CN102575551B - 用于还原剂管线加热控制的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，公开了一种利用内燃机(110)流出的冷却液对还原剂递送管线(180)进行加热的设备，其中，还原剂递送管线负责从还原剂槽(166)中接收还原剂(200)，且冷却液管线(192)的一部分(210)置于还原剂槽之中。该设备包括一个配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标(310)的冷却液温度模块(300)。此外，该设备包括一个配置为可生成冷却液阀流速命令(340)并将该命令传送至冷却液阀(196)的冷却液流速模块(320)。该冷却液阀为可控型，可调节通过冷却液管线的冷却液的流速。该冷却液阀流速命令基于还原剂槽出口冷却液温度目标、还原剂槽入口冷却液温度(325)以及还原剂槽还原剂温度(330)。

Description

用于还原剂管线加热控制的设备、系统和方法
对相关申请的交叉引用
本申请之权利要求为以引用形式并入本文的、提交于2009年6月18日的美国临时专利申请No.61/218,222之利益。
发明领域
本发明涉及内燃机的选择性催化还原(SCR)系统，更具体地讲，涉及如何控制SCR系统用以降低废气中NOx排放的还原剂的温度。
背景技术
废气后处理系统用于接收和处理由内燃机产生的废气。典型的废气后处理系统包括多个被配置为用于降低废气中存在的有害废气排放水平的组件。例如，一些针对柴油内燃机的废气后处理系统包括多个组件，如柴油氧化催化器(DOC)、微粒物过滤器或柴油微粒过滤器(DPF)以及SCR催化器。在一些废气后处理系统中，废气首先通过柴油氧化催化器，然后通过柴油微粒过滤器，接着通过SCR催化器。
DOC、DPF和SCR催化器组件中的每一个都被配置为对通过该组件的废气执行具体的废气排放处理操作。通常，DOC通过氧化技术减少废气中存在的一氧化碳和碳氢化合物的量。DPF过滤废气中存在的有害柴油微粒物和黑烟。最后，由SCR催化器减少废气中存在的氮氧化物(NOx)的量。
SCR催化器系统使用还原剂降低废气中的NOx。典型的SCR系统包括还原剂递送系统，该系统包括还原剂源、泵和递送机构。还原剂源可为能够存储还原剂(例如脲溶液或甲酸铵溶液)的容器或槽。泵负责通过还原剂管线，从还原剂源向递送机构供应还原剂。递送机构一般为还原剂喷射器，它负责向SCR催化器上游的废气流中递送还原剂。在汽车应用领域中，还原剂一般为分解后会生成氨的脲。还原后，在存在SCR催化器的情况下，氨与NOx发生反应，将NOx还原成危害更低的排放物，例如N2和H2O。
为确保正常工作，存储在还原剂储槽中以及通过还原剂管线在槽和递送机构之间泵送的还原剂的温度，必须保持高于还原剂溶液的凝固点。排放法规要求SCR系统提供对在较低环境温度下工作的还原剂进行加热的温度控制系统。
鉴于加热大量还原剂所需功率较大，常规SCR系统一般配备利用发动机冷却液对槽中存储的还原剂进行加热的还原剂温度控制系统。与此相反，鉴于流经还原剂管线的还原剂的数量相对较少，对还原剂管线进行加热所需功率也较小。因此，常规系统可以采用电加热器(而非冷却液)对还原剂管线进行加热。
但是，电加热器存在若干局限性。例如，由于很难测量还原剂管线中还原剂的温度，电加热器需要配备一个环境空气温度传感器，作为确保正常工作的主要输入。这是因为，电加热器所用能量是由以可调受控方式施加的电压或电流供应的。由于还原剂温度升高取决于所供应的电能而非绝对温度，通过环境空气传感器检测到的环境空气温度必须作为据以确定正常加热温度(即，加热上限温度)的参考点。遗憾的是，环境空气温度传感器可能存在缺陷，或根据环境空气温度传感器的限制和位置，经过较长时间可能已经不准确，这可能会导致还原剂过热风险加大。除环境空气温度传感器之外，电加热器还需要配备单独的控制器、电池和控制继电器，其中每种部件都会增加能源、软件和硬件成本，并导致系统变得更加笨重和复杂。
作为另外一种选择，在某些常规系统中，利用发动机流出的冷却液，而非电加热器，对还原剂管线中的还原剂进行加热。一般采用一个专用冷却液控制阀，以促进冷却液流过还原剂管线；再使用一个或多个附加的冷却液控制阀，以促进冷却液流过还原剂槽。常规的基于冷却液的还原剂加热系统中采用的控制装置，不能控制或调节冷却液流速。相反，这些控制装置根据按照检测的环境温度而预定的时间进程，要么打开控制阀，允许冷却液流过；要么关闭控制阀，阻止冷却液流过。因此，与电加热器一样，常规冷却液加热器一般也需要配备环境温度传感器，以提供参考点。
此外，由于还原剂管线中没有配备温度传感器，常规系统的另一局限性在于，无法确保还原剂管线中还原剂的温度保持高于还原剂的凝固点并低于对应于还原剂递送系统中允许的最高温度的上限门槛值。
发明内容
为响应现有技术，更具体地讲，为响应当前市售的废气后处理控制系统和还原剂加热系统尚未完全解决的现有技术中的问题和需求，开发了本专利申请的主题。因此，开发了本专利申请的主题以提供克服现有技术的至少一些缺点的设备、系统和方法。
