CN101617107A - 排气系统流体配量的闭环控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及排气管路燃料喷射系统(1)和相关的运行及控制方法。燃料通过调节阀(11、60、70、80)，该调节阀具有连接于加压燃料源(20)的入口(62、81)和连接于排气系统燃料供应管路(15)的出口(63、82)。排气系统燃料供应管路(15)连接于喷嘴(12、40、50、60)，该喷嘴通常包括止回阀且构造成将燃料喷射到排气管路(30、100)。使用压力测量装置(13)获得排气系统燃料供应管路压力的指示。控制器(14、119)使用来自该压力指示的反馈和通过喷嘴(12、40、50、60)的流率与排气系统燃料供应管路压力和经过喷嘴(12、40、50、60)的压力降中的一个之间的预定关系控制流量调节阀(11、60、70、80)。该方法可利用单个压力测量装置(13)来执行。可使用相同的压力测量值，特别是它们的频谱，来检测系统故障。

Description

排气系统流体配量的闭环控制
技术领域
本发明涉及用于柴油发动机和稀燃汽油发动机的排气后处理系统。
背景技术
来自柴油发动机的NOx和颗粒物质(炭烟)排放是环境问题。包括美国在内的许多国家长久以来都具有限制这些排放的生效法规。制造商和研究人员已为符合这些法规作出了很大的努力。已经提出了柴油机颗粒过滤器(DPF)以用于控制颗粒物质排放。还提出了一些不同的方案以用于控制NOx排放。
在使用理论(化学计量)燃料-空气混合物的汽油动力车辆中，可使用三元催化剂来控制NOx排放。在采用压缩点火的柴油动力车辆中，排气通常过于富含氧因而不能使三元催化剂有效。
用于控制来自柴油动力车辆的NOx排放的一组方法涉及限制污染物的产生。诸如排气再循环和燃料-空气混合物部分均匀化之类的技术有助于减少NOx排放，但是仅有这些技术是不够的。另一组方法涉及从车辆排气中去除NOx。这些方法包括使用稀燃NOx催化剂、选择性催化还原(SCR)和稀NOx捕集器(LNT)。
稀燃NOx催化剂在富氧条件下促进NOx的还原。在氧化气氛中NOx的还原是困难的。已经证明找到一种具有期望的活性、持久性和工作温度范围的稀燃NOx催化剂是一个挑战。稀燃NOx催化剂还趋于水热不稳定(hydrothermally unstable)。在相对少的使用后就会发生较大的活性损失。必须提供诸如柴油燃料之类的还原剂，这将产生3％或更多的燃料经济损失。目前，稀燃NOx催化剂的峰值NOx转化效率低得令人难以接受。
SCR通常是指利用氨进行的NOx的选择性催化还原。该反应即使在氧化环境中也可发生。NOx可临时存贮在吸附剂中，或可将氨连续地供给到排气中。SCR可实现高度的NOx还原，但是缺点是缺少用于分配氨的基础结构或者合适的前体。另一个担忧是氨有可能被释放到环境中。
为了澄清有时模糊不清的命名，应当理解，在排气后处理领域中，术语“SCR催化剂”和“稀NOx催化剂”可交换使用。然而，尽管严格地讲氨-SCR仅仅是SCR/稀NOx催化剂的一种，但是术语“SCR”常常仅用于表示氨-SCR。通常情况下，当在一篇参考文献中讨论到氨-SCR催化剂和稀NOx催化剂时，SCR用于指氨-SCR，稀NOx催化剂用于指带有不同于氨的还原剂的SCR，例如带有碳氢化合物的SCR。
LNT是在稀排气条件下吸附NOx并在浓排气条件下还原并释放被吸附的NOx的装置。LNT通常包括NOx吸附剂和催化剂。吸附剂代表性地是碱土化合物，例如BaCO3；催化剂代表性地是诸如Pt和Rh之类的贵金属的组合物。在稀排气中，催化剂加速导致NOx吸附的氧化反应。在还原性环境中，催化剂激活反应——被吸附的NOx通过所述反应被还原和吸附。在典型的操作规程中，不时地在排气中产生还原性环境以便去除聚集的NOx，并由此使LNT再生(脱硝)。
在脱硝过程中，大部分被吸附的NOx被还原成N2，但是，一部分被吸附的NOx未还原就被释放，另一部分被吸附的NOx被深度还原成氨后被释放。美国专利No.6,732,507描述了这样一种系统，其中SCR催化剂构造成在LNT的下游以便利用脱硝期间释放的氨。氨被用于还原溜过LNT的NOx，从而改进单机LNT的转化效率。
除了聚集NOx之外，LNT还聚集SOx。SOx是常规燃料中存在的硫的燃烧产物。即使对于硫含量少的燃料，燃烧所产生的SOx的量仍然很大。SOx的吸附性比NOx更强，并且尽管频率较低，仍需要更严格的再生。脱硫需要提高的温度以及还原性气氛。特别是在稀燃汽油发动机的情况下，可由发动机措施来提高排气的温度。但是，至少在柴油发动机的情况下，常常需要提供附加的热。一旦LNT被充分加热，则会产生类似于LNT脱硝的还原环境。
除了当发动机能按理论空燃比或浓空燃比运行时，产生用于LNT再生的还原环境通常涉及将还原剂喷射到排气中。需要一部分还原剂将过量的氧从排气中消除。通过与还原剂反应而将要被去除的那部分氧的量可通过各种方法，例如通过调节发动机的空气吸入量而减少。但是，至少在柴油发动机的情况下，通常需要通过燃烧或与喷射的还原剂的重整反应来将大量的氧从排气中消除。通常还将还原剂喷射到排气中以加热用于脱硫的LNT或加热DPF以便启动炭烟燃烧。
