CN101675240B - 使用涡轮增压器向减排设备供应空气的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种方法，该方法包括从涡轮增压器向减排设备的燃料燃烧器供应助燃空气。在低涡轮增压压力时段中，从辅助源向燃料燃烧器供应助燃空气。还公开了一种关联的装置。

Description

使用涡轮增压器向减排设备供应空气的方法和装置
技术领域
本公开总体上涉及减排设备。
背景技术
减排设备用于处理多种不同废气的排放。比如，有一些用于从诸如柴油发动机等内燃发动机的废气中清除颗粒物质和NOx(即氮氧化物)的减排设备。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种装置，其包括：内燃发动机；减排设备，所述减排设备具有燃料燃烧器；以及涡轮增压器。所述涡轮增压器由来自发动机的废气驱动并向燃料燃烧器供应加压空气。在低涡轮增压压力时段中，通过补充加压空气源向燃料燃烧器供应助燃空气。
补充加压空气源可以是车辆空气制动系统的空气箱。补充加压空气源还可以实施为辅助电空气泵，诸如用于排气催化剂的辅助电空气泵。可以使用诸如增压器等单独的压缩机作为补充加压空气源。
取决于系统的结构，补充加压空气源可以采用阀的形式，所述阀在低涡轮增压状态期间引导更大部分的发动机废气经过燃料燃烧器的燃烧室。
进一步地，补充加压空气源可以与关联的控制结构一起整合到涡轮增压机中。比如，可以使用电子辅助涡轮增压器，并且在正常操作期间，所述电子辅助涡轮增压器由发动机的废气机械地操作，然后如果在所述电子辅助涡轮增压器被机械地操作时涡轮增压压力下落到预定水平以下，那么所述电子辅助涡轮增压器被电气地操作以维持向燃料燃烧器供应助燃空气。
根据本公开的另一个方面，提供了一种方法，其包括：操作涡轮增压器以使来自涡轮增压器的加压助燃空气经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至(i)内燃发动机和(ii)减排设备的燃料燃烧器。该方法还包括确定涡轮增压器的增压压力是否低于预定水平。如果增压压力低于预定水平，那么使助燃空气从车辆空气制动系统的加压空气箱移行至燃料燃烧器。
作为使用涡轮增压压力来触发从车辆制动系统的加压空气箱引入助燃空气的替代方式，可以使用流量传感器来确定助燃空气从涡轮增压器至燃料燃烧器的流动的量级。如果流动的量级低于预定水平，那么可以向燃料燃烧器供应来自车辆制动系统的加压空气箱的助燃空气。
进一步地，可以通过布置成对由燃料燃烧器燃烧的空气/燃料混合物的空燃比进行感测的空气/燃料传感器(即，λ传感器)来触发助燃空气从车辆制动系统的加压空气箱的引入。如果空气/燃料混合物下降到预定水平以下，那么可以向燃料燃烧器供应来自车辆制动系统的加压空气箱的助燃空气。
从以下描述和附图中，本公开的上述和其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出使用涡轮增压器以向减排设备供应加压空气的简化方块图。
具体实施方式
尽管本公开的理念容许各种改型和替代形式，但是在附图中已以示例方式示出了本公开的具体示例性实施方式，而且文中将对其进行详细描述。然而，应当理解，并非意在将本公开限制于所公开的特定形式，而是相反地，意在覆盖落入如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有改型、等同方案和替代方案。
参照图1，图中示出了装置10，其中，涡轮增压器12向内燃发动机14(比如，柴油发动机)和减排设备18的燃料燃烧器16两者供应加压空气，所述减排设备18构造成清除发动机14的废气(图中“EG”)中的排放物。发动机14在其燃烧段中利用接收自涡轮增压器12的加压空气而使燃料(比如，柴油)燃烧。通过这种燃烧产生的废气进而操作涡轮增压器12。减排设备18的燃料燃烧器16利用接收自涡轮增压器12的加压燃烧空气而使燃料(比如，柴油)燃烧以清除废气排放物。