在一个代表性实施例中，介绍了一种利用内燃机流出的冷却液对还原剂递送管线进行加热的设备，其中，还原剂递送管线负责从盛装还原剂的还原剂槽中接收还原剂，且冷却液管线的一部分置于还原剂槽之中。该设备包括一个配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标的冷却液温度模块。此外，该设备包括一个配置为可生成冷却液阀流速命令并将冷却液阀流速命令传送至冷却液阀的冷却液流速模块。该冷却液阀为可控型，可调节通过冷却液管线的冷却液的流速。该冷却液阀流速命令基于还原剂槽出口冷却液温度目标、还原剂槽入口冷却液温度以及还原剂槽还原剂温度。
在某些具体实施中，该冷却液阀流速命令包括一个脉冲宽度调制信号。在其他一些具体实施中，该冷却液流速模块负责生成与环境温度无关的冷却液阀流速命令。此外，在某些具体实施中，该冷却液流速模块根据前馈模式生成冷却液流速命令。根据更加特定的具体实施，该冷却液阀流速命令基于还原剂槽还原剂温度随时间的变化率。
根据该设备的一种具体实施，该还原剂槽出口冷却液温度目标由预定上限温度门槛值和预定下限温度门槛值加以定义。在该设备的另一种具体实施中，该还原剂槽出口冷却液温度目标包括一个冷却液温度值，该值足以在内燃机工作过程中使还原剂槽中的还原剂产生融化、在内燃机工作过程中防止还原剂槽中的还原剂重新凝固并在内燃机工作过程中使还原剂槽和还原剂递送管线中还原剂的温度保持低于最高容许温度。
根据另一种具体实施，该设备进一步包括一个配置为可确定热交换功率因数的热交换功率模块。该热交换功率模块可根据还原剂槽还原剂温度高于还原剂的凝固温度时的第一模式并根据还原剂槽还原剂温度低于还原剂的凝固温度时的第二模式确定热交换功率因数。该冷却液阀流速命令基于所确定的热交换功率因数。在第一模式中，通过将还原剂槽中的还原剂的液位、还原剂槽还原剂温度的变化率以及还原剂槽中的还原剂的比热相乘，即可确定该热交换功率因数。在第二模式中，该热交换功率因数可预定为常数。
在某些具体实施中，该设备可进一步包括一个冷却液温差模块。该冷却液温差模块可配置为能确定还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差。该冷却液阀流速命令可基于还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差。此外，在某些具体实施中，该设备还可包括一个配置为将该热交换功率因数和还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差同预定查找表进行对比、以确定冷却液阀调制信号值的对比模块。在这种具体实施中，该冷却液阀流速命令对应于所确定的冷却液阀调制信号值。
在另一个实施例中，还原剂加热系统包括一条冷却液管线，其中包括一个可与还原剂槽中的还原剂进行热交换传导的第一部分以及可与还原剂管线中的还原剂进行热交换传导的第二部分。该还原剂管线配置为从该还原剂槽中接收还原剂。该系统包括一个与该冷却液管线相连的流量调节装置。该装置配置为可调节进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。该系统进一步包括一个控制器，该控制器可通过与该流量调节装置的信号传输连通而进行通信，进而改变通过冷却液管线的第一部分的冷却液的流速，从而使冷却液管线的第二部分中的冷却液达到期望的温度。
根据一些具体实施，该还原剂加热系统进一步包括一个与该冷却液管线相连的温度传感器。该温度传感器配置为可检测进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的温度。此外，该控制器配置为可根据该温度传感器所检测的冷却液的温度，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
在该系统的另一个具体实施中，该控制器进一步配置为可根据还原剂槽中的还原剂的温度、还原剂槽中还原剂的温度的变化率、还原剂槽中还原剂的比热、还原剂槽中还原剂的液位、温度传感器所检测的冷却液的温度与冷却液管线的第二部分中冷却液的期望温度之差以及还原剂槽的形状和冷却液的比热等之中至少一项，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。在某些具体实施中，冷却液管线的第二部分缠绕在还原剂管线上。
根据另一个实施例，用于对与还原剂槽相连的还原剂管线中的还原剂进行加热的方法包括检测进入冷却液管线的冷却液的温度。该冷却液管线可与还原剂管线和还原剂槽中的还原剂进行传热传导。该方法还包括确定还原剂管线中还原剂的上限和下限温度门槛值。此外，该方法还包括通过调节单流调节阀，从而根据检测的进入冷却液管线的冷却液的温度而调节通过冷却液管线的冷却液的流速，进而使还原剂管线中还原剂的温度保持低于上限温度门槛值并高于下限温度门槛值。在某些具体实施中，对单流调节阀进行调节可以包括调节通过冷却液管线的冷却液的流速，从而使还原剂槽中还原剂的温度保持高于门槛值。在其他一些具体实施中，对单流调节阀进行调节系基于还原剂槽中还原剂的温度。
