CN102046934A - 执行低温再生策略的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃发动机的排气控制系统。排气控制系统可以具有能够从内燃发动机接收排气流的排气通道、定位在排气通道内的微粒过滤器、以及定位在过滤器上游的氧化催化器。氧化催化器能够促进微粒过滤器的再生并且可以具有活化温度范围。排气控制系统还可以具有定位为选择性地将氧化催化器加热至活化温度范围内的加热装置、以及与内燃发动机和加热装置通信的控制器。控制器能够检测微粒过滤器的负载超出第一负载阈值量、以及检测内燃发动机的低温状况。控制器还能够当在低温状况下微粒过滤器的负载超过第一负载阈值量时启动加热装置以加热氧化催化器，直至微粒过滤器的负载下降至低于第二负载阈值量。

Description

执行低温再生策略的排气系统
技术领域
本发明整体涉及一种排气系统，更特别地，涉及一种执行低温再生策略的排气系统。
背景技术
微粒过滤器被用于从发动机排气流中去除微粒物质。但是，经过较长时间的使用，微粒过滤器可能会由于微粒物质而过载，从而导致过滤器损坏的风险并降低发动机性能。可以通过被称为再生的过程来从微粒过滤器中去除所收集的微粒物质。
已知两种不同的再生策略，包括主动再生和被动再生。主动再生是在通常是超过600℃的高温下将被捕获的微粒物质烧除。通过发动机控制器、电栅、以及位于过滤器上游以加热流过过滤器的排气流的燃烧燃料式燃烧器来定期地实现所述高温。被动再生涉及使用催化器以降低被捕获的微粒物质的氧化温度，使得能够不使用发动机控制器、电栅和燃烧燃料式燃烧器而在低温下持续地烧除微粒物质。
在机器固定时，不希望进行主动再生，因为主动再生可能会使得排气系统对于周围环境来说过热。例如，如果机器要停驻在干燥的垃圾上，那么排气系统的高再生温度可能会点燃垃圾。由此，当机器在长时间段内停驻和怠速、例如通宵停留时，通常停用且/或禁用主动再生。
令人遗憾的是，当机器怠速时，机器的排气温度可能过低使得被动再生系统的氧化催化器表现很差。也就是说，催化器仅当排气温度在预定的活化范围(250-400℃)内才正常工作，并且在较长时间怠速时可能难以达到该范围并且达到的成本很高。因此，在没有操作者介入的情况下，在较长时间怠速时被动再生仅能勉强成功去除被捕获的微粒物质，并且在一些情况下可能根本无法工作。当再生不正常工作时，微粒过滤器可能会完全堵塞，导致需要立刻维修的发动机故障。
于2005年12月29日公开的Imai等人的美国专利公布文献No.2005/0284138(‘138公布文献)中公开了针对上述问题的一种尝试。‘138公布文献中公开了一种用于连续再生捕集器(CRT)的再生控制方法。所述CRT包括柴油微粒过滤器(DPF)、以及位于DPF上游的氧化催化器。氧化催化器将来自发动机排气的NO转化为NO2，然后NO2被用于氧化被捕获在DPF中的微粒物质。NO2在比其他情况下可能的温度更低的温度下将微粒物质氧化。只要保持催化器的活化温度，就可进行DPF的再生，并且再生的速率与排气温度相对应。
‘138公布文献的再生控制方法包括监测DPF的碳烟负载、并且将碳烟负载分为增加量的三个或四个不同分类。该方法还包括监测排气温度。基于碳烟负载分类和排气温度，采用不同的再生策略。在一种策略中，当DPF的碳烟负载被分类为高且排气温度低时(例如在较长时间怠速时)，可以人为地升高排气温度使得催化器活化并且促进被动再生。通过使用相关联的发动机的多次燃料后喷射来提高排气温度。
‘138公布文献的系统可能缺乏效率。具体来说，在怠速时人为地升高排气温度需要大量的燃料，并且在怠速状况下，必须在长时间段内将温度保持在升高的状态下以去除DPF中存有的所有碳烟。在不对再生过程进行进一步控制的情况下，该过程的时间效率和燃料效率可能是较低的。
