CN102308079A

CN102308079A - 废气再循环系统和运行该系统的方法

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Publication number: CN102308079A
Application number: CN2010800069204A
Authority: CN
Inventors: C·A·布朗; M·L·凯塞; A·V·乔施
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: CN102308079B; DE112010000700T5; WO2010091175A2; US8121774B2; WO2010091175A3; US20100199959A1

Abstract

公开了一种用于发动机的废气再循环(EGR)系统以及运行该系统的方法。所述系统具有用于把废气从发动机排气侧引导到发动机进气侧的管道装置、构造成控制要被再循环的废气量的阀装置和用于向发动机进气侧提供进气的管道装置。设置传感器装置并且该传感器装置构造成感测表征发动机进气侧的再循环废气和进气的湿度的至少一个参数。控制装置构造为接收来自第一传感器装置的信号，还构造为响应于所述控制装置做出的第一参数不在针对后续燃烧期期间的低NO_X排放的希望的范围内的确定来控制所述阀装置。

Description

废气再循环系统和运行该系统的方法

技术领域

本发明涉及发动机排放控制，更具体地但是不专有地，涉及控制内燃机的废气再循环(EGR)。

背景技术

废气再循环(EGR)是减少燃烧发动机，尤其是内燃机的排放物中的有害氮氧化物(NO_X)的水平的公知技术。把EGR控制在合适水平对获取理想的NO_X排放水平很重要，但是过度的EGR可能负面影响发动机和/或排放性能。

EGR控制策略倾向于估计EGR数量和质量，并且涉及像US6725848所公开的那种昂贵的EGR气体测量装置。这种流量测定装置倾向于包括用于测量质量流动速率的文丘里管，但是要素即EGR质量是基于燃料系统模型计算的。这些模型可能不是对所有状态都精确，并且结合数个估计模型和输入能很快导致计算中出现错误。

发明内容

在第一方面，公开了一种运行发动机的方法，包括：进行第一燃烧期，由此产生废气；以及引导所述废气的至少一部分到发动机进气侧。将至少一部分废气与进气混合而形成用于第二燃烧期的混合物。确定表征所述混合物湿度的第一参数，并且做出进一步的确定以确定所述第一参数是否在促成来自第二燃烧期的低NO_X排放所期望的的希望的范围之外。引导到所述进气侧的废气量至少是以所述第一参数是否在希望的范围之外的确定为依据。

在另一方面，公开了一种用于发动机的废气再循环(EGR)系统，包括用于把废气从发动机排气侧引导到发动机进气侧的管道装置和构造成控制要再循环的废气量的阀装置。所述系统还包括用于向发动机进气侧提供进气的管道装置和构造成感测表征发动机进气侧的再循环废气和进气的湿度的至少一个参数的传感器装置。系统中的控制装置构造为接收来自第一传感器装置的信号，还构造为响应于所述控制装置做出的第一参数在针对随后的燃烧期期间低NO_X排放的希望的范围外的确定控制所述阀装置。

在再一方面，公开了一种内燃机，包括至少一个气缸、可流体连接到所述气缸的进气歧管、可流体连接到所述气缸的排气歧管以及构造为流体连接所述进气歧管与所述排气歧管的废气再循环(EGR)管道。废气再循环阀构造为控制流过废气再循环管道的废气的量，而一管道构造为提供进气给所述进气歧管。内燃机还包括构造为混合进气和再循环废气的混合装置，以及构造为感测表征混合物湿度的至少一个参数的传感器装置。内燃机中的控制装置构造为确定所述至少一个参数是否符合针对低NO_X燃烧事件的希望的范围，所述控制装置还构造为基于所述至少一个参数控制所述废气再循环阀。

