CN102906383A - 用于废气后处理装置的灵活被动再生的柴油发动机和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有废气后处理装置再生能力的柴油发动机及其操作方法。柴油发动机可以采用诸如柴油颗粒过滤器的废气后处理装置来去除来自发动机排出的燃烧气体的煤烟。为了使废气后处理装置再生，通过在特定发动机循环中采用活塞的多个压缩和膨胀冲程来使废气的温度充分升高，其中燃烧事件与每对压缩和膨胀冲程相关联。发动机可以在传统动力操作过程中以四冲程一燃烧循环操作，并且在再生过程中转换到加强的燃烧循环。加强的燃烧循环可以包括具有三燃烧事件的八冲程。发动机可以通过使用任何能够选择性致动的阀致动器在循环之间转换，以防止在再生过程中进气阀和排气阀打开。

Description

用于废气后处理装置的灵活被动再生的柴油发动机和方法
技术领域
本发明整体上涉及柴油发动机，并且更具体地涉及在柴油发动机中使用的废气后处理装置的再生。
背景技术
柴油发动机是内燃机的一种普通形式。它们在正常运行中通常采用四冲程循环。这四冲程包括吸气、压缩、膨胀和排气。在吸气冲程期间，将空气吸入燃烧气缸内。在压缩冲程期间，通过活塞压缩空气。在膨胀冲程期间，通过被压缩和加热的空气点燃在压缩冲程结尾部分过程中喷射到气缸内的燃料。在排气冲程期间，将燃烧产物从气缸排出。如本领域普通技术人员将认识到的，这不同于奥托循环内燃机之处在于不使用火花塞，而是将空气压缩到这样的程度和温度，即，喷射到气缸内的雾化柴油燃料能够瞬时点燃。
在其它柴油发动机循环中，已知具有六个、八个或更多个冲程和多达两个燃烧冲程。例如，美国专利No.6443108公开了一种柴油发动机，该柴油发动机利用总共八个冲程，其中两个燃烧事件引起作为八个中的一部分的膨胀冲程。第一燃烧以稀空气-燃料比执行，第二燃烧以化学计量的空气-燃料比执行，其中声称的益处是第一燃烧提供高效率，第二燃烧允许氮氧化物的高转化效率。尽管包括作为总的发动机循环一部分的附加的压缩和膨胀冲程，燃烧事件不会发生在每个压缩和膨胀冲程之间。
尽管柴油发动机通常是有效且高度成功的，柴油发动机的一个缺陷是随着燃烧产物排放排出的颗粒或煤烟。随着对环境的关注和要求变得逐渐严格，不得不给发动机增加结构并且不得不形成新的方法来减少随着排放释放的污染物。这些方法包括但不限于使用催化转化器和废气再循环(EGR)。
另一种方法涉及在发动机排气装置的下游使用废气后处理装置，诸如柴油颗粒过滤器(DPF)。DPF技术迫使燃烧气体通过多孔材料以收集煤烟。DPF通常能够去除85％到99％的颗粒。有许多不同的材料能够制造DPF，包括但不限于堇青石、碳化硅、陶瓷纤维和金属纤维。还有其它废气后处理装置存在，诸如但不限于用于减少氧化亚氮排放的选择性催化还原(SCR)装置和用于减少一氧化碳和碳氢化合物排放的柴油氧化催化(DOC)装置。
特别参照柴油颗粒过滤器，虽然它们能有效去除煤烟，但它们需要不时地再生以去除聚集的煤烟。这能够被动地(通过向过滤器添加催化剂)或主动地(通过提升废气的温度)来执行。催化剂是有效的，但增加了系统的成本。提升废气的温度也是有效的，但也增加了系统的成本。例如，已知通过使用电阻线圈或微波能量来提升废气的温度。但是，这两种方法不仅要求有关线圈或微波发生器的附加结构，还要求附加能量。
使DPF再生的另一种被动方法是在发动机排气装置的下游且DPF的上游增加燃料燃烧器或燃烧室。该燃烧室利用附加燃料产生热并由此将废气温度升高至使得DPF再生的足够高的水平(通常在600℉之上)。本受让人熟知CRS(Caterpillar Regeneration System)，该方法在再生DPF方面也非常有效，但其不仅要求有关燃烧室的附加结构，而且也要求附加燃料。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种操作具有废气后处理系统的内燃发动机的方法，该方法包括：以四冲程一燃烧模式操作发动机；响应于与废气后处理系统的状况相关的第一触发条件将操作模式转变成八冲程三燃烧模式；以及响应于与废气后处理系统的状况相关的第二触发条件将操作模式转变回到四冲程一燃烧模式。
