СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДАТЧИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR OPERATING THE SENSOR FOR DETERMINING THE EXHAUST GAS COMPONENTS, IN PARTICULAR OF A MOTOR VEHICLE

x
Изобретение относится к способу эксплуатации датчика, в частности датчика NO (датчика оксидов азота), для определения компонентов отработавших газов, в частности для автомобиля, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для эксплуатации такого датчика согласно ограничительной части пункта 11 формулы изобретения.
Наряду с твердыми частицами оксиды азота относятся к лимитированным компонентам отработавших газов, которые возникают во время процессов сгорания и допустимые выбросы которых все более сокращаются. Для минимизации содержания этих компонентов отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых в автомобилях, в настоящее время используются различные способы. Уменьшение содержания оксидов азота может осуществляться с помощью каталитических систем, причем в отработавший газ дополнительно вводятся восстановители. Эти способы известны под собирательным понятием способ SCR, причем SCR означает «селективное каталитическое восстановление». Подробное описание таких способов приводится в патенте DE 3428232 А1.
В качестве восстановителей на практике используются аммиак или соединения, содержащие аммиак, такие как мочевина или формиат аммония в твердом виде или в растворе.
x
x
Для проведения эффективной каталитической реакции, например с целенаправленной добавкой мочевины, с помощью датчиков NO необходимо добиться определения выбросов NO. В патенте DE 10100420 А1 описан способ управления системой нейтрализации отработавших газов, в которой в зависимости от состояния двигателя внутреннего сгорания и/или системы нейтрализации отработавших газов подводится задаваемое количество восстановителя.
x
x
x
Используемые датчики NO очень чувствительны к щелочным и щелочно-земельным металлам, которые наносят им необратимые повреждения. Щелочные и щелочно-земельные металлы через топливо и моторное масло попадают в отработавший газ, а оттуда вступают в контакт с датчиками NO, установленными в системе выпуска отработавших газов. В частности, при использовании тяжелого дизельного топлива, присутствующего в мощных судовых двигателях, в систему выпуска отработавших газов попадают большие количества металла, приводящие к повреждению установленных там датчиков NO.
x
x
Из патента US 2005/0262833 А1 известен способ эксплуатации датчика NO, в котором датчик NO лишь периодически подвергается воздействию потока отработавших газов в байпасном трубопроводе газоотводного канала. Во время перерывов между измерениями устанавливается сообщение с окружающим воздухом.
Документ US 7610142 B1 раскрывает самокалибрирующуюся сенсорную систему, в которой транспортное средство содержит двигатель, воздушный компрессор, датчик выхлопных газов и устройство самокалибровки для датчика отработавших газов. Если необходимо осуществить контроль самокалибровки, блок управления открывает клапан, чтобы осуществить обтекание чувствительного элемента датчика подаваемым газом с известной концентрацией газа. Сигналы концентрации газа от датчика сравниваются со значениями известной концентрации, причем результаты используются для повторной калибровки датчика.
x
В основу изобретения положена задача создания наиболее эффективного способа эксплуатации датчика для определения компонентов отработавших газов, в частности для определения NO, в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя внутреннего сгорания автомобиля, с помощью которого может быть продлен срок службы датчика.
Решение этой задачи достигается с помощью признаков, приведенных в пункте 1 формулы изобретения. Особенно предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления способа согласно изобретению раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
x
x
Согласно пункту 1 формулы изобретения предусмотрено, чтобы измерительное пространство, окружающее датчик, в частности датчик NO, сразу же вслед за фазой измерения подвергалась воздействию продувочного газа, находящегося под давлением, благодаря чему отработавший газ, присутствующий в измерительном пространстве, вытесняется из измерительного пространства в поток отработавших газов. Поток отработавших газов воздействует на датчик, например на датчик NO, только во время заданных фаз измерения, причем датчик в промежутке между фазами измерения освобождается от отработавшего газа. При этом длительность и/или частота фаз измерения предпочтительно устанавливаются в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания. В случае двигателей внутреннего сгорания, эксплуатируемых в течение длительных периодов времени с постоянной нагрузкой и частотой вращения, для фаз измерения достаточны большие интервалы времени, так что в относительно большие периоды времени между фазами измерения датчик не подвержен никакой нагрузке со стороны отработавших газов, благодаря чему достигается значительное увеличение срока его службы. Если же двигатель внутреннего сгорания, наоборот, находится в изменяемом, то есть не в стационарном, режиме работы, могут предусматриваться следующие друг за другом кратковременные фазы измерения. Однако в принципе существует также возможность продлевать фазы измерения настолько, чтобы критические режимы работы постоянно контролировались датчиком. Тем самым способ эксплуатации датчика может быть приспособлен к соответствующим требованиями таким образом, чтобы данные измерений, необходимые для нейтрализации отработавших газов, надежно и всеобъемлюще определялись даже при различных режимах работы двигателя внутреннего сгорания.
