CN106555644B - 通过使用振荡的供给压力将还原剂注射到动力系统的废气中的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。该方法包括如下步骤：以指定的流量注射还原剂，同时使还原剂供给压力在较高供给压力与较低供给压力之间振荡。

Description

通过使用振荡的供给压力将还原剂注射到动力系统的废气中 的方法
技术领域
本公开涉及一种用于通过使用振荡的供给压力将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。
背景技术
发动机制造商经由后处理系统满足规定的排放法规。例如，Tier 3、Interim Tier4和Final Tier 4排放法规要求颗粒物(“PM”)和氮氧化物(“NOx”)的显著减少。在FinalTier 4排放法规之外，由于后处理系统的持续演进，驱动器可以包括更严格的排放标准、更低的拥有成本(尤其是初始购买成本)以及更紧凑、模块化的解决方案。一些后处理系统包括柴油机氧化催化剂(“DOC”)、用于降低PM的柴油颗粒过滤器(“DPF”)和用于去除NOx的选择性催化还原(“SCR”)催化剂。这些系统可能需要相对高的拥有成本并且需要相对大的设计空间。
减小这类系统的设计空间的一种方式是减小DPF和SCR催化剂之间的容积，该容积被称为混合容积。然而，减小该混合容积在获得废气和还原剂的充分混合以充分利用SCR还原剂的能力来降低NOx的水平时面临到挑战。
发明内容
公开了一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法。该方法包括以指定的流量流量注射还原剂，同时使还原剂的供给压力在较高供给压力和较低供给压力之间振荡。这样的方法可以有助于混合还原剂和废气，并且可以有助于在DPF和SCR催化剂之间设计出更小的、更短的混合容积。
附图说明
参照附图对图进行详细说明，其中：
图1是动力系统的一个示例的示意图；
图2是用于注射还原剂的方法的示例；
图3是用于调整低注射压力相对于基准注射压力的差值的映射图；
图4是用于调整高注射压力相对于基准注射压力的差值的映射图的示例；以及
图5是用于计算时间段的映射图的示例。
在多个附图中类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
参考图1，示出了用于向各种机械提供动力的动力系统100的示意图，多个机械包括公路上行驶的卡车，工程车辆、海洋船舶、静止的发电机、汽车、农业车辆和露营车辆。动力系统100的发动机106可以是能够产生废气的任何种类的发动机，其中废气和流动方向由方向箭头192指示。发动机106可以是内燃机，诸如汽油发动机、柴油发动机、气体燃料燃烧发动机(例如，天然气)，或任何其他产生废气的发动机。发动机106可以是任何尺寸，并且具有任何数量的缸体，并且是任何构造(例如，“V”型，纵列型和放射形)。
动力系统100包括废气系统108，该废气系统108具有用于将废气从发动机106引导到大气的部件。废气系统108包括后处理系统113，废气的至少一些穿过该后处理系统113。后处理系统113去除例如存在于从发动机106的接收的废气中的PM和NOx排放物。
后处理系统113示出为具有DOC 110、位于DOC下游的DPF 112和位于DPF下游的SCR系统152。SCR系统152可以包括SCR催化剂120和位于SCR催化剂120下游的氨氧化催化剂132。
在一些实施例中，SCR系统152可以包括还原剂输送系统124，在还原剂输送系统124之后设置有SCR+F，该SCR+F包括DPF和施加至其上的选择性催化还原催化剂。通过将DPF和SCR功能整合进单个部件SCR+F中，可以有助于降低成本、满足包装限制并且增强SCR系统152的性能。这样的实施例可能需要位于SCR+F下游的二次SCR催化剂。
废气流过后处理系统113的每一个部件，并且在被处理之后，通过尾管125被排放至大气中。从该尾管逸出的废气明显比未经处理的废气具有更少的污染物——例如PM、NOx和碳氢化合物。
DOC 110可以被构造成多种方式，并且包括在收集、吸收、吸附和/或转化包含在废气中的碳氢化合物、一氧化碳和/或氮氧化物中有用的催化剂材料。此种催化剂材料可以包括例如铝、铂、钯、铑、钡、铈和/或碱金属，碱土金属，稀土金属或其组合。DOC 110可以包括例如陶瓷基体、金属网、泡沫或本领域已知的其他任何多孔材料，并且催化剂材料可以位于例如DOC 110的基体上。DOC 110也可以氧化包含在废气中的NO，以在SCR催化剂120上游将NO转化成NO2。
DPF 112可以是现有技术中已知的能够减少废气中的PM以满足必需的排放标准的各种微粒过滤器中的任何一种。能够从发动机106的废气中除去PM的任何结构都可以使用。例如，DPF 112可以包括由堇青石、碳化硅或去除PM的其它合适材料构成的具有蜂巢状横截面的壁流式陶瓷基体。
