CN101368532B - 用于辅助dpf再生的进气加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于辅助DPF再生的进气加热器。提供一种用于提高柴油发动机性能的装置和方法。在低发动机载荷和冷环境温度时，进气加热器经由交流发电机增加发动机载荷，这继而使得发动机能够通过燃烧过程燃烧更多的燃料。燃烧后的燃料提高排气温度，这从而适于冷启动，控制白烟，且有助于DPF再生。

Description

用于辅助DPF再生的进气加热器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年8月17日提交的美国临时专利申请No.60/956,447的优先权，上述申请通过参考全文引入。
技术领域
本发明涉及一种进气加热器，所述进气加热器设计为在冷的天气条件期间有助于发动机点火，防止白烟，并支持DPF再生。
背景技术
柴油动力发动机通常由所喷射的燃料和热压缩空气的混合物点火。虽然不需要外部点火设备(例如，火花塞)，但是冷的天气条件对于启动柴油发动机会引起显著的困难。即，当环境温度降低时，内燃机的温度可能不足以实现所喷射的燃料的适当点火。因而，各种启动辅助装置通常结合入柴油动力发动机中，以产生足够量的热来启动点火。
利于在柴油发动机中点火的一种优选方法包括采用电热塞。通常，电热塞布置在柴油发动机的每个燃烧室中，且操作中它们有效地加热燃烧室。
由于柴油发动机在低环境温度条件运行时引起的附加问题涉及不希望的尾气排放，如“白烟”。白烟可能归因于由于发动机的不着火或不完全燃烧引起的未燃烧碳氢化合物的释放。低温环境空气和低发动机载荷操作将发动机内的充气混合物温度降低至燃烧事件变为不稳定的程度。
柴油发动机也必须设计为抵抗由于不完全燃烧引起的未燃烧碳烟微粒。因而，大多数柴油发动机特征在于柴油微粒过滤器(DPF)，即设计用于收集微粒物质的设备。然而，随着DPF内微粒物质数量增加，必须清洁DPF以恢复其可操作性。从DPF去除积聚的微粒物质的过程通常称为再生。再生包括将DPF的温度增加至大约550℃的过程，从而微粒物质燃烧或焚烧。然而，典型地，这样的温度仅在高载荷和高发动机速度条件期间达到。因而，当柴油发动机在低载荷操作时，燃料可能以小量喷射，且排气的温度下降到再生水平之下。
制造商已经提出各种技术来提高排气温度至适于实施再生的水平。例如，本领域中已知包括催化剂以氧化排气中的未燃烧成分，从而提高排气温度。此外，排气温度可以通过称为后喷射的过程增加。后喷射指的是在燃烧室或排气系统中提供额外的燃料的方法。额外的燃料不在发动机汽缸中燃烧，而是用布置在排气管中的催化剂氧化以增加排气温度。然而，在冷启动之后，在产生足够量的热能以启动催化活性之前，发动机必须操作超过100秒。为了减少该时间，可以设置加热设备以将额外的热引入排气路径中。
发明内容
根据本发明，提供一种设计为提高柴油发动机性能的闭环加热系统。所述闭环加热系统包括进气加热器，所述进气加热器适于加快排气的加热以助于DPF再生。响应于关于DPF再生的预定参数组，发动机控制模块(ECM)发送代表性信号给高电流控制模块(HCCM)，从而起用所述进气加热器。因而，所述进气加热器经由发动机交流发电机增加发动机载荷，这继而使得发动机能够通过燃烧过程烧掉更多的燃料。燃烧事件产生的热有助于促进增加的排气温度以支持DPF再生。
一旦排气达到预定温度，停用所述进气加热器。然而，响应于需要DPF再生的各个因素，ECM起用整体适配在闭环加热系统内的额外排气温度增加机构。
本发明还提供用于提高柴油发动机性能的方法。更具体而言，本发明提出一种采用加热设备以加载交流发电机从而支持柴油微粒过滤器中积聚的微粒物质的再生的新式方法。该方法总体上包括以下步骤：1)感测从柴油发动机排出的排气温度；和2)当所述排气温度低于预定温度时经由加热设备加热发动机进气。根据优选实施例，所述加热设备可操作经由交流发电机增加发动机载荷，其中增加的发动机载荷增加排气温度。因而，增加的排气温度用于支持捕获在柴油微粒过滤器中的微粒物质的再生。
