CN102197201A - 用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的系统。该系统可包括还原剂容纳装置、与还原剂容纳装置连接的分配装置、与还原剂容纳装置相关联的至少一个加热部件。温度传感器能够确定还原剂的温度并被至少部分设置在还原剂容纳装置内。压力传感器与分配装置相关联并能够确定所述系统的压力特性。控制器能够接收来自温度传感器和压力传感器的输入并能够根据接收的来自温度传感器和压力传感器的输入向所述至少一个加热部件发送输入。

Description

用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于加热与后处理系统相关的流体的系统和方法，更具体地，涉及一种用于对设置在与发动机相关的后处理系统的还原剂分配系统中的罐和各种供应管线中的还原剂进行加热的系统和方法。
背景技术
内燃机，包括柴油机、汽油机、气体燃料供能发动机和本领域内已知的其它发动机会排放空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物包括气体化合物，例如氮氧化物(NOx)。由于对环境关注的不断增加，废气排放标准已经变得更加严格，并且根据发动机的种类、规格和/或等级规定了从发动机排放的NOx的量。为了保证符合这些化合物的规定，一些发动机制造商已经实施了被称为选择性催化还原(SCR)的策略作为后处理系统的一部分。SCR是将气体或液体还原剂或还原媒介，例如尿素/水溶液、柴油燃料或其他碳氢化合物源，添加到发动机的废气流并使其吸附到催化剂上的过程。还原剂与废气中的NOx反应形成H2O和N2，由此减少有害的排放物。还原剂通常存储在罐中，此罐具有用于向废气流提供还原剂的至少一条供应管线。
发动机通常使用在位于非常低温环境中的机械或固定设备中。当发动机关闭很长的时间段，例如一夜或者更长的停止期时，低温环境对发动机来说尤其恶劣。在低温环境，例如当环境空气温度低于-11℃时，罐和/或供应管线中的还原剂会冻结。鉴于废气排放标准的要求不断提高，需要液化还原剂使得废气流从罐接收需要剂量的还原剂。而且，需要在发动机启动后的一定时间段内液化还原剂，以确保发动机在发动机启动后的一定时间量内符合废气排放标准。
2007年4月12日以Osaku等人名义公开并转让给Nissan DieselMotor Co.，Ltd的美国专利申请公开文献No.2007/0079599(′599申请)中描述了一种用于加热还原剂的系统。′599申请公开的系统使用来自发动机的冷却水作为热载体，借助经过尿素存储罐排布的热交换管来加热尿素存储罐中的尿素水。尽管′599申请公开的系统可以提供用于加热还原剂的系统，但该系统并未解决如何利用该系统的问题。例如，用于′599申请的设备的控制方案没有提及何时和如何使用其中公开的加热系统。因此，′599申请的系统在效率和诊断能力方面是不完善的。
本发明的系统旨在解决对于控制系统的需求，该控制系统用于确保液化的还原剂在发动机启动后的短时间内即可用，或者替代地，用于确保操作者能够意识到还原剂短缺。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的系统。该系统包括：还原剂容纳装置；与所述还原剂容纳装置连接的分配装置；与所述还原剂容纳装置相关联的至少一个加热部件；能够确定还原剂的温度的温度传感器，该温度传感器至少部分设置在所述还原剂容纳装置内；与所述分配装置相关联的压力传感器，该压力传感器能够确定所述系统的压力特性；和控制器，其能够接收来自所述温度传感器和压力传感器的输入并能够根据接收的来自所述温度传感器和压力传感器的输入向所述至少一个加热部件发送输入。
另一方面，本发明涉及一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的方法。该方法包括以下步骤：确定还原剂的温度；如果还原剂的温度小于或等于阈值温度，则致动至少一个加热部件；确认与系统相关联的分配装置内的还原剂的压力；以及如果还原剂的压力满足阈值要求，则将还原剂定量给送到后处理系统的废气流。
又一方面，本发明涉及一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的方法。该方法包括以下步骤：致动与还原剂相关联的至少一个加热部件；对系统进行增压；评估被增压的系统的状态；以及如果所述状态令人满意，则将一些还原剂定量给送到后处理系统的一部分。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的还原剂分配系统的示意图；和
图2是表示根据本发明的示例性实施方式的控制策略的流程图的图解说明。
具体实施方式
图1示出了还原剂分配系统10的示意图，其构成用于发动机(未示出)的废气后处理系统的一部分。后处理系统可以被构造成将来自发动机的废气引导到大气并减少排出的废气中的特定废气成分的量。在一个例子中，废气中的氮氧化物(NOx)经过催化剂，催化剂能够与和废气混合的还原剂反应以将NOx转化成N2和其他无害的副产品，例如O2。系统10可包括容纳在还原剂罐或者容纳装置12中的还原剂14。还原剂14可包括例如尿素/水溶液、胺水、