还原剂输送系统124可以包括用于储存还原剂的还原剂罐136。还原剂的一个示例是具有32.5％的高纯度尿素和67.5％的去离子水(例如，DEF)的溶液，随着该溶剂行进通过分解管114，该溶液分解以生成氨。还原剂输送系统124可以包括安装在还原剂罐136上的还原剂集管130，在一些实施例中，该还原剂集管130还包括液位传感器128，用于测量还原剂罐136中还原剂的量。液位传感器128可以包括悬浮件，该悬浮件被构造为悬浮在包括在还原剂罐136中的还原剂的液、空气表面界面处。
分解管114可以位于还原剂注射器116下游、但位于SCR还原剂120上游。分解管114可以比图1中所示的更短或更长。其实际长度可以取决于例如其可利用的设计空间、和整个后处理系统113的混合需求。还原剂注射器116例如可以是能够选择性地受控以将还原剂直接注射进废气中的注射器。
如图所示，SCR系统152可以包括位于SCR催化剂120上游、但位于还原剂注射器160下游的还原剂混合器118。为了增加还原剂的注射量，还原剂注射器116可以在其每次打开期间保持打开更长时间段。为了减少还原剂的注射量，还原剂注射器116可以在其每次打开期间保持打开更短时间段。
还原剂输送系统124可以额外地包括还原剂压力源和还原剂抽取通道176。还原剂抽取通道176可以在还原剂罐136和还原剂压力源之间流体连接至还原剂罐136和还原剂压力源。还原剂输送系统124还可以包括还原剂供给模块143。控制器115可以控制还原剂供给模块143，并且因此控制还原剂供给压力。
控制器115可以是控制动力系统100的多个元件的发动机控制单元(ECU)或发动机控制模块(ECM)，这些元件包括燃料注射器的持续时间和相位，或者可以是另一控制器。控制器115可以与动力系统100的其他部件通信地连接，诸如高压燃料泵，废气再循环系统，和/或用于监视和控制动力系统的多种功能的后处理系统113。在一些实施例中，控制器115可以是控制器局域网络(CAN)的一部分，其中，在该CAN中，动力系统100的控制器115、传感器和致动器经由数字CAN信息通信。
还原剂输送系统124还可以包括还原剂配料通道178和还原剂返回通道180。虽然在动力系统100的一些实施例中，返回通道180可以经由还原剂集管130被连接到返回管，但返回通道180被示出为延伸到还原剂罐136中。还原剂输送系统124除了这些之外还可以包括被定位在抽取通道176、还原剂配料通道178和返回通道180中的阀、孔口、传感器和泵。
如上所述，随着还原剂行进通过分解管114，该还原剂分解以生成NH3。NH3在存在SCR催化剂120的情况下与NOx发生反应，并且将NOx降解为危害较小的排放物，诸如N2和水。SCR+F 120可以是本领域中已知的多种催化剂中的任意一种。例如，在一些实施例中，SCR+F120可以是矾基催化剂。但是在其他实施例中，SCR催化剂120可以是沸石基催化剂，诸如铜沸石，或铁沸石。
AOC 122可以是多种流经催化剂中的任一种，用于与NH3发生反应并且由此生成氮气。一般地，AOC 122被用于去除从SCR催化剂120中漏出的NH3。
如图2所示，示出了一种用于将还原剂注射到从发动机106中排出的废气中的方法200。方法200包括如下步骤：在给定的时间段内，以指定的流量注射还原剂，同时在该给定的时间段内使还原剂的供给压力在较高供给压力与较低供给压力之间振荡。在步骤202中，控制器115可以计算基准供给压力。该基准供给压力可以基于例如动力系统100的物理状态或控制动力系统100的物理状态的注射量。在方法200的一些实施例中，由于基准供给压力可能是单一的不变值，所以控制器115可以不计算该基准供给压力。
在步骤204中，控制器115可以基于基准供给压力计算较高供给压力，该较高供给压力比该基准供给压力高。进一步地，在步骤204中，控制器115可以基于基准供给压力计算较低供给压力，该较低供给压力比该基准供给压力低。基准供给压力可以是足够高以满足还原剂流量要求但低于最大供给压力的压力。
在步骤204中，控制器115可以基于废气温度206、空间速度208或一些其它值210计算较高供给压力和较低供给压力。同样地，基准供给压力也可以基于这些值。用于这些计算的示例性方法在图3和图4中示出，并且可以借助控制器115实施。例如，图3中的映射图图示了：对于给定的废气温度206和给定的空间速度208，较低注射压力与基准压力之间的差值可为某一百分比。通过使用该示例的映射，当废气温度206为约330℃并且空间速度208为约15k/hr时，较低供给压力可能比基准供给压力低约40％。类似地读取图4中的映射图，但是其指示高百分比(例如，高供给压力可能比基准供给压力高X％)。
废气温度206可为与DOC 110、DPF 112、SCR催化剂120或AOC 132(仅举几例)相关的温度。废气温度206可以是测量出的温度或计算出的温度。
