CN103608555A - 排放温度控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于双燃料发动机的排气系统（10），该发动机适合于以第一模式和第二模式运行，在第一模式中，发动机完全以液体燃料作为燃料，而在第二模式中，发动机主要地以气体燃料作为燃料，该系统包括：第一氧化催化剂（22）；第一温度传感器（30），适合于测量第一氧化催化剂的核心温度；以及控制器（32），用于控制发动机是否以第一模式或第二模式运行，其中，第一温度传感器被操作性地连接到控制器，由此如果第一氧化催化剂的核心温度处于预定温度之下，则控制器防止发动机以第二模式运转。

Description

排放温度控制
技术领域
本发明涉及一种用于借助发动机系统使用的排气系统，且尤其涉及一种用于如双燃料发动机系统的多模式发动机系统的排气系统。本发明还涉及一种排气系统的催化剂组件形成部，以及包含该排气系统的发动机系统。
背景技术
双燃料发动机适合于以两种模式运行。典型地，第一种模式是柴油模式，其中发动机燃料完全是柴油燃料，而第二模式是气体燃料模式，其中发动机燃料主要是诸如天然气（甲烷）或丙烷等气体燃料，上述气体燃料借助相对少量的柴油来点燃。
本发明特别地但并非排他性地涉及一种排气系统，其用于包括依靠柴油以及如天然气等另一种燃料来运转的发动机的双燃料发动机系统。然而应理解，本发明涉及用于依靠任何组合式燃料来运转的任一种多模式发动机系统。
依靠液体燃料（如柴油）与气体燃料（如甲烷）的混合物来运行的诸如内燃式发动机这样的发动机需要保持燃料经济性以及发动机的发动机效率，同时减小不期望的废气的排放水平。随着人们普遍地更加了解碳氢燃料的消耗对环境和天气的灾难性影响，更加需要减少来自如重型货车等车辆的碳排放。一种能够减少这类排放的方法是以双燃料发动机来为这样的车辆提供动力，例如，双燃料发动机至少在部分的时间主要以甲烷作为燃料。
虽然制造能够依靠柴油和甲烷两者运行的发动机系统是公知的，但是出于经济原因，有很多现有的传统的柴油发动机不能简单地被替换。
因此，需要能够将原本被设计成例如依靠柴油来运转的现有的内燃式发动机转换成能依靠柴油或甲烷、或者两种或更多种燃料的结合来运转的双燃料发动机。
现有的柴油发动机，尤其是喷油器或共轨式的柴油发动机通过电子控制模块（ECU）来控制。这类ECU（被知晓为柴油ECU）控制注入到发动机内的柴油量。ECU包括由原始设备制造商（OEM）安装的基本上是三维数据组的发动机控制图，原始设备制造商允许柴油ECU根据多个参数确定被注入到发动机中的柴油量以及注入的时间。注入到发动机中的柴油量根据最普通的条件向发动机提供适当的能量。
公知的发动机系统包括多个传感器，这些传感器测量以下多个变量：
加速踏板位置；
进气歧管压力；
发动机温度；
车辆速度；
发动机速度；
发动机位置；
油压；以及
燃料压力。
传感器将与这些参数有关的信息提供给ECU。发动机控制图使ECU能够根据这些参数，并且与车辆上其他具有ECU的部件（如电子变速箱控制器，电子制动系统以及牵引力控制器）共同确定所需的燃料注入的水平。典型地，组成的ECU将通过控制器局域网（CAN）来共享信息，并且可对最终需要的燃料注入水平起作用。
柴油ECU根据测量到的参数，在预定的时间，通过向喷油器发送脉冲信号来指示每个发动机的喷油器，以将预定量的柴油注入到发动机中。喷油器通常由脉冲宽度来控制，因此脉冲宽度调制可用于改变注入到发动机中的燃料量。柴油ECU还借助多个喷油器中的每一个来控制柴油注入到发动机中的时间。
如果发动机适合于以第二模式运转（在第二模式中柴油与甲烷的混合物被用作发动机的燃料），则当发动机以第二模式运转时，ECU必须适合于指示每个柴油喷油器将较少的柴油注入到发动机中。
换言之，当发动机以第二模式运转时，每单位时间需要将比当发动机仅依靠柴油运转时更少的柴油注入到发动机中。在第二模式中，所需柴油量的减少由甲烷来补充，以便发动机系统具有充足燃料以第二模式运行。换言之，部分的柴油被气体所替代。
在世界上的大多数国家，存在限制例如由公路车辆产生的废气排放水平的规定。为了防止环境变得更加污染，这些规定变得越来越有必要。
以柴油作为燃料的发动机的排放气体中包含的主要污染物之一是氮氧化物（NOx）。如在本行业中公知的，NOx是用于单氮化物（mono-nitrogen，NO和NO2）的通用术语。