本说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不意味着可以利用本公开申请实现的所有特征和优点都应当在或都在其任何单个实施例或具体实施中。相反，结合特征和优点的语言应理解为意指结合实施例描述的具体特征、优点或特性包括在本公开申请的至少一个实施例中。本说明书中有关特征和优点的讨论以及类似语言可以(但并不一定)涉及相同实施例或具体实施。
所述本公开申请的特征、优点和特性可以通过任何合适的方式与一个或多个实施例和/或具体实施相结合。相关领域的技术人员将认识到，可以在特定实施例或具体实施不具有一个或多个具体特征或优点的情况下实践本公开申请的主题。在其他情况下，可能在某些实施例和/或具体实施中发现其他特征和优点，这些特征和优点不一定存在于本公开申请的所有实施例或具体实施中。在以下描述和所附权利要求中，本公开申请的这些特征和优点将更加显而易见，或可以通过下文所述本公开申请的主题的实践进行了解。
附图说明
为了可以更轻松地理解本主题的优点，将结合附图中所示具体实施例对上面简述的主题进行更具体的说明。应当理解这些附图仅示出了本主题的典型实施例，然而并不因此被视为对其范围的限制，将通过使用附图对本主题的特异性和细节进行描述和解释，其中：
图1为根据一个代表性实施例的具有发动机、废气后处理系统、控制器和还原剂加热系统的内燃机系统的示意性框图；
图2为根据一个代表性实施例的还原剂加热系统的部分示意性框图；
图3为根据一个代表性实施例的内燃机系统的控制器的示意性框图；以及
图4为根据一个代表性实施例的图3所示控制器的冷却液流速模块的示意性框图。
具体实施方式
本说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意指结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本公开申请的至少一个实施例中。本说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或类似语言可以(但并不一定)全部涉及相同实施例。类似地，使用术语“具体实施”意指具有结合本公开申请的一个或多个实施例描述的具体特征、结构或特性的具体实施，然而，缺乏明确的相关性来另外指明，具体实施可与一个或多个实施例相关。
在以下描述中，提供了许多具体细节以深入理解本公开申请的实施例。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在不具有一个或多个具体细节或使用其他方法、组件、材料等的情况下实施本公开申请。在其他情况下，未示出或详细描述熟知的结构、材料或操作，以避免本公开申请的各个方面含糊不清。
本文描述了用于对还原剂递送系统中的还原剂进行加热并可克服常规方法的一项或多项局限性的一种设备、系统和方法的多个实施例。根据至少某些实施例，该设备、系统和方法利用发动机冷却液对还原剂管线进行加热。通过调节具有脉冲宽度调制(PWM)功能的冷却液单流调节阀的工作循环，可以控制还原剂管线中还原剂的温度。负责控制该阀的PWM命令与环境空气温度无关，因此，该系统不需要配备环境空气温度传感器。此外，该设备和系统配置为，通过调制该冷却液单流调节阀，可使还原剂槽中还原剂的温度保持高于还原剂的凝固温度，并使还原剂管线中还原剂的温度保持低于对应于还原剂递送系统中允许的最高温度的上限门槛值温度。
在某些实施例中，该设备和系统采用前馈方式生成PWM命令并将其发送至该冷却液单流调节阀，因此，与采用反馈方式的系统相比，可降低软件、硬件和能源成本以及系统复杂性。此外，由于本文特定实施例中所描述的还原剂加热系统系基于发动机系统中其他系统(例如：发动机冷却液管线、发动机冷却液温度传感器、还原剂液位传感器和还原剂温度传感器)已经在使用的组件和硬件，因此，与常规还原剂加热系统相比，该加热系统可降低能源和硬件成本。
图1示出了内燃机系统100的一个实施例。内燃机系统100的主要组件包括内燃机110、连接到发动机的废气后处理系统120以及可与发动机110和后处理系统120进行电子通信的控制器130。
内燃机110可为压缩点火式内燃机(例如柴油机)或火花点火式内燃机(例如稀燃式汽油发动机)。在该内燃机110中，来自大气的空气与燃油混合，为发动机提供动力。燃油和空气的燃烧会产生可操作地通向排气歧管的废气。从该排气歧管，产生的废气中至少有一部分沿方向箭头144所示方向流入废气后处理系统120。
通常，废气后处理系统120配置为用于去除发动机110产生的废气中存在的多种化合物和微粒排放物。例如，在一个具体实施例中，废气后处理系统120包括氧化催化器140、微粒物(PM)过滤器150、SCR系统160和氨氧化(AMOX)催化器170。沿方向箭头144所示的废气流方向，废气可以从发动机110流经氧化催化器140、微粒过滤器150、SCR系统160的SCR催化器162、AMOX催化器170，然后通过排气管排入大气。换句话讲，微粒过滤器150设置在氧化催化器140的下游，SCR催化器162设置在微粒过滤器150的下游，AMOX催化器170设置在SCR催化器162的下游。
