CN101535609A - 执行发动机低还原剂运行模式的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于动力单元(10)的控制系统(80)，该动力单元包括燃料源(22)和还原剂源(64)。所述控制系统具有与燃料源相关联以便产生表明剩余燃料量的信号的第一传感器(24)。该控制系统还包括与还原剂源相关联以便产生表明剩余还原剂量的信号的第二传感器(72)。该控制系统还可以包括与第一和第二传感器通信的控制器(82)。该控制器可以构造成影响动力单元的操作从而使得在剩余的还原剂被耗尽之前耗尽剩余的燃料。

Description

执行发动机低还原剂运行模式的系统
技术领域
本发明涉及一种发动机运行模式，更具体地，涉及响应于低还原剂供给水平而执行发动机节约运行模式的系统。
背景技术
内燃机——包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料动力发动机和本领域已知的其它发动机——排放出空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物由气态化合物例如氮氧化物(NOx)组成。由于环保意识的增强，废气排放标准变得更加严格，发动机排放的NOx的量根据发动机的类型、发动机的尺寸和/或发动机的级别进行调节。为了确保符合这些化合物的规定，一些发动机制造商实施被称为选择性催化还原(SCR)的策略。
SCR是将气态或液体还原剂(通常为尿素/水溶液)添加至发动机的废气流中并被吸附在催化剂上的方法。还原剂与废气中的NOx反应形成H2O和N2。虽然SCR是有效的，但是只有当用于添加至废气流中的还原剂可获得时才会产生被还原的NOx排放物。换句话说，当尿素的供给耗尽时，废气排放物中NOx的浓度上升。
随着SCR方法正在成为一种可能的用于符合环境法规的策略，关于SCR使用的指南被关注。一种这种指南要求在尿素供给量降低时停止车辆，并且防止车辆继续运行直到供应量被补充。另一种这种指南要求有限的使用，包括在尿素供给不充分时发动机重启的次数被限制的可能。虽然这些指南可以充分地防止过量的NOx被排放到环境中，但是这些指南是有问题的。例如，车辆可能不方便地停止/处于困境，耗费车主大量的时间和资源。
响应于尿素可获得量低时制动车辆的另一种策略包括提供一种发动机低尿素运行模式。2006年8月17日公开的KOSAKA的美国专利文献No.2006/0184307(’307文献)描述了一种这样的模式。’307文献公开了一种旅行辅助系统，该系统基于导航信息寻找最近的服务站/加油站，并预测到达服务站之前尿素水溶液的消耗量。当尿素水溶液的剩余量不大于尿素水溶液的预定消耗量时，用户会得到提醒。然后计算使得车辆在不消耗完尿素水溶液的情况下到达服务站的柴油发动机的控制条件，并且基于该计算结果增加废气再循环量。由此，废气中含有的氮氧化物和尿素水溶液的消耗量都被减少。
虽然’307文献的旅行辅助系统可以合适地使得车辆在不完全耗尽尿素水溶液的情况下到达服务站，但是该系统仍然会产生问题。具体地说，如果服务站关闭，不再营业，或者没有尿素存货，车辆可能会耗尽尿素并且仍然在行驶。在这种情况下，车辆不再符合排放规定。另外，’307专利的系统没有提供用于解决当尿素达不到所需的供给速率时充足供应尿素的策略，例如当尿素源被冻结并且融化缓慢时。
本发明的系统解决上述一个或多个问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于动力单元的控制系统，该动力单元具有燃料源和还原剂源。该控制系统可以包括与燃料源相关联以产生表明/表示剩余燃料量的信号的第一传感器，和与还原剂源相关联以产生表明剩余还原剂量的信号的第二传感器。该控制系统还可以包括与第一和第二传感器通信的控制器。该控制器可以构造成影响动力单元的操作从而使得在耗尽剩余还原剂之前耗尽剩余燃料。
