH, т.е. NO-датчик детектирует преимущественно NH.
x
x
x
x
Исходя из изложенных выше возможных результатов оценки, требуется три альтернативных проведения способа. Если система доочистки отработавших газов находится в области 1, то на ближайшем этапе дозируемое количество повышается блоком управления в заданном объеме. Затем текущий сигнал датчика сравнивается с сохраненным сигналом датчика и снова оценивается изменение сигнала датчика или сохраняется текущий сигнал датчика. Если предписанное значение NO или предписанная конверсия NO уже были достигнуты перед проверкой, никакой коррекции путем подгонки поправки не требуется. Если предписанное значение NO или предписанная конверсия NO еще не были достигнуты, можно провести подгонку путем изменения поправки.
Если система доочистки отработавших газов находится в области 3, то на ближайшем этапе дозируемое количество уменьшается блоком управления в заданном объеме. Затем текущий сигнал датчика сравнивается с исходным состоянием и снова оценивается изменение сигнала датчика или сохраняется текущий сигнал датчика.
Если система доочистки отработавших газов находится в области 2, достигнута оптимальная рабочая точка, блок управления рассчитывает разность между количеством, дозируемым согласно исходному состоянию, и текущим дозируемым количеством как поправку и сохраняет ее вместе с новым исходным состоянием.
Фиг.4 показывает следующую блок-схему, которая в принципе соответствует схеме с фиг.2, но оценка изменения сигнала датчика проводится по-другому, чтобы лучше попасть в оптимальную рабочую точку. Этот показанный для примера процесс регулирования также проводится при наличии стационарного режима работы двигателя внутреннего сгорания. Начиная с исходного состояния сначала проводится повышение дозируемого количества и затем сравнение текущего сигнала датчика с исходным состоянием. Изменение текущего сигнала датчика по сравнению с исходным состоянием оценивается на ближайшем этапе блоком управления, и одновременно в память заносится значение текущего сигнала датчика. При этом оценка может привести к четырем альтернативным результатам:
1. Повышение дозируемого количества ведет к снижению сигнала датчика (соответствует области 1 на фиг.3).
x
x
Это означает, что добавленное дополнительно количество восстановителя привело к восстановлению окислов азота, т.е. NO-датчик детектирует исключительно NO. Как следствие, можно еще больше повысить дозируемое количество для достижения желаемых конверсий, т.е. поправку можно увеличить.
2. Хотя повышение дозируемого количества ведет к снижению сигнала датчика, но это не соответствует ожидаемому восстановлению (соответствует области 2 на фиг.3).
x
3
x
3
Это означает, что дополнительно к эмиссии NO измерена также фракция NH, что ведет к сглаживанию подъема. Таким образом, переход из области 1 в область 2 может рассматриваться как оптимальная рабочая точка, так как здесь при максимальной конверсии NO еще не возникает никакого проскока NH, следовательно, поправку менять не нужно.
3. Повышение дозируемого количества не приводит к изменению сигнала датчика (соответствует области 3 на фиг.3).
x
3
Это означает, что уменьшение NO компенсируется эмиссией NH. Оптимальная рабочая точка превышена, дозируемое количество и, следовательно, поправка должны быть сокращены.
4. Повышение дозируемого количества ведет к повышению сигнала датчика (соответствует области 4 на фиг.3).
3
x
3
SCR-система "переполнена", дополнительно подводимое количество восстановителя ведет к повышению эмиссии NH, т.е. NO-датчик детектирует преимущественно NH. Дозируемое количество и, следовательно, поправка должна снижаться.
x
x
x
x
Исходя из вышеизложенных возможных результатов оценки, требуется четыре альтернативных способа действия. Если система доочистки отработавших газов находится в области 1, то на ближайшем этапе блок управления повышает дозируемое количество в заданном объеме. Затем текущий сигнал датчика сравнивается с сохраненным сигналом датчика и снова оценивается изменение сигнала датчика или сохраняется текущий сигнал датчика. Если предписанное значение NO или предписанная конверсия NO были достигнуты еще до проверки, никакой корректировки путем подгонки поправки не требуется. Если предписанное значение NO или предписанная конверсия NO еще не были достигнуты, подгонку можно осуществить путем изменения поправки.
