Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов и способ обработки отработавших газов дизельного двигателя

Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов и способ обработки отработавших газов дизельного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к дизельным двигателям с системами последующей обработки отработавших газов (ПООГ) и к способам обработки отработавших газов дизельного двигателя и, более конкретно, к таким двигателям, к таким системам ПООГ и к таким способам, в которых характеристики впрыска топлива и отработавших газов двигателя изменяются в процессе регенерации.

Уровень техники

Публикации международных заявок WO 2009/100412 и WO 2009/100413, принадлежащих заявителю по настоящей заявке и приводимых здесь ссылкой, раскрывают способ регенерации дизельных сажевых фильтров (СФ) в ПООГ с использованием NO₂ (NO₂-регенерация). Так называемая "активная" NO₂-регенерация, осуществляемая в диапазоне температур 450-550°C, что выше температурного диапазона обычной пассивной NO₂-регенерации и ниже температурного диапазона обычной активной O₂-регенерации, дает многообещающие результаты, если сравнивать с обычной пассивной NO₂-регенерацией или с обычной активной O₂-регенерацией. Однако во многих условиях, особенно, если двигатель и система ПООГ используются на транспортном средстве при работе в неустановившемся режиме, топливо, впрыскиваемое через так называемый седьмой инжектор для нагрева СФ до температуры, обеспечивающей активную NO₂-регенерацию, может приводить к прохождению углеводородов через блок дизельного катализатора окисления (ДКО), расположенного по потоку выше СФ, что может препятствовать рециркуляции NO₂, которая необходима для активной NO₂-регенерации.

Соответственно, имеется потребность в способе обработки отработавших газов и в двигателе с системой ПООГ, которые обеспечивают регенерацию СФ, в особенности активную NO₂-регенерацию, при таких условиях, которые могут снизить вероятность прохождения углеводородов через блок ДКО или через СФ. Также имеется потребность в способе обработки отработавших газов и в двигателе с системой ПООГ, которые обеспечивают эффективную регенерацию СФ, в особенности активную NO₂-регенерацию, при таких условиях, которые снижают опасность неуправляемой регенерации или другого теплового повреждения СФ или блока селективного каталитического восстановления (СКВ).

В настоящем изобретении предлагается способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, содержащий: управление работой двигателя и пропускание отработавших газов через дизельный сажевый фильтр (СФ); управление работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыск топлива по потоку выше СФ с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие; и после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия снижение расхода впрыскиваемого топлива и управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить NO₂-регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик.

В настоящем изобретении также предлагается дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов, содержащий: дизельный двигатель, который настроен для работы, в которой отработавшие газы могут иметь по меньшей мере две разные группы характеристик; дизельный сажевый фильтр (СФ) по потоку ниже двигателя; контроллер, обеспечивающий управление работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и управление топливным инжектором для впрыска топлива по потоку выше СФ с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие, и после выполнения такого по меньшей мере одного условия управление топливным инжектором таким образом, чтобы уменьшался расход впрыскиваемого топлива, а также управление работой двигателя для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик.

Краткое описание чертежей

Особенности и достоинства настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием со ссылками на чертежи, на которых одинаковые ссылочные номера указывают одинаковые элементы и на которых показано:

на фиг.1 - блок-схема системы дизельного двигателя с системой последующей обработки отработавших газов в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 - блок-схема, содержащая стадии способа обработки отработавших газов дизельного двигателя в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 приведена блок-схема дизельного двигателя 21 с системой 23 ПООГ по одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, которая может использоваться в различных приложениях, в особенности в тех случаях, когда дизельный двигатель установлен на транспортном средстве 25 (показано схематически пунктирными линиями). Хотя указывается, что настоящее изобретение особенно полезно для транспортных средств, таких как грузовые автомобили, однако оно может использоваться и на других типах транспортных средств и не только на транспортных средствах.

Дизельный двигатель 21 настроен для работы, в которой отработавшие газы могут иметь по меньшей мере две разные группы характеристик. Например, за счет регулировки рабочих характеристик двигателя, таких как, например, моменты впрыска топлива, можно изменять уровни содержания NO_x в отработавших газах и/или их температуру. Также можно регулировать рабочие характеристики двигателя таким образом, чтобы обеспечивались разные массовые расходы отработавших газов, например путем изменения числа оборотов или нагрузки или за счет отключения функции изменения геометрии турбины с изменяемой геометрией. Известны разные технические способы изменения характеристик отработавших газов двигателя и настоящее изобретение не ограничивается использованием какого-либо одного такого способа.