可通过发动机燃料喷射器将还原剂喷射到排气中。例如，发动机可在排出排气前将过量燃料喷射到一个或多个气缸内的排气中。这种方法的缺点是发动机油会被通过活塞环周围并进入油道的燃料稀释。气缸还原剂喷射另外的缺点包括必须改变发动机的工作以便支持LNT的再生、还原剂脉冲的过量散播、以及在涡轮增压器和EGR阀上形成沉淀。作为使用发动机燃料喷射器的替代方案，可利用单独的排气管路燃料喷射器将还原剂喷射到发动机下游的排气中。直接将排气喷射到排气管路中的优点是允许选择引入点。
可在排气管路内使用氧化催化剂或燃料重整器(改质器，reformer)来燃烧或重整在污染控制装置上游被喷射的还原剂。美国专利No.7,082,753(此后称为“’753专利”)描述了一种带有设置在LNT上游的排气管路中的燃料重整器的排气后处理系统。该重整器包括氧化和重整催化剂。重整器既从排气中去除过量的氧，又将柴油燃料还原剂转化为更具活性的重整产物。‘735专利的管路内重整器设计成快速加热然后催化蒸汽重整。
蒸汽重整所需的温度约为500℃到约700℃。这些温度大大高于通常的柴油机排气温度。为了在要求LNT再生时达到足够的重整器温度，’753专利的重整器通过首先以使得排气稀化的比率喷射燃料而被加热，从而被喷射的燃料在重整器中燃烧，释放热。在变热后，燃料喷射率增大以提供浓排气。理想情况下，‘753专利的重整器可自热地运行，吸热蒸汽重整反应与放热燃烧反应平衡。但是，在实践中，如果持续地产生重整产物，则在高排气氧浓度下重整器不可避免地且过度地发热。为了避免过热，’753专利提出了脉冲燃料喷射。
美国专利No.6,006,515提出可根据LNT的成分和再生发生时的温度通过较长或较短的链烃使得LNT更加有效地再生。为了能够控制长短链烃之间的选择，该专利提出设置两个燃料喷射器，一个设置在涡轮增压器上游的排气歧管中，一个设置在紧靠LNT前的排气管路中。由于涡轮增压器上游的排气温度高，利用歧管燃料喷射器喷射的燃料将承受较大程度的裂化以形成较短的链烃。
柴油机颗粒过滤器也必须进行再生。DPF的再生是去除聚集的炭烟。两种常用的方法是连续再生和间歇再生。在连续再生中，在DPF的上游提供催化剂以便将NO转化为NO2。NO2可在通常的柴油机排气温度下氧化炭烟并从而执行连续再生。这种方法的缺点是需要大量昂贵的催化剂。
间歇式再生涉及将DPF加热至炭烟燃烧在稀环境中自我保持的温度。部分地根据涂布到DPF上以便降低炭烟着火温度的催化剂涂层的类型，此温度典型地是从约400℃到约700℃。达到炭烟燃烧温度的典型方法是将燃料喷射到DPF上游的排气中，由此燃料燃烧，在DPF或上游装置中产生热。
已经提出了各种用于喷射柴油燃料以进行LNT再生的排气管路还原剂喷射系统。这些系统的共同问题是排气管路的热。来自排气管路的热可使得燃料喷射之间滞留在燃料喷射器中的燃料分解成最终阻塞燃料喷射器的物质。
一种方法是通过在喷射器和进入排气管路的进入点之间设置较长的管路而将喷射器与排气管路物理地分离。这种方法的难点是喷射器通常设计成以精细分布的液滴的形式提供燃料。这些液滴在到达进入点之前会在较长的管路中再结合。
另一种方法是设计带有冷却套的排气管路燃料喷射器。可使用水冷或空冷。可选地，可利用正被喷射的还原剂来冷却喷射器；过量的还原剂流被提供给喷射器。过量的流返回存贮器中。返回的流带走热量。
Robert Bosch公司已提出了一种带有单独的计量阀和喷射单元的排气管路燃料喷射系统。该喷射单元是由冷却套环绕的简单的喷嘴。包括脉冲宽度调制(PWM)阀的计量阀保持与排气管路相距一段距离以便保护阀的温度敏感部件，例如电绝缘体。计量阀设计成从发动机燃料喷射回路的低压部分或者从单独的泵和/或压力调节器抽取燃料。通过计量阀的占空因数来调节流率。
该Bosch系统构造成具有两个压力测量装置，一个在PWM阀的上游，另一个在PWM阀的下游。控制通过此系统的流动的常规方法是使得经过计量阀的压力降以及阀的占空因数与流率相关。可增大或减小占空因数(阀开启的时间的部分)，直到达到期望的流率为止。
尽管是提前的，但是长期需要这样一种排气后处理系统，该排气后处理系统持久、可靠，制造和运行成本可以接受，且能够减少来自柴油发动机的NOx排放使其足以满足美国国家环境保护局(EPA)的于2010年生效的法规和其它这样的法规。
发明内容
发明人的一个构思涉及一种带有排气管路燃料喷射的排气后处理系统的运行方法。该方法包括开启流量调节阀以允许燃料从加压燃料源流到排气系统燃料供应管路。排气系统燃料供应管路与喷嘴相连。喷嘴通常包括止回阀，每当经过喷嘴的压力降高得足以开启止回阀时，喷嘴将燃料喷射到排气管路中。使用压力测量装置，获得排气系统燃料供应管路的指示。排气系统燃料供应管路的压力的指示被用于提供用于控制调节阀的反馈。
该方法使用了通过喷嘴的流率与排气系统燃料供应管路压力的指示或排气系统燃料供应管路压力的指示和排气管路压力之差之间的预定关系。该关系可用于使压力或压力降与流率相关，在这种情况下控制所述阀以使得流率接近目标流率。等效地，该预定的关系也可用于从目标流率(和可选的排气管路压力)获得目标压力指示，在这种情况下控制所述阀以便使得压力指示接近目标。
此方法的一个优点是它可使用单个压力测量装置来进行。另一优点是特别在排气管路的压力变化不大的地方提供精确的控制。又一优点是用于控制的相同压力指示可提供有用的诊断信息。特别地，已经发现压力指示的频谱可表示燃料喷射系统正恰当地起作用。
