способ для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов

Формула изобретения

1. Способ для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов с хотя бы одной каталитической и/или имеющей задерживающий фильтр компонентой нейтрализации отработавших газов, при котором в сочетании с холодным запуском и/или прогревом двигателя внутреннего сгорания (1) на холостом ходу двигатель (1) приводится в движение при способе его запуска в холодном состоянии для разогрева компоненты нейтрализации отработавших газов с заданными значениями рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, когда осуществляется оценка накапливаемого одного или нескольких углеводородов в хотя бы одной компоненте нейтрализации отработавших газов и мотор запускается в холодном состоянии, если получена такая оценка, что количество высокоуглеродного наполнителя превышает заданное предельное значение для углеводородов, отличающийся тем, что при активированном режиме холодного запуска мотора значения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания задаются таким образом, что, по крайней мере, одна компонента нейтрализации отработавших газов подогревается отработавшим в двигателе внутреннего сгорания (1) газом так, что градиент нагрева при подогреве в заданном температурном диапазоне десорбции, в котором осуществляется десорбция накапливаемых в компоненте нейтрализации отработавших газов, не превосходит заданное максимальное значение градиента нагрева.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что режим холодного запуска мотора активируется при холодном запуске при наружных температурах от минус 10°С или ниже.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в температурном диапазоне десорбции от 50°С до 150°С градиент нагрева составляет менее 20°С в минуту.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что максимальное значение градиента нагрева выбрано таким образом, что определенная по границе видимости в белом облаке максимальная концентрация углеводородов, содержащихся в отработавших газах и возвращаемых в окружающую среду, не превышается.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что максимальное значение градиента нагрева выбрано таким образом, что определенная по границе видимости в белом облаке максимальная концентрация углеводородов, содержащихся в отработавших газах и возвращаемых в окружающую среду, не превышается.

6. Способ по одному из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что оценка накапливаемого количества углеводородов основана на продолжительности эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (1) с температурой, не превышающей длительно заданную, в частности, первую пороговую температуру, относительно хотя бы одной основной компоненты нейтрализации отработавших газов при десорбции углеводородов, вызванной дымовыми газами.

7. Способ по одному из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что значение, задаваемое в качестве предельного для накапливаемого количества углеводородов, составляет от 30% или менее емкости (к) хотя бы одной компоненты нейтрализации отработавших газов или основной компоненты нейтрализации отработавших газов при десорбции углеводородов, вызванной дымовыми газами.

8. Способ по одному из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что после достижения одной из заданных, в частности, второй пороговой температуры для, по крайней мере, одной из компонент нейтрализации отработавших газов или основной компоненты нейтрализации отработавших газов при десорбции углеводородов, вызванной дымовыми газами, режим холодного запуска мотора останавливается.

9. Способ по одному из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что при активированном режиме холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которые включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем

- первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших, чем 20° перед верхней мертвой точкой в такте сжатия данного цилиндра;

- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и

- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что при активированном режиме холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которые включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем

- первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов коленчатого вала больших, чем 20° до верхней мертвой точки в такте сжатия данного цилиндра;

- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и

- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что при активированном режиме холодного запуска мотора предпринимается многократное впрыскивание горючего в одну или несколько камер сгорания цилиндра двигателя внутреннего сгорания (1), которые включают внутри рабочего цикла данного цилиндра предварительное впрыскивание (ПВ1), следующее за первым предварительным впрыскиванием второе предварительное впрыскивание (ПВ2) и основное впрыскивание (ОВ), следующее за вторым предварительным впрыскиванием, причем

- первое предварительное впрыскивание (ПВ1) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала больших, чем 20° до верхней мертвой точки в такте сжатия данного цилиндра;

- второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание (ПВ1), и

- основное впрыскивание (ОВ) осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание (ПВ2).

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что количество впрыскиваемого горючего при втором предварительном впрыскивании (ПВ2) выбирается меньшим, чем количество впрыскиваемого горючего при первом предварительном впрыскивании (ПВ1).

13. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что количество впрыскиваемого горючего при втором предварительном впрыскивании (ПВ2) выбирается меньшим, чем количество впрыскиваемого горючего при первом предварительном впрыскивании (ПВ1).

14. Способ по п.9, отличающийся тем, что второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала от 5° до и 5° после верхней мертвой точки в такте сжатия, а основное впрыскивание (ОВ) происходит в диапазоне углов поворота коленчатого вала от 5 до 20° после мертвой точки в такте сжатия.

15. Способ по одному из пп.10, 11 или 12, отличающийся тем, что второе предварительное впрыскивание (ПВ2) осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала от 5° до и 5° после верхней мертвой точки в такте сжатия, а основное впрыскивание (ОВ) происходит в диапазоне углов поворота коленчатого вала от 5 до 20° после мертвой точки в такте сжатия.

16. Способ по п.9, отличающийся тем, что выполнение режима холодного запуска мотора осуществляется в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания (1) и режим холодного запуска мотора при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки прекращается.

17. Способ по одному из пп.10, 11, 12 или 14, отличающийся тем, что выполнение режима холодного запуска мотора осуществляется в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания (1) и режим холодного запуска мотора при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки прекращается.

18. Способ по одному из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что производится оценка накапливаемого количества углеводородов для SCR-катализатора (8) в качестве каталитической компоненты нейтрализации отработавших газов установки для нейтрализации отработавших газов и активирован режим холодного запуска мотора, когда оценка показывает то, что накапливаемое количество углеводородов SCR-катализатора (8) превышает заданное предельное значение накапливаемого количества углеводородов.

19. Способ по п.9, отличающийся тем, что производится оценка накапливаемого количества углеводородов для SCR-катализатора (8) в качестве каталитической компоненты нейтрализации отработавших газов установки для нейтрализации отработавших газов и активирован режим холодного запуска мотора, когда оценка показывает то, что накапливаемое количество углеводородов SCR-катализатора (8) превышает заданное предельное значение накапливаемого количества углеводородов.

