CN102022214B - 通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法及实施装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重型柴油机排放控制。为提供一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法，本发明采取的技术方案是，通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法及实施装置，借助于发动机的排温控制单元实现，并包括下列步骤：(1)发动机的排温电控单元分别读取来自发动机曲轴传感器的转速信号和来自油门踏板传感器的负荷信号；(2)如果步骤(1)的判断结果控制废气温度；(3)除了采用VVA、电子节气门、补充冷空气等调节排气温度外，对排气管路要采取辅助的保温措施；(4)同时要对燃烧过程进行优化，尽量提高燃油的喷射压力、采用灵活可调的喷射控制策略。本发明主要应用于重型柴油机排放控制。

Description

通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法及实施装置

技术领域

本发明涉及重型柴油机，特别是涉及通过控制排气温度实现重型柴油机低排放的方法。

背景技术

面对环境污染和能源匮乏，柴油机排放法规日益严格，这对实现柴油机高效、清洁燃烧的排放控制技术提出了严峻的挑战。柴油机在重型车领域的应用占据着主导地位，如何应对近乎苛刻的排放要求是重型柴油机在发展过程中面临的主要问题。

众所周知，柴油机的NOx和碳烟排放之间存在一种此消彼长的Trade-off关系，改善一种排放的措施往往会带来另一种排放的升高。因此，长期以来，人们一直在围绕如何改善两者之间的Trade-off关系展开了深入的研究。

目前，围绕降低柴油机排放的研究已经得到了广泛的开展，在一些新型燃烧方式(如HCCI、LTC、SCCI、PCCI等)方面取得了一定的进展，在一定的工况范围内表现出了实现超低排放(如美国EPA 2010法规)的潜力。但这些燃烧方式目前还存在应用的局限性，有诸多问题还需要解决，尤其是对覆盖大负荷工况的重型柴油机来说，新型燃烧方式很难覆盖其全部工况范围。

在进行燃烧控制和机内净化研究的同时，柴油机的后处理技术也得到了快速的发展，如降低NOx的SCR(Selective Catalytic Reduction选择性催化还原)技术、降低碳烟和颗粒的DOC(Diesel Oxidation Catalyst，氧化催化转化器)和DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒捕集器)技术等。这些后处理技术虽然具有高的转化效率，但存在着系统复杂、成本高、转化效率受边界条件影响较大等问题，如SCR需要定时填充NH₃来维持正常工作，并存在NH₃泄漏等问题，DOC存在催化器热老化和催化剂中毒的问题，而DPF的再生和可靠性问题会严重影响其使用。同时，使用后处理器还会降低柴油机在燃油经济性方面的优势。因此，改善燃烧和降低排放还是需在机内净化(优化燃烧过程，提高热效率和燃烧效率)的基础上尽量减少复杂后处理器的使用。

目前，SCR是一种相对成熟的NOx后处理技术，具有较高的转化效率，但其高效区存在于一个范围狭窄的特定温度区间(350℃～550℃)。因此，如果能够在全工况范围内控制SCR前的排气温度处于该高效区间，就可以大大提高SCR的转化效率。若此时通过进气管理、提高喷射压力、优化喷油定和喷射策略等措施，改善碳烟(微粒)排放，从而减小对微粒后处理效率的要求。因此通过采用对排气温度控制的方法，可以在使用SCR和DOC后处理器条件下满足欧6排放要求。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法，借助于发动机的排温控制单元实现，并包括下列步骤：

(1)发动机的排温电控单元分别读取来自发动机曲轴传感器的转速信号和来自油门踏板传感器的负荷信号，并根据读取到的转速和负荷信号来判断发动机运行在中、低负荷还是高负荷工况，并读取SCR上游的排温信号判断排温是否处于所要求的350℃～550℃的SCR高效率转化区间；

(2)如果步骤(1)的判断结果为发动机运行于低负荷工况，若低于350℃～550℃的温度范围，则排温电控单元根据预置的低负荷工况排温控制策略，通过可变气门机构VVA控制排气门正时(晚开或早关)来减小冷的新鲜进气量、增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度，从而使排出气缸的废气温度也得到相应提高，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间；

(3)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于中等负荷工况，但排温仍不能达到350℃～550℃的要求，此时排温电控单元根据预先优化好的排温控制策略，通过减小安装在进气管路上的电子节气门开度来减小发动机的进气量，提高缸内工质的燃烧温度和排出的废气温度，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间要求；

(4)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于高负荷工况，不会出现排温低于350℃的情况，此时如果排气温度超过了550℃，排温电控单元根据预置的排温控制策略，利用连接到排气管路的旁通阀向废气中补充新鲜冷空气降低排气温度到规定的温度区间；