根据本发明的另一方面，公开了一种使废气后处理装置再生的方法，该方法包括：将废气后处理装置连接在柴油发动机排气装置下游，以及将经过废气后处理装置的气体温度升高至足以去除积聚在废气后处理装置上的颗粒的水平，所述温度通过在柴油发动机中采用附加的压缩和膨胀冲程组来升高，每组压缩和膨胀冲程与附加的燃烧事件相关联。
根据本发明的又一方面，公开了一种柴油发动机，包括：气缸；往复运动地安装在气缸内的活塞；与气缸操作地相联的进气阀；与气缸操作地相联的排气阀；连接在排气阀的下游的废气后处理装置；与进气阀和排气阀中的每个相联的能够选择性致动的阀致动器；以及在希望废气后处理装置再生时使得发动机采用加强的燃烧循环的处理器。
附图说明
图1为根据本发明的教导构造的柴油发动机的示意性表示；
图2为可以根据本发明的教导实践的步骤的样本序列的流程图；
图3为根据本发明的教导构造的气缸盖和阀挺杆的剖视图；以及
图4为根据本发明的教导构造的空动装置的一种实施方式的剖面图。
具体实施方式
现在参照附图并且特别参照图1，根据本发明的教导构造的发动机总体由附图标记100表示。发动机100可以是柴油发动机，所述柴油发动机的类型为使用废气后处理装置102来在发动机100的废气释放到大气之前从其去除煤烟和其它燃烧产物。例如，废气后处理装置102可以包括但不限于柴油颗粒过滤器(DPF)、选择性催化还原装置(SCR)和柴油氧化催化装置(DOC)。这种废气后处理装置102可以与这样一种构造(即，DOC在DPF的上游且DPF在SCR的上游)隔离或结合使用，以下将对此更加详细地说明。
发动机100可以包括多个气缸104，活塞106在气缸104内往复运动，活塞106与气缸104之间的空间限定燃烧室108。气缸104可以在一端以气缸盖110封闭。连杆112可以从活塞106的基部延伸至曲轴114。如本领域普通技术人员容易理解的，曲轴的转动力随后可以用于使车辆运动、驱动传动装置、向执行器提供动力等。
进气阀116和排气阀118往复运动地安装在气缸盖110内。更特别地，每个阀116和118可以包括阀杆120，阀头122自阀杆120延伸。阀头122适于在关闭时相对于设置在气缸盖110内的阀座124配合，并且在打开时远离阀座124运动。阀116和118的运动可以通过阀挺杆组件126控制，如在这里将进一步详细说明的。
气缸盖110还可以朝着燃烧室108安装一个或多个燃料喷射器128。如本领域普通技术人员将容易理解的，典型的柴油发动机以四冲程循环操作，这四冲程包括进气、压缩、膨胀和排气。在进气冲程过程中，进气阀116打开且排气阀118关闭，同时活塞106远离气缸盖110下降，由此允许空气进入燃烧室108。在压缩冲程过程中，活塞106朝着气缸盖110运动，同时进气阀116和排气阀118关闭，由此压缩燃烧室108内的空气。在压缩冲程的后期，例如在活塞106到达气缸104内的上止点位置之前运动的最后15至20度，柴油燃料通过燃料喷射器128喷射到压缩空气中，同时进气阀116和排气阀118保持关闭。高度压缩的空气通过压缩被加热至在柴油燃料喷射时使柴油燃料自发燃烧的足够高的温度。这又迫使活塞106在膨胀中再次远离气缸盖110下降。在排气冲程过程中，活塞朝着气缸盖110返回，且排气阀118打开，由此从燃烧室108排出燃烧气体和颗粒。在替代实施方式中，可以采用预混燃烧策略，其中燃料的一部分早在上止点之前40度等的时候喷射，或者也在膨胀冲程的早期喷射，特别是在第二或随后的燃烧事件过程中喷射。
虽然熟知四冲程柴油发动机循环的上述描述，本发明以许多方式背离传统的柴油发动机，其中一个方式是在具有增加数量的总的冲程的发动机循环过程中使用附加的燃烧事件，以将废气温度升高至使得废气后处理装置102再生的足够高的水平。这明显背离于包括本发明背景技术部分中提及的‘108专利的现有技术。虽然‘108专利公开了6个、8个或更多个总的步骤，但其仅公开了两个燃烧事件。这并不奇怪，因为‘108专利未考虑升高废气温度，而只是考虑具有一个空气-燃料比下的第一燃烧事件和不同的空气-燃料比下的第二燃烧事件。
如上所述，发动机100包括在排气阀118下游且在排气管128上游的废气后处理装置102，其中燃烧气体在排气管128处释放到大气129。虽然废气后处理装置102在从废气去除煤烟和其它颗粒方面是有效的，但废气后处理装置102必须周期地再生以去除从废气过滤的煤烟和颗粒。本发明在每个发动机循环中使用附加的压缩和膨胀冲程组，具有与每组相关联的燃烧事件，以使通过排气阀118释放且朝着废气后处理装置102指引的燃烧气体的温度升高。
