способ регулирования разогрева электронагревательного каталитического реактора

Формула изобретения

1. Способ управления разогревом электрически быстро нагреваемого по меньшей мере на одном отдельном коротком участке каталитического реактора, подключенного к двигателю внутреннего сгорания транспортного средства, отличающийся тем, что электрический нагрев включается с задержкой после запуска двигателя внутреннего сгорания, если скорость изменения температуры на нагреваемом участке каталитического реактора, вызванная действием содержащегося в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания тепла, приблизительно равна или меньше, чем достигаемая электрическим нагревом скорость изменения температуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электрический нагрев включается приблизительно после примерно 3 10 с, предпочтительно после примерно 5 с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что устанавливают точный момент времени начала нагрева в зависимости от температуры внешней среды, и/или температуры двигателя, и/или температуры катализатора.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при превышении или при переходе за нижний предельный уровень заданных пороговых значений внешней температуры, и/или температуры двигателя, и/или температуры катализатора электрический нагрев не происходит.

5. Способ по пп. 1 3 или 4, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания по меньшей мере перед включением нагрева работает с повышенным числом оборотов на холостом ходу и бедной смесью.

6. Способ по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания после включения нагрева, если по меньшей мере нагреваемый участок каталитического реактора достиг температуры, достаточно высокой для превращения окиси углерода и углеводородов, работает с пониженным числом оборотов на холостом ходу и богатой смесью.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что изменение числа оборотов на холостом ходу, т.е. изменение прохождения выхлопного газа в каталитической реакторе, осуществляется в одну или несколько ступеней, предпочтительно соответственно при таких температурах в каталитическом реакторе, при которых уменьшение пропускной способности приводит к повышению температуры.

8. Способ по одному из пп. 1 7, отличающийся тем, что достижение температуры, достаточно высокой для превращений, осуществляют с помощью измерения температуры в подключенной к электрически нагреваемому участку зоне каталитического реактора, в частности в форкатализаторе.

9. Способ по одному из пп. 1 8, отличающийся тем, что определяют точный момент времени начала нагрева и/или его конца с использованием данных управления двигателем внутреннего сгорания путем определения тепловой энергии, выделяемой в двигателе внутреннего сгорания, например, путем замера количества воздуха и топлива.

10. Способ по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что задают начало нагрева и конец нагрева и, тем самым, подводимую энергию нагрева и управляют двигателем внутреннего сгорания так, чтобы перед достижением температуры, достаточно высокой для превращения, образовывалось как можно меньшее количество вредных веществ и как можно больше тепла.

11. Способ по одному из пп. 1 10, отличающийся тем, что между двигателем и каталитическим реактором включено устройство для адсорбирования углеводородов и/или окиси углерода, в частности элемент из цеолита, которое сообщается через байпасный трубопровод, причем перед достижением в каталитическом реакторе температуры, достаточно высокой для превращения, выхлопной газ пропускают через адсорбирующее устройство и только затем пропускают через байпасный трубопровод к адсорбирующему устройству.

12. Способ по одному из пп. 1 11, отличающийся тем, что нагрев заканчивают, если температурные датчики или другие измерительные зонды, например, при перебоях в зажигании двигателя внутреннего сгорания сигнализируют об опасности перегрева в каталитическом реакторе.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу регулирования разогрева электрически быстро нагреваемого по меньшей мере на отдельном коротком участке каталитического реактора, который подключен к двигателю внутреннего сгорания транспортного средства. Каталитические реакторы в транспортных средствах служат для уменьшения выброса вредных веществ в атмосферу, причем законоположения в отношении максимально допустимых выбросов вредных веществ постоянно ужесточаются. Так как каталитические реакторы без дополнительного нагрева могут уменьшить выброс вредных веществ только после определенного времени нагрева, для соблюдения особо строгих предписаний предусматриваются каталитические реакторы, которые электрически нагревают по меньшей мере на отдельных участках, благодаря чему они быстрее могут доводиться до температуры, требуемой для каталитических превращений. Разработка таких нагреваемых элементов с сотовой структурой за прошедшее время является настолько прогрессивной, что в распоряжении имеются конструктивные варианты с малой массой и небольшой длиной, в которых могут достигаться высокие скорости изменения температуры с помощью электрического нагрева. При соответствующей незначительной поверхности это возможно также в еще сравнительно холодном потоке выхлопных газов в фазе холодного запуска двигателя внутреннего сгорания. Разумеется, что непосредственно после запуска двигателя внутреннего сгорания скорость изменения температуры в системе отвода газа и без этого очень высока. Только через некоторое время изменение скорости заметно понизится. К этому добавятся другие эффекты, например, испарение воды, имевшейся перед этим в каталитическом реакторе и в системе отвода газов, что значительно влияет на температурную характеристику системы для выхлопных газов во время фазы холодного запуска.