涡轮增压器12包括涡轮机20和由涡轮机20操作的空气压缩机22。涡轮机20的废气入口24以流体方式联接至发动机14的废气出口26以从发动机14的废气出口26接收废气。废气流过涡轮机20，这导致涡轮机20操作空气压缩机22。然后，废气经废气出口28排出涡轮机20以流向减排设备16的废气入口30。减排设备18的废气入口30经由排气管线32以流体方式联接至涡轮机20的废气出口28。经过减排设备18处理之后，废气经废气出口34排出减排设备18。
空气压缩机22机械地联接至涡轮机20，使得空气压缩机22响应于经过涡轮机20的废气的流动而被操作。空气压缩机22的操作导致空气(比如环境空气等未加压空气)经空气过滤器36移行到空气压缩机22的空气入口38中。空气压缩机22加压空气并经空气出口40将加压空气排至供气管线42。
供气管线42中的加压空气流在汇合处44分成发动机空气流和设备空气流。发动机空气流从汇合处44经由发动机空气管线48流向发动机44的空气入口46(比如，发动机的进气歧管)。发动机空气管线48中的中间冷却器50在发动机空气流进入发动机14之前对其进行冷却。因而供气管线42和发动机空气管线48配合而限定了用于将加压空气从涡轮增压器12导向发动机14的流动路径。
设备空气流从汇合处44经由设备空气管线54流向减排设备18的燃料燃烧器16的助燃空气入口52。设备空气管线54中的空气阀56可操作而控制加压空气从空气压缩机22至燃料燃烧器16的流动。因而供气管线42和设备空气管线54配合而限定了用于将加压空气从涡轮增压器12导向减排设备18的燃料燃烧器16的流动路径。该流动路径不包括发动机16的任何燃烧段58(即，任何发动机燃烧室)，从而供应至减排设备16的加压空气并未促进发动机14内燃料的燃烧。
空气阀56可以采用多种不同形式。在一些示例中，空气阀56可以是比例阀(比如，蝶形阀)。在其它示例中，空气阀56可以是与设备空气管线54中的气流-计量孔结合使用的开/关式断流阀(比如，电磁阀)。
辅助源60以流体方式联接至减排设备18的燃料燃烧器16的助燃空气入口52。在涡轮增压器12出现低增压压力的时间段中，辅助源60向燃料燃烧器16供应助燃空气。比如，在瞬变操作状态(比如，怠速或低负荷状态)期间，增压压力低，因而使供应至减排设备18的燃料燃烧器16的助燃空气的量减少。类似地，由于在发动机加速期间的瞬时涡轮滞后，也能够出现低增压压力。
在文中所描述的示范性实施方式中，辅助源60实施为车辆空气制动系统的压缩空气箱62。空气管线64将空气箱62联接至设备空气管线54。诸如电磁阀等的空气阀66布置在空气管线64中以控制加压空气从空气箱62至燃料燃烧器16的入口52的流动。由此，在出现低涡轮增压压力的时间段中，可以从车辆空气制动系统的空气箱62向燃料燃烧器16供应助燃空气。
控制系统68控制发动机14、减排设备18的燃料燃烧器16和空气阀54、66的操作。控制系统68与多个发动机传感器一起经由线束70电联接至发动机14的电控部件，从而控制发动机14的操作。控制系统68和与减排设备关联的多个传感器一起经由线束72电联接至燃料燃烧器16的电控部件，从而控制燃料燃烧器16的操作。控制系统68经由电线74电联接至空气阀54，从而控制阀54的操作，而且所述控制系统68经由电线76电联接至空气阀66，从而控制空气阀66的操作。
控制系统68可以采用多种不同形式。在一些示例中，控制系统68可以包括用于控制发动机14的操作的发动机控制单元(“ECU”)78和用于控制减排设备18的操作的单独的控制器80。在这种情况下，对空气阀54、66的控制可以交给ECU 78或控制器80。ECU 78和控制器80可以经由通信接口82(比如，CAN(控制器局部网)连线)彼此电联接以便在其间进行通信。在其它示例中，控制器80被整合到ECU 78中。
