CN106164432B - 用于检测尿素沉积物形成的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于检测内燃发动机(10)的排气管(12)中的尿素沉积物的装置，其中尿素在尿素水溶液中经由喷嘴(18)被引入到排气管(12)中。该装置包括至少一个辐射接收器(16)，其在使用中位于喷嘴(18)的下游的排气管(12)内。该装置还包括与接收器(16)通信的电子控制单元(30)，其中接收器(16)向控制单元传递辐射数据，该辐射数据使控制单元能够确定沉积是否已经形成在排气管(12)内。还提供了控制阀(22)，其响应于来自控制单元(30)的信号来控制溶液到喷嘴(18)的流动。还提供了一种检测内燃发动机的排气管中的尿素沉积物的方法，如包含上述装置的机动车辆方面。

Description

用于检测尿素沉积物形成的装置和方法
技术领域
本发明涉及机动车的选择性催化还原(SCR)系统的领域，其降低了车辆的废气中的氮氧化物(NOx)的量。更具体地，本发明提供了用于检测来自这样的SCR系统的排气中的尿素沉积物的构成的装置和方法。
背景技术
用在重型车辆(例如，非公路卡车和高速公路上的公共汽车)中的SCR系统通常使用氨作为还原剂，该还原剂以尿素水溶液的形式被注入到排气中。在不合适的运行条件下，该尿素可在排气中形成固体沉积而不是期望的氨的产物，并且随着时间的推移，这些沉积可能阻塞排气，且需要维护。避免沉积是一个复杂的过程，因为沉积在没有视觉检查的情况下难于预测和检测。
US2013-0192206A1提出了一种方法，其中，沉积是通过在高温下的沉积的热分解期间所释放的氨来进行检测的。然而，该方法是间接的，具有有限的精度，并且在最有可能沉积时长期低温排气流动期间是没有帮助的。已经提出了一种可替代的建议来测量排气部分两端的压降，但其对于早期检测沉积不够敏感，因为只有在排气被几乎阻塞之后才形成明显的压降。
本发明的目标在于排除或减缓上述建议的缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测内燃发动机的排气管中的尿素沉积物的装置，该尿素在尿素水溶液中经由喷嘴被引入到排气管中。该装置包括至少一个辐射接收器，该至少一个辐射接收器在使用中位于喷嘴的下游的排气管内。该装置还包括与接收器通信的电子控制单元，其中接收器向控制单元传递辐射数据，该辐射数据使控制单元能够确定沉积是否已经形成在排气管内。还提供了控制阀，其响应于来自控制单元的信号来控制溶液到喷嘴的流动。
根据本发明的第二方面，提供了一种检测内燃发动机的排气管中的尿素沉积物的方法，其中尿素在尿素水溶液中经由喷嘴被引入到排气管中。该方法包括提供用于控制溶液到喷嘴的流动的控制阀的步骤。辐射通过至少一个辐射接收器接收，该辐射接收器位于喷嘴的下游的排气管内。关于所接收的辐射的数据从接收器被传递到电子控制单元。随后，响应于所传递的数据来确定沉积物是否已经形成在排气管内，以及，当确定了沉积物已经形成时指示控制阀调整溶液的流动。
根据本发明的第三方面，提供了一种机动车辆，其包括根据本发明的第一方面的装置。
附图说明
本发明的优选实施例现将参考附图仅通过示例来加以描述，其中：
图1是用于检测机动车的选择性催化还原(SCR)系统中的尿素沉积物的装置的示意图；以及
图2是说明用于检测机动车的SCR系统中的尿素沉积物的控制方法或控制过程的流程图。
具体实施方式
图1以示意的形式图示了用于检测机动车的选择性催化还原(SCR)系统中的尿素沉积物的装置1。废气从内燃发动机10沿着排气混合管12在箭头E的方向上流动。至少一个辐射发射器14和波发射器14的下游的至少一个辐射接收器16位于混合管12内。在此，术语“辐射”旨在包含从源(在这种情况下，例如是热、光或声音的射线或波的形式的发射器)发出的能量。该至少一个波发射器和波接收器可以是声学或声音、波发射器和接收器，其分别发射和接收声波，该声波行进在排气管12内的废气中或沿着排气管12的表面行进。可替代地，发射器和接收器可发射和接收电磁波。至少一个环境传感器15也位于管12内。例如，该传感器15可以是温度传感器或压力传感器。可以有多个这样的传感器15，至少一个温度传感器和至少一个压力传感器存在。
