CN101265825B - 柴油机排放的scr冷起动加热系统 - Google Patents

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Abstract

一种排气系统包括布置在发动机下游并且将热能引入发动机排气中的加热元件。选择性催化还原(SCR)装置布置在加热元件的下游并且过滤排气中的氮氧化物(NOx)。控制模块与加热元件通信并且根据SCR装置的温度向该加热元件供能。

Description

柴油机排放的SCR冷起动加热系统
技术领域
本发明涉及排气系统，更具体地是涉及与其相关的排放降低技术。
背景技术
本文提供的背景技术描述的主要目的是描述本发明的背景。背景技术部分在一定程度上描述了目前指定的发明人的工作，并且描述的特征并不限制为提交申请时的现有技术，这些描述既不明示也不暗示为与本发明相反的现有技术。
使用汽车排气系统来过滤和降低氮氧化物(NOx)排放。已经开发了多种技术来降低NOx排放。这些技术包括使用催化剂的被动方式，以及诸如电化学催化反应和光催化、等离子和激光技术等的主动方式。例如，富燃发动机使用三元催化剂来降低NOx排放。三元催化剂一般是沉积在稳定的氧化铝载体上的贵金属的组合物。三元催化剂与反馈系统一起工作，该系统引导发动机混合在理想比例下的空气和燃料。通过控制发动机的空气/燃料比，生成碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)从而将NOx和HC转化二氧化碳、水、氢气和/或氮气。
三元催化剂是汽油机的常用NOx降低技术，该技术的NOx还原性能在有氧气的情况下会迅速恶化。因此，该技术在稀排气下的NOx排放控制中不起作用。控制稀燃发动机，如在过量氧气下燃烧燃料的柴油机的NOx排放的方法包括一氧化氮(NO)的催化分解装置和选择性催化还原(SCR)装置。
柴油机排气中的NOx的分解需要高活化能并由此受到约束。因此，必须有催化剂以降低该活化能从而有利于分解。已经用到多种催化剂来分解NOx，包括贵金属、金属氧化物、沸石基催化剂和铜离子交换沸石。
尽管催化剂的使用有助于降低活化能，但是，当前柴油机在起动和中等负荷运转时倾向于呈现冷的排气温度。这延迟了SCR装置的效能。SCR装置需要达到一个最低工作温度以有效过滤NOx。通常，直到发动机起动后几分钟SCR装置才能有效净化排气。
发明内容
因此，提供一种排气系统，该系统包括布置在发动机下游并且将热能引入发动机排气中的加热元件。选择性催化还原(SCR)装置布置在加热元件的下游并且过滤排气中的氮氧化物(NOx)。控制模块与加热元件通信并且根据SCR装置的温度激活该加热元件。
在其它特征中，提供一种柴油机排气系统，该系统包括布置在柴油机下游并且将热能引入柴油机排气中的加热元件。柴油机氧化催化剂位于加热元件的下游并且从排气中清除碳氢化合物和一氧化碳中的至少一者。选择性催化还原(SCR)装置布置在柴油机氧化催化剂的下游并且过滤排气中的氮氧化物(NOx)。控制模块与加热元件通信并且根据SCR装置的温度向该加热元件供能。
在又一些特征中，提供一种操作排气系统的方法，该方法包括产生发动机起动信号。根据发动机起动信号激活布置在柴油机下游并且将热能引入柴油机排气中的电加热催化剂(EHC)。经由位于EHC下游的选择性催化还原(SCR)装置对排气系统中的氮氧化物(NOx)进行过滤。
从本文的描述将明显看出更多的适用领域。应当理解，本描述和特定例子只是起到示例的作用而不意图限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图将能更充分理解本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的结合了选择性催化还原加热系统的典型柴油机系统的一个部分的原理框图，该选择性催化还原加热系统包括电加热催化剂(EHC)和选择性催化还原(SCR)装置；
图2是图1所示典型柴油机系统的另一个部分的原理框图；
图3是根据本发明的一个实施例的放热反应的热流图；和
