CN101737128A - 用于排气后处理系统的加速升温的冷起动发动机负载 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于排气后处理系统的加速升温的冷起动发动机负载。本发明的方法适于在催化剂升温期间调节发动机负载以加速加热排气后处理系统并因而减少催化剂起燃时间。根据本发明的优选实施例，所述方法包括：监测当前催化剂温度；确定当前催化剂温度是否低于预定最小催化剂温度；以及若当前催化剂温度低于所述预定最小催化剂温度，则增大当前发动机负载。通过启动还原剂箱加热装置和/或还原剂管线加热装置增大当前发动机负载。

Description

用于排气后处理系统的加速升温的冷起动发动机负载
技术领域
本发明大体上涉及排气后处理系统。更具体地说，本发明涉及机动车排气后处理系统的加速升温方法。
背景技术
几乎所有传统机动车辆，例如现今的汽车，都包括排气后处理系统，以减少由内燃机的操作产生的副产物。大多数排气后处理系统包括用于对排气排放物进行还原氧化的催化转化器以及用于衰减由废气排放过程产生的噪音的消音器组件或类似装置。催化转化器通常置于车辆的发动机排气歧管与消音器之间，但是可也集成至消音器组件中。
催化转化器通常包括大体为陶瓷蜂窝或不锈钢箔蜂窝类型的单块基板。该单块基板涂覆有包含贵金属(例如铂、钯或铑)的催化剂。贵金属的作用是将排气中的有害或其它对环境不友好的成分(例如碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx))转化成二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮(N)。常常采用“涂层”使催化转化器更有效。涂层，最常见的是硅石和氧化铝的混合物，被添加到基板上并形成表面积远大于平坦芯表面的粗糙不规则表面。该不规则表面使得单块基板具有更大的整体表面积，并因此使其具有用于安置活性贵金属的更多场所。
借助选择性催化还原(SCR)也可减少来自内燃机尤其是压燃式柴油机的NOx排放物。SCR是指利用引入至水解催化转化器上游的排气系统中的水还原剂将NOx排放物转化成二价的氮(N2)和水(H2O)。SCR所用的还原剂通常为气态氨(NH3)、水溶液中的氨或者水溶液中的尿素。对于后者来说，尿素作为氨载体，并借助于计量系统被注入排气系统中。尿素通过水解被转化成氨，而氨随后在催化转化器中还原氮氧化物。
一些排放控制装置(例如SCR系统、催化转化器以及相关联的排气氧含量(EGO)及NOx传感器)要求最小的操作温度来按期望运转。例如，在SCR中利用含水尿素溶液的其中一个局限，即，其会冻结。若尿素溶液冻结，则将不能以期望方式发挥还原剂作用，也不会自由流向还原场所。因此，利用管线加热器来加热含水尿素。此外，催化转化器内部的催化剂涂层需要最小“活性”温度以进行有效操作。因此，在发动机冷起动期间产生总量可观的排气管碳氢排放物。在此期间，由于排放物还原催化剂未达到可维持显著催化剂活性(也称为催化剂“起燃”)的温度，所以大部分排放物还原催化剂是无效的。
发明内容
本发明的方法适用于在催化剂升温期间调节发动机负载以加速加热排气后处理系统并因而减少催化剂起燃时间。这样，显著减少发动机冷起动期间总的排气管氮氧化物排放。
根据本发明的一个实施例，该方法包括：监测催化剂的当前温度；确定当前催化剂温度是否低于预定最小催化剂温度；以及若当前催化剂温度低于预定最小催化剂温度，则增大当前发动机负载。根据本发明，通过启动还原剂箱加热装置或还原剂管线加热装置或启动二者来增大当前发动机负载。在冷起动期间，利用例如尿素箱和管线加热器调节发动机负载要考虑到对催化转化器升温周期的精密标定。
根据该特定实施例的一个方面，所述方法还包括计算使当前催化剂温度升高至所述预定最小催化剂温度所需的最小发动机负载。因而，若当前催化剂温度小于所述预定最小催化剂温度，则使当前发动机负载增大至等于所述最小发动机负载。
根据另一方面，所述方法还包括计算感应最小发动机负载所必需的最小交流发电机负载，所述最小发动机负载是使当前催化剂温度升高至所述预定最小催化剂温度所必需的。在这种情况下，指令还原剂箱加热装置、还原剂管线加热装置或二者产生所述最小交流发电机负载。理想的是，所述方法于是还包括计算产生所述最小交流发电机负载所需的还原剂箱加热装置和还原剂管线加热装置的最小电汲取(electric draw)。
