CN102341573B - 柴油发动机系统和用于处理柴油发动机排气的方法 - Google Patents

柴油发动机系统和用于处理柴油发动机排气的方法 Download PDF

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Abstract

一种柴油发动机系统，包括：柴油发动机；NOX控制装置，该NOX控制装置位于发动机下游；排气线路，该排气线路位于发动机和NOX控制装置之间；旁通线路，该旁通线路在NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路；以及旁通阀，该旁通阀将所述排气线路和所述旁通线路相连，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到旁通线路。控制器能够布置成：例如，当发动机的运行条件达到预定运行条件时，该控制器控制所述旁通阀的开启和关闭。

Description

柴油发动机系统和用于处理柴油发动机排气的方法
技术领域
本发明总体上涉及柴油发动机系统和用于处理柴油发动机排气的方法，更具体地，涉及如下这种系统和方法：其中，NOX控制装置能够被旁通。
背景技术
在美国加利福尼亚已经提出了严格的柴油发动机排放法规，例如，已经提出了如下法规：要求卡车在五分钟以内停止怠速、除非该怠速车辆的NOX排放被限制到30克/小时或更少。
响应于这些要求，一些车辆已经配备有防止NOX排放超过30克/小时的“低NOX怠速”装置。然而，在不同的车辆之间，低NOX怠速中涉及的具体发动机运行条件可能不同，低NOX怠速运行条件通常涉及低负载和低发动机转速(例如大约700rpm)下的运行。此外，也可以采用低水平的排气再循环(EGR)。其它的运行条件可以包括：发动机暖机、驻车、以及低于例如6000英尺的特定海拔高度。
发明内容
在低NOX怠速期间，对于诸如选择性还原催化剂(SCR)或稀燃NOX捕集器(LNT)等的NOX控制装置来说，排气温度通常过低而不能有效运行。本发明人已经意识到，低NOX怠速运行趋向于产生少量的碳氢化合物，在长时间怠速时，这些碳氢化合物能收集在NOX控制装置中并可能使该NOX控制装置失效；并且，根据本发明的一个方面，提出了在低NOX怠速的发动机运行条件期间对NOX控制装置进行旁通。本发明人还意识到，当例如柴油微粒过滤器(DPF)具有放热再生(例如可能发生在该DPF上游的加热器对排气加热时)并且该排气的温度对于NOX控制装置来说可能过高时，该旁通系统允许保护NOX控制装置。此外，本发明人已经意识到，当由于各种发动机运行条件或排气特性中的任何一种或多种而可能希望避免排气被输送经过NOX控制装置时，该旁通系统允许保护NOX控制装置。
根据本发明的一个方面，一种柴油发动机系统包括：柴油发动机，该柴油发动机能够在多种运行条件下运行；NOX控制装置，该NOX控制装置位于发动机下游；排气线路，该排气线路位于发动机和NOX控制装置之间；旁通线路，该旁通线路在NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路；以及旁通阀，该旁通阀将所述排气线路和所述旁通线路相连，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到旁通线路。控制器布置成：当所述多种运行条件中的至少一种运行条件达到预定运行条件时，该控制器控制所述旁通阀的开启和关闭。
根据本发明的另一方面，一种柴油发动机系统包括：柴油发动机；NOX控制装置，该NOX控制装置位于发动机下游；排气线路，该排气线路位于发动机和NOX控制装置之间；旁通线路，该旁通线路在位于发动机下游但在NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路；以及旁通阀，该旁通阀将所述排气线路和所述旁通线路相连，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到旁通线路。控制器布置成：当所述NOX控制装置上游的排气线路中的气体温度超过预定值时，该控制器控制所述旁通阀的开启和关闭。
根据本发明的另一方面，用于处理柴油发动机排气的方法包括：使柴油发动机在多种运行条件下运行；将气体从发动机排出到发动机下游的排气线路中，在发动机下游的排气线路中设置有NOX控制装置，并且旁通线路在该NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路；在开启位置和关闭位置之间移动将所述排气线路和所述旁通线路相连的旁通阀，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由排气线路流到NOX控制装置；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到旁通线路；以及，当所述多种运行条件中的至少一种运行条件达到预定运行条件时，关闭所述旁通阀。
根据本发明的又一方面，用于处理柴油发动机排气的方法包括：使柴油发动机在多种运行条件下运行；将气体从发动机排出到发动机下游的排气线路中，在发动机下游的排气线路中设置有NOX控制装置，旁通线路在该NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路；在开启位置和关闭位置之间移动将所述排气线路和所述旁通线路相连的旁通阀，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到旁通线路；以及，当所述NOX控制装置上游的排气线路中的气体温度超过预定值时，关闭所述旁通阀。
附图说明
通过结合附图阅读以下详细描述，将很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明一个方面的柴油发动机系统的示意图。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明一个方面的柴油发动机系统21。系统21包括能在多种运行条件下运行的柴油发动机23。该系统还包括NOX控制装置25和排气线路27，该NOX控制装置25位于发动机23下游，例如是选择性还原催化剂(SCR)或稀燃NOX捕集器(LNT)，该排气线路27位于所述发动机和所述NOX控制装置之间。
