CN101466925A - 用于废气净化装置再生的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对设置在内燃机系统(1)中废气净化装置(13)进行再生的方法，本发明的特征在于，所述方法包括下述步骤：设定预定的最小发动机转速使得在再生处理期间废气质量流量超过预定的流量值。本发明还涉及内燃机系统(1)，其包括适合于根据所述方法工作的废气净化装置(13)。

Description

用于废气净化装置再生的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于对设置在内燃机系统中的废气净化装置进行再生的方法。特别地，本发明涉及一种用于对低负载或怠速情况下的车辆发动机系统内的柴油机颗粒物过滤器进行再生的方法。本发明还涉及适合于根据所述方法工作的内燃机系统。

背景技术

内燃机的废气包含有害化合物，它们是以碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)，氮氧化物(NO_x)和/或颗粒物(PM)的形式。因此，废气通常被引导通过适合于净化废气的后处理系统。这样的系统包括例如，催化转化器、NO_X捕集器和颗粒物过滤器。废气后处理部件通常必须在确定的温度区间内工作；如果温度太低，那么不会发生所要求的化学反应或者是反应速率变得太低；如果温度太高，那么部件可能被损坏。此外，一些部件，比如NO_X捕集器和颗粒物过滤器，需要在确定的温度区间内再生，目的是正常工作。这样的再生通常在增加的温度水平下进行。

关于车辆应用中的内燃机，离开发动机的废气的物理和化学特性主要取决于发动机的类型以及车辆的行驶条件。例如，与奥托发动机相比，柴油机通常产生更大量的颗粒物以及更低温的废气。此外，与怠速运行的发动机相比，高负载状态运行的发动机要产生更高温度的废气。为了执行再生处理，可能需要在后处理系统中采取特殊动作来进一步增加温度。

长时间在高负载下工作的发动机，如用于道路运输的卡车的发动机，其废气的性质通常适合于再生目的。然而，在后处理系统中，由不利的废气性质所导致的问题的通常例子是，垃圾移除卡车的柴油机颗粒物过滤器的清洁。在这样的车辆应用中，很多时候发动机以怠速运行，行驶距离短、间歇行驶或行驶距离有限，导致废气温度相对低。为了通过喷射燃料并燃烧颗粒物来清洁这样的过滤器，离开发动机的废气的温度通常应该在至少250℃左右。

一种已知的增加离开发动机的废气的温度的方法是，增加喷射至发动机气缸的燃料量或延迟喷射(后喷射)。然而，单独采用这样的措施通常不能达到足够高的温度。

关于在低负载或怠速情况下的颗粒物过滤器的再生，一种已知的方法是使用单独的燃烧器加热过滤器。但是，这是相当复杂的解决方案，因为它要求另外的设备，如燃烧器本身和空气压缩机。

专利文献US2005/0148430公开了用于在低负载或怠速工作期间增加废气温度的方法，其中通过启动制动和/或起动元件如离合器或变矩器来增加发动机载荷。然而，该方法并不适用于所有情况，因为该方法没有充分地考虑到影响废气性质的参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于净化单元再生的方法和系统，在低负载或怠速情况下，与已知解决方案相比，所述方法和系统产生改进的再生条件。该目的通过在权利要求1和权利要求7中包含的技术特征实现。从属权利要求包含本发明的优选实施例、进一步发展以及变型。

本发明涉及一种用于对设置在内燃机系统中的废气净化装置进行再生的方法，并且，本发明的特征在于所述的方法包括如下步骤：设定预定的最小发动机转速，使得在再生处理期间废气质量流量超过预定的流量值。

本发明的方法具有如下的有益效果，即，在如果净化单元进行再生而因为太低的废气质量流量净化单元可能被损坏的情况下，能避免净化单元的再生。例如，当废气质量流量在确定的水平之下时，如果再生，那么传统的柴油机颗粒物过滤器可能因为过热而损坏。此外，在废气质量流量太低的情况下，如低负载或怠速情况下，本发明的方法具有可形成用于启动或维持净化单元再生的适当条件的有益效果。使用最小发动机转速确保废气质量流量变得充足是有用的，而与是否采取任何特殊的动作来增加或控制废气温度无关。

在本发明的优选实施例中，所述的方法还包括如下步骤：设定预定的最小发动机扭矩，使得在再生处理期间废气的温度超过预定的温度值。在这种情形下，如果需要，可以执行再生处理，即，不用必须由于不利的废气质量流量或温度而延迟开始再生或中断再生。