通过接下来的描述和附图将清楚本发明的其它特征和方面。

附图说明

图1示出了根据本发明的示例实施方式的图示说明。

图2示出了本发明的示例运行方法的流程图说明。

具体实施方式

现在参考图1，示出了包括发动机12的示例废气再循环(EGR)系统10。发动机12可以是各种类型的适当的发动机，例如内燃机，尤其是柴油燃料自点火(SI)内燃机。

发动机12可以包括进气歧管14、排气歧管16、涡轮增压器18以及一个或多个管道装置，下文将详细说明。涡轮增压器18可以具有废气驱动的涡轮机22，废气可以从排气歧管16通过排气管道40流到涡轮机22并且可以通过管道28离开涡轮机22。涡轮增压器18还可以具有可以通过管道30接收进气的进气压缩机24，增压进气可以通过管道32离开压缩机24。虽然图1中没有示出，但是涡轮增压器18可以看作是包括处于例如串联结构的多个涡轮增压器18的涡轮增压装置。压缩进气在到达进气歧管14之前可以通过增压空气冷却器20得到冷却。应当理解，在某些配置的发动机12中，涡轮增压器18和增压空气冷却器20可以不存在。发动机12的排放物通常称为废气，但是实际上可以是气体、其它流体例如液体、甚至固体的混合物，包括例如CO₂、H₂O、NO_X和微粒物质。至少一部分废气可以通过EGR管道34再循环到进气歧管14。为简单起见，从现在开始，这部分废气将被称作EGR气体。EGR阀42构造为由控制装置44控制以便改变EGR气体的数量。EGR气体可以经过微粒捕集器38以减少EGR气体中的微粒物质的量。EGR气体也可以在到达进气歧管14之前经过EGR冷却器36以便冷却EGR气体。微粒捕集器38和EGR冷却器36的顺序可以颠倒，从而使EGR冷却器36位于微粒捕集器38的上游。

控制装置44可以是单个控制器或者包括多个独立或相连的控制单元。控制装置44可以构造为接收并且处理来自各个传感器装置的信号，并且还可以构造为确定发动机12和/或EGR系统10的运行状况。控制装置还可以设有能够使控制装置44实现使各种输入与某些运行状况相关联的计算、嵌入式设备模型、图表和映射中的至少一个。在一些实施方式中，控制装置44可以包括关于与例如发动机转速、发动机载荷、燃料消耗等运行状况有关的NO_X输出估计的数据。

混合装置48构造为混合来自管道32的进气与来自EGR管道34的EGR气体以形成具有希望的均匀度的混合物50。在一些实施方式中，混合装置48可以仅仅是管道46和/或进气歧管14。如果希望，管道46和/或进气歧管14可以设有例如叶片、阀门或曲径等零件以增强混合性能。在一些实施方式中，混合装置48可以包括专用流体混合器组件。

进气和EGR气体的混合物可以通过管道46被引导到进气歧管14中。虽然图示为混合装置48远离进气歧管14，但是应当理解，混合装置48可以比图1所示更靠近地与进气歧管14集成。

图1所示示例实施方式被描述为高压回路EGR，即，EGR气体是从涡轮机22上游的某处位置处的排气总流引出。然而，应当理解，本发明也适合低压回路EGR或者纯气体进气(Clean Gas Inducion，CGI)回路结构，即，EGR气体从位于涡轮机22下游的某处位置处的排气总流引出的那些结构。

第一传感器装置52可以设置在混合装置48下游的位置处。第一传感器装置52可以包括适合于确定表征混合物50的湿度的第一参数的任何传感器。在一些实施方式中，第一传感器装置52可以构造为确定混合物50的相对湿度和/或绝对湿度。在一些实施方式中，传感器可以是市场上可买到的传感器，例如Humirel公司出售的TricanHTD2800 P3B11C6 CA。

可以设置第二传感器装置54。第二传感器装置54可以定位成使得其能感测进气的特性。例如它可以设置在管道32中，在增压空气冷却器20的上游或者下游。在一些实施方式中，第二传感器装置54设在增压空气冷却器的下游，因为增压空气冷却器可能影响流过它的进气的湿度，因而增压空气冷却器20上游的湿度测量可能不代表增压空气冷却器20下游的进气的湿度。第二传感器装置54可以适合于确定表征进气湿度的第二参数。在一些实施方式中，第二传感器装置54可以构造为确定进气的相对湿度和/或绝对湿度。在一些实施方式中，传感器装置可以包括市场上可买到的传感器，例如Humirel公司出售的Trican HTD2800 P3B11C6 CA。

可以设置第三传感器装置56，并且第三传感器装置56可以包括多个相似或不同的传感器，这些传感器能够确定表征发动机12运行状况的参数。第三传感器装置56可以根据意愿定位，并且可以遍布在EGR系统10和发动机12的各个部分。在一些实施方式中，第三传感器装置56可以包括能够确定表征排气流中的NO_X水平的参数的传感器，例如NO_X传感器。在一些实施方式中，第三传感器装置56可以包括一个或者多个能够确定与发动机12的转速和/或发动机12上的载荷相关的参数的传感器。在一些实施方式中，第三传感器装置可以包括能够确定表征燃烧温度和/或燃烧压力的参数的传感器。在一些实施方式中，第三传感器装置可以包括能够表明所提供的进气量的传感器。这可以例如通过测量进气压力、进气流量和诸如涡轮增压器速度的涡轮增压器参数中的至少一个而获得。

如果愿意，第一、第二和第三传感器装置52、54、56的至少一些部分可以合并到共用部件中。第一、第二和第三传感器装置52、54、56的任一、一些或者全部可以与控制装置44通信。