流率与经过喷嘴的压力降或独立于任何其它系统压力的排气系统燃料供应管路压力相关。尽管即使当排气管路不包括DPF时也可使用压力降，但是当排气管路具有DPF时使用压力降特别合适且方便实施。当排气管路中包括DPF时排气管路中的压力变化趋于更大，随着DPF填充，压力增大。代表性地对于DPF控制来测量排气管路的压力。经过喷嘴的压力降是排气系统燃料供应管路中的压力和排气管路中的压力之差。与排气系统燃料供应管路压力相比，压力降可更加精确地跟踪流率。
发明人的构思的另一方面设计一种动力产生系统。该动力产生系统具有可运行以产生排气的发动机，该排气被输送通过排气管路。该动力产生系统还具有：燃料泵，该燃料泵可运行以将燃料从燃料箱泵送到管道；流量调节阀，该流量调节阀构造成导入(接收，admit)来自管道的燃料和将燃料释放到排气系统燃料供应管路；喷嘴，该喷嘴通常包括止回阀，且构造成将燃料从排气系统燃料供应管路导入到排气管路；压力测量装置，该压力测量装置构造成测量排气系统燃料供应管路的压力；和控制器，该控制器构造成使用来自测量的压力的反馈来控制流量调节阀。在一个实施例中，该控制器构造成使用通过喷嘴的流率和排气系统燃料供应管路中的压力之间的预定的关系。在另一实施例中，该控制器构造成使用通过喷嘴的流率和经过喷嘴的压力降之间的预定的关系。该系统可用于执行前述方法。
发明人的另一个构思涉及一种向排气后处理系统配量(dosing)燃料的方法。根据该方法，燃料穿过调节阀流向排气系统燃料供应管路。燃料从排气系统燃料供应管路通过通常包括止回阀的喷嘴喷射到排气管路中。测量排气系统燃料供应管路中的压力以获得压力数据。可提供一种如下的关系：通过止回阀的流率是排气系统燃料供应管路压力或经过止回阀的压力降的函数。对该压力数据和该关系进行综合，以获得一段时间内穿过止回阀的燃料的总量。可基于该总量来控制燃料配量。例如，当已经喷射了一定总量的燃料时可终止喷射。当燃料喷射是脉冲形式时，可基于该总量调节脉冲周期、频率或幅值。
此发明内容部分的主要目的是以简单的形式表述发明人的特定构思，以便于理解以下更加详细的描述。此发明内容部分并不是对于可被认为是“发明”的发明人的任一构思或发明人的构思的任一组合的全面描述。本领域技术人员通过以下详细描述和附图可以知晓发明人的其它构思。在此公开的内容可以概括化、细化并可以各种方式进行组合，发明人要求作为其发明进行保护的最终声明由所附的权利要求保留。
附图说明
图1是示例性排气管路碳氢化合物喷射系统的示意图；
图2是示例性喷嘴处于开启位置的示意图；
图3是图2的示例性喷嘴处于关闭位置的示意图；
图4是另一示例性喷嘴处于开启位置的示意图；
图5是图4的示例性喷嘴处于关闭位置的示意图；
图6是又一示例性喷嘴处于开启位置的示意图；
图7是图6的示例性喷嘴处于关闭位置的示意图；
图8是双通道PWM脉冲宽度调制阀的示例处于关闭位置的示意图；
图9是图8的示例性喷嘴处于开启位置的示意图；
图10是三通道PWM脉冲宽度调制阀的示例处于关闭位置的示意图；
图11是图10的示例性喷嘴处于开启位置的示意图；
图12是比例控制滑阀的示例处于关闭位置的示意图；
图13是图12的阀处于开启位置的示意图；
图14是示例性动力产生系统的示意图；
图15是示出占空因数、流率、排气系统燃料供应管路压力之间的关系的图示；
图16是示例性排气管路碳氢化合物喷射系统的示意图；
图17是示出在喷嘴未堵塞和PWM流率控制阀处于100％占空因数(连续开启)的状态进行的一系列排气系统燃料供应管路压力测量结果的频谱的图示；
图18是示出对于相同的系统在除了喷嘴被人为地部分堵塞之外与获得图17的测量结果所用的条件相同的条件下进行的一系列排气系统燃料供应管路压力测量结果的频谱的图示。
具体实施方式
图1是作为可实现发明人的某些构思的动力产生系统1的一部分的示例性排气管路碳氢化合物喷射系统10的示意图。碳氢化合物喷射系统10从发动机燃料供应系统20抽取燃料并将燃料喷射到排气管路30中。碳氢化合物喷射系统10包括流量调节阀11、喷嘴12、压力传感器13和控制器14。压力传感器13构造成读取排气系统燃料供应管路15中的压力，该排气系统燃料供应管路将燃料从流量调节阀11运送到喷嘴12。
流量调节阀11适于选择性地导入来自加压源的流体。在此示例中，加压源是发动机燃料供应系统20的低压部分。发动机燃料供应系统20具有低压燃料泵22，该低压燃料泵将燃料从燃料箱21泵送至管道23。管道23连接到高压燃料泵24，该高压燃料泵供应高压共轨25。燃料喷射器26将燃料从共轨25供应到柴油发动机(未示出)的气缸，该发动机可运行以产生由排气管路30运送的排气。高压卸压阀27可将燃料从共轨27返回到燃料箱21。
在此示例中，流量调节阀11构造成选择性地导入来自管道23的燃料。从管道23抽取用于排气管路燃料喷射的燃料具有不需要设置独立于发动机燃料供应系统20的附加的燃料泵的优点，但是缺点是在发动机通常运行期间管道23中的压力显著变化。
燃料通过喷嘴12进入排气管路30。喷嘴可以是为燃料的通过提供狭窄通道的任何结构。在本文中，该通道是狭窄的以便使得燃料承受与由排气系统燃料供应管路15引起的压力降相比较大的压力降。喷嘴12包括止回阀，从而仅当经过喷嘴的压力降超过临界值时燃料才会流过喷嘴12。该临界值优选地为从约0.5个大气压到约3个大气压，更加优选地为从约1个大气压到约2个大气压。代表性地，由于排气管路30中的压力通常保持接近于大气压力，压力降大致等于排气系统燃料供应管路15的表压力(gauge pressure)。
