CN104822914B - 还原剂喷射控制系统 - Google Patents

Abstract

一种废气系统，其包括多个废气处理装置、用于将废气处理流体投入到废气流中的多个喷嘴以及用于控制多个喷嘴中的每一个的控制器。所述控制器基于废气流率和废气流温度其中的至少一项主动控制由多个喷嘴中的每一个投入到废气流中的废气处理流体的量。

Description

还原剂喷射控制系统

技术领域

本发明涉及一种废气处理流体喷射控制系统。

背景技术

本节提供涉及本发明的背景信息，该背景信息不一定为现有技术。

已知内燃机产生可能对环境有害的废气。在减少引擎可能具有的对环境的影响的努力中，废气后处理系统经历了全面的评估和发展。有助于处理引擎废气的多种构件包括氧化和还原催化剂。根据引擎设备的大小，所述构件的成本极大地增加。在这方面，例如，诸如机车、船舶和大马力固定设备的大引擎设备能产生大致比牵引车引擎设备更多的废气。废气后处理系统因此在规模上通常很大，以满意地减少这些大型规模设备产生的有害排放。然而，当后处理系统的规模增加，生产、安装和维修此类系统的成本极大地增加。因此，需要生产在规模上更常规同时仍然能减少大型引擎设备所排放的有害气体排放的效果的废气后处理系统。

发明内容

本节提供本发明的总体概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面的公开。

本发明提供废气系统，其包括多个废气处理装置、用于将废气处理流体投入到废气流中的多个喷嘴以及用于控制多个喷嘴中的每一个的控制器。基于废气流率和废气流温度中的至少一项，控制器主动地控制通过多个喷嘴中的每一个被投入到废气流中的废气处理流体的量。

进一步适用的领域将通过在此提供的描述变得显而易见。本发明内容中的描述和实施例的目的仅在于说明，而不是限制本发明的范围。

附图说明

在此描述的附图仅作为所选实施方式而非所有可行实施的说明用途，并且不旨在限制本发明的范围。

图1是根据本发明的原理的废气系统的示意图；

图2是根据本发明的原理的废气系统的示意视图；

图3是表示图2的废气系统中的示例性监控温度的图表；并且

图4是根据本发明的原理的废气系统的示意图；

遍及附图的多个视图，相应的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

将参考附图更全面的描述示例实施方式。

图1示意性地说明了根据本发明的废气系统10。废气系统10至少包括连通燃料源14的引擎12，燃料源14一旦被消耗，将产生废气，该废气被排进具有废气后处理系统18的废气通道16。一般来说，废气后处理系统18位于引擎12的下游并且可包括柴油氧化催化(DOC)构件20、柴油颗粒过滤(DPF)构件22和选择性催化还原(SCR)构件24。废气后处理系统18可进一步包括诸如加热装置或燃烧炉26的构件，以提升穿过废气通道16的废气的温度。提升废气的温度有利于在寒冷天气条件下以及在引擎12启动时实现DOC和SCR构件20和24中的催化剂的点火，同时也有利于在需要时引发DPF22的再生。为了提供燃料给燃烧炉26，燃烧炉可包括连通燃料源14的进口管路28。

DPF24可被作为废气处理构件以过滤存在于废气14中的烟尘和任何其他颗粒物。当烟尘和其他颗粒物开始堵塞DPF24的小孔(未示出)时，DPF24却能通过升高废气的温度而烧掉来自DPF24的过量的烟尘和颗粒物的方式被清洁(即再生)。出于上述理由，燃烧炉26优选地位于DOC20、SCR24以及DPF22的各自的上游。然而可以理解的是，DPF22可位于DOC20的上游以及SCR24的上游，并且包括用于再生目的DPF22的其自身特定的燃烧炉，同时第二燃烧炉(未示出)可位于DOC20的上游和SCR24的上游。用于DOC20、SCR24和DPF22中的每一个的替代实施方式包括特定的燃烧炉。

