CN104487684A - 控制具有排放流体再循环装置和排放流体处理装置的发动机的操作的方法 - Google Patents

控制具有排放流体再循环装置和排放流体处理装置的发动机的操作的方法 Download PDF

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Abstract

一种发动机单元可以包括燃烧单元、排放流体处理装置和排放流体再循环装置。可能存在向排放流体处理装置提供未燃烧的燃料以用于在其中燃烧的原因。可能期望防止未燃烧的燃料进入排放流体再循环装置。描述了一种控制发动机的操作的方法。该方法可以包括：确认排放流体再循环装置的阀是关闭的，以及覆盖用于控制该阀的控制信号，以便确保在该阀的上游注入燃料以用于在排放流体处理装置中燃烧之前，该阀保持关闭。

Description

控制具有排放流体再循环装置和排放流体处理装置的发动机的操作的方法
技术领域
本发明涉及具有排放流体再循环装置和排放流体处理装置的发动机的领域。
背景技术
为了符合与来自内燃机的排放物有关的法规要求，众所周知，使排放流体再循环，以便提供在发动机中燃烧的进一步的机会，并且也提供排放流体处理装置以接收和处理由内燃机排出的排放流体。
诸如柴油发动机的内燃机可以涉及将燃料(如柴油机燃料)注入发动机的一个或多个气缸中，以用于燃烧。除了将燃料注入以用于燃烧之外，还可以为了燃料从一个或多个气缸流出而不会氧化的目的，将燃料注入一个或多个气缸，作为后燃烧事件。在将内燃机与排放流体处理装置一起使用时，这种技术可能是有用的。这可以允许未燃烧的燃料被输送到排放流体处理装置。未燃烧的燃料可以在排放流体处理装置中氧化，在期望增加排放流体处理装置中的温度时，或者在期望燃尽例如碳烟形式的未燃烧的碳时，这可能是有用的，其中碳烟可以聚集在排放流体处理装置的柴油机微粒过滤器中。
可能期望控制发动机，以便管理相结合的不准备在气缸中燃烧的燃料供应和排放流体再循环。这种发动机管理可以旨在最大化发动机效率、排放减少和系统可靠性中的任一种或全部。
针对该背景技术，提供了一种控制发动机的操作的方法。
发明内容
一种控制发动机的操作的方法，该发动机包括：
燃烧单元，其包括一个或多个燃烧气缸，该燃烧单元具有入口和出口；
排放流体处理装置，其被构造成从出口接收流体；
排放流体再循环装置，其包括用于燃烧单元出口与燃烧单元入口之间的流体连通的管道，并具有包括能够在完全打开位置与完全关闭位置之间移动的阀元件的阀，其中，阀元件在完全打开位置与完全关闭位置之间的位置确立阀打开的程度，并且其中，完全关闭位置被构造成防止流体在燃烧单元出口与燃烧单元入口之间的管道中流动；和
排放流体再循环控制器，其被构造成提供用于控制阀元件的位置的初级信号；
该方法包括：
确认阀处于完全关闭位置；
提供排放流体再循环阀应当保持在完全关闭位置的次级信号，其中次级信号覆盖初级信号；和
在阀的上游注入燃料以用于在排放流体处理装置中燃烧。
附图说明
图1示出了本发明的方法可以应用于其中的发动机的示意图，所述发动机包括燃烧单元、排放流体再循环装置和排放流体处理装置；
图2示出了图1的排放流体处理装置的示意图；
图3示出了图2的排放流体处理装置的更详细的示意图；
图4示出了图3的实施例的外观的示意图；
图5示出了说明本发明的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在图1中示出了本发明的方法可以应用于其中的发动机。发动机1000可以包括燃烧单元1010、排放流体再循环装置1020和排放流体处理装置1030。
燃烧单元1010可以包括用于将燃料和氧化气体(例如空气)接收进燃烧单元中的入口1011、用于在其中燃烧燃料的一个或多个燃烧气缸(未示出)和燃烧的产物(即排放流体)可以通过其流动的出口1012。