在本发明的另一优选实施例中，预定的最小发动机转速和预定的最小发动机扭矩被结合设定，使得在再生处理期间废气质量流量超过预定的质量流量值，并且废气的温度超过预定的温度值。这反映了例如下述一种情形，即，发动机转速的改变对发动机扭矩有直接影响，如，当液力变矩器连接至发动机时。另外，由此可以考虑发动机转速对废气的温度的任何影响以及发动机扭矩对废气质量流量的任何影响。

在本发明的另一优选实施例中，所述的方法进一步包括下列步骤中的一个或几个：确定所述废气净化装置的再生是否需要，确定废气的温度，并且，在废气质量流量超过所述预定流量值的情况下执行所述废气净化装置的再生。

在本发明的另一优选实施例中，发动机系统包括内燃发动机；变速箱；设置成连接发动机和变速箱的起动元件，所述起动元件能够打滑；以及被启动时能够增加发动机载荷的制动元件，其中，所述的方法进一步包括如下步骤：启动制动元件；确定档位是否接合，如果没有则接合档位。这反映了一种通常的情形，其中，装配有液力变矩器和自动变速箱的垃圾清除卡车在低负载情况下工作。

本发明还涉及一种包括废气净化装置的内燃机系统，其中所述系统适合于根据如上所述的方法工作。

附图说明

以下参照下列附图给出本发明的描述，其中：

图1示意性示出了能应用本发明的方法的发动机系统的一个例子，以及

图2示出了发动机转速和发动机载荷如何影响执行柴油机颗粒物过滤器(DPF)再生的条件的例子。

具体实施方式

图1示出了设置在车辆(未示出)上的内燃机系统1的示意性例子，所述系统1能应用本发明的方法。发动机系统1包括重型柴油机3，其连接至以液力变矩器的形式的起动元件5，所述起动元件5依次连接至自动变速器变速箱7，从而驱动以卡车的驱动轴的形式的驱动单元9。发动机3产生废气流4，所述废气流4在被排放到环境中之前流经柴油机氧化催化剂(DOC)11和柴油机颗粒物过滤器(DPF)13。在产生热量的情况下，DOC11催化地氧化一氧化氮(NO)，碳氢化合物(HC)和炭黑颗粒。剩余的颗粒物被DPF13捕集。在此例子中，DPF13是传统类型，其包含许多通道，所述许多通道通过陶瓷多孔壁隔开，废气流强制从所述多孔壁中流过。随着DPF13中捕集的颗粒物数量增加，DPF13上的压降增大。为了避免DPF13上的压降太大，过一段时间必须通过燃烧颗粒物来对过滤器进行再生。控制单元8电连接至发动机系统1的各部件，目的是接收它们所处状态的数据并控制它们工作。这些电连接通过线路6表示。系统1进一步包括许多传感器(未示出)，用于确定系统参数，如发动机转速，发动机载荷，发动机温度，发动机的进气量，废气温度，废气组分(例如氧含量)以及DPF13上的压降。这些传感器也连接至控制单元8。控制单元8包括软件、处理器、存储器等等，从而能够分析接收到的数据并且发送适当的工作指令至系统1的各个部件。控制单元8进一步连接至车辆的制动系统10，所述制动系统10包括驻车制动器和行驶制动器。在图1中所示的发动机系统1的示意图中，控制单元8仅被示出为单个方框。实际上，控制单元8可以包括例如，车辆中央控制装置，其与例如发动机控制单元和变速器控制单元通信。

为了成功地执行DPF13的再生，重要的是：废气的温度足够高以执行有效再生处理，并且，DPF13内的温度保持低于一定的上限，900℃左右，高于此温度DPF13可能由于过热而损坏。为了避免超过此上限，保持废气质量流量充足很重要，因为这些废气流被用于冷却目的。在图1中所示的例子中，离开发动机的废气所要求的最小质量流量是0.08千克/秒。此外，进入DPF13的废气，即图1中气流4’的目标温度是600℃。进入DOC11的废气，即图1中气流4的温度通常较低。为了增加离开DOC11的废气流4’的温度，在DOC11中，燃料(HC)被添加至DOC11，从而在DOC11内的氧化过程中产生热量。在该例子中，进入DOC11的废气的目标温度是250℃。如果离开发动机3的废气在其至DOC11的途中没有明显冷却，那么进入DOC11的废气的温度与离开发动机3的废气的温度相当。

应当注意，以上给出的关于所需的废气质量流量和适当的废气温度的值对图1中例举的系统有效。所需的最小废气质量流量取决于DPF13的尺寸和类型，其相应地取决于发动机的尺寸和类型，并且，合适的温度取决于DPF13的类型和包括在发动机系统内的废气后处理部件。因此，其他的值可能较适合其他的系统。