为了帮助减少引擎12产生的排放量，废气后处理系统18可包括用于将废气处理流体周期性地喷射到废气流中的喷嘴30和32。如图1所示，喷嘴30可位于DOC20的上游，并且可操作地喷射至少帮助减少废气流中的NOx的碳氢化合物废气处理流体。在这方面，喷嘴30通过进口管路34与燃料源14流体连通，以将诸如柴油燃料的碳氢化合物喷射到DOC20的上游的废气通道16中。喷嘴30还可通过回流管路36连通燃料源14。回流管路36容许任何未被喷射到废气流中的碳氢化合物流回燃料源14。流过进口管路34、喷嘴30和回流管路36的碳氢化合物的流动还有助于冷却喷嘴30，以使喷嘴30不会过热。然而，也可考虑其他类型的冷却。例如，喷嘴30可设置冷却套(未示出)，冷却剂可在冷却套中通过以冷却喷嘴30。

喷嘴32可用于将诸如尿素的废气处理流体喷射到在SCR24的上游位置的废气通道16中。喷嘴30通过进口管路40与还原剂箱38连通。喷嘴32还通过回流管路42与箱38连通。回流管路42容许任何没有喷射进废气流的尿素回流到箱38。与喷嘴30相同，流过进口管路34、喷嘴32和回流管路42的尿素的流动还有助于冷却喷嘴32，以使喷嘴32不会过热。然而，喷嘴32也可以相似于喷嘴30的方式设置冷却套(未示出)。

控制器44可被设置为控制废气系统18的多个部件，包括引擎12和废气处理系统18。具体地，关于控制废气处理系统18的元件，控制器44可操作地控制燃烧炉26和喷嘴30和32。为了控制这些元件中的每一个，多种传感器(未示出)可设置在遍及废气处理系统18的位置，以监控例如废气温度、NOx浓度、压强、流率、废气处理流体的温度和压强等。

用于机车、船舶设备和固定设备的大型柴油引擎可具有超过如图1示意性地示出的单个废气管路的容量的废气流率。因此，废气系统10可被设计为包括废气后处理系统，该废气后处理系统是具有多个废气管路的多支路系统，其中每个废气管路都具有DOC20、DPF22和SCR24。在图2中，示意性地示出了示例性多支路废气后处理系统50。

从而，尽管对于碳氢化合物喷射仅示出了单个喷嘴30并且对于尿素喷射仅示出了单个喷嘴32，但是应该理解的是，本发明考虑了用于碳氢化合物喷射和尿素喷射的多个喷嘴。

在诸如机车、船舶和固定设备的大型引擎设备中，由于有效地处理在引擎12运行时大量产生的废气所需的规模，因此多种废气处理构件的生产可能成本昂贵。在此方面，例如DOC20、DPF22和SCR24的陶瓷基板的生产成本就非常高。当以非常大的尺寸生产时，DOC20、DPF22和SCR24的生产成本尤其高。因此，不制造在尺寸上与大引擎设备相称的大型废气处理构件，而可以将废气流分流到多个废气通道16，每个废气通道16均包括在规模上更常规的燃烧炉26、DOC20、DPF22和SCR24元件。

图2示意性地示出了多支路废气后处理系统50。多支路废气后处理系统50与产生较大的废气质量流率的大型引擎52连通。例如，大型引擎52可为在机车、固定和船舶设备中使用的引擎。由引擎52产生的废气进入可包括涡轮歧管56的废气通道54。在涡轮歧管56处，废气可被分到多个支路58中。应该理解的是，尽管图2中仅示出了三个支路58，本发明应该不被限制于此。在这方面，多支路废气处理系统50可包括一对支路58或比图2中所示的3个数量更多的支路58。进一步，尽管上述参考产生大量废气的大型引擎，但本发明对小型引擎同样适用，例如，在客运车辆、拖拉机等上使用的小型引擎。

每个支路58都可被配置为包括DOC20、DPF22和SCR24。更进一步，每个支路58都可包括用于提升废气流的温度的相应的燃烧炉26，以实现DOC20和SCR24中的催化剂的点火，并且在需要时实现DPF22的再生。此外，每个支路58可包括用于在DOC20和SCR24的各自的上游位置处喷射诸如碳氢化合物处理流体和尿素处理流体的喷嘴(未示出)。最后，与后处理系统18相似，每个喷嘴以及每个燃烧炉26可与控制器44连通，控制器44可操作地控制进入到废气流中的废气处理流体的喷射，并且控制每个支路58的燃烧炉26的操作。