排放流体处理装置1030可以包括用于接收排放流体的入口1031和用于排出排放流体的出口1032，排放流体可能排到大气中或者用于进一步处理。排放流体处理装置1030可以包括在入口1031与出口1032之间的多个模块，其中每个模块旨在处理排放流体的一种或多种成分。这些模块可以串联设置，使得排放流体依次流过每个模块。由于本发明的方法可以应用于各种不同的排放流体处理装置中，因此在描述本发明的方法之后，下面论述了排放流体处理装置的一个可能的实施例的详细说明。
排放流体再循环装置1020可以包括管道1023和阀1025，阀1025具有能够在完全打开位置与完全关闭位置之间移动的阀元件。阀元件在完全打开位置与完全关闭位置之间的位置可以确立阀打开的程度。完全关闭位置可以被构造成防止流体在管道1023中流动。
燃烧单元1010的出口1012可以与排放流体再循环装置1020的入口1021以及排放流体处理装置1030的入口1031流体连通。排放流体再循环装置1020的出口1022可以与燃烧单元1010的入口1011流体连通。由此，流过燃烧单元1010的出口1012的排放流体可以流入排放流体处理装置1030的入口1031或者流入排放流体再循环装置1020的入口1021。然而，如果阀1025完全关闭，可以防止排放流体流过排放流体再循环装置的管道1023到达排放流体再循环装置1020的出口1022。由此，如果阀1025完全关闭，可以没有流体流过排放流体再循环装置1020返回到燃烧单元1010。另一方面，如果阀1025处于除了完全关闭的任何位置，可以有排放流体流入用于再循环的排放流体再循环装置1020，返回进入燃烧单元1010的入口1011中。
从燃烧单元1010的出口1012排出的、可以不流过排放再循环装置1020的排放流体可以流入排放流体处理装置1030中。
阀1025打开的程度可以控制从燃烧单元1010的出口1012排出的排放流体的比例，该排放流体穿过排放流体再循环装置1020的管道1023。也就是说，当阀1025仅略微打开时，与流入排放流体处理装置的流体的比例相比，流过排放流体再循环装置1020的流体的比例可以较小，但当阀1025完全打开时，流过排放流体再循环装置1020的流体的比例可以增加。
装置1000中的流体的压力可以通过回压阀(未示出)来控制。
本发明的方法可以涉及在燃烧单元1010上游注入一定量的燃料，以用于在排放流体处理装置1030中氧化。
需要未燃烧的燃料进入排放流体处理装置1030可能有很多可能的原因。一个可能的原因可能是通过在排放流体处理装置1030中的某一位置处或在该位置之前燃烧来增加在该位置处的流体的温度。另一原因可能是为了在微粒(例如碳烟)聚集的排放流体处理装置1030的区域中燃烧燃料，以便燃烧那些微粒。例如，这可以通过燃烧排放流体处理装置1030中的柴油机微粒过滤器中捕获的碳烟来构成该过滤器的再生。通过在燃烧单元1010的上游注入燃料(例如，注入到燃烧气缸中)，这避免了：除了燃烧单元1010上游的任何喷射器之外，还需要燃烧单元1010下游的单独的燃料喷射器。
可能期望避免未燃烧的燃料进入排放流体再循环装置1020。这可能是因为使排放流体再循环装置1020中具有未燃烧的燃料将导致燃烧单元1010中更浓的燃料与空气比，这是因为燃烧单元1010中的燃料将包括在排放流体再循环装置1020中再循环的燃料，再循环的燃料被注入是出于排放流体处理装置1030中不同的燃烧目的。另一个希望避免未燃烧的燃料进入排放流体再循环装置1020的原因可能是为了避免：燃料覆盖管道1023的内部并可能由此引起意外的行为。
还可能期望，在某些条件下，通过打开阀1025，使排放流体重新进入燃烧单元1010，以便允许排放流体中的一些从燃烧单元出口1012通过，沿排放流体再循环装置1020的管道1023，到燃烧单元1010的入口。
需要排放流体重新进入燃烧单元1010可能有很多可能的原因。例如，可能期望增加燃烧单元1010中的流体的温度。另一原因可能是通过使能量转移离开涡轮来防止与发动机1000相关联的涡轮超速。又一原因可能是减少NOx的产生。