图4是逻辑流程图，示出了根据本发明的另一个实施例的操作排气系统的方法。
具体实施方式
下列描述实际上只是举例说明并且决不意图限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，附图中用相同的附图标记表示相同的元件。本文所用的术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它的提供所述功能的适当部件。本文所用的语句“A、B和C中的至少一个”应当解释成意味着使用非“异或”的一个逻辑(A或B或C)。应当理解成一个方法内的步骤可以按不同顺序执行，只要不改变本发明的原理。
参照图1-2，示出了机动车11的典型柴油机系统10的一个部分的原理框图，其包括选择性催化还原(SCR)加热系统12。可以预见，柴油机系统10实际上只是示例性的，并且本文所描述的SCR加热系统12可以在具有SCR装置的各种发动机系统中实施。这些发动机系统可以包括但不局限于，汽油直喷式发动机系统和均质充气压燃式发动机系统。
发动机系统10包括柴油机14、进气系统16、燃料喷射系统18、电热塞系统20(或，当应用到火花点火式汽油机中时为点火系统)以及排气系统22。在简化的实施例中，SCR加热系统12包括控制模块24、SCR装置26和电加热催化剂(EHC)28。该EHC28布置在SCR装置26的上游。在更复杂的实施例中，SCR加热系统12可以包括进气系统16、燃料喷射系统18、电热塞系统20、排气系统22及其相关元件、部件和系统。
SCR加热系统12在发动机起动过程初期对SCR装置26进行加热。这就允许SCR装置26的温度在联邦试验程序(FTP)循环中较早升高到有效工作温度，这反过来又降低了废气排放。传统柴油机在冷的排气温度下起动和运转。从最初起动到催化剂后处理系统直到有效工作温度的时间，传统排气系统对防止废气排气没有效果。在起动与排气系统达到高效的有效运行的时间点之间的时帧可以是几分钟。当在低于有效工作温度的温度下工作时(该有效工作温度对一些SCR装置而言是约200℃)，就会排出未经处理的排气。本文所公开和描述的这些实施例迅速且在发动机起动初期提高后处理系统的温度从而大大降低排放污染。
发动机14燃烧空气/燃料混合物以产生驱动转矩。发动机14具有八个气缸40，这些气缸构造成V型布置的相邻气缸组42、44。尽管图1示出了八个气缸(N＝8)，但可以预见，发动机14可以具有更多或更少的气缸。例如，可以考虑具有2、4、5、6、8、10、12和16个气缸的发动机。也可以预见，SCR加热系统12可以在直列式或其它类型的发动机配置中实施并与之结合。
进气系统16可以具有节流板46和/或其它气流控制装置48。节流板46可以位于接近进气歧管50或在进气歧管50内。该进气歧管50安装在发动机14上。
燃料喷射系统18可以是共轨燃料喷射系统，如图所示。燃料喷射系统18具有燃料喷射器52。每个燃料喷射器52结合一个气缸40。燃料喷射系统18向发动机14提供燃料，该燃料与空气混合并且经由压缩和热量和/或电热塞系统20点燃。空气/燃料混合物的点燃向发动机14提供动力以推进机动车11。
电热塞系统20具有电热塞60(或，当应用到火花点火式汽油机中时为火花塞)。在柴油机上使用电热塞60以在起动过程中激活点火过程。电热塞系统20的用途是在发动机14冷机时预热气缸40或预热直喷式发动机的预燃室以更易于起动。
开关62启动控制模块24的工作。开关62可以是点火开关、手动控制开关、控制开关、固态开关、控制模块24内的开关或其它开关。控制模块24通过发信号给起动器64来开动发动机14从而转动飞轮66，这样就开动曲轴68。曲轴68运转正时链70，这样就转动凸轮轴72。控制模块24使SCR加热系统12、发动机14、进气系统16、燃料系统18以及电热塞系统20同步。控制模块24可以使用正时传感器80，例如曲轴位置和凸轮轴位置传感器82以确定每个气缸40中的活塞84的位置，又确定点火冲程正时和其它正时参数。曲轴68和凸轮轴72的位置可以确定每个气缸40中的每个活塞84的位置。通常，凸轮轴72的位置确定每个气缸40中的活塞84是处于进气冲程还是处于压缩冲程。