20. Способ по одному из пп.10, 11, 12, 14 или 16, отличающийся тем, что производится оценка накапливаемого количества углеводородов для SCR-катализатора (8) в качестве каталитической компоненты нейтрализации отработавших газов установки для нейтрализации отработавших газов и активирован режим холодного запуска мотора, когда оценка показывает то, что накапливаемое количество углеводородов SCR-катализатора (8) превышает заданное предельное значение накапливаемого количества углеводородов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов с хотя бы одной каталитической и/или имеющей задерживающий фильтр компонентой нейтрализации отработавших газов согласно широкому определению пункта 1 формулы изобретения.

Для двигателей внутреннего сгорания с установкой для нейтрализации отработавших газов с каталитической и/или имеющей задерживающий фильтр компонентой нейтрализации отработавших газов вообще существует потребность, чтобы они как можно быстрее достигали своей рабочей температуры. К примеру, в DE 19749400 А1 предлагается определять к.п.д. для SCR-катализатора и для случая, когда он при прогреве двигателя внутреннего сгорания меньше заданного значения, так изменять определенные рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания, чтобы повысить температуру отработавших газов. Правда, это может повлечь за собой, в частности, при холодном запуске или прогреве двигателя внутреннего сгорания нагревание установки для нейтрализации отработанных газов и нежелательный выброс дымовых газов, особенно выброс белого дыма.

Задача изобретения - заявить способ для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой для нейтрализации отработавших газов с каталитической и/или имеющей задерживающий фильтр компонентой нейтрализации отработавших газов, в котором выпуск дымовых газов, особенно белого дыма, в окружающую среду, прежде всего при холодном запуске или прогреве двигателя внутреннего сгорания находится на допустимом низком уровне.

Эта задача решается при помощи способа с признаками пункта 1 формулы изобретения.

В заявленном в изобретении способе для запуска двигателя внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов с хотя бы одной каталитической и/или имеющей задерживающий фильтр компонентой нейтрализации отработавших газов производится оценка НС-наполнителя, углеводородов (НС), накапливаемых одной или несколькими компонентами нейтрализации отработавших газов, и активируется режим холодного запуска мотора с заданными значениями рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, когда получается такая оценка, что количество НС-наполнителя превышает заданное для него предельное значение. Под НС здесь понимаются как обычно суммарные углеводороды, причем при расчетах количество и концентрация для лучшей сопоставимости нормируются по определенному углеводородному соединению, например метану или гексану. Под компонентами нейтрализации отработавших газов в изобретении понимаются каталитические нейтрализаторы отработавших газов, такие как катализатор окисления, катализаторы окислов азота, SCR-катализаторы или сажевые фильтры с каталитическим покрытием и без него.

Специфический способ холодного запуска мотора, предусмотренный для случая, когда количество НС-наполнителя превышает предельное значение, не применим или применим в крайнем случае, в измененном виде, пока не превышается граничное значение количества НС-наполнителя. Благодаря этому можно избежать перерасхода горючего, который типичным образом регулируется в специфическом способе холодного запуска мотора, когда это не является необходимым с точки зрения нежелательных выбросов дымовых газов и белого дыма.

Изобретатели сознавали, что нежелательные большие выбросы дымовых газов и белого дыма в первую очередь обуславливают слишком большое их количество, скапливающееся в одной или нескольких компонентах установки нейтрализации отработавших газов, т.е. адсорбирующееся. Было убедительно показано, что относящиеся к этому компоненты нейтрализации отработавших газов с цеолитовым наполнением должны рассматриваться как особенно критичные. Если установка нейтрализации отработавших газов имеет наряду с цеолитным SCR-катализатором катализатор окисления и/или сажевый фильтр с цеолитовым покрытием, то SCR-катализатор обычно имеет больший объем НС-наполнителя. Однако выброс дымовых газов вследствие десорбции может преобладать над накопившимся до сих пор НС в катализаторе окисления и/или сажевом фильтре.

Благодаря предусмотренной, согласно изобретению, оценке количества НС-наполнителя можно также оценить риск НС-десорбции или выброса дымовых газов вследствие нагрева компоненты нейтрализации отработавших газов с НС-вместимостью, в частности, соответствующим образом выполненного SCR-катализатора, катализатора окисления и/или сажевого фильтра в сочетании с холодным запуском или прогревом двигателя внутреннего сгорания. Если количество НС-наполнителя в установке нейтрализации отработавших газов в целом или в одной из основных по отношению к выбросу дыма компонент предельное значение, то активируется способ холодного запуска мотора, заявленный в изобретении.

Этим осуществляется нагревание установки нейтрализации отработавших газов или одной из основных в отношении НС-адсорбции компонент, с одной стороны, заблаговременно, что ограничивает выброс дымовых газов заданными значениями. С другой стороны, способ холодного запуска мотора, заявленный в изобретении, позволяет целенаправленно установить скорость нагрева установки нейтрализации отработавших газов или одной из основных в отношении НС-адсорбции компонент таким образом, что выброс дымовых газов остается на заданном уровне.