本发明的方法涉及以协同的方式控制：(a)在燃烧单元1010的上游的燃料的注入，以用于在排放流体处理装置1030中燃烧(也称为HC配量)和(b)排放流体再循环阀1025的位置。在图5中以流程图的形式示出了该方法的一个实施例。
第一高级控制系统可以提供指定阀元件1025的期望位置的初级信号。第二高级控制系统可以提供指示期望在燃烧单元1010的上游注入一定量的燃料以用于在排放流体处理装置1030中燃烧的信号(见流程图要素520)。指示期望注入未燃烧的燃料以用于在排放流体处理装置1030中燃烧的信号可以受各种不同的因素影响，包括排放流体处理装置1030中的行为、排放流体处理装置1030的维修需求、排放流体的温度和流速。如果不需要任何的未燃烧的燃料，则初级信号仅用于确定阀位置(见流程图要素530)。
如果请求未燃烧的燃料，则为了实现避免未燃烧的燃料经过排放流体再循环装置1020的目的，该方法可以涉及检查以确认阀1025完全关闭(流程图要素540)。
该方法还可以包括提供次级信号以覆盖初级信号(流程图要素560)，其中，次级信号指定阀元件1025必须保持关闭，而不管初级信号。
以这种方式，该方法可以确保一旦满足这些条件，则发送信号(流程图要素580)：在燃烧单元1010的上游注入燃料，以用于在排放流体处理装置1030中燃烧。
次级信号可以有效地充当“锁”，当其被应用时，防止阀元件从完全关闭位置移开。
该方法还可以包括结束次级信号覆盖初级信号的过程。具体地，该方法可以涉及检测需要使用排放流体再循环的即将出现的条件(流程图要素590)。这样的条件可能包括与发动机相关联的涡轮的预期的将来的超速。涡轮的超速可以通过排放流体再循环来防止。使用排放流体再循环需要阀元件处于除了完全关闭位置以外的位置。一旦检测到该条件，则该方法可以包括停止在燃烧单元1010的上游注入燃料以用于在排放流体处理装置1030中燃烧。该方法可能需要等待第一预定时间段(流程图要素600)，其可以被定义为预测为必要的一段时间，以便之前注入的未燃烧的燃料可能已经进入排放流体处理装置1030。一旦经过了预定时间段，则该方法可以包括允许初级信号覆盖次级信号(流程图要素530)。
以这种方式，可以有效地禁用“锁”特征，这可以允许阀元件响应于其它控制要求来移动。
第一预定时间段可以与燃烧单元1010中的流体的流速相关。为此，可能期望指示燃烧单元1010中的流体的流速的值。更具体地，该值可以指示通过燃烧单元1010的流体的质量流量(kg/h)，或者可以指示燃烧单元1010中的流体的空间速度(s-1)。根据合适的传感器的位置，可能基于对燃烧单元1010上游或下游的流体流动进行的测量来预测该数据值。
指示燃烧单元1010中的流体的流速的流速数据值可能使用与位于发动机的流体(空气)进口的质量流体流量传感器相结合的模型来获得。该模型可以将下述各项考虑在内：进入发动机的流体(空气)的流量、注入发动机的燃料的体积、任何潜在的排放流体再循环和任何其它相关的参数，以便估计流体的流速。
代替一个或多个质量流体流量传感器，或者除了一个或多个质量流体流量传感器之外，可以提供温度传感器和压力传感器的组合，可以通过该组合实时地或者通过参考模型、查找表或类似物来计算流体的流速。例如，通过测量燃烧单元附近或燃烧单元内的流体(空气)进口的温度和压力以及排放流体的温度和压力，可以估计流过燃烧单元的质量流体流量。这种估计可以涉及模型、查找表或类似物。
可以结合与流动路径的几何结构和该装置的其它特征相关的参数，来使用质量流量值(kg/h)，以估计流动路径中的流体的空间速度(s-1)。
为了该目的和/或为了其它目的，发动机控制单元可以采集这些数据中的一些或全部。为了该目的和/或为了其它目的的模型和/或查找表可以存在于发动机控制单元中。
本发明的方法可以应用于包括排放流体再循环装置1020和排放流体处理装置1030的各种不同的发动机1000。图2至4示出该方法可以应用于其中的排放流体处理装置1030的一个示例实施例。对于本发明的方法而言，该示例实施例的许多特征并不是必要的。
