CN101512129A - 低怠速废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于还原在低怠速下从动力源(12)排放的NOx的废气再循环系统(18)。所述动力源具有至少一个燃烧室(20)、进气歧管(22)、第一排气歧管(24)和第二排气歧管(26)。所述废气再循环系统具有位于第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个之中的阀(40)。该阀能够运动以通过将来自所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个的废气引导到进气歧管而提高废气的温度。此外，所述废气再循环系统具有控制器(46)，该控制器被构造成用于确定指示废气温度的至少一个动力源状态并响应该确定结果使所述阀运动。

Description

低怠速废气再循环系统
技术领域
本发明总的涉及一种废气再循环系统，更具体地，本发明涉及一种用于低怠速氮氧化物还原的废气再循环系统。
背景技术
内燃机，包括柴油机、汽油机、天然气发动机和本领域已知的其它发动机，会排放空气污染物质的复杂混合物。空气污染物质由固体颗粒物质和包括氮氧化物(NOx)的气体化合物组成。随着对环境关注的不断增加，排放标准已经变得更加严格，并且根据发动机的类型、规格和/或等级规定了从发动机向大气排放的固体颗粒物质和气体化合物的量。
发动机制造商已经采取了一些方法以遵守这些发动机排放的规定。一种方法包括利用诸如选择性催化还原(SCR)系统、NOx还原催化室和氧化催化室等催化装置。这些装置通过将化学催化剂与发动机产生的废气混合来将大量存在的污染物质转化成例如水或氮等无害物质。另一种方法包括使用废气再循环(EGR)系统。EGR系统是通过使一部分废气再循环回到发动机进气口来运行的。在那里，废气与新鲜空气混合。产生的混合物比纯空气的含氧量少，因此降低了燃烧室中的燃烧温度并产生更少的NOx。同时，包含在废气中的一些颗粒物质被重新引进到燃烧室内进行燃烧。两种方法都能够有效地结合使用以满足排放标准。
当发动机低怠速运行时，会产生大量的NOx和颗粒物质，很难去除。不幸的是，在发动机低怠速运行时，由于流经催化装置的废气温度太低，催化装置不能有效工作。催化装置仅在高于最低阈值温度时是有效的。此外，单独使用常规的EGR系统可能不足以还原在低怠速下产生的大量NOx。在低怠速下，由于废气温度太低而不能使其中的颗粒物质燃烧，所以废气中还含有大量的颗粒物质。因此，当常规的EGR系统在低怠速下工作以还原NOx时，该系统会将过多的颗粒物质重新引入到发动机，降低发动机效率，并且不能充分降低NOx的输出水平。
授予Barnes等人的美国专利No.6112729(下文中称’729专利)公开了解决该问题的一种尝试。’729专利公开了在包括发动机温度低和发动机低怠速运行过长时间的某些发动机运行状态下禁用EGR系统。禁用EGR系统防止了将过量颗粒物质重新引入到发动机，造成发动机效率降低。
尽管’729专利可以提高发动机在低怠速下的效率，但不能充分减少NOx排放，以满足日渐严格的环境法规。所述方法允许在低怠速期间废气温度降到催化装置的运行温度以下，从而使得催化装置不能运行。禁用EGR系统和不运行催化装置会产生这样的情况，即发动机产生超过法规允许的NOx。此外，为了保持不受这些情况的影响，必须过度限制发动机运行循环的剩余部分，以使总的发动机运行循环不受影响。而由于过度地限制发动机运行循环的剩余部分，发动机的效率可能被降低得更多。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中的一个或多个问题或缺点。
在一个方面，本发明提供一种包括动力源的废气再循环系统。所述动力源具有至少一个燃烧室、进气歧管、第一排气歧管和第二排气歧管。另外，所述废气再循环系统包括位于所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个中的阀。该阀能够运动以通过将来自所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个的废气引导到进气歧管而提高废气的温度。此外，所述废气再循环系统具有控制器，该控制器能够确定指示废气温度的至少一个动力源状态并响应该确定结果使所述阀运动。
在本发明的另一方面，还提供一种用于再循环废气的方法。该方法包括检测指示废气温度的至少一个动力源状态。另外，所述方法包括响应废气温度将来自动力源的废气重新引回到动力源。