控制器44容许多支路废气后处理系统50的严格的操作控制。在某些类似机车的设备中，通过知晓机车行驶的具体路线，能够提前预测引擎输出的每次增加和减少。例如，通过知晓机车行驶的具体路线，将提前知道轨道上的任何坡度变化(例如，高度变化)。使用这个信息，控制器44可被编程以识别出在高度增加处将经历引擎输出的增加，并且识别出在高度减少处将经历引擎输出的减少。据此，控制器44能够可操作地以更主动的方式来控制引擎废气的后处理。

例如，如果机车临近高度增加处，则控制器44能可操作地预测到在引擎输出增加以适应高度的增加期间会经历废气输出的增加。控制器44预测到引擎废气输出的增加即将到来，则能先发地通过喷嘴30和32增加进入到废气流的废气处理流体的投入。

可选地，如果机车临近高度降低处，则控制器44能可操作地预测到在引擎输出减少期间会经历废气输出的减少。控制器44随后能先发地通过喷嘴减少进入到废气流的废气处理流体的投入。

应该理解的是，控制器44不应该被限制为先发地控制多支路废气处理系统50。相反地，应该理解的是，控制器44还可以实时的方式可操作地控制多支路废气处理系统50。例如，多支路废气处理系统50可包括多个传感器，其包括例如温度传感器60、压力传感器62和NOx传感器64，该多个传感器遍及多支路废气处理系统50的不同位置且主动地连通控制器44。基于接收自每个传感器60、62和64的数据，控制器44可控制燃烧炉26，以增加废气的温度，以实现DOC20和SCR24中的催化剂的点火，或控制燃烧炉26再生DPF24。而且，控制器44可响应接收自NOx传感器64的数据增加或减少废气处理流体的投入。而且，控制器44可被使用于诊断废气处理系统50中的故障或错误。无论如何，应该理解的是，控制器44可被使用于以先发的和被动的方式控制废气后处理系统50。

下面将描述在多支路废气处理系统50中使用控制器44控制DPF22主动再生的例子。控制器44可操作为接收来自温度传感器60的温度数据，并且随着时间的推移监控废气温度。一般来说，优选的是，保持废气处理系统50的每个支路58为大致相同的温度。例如，参照图3，可优选的是，将每个支路58的温度保持在350C，以维持DOC20和SCR24(T0)的催化剂的点火。如果控制器44确定DPF22应该被再生(基于压力传感器读数等)，控制器44则指示每个燃烧炉26同时地将废气温度提升到例如650C，以再生DPF22(T1)。

随着燃烧炉26运行以再生DPF22，控制器44可确定至少一个DPF22被充分地再生，而其余的DPF22未被充分地再生。响应这个判断，控制器44可减少被再生的DPF22所位于的支路58(即是，图3中的支路1和3)中的燃烧炉26的操作，同时可继续支路2(图3)中的其余的燃烧炉26的操作，以再生其余的DPF22(T2)。可继续进行减少用于已再生的DPF22的燃烧炉26的操作的程序，直到每个DPF22都完全地被再生。每个DPF22再生之后，控制器44可指示每个燃烧炉26恢复到正常的操作，以将废气温度降低到任何所期望的水平(例如，350C)(T3)。通过这种方式控制燃烧炉26，燃烧炉26不再被操作为当不需要再生时以更高的容量再生DPF22，在此，可以实现节省燃料。

而且，以这种方式控制每个支路58中的燃烧炉26，可以操控通过每个支路58的废气的质量流。更具体地，在每个支路58中的温度下，可以由于每个支路58中的温度而影响废气质量流。例如，如果一个支路58中的温度显著地比另一个支路58的温度低，则更大质量的废气流趋向于流入较低温度的支路58。更具体地，随着废气进入较冷的支路，废气温度会变低，这会增加废气的密度。因为废气的密度会较低，所以与较高温度的支路58相比，每立方英尺的更大质量的废气可以流过较冷的支路。换言之，通过较冷的支路58的质量流率比通过较热的支路58的质量流率更大。因此，通过利用上述的控制方法，其中已完成再生的支路58中的温度保持上升，可以确保大致相等质量的废气进入到每个支路58，同时再生程序在其余的支路58中继续进行。