В случае осуществления изобретения при активированном способе холодного запуска мотора значения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания задаются таким образом, что, по крайней мере, одна компонента нейтрализации отработавших газов нагревается выходящим от двигателя внутреннего сгорания отработавшим газом так, чтобы полученная при нагревании доля десорбированных, по крайней мере, одной компонентой нейтрализации отработавших газов НС не превышала заданную норму десорбции или заданную максимальную концентрацию выходящих в окружающую среду отработавших газов. Установлено, что быстрое нагревание компоненты нейтрализации отработавших газов, загруженной накопленным НС, может иметь очень быстро растущую десорбцию НС, т.е. большую норму десорбции и, как следствие, сильный выброс дымовых газов. Это, в частности, тот случай, когда при нагревании достигается или проходит обычный температурный диапазон от +50°С до +250°С. В соответствии с величиной количества НС-наполнителя отсюда получается более или менее высокая концентрация НС в отработавших газах, которые поступают в окружающую среду. Потому особенным преимуществом будет, если в дальнейших вариантах осуществления изобретения при нагревании установки нейтрализации отработавших газов не будет превышено максимальное значение для градиента нагревания основной по отношению к НС-десорбции, обусловленной газовыми дымами, компоненты нейтрализации отработавших газов. Из-за зависимости количества НС-наполнителя и/или температуры, в частности, основной по отношению к НС-десорбции, обусловленной газовыми дымами, компоненты установленные значения рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания могут целенаправленно влиять на градиент нагревания и норму десорбции или максимальную концентрацию НС и с надежностью не дают переступать задаваемые и заданные наперед предельные значения. Например, благодаря соответствующим образом установленным значениям рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания можно достичь сравнительно медленным нагреванием, менее чем 10°С в мин, в частности в интервале температур от -30°С до +230°С, плавной НС-десорбции, при которой можно избежать критического максимального выброса дымовых газов. Установка малых градиентов нагревания предпочтительна в особенности тогда, когда основная в отношении накопления НС, обусловленного дымовыми газами, компонента нейтрализации отработавших газов такая, как, например, цеолитный катализатор окисления, имеет температуру немного ниже или внутри температурного диапазона десорбции. Особенно выгодным является то, что, исходя из низких температур компоненты нейтрализации отработавших газов, т.е. меньших, чем 0°С, в частности меньших минус 20°С, на первом этапе нагревания можно установить сначала большой градиент нагревания около 20°С/мин или больше. Благодаря этому сокращается длительность экспозиции компоненты нейтрализации отработавших газов в температурном режиме, критическом для аккумулирования НС, устраняется дальнейшее накопление НС, тем самым ограничивается количество НС-наполнителя. Если достигается температура, находящаяся вблизи нижней границы температурного диапазона десорбции, т.е. немногим ниже 10°С, устанавливается небольшой градиент нагревания, находящийся ниже максимального значения для градиента. При этом существенным является то, что можно устанавливать градиенты нагревания в зависимости от температуры, в частности растущим при увеличении температуры.

В еще одном варианте осуществления изобретения оценка количества НС-наполнителя основана на продолжительности работы двигателя внутреннего сгорания с не превышающей заданную постоянной, в частности, первую пороговую температуру, в отношении хотя бы одной основной компоненты нейтрализации отработавших газов при НС-десорбции, вызванной дымовыми газами. Критическими оказались периоды работы при слабой нагрузке, специально удлиненные, при низких температурах. Если, например, двигатель внутреннего сгорания дольше эксплуатируется на холостом ходу при температуре ниже пороговой, зависящей от материала и обычно составляющей ок. 30°С, то выделяемые НС концентрируются, увеличиваясь, в данной пригодной для НС-адсорбции компоненте нейтрализации отработавших газов. При многократных следующих друг за другом процессах холодного запуска и/или прогрева, в которых эта компонента, прежде всего, имеет постоянные температуры, при которых может происходить скапливание НС, каждый раз аккумулируются объемы НС. При последующем, особенно при быстром нагревании вследствие растущей нагрузки двигателя внутреннего сгорания могут произойти нежелательные сильная НС-десорбция и выбросы дымовых газов. В соответствии с заявленным изобретением из-за этого сталкиваемся с тем, что количество НС-наполнителя через время работы с НС-аккумулированием оценивается суммарно, по меньшей мере, для основной в отношении НС-десорбции, обусловленной дымовыми газами, компоненты нейтрализации отработавших газов. Поскольку имеется несколько компонент нейтрализации с НС-аккумулирующей способностью, то предпочтительнее производить оценивание количества НС-наполнителя в установке нейтрализации отработавших газов в целом. Если имеется только одна основная по отношению к НС-накоплению компонента нейтрализации, то может быть достаточным, если количество НС-наполнителя определяется только в этой компоненте. Вследствие предусмотренного изобретением оценивания количества НС-наполнителя режим холодного запуска мотора может активироваться уже до достижения критического интегрального количества НС-наполнителя и может инициироваться целенаправленное нагревание установки нейтрализации отработавших газов. Для оценки количества НС-наполнителя прибегают к хранящимся в памяти эмиссионным параметрическим характеристикам двигателя внутреннего сгорания и соответствующим характеристическим кривым адсорбции. Также может быть предусмотрено вычисление в режиме online, основанное на модели адсорбции и десорбции для важных компонент нейтрализации отработавших газов.

В следующем варианте осуществления изобретения в качестве предельного значения количества НС-наполнителя задается доля НС-емкости хотя бы одной компоненты нейтрализации отработавших газов или основной в отношении НС-десорбции, обусловленной дымовыми газами, компоненты нейтрализации отработавших газов. НС-емкость как максимально накапливаемое количество НС обычно сильно зависит от температуры данной компоненты и, кроме того, от ее вида и/или уровня. НС-емкость целесообразно определять сначала эмпирически для всех релевантных для процесса НС-адсорбции компонент нейтрализации отработавших газов и запоминать в устройстве управления. При этом наряду с зависимостью от температуры необходимо учитывать зависимость от старения. Для предусмотренного преимущественно SCR-катализатора железо- или медно-цеолитного типа НС-емкость обычно находится в диапазоне от 1 до 30 г на л объема катализатора при низких температурах от 0°С и ниже. Благодаря заявленной в изобретении ориентации предельного значения количества НС-наполнителя на определенную подобным образом НС-емкость можно избежать нежелательно высокой нагрузки на SCR-катализатор или на другую относящуюся к этому релевантную компоненту нейтрализации отработавших газов. При этом особо выгодно, если доля НС-емкости задается зависящей от температуры, в частности, уменьшающейся с уменьшением температуры соответствующей компоненты нейтрализации отработавших газов.