При этом особенно предпочтительно, чтобы датчик в промежутке между фазами измерения, в частности во время коротких перерывов между измерениями, когда он не подвержен воздействию отработавших газов, освобождался от окружающего его отработавшего газа с помощью продувочного газа, предпочтительно воздуха. Тем самым обеспечивается то, что во время перерывов между измерениями вредные составляющие отработавших газов практически не воздействуют на датчик и достигается повышение срока службы.
В способе согласно изобретению может быть также предусмотрено, чтобы во время калибровочных фаз калибровочный газ подавался в измерительное пространство, окружающее датчик. Эта калибровка может проводиться через большие интервалы времени для компенсации изменений качества измерений в результате калибровки датчика, зависящих, например, от срока службы.
Подача в датчик продувочного газа может осуществляться посредством воздуходувки или компрессора. Если в качестве продувочного газа используется воздух, то этот воздух может отбираться из воздушного потока компрессора, в частности, если он в любом случае предназначен для наддува двигателя внутреннего сгорания.
Длительность и/или частота фаз измерения могут осуществляться также в зависимости от системы выпуска отработавших газов, причем состояние всей системы предпочтительно используется для управления длительностью и/или частотой фаз измерения. Благодаря учету различных параметров всей системы может осуществляться очень точное определение длительности и/или частоты фаз измерения, чтобы, с одной стороны, получить информативные и возможно более точные результаты измерений, а, с другой стороны, чтобы не предусматривать излишне продолжительных и частых фаз измерения. Тем самым могут быть оптимальным образом достигнуты высокая точность измерений и длительный срок службы датчика.
При контроле всей системы для определения длительности и частоты фаз измерения могут учитываться, соответственно, текущие или же дифференцированные параметры двигателя внутреннего сгорания, такие как давление впрыскивания, начало впрыскивания, давление наддува, температура наддувочного воздуха, количество задействованных цилиндров, скорость вращения турбонагнетателей, неочищенные выбросы, количество впрыскиваний и/или системы выпуска отработавших газов, как, например, температуры отработавших газов, температуры катализаторов, используемое топливо, поддаваемое количество восстановителя.
Чтобы во время фаз измерения подавать в датчик отработавший газ как можно скорее, может быть целесообразным впускать отработавший газ в направлении датчика во время фаз измерения. Это может быть предусмотрено за счет гидравлической связи между измерительным пространством и стороной впуска приточного воздуха двигателя внутреннего сгорания ниже по потоку от фильтра приточного воздуха и выше по потоку от возможно имеющегося компрессора. В результате разрежения, преобладающего в этом месте во время эксплуатации, отработавший газ впускается в измерительное пространство, а затем в тракт для приточного воздуха. При этом во избежание возникновения коррозии двигателя из-за наличия сернистых соединений, таких как серная или сернистая кислоты, в это гидравлическое соединение между измерительным пространством и стороной впуска приточного воздуха двигателя внутреннего сгорания может быть встроена серная ловушка для отфильтровывания оксидов серы из отработавшего газа.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления предлагается, чтобы впуск отработавшего газа в измерительное пространство производился с помощью струйного насоса (часто обозначаемого также эжектором или реактивным насосом) или сопла Вентури и чтобы в качестве рабочей среды использовался сжатый воздух или в случае двигателей внутреннего сгорания с наддувом - сжатый наддувочный воздух. С помощью рабочей среды (наддувочного или сжатого воздуха из любого другого подходящего источника рабочей среды) отработавший воздух может впускаться в измерительное пространство, для чего измерительное пространство гидравлически соединяется со стороной впуска струйного насоса или сопла Вентури.
x
Другой задачей, лежащей в основе изобретения, является создание устройства для эксплуатации датчика, в частности датчика NO, в системе выпуска отработавших газов, с помощью которого возможен щадящий режим эксплуатации датчика.