要明确的是，随着燃烧炉26被操作为再生DPF22，并且控制器44确定至少一个DPF22已被充分地再生，但其余的DPF22未被充分地再生，控制器44可减少被再生的DPF22所在的支路58中的燃烧炉26的操作，同时其余燃烧炉26可继续操作以再生其余的DPF22(T2)。被再生的DPF22所在的燃烧炉26的操作仅被减少(而不是被关闭)，以维持通过被再生的DPF22所在的支路58的充足的废气的质量流。而且，如果支路58中的温度与其他支路58相比过低，则废气可能趋向于流向较低温度的支路(即是，不再经历再生温度的支路)。通过将被再生的DPF22所在的支路58维持在升高的(即使是降低的)温度，可保持通过每个支路58的大致相等的废气质量流。一旦每个DPF22都被充分地再生，每个燃烧炉26就可被恢复到正常操作，以根据所需来降低废气温度(即是，降低到每个支路大约为350C的T3)。

在每个支路58中，作为使用燃烧炉26来提升温度的替代方案，应该理解的是，将碳氢化合物废气处理流体投入到每个支路58中也可用于操控支路58中的废气的温度。更具体地，如果一个支路58与其他支路58相比温度降低，则控制器44可指示较低温度的支路58的相关喷嘴30来增加进入到较低温度的支路58中的碳氢化合物废气处理流体的投入，以增加该支路中的废气温度，或者，控制器44可指示较高温度的支路58中的喷嘴30来减少进入到较高温度的支路58中的碳氢化合物废气处理流体的投入，以减少每个支路中的废气温度。无论如何，应该理解的是，通过每个支路58的废气质量流可基于每个支路58中的温度被操控。

目前参考图4，将描述另一个示例性废气处理系统66。废气后处理系统66包括被放置为与第二壳体70流体连通的第一壳体68。第一壳体68包括与引擎12的一个或多个燃烧气缸连通的进口72。在所述实施方式中，废气后处理系统66通常被形成在引擎12的顶部上方，以便引擎12产生的废气从引擎12向上流到进口72中。

第一壳体68包含多个DOC20a至20i，并且具有恒温箱结构。每个DOC20a至20i可对应于DPF22a至22f(仅示出了DPF22a至22f)。如上所述，废气会通过进口72进入壳体68。随着废气通过进口72进入壳体68，废气会分散遍布DOC20a至20i中的每一个，并且穿过DOC20a至20i，然后在从图4看到的自上而下的方向上穿过DPF22a至22i。如此，DOC20a至20i中的每一个和DPF22a至22i中的每一个都被并联放置，并且包括与内燃机12提供的废气连通的上游端。DPF22a至22i中的每一个都包括出口，或包括被放置为与其他柴油颗粒过滤出口并联的下游端。采集器74接收穿过DPF22a至22i中的每一个的废气。

第二壳体70的进口76与采集器74连通。多个SCR24a至24i被放置在第二壳体70中。更具体地，SCR24a、24b和24c限定第一SCR阵列78。SCR24d、24e和24f形成标识为附图标记80的第二SCR阵列。SCR24g、24h和24i形成第三SCR阵列82。在第二壳体70中，第一阵列78、第二阵列80和第三阵列82在轴向上被互相隔开。如即将描述的，SCR阵列78、80和82互相并联连接，以便在废气在第二壳体70的端部84处重聚之前，废气从采集器74流动穿过三个并联的通路。更进一步，在每个SCR阵列中的三个SCR被放置为相互并联。

随着从采集器74供应，废气进入第二壳体70的进口76。板86被设置在第二壳体70中，以将废气从进口76导向到三个通路中的一个。第一通路88包括延伸穿过板86的孔90，以容许废气穿过板86与SCR24a、24b和24c的上游端连通。一旦这部分废气穿过第一阵列78的并联的SCR，废气就穿过第一通路88的旁通部或第一管92。更具体地，第一管92的上游端和SCR24a、24b和24c的下游端相互连通。第一管92的下游端与第二壳体70的出口94的端部84连通。

第二通路96通过旁通部或第二管98将废气从采集器74提供到第二阵列80。被标识为第三管100的另一旁通部包括与SCR24d、24e和24f的下游端连通的上游端。第三管100的下游端将这部分废气流传输到出口94。