可以通过任意数量的不同方式确定废气后处理装置102的再生何时是必要的，在这里描述多种示例性的方法。在图1描绘的第一实施方式中，可以提供压力传感器130来测量经过废气后处理装置的压降⊿P。如果⊿P在预定值之上，与压力传感器130通信的处理器132可以使发动机100转换到加强的燃烧循环。如这里所使用的，“加强的燃烧循环”是指采用至少一个进气冲程、两个或更多个压缩冲程、两个或更多个膨胀冲程以及至少一个排气冲程且每个压缩和膨胀冲程之间发生燃烧事件的柴油发动机循环。例子可包括具有3燃烧事件的8冲程循环，包括(以下述顺序)进气、压缩(以燃烧结束)、膨胀、压缩(以燃烧结束)、膨胀、压缩(以燃烧结束)、膨胀和排气冲程。
在替代实施方式中，可以使用6、10或更多个冲程循环。所使用的冲程数量可以取决于排放至废气后处理装置102的燃烧气体的所得温度。为了使这种过滤器102再生，燃烧气体的温度通常必须是600℉或更高，但如果再生能够在较低温度实现或者这种温度可以通过较少冲程和燃烧事件实现，所得循环可以改变。相反，所使用的废气后处理装置102的具体类型需要具有甚至更高的气体温度以便再生，可以要求附加冲程和燃烧事件。
在另一种实施方式中，要求再生的确定可以不取决于经过废气后处理装置102的压降⊿P，而是可以基于自最后一次再生的经过时间。在这种实施方式中，可以提供与处理器132通信的计时器134。还可以提供存储器135，以存储自再生的经过时间或存储用于确定何时要求再生的不同算法。
在另一种实施方式中，可以利用射频(RF)传感器技术。更特别地，可以在废气后处理装置102的一侧上设置射频发射器136，并且在另一侧上设置射频接收器137。在这种配置中，RF发射器136可以发射由RF接收器137接收的信号。但是，废气后处理装置102中存在的煤烟量将影响接收的信号的强度。因此，随着煤烟聚集，信号将随时间持续衰减。最终，信号强度将弱化至提示废气后处理装置102应当再生的阈值。该阈值能够存储在存储器135中，并且测量的信号强度能够通过处理器132与阈值持续比较，在要求再生时，处理器启动加强的燃烧循环。
用于其它废气后处理装置的触发条件可以是不同的。例如，对于DOC或SCR，触发条件可以是测量的催化剂效率以降低排放。更特别地，对于SCR，测量的NOX输出可以是触发条件，而对于DOC，测量的一氧化碳(CO)或碳氢化合物(HC)水平可以用作触发条件。相应地，处理器132可以将测量的值相对于阈值比较并且在越过阈值时启动再生。
当处理器132确定要求再生时，利用前述任意方法，处理器132可以将发动机100从四冲程一燃烧循环转换到八冲程三燃烧循环或一些其它加强的燃烧循环。这可以通过例如采用与每个阀挺杆组件126操作地相关联的任意数量的不同空动装置来实现。如这里所使用的，“空动装置(lost motion device)”是指接收输入能量但选择性地提供输出能量的任何类型的结构。图3和4中显示了其中一种示例性实施方式。
如这里所描绘的，空动装置可以作为具有空动能力的凸轮随动件138，并且作为阀挺杆组件126的一部分来提供。更特别地，进气阀116和排气阀118的阀杆120可以通过设置在气缸盖110顶部的弹簧140偏置到闭合构型。当希望打开阀116、118之一时，摇臂142转动(图3中逆时针)以便下压弹簧140和阀杆120。摇臂142通过杆144的往复运动和转动凸轮146的方向而这样转动。凸轮146安装在与曲轴114一起转动的凸轮轴148上。这里，重要的是注意到，前述描述了顶阀类型的发动机，但空动装置还可以容易地被设计成与顶置凸轮设计等一起使用。
如果杆144简单地是实心金属件，阀116、118将在每次凸轮146回转时打开，并且在每次凸轮146经过杆144时通过弹簧140返回到闭合位置。但是，可以提供具有空动能力的凸轮随动件138来选择性地使阀116和118根据需要保持闭合。更特别地，如图4中最好地示出，具有空动能力的凸轮随动件138可以包括能够在气缸152内滑动并且通过弹簧154分隔的活塞150。如图3中最好地示出，活塞150可以包括适于接收阀杆144的杆座156。该配置提供一定量的间隙，使得当凸轮146转动时，其向上推动气缸152并且压缩弹簧154。由于弹簧154在那里以吸收气缸152的运动，活塞150不运动并且摇臂142也不运动，由此保持阀116、118闭合。换句话说，弹簧154不克服弹簧140的力以打开阀，由此气缸152相对于活塞150运动。
