CN103133102A - 用于控制排气温度的排气系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制排气温度的排气系统和方法。在本发明的一个实施例中，用于控制排气系统中的排气温度的方法包括确定从排气系统接收的排气的流量，确定排气的温度和确定排气的比热。方法还包括确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量，其中能量的量基于确定的排气的流量、温度和比热，以及传送信号以基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个。

Description

用于控制排气温度的排气系统和方法
技术领域
本发明涉及排气系统，且更具体地涉及用于在排气系统中的一个或多个选择的位置控制排气温度的方法和系统。
背景技术
内燃发动机的发动机控制模块控制供应给发动机的气缸的燃烧室的燃料和空气的混合物。在空气/燃料混合物点火之后，燃烧发生然后燃烧气体通过排气阀离开燃烧室。燃烧气体通过排气歧管引导到催化转换器或排气后处理系统的其它部件。一些发动机选择性地可包括强制空气引入装置，例如涡轮增压器，其位于排气歧管和排气后处理部件之间。
内燃发动机（尤其是柴油发动机）的制造商具有符合氮氧化物（尤其是一氧化氮）以及未燃和部分氧化烃、一氧化碳、颗粒物和其它颗粒的释放的当前和未来排放标准的有挑战任务。为了减少内燃发动机的排放，排气后处理系统用于减小来自从发动机流出的排气的颗粒。
排气后处理系统通常包括一个或多个后处理装置，例如颗粒过滤器、催化转化器、混合元件和尿素/燃料喷射器。在系统中流动的排气的温度的控制可能影响排气系统部件的性能。例如，在发动机启动之后，氧化催化剂可花费选定时间量来达到其“起燃”或操作温度。起燃温度是部件有效且高效地改变排气成分或从排气除去预计的颗粒的温度。在排气系统中选择的位置控制排气温度取决于系统部件和它们的构造。测试每个系统构造用于确定输入（例如燃料或空气流量）和排气温度之间的相关性。因此，排气系统和部件中的变化可导致显著的测试和数据记录，其然后用于确定和控制选择的位置处的排气温度。
发明内容
在本发明的一个实施例中，用于控制排气系统中的排气温度的方法包括确定从排气系统接收的排气的流量，确定排气的温度和确定排气的比热。方法还包括确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量，其中能量的量基于确定的排气的流量、温度和比热，以及传送信号以基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个。
在本发明的另一示例性实施例中，用于控制排气温度的系统包括构造成从涡轮增压器接收排气的导管，其中排气以一定流量流动，构造成确定排气温度的温度传感器以及构造成确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量的控制器，其中能量的量基于排气的流量、温度和比热。系统还包括构造成从控制器接收信号并基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个的第一阀。
本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点从本发明的以下详细描述结合附图显而易见。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种用于控制排气系统中的排气温度的方法，所述方法包括：
确定从排气系统接收的排气的流量；
确定排气的温度；
确定排气的比热；
确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量，其中能量的量基于确定的排气的流量、温度和比热；以及
传送信号以基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个。
2. 根据方案1所述的方法，其特征在于，确定排气的流量包括测量流量。
3. 根据方案1所述的方法，其特征在于，确定排气的温度包括测量温度。
4. 根据方案1所述的方法，其特征在于，预计的温度包括氧化催化剂有效地去除颗粒的温度。
5. 根据方案1所述的方法，其特征在于，传送信号包括传送第一信号以控制燃料流量和传送第二信号以控制空气流量。
6. 根据方案5所述的方法，其特征在于，燃料流量和空气流量被平衡以提供能量的有效添加。
7. 根据方案1所述的方法，其特征在于，排气装置包括氧化催化剂。
8. 一种用于控制排气温度的系统，所述系统包括：
构造成从涡轮增压器接收排气的导管，其中排气以一定流量流动；
构造成确定排气温度的温度传感器；
构造成确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量的控制器，其中能量的量基于排气的流量、温度和比热；以及
构造成从控制器接收信号并基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个的第一阀。
9. 根据方案8所述的系统，其特征在于，其包括构造成确定排气的流量的流量传感器。
10. 根据方案8所述的系统，其特征在于，排气装置包括氧化催化剂。