Система 23 ПООГ включает СФ 27, расположенный по потоку отработавших газов ниже двигателя 21. Система 23 ПООГ содержит также топливный инжектор 29, расположенный по потоку отработавших газов ниже двигателя 21 и выше СФ 27. По потоку выше СФ 27 может быть установлен блок 31 ДКО, а по потоку ниже СФ 27 может быть установлен блок 33 СКВ. В разных точках системы 23 ПООГ могут быть размещены датчики для измерения различных характеристик отработавших газов, включая массовый расход, температуру, уровни NO_x, а также уровни углеводородов, в одной или в нескольких точках системы 23 ПООГ. Датчики для измерения одной или нескольких характеристик отработавших газов, включая массовый расход, температуру, уровни NO_x, а также уровни углеводородов обычно включают по меньшей мере один датчик 35, установленный между двигателем 21 и блоком 31 ДКО (если используется), другой датчик 37, установленный между блоком 31 ДКО и СФ 27, еще один датчик 39, установленный между СФ 27 и блоком 33 СКВ, и еще один датчик 41, установленный по потоку ниже блока 33 СКВ. Также внутри СФ может быть установлен датчик 43.

Система 23 ПООГ может содержать признаки устройства и использоваться в соответствии со способом регенерации СФ с использованием активной NO₂-регенерации с повышенной эффективностью подачи NO₂, как это описано в публикации международной заявки WO 2009/100412, принадлежащей заявителю по настоящей заявке, и/или может содержать признаки устройства и использоваться в соответствии со способом регенерации СФ с использованием рециркуляции NO_x, как это описано в публикации международной заявки WO 2009/100412, принадлежащей заявителю по настоящей заявке, причем обе указанные заявки вводятся здесь ссылкой.

В систему 23 ПООГ входит контроллер 45, который может быть реализован в любой подходящей форме электронного управляющего устройства, такого как компьютер, блок управления двигателем и т.п., для управления работой двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и для управления топливным инжектором 29 для впрыска топлива по потоку выше СФ 27 с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие, а также для управления топливным инжектором после выполнения этого по меньшей мере одного условия таким образом, чтобы снизить расход впрыскиваемого топлива, и для управления работой двигателя для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик. При снижении расхода впрыскиваемого топлива его снижают до уровня, который находится в диапазоне между нулем и первым расходом.

Первая группа характеристик отработавших газов может отличаться от второй группы характеристик отработавших газов в отношении нескольких характеристик, таких как массовый расход, температура отработавших газов и уровни NO_x. Обычно первая группа характеристик отработавших газов будет содержать более высокий массовый расход и/или более низкий уровень NO_x по сравнению с характеристиками второй группы. В нормальном режиме работы двигателя уровни NO_x обычно находятся на уровне примерно 400 промилле, однако при активной NO₂-регенерации уровни NO_x часто поднимаются до примерно 1000 промилле. В нормальном режиме работы двигателя температура отработавших газов может находиться на уровне примерно 300°C, однако температура высокотемпературных отработавших газов может находиться на уровне примерно 400°C. В нормальном режиме работы массовые расходы отработавших газов для двигателя объемом 13 л обычно находятся в диапазоне 0-0,5 кг/с. Если массовый расход отработавших газов ниже нормальных массовых расходов, охлаждение СФ может быть замедлено, что будет способствовать эффективности регенерации.

Упомянутое по меньшей мере одно условие может включать нагрев СФ 27 до температуры, равной или превышающей заданную температуру нагрева, при которой происходит активная NO₂-регенерация, однако ниже температуры, при которой происходит неуправляемая регенерация СФ или возникает опасность повреждения блока 33 СКВ. Например, СФ 27 может быть нагрет до 550°C, что ниже или около нижней границы диапазона температур, при которых может происходить активная O₂-регенерация, однако в пределах диапазона температур, при которых может происходить активная NO₂-регенерация. Конкретная температура, до которой может быть нагрет СФ 27, может зависеть от дополнительных факторов, таких как степень заполнения СФ сажей, причем более высокая степень заполнения может требовать задания более низкой температуры. Упомянутое по меньшей мере одно условие может также содержать в качестве дополнительного или альтернативного признака определение того, что количество углеводородов, проходящих через блок 31 ДКО, превышает заданный уровень, при котором работа СФ или блока 33 СКВ может быть затруднена или же СФ или блок 33 СКВ может быть поврежден. Обычно максимально допустимое количество углеводородов, проходящее через СФ по потоку выше блока СКВ, составляет примерно 30 промилле. Упомянутое по меньшей мере одно условие может также содержать в качестве дополнительного или альтернативного признака определение того, что температура по потоку выше или ниже СФ, равна или превышает заданную температуру, или что в соответствии с результатами расчетов температура СФ или температура по потоку выше или ниже СФ равна или превышает заданную температуру, или что прошел заданный временной интервал, в течение которого топливный инжектор 29 впрыскивал топливо с первым расходом, а управление работой двигателя 21 осуществлялось таким образом, чтобы получить первую группу характеристик отработавших газов.