本发明的另一个方面涉及一种用于具有还原剂源的动力单元的控制系统。该控制系统可以包括与还原剂源相关联以产生表明还原剂供给速率的信号的传感器。该控制系统还可以包括与该传感器通信的控制器。该控制器可以构造成影响动力单元的操作从而使得还原剂的期望的消耗速率不超过还原剂的供给速率。
本发明的另一个方面涉及一种废气处理方法。该方法可以包括燃烧燃料以便产生动力输出和废气流，以及将催化剂注入废气流以便帮助废气成分的还原。该方法还可以包括测定剩余还原剂的量，并测定剩余燃料的量。该方法还可以包括改变燃料的燃烧从而使得在剩余还原剂被耗尽之前耗尽剩余燃料。
附图说明
图1是示例性公开的动力系统的示意图；
图2是描述图1中的动力系统的示例性操作流程图；以及
图3是描述图1中的动力系统的另一个示例性操作流程图。
具体实施方式
图1示出具有燃料系统20、排气系统40和后处理系统60的动力单元10。针对本发明，以四冲程柴油发动机为例描述并说明动力单元10。但是本领域的技术人员会意识到，动力单元10可以是任何其它类型的内燃机，例如汽油发动机、气体燃料动力发动机或者涡轮发动机。动力单元10可以包括至少部分地限定多个燃烧室14的发动机气缸体12。在示出的实施方式中，动力单元10具有四个燃烧室14。但是可以考虑动力单元10可以包括更多或更少数量的燃烧室14，并且燃烧室14可以被布置成“成一行/成一直线(in-line)”构型、“V”构型或者任何其它合适的构型。
同样如图1所示，动力单元10可以包括可旋转地安装在发动机气缸体12内的曲柄轴16。一连接杆(未示出)可以将多个活塞(未示出)连接至曲柄轴16从而每一个活塞在各自的燃烧室中的滑动导致曲柄轴16的转动。同样地，曲柄轴16的转动可以致使活塞的滑动。
燃料系统20可以包括相互配合以将加压燃料输送至每一个燃烧室14内的部件。具体地，燃料系统20可以包括容纳燃料源的箱22、与箱22相关联的燃料传感器24和燃料泵送结构26，该燃料泵送结构构造成使燃料加压并将一股或多股加压燃料流引导至歧管28。
箱22可以由容纳燃料源的容器构成。该燃料可以包括例如柴油燃料、汽油、煤油、重燃料或本领域已知的任何其它类型的燃料。如果希望，还可以考虑燃料系统20与多个单独的燃料箱连接。
燃料传感器24可以由本领域已知的传感器构成以便确定箱22中剩余燃料的液位并将该液位传输至电子控制器80。例如，燃料传感器24可以是浮子式燃油表(未示出)或者磁性液位仪(未示出)。
燃料泵送结构26可以包括一个或多个用于增加燃料压力的泵送装置。在一个示例中，燃料泵送结构26可以包括串连布置并通过燃料线路32流体连接的高压源34和低压源30。低压源30可以是向高压源34供应低压进料的传输泵，高压源34可以接收该低压进料并将燃料的压力增加至大约40-300MPa的范围。高压源34可以通过燃料线路36与歧管28连接。可以在燃料线路36中设置止回阀38以便使得燃料从燃料泵送结构26至歧管28单向流动。
燃料喷射器29可以设置在气缸盖18内并通过多条燃料线路27与歧管28连接。每一个燃料喷射器29都可以被操作以便以预定的正时和燃料压力将一定量的加压燃料喷射至相关联的燃烧室14内。
燃料喷射进入燃烧室14的正时可以与相关联的活塞的运动同步。例如，可以在活塞靠近压缩冲程的上止点位置时喷射燃料以便允许喷射燃料的压燃式燃烧。或者，可以在活塞开始朝向上止点位置的压缩冲程时喷射燃料从而进行均匀充气压燃操作。也可以在膨胀冲程期间活塞从上止点位置朝向下止点位置运动时喷射燃料从而进行延迟喷射以便产生用于后处理再生的还原气氛。为了实现这些特定的喷射过程，动力单元10可以从控制系统80要求以特定的喷射开始和/或结束正时(SOI或者EOI)和特定的喷射开始和/或结束压力(SOP或者EOP)喷射燃料。
排气系统40可以将废气从气缸14导向大气并且可以包括通过一个或多个气缸14与排气通道44流体连通的排气歧管42。考虑排气系统40可以包括其它的部件，例如涡轮、废气再循环系统、颗粒过滤器或者本领域已知的任何其它的排气系统部件。
后处理系统60可以包括用于调节歧管42中的废气的处理装置62。处理装置62可以包括例如还原剂源64、与还原剂源64连接的喷射器66和催化剂基体(载体)68。还原剂从源64被抽吸并通过喷射器66被喷射至催化剂基体68上。