旁通线路29在该旁通线路的位于NOX控制装置25上游的第一端31处连接到排气线路27。旁通阀33将排气线路27和旁通线路29相连。当旁通阀33处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由排气线路27流到NOX控制装置25，而当旁通阀33处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由该排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由该排气线路流到旁通线路29。通常，当旁通阀33处于开启位置时，旁通阀33阻止排气流经由所述排气线路流到旁通线路29。通常，仅希望能够使旁通阀33移动到全开启位置或全关闭位置，并且在旁通阀33中，进入该旁通阀的所有排气流要么流到NOX控制装置25，要么流到旁通线路29。然而，在希望使进入旁通阀33的排气中的一定量的排气(少于100％)从排气线路27流到NOX控制装置25、和/或希望使进入旁通阀33的排气中的一定量的排气(少于100％)从所述排气线路流到所述旁通线路的情况下，可以提供如下的旁通阀：该旁通阀能够移动到位于全开启位置和全关闭位置之间的位置。
控制器35能够布置成：当所述多种运行条件的至少一种运行条件达到预定运行条件时，该控制器35控制旁通阀33的开启和关闭。根据本发明的一个方面，所述至少一种运行条件可以包括发动机23在低NOX怠速运行条件下运行。出于本申请的目的，该低NOX怠速运行条件被限定为下述条件：其中发动机在足够低的负载和发动机转速下运行，使得在怠速3分钟后NOX排放低于30g/hr。控制器35能够布置成：当发动机23在这种低NOX怠速运行条件下运行时，关闭旁通阀33。
控制器35还能或者替代地布置成：当NOX控制装置25上游的排气线路27中的气体温度超过预定值时，该控制器35控制旁通阀33的开启和关闭。例如，系统21可以包括柴油微粒过滤器(DPF)37，该柴油微粒过滤器(DPF)37位于发动机23下游但在NOX控制装置25上游，旁通线路29能在该DPF下游经由旁通阀33连接到排气线路27，在该DPF上游可以设置有加热设备39，该加热设备39能够操作成加热该排气线路中的排气，以用于DPF的主动再生。控制器35能布置成：当加热设备39运行时，控制器35关闭旁通阀33。控制器35能够在不考虑任何发动机运行条件的情况下控制该旁通阀33开启和关闭。
控制器35还能或者替代地布置成：当所述至少一种运行条件包括以具有特性范围之外的至少一种特性的燃料运行时，该控制器35控制旁通阀33的开启和关闭。例如，发动机23能够以低硫燃料或高硫燃料运行，然而，以高硫燃料运行可能对NOX控制装置25造成损坏。
能够设置有传感器41，该传感器41用于感测所述至少一种运行条件，例如以高硫燃料运行。传感器41能够布置成发送信号到控制器35，以表明所述至少一种运行条件已经达到所述预定运行条件，例如已经开始以高含燃料运行。相应地，控制器35能控制旁通阀33关闭，从而NOX控制装置25被旁通。还可设置有其他传感器，以检测其它运行条件，例如执行低NOX怠速的条件。
也可在发动机23的下游设置有传感器43，用于感测发动机运行条件以外的信息，例如，诸如排气温度等的排气特性，并且，该传感器43发送信号到控制器35以控制旁通阀33关闭，从而NOX控制装置25被旁通。例如，在DPF 37的基于O2的主动再生期间，加热设备39可能将排气加热到比NOX控制装置25的安全运行温度高的温度。传感器43能感测到该温度已经上升到比预计将对NOX控制装置25造成损害的温度低的某一预定温度，并且发送信号到控制器35从而旁通阀33将关闭，并且将避免对该NOX控制装置的损坏。
还能够提供诸如开关或按键的驾驶员控制器45，该驾驶员控制器45用于发送信号到控制器35，以表明所述至少一种运行条件已经达到预定运行条件，从而旁通阀33将关闭并且NOX控制装置25将被旁通线路29旁通。例如，当得知低NOX怠速条件下的运行将要开始时，当DPF 37的基于O2的主动再生将要启动时，或者当以高硫燃料的运行将要开始时，驾驶员能够手动操作该驾驶员控制器45。当然，通常希望将NOX控制装置25进行旁通的上述示例性运行条件和排气特性不必局限于这些条件和特性。
在根据本发明一个方面的用于处理柴油发动机23排气的方法中，该柴油发动机能在多种运行条件下运行，气体从发动机排出到该发动机下游的排气线路27中，NOX控制装置25设置在该发动机下游的排气线路中，并且旁通线路29在NOX控制装置上游的第一端31处连接到所述排气线路。在开启位置和关闭位置之间移动将排气线路27和旁通线路29相连的旁通阀33，其中，当旁通阀处于开启位置时，该旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置25；而当旁通阀处于关闭位置时，该旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到所述旁通线路。
例如，当所述多种运行条件中的至少一种运行条件达到预定运行条件时，例如达到包括发动机在低NOX怠速运行条件下运行或者以高硫燃料运行的预定运行条件时，能够通过控制器35或者通过驾驶员控制器45手动关闭该旁通阀33。替代地或另外，当NOX控制装置上游的排气线路中的气体温度超过预定值时，或者当用于执行DPF 37的基于O2的主动再生的加热设备39运行时，能够例如通过控制器35或者通过驾驶员控制器45来手动关闭该旁通阀33。
在本申请中，诸如“包括”等的术语的使用是开放式的，并且意图与诸如“包含”等的术语具有相同的含义，并且不排除其它结构、材料或动作的存在。类似地，虽然诸如“能够”或“可以”等术语的使用意图是开放式的并且表明所述结构、材料或动作不是必须的，但不使用这些术语也不表明所述结构、材料或动作是必须的。在结构、材料或动作被认为重要的程度来说，它们被同样地确定。
虽然已经根据优选实施例阐述和描述了本发明，但应当意识到，在不脱离权利要求中所述的本发明的情况下，可以进行变化和改变。