附图说明
图1是根据本发明的一种示例性实施方式的动力系统的示意图；
图2是描述了图1的动力系统的示例性运行方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种示例性动力系统10，该系统具有能够燃烧空气和燃料混合物并产生机械输出和废气流的发动机12。动力系统10还可包括空气系统14、废气处理系统16和废气再循环(EGR)系统18。空气系统14可以向发动机12供应空气以促进燃烧过程。废气处理系统16可以减少由发动机12释放到大气中的污染物质。EGR系统18可以使发动机12产生的一部分废气再循环回到发动机12的进气口。
发动机12可以是任何种类的传统柴油、汽油或者气体燃料内燃机，且可以包括至少一个燃烧室20、进气歧管22、第一排气歧管24和第二排气歧管26。进气歧管22可以将空气从系统14引导到燃烧室20。燃烧过程中在燃烧室20内产生的废气可经由第一排气歧管24或者第二排气歧管26离开发动机12。
在图1所示的示例性实施方式中，第一排气歧管24和第二排气歧管26可以各自可操作地连接到三个燃烧室20。但是，可以想到的是：第一排气歧管24和第二排气歧管26可以各自可操作地连接到任何数量的燃烧室20，只要两根歧管都可操作地连接到至少一个燃烧室20；以及所有的燃烧室20可操作地连接到第一排气歧管24或者第二排气歧管26。还可以想到，如果需要，发动机12可以包括单个一体式歧管。
空气系统14可以向进气歧管22供应空气且可以包括一个或多个空气压缩装置28、节流阀30和空气冷却器32，所述空气压缩装置用于将增压空气引入到发动机12的燃烧室20中，所述节流阀用于调节空气流量，所述空气冷却器用于冷却空气。空气压缩装置28可以包括例如涡轮增压器和/或机械增压器。节流阀30可以设置在压缩装置28的上游，以调节进入发动机12的空气流量。可以想到的是，可以省去压缩装置28，发动机12也可以为自然吸气。还可以想到，在空气引入系统中可以包括另外的和/或不同的部件，例如，一个或多个空气净化器、一个或多个废气门、旁路系统、控制系统和本领域已知的用于将增压空气引入到燃烧室20内的其它装置。空气冷却器32可以位于EGR系统18连接到发动机12的进气口位置的上游，从而使被引导至发动机12的废气保持在升高的温度下。
废气处理系统16可以减少由发动机释放到大气中的污染物质的量。废气处理系统16可以经由共同的通道34可操作地连接到第一排气歧管24和第二排气歧管26。在图1所示的示例性实施方式中，废气处理系统16可包括一个或多个后处理装置，例如颗粒过滤器36和稀NOx催化装置38。可以想到的是，可以使用另外的废气处理装置来还原NOx，例如选择性催化还原装置和/或本领域内已知的其它NOx还原装置。
颗粒过滤器36可以包括被设计用来捕获颗粒物质的过滤元件(未示出)。颗粒过滤器36还包括电加热元件(未示出)或燃油喷射器(未示出)以烧掉可能聚集在过滤元件上并限制废气流通过过滤器的颗粒物质。
当废气温度在大约200摄氏度以上时，NOx催化装置38可以有效运行。存在于催化装置中的催化剂的化学特性能够使催化剂在高于200摄氏度的温度下与废气中的NOx发生反应。但是，如果废气的温度低于200摄氏度，化学催化剂不会与颗粒物质反应或者反应效果很差。结果，废气可能在没有充分净化NOx的情况下通过催化装置。
EGR系统18可以使来自发动机12的一部分废气再循环回到进气歧管22，EGR系统18可以包括EGR阀40、温度传感器42、发动机速度传感器44和控制器46。EGR阀40可以是简单的开/关阀或者比例阀，并可以与第二排气歧管26、共同通道34和EGR通道48流体连接。在接收到来自控制器46的信号时，EGR阀40可以将来自第二排气歧管26的废气经由共同通道34引导到废气处理系统16，或者经由EGR通道48引导到进气歧管22。可以想到的是，如果需要，EGR阀40可以与第一和第二排气歧管两者都连接。
为了确定何时激活EGR阀40，可能有必要确定发动机的物理状态。这可以通过用传感器42和44来检测发动机12的某些物理参数来实现。具体来说，传感器42可以被构造成产生指示排气歧管温度的一个或多个信号。另外，传感器44可以被构造成产生指示发动机速度的信号。可以想到的是，传感器42和44可以分别设置在与第一排气歧管24、第二排气歧管26和发动机12有关的任何位置，所示的具体位置仅是出于示例的目的。
