CN101415915B - 用于操作减排系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作减排组件(10)的方法，该方法包括确定颗粒过滤器(18)是否需要再生以及调节内燃发动机(12)的运转以增大所述发动机(12)产生的废气中的氧气含量，从而在燃料燃烧器(16)中产生热量，用于燃烧被捕集在颗粒过滤器(18)中的积碳。本发明还公开一种减排组件(10)。

Description

用于操作减排系统的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及一种减排装置，更具体地涉及一种操作减排装置的方法，该减排装置包括用于颗粒过滤器的再生装置。
背景技术
未经处理的内燃发动机排放物(例如柴油机排放物)包括诸如氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物和一氧化碳等。而且，来自某些类型的内燃发动机-例如柴油机的未经处理的排放物还包括碳基颗粒物或“积碳”。涉及积碳排放物的联邦条例变得越来越严格，因而对于从发动机排放物中去除积碳的装置和/或方法的需要便更加迫切。
通过使用诸如过滤器或收集器之类的减排装置，能够减少发动机系统释放的积碳量。这些过滤器或收集器被周期性地再生以便去除积碳。可以用燃烧器使被捕集在过滤器中的积碳燃烧，从而使过滤器或收集器再生。使用燃烧器燃烧积碳会使流过发动机系统的废气的温度升高，而这些废气最终要释放到大气中。
发明内容
根据本发明的一个方面，用于操作减排系统的方法可包括确定颗粒过滤器是否需要再生并响应于确定结果而生成信号。响应于所述信号的生成，内燃发动机的运转被调节以增大发动机产生的废气中的氧气含量。废气可行进到燃料燃烧器。该燃料燃烧器可产生热量以点燃被捕集在颗粒过滤器中的积碳。
根据本发明的另一个方面，减排组件可包括内燃发动机、颗粒过滤器、燃料燃烧器以及控制器。燃料燃烧器可位于颗粒过滤器上游。控制器可电联接到内燃发动机和燃料燃烧器。控制器可包括处理器和电联接到处理器的存储器。存储器中存储有可由处理器执行的多个指令。执行所述指令可以使处理器确定颗粒过滤器是否需要再生并响应于确定结果而生成控制信号。执行所述指令还可以使处理器响应于控制信号的生成而调节内燃发动机的运转，以增大发动机产生的废气中的氧气含量。执行所述指令还可以使处理器响应于控制信号的生成而操作燃料燃烧器，从而生成热量以点燃被捕集在颗粒过滤器中的积碳。
附图说明
图1是减排系统的一个示例性实施方式的示意图。
图2是减排系统的另一个示例性实施方式的示意图。
图3是减排系统的再一个示例性实施方式的示意图。
图4是减排系统的又一个示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
如本文中将更详细地描述的，与诸如柴油机12之类的内燃发动机结合使用的减排组件10包括积碳消除组件14。如图1所示，积碳消除组件14具有燃料燃烧器16和颗粒过滤器18。燃料燃烧器16位于颗粒过滤器18的上游(相对于图1中以箭头标示的来自发动机的废气流)。在发动机12的运转过程中，废气流过颗粒过滤器18从而使积碳被捕集在过滤器18中。经过处理的废气通过排气口20释放到大气中或者流向下游的(相对于废气流)其它减排装置。在发动机运转过程中，燃料燃烧器16不时地选择性地操作以使颗粒过滤器18再生。
在操作过程中，燃料燃烧器16接收燃料供给以产生用于加热流过排气管线27的废气的火焰。被加热的废气朝下游行进到颗粒过滤器18并点燃被捕集在其中的积碳。燃料燃烧器16必须维持能够将流过的废气加热到足以点燃颗粒过滤器18中的积碳的温度的火焰。为了达到足够高的温度，燃料燃烧器16需要足量的氧气，用于燃烧并因此而加热废气。然而，在常规运转过程中诸如发动机12之类的发动机产生的废气中所含的氧气可能不足以允许燃料燃烧器16达到再生温度。之前采用空气补充供给装置来解决此问题，所述空气补充供给装置可构造成沿废气路径设置以便给燃料燃烧器提供用于燃烧的空气。然而，可以通过本文中描述的方法来调节发动机12的运转以产生含有足量氧气的废气，所述氧气供给燃料燃烧器16，用于过滤器18的再生。一旦启动燃料燃烧器16，其便开始产生热量。这些热量通过废气流向下游并与颗粒过滤器18的上游面接触。该热量点燃被捕集在过滤器基质中的积碳颗粒并使之燃烧，从而使颗粒过滤器18再生。
