CN101424202A - 可进行余热回收的柴油发动机后处理控制操作 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可进行余热回收的柴油发动机后处理控制操作。描述了柴油发动机排气后处理系统。该系统可以包括具有第一侧和第二侧的热传递装置；在热传递装置的第一侧下游的加热器、加热器下游的过滤器；及过滤器下游通向热传递装置的第二侧的排气路径，其中排气路径与过滤器的外表面隔离以阻止热量从离开过滤器的加热的排气传递到过滤器的外表面。本发明的系统可以循环利用再生反应的余热，实现期望的加热器操作效率同时解决热劣化问题。

Description

可进行余热回收的柴油发动机后处理控制操作
技术领域
本发明涉及柴油发动机排气后处理系统，具体涉及可进行余热回收的柴油发动机后处理控制操作。
背景技术
通过定期地再生微粒过滤器可以改进稀燃内燃发动机的排气后处理系统中的柴油微粒过滤器(DPF)的效率。再生通常涉及提高微粒过滤器的温度，从而燃烧吸附的微粒。虽然再生是放热的，并在开始之后可以产生自维持的充足能量，稀燃内燃发动机的排气温度通常低于激活再生所需的温度。因此，许多微粒过滤器结合如催化剂或加热器的热源以启动再生过程。另一方面，在过高的温度下微粒过滤器会损坏。例如结合到微粒过滤器中的催化剂微粒可以烧结(降低催化剂的活性)，过滤器元件的结构整体性会遭破坏等。
本发明的发明人在此认识到由于这些热极限，不得不在微粒过滤器的效率和可靠性之间权衡。试图重用再生反应的余热以直接加热微粒过滤器从而保存能量的微粒过滤器装置潜在地使自维持反应具有风险，特别是在没有单独的冷却机构控制过高的温度时。或者，不循环利用再生反应的余热的微粒过滤器装置会降低燃料经济性，导致操作成本增加。此外，若微粒过滤器的排出物温度过高不能安全地通过下游装置时，使用附加的隔热和/或冷却，增加了制造和/或维护成本。
发明内容
在一个示例中，通过一种柴油发动机排气后处理系统可以至少部分地解决上述问题。该系统可以包括具有第一侧和第二侧的热传递装置、热传递装置的第一侧下游的加热器、加热器下游的过滤器，及过滤器下游通向热传递装置的第二侧的排气路径，其中排气路径与过滤器的外表面隔离以阻止热量从离开过滤器的加热的排气传递到过滤器的外表面。
以此方式，可以实现期望的加热器操作效率同时解决热劣化问题。例如，后处理系统允许循环利用再生的余热，而不会使微粒过滤器直接经受离开微粒过滤器的加热的排气的热负载，从而减少了导致可以使微粒过滤器或其他构件劣化的过热工况的自维持再生的可能。此外，当热量从发动机传递到进入系统的排气时，离开微粒过滤器的气体温度可以降低到期望的尾管工况。此外，因为热量可以至少从加热器供应以激活再生过程，可以在低温燃烧(LTC)工况下操作发动机。低温燃烧过程可以产生较少的微粒物质，允许使用较小的微粒过滤器装置，其中较小的微粒过滤器可以减少过热的风险，在开始激活时要求较少的燃料用于加热等。
根据本发明的另一方面，提供操作柴油发动机排气后处理系统的方法。柴油发动机排气后处理系统包括热传递装置、微粒过滤器，及加热器。该方法包括，在第一排气工况下，输送第一体积排气通过热传递装置的第一通道，操作加热器以提高离开热传递装置的第一体积排气的温度，输送离开加热器的第一体积排气通过微粒过滤器，输送离开微粒过滤器的第一排气通过排气通道到热传递装置的第二通道，其中排气通道与过滤器的外表面隔离以阻止热量从离开过滤器的加热的排气传递到过滤器的外表面，使用从在热传递装置的第二通道中的第一体积排气传递的能量加热从发动机输送到热传递装置的第一通道的第二体积排气；及在第二排气工况下，输送第三体积排气通过热传递装置的第一通道，输送第三体积排气通过加热器而不操作加热器，输送离开加热器的第三体积排气通过微粒过滤器，输送离开微粒过滤器的第三体积排气通过排气通道到热传递装置的第二通道，及通过传递到热传递装置的第二通道中的第三体积排气的能量，冷却从发动机输送到热传递装置的第一通道的第四体积排气。
附图说明
图1示出可进行余热回收的柴油发动机后处理系统；
图2A和图2B示出操作可进行余热回收的柴油发动机后处理系统的高级流程图；
图3A和图3B示出操作可进行余热回收的柴油发动机后处理系统的框图。
具体实施方式
现参考图1，发动机10包括可以流体连通地连接到一组燃烧汽缸102的进气歧管100。燃烧汽缸102可以与排气歧管104连通。热传递装置106可以连接到排气歧管104。热传递装置106可以包括至少两侧106A和106B，允许在每侧的气体之间进行热传递而不混合气体。热传递装置106可以是各种类型。例如，热传递装置106可以是管壳式热交换器、板式热交换器等，虽然未在图1中示出，热传递装置106可以在一侧或多侧结合导流板以促进有效的热传递。