11. 根据方案10所述的系统，其特征在于，预计的温度包括在颗粒过滤器中氧化催化剂有效地燃烧颗粒的温度。
12. 根据方案8所述的系统，其特征在于，其包括构造成控制空气流量的第二阀，其中第一阀构造成控制燃料流量，并且其中控制器构造成传送信号以控制第一和第二阀。
13. 根据方案12所述的系统，其特征在于，燃料流量和空气流量被平衡以提供能量的有效添加。
14. 一种车辆，所述车辆包括：
构造成从发动机接收排气的涡轮增压器；
构造成从涡轮增压器接收排气的排气装置；
构造成确定进入排气装置的排气的流量的流量传感器；
构造成确定进入排气装置的排气的温度的温度传感器；
构造成确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量的控制器，其中能量的量基于排气的流量、温度和比热；以及
构造成从控制器接收信号并基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个的第一阀。
15. 根据方案14所述的车辆，其特征在于，排气装置包括氧化催化剂。
16. 根据方案15所述的车辆，其特征在于，预计的温度包括在颗粒过滤器中氧化催化剂有效地燃烧颗粒的温度。
17. 根据方案14所述的车辆，其特征在于，其包括构造成控制空气流量的第二阀，其中第一阀构造成控制燃料流量，并且其中控制器构造成传送信号以控制第一和第二阀。
18. 根据方案17所述的车辆，其特征在于，燃料流量和空气流量被平衡以提供能量的有效添加。
附图说明
其它特征、优点和细节在实施例的以下详细描述中仅通过示例的方式显现，详细描述参考附图，在附图中：
图1是示例性内燃发动机和相关的排气后处理系统的视图；和
图2是用于确定在排气系统中的选择的位置处获得预计温度的能量的量的示例性方法和系统的视图。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或使用。应当理解，相应的参考标记在全部的附图中表示类似或相应的部分和特征。如在此所使用的，术语“控制器”或“控制模块”指的是专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器（共享的、专用的、或组）和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的部件。
根据本发明的示例性实施例，图1示出了示例性内燃发动机100，在直列四缸发动机的例子中，发动机包括发动机缸体和气缸盖组件104，排气系统106，涡轮增压器108和控制模块110（也称作“控制器”）。内燃发动机100可以是柴油发动机或火花点火发动机。联接到发动机缸体和气缸盖组件104的是排气歧管118。另外，发动机缸体和气缸盖组件104包括气缸114，其中，气缸114接收燃烧空气和从燃料系统164供给的燃料的组合物。燃烧空气/燃料混合物被燃烧，从而导致位于气缸114中的活塞（未示出）的往复移动。活塞的往复移动旋转曲轴（未示出）以将原动力传输给车辆动力系（未示出）或发电机，或者在内燃发动机100的固定应用的情况下传输给这种动力的其它固定接收器（未示出）。空气/燃料混合物的燃烧引起通过排气歧管118和涡轮增压器108并进入排气系统106的排气流。在实施例中，涡轮增压器108包括压缩机叶轮123和涡轮机叶轮124，其由可旋转地置于涡轮增压器108中的轴125联接。
由气缸114内的燃烧产生的排气流122驱动涡轮增压器108的涡轮机叶轮124，由此提供能量以旋转压缩机叶轮123以产生压缩的空气充量142同时排气122从涡轮增压器108流到氧化催化剂（“OC”）126。在示例性实施例中，压缩的空气充量142由充量冷却器144冷却并且被引导经过流动控制装置（例如阀162）和导管146到进气歧管148。阀162联接到控制器110并且控制压缩的空气充量142的流量（例如，质量流量，g/s）。压缩的空气充量142提供额外的燃烧空气（当与非涡轮增压、自然吸气发动机相比）用于在气缸114中与燃料燃烧，由此改进内燃发动机100的动力输出和效率。
排气122流经排气系统106用于除去或减小颗粒并且然后被释放到大气中。排气系统106可包括催化剂，例如OC 126，和选择性催化还原（“SCR”）装置128，以及颗粒过滤器（“PF”）130。OC 126可包括例如流通式金属或陶瓷整料基底，其包覆在起泡垫或其它合适支撑件中，起泡垫或其它合适支撑件在加热时膨胀，从而紧固和隔离基底。基底可以包装在不锈钢外壳或罐中，其具有与排气导管或通道流体连通的入口和出口。氧化催化剂化合物可作为涂层涂覆且可包括铂族金属，例如铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）或其它合适氧化催化剂。SCR装置128还可包括例如流通式陶瓷或金属整料基底，其包覆在起泡垫或其它合适支撑件中，起泡垫或其它合适支撑件在加热时膨胀，从而紧固和隔离基底。基底可以包装在不锈钢外壳或罐中，其具有与排气导管流体连通的入口和出口。基底可包括涂覆到其上的SCR催化剂成分。SCR催化剂成分可包含沸石和一种或多种贱金属成分，例如铁（Fe）、钴（Co）、铜（Cu）或钒，其可以在存在还原剂（例如，氨（NH3））的情况下有效地操作以转换排气122中的NOx成分。NH3还原剂可以从流体供应源（还原剂供应源）供应且可以在SCR装置128上游的位置喷射到排气122中。还原剂可以是气体、液体、或含水尿素溶液的形式，且可以在喷射器中与空气混合以有助于所喷射喷流的分散。