这里公开的排气系统旨在克服上述问题中的一种或多种、和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于内燃发动机的排气控制系统。排气控制系统可以包括能够从所述内燃发动机接收排气流的排气通道、位于所述排气通道内的微粒过滤器、以及位于过滤器上游的氧化催化器。氧化催化器能够促进所述微粒过滤器的再生，并且可以具有活化温度范围。排气控制系统还可以包括定位为选择性地将所述氧化催化器加热至所述活化温度范围内的加热装置、以及与所述内燃发动机和所述加热装置通信的控制器。控制器能够检测所述微粒过滤器的负载超出第一负载阈值量、并且检测所述内燃发动机的低温状况。控制器还能够当在低温状况下所述微粒过滤器的负载超过所述第一负载阈值量时启动所述加热装置以加热所述氧化催化器，直至所述微粒过滤器的负载下降至低于第二负载阈值量。
本发明的另一个方面涉及一种处理来自内燃发动机的排气的方法。该方法可包括从所述排气中收集微粒物质、以及将所述排气中的第一成分转化为促进所收集的微粒物质燃烧的第二成分。该方法还可以包括检测所收集的微粒物质的量超过正常温度阈值量、以及检测所述内燃发动机的低温状况。该方法还可以包括当在低温状况下所收集的微粒物质的量超过所述正常温度阈值量时，选择性地加热排气以促进所述转化，直至所收集的微粒物质的量降低至低于低温阈值量。
附图说明
图1是一种示例性地公开的动力系统的示意图；且
图2是图1的动力系统所执行的一种示例性地公开的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出示例性的动力系统10。为了本公开的目的，动力系统10作为柴油内燃发动机进行示出和说明。但是，可以想到动力系统10可以是任何其他类型的内燃发动机，例如汽油或气体燃料发动机。动力系统10可以包括发动机组12，发动机组12至少部分地限定多个气缸14。可以想到，动力系统10可以包括任何数量的气缸14，且气缸14可以以直列配置、V形配置、或任何其他常见配置进行设置。
排气系统16可以与动力系统10相关联，并且包括调节来自气缸14的排气并且将其引导至大气中的组成部件。例如，排气系统16可以包括在共用的排气通道22内串联设置的第一处理装置18和第二处理装置20。加热装置24可以位于第一处理装置18的上游以加热第一处理装置18。可以想到，排气系统16可以包括与上文所说明的不同的或额外的组成部件，例如能量提取装置、旁通组成部件、制动装置、衰减装置、额外的处理装置和其他已知的组成部件。
第一处理装置18可以与第二处理装置20协作以调节来自动力系统10的排气。特别地，第一处理装置18可以是能够将排气流中的第一成分转化为第二成分的催化器，第二成分能够促进低的温度下第二处理装置20中的再生过程。在一个例子中，第一处理装置18可以是柴油氧化催化器(DOC)。作为DOC，第一处理装置18可以包括涂覆有或以其他方式充满催化化学反应以改变排气成分的材料的多孔陶瓷蜂窝结构或金属网基质。例如，第一处理装置18可以包括促进将NO转化为NO2的铂或钒的贵金属载体涂料。
第一处理装置18的转化效率和/或转化率可以与进入第一处理装置18的排气的温度相关。也就是说，第一处理装置18可以具有例如在约200-400℃之间的活化温度范围。在该活化温度范围内，第一处理装置18可以将一定量的NO转化为NO2，以促进第二处理装置20中的被动再生。随着第一处理装置18的温度朝其上限增加，NO到NO2的转化率可以成比例地增加。当在活化温度范围外时，转化率可以显著下降。
第二处理装置20可以从第一处理装置18接收排气，以去除和收集排气中的成分。特别地，第二处理装置20可以是微粒过滤器。这样，第一处理装置18和第二处理装置20可以共同形成连续再生捕集器(CRT)。可以想到，如果需要，可以通过单个集成的装置取代分离的装置来执行催化和捕获的功能。作为微粒过滤器，第二处理装置20可以被设计为捕获微粒物质并且包括金属网格或陶瓷蜂窝介质。在冷的状况(即进入第一处理装置18的排气的温度接近或低于其活化温度下限的状况)下使用微粒捕集器较长的时间段会减缓再生并且导致微粒物质在介质中积蓄。如果不加以处理，物质的积蓄可能导致过滤器功能下降并且由此导致发动机性能下降。
