CN101418713B - 喷射还原剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了喷射还原剂的方法，具体地公开了操作在排放控制系统中具有还原剂输送系统和还原剂存储装置的内燃发动机的方法。该方法包括施加超声波场到还原剂存储装置中的含还原剂的液体以产生含还原剂的液体的喷雾，并基于发动机工况选择性地引入一定量的喷雾到连接到催化剂的排气系统。

Description

喷射还原剂的方法
技术领域
本发明涉及汽车排放控制系统及控制方法的领域。
背景技术
已使用选择性催化还原(SCR)系统来减少汽车排放。这种系统通常添加如氨或尿素的气态或液态的还原剂到来自发动机的排气流以将还原剂吸附到催化剂上，在催化剂上还原剂与排气中的氮氧化物反应形成水蒸气和氮。然而，SCR系统依赖于在SCR催化剂的上游的排气流中的氮氧化物与还原剂的均匀混合。这可以导致各种问题。例如，从车载存储装置输送的尿素的低效混合会减少在SCR催化剂上的氮氧化物的转化效率。
一种有助于尿素混合的方法直接喷射尿素溶液到发动机排气流。例如，喷射器可以施加压力以迫使尿素溶液通过喷嘴以有助于尿素在排气流中的散布。然而，设备重量和应付喷嘴阻塞的耐用性(robustness)的问题使这种系统不太令人满意。
发明内容
本发明人在此认识到通过施加超声波场到还原剂存储装置中的含还原剂的液体以产生含还原剂的液体的喷雾，并基于发动机工况选择性地引入一定量的喷雾到连接到催化剂的排气系统可以解决这些或其他的影响。这种从还原剂产生和供应喷雾的方法可以有助于到排放控制装置的还原剂与一氧化氮及二氧化氮(NOx)的均匀混合物的输送，并减少了重量和系统耐用性问题。
附图说明
图1示出内燃发动机和控制系统的示例实施例；
图2示出排放控制系统的示例实施例；
图3示出操作排放控制系统的示例方法的流程图。
具体实施方式
现参考图1，如图所示直喷式内燃发动机10包括多个燃烧室并由电子发动机控制器12控制。内燃发动机10的燃烧室30包括燃烧室壁32，活塞36定位在其中并连接到曲轴40。在一个示例中，活塞36包括形成选择的水平的空气和燃料进气的分层或均质化的凹坑或凹陷(bowl)(未示出)。或者，也可以使用平顶活塞。
燃烧室30如图所示通过进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。燃料喷射器66如图所示直接连接到燃烧室30用于成比例于经现有的电子驱动器68从控制器12接收的信号脉冲宽度fpw直接输送液体燃料至其中。燃料可以输送到包括燃料箱、燃料泵、及燃料导管的燃料系统(未示出)。在一些实施例中，发动机10可以包括每个具有多个进气门和/或排气门的多个燃烧室。
进气门52可以经电子气门执行器(EVA)51由控制器12控制。类似地，排气门54可以经EVA53由控制器12控制。在一些工况下，控制器12可以改变提供到执行器51和执行器53的信号以分别控制进气门和排气门的开启和关闭。进气门52和排气门54的位置分别通过气门位置传感器55和气门位置传感器57确定。在替代的实施例中，进气门和排气门中的一个或多个可以由一个或多个凸轮驱动，并可以使用凸轮轮廓变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)、和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个以改变气门操作。例如，燃烧室30选择地可以包括经电子气门驱动控制的进气门和经具有CPS和/或VCT的凸轮驱动控制的排气门。
进气歧管42可以包括具有节流板64的节气门62。在该具体的示例中，经提供到节气门62包括的电动马达或执行器的信号通过控制器12可以改变节流板64的位置，该配置通常称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，可以操作节气门62以在其他发动机汽缸之间改变提供到燃烧室30的进气。通过节气门位置信号TP，节流板64的位置可以提供到控制器12。进气歧管42还包括分别提供信号MAF和MAP到控制器12的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。