Figure BPA00001349563900031
溶液(
Figure BPA00001349563900032
是德国的Verband Der Automobilindustrie E.V.(VDA)Association的注册商标)、柴油燃料和/或其他碳氢化合物源。还原剂14通过还原剂分配或者供应管线16和任选的还原剂泵或分配装置18分配至排气管17。还原剂喷射器19可靠近排气管17设置以将还原剂14喷射到排气管17中的废气流内。尽管被显示为单个喷射器，但还原剂喷射器19可以形成为歧管，以促进还原剂14向废气流的分配，或者替代地，系统10可包括靠近排气管17设置的多个还原剂喷射器19。还原剂压力传感器21可以与还原剂泵18相关联以监测系统10中的还原剂14的压力。可包括绕丝加热元件的至少一个管线加热部件20可以围绕泵18上游或下游的还原剂供应管线16周向设置，以防止布置在还原剂供应管线16中的还原剂冻结。管线加热部件20还可以形成为围绕还原剂供应管线16缠绕的长的线缆状的电加热元件，或者形成为覆盖还原剂供应管线16的绝热体，以融化其中容纳的冻结的还原剂14和/或防止其中容纳的还原剂冻结。管线加热部件20还可以包括允许发动机冷却液绕着电导体的外部循环的结构。
仍参照图1，系统10还可包括至少一个延伸进入罐12的发动机冷却液管线22。在一种示例性实施方式中，发动机冷却液管线22进入罐12，在罐12内的底部附近处形成环，并离开罐12以返回发动机冷却液源13。发动机冷却液管线22可形成为不锈钢管，或者不会在尿素环境中腐蚀或变坏的任何其他材料。如下所述，由发动机冷却液管线22内的发动机冷却液提供的热传递便于还原剂14的加温和/或解冻。将发动机冷却液管线22定位在罐12的还原剂供应管线16延伸出的部分附近促进了最靠近供应管线16的还原剂14部分的解冻或加热。还原剂罐12还可包括定位在还原剂罐12中的至少一个还原剂温度传感器24。在一种示例性实施方式中，还原剂温度传感器24浸没在还原剂14中。传感器24被定位成距离发动机冷却液管线22足够远使得传感器24不检测发动机冷却液的温度，而仅检测还原剂14的温度。在一种替代的实施方式中，还原剂温度传感器24可以用环境空气温度传感器替代或者与环境空气温度传感器一起工作。系统10还包括设置在还原剂罐12内并至少部分浸入还原剂14中的罐加热部件26，例如电加热器。
图1还示出了用于控制发动机冷却液管线22、管线加热部件20和罐加热部件26的操作的控制系统29。控制系统29可包括借助通信线路32从发动机冷却液源13、借助通信线路34从还原剂温度传感器24、借助通信线路36从罐加热部件26、借助通信线路38从管线加热部件20、借助通信线路40从还原剂喷射器19、借助通信线路43从还原剂泵18、和借助通信线路42从还原剂压力传感器21中的任何或全部接收输入的控制器30。基于接收的输入，控制器30可以向发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20提供控制信号。传感器24、21能够分别产生表示还原剂14的温度和还原剂14的压力的输入信号。例如，在接收传感器24、21的输入的情况下，控制器30可分别通过借助通信线路32、36和38发送控制信号来操作发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20中的一个或全部，以便于解冻还原剂14。尽管始终描述为单独的通信线路，但这里讨论的一个或多个通信线路可以是控制系统29中的各个传感器和致动器之间的单个数据链连接的一部分。
替代地，可以通过操作者输入装置(未示出)接收用来操作发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20中的一个或全部的命令，操作者输入装置可以借助通信线路(未示出)与控制器30通信。例如，操作者可以在不操作与还原剂系统10相关联的发动机的情况下致动输入装置。这在操作者知道温度条件使得至少一部分还原剂14冻结时可能是希望的。在这种情形下，控制器30可借助与发动机或者定位发动机的机械相关联的电池(未示出)来供能。
控制器30可体现为包括用于控制发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的操作的部件的单个微处理器或多个微处理器。很多商业上可得的微处理器能够执行控制器30的功能。应当认识到，控制器30可容易地体现为能够控制与发动机和/或相关机械(未示出)相关联的多种功能的通用的发动机控制单元(ECU)。控制器30可包括运行应用所需要的所有部件以控制发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20，所述部件例如存储器、辅助存储装置和处理器，例如中央处理单元或者本领域已知的任何其他部件。各种其他已知的电路可以与控制器30相关联，包括供电电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、通信电路和其他合适的电路。控制器30可以分析和比较接收和存储的数据，并基于存储在存储器中或者由用户输入的指令和数据确定是否需要动作。例如，控制器30可将接收的值与存储在存储器中的目标值进行比较，并且基于比较的结果，控制器30可向一个或多个系统传送信号以改变其操作状态。