加热装置24可以被定位为选择性地促进第二处理装置20的再生。加热装置24可以是例如燃烧燃料式燃烧器、电栅或能够选择性地加热流经第一处理装置18的排气的本领域已知的其他类似装置。随着被加热的排气流过第一处理装置18，其能够获得适合的活化温度，并且希望的量的NO可以被转化为NO2。随着NO2流过第二处理装置20，其中捕获的微粒物质的一部分或全部可以经过放热反应并且被分解为灰末。因为排气温度可以被人为地升高以活化催化器，所以这一过程也被称为“被动+”再生(与仅被动再生或主动再生相反，其中仅被动再生中不人为地升高温度，而主动再生中温度被升高至非常高的水平以在不使用催化器的情况下烧除微粒物质)。
控制系统26可以与动力系统10相关联，并且包括协作以调节NO2浓度和/或第一处理装置18和第二处理装置20中的排气温度以促进被动再生的组成部件。具体来说，控制系统26可以包括：能够确定第二处理装置20的碳烟负载的第一传感器28，能够确定动力系统10的操作状况的第二传感器30，以及与第一传感器28、第二传感器30和加热装置24通信的控制器32。控制器32可以被配置为响应于从第一传感器28和第二传感器30接收的输入来控制加热装置24的操作。
第一传感器28可以是用于确定第二处理装置20中积蓄的微粒的量的任何类型的传感器。例如，第一传感器28可以是一个或一对压力传感器、温度传感器、模型驱动虚拟传感器、RF传感器或本领域已知的任何其他类型的传感器。第一传感器28可以产生表示微粒积蓄的信号，该信号被发送至控制器32。
第二传感器30可以是能够监测动力系统10的操作状况的任何类型的传感器。在一个例子中，第二传感器30可以是与动力系统10的输出相关联的速度传感器。这样，第二传感器30可以产生表示动力系统10的速度的信号，并且将该信号发送至控制器32。当速度信号表示速度低于阈值速度(例如怠速速度)时，动力系统10可以被认为在冷的状况下操作。在另一个例子中，第二传感器30可以是能够产生表示离开动力系统10的排气的温度的信号的温度传感器。在该例子中，当温度信号表示排气温度低于阈值温度(例如低于适当的第一处理装置18的活化温度)，动力系统10可以被认为在冷的状况下操作。
控制器32可以是单个微处理器或多个微处理器，其包括用于响应于从第一传感器28和第二传感器30接收的信号来控制加热装置24的操作的装置。多种商业上可购买到的微处理器可以被配置为执行控制器32的功能。应当理解，控制器32可以容易地体现为能够控制多个动力系统功能和操作模式的通用动力系统微处理器。多种其他的已知电路可以与控制器32相关联，包括供电电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、通信电路和其他适当的电路。
在一种实施方式中，计时器34可以与控制器32相关联。计时器34可以响应于来自控制器32的指令跟踪经过时间。表示经过时间的信号可以从计时器34被发送至控制器32。
图2示出控制器32执行的示例性的方法。下面将更具体地讨论图2以进一步示出本发明的概念。
工业实用性
本发明公开的排气系统适用于注重在冷的状况下的污染控制的任何发动机。所公开的系统可以通过执行低温再生策略提供在较长时间的冷的状况下(例如怠速时)的微粒减少。现在将说明该低温再生策略。
如图2所示，在动力系统10起动时可以通过第二传感器30监测第二处理装置20的碳烟负载来开始该策略(步骤100)。如上所述，在常温操作状况下(即当离开动力系统10的排气温度在第一处理装置18的活化温度范围内或者以其他方式在非怠速状况下操作时)，可以大致连续地进行被动再生。在监测第二处理装置20的碳烟负载的同时，控制器32可以将碳烟负载与第一负载阈值量进行比较(步骤110)。在一个例子中，第一负载阈值量可以是约等于第二处理装置20在常温状况下的100％能力的常温阈值量。当碳烟负载超过该100％能力时，上述的第二处理装置20在常温状况下的再生可能导致温度过高从而损坏第二处理装置20。如果第二处理装置20的碳烟负载低于第一负载阈值量，控制可以返回至步骤100。