颗粒过滤器18可以是能够通过商业途径获得的任何类型的颗粒过滤器。例如，颗粒过滤器18可以是诸如“深层”过滤器或“壁流”过滤器之类任何公知的废气颗粒过滤器的形式。深层过滤器可以是金属网过滤器、金属或陶瓷发泡过滤器、陶瓷纤维网过滤器等形式。另一方面，壁流过滤器可以是堇青石或碳化硅陶瓷过滤器(cordieriteor silicon carbide ceramic filter)的形式，所述过滤器具有设置在其前部和后部的交错的通道，从而迫使气体穿过壁而流入一个通道并从另一个通道流出。而且，过滤器基质中可填充有催化材料，例如贵金属催化材料。该催化材料可以是例如铂、铑、钯以及这些金属的组合的形式，也可以是任何其它相似的催化材料。使用催化材料会降低点燃被捕集在其中的积碳颗粒所需的温度。更明确地说，600-650摄氏度范围内的热量足以使非催化过滤器再生，但是300-350摄氏度范围内的热量便足以使催化过滤器再生。
在一种示例性实施方式中，颗粒过滤器18的再生仅需几分钟。而且，应当理解的是，一旦被来自燃料燃烧器16的热量启动，颗粒过滤器18的再生便可以是自行维持的。具体而言，一旦过滤器18被加热到被捕集在其中的积碳颗粒开始点火的温度，被捕集在其中的积碳的最初部分的燃烧能够导致剩余积碳颗粒的燃烧，就像香烟从一端燃烧到另一端的方式一样。事实上，当积碳颗粒“燃烧”时，热量在“燃烧区域”释放。在局部位置，积碳层(燃烧区域中的)现在比与其紧邻的周围环境要热很多。这样一来，热量便转移到了燃烧区域下游的未点燃的积碳层。所转移的能量足以使氧化反应开始进行，所述氧化反应使未点燃积碳的温度升高到其燃点以上。因此，仅需要用来自燃料燃烧器16的热量来开始过滤器18的再生过程(即开始对捕获在其中的积碳颗粒的点火过程)。
如图1所示，供给用于过滤器18再生的足量氧气的一种方法包括将发动机12构造成废气再循环(EGR)式。在该示例性实施方式中，EGR管线22将排气管线27和发动机12相互连接起来。EGR管线22允许一部分废气与吸入的燃烧空气一起再循环到发动机的进气门(未图示)并最终进入发动机12的燃烧室13，这减少了排出发动机12的废气中含有的排放物的量。然而，在操作过程中，供给发动机12的再循环废气的量代替了供给发动机的相应的燃烧空气的量。这导致燃烧室13中的氧气含量降低，从而导致发动机12产生的废气中的氧气含量降低。
在该示例性实施方式中，EGR阀24示出为沿EGR管线22设置在排气管线27和发动机12之间。阀24能够被操作以控制供给发动机12的再循环废气的量。当阀24被操作以减小供给发动机12的燃烧室13的废气量时，便能够通过发动机12的进气门将更多空气供给燃烧室13。允许更多空气而不是废气进入发动机12的燃烧室13将会使从发动机12排出的废气中的含氧量高于阀24全开时所生成的废气中的含氧量。这使得更多氧气能够被输送到燃料燃烧器16，用于过滤器18的再生。阀24可以完全关闭从而使燃烧室13中只有用于燃烧的空气和燃料。
如图1所示，控制器25可用于解释与减排组件10(在某些情况下是发动机12)相关的传感器发出的电信号并用于致动与减排组件10相关的电控制部件。例如，除了其它方面，控制器25能够操作从而确定积碳消除组件14的颗粒过滤器18何时需要再生、计算并控制引入燃料燃烧器16中的燃料量、确定积碳消除组件14内各个位置的温度、操作多个空气和燃料阀以及和与发动机12相关联的发动机控制单元(未图示)进行通信。
为了实现所述功能，控制器25包括多个电子元件，所述电子元件通常与用于控制机电系统的电子单元相关联。例如，除了通常包含在这种装置中的其它元件以外，控制器25可包括诸如微处理器或微控制器之类的处理器和诸如包括可擦除可编程只读存储器(EPROM’s或EEPROM’s)在内的可编程只读存储器(“PROM”)。除了其它方面，存储器设置成存储例如软件程序(或者程序)形式的指令，当处理器执行所述指令时，所述指令使控制器25能够控制减排组件10的操作。控制器25也可构造成接收来自在减排组件10中使用的模拟或数字传感器的信号。
控制器25可通过控制线路17来控制燃料燃烧器16的操作。特别地，控制器25可通过控制控制线路17上的合适的控制信号来控制喷入燃料燃烧器16中的燃料量。存储器可以存储过滤器18的再生所需的燃料量。这使得控制器25能够确保合适量的燃料被用于产生足够的热量，以点燃过滤器18中的积碳。控制器25能够通过传感器29确定过滤器18是否需要再生。传感器29可以感测通过过滤器18的压降从而确定是否需要再生并通过控制线路19将指示信号传输给控制器25。当要对颗粒过滤器18进行再生时，控制器25可通过控制线路21控制阀24以减小供给燃烧室13的再循环废气的量，从而使供给燃料燃烧器16的废气中的氧气含量增大。应当理解的是，用于开始过滤器再生的控制方案可以多种不同方式进行设计。例如，可采用基于时间的控制方案，其中颗粒过滤器18的再生作为时间的函数而开始。例如，可以预定时间间隔执行颗粒过滤器18的再生。