减排设备的燃料燃烧器16产生热量以燃烧由颗粒过滤器84捕获的颗粒物质(即，煤烟)。所产生的热量与存在于废气中的氧气结合而使被捕获的颗粒物质氧化，从而使过滤器84再生以进一步使用。控制系统68以按需为基础而以规则或不规则的时间间隔(比如，每天1-4次)并且/或者根据一些其它预定的再生标准来操作燃料燃烧器16从而使过滤器84再生。除了过滤器84之外，其它排放部件可以通过来自燃料燃烧器16的热量进行处理。比如，诸如SCR(选择性催化还原)催化剂等的NOx(氮氧化物)催化剂可以通过燃料燃烧器16进行加热。
除了助燃空气之外，燃料燃烧器还从加压空气源接收加压燃料雾化空气。在文中所描述的示范性实施方式中，从车辆空气制动系统的压缩空气箱62经由雾化空气管线86供应加压燃料雾化空气。如文中所使用的，术语“雾化空气”和“助燃空气”旨在定义两种不同的气流。具体而言，雾化空气用于在通过燃料喷射器88将燃料喷入燃料燃烧器16之前或期间使燃料雾化。助燃空气与燃料分开地引入燃烧器(即，不是经燃料喷射器88移行)，并用于促进所喷射的雾化燃料的燃烧。在大多数操作状态下，从涡轮增压器12供应助燃空气，所以助燃空气的压力低于从车辆空气制动系统的压缩空气箱62引入的雾化空气。然而，当涡轮增压压力低时(即，在瞬变操作状态期间或由于涡轮滞后)，由于雾化空气和助燃空气来自同源(即，车辆空气制动系统的压缩空气箱62)，所以它们以相同压力引入。
处在控制系统68的控制下的一对电极点燃燃料燃烧器的燃烧室中的雾化燃料，在所述燃烧室中雾化燃料在存在助燃空气的情况下燃烧，所述助燃空气由涡轮增压器12供应或者在低涡轮增压状态期间由车辆空气制动系统的压缩空气箱62供应。因而由燃料燃烧器16产生了热量，以用于再生过滤器84或加热NOx催化剂。
2004年8月31日提交的美国专利申请系列号10/931,028和2004年7月20日提交的美国专利申请系列号10/894,548中公开了适合于用作本公开的燃料燃烧器16的燃料燃烧器示例。这两个申请都转让给与本申请相同的受让人，而且以引用方式并入本文。
在操作中，在大多数的发动机操作状态下，系统从涡轮增压器12向燃料燃烧器16供应助燃空气。然而，当涡轮增压压力下降到预定水平以下时，空气阀66打开，并从辅助加压空气源60(比如，车辆空气制动系统的压缩空气箱62)向燃料燃烧器16供应助燃空气。一旦涡轮增压压力再次增大到预定水平以上，空气阀66关闭，并再次从涡轮增压器12向燃料燃烧器供应助燃空气。
应当明白，涡轮增压压力能够以多种方式确定。通常，作为常规发动机控制策略的一部分，对涡轮增压压力进行感测并将涡轮增压压力传输至ECU 78。所以，能够利用在大多数车辆应用中已经存在的数据来触发空气阀66。另外，能够将专用传感器用在设备空气管线54中以感测供应至燃料燃烧器16的空气压力。如果需要的话，发动机负荷数据或发动机数据也可以用来确定增压压力。
还应当明白，空气阀54、66可以结合成单个三通阀。由此，三通阀将会选择性地将来自涡轮增压器或车辆空气制动系统的压缩空气箱62的助燃空气转移至燃料燃烧器16。
而且，补充加压空气源60可以采用除车辆空气制动系统的压缩空气箱62以外的其它形式。比如，可以使用辅助电空气泵，诸如用于排气催化剂的辅助电空气泵。可以使用诸如增压器等单独的压缩机作为补充加压空气源60。取决于系统的结构，补充加压空气源可以采用阀的形式，所述阀在低涡轮增压状态期间引导更大部分的发动机废气经过燃料燃烧器的燃烧室。
进一步地，补充加压空气源可以与关联的控制结构一起整合到涡轮增压器12中。具体而言，可以使用电气辅助涡轮增压器。在这种情况下，在正常操作期间，通过发动机的废气机械地操作涡轮增压器，然后如果在涡轮增压器被机械地操作时涡轮增压压力下落到预定水平以下，那么在燃烧器需要时电气地操作涡轮增压器以维持向燃料燃烧器16供应助燃空气。