控制器12触发燃料喷射器66以便形成期望的空燃比混合物。控制器12控制燃料喷射器66输送的燃料的量以便可以选择燃烧室30中空燃比混合物基本上是在(或接近)化学计量空燃比、浓于化学计量空燃比的值、或稀于化学计量空燃比的值。此外，控制器12配置为触发燃料喷射器66以便在循环中可以执行多次燃料喷射。
排气歧管气体传感器126如图所示连接到催化转化器70的上游的排气通道48。传感器126可以是提供排气空燃比的指示的任何适合的传感器，如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热式EGO)、NOx、碳氢化物(HC)、或一氧化碳(CO)传感器。
催化转化器70如图所示与排气歧管48连通。在一些实施例中，催化转化器70可以是柴油氧化催化剂。排放控制系统72如图所示在催化转化器70的下游。排放控制系统72可以包括还原剂存储装置74和排放控制装置76。排放控制装置76如图所示与催化转化器70连通。还原剂存储装置74可以供应还原剂到进入排放控制装置76的排气流。图2详细描述了排放控制系统72。
控制器12如图1所示为现有的微计算机，包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、可执行程序和校准值的电子存储媒体，在该具体示例中所示为只读存储器芯片106、随机存取存储器108、保活存储器110、及常规数据总线。
除了上述那些信号之外，控制器12如图所示还接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，包括：来自连接到发动机冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自连接到曲轴40的霍尔效应传感器118的指示发动机转速(RPM)的齿面点火传感器信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置TP；及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以由控制器12以现有的方式从信号PIP产生，歧管压力信号MAP提供发动机载荷的指示。控制器12配置为控制排放控制系统72。此外，排放控制系统72可以发送反馈到控制器12。在下文中详细描述该特征。
取决于工况，发动机10中的燃烧可以是各种类型。虽然图1示出压缩点火式发动机，但应理解本文描述的实施例可以用在任何合适的发动机中，包括但不限于柴油和汽油压缩点火式发动机、火花点火式发动机、直喷式发动机或进气道喷射式发动机等。此外，可以使用各种燃料和/或燃料混合物如汽油、柴油、H2、乙醇、甲烷、和/或其混合。
图2详细描述内燃发动机10的排放控制系统72的示例。一般地，本文描述的构件可以操作以供应还原剂到排气系统202。特别是，排放控制系统72可以从在还原剂存储装置74中存储的含还原剂的液体或还原剂供应喷雾。此外，排放控制系统72可以包括配置为控制到排气系统的存储的还原剂的喷雾的选择性的产生和供应的控制器12。
还原剂存储装置74可以是存储在排放控制装置76中使用的还原剂的车载存储装置。特别是，例如还原剂存储装置可以存储由车辆驾驶员供应的尿素水溶液，尽管可以使用各种其他的还原剂。在一些实施例中，还原剂存储装置74可以包括配置为在还原剂存储装置74之内产生喷雾的超声波装置204。例如，超声波装置204通过施加超声波场到尿素溶液可以选择性地产生在还原剂存储装置中存储的尿素溶液的喷雾。下文详细描述了该特征。
在一些工况下，来自还原剂存储装置74的还原剂可以供应到排气系统202。相应地，当检测到这种工况时，控制器可以促使排放控制系统72以从还原剂存储装置释放一定量的还原剂以便充分还原离开排放控制装置76的NOx。因此，来自还原剂存储装置的还原剂可以吸附在排放控制装置76中以还原排气流中的NOx。
在还原剂存储装置74中存储的尿素溶液可以分解为氨，氨进而可以在排放控制装置76中使NOx转化。此外，尿素可以在还原剂存储装置74和排放控制装置76之间的各种位置分解为氨。在一个实施例中，尿素溶液可以在进入排气系统202之前分解为氨。例如，可以加热还原剂存储装置74中存储的尿素溶液以便产生氨。在另一个示例中，可以搅动存储的尿素溶液以便在进入排气系统202之前释放氨。因此，可以引入氨到排气系统202以还原NOx。
