CN102105662A - 内燃机的排放系统中使用的计量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于计量进入到第二流体流中的第一流体的计量系统，优选地，第一流体在第一流动通路(5)中流动，而第二流体在第二流动通路(9)中流动。该系统例如可以用于计量进入来自内燃机(1)的废气中的还原剂。该系统包括：阀(6)；喷嘴(3)，该喷嘴具有在阀(6)的下游设置的出口；流动通路(5)，第一流体通过流动通路(5)能从贮存器(4)经由阀(6)流动到喷嘴出口；以及控制系统(7)，该控制系统(7)适于从一个或更多个传感器(8)接收输入并且基于该输入来确定请求值，基于该请求值来确定阀打开时间周期。当请求值小于预定阈值时，阀打开时间周期不为零并且独立于所述请求值。本发明还涉及包括这种计量系统的排放系统以及通过使用这种计量系统计量进入到第二流体流中的第一流体的方法。

Description

内燃机的排放系统中使用的计量系统
技术领域
本发明涉及用于计量进入到第二流体流中的第一流体的计量系统(dosing system)，尤其涉及用于计量进入到内燃机的排放管中的还原剂的计量系统。
背景技术
为了降低从内燃机的废气中释放的例如氮氧化合物等污染物，通常将例如液化尿素等还原剂引入到排放系统中。这一般通过使用能够确保将还原剂雾化的喷嘴来进行。在某些计量系统中，还原剂的当前量被确定为与依赖于例如燃料消耗的当前需求相关。还原剂的引入通常导致在用于喷射还原剂的喷嘴中具有晶体或无定形结构形式的沉积物的堆积。这些沉积物的大小随着时间而增大，从而导致较差的雾化、喷射量难以控制、以及最终喷嘴出口完全被堵塞。因此，必须时常地除去沉积物，而这需要拆除系统的部件。
因此，在不堆积沉积物的情况下从废气中除去氮氧化合物的改进的系统和方法将是有利的。
发明目的
根据本发明已经认识到，当在废气和排放管仍然是热的同时不存在通过喷嘴的流体流动时，尤其会出现沉积物的形成。这可以是在多种情形下出现的情况，该多种情形包括：
-当主要根据实际燃料消耗量的测量值确定实际需求时，并且燃料消耗量非常低(例如当机车马达制动时)。
-当机车和计量系统之间的通信存在错误时，这些错误会导致“无计量”信号。
-当机车再生会导致排放管温度升高的微粒过滤器时。升高的温度可导致从喷嘴中的还原剂形成沉积物。
-当关闭机车引擎而排放管仍足够热以至于形成沉积物时；临界温度依赖于还原剂。
基于以上认识，本发明的目的是提供一种可以避免喷嘴堵塞的计量系统。
本发明的另一目的是提供现有技术的替代物。
发明内容
因此，通过提供一种用于计量进入到第二流体流中的第一流体的计量系统，意欲要在本发明的第一方面获得上述目的和若干其它目的，该系统包括：
阀；
喷嘴，该喷嘴具有在阀的下游设置的出口；
流动通路，第一流体通过该流动通路能从贮存器经由阀流动到喷嘴出口；
控制系统，该控制系统适于从一个或更多个传感器接收输入并且基于该输入来确定请求值，并基于该请求值来确定阀打开时间周期；
其中，当所述请求值小于预定阈值时，阀打开时间周期不为零并且独立于所述请求值。
阀优选地具有第一流体无法流过阀的关闭状态和第一流体能够流过阀的至少一个打开状态，后者被称为“阀打开时间周期”。所使用的实际的控制参数可以不是阀打开时间周期，而是阀打开的时间点和阀关闭的时间点。它们之间的区别是打开时间周期的时间点(time opening period)。
除了阀打开时间周期之外，还可以通过改变例如压力等其它参数来控制通过阀的流体的流动。另一可能性是利用压力波来提供第一流体。在确定请求值时，控制系统还可以使用比由传感器测量的那些参数更多的参数。该确定可以是基于请求值和更多的参数之间的预定关系，例如根据实验或计算机仿真来确定该关系。
计量系统可以进一步包括用于抽吸第一流体通过计量系统的抽吸装置。可选择地，对其中贮存了第一流体的贮存器加压，从而阀的打开将导致第一流体朝喷嘴流动。