Claims (18)

1.一种柴油发动机系统，包括：
柴油发动机，所述柴油发动机能够在多种运行条件下运行；
NOX控制装置，所述NOX控制装置位于所述发动机下游；
排气线路，所述排气线路位于所述发动机和所述NOX控制装置之间；
旁通线路，所述旁通线路在所述NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路，其中在所述旁通线路中未设置有NOX控制装置；
旁通阀，所述旁通阀将所述排气线路和所述旁通线路相连，当所述旁通阀处于开启位置时，所述旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置；而当所述旁通阀处于关闭位置时，所述旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到所述旁通线路；以及
控制器，所述控制器布置成：当所述多种运行条件中的至少一种运行条件达到预定运行条件时，所述控制器控制所述旁通阀的开启和关闭，其中，所述至少一种运行条件包括所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行；并且，所述控制器布置成：当所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行时，所述控制器关闭所述旁通阀。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其中，所述控制器布置成：当所述NOX控制装置上游的所述排气线路中的气体温度超过预定值时，所述控制器控制所述旁通阀的开启和关闭。
3.根据权利要求2所述的柴油发动机系统，包括柴油微粒过滤器和位于所述柴油微粒过滤器上游的加热设备，所述柴油微粒过滤器位于所述发动机下游但在所述NOX控制装置上游，所述旁通线路在所述柴油微粒过滤器下游连接到所述排气线路；所述加热设备能够操作成加热所述排气线路中的排气，以用于所述柴油微粒过滤器的主动再生；当所述加热设备运行时，所述控制器关闭所述旁通阀。
4.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其中，所述至少一种运行条件包括：以具有特性范围之外的至少一种特性的燃料运行。
5.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，包括用于感测所述至少一种运行条件的传感器，所述传感器布置成发送信号到所述控制器，以表明所述至少一种运行条件已经达到所述预定运行条件。
6.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，包括驾驶员控制器，所述驾驶员控制器用于发送信号到所述控制器，以表明所述至少一种运行条件已经达到所述预定运行条件。
7.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其中，所述旁通阀能够移动到仅全开启状态和仅全关闭状态。
8.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其中，所述NOX控制装置包括选择性还原催化剂。
9.根据权利要求1所述的柴油发动机系统，其中，所述NOX控制装置包括稀燃NOX捕集器。
10.一种柴油发动机系统，包括：
柴油发动机；
NOX控制装置，所述NOX控制装置位于所述发动机下游；
排气线路，所述排气线路位于所述发动机和所述NOX控制装置之间；
旁通线路，所述旁通线路在位于所述发动机下游但在所述NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路，其中在所述旁通线路中未设置有NOX控制装置；
旁通阀，所述旁通阀将所述排气线路和所述旁通线路相连，当所述旁通阀处于开启位置时，所述旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置；而当所述旁通阀处于关闭位置时，所述旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到所述旁通线路；以及