图2和图3示出可用作喷嘴12的示例性喷嘴40。喷嘴40包括由弹簧44偏压于阀座41上的提升头(poppet)43。当经过喷嘴40的压力降超过临界值时，如图2所示，提升头43抬离阀座41，以允许燃料从入口42流过阀体45并作为喷雾通过孔口47离开。当经过喷嘴40的压力降下降到临界值以下时，如图3所示，提升头43座靠于阀座41上以阻塞流动。经过喷嘴40的压力降优选地主要是经过提升头43和阀座41之间的开口的压力降。
喷嘴12设计成用于向排气管路30内进行间歇式的碳氢化合物喷射。从而，喷嘴12通常必须被冷却以防止在燃料喷射之间喷嘴12中残留的燃料被排气加热。如果喷嘴12被允许在燃料喷射之间进行加热，则喷嘴12中滞留的燃料会分解并最终堵塞燃料喷射器。为了防止滞留的燃料被过度加热，喷嘴40设有冷却套46，诸如发动机冷却剂或空气之类的冷却流体可穿过该冷却套46进行循环。
作为替代方案，喷嘴12可使用过量燃料流来冷却。过量燃料流是供应到喷嘴但是没有被通过喷嘴12喷射的燃料。相反地，该过量燃料被从喷嘴12运走并带走热量。图4和图5示出构造成用于由过量燃料流进行冷却的喷嘴50。喷嘴50具有许多与喷嘴40相同的部件。入口52具有通向冷却套56的开口。当不需要燃料喷射时，如图5所示，阀51被开启以便允许燃料从入口52流过冷却套56，从而冷却阀体55。当需要燃料喷射时，阀51被关闭，从而如图4所示，假设燃料供应处于足够的压力下以便将提升头43抬离其阀座41，燃料流过阀体55。当阀51再次开启时，如图5所示，流过冷却套56的燃料释放来自入口52的压力，使得提升头43返回其阀座41，并防止燃料流过阀体55。
图6和图7示意性示出另一示例性喷嘴140。喷嘴140包括由弹簧144偏压于阀座141上的提升头143。当来自入口142的压力足够大时，如图6所示，提升头143抬离阀座141且燃料流过喷嘴体145。当压力下降时，提升头143与阀座141密闭接触，且燃料流动停止。喷嘴141构造成用于由穿过通道146的冷却剂的循环来进行冷却。如果喷嘴未被构造成可进行冷却，则它优选地构造成在燃料喷射之间利用空气进行清除(purge)。空气清除可将燃料从喷嘴除去，否则该燃料会在燃料喷射之间形成堵塞喷嘴的物质。在一个示例中，清除空气是从车辆制动系统抽取的。
流量调节阀11可以是任何合适的类型。合适的流量调节阀的类型的示例包括比例控制阀和脉冲宽度调制(PWM)阀。比例流控制阀是一种通过开启程度来调节流量的阀。PWM阀是一种通过迅速打开和关闭来调节流动的阀，通过该阀的流量由阀被开启的时间部分(占空因数)来调节。PWM阀包括致动器。致动器的示例包括螺线管和液压致动器。
图8和图9是可用作流量调节阀11的示例性两端口PWM脉冲宽度调制螺线管阀60的示意图。阀60包括限定入口62和出口63的阀体61。如图8所示，在关闭位置，提升头64停靠在阀座65上，以阻止入口62和出口63之间的穿过阀体61的流动。如图9所示，螺线管被通电时将提升头64抬离其阀座65。阀60包括将提升头64偏压于阀座65上的弹簧66和当线圈68被通电时将提升头64抬离阀座65的电枢67。提升头64和阀座65构造成，在线圈68未被通电时使得阀体61内的供应流体的压力将提升头64偏压在阀座65上。
图10和图11示出也可用作流量调节阀11的示例性三端口PWM阀70。阀70包括许多与阀60相同的部件。主要的不同之处在于，当阀70处于如图10所示的关闭位置时，来自入口62的流体流过阀体71到达返回端口72。当阀70处于如图11所示的开启位置时，提升头64停靠于第二阀座73并阻塞入口62和返回端口72之间的流动。
图12和图13示出示例性滑阀(spool valve)80，该滑阀是一种可用作流量调节阀11的比例控制阀。除了入口81、出口82和控制通道83之外，滑阀80可以是圆柱对称的。阀80包括阀体84，阀芯85在该阀体中滑动。阀芯85在阀体86内的轴向位置确定了通道87的打开程度，该通道是入口81和出口82之间的流动的瓶颈。图12示出阀80处于完全关闭的位置，图13示出阀80处于部分开启的位置。出口82通过控制通道83与腔室88流体联通。
在工作期间，阀芯85移动到平衡位置——在该位置中作用在阀芯85上的各个力处于平衡状态。螺线管89和弹簧90在阀芯85上施加轴向力。腔室88中的流体也在阀芯85上施加轴向力。在平衡位置处，来自腔室88的压力、来自弹簧90的弹力以及来自螺线管89的力平衡。优选地，来自弹簧90和螺线管89的力很大程度地独立于阀芯89的轴向位置。阀80在出82处提供稳定的压力，该压力可预测地取决于提供给螺线管89的电力。
排气管路30中配设有一个或多个污染控制装置。图14提供了包括排气管路100的示例性动力产生系统110的示意图，该排气管路100可以是排气管路30。动力产生系统110包括发动机111、将排气从发动机111引导至排气管路100的歧管112和基于诸如来自温度传感器114的数据之类的数据控制燃料喷射系统10的控制器119。该控制器119可以是与控制器14相同的单元，或者是向控制器14发出指令的单独的单元。同样，控制器119可以是发动机控制单元(ECU)或与ECU通信的单独的装置。