当请求值小于阈值时，第一流体可以至少间歇性地流出喷嘴出口。“间歇性地”优选地表示在打开阀的时间周期之后具有关闭阀的周期。打开时间和关闭时间可以是相等或不等的时间长度。间歇性流动能够使得，在非必需使用第一流体的情况下，甚至小剂量的第一流体也能够在高压下流过喷嘴。高压用于冲刷喷嘴并由此除去在喷嘴中形成的可能出现的沉积物。
在本发明的某些实施例中，喷嘴包括阀。据此可以获得紧凑并不漏流体的方案。可选择地，喷嘴和阀优选地是在确保不泄露的连接同时通过任意适合的装置连接的分离单元。
在优选实施例中，喷嘴可以包括雾化装置。该种装置用于提供第一流体的雾化，该雾化通常导致第一和第二流体之间的有效反应。
该种雾化装置可以包括至少两个聚合的喷嘴通道。从而可以通过使流体喷射流过互相冲击的喷嘴通道来获得雾化。
来自于一个或更多个传感器的输入可以包括第二流体的温度的测量值和/或第二流体流过的管的管壁的温度的测量值。当在内燃机车上设置所述计量系统时，来自于一个或更多个传感器的输入包括一个或更多个下列参数的测量值：实际燃料消耗量、每分钟的转数、以及引擎的负载。除了那些特定提到的输入之外，还可以使用其它输入。
在本发明的实施例中，第一流体是例如液化尿素等还原剂，而第二流体是来自内燃机的废气。下面给出这个实施例的具体描述。
本发明的第二方面涉及一种排放系统，包括：
如以上所述的计量系统，和
第二流体流过的排放管，
其中，设置喷嘴出口以将第一流体加入到第二流体中。
本发明的第三方面涉及一种通过使用计量系统计量进入到第二流体流中的第一流体的方法，该计量系统包括：阀；喷嘴，该喷嘴具有在阀的下游设置的出口；流动通路，第一流体通过该流动通路经由阀从贮存器流动到喷嘴出口；以及控制系统，所述方法包括以下步骤：
通过使用一个或更多个传感器测量一个或更多个参数值；
使用测量值作为控制系统的输入；
基于所述输入确定请求值；
将所述请求值与预定阈值相比较；以及
当所述请求值小于所述预定阈值时，确定独立于所述请求值的阀打开时间周期，当所述请求值大于或等于所述预定阈值时，确定基于所述请求值的阀打开时间周期。
确定阀打开时间周期和例如第一流体的压力等其它可能的参数，从而将所需量的第一流体送到第二流体中。例如根据实验或计算机仿真来预先确定“所需量”。
参考下文描述的实施例本发明的这些和其它方面将清楚，并且参考下文描述的实施例说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
现在，参考附图更具体地描述根据本发明的计量系统。附图示出实现本发明的一种方式，而不应该被解释为对于落入所附的权利要求书的范围内的其它可能的实施例的限制。
图1示意性地示出与内燃机组合地设置的、根据本发明的计量系统。
图2示意性地示出作为本发明的基础的整体构思。
图3是根据本发明的方法的流程图。
图4说明设置了根据本发明的计量系统的机车的运行情况的示例。
具体实施方式
本发明的优选实施例的下面的描述涉及具有根据本发明的计量系统的内燃系统。图1给出该种内燃系统的示意性说明。在本实施例中，上面所提到的第一流体是还原剂，而第二流体是来自内燃机的废气。
在内燃机车中，在离开引擎1的废气进入催化系统2之前，该废气包括氮氧化合物。在废气通过催化系统2之后，该气体包括氮气和通常被释放到外界的水。已知如果在废气进入催化系统2之前通过使用喷嘴3将例如液化尿素等还原剂喷入废气中，则能够极大地改进该处理。在箱4中贮存还原剂，并经由管5和阀6将还原剂导入喷嘴3。可以对存储了还原剂的箱4加压，或可以通过泵(未示出)将还原剂抽到喷嘴3中。