还原剂源64可以通过流动线路70与喷射器66流体连接。还原剂源64可以包括测定还原剂源64中还原剂的剩余量并产生表明该量的信号的传感器72。传感器72还可以测定还原剂源64的参数，例如还原剂供给箱64中的还原剂的供给温度和速率。还原剂源64中容纳的还原剂可以是本领域已知的有利于这种催化系统的任何还原剂，例如尿素或者氨水。
还原剂传感器72可以由本领域已知的传感器构成以便测定箱64中剩余燃料的液位并将该液位传输至电子控制器80。例如，传感器72可以是浮子式液位仪或者磁性液位仪。
喷射器66可以将来自还原剂源64的还原剂喷射至排气系统40内以便降低其中的成分的浓度。在一个示例中，所述成分可以包括氮氧化物(NOx)。还原剂与废气中的NOx反应产生H2O和N2。
催化剂基体68可以设置在排气系统40中排气歧管42的下游。排气系统40可以引导废气流的流动从而使得废气流以基本上均匀分布的方式流过催化剂基体68并使得成分与还原剂接触并反应。
催化剂基体68可以由各种材料制成。例如，催化剂基体68可以包括支承材料和分散在催化剂支承材料中的金属促进剂。支承材料可以包括氧化铝、沸石、磷酸铝、六铝酸盐、铝硅酸盐、锆酸盐、钛硅酸盐和钛酸盐中的至少一种，并且金属促进剂可以包括金属银(Ag)。可以使用这些材料的组合，可以基于使用的燃料的类型、使用的还原剂、期望的空气燃油蒸气比和/或符合环境标准来选择支承材料。本领域的普通技术人员会理解在不脱离本发明的范围的情况下可以使用多种其它的催化剂合成物。另外，多个催化装置也可与排气系统40一起设置。
控制系统80可以响应于一个或多个输入而控制每一个燃料喷射器29的操作。特别地，控制系统80可以包括控制器82，该控制器82通过通信线路84与燃料喷射器29通信，通过通信线路25与燃料传感器24通信，并通过通信线路73与还原剂传感器72通信。控制器82可以通过基于燃料传感器24和还原剂传感器72的输入向每一个燃料喷射器29施加确定的电流波形或者确定的电流波形序列来控制燃料喷射的正时、压力和量。控制器82还可以与发动机的其它系统例如空气导入系统、废气再循环系统等通信。
控制器82可以是单个微处理器或者多个微处理器，所述微处理器包括用于控制燃料系统20的操作的装置。许多商业可购得的微处理器可以被构造成执行控制器82的功能。应当理解，控制器82可以容易地表现为能够控制许多作业机械或发动机功能的总的机械或动力单元微处理器。控制器82可以包括运行应用程序所需的全部组件，例如存储器、二次存储装置和处理器，例如中央处理单元或者本领域已知的用于控制燃料系统20的任何其它装置。各种其它已知的电路可以与控制器82相关联，包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电路和其它合适的电路。
控制系统80可以与燃料系统20、排气系统40和后处理系统60通信以调节动力单元10的运行。控制器82可以与还原剂传感器72和燃料传感器24通信。控制器82可以响应于传感器报告的各种条件来改变发动机的性能。可以通过改变其它发动机系统参数例如增压压力、温度、燃料喷射正时，或者通过本领域已知的用于影响发动机性能的任何其它方法来影响所述改变。
在控制系统80的储存器中可以存储一个或多个与发动机正常运行模式、发动机低还原剂运行模式和发动机低还原剂流量运行模式相关的控制图(map)。这些图中的每一个都可以是表格、图表和/或公式的形式并且可以包括从实验室和/或动力单元10的现场运行中收集的数据的编辑。控制模块80可以参考这些图并相应地影响动力单元10的操作。
工业适用性
本发明的系统适用于任何使用废气成分还原系统的动力单元10，包括例如客车、专业工业卡车、建筑和运土机以及本领域已知的其它类似装置。实际上，本发明的动力单元10可以用于通过使用还原剂的后处理系统调节其排气的任何系统。下面解释动力单元10的操作。