Данная задача решается с помощью признаков пункта 11 формулы изобретения. Особенно предпочтительные усовершенствованные варианты выполнения устройства согласно изобретению раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно пункту 11 формулы изобретения датчик установлен в измерительном пространстве, имеющем экранирующее устройство относительно газоотводного канала двигателя внутреннего сгорания, причем посредством подающего устройства, например посредством насоса, компрессора или иного генератора давления, продувочный газ по газопроводу подается в измерительное пространство. Экранирующее устройство служит в этой связи для того, чтобы продувочный газ, впущенный в измерительное пространство в перерывах между измерениями, вытеснял из измерительного пространства отработавший газ, находящийся в измерительном пространстве, так чтобы датчик в перерывах между измерениями освобождался от вредных воздействий, наносимых составляющими отработавших газов. Таким образом, в общем, получается весьма щадящий режим эксплуатации для датчика, который благодаря этому имеет явно больший срок службы, по сравнению с тем, если бы датчик постоянно подвергался воздействию вредных составляющих отработавших газов.
В качестве экранирующего устройства может служить газопроницаемая мембрана, представляющая собой газопроницаемый экран между измерительным пространством и граничащим с ним газоотводным каналом. Таким образом, газопроницаемая мембрана проходит через отверстие, соединяющее измерительное пространство с газоотводным каналом. Если в измерительное пространство впускается продувочный газ, то продувочный газ через газопроницаемую мембрану вытесняет отработавший газ, находящийся в измерительном пространстве, благодаря чему датчик оказывается в состоянии перерыва между измерениями. Если теперь впуск продувочного газа в измерительное пространство заканчивается, то отработавший газ может снова проникнуть в измерительное пространство, так что измерение может быть проведено.
Однако измерительное пространство может быть выполнено также в виде измерительного пространства, полностью отделяемого от потока отработавших газов, которое открывается для впуска отработавшего газа только во время перерывов между измерениями. Такое измерительное пространство может быть образовано двумя концентрично установленными перфорированными цилиндрами, которые в результате вращения относительно друг друга являются проницаемыми или непроницаемыми для потока отработавших газов. Образование измерительного пространства посредством двух концентричных цилиндров создает очень простую и надежную в работе конструкцию для измерительного пространства, отгораживаемого от потока отработавших газов.
К измерительному пространству может быть подсоединено впускное устройство, которое во время перерыва между измерениями впускает в измерительное пространство отработавший газ. Предпочтительно впуск происходит через гидравлическое соединение между измерительным пространством и стороной впуска приточного воздуха двигателя.
2
Чтобы из измерительного пространства со стороны впуска приточного воздуха двигателя в двигатель из отработавшего газа не попадали сернистые соединения, между измерительным пространством и стороной впуска приточного воздуха может быть установлен фильтровальный картридж. Такой фильтровальный картридж может обозначаться также серной ловушкой, содержащей для связи оксидов серы из отработавшего газа соответствующие соединения, как, например, Са(OH), активированный уголь или СаО.
В измерительную камеру, в которой находится датчик, предпочтительным образом по газопроводу может подаваться калибровочный газ, имеющий определенную концентрацию. Благодаря этому датчик может калибрироваться, предпочтительно через большие промежутки времени с тем, чтобы добиться компенсации так называемого дрейфа датчика вследствие долговременных воздействий. При этом измерительное пространство, экранированное от газоотводного канала, имеет также то преимущество, что для заполнения калибровочным газом измерительного пространства соответственно малого размера необходимы лишь небольшие количества калибровочного газа.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах выполнения, изображенных на чертежах, на которых показано:
Фиг. 1 - схематичное изображение двигателя внутреннего сгорания с системой нейтрализации отработавших газов, к которой подсоединен датчик,
Фиг. 2а - установка датчика в измерительном пространстве, подсоединяющемся к газоотводному каналу,
Фиг. 2b - установка датчика в измерительном пространстве, подсоединяющемся к газоотводному каналу, согласно альтернативному варианту выполнения,
Фиг. 3 - измерительное пространство с датчиком, образованное в газоотводном канале,
Фиг. 4 - сечение по линии АА в области измерительного пространства согласно фиг. 3, образованного двумя цилиндрами, установленными друг в друге, и
Фиг. 5 - сечение по линии АА, как показано на фиг. 4, однако с внутренним цилиндром, повернутым на 90°.