在示范性实施例中，该方法还包括通过将额外的未燃烧燃料引入柴油发动机的排气管而提高排气温度。一方面，当所述排气温度在预定范围内时，可以引入额外的未燃烧燃料。可替换地，当柴油微粒过滤器在其中积聚预定量的微粒物质时，也可以引入额外的未燃烧燃料。
本发明的一个优势在于，进气加热器修正为支持100％的工作循环的更长持续时间，以助于在DPF再生期间加载交流发电机。
本发明的上述特征和优势以及其它特征和优势从用于实施本发明的最佳模式的以下详细说明结合附图显而易见。
附图说明
图1是示出了根据本发明的优选实施例的闭环加热系统的示意性方块图。
具体实施方式
总体上参见图1，示出了根据本发明的闭环加热系统10，闭环加热系统10包括安装到柴油发动机E的进气歧管(未示出)的进气加热器12。柴油发动机E包括燃烧室(未示出)，所述燃烧室具有燃料喷射喷嘴(未示出)以在其中喷射燃料，其中，所喷射的燃料与热压缩空气混合。由此，空气/燃料混合物在燃烧室内燃烧，且得到的排气排出到排气管20。
排气管20适于将排气传送给排气后处理设备22，排气后处理设备22包括布置在柴油微粒过滤器(DPF)26上游的柴油氧化催化剂(DOC)24。DOC24可以包括本领域已知的许多结构之一，其中，耐热陶瓷构件，例如但不限于堇青石蜂窝形本体，在其表面上支撑氧化催化剂。类似地，DPF26是陶瓷过滤器，包括本领域已知的许多结构之一，例如但不限于具有多个通道的堇青石蜂窝形本体，邻接的通道的进口和出口交替地封闭。
当气体通过排气后处理设备22时，DOC24经由催化反应氧化排气中的碳氢化合物，从而增加排气温度。有利地，提高的排气温度通过增加DPE26的温度有助于再生，因而，去除在其中所捕获的微粒物质。
然而，在轻发动机载荷和/或低环境温度时，如果排气温度不足够高以起动催化反应，就不能发生再生。因而，为了防止由于在DPF26中积聚的大量微粒物质引起的后果，如导致发动机E降低性能的增加的背压，排气温度必须提高。可以采用本领域已知的许多机构来提高排气温度。然而，排气温度升高的方式直接取决于当前排气温度。
为了监测排气温度，可以在排气管20中布置一个或更多的排气温度传感器28。例如，排气温度传感器28A和28B可以布置在相对于DPF26的上游和/或下游。可替换地，仅一个排气温度传感器28A或28B设置在相对于DPF26的上游或下游，其中DPF26的温度可以从排气温度传感器28的输出估计。排气温度传感器可操作地连接到电子控制模块(ECM)16，其中排气温度传感器可操作地设置为检测DPF26的进口和出口气体的温度，且输出相应温度给ECM16。根据预定参数组，ECM16促进起用整体连接到柴油发动机E的一个或更多部件，以实现DPF再生。
ECM16经由高电流控制模块(HCCM)18可操作地连接到进气加热器12。因而，当ECM16检测到排气温度低于预定温度(例如但不限于，250℃)时，ECM16命令HCCM18起用进气加热器12。然而，应当注意，由于HCCM18吸取大量的电流，被强加上限。由此，HCCM18设计为使得：如果它超过预定温度(例如但不限于，90℃)，其电路板自动切断。因而，将拒绝由HCCM18从ECM16接收的起用进气加热器12的任何请求。
如图1所示，进气加热器12直接联接到交流发电机30。交流发电机30与柴油发动机E机械联接。一旦起用，进气加热器12吸取大量的电流，且施加电载荷给交流发电机30。然而由于从发动机E的电池32消耗的附加电流，交流发电机30增加发动机载荷需求以给电池32再充电。当发动机功率水平增加时，额外的燃料燃烧，从而产生额外的热。因此，该额外的热有助于提高排气温度，这继而有助于DPF再生。