В следующем варианте осуществления изобретения режим холодного запуска мотора после достижения заданной, в частности второй пороговой температуры для хотя бы одной компоненты нейтрализации отработавших газов или основной в отношении НС-десорбции, обусловленной дымовыми газами, компоненты нейтрализации отработавших газов прекращается. Изобретатели признают, что накопление НС при температуре выше обычной пороговой температуры, присущей данному катализатору, в компонентах, содержащих цеолит, мало или даже таково, что им можно пренебречь, причем при известных условиях накопленные НС уже ниже этой температуры могут почти полностью десорбироваться. Если режим холодного запуска прекратить как можно быстро после достижения пороговой температуры, то можно также избежать перерасхода горючего или, по меньшей мере, ограничить. Если требуемая для пользователя нагрузка двигателя превышает заданное минимальное значение, при котором обеспечивается дальнейшее нагревание мотора или, по крайней мере, он не остывает, то непосредственно после достижения пороговой температуры режим холодного запуска мотора прекращается. В противном случае можно предусмотреть, чтобы он оставался еще какое-то время. В этой связи полезным является, в частности, установление точного момента времени прекращения в зависимости от нагрузки мотора. Естественно, можно также предусмотреть, чтобы регистрировать НС-десорбцию датчиками и после превышения обнаруженного максимума десорбции прекращать активный режим холодного запуска мотора, приняв все необходимые меры.

В следующем варианте осуществления изобретения предпринимается при активированном режиме холодного запуска мотора многократное впрыскивание горючего в один или несколько камер сгорания цилиндров двигателя внутреннего сгорания, которые включают внутри рабочего цикла данного цилиндра первое предварительное впрыскивание, следующее за первым второе предварительное впрыскивание и следующее за вторым основное впрыскивание. При этом предусматривается, чтобы первое и/или второе предварительное впрыскивание делились на два быстро следующих друг за другом впрыскивания в каждый цилиндр отдельной форсункой. Благодаря сделанным хотя бы двум предварительным впрыскиваниям, предшествующим основному впрыскиванию, становится возможным воспламенение впрыснутого горючего также и при низких температурах мотора ниже точки замерзания. Преимуществом является сравнительно малое количество горючего, около 20% или меньше, относительно основного впрыскивания, которое впрыскивается при первом или втором предварительном впрыскивании. При таком способе становится возможным зажигание также и при очень низких температурах окружающей среды и мотора, от минус 20°С и менее. На основе небольшого количества горючего при предварительных впрыскиваниях спад температуры, обусловленный испарением, по меньшей мере, уменьшается, а воспламенение гомогенизированного горючего при предварительных впрыскиваниях улучшается.

Особое преимущество будет, когда в следующем варианте осуществления изобретения первое предварительное впрыскивание осуществляется в диапазоне углов поворота коленчатого вала, больших чем 20 градусов, перед верхней мертвой точкой в такте сжатия данного цилиндра. Типичным является то, что при низких температурах от минус 20°С или менее температура в цилиндре для обычного диффузного горения слишком низкая. Заявленное в изобретении раннее предварительное впрыскивание дает возможность гомогенизации смеси, благодаря чему улучшается воспламеняемость. При помощи соответствующей задержки воспламенения осуществляется реакция горения первого предварительного впрыскивания, что приводит к росту уровня температуры в цилиндре.

Поэтому горючее, внесенное при втором предварительном впрыскивании, может быстро испаряться и также воспламениться.

В следующем варианте осуществления изобретения второе предварительное впрыскивание осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через первое предварительное впрыскивание. Благодаря заявленному в изобретении выбору момента времени для второго предварительного впрыскивания улучшается характеристика тепловыделения для горючего во втором предварительном впрыскивании, а также в последующем основном впрыскивании.

Дальнейшее улучшение характеристик тепловыделения становится возможным, кода в следующем варианте осуществления изобретения основное впрыскивание осуществляется в момент после начала выделения тепла горючим, поданным через второе предварительное впрыскивание. Этим обеспечивается надежное зажигание также и при очень низких температурах. Кроме того, при таком способе выбросы углеводородов также при очень низких наружных температурах могут удерживаться сравнительно низкими, и есть возможность целевого нагревания установки нейтрализации отработавших газов. Типичным образом главное впрыскивание происходит только после верхней мертвой точки такта сжатия, в частности только при угле поворота коленчатого вала около 10 градусов после верхней мертвой точки. Отсюда получается позднее возгорание или позднее основное горение. Такое дает возможность надежного зажигания и целенаправленного и быстрого нагревания установки нейтрализации отработавших газов и предусмотренного в ней SCR-катализатора, содержащего цеолит. К тому же уменьшается обусловленное горением образование NO.

В следующем варианте осуществления изобретения происходит выполнение режима холодного запуска мотора в заданной области слабой нагрузки двигателя внутреннего сгорания, а при нагрузке двигателя выше области слабой нагрузки режим холодного запуска прекращается. После прекращения режима холодного запуска устанавливается преимущественно режим горения с преобладающим диффузным горением.

Полезные варианты осуществления изобретения наглядно представлены на чертежах и будут описаны далее. При этом названные ранее характеристики и те, которые еще нужно пояснить далее, используются не только в заданных комбинациях характеристик, но и в других комбинациях или рассматриваться отдельно, не покидая рамок данного изобретения.

При этом показывают:

Фиг.1 - двигатель внутреннего сгорания с установкой нейтрализации отработавших газов с каталитическими нейтрализаторами и сажевым фильтром в схематическом изображении,

Фиг.2 - диаграмму со схематическим изображением зависимости НС-емкости типичного цеолитного SCR-катализатора от температуры и

Фиг.3 - диаграмму со схематическим изображением выделения тепла в цилиндре дизельного мотора и управляющий импульс I_injek соответствующего инжектора для горючего в зависимости от времени.