(5)除了采用VVA、电子节气门、补充冷空气等调节排气温度外，对排气管路要采取辅助的保温措施，目的是使排气管中的废气温度尽量均匀，使进入SCR的全部废气温度都保持在SCR高效的温度区间；

(6)除上述控制排气温度提高SCR效率、使NOx满足欧6排放法规要求的措施外，同时要对燃烧过程进行优化，尽量提高燃油的喷射压力、采用灵活可调的喷射控制策略，以获得较低的颗粒原始排放，在结合DOC后处理器情况下使颗粒能够满足欧6排放法规的要求。

通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置，包括：

空气滤清器，用于净化进入发动机的新鲜空气；

进气中冷器，利用循环水作为冷却介质，用于冷却被增压器压缩过后温度有所升高的新鲜进气；

电子节气门，由步进电机驱动并实时灵活控制开度，电子节气门与控制单元相连；

可变气门机构VVA，用于灵活调节进排气正时和气门升程，从而灵活控制新鲜进气流量和残余废气量，可变气门机构VVA与控制单元相连；

空气压缩机，通过皮带传动系由发动机曲轴带动，通过控制旁通空气控制阀可向排放管路提供温度相对较低的新鲜冷空气，以降低排气管路中SCR上游的排气温度，旁通空气控制阀与控制单元相连；

电加热器，用于提高排气温度，电加热器与控制单元相连；

温度传感器安装在SCR上游，并与控制单元相连；

SCR用于降低NOx排放；

DOC，用于尾气后处理；

控制单元接收来自曲轴转速传感器转速信号和油门踏板传感器的负荷信号。

控制单元为16位微处理器控制芯片。

本发明具备如下技术效果：

(1)具有无源唤醒功能的有源标签待机功耗超低，电池寿命理论上可达普通有源唤醒标签的7倍。

(2)具有无源唤醒功能的有源标签的阅读距离远大于无源标签，能够满足远距离工作的要求

附图说明

图1是本发明的一种通过控制排气温度实现重型柴油机低排放的装置示意图。图中，1.空气滤清器  2.增压器  3.进气中冷器  4.电子节气门  5.可变气门机构(VVA)  6.皮带传动系  7.空气压缩机  8.旁通空气控制阀  9.电加热器  10.温度传感器  11.SCR12.DOC。

图2是本发明的排温控制原理图。

具体实施方式

如果能够在全工况范围控制SCR前的排气温度处于该高效区间，就可以大大提高SCR的转化效率；此时再通过提高喷射压力、优化喷射策略和进气管理等措施，改善碳烟(微粒)排放，从而减小对微粒后处理器的要求。因此通过采用排温控制的方法，可以在使用SCR和DOC后处理器条件下满足欧6排放要求。

本发明的目的在于克服现已有技术的不足，提出一种通过控制重型柴油机排温来提高SCR对NOx的转化效率，在不采用EGR技术的情况下使NOx排放满足欧6排放法规；通过提高缸内喷油压力和燃烧优化降低颗粒排放，在采用DOC的条件下使颗粒满足欧6要求，从而实现重型柴油机低排放的控制方法。

本发明的通过排气温度控制实现重型柴油机低排放的方法，包括以下步骤：

(1)发动机的排温电控单元分别读取来自发动机曲轴传感器的转速信号和来自油门踏板传感器的负荷信号，并根据读取到的转速和负荷信号来判断发动机运行在中、低负荷还是高负荷工况。读取SCR上游的排温信号判断排温是否处于所要求的350℃～550℃的SCR高效转率化区间。

(2)如果步骤(1)的判断结果为发动机运行于低负荷工况，此时排气温度一般比较低。若低于350℃～550℃的温度范围，则排温电控单元根据预置的低负荷工况排温控制策略，通过可变气门机构(VVA)控制排气门正时(晚开或早关)来减小冷的新鲜进气量、增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度，从而使排出气缸的废气温度也得到相应提高，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间。小负荷工况采用VVA减少进气量，相对调整节气门可以大大减小泵气损失，保持较好的燃油经济性，同时小负荷情况下颗粒生成量很小，缸内残余废气的增多不会造成颗粒明显增多。

(3)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于中等负荷工况，但排温仍不能达到350℃～550℃的要求(中等负荷排气温度一般不会超过550℃，有可能出现低于350℃的情况)，此时排温电控单元根据预先优化好的排温控制策略，通过减小安装在进气管路上的电子节气门开度来减小发动机的进气量，提高缸内工质的燃烧温度和排出的废气温度，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间要求。