但是，当来自第二传感器30的信号表示第二处理装置20的碳烟负载正接近或已经超过第一负载阈值量时，则控制器32可以确定动力系统10是否在冷的状况下操作(即动力系统10是否处于怠速状态或其排气温度是否低于第二处理装置20的活化温度范围)(步骤120)。如果动力系统10不是在冷的状况下操作(即，如果动力系统在正常状况下操作)且第二处理装置20的碳烟负载已经超过第一负载阈值量，控制器32可以开始主动再生。也就是说，控制器32可以控制加热装置24以将经过第二处理装置20的排气温度升高至微粒物质的燃烧阈值，使得捕获在其中的几乎所有微粒物质被烧除。因为可以在正常温度状况下执行主动再生，加热装置24充分升高温度所需要的能量很少。
如果动力系统10是在冷的状况下操作且第二处理装置20的碳烟负载已经超过第一负载阈值量，控制器32可以指令计时器34开始追踪时间(步骤140)。控制器32可以监测来自计时器34的经过时间信号，并且将经过时间与持续时间阈值进行比较(步骤150)，并且在步骤120-150之间循环，直至经过的时间段超过持续时间阈值。在一个例子中，持续时间阈值可以是约两小时。如果在两小时的时间段内，动力系统10的操作返回至或达到正常温度状况，控制可以进行至步骤130并启动主动再生。
但是，如果在两小时的时间段结束时动力系统10的操作仍未返回至或未达到正常温度操作，碳烟可能累积至第二处理装置20的正常能力的约115-125％。在经过两小时后，控制器32可以认为冷的状况是较长时间的状况，并且响应地启动被动+再生策略以减少捕获在第二处理装置20中的微粒物质的量(步骤160)。为了启动被动+再生，控制器32可以指令加热装置24将温度升高至第一处理装置18的活化范围内，并且优选地朝着活化范围的上限。当排气温度升高至活化范围内时，第一处理装置18可以将一定量的NO转化为NO2，足以促进被捕获的微粒物质燃烧。
控制器32可以监控第二处理装置20的被动+再生(步骤170)。在该再生过程中，随着容纳在第二处理装置20中的微粒物质燃烧，当剩余的微粒物质的量减少至低于第二负载阈值量时，控制器32可以减缓或甚至停止该过程。在一个例子中，第二负载阈值量可以是低温阈值量，其约等于第二处理装置20的正常温度能力的115％。控制器32可以将剩余的微粒物质的量与第二负载阈值量进行比较(步骤180)，并且在剩余的量下降至低于第二负载阈值量之后通过指令加热装置24停止加热排气以减缓或停止该过程(步骤190)。
通过在冷的状况下加热第一处理装置18，可以在动力系统10的整个操作循环中执行第二处理装置20的再生。并且，将微粒物质的积蓄减少至115％以下可以允许动力系统10在冷的状况下的长时间操作。此外，通过仅部分地减少在冷的状况下第二处理装置20中积蓄的微粒物质的量，而非将其完全烧除，动力系统10的效率可以较高。也就是说，在冷的状况下使用加热装置24以使第二处理装置20完全再生可能要求大量的燃料。因此，通过在冷的状况下有节制地使用加热装置24，并且等待更有效(即更高)的温度状况来执行完全再生，可以消耗很少的燃料。
本领域技术人员将很清楚，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的排气系统进行多种修正和变型。考虑这里所公开的排气系统的说明书和实践，本领域技术人员将很清楚排气系统的其他实施方式。说明书和例子仅意于被认为是示例性的，本发明的真正范围由权利要求书及其等价物表示。

Claims (20)

1.一种用于内燃发动机的排气控制系统，包括：
排气通道，其能够从所述内燃发动机接收排气流；
微粒过滤器，其位于所述排气通道内；
氧化催化器，其定位为促进所述微粒过滤器的再生，所述氧化催化器具有活化温度范围；
加热装置，其定位为选择性地将所述氧化催化器加热至所述活化温度范围内；以及
控制器，其与所述内燃发动机和所述加热装置通信，所述控制器能够：
检测所述微粒过滤器的负载超出第一负载阈值量；
检测所述内燃发动机的低温状况；以及
当在所述低温状况下所述微粒过滤器的负载超过所述第一负载阈值量时启动所述加热装置以加热所述氧化催化器，直至所述微粒过滤器的负载下降至低于第二负载阈值量。
2.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述第二负载阈值量大于所述第一负载阈值量。
3.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述低温状况与所述内燃发动机的怠速相关联。