打开进入发射器14和接收器16之间的混合管12中，是尿素注射器喷嘴18，通过该尿素注射器喷嘴18尿素水溶液被选择性地注射到混合管12中。尿素被包含在罐体20内，且尿素到喷嘴18的流动由形成本发明装置的一部分的控制阀22控制。混合管的下游是SCR催化器24，其是已知的类型且适用于降低从发动机10流出的废气中的NOx的量。
该装置还包括电子控制单元(ECU)30，其具有装置的整体控制。ECU 30可与至少一个波发射器14通信，以便有在管12内或其上面发射的声波或电磁波。ECU 30也与至少一个波接收器16通信，使得其可监控波的通过，且该ECU 30也与至少一个环境传感器15通信，使得其可监控管12内的环境条件。ECU 30也控制控制阀22，以选择性地开始、停止或调整尿素水溶液到喷嘴18的流动。ECU 30也与SCR催化器24下游的一个或多个环境传感器25通信，使得其可监控催化器24的性能。例如，环境传感器25可以是温度传感器和/或压力传感器和/或NOx传感器。ECU 30也可与发动机控制器28双向通信，该发动机控制器28具有发动机10的性能的整体控制。发动机控制器28也与环境传感器25通信。
工业实用性
在SCR系统的正常运行期间，尿素被注射到混合管12内的热废气中。尿素分解成异氰酸(HNCO)和氨(NH3)。由于尿素是水溶液，因此异氰酸与水反应并进一步产生氨和二氧化碳(CO2)。当尿素开始与SCR催化器24接触时，氨与NOx反应以产生无害的氮气(N2)和水(H2O)，其随后可从SCR催化器24出来在箭头N的方向上经由排气管26进入大气。
然而，在不合适的运行条件下，尿素注射可能导致在混合管12内形成固体沉积32。随着时间的推移，这些沉积可能阻塞混合管12并需要在正常的运行可恢复之前被清理出去。不合适的运行条件的示例可能是在比正常温度低的温度(例如<200℃)下有低的排气流量(例如大约额定流量的15-25％)。另一示例可能是流量和温度在预定的限定内，但排气流没有很好地混合，导致管的表面上的相应冷点。
现在将参考图1和图2两者对使装置能够检测这样的沉积并将其从混合管中移除的自动化过程进行描述。该过程以启动步骤100开始，并且可在其后跟随初始校准过程步骤102。在校准步骤102中，ECU 30指示波发射器16在混合管12中发射波。如上所述，这些波可以是声波或电磁波，但出于该图示的示例的目的，至少一个发射器16和至少一个接收器18发射和接收声波。发射器16和接收器18可被设置为在废气中发射和接收声波，否则可沿着管12的表面发射和接收波。由于尚未进行尿素的注射，因此混合管12将没有尿素沉积物，因而该校准步骤通知基线指示器/比较器的ECU 30何时在管12中出现零沉积。从至少一个环境传感器15接收的数据也使ECU能够调整校准，以补偿管12内的环境条件中的变化。如果不采用校准步骤，则控制单元可具有历史基线指示器/比较器数据，其被储存在存储器中并准备与在装置的运行期间所接收的实时数据进行比较。
在决定步骤104，过程确定校准是否完成。如果没有完成，则步骤返回到校准过程步骤102。如果校准完成或装置取决于所储存的校准数据，则ECU 30将指示控制阀22至少部分地打开，以便将尿素水溶液从罐体20释放到喷嘴18。同时，ECU 30指示至少一个发射器14开始在混合管12内发射声波，并将在管12内从至少一个接收器16接收关于波特性的数据反馈。这通过图2中所示的过程的监控过程步骤106返回。如果尿素沉积物在该监控步骤期间在管中开始构成，则ECU 30将能够根据由接收器16接收的波的特性中的改变确定该尿素沉积物。这可能引起的一种方式是通过存在增加尿素沉积物的管壁的质量，导致比在校准期间所确定的音高更低的声音。
在决定步骤108，ECU将根据来自接收器16的信号查看在波的特性方面是否已经有改变。如果没有改变，则过程将循环回到监控步骤106并继续监控改变。如果检测到改变，则ECU将(i)在过程步骤110指示控制阀22调整尿素流或完全将其关闭，和/或(ii)在过程步骤112可向发动机控制器28发送调整发动机控制以升高进入管12中的废气的温度的请求。减少或关闭尿素流限制了额外沉积的形成，同时升高发动机排气温度可分解并移除ECU已检测到的现有沉积。类似地，暂时增加经由控制阀22通过喷嘴18的尿素流量对于升高在分解和移除现有沉积中的排气温度可具有类似的作用，而无需与发动机控制器28通信。