控制器30可包括本领域已知的用于存储与发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的操作有关的数据的任何存储器装置。这些数据可以以描述和/或有关发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的操作的一个或多个映射的形式存储。每个这些映射可以是表格、图表和/或等式的形式，并包括从发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的实验室和/或现场操作收集的数据的汇编。映射可以通过在多种操作条件下对发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的操作进行仪表测试并同时改变与其相关的参数来产生。控制器30还能够基于测量的操作条件更新映射，这允许控制器30调节映射以匹配示例的发动机的特定操作特性和模式。控制器30可引用这些映射并控制一个部件的操作，以响应第二部件的希望操作。映射可以包含例如关于在控制器30致动发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20之前系统10的各种部件要被致动所需的时间的数据。
控制器30还可包括计时器31。控制器30能够将来自计时器31的信息与来自其他源的信息耦合。例如，控制器30可利用来自计时器31的信息与关于发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20的操作的信息确定发动机冷却液源13、罐加热部件26和管线加热部件20操作多长时间和何时操作。计时器31还可用来监测和控制加热事件的持续时间或系统10的任何其他操作参数。
控制器30能够基于本领域公知的一个或多个输入和存储在控制器30的存储器中的映射致动发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20。例如，控制器30可监测借助各个通信线路来自发动机冷却液源13、还原剂温度传感器24、罐加热部件26、管线加热部件20、还原剂喷射器19、还原剂泵18和还原剂压力传感器21中的任何或全部的输入以及借助操作者输入装置或接口接收的操作者输入，并且基于映射中包含的数据，确定需要为系统10的至少一部分加热。基于这种确定，控制器30可致动发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20的一个或多个以便于向还原剂14分配热量。然后，控制器30可监测系统10的操作状态以及来自发动机冷却液源13、还原剂温度传感器24、罐加热部件26、管线加热部件20、还原剂喷射器19、还原剂泵18和还原剂压力传感器21的输入，以确定例如发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20中的一个或多个的致动持续时间。
控制器30可以被构造成致动发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20，以响应本领域公知的一个或多个触发条件，如下所述。发动机冷却液源13、罐加热部件26和/或管线加热部件20的致动还可以在操作者接口处，例如借助开关、按钮或与操作者接口相关联的类似装置，和/或能够与控制器30和/或系统10接口的服务工具处手动启动。
图2示出了可以在控制器30(图1)中实施的控制策略。控制策略从步骤100开始，在步骤100，操作者启动配备有系统10的发动机。在步骤102，控制器30借助通信线路34从还原剂温度传感器24接收输入并确定还原剂14的温度是否小于或等于α。在一种实施方式中，α约等于-11℃，这是针对32.5％的尿素水溶液的通常冰点。α的值可以根据利用的还原剂溶液的种类而有所不同。控制器30可使用浓度检测装置(未示出)来检测还原剂14的还原剂溶液的浓度并由此确定α值。例如，如果还原剂浓度较高，例如40％的尿素水溶液，则α的值可以更高。如果流体温度大于α，控制策略继续至步骤104，设定模式以“定量给料”，即控制器30借助通信线路43向还原剂泵18和借助通信线路40向还原剂喷射器19发送信号，以启动通过还原剂供应管线16的还原剂14的泵送和将还原剂14喷射到排气管17中。一旦模式被设定成“定量给料”，就通过步骤105所示的完成流体解冻。