x
На фиг. 1 в качестве примера изображен двигатель 1 внутреннего сгорания с турбонагнетателем 2, работающим на отработавших газах, к которому подсоединен газоотводный канал 4, ведущий к катализатору селективного каталитического восстановления SCR. Ниже по потоку от катализатора 3 селективного каталитического восстановления SCR находится газоотводный канал 5, к которому прилегает измерительное пространство 6 с датчиком NO 7. В качестве восстановителя может быть использовано, например, соединение, расщепляющее аммиак, такое как мочевина или формиат аммония, в твердом виде или в растворе выше по потоку от катализатора 3 селективного каталитического восстановления SCR.
Измерительное пространство 6, как детально показано на фиг. 2а, гидравлически соединено с газоотводным каналом 5 через газопроницаемую мембрану 8. Для впуска в измерительное пространство 6 продувочного газа, воздуха или калибровочного газа к измерительному пространству 6 подсоединен газовый трубопровод 9, по которому в направлении стрелки 10 через управляемый клапан 11 в качестве продувочного газа может подаваться, например, воздух. Воздух на выходе компрессора 12, относящегося к турбонагнетателю 2, ответвляется и при открытом клапане 11 попадает в измерительное пространство 6. Компрессор 12 служит в данном случае в качестве генератора давления и является частью турбонагнетателя 2, работающего на отработавших газах, который приводится в действие отработавшим газом двигателя 1 внутреннего сгорания через турбину 13 турбонагнетателя 2.
x
x
x
x
В примере выполнения согласно фиг. 1 через второй управляемый клапан 14 калибровочный газ по газовому трубопроводу 9 подается в измерительное пространство 6. В этом случае клапан 11 закрыт. Калибровочный газ имеет заданную концентрацию NO, благодаря чему может быть определен, например, поправочный коэффициент для датчика NO, если измеренное значение, определенное датчиком NO, отклоняется от фактического значения поданной концентрации NO.
x
На фиг. 2 в увеличенном виде изображена область, где измерительное пространство 6 граничит с газоотводным каналом 5. Внутрь измерительного пространства 6 вдается датчик NO, электрически соединенный с не показанной детально измерительной системой. Кроме того, к измерительному пространству подсоединены газовый трубопровод 9, изображенный на фиг. 1, и другой впускной трубопровод 15. Измерительное пространство 6 частично экранировано газопроницаемой мембраной 5, образующей экранирующее устройство, от потока отработавших газов, протекающего по газоотводному каналу 5 в направлении стрелки 16.
x
x
x
x
Если в измерительное пространство 6 по газовому трубопроводу 9 в направлении стрелки 17 подается воздух или иной продувочный газ, причем впускной трубопровод 15 заперт закрытым клапаном 18, то следствием этого является то, что имеющийся отработавший газ вытесняется из измерительного пространства 6 через мембрану 8 в газоотводный канал 5. В этом случае в измерительном пространстве находится только воздух или продувочный газ, так что датчик NO 7 не подвергается вредным воздействиям отработавших газов. Это состояние сохраняется во время перерывов в измерениях до тех пор, пока не последует фаза измерения концентрации NO. Для начала фазы измерения в примере выполнения, изображенном на фиг. 2а, по впускному трубопроводу 15 при открытом клапане 18 отработавший газ впускается в измерительное пространство 6 через мембрану 8. Газовый трубопровод 9 во время фазы измерения заперт. За счет впуска отработавшего газа в измерительное пространство 6 добиваются того, чтобы датчик NO 7 быстро целиком заполнялся отработавшим газом. Осуществляют измерение концентрации NO в расчете на предусмотренную длительность фазы измерения.