一旦排气达到预定升高温度(例如但不限于，250℃或更高)，ECM16触发指令给HCCM18以停用进气加热器12。因而，进气加热器12仅在排气低于预定温度(例如但不限于，250℃)时操作，这通常发生在低环境温度(例如但不限于，10℃和以下)时。虽然使用进气加热器12的时间长度相对短，但总体时间周期部分依赖于某些因素。例如，在增加的发动机载荷和环境温度时，进气加热器起用的持续时间减少。
除了采用进气加热器12之外，ECM16允许可替换机构来辅助DPF再生。即，由于发动机具有多个操作状态，ECM16功能上适于响应于关于DPF再生的某些因素经由额外的机构来增加排气温度。例如，当ECM16检测到排气温度下降到预定温度范围(例如但不限于，250到600℃)内时，ECM16触发排气温度增加机构，例如但不限于后喷射。在后喷射操作中，喷入排气管20的未燃烧燃料通过DOC24氧化，从而提高排气温度。可替换地，ECM16可以设置为一旦检测到在DPF26中捕获到预定量的微粒物质就起用后喷射(或其它合适的排气温度增加机构)。此外，可以采用电加热设备，例如但不限于电热塞，以增加排气温度。
本发明还提供用于提高柴油发动机E性能的方法。该方法包括：经由诸如上述传感器28A、28B的机构感测排气温度；和当所述排气温度低于预定温度时起用加热设备，例如但不限于上述进气加热器12，以增加进气温度。进气加热器12可操作联接到上述交流发电机30，其中交流发电机30机械地联接到柴油发动机E。当起用时，进气加热器12从电源(如上述电池32)吸取电能，因而增加交流发电机载荷需求以将电池32再充电。增加的交流发电机载荷需求增加发动机载荷，增加的发动机载荷增加排气温度。增加的排气温度有助于积聚在收集微粒物质的装置(例如但不限于，上述柴油微粒过滤器(DPF)26)中的微粒物质的再生。
优选地，该方法还包括当排气温度达到等于或大于预定温度的温度时，停用进气加热器12。在示范性实施例中，该方法包括：当排气温度在预定温度范围内时，将燃料引入到排气，其中，所述燃料可用以提高排气温度。此外，该方法包括：当DPF26积聚预定量的微粒物质时引入燃料。
虽然已经详细描述用于实施本发明的最佳模式，本发明所属领域技术人员将认识到在所附权利要求书范围内的用于实施本发明的各种可替换设计和实施例。

Claims (18)

1.一种加热系统，包括：
加热设备，所述加热设备可操作地连接到交流发电机，所述交流发电机机械地联接到柴油发动机；和
排气后处理设备，所述排气后处理设备用于再生从所述柴油发动机排出的排气中的微粒物质；
其中，所述加热设备可操作地设置为经由所述交流发电机增加发动机载荷；以及
其中所述加热设备是进气加热器，当排气温度低于预定温度时，所述进气加热器可操作以经由交流发电机增加发动机载荷。
2.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块可操作地连接到所述加热设备，且可操作以起用和停用所述加热设备，所述控制模块响应于预定参数组。
3.根据权利要求2所述的加热系统，其特征在于，所述排气后处理设备包括用于收集微粒物质的柴油微粒过滤器。
4.根据权利要求3所述的加热系统，其特征在于，所述排气后处理设备还包括柴油氧化催化剂，所述柴油氧化催化剂设置为氧化流动通过其的排气中的碳氢化合物，所述柴油氧化催化剂布置在所述柴油微粒过滤器的上游。
5.根据权利要求4所述的加热系统，其特征在于，其中，增加的发动机载荷增加排气温度；和
其中，增加的排气温度有助于再生所述柴油微粒过滤器。
6.一种用于提高柴油发动机性能的闭环加热系统，包括：
进气加热器，所述进气加热器可操作地设置为提高从所述柴油发动机排出的排气温度；
交流发电机，所述交流发电机可操作地连接到进气加热器且可操作以增加发动机载荷，所述交流发电机机械地联接到柴油发动机；和
排气后处理设备，所述排气后处理设备包括柴油微粒过滤器，所述排气后处理设备可操作地设置为再生从所述柴油发动机排出且传递给柴油微粒过滤器的排气中的微粒物质；
其中当排气温度低于预定温度时，所述进气加热器可操作以经由交流发电机增加发动机载荷。