然而，在一些工况下，期望引入尿素溶液到排气系统202而不是氨。特别是，例如可以输送尿素溶液到排气系统202以减少产生氨消耗的能量。或者，例如来自内燃发动机的排气流的热量有助于引入到排气系统202的尿素的分解。
首先，添加到排气系统202的尿素可以分解为氨(NH3)。在一个示例中，分解可以通过以下的反应路径，以异氰酸(isocyanic acid)为媒介发生：
CO(NH2)2→NH3+HNCO
HNCO+H2O→NH3+CO2
氨进而可以根据各种不同的反应路径在排放控制装置76(例如SCR催化剂等)中与NOx反应，包括但不限于下文中的一个或多个反应路径：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
在以上反应中，NOx和NH3反应形成产物为N2和H2O；然而，NOx和NH3反应产生不同于N2和H2O的种类的产物的反应路径也是可能的。但上述示例中多组反应不能解释为全部的反应方式。
当可以产生尿素和NOx的均匀混合物时，在排放控制装置中可以增加NOx转化效率。通过这样做，在尿素沿着排气系统202分解时，氨可以充分接近NOx。在一个实施例中，排放控制系统72可以包括引入尿素溶液的液滴到排气系统的喷射器。例如，喷射器可以用来施加压力以迫使尿素溶液通过机械喷嘴到排气系统。通过这样做，尿素可以在排气系统中散布以便产生尿素溶液和来自内燃发动机排气的NOx的均匀混合物。
在一些工况下，期望供应尿素喷雾到排气系统202。特别是，可以引入基本上比经喷射器形成的液滴小和/或形成慢的液滴到排气系统202。应理解喷雾例如可以包括在比通过喷射器喷嘴形成的液滴小的体积范围内的液滴。具体地，在尿素喷雾中的超声波液滴的液滴尺寸与通过喷嘴形成的液滴尺寸之比接近1∶15。例如在尿素喷雾中的液滴接近0.52立方微米，而喷嘴可以产生接近1767立方微米的雾滴。
通过施加超声波场到尿素溶液可以从尿素溶液产生喷雾。在一个示例中，尿素喷雾可以经超声波喷嘴在排气系统202中直接形成。然而，在引入还原剂到排气系统202之前在还原剂存储装置74中产生喷雾是有利的。
还原剂存储装置74可以包括超声波装置204。特别是，超声波装置204可以配置为在还原剂存储装置74之内产生喷雾。在一些实施例中，超声波装置204可以包括配置为选择性地施加超声波场到尿素溶液的一个或多个超声波传感器(transducer)。例如，超声波装置204可以是粗糙谐振膜片(harshly resonantdiaphragm)和/或可以制成为抵抗与尿素溶液的腐蚀反应。超声波装置204可以连接到还原剂存储装置74以便可以施加超声波场到尿素溶液。替代地或附加地，超声波装置204可以至少部分地浸没在尿素溶液中。以此方式，在还原剂存储装置74可以从尿素溶液产生喷雾。
应理解可以改变施加到存储的尿素溶液的超声波场以调节产生的喷雾的量。例如，可以改变振幅、周期、频率、波长、及与超声波场关联的其他的参数，或其中的一些组合以调节产生的喷雾的量。此外，在一些工况下，期望施加超声波场以便尿素溶液可以基本上转化成从尿素溶液形成的喷雾。例如，超声波装置204可以配置为操作以便可以减少或基本上避免响应于超声波场从尿素溶液的氨的产生。此外，在没有直接加热时可以操作超声波装置204，尽管来自发动机的热传递仍然发生。因此，在引入喷雾到排气系统202之前可以减少在尿素溶液中的尿素的分解。
在一些实施例中，尿素溶液的喷雾在引入到排气系统202之前可以至少临时储存。在一个示例中，从尿素溶液中产生的喷雾可以至少临时储存在还原剂存储装置74中。在另一个示例中，中间还原剂存储装置(未示出)可以设置在还原剂存储装置74和排气系统202之间以便喷雾在引入到排气系统202之前至少临时存储。以此方式，喷雾可以至少临时存储，并随后在控制器12触发时供应到排气系统202。
在其他的实施例中，可以直接引入尿素溶液的喷雾到排气系统202。特别是，可以施加超声波场以便产生一定量的尿素喷雾，其中尿素喷雾的量可以对应于从上述NOx还原反应化学计量或存储在控制器中的查找表得到的充分消耗尿素和还原排气流中的NOx的尿素的量。此外，充分还原NOx的尿素的量可以基于来自传感器的信息。例如，传感器的输出信号，如图1所示的排气歧管气体传感器126可以指示排气中NOx的量。因此，在施加超声波场之后可以引入期望充分消耗尿素和还原排气流中的NOx的一定量的尿素溶液的喷雾到排气系统。以此方式，可以按照要求产生尿素溶液且供应到排气流。