从上可知，成功的DPF再生需要对离开发动机的废气的质量流量和温度有效控制。这两个废气参数可通过改变两个发动机参数来控制，发动机转速和发动机扭矩(载荷)。通常，这两个发动机参数影响废气的质量流量和温度：发动机转速增加导致每个单位时间内更高的活塞冲程数，并且由此导致在每个单位时间内更大量的废气，但是，它同样导致更高的废气温度，这是因为增加了发动机的温度(增加的摩擦)。在每个活塞冲程中，发动机扭矩的增加需要更大量的燃料和空气进入气缸，这导致了燃烧温度的升高以及由此导致的更高的废气温度，但在每个冲程中，由于使用了较大量的空气和燃料，也导致增加废气质量流量。然而，发动机转速对废气质量流量的影响比对废气温度的影响更强烈，并且，相反地，发动机扭矩对废气温度的影响比对废气质量流量的影响更强烈。

对于给定的发动机，废气质量流量由此主要取决于发动机转速，而离开发动机的废气的温度主要取决于发动机扭矩。因此，可以通过改变发动机转速控制废气质量流量，并部分地控制温度，并且，通过改变发动机扭矩控制废气温度，并部分地控制质量流量。在本发明的优选实施例中，发动机转速和发动机扭矩被结合控制，以使在再生处理期间，废气质量流量超过预定的流量值并且废气温度超过预定的温度值。

相互独立地改变这两个发动机参数的可能性，取决于用于连接发动机3和变速箱7的起动元件5的类型。如果起动元件5是液力变矩器，如此处所描述的系统1，那么给定的发动机转速将导致给定的发动机扭矩。另一方面，如果起动元件5是湿式离合器，那么可以相互独立地改变发动机转速和发动机扭矩。无论如何，起动元件5应该具有打滑(slipping)能力，即它应该能够打滑而没有显著的机械磨损。

图2示出了重型柴油机的发动机转速和发动机载荷如何影响执行柴油机颗粒物过滤器(DPF)再生的条件的例子。发动机转速(以rpm为单位)用X轴表示，发动机扭矩(以Nm为单位)用Y轴表示。

在区域I中，发动机转速和发动机载荷两者都足够提供执行DPF13再生的适当条件，即关于废气质量流量和温度。通常，公路运输卡车的发动机大多数时间内工作在该区域中。在区域II中，对于执行再生温度太低，然而在区域III中，质量流量和温度都太低。在区域IV中，质量流量太低，但温度足够执行成功再生。尽管这三个区域II、III和IV都相对较小，但垃圾收集卡车很大程度工作在这些区域内。

当发动机参数确定工作点位于区域IV内时，如果执行DPF的再生，存在损坏过滤器的相当大的风险，如上所述。因此，重要的是在开始再生之前，首先调节发动机参数使得工作点结束在区域I内。如果再生已经开始，相反，重要的是避免工作点落到区域I的外部。

从区域III内的工作点开始，通过增加发动机转速或者发动机载荷，理论上可以到达区域I。然而，仅增加发动机载荷，目的是达到确定的最低废气温度，在不考虑废气质量流量的情况下可能导致质量流量对于成功再生仍然太小，即，工作点结束在区域IV内。如能从图2中看到，在该例子中，通过保持发动机转速在800rpm或更高以及发动机载荷在500Nm或更高，实现用于执行再生的合适的工作点。

传统地，以下述方式控制DPF的再生，即，在废气温度充分高的情况下允许再生处理开始或继续。如果温度是或者下降至确定的水平之下，将不允许再生处理起动，或者再生处理被中断。为增加废气温度，已知例如对发动机加载，如专利文献US2005/0148430中所述。尽管在专利文献US2005/0148430中提出的方法在某些情况下可能是合适的，但是其没有考虑废气质量流量大小的重要性。如上所述，增加负载而不考虑废气质量流量的情况下可能引起导致过滤器过热的太小的质量流量。在传统的再生方法中已考虑了废气质量流量的情况中，已经显示的解决方案是监测废气质量流量并且当质量流量变得太低时中断再生。