随后，在决定步骤114，ECU将决定是否已经接收到停止命令。如果接收到这样的命令，则ECU将在终止步骤116关闭装置并停止过程。然而，如果没有接收到这样的命令，则步骤将返回到过程步骤106的监控波的特性。在现有尿素沉积物通过过程除去之后，波的特性将返回到在校准步骤102确定的或在ECU存储器内储存的基线指示器/比较器。
本发明的装置和方法提供了在排气混合管中进行尿素沉积物的自动检测，以及在这些沉积可对排气和SCR系统的性能具有有害的作用之前这些沉积的自动除去。
装置可仅包括一个波发射器和一个波接收器，但可替代地，可包括多个发射器和多个相应的接收器。应理解的是，本文中对于发射器和接收器的参考不旨在将本发明限制于单独的和不同的发射器和接收器的使用。相反，本发明还包括其中结合了至少一个发射器和至少一个接收器使得它们共享共有电路和/或单一外壳的收发器布置。
在另一可替代的实施例中，装置可包括波接收器但不包括波发射器。在这样的情况下，接收器可在混合管中接收由排气流本身形成的声波。校准步骤将涉及确定在运行温度的一定范围内的基线声音波形以及管内的流量条件。管内的尿素沉积物的形成导致管中的声音的音高的改变，从而指示尿素沉积物的存在。
如以上所述，装置的ECU可包括存储器模块(未示出)，在该存储器模块内ECU可储存在ECU确定尿素沉积物在管中形成时存在的校准数据和/或某些性能条件或参数数据。ECU可利用该储存的信息来确保这些记录的条件或参数在未来不会单独再现或不会连同发动机控制器一起再现。
在不背离本发明的范围的情况下，可包含这些和其他修改和改进。

Claims (19)

1.一种用于检测内燃发动机的排气管中的尿素沉积物的装置，尿素在尿素水溶液中经由喷嘴被引入到所述排气管中，且所述装置包括：
至少一个辐射接收器，所述至少一个辐射接收器在使用中位于所述喷嘴的下游的所述排气管内；
电子控制单元，所述电子控制单元与所述至少一个辐射接收器通信，其中，所述至少一个辐射接收器向所述电子控制单元传递辐射数据，所述辐射数据允许所述电子控制单元确定沉积物是否已经在所述排气管内形成；以及
控制阀，所述控制阀响应于来自所述电子控制单元的信号来控制所述溶液到所述喷嘴的流动。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个辐射发射器，所述至少一个辐射发射器位于所述至少一个辐射接收器的上游的所述排气管内，其中，所述电子控制单元与所述至少一个辐射发射器和所述至少一个辐射接收器通信。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个辐射发射器和所述至少一个辐射接收器分别发射和接收在所述排气管内行进或沿着所述排气管的表面行进的声波。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述至少一个辐射发射器和所述至少一个辐射接收器分别发射和接收电磁波。
5.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述发动机包括适于控制所述发动机的发动机控制器，以及其中，在使用中所述电子控制单元能够与所述发动机控制器通信，使得所述电子控制单元能够响应于从所述至少一个辐射接收器接收的所述辐射数据来指示所述发动机控制器升高所述排气管内的废气温度。
6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的装置，还包括位于所述排气管内的至少一个环境传感器，其中，所述环境传感器选自包括温度传感器和压力传感器的组并与所述电子控制单元通信，使得所述电子控制单元可响应于从所述环境传感器接收的环境数据来调整对所述装置的校准。
7.根据权利要求5所述的装置，还包括位于所述排气管内的至少一个环境传感器，其中，所述环境传感器选自包括温度传感器和压力传感器的组并与所述电子控制单元通信，使得所述电子控制单元可响应于从所述环境传感器接收的环境数据来调整对所述装置的校准。