Различные действия для регулирования таких нагреваемых реакторов описаны, например, в US 5146743. Разумеется, они еще не учитывают вышеуказанные аспекты и действуют, в основном, для электронагреваемых с незначительными скоростями изменения температуры элементов с сотовой структурой. Однако в действительности все же должны учитываться и практические аспекты, что ограничивает возможности управления электрически нагреваемым каталитическим реактором. В первую очередь, из-за мощности автомобильных батарей в распоряжении имеется лишь ограниченное количество электроэнергии, которая должна использоваться как можно рациональнее, т.к. резервы энергии должны быть достаточными для различных режимов работы транспортного средства, в частности, для езды на короткие расстояния в зимнее время. Кроме того, из-за соображений комфорта и безопасности при опасных ситуациях нежелательно, чтобы до запуска двигателя требовалось некоторое время для разогрева до возможности запуска. Такие соображения согласно уровню техники привели к различным стратегиям в отношении разогрева, которые начинаются непосредственно после запуска двигателя и создают высокую электрическую мощность на 8 20 секунд. При этом целью является то, чтобы как можно быстрее запустить каталитические реакции на отдельном участке каталитического реактора для обеспечения возможности как можно быстрее использовать химическую энергию, содержащуюся в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, для дальнейшего нагрева каталитического реактора.

Исходя из этого уровня техники задачей данного изобретения является более рациональное и эффективное использование имеющейся в распоряжении электрической энергии для того, чтобы еще больше снизить выброс вредных веществ, не перегружая электрическую установку транспортного средства.

Для решения этой задачи служит способ регулирования разогрева электрически быстро нагреваемого на отдельном коротком участке каталитического реактора, который подключен к двигателю внутреннего сгорания транспортного средства, причем электрический нагрев включается лишь с задержкой после запуска двигателя внутреннего сгорания, если скорость изменения температуры в отдельном нагреваемом участке каталитического реактора, вызванная действием содержащегося в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания тепла приблизительно равна или меньше, чем скорость изменения температуры, достигаемая электрическим нагревом. При этом изобретения исходит из знания того, что непосредственно после запуска двигателя внутреннего сгорания очень горячие в сравнении с каталитическим реактором выхлопные газы и без этого сначала очень быстро нагревают его, прежде, чем скорость изменения температуры упадет. Дополнительный электрический нагрев едва ли мог бы обеспечить более быстрый разогрев, но расходовал бы ценную электрическую энергию. К тому же в керамическом покрытии каталитического реактора, который имеет очень большую поверхность, и в системе отвода выхлопных газов перед этим может скапливаться вода, будь-то вследствие длительного простоя автомобиля или вследствие сконденсировавшихся вначале при запуске холодного двигателя компонентов воды в выхлопном газе. В стратегиях нагрева, при которых перед или непосредственно после запуска двигателя внутреннего сгорания осуществляется нагрев, ценная электрическая энергия применяется также и для того, чтобы испарять воду из каталитического реактора, так как его температура только после испарения воды может быть доведена до температуры, например, 350^oC, необходимой для каталитических реакций. Согласно предлагаемому изобретению тепло выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания в течение первых секундах используется для быстрого нагрева каталитического реактора, а также для того, чтобы испарять воду в каталитическом реакторе. Только позже, когда скорость изменения температуры в каталитическом реакторе, достигаемая выхлопным газом, заметно снизится, подключается электрический нагрев, благодаря чему имеющаяся в распоряжении электрическая энергия очень эффективно может использоваться для быстрого дальнейшего разогрева небольшой зоны до температуры, необходимой для каталитической реакции. При этом в качестве наиболее благоприятных значений рассматривается мощность нагрева от 750 до 2500 Вт, соответствующая приблизительно 75-250 А для установки с 12 В, предпочтительно 1000 2000 Вт. Разумеется, возможны и более высокая силы тока. Подлежащий нагреву участок должен быть длиной лишь в несколько миллиметров, например, 3 20 мм, предпочтительно 6 15 мм, т.к. нагреваемый таким образом, диск нагревает одновременно торцевую сторону следующего за ним элемента с сотовой структурой, а энергия, высвобождающаяся в нагреваемом диске посредством каталитической реакции, также сразу же способствует нагреву следующих участков. Благодаря небольшой массе и малой поверхности на нагреваемом участке удается достичь быстрого разогрева и температур, выше его температуры также в потоке выхлопного газа на 150 200^oC.