作为该实施例另一方面的一部分，所述方法还包括确定当前发动机负载是否低于所述最小发动机负载。就此而言，若当前催化剂温度低于所述预定最小催化剂温度并且当前发动机负载低于所述最小发动机负载，则增大当前发动机负载。
根据另一方面，所述最小发动机负载和预定最小催化剂温度参数均至少部分基于当前发动机负载和速度。
根据又一方面，所述方法响应于车辆操作条件的变化(例如，车速、牵引需求、电系统需求等的改变)调节还原剂箱加热装置和/或还原剂管线加热装置的启动。以这种方式调节还原剂箱加热装置和/或还原剂管线加热装置的启动允许系统将发动机负载转换至催化剂升温和起燃的最优区域。
根据再一方面，该方法还包括调节发动机燃料指令以补偿由启动还原剂箱加热装置/还原剂管线加热装置所产生的发动机负载的增大。
根据该实施例的又一方面，所述方法还包括：监测排气的当前温度；确定当前排气温度是否低于预定最小排气温度；以及若当前催化剂温度低于预定最小催化剂温度并且当前排气温度低于所述预定最小排气温度，则增大当前发动机负载。
结合附图和所附权利要求，从优选实施方式以及本发明最佳实施方式的以下详细说明将很容易清楚上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1是示出根据本发明优选实施例的方法的框图或流程图；
图2是在各种排气质量流量下，作为催化剂温度的函数的转化效率的曲线图示；以及
图3是在各种发动机速度下，作为发动机负载的函数的催化剂温度的曲线图示。
具体实施方式
参照附图，图1示出用于调整机动车辆(未示出)中的排气后处理系统的温度的控制算法。具体地说，图1中示出根据本发明优选实施例用于机动车辆排气后处理系统的加速升温的改进方法，其整体由附图标记100表示。方法100优选地包括至少图1中示出的这些步骤，即步骤101-115。然而，省略步骤、包括附加步骤和/或对图1中提供的顺序进行修改也在本发明的范围和精神内。应当进一步指出，方法100表示单一操作。因此，可构想以系统的重复的方式应用方法100，使其实时运行以连续调节发动机负载并优化排气后处理系统的操作。
控制算法100优选地位于发动机控制模块(ECM，未示出)中。换言之，图1中所示的一系列框可表示由ECM执行的各个步骤。ECM是车辆动力系统的构成部分，所述车辆动力系统包括内燃机(ICE)，例如四冲程压燃式柴油机或四冲程火花点火式汽油机(二者在这里都未明确描述)。该车辆还包括许多其它标准部件和系统，例如悬架、传动系统、制动系统、转向部件和车体部件，这些在本领域也是公知的。因而，本文不会将这些结构单独示出或明确地详尽论述。
车辆还包括排气后处理系统，其用于减少由内燃机的操作产生的副产物，并引导排气远离发动机以随后将其驱逐至环境大气中。排气系统包括多个排气管或管道，它们使传统结构的催化转化装置与内燃机的排气歧管流体联接。也可包括其它排气后处理装置。例如，可在催化转化装置的下游经由第二中间排气管放置与谐振器流体连通的消音器或静音器。
排气系统还包括选择性催化还原(SCR)组件。该示例性实施例中所用的还原剂为水尿素溶液，其储存在还原剂储存容器(这里也称为“尿素箱”)中。分配给尿素箱的计量控制设备具有电致动泵，用于经由给料管将还原剂输送至输送场所(该场所可位于催化转化装置的上游或者直接位于该催化转化装置处)。计量控制设备控制用于调整尿素溶液分配的电磁计量阀。电加热装置操作成例如在冷起动操作期间有选择地加热尿素箱。也可采用电管线加热器在还原剂退出所述箱时对其进行加热。尽管本发明的方法可用于具有还原剂贮存器以及相应加热装置的任何车辆，但是本发明尤其适于与具有压燃式柴油燃料内燃机(ICE)组件的车辆一起使用。
再次参照图1，本方法开始于步骤101，在该步骤监测催化转化器内部的催化剂的当前温度，这可例如利用贵金属电阻-精密热电偶实现。在步骤103中，本方法接着确定当前催化剂温度是否低于目标最小催化剂温度。所述目标最小催化剂温度可预定为用于所有操作条件的单个最佳温度，或者利用作为当前发动机速度和负载的函数的温度映射在步骤103中同时确定。例如，图2示出在以千克每小时(kg/hr)为单位的几种排气质量流量下，以摄氏度(℃)为单位的催化剂温度与催化剂转化效率(即，进入催化转化器的NOx与离开催化转化器的NOx之比)之间的关系。如在图2中可见，不管质量流量如何，250℃的催化剂温度产生的效率约为85％，甚至更高。因此，对于该特定催化转化器构造，可将目标最小催化剂温度预定为250℃。可选的是，若需要90％甚至更高的效率，则可根据排气质量流量、发动机速度和/或发动机负载改变目标最小催化剂温度，以实现90％的效率。