Длительность и частота фаз измерения устанавливаются, или соответственно изменяются, в зависимости от режима эксплуатации двигателя внутреннего сгорания и/или системы нейтрализации отработавших газов.
x
Фаза измерения заканчивается, как только будет произведено измерение NO. При этом сначала закрывается клапан 18, а затем по газовому трубопроводу 9 в измерительное пространство 6 подается воздух или иной продувочный газ.
На фиг. 2b изображен альтернативный по сравнению с фиг. 2а вариант осуществления, в котором впуск отработавшего газа в измерительное пространство 6 происходит с помощью струйного насоса 24 (альтернативно могло бы быть предусмотрено также основывающееся на том же принципе действия устройство с соплом Вентури), а в качестве рабочей среды служит сжатый воздух или, как показано на данной фигуре в качестве примера, в случае двигателей внутреннего сгорания с наддувом - сжатый наддувочный воздух 10. Нагнетаемый, или соответственно сжатый, наддувочный воздух 10 выходит из насосного сопла 25 с максимально возможной скоростью, вследствие чего по закону Бернулли происходит динамичное падение давления, вызывающее впуск отработавшего газа (по стрелке 27) в струйный насос, вследствие чего отработавший газ впускается в измерительное пространство 6. Конкретно рабочая струя, образованная в смесительной камере 26 струйного насоса под действием сжатого, или соответственно наддувочного, воздуха 10 встречается с отработавшим воздухом, вследствие чего отработавший газ ускоряется и уносится. Поскольку отработавший газ в смесительной камере 26 ускоряется, возникает всасывающее действие, транспортирующее дополнительный отработавший газ по впускному трубопроводу 15, выполненному в данном случае в виде впускного патрубка. При необходимости для дальнейшего повышения давления подключен диффузор 29. В этом случае смешанный поток 30, покидающий струйный насос 24, может, например, снова подаваться в систему выпуска отработавших газов или использоваться как-либо иначе.
x
На фиг. 3 показан предпочтительный вариант выполнения измерительного пространства 19, расположенного в газоотводном канале 5 и образованного двумя концентрично установленными друг в друге перфорированными цилиндрами 20, 21. Датчик NO 7 вдается внутрь измерительного пространства 19. К измерительному пространству 19 подсоединен газовый трубопровод 9, по которому в измерительное пространство 19 могут поступать воздух, или продувочный газ, или калибровочный газ. Газовый трубопровод 9 запирается посредством управляемого клапана 11.
x
x
Наружный цилиндр 20 и внутренний цилиндр 21 имеют в изображенном примере выполнения отверстия 22, 23 (фиг. 4), установленные соответственно со смещением на 180 градусов. На фиг. 3 эти отверстия 22, 23, как на виде в сечении согласно фиг. 4, установлены не соосно, так что измерительное пространство 19 заперто для потока отработавших газов. Однако внутренний цилиндр 21 в соответствии с изображенной двойной стрелкой поворачивается на 90 градусов в положение, изображенное на фиг. 5. В этом положении отверстия 22, 23 являются соосными, так что часть потока отработавших газов может протекать в измерительном пространстве 19 или через него. В положении на фиг. 5 измерительное пространство 19 для потока отработавших газов открыто, так что датчик NO может производить измерение концентрации NO. Если же, наоборот, внутренний цилиндр 21 находится в положении, как показано на фиг. 4, то система находится в состоянии перерыва между измерениями, в котором продувочный газ может впускаться в измерительное пространство 19 по газовому трубопроводу 9.
Для беспрепятственной подачи газа по газовому трубопроводу 9 при закрытом измерительном пространстве 19 к измерительному пространству 19 может быть подсоединен другой не показанный на данной фигуре впускной трубопровод. Однако цилиндры 20, 21 для ускорения процесса продувки с помощью продувочного газа могут иметь также газопроницаемые области.
x
x
3
Вышеописанные варианты осуществления согласно изобретению детально описывались на основе датчика NO лишь в качестве примера. Однако настоящее изобретение не ограничено этим и может использоваться для увеличения срока службы не только датчиков NO, но и других датчиков для определения компонентов отработавших газов. К ним, в числе прочего, если указать лишь несколько примеров, относятся датчики NH, лямбда-датчики и датчики сажи.