参考图1，空气和燃料可以被抽吸入动力单元10的燃烧室14内用于后续的燃烧。燃料被喷射至动力单元10的燃烧室14内，与燃烧室中的空气混合并通过动力单元10燃烧以便产生机械功输出和热的废气流。该废气流可以包括由气态物质组成的空气污染物的复杂混合物，可以包括氮氧化物(NOx)。当该载有NOx的废气流从燃烧室14被引导通过排气系统40和后处理系统60时，可通过化学还原过程从废气流中除去NOx。
来自动力单元10的未被处理的废气流可以通过排气歧管42进入排气系统40。当废气流进入后处理系统60时，来自箱72的还原剂可以通过还原剂喷射器66被喷射以便与废气流混合。
然后，废气流和还原剂的组合气态混合物继续向下游流动并且在穿过催化剂基体68时与还原剂反应。被注入还原剂的废气流和催化剂基体68之间的这种反应可以使得废气成分例如NOx和还原剂反应，从而将氮氧化物转化成纯氮和水。被处理的废气然后被释放至大气。
后处理系统60依赖于来自箱64的基本上恒定的还原剂供应。当还原剂供给被完全耗尽时，后处理过程不能起作用并且根据行业或政府法规动力单元10应立即停止运行。
本发明的目的是防止还原剂源在燃料源被耗尽之前被完全消耗。以这种方式，动力单元10可以以发动机低还原剂运行模式继续运行而不需要动力单元10完全停止运行。
根据图2，在本发明的一个示例性实施方式中，还原剂源传感器72监测还原剂箱64中的还原剂液位(步骤200)。当还原剂液位在预定量之上时(即，足够用以连续的正常运行(步骤210；否)，传感器72可以继续监测还原剂箱64中的还原剂液位(步骤200)而不会采取进一步的动作。但是，当可用的还原剂的液位下降至低于预定量时(步骤210；是)，传感器72通知控制器82，该控制器可以启动发动机低还原剂运行模式(步骤220)。
在发动机低还原剂运行模式中，控制器82可以使用传感器24监测燃料箱22中的燃料的液位。考虑剩余的燃料和还原剂的液位，控制器82可以基于储存在其存储器中的图确定节约还原剂所必需的发动机运行模式(步骤250)。然后控制系统80基于该确定改变发动机性能以便产生节约还原剂所必需的发动机运行模式(步骤260)。
例如，响应于正被测定的低还原剂液位，控制系统80可延迟喷射正时。由于该延迟的正时，燃烧室14中的最高燃烧温度可以导致较低的NOx产生速率，由此减少还原剂消耗速率并且同时增加维持动力所需的燃料供给速率。减小增压压力和/或增加废气再循环速率可具有类似的效果。该低还原剂运行模式可使得动力单元10在耗尽其还原剂供给之前耗尽其燃料供给，而仍然保持符合排放规定。
在示出的实施方式中，控制系统80通过延迟喷射正时并且由此改变空燃比来改变发动机性能。但是，可设想改变空燃比也可以包括节流、废气再循环或者任何其它能够改变燃烧室中空气量的方法。
本发明的另一个目的是，当来自箱64的还原剂供给速率低于预定的消耗速率(在该预定的消耗速率下动力单元以正常模式运行)时允许动力单元10在发动机低还原剂流量运行模式下运行。根据图3，在本发明的另一个示例性实施方式中，源传感器72可以监测来自还原剂箱64的还原剂的供给速率(步骤300)。如果当前的还原剂供给速率在当前的消耗速率之上(即足够用以连续运行)(步骤310；否)，传感器72可以继续监测还原剂的供给速率(步骤300)而不会采取进一步的动作。但是，当还原剂源传感器72确认还原剂供给速率低于当前期望的消耗速率时(步骤310；是)，传感器72通知控制器82，该控制器可以启动发动机低还原剂流量运行模式(步骤320)。当还原剂源被冻结并且自然地缓慢解冻时或者通过加热元件(未示出)在低于期望消耗速率的速率下解冻时即是这种情况。
在发动机低还原剂流量运行模式下，控制器82还可以监测当前期望的消耗速率(步骤340)。基于当前的还原剂供给速率和期望的消耗速率之间的差值，控制系统80可以确定使得还原剂消耗速率降低至低于当前的供给速率所必需的发动机运行模式(步骤350)。控制系统80然后可以改变发动机性能以便使还原剂消耗速率降低至低于当前的供给速率(步骤360)。
与上述发动机低还原剂运行模式相似，发动机低还原剂流量运行模式可以使得动力单元10在较高的温度下以较低的效率运行，由此增加燃料消耗并降低还原剂的使用速率。这种运行模式可以使得动力单元10在耗尽其还原剂供给之前耗尽其燃料供给。