在一些工况下，在还原剂存储装置74中可以产生一些氨，尽管施加到尿素溶液的超声波场不相应于产生氨的超声波场。例如，来自内燃发动机10的热传递可以有助于氨的热分解。因此，在一些实施例中，例如基于还原剂存储装置74中的氨浓度可以改变超声波场以减少产生的尿素喷雾的量。在另一个实施例中，基于经在还原剂存储装置74中的氨传感器检测到的氨浓度还可以调节引入到排气系统202的喷雾的量。在一个示例中，当氨的浓度超过预定阈值时可以调节引入到排气系统202的喷雾的量。因此，例如控制器12基于氨传感器可以调节超声波场和/或引入到排气系统202的喷雾的量以解决例如由于来自系统的热传递无意地产生的氨。
此外，在一些工况下，尿素和水的组成在多相中可以改变。例如，一定量的尿素可以凝固而对应的量的水可以不凝固。此外，可以改变液态尿素溶液的组成以便可以调节从液态尿素溶液产生的喷雾以有助于NOx还原。相应地，期望具有浓度传感器，进而可以基于尿素的浓度调节产生的喷雾的量。替代地或附加地，还原剂存储装置74可以包括温度传感器以便来自温度传感器的反馈可以用来确定尿素溶液中的尿素的浓度。
在一些实施例中，包括尿素和水的共晶溶液可以供应到还原剂存储装置74以便多相的尿素和水的组成可以基本上不改变。应理解共晶混合物可以是在具有最低熔点的组成上的两相或多相的混合物，其中在该温度该相可以从液态溶液同时结晶。通过使用共晶尿素水溶液，溶液的两相或多相的组成基本上可以包括相同的水和尿素的成分。例如，从共晶尿素水溶液中凝固的水和结晶的尿素在液态尿素水溶液中基本上是等比例存在的。因此，从还原剂存储装置74中的共晶尿素水溶液中产生喷雾是理想的。通过这样做，排放控制系统72有助于精确计量(metering)到排放控制装置76的还原剂。
图3示出操作排放控制系统的示例方法的流程图。一般地，方法300可以从尿素溶液产生和供应一定量的喷雾到排放控制装置上游的排气流以充分还原来自发动机的NOx。特别是，方法300包括确定还原排气流中的NOx的尿素的量，对应于确定的尿素的量施加超声波场以从尿素溶液产生喷雾，并引入喷雾到排气系统以便在排放控制装置上转化之前充分使喷雾和NOx混合。
在310，方法300可以确定还原来自发动机的排气流中的NOx要求的尿素的量。特别是，基于一个或多个传感器可以确定还原排气中的NOx要求的尿素的量。如上所述，还原NOx要求的尿素的量一般基于如排气歧管气体传感器指示的排气中的NOx的浓度从上述NOx还原反应化学计量比确定。
接下来在320，可以施加超声波场到尿素溶液以从尿素溶液产生喷雾。在一些实施例中，施加的超声波场可以对应于如步骤310确定的还原排气中的NOx要求的尿素的量。特别是，对应于要求的尿素的量的超声波场的各种参数可以从在控制器中存储的查找表确定。此外，可以施加超声波场以便减少或基本上避免氨产生。因此，可以在还原剂存储装置中产生尿素溶液的喷雾并存储和/或在中间还原剂存储装置中存储喷雾。或者，喷雾在还原剂存储装置中产生之后可以直接引入到排气系统。
相应地，在步骤330，引入一定量的尿素溶液的喷雾到排气系统。在一些实施例中，对应于引入到排气系统中的喷雾的量超声波场可以产生一定量的喷雾。因此，可以改变超声波场以便对应于如在步骤310确定的充分还原NOx要求的尿素的量可以产生并充分供应到排气系统。在一个示例中，基于在控制器存储的查找表，对应于还原NOx要求的尿素的量的共晶尿素溶液的一定量喷雾可以产生，从而产生的喷雾可以充分供应到排气系统。在另一个实施例中，排放控制系统可以包括配置为调节引入到排气系统的喷雾的量的流量调节装置。例如，流量调节装置可以配置为输送对应于在步骤310确定的尿素的量的在还原剂存储装置和/或中间还原剂存储装置中存储的喷雾的至少一部分。
在一些实施例中，可以基于各种工况调节引入到排气系统中的喷雾的量。在一个实施例中，可以基于在尿素溶液中的尿素的浓度调节引入到排气系统的喷雾的量。例如，可以基于在尿素溶液中检测到的尿素浓度的下降增加引入到排气系统的喷雾的量。因此，尿素浓度传感器、温度传感器、压力传感器、关联于检测尿素的浓度的各种其他的传感器、或其中的一些组合可以包括在还原剂存储装置中。在另一个实施例中，可以基于在还原剂存储装置中检测到的氨的浓度调节引入的喷雾的量。例如，当由于来自系统的热传递产生一定量的氨时，可以减少引入到排气系统的喷雾的量以便减少在排放控制装置上的过量的还原剂。以此方式，基于来自排气歧管气体传感器、氨传感器、浓度传感器、NOx浓度传感器、各种其他的传感器或其中的一些组合的反馈可以确定充分还原在排气中的NOx要求的尿素的量。