热传递装置106的第一侧106A可以连接到位于热传递装置106的第一侧106A下游的加热器108。加热器108可以通过外部的燃料点火产生的火焰，通过喷射到排气流中的燃料的燃烧，通过电加热元件等提供热量。加热器108还可以连接到位于加热器108下游的微粒过滤器110。微粒过滤器110可以是各种类型(例如沸石)，可以包括以整体式(monolith)或充填床式(packed-bed)或其组合的形式的过滤器元件112。微粒过滤器110可以是惰性的或可以包括催化活性材料。微粒过滤器110可以连接到位于微粒过滤器110下游的热传递装置106的第二侧106B。排气通道114可以连接微粒过滤器110到热传递装置106的第二侧106B。排气通道114可以与微粒过滤器110的外表面隔离以阻止热量从离开微粒过滤器110的加热的排气传递。
热传递装置106的第二侧106B可以连接到热传递装置106的第二侧106B下游的附加的排放控制装置116。例如，排放控制装置116可以包括NOx捕集器、NOx催化剂、尿素SCR催化剂、或各种其他的装置或其组合。排放控制装置116还可以连接到排放控制装置116下游的尾管118。另外，热传递装置106可包括另一侧连接到下游的排放控制装置116或催化剂。进一步，热传递装置106可包括位于微粒过滤器110下游的又另一侧。
虽然未在图1中示出，系统可以包括流体连通地连接到排气歧管104和进气歧管100的排气再循环(EGR)回路。EGR回路可以包括如EGR冷却器的热传递装置。EGR回路还可以包括如氧化催化剂、或各种其他的EGR催化剂类型或其组合的催化剂。该系统还可以包括输送喷射的燃料到燃烧汽缸102的高压柴油燃料喷射系统。例如，柴油燃料喷射系统可以是允许基于发动机10的操作调节喷射正时的共轨系统。
加热器控制系统可以包括控制器12，如图1所示为微计算机，包括微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准值的电子存储媒体，如只读存储器、随机存取存储器、保活存储器，及数据总线。控制器12可以从温度和压力传感器160接收各种信号，以及接收来自发动机控制系统的信号，如空燃比、发动机转速、曲轴转角、燃料喷射正时、氧浓度等。控制器12还可以包含存储的控制算法，用于响应于从各种传感器和发动机控制系统接收的信号或信号的组合通过操作各种执行器170操作加热器108。
发动机控制系统可以包括控制器14，如图1所示为微计算机，包括微处理器单元、输入/输出端口、用于可执行程序和校准值的电子存储媒体，如只读存储器、随机存取存储器、保活存储器，及数据总线。除了上述信号之外，控制14可以从连接到发动机10的传感器140接收各种信号，包括来自质量空气流量(MAF)传感器的吸入空气质量流率的测量值；发动机冷却剂温度(ECT)；发动机转速；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；及来自歧管压力传感器的歧管绝对压力(MAP)。控制器14还可以包含存储的控制算法，用于响应于从连接到发动机10的各种传感器接收的信号或信号组合操作各种装置。最后，控制器14可以发送各种信号到发动机10中的执行器150。
如在本文描述，加热器控制系统可以基于各种工况控制加热器操作。图2A示出响应于系统参数操作加热器控制系统的一个方法的高级流程图。首先，在202，加热器控制系统读取如温度和压力等的排气系统参数，以及如转速、燃料喷射正时、空燃比等的发动机工况。然后，在204，加热器控制系统确定工况是否适合于微粒过滤器再生。例如，微粒过滤器的阻塞可以反映为微粒过滤器两端的压力降。因此，若压力降超过预定阈值，则再生是合适的。可以基于发动机经历的期望的背压值、期望的过滤器负载水平等选择阈值压力降。或者如下文所述，发动机控制单元可以响应于一个或多个工况设定忽略(overriding)或触发微粒过滤器再生的标志。若加热器控制系统确定不适合开始再生过程，例程跳转至结束。若适合于开始再生过程，例程继续到206且进入图2B所述的加热器控制例程。
现参考图2B，在210，例程确定微粒过滤器两端的压力降。接下来，在212，例程确定压力降是否大于预定值。该值可以表示为可接受的过滤器结垢(filterfouling)水平的阈值，且可以包括考虑测量误差等的因素。在212中的值可以不同于图2A的步骤204中的值；例如，可以触发图2A的步骤204中的再生循环的压力降可以超过在图2B的步骤212选择的值。在212选择的值可以对应于结垢程度不至于触发图2A的步骤204中的再生的过滤器工况的范围。
若在212压力降超过阈值，例程继续到214，例程测量加热器下游和微粒过滤器上游的排气流的温度。接下来，在216，例程确定该温度是否超过阈值温度。例如，阈值温度可以是再生反应的点火温度、维持具体再生反应速率所需要的温度等。若温度小于阈值温度，例程继续到218。例如，在再生循环开始时温度可以小于阈值温度，其中排气热量不足以激活再生燃烧反应。在218，例程根据加热器操作算法操作加热器，该操作算法的示例如图3A和图3B描述。例程然后从218返回到210。