Обычно контроллер 45 устроен таким образом, что после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия контроллер осуществляет управление топливным инжектором для снижения расхода впрыскиваемого топлива и осуществляет управление работой двигателя для получения второй группы характеристик отработавших газов, чтобы происходила улучшенная NO₂-регенерация СФ. Поскольку углеводород может действовать в качестве замедлителя процесса регенерации СФ или реакции окисления частиц сажи NO₂, расход топлива, впрыскиваемого седьмым инжектором, снижают до такого уровня, при котором количество углеводородов, проходящих через СФ, удерживается на уровне, обеспечивающем достаточную интенсивность процесса регенерации. Обычно максимально допустимое количество углеводородов, проходящее через блок ДКО по потоку выше СФ, составляет примерно 30 промилле. Регенерация может происходить, когда контроллер 45 осуществляет управление работой двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и осуществляет управление топливным инжектором для впрыскивания топлива по потоку выше СФ 27 с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено упомянутое по меньшей мере одно условие, и/или в другие периоды работы.

Контроллер 45 может также обеспечивать управление топливным инжектором 29 таким образом, что расход впрыскиваемого топлива снижается, и управление работой двигателя 21 для получения второй группы характеристик отработавших газов, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие. По меньшей мере одно второе условие может включать охлаждение СФ 27 (или участка тракта по потоку выше или ниже СФ) до температуры, которая ниже заданной температуры регенерации, или окончание заданного временного интервала. По меньшей мере одно второе условие может включать температуру СФ 27 (или температуру по потоку ниже СФ), сниженную ниже заданной температуру регенерации в соответствии с результатами расчетов, вместо измерения действительной температуры СФ. Следует иметь в виду, что указание "температура СФ" может означать температуру на входе СФ или на выходе СФ, а не температуру, измеренную внутри самого СФ.

Способ обработки отработавших газов дизельного двигателя 21, блок-схема которого приведена на фиг.2, содержит стадию 101 управления работой двигателя 21 и пропускания отработавших газов через СФ 27. На следующей стадии 103 осуществляют управление работой двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыск топлива топливным инжектором 29 по потоку выше СФ 27 с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие. На стадии 103 может осуществляться управление скоростью повышения температуры СФ 27 в процессе работы двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыском топлива по потоку выше СФ с первым расходом. Это позволяет минимизировать тепловые напряжения в СФ 27, которые могли бы приводить к появлению трещин и/или к отказу СФ. Типичное ограничение скорости повышения температуры может составлять, например, 3°C/с.

На следующей стадии 105 после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия снижают расход топлива, впрыскиваемого топливным инжектором, и осуществляют управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик.

На другой стадии 107 может выполняться стадия 105 для снижения расхода впрыскиваемого топлива и управления работой двигателя 21 для получения вышеуказанной второй группы характеристик отработавших газов, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие. После выполнения второго условия может быть повторно выполнена стадия 103, на которой может осуществляться управление работой двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и по потоку выше СФ 27 может впрыскиваться топливо с первым расходом, пока не будет выполнено упомянутое по меньшей мере одно условие. На следующей стадии 109 могут повторяться стадии управления работой двигателя 21 для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыска топлива по потоку выше СФ 27 с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено упомянутое по меньшей мере одно условие (стадия 103), и после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия снижают расход впрыскиваемого топлива и осуществляют управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, так что осуществляется улучшенная регенерация СФ, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие (стадия 105), пока содержание сажи в СФ не упадет ниже заданного уровня.

В настоящем описании такие указания, как "включающий", используются в широком смысле так же, как и указания "содержащий", и не исключают наличия других структур, материалов или действий. Аналогично, такие слова, как "может", используются в настоящем описании в широком смысле и означают, что указанные структуры, материалы или действия не являются необходимыми, и если такие слова не используются, то это не означает, что указанные структуры, материалы или действия являются существенными. Если структуры, материалы или действия являются существенными, то это указывается в описании в явной форме.