Фиг.1 показывает схематически вариант выполнения системы из двигателя внутреннего сгорания 1 и установки нейтрализации отработавших газов 2 для автомобиля, здесь не изображенного. Данный двигатель внутреннего сгорания выполнен как двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыскиванием и воздушным компрессором по поршневому принципу, далее упрощенно обозначен как дизельный мотор. Подчиненная ему и не изображенная здесь система впрыскивания горючего выполнена преимущественно как так называемая Common-Rail-System (система, предусматривающая использование общей топливной магистрали) с регулируемым давлением в магистрали или давлением впрыскивания горючего.

Цилиндрам дизельного мотора 1 подчинены соответственно камера сгорания с одним или двумя впускными и выпускными вентилями, свечой накаливания и инжектором, а также один или несколько впускных каналов для воздуха, необходимого для горения, что по отдельности здесь подробно не изображено. Инжекторы для горючего при этом пригодны для выполнения многократных впрыскиваний с регулируемым количеством впрыскиваемого горючего. Впускные и выпускные вентили приводятся в действие преимущественно при помощи регулируемых фаз газораспределения и регулируемым тактом открытия.

Дизельный мотор 1 получает свой воздух для горения через провод для подачи воздуха 3, в котором размещен не изображенный здесь расходомер воздуха. Посредством регулируемого дроссельного элемента, также здесь не изображенного, в проводе для подачи воздуха поток воздуха, подаваемый на дизельный мотор 1, может дросселироваться на установленный размер. Воздух для горения сжимается посредством турбокомпрессора 15 и подводится к охладителю надувочного воздуха 16 для охлаждения. Предусмотрены не изображенные здесь подробнее средства для повышения уровня температуры подводимого к дизельному мотору 1 воздуха для горения, в частности, связанные с холодным запуском или прогревом. Для активного повышения температуры воздуха для горения в тракте подачи воздуха может быть предусмотрено устройство для подогрева. Особо полезным является активное нагревание посредством так называемого абсорбционного нагревателя, который размещен преимущественно в перепускной линии для отработавших газов 13 перед ее примыканием к проводу для подачи воздуха 3. Турбокомпрессор 15 выполняется преимущественно как так называемый VTG-компрессор или как компрессор с перепускной заслонкой для отработавших газов с регулируемым давлением наддува.

В камерах сгорания цилиндров дизельного мотора 1 получающийся отработавший газ отводится через выпускной трубопровод 4. При этом воздух для горения может примешивать отработавший газ через перепускную линию для отработавших газов 13 и возвращаться к дизельному мотору 1. Часть возвращаемого отработанного газа (доля рециркуляции ОГ) может регулироваться через вентиль рециркуляции ОГ 14. Возвращаемый к дизельному мотору 1 отработавший газ охлаждается преимущественно посредством не изображенного здесь радиатора рециркуляции ОГ, причем для радиатора рециркуляции ОГ может быть предусмотрен при необходимости регулируемый перепуск. Благодаря этому воздух для горения может подмешивать по выбору охлажденный или горячий, соответственно, нагретый отработавший газ. Невозвращаемый отработавший газ подводится через турбокомпрессор 15 к установке нейтрализации отработавших газов 2. Далее предусмотрен не изображенный здесь дроссельный элемент в выпускном трубопроводе 4 в направлении турбокомпрессора 15.

При помощи описанных вариантов могут быть представлены согласно требованиям различные значения для существенных рабочих параметров мотора таких, к примеру, как поток воздушной массы, время впрыскивания, количество горючего, давление и моменты нескольких впрыскиваний, доля циркуляции ОГ, давление надувочного воздуха, наполнение цилиндра и при этом различные режимы горения. Дальнейшее увеличение вариантности может быть предусмотрено в виде регулируемого коэффициента сжатия.

Вариант выполнения подчиненной дизельному мотору 1 установки нейтрализации отработавших газов 2 включает в направлении потока отработавших газов в такой последовательности первый катализатор окисления 5, второй катализатор окисления 6, сажевый фильтр 7 и SCR-катализатор 8. В качестве сажевого фильтра 7 применение находит преимущественно так называемый Wallflow-фильтр на базе SiC-кордиерита или титаната алюминия. Однако сажевый фильтр 7 может быть сконструирован как металлокерамический фильтр или как фильтрующий модуль с открытой фильтровальной структурой. Преимущественно катализаторы 5, 6, 8 выполняются как сотовые монолитные конструкции, которые пронизаны каналами с каталитическим покрытием, через которые может течь подводимый отработавший газ. SCR-катализатор 8 выполнен преимущественно как катализатор на носителе с цеолитным покрытием, содержащим медь или железо. Вследствие такой модели SCR-катализатор 8 обладает свойством накапливать компоненты отработавших газов, в частности НС, NO_x и NH₃. Однако существенное свойство заключается в том, что в условиях окисления он может являться катализатором в реакции избирательного восстановления NO_x до N ₂ посредством накопленного или подведенного NH₃ в качестве реагента. Подача NH₃ осуществляется преимущественно через не представленное здесь дозирующее устройство, через которое может впрыскиваться в отработавший газ, идущий против SCR-катализатора 8, раствор, содержащий карбамид. Впрыскиваемый в отработавший газ карбамид разлагается при этом, выделяя NH₃.

Со стороны входа первого катализатора окисления 5 и/или второго катализатора окисления 6 может быть предусмотрен блок добавления горючего, через который может подаваться к отработанному газу в качестве горючего бензин. Вследствие экзотермического окисления горючего, подведенного при необходимости к отработавшему газу, становится возможным целевое нагревание отработавшего газа в сочетании с активной регенерацией сажевого фильтра 7 благодаря дожиганию сажи.