将空气经过节流板46吸入进气歧管50中。将进气歧管50中的空气吸入气缸40中并且在其中受到压缩。燃料喷射系统18向气缸40中喷射燃料并且压缩空气和/或来自电热塞系统20的热能(热量)点燃空气/燃料混合物。排气从气缸40排入排气系统22中。在一些例子中，发动机系统10可以具有涡轮增压器88，其利用由排气驱动的涡轮90来驱动压缩机92，该压缩机对进入进气歧管50的空气进行压缩。通常，压缩空气在进入进气歧管50之前会经过空气冷却器。
在四冲程发动机中，如示为本发明的一个实施例，每个活塞84都有四个冲程：进气冲程、压缩冲程、膨胀或作功冲程以及排气冲程。曲轴68和凸轮轴72的位置允许控制模块24确定活塞开始进气冲程或结束压缩冲程的时间。当活塞接近进气冲程开始时，控制模块24发信号给燃料喷射器52使之工作。燃料喷射器52向进气歧管50喷射燃料，进气歧管之后是发动机气缸40。尽管描述的是向进气歧管50喷射燃料，但是也可以是直接喷入气缸40中。在结束压缩冲程时，气缸40内的热量点燃在进气冲程进入发动机气缸的空气/燃料混合物，以引起作功冲程从而驱动曲轴68。在发动机气缸中点燃燃料之后，生成的排气在排气冲程经过排气系统22排出。
排气系统22包括排气歧管100、102，排气管96、104、106和SCR加热系统12，这些在所示实施例中被称作柴油机过滤系统或作为柴油机过滤系统的一部分。排气歧管100、102引导相应的气缸组40、44排出的排气进入排气管96、104、106。可选地，EGR阀110可将部分排气再循环回进气歧管50。其余排气引入涡轮增压器88中以驱动涡轮90。涡轮90促进从进气歧管50接收的新鲜空气的压缩。结合的排气流从涡轮增压器88流出经过排气管96。
过滤系统12包括SCR装置26、EHC28、混合器120、柴油机氧化催化剂(DOC)122以及气态或液态还原剂喷射系统124。混合器120布置在SCR装置26的上游。DOC122布置在混合器120的上游。EHC28布置在DOC122的上游。SCR装置26、EHC28、混合器120和DOC122的所示位置顺序只用作举例的作用，还可以实施其它布置。所示实施例中，SCR装置26和混合器120是第一筒128的一部分并且封入该筒中。EHC28和DOC122是第二筒130的一部分并且封入该筒中。第二筒130布置在第一筒128的上游并且连接在涡轮90和第一筒128之间。
DOC122可以具有核心载体，该载体是多层的，包括一个或多个催化剂层和一个中间层，这就增加了核心载体的表面积。该核心载体是陶瓷或不锈钢制成的蜂窝体，并且涂覆有一种或多种贵金属。贵金属的例子是铂、钯、铑、铈、铁、锰、镍和铜。中间层可以包括硅或铝。
还原剂喷射系统124包括反应物箱140、过滤器142和泵144。反应物箱140装有反应物，如氨水或尿素，这些反应物被过滤并且经反应物喷射器146被泵入SCR装置26上游的排气中。反应物与排气混合并且在流过SCR装置26的至少一个排气催化剂床之前进行分解。一旦反应物在排气中发生了汽化，与氮氧化物进行了混合并且经过催化剂，这就将氮的臭氧形式的氮氧化物(NOx)转化成水、氮气和二氧化碳CO2。排气在流入SCR催化剂床之前可以采用混合器的方式进行混合。在第一筒128中可以有多个催化剂层以确保NOx转化充分。SCR催化剂床可以基于具有添加金属氧化物例如氧化钒、氧化钼、氧化钨和/或沸石的氧化钛，其与氨和NOx反应生成对环境无害的氮气、氧气和水。可选地，SCR催化剂床以本领域公知的其它材料为基础。
控制模块24调节柴油机系统10的运转，包括对SCR加热系统12、进气系统16、燃料喷射系统18、电热塞系统20和排气系统22的操纵。因此，控制模块24被看作每个系统16、18、20、22的一部分。控制模块24操纵柴油机系统10以在发动机起动时快速、有效地提高排气系统22的温度，包括DOC122和SCR装置26的温度。在一个实施例中，控制模块24在发动机起动时向EHC28供电。在本发明的另一个实施例中，控制模块24在发动机起动之前向EHC28供电。控制模块24可以预测、估计和/或确定起动过程即将开始，例如在约1-3分钟以内。在确定要发生起动过程时，控制模块24可以预热EHC28，由此允许SCR装置26和DOC122在起动时更快提高温度。