本发明的基本思想是通过调节发动机转速或发动机转速和扭矩的结合，为执行净化单元如DPF的再生创造适当的条件，即关于废气温度，以及特别是废气质量流量。

关于在图1中示出的发动机系统1，本发明的方法的例子可以用下列方式描述：首先，压降传感器通知控制单元8需要DPF13再生。此时，控制单元8确定执行再生的条件，即，其检查例如废气质量流量和温度，档位是否接合，行驶制动器或驻车制动器10是否被启动，以及车辆是否移动。如果条件适宜，控制单元8将最小发动机转速设定为预定值，其对应最小废气质量流量0.1千克/秒。由于液力变矩器5的固有转速-负荷特性，该预定的最小发动机转速值导致确定的最小发动机扭矩值，其确保废气温度足够。该温度因此等于或超过进行再生的最低的温度限制。此外，控制单元8确定发动机转速是否必须增加至达到预定最小值。如果是，控制单元8发送该工作命令至发动机3。当发动机转速等于或超过其预定最小值时，控制单元启动再生，即控制单元8开始将燃料喷射至DOC11内。

因为本发明的方法设定了最小发动机转速，所以在再生处理期间，当废气质量流量太低或废气质量流量将下降到最小废气质量流量之下时，不存在启动再生的风险。

关于所述的发动机系统1，如果档位接合，那么发动机转速的增加以及由此扭矩的增加，通常将导致车辆开始移动或更快速地移动。通过启动制动器10，增加的扭矩将反而被液力变矩器5吸收，所述液力变矩器5能够在不磨损的情况下打滑。

本发明的方法特别地适合用于装配有自动变速器和液力变矩器的车辆，其是通常对于频繁停止和运转的车辆应用，例如清理垃圾类型的车辆应用。使用带液力变矩器的自动变速器的益处在于，可以在静止不动时向发动机施加扭矩，这将增加排气系统内的温度。通常，当档位接合时，容量为13升的重型柴油机在转速为600rpm时静止时的载荷是400Nm(与此相比，分离的干式离合器系统在静止时几乎没有施加载荷至发动机)。发动机转速的有限增加将显著增加发动机载荷，这将导致更多增加的废气温度。

本发明的方法的例子还能以下述情形的形式被描述：

情形1

条件：车辆静止不动，驻车制动器接合，档位接合，要求DPF再生

1、发动机转速被设定为预定的最小值，所述预定的最小值导致允许开始DPF再生的最小质量流量。重型柴油机的通常设定点的速度是800rpm。

2、控制起动元件，以使发动机载荷(扭矩)在预定值之上。对于重型柴油机，通常的发动机载荷是500Nm。

如果起动元件不可能被控制，如对于液力变矩器的情形，控制发动机转速，以使发动机载荷和发动机转速都处于可以再生DPF的区域内(参见图2)。

情形2

条件：车辆正在低速行驶，行驶制动器接合目的是降低车辆速度，档位接合，要求DPF再生或再生继续

1、发动机最小转速被设定为预定值，所述预定值导致允许DPF再生起动的最小质量流量。对于重型柴油机，通常的发动机设定点速度是800rpm。即使车辆变成静止不动，发动机转速也不会下降到该预定值之下。

2、如果车辆变得静止不动，那么发动机转速将不会下降到在先前步骤中设定的预定值之下——只要档位接合以及制动器10中的任何一个被启动，再生就能继续。

情形3

条件：车辆静止，驻车制动器接合，要求DPF再生

1、驾驶员手动地启动再生，例如通过仪表板上的按钮。

2、档位接合。

3、使用例子1中的步骤1和步骤2。

情形4

条件：车辆高速行驶，档位接合，要求DPF再生或再生继续

1、发动机最小转速被设定为预定值，所述预定值导致允许DPF再生起动的最小质量流量。对于重型柴油机，通常发动机设定点速度是800rpm。即使车辆变成静止不动，发动机转速也将不会下降到该预定值之下。

2、如果车辆变成静止不动，那么发动机转速将不会下降到在先前步骤中设定的预定值之下——只要档位接合以及制动器10中的任何一个被启动，再生就能继续。

当再生被完成时，这些情形结束。例如，情形4同样适用于变得静止不动的公路运输卡车，例如，由于交通阻塞或驾驶员需要休息。

在方法步骤中，同DPF13的再生有关的用于控制发动机系统1的本发明的方法能够包括下列步骤：

-确定是否需要DPF13的再生

-确定废气的温度

-确定废气的温度是否低于或超过预定最小温度值

-确定废气质量流量

-确定废气质量流量是否低于或超过预定的最小流量值

-确定车辆是行驶还是静止不动

-确定车辆的驻车制动器和/或行驶制动器10是否接合

-确定档位是否接合

-如果制动器10没有被启动，那么启动制动器10

-如果档位没有接合且制动器10被启动，那么接合档位

-确定发动机转速

-确定发动机载荷

-确定发动机转速是否低于或超过预定的最小值

-将发动机转速设定为预定的最小转速值

-增加发动机转速，并且因此增加扭矩，以使废气的温度超过预定的温度值

-当废气质量流量和废气温度超过所述预定的流量和温度值时，执行(开始/维持)DPF13的再生

本发明的方法同样适用于其他类型的过滤器和其他净化单元，并且适用于DPF和另一净化单元的结合。此外，作为增加燃料至DOC11的过程的替代，可以使用其他类型的再生处理，比如所谓的被动再生，其中在过滤器中氮氧化物与炭黑颗粒物起反应。