若在步骤103处，当前催化剂温度大于(即，热于)或等于目标最小催化剂温度，则控制算法100返回步骤101。若在步骤103处，当前催化剂温度小于(即，冷于)目标最小催化剂温度，则方法100前进至步骤105。在步骤105中，控制算法100检测优选以每分钟转数(rpm)为单位的当前发动机速度以及优选以牛顿-米(Nm)为单位的发动机负载。根据优选实施，在方法100的整个执行期间连续监测发动机速度和发动机负载。
与步骤105同时，在步骤107中计算使当前催化剂温度升高至预定最小催化剂温度所需的最小发动机负载。所述最小发动机负载参数至少部分基于当前发动机负载和速度。附图的图3示出在以每分钟转数(rpm)为单位的各种发动机速度下，以摄氏度(℃)为单位的催化剂温度与优选以牛顿-米(Nm)为单位的发动机负载之间的关系。作为示例，若目标最小催化剂温度为250℃并且发动机在车辆以800rpm起动期间空转，则发动机负载将必须增加至大约152Nm，以获得期望的催化剂温度。然而，若发动机以1000rpm运行，则最小发动机负载参数应设定为大约112Nm，以获得期望的250℃催化剂温度。
在步骤105和步骤107之前、与其同时或者紧随其后，将当前发动机负载调节成等于或超过上述确定的最小发动机负载。根据本发明，通过在步骤111处单独或一起启动尿素箱加热器和管线加热器而增大当前发动机负载。排气温度通常随发动机负载的增大而升高；反之，排气温度通常随发动机负载的减小而降低。为了确保尿素箱加热器和/或管线加热器在起动期间对发动机产生足够的附加负载，本方法还包括在步骤109中计算感应最小发动机负载所必需的最小交流发电机负载。这可能还需要计算产生最小交流发电机负载所必需的尿素箱加热器和/或管线加热器的最小电汲取。在这种情况下，方法100指令还原剂箱加热器或还原剂管线加热装置或二者产生最小交流发电机负载。
例如在冷起动期间利用尿素箱加热器和管线加热器调节发电机负载会加速排气后处理系统的加热，从而减少催化剂起燃时间。本发明还考虑到精密标定催化转化器的升温周期。此外，由于开启尿素箱和相应加热元件对于终端用户来说是完全不可见的过程，因此根据本发明调节发动机负载对于车辆操作者来说实际上是无停顿的。
在步骤111之前，理想的是方法100确定发动机是否已经以最小发动机负载操作或高于最小发动机负载操作。若当前发动机负载已等于或大于获得目标最小催化剂温度所需的最小发动机负载，则方法100返回步骤101。否则，方法100将如以上所述前进至步骤111。
继续参照图1，方法100的步骤113响应于车辆操作条件的变化调节尿素箱和管线加热器活动。这样的操作条件可包括但是当然不局限于车速、牵引需求、电系统需求等的改变。以这种方式调节还原剂箱和/或还原剂加热装置的启动允许系统将发动机负载转换至催化剂升温和起燃的最优区域。由于发动机的附加负载，可能需要调节燃料指令以弥补附加需求。因此，在步骤115中，方法100还包括调节发动机燃料指令以补偿通过还原剂箱和/或还原剂加热装置的启动而产生的发动机负载增大。
在完成所述控制算法之前，可能期望监测排气的当前温度，这可例如利用电排气温度(EGT)计来实现。此后，方法100确定当前排气温度是否低于预定最小排气温度。在这种情况下，若当前催化剂温度低于预定最小催化剂温度并且当前排气温度低于预定最小排气温度，则增大当前发动机负载。
尽管这里详细描述了实施本发明的最佳方式，但是熟悉本发明涉及领域的技术人员将意识到用于在所附权利要求的范围内实施本发明的各种可选设计和实施例。

Claims (15)

1.一种用于使排气后处理系统升温以提高催化剂性能的方法，该方法包括：
监测当前催化剂温度；
确定所述当前催化剂温度是否低于预定最小催化剂温度；以及
若所述当前催化剂温度低于所述预定最小催化剂温度，则增大当前发动机负载；