图2至4的排放流体处理装置1030可以包括管道，该管道包括流体流动路径，通过该流体流动路径，流体可以依次流过第一管道10、第一端联接件15、第二管道20、第二端联接件25和第三管道30。第一管道10、第二管道20和第三管道30可以大致相互平行。
流体流动路径可以包括：串联的柴油机氧化催化器(DOC)模块110、柴油机微粒过滤器(DPF)模块120、混合器模块130、选择性催化还原(SCR)模块140和/或氨氧化催化器(AMOX)模块150。
在使用时，可以经由入口1031将流体提供给排放流体处理装置1030。流体可以进入第一管道10的第一部分中的DOC模块110。
DOC模块110可以包括一种或多种催化剂(例如钯或铂)。这些材料用作催化剂，以使存在于流体流动中的碳氢化合物([HC])和一氧化碳(CO)氧化，以便产生二氧化碳(CO2)和水(H2O)。这些催化剂可以按照使催化剂材料的表面积最大化的方式来分布，以便提高催化剂在催化反应中的有效性。
流体可以从DOC模块110流到DPF模块120，DPF模块120包括旨在防止碳烟的形式的碳(C)向前通过的特征。由此流体中的碳微粒可以被捕获在过滤器中。DPF模块120可以通过已知的再生技术来再生。这些技术可以涉及控制以下各项中的一个或多个：在该装置的这点处的流体的温度、流体的压力和流体中未燃烧的燃料的比例。
流体可以从DPF模块120流到第一端联接件，以便经过喷射器模块16。喷射器模块16可以与泵电子罐单元(PETU)相关联或者连接到泵电子罐单元。泵电子罐单元可以包括用于为通过喷射器要引入到排放流体中的流体提供储存器的罐。这些流体可以包括尿素或氨。
PETU还可以包括控制器，该控制器被构造为控制通过喷射器从罐中要注入的流体的体积。该控制器可以以例如可以从SCR模块140中的传感器得到的温度信息和NOx量的信息作为输入。
排出流体可以从喷射器模块16流到位于第二管道20中的混合器模块(未示出)。混合器模块可以包括用于确保将源自第一管道10的排放流体与源自喷射器16的排出流体很好地混合以产生混合流体的特征。
混合流体可以从第二管道20流过，并经由第二端联接件25进入位于第三管道的第一部分中的SCR模块。SCR模块140可以包括混合流体可以流过其中的一种或多种催化剂。随着混合流体经过催化剂的表面，可以发生将氨和NOx转化为双原子氮(N2)和水(H2O)的反应。
流体可以从SCR模块140流到位于第三管道30的第二部分中的AMOX模块150。AMOX模块150可以包括氧化催化剂，该氧化催化剂可以使离开SCR模块的流体中存在的残余氨反应以产生氮(N2)和水(H2O)。
流体可以从AMOX模块150流到位于第三管道30的第二端部32处的排放流体处理装置出口。
如图3所示，排放流体处理装置1030可以包括传感器，这些传感器用于检测在流体流过排放流体处理装置1030时的特定阶段的流体的特性。可以在DOC 110的上游存在第一温度传感器(未示出)，在DOC 110与DPF 120之间存在第二温度传感器190和/或在混合器模块130与SCR 140之间存在第三温度传感器191。可以在DPF模块120与喷射器16之间存在第一NOx传感器192，并且可以在AMOX模块150的下游存在第二NOx传感器193。还可以紧接在DPF 120的上游存在第一碳烟传感器194，并且可能紧接在DPF 120的下游存在第二碳烟传感器195。
如上所述，可能存在可能期望将旨在经过发动机气缸而未燃烧的燃料注入气缸中的各种原因和情况。一个另外的示例可以是期望实现位于DOC下游的SCR模块的脱硫，作为SCR脱硫过程的一部分。这种脱硫过程可能需要SCR中的温度增加，以便硫燃烧。SCR中的温度增加可以通过以下方式来实现：将未燃烧的燃料注入DOC(SCR的上游)中，以用于在DOC中燃烧，从而增加到达SCR的流体的温度。这种过程可以间歇地发生，并且可能只有在对这种过程的需求已经被确认为整个发动机控制的一部分时发生。本发明的方法可以用作该过程的一部分。