(4)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于高负荷工况，不会出现排温低于350℃的情况。此时如果排气温度超过了550℃，排温电控单元根据预置的排温控制策略，利用连接到排气管路的旁通阀向废气中补充新鲜冷空气降低排气温度到规定的温度区间，补充的新鲜空气来自一个发动机皮带轮驱动的压气机；

(5)除了采用VVA、电子节气门、补充冷空气等调节排气温度外，对排气管路要采取辅助的保温措施，目的是使排气管中的废气温度尽量均匀，使进入SCR的全部废气温度都保持在SCR高效的温度区间，从而保证SCR较高的催化效率；

(6)除上述控制排气温度提高SCR效率、使NOx满足欧6排放法规要求的措施外，同时要对燃烧过程进行优化，如尽量提高燃油的喷射压力、采用灵活可调的喷射策略等，以获得较低的颗粒原始排放，在结合DOC后处理器情况下使颗粒能够满足欧6排放法规的要求。

下面结合附图和具体实施例对发明进行详细描述。

如图1所示为本发明的一种通过控制重型柴油机(匹配传统单级带旁通阀的废气涡轮增压器)排气温度实现低排放的装置示意图。

在发动机的进气系统中安装有空气滤清器1、进气中冷器3、电子节气门4和可变气门机构5(VVA)。空气滤清器1主要是净化进入发动机的新鲜空气；进气中冷器3利用循环水作为冷却介质，用于冷却被增压器压缩过后温度有所升高的新鲜进气，进气温度下降一方面会提高进气密度，增加了进气量，另一方面降低进气温度，使缸内的燃烧温度有所下降，有利于减少NOx的排放；电子节气门4是由步进直流电机驱动并由控制程序实时灵活控制其开度，节气门开度越大，则进气有效流通面积就越大，进气量则增加，反之，进气量则减少；可变气门机构5(VVA)能灵活调节进排气正时和气门升程，从而灵活控制新鲜进气流量和残余废气量(内部EGR)。

排气管路连接和安装有空气压缩机7、旁通空气控制阀8、电加热器9、温度传感器10、SCR 11、DOC 12等。空气压缩机7是通过皮带传动系6由发动机曲轴带动，通过控制旁通空气控制阀8可向排放管路提供温度相对较低的新鲜冷空气，以降低排气管路中SCR上游的排气温度；通过温度传感器10判断排气温度高低，控制电加热器9能提高排气温度；SCR 11用于降低NOx排放，但其高效率区所处温度窗口较窄(350℃～550℃)，如何控制排气温度处于该温度范围，使SCR始终保持较高的NOx转化效率是本发明的技术重点。该发明主要是通过采用VVA、电子节气门、电加热器和在SCR上游的排气补充新鲜冷空气等技术措施，实现排气温度分布于SCR高转化效率所在温度区域；DOC 12对发动机的HC和CO具有较高的转化效率，并对微粒中SOF具有一定的转化效率。本发明通过提高喷油压力，调整喷油控制策略，优化缸内燃烧过程以降低发动机微粒的原始排放，并耦合DOC实现重型柴油机微粒排放以满足欧6排放法规要求(DOC布置在SCR下游)。

如图2所示，本发明实现排温控制主要机构是由排温电控单元统一协调控制。根据对排气温度的控制目标，经过大量的台架性能试验确定各个工况下VVA，电子节气门、旁通空气控制阀、电加热器的综合控制策略，将其制定成全工况范围内(中小负荷、大负荷)的综合控制MAP写入排温电控单元。控制过程为发动机排温电控单元首先接受油门踏板、转速传感器信号判断其当前所处的工况，并经SCR上游的温度传感器实时判断当前温度状况，排温电控单元根据事先制定的全工况范围内的排温控制策略，通过控制MAP协调控制各部件，以达到对排气温度控制的目标和要求。

排温电控单元，是实现所需功能的控制中心，其控制芯片有多种选择，如可选择飞思卡尔(Freescale)公司的16位控制芯片(型号：EVB9S12XEP100)即可满足开发要求。电控单元连接曲轴转速传感器和油门踏板传感器，并通过控制信号线根据控制策略制定的控制MAP协调控制VVA，电子节气门、旁通空气控制阀和电加热器等装置，实现对运行工况排气温度的实时控制和调节，使排气温度满足目标要求。

本发明是通过排温电控单元判断发动机所运行的工况及该工况下的排气温度，根据发动机工况和排气温度特性采用不同的技术措施以达到控制排气温度的目的。如图1和图2所示，发动机排温电控单元通过曲轴转速传感器转速信号和油门踏板传感器的负荷信号来判断发动机运行在何种工况(中、低负荷还是高负荷工况)，并通过读取安装在SCR上游的温度传感器10的排气温度信号来判读是否处于SCR高转化效率所在温度区间(350℃～550℃)。具体实施如下所述：