温度传感器42可以是安装到第一排气歧管24、第二排气歧管26或者共同通道34内以检测离开燃烧室20的废气温度的任何类型温度传感器。例如，温度传感器42可以具体实施为测量第一排气歧管24、第二排气歧管26或者共同通道34的壁温度的表面式温度传感器。替代地，温度传感器42可以是直接测量第一排气歧管24、第二排气歧管26或者共同通道34内的废气温度的气体式温度传感器。如本领域已知的，温度传感器42可以产生废气温度信号并将该信号经由通信线(未标出)发送给控制器46。该温度信号可以连续发送，基于时间间隔发送，或者仅在控制器46提示时才发送。
发动机速度传感器44可以检测发动机12的速度。例如，发动机速度传感器44可以具体实施为能够检测发动机12的曲轴(未标出)转速并产生与该转速相应的信号的电磁式拾波传感器。发动机速度传感器44可以设置成邻近埋置于曲轴(未标出)内的电磁元件(未示出)、邻近埋置于直接或间接受曲轴(未标出)驱动的部件内的电磁元件(未示出)，或者以其它合适的方式设置以产生与发动机12的转速对应的信号。如本领域已知的，动力源速度信号可以通过通信线(未标出)发送给控制器46。可以想到的是，如果利用发动机速度传感器44来确定废气温度，则可以省去温度传感器42。
在一种替代实施方式中，可以想到的是，如果需要，控制器46可以利用其它传感输入作为温度信号和/或发动机速度信号的替代。这种输入可以与各种发动机参数相关，例如，燃料消耗率、发动机节气门位置、进气歧管温度、增压、燃料设定(fuel setting)、空气流量和/或本领域已知的其它参数。控制器46可以接收并分析该输入来获得发动机12的排气歧管温度和/或发动机速度。
控制器46可以包括一个或多个微处理器、存储器、数据存储装置、通信集线器和/或本领域已知的其它部件。在图1所示的示例性实施方式中，控制器46可以仅与EGR系统18相联。然而，可以想到的是，控制器46可以结合到能够控制动力系统10的附加功能的总控制系统内，例如，发动机12的选择性控制系统，和/或结合到可操作地与动力系统10相联的其它系统内，例如传动系统的选择性控制系统。
控制器46可以接收来自传感器42和44的信号并通过将该数据与储存在控制器46或可从控制器46获得的阈值温度和速度值进行比较来分析数据，以确定发动机12是否运行在低怠速状态下。在从传感器42和44接收输入信号时，控制器46可以执行多种运算，例如算法、方程式、子程序、引用查找映射或查找表，并建立输出，以便以本领域已知的方式通过一根或多根通信线(未标出)影响EGR阀40的运行。
工业实用性
本发明的EGR系统可以提供一种简单、经济且可靠的方式以降低在低怠速状态期间释放到大气中的NOx和颗粒物质排放。具体地，本发明的EGR系统利用废气再循环阀，以响应于废气温度和/或发动机速度，将废气重新引导入发动机的进气歧管。将废气重新引回进气歧管可以使废气温度保持在对于NOx的催化还原装置的最优性能起关键作用的阈值温度以上。下面介绍动力系统10的运行。
来自空气系统14的空气通过进气歧管22进入发动机12。一旦进入燃烧室20，空气就可以被压缩，然后与诸如柴油、汽油或者天然气(未示出)之类的燃料混合。混合后，混合物质可以燃烧，产生机械输出和废气流。取决于燃烧室20的构造，废气可以经由废气出口进入第一排气歧管24或者第二排气歧管26。
如通过图2公开的方法所示，在步骤100，传感器42和44可以检测其中一个排气歧管中的废气温度和/或检测发动机速度。然后，传感器42和44可以将基于废气温度和/或发动机速度的信号传递给控制器46。在步骤102，控制器46可以接收来自传感器42和44的信号并可以确定废气温度和/或发动机速度是否分别高于或者低于预定阈值，例如200摄氏度和600转每分钟。控制器46可以通过执行算法、引用查询映射或者遵循本领域公知的其它技术来做出该确定。
如果控制器46确定发动机12正以大于低怠速的速度运行，则执行步骤104。如果废气温度和/或发动机速度高于预定阈值，控制器46可以得出发动机正以大于低怠速的速度运行的结论。在步骤104，控制器46可以使EGR阀40运动到第一位置，在该位置，来自第二排气歧管26的废气经由共同通道34被引导到废气处理系统16中。另外，第一排气歧管24中的废气可经由共同通道34进入废气处理系统16中。一旦进入废气处理系统16，废气中的NOx就可以与催化室中的催化剂进行反应，从而在废气被释放到大气中之前，减少NOx的量。