В установке окончательной обработки отработавшего газа 2 для регистрации температуры отработавшего газа и конструктивных элементов, а также концентрации различных составных частей отработавших газов предусмотрены различные температурные датчики и зонды для забора ОГ. Например, на фиг.1 со стороны входа второго катализатора окисления 6, а также со стороны выхода сажевого фильтра 7 в установке нейтрализации отработавших газов находятся по одному датчику температуры 10, 11. Со стороны выхода второго катализатора окисления 6, а также SCR-катализатора 8 предусмотрены газовые датчики 9, 12, чувствительные к NO _x и/или NH₃. Для определения загрузки сажевого фильтра 7 сажей и/или золой необходимо предусмотреть со стороны входа и выхода сажевого фильтра 7 датчики давления или датчик перепада давлений, что на фиг.1 отдельно не представлено. Посредством этих и при необходимости других датчиков рабочее состояние установки нейтрализации отработавших газов определяется полностью и может быть при необходимости согласовано с режимом дизельного мотора 1.

Для регулирования или регистрации режима работы мотора предусмотрено электронное устройство управления мотора 17. Управляющее устройство 17, с одной стороны, получает информацию о важных параметрах режима мотора, таких как число оборотов, нагрузка мотора, температура, давление от соответствующих датчиков или зондов, а с другой стороны, может выдавать управляющие сигналы в качестве параметров настройки на актуаторы, например на вентиль рециркуляции ОГ 14, турбокомпрессор 15 или дроссельный элемент 3 в проводе для подачи воздуха. Предусмотрено регулирование рабочих параметров или параметров состояния со стороны подачи газа и со стороны подачи горючего. В частности, управляющее устройство мотора 17 в состоянии настраивать инжекторы горючего для выполнения многократных впрыскиваний и при необходимости устанавливать требуемое давление впрыскивания. Далее, устройство управления мотора 17 устроено для выполнения операций регулирования и управления, с помощью которых рабочие параметры мотора могут регулироваться или устанавливаться под контролем. Для этого устройство управления 17 может прибегнуть к хранящимся в памяти универсальным характеристикам или программам расчета или регулирования и управления. Предусмотренные для этого подсистемы, такие как процессор, память или устройства ввода-вывода и тому подобные, отдельно не представлены.

Подобным образом для регистрации и настройки рабочих параметров и параметров состояния предусмотрено второе управляющее устройство 18 для устройства окончательной обработки отработавших газов. Устройство управления мотора 17 и второе управляющее устройство 18 соединены между собой посредством двунаправленного канала передачи данных. Таким образом, становится возможным взаимный обмен данными, имеющимися в распоряжении устройств управления. Подразумевается, что управляющие устройства 17, 18 могут быть также объединены в отдельный интегральный блок регистрации и управления для измеряемых величин.

В изображенном варианте осуществления изобретения становится возможной оптимальная во всех отношениях эксплуатация дизельного мотора 1 и всеобъемлющая очистка отдаваемых им отработавших газов. Нейтрализация отработанных газов в желаемом объеме возможна только тогда, когда каталитические нейтрализаторы 5, 6, 8 имеют свою рабочую температуру. Ниже так называемой точки начала температурного скачка имеется пониженная или недостаточная активность, отчего, в частности, при холодном запуске или прогреве требуются особые меры, чтобы устранить нежелательный возврат вредных веществ в окружающую среду или сделать их как можно меньшими. Следующее делается, чтобы уменьшить выбросы специально углеводородов (НС). В частности, последующие рассматриваемые меры касаются уменьшения выбросов белого дыма, образованного из НС, при окружающей температуре ниже или близко от точки замерзания или при температурах каталитических нейтрализаторов 5, 6, 8 или сажевого фильтра 7 ниже специфической для адсорбции или десорбции НС пороговой температуры.

Хотя в зависимости от каталитического покрытия каталитических нейтрализаторов 5, 6, 8 или сажевого фильтра 7 каждая из этих компонент нейтрализации отработавших газов может обладать, особенно при низких температурах, способностью к адсорбции НС, а поэтому вследствие появляющейся при более высокой температуре десорбции НС может нести ответственность за выброс белого дыма, в дальнейшем исходят из того, что эффект адсорбции и десорбции НС проявляется в первую очередь в SCR-катализаторе 8 и появляющийся каждый раз выброс белого дыма в большинстве случаев обусловлен SCR-катализатором 8. Последующие объяснимые меры по устранению нежелательных выбросов специально от SCR-катализатора 8 применимы, тем не менее, аналогичным образом по отношению к одной или нескольким другим компонентам нейтрализации отработавших газов 5, 6, 7.

Типичным является растущая способность к адсорбции НС при убывающей температуре. Максимальное количество поглощаемого НС обозначается при этом как НС-емкость. Диаграмма на фиг.2 схематически изображает зависимость от температуры НС-емкости к типичного SCR-катализатора на основе цеолита. Как можно видеть, с убывающей температурой T_SCR НС-емкость, т.е. количество НС, которое может скапливаться в SCR-катализаторе, может возрастать. При этом с убывающей температурой зафиксирована растущая характеристика насыщения. Хотя в зависимости от вида и объема каталитического цеолитового покрытия зависимость от температуры НС-емкости может проявляться по-разному, значения в диапазоне от 0,5 до 30 г НС на л объема катализатора, в частности от 1 до 20 г/л, для НС-емкости в диапазоне температур от +100°С до минус 20°С можно рассматривать как типичные. В частности, максимальные значения ок. 30 л при температуре T_SCR<-15°С являются характерными для обычных типов катализаторов. Выше пороговой для данного катализатора температуры от +30°С до +150°С, в частности ок. 100°С, НС-емкостью обычно пренебрегают. Начиная со второй пороговой температуры, немного большей, явления десорбции при возрастающей температуре усиливаются. Для цеолитных покрытий, использующихся обычно в катализаторах окисления и сажевых фильтрах, пороговые температуры предпочитают устанавливать более низкими. Здесь НС-емкостью чаще всего можно пренебречь при температуре выше 50°С. Более или менее выраженные явления десорбции наступают при этом, начиная с 60°С до 80°С.