为了满足这样的排放规定，公知地是在柴油发动机的排气系统中使用被称为选择性催化还原（SCR）催化剂的催化剂，以便使排放气体中的NOx的水平能够降低。这类催化剂形成选择性催化还原（SCR）系统的一部分。公知的SCR系统包括与尿素结合使用的SCR催化剂。
选择性催化还原（SCR）系统是通过排放气体、还原剂与催化剂之间的化学反应从排放气体中去除氮氧化物的装置。
气体或液体还原剂（最常见的是氨水或尿素）被添加到排放气体流中。混合物随后被吸收到催化剂上。还原剂与排放气体中的NOx反应，从而形成无害的水蒸气（H20）和氮气（N2）。
公知地是使用钒基催化剂或者带有沸石的催化剂作为SCR系统中的SCR催化剂。
钒催化剂趋向于在600℃以上的温度失活；而包含沸石的催化剂则在更高的温度下更为耐用，并且因此，除短暂地暴露到750℃到800℃之间的温度之外，通常还能够承受在650℃以上的温度下长期的工作。
另外公知的是使用铁和铜来替换沸石催化剂与作为还原剂的尿素一起，以形成有效率的SCR系统。
SCR催化剂当然可由任何适当的材料来形成。
当NOx与反应物（尿素或氨水）反应时，发生以下化学反应：
6NO+4NH3→5N2+6H2O
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
当尿素被用作反应物时，尿素的水溶液被注入到排放气体流中并蒸发。这以后由于尿素的分解而产生氨水和二氧化碳。由于与使用氨水关联的毒性以及由此产生的处理问题，优选地使用尿素而不是氨水。
当内燃式发动机以第二模式运转并以甲烷作为主要燃料时，排放气体中包含的主要污染物是未燃烧的甲烷。公知的是使用甲烷氧化催化剂，以便减少在这种排放气体中的甲烷。甲烷氧化催化剂使未燃烧的甲烷能够与氧气反应以产生二氧化碳和水。
一旦排放气体已经经过甲烷催化剂，则排放气体的温度将根据发动机运转的模式而改变。当发动机以第二模式运转时，主要依靠甲烷，过量的甲烷将经过甲烷催化剂来氧化。这一反应会产生热量，因此将排放气体温度增加到450℃-650℃。另一方面，当发动机以柴油为主要燃料的第一模式运转时，将不会有需要被氧化的过量的甲烷，因此，排放气体的温度将大体上保持在250℃-450℃。
公知的是，甲烷氧化催化剂典型地仅在最小“起燃”温度或该温度之上有效地工作。该温度根据涂层而典型地大约为350℃到475℃。
为了确保甲烷氧化催化剂实现最佳的转换效率，重要的是确保氧化催化剂在发动机被允许以第二模式运转之前已经达到它的起燃温度。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种用于双燃料发动机的排气系统，该发动机适合于以第一模式和第二模式运行，在第一模式中，发动机完全以液体燃料作为燃料，而在第二模式中，发动机主要以气体燃料作为燃料，该系统包括：第一氧化催化剂；第一温度传感器，适合于测量第一氧化催化剂的核心温度；以及控制器，用于控制发动机是否以第一模式或第二模式运行，其中，第一温度传感器被操作性地连接到控制器，由此如果第一氧化催化剂的核心温度在第一预定温度之下，控制器就会防止发动机以第二模式运转。
第一预定温度可以是用于催化剂的“起燃”温度。
借助第一温度传感器，能够监测第一氧化催化剂的核心温度。
温度传感器被操作性地连接到控制器，控制器控制发动机是否转换成双燃料模式或者运行的第二模式。
根据本发明的第二方案，提供一种包括多模式发动机系统的发动机系统，该多模式发动机系统包括适合于以多个不同的模式运行的发动机，上述多个不同的模式包括第一模式和第二模式；在第一模式中，发动机基本上完全以第一燃料作为燃料；而在第二模式中，发动机基本上完全以第二燃料作为燃料，或以第一燃料与第二燃料的混合物作为燃料，该发动机包括：第一发动机控制单元（ECU），用于当发动机以第一模式运行时控制第一燃料进入发动机中的流量；多个第一传感器，被操作性地连接到第一ECU，每个第一传感器适合于检测第一变量，并且根据检测到的第一变量的值发出第一输入信号；以及第二ECU，被操作性地连接到第一ECU；其中，第一ECU包括：信号接收器，用于接收第一输入信号；以及输出部，用于根据第一输入信号发出第一输出信号，该第一输出信号确定供应到发动机的第一燃料的量，第二ECU适合于当发动机以第二模式运行时修改第一输出信号，以产生第一修改信号和第二计算信号；第一修改信号确定当发动机以第二模式运行时被供应到发动机的第一燃料的量，而第二计算信号确定当发动机以第二模式运行时被供应到发动机的第二燃料的量；其中，发动机系统包括排气系统，该排气系统包括：第一氧化催化剂；第一温度传感器，适合于测量第一氧化催化剂的核心温度，第一温度传感器被操作性地连接到第一ECU，由此如果第一氧化催化剂的核心温度处于第一预定温度之下，则第一ECU防止发动机以第二模式运转。