图2示出了减排系统10的另一个示例性实施方式。在该示例性实施方式中，涡轮增压器26选择性地将空气供给发动机12的燃烧室13。与图1中示出的实施方式相似，图2中的示例性实施方式构造成增大废气中的氧气含量，从而使燃料燃烧器能够加热流过排气系统的废气以使其达到足以点燃被捕集在积碳颗粒过滤器14中的积碳的温度。通常情况下，涡轮增压器26包括压缩机28和涡轮机30。在该示例性实施方式中，涡轮增压器26位于发动机12的下游。涡轮机30的入口32接收从发动机12流出的废气，所述废气使涡轮机30旋转。废气通过出口31从涡轮机30中排出并继续朝下游移动到积碳消除组件14。涡轮机30的运动使压缩机28通过入口33吸入空气并通过出口34将压缩空气输送到发动机12的燃烧室13中。
能够在颗粒过滤器18需要再生时选择性地操作涡轮增压器26。具体而言，控制器25可用于通过控制线路23选择性地操作涡轮增压器26。如图1所示，控制器25可以确定过滤器18是否需要再生，所述确定操作是基于来自诸如传感器29的用于减排系统10中传感器的输入进行的，从而使控制器25能够在合适的时间操作涡轮增压器26。如上文中所述，应当理解的是，使颗粒过滤器再生的决定可以是基于时间的决定。
在过滤器再生期间，涡轮增压器26将压缩空气输送给发动机12的燃烧室13。这使得与没有操作涡轮增压器26相比从发动机12排出的废气中的氧气更多。氧气含量的增大使燃料燃烧器16能够将废气加热到足以使积碳颗粒过滤器18再生的温度。应当理解的是，涡轮增压器26可以是可变速单元或单一速度单元。可变速单元使得能够在操作范围内控制供给燃烧室13的压缩空气的速度，而单一速度单元以恒定速度供给压缩空气。
应当理解的是，发动机12可包括多个燃烧室13，如通常见到的柴油机。在图1中，发动机12可构造成通过阀24使再循环废气供给每个燃烧室13，阀24用于减小供给每个燃烧室13的废气量。在图2中，发动机12可构造成使涡轮增压器26供给的压缩空气能够到达每个燃烧室13。
图3示出了设置有涡轮增压器26a至26n的示例性减排系统10。在该示例性实施方式中，多个涡轮增压器26相互串联，使得每个压缩机28的出口34连接到相邻压缩机28的入口33，如图3所示。压缩机28a示出为具有联接到压缩机28b的入口33b的出口34a。
在操作过程中，所有涡轮增压器26都能够操作，使得空气首先吸入压缩机28a的入口34a。空气流过每个压缩机28，从而使空气在流过时被连续压缩。最终，压缩空气从涡轮增压器26n的出口34n排出并进入燃烧室13。因此，图3中示出的构造能够用于以与根据图2所述的方式相似的方式给燃料燃烧器16供给用于颗粒过滤器18再生的空气。
当废气从发动机12排出时，它们穿过每个涡轮机30。每个涡轮增压器26包括一根控制线路23，所述控制线路能够用于以独立方式选择性地操作每个涡轮增压器26。如图2所述，每个涡轮增压器可以是可变速单元或单一速度单元并且可以被相应地控制。在采用可变速涡轮增压器26的构造中，每个涡轮机30能够独立操作，从而能够更特定地控制涡轮增压器26提供给发动机12的“增压”量。
图4示出了设置有增压器40的减排组件10的另一个示例性实施方式。增压器40包括入口42，空气通过入口42吸入并在增压器40中被压缩，然后通过出口44排出。在图4中，增压器40构造成给内燃发动机12的燃烧室13提供氧气，氧气能够随后提供给燃料燃烧器16，用于过滤器18的再生。在一种示例性实施方式中，发动机12是汽油发动机。
增压器40能够由发动机12以机械或电的方式进行操作，如箭头46所示。例如，在一种示例性实施方式中，增压器40可包括皮带驱动空气泵(未图示)，发动机提供的旋转运动用于使皮带旋转从而驱动空气泵旋转。在另一个示例性实施方式中，增压器40包括电动泵(未图示)，该电动泵能够从发动机内的电源-例如从蓄电池接收电能。应当理解的是，增压器40可以是可变速单元或单一速度单元。可变速单元使得能够在操作范围内控制供给燃烧室13的压缩空气的速度，而单一速度单元以恒定速度供给压缩空气。
控制线路43能够将控制信号从控制器25提供给增压器40，从而能够在例如过滤器18需要再生时选择性地操作增压器。应当理解的是，增压器40可以是可变速单元或单一速度单元。可变速单元使得能够在操作范围内控制供给燃烧室13的压缩空气的速度，而单一速度单元以恒定速度供给压缩空气。
应当理解的是，本文中公开的方法能够应用于除颗粒过滤器之外的其它减排部件。例如，减排组件10可以采用消除氮氧化合物(NOx)的装置，例如选择性催化还原(SCR)催化剂。通常情况下，通过升高流过的废气的温度能够提高NOx消除装置的效率。相应地，能够以本文中公开的各种方式操作燃料燃烧器16以升高废气温度。再者，能够以本文中公开的各种方式调节废气中的氧气含量，以便将期望的氧气量供给燃烧器16用于燃烧。这使得能够在废气到达设置于燃烧器16下游的NOx消除装置之前升高废气的温度。