本发明允许动力单元10的操作者连续操作直到燃料供给被消耗完。例如，如果发动机低还原剂运行模式中的车辆操作者到达服务站时发现服务站关闭或者没有还原剂，操作者可以继续行进当前燃料供给所允许的最远距离。这是有利的，因为有经验的操作者不太可能在轮班作业期间耗尽燃料。
本发明还可确保只要车辆运行就符合排放标准，并且只要其有燃料和还原剂供给车辆即可运行。由于将来的排放标准可能要求一旦还原剂供给被耗尽，即使还有燃料供给，动力单元也应立即关闭，这种系统可以使得操作者延长动力单元的运行，只要燃料供给还有剩余。
本发明的另一个优点是其提供用于解决还原剂具有充足供应而仅仅达不到所需的供给速率的策略，例如当还原剂被冻结并且融化缓慢时。这使得操作在低还原剂和高燃料使用模式下继续进行，而以前的系统在这种情况下则要求所有操作停止以便使得足够量的还原剂融化。
本领域的技术人员将会显见，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修改和变型。通过考虑本说明书和此处公开的系统的实施，其它实施方式对本领域的技术人员是显而易见的。本说明书和示例只是示例性的目的，本发明的真正范围由下面的权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于包括燃料源(22)和还原剂源(64)的动力单元(10)的控制系统(80)，所述控制系统包括：
与该燃料源相关联以便产生表明剩余燃料量的信号的第一传感器(24)；
与该还原剂源相关联以便产生表明剩余还原剂量的信号的第二传感器(72)；以及
与所述第一和第二传感器通信的控制器(82)，所述控制器构造成影响动力单元的操作从而使得在剩余的还原剂被耗尽之前耗尽剩余的燃料。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，通过改变进气成分影响所述动力单元的操作。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，仅仅当剩余还原剂量少于预定量时影响所述动力单元的操作。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，
所述第二传感器进一步构造成产生表明还原剂的供给速率的信号；并且
所述控制器构造成影响动力单元的操作从而使得还原剂的期望的消耗速率不超过还原剂的供给速率，其中所述期望的消耗速率是为了将废气成分的浓度减少至可接受的范围内必须以该速率将尿素喷射至废气流内的速率。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，仅仅当还原剂的供给速率低于预定速率时影响所述动力单元的操作。
6.一种处理废气(40)的方法，包括：
燃烧燃料以便产生动力输出和废气流；
将催化剂注入废气流中以便帮助废气成分的还原；
测定剩余催化剂的量；
测定剩余燃料的量；
改变燃料的燃烧从而使得在剩余的催化剂被耗尽之前耗尽剩余的燃料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，仅仅当剩余催化剂的量少于预定量时改变燃料的燃烧。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
测定催化剂的融化速率；并且
改变燃料的燃烧从而使得催化剂的期望的消耗速率不超过融化速率。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述期望的消耗速率是为了将所述成分的浓度减少至可接收的范围内必须以该速率将催化剂喷射至废气(40)流内的速率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，仅仅当催化剂的融化速率低于预定速率时改变燃料的燃烧。
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