再进一步地，作为使用涡轮增压压力来触发从车辆制动系统的加压空气箱62(或其它辅助空气源)引入助燃空气的替代方式，可以使用流量传感器来确定助燃空气从涡轮增压器12至燃料燃烧器16的流动的量级。为此，将空气流量传感器布置在设备空气管线54中以感测空气从涡轮增压器12至燃料燃烧器16的流动的量级。如果空气流动的量级低于预定水平，那么可以以如上所述的类似方式(即，通过控制空气阀66的操作)而向燃料燃烧器16供应来自车辆制动系统的加压空气箱62的助燃空气。
进一步地，可以通过布置成对由燃料燃烧器16燃烧的空气/燃料混合物的空燃比进行感测的空气/燃料传感器(即，γ传感器)来触发助燃空气从车辆制动系统的加压空气箱62(或其它辅助空气源)的引入。如果空气/燃料混合物下降到预定水平以下，则可以以如上所述的类似方式(即，通过控制空气阀66的操作)向燃料燃烧器16供应来自车辆制动系统的加压空气箱62的助燃空气。
尽管在附图和前述描述中已对本公开的理念进行了详细图示和描述，但是这种图示和描述实质上应当视作是示例性而非限制性的，应当理解，已示出和描述的仅是示范性实施方式，并且所有落入本公开的精神范畴内的变型和改型都将受到保护。
从文中所描述的系统的各种特征中可得出本公开的理念的多种优点。应当指出，本公开的各个系统的可替代实施方式可以不包括全部所描述的特征，但仍然得益于这些特征的至少一部分优点。本领域普通技术人员可以容易地设计出包含本公开的一个或多个特征且落入如由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的其自己的系统施行方案。

Claims (18)

1.一种方法，包括以下步骤：
操作涡轮增压器以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至(i)内燃发动机和(ii)减排设备的燃料燃烧器，
确定所述涡轮增压器的增压压力是否低于预定水平，并且
如果增压压力低于所述预定水平，则使助燃空气从车辆空气制动系统的加压空气箱移行至所述燃料燃烧器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作的步骤包括：
利用发动机的废气操作所述涡轮增压器的涡轮机，并且
响应于所述涡轮机的操作来操作所述涡轮增压器的空气压缩机，从而使加压空气从所述空气压缩机移行至发动机和所述燃料燃烧器。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
使雾化空气从所述车辆空气制动系统的加压空气箱移行至所述燃料燃烧器，
利用雾化空气使燃料雾化，并且
将雾化燃料喷入所述燃料燃烧器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移行的步骤包括：操作空气阀以控制助燃空气从所述车辆空气制动系统的加压空气箱至所述燃料燃烧器的流动。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
确定所述涡轮增压器的增压压力是否高于所述预定水平，并且
如果所述增压压力高于所述预定水平，则停止使助燃空气从所述车辆空气制动系统的加压空气箱移行至所述燃料燃烧器。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在存在来自所述车辆空气制动系统的加压空气箱的助燃空气的情况下操作所述燃料燃烧器以燃烧燃料，从而产生热量，并且
利用所述热量再生颗粒物质过滤器。
7.一种装置，包括：
内燃发动机，
减排设备，所述减排设备以流体方式联接至发动机以从发动机接收废气，所述减排设备包括燃料燃烧器，
涡轮增压器，所述涡轮增压器包括空气压缩机，所述空气压缩机经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径以流体方式联接至(i)发动机的进气口和(ii)所述减排设备，从而向所述燃料燃烧器供应加压助燃空气，以及