第三通路102给废气提供从采集器74穿过第三SCR阵列82然后自出口94离开的路径。第三通路102包括旁通部或第四管104，其具有穿过板86的进口或上游端，以及被设置为与SCR24g、24h和24i的上游端流体连通的下游端。在第三SCR阵列82中的SCR的下游端与出口94连通。流动穿过第四管104的废气不穿过第一阵列78或第二阵列80的任何SCR。相似地，流动穿过第一通路88的废气仅穿过第一SCR阵列78的SCR并且走第二阵列80和第三阵列82的SCR的旁路。第二通道96的并联的路径仅将废气提供至第二SCR阵列80的SCR。应该了解的是，通过使用废气处理装置阵列、分成隔间和并联的路径，可以将包括多个废气处理装置的较高流量废气系统的体积设置为尽可能的小。

以与废气后处理系统50相似的方式，废气后处理系统66可包括各自对应于每个DOC20和SCR24的多个喷嘴30和32，多个喷嘴30和32由控制器44控制。尽管每个DOC20和SCR24都可包括其自身的喷嘴30或32，但控制器44可以可操作地根据废气穿过(或预计穿过)每个DOC20和SCR24的量主动地调节每个喷嘴30和32的投放率。

更具体地，随着废气进入进口72，计算流体动力学(CFD)确定的是，废气不一定均匀的流到每个DOC20。相反地，例如，废气更趋向于在进入DOC20c至20g之前进入DOC20a、20b、20h和20i。特别地，三分之二的废气可进入DOC20a、20b、20h和20i，而仅三分之一的废气进入DOC20c至20g。在这种情况下，控制器44可被使用以基于流过每个DCO20的废气流率来调节从每个喷嘴30释放的废气处理流体的量。

可使用位于每个DOC20的上游或下游的质量流传感器(未示出)来确定每个DOC20的流率。可选地，每个DOC20的流率可在安装前通过废气系统66的测试确定。无论如何，应该理解的是，使用控制器44可主动地控制每个喷嘴30，以提供适量的废气处理流体来适当地处理废气流。

例如，在使用废气处理系统66期间，由于由引擎12产生的废气更趋向于进入DOC20a、20b、20h和20i，因此在废气进入DOC20a、20b、20h和20i之前，用于这些DOC的喷嘴(即是，如图4所示的喷嘴30a和30b)可被更高频率地致动以将废气处理流体投入到废气流中。相反地，因为由引擎12产生的废气不太趋向于进入DOC20c至20g，因此在废气进入DOC20c至20g之前，这些DOC的喷嘴(即是，如图4所示的喷嘴30c和30d)可被更低频率地致动以将废气处理流体投入到废气流中。以这种方式，所投入的废气处理流体的量是适当的，这提高了废气处理系统66的效率。而且，将不会在废气处理系统66的不需要之处将不必要的多余的废气处理流体投入到废气。该程序节省了废气处理流体。

喷嘴30可包括由控制器44控制的脉冲宽度调制(PWM)或机械致动的阀(未示出)。要调节每个喷嘴30的投放量，喷嘴可在废气流增加期间同时被致动，或在废气流减少期间以交替的方式来致动喷嘴。例如，喷嘴30a和30b可在高引擎负载操作期间同时被致动，或当废气流减少时交替地致动喷嘴30a和30b。可用相似的方式来操作喷嘴30c和30d。

可以相似于喷嘴30的方式操作喷嘴32。尽管在图4中未示出，应该理解的是，每个SCR阵列78、80和82都可包括喷嘴32，或包括对应于每个SCR24的一排喷嘴32。根据进入每个阵列78、80和82的废气流的量，可调节由喷嘴32喷射到废气流中的废气处理流体的量。然而，应该理解的是，因为SCR阵列78、80和82各自轴向地对齐，所以其流体动力学不呈现为类似DOC20a至20i。因此，用于每个SCR阵列78、80和82的喷嘴32不必被不同地致动为投入不同的废气处理流体量到废气流中。无论如何，如果质量流被确定为在每个SCR阵列78、80和82之间有所不同，则控制器44可被使用为以与喷嘴30相似的方式来主动控制喷嘴32，以确保适当量的废气处理流体被投入到废气流中，以适当地处理废气。