但是，当希望凸轮146打开阀116或118时，使得诸如发动机油的液压流体在入口158处进入空动装置138。如图4所示，入口158连接到在活塞150下方的挺杆空间160并且通过快速切断阀162在压力下保持就位。流体压力使得阀162向左运动(图4)以阻挡从挺杆空间160的出口通道。只要油连通到挺杆空间160并且通过切断阀162在压力下保持在这，活塞150和气缸152就相对于彼此刚性地保持就位并且由弹簧154提供的间隙无效。相应地，当凸轮146转动到与气缸152接合时，其向上运动并且活塞150和杆144也向上运动。杆144的向上运动导致摇臂142枢转并由此使得阀116或118打开。
在替代实施方式中，不必采用机械空动装置。例如，前述配置可以仅允许具有多个四冲程，例如四个、八个或十二个冲程的发动机循环。如果希望是诸如六个、十个等其他循环，或者出于其他原因，可以采用根据需要保持阀闭合的不同构型。这种配置可以包括使用电致动阀163，即，其仅在接收到来自处理器132的信号时选择性地打开。在其它实施方式中，可以采用诸如具有空动能力的凸轮随动件138和电阀致动器163等其它形式的能够选择性致动的阀致动器。如这里所使用的，“能够选择性致动的阀致动器”能够被控制以仅根据加强的燃烧循环的需要来打开进气阀和排气阀，而不是每次发动机的凸轮轴148转动都打开进气阀和排气阀。
由于这种结构就位，发动机100能够在正常工作时以传统的四冲程一燃烧循环操作，或者当希望废气后处理装置再生时转换到八冲程三燃烧循环或其它加强的燃烧循环。所有需要做的是处理器130使得具有空动能力的凸轮随动件138、电阀致动器163或其它能够选择性致动的阀致动器适当接合或断开。在所描绘的机械例子中，这是指当空动装置接合时将液压流体引至挺杆空间160并且将切断阀162保持闭合，但在其它实施方式中，可以采用包括但不限于弹簧、单向离合器、棘轮等任何数量的其它形式的空动装置。
在操作中，如本发明所教导的发动机操作和废气后处理装置再生的方法在图2的流程图中提及。如其中所示，第一步骤164可以是处理器132决定经过废气后处理装置102的⊿P是否在预定值之上。如果该触发条件满足，如步骤166中所示，这将指示废气后处理装置102变得饱和并且需要再生。当然，在替代实施方式中，可以利用包括但不限于上面公开的经过时间、RF信号强度以及测量的一氧化二氮、一氧化碳和碳氢化合物实施方式的其它触发条件。这通过处理器132将发动机100转换到八冲程或其它加强的燃烧循环开始，如步骤168所示。这时，具有空动能力的凸轮随动件138如步骤170中被选择性地接合，以保持阀116和118在第二、第三或更多组压缩和膨胀冲程且压缩冲程和膨胀冲程之间具有燃烧事件的过程中闭合。这又导致燃烧室108内的燃烧气体的温度如步骤172中所指示的升高至能够在步骤174中当被引导至废气后处理装置102时去除煤烟的足够高的温度。
如图所示，对经过废气后处理装置102的⊿P的这种监测是持续的，因为一旦升高温度的气体被引导通过废气后处理装置102，该方法立即返回到步骤164以再次确定经过废气后处理装置102的⊿P是否在预定水平之上。最终，将从废气后处理装置102去除充分的煤烟，以使经过废气后处理装置102的⊿P降至预定水平之下。
除了压降确定步骤164之外，或者代替压降确定步骤164，该方法还能够基于自最后一次再生的经过时间确定是否需要再生。该触发条件由步骤176所示。例如，如果发动机制造商知晓在发动机操作的每X数量小时就应当进行再生，那么一旦越过阈值，就可启动再生。在这种情况下，该方法随后将返回到步骤166。
在替代方案中，如果自最后一次再生的时间还未超过预定水平并且经过废气后处理装置的压降⊿P不在预定水平之上，那么处理器132可以确定不需要八冲程或其它加强的燃烧循环，并且如步骤178中所指示的返回到正常的四冲程循环操作。在所描绘的实施方式中，这又是指切断阀162打开并且由此空动装置138断开(参照步骤180)，使得阀116和118能够随着凸轮146的每次回转打开。