由于具有本文中描述的设备和方法的各种特征，本发明具有多种优点。应当指出的是，本发明的设备和方法的替代性实施方式可能不包括本文中描述的所有特征，但是这些实施方式仍受益于这些特征的至少某些优点。本领域的技术人员可容易地设计出包含一个或多个本发明特征的他们自己的设备和方法的实施方式，这些实施方式将落入本发明的理念和范围内。

Claims (31)

1.一种操作减排组件的方法，包括下列步骤：
确定颗粒过滤器是否需要再生并响应于确定结果而生成信号；
响应于所述信号的生成而调节内燃发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量；
使废气行进到燃料燃烧器；以及
通过所述燃料燃烧器产生热量以燃烧被捕集在所述颗粒过滤器中的积碳。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括测量废气流过所述颗粒过滤器的压降，以确定所述颗粒过滤器是否需要再生。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定步骤包括：
通过传感器生成指示所述颗粒过滤器需要再生的所述信号；以及
将所述信号传输给控制器。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述调节步骤包括响应于所述信号的生成而减少进入所述发动机的燃烧室的再循环废气的量，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述调节步骤还包括响应于所述信号的生成而操作EGR阀，以减少进入所述发动机的燃烧室的再循环废气的量。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述调节步骤还包括响应于所述信号的生成而通过控制器操作所述EGR阀，以减少进入所述发动机的燃烧室的再循环废气的量。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述调节步骤包括响应于所述信号的生成而操作涡轮增压器从而将空气供给所述发动机的燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述操作步骤还包括响应于所述信号的生成而通过控制器操作所述涡轮增压器从而将空气供给所述燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述操作步骤还包括：
操作所述涡轮增压器的涡轮机；
通过所述涡轮机操作所述涡轮增压器的压缩机；以及
将来自所述压缩机的压缩空气供给所述发动机的燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述调节步骤还包括响应于所述信号的生成而操作多个涡轮增压器从而将空气供给所述发动机的燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述操作步骤还包括响应于所述信号的生成而通过控制器操作所述多个涡轮增压器从而将空气供给所述燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述调节步骤包括响应于所述信号的生成而操作增压器从而将空气供给所述发动机的燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述操作步骤还包括响应于所述信号的生成而通过控制器操作所述增压器以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述行进步骤包括在所述发动机和所述燃料燃烧器之间设置限定排气路径的排气管线，以及通过所述排气管线将发动机的废气输送到所述燃料燃烧器中，使得所述燃料燃烧器仅接收进入所述颗粒过滤器之前产生的上游发动机的废气。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述燃料燃烧器包括位于所述颗粒过滤器上游并连接所述排气管线的入口，其中所述入口仅接收来自所述发动机产生的废气中的氧气。
16.一种减排组件，包括：
内燃发动机；
颗粒过滤器；
燃料燃烧器，其位于所述颗粒过滤器上游，所述燃料燃烧器具有接收所述内燃发动机产生的废气的入口；以及
控制器，其电联接到所述内燃发动机和所述燃料燃烧器，所述控制器包括(i)处理器和(ii)电联接到所述处理器的存储器，所述存储器中存储有多个指令，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令使得所述处理器执行下列操作：
确定所述颗粒过滤器是否需要再生并响应于确定结果而生成控制信号；
响应于所述控制信号的生成而调节所述内燃发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量；以及