如果还原剂14的流体温度小于或等于α，控制策略进行到步骤106，控制器30分别借助通信线路32、36、38发送控制信号以致动发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20中的至少一个。在步骤106，在控制器30的计时器31中记录第一开始时间，以监测发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20的操作期间，即第一时间段。根据所要求的还原剂14需要被解冻的时间段，控制器30可选择性地操作发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20中的一个或多个。例如，如果没有设定的时间段，则控制器30可仅致动发动机冷却液管线22，该发动机冷却液管线22在一些时间段后将通过相关联的发动机产生的热量充分解冻还原剂14。然而，如果存在发动机需要液态还原剂14的设定的时间段，例如30分钟，则控制器30可首先致动罐加热部件26和管线加热部件20，直到发动机充分变暖以向发动机冷却液管线22提供暖的发动机冷却液，然后再致动发动机冷却液管线22来向系统30提供进一步的加热能力。发动机冷却液管线22的致动引起发动机冷却液源13提供来自发动机的发动机冷却液，以循环通过和/或接近还原剂罐12。罐加热部件26的致动引起动力源(未示出)向罐加热部件26提供动力，由此加热靠近罐加热部件26的还原剂14。在一种实施方式中，罐加热部件26是电加热器。随着罐加热部件26加热还原剂14，变暖的还原剂14开始扩散遍布罐12的剩余部分，由此进一步促进还原剂14的加热。管线加热部件20的致动引起供应管线16中的任何冻结的还原剂14解冻并防止供应管线16中的任何还原剂14冻结。另外，可以从还原剂泵18设置变暖的还原剂导管44，其任选地将变暖的还原剂14(已经借助还原剂泵18上游的发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20中的至少一个变暖)泵送回还原剂罐12的顶部并将变暖的还原剂14分配到还原剂罐12中剩下的任何冻结的还原剂14的顶部，由此进一步促进还原剂罐12中的还原剂14的变暖和/或解冻。在一种实施方式中，管线加热部件20可以绕着还原剂导管44布置。
在步骤108中，控制器30周期性地监测来自还原剂温度传感器24的信号输入，直到传感器24指示还原剂14的温度大于α，或者计时器31指示第一时间段大于值β。β的值可以取决于还原剂罐12的尺寸和形状、还原剂罐的属性可以包含在控制器30的存储器中。在一种实施方式中，β的值在约10和15分钟之间。一旦控制器30确认还原剂14的温度大于α，或者第一时间段大于β，就在步骤110中解除发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20的致动。在一种实施方式中，管线加热部件20可在步骤110后保持致动，直到定量给料成功。而且，还原剂泵18通过借助通信线路43从控制器30向还原剂泵18发送的控制信号来致动，由此启动还原剂14到导管44的泵送再循环，以再循环回到还原剂罐12。在步骤110，在控制器30的计时器31中记录第二开始时间，以监测还原剂泵18处于再循环模式的操作期间，即第二时间段。
控制策略继续进行到步骤112，此时控制器30再次确定还原剂14的流体温度是否大于α，或者计时器31指示第二时间段大于值θ。如果这些条件的任一个成立，则控制器30在步骤114中借助本领域已知的方法停止泵送再循环和使系统10增压。如果两个条件都不成立，则继续泵送再循环，直到任一条件成立。一旦系统10被增压，控制器30就在步骤116中确定系统10是否正确操作。为了做出这种确定，与还原剂泵18相关联的还原剂压力传感器21感测还原剂泵18中的还原剂14的压力。如果还原剂14的压力表明还原剂14被液化了，则压力传感器21借助通信线路42向控制器30发送表明系统10正确操作的信号。在另一种实施方式中，NOx气体传感器(未示出)可以定位在排气管17中，以确定是否发生NOx转化并因此确定系统10向废气流提供充足的还原剂14。如果压力传感器21不起作用或者不可用可以使用NOx传感器。然后，控制策略移到步骤104，以如上所述设定模式以“定量给料”。如果还原剂14的压力表明还原剂14没有被液化，则压力传感器21借助通信线路42向控制器30发送表示系统10不正确操作的信号。系统10的不正确操作可能因为没有足够量的还原剂14解冻而发生，例如因为发动机致动的时间不够长和/或还原剂14的使用速率大于还原剂14的解冻速率。然后，控制策略进行到步骤118，这时控制器30确定错误计数器的值是否小于阈值μ。在一种实施方式中，μ的值等于3。如果错误计数器的值小于或等于μ，则控制策略继续进行至步骤120，其中对系统10减压并使错误计数器增加1，此后控制策略返回至步骤112。如果错误计数器的值大于μ，则控制策略继续进行至步骤122，其中控制器30接收具有还原剂或流体解冻错误的信号。该信号可以是用于服务工具应用程序和/或利用系统10的机械(未示出)中的仪表灯的诊断代码，例如机载诊断应用程序所需要的诊断代码。
控制器30在发动机的使用期间监测来自还原剂温度传感器24和与系统10相关联的其他传感器，例如环境空气温度传感器(未示出)的输入，并按需要向发动机冷却液管线22、罐加热部件26和管线加热部件20提供控制信号以启动上面所述的控制策略来促进还原剂14的加热。例如，在发动机使用期间，如果环境空气温度或者还原剂温度降到α以下或者等于α，则控制器30可在步骤102开始控制策略以确保还原剂14不冻结。
工业实用性
本发明的还原剂加热系统和方法能够应用于在极度寒冷环境中操作的任何发动机，例如用于高速路卡车、建筑设备、采矿设备和发电设备的发动机。还原剂加热系统和方法提供用于保持还原剂处于液化形式的控制策略，从而可以有效地促进排放控制。尽管始终作为还原剂加热系统来描述，但本发明的原理和方法也可以应用于可容纳在罐或其他容纳装置中的任何其他车装流体。