通常，在废气后处理系统120中处理并释放到大气中的废气所包含的污染物比未处理废气显著减少，例如柴油微粒物质、NOx、碳氢化合物和一氧化碳。虽然图中所示的废气后处理系统120所包括的氧化催化器140、微粒过滤器150、SCR催化器162和AMOX催化器170等各一个均沿废气流路径排列在彼此间相对的特定位置上，但在其他实施例中，废气后处理系统可以包括多个任一催化器，它们可以相对彼此根据需要排列在废气流路径上的任何位置。此外，虽然氧化催化器140和AMOX催化器170均为非选择性催化器，但在某些实施例中，氧化催化器和AMOX催化器可以是选择性催化器。
SCR系统160包括还原剂递送系统164，该还原剂递送系统则包括用于存储还原剂200的还原剂槽166、还原剂泵184以及还原剂递送机构168。还原剂槽166能够保留还原剂200(例如脲溶液或甲酸铵溶液)。还原剂槽166与泵184之间存在还原剂供应连通，该泵配置为可通过还原剂管线180从还原剂槽166向递送机构168泵送还原剂。作为另外一种选择，泵184可以是位于还原剂槽166上游的推式泵。还原剂管线180可以是现有技术中常用的多种还原剂管线的任一种。在某些具体实施中，还原剂管线180是可为多种直径(例如，约6毫米至约8毫米之间)之一的一定长度的液压管路。
递送机构168可以包括配置为向SCR催化器162上游的废气流中喷射还原剂的还原剂喷射器182。可选择性控制喷射器182，以将还原剂直接喷射到废气流中，然后再让废气进入SCR催化器162。在某些实施例中，还原剂可为分解后会生成氨的脲。正如下面将更详细描述的，在这些实施例中，在存在SCR催化器162的情况下，氨与NOx发生反应，将NOx还原成危害更低的排放物，例如N2和H2O。SCR催化器162可以是现有技术中多种已知催化器的任何一种。例如，在某些具体实施中，SCR催化器162包含钒基催化剂；而在其他具体实施中，SCR催化器包含基于沸石的催化剂，例如铜-沸石或铁-沸石催化剂。在一个代表性实施例中，还原剂为脲水溶液，SCR催化器162包含基于沸石的催化剂。
在一个由发动机110和废气后处理系统120构成车辆一部分的汽车应用中，发动机和废气后处理系统可承受苛刻的环境条件。尽管外部条件可能对废气后处理系统120的性能产生潜在不利影响，但无论外部条件如何，该废气后处理系统仍有望依据法规标准降低有害废气排放。在严寒条件下，还原剂很容易凝固，从而导致无法将还原剂喷射入废气流中并阻碍SCR催化器162对NOx进行还原。因此，必须对源166中盛装的还原剂进行加热，以防止凝固；对于重量百分比为32.5％的脲溶液(例如，挪威拉克瑟沃格市WEMA公司生产的AdBlue脲溶液)而言，其凝固温度约为-11℃。此外，对于还原剂管线180中从源166流向递送机构168的还原剂，也必须进行加热，以防止凝固。但是，不应将还原剂加热到太高温度，这是因为，过高温度可能导致还原剂化学性质破坏和/或对还原剂管线180等还原剂递送系统164的组件造成损坏。
为使还原剂递送系统164中的还原剂产生融化或防止其凝固，内燃机系统100包括一个还原剂加热系统190。还原剂加热系统190包括一条从发动机110连接至还原剂递送系统164的冷却液供应管线192。此外，还原剂加热系统190包括还原剂温度传感器186、还原剂液位传感器188和冷却液温度传感器194。在某些具体实施中，还原剂温度传感器186与还原剂液位传感器188集成在一起(例如，挪威拉克瑟沃格市WEMA公司制造的AdBlue系列传感器)。还原剂温度传感器186配置为可检测还原剂槽166中存储的还原剂的温度，冷却液温度传感器194配置为可检测流经冷却液供应管线192的冷却液的温度，而还原剂液位传感器188则配置为可检测还原剂槽166中还原剂的液位。
冷却液供应管线192负责从发动机110中接收加热的冷却液。按照常规方式，在发动机工作过程中，未加热的冷却液流经发动机110。随着冷却液流过发动机110，发动机产生的热量传导给冷却液，对冷却液进行加热。如此，冷却液被用于帮助发动机进行散热，即，降低发动机温度。在某些实施例中，在发动机110工作过程中，冷却液温度保持在预定范围内。在一个特定具体实施中，在发动机110工作过程中，冷却液温度保持在约50℃至约90℃之间。利用现有技术中已知的普通测试方法，可以预定特定发动机系统中冷却液的最高温度。
参见图2，冷却液供应管线192从发动机110中连出，并可与还原剂槽166中存储的还原剂进行供热传导。冷却液沿方向箭头199所示方向流经冷却液供应管线和冷却液回流管线198。冷却液供应管线192可在还原剂槽166中按照多种不同布置或配置的任一种进行安排。为扩大冷却液供应管线192与还原剂接触的表面积，从而加强传热效果，在图示实施例中，冷却液供应管线以盘绕配置210形式卷绕在还原剂槽166中。