在另一种替代方案中，可以如步骤182中所指示的将所接收的RF信号的强度与存储在存储器中的阈值相比较。如果信号强度足够微弱，这将提示需要再生并且如步骤166中所指示的加强的燃烧循环能够开始。这将持续直到RF信号强度回复到阈值之上的强度，这时，能够如步骤178所指示的恢复正常的四冲程操作。
工业实用性
从前述可以看出这里公开的技术在诸如但不限于操作柴油发动机以便根据需要使废气后处理装置再生的多种设置中具有工业实用性。相对于使用诸如在发动机排气装置的下游且在废气后处理装置的上游的燃烧器或类似定位的微波发生器或电阻线圈的成本高的附加结构，本发明允许升高温度的气体直接在发动机气缸的燃烧室内产生并且直接连通到废气后处理装置。这样，不仅避免了现有技术的附加结构的成本，也避免了这些现有技术系统为了得到更有效的系统所要求的附加燃料或能量。
本发明的教导能够应用于任何新制造的柴油发动机，或者简单地通过增加空动装置、电阀致动器等并且对发动机处理器进行编程以确定何时要求再生以及何时接合和断开执行再生的结构以来改造现有发动机。
通过利用本发明的教导，提供了一种用以操作柴油发动机并且使与其相关联的废气后处理装置再生的成本有效的方法。相应地，能够满足针对柴油发动机废气的当前环境规定。

Claims (10)

1.一种操作具有废气后处理系统(102)的内燃发动机(100)的方法，包括：
以四冲程一燃烧模式操作所述发动机(100)；
响应于与所述废气后处理系统(102)的状况相关联的第一触发条件将操作模式转变成八冲程三燃烧模式；以及
响应于与所述废气后处理系统(102)的状况相关联的第二触发条件将操作模式转变回到所述四冲程一燃烧模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一触发条件在经过所述发动机(100)的废气后处理装置(102)的压降超过预定水平时出现。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一触发条件在自最后一次再生经过的时间被超过时出现。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一触发条件和第二触发条件涉及RF信号的相对强度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述八冲程三燃烧模式操作所述发动机(100)包括使用至少一个空动装置来选择性地禁止排气阀(118)和进气阀(116)中的至少一个的操作。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述空动装置是操作地将所述发动机(100)的转动凸轮(146)与连接到所述排气阀(118)和进气阀(116)中的一个的阀挺杆组件(126)断开的凸轮随动件(138)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述八冲程三燃烧模式操作所述发动机(100)包括使用电阀致动器(163)来选择性地禁止排气阀(118)和进气阀(116)中的至少一个的操作。
8.一种柴油发动机(100)，包括：
气缸(104)；
往复运动地安装在所述气缸(104)内的活塞(106)；
与所述气缸(104)操作地相联的进气阀(116)；
与所述气缸(104)操作地相联的排气阀(118)；
连接在所述排气阀(118)的下游的废气后处理装置(102)；
与所述进气阀(116)和排气阀(118)中的每个相联的能够选择性致动的阀致动器；以及
能够在希望所述废气后处理装置(102)再生时接合所述能够选择性致动的阀致动器的处理器(132)，所述处理器(132)在希望废气后处理装置(102)再生时使得所述发动机(100)采用加强的燃烧循环。
9.根据权利要求8所述的柴油发动机(100)，其中，所述加强的燃烧循环包括一进气冲程、三压缩冲程、三膨胀冲程和一排气冲程，其中，燃烧事件与每对压缩冲程和膨胀冲程相关联。
10.根据权利要求8所述的柴油发动机(100)，其中，所述能够选择性致动的阀致动器是具有空动能力的凸轮随动件(138)和电阀致动器(163)中的一种。
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