以说明和描述的目的提供了上述实施方式的描述。这并非旨在穷尽本发明或限制本发明。特定实施方式的独特的元件或特征通常不被限制于所述特定实施方式，但是，即使没有具体地示出或描述，在适用的情况下，它们可互换且可以被用于所选的实施方式中。上述元件或特征也可以以许多方式变化。该变化并不被认为是偏离本发明，并且所有这些修改都被包括在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种废气系统，其包含：

多个废气处理装置，其被布置在并联的流动路径中；

多个喷嘴，其用于将废气处理流体投入到位于并联的流动路径中的废气流中；

加热装置，其被设置在每个并联的流动路径中；以及

控制器，其用于控制多个喷嘴中的每一个并且控制每个加热装置，

其中，控制器基于通过每个并联的流动路径的废气流的废气流率主动控制由多个喷嘴中的每一个投入到并联的流动路径中的废气处理流体的量；并且控制器基于每个并联的流动路径中的废气流的温度主动控制每个加热装置的操作，其中，控制器主动控制加热装置，以改变流过加热装置的废气流的温度，从而控制通过并联的流动路径的废气流的质量流。

2.根据权利要求1所述的废气系统，其中，控制通过并联的流动路径的废气流的质量流包括保持在每个并联的流动路径中的相等的废气的质量流率。

3.根据权利要求1所述的废气系统，其中，废气处理装置是颗粒过滤器，并且控制器控制每个加热装置，以同时再生每个颗粒过滤器。

4.根据权利要求3所述的废气系统，其中，如果位于其中一个并联的流动路径中的颗粒过滤器在其他颗粒过滤器再生之前已再生，则控制器减少与该颗粒过滤器相对应的加热装置的操作，以降低该并联的流动路径中的废气流的温度。

5.根据权利要求1所述的废气系统，其中，每个废气处理装置都是氧化催化剂，并且控制器基于在每个并联的流动路径中的废气流的温度主动控制投入到并联的流动路径中的废气处理流体的量，以操控每个并联的流动路径中的废气流的质量流率。

6.根据权利要求1所述的废气系统，其中，废气处理装置是氧化催化剂或选择性还原催化剂，并且控制器基于进入每个并联的流动路径的废气的量主动控制与每个并联的流动路径相关的多个喷嘴。

7.一种废气系统，其包含：

废气流动路径，其被分成多个支路；

废气处理装置，其被设置在多个支路的每一个中；

加热装置，其位于每个支路中，以及

控制器，其用于基于每个支路中的废气流的温度控制每个加热装置，加热装置操控通过支路中的每一个的废气流率，以保持通过每个支路的相等的废气的质量流率。

8.根据权利要求7所述的废气系统，其中，每个废气处理装置都是颗粒过滤器。

9.根据权利要求8所述的废气系统，其中，在使用加热装置进行的颗粒过滤器的再生期间，控制器监控各支路中的温度。

10.根据权利要求9所述的废气系统，其中，同时再生颗粒过滤器。

11.根据权利要求10所述的废气系统，其中，如果一个颗粒过滤器在其余颗粒过滤器再生之前已被再生，则控制器控制与该颗粒过滤器相对应的加热装置，以减少加热装置的操作。

12.一种废气系统，其包含：

多个废气处理装置，其在废气通道中以阵列形式布置；

多个喷嘴，其被置于废气处理装置的上游，并且用于将废气处理流体投入到废气通道中；以及

控制器，其用于基于穿过每个废气处理装置的废气流的流率控制每个喷嘴的致动，

其中，与接收较大废气流率的废气处理装置相关的喷嘴被致动为，比与接收较小废气流率的废气处理装置相关的喷嘴投入更多的废气处理流体的量到废气通道中。

13.根据权利要求12所述的废气系统，其中，废气处理装置是氧化催化剂或还原催化剂。

14.根据权利要求12所述的废气系统，其中，废气处理装置是包括颗粒过滤器的氧化催化剂。

15.根据权利要求12所述的废气系统，其中，废气处理装置包括氧化催化剂和还原催化剂。

16.根据权利要求12所述的废气系统，其中，废气处理装置被设置在恒温箱中。