Изобретение иллюстрируется в настоящем описании на примере одного из предпочтительных вариантов его осуществления, однако при этом следует иметь в виду, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации без выхода за пределы объема изобретения, определяемого нижеприведенной формулой.

1. Способ обработки отработавших газов дизельного двигателя, включающий:управление работой двигателя и пропускание отработавших газов через сажевый фильтр (СФ) дизельного двигателя;управление работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыск топлива по потоку выше СФ с первым расходом, так что происходит активная NO₂-регенерация СФ, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие; ипосле выполнения этого по меньшей мере одного условия снижение расхода впрыскиваемого топлива и управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить NO₂-регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик.

2. Способ по п.1, в котором первая группа характеристик отработавших газов включает более высокий массовый расход отработавших газов по сравнению со второй группой характеристик отработавших газов.

3. Способ по п.1 или 2, в котором вторая группа характеристик отработавших газов включает более высокое содержание NO_x по сравнению с первой группой характеристик отработавших газов.

4. Способ по п.1 или 2, в котором упомянутое по меньшей мере одно условие включает нагрев СФ до температуры, превышающей заданную температуру нагрева.

5. Способ по п.1 или 2, в котором упомянутое по меньшей мере одно условие включает количество углеводородов, проходящих через дизельный каталитический окислитель по потоку выше СФ, которое превышает заданный уровень.

6. Способ по п.1 или 2, в котором стадию снижения расхода впрыскиваемого топлива и управления работой двигателя для получения второй группы характеристик отработавших газов выполняют до тех пор, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие.

7. Способ по п.6, в котором по меньшей мере одно второе условие включает охлаждение СФ ниже заданной температуры регенерации.

8. Способ по п.6, в котором по меньшей мере одно второе условие включает снижение расчетной температуры СФ ниже заданной температуры регенерации.

9. Способ по п.6, в котором по меньшей мере одно второе условие включает окончание заданного временного интервала.

10. Способ по п.6, включающий после выполнения второго условия управление работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыск топлива по потоку выше СФ с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено упомянутое по меньшей мере одно условие.

11. Способ по п.10, включающий повторение стадий управления работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыска топлива по потоку выше СФ с первым расходом впрыскиваемого топлива, пока не будет выполнено упомянутое по меньшей мере одно условие, и после выполнения этого по меньшей мере одного условия снижение расхода впрыскиваемого топлива и управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие, пока содержание сажи в СФ не упадет ниже заданного уровня.

12. Способ по п.1 или 2, включающий управление скоростью повышения температуры СФ в процессе управления работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и впрыска топлива по потоку выше СФ с первым расходом.

13. Способ по п.1 и 2, в котором после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия снижают расход впрыскиваемого топлива и управляют двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов так, чтобы происходила активная NO₂-регенерация СФ.

14. Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов, выполненный для осуществления способа по п.1 или 2.

15. Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов, включающий:дизельный двигатель, приспособленный для работы, в которой отработавшие газы могут иметь по меньшей мере две разные группы характеристик;дизельный сажевый фильтр (СФ) по потоку ниже двигателя;топливный инжектор по потоку ниже двигателя и выше СФ; иконтроллер, обеспечивающий управление работой двигателя для получения первой группы характеристик отработавших газов и управление топливным инжектором для впрыска топлива по потоку выше СФ с первым расходом топлива, так что происходит активная NO₂-регенерация СФ, пока не будет выполнено по меньшей мере одно условие, после выполнения которого обеспечивается управление топливным инжектором таким образом, чтобы уменьшался расход впрыскиваемого топлива, а также управление работой двигателя для получения второй группы характеристик отработавших газов, при которой будет происходить NO₂-регенерация СФ, причем по меньшей мере одна характеристика будет иметь разные значения в первой и второй группах характеристик.

16. Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов по п.15, где контроллер обеспечивает управление топливным инжектором таким образом, что расход впрыскиваемого топлива снижается, и управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, пока не будет выполнено по меньшей мере одно второе условие.

17. Дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов по п.15, где после выполнения упомянутого по меньшей мере одного условия контроллер обеспечивает управление топливным инжектором таким образом, что расход впрыскиваемого топлива снижается, и управление двигателем для получения второй группы характеристик отработавших газов, так что происходит активная NO₂-регенерация СФ.

18. Транспортное средство, содержащее дизельный двигатель с системой последующей обработки отработавших газов по любому из пп.15-17.