此外，虽然例如通过超声波喷嘴直接在排气系统中产生喷雾时，喷雾也可以被动地引入到排气系统。在一个示例中，可以将低压气体流导入到喷雾中和排气系统中以便被动地使尿素喷雾与在排气中的NOx混合。在另一个示例中，排气流的至少一部分可以导入到喷雾并与喷雾一起再引入到排气流。
应理解详细的处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到发动机控制系统中的传感器的计算机可读存储媒体中的代码。
注意，本文中包括的示例控制和估值例程可用于各种发动机和/或汽车系统配置。本文所述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种步骤、操作或功能可以按所示的顺序执行、并行执行，或在一些情况下略去。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。
应理解，在本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能的。本发明的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或属性的所有新颖和非易见的组合及子组合。
本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本发明的主题之内。

Claims (10)

1.一种在包括内燃发动机和具有催化剂、还原剂存储装置、及还原剂输送系统的排放控制系统的车辆中操作所述排放控制系统的方法，所述方法包括：
施加超声波场到所述还原剂存储装置中的含还原剂的液体以产生所述含还原剂的液体的喷雾，其中所述含还原剂的液体是尿素溶液，所述喷雾为尿素喷雾；
基于所述还原剂存储装置中的氨浓度改变所述超声波场；及
基于发动机的工况选择性地引入一定量的所述喷雾到连接到所述催化剂的排气系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中在没有直接加热时施加所述超声波场。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尿素溶液是共晶溶液。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在没有直接加热时施加所述超声波场，且其中所述还原剂存储装置在所述催化剂上游连接至所述排气系统。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以低压气流引入所述选择性地引入的喷雾。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述氨浓度超过阈值时调节引入到所述排气系统的所述喷雾的量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机工况是NOx浓度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述排气系统中直接形成所述喷雾。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于氨浓度和尿素浓度中的至少一个调节引入到所述排气系统的所述喷雾的量。
10.一种设备，包括：
内燃发动机；
配置为从所述发动机中引导排放的排气导管；
沿着所述排气导管设置的催化剂；
连接到所述排气导管并配置为存储含还原剂的液体的还原剂存储装置；
配置为从所述含还原剂的液体选择性地产生喷雾的超声波装置，其中所述含还原剂的液体是尿素溶液，所述喷雾为尿素喷雾；及
包括存储器和处理器的控制器，所述存储器包括基于所述还原剂存储装置中增加的氨浓度调节由所述超声波装置施加的超声波场、并基于发动机工况产生和供应所述喷雾到所述内燃发动机的排气系统的通过所述处理器可执行的指令。
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