计量系统包括阀6，阀6具有还原剂无法流过阀6的关闭状态和还原剂能够流过阀6的打开状态。在图1中，作为分离的单元示出阀6和喷嘴3，但是也可以在喷嘴3中包括阀6。在喷嘴3和阀6是分离单元的实施例中，可以将阀6设置在箱4和喷嘴3之间的任意位置处。还可以使用多于一个的阀6。通过从多个传感器8接收输入的控制系统7来控制还原剂的计量。图1中所示的实施例包括所设置的传感器8，从而它们能够分别测量引擎1的一个或更多个特性、排放管9的壁的温度、以及废气的温度。引擎1的特性可包括燃料消耗量、每分钟的转数及机器的负载。虽然通过一个传感器8示意性地说明对这些特征的监视，但是在实际中可以由不同的传感器监视不同的特性。除了或代替那些所说明的传感器，还可以使用其它传感器。基于从传感器8的输入，控制系统7确定对于还原剂的当前需求Qdemand，也将Qdemand称为请求值，并且响应于到达阀6的请求值来控制阀6，从而将所确定的量的还原剂喷入废气。通常以脉宽调制(PMW)方式来控制阀6，从而即使对于相对小的需求仍可以确保还原剂的充分雾化。
以基于排放管9的壁的温度和/或废气的温度确定还原剂的量的第一个原因在于，大部分还原剂和NOX之间的反应仅在大于特定温度时才发生到充分大的程度。下面，参考临界温度Tcr，Tcr是排放管9的温度、废气的温度或根据前述两者的测量值确定的理论值。该种理论值可以是例如加权平均值，例如根据测试或仿真来确定权重因数。在本发明的优选实施例中，在废气通过催化系统之前以及之后确定废气的温度，而Tcr是它们两个中的最低的。确定Tcr的这种方法是基于如下的假设，即当温度大于通过催化系统之前以及之后两种情况下的Tcr时，则催化系统2内部的温度也大于温度Tcr。可替换地或除此之外，通过在催化系统2内设置的传感器测量温度。然后基于关于Tcr的已知依赖关系来确定所需要的还原剂的量。关于Tcr的依赖关系可例如根据物理测试和/或计算机仿真来确定。
在计量用于废气的还原剂的已知系统中，主要根据燃料消耗量、转数及引擎1的负载的测量值来确定还原剂的量。然而，本发明已经发现，当根据这些参数确定的还原剂的需求是非常低的或是零时，在喷嘴3中也会形成来自还原剂的沉积物。特别地，这是如果阀6泄露从而导致具有非常小的压力的还原剂流从喷嘴3滴下的情况。当排放管仍具有高温度的同时机车马达制动或甚至被切断时，也可能出现具有非常少的或没有还原剂流动的情况。
因此，以基于废气的温度确定还原剂的量的第二个原因在于，已经发现即使当Qdemand为零时将还原剂喷入排放管也是有利的。当提供高压状态的还原剂时，喷嘴3被冲刷，从而将已经在喷嘴3内形成的沉积物清除。通常通过间歇性提供还原剂来获得在不必需使用还原剂情况下的高压。“通过间歇地”优选地表示在阀6打开短的时间周期之后具有关闭阀6的时间周期。阀打开时间周期例如可以是30ms，每一次计量之间的时间周期例如可以是30s。压力通常是5到20bar的级别。通过在排放系统中使用的典型的喷嘴大小和压力，30ms的阀的打开时间周期通常导致0.033-0.05ml/剂的计量。
下面两种模式的操作是指：计量和净化(purging)。“计量”优选地用于指定根据来自传感器的输入确定的请求值Qdemand等于预定的阈值Qcr或大于预定的阈值Qcr的时间周期。在该模式中，当前提供的还原剂通常响应于例如燃料消耗量等参数而发生改变。“净化”优选地用于指定根据来自传感器8的输入确定的Qdemand小于Qcr的时间周期。在该模式中，通常如上所述间歇性地、但以在覆盖一个脉冲的时间周期内所提供的还原剂实质上是恒定的量。图2示意性地说明已知系统和根据本发明的系统之间的整体差别。图2a说明在所需求的量Qdemand和通过喷嘴提供的量Qoutput之间具有线性关系的已知系统。图2b以相应方式说明本发明的思想，本发明的思想是：当Qdemand小于阈值Qcr时，将恒定量的还原剂添加到废气中。如上所述，不必需将“恒定”理解为似乎阀6是始终打开的。当机车运行并且所确定的废气和/或排放管的温度T(任何确定温度的细节参见上述内容)大于临界温度Tcr时，Qdemand主要地或完全地依赖于例如燃料消耗量等引擎参数。实际关系可以是线性的或具有本领域技术人员众所周知的任何特性。
在使用液化尿素作为还原剂的排放系统中已经执行了测试。发现当切断引擎1但排放管9内部的温度仍大于大约200℃时，在喷嘴9中形成尿素沉积物。因此，在该情况下，可以将Tcr设置为200℃。然而，沉积物形成也可以开始于170-180℃，因此对于特定的应用应该调节实际的Tcr。