示例性排气管路100包括氧化催化剂(OX)113、燃料重整器(REF)115、柴油机颗粒过滤器(DPF)116、LNT 117和SCR催化剂118。燃料喷射系统10被间歇式地使用，以便暖化燃料重整器115、加热DPF 116、以及向燃料重整器115提供燃料以用于从排气中去除氧和产生重整产物以使得LNT 117再生。燃料喷射系统10也可用于在一段较长的时间段内以脉冲形式提供燃料，这是因为在使得LNT 117脱硫的较长的时间段内是以脉冲的形式进行燃料喷射以调节重整器115的温度。
燃料喷射系统10代表性地设计成在宽流率范围上将燃料精确地配量给排气管路30以便实现一个或多个前述功能。宽范围代表性地跨越两个数量级。对于重型柴油发动机来说，示例性范围是每分钟从约20克到约1200克，和从约40克到约1200克。对于中型柴油发动机，典型的为每分钟从约20克到约800克。对于汽车发动机，典型的为每分钟从约20克到约400克。使用相对低的燃料喷射率来加热重整器114和下游装置。使用相对高的燃料喷射率来使得排气浓以用于LNT再生。燃料喷射率控制的精度优选地在整个范围的总标度的约±5％之内，更优选地在约±3％之内，且甚至更优选地在约±1％之内。
当排气管温度从约110℃变至约550℃时，燃料喷射系统10优选地保持运行。可选地，燃料喷射系统10构造成将燃料喷射至发动机111的排气歧管112中。在这种情况下，燃料喷射系统在排气管温度达到约600℃时还可运行。在这些温度下的可运行性包括在燃料喷射之间的喷嘴12保持空闲的较长时间段内燃料喷射系统的属性不会被有害地受影响。
为了使用简单和可靠的设备在期望的范围内达到期望的精度，发明人设想了一种基于经过喷嘴12的压力降来控制流率的方法。经过喷嘴12的压力降是排气系统燃料供应管路15中的压力和排气管路30中的压力之差。通过喷嘴12的流率主要取决于经过喷嘴12的压力降。从而，可从流率和经过喷嘴12的压力降之间的预定的关系获得流率。
发明人意识到排气系统燃料供应管路15中的压力是经过喷嘴30的压力降的主要决定因素。在一个实施例中，排气管路30中的压力被当作常数处理，在这种情况下可从涉及作为仅有的测量压力的排气系统燃料供应管路15中的压力的预定的关系获得通过喷嘴12的流率。排气管路30的典型的压力变化是±0.2atm或更少。如果喷嘴12的止回阀需要至少约0.2atm的压力降才能打开，那么当假设排气管路压力恒定时压力降中的不确定性典型地是±10％或更少。
图15是在排气系统燃料供应管路15中的三个不同压力下PWM流量调节阀11的占空因数与通过喷嘴12的流率的关系图。该图示出流率可再现地与压力相关，并随占空因数线性变化。
在另一实施例中，排气管路30中的压力被测量或估计，在这种情况下可从涉及排气系统燃料供应管路15中的压力和排气管路30中的压力之差的预定的关系获得通过喷嘴12的流率。
当需要时，可直接测量排气管路30中的压力。可配设传感器以便测量排气管路30中的压力。可选地，可利用连接于排气管路30和排气系统燃料供应管路15的装置来测量这两个管路之间的压力差。作为另一选择，可使用排气管路压力的估计值来计算压力降。可基于动力产生系统110的运行状态来估计排气管路压力。例如，可基于积聚在DPF 116中的炭烟量来估计压力，该炭烟量又可以是基于自从DPF 116的上一次再生后由发动机111所产生的炭烟量的估计。
当DPF 116设计成用于间歇式再生且构造成在燃料喷射点的下游时，排气管路压力发生最大的变化。随着DPF 116积聚炭烟，经过DPF 116的压力降和DPF 116上游的压力增加。在这种情况下，通常测量DPF 116的上游压力或经过DPF 116的压力降以便确定何时使DPF 116再生。这样，在带有最大压力变化的排气管路中，排气管路压力通常易于获得以用于计算经过喷嘴12的压力降。在带有较小压力变化的排气管路中，可仅从排气系统燃料供应管路15中的压力以足够的精度来估计经过喷嘴12的压力降。
在燃料喷射开始时，可基于前馈控制将流量调节阀11设置为第一占空因数或位置。在一个示例中，前馈控制是基于对阀11的燃料供给压力的估计值或测量值。基于预定的关系，可设置占空因数或打开程度以便使得流率接近期望的流率。
在一个实施例中，使用压力信息和该信息与流率之间的关系来进行综合以便计算累积燃料喷射量。该压力信息可与排气系统燃料供应管路15中的压力或经过喷嘴12的压力降相关。
累积燃料喷射量可用于控制方法中。在一个示例中，当累积燃料喷射量达到目标值时——表明已经提供了一定剂量的燃料，就终止一段时间的燃料喷射。在另一示例中，基于计算出的量来调节燃料脉冲的一个或多个参数。燃料脉冲的参数包括脉冲宽度、脉冲频率和脉冲幅值。该调节可被用于控制每次脉冲喷射的燃料的量和/或每单位时间喷射的燃料的量。
在另一实施例中，压力信息和该信息与流率的关系被用于调节流量调节阀11以便在反馈控制环路中达到期望的流率。控制环路的设定点和误差可以用排气系统燃料供应管路30中的压力、经过喷嘴12的压力降或通过喷嘴12的流率来表示。如果误差是用压力或压力降来表示，则可从目标流率以及流率与压力或压力降之间的预定的关系来确定设定点。如果误差是用流率来表示，则使用该预定的关系从压力或压力降来获得流率。将这样获得的流率和目标流率进行比较以计算误差。可使用任何合适的控制算法。潜在合适的控制算法的示例包括比例、比例-积分、比例-积分-微分控制，以及基于状态的控制方案。