8.根据前述权利要求1-4以及7中任一项所述的装置，其中，所述电子控制单元包括存储器，所述存储器适于储存涉及一个或多个性能条件或参数的数据，在所述一个或多个性能条件或参数下确定在所述排气管中正在形成尿素沉积物。
9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述电子控制单元包括存储器，所述存储器适于储存涉及一个或多个性能条件或参数的数据，在所述一个或多个性能条件或参数下确定在所述排气管中正在形成尿素沉积物。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电子控制单元包括存储器，所述存储器适于储存涉及一个或多个性能条件或参数的数据，在所述一个或多个性能条件或参数下确定在所述排气管中正在形成尿素沉积物。
11.一种检测内燃发动机的排气管中的尿素沉积物的方法，其中，尿素在尿素水溶液中经由喷嘴被引入到所述排气管中，所述方法包括以下步骤：
提供用于控制所述溶液到所述喷嘴的流动的控制阀；
通过位于所述喷嘴的下游位置处的所述排气管内的至少一个辐射接收器接收发送的辐射；
将关于所接收的辐射的数据从所述至少一个辐射接收器传递到电子控制单元；
响应于所传递的数据，确定沉积物是否已经在所述排气管内形成，其中确定沉积物是否已经在所述排气管内形成还包括初始步骤：
校准所述电子控制单元，其中，所述至少一个辐射接收器在所述排气管最初没有沉积物时接收由至少一个辐射发射器发射的辐射，以及将来自所述至少一个辐射接收器的校准数据传递到所述电子控制单元；以及
将所述校准数据储存在所述电子控制单元中，使得所述电子控制单元能够将所述校准数据与从所述至少一个辐射接收器接收的实时数据进行比较，从而确定沉积物何时已经在所述排气管内形成；以及
当确定沉积物已经形成时指示所述控制阀调整溶液的流动。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括从至少一个辐射发射器发射辐射的步骤，所述至少一个辐射发射器位于所述至少一个辐射接收器的上游的所述排气管内的一个位置处，其中，所述至少一个辐射接收器接收从所述至少一个辐射发射器发射的辐射。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所发射和所接收的辐射为在所述排气管内行进或沿着所述排气管的表面行进的声波。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所发射和所接收的辐射为电磁波。
15.根据权利要求11到14中的任一项所述的方法，其中，所述发动机包括发动机控制器，以及所述方法还包括：在确定了沉积物已经形成时所述电子控制单元指示所述发动机控制器升高所述排气管内的废气温度的步骤。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，至少一个环境传感器位于所述排气管内，所述方法还包括所述电子控制单元响应于从所述环境传感器接收的环境数据来调整所接收的校准数据的步骤，其中，所述环境传感器提供选自包括温度数据和压力数据的组中的环境数据。
17.根据权利要求11到14以及16中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：
所述电子控制单元记录确定尿素沉积物已经在所述排气管内形成时的一个或多个性能条件或参数；以及
将一个或多个控制信号传递到所述控制阀，以确保这样的条件或参数在未来不重现。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：
所述电子控制单元记录确定尿素沉积物已经在所述排气管内形成时的一个或多个性能条件或参数；以及
将一个或多个控制信号传递到所述控制阀，以确保这样的条件或参数在未来不重现。
19.一种机动车辆，所述机动车辆包括如权利要求1到10中的任一项所述的装置。
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