若温度超过阈值温度，例程继续到220，在返回到步骤210之前关闭加热器。例如，一旦再生过程点燃，且来自微粒过滤器的加热的排气开始从热传递装置106的第二侧106B传递热量到热传递装置106的第一侧A时，温度可以超过阈值温度。
若在212压力降不超过阈值，例程继续到222。压力降未超过阈值表示再生过程已完成，尽管可以使用其他的方法确定再生过程的完成。例如过滤器两端的温度变化降到小于温度差阈值，表示反应速率降到指示最小燃烧活动的水平。或者，可以使用直接测量过滤器的温度或其他特征，如导电性、重量等的其他方法。在222，例程停用加热器，并继续到例程的结束。
图3A示出包括加热器308和过滤器310的后处理系统的视图，并指示多个传感器的位置。传感器可以包括在加热器308下游但在过滤器310上游的温度传感器，如T1，位于过滤器310中的温度传感器，如T2，或位于过滤器310下游的传感器，如T3。还可以包括如位于过滤器310上游的压力传感器，如P1，位于过滤器310下游的压力传感器，如P2。图3B示出用于图2B所述的加热器控制例程的高级加热器控制算法。加热器控制算法读取发动机操作参数和排气操作参数到再生过程模型320。发动机操作参数的示例包括发动机转速、空燃比、燃料喷射正时等。排气参数的示例包括氧浓度、后处理系统温度，及压力等。
再生过程模型320计算过滤器310上游和加热器308下游的期望的温度T期望并输入期望的T期望到比较器312。例如，再生过程模型320可以从加热器控制单元12或从发动机控制单元14读取期望的再生反应速率。此外，再生过程模型320可以读取后处理系统压力P1、排气氧浓度，及存储的反应速率系数以计算T期望。可以在过滤器310的寿命中通过自适应技术更新再生过程模型320以补偿再生过程的活性的变化。例如，若过滤器310包括催化剂，自适应技术可以有助于补偿催化剂活性的变化以在过滤器310的整个寿命中提供更有效的再生条件。
在比较器312，T期望与测量的温度，如T1、T2、或T3比较。例如，在再生过程开始的早期，如由过滤器310的热质量造成，在检测过滤器310下游温度变化时有一些不期望的延迟。在时间延迟期间在过滤器310的前缘上产生不期望的热点(hotspot)，这在自维持反应期间潜在地劣化过滤器或导致过热工况。因此，在比较器312使用T1可以提供有利的加热器控制。然而，当再生过程实现稳定的操作时，期望在比较器312参考T2或T3，可以提供整个系统的更佳的反馈控制。比较器312产生读取到加热器控制器314的误差信号T误差。加热器控制器314可以包括控制加热器308的参数。此外，加热器控制器314可以配置用于比例-积分-微分(PID)控制，其中参数可以在不同的温度域上改变以在一些温度域上提供稳健控制(robustcontrol)，而在其他的温度域提供精细控制。此外，参数可以事先配置或可以通过加热器控制装置12自动调节。在加热器控制器314的可操作性示例中，若T误差指示测量的温度(如T1、T2、或T3所示)小于T期望，加热器控制器314可以操作加热器以使测量的温度达到期望的T期望的范围。或者，若T误差指示测量的温度(如T1、T2、或T3所示)大于T期望，则通过加热器控制器314可以调低(ramped down)或关闭加热器。
图3B中描述的加热器控制算法和图2A和图2B中所述的加热器控制系统还可以响应于如下文所述的那些其他的工况。驾驶员要求和/或发动机负载可以影响过滤器再生的频率和发生。例如，期望微粒过滤器在自上次再生循环以来消逝的阈值时间间隔之后再生，或期望发动机在重负载时延迟再生。因此，发动机控制单元14可以设定触发或延迟再生过程的标志。进而，加热器控制单元12可以响应于从发动机控制单元14接收的至少一个发动机工况。
燃烧汽缸102中的工况还可以影响加热器控制系统的操作。例如，发动机控制单元14确定的如发动机在极稀空燃比工况下操作可以产生较低发动机排气温度的那些低温燃烧工况，相比较于供应更多的燃料到燃烧汽缸102并产生较高发动机排气温度的工况，要求更多的来自加热器108的能量输入。在另一个示例中，再生过程模型320可以读取来自发动机控制单元14的其他的发动机工况，如转速、燃料喷射、空燃比等，这可以提供发动机排气的氧浓度、未燃烧燃料的浓度、如NOx和COx等各种排气的浓度的替代的估计，所有这些都可以影响再生反应速率。
关于上述示图可以使用和/或调节的工况包括例如空燃比、发动机转速、燃料喷射量和/或正时、排气氧浓度和/或入口氧浓度、排气再循环量、驾驶员要求和/或其他。