术语排放气体和排放流体可以互换地使用。排放气体/流体可以包括固体微粒，例如碳烟微粒，其在处于固相时可以被理解为排放气体/流体的成分。

Claims (12)

1.一种控制发动机的操作的方法，所述发动机包括：
燃烧单元，其包括一个或多个燃烧气缸，所述燃烧单元具有入口和出口；
排放流体处理装置，其被构造成从所述出口接收流体；
排放流体再循环装置，其包括用于所述燃烧单元出口与所述燃烧单元入口之间的流体连通的管道，并具有能够在打开位置与关闭位置之间移动的阀，其中，所述关闭位置被构造成防止流体在所述燃烧单元出口与所述燃烧单元入口之间的所述管道中流动；和
排放流体再循环控制器，其被构造成提供用于控制所述阀元件的位置的初级信号；
所述方法包括：
确认所述阀处于所述关闭位置；
提供所述排放流体再循环阀应当保持在所述完全关闭位置的次级信号，其中所述次级信号覆盖所述初级信号；和
在所述阀的上游注入燃料以用于在所述排放流体处理装置中燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述阀的上游注入燃料以用于在所述排放流体处理装置中燃烧的步骤包括：将燃料注入到所述一个或多个燃烧气缸中的一个或多个中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述一个或多个燃烧气缸的排气阀打开时，所述在所述阀的上游注入燃料以用于在所述排放流体处理装置中燃烧的步骤发生。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述阀的上游注入燃料以用于在所述排放流体处理装置中燃烧的步骤包括：在所述燃烧单元的下游注入燃料。
5.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括：
检测何时所述初级信号指示所述阀元件的除了所述完全关闭位置以外的期望位置；
停止所述注入燃料的步骤；
等待第一预定时间段；
允许所述初级信号覆盖所述次级信号。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，还包括：
检测何时所述初级信号指示所述阀元件的除了所述完全关闭位置以外的期望位置；
停止所述注入燃料的步骤；
等待第一预定时间段；
检查所述初级信号继续指示所述阀元件的除了所述完全关闭位置以外的期望位置是真还是假；并且，
当其为真时：使所述初级信号能够覆盖所述次级信号；
当其为假时：使所述次级信号能够覆盖所述初级信号。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中，所述第一预定时间段是固定时间。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述第一预定时间段取决于测量的或预测的流过所述燃烧单元的流体的质量流量。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述第一预定时间段取决于在之前的多次注入中注入的注入燃料的体积。
10.根据任一项前述权利要求所述的方法，还包括：
接收指示对排放流体再循环的需求的三级信号；
停止在所述阀的上游注入燃料以用于在所述排放流体处理装置中燃烧；
等待第二预定时间段；和
使所述初级信号能够覆盖所述次级信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述三级信号是由与所述发动机相联的涡轮增压器在速度上的增加超过阈值而引起的。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，所述第二预定时间段取决于对所注入的燃料进入所述排放流体处理装置花费的一段时间的预测。
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