从还原剂槽166连出后，冷却液供应管线192设置为可与还原剂管线180进行供热传导。冷却液供应管线192可按照相对于还原剂管线的多种不同布置或配置的任一种进行安排。在图示实施例中，冷却液供应管线192沿还原剂管线长度上以盘绕配置220形式连续缠绕在还原剂管线180上。在其他实施例中，冷却液供应管线192沿还原剂管线长度上包络在还原剂管线180上，形成一个同心管热交换器。在某些具体实施中，与冷却液供应管线192进行传热传导的还原剂管线180的长度，基本上就是还原剂槽166与递送机构168之间还原剂管线180的全长。在其他具体实施中，传热长度为小于还原剂管线180全长的多种不同所需长度的任一长度。
将热量传导给还原剂管线180之后，冷却液供应管线192转变为冷却液回流管线198，它使冷却液流回发动机110中，以便连续使用。由于存在至还原剂源166和还原剂管线180中还原剂的传热损失，冷却液回流管线198中冷却液的温度低于冷却液供应管线192中冷却液的温度。
还原剂加热系统190包括单流调节阀196，该阀配置为可调节从发动机110流入还原剂源166的冷却液的流量。单流调节阀196可与控制器130进行信号接收通信。控制器130向单流调节阀196传输对应于通过该阀的期望冷却液流速的命令信号。在某些实施例中，控制器130可根据PWM技术控制单流调节阀196的工作循环。如此，控制器130可将通过阀196的冷却液的流速调节为无数种流速的任一流速。
通常，控制器130负责控制发动机系统100及其相关子系统(如：发动机110和废气后处理系统120)的工作。控制器130在图2中显示为单一的物理单元，但在某些实施例中可根据需要包括两个或更多个物理分离的单元或组件。通常，控制器130接收多个输入、处理输入并传送多个输出。多个输入可以包括从传感器检测到的测量值和各种用户输入。控制器130使用各种算法、已存储数据和其他输入对这些输入进行处理，以更新存储的数据和/或生成输出值。生成的输出值和/或命令会传送至控制器的其他组件和/或传送至内燃机系统100的一个或多个元件，以便控制该系统获得期望的结果，更具体地讲，以便获得期望的废气排放。
参见图3，控制器130包括冷却液温度模块300和冷却液流速模块320。冷却液温度模块300配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标310。该目标310代表离开还原剂槽166的冷却液的期望温度，该温度取决于还原剂管线180中还原剂的期望温度。例如，对于还原剂管线180中还原剂的最高温度(例如，最高容许还原剂温度，在某些实施例中，该温度约为60℃)，可通过最高冷却液温度(一般约为90℃)加以确定。因此，可以利用已知的最高冷却液温度(而非环境温度)作为参考点，以实现还原剂管线温度控制。依据最高冷却液温度作为参考，可通过控制还原剂加热系统190，使还原剂管线180中还原剂的温度保持低于最高容许还原剂温度并高于还原剂凝固温度。这是通过至少部分根据发动机冷却液温度、槽166中还原剂的温度以及槽中还原剂温度变化率，使用PWM工作循环来调制通过还原剂槽166的冷却液的流速而实现的。
在某些具体实施中，冷却液温度模块300将还原剂槽出口冷却液温度目标310设置为足以(i)在预定时限内使还原剂槽中的还原剂产生融化；(ii)在发动机系统100于最低环境温度下工作过程中防止还原剂槽中的还原剂重新凝固；以及(iii)在发动机系统于最高环境温度下工作过程中使还原剂槽和管线温度保持低于最高容许温度的值。通常，通过控制冷却液流量、传导足够热量以防止还原剂管线180中的还原剂发生凝固，但又不能传导过多热量，以免还原剂管线中还原剂的温度升高到最高容许温度以上。假设槽166中还原剂的温度低于离开槽的冷却液的温度，则根据传热原理，还原剂管线180中还原剂的温度决不会高于冷却液的温度。因此，还原剂槽出口冷却液温度目标310最好等于或低于最高容许温度，而高于还原剂的凝固温度。
如上所述，通过配置系统190以实现还原剂管线中还原剂的温度高于凝固温度，还原剂槽中还原剂的温度必须高于凝固温度。因此，系统190可配置为利用来自发动机的冷却液以及冷却液单流调节阀，同时实现两个目标，一是使还原剂管线中还原剂的温度保持低于最高容许温度且高于凝固温度，二是使还原剂槽中还原剂的温度保持高于凝固温度。
至少部分基于还原剂槽出口冷却液温度目标310，冷却液流速模块320配置为可生成冷却液阀流速命令340，该命令由控制器通过(例如)控制器的接口模块(图中未显示)传输到单流调节阀196。如以下方程1所示，冷却液阀流速命令340表示为该阀全开条件下PWM工作循环与通过该阀的最大冷却液流速的乘积。单流调节阀196随后驱动一个阀，允许对应于该命令的冷却液流速的冷却液通过该阀。冷却液流速模块320至少部分基于温度传感器194和186所分别检测到的还原剂槽入口冷却液温度325和还原剂槽还原剂温度330，而生成冷却液阀流速命令340。
当还原剂槽还原剂温度330高于凝固温度(例如-11℃)时，冷却液流速模块320配置为可根据以下方程而生成冷却液阀流速命令(CVFRC)340：
其中：PWM为PWM工作循环，为通过阀196的最大冷却液流速，Lr为还原剂槽166中还原剂的液位(例如，槽中脲的质量)，Cr为还原剂的比热，为槽166中还原剂的温度变化率，Tc，in为还原剂槽入口冷却液温度325，Tc，out_target为还原剂槽出口冷却液温度目标310，k为基于还原剂源166的形状和冷却液的比热的预定系数。