如果控制器46确定发动机12正以低于低怠速的速度运行，则执行步骤106。如果废气温度和/或发动机速度低于预定阈值，控制器46可以得出发动机正以低于低怠速的速度运行。在步骤106，控制器46可以使EGR阀运动到第二位置，在该位置，来自第二排气歧管26的废气经由EGR通道48被引导到进气歧管22。在进气歧管22中，来自第二排气歧管26的废气可以与来自空气系统14的新鲜空气混合。废气可以提高进入发动机12的废气/空气混合物的温度，最终可以提高进入废气处理系统16的废气温度。一旦进入废气处理系统16中，废气中的NOx就可以与催化室中的催化剂发生反应，从而在废气被释放到大气中之前，减少NOx的量。
由于本发明的系统可以根据排气歧管的温度和/或发动机速度将废气引导到发动机进气口，确保了在低温和/低速状态下的NOx排放保持符合法规。具体地，将废气引回发动机进气口可以提高废气的温度，这可以允许后处理催化装置在低温和/或低速状态下起作用。另外，由于NOx还原装置将在整个发动机状态范围内适当地运行，而不是仅在高速和高于低怠速的状态下运行，因此，在低温和/或低速状态期间利用EGR和催化系统可以提高动力系统的废气处理效率。应当注意，由于改善了低怠速废气排放，可以放宽在其它速度状态下的限制，以进一步提高整个运行循环的发动机效率。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的系统进行各种变型和改变。通过考虑此处公开的说明书，其它实施方式对于本领域的技术人员是明显的。说明书和例子仅仅用于示例的目的，真正的保护范围由后附的权利要求书及其等同原则来确定。

Claims (10)

1.一种废气再循环系统(10)，包括：
动力源(12)，其包括至少一个燃烧室(20)、进气歧管(22)、第一排气歧管(24)和第二排气歧管(26)；
阀(40)，其位于所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个之中，并能够运动以通过将来自所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个的废气引导到所述进气歧管来提高废气的温度；和
控制器(46)，其能够确定指示废气温度的至少一个动力源状态，并响应该确定使所述阀运动。
2.根据权利要求1所述的废气再循环系统，还包括位于所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个之中的第一传感器(42)，该第一传感器被构造成测量废气的温度，其中，所述控制器与所述第一传感器通信以接收温度信号。
3.根据权利要求2所述的废气再循环系统，其中，所述控制器在所述信号指示废气的温度低于阈值温度时，使所述阀运动到一位置，在该位置，来自所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个的废气流到所述进气歧管。
4.根据权利要求2所述的废气再循环系统，其中，第二传感器(44)被设置成检测所述动力源的发动机速度。
5.根据权利要求4所述的废气再循环系统，其中，所述控制器在废气的温度低于阈值温度且所述动力源的速度低于阈值速度时，使所述阀运动到一位置，在该位置，来自所述第一排气歧管和第二排气歧管中的至少一个的废气流到所述进气歧管。
6.根据权利要求1所述的废气再循环系统，还包括能够检测动力源的非温度参数并产生指示该非温度参数的参数信号的传感器，其中，所述控制器与该传感器通信并能够从所述参数信号获得废气温度值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的废气再循环系统，其中，所述动力源是发动机，且所述废气再循环系统还包括空气系统和废气处理系统，所述空气系统与所述进气歧管流体连通且具有空气冷却器和至少一个空气压缩机，所述废气处理系统与所述第一排气歧管和第二排气歧管流体连通且包括后处理装置，所述后处理装置具有最低运行温度。
8.一种用于使废气再循环的方法，包括：
检测指示废气温度的至少一个动力源状态；和
响应于所述废气温度，将来自动力源的废气重新引回动力源。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，重新引回包括当所述废气温度低于阈值温度时，将来自动力源的废气引回动力源。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括检测所述动力源的速度，其中，所述重新引回的步骤进一步响应于所述动力源的速度。
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