根据本发明的第二方案的发动机系统可包括双燃料发动机系统，并且可适合于在第一模式中依靠柴油运转，而在第二模式中基本上依靠甲烷、或甲烷与柴油的混合物运转。
在这种发动机系统中，第一温度传感器可被认为是操作性地连接到第一ECU的多个第一传感器之一。因此，第一温度传感器发出取决于第一氧化催化剂的核心温度的第一输入信号。
根据本发明的第三方案，提供一种催化剂组件，其包括：第一氧化催化剂；以及第一温度传感器，适合于测量氧化催化剂的核心温度，并且根据氧化催化剂的核心温度的值发出第一输入信号，而且确定氧化催化剂的核心温度是否处于第一预定温度之下。
根据本发明的第四方案，提供一种用于控制根据本发明的第二方案的发动机系统的运行的方法，该方法包括以下步骤：测量第一氧化催化剂的核心温度；并且如果第一氧化催化剂的核心温度处于第一预定温度之下，则防止发动机以第二模式运转。
在排气系统构成其一部分的双燃料发动机的运行期间，第一温度传感器监测第一氧化催化剂的核心温度。然后，第一温度传感器向控制发动机的运行的控制器发送信号，以向控制器通知第一氧化催化剂的核心温度。如果第一氧化催化剂的核心温度处于第一预定温度之下，则控制器将防止发动机进入双燃料模式。
一旦已经达到第一预定温度，则双燃料运行即可开始。然而，如上所述，控制器还将从监测发动机系统的其他参数的其他传感器接收信号。这就是说，如果被操作性地连接到控制器的任何传感器向控制器发送表明发动机系统不适于进入双燃料模式的信号，则发动机系统就将保持在第一模式中。
如果第一氧化催化剂的核心温度下降到第一预定温度之下，发动机将恢复回运行中的完全以柴油作为燃料的第一模式。发动机将保持以第一模式运行，直到第一氧化催化剂的核心温度已经超过第一预定温度为止。
在本发明的一些实施例中，例如还可限定第二预定温度，第二预定温度以约10℃到15℃的温差不同于第一预定温度。借助这样的系统，能够产生一定程度的滞后，以防止在第一模式与第二模式之间产生快速振荡。
换言之，在限定了第一和第二预定温度的系统中，如果第一氧化催化剂的核心温度下降到第一预定温度之下，则发动机可还原回运行的第一模式，并且发动机可保持以第一模式运行，直到第一氧化催化剂的核心温度已经超过高于第一预定温度的第二预定温度为止。
在其他系统中，即使第一氧化催化剂的核心温度已经下降到第一预定温度之下，发动机也可保持在运行的第二模式中，并且仅当第一氧化催化剂的核心温度下降到低于第一预定温度的第二预定温度之下时，可恢复回运行的第一模式。在这样的系统中，发动机可保持在运行的第一模式中，直到第一氧化催化剂的核心温度超过第一预定温度为止。
因此，借助本发明，如果第一氧化催化剂的核心温度不够高，则防止发动机以第二模式运转。这样能够防止、或降低从排气系统排放以及排放到环境中的废气流中的过量甲烷的水平。
本发明可适用于任何双燃料式发动机系统，但是尤其适用于使用包括甲烷的液体燃料的双燃料发动机。当用于这样的双燃料发动机系统时，氧化催化剂包括甲烷氧化催化剂。
排气系统可包括第二氧化催化剂，第二氧化催化剂与第一氧化催化剂一起形成氧化组件。
在本发明的这类实施例中，第一和第二氧化催化剂可被彼此间隔开，并且被设置在氧化催化剂壳体中。
在这类实施例中，第一温度传感器可被设置在第一氧化催化剂与第二氧化催化剂之间。
排气系统还可包括位于氧化催化剂或氧化催化剂组件的下游的选择性催化还原催化剂（SCR）。如上所述，SCR催化剂适合于从排放气体去除氮氧化物。然而，由于借助氧化催化剂/组件的甲烷进行的氧化是放热反应，所以经过氧化催化剂/组件的气体的温度将高于它们经过催化剂/组件之前的气体的温度。
在某些发动机条件下，从氧化催化剂/组件排放的气体的温度可超过SCR催化剂为实现其最佳转换效率而言的最佳温度。
因此，排气系统可包括被设置在甲烷氧化催化剂/组件下游、以及SCR催化剂的上游的第二温度传感器。
例如，第二温度传感器可被设置在通向SCR催化剂的入口，不过其他位置也可以是适当的。