对于规则的还原剂槽，可使用以下方程计算出参数k：
k = c c D r × A r - - - ( 2 )
其中：Cc为冷却液的比热，Dr为还原剂密度，Ar为还原剂槽的有效横截面积。如果还原剂槽形状不规则，则横截面积Ar为还原剂液位Lr的函数，计算如下：
A r = V r L r - - - ( 3 )
其中：Vr为液位为Lr时的还原剂体积。在某些具体实施中，可根据能通过冷却液流速模块320获得的预定值，从查找表中确定最大冷却液流速还原剂的比热Cr和系数k。查找表可以存储在控制器130的内存中。
根据一个实施例，冷却液流速模块320按照图4所示的控制结构而实现方程1。冷却液流速模块320包括还原剂温度变化率模块400和还原剂比热模块410。还原剂温度变化率模块400负责根据温度传感器186所检测的存储的还原剂槽还原剂温度值330的历史而确定还原剂温度变化率420。更具体地讲，还原剂温度变化率模块400通过对比一段时间内采集的还原剂槽还原剂温度值330，进而估算出槽中还原剂的当前温度变化率。还原剂比热模块410通过将还原剂槽还原剂温度330与包含预定比热值和相应还原剂温度的查找表进行对比，确定还原剂的比热430。
冷却液流速模块320还包括热交换功率模块440，该模块配置为可确定代表还原剂加热系统190向还原剂传热的当前能力的热交换功率因数460。由于与液体还原剂相关的传热机理不同于凝固态或固体还原剂，所以，根据还原剂的相态，应采用不同方法确定热交换功率因数460。因此，热交换功率模块440配置为可根据还原剂槽还原剂温度330而确定还原剂源166中还原剂的相态。
如果温度330高于还原剂的预定凝固温度，则热交换功率模块440将按照第一模式确定热交换功率因数460。然而，如果温度330低于还原剂的预定凝固温度，则热交换功率模块440将按照第二模式确定热交换功率因数460。第一模式包括将还原剂槽还原剂液位450、还原剂温度变化率420以及还原剂比热430相乘，从而获得热交换功率因数460。第二模式包括将热交换功率因数460设置为与凝固态或固体还原剂相关的预定常数值。
再次参见图4，冷却液流速模块320包括配置为可确定冷却液温差480的冷却液温差模块470。由于在流经还原剂源166的过程中，冷却液会损失热量，所以，进入还原剂源166的冷却液的温度高于离开还原剂源的冷却液的温度。冷却液温差480定义为温度传感器194检测到的还原剂槽入口冷却液温度325与冷却液温度模块300确定的还原剂槽出口冷却液温度目标310之差。因此，冷却液温差模块470接收还原剂槽入口冷却液温度325和还原剂槽出口冷却液温度目标310，将其应用于对比算法，进而确定冷却液温差480。
冷却液流速模块320还包括配置为可生成冷却液阀流速命令340的对比模块490。对比模块490将热交换功率因数460和冷却液温差480与包含预定PWM信号值的查找表进行对比。每个PWM信号值分别与查找表提供的一个特定的热交换功率因数460和冷却液温差480组合相关联。查找表中的PWM信号值都经过了预先校正，已经考虑到特定发动机系统平台和冷却液类型可能特有的还原剂槽166形状和冷却液比热(例如上述常数k)。获得与热交换功率因数460和冷却液温差480相关联的PWM信号值之后，对比模块490生成冷却液阀流速命令340，该命令代表了所获得的PWM信号。如上所述，然后将冷却液阀流速命令340发送给冷却液流速调节阀196，该阀按照命令进行动作，从而实现对应于冷却液温度目标310的实际槽出口冷却液温度。
虽然上述各个实施例是在内燃机系统和还原剂加热的背景下阐述的，但本发明并不限于此类配置。例如，在其他实施例中，在不脱离本发明的实质的情况下，本文描述的设备、系统和方法可以应用于可能希望对某种材料进行加热的多种不同系统的任一种。
本说明书中描述的许多功能单元已被标记为模块，以便更具体地强调它们的具体实施独立性。例如，模块可以被实施为包括定制VLSI电路或门阵列、成品半导体(例如逻辑芯片、晶体管或其他离散组件)的硬件电路。模块还可以被实施在可编程的硬件设备中，例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等等。
模块还可以被实施在通过各种类型的处理器用于执行的软件中。可执行代码的已识别模块可以(例如)包括计算机指令的一个或多个物理块或逻辑块，该计算机指令可以(例如)被安排为目标、程序或函数。然而，已识别模块的可执行文件无需在物理上设置在一起，可以包括存储在不同位置中的不同指令，这些不同的位置在逻辑上合并在一起时包括该模块并实现该模块的预期目标。
实际上，可执行代码的模块可以是单个指令或多个指令，并且甚至可以分散在多个不同的代码段中、位于不同的程序中以及分布在多个存储设备中。相似地，运行数据可以在模块中被识别和说明，并且可以体现为任何合适的形式，以及组织在任何合适类型的数据结构中。可以将运行数据收集为单个数据集，或者可以分布到不同位置(包括分布到不同存储设备中)，以及可以至少部分地仅以系统或网络上的电子信号形式存在。在实施有模块或模块部分的软件中，该软件部分存储在一个或多个计算机可读媒体中。