(1)如果排温电控单元判断当前发动机运行在低负荷工况，此时排气温度一般比较低，若低于350℃～550℃的温度范围，则排温电控单元根据预置的低负荷工况排温控制策略，通过可变气门机构(VVA)5控制排气门正时(晚开或早关)来减小冷的新鲜进气量、增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度，从而使排出气缸的废气温度也得到相应提高。同时采用安装在排气管路的电加热装置9快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间要求。

(2)如果排温电控单元判断当前发动机处在中等负荷工况，但排气温仍不能达到350℃～550℃的要求，此时排温电控单元根据预先优化好的排温控制策略，通过减小安装在进气管路上的电子节气门4的开度来减小发动机的进气量，提高缸内工质的燃烧温度和排出的废气温度，同时采用安装在排气管路的电加热装置9快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度要求。

(3)如果排温电控单元判断当前发动机处于高负荷工况，此时发动机排温一般不会出现低于350℃的情况。此时如果排气温度超过了550℃，排温电控单元根据预置的排温控制策略，打开连接到排气管路的旁通阀8向SCR上游的废气中补充温度较低的新鲜冷空气以降低排气温度到规定的温度区间，补充的新鲜空气由发动机皮带传动系6所驱动的压气机7提供。

本发明采用VVA、电子节气门、排气电加热和向SCR上游补充新鲜冷空气等技术措施，根据发动机运行工况，由排温电控单元统一协调控制各部件，以达到调节排气温度的要求，此外，为使SCR上游的排气管中的废气温度尽量均匀，使流入SCR的全部废气温度都保持在SCR高效率的温度区间(350℃～550℃)，排气管路还采取辅助的保温措施，目的是始终保证SCR具有较高的催化效率。除采用上述控制排气温度以提高SCR转化效率，使NOx排放满足欧6排法法规要求的措施外，同时需要提高燃油的喷射压力、调整喷油定时、采用灵活可调的喷射控制策略并优化进气参数等技术措施来改善柴油机缸内燃烧过程，提高燃烧效率，以获得较低的颗粒原始排放和良好的燃油经济性，并结合DOC后处理器使颗粒排放完全能达到欧6排放法规的要求。

Claims (1)

1.一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的方法，其特征是，借助于发动机的排温控制单元实现，并包括下列步骤：

(1)发动机的排温控制单元分别读取来自发动机曲轴传感器的转速信号和来自油门踏板传感器的负荷信号，并根据读取到的转速和负荷信号来判断发动机运行在中、低负荷还是高负荷工况，读取选择性催化还原器SCR上游的排温信号判断排温是否处于所要求的350℃～550℃的SCR高效转化区间；

(2)如果步骤(1)的判断结果为发动机运行于低负荷工况，若低于350℃～550℃的温度范围，则排温控制单元根据预置的低负荷工况排温控制策略，通过可变气门机构VVA控制排气门正时晚开或早关，来减小冷的新鲜进气量、增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度，从而使排出气缸的废气温度也得到相应提高，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间；小负荷工况采用VVA减少进气量，相对调整节气门可以大大减小泵气损失，保持较好的燃油经济性，同时小负荷情况下颗粒生成量很小，缸内残余废气的增多不会造成颗粒明显增多；

(3)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于中等负荷工况，但排温仍不能达到350℃～550℃的要求，此时排温控制单元根据预先优化好的排温控制策略，通过减小安装在进气管路上的电子节气门开度来减小发动机的进气量，提高缸内工质的燃烧温度和排出的废气温度，同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气，使废气温度迅速达到350℃～550℃这一温度区间要求；

(4)如步骤(1)中的判断结果为发动机处于高负荷工况，不会出现排温低于350℃的情况，此时如果排气温度超过了550℃，排温控制单元根据预置的排温控制策略，利用连接到排气管路的旁通阀向废气中补充新鲜冷空气降低排气温度到规定的温度区间，补充的新鲜空气来自一个发动机皮带轮驱动的压气机；

(5)除了采用VVA、节气门、补充冷空气调节排气温度外，对排气管路要采取辅助的保温措施，目的是使排气管中的废气温度尽量均匀，使进入SCR的全部废气温度都保持在SCR高效的温度区间；

(6)除上述控制排气温度提高SCR效率、使NOx满足欧6排放法规要求的措施外，同时要对燃烧过程进行优化，尽量提高燃油的喷射压力、采用灵活可调的喷射策略，以获得低的颗粒原始排放，在结合氧化催化转化器DOC后处理器情况下使颗粒能够满足欧6排放法规的要求。

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