НС-емкость , подтвержденная изобретателями, влечет за собой то, что при режиме мотора, в котором SCR-катализатор 8 не превышает пороговую температуру, имеющиеся в отработавших газах НС скапливаются в большом объеме. Соответствующие рабочие состояния включают, например, один или несколько следующих друг за другом процессов холодного запуска, к которым могут присоединяться в определенный момент фазы слабой нагрузки или прогрева. Если при присоединении к таким рабочим состояниям дизельного мотора 1 потребуется более высокая нагрузка, то вследствие сильно нагретого отработавшего газа наступает нагревание SCR-катализатора 8, что может привести к нежелательной десорбции скопившихся до этого НС. При этом десорбированные НС, достигшие предельной концентрации, ощущаются как белый дым. Изобретатели установили, что масштабы НС-десорбции в значительной степени зависят от скопившегося в SCR-катализаторе 8 количества НС, а также от скорости нагревания SCR-катализатора 8.

В соответствующих опытах было установлено, что в характерном для десорбции температурном диапазоне соответствующей компоненты нейтрализации отработавших газов появляются пики десорбции НС, высота которых с ростом количества НС-наполнителя также растет. Несмотря на то что диапазон температур для десорбции зависит от вида каталитического цеолитного покрытия, значения в диапазоне от +50°С до +150°С, в частности от +50° до +150°С, рассматриваются как типичные для появления максимума НС-десорбции. Далее было установлено, что доля НС-десорбции или высота и ширина пиков НС-десорбции зависит от скорости нагревания, т.е. от величины градиента нагревания. При нагревании в характерном для десорбции температурном диапазоне появляются пики десорбции, высота которых при растущем градиенте нагревания увеличивается, а ширина уменьшается.

На основе полученных при соответствующих основополагающих опытах были разработаны стратегии для устранения нежелательного мощного выделения при холодном запуске и/или прогреве дизельного мотора, которые согласно заявленному изобретению, с одной стороны, нацелены на то, чтобы ограничить в количественном отношении скопление НС в SCR-катализаторе 8. Этого можно достичь благодаря тому, что осуществляется оценка количества скопившихся НС в SCR-катализаторе 8 и происходит целевое нагревание SCR-катализатора 8 посредством нагретого отработавшего газа, если получена такая оценка, что количество НС-наполнителя превышает заданное свое предельное значение. Таким способом можно избежать скопления критично больших количеств НС, а десорбция скопившихся в SCR-катализаторе 8 углеводородов становится вынужденной к моменту времени до того, как количество НС-наполнителя достигнет столь критического уровня, что выполняющееся позднее нагревание может повлечь за собой нежелательно высокую НС-десорбцию. С другой стороны, далее предпринимаются подробно объясненные действия такого рода, чтобы получаемая доля десорбированных НС в SCR-катализаторе 8 вследствие его нагревания не превышала заданное значение или заданную максимальную концентрацию НС в выделяемом в окружающую среду отработанном газе.

Для оценки количества НС-наполнителя в SCR-катализаторе 8 согласно заявленному изобретению предусмотрено вести учет числа следующих друг за другом процессов холодного запуска и прогрева, в которых заданная пороговая температура для SCR-катализатора 8 постоянно или в подавляющем большинстве не превышается. Также определяется количество НС, которое при этом испускается дизельным мотором 1 и скапливается в установке нейтрализации отработавших газов 2 или SCR-катализаторе 8. Для этого прибегают преимущественно к хранящимся в памяти параметрическим поверхностям эмиссии дизельного мотора 1, в которых записаны значения для эмиссии НС в зависимости от важных рабочих параметров мотора. В сочетании с характеристическими кривыми для адсорбции и десорбции, также хранящимися в памяти, можно суммировать скапливающееся в SCR-катализаторе 8 каждый раз при холодном запуске и прогреве количество НС. Если получается такая оценка, что количество НС-наполнителя превышает свое предельное значение, что, в частности, в зависимости от температуры SCR-катализатора 8 и/или проходящего отработавшего газа превышена заданная доля НС-емкости SCR-катализатора 8, то тогда активируется нагревание, которым преимущественно управляют так, что заданное максимальное значение градиента нагревания для SCR-катализатора 8 не превышается в диапазоне температур десорбции или немного ниже него. Максимальное значение градиента нагревания фиксируется в зависимости от количества НС-наполнителя и/или температуры SCR-катализатора 8 таким образом, что максимальная концентрация НС в отдаваемом в окружающую среду отработавшем газе не превышает заданное значение. Преимущественно это значение соответствует при максимальной концентрации НС, когда становится видимым белый дым. Типичные значения для предельных количеств НС-наполнителя составляют от 10% до 30% НС-емкости . Типичные значения для максимального значения градиента нагревания составляют от 5 до 20°С в мин.

Согласно заявленному изобретению многие установленные стандартным образом рабочие характеристики мотора для целевого нагревания SCR-катализатора 8 при холодном запуске и/или подключаемому за ним прогреву или при работе непрогретого двигателя изменяются таким образом, что в противоположность к нормальному режиму появляется отработавший газ, нагретый сильнее. Способы, обозначенные в дальнейшем как режимы холодного запуска мотора, охватывают преимущественно одно или несколько следующих действий:

- закрытие находящегося в выпускном газопроводе 4 дроссельного элемента в соответствии с уменьшением свободного проходного сечения от 10% до 95%, в частности, в зависимости от нагрузки, при помощи более мощного дросселирования при малой нагрузке. Особое преимущество имеет закрытие дроссельного элемента таким образом, что получается скоростной напор от 1 до 4 бар, в частности от 2 до 3 бар;

- закрытие находящегося в проводе для подачи воздуха 3 дроссельного элемента в соответствии с уменьшением свободного проходного сечения от 10% до 95%, предпочтительнее от 30% до 70%;

- уменьшение давления наддува, обеспечиваемого турбокомпрессором, при необходимости до достижения границы устойчивой работы или заданной границы дымления, преимущественно в соответствии с показателем дымности от 1 или больше;

- приведение в действие абсорбционного нагревателя в контуре рециркуляции ОГ;

- изменение фазы газораспределения выпускного вентиля одного или нескольких цилиндров дизельного мотора 1 таким образом, что выпускной вентиль открывается в области от 10°KWnOT до 75°KWnOT, предпочтительнее от 40°KWnOT до 65°KWnOT (KWnOT - угол поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки);

- закрытие вентиля рециркуляции ОГ 14, по меньшей мере, периодически полностью, при необходимости временно или постепенно открывая его до приемлемой в нормальном режиме степени открытия;

- проведение первого предварительного впрыскивания, следующего за первым второго предварительного впрыскивания и следующего за вторым основного впрыскивания горючего в цилиндры дизельного мотора таким образом, что главное положение сгорания топлива получается после верхней мертвой точки такта сжатия.