对计算机可读媒体的引用可以采取任何形式，只要该形式能够在数码处理设备上存储机器可读指令。计算机可读媒体可以体现为传输线、光盘、数字视频磁盘、磁带、贝努里驱动器、磁盘、打孔卡、闪存、集成电路或其他数字处理设备存储装置。
在不脱离本公开申请精神或基本特征的情况下，本发明可以体现为其他具体形式。所述实施例的各方面应视为仅作为示例，并且不具有限制性。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而非由上述说明指示。在权利要求等同含义和范围内的所有更改均包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种利用内燃机流出的冷却液对还原剂递送管线进行加热的设备，其中，还原剂递送管线负责从盛装还原剂的还原剂槽中接收还原剂并从还原剂槽延伸到递送机构，冷却液管线的第一部分置于还原剂槽之中，而第二部分与还原剂递送管线中的还原剂进行热交换传导，所述第二部分基本上延伸从还原剂槽到递送机构的还原剂递送管线的全长，所述设备包括：
一个配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标的冷却液温度模块；
一个冷却液流速模块，该模块配置为可生成冷却液阀流速命令并将冷却液阀流速命令传输到可通过控制而调节通过冷却液管线的冷却液的流速的冷却液阀，所述冷却液阀流速命令系基于还原剂槽出口冷却液温度目标、还原剂槽入口冷却液温度和还原剂槽还原剂温度；
一个热交换功率模块，该热交换功率模块配置为可确定热交换功率因数，该热交换功率模块可根据还原剂槽还原剂温度高于还原剂的凝固温度时的第一模式并根据还原剂槽还原剂温度低于还原剂的凝固温度时的第二模式确定热交换功率因数，其中，该冷却液阀流速命令基于所确定的热交换功率因数；
一个冷却液温差模块，该冷却液温差模块配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差，其中，该冷却液阀流速命令基于还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差；以及
一个对比模块，该对比模块配置为将该热交换功率因数和还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差同预定查找表进行对比、以确定冷却液阀调制信号值，其中，该冷却液阀流速命令对应于所确定的冷却液阀调制信号值。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，该冷却液阀流速命令包括一个脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，该冷却液流速模块负责生成与环境温度无关的冷却液阀流速命令。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，该冷却液流速模块根据前馈模式生成冷却液阀流速命令。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，该冷却液阀流速命令进一步基于还原剂槽还原剂温度随时间的变化率。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，该还原剂槽出口冷却液温度目标由预定上限温度门槛值和预定下限温度门槛值加以定义。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，该还原剂槽出口冷却液温度目标包括一个冷却液温度值，该值足以在内燃机工作过程中使还原剂槽中的还原剂产生融化、在内燃机工作过程中防止还原剂槽中的还原剂重新凝固并在内燃机工作过程中使还原剂槽和还原剂递送管线中还原剂的温度保持低于最高容许温度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，在第一模式中，通过将还原剂槽中的还原剂的液位、还原剂槽还原剂温度的变化率以及还原剂槽中的还原剂的比热相乘，即可确定该热交换功率因数。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，在第二模式中，该热交换功率因数为预定常数。
10.一种还原剂加热系统，所述系统包括：
一条冷却液管线，其中包括一个可与还原剂槽中的还原剂进行热交换传导的第一部分以及可与还原剂管线中的还原剂进行热交换传导的第二部分，所述第二部分基本上沿着从还原剂槽到递送机构的还原剂管线的全长延伸，该还原剂管线配置为从该还原剂槽中接收还原剂；
一种连接到冷却液管线并配置为可调节进入冷却液管线第一部分的冷却液的流速的流量调节装置；以及
一种控制器，该控制器可通过与该流量调节装置的信号传输连通而进行通信，进而改变通过冷却液管线的第一部分的冷却液的流速，从而使冷却液管线的第二部分中的冷却液达到期望的温度，其中该控制器包括：