Согласно этим соображениям нагрев начинается, например, приблизительно через 3 10 секунд, предпочтительно через 5 секунд после запуска двигателя внутреннего сгорания и продолжается в зависимости от режима работы двигателя и имеющейся электрической мощности, например, от 5 до 25 секунд, предпочтительно приблизительно 10 20 секунд.

Более благоприятным является определение точного начала нагрева (момент времени) в зависимости от температуры окружающей (внешней) среды и/или температуры двигателя и/или температуры самого каталитического реактора (катализатора). Могут учитываться также и другие параметры измерения, имеющиеся в распоряжении при управлении двигателем. Целью является использованием ненужной электрической энергии. В частности, для отдельных физических параметров могут быть установлены граничные значения, (нижний предельный уровень заданных пороговых значений внешней температуры, и/или температуры двигателя и/или температуры катализатора) начиная с которых электрического нагрева не происходит совсем. Так, нагрев при прогретом двигателе или, в частности, при еще горячем каталитическом реакторе естественно является бессмысленным. Также при определенных значениях температуры окружающей среды электрический нагрев едва ли может обеспечить дополнительный эффект, например, начиная с 35^oC. Из-за мощности батарей можно также при температурах окружающей среды, ниже определенных значений, например, ниже значений, устанавливаемых соответствующим законодателем, отказаться от электрического нагрева для того, чтобы не перегружать батареи.

Можно придерживаться стратегии нагрева согласно изобретению, в частности, благодаря тому, что двигатель внутреннего сгорания перед включением нагрева работает с повышенным числом оборотов на холостом ходу и бедной смесью. После включения нагрева, если нагреваемый участок каталитического реактора достиг высокой температуры, достаточной для превращения окиси углерода и/или углеводородов, двигатель может работать с пониженным числом оборотов на холостом ходу и богатой смесью. Первая мера вызывает высокое тепловыделение в начальной фазе, в то время как вторая мера после достижения в катализаторе температуры, необходимой для каталитического превращения, предоставляет более высокую химическую энергию, так что проходят экзотермические реакции и нагреваются другие части каталитического реактора. Поэтому в настоящем изобретении предпочтительной является не стратегия нагрева, адаптированная к заданному управлению двигателем, а согласование управления двигателем со стратегией нагрева. Уменьшение числа оборотов, т.е. уменьшение прохождения выхлопного газа в каталитическом реакторе, может предпочтительно осуществляться в одну или несколько ступеней, причем эти ступени соответственно должны лежать при таких температурах в каталитическом реакторе, при которых уменьшение пропускной способности приводит к повышению температуры. Такие состояния могут проявляться вследствие сложных химико-физических процессов в каталитическом реакторе, а именно при переходных процессах, таких, как фаза холодного запуска. Во время прямо происходящего каталитического реактора насыщается "реагентами, готовыми вступить в реакцию", так что при уменьшении пропускной способности газа хотя и уменьшается эффект охлаждения потока выхлопного газа, но химическая реакция падает на сразу. Такие, изменяющиеся от установки к установке эффекты могут, например, использоваться при стратегии нагрева в фазе холодного запуска.

В принципе, включение и выключение электрического обогрева может определяться временными интервалами, однако более целесообразно определять конец периода нагрева измерением температуры, которое предпочтительно осуществлять в той части каталитического реактора, которая подключена непосредственно к электронагреваемому участку, т.к. это приближено к имеющейся там температуре для дальнейшего разогрева каталитического реактора (в форкатализаторе).

Приблизительно начало и/или конец нагрева могут определяться также с привлечением данных управления двигателем внутреннего сгорания, когда тепловая энергия, создаваемая двигателем внутреннего сгорания, определяется, например, из замеренных количеств воздуха и горючего (топлива), причем другие параметры измерения, например, температура охлаждающей воды и температура окружающей среды могут также учитываться.

Другая возможность заключается в том, что задается начало нагрева и конец нагрева и, тем самым, подводимая энергия нагрева, и соответствующим образом управляется двигатель внутреннего сгорания, чтобы перед достижением температуры, достаточно высокой для превращения, образовывалось как можно меньшее количество вредных веществ и как можно больше тепла. Вмешательство в характеристику холостого хода двигателя в первые 20 секунд фазы холодного запуска не особенно влияет на комфорт движения и вообще не снижает надежность движения, поэтому может быть целесообразным при холодном запуске задавать определенное минимальное и максимальное число оборотов и определенные параметры смеси горючее/воздух.