В частности, при низких наружных температурах от -10°С или ниже особое преимущество состоит в том, что для холодного запуска и вслед за ним фазы прогрева или работы холодного мотора в соответствии с упомянутым последним пунктом происходит специальная настройка параметров впрыскивания горючего, как это в дальнейшем подробнее поясняет представленная на Фиг.3 диаграмма.

В диаграмме на фиг.3 в верхней части схематически представлено выделение тепла dQ в цилиндре дизельного мотора 1, а в нижней части - управляющий импульс Iinjek соответствующего инжектора в зависимости от времени, поделенный на угол поворота коленчатого вала KW.

Заявленный в изобретении способ холодного запуска мотора с выбранными соответствующим образом параметрами впрыскивания может быть истолкован как способ сжигания при неполной гомогенизации с по меньшей мере двумя предварительными впрыскиваниями ПВ1, ПВ2 и основным впрыскиванием ОВ горючего в камеры сгорания дизельного мотора. При этом первое предварительное впрыскивание ПВ1 происходит преимущественно в более ранний момент времени такта сжатия таким образом, что дальше в процессе такта сжатия преобладает гомогенная способная воспламеняться смесь воздуха и горючего, и после определенной задержки воспламенения происходит гомогенное сжигание смеси с выделением тепла, обозначенное VPE1 со стрелкой.

Второе предварительное впрыскивание ПВ2 происходит преимущественно у верхней мертвой точки такта сжатия в момент времени, когда вследствие сжигания впрыснутого ранее при первом предварительном впрыскивании ПВ1 горючего имеется явное повышение температуры в камере сгорания. Основное впрыскивание ОВ происходит после второго предварительного впрыскивания ПВ2 в аналогичный момент времени, когда вследствие сгорания впрыснутого до этого при втором предварительном впрыскивании имеется дальнейшее явное выделение тепла в камере сгорания, обозначенное VPE2 со стрелкой. Таким способом обеспечивается воспламенение впрыснутого горючего даже при очень низких температурах от -20°С и ниже.

Сгорание основного впрыскивания ОВ происходит преимущественно как обычное диффузионное горение. При этом может быть предусмотрено деление основного впрыскивания ОВ на несколько частичных впрыскиваний таким образом, что получается заторможенное горение. При этом особое преимущество в том, что количество горючего в каждом частичном впрыскивании устанавливается большим, чем количество горючего в предшествующих частичных впрыскиваниях.

Первое предварительное впрыскивание ПВ1 происходит преимущественно в диапазоне от 20°KWvOT до 40°KWvOT. Впрыскиваемое количество при первом предварительном впрыскивании ПВ1 выбирается при этом предпочтительно в области от 5% до 25% впрыскиваемого количества при основном впрыскивании ОВ. Второе предварительное впрыскивание ПВ2 происходит преимущественно в области верхней мертвой точки в диапазоне от 5°KWvOT до 5°KWnOT, однако не раньше, чем после зажигания впрыснутого при первом предварительном впрыскивании ПВ1 горючего. Впрыскиваемое количество при втором предварительном впрыскивании ПВ2 выбирается при этом предпочтительно в области от 2% до 15% впрыскиваемого количества при основном впрыскивании ОВ.

В отличие от показанного в диаграмме на фиг.3 изображения начало впрыскивания при основном впрыскивании ОВ выбирается обычно в диапазоне от 5°KWnOT до 20°KWnO так, что получается сравнительно позднее положение сгорания. При этом нагревание отработавшего газа целенаправленно устанавливается при помощи момента начала управляющего импульса для инжектора таким образом, что желаемая норма нагревания SCR-катализатора 8 может быть с надежностью достигнута. В предпринимаемом при необходимости делении основного впрыскивания ОВ на два частичных впрыскивания второе частичное впрыскивание происходит, присоединяясь к первому, в области от 25°KWnOT до 60°KWnOT. Из-за этого получается на 20°KWnOT сравнительно позднее положение начала горения, благодаря чему становится возможным целевое нагревание установки нейтрализации отработавших газов 2 и SCR-катализатора 8. При помощи растущей нагрузки мотора предусмотрен дальнейший сдвиг запаздывания начала горения.

С помощью заявленного в изобретении способа холодного запуска мотора становится возможным целевое нагревание компонент нейтрализации отработавших газов 5, 6, 7, 8 установки нейтрализации отработавших газов 2 и специально SCR-катализатора 8 даже при очень низких температурах и при низких нагрузках мотора. Нагревание во избежание нежелательно высоких пиков НС-десорбции становится также возможным независимо от установления определенных режимов движения. Согласно заявленному изобретению предусматривается при достижении заданной пороговой температуры для SCR-катализатора 8 или основной в отношении НС-десорбции, обусловленной дымовыми газами, компоненты нейтрализации отработавших газов прекращение режима холодного запуска мотора. Под прекращением здесь понимается окончание хотя бы одной части перечисленных выше действий. При этом появляется возможность ограничения перерасхода горючего, обусловленного таким режимом холодного запуска мотора. Прекращение режима холодного запуска мотора предусматривается даже тогда, когда нагрузка мотора превышает заданное или задаваемое значение на 30% от номинальной нагрузки. В этом случае происходит по большей части и так уже естественное нагревание установки нейтрализации отработавших газов 2 и SCR-катализатора 8.