一个热交换功率模块，该热交换功率模块配置为可确定热交换功率因数，该热交换功率模块可根据还原剂槽还原剂温度高于还原剂的凝固温度时的第一模式并根据还原剂槽还原剂温度低于还原剂的凝固温度时的第二模式确定热交换功率因数，其中，该冷却液的流速基于所确定的热交换功率因数；
一个冷却液温差模块，该冷却液温差模块配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差，其中，该冷却液的流速基于还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差；以及
一个对比模块，该对比模块配置为将该热交换功率因数和还原剂槽出口冷却液温度目标与还原剂槽入口冷却液温度之差同预定查找表进行对比、以确定冷却液阀调制信号值，其中，该冷却液的流速基于所确定的冷却液阀调制信号值。
11.根据权利要求10所述的还原剂加热系统，其中进一步包括一个连接到冷却液管线并配置为可检测进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的温度的温度传感器，其中，该控制器配置为可根据该温度传感器所检测的冷却液的温度，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
12.根据权利要求11所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可基于该还原剂槽还原剂温度改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
13.根据权利要求12所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可基于该还原剂槽还原剂温度的变化率，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
14.根据权利要求13所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可根据还原剂槽中还原剂的比热，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
15.根据权利要求14所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可根据还原剂槽中还原剂的液位，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
16.根据权利要求15所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可根据该温度传感器所检测的冷却液的温度与冷却液管线的第二部分中冷却液的期望温度之差，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
17.根据权利要求16所述的还原剂加热系统，其中，该控制器进一步配置为可根据还原剂槽的形状和冷却液的比热，改变进入该冷却液管线的第一部分的冷却液的流速。
18.根据权利要求10所述的还原剂加热系统，其中，冷却液管线的第二部分缠绕在还原剂管线上。
19.一种用于对与还原剂槽相连的还原剂管线中的还原剂进行加热的方法，所述还原剂管线从还原剂槽延伸到递送机构，所述方法包括：
检测进入可与还原剂管线和所述还原剂槽中的还原剂进行传热传导的冷却液管线的冷却液的温度，所述冷却液管线的一部分基本上沿着从还原剂槽到递送机构的还原剂管线的全长延伸；
确定还原剂管线中还原剂的上限和下限温度门槛值；以及
通过使用控制器调节单流调节阀，从而根据检测的进入冷却液管线的冷却液的温度而调节通过冷却液管线的冷却液的流速，进而使还原剂管线中还原剂的温度保持低于上限温度门槛值并高于下限温度门槛值，其中该控制器包括：
一个热交换功率模块，该热交换功率模块配置为可确定热交换功率因数，该热交换功率模块可根据还原剂槽还原剂温度高于还原剂的凝固温度时的第一模式并根据还原剂槽还原剂温度低于还原剂的凝固温度时的第二模式确定热交换功率因数，其中，该冷却液的流速基于所确定的热交换功率因数；
一个冷却液温差模块，该冷却液温差模块配置为可确定还原剂槽出口冷却液温度目标与检测的进入该冷却液管线的冷却液的温度之差，其中，该冷却液的流速基于还原剂槽出口冷却液温度目标与检测的进入该冷却液管线的冷却液的温度之差；以及
一个对比模块，该对比模块配置为将该热交换功率因数和还原剂槽出口冷却液温度目标与检测的进入该冷却液管线的冷却液的温度之差同预定查找表进行对比、以确定冷却液阀调制信号值，其中，该冷却液的流速基于所确定的冷却液阀调制信号值。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，对单流调节阀进行调节包括调节通过冷却液管线的冷却液的流速，从而使还原剂槽中还原剂的温度保持高于门槛值。
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