在本发明的优选实施例中，根据环境温度调节所需的最小发动机扭转/废气温度，特别是，环境温度影响DPF的温度而且影响废气的温度。如果环境温度低，那么在再生期间可能需要较高的废气温度。

本发明并不限于如上所述的实施例，在权利要求限定的范围内，本发明能够以多种方式改变。例如，对于本发明来说，以上给定的所有方法步骤并非都是必需的。例如，不必明确地确定废气质量流量。相反，在确定的系统中，也可以使用与特定的发动机转速近似对应的废气质量流量。由此，可以通过确定废气质量流量的表示，即发动机转速，间接地确定废气质量流量。

此外，如果发动机系统1包括湿式离合器而不是采用液力变矩器来作为起动元件5，那么可以独立于发动机转速来控制发动机载荷。在这种情形下，可以是单独的方法步骤以将发动机载荷设定为预定的最小载荷值，以使废气温度超过预定的温度值。

在另一替代例中，发动机3能驱动液压马达，而不是液力变矩器5。在这种情形下，液压马达可以被认为形成起动元件5。在又一替代例中，发动机3驱动所谓的ISAD和/或电机，而不是液力变矩器5，在这种情形下，所述ISAD和/或电机可以被认为形成起动元件5。

还需要指出的是，不用必须通过利用压降传感器来进行确定是否需要DPF13的再生。

如果本发明的方法应用于不是设置在车辆内的发动机系统，那么行驶制动器或驻车制动器10可以由另一种类型的能够在被启动时增加发动机载荷的制动元件代替。

Claims (12)

1.用于对设置在内燃机系统(1)中的废气净化装置(13)进行再生的方法，其特征在于，

所述方法包括下述步骤：

-设定预定的最小发动机转速，使得在再生处理期间废气质量流量超过预定的流量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述方法进一步包括下述步骤：

设定预定的最小发动机扭矩，使得在再生处理期间废气的温度超过预定的温度值。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，

所述的方法包括下述步骤：

-结合地设定所述预定的最小发动机转速和所述预定的最小发动机扭矩，使得在再生处理期间废气质量流量超过预定的流量值并且废气的温度超过预定的温度值。

4.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，

所述的方法进一步包括下列步骤中的一个或几个：

-确定所述废气净化装置(13)是否需要再生，

-确定废气的温度，

-如果废气质量流量超过所述预定的流量值，执行所述废气净化装置(13)的再生。

5.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中所述系统(1)包括内燃发动机(3)；变速箱(7)；被设置成连接发动机(3)和变速箱(7)的起动元件(5)，所述起动元件(5)能够打滑；以及当被启动时能够增加发动机载荷的制动元件(10)，其特征在于，

所述的方法进一步包括下述步骤：

-启动制动元件(10)，

-确定档位是否接合并且，如果档位没有接合，

-接合档位。

6.根据上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，

所述废气净化装置(13)是柴油机颗粒物过滤器(DPF)。

7.包括废气净化装置(13)的内燃机系统(1)，其特征在于，

所述系统(1)适合于通过根据权利要求1至4中任何一项所述的方法工作。

8.根据权利要求7所述的系统(1)，其特征在于，

所述系统(1)包括内燃发动机(3)；变速箱(7)；被设置成连接发动机(3)和变速箱(7)的起动元件(5)，所述起动元件(5)能够打滑；以及被启动时能够增加发动机载荷的制动元件(10)，其中所述系统(1)适合于通过根据权利要求5所述的方法工作。

9.根据权利要求8所述的系统(1)，其特征在于，

所述起动元件(5)是液力变矩器。

10.根据权利要求7至9中的任何一项所述的系统(1)，其特征在于，

所述废气净化装置(13)是柴油机颗粒物过滤器(DPF)。

11.根据权利要求7至10中的任何一项所述的系统(1)，其特征在于，

所述系统(1)设置在车辆上，用于驱动车辆。

12.根据权利11要求所述的系统(1)，其特征在于，

所述车辆是用于收集垃圾的卡车。

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