工业实用性

现在将更详细地描述EGR系统10的示例运行。燃料和空气可以在发动机12中燃烧，因此产生废气。应当理解，对本发明来说，术语“废气”不局限为气体形式的产物本身，而是也可以包括其它液体，乃至固体例如微粒物质。在正常运行中，废气中的大部分趋向于为CO₂和H₂O的形式，加上少量其它组分例如NO_X。某些NO_X水平可能是不希望的，减少NO_X的一个方法是引导至少一部分废气，尤其是像CO₂这样的惰性组分，进入未来燃烧期。

在图1所示高压回路EGR系统中，涡轮增压器18可以产生背压，从而使得排气管道40中的废气压力可能高于EGR管道34中的废气压力。打开EGR阀42将允许废气从排气管道40流入EGR管道34中。因此至少部分地打开和关闭EGR阀42可以使更多或更少的废气通过EGR阀42进入EGR管道34中。控制装置44可以用信号通知EGR阀42呈现希望的位置，该位置可以是例如全开、全闭或者一系列中间位置中的任一个。流过EGR管道34的废气可以在混合装置48中与进气混合而形成混合物50。

参考图2中的流程图，第一燃烧期可以发生在步骤100中，因此产生废气。EGR阀42可以设置在第一位置中，将第一废气量引到管道46而形成混合物50。

在一些实施方式中，步骤110可以包括估计排气流中的NO_X量。在一些实施方式中，控制装置44可以使用来自第三传感器装置56的数据，例如表征排气流中NO_X量的数据。在一些实施方式中，步骤110可以包括使用表征发动机转速、发动机载荷、燃烧压力和燃烧温度中的至少一个的数据，并且可以与之前存储的映射或者图表相结合确定、包括估计排气流中的NO_X量。

在一些实施方式中，步骤112可以包括引导废气到发动机12的进气侧，即，使废气再循环。

在一些实施方式中，步骤114可以包括混合EGR气体和进气，从而形成混合物50。

在一些实施方式中，步骤120可以包括，控制装置44可以基于发动机12的运行状况确定希望的EGR气体量。术语“量”和“组分”在本文中可以解释为单一值或者是一系列值。本文中希望的量可以解释为形成具有用于促成低NO_X燃烧的希望组分的混合物50所期望的EGR气体量。虽然术语“希望的量”在第一示例中指的是废气自身的量，但是可以解释为废气的特定成分的希望的量。希望的量可以例如被解释为一个或者多个惰性成分例如CO₂的希望的量。CO₂量本身不能通过示例的EGR阀42直接控制，但是可以通过控制含有CO₂的EGR气体量来间接控制。

在步骤130中，第一传感器装置52可以确定表征混合物50的湿度的第一参数，并且可以把与测量结果相对应的信号传送给控制装置44。混合物50的湿度表明了混合物50中EGR气体的量。例如，在一些实施方式中，发动机12可以用由包括多种化合物的柴油燃料运行。示例的标准柴油组分可以由估计组分(CH_1.85)_n表示，其中n≌11。在这个实施方式中，完全燃烧将大约产生比例为1∶1.85的CO₂和H₂O。在确定表征混合物50湿度的参数之后，如果希望，然后能估计/计算混合物50中的CO₂的量和/或EGR气体自身的量。

在一些实施方式中，步骤132可以包括使用来自第二传感器装置54的数据。这个数据可以表明至少部分用于形成混合物50的进气的湿度。进气的湿度水平可以影响第一传感器装置52所进行的测量，但是这能够在步骤134中通过使用第二传感器54的数据来补偿。

在步骤140中，控制装置44可以确定、包括估计，第一参数是否落入促成来自第二燃烧期的低NO_x排放所期望的的希望的范围内。确定第一参数是否落入希望的范围内可以以多种方式进行。在一些实施方式中，步骤140可以包括直接比较第一参数与储存的映射或图表，该映射或图表包括关于针对某些发动机运行状况的希望的第一参数范围的数据。在一些实施方式中，步骤140可以包括使用第一参数来估计/计算混合物50中CO₂的量和/或EGR气体本身的量，并且随后比较EGR气体的量与希望的EGR气体的量。

在一些实施方式中，步骤150可以包括基于步骤140的确定控制EGR阀42，以便维持、增加或者减少用于步骤160的第二燃烧期的EGR气体的量。例如混合物50的高湿度水平可以表示EGR过量，且控制装置44可以用信号通知EGR阀42至少部分关闭，以便降低EGR量。类似地，混合物50的低湿度水平可以表示EGR不足，控制装置44可以用信号通知EGR阀42至少部分打开，以便增加EGR量。