Если система доочистки отработавших газов находится в области 3 или 4, то на ближайшем этапе блок управления снижает дозируемое количество в заданном объеме. Затем текущий сигнал датчика сравнивается с исходным состоянием и снова оценивается изменение сигнала датчика или сохраняется текущий сигнал датчика.
Если система доочистки отработавших газов находится в области 2, достигнута оптимальная рабочая точка, блок управления рассчитывает разность между количеством, дозируемым согласно исходному состоянию, и текущим дозируемым количеством как поправку и сохраняет ее в памяти вместе с новым исходным состоянием.
x
На фиг.5 для иллюстрации показано изменение во времени дозируемого количества, а также отклик NO-датчика.
x
x
x
3
Исходное состояние изменяется путем повышения дозируемого количества. Благодаря более высокому количеству впрыскиваемого восстановителя достигается лучшее восстановление NO, это выражается в снижении сигнала от NO-датчика. Однако дальнейшее повышение дозируемого количества не приводит к дальнейшему уменьшению NO-сигнала, так как он снова возрастает из-за детектируемого NH. Поэтому последнее значение отбрасывается и используется прежнее значение дозируемого количества, которое привело к восстановлению окислов азота, и оно может использоваться и для более поздних моментов времени, в том числе в нестационарных областях. Чтобы из найденного таким путем скорректированного дозируемого количества извлечь поправку, можно найденное дозируемое количество вычесть из количества, дозируемого согласно исходному состоянию, разность в таком случае и соответствует поправке.
Разумеется, отходя от этого примера, поправку можно также создать суммированием абсолютных или относительных значений изменений дозируемого количества по сравнению с исходным состоянием.
Затем, в соответствии с вышеизложенным, найденная поправка сохраняется блоком управления и используется в более поздние моменты времени для подгонки дозировки восстановителя.
Как уже было написано выше, проверки должны проводиться в стационарном режиме работы системы. Если это невозможно, то, как уже упоминалось, можно провести интегрирование или суммирование предписанных и фактических значений в течение более длительного времени.
В качестве другой возможности определения поправок уже было описано определение поправок в отношении классов. Для этого значения, которые могли принимать релевантные рабочие параметры в предшествующем по времени процессе, распределяют по областям значений или классам, например, с помощью уже описанной выше эталонной системы. Области значений при этом выбираются так, чтобы ошибки, обусловленные варьированием значений рабочих параметров, при расчете поправок были пренебрежимо малыми. Определенные так области значений, или классы, для каждого релевантного рабочего параметра хранятся в памяти блока управления конструктивной серии, так что к ним можно возвращаться.
Для каждой сохраненной области значений определяется только одна поправка, причем значение рассматриваемого рабочего параметра при определении поправки может варьироваться в пределах этой области значений. Затем определенная так поправка используется для всех значений рабочих параметров, которые лежат в этой области значений, то есть классе.
Для иллюстрации способ классификации показан в следующей таблице на примере массового потока отработавшего газа.
Классы массового потока отработавшего газа [кг/ч]
100-1000
1001-2000
2001-3000
Поправка [%]
120
90
130
Пример показывает, что для диапазона от 100 кг/ч до 3000 кг/ч необходимо определить только три поправки. Это относительно просто, потому что в большинстве случаев определение поправки можно завершить до того, как рабочий параметр или фактор влияния, в данном случае "массовый поток отработавшего газа", выйдет за пределы класса.
Затем при нестационарной работе двигателя можно рассчитанную поправку распространить либо на всю ширину класса, либо только на одно значение класса, например на нижнюю границу, середину или верхнюю границу, причем тогда текущая поправка предпочтительно рассчитывается путем линейной интерполяции из характеристической кривой и используется для коррекции регулируемо дозируемого количества.
В первом случае для массового потока от 1001 до 2000 кг/ч получается постоянная поправка 90%, на которую нужно скорректировать определенное из модели дозируемое количество путем умножения на поправку, начиная с 2001 кг/ч следует корректировать на 130%.
В другом случае для массового потока отработавшего газа 1800 кг/ч при линейной интерполяции, в предположении, что поправка относится к середине обоих соседних поправочных классов, получилось бы поправка в 102%.