颗粒过滤器（PF） 130可设置在SCR装置128的下游。PF 130操作以从排气122过滤碳和其它颗粒。在实施例中，PF 130可以使用陶瓷壁流式整料过滤器构造，其包覆在发泡垫或其它合适支撑件中，发泡垫或其它合适支撑件在加热时膨胀以紧固并隔离过滤器。过滤器可以包装在外壳或罐中，所述外壳或罐例如为不锈钢且具有与排气导管流体连通的入口和出口。陶瓷壁流式整料过滤器可具有由纵向延伸壁限定的多个纵向延伸通道。所述通道包括具有开口入口端和封闭出口端的入口通道子组，以及具有封闭入口端和开口出口端的出口通道子组。通过入口通道的入口端进入过滤器的排气122被推动以移动通过相邻的纵向延伸壁到达出口通道。通过该示例性壁流式机构从排气122过滤碳（煤烟）和其它颗粒。已过滤颗粒沉积在入口通道的纵向延伸壁上，且随着时间的经过，将具有增加内燃发动机100经受的排气背压的影响。PF 130内颗粒物的累积被周期地清洁，或再生以减小背压。应当理解的是，陶瓷壁流式整料过滤器本质上仅仅是示例性的，且PF 130可包括其它过滤器装置，例如缠绕或填充纤维的过滤器、开孔泡沫、烧结金属纤维等。OC 126、SCR装置128和PF 130均可具有选择的工作温度（也称为“起燃”温度），在该温度下装置有效地和高效地去除颗粒或改变排气。例如，SCR装置128具有用于接收的排气的工作温度，在这里装置在选择的温度或选择的温度之上将NO转化成NO2。此外，OC 126可用于在放热反应中燃烧碳氢化合物（“HC”），该放热反应用于燃烧颗粒以使在PF 130的累积的颗粒再生。PF 130再生的开始通常在选择的起燃或工作温度发生，其中放热反应使排气122的温度到达起燃温度。
在示例性内燃发动机100中，控制模块110与涡轮增压器108、充量冷却器144、燃料系统164、传感器158和168，和排气系统106信号通信，其中控制模块110配置成使用各种信号输入控制各种过程。在实施例中，控制模块110被配置用来接收来自传感器158和168的信号输入，其包括信息，例如温度（进气系统、排气系统、发动机冷却剂、环境等等），压力、排气流量、煤烟水平、NOx浓度、排气成分（化学成分）和其他参数。控制模块110被配置用来基于感测的参数执行选择的过程或操作，例如基于获得用于进入OC 126的排气122的预计或目标温度所需的能量控制燃料166的流量和/或空气（压缩空气充量142）的流量。在实施例中，控制器110基于排气122的温度和流量的确定来确定所需的能量。示例性传感器158邻近OC 126的入口放置并可包括一个或多个传感器以确定排气参数，包括流量和温度。排气温度和流量可由任何合适的方法（例如建模、公式和/或传感器测量）确定。
在实施例中，OC 126，SCR装置128和PF 130在选择的温度更有效地处理排气（即，去除颗粒或改变排气组分）。特别地，进入SCR装置128的排气122在基底上的氧化催化剂成分能够在排气中将NO转化为NO2的温度下更有效地处理排气。在实施例中，布置也使得能够改进流入SCR装置128和OC 126下游的PF 130的排气122的温度控制，并且改进那些成分的性能。相应地，描述的系统与方法在排气系统106中的各个位置处改进排气温度的控制以改进排气处理和效率。应当注意到排气系统装置的布置可以变化，其中装置包括OC 126、SCR装置128和PF 130。此外，除描述的装置之外，其他装置可包含在系统中，同时某些描述的排气装置可在一些实施例中被去除。示例性方法和系统使得能够改进各种排气系统配置的排气温度的控制。例如，在一些实施例中，方法用于首先确定进入OC 126的排气温度。在其他实施例中，方法用于首先确定进入SCR装置128的排气温度，其中系统不包括OC 126。
在实施例中，控制器110使用下面的基于时间的公式来确定获得预计或目标温度所需的能量的量，                                                
Figure 110058DEST_PATH_IMAGE001
其中
并且E(t)= 获得目标温度的能量，m=排气质量流量，CP=排气比热，Tctl=目标温度，Tact=测量的温度，R=排气质量流量X排气比热，L=吸热部件的质量（即涡轮增压器壳体，排气歧管）X那些部件的比热。
对于确定的能量的空气和燃料的相应的质量流量由下面的等式描述，
Figure 894661DEST_PATH_IMAGE003
和
其中m=空气或燃料的变化质量流量，Cpair=空气的比热容，Tair=环境空气温度和LHVfuel=燃料的低热值。
在实施例中，排气流量由传感器测量值确定而比热值是已知的值。在一个实施例中，比热值可使用除已知的值以外的测量的值确定。温度值指的是预计位置的测量或目标温度，例如OC 126入口附近处。环境空气温度可由传感器168确定，而燃料的低热值是柴油燃料的已知的值。