给EHC28的电流受到控制并且经由控制模块24、开关148和电源150进行供电以开始加热过程。电源150输出的电流可以如所示直接供给EHC28，或者在被EHC28接收之前供给控制模块24。加热过程的持续时间可不同。可以预见，加热过程可以持续1-4分钟之间。更具体地，电能加热EHC28一个阀值时段(例如，1-3分钟)。流经EHC28的排气被加热。
现在还参照图3，该图示出了放热反应的热流图。该热流图说明了EHC排气能量杠杆效应技术。EHC28用作小质量催化加热元件和点火器。EHC28加热和/或点燃用箭头160表示的排气，该排气流入DOC122中。排气160包括燃烧产物，例如氢气(H2)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氧气(O2)。电流形式的电能用箭头162表示，供给EHC28。电流162提高EHC28的温度，这就增加了排气160的热能以产生第一激活能q1放热量和以电为基础的第二激活能q2。第一激活能q1放热量代表排放物的放热能量。
第一激活能q1和第二激活能q2用箭头164和166表示。DOC122用作催化燃烧器。
提供第一激活能q1和第二激活能q2到DOC122并且激活DOC122，这就提供大的热输出，用第三激活能q3放热量箭头168表示。DOC122的热输出比EHC28的热输出大得多。大的热输出快速提高了SCR装置26的温度。上述热反应可以称作快速转化器起燃，这就提供了低的冷起动排放。换句话说，由于快速、有效地提高了DOC和SCR装置的温度，就降低了排放物输出。
例如，EHC28的温度可以等于排气的初始温度St加上添加到EHC28的能量El除以排气质量Em的值再减去热损失Hl，用式1表示。
S t = E l E m - H l - - - ( 1 )
添加到EHC的能量El除以排气质量Em的值，等于EHC28两端的电压V乘以供给EHC28的电流C和向EHC28供电的时间，再除以EHC的质量EHCm，用公式2表示。
E l E m = V * C * T EH C m - - - ( 2 )
因为质量EHCm和EHC28的电阻是恒值，所以添加的能量El除以排气质量Em的值可以设定为等于第一常数Kl乘以电压V的平方再乘以时间T，用公式3表示。
E l E m = K 1 * V 2 * T - - - ( 3 )
热损失可以设定为等于第二常数K2乘以排气流量Ef再乘以初始温度St，用公式4表示。排气流量Ef以单位时间的流量单位进行测量。
H1＝K2*Ef*St    (4)
控制模块24可具有中央处理器、存储器(RAM和/或ROM)以及相关输入、输出总线或是其它形式的模块。控制模块24可以是由机动车中央主控制器、机动车交互式动态模块、能量控制模块、点火控制器、带电源的控制电路的一部分，组合到单个集成控制器中，或可以是独立的控制器，如图所示。
柴油机系统10可包括各种传感器170，这些传感器可以是SCR加热系统12、进气系统16、燃料喷射系统18、电热塞系统20、排气系统22或机动车其它系统的一部分或由它们共用。传感器170可包括正时传感器80，还有进、排气传感器172，空气/燃料传感器174，以及机动车的其它传感器。
进、排气传感器172可包括温度传感器180，例如EHC温度传感器182和SCR温度传感器184。进、排气传感器172还可包括EHC电流传感器186、压力传感器188、流量传感器190、氧传感器192、NOx传感器194以及其它排气传感器。空气/燃料传感器174可包括空气/燃料压力传感器196、空气/燃料流量传感器198和其它的空气/燃料传感器。正时传感器80在除曲轴和凸轮轴传感器82之外，还可包括变速器传感器、动力传动系统传感器或一些其它的正时传感器。传感器170可用于柴油机系统10的状态确定和控制。控制模块24根据从传感器170收到的信息确定进行排气加热的时间并且控制发动机的运转以促进有效加热。