控制器，所述控制器布置成：当所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行时，所述控制器关闭所述旁通阀。
11.根据权利要求10所述的柴油发动机系统，包括柴油微粒过滤器和位于所述柴油微粒过滤器上游的加热设备，所述柴油微粒过滤器位于所述发动机下游但在所述NOX控制装置上游，所述旁通线路在所述柴油微粒过滤器下游连接到所述排气线路，所述加热设备能够操作成加热所述排气线路中的排气，以用于所述柴油微粒过滤器的主动再生；当所述加热设备运行时，所述控制器关闭所述旁通阀。
12.一种用于处理柴油发动机排气的方法，包括：
使柴油发动机在多种运行条件下运行；
将气体从所述发动机排出到所述发动机下游的排气线路中，在所述发动机下游的排气线路中设置有NOX控制装置，并且旁通线路在所述NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路，其中在所述旁通线路中未设置有NOX控制装置；
在开启位置和关闭位置之间移动将所述排气线路和所述旁通线路相连的旁通阀，当所述旁通阀处于开启位置时，所述旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置；而当所述旁通阀处于关闭位置时，所述旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到所述旁通线路；以及
当所述多种运行条件中的至少一种运行条件达到预定运行条件时，关闭所述旁通阀，其中，所述至少一种运行条件包括所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行；所述方法包括：当所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行时，关闭所述旁通阀。
13.根据权利要求12所述的用于处理柴油发动机排气的方法，包括：当所述NOX控制装置上游的所述排气线路中的气体温度超过预定值时，关闭所述旁通阀。
14.根据权利要求13所述的用于处理柴油发动机排气的方法，其中，在位于所述发动机下游但在所述NOX控制装置上游的所述排气线路中设置有柴油微粒过滤器，所述旁通线路在所述柴油微粒过滤器下游连接到所述排气线路，并且，在所述柴油微粒过滤器上游设置有加热设备，所述加热设备能够操作成加热所述排气线路中的排气，以用于所述柴油微粒过滤器的主动再生；所述方法包括：当所述加热设备运行时，关闭所述旁通阀。
15.根据权利要求12所述的用于处理柴油发动机排气的方法，其中，所述至少一种运行条件包括以具有特性范围之外的至少一种特性的燃料运行；所述方法包括：当所述发动机以具有所述特性范围之外的至少一种特性的燃料运行时，关闭所述旁通阀。
16.根据权利要求12所述的用于处理柴油发动机排气的方法，包括：将所述旁通阀仅移动到全开启位置或全关闭位置。
17.一种用于处理柴油发动机排气的方法，包括：
使柴油发动机在多种运行条件下运行；
将气体从所述发动机排出到所述发动机下游的排气线路中，在所述发动机下游的排气线路中设置有NOX控制装置，旁通线路在所述NOX控制装置上游的第一端处连接到所述排气线路，其中在所述旁通线路中未设置有NOX控制装置；
在开启位置和关闭位置之间移动将所述排气线路和所述旁通线路相连的旁通阀，当所述旁通阀处于开启位置时，所述旁通阀允许排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置；而当所述旁通阀处于关闭位置时，所述旁通阀阻止排气流经由所述排气线路流到所述NOX控制装置，但允许排气流经由所述排气线路流到所述旁通线路；以及
当所述发动机在低NOX怠速运行条件下运行时，关闭所述旁通阀。
18.根据权利要求17所述的用于处理柴油发动机排气的方法，其中，在所述发动机下游但在所述NOX控制装置上游设置有柴油微粒过滤器，所述旁通线路在所述柴油微粒过滤器下游连接到所述排气线路，并且在所述柴油微粒过滤器上游设置有加热设备，所述加热设备能够操作成加热所述排气线路中的排气，以用于所述柴油微粒过滤器的主动再生；所述方法包括：当所述加热设备运行时，关闭所述旁通阀。
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