尽管用于压力测量装置的典型的采样频率是1000Hz，在一个实施例中，控制器以40Hz运行。在40Hz下，控制算法易于造成排气系统燃料供应管路15的压力中的较大的振荡。但是发明人已经发现，尽管存在这些振荡，燃料喷射系统仍可以令人满意地运行。可通过使得压力数据平滑或使用移动时间平均数来减轻振荡。移动时间平均数涉及对于在先前的时间段内得到的一系列测量值取平均。平均可以是简单平均或加权平均。在40Hz下运行的优点是允许控制器集成到标准的发动机控制单元(ECU)中。标准的ECU具有25ms的时钟速度。
排气系统燃料供应管路15中的压力由压力传感器13测量。此传感器可方便地与流量调节阀11集成在一起。来自此传感器的数据在被用在控制算法中之前可利用多种方式进行处理。例如，该数据可以被归一化、条件化(conditioned)和/或进行滤波处理。特别地，滤波处理可被用于去除压力数据中的高频振荡。当喷嘴12包括具有弹簧和提升头的止回阀时——例如喷嘴40，在数据中常常会出现高频振荡。压力振荡是由提升头43引起的，每当有通过阀体45的流动时，该提升头通常在弹簧44上振荡。这些振荡引起排气系统燃料供应管路15中的压力的小变化，该变化可被检测到。
在一个实施例中，流量调节阀11是在相对低频率下运行的脉冲宽度调制阀。低频率可以是20赫兹，更典型的是10赫兹或更低。在这样的低频率下，排气系统燃料供应管路15中的压力随着阀11的脉动而显著变化。在这种情况下，一系列压力测量值的平均值或积分值可被用来代替控制算法中的瞬时值。例如，可通过将先前的n个压力测量值求和并除以n来获得平均压力。
在另一实施例中，脉冲宽度调制阀以相对高的频率运行，以便减轻排气系统燃料供应管路15中的压力变化，该排气系统燃料供应管路会影响基于此压力的反馈控制。相对高的频率可以是约40赫兹，更典型的为约50赫兹或更高。
图16是发明人设想的另一示例性排气管路碳氢化合物喷射系统200的示意图。排气管路碳氢化合物喷射系统200包括许多与碳氢化合物喷射系统10相同的部件，但是还包括蓄压器16。蓄压器16使供应给流量调节阀11的压力中的压力变化平滑化从而减少影响流率的扰动。蓄压器16可简单地是一定长度的管——该管的直径显著大于周围管的直径。碳氢化合物喷射系统200还包括流量调节阀11上游的压力传感器18。此压力传感器可用于故障诊断，并在流量调节阀11的闭环控制不能正常起作用的情况下提供开环控制。
碳氢化合物喷射系统200包括喷嘴12，该喷嘴12构造成利用过量燃料流进行冷却。设置止回阀17以控制用于冷却的燃料的流动。可使用喷嘴50作为喷嘴12，其中的止回阀51代替止回阀17。
在此公开的排气管路碳氢化合物喷射系统优选地包括一些形式的故障检测。在设计最佳的系统中，排气系统部件在可能引起故障的条件下运行很长时间。碳氢燃料喷射系统中的故障可具有严重的后果。燃料的过度喷射可导致昂贵的排气系统部件过热和损坏。不足的喷射可导致污染控制装置的性能不足。如果重整器114设计成用于自热操作，由于吸热蒸气重整反应的程度减少而放热燃烧反应的速率基本保持不变，不足的喷射可导致过热。
可通过常规方法检测燃料喷射系统的严重故障。例如，假设燃料未被用于在喷射之间冷却喷嘴12，则可由在燃料喷射结束后排气系统燃料供应管路15中的压力的迅速降低来检测泄漏。当流量调节阀11包括螺线管时，可通过电气装置，例如通过测量流向螺线管的电流或通过测量由于螺线管运动(motion)而引起的电流，来确定该螺线管合适地起作用。可使用各种技术从此类信息判定螺线管是否按要求起作用。
较难检测的故障类型包括喷嘴12的部分堵塞和胶结(卡住，sticking)。在一个实施例中，通过将由经过喷嘴12的压力降或由排气系统燃料供应管路15中的压力确定出的流率与由另一源确定出的流率进行比较来进行故障检测。可用于确定流率的另一源的示例是经过流量调节阀11的压力降，或当阀11是PWM阀时与阀11的占空因数相结合的阀11上游的压力。另一源的另一示例是流量计。由不同的源确定出的两个流率之间明显的差值表示有故障。该差值可以发信号和/或用于触发故障校正程序。
可利用热模型使用排气管路30中的温度读数来确定流率。例如，可使用热模型预测作为流率的函数的燃料重整器115的温度。该模型可考虑燃料喷射率、排气条件和重整器115的属性。如果采用热模型的结果与由温度测量装置114测得的温度不一致，则可推知实际燃料喷射率和用作该模型的输入的燃料喷射率之间存在差异。
发明人的另一构思是通过排气系统燃料供应管路15中的压力的频谱来检测故障。图17和图18是使用完全开启的流量调节阀11和43psi的供应压力获得的示例性频谱图。图17是基本情况，示出在380Hz处具有大的峰值，并在245Hz处具有相对小的峰值。图18是通过模拟喷嘴被部分阻塞而获得的。由于出现了阻塞，频谱发生很大变化，仅在约170Hz处具有一个峰值。尽管预料到这些峰值的准确位置是取决于在此实验中使用的系统的许多特点，在大多数系统中都可以预料到具有类似于此的差异。如果在一些特殊的系统中，当喷嘴12被阻塞时没有观察到这些频谱中的变化，则建议使用不同的喷嘴，优选地使用提升头和阀座之间的开口大小随通过喷嘴的流率连续变化这一类型的喷嘴。
在一个实施例中，由排气系统燃料供应管路15中的压力来确定喷嘴12的胶结。例如，喷嘴40中的提升头43的振荡可导致压力中的可测量的高频振荡。这些振荡在提升头43抬离其阀座41时开始，在提升头43返回停靠于其阀座41上时停止。如果这些振荡开始时的压力显著高于这些振荡结束时的压力，则可推知存在胶结。