Другое улучшение выброса вредных веществ может быть достигнуто, если между двигателем внутреннего сгорания и каталитическим реактором включается устройство для адсорбции углеводородов и/или окиси углерода, в частности, элемент из цеолита, которое можно обойти с помощью байпасного трубопровода. Перед достижением температуры, достаточно высокой для превращений в каталитическом реакторе, выхлопной газ пропускают через адсорбирующее устройство, причем большая часть углеводородов адсорбируется в элементе из цеолита. Затем при достижении температуры, необходимой для каталитической реакции, выхлопной газ пропускается по байпасному трубопроводу к адсорбирующему устройству, чтобы за счет превращения выхлопных газов осуществлять быстрый дальнейший нагрев каталитического реактора. Позже, при дальнейшей работе автомобиля, адсорбирующее устройство нагревается и в том случае, если через него не протекает выхлопной газ, до тех пор, пока адсорбированные углеводороды снова не выделятся и не превратятся в каталитическом реакторе в компоненты, которые не являются вредными.

В общем случае для электрически нагреваемого каталитического реактора необходимо предусмотреть предохранение от перегрева для исключения опасных состояний в работе или даже повреждений (нагрев заканчивают). Для этого пригодны известные температурные чувствительные элементы или другие измерительные зонды, которые могут регистрировать, например, возникновение перебоев в зажигании в двигателе внутреннего сгорания и сигнализируют об опасности перегрева каталитическом реакторе. При обнаруженной опасности перегрева нужно сначала отключить нагрев каталитического реактора. Могут быть необходимы и другие меры, как, например, изменение топливно-воздушной смеси, отключение тяги или аналогичные действия в управлении двигателем.

Пример выполнения изобретения, которым оно, однако, не ограничивается, и диаграмма для пояснения стратегии нагрева схематически показаны на чертежах, а именно:

на фиг. 1 показан конструктивный принцип выполнения двигателя с устройством для отвода выхлопного газа и

на фиг. 2 диаграмма характеристик температуры в каталитическом реакторе во время фазы холодного запуска.

На фиг. 1 показан двигатель 1 внутреннего сгорания с управлением 2 двигателя и выводом 3 выхлопного газа. Последний соединен через трубопровод 3 с каталитическим реактором 8, 14, 15, 16, состоящим из нескольких участков. Самый передний участок 8 является электрически нагреваемым, причем нагрев отключается регулятором 9 нагрева через нагревательный трубопровод 10. К нагреваемому участку 8 подключен форкатализатор 14, за которым следует один или несколько основных катализаторов 15, 16. Отдельные участки катализатора 8, 14, 15, 16 могут располагаться в отдельных, соединенных отрезками трубопровода корпусах, что не имеет существенного значения для данного изобретения. Разными могут быть также диаметр, конструкция и количество каналов по площади поперечного сечения на отдельных участках. В любом случае благоприятным является размещение в небольшом пространстве, чтобы исключить нежелательные тепловые потери на промежуточных участках. Температурный датчик 18 в форкатализаторе 14 соединен через измерительный трубопровод 12 с регулятором 9 нагрева. Дополнительный измерительный зонд 17 на нагреваемом участке 8 также соединен с регулятором 9 нагрева и может определять превышение граничной температуры в окружающем его пространстве. Между управлением 2 двигателем и регулятором 9 нагрева имеется соединение 11, с помощью которого в зависимости от предусмотренных стратегией нагрева можно передавать данные в одном или обоих направлениях. Параллельно трубопроводу 4 для выхлопного газа можно включить в боковом ответвлении 6 адсорбирующее устройство для адсорбции углеводородов в фазе холодного запуска. Вентиль или клапан 7 управляют потоком выхлопного газа либо с помощью адсорбирующего устройства, или через трубопровод 4 выхлопного газа, который служит в качестве байпасного трубопровода к боковому ответвлению 6.

На фиг. 1 показана качественная диаграмма, на которой по оси X откладывается время t, а по оси Y температура T. Кривая I показывает характеристику температуры в каталитическом реакторе без электрического нагрева в фазе холодного запуска. Кривая II показывает характеристику температуры при начинающемся непосредственно после запуска электрическом нагреве сравнительно большого и имеющего достаточную массу участка каталитического реактора. Кривая III показывает характеристику температуры при стратегии нагрева согласно изобретению, причем к сравнительно небольшому участку каталитического реактора подводится та же мощность, что и на кривой II, но в течение более короткого периода времени. Видно, что на кривой III за более короткое время достигаются значительно более высокие температуры по сравнению с кривой II без расхода электрической энергии, где выхлопной газ может создать приблизительно одинаковую скорость изменения температуры.

С помощью способа согласно изобретению можно осуществлять электрический нагрев каталитического реактора с оптимальным использованием имеющейся в распоряжении электрической энергии, благодаря чему могут соблюдаться строгие предписания в отношении выхлопных газов при разумных расходах.