现在参照图4，示出了操作排气系统的方法的流程图。用于操纵所述方法运行的控制例程可由图1-2的控制模块执行。尽管参照图1和2的实施例主要描述了下列步骤，但它们也易于应用到本发明的其它实施例和/或为本发明的其它实施例进行修改。
在步骤200处，EHC28可在发动机起动前进行预热。控制模块24可接收发动机起动信号并且根据该信号来激活SCR加热系统12并且进行供电以激活EHC28。起动信号可以以开关62的状态为基础。
在步骤202处，起动发动机14。初始化进气、燃料和电热塞系统。控制模块24利用曲轴和凸轮轴传感器82确定曲轴68和凸轮轴72的位置。点火参考和喷射参考发动机气缸分别由曲轴和凸轮轴位置确定。点火参考发动机气缸是活塞接近压缩冲程结束的气缸。喷射参考气缸是活塞接近进气冲程开始的气缸。可以确定同步值，例如点火系统同步值、燃料系统同步值、空气流量同步值和其它同步值。可以根据曲轴68和凸轮轴72的位置确定这些同步值。
如果之前没有在例如步骤200中激活SCR加热系统12，就在步骤204处激活SCR加热系统12。
在步骤206处，控制模块24减小和/或最小化排气流。可以允许EHC起动策略算法来减小排气流并且提高EHC28的加热性能。为了减小排气流，控制模块24在活塞84的上止点之前产生稀燃料脉冲。控制模块24也可以经过进气系统16减少进气。在使用怠速空气控制阀时，可以调整其位置。可降低发动机14的每分钟转数(RPM)，这就减小了排气流并且使EHC28更快变热。EHC28可加热到约400-500℃。
在步骤208处，控制模块24接收或产生EHC温度信号。EHC温度信号可由EHC传感器182直接产生或间接产生。当间接产生时，可根据排气温度、排气流量、给EHC28的供电或其它参数估计或确定EHC温度信号。
在步骤210处，当EHC28达到预定温度时，控制模块24就进行到步骤212和214。该预定值与排放物被消耗的温度相关。在步骤212处，控制模块24解除EHC28的工作。
在步骤214处，启动排气放热能量控制策略从而增加发动机14排放物如碳氢化合物和一氧化碳的生成量。调节进气系统16和燃料喷射系统18以增加排放物输出。例如，增加进气和燃料喷射。作为另一个实施例，增大燃料/空气比值以在发动机相关循环中例如在活塞循环的上止点之前提供浓进气脉冲。也可以在排气冲程喷射燃料以增加排放物输出。排放物在接触已受热的元件和/或高温催化剂时发生放热反应。该反应产生大量热能，这些热能使排气后处理技术有效、更快地运作。经过EHC28的受热的排气使DOC122和SCR装置26能够充分起作用。
在步骤216处，产生SCR温度信号。SCR温度信号可以由SCR温度传感器直接产生或间接产生。还可以根据排气温度、排气流量、给EHC28的供电或其它参数间接估计或确定SCR温度。当SCR装置26达到第二预定温度例如约200℃时，SCR装置26就处于有效状态。当SCR装置26的温度低于200℃时，SCR装置26就处于无效状态或部分有效状态。
在步骤218处，当SCR装置26达到第二预定温度时，控制模块24进行到步骤220。在步骤220处，可以降低排放物输出从而为当前发动机运转或驱动状态提供正常输出。在步骤222处，当SCR装置26达到第二预定温度时，启动经由还原剂喷射系统124向排气中喷射气态和/或液态还原剂。
上述步骤只意味着说明性的例子；这些步骤可以依次地、同步地、同时地执行，或者根据用途以不同顺序执行。注意到，在发动机运转过程中，当SCR装置26的温度下降到或低于第二预定温度时，可以重复或执行上述步骤中的一个或多个。这样，控制模块24操纵SCR加热系统12以使SCR装置26保持在第二预定温度。这就保持了排气系统22的高效率、高效力过滤。
上述实施例包括一体的发动机控制和杠杆效应排气能量从而在发动机起动过程以及起动时提供尾管低排放。