7.根据权利要求6所述的闭环加热系统，其特征在于，还包括第一控制模块，所述第一控制模块可操作地设置以起用和停用所述进气加热器，所述第一控制模块响应于从可操作地连接到进气加热器的第二控制模块发送的控制信号。
8.根据权利要求7所述的闭环加热系统，其特征在于，还包括至少一个传感器，以检测排气温度，所述至少一个传感器可操作地连接到所述第二控制模块且可操作以输出排气温度给第二控制模块。
9.根据权利要求8所述的闭环加热系统，其特征在于，所述排气后处理设备还包括柴油氧化催化剂，所述柴油氧化催化剂设置为氧化流动通过其的排气中的碳氢化合物，所述柴油氧化催化剂布置在所述柴油微粒过滤器的上游。
10.根据权利要求9所述的闭环加热系统，其特征在于，所述第一控制模块是高电流控制模块，所述第二控制模块是电子控制模块；且
其中，所述电子控制模块可操作地设置为在排气温度低于预定温度时激励高电流控制模块以起用进气加热器。
11.根据权利要求10所述的闭环加热系统，其特征在于，还包括至少一个电加热设备，所述至少一个电加热设备可操作地连接到电子控制模块且可操作以增加排气温度。
12.根据权利要求10所述的闭环加热系统，其特征在于，所述电子控制模块可操作地设置为：当排气温度处于预定温度范围内时，经由后喷射增加排气温度。
13.根据权利要求10所述的闭环加热系统，其特征在于，所述电子控制模块可操作地设置为：当柴油微粒过滤器积聚了预定量的微粒物质时，经由后喷射增加排气温度。
14.一种闭环加热系统，所述闭环加热系统用于辅助再生包括柴油微粒过滤器在内的排气后处理设备，以清洁从柴油发动机排出的排气中的微粒物质，所述闭环加热系统包括：
进气加热器，所述进气加热器可操作地设置为提高从所述柴油发动机排出的排气温度，当排气温度低于预定温度时，所述进气加热器可操作；
交流发电机，所述交流发电机可操作地连接到进气加热器，所述交流发电机机械地联接到柴油发动机；
柴油氧化催化剂，所述柴油氧化催化剂用于氧化从柴油发动机排出且流动通过所述柴油氧化催化剂的排气中的碳氢化合物，所述柴油氧化催化剂布置在所述柴油微粒过滤器的上游；
高电流控制模块，所述高电流控制模块用于起用和停用所述进气加热器，所述高电流控制模块响应于从可操作地连接到进气加热器的电子控制模块发送的控制信号；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于检测排气温度，所述至少一个传感器可操作地连接到所述电子控制模块且可操作以输出排气温度给电子控制模块；
其中，所述进气加热器还可操作地设置为经由交流发电机增加发动机载荷；
其中，增加的发动机载荷促使增加排气温度；和
其中，增加的排气温度有助于再生所述柴油微粒过滤器。
15.一种支持柴油微粒过滤器再生的方法，包括：
感测从柴油发动机排出的排气温度；和
当所述排气温度低于预定温度时，经由交流发电机起用加热设备以增加发动机载荷，所述交流发电机机械地联接到柴油发动机；
所述加热设备是进气加热器，当排气温度低于预定温度时，所述进气加热器可操作以经由交流发电机增加发动机载荷；
其中，增加的发动机载荷增加排气温度；和
其中，增加的排气温度有助于再生所述柴油微粒过滤器。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：当排气温度至少达到预定温度时，停用所述加热设备。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：当排气温度处于预定温度范围内时，将燃料引入到排气，所述燃料可用以提高排气温度。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：当柴油微粒过滤器积聚了预定量的微粒物质时，将燃料引入到排气，所述燃料可用以提高排气温度。
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