本文描述各种示例操作以示出系统协作。然而，由于系统结构还可以产生各种替代的操作。例如，在一个附加的示例中，在第一排气工况下，可以在排气进入过滤器之前通过加热器加热进入后处理系统的排气。例如，响应于指示过滤器两端的压力已达到阈值的来自发动机控制单元的信号，当启动微粒过滤器再生过程时会出现这种工况。当微粒过滤器的温度上升时，放热再生反应速率会增加，增加离开过滤器的排气的温度。来自排气的热量然后可以传递到在热传递装置中进入后处理系统的排气。当排气温度达到阈值时，加热器控制单元可以关闭加热器，保存燃料。此外，一旦通过压力差测量值检测到再生过程已完成，加热器可以保持关闭。此外，响应于变化的发动机负载、驾驶员要求等，加热器控制单元可以与发动机控制单元相互作用以改变加热器操作，这可以改变排气流中的氧浓度从而以从加热器要求更多或更少的输入的方式影响再生过程或再生频率。
流程图和框图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的，而是为便于演示和说明而提供。尽管未详细示出，但本领域技术人员应理解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，这些示图可以在图形上表示编程到控制器中的计算机可读存储介质中的代码。
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。本公开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显而易见的组合及子组合。本申请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申请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申请的主题之内。

Claims (11)

1.一种柴油发动机排气后处理系统，包括：
具有第一侧和第二侧的热传递装置；
热传递装置的第一侧下游的加热器；
加热器下游的过滤器；及
过滤器下游通向热传递装置的第二侧的排气路径，所述排气路径与过滤器的外表面隔离以阻止热量从离开过滤器的加热的排气传递到过滤器的外表面。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括响应于排气的温度和/或压力调节加热器的操作的加热器控制装置，所述加热器控制装置还响应于发动机控制单元。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热器控制装置还响应于从发动机控制单元接收的发动机工况，所述发动机工况包括发动机转速、空燃比、燃料喷射正时和/或发动机负载。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括在热传递装置的第三侧下游连接的催化剂。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热传递装置包括管壳式热交换器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进入热传递装置的第一侧的基本上所有排气在至少输送通过加热器、过滤器，及排气路径之后输送到热传递装置的第二侧。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述加热器为燃料点火的加热器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热器直接位于微粒过滤器上游，所述热传递装置直接位于微粒过滤器下游。
9.一种柴油发动机排气后处理系统，包括：
具有第一通道和第二通道的热传递装置，第一通道在所述装置的第一侧和第二侧之间，第二侧与第一侧相对，第二通道在所述装置的第三侧和第四侧之间，第四侧与第三侧相对；
使排气从发动机通向第一侧的第一排气路径；
使排气从第二侧通向第三侧的第二排气路径，所述第二路径包括加热器和在加热器下游连接的微粒过滤器；
从第四侧引导排气的第三排气路径，第三路径包括催化排放控制装置；及
控制器，所述控制器在热量从第二通道中的排气传递到第一通道中的排气时的第一模式下操作加热器，在热量从第一通道中的排气传递到第二通道中的排气时的第二模式下停用加热器，所述控制器响应于催化排放控制装置的温度在第一模式和第二模式之间切换系统。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器还响应于在微粒过滤器的再生期间的温度在第一模式和第二模式之间切换系统。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器响应于发动机工况调节加热器的操作。
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