在图3的流程图中描述在根据本发明的方法的应用中所涉及的步骤。要这样来理解附图3，即每次接通或切断引擎1时并且每次在空转和运行之间的改变时，应该从左上角重新阅读该图。在左上角处示出引擎1是否被接通的确定。为了在可以形成沉积物的期间不断地从喷嘴3除去沉积物，即使引擎1已经在所确定的温度T大于Tcr时被切断之后，也必须在净化模式中保持提供还原剂。当引擎1空转时，也将T与Tcr相比较，从而导致当T≥Tcr时进行净化。因为当由于废气和/或排放管9的加热或冷却导致引擎1空转时T趋于随着时间而改变，所以在当引擎1空转时和当其不空转(即，机车运行)时的两种情况下，必须以规则的时间间隔或持续重复T与Tcr之间的比较。当机车运行时，第一个步骤是再次确定是否T≥Tcr，并且如果T≥Tcr则开始响应于来自传感器8的输入而添加还原剂。当T＜Tcr时优选地不添加还原剂的原因在于，大部分还原剂和NOX之间的反应仅在大于特定温度时才发生到严重的程度。当机车正在运行并且T≥Tcr时，基于当前的燃料消耗量和可能的其它参数来确定所需求的量Qdemand。如联系附图2所描述的，计量系统当Qdemand≥Qcr时运行在计量模式而当Qdemand＜Qcr时运行在净化模式。
图4说明设置了根据本发明的计量系统的机车的可能的运行情况。虚线代表在该图中在右侧y轴上所示的ml/小时给出的所请求的计量Qdemand。双点划线代表如在左侧y轴上所示的废气的温度，而实线代表净化。假设在时间等于零时接通引擎，并将Tcr设置为200℃。当温度达到Tcr时，计量系统以计量模式运行，在计量模式中如上所述地确定所提供的还原剂的量。当在大约41分钟(min)时Qdemand下降到Qcr以下并且T仍然处于200℃以上时，将系统切换到净化模式。这通常是当引擎空转时的情况。大约70分钟时，Qdemand增加到Qcr以上，并且系统切换到计量模式。大约115分钟时，系统处于净化模式，并且T下降到200℃以下，从而导致无计量和无净化的情况。
即使当请求值在预定的阈值以下时还原剂也通过喷嘴流动可以防止喷嘴的堵塞是由于以下原因：
-通过使用高压下的还原剂进行冲刷，将在喷嘴内形成的任意沉积物从喷嘴中清除。
-更新喷嘴中的还原剂导致喷嘴内浓度的降低。
-冷却喷嘴。
在以上说明的实施例中，计量系统仅包括一个喷嘴。然而，该系统可以包括两个或更多个喷嘴，例如可以在排放管的壁中沿圆周设置这些喷嘴。可以经由一个阀对所有喷嘴提供还原剂，可以每一个喷嘴对应一个阀，或可以使用多个阀中的每一个阀来控制对于两个或更多个喷嘴的还原剂的流动。
除了以上给出的示例，Qdemand非常小或为零的情况是当由于系统错误(例如从传感器传送的信号中出现的错误)时，导致错误的Qdemand被确定。在已知系统中，这可能导致不提供还原剂通过喷嘴。在根据本发明的计量系统中，该种情况会导致系统以净化模式运行。这意味着虽然没有充分地减少污染物，但是至少喷嘴不会堵塞。
虽然已经联系特定实施例描述了本发明，但本发明不应被解释为以任意方式被限制到所给出的示例。已经联系具有根据权利要求的计量系统的内燃机系统描述了本发明。然而，本发明还可以应用到在确保Qdemand＜Qcr时独立于从传感器的输入来计量第一流体的恒定量的同时计量进入到第二流体流中的第一流体相关的其它系统。其它应用的示例是将发热介质注入到柴油机颗粒过滤器中来燃烧碳沉积物。
通过所附的权利要求书来阐明本发明的范围。在权利要求中，术语“包括”或“包含”不排斥其它可能的元件或步骤。另外，所提到的例如“一”等参考不应该被解释为排斥多个。在权利要求中对于在附图中指示的元件使用附图标记也不应被解释为限制本发明的范围。此外，可以有利地组合在不同权利要求中提到的独立的特征，并且在不同权利要求中提到这些特征不排斥特征的组合是可行并且有利的。

Claims (18)

1.一种用于计量进入到第二流体流中的第一流体的计量系统，该系统包括：
阀；
喷嘴，该喷嘴具有在阀的下游设置的出口；
流动通路，第一流体通过该流动通路能从贮存器经由阀流动到喷嘴出口；以及