辅助源，所述辅助源以流体方式联接至所述减排设备以向所述燃料燃烧器供应加压助燃空气，所述辅助源不同于所述涡轮增压器和发动机，
其中，进一步包括空气阀，所述空气阀构造成控制加压空气从所述辅助源至所述减排设备的流动。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述辅助源包括车辆空气制动系统的加压空气箱。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述辅助源包括电空气泵。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述辅助源包括增压器。
11.根据权利要求7所述的装置，其中，所述辅助源包括第二涡轮增压器。
12.根据权利要求7所述的装置，进一步包括控制系统，所述控制系统构造成基于所述涡轮增压器的涡轮增压压力来控制所述空气阀的操作。
13.一种装置，包括：
颗粒过滤器，
燃料燃烧器，所述燃料燃烧器布置于所述颗粒过滤器的上游并能够操作而产生用于使所述颗粒过滤器再生的热量，
涡轮增压器，所述涡轮增压器包括空气压缩机，所述空气压缩机经由不包括任何发动机的燃烧段的流动路径以流体方式联接至所述燃料燃烧器，从而向所述燃料燃烧器供应加压助燃空气，以及
空气阀，所述空气阀能够操作而将助燃空气从车辆空气制动系统的加压空气箱转移至所述燃料燃烧器。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括控制系统，所述控制系统构造成基于所述涡轮增压器的增压压力来控制所述空气阀的操作。
15.一种方法，包括以下步骤：
利用内燃发动机的废气来操作涡轮增压器以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至减排设备的燃料燃烧器，
确定所述涡轮增压器的增压压力是否低于预定水平，并且
如果增压压力低于所述预定水平，则使助燃空气从辅助源移行至所述燃料燃烧器，其中，所述辅助源不同于所述发动机和所述涡轮增压器。
16.一种方法，包括以下步骤：
利用内燃发动机的废气来机械地操作电气辅助涡轮增压器以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至减排设备的燃料燃烧器，
确定所述涡轮增压器的增压压力是否低于预定水平，并且
如果所述涡轮增压器的增压压力低于所述预定水平，则电气地操作所述电气辅助涡轮增压器，以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括所述发动机的任何燃烧段的流动路径移行至所述燃料燃烧器。
17.一种方法，包括以下步骤：
操作涡轮增压器以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至(i)内燃发动机和(ii)减排设备的燃料燃烧器，
确定加压助燃空气从所述涡轮增压器至所述燃料燃烧器的流动的量级是否低于预定水平，并且
如果所述加压助燃空气从所述涡轮增压器至所述燃料燃烧器的流动的量级低于所述预定水平，则使助燃空气从车辆空气制动系统的加压空气箱移行至所述燃料燃烧器。
18.一种方法，包括以下步骤：
操作涡轮增压器以使加压助燃空气从所述涡轮增压器经由不包括发动机的任何燃烧段的流动路径移行至(i)内燃发动机和(ii)减排设备的燃料燃烧器，
确定由所述燃料燃烧器燃烧的空气/燃料混合物的空燃比是否低于预定水平，并且
如果由所述燃料燃烧器燃烧的空气/燃料混合物的空燃比低于所述预定水平，则使助燃空气从车辆空气制动系统的加压空气箱移行至所述燃料燃烧器。
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