可通过使用用于流量调节阀18的比例控制阀来增强基于频谱的故障检测。使用比例控制阀消除了由PWM阀引起的压力波动，从而提高了频谱中的信噪比。
故障检测可触发任何合适的响应。合适的响应的示例包括照亮灯来警示操作者、记录电子方法中的故障编码以及启动故障校正程序。故障校正程序可包括使反馈控制失效直到该故障被清除为止。
在一个实施例中，当检测到流量调节阀11的反馈控制中的故障时，动力产生系统1从反馈切换到开环(前馈)控制。优选地，前馈控制涉及压力调节阀11上游的压力测量。可基于流量调节阀11的占空因数与通过该阀的流率之间的预定的关系来设定占空因数，此关系是压力的函数。
构造基于在流量调节阀11上游测得的压力进行前馈控制的系统1的优点包括，在测量排气系统燃料供应管路15中的压力的装置发生故障时运行的可能性和使用上游和下游的压力指示来检测故障的可能性。使用上游压力读数确定出的流率可与不利用此读数而估计出的流率相比较，以便检测故障。
尽管发动机111优选是压燃式柴油发动机，但是发明人的各种构思可应用于具有稀燃汽油发动机或其它任何产生富氧、含NOx的排气的发动机的动力产生系统。对于本文公开内容而言，NOx包括NO和NO2。
动力产生系统110可具有任何合适类型的变速器。变速器可以是常规变速器，例如中间轴类型的机械变速器，但是优选为CVT。与常规变速器相比，CVT可提供工作点更多的选择，且一般而言还能够提供更大范围的转矩放大率。可用的工作点的范围可被用于控制排气条件，例如氧流率和排气碳氢化合物含量。可通过转矩放大率-发动机速度组合的范围来满足特定的动力需求。可选择此范围内的提供可接受的发动机性能且同时最佳地满足诸如最小氧流率之类的控制目标的点。一般而言，CVT防止或最小化了变速过程中的动力中断。
CVT系统的示例包括液压变速器、滚动接触牵引传动装置、超越离合器设计、电力、带有滑动式离合器的多速变速箱以及V带牵引传动装置。CVT可涉及动力分配且还可包括多级变速器。
优选的CVT提供宽范围的转矩放大比，与常规变速器相比减小了变速的需要，且使得CVT仅承受由发动机产生的峰值转矩水平的一部分。这些优点可利用减速齿轮组以减小通过CVT的转矩而实现。来自CVT的转矩通过恢复转矩的加速齿轮组。通过分配来自发动机的转矩并在行星齿轮组中重新组合该转矩来进一步保护CVT。行星齿轮组将通过分级自动变速器从发动机传递而来的直接转矩单元和来自诸如带式CVT之类的CVT的转矩单元进行混合或组合。该组合提供整体的CVT——其中仅有一部分转矩通过带式CVT。
燃料重整器115是一种将重质燃料转化为轻质化合物而不将使燃料完全燃烧的装置。燃料重整器115可以是催化重整器或等离子重整器。优选地，燃料重整器115是包括水蒸气重整催化剂的部分氧化催化重整器。重整催化剂的示例包括贵金属例如Pt、Pd和Rh，以及Al、Mg和Ni的氧化物，后面一组通常与CaO、K2O和诸如Ce之类的稀土金属中的一种或多种组合以提高活性。燃料重整器115与氧化催化剂相比优选为较小，该氧化催化剂设计成在低于450℃的温度下执行其基本功能。重整器115通常可在约450℃至约1100℃的温度范围内运行。
LNT 117可包括任何合适的NOx吸附材料。非限制性地，NOx吸附材料的示例包括氧化物、碳酸盐和诸如Mg、Ca、Sr和Ba之类的碱土金属或诸如K或Cs之类的碱金属的氢氧化物。通常情况下，NOx吸附材料是碱土金属氧化物。该吸附剂通常与粘结剂组合，并且形成为自支承式结构或作为涂层涂布在惰性基底上。
LNT 117还包括用于在还原环境中还原NOx的催化剂。该催化剂例如可以是一种或多种诸如Au、Ag和Cu之类的过渡金属，诸如Pt、Rh、Pd、Ru、Ni和Co之类的第VIII族金属，Cr或Mo。典型的催化剂包括Pt和Rh。贵金属催化剂也促进碱土金属氧化物吸附剂的吸附功能。
根据本发明的吸附剂和催化剂通常适于在车辆排气系统中使用。车辆排气系统在重量、尺寸和持久性方面会产生限制。例如，用于车辆排气系统的NOx吸附剂载体在车辆运行期间在遇到振动时必须适当地抗降解。
氨-SCR催化剂118的功能是催化NOx和NH3之间的反应以便将稀排气中的NOx还原成N2。SCR催化剂的示例包括某些金属例如Cu、Zn、V、Cr、Al、Ti、Mn、Co、Fe、Ni、Pd、Pt、Rh、Mo、W和Ce的氧化物和某些沸石，例如用诸如Cu、Co、Ag、Zn或Pt的阳离子之类的金属离子取代的ZSM-5或ZSM-11。优选地，氨-SCR催化剂118设计成可承受将LNT 117脱硫所要求的温度。
尽管未在任何附图中示出，可在其它后处理装置的下游设置净化催化剂。净化催化剂的功能优选为氧化来自发动机111的未燃烧的碳氢化合物、未使用的还原剂以及从LNT 117释放的且未被氨-SCR催化剂118氧化的任何H2S。可使用任何合适的氧化催化剂。为了允许净化催化剂在浓的条件下起作用，催化剂可包括储存氧的成分，例如二氧化铈。当需要时，可通过一种或多种诸如NiO、Fe2O3、MnO2、CoO和CrO2之类的附加成分的来促进的H2S去除。