控制系统，该控制系统适于从一个或更多个传感器接收输入并且基于该输入来确定请求值，其中，阀打开时间周期是基于该请求值来确定的；
其中，当所述请求值小于预定阈值时，阀打开时间周期不为零并且独立于所述请求值。
2.根据权利要求1所述的计量系统，进一步包括抽吸装置，该抽吸装置用于抽吸通过所述计量系统的第一流体。
3.根据权利要求1或2所述的计量系统，其中，当所述请求值小于所述阈值时，第一流体至少间歇性地从喷嘴出口流出。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，所述喷嘴包括所述阀。
5.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，所述喷嘴包括雾化装置。
6.根据权利要求5所述的计量系统，其中，所述雾化装置包括至少两个会聚的喷嘴通道。
7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括第二流体的温度的测量值。
8.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括所述第二流体所流过的管的管壁的温度的测量值。
9.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，在内燃机车上设置所述计量系统，并且其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括一个或更多个下列参数的测量值：实际燃料消耗量、每分钟的转数、以及引擎的负载。
10.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，其中，所述第一流体是还原剂，例如液化尿素，而所述第二流体是来自内燃机的废气。
11.一种排放系统，包括：
根据前述权利要求中的任一权利要求所述的计量系统，和
第二流体流过的排放管，
其中，设置喷嘴出口以将第一流体送到第二流体中。
12.一种通过使用计量系统计量进入到第二流体流中的第一流体的方法，该计量系统包括：阀；喷嘴，该喷嘴具有在阀的下游设置的出口；流动通路，第一流体通过该流动通路能从贮存器经由阀流动到喷嘴出口；以及控制系统，所述方法包括以下步骤：
通过使用一个或更多个传感器测量一个或更多个参数值；
使用测量值作为控制系统的输入；
基于所述输入确定请求值；
将所述请求值与预定阈值相比较；以及
当所述请求值小于所述预定阈值时，确定独立于所述请求值的阀打开时间周期，而当所述请求值大于或等于所述预定阈值时，确定基于所述请求值的阀打开时间周期。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括抽吸第一流体通过所述计量系统的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，当所述请求值小于所述阈值时，第一流体至少间歇性地流出出口。
15.根据权利要求12-14中的任一权利要求所述的方法，其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括第二流体的温度的测量值。
16.根据权利要求12-15中的任一权利要求所述的方法，其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括所述第二流体所流过的管的管壁的温度的测量值。
17.根据权利要求12-16中的任一权利要求所述的方法，其中，在内燃机车上设置所述计量系统，并且其中，来自于所述一个或更多个传感器的输入包括下面参数中的一个或更多个参数的测量值：实际燃料消耗量、每分钟的转数、以及引擎的负载。
18.根据权利要求12-17中的任一权利要求所述的方法，其中，所述第一流体是还原剂，例如液化尿素，而所述第二流体是来自内燃机的废气。
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