响应于所述控制信号的生成而操作所述燃料燃烧器，从而生成热量以燃烧被捕集在所述颗粒过滤器中的积碳。
17.如权利要求16所述的减排组件，进一步包括传感器，其中，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令还使得所述处理器通过用所述传感器测量废气流过所述颗粒过滤器的压降而确定所述颗粒过滤器是否需要再生。
18.如权利要求16所述的减排组件，进一步包括EGR阀，
其中，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令使得所述处理器响应于所述控制信号的生成而通过操作所述EGR阀来调节所述内燃发动机的运转，以减少进入所述发动机的燃烧室的再循环废气的量。
19.如权利要求16所述的减排组件，进一步包括涡轮增压器，
其中，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令还使得所述处理器响应于所述控制信号的生成而通过操作所述涡轮增压器将空气供给所述发动机的燃烧室来调节所述发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
20.如权利要求19所述的减排组件，其中，所述涡轮增压器包括涡轮机和压缩机，
当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令还使得所述处理器通过用所述涡轮机操作所述压缩机来调节所述发动机的运转；并且
所述压缩机将压缩空气从所述压缩机供给所述发动机的燃烧室，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
21.如权利要求19所述的减排组件，其中，所述涡轮增压器包括多个涡轮增压器，
其中，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令还使得所述处理器响应于所述控制信号的生成而通过操作所述多个涡轮增压器将空气供给所述发动机的燃烧室来调节所述发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
22.如权利要求16所述的减排组件，进一步包括增压器，
其中，当所述处理器执行所述多个指令时，所述多个指令还使得所述处理器响应于所述控制信号的生成而通过操作所述增压器将空气供给所述发动机的燃烧室来调节所述发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量。
23.如权利要求16所述的减排组件，其中，所述废气从所述发动机行进到所述燃料燃烧器，从而产生热量以点燃被捕集在所述颗粒过滤器中的积碳。
24.如权利要求16所述的减排组件，其中，所述燃料燃烧器在没有补充空气供给的情况下操作。
25.如权利要求16所述的减排组件，包括将所述内燃发动机以流体联通方式连接到所述燃料燃烧器的入口的排气管线，其中，所述废气通过所述排气管线输送到所述燃料燃烧器中，使得所述燃料燃烧器仅接收进入所述颗粒过滤器之前产生的上游发动机的废气。
26.如权利要求25所述的减排组件，其中，所述燃料燃烧器包括位于所述颗粒过滤器上游并连接所述排气管线的入口，其中所述入口仅接收来自所述内燃发动机产生的废气中的氧气。
27.一种操作减排组件的方法，包括下列步骤：
确定减排部件的预定条件是否存在并响应于确定结果而生成信号；
响应于所述信号的生成而调节内燃发动机的运转，以增大所述发动机产生的废气中的氧气含量；
使废气行进到燃料燃烧器；
通过所述燃料燃烧器产生热量以加热废气；以及
使经过加热的废气行进到所述减排部件。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定氮氧化合物消除装置的预定条件是否存在并响应于确定结果而生成信号。
29.如权利要求27所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定颗粒过滤器的预定条件是否存在并响应于确定结果而生成信号。
30.如权利要求27所述的方法，其中，所述行进步骤包括在所述发动机和所述燃料燃烧器之间设置限定排气路径的排气管线，以及通过所述排气管线将发动机的废气输送到所述燃料燃烧器中，使得所述燃料燃烧器仅接收进入所述颗粒过滤器之前产生的上游发动机的废气。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述燃料燃烧器包括位于所述颗粒过滤器上游并连接所述排气管线的入口，其中所述入口仅接收来自所述发动机产生的废气中的氧气。
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