在实施例中，空气和/或燃料的质量流量的变化可基于效率或其他因素（即，排放等等）被平衡或分配。例如，燃料流量和空气流量均可变化以提供发动机系统中的可利用能量的最有效利用。在一个实施例中，被提供的能量可由仅一个参数的质量流量的变化（即，仅变化空气或燃料质量流）而提供。在另一实施例中，目标温度所需的能量的分数（例如一半）由空气质量流量调节提供而另一半由燃料质量流量调节提供。在例子中，每个质量流公式的分子值（“E(t)”）乘以0.5。相应地，由燃料和/或空气质量流量贡献的所需能量的比例可基于一个或多个因素调节，包括能量节约、平衡和效率。描述的布置提供用于平衡来自燃料和空气流的能量分配的灵活系统和方法以在排气系统中的选择的位置处获得预计的温度。布置使得控制器能够调节空气或燃料流量以控制排气温度同时还考虑系统配置和部件中的变化。在其他排气系统实施例中，大量测试和校准用于提供数据，该数据用于为排气温度设计流量。对系统部件或构造的替代能够导致执行用于数据记录的长时间测试的时间花费。因而，实施例不为若干应用（即，不同车辆）或在排气系统的变化期间的排气温度控制提供灵活性。
图2是示例性方法和系统的图示200，其用于确定排气系统中选择的位置处获得预计温度所需的能量的量。在实施例中，方法用于确定获得由OC 126接收的预计排气温度所需的能量（图1）。在框202，确定了由排气系统接收的排气122的流量。流量可由任何合适的方法确定，例如由OC 126的入口附近的传感器158测量。在框204，选择的位置处的排气温度（例如OC 126的入口附近）由合适的方法确定，例如由传感器158测量。在框206，确定了排气122的比热。比热可以是基于查询表中的值的已知值。比热确定也可使用排气成分的测量值来确定比热。
在框208，在选择的位置获得用于排气122的预计（或目标）温度所需的能量的量被确定。能量可基于具有已知输入和测量的输入的公式（例如上述公式）确定。在框210，确定的能量的量用于确定进气质量流量和/或燃料质量流量中的相应的调节。提供的能量的量可基于若干因素（例如效率或可用燃料/空气）在空气质量流量和/或燃料质量流量的变化之间被分开或平衡。在框212，发送命令以控制空气流量，其中命令使框210中确定的质量空气流量的变化提供所需的能量。命令可以是信号来控制空气流动回路中的流动控制装置。在框214，发送命令以控制燃料流量，其中命令使框210中确定的质量燃料流量的变化提供所需的能量。在实施例中，命令可以是信号来控制燃料系统164中的流动控制装置。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解的是，可以作出各种变化且等价物可替代其元件，而不偏离本发明的范围。此外，可以作出许多修改以使得具体情况或材料适合于本发明的教导，而不偏离其实旨范围。因而，本发明并不旨在限于所公开的具体实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制排气系统中的排气温度的方法，所述方法包括：
确定从排气系统接收的排气的流量；
确定排气的温度；
确定排气的比热；
确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量，其中能量的量基于确定的排气的流量、温度和比热；以及
传送信号以基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定排气的流量包括测量流量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定排气的温度包括测量温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预计的温度包括氧化催化剂有效地去除颗粒的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，传送信号包括传送第一信号以控制燃料流量和传送第二信号以控制空气流量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，燃料流量和空气流量被平衡以提供能量的有效添加。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，排气装置包括氧化催化剂。
8.一种用于控制排气温度的系统，所述系统包括：
构造成从涡轮增压器接收排气的导管，其中排气以一定流量流动；
构造成确定排气温度的温度传感器；
构造成确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量的控制器，其中能量的量基于排气的流量、温度和比热；以及
构造成从控制器接收信号并基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个的第一阀。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，其包括构造成确定排气的流量的流量传感器。
10.一种车辆，所述车辆包括：
构造成从发动机接收排气的涡轮增压器；
构造成从涡轮增压器接收排气的排气装置；
构造成确定进入排气装置的排气的流量的流量传感器；
构造成确定进入排气装置的排气的温度的温度传感器；
构造成确定获得用于进入排气装置的排气的预计温度所需的能量的量的控制器，其中能量的量基于排气的流量、温度和比热；以及
构造成从控制器接收信号并基于确定的能量的量控制燃料流量或空气流量的至少一个的第一阀。
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