已经在特定的概念、部件和特征方面示出和/或描述了由权利要求界定的本发明。尽管特别的部件或特征仅是相对于多个概念或示例中的一个以广义或狭义的形式公开的，所述广义或狭义概念的部件和特征可以与其它广义或狭义概念的部件和特征中的一个或多个进行组合，这样的组合被本领域技术人员认为是符合逻辑的。此外，此说明书可描述多于一个发明且所附权利要求并不需要包括在此描述的每个概念、方面、实施例或示例。
工业实用性
本发明用于控制来自柴油发动机和稀燃汽油发动机的排放。

Claims (15)

1.一种动力产生系统(110)，包括：
发动机(111)，该发动机可运行以产生排气，该排气被输送通过排气管路(100)；
燃料泵(22)，该燃料泵可运行以将燃料从燃料箱(21)泵送到管道(23)；
流量调节阀(11、60、70、80)，该流量调节阀构造成从所述管道(23)选择性地导入燃料以及将燃料释放到排气系统燃料供应管路(15)；
喷嘴(12、40、50)，该喷嘴构造成将燃料从所述排气系统燃料供应管路(15)输送到所述排气管路(30、100)；
压力测量装置(13)，该压力测量装置构造成从所述排气系统燃料供应管路(15)获得压力测量值；以及
控制器(14、119)，该控制器构造成基于所述压力测量值和通过所述喷嘴(12、40、50)的流率与以下参数中的一个之间的预定的关系来控制所述流量调节阀(11、60、70、80)：
i)所述排气系统燃料供应管路(15)中的压力，和
ii)所述排气系统燃料供应管路(15)中的压力与所述排气管路(30、100)的压力之间的差值。
2.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述燃料泵(21)向所述发动机(111)供应燃料。
3.根据权利要求2所述的系统(110)，其特征在于还包括蓄压器(16)，该蓄压器设置在所述管道(23)与所述流量调节阀(11、60、70、80)之间，用于改善进入所述流量调节阀(11、60、70、80)的燃料中的压力波动。
4.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述流量调节阀(11、60、70、80)是脉冲宽度调制阀(60、70)。
5.根据权利要求4所述的系统(110)，其特征在于，所述脉冲宽度调制阀(60、70)构造成以约50Hz以上的频率运行。
6.根据权利要求4所述的系统(110)，其特征在于，所述脉冲宽度调制阀(60、70)构造成以约10Hz以下的频率运行。
7.根据权利要求4所述的系统(110)，其特征在于，所述控制器(14、119)构造成在控制所述流量调节阀(60、70)时使用对一系列所述压力测量值取平均或积分得到的压力或流率。
8.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于还包括阀(17)，该阀允许来自所述排气系统燃料供应管路(15)的燃料返回所述燃料箱(21)。
9.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于还包括：
设置在所述排气管路(30、100)中的燃料重整器(115)或柴油氧化催化剂(116)；
其中所述喷嘴(12、40、50)构造成将燃料喷射到所述燃料重整器(115)或柴油氧化催化剂(116)上游的排气管路(30、100)中。
10.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于还包括：
设置在所述排气管路(30、100)中的稀NOx捕集器(117)或柴油机颗粒过滤器(116)；
其中所述控制器(14、119)构造成间歇式地启动通过所述喷嘴(12、40、50)的燃料流动，以使所述稀NOx捕集器(117)或柴油机颗粒过滤器(116)再生。
11.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述流量调节阀(11、60、70、80)是比例流量控制阀(80)。
12.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于，所述喷嘴(12、40、50)包括止回阀。
13.根据权利要求12所述的系统(110)，其特征在于，
所述控制器(14、119)构造成获得排气系统燃料供应管路压力的频谱并分析该频谱以检查排气管路燃料喷射系统故障。
14.根据权利要求1所述的系统(110)，其特征在于还包括设置在所述排气管路(30、100)中的柴油机颗粒过滤器(116)，和构造成获得所述排气管路(30、100)的压力的测量值的第二压力测量装置。
15.一种向排气后处理系统提供燃料的方法，包括：
使燃料通过调节阀(11、60、70、80)，该调节阀包括入口(62、81)和出口(63、83)，该入口(62、81)连接于第一燃料管路(23)，该出口连接于排气系统燃料供应管路(15)；
使燃料从所述排气系统燃料供应管路(15)通过喷嘴(12、40、50、60)到达排气管路(30、100)；
获得所述排气系统燃料供应管路(15)和所述排气管路(30、100)之间的压力差的指示；
提供所述压力差和通过所述喷嘴(12、40、50、60)的流率之间的预定的关系；和
使用所述调节阀(11、60、70、80)、所述预定的关系以及来自所述压力差的指示的反馈来控制通过所述喷嘴(12、40、50、60)的流率。
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