第二温度传感器也被操作性地连接到控制器，由此如果从甲烷氧化催化剂/组件排放的气体的温度超过第二预定温度，则控制器将会防止发动机系统转换至运行的第二模式。
当排气系统构成根据本发明的第二方案的发动机系统的一部分时，第二温度传感器可被认为是被操作性地连接到第一ECU的多个第一传感器之一，并且将根据检测到的温度的值来发出第一输入信号。
根据本发明的第四方案的方法还可包括以下步骤：测量从甲烷氧化催化剂/组件排放的气体的温度，并且如果这类气体的温度超过第三预定温度，则防止发动机系统以运行的第二模式运转。
优选地，排气系统包括输入部和输出部。
根据本发明的排气系统可构成其一部分的这种类型的双燃料发动机在第PCT/GB2008/003188号国际专利申请中被更详细地描述，其内容通过援引而合并。
附图说明
现在将参照附图，仅以示例方式进一步描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的排气系统的示意图；而且
图2是包含根据本发明的排气系统的发动机系统的示意图。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的实施例的排气系统概括地以附图标记“10”来指代。
排气系统包括输入部12和输出部14。在本实施例中，排气系统的输出部包括排气尾管16。排气系统包括氧化催化剂组件18；氧化催化剂组件18包括氧化组件20；在本示例中，氧化组件20包括第一甲烷氧化催化剂22和第二甲烷氧化催化剂24。氧化催化剂22、24被彼此间隔开并被包含在氧化壳体26中。
催化剂组件还包括SCR系统28，SCR系统28位于氧化催化剂组件18的下游。
排气系统还包括第一温度传感器30；在本实施例中，第一温度传感器30设置在第一氧化催化剂22与第二氧化催化剂24之间。第一温度传感器30被操作性地连接到控制器32，控制器32用于控制双燃料发动机系统的运行。如上所述，发动机系统适合于以两个模式之一运转，在第一模式中，发动机使用诸如柴油这样的第一燃料，而在第二模式中，发动机主要依靠诸如甲烷这样的气体燃料来运转。
第一温度传感器适合于监测第一氧化催化剂22和第二氧化催化剂24的中每一个的核心温度。
如上所述，甲烷氧化催化剂必须达到典型地大约为350℃的特定温度（起燃温度），以便实现最佳的转换效率。
因此，第一温度传感器30适合于监测第一和第二氧化催化剂两者的核心温度，并且如果这些氧化催化剂的温度还未达到起燃温度，或者下降到起燃温度之下，则防止发动机运行双燃料模式。
换言之，被操作性地连接到控制器32的第一温度传感器基于第一和第二氧化催化剂的核心温度向控制器发送数据。如果核心温度并不超过基于催化剂的起燃温度的预定温度，则控制器将防止发动机进入双燃料模式。
当发动机系统被首次启动时，第一温度传感器30将尤其有用。此时，第一和第二氧化催化剂可能需要一段时间来达到所需的温度。因此，借助第一温度传感器，双燃料运行可被暂停或延迟，直到由第一温度传感器监测到的核心温度已经达到预定温度为止。
在发动机系统运行期间，如果氧化催化剂的核心温度下降到预定温度之下，则由第一温度传感器传输到控制器的数据将使得控制器将发动机系统转换回第一模式，发动机系统在第一模式中完全依靠柴油运转。发动机将保持该模式，直到氧化催化剂的核心温度已经达到预定温度为止。然而，如果发动机系统的其他参数不适用于双燃料模式，那么双燃料运行将保持暂停。
如从图2能够看见的，并且如以上描述的，控制器将从监测发动机的不同参数的其他传感器接收数据，这些数据在图2中以附图标记“50”表示。当确定发动机应该以哪个模式运转时，控制器所接收到的所有数据均被纳入考虑范围。
在图1所示本发明的实施例中，排气系统还包括第二温度传感器34；第二温度传感器34位于催化剂组件的下游，但处在SCR催化剂28的上游。第二温度传感器也被操作性地连接到双燃料控制器，并且用于监测经过第一催化剂组件20的排放气体的温度。
因为第一催化剂组件中的甲烷的氧化是放热反应，所以排放情况下的温度将高于进入排气系统的气体的温度。因此，在以下某些条件下，这些排放气体的温度超过SCR系统的推荐温度，以便能够使SCR系统以其最佳效率工作。因此，第二温度传感器被设置在通向SCR催化剂的入口。排放气体的温度超过预定温度，而且由第二温度传感器传输到控制器的数据将会引起控制器将发动机系统从双燃料模式转换到其完全依靠柴油运转的第一模式。