然后，流程从步骤160循环回至步骤110，以期进行下一燃烧期。

在一些实施方式中，步骤136可以包括使用来自第三传感器装置56的数据。这个数据可以表示排气流中的NO_X水平、发动机12的转速和/或发动机12上的载荷、燃烧温度和/或燃烧压力或者所提供的进气量中的至少一个。上述任何数据都可以影响步骤140中确定的精确性，但是这可以在步骤138中使用来自第三传感器装置54的数据来补偿。

应当理解，图2所示步骤的工作流程只是示例性的，在其它实施方式中，一些步骤可能被跳过、与其它步骤并列执行或者以相反的顺序执行。

虽然这里已经描述本发明的优选实施方式，但是可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下做出改进和修改。

Claims

1.一种运行发动机的方法，包括：

进行第一燃烧期由此产生废气；

引导所述废气的至少一部分到发动机的进气侧；

混合所述至少一部分废气与进气，从而形成用于第二燃烧期的混合物；

确定表征所述混合物的湿度的第一参数；

确定所述第一参数是否在促成来自所述第二燃烧期的低NO_X排放所期望的希望的范围外；

如果所述第一参数在所述希望的范围外，就至少根据所述确定调整引导到所述进气侧的废气的量。

2.依照权利要求1的方法，还包括确定表征混合物的相对湿度的参数。

3.依照权利要求1的方法，还包括确定表征所述进气的湿度的第二参数，并且至少基于所述第一参数和第二参数控制与所述进气混合的废气的量。

4.依照权利要求3的方法，还包括用所述第二参数补偿所述第一参数。

5.依照权利要求1的方法，还包括确定表征发动机运行状况的第三参数，并且至少基于所述第一参数和第三参数控制与所述进气混合的废气的量。

6.依照权利要求5的方法，其中，确定第三参数包括确定来自发动机的排气流中的NO_X水平。

7.依照权利要求5的方法，其中，确定第三参数包括确定表征燃烧压力、燃烧温度、发动机转速、发动机载荷和进气量中的至少一个的至少一个参数。

8.依照权利要求1的方法，其中，调整引导到所述进气侧的废气的量包括，如果所述第一参数低于所述希望的范围，增加引导到所述进气侧的废气的量。

9.依照权利要求1的方法，其中，调整引导到所述进气侧的废气的量包括，如果所述第一参数高于所述希望的范围，减少引导到所述进气侧的废气的量。

10.依照权利要求1的方法，其中，确定所述第一参数是否在希望的范围外包括，估计所述混合物中的CO₂水平是否在希望的水平。

11.一种用于发动机的废气再循环(EGR)系统，包括：

用于把废气从发动机排气侧引导到发动机进气侧的管道装置；

能够控制要被再循环的废气的量的阀装置；

用于向所述发动机进气侧提供进气的管道装置；

能够感测表征所述发动机进气侧的再循环废气和所述进气的湿度的至少一个参数的传感器装置；

控制装置，其能够接收来自所述第一传感器装置的信号，还能够响应于所述控制装置做出的所述第一参数在针对随后的燃烧期期间的低NO_X排放的希望的范围外的确定控制所述阀装置。

12.依照权利要求11的系统，还包括能够确定表征所述进气的湿度的参数的传感器装置。

13.依照权利要求11的系统，其中，所述传感器装置能够感测表征所述再循环废气和所述进气的相对湿度的至少一个参数。

14.依照权利要求11的系统，还包括能够确定表征燃烧压力、燃烧温度、发动机转速、发动机载荷和进气量中的至少一个的至少一个参数的传感器装置。

15.依照权利要求11的系统，其中，能够感测表征所述再循环废气和所述进气的湿度的至少一个参数的所述传感器装置定位在混合装置的下游。

16.依照权利要求11的系统，其中，能够感测表征所述再循环废气和所述进气的湿度的至少一个参数的所述传感器装置还能够感测表征混合物温度的至少一个参数。

17.一种内燃机，包括：

至少一个气缸；

能够流体连接到所述气缸的进气歧管；

能够流体连接到所述气缸的排气歧管；

能够流体连接所述进气歧管与所述排气歧管的废气再循环(EGR)管道；

废气再循环阀，其能够控制流经所述废气再循环管道的废气的量；能够提供进气给所述进气歧管的管道；

能够混合进气和再循环废气的混合装置；

能够感测表征混合物湿度的至少一个参数的传感器装置；

控制装置，能够确定所述至少一个参数是否符合针对低NO_X燃烧事件的希望的范围，所述控制装置还能够基于所述至少一个参数控制所述废气再循环阀。

18.依照权利要求17的内燃机，还包括与所述排气歧管流体连接的涡轮增压器，其中所述废气再循环管道在所述涡轮增压器上游的位置处流体连接到所述排气歧管。

19.依照权利要求17的内燃机，还包括在所述EGR管道中的EGR冷却器。

20.依照权利要求17的内燃机，还包括在所述EGR管道中的微粒捕集器。