4.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述氧化催化器将所述排气流中的NO转化为NO2。
5.根据权利要求1所述的排气控制系统，还包括与所述控制器通信的计时器，其中，仅在从所述微粒过滤器的负载在所述低温状况下超过所述第一负载阈值量经过一段时间后所述控制器能够启动所述加热装置。
6.根据权利要求5所述的排气控制系统，其中，所述一段时间约为2小时。
7.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述第一负载阈值量是在正常温度状况下的微粒捕获的最大能力。
8.根据权利要求7所述的排气控制系统，其中，所述第二负载阈值量约为所述最大能力的115％。
9.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述氧化催化器在所述低温状况下的加热促进被动再生。
10.根据权利要求1所述的排气控制系统，其中，所述控制器还能够：
检测所述内燃发动机的正常温度状况；以及
在所述正常温度状况下停用所述加热装置。
11.一种处理来自内燃发动机的排气的方法，包括：
从所述排气中收集微粒物质；
将所述排气中的第一成分转化为促进所收集的微粒物质燃烧的第二成分；
检测所收集的微粒物质的量超过正常温度阈值量；
检测所述内燃发动机的低温状况；以及
当在所述低温状况下所收集的微粒物质的量超过所述正常温度阈值量时，选择性地加热所述排气以促进所述转化，直至所收集的微粒物质的量降低至低于低温阈值量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述低温阈值量大于所述高温阈值量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述低温状况与所述内燃发动机的怠速相关联。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一成分为NO，所述第二成分为NO2。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括追踪从在所述低温状况下所收集的微粒物质的量超过所述正常温度阈值量所经过的时间段，其中仅当所述时间段超过时间段阈值量时执行所述选择性地加热的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述时间段阈值量约为2小时。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述正常温度阈值量与在所述内燃发动机的正常温度状况下出现部件损坏之前所述内燃发动机的最大热能力相关联。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述低温阈值量约为所述最大热能力的115％。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括：
检测所述内燃发动机的正常温度状况；以及
响应于所检测的正常温度状况停止选择性地加热所述排气。
20.一种动力系统，包括：
发动机，其能够燃烧燃料并且产生排气流；
排气通道，其能够从所述发动机接收所述排气流；
微粒过滤器，其位于所述排气通道内；
氧化催化器，其位于所述微粒过滤器的上游，并且在所述微粒过滤器的被动再生过程中所述氧化催化器能够将NO转化为NO2，所述氧化催化器具有活化温度范围；
燃烧燃料式燃烧器，其定位为选择性地将所述氧化催化器加热至所述活化温度范围内；以及
控制器，其与所述发动机和所述燃烧燃料式燃烧器通信，所述控制器能够：
检测所述微粒过滤器的负载超出正常温度最大能力；
检测所述内燃发动机的低温状况；以及
当在所述低温状况下所述微粒过滤器的负载超过所述正常温度最大能力时启动所述燃烧燃料式燃烧器以加热所述氧化催化器，直至所述微粒过滤器的负载下降至低于低温阈值量。
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