作为对使双燃料模式暂停的替代方式，可在达到最大排放温度限制值时，减小甲烷的替代速率（substitution rate），以便减小进入排放的甲烷量并由此减小总体上排放气体的温度。

Claims (14)

1.一种用于双燃料发动机的排气系统，所述发动机适合于以第一模式和第二模式运行，在所述第一模式中，所述发动机完全以液体燃料作为燃料，而在所述第二模式中，所述发动机主要以气体燃料作为燃料，所述系统包括：第一氧化催化剂；第一温度传感器，适合于测量所述第一氧化催化剂的核心温度；以及控制器，用于控制所述发动机是否以所述第一模式或所述第二模式运行，其中，所述第一温度传感器能够被操作性地连接到所述控制器，由此如果所述第一氧化催化剂的核心温度处于预定温度之下，则所述控制器防止所述发动机以所述第二模式运转。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其中，所述气体燃料包括甲烷，并且所述第一氧化催化剂是甲烷氧化催化剂。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，还包括第二氧化催化剂，所述第一氧化催化剂和所述第二氧化催化剂形成氧化组件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，其中，所述系统还包括位于所述氧化催化剂或氧化组件的下游的选择性催化还原（SCR）催化剂。
5.根据权利要求4所述的排气系统，还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器能够被操作性地连接到所述控制器而且位于所述甲烷氧化催化剂与所述SCR催化剂之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统，包括输入部和输出部。
7.一种发动机系统，包括多模式发动机系统，所述多模式发动机系统包括适合于以多个不同的模式运行的发动机，所述多个不同的模式包括第一模式和第二模式，在所述第一模式中，所述发动机基本上完全由第一燃料作为燃料，而在所述第二模式中，所述发动机基本上完全由第二燃料、或由所述第一燃料与所述第二燃料的混合物作为燃料，所述发动机包括：
第一发动机控制单元（ECU），用于当所述发动机以第一模式运行时控制所述第一燃料进入所述发动机中的流量；
多个第一传感器，被操作性地连接到所述第一ECU，每个所述第一传感器适合于检测第一变量，并且根据检测到的第一变量的值发出第一输入信号；以及
第二ECU，被操作性地连接到所述第一ECU；其中，所述第一ECU包括：信号接收器，用于接收所述第一输入信号；以及输出部，用于根据所述第一输入信号发出第一输出信号，所述第一输出信号确定被供应到所述发动机的第一燃料的量，所述第二ECU适合于当所述发动机以第二模式运行时修改所述第一输出信号，以产生第一修改信号和第二计算信号；
所述第一修改信号确定当所述发动机以所述第二模式运行时被供应到所述发动机的所述第一燃料的量，而第二计算信号确定当所述发动机以所述第二模式运行时被供应到所述发动机的所述第二燃料的量；所述发动机系统包括根据前述任一权利要求所述的排气系统。
8.一种催化剂组件，包括：第一氧化催化剂；以及第一温度传感器，适合于测量所述氧化催化剂的核心温度，并且根据所述氧化催化剂的核心温度的值发出第一输入信号，而且确定所述氧化催化剂的核心温度是否处于预定温度之下。
9.一种用于控制如权利要求7所述的发动机系统的运行的方法，包括以下步骤：测量所述第一氧化催化剂的核心温度，并且如果所述第一氧化催化剂的核心温度处于第一预定温度之下，则防止所述发动机以所述第二模式运转。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：测量从甲烷氧化催化剂/组件排放的气体的温度，并且如果这类气体的温度超过第三预定温度，则防止所述发动机系统以运行的第二模式运转。
11.一种基本上如参照附图被描述的排气系统。
12.一种基本上如参照附图被描述的发动机系统。
13.一种基本上如参照附图被描述的催化剂组件。
14.一种基本上如参照附图被描述的方法。
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