现在本领域技术人员能够从上文的描述知道，可以以多种形式实施本发明的宽泛教导。因此，尽管本发明包含特定例子，但是，本发明的实际范围不会因此受到限制，因为对本领域技术人员来说通过研究附图、说明书和下列权利要求可以很明显地得到其它变型。

Claims (19)

1.一种排气系统，包括：
加热元件，布置在发动机下游并且将热能引入所述发动机的排气中；
选择性催化还原(SCR)装置，布置在所述加热元件的下游并且过滤所述排气中的氮氧化物(NOx)；和
控制模块，与所述加热元件通信并且根据所述SCR装置的第一温度向所述加热元件供能，
其中，所述控制模块操纵所述发动机以根据所述加热元件的第二温度降低所述排气的流量。
2.如权利要求1所述的排气系统，其中，所述控制模块根据所述发动机的起动向所述加热元件供能。
3.如权利要求1所述的排气系统，其中，所述控制模块根据所述排气流率、给所述加热元件的供电和排气温度中的至少一者确定所述第二温度。
4.如权利要求1所述的排气系统，还包括产生温度信号的温度传感器，所述控制模块根据所述温度信号确定所述第二温度。
5.如权利要求1所述的排气系统，其中，所述控制模块根据所述加热元件的温度解除所述加热元件的供能并且操纵所述发动机以增加碳氢化合物和一氧化碳中的至少一者的输出。
6.如权利要求5所述的排气系统，其中，所述控制模块操纵所述发动机以增加所述输出直到所述第一温度大于或等于预定温度。
7.如权利要求1所述的排气系统，其中，所述加热元件包括电加热催化剂。
8.如权利要求1所述的排气系统，还包括位于所述加热元件下游的柴油机氧化催化剂。
9.如权利要求1所述的排气系统，其中，所述SCR装置包括用于降低所述排气的活化能的催化剂载体。
10.一种排气系统，包括：
加热元件，布置在柴油机下游并且将热能引入所述柴油机的排气中；
柴油机氧化催化剂，位于所述加热元件的下游并且从所述排气中清除碳氢化合物和一氧化碳中的至少一者；
选择性催化还原(SCR)装置，布置在所述柴油机氧化催化剂的下游并且过滤所述排气中的氮氧化物(NOx)；和
控制模块，与所述加热元件通信并且根据所述SCR装置的第一温度向所述加热元件供能，
其中，所述控制模块操纵所述发动机以根据所述加热元件的第二温度降低所述排气的流量。
11.如权利要求10所述的排气系统，其中，所述控制模块根据所述柴油机的起动向所述加热元件供能。
12.如权利要求10所述的排气系统，其中，所述控制模块在从第一时间段和第二时间段中的至少一者选定的时间段期间向所述EHC供能，其中，所述第一时间段在所述柴油机的起动之前并且所述第二时间段在所述柴油机的起动过程中开始。
13.一种操作排气系统的方法，包括：
产生发动机起动信号；
根据所述发动机起动信号向布置在柴油机下游并且将热能引入所述柴油机排气中的电加热催化剂(EHC)供能；以及
经由位于所述EHC下游的选择性催化还原(SCR)装置对所述排气系统中的氮氧化物(NOx)进行过滤；
其中，操纵所述发动机以根据所述EHC的温度降低所述排气的流量。
14.如权利要求13所述的方法，其中，在从第一时间段和第二时间段中的至少一者选定的时间段期间向所述EHC供能，其中，所述第一时间段在所述柴油机的起动之前和所述第二时间段在所述柴油机的起动过程中开始。
15.如权利要求13所述的方法，还包括：
产生EHC温度信号；以及
根据所述发动机起动信号和所述EHC温度信号降低排放物产生。
16.如权利要求13所述的方法，还包括：
产生EHC温度信号；以及
根据所述EHC温度信号解除所述EHC的供能。
17.如权利要求13所述的方法，还包括：
产生EHC温度信号；以及
根据所述EHC温度信号增加所述柴油机的排放物输出。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：
产生SCR温度信号；以及
根据所述SCR温度信号降低所述排放物输出。
19.如权利要求17所述的方法，还包括：
产生SCR温度信号；以及
根据所述SCR温度信号启动向所述排气中喷射气态还原剂和液态还原剂中的至少一者。
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