在操作时，发动机冷却液管线22和罐加热部件26的至少一个可以加热还原剂罐12中的已冻结或正在冻结的还原剂14以使还原剂14回到液态状态。而且，管线加热部件20可以加热还原剂供应管线16中的已冻结或正在冻结的还原剂14以使还原剂14回到液态状态。控制器30提供控制策略，其使用压力传感器21来确定系统10是否被正确地增压，即压力传感器21提供确定还原剂14是否被充分解冻的方法，以由系统10提供充分的排放控制。闭环的控制策略使用还原剂14的温度和时间段来确保系统10的加热部件仅在需要时使用，以使动力和散热损失最小化。
本领域技术人员将会认识到，可以在不脱离本发明的范围的情况下对公开的还原剂加热系统和方法进行各种变型和修改。通过考虑说明书和这里公开的还原剂加热系统和方法和实践，本领域技术人员将清楚还原剂加热系统和方法的其他实施方式。说明书和实施例应当被认为仅是示例性的，本发明的真正范围由权利要求书及其等同范围指明。

Claims (20)

1.一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的系统，包括：
还原剂容纳装置；
分配装置，其与所述还原剂容纳装置连接；
至少一个加热部件，其与所述还原剂容纳装置相关联；
温度传感器，其能够确定还原剂的温度，所述温度传感器至少部分设置在所述还原剂容纳装置内；
压力传感器，其与所述分配装置相关联，所述压力传感器能够确定所述系统的压力特性；和
控制器，其能够接收来自所述温度传感器和压力传感器的输入并能够根据接收的来自所述温度传感器和压力传感器的输入向所述至少一个加热部件发送输入。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述分配装置包括还原剂泵。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述温度传感器至少部分被设置在容纳于所述还原剂容纳装置中的还原剂内。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器包括计时器，该计时器能够测量与所述至少一个加热部件的操作相关联的第一时间段和与所述分配装置的操作相关联的第二时间段。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个加热部件包括发动机冷却液管线、容纳装置加热部件和管线加热部件中的至少一个。
6.如权利要求1所述的系统，还包括设置在所述分配装置和所述还原剂容纳装置之间的再循环管线。
7.一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的方法，该方法包括以下步骤：
确定所述还原剂的温度；
如果所述还原剂的温度小于或等于阈值温度，则致动至少一个加热部件；
确认与所述系统相关联的分配装置内的所述还原剂的压力；以及
如果所述还原剂的压力满足阈值要求，则将还原剂定量给送到后处理系统的废气流。
8.如权利要求7所述的方法，还包括在所述致动步骤后使所述还原剂再循环的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，还包括测量与所述再循环步骤相关的时间段的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，还包括解除所述至少一个加热部件的致动的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，还包括测量所述致动步骤和所述解除致动步骤之间的时间段的步骤。
12.如权利要求7所述的方法，还包括在所述确认步骤之前对所述系统增压的步骤。
13.如权利要求7所述的方法，还包括如果所述还原剂的压力不满足所述阈值要求，则对错误计数器进行增量的步骤。
14.如权利要求7所述的方法，其中，所述致动步骤包括致动发动机冷却液管线、容纳装置加热部件和管线加热部件中的至少一个。
15.一种用于对与还原剂分配系统相关的还原剂进行加热的方法，该方法包括以下步骤：
致动与所述还原剂相关联的至少一个加热部件；
对所述系统进行增压；
评估被增压的系统的状态；以及
如果所述状态令人满意，则将一些还原剂定量给送到后处理系统的一部分。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在所述致动步骤后使所述还原剂再循环的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，还包括测量与所述再循环步骤相关的时间段的步骤。
18.如权利要求15所述的方法，还包括解除所述至少一个加热部件的致动的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，还包括测量所述致动步骤和所述解除致动步骤之间的时间段的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，还包括如果所述状态不令人满意，则对错误计数器进行增量的步骤。
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