其中增大所述当前发动机负载包括启动还原剂箱加热装置以及还原剂管线加热装置的至少其中之一。
2.根据权利要求1所述的方法，其中增大所述当前发动机负载包括计算使所述当前催化剂温度升高至所述预定最小催化剂温度所需的最小发动机负载，并且将所述当前发动机负载增大至等于所述最小发动机负载。
3.根据权利要求2所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括计算感应所述最小发动机负载所需的最小交流发电机负载，并且指令所述还原剂箱加热装置和所述还原剂管线加热装置中的所述至少其中之一以产生所述最小交流发电机负载。
4.根据权利要求3所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括计算产生所述最小交流发电机负载所需的所述还原剂箱加热装置和所述还原剂管线加热装置中的所述至少其中之一的最小电汲取。
5.根据权利要求2所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括确定所述当前发动机负载是否低于所述最小发动机负载，并且若所述当前催化剂温度低于所述预定最小催化剂温度且所述当前发动机负载低于所述最小发动机负载，则增大所述当前发动机负载。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述最小发动机负载至少部分基于所述当前发动机负载和当前发动机速度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定最小催化剂温度至少部分基于所述当前发动机负载和所述当前发动机速度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括响应于车辆操作条件的变化调节所述还原剂箱加热装置和所述还原剂管线加热装置中的所述至少其中之一的启动。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
调节燃料指令以补偿发动机负载的增加。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
监测当前排气温度；
确定所述当前排气温度是否低于预定最小排气温度；以及
若所述当前催化剂温度低于所述预定最小催化剂温度并且所述当前排气温度小于所述预定最小排气温度，则增大所述当前发动机负载。
11.一种用于使具有催化转化装置的排气后处理系统加速升温的方法，所述催化转化装置具有催化剂以用于对机动车辆中内燃机产生的排放物进行还原氧化，该方法包括：
确立目标最小催化剂温度；
监测当前催化剂温度；
确定所述当前催化剂温度是否低于所述目标最小催化剂温度；
计算使所述当前催化剂温度升高至所述目标最小催化剂温度所需的最小发动机负载；
计算感应所述最小发动机负载所需的最小交流发电机负载；
若所述当前催化剂温度低于所述目标最小催化剂温度，则使当前发动机负载增大至等于所述最小发动机负载；
其中增大所述当前发动机负载包括启动还原剂箱加热装置和还原剂管线加热装置，并指令所述还原剂箱加热装置和还原剂管线加热装置以产生所述最小交流发电机负载。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
监测所述当前发动机负载和当前发动机速度；
其中确立所述目标最小催化剂温度至少部分基于所述当前发动机负载和所述当前发动机速度。
13.根据权利要求11所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括计算产生所述最小交流发电机负载所需的所述还原剂箱加热装置和所述还原剂管线加热装置的最小电汲取。
14.根据权利要求11所述的方法，其中增大所述当前发动机负载还包括响应于车辆操作条件的变化调节所述还原剂箱加热装置和所述还原剂管线加热装置的启动。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
增大发动机的燃料指令以弥补通过启动所述还原剂箱加热装置和所述还原剂加热装置产生的发动机负载的增加。
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