空间速度208可以是DOC 110、DPF 112、SCR催化剂120或AOC 132(仍是仅举几例)的空间速度208。空间速度208可以是废气体积流量除以部件的容积(例如，每单位时间该部件中整个容积的废气被更换的次数)。可用于空间速度208的一个单位为每小时1000次(即，k/hr)。
其它值210例如可以是NOx浓度值、湿度值、大气温度值、负载值、速度值或对控制器115可用的动力系统100的任何其它物理状态。进一步地，物理状态例如可以是测量值、建模值或计算出的值。
基准供给压力与较低供给压力之间的差值的量值可以明显大于较高供给压力与基准供给压力之间的差值的量值。例如，因为还原剂注射器116能够保持打开较长的时间段并且仍能够达到指定的流量，所以基准供给压力与较低供给压力之间的差值的量值可以相当大(例如，较低供给压力可以仅为基准供给压力的40-70％)。但是，因为供给压力的限制，所以较高供给压力与基准供给压力之间的差值可能更小(例如，较高供给压力可以仅比基准压力高10-30％)。
在方法200的一些实施例中，较高供给压力可以是多个较高供给压力中的一个，较低供给压力也可以是多个较低供给压力中的一个。在例如一种情况下，在步骤204中，控制器115可以基于基准供给压力计算较高和较低供给压力。一组较高供给压力与一组较低供给压力在时序上紧邻(in immediate sequence)。基准供给压力与较低供给压力之间的平均差值的量值可以明显大于较高供给压力与基准供给压力之间的平均差值的量值。该平均差值可出于如上面讨论的相同的原因发生(即，较高供给压力的限制vs较低供给压力的灵活性)。
在步骤212中，控制器115可以计算用于以较高供给压力注射的第一时间段和用于以较低供给压力注射的第二时间段。用于这样的计算的示例性方法示出在图5中，并且可以借助控制器115实施。该映射图示出了：对于给定的废气温度206和给定的空间速度208，时间段可以是一定数量的秒。第一和第二时间段可以为相同长度或每一个可以不同。
在步骤214中，控制器115在给定的时间段内以指定的流量注射还原剂(借助还原剂注射器116的物理注射)，但是同时在相同的给定的时间段内使还原剂的供给压力在较高供给压力与较低供给压力之间振荡。控制器115可以基于例如随着废气排出后处理系统113充分地减少废气中的NOx所需要的流量来计算指定的流量。可以通过打开和关闭还原剂注射器116来维持指定的流量，以补偿在较高供给压力与较低供给压力之间变化的供给压力。
在步骤214中，控制器115可以补偿还原剂供给压力的振荡，以维持被注射的还原剂的恒定流量。为此，控制器115例如可以根据维持恒定流量的需要打开还原剂注射器116更长或更短的时间段。维持恒定流量可有助于在SCR催化剂120中保持一致的NH3储存水平。
当还原剂注射器116被打开时，加压的还原剂渗入废气中。还原剂注射器116具有作为供给压力的函数变化的渗入特性。当供给压力增大时，渗入深度增大，并且反之亦然。方法200的一些实施例可以使供给压力以还原剂注射器打开频率一半的频率振荡。在还原剂注射器打开的半段中，供给压力可以处于振荡循环中的高点，并且在还原剂注射器打开的另半段中，供给压力可以处于振荡循环中的低点。这样，一半的注射具有与供给压力中的高点对应的标称渗入深度，并且另一半的注射具有与供给压力中的低点对应的标称渗入深度。
通过像这样地实施方法200，一半的还原剂注射具有小的渗入深度，并且另一半的还原剂注射具有大的渗入深度。这通过在还原剂被初始注射到废气中时增加还原剂的自然分布而可以改进还原剂和废气的混合。暂时的不均匀性可以由储存在SCR催化剂120中的NH3缓冲。
在步骤214的一些实施例中，振荡可以包括使还原剂供给压力在用于还原剂单次注射的较高供给压力与用于接下来的还原剂单次注射的较低供给压力之间振荡。但是在其它实施例中，振荡可以包括使还原剂供给压力在用于还原剂多次注射的较高供给压力与用于接下来的多次注射的较低供给压力之间振荡。在一些实施例中，方法200可以在无周期属性或不根据系统变量的情况下围绕基准供给压力随机改变供给压力。在其它实施例中，方法200可以使供给压力以注射器脉冲频率的三分之一、四分之一等频率在较高压力与较低压力之间振荡。
随着方法200重复，控制器115可以在空间速度208减小时增加基准供给压力与较低供给压力之间的差值，或相反地可以在空间速度208增大时减小较低供给压力与基准供给压力之间的差值。进一步地，随着方法200重复，控制器115可以在废气温度206降低时增加基准供给压力与较低供给压力之间的差值，或相反地可以在废气温度206升高时减小基准供给压力与较低供给压力之间的差值。类似的增加或减小可以针对较高注射压力相对于基准注射压力发生。差值的这种增加和减小可以在步骤204中计算并且在步骤214中实施。
图3和4图示用于调整差值的示例性策略。在某些示例中，该差值可能已经处于跳转处(即，太大或太小)，从而导致保持而不是调整。
用于增加和减小较高供给压力与较低供给压力的因素可以包括控制器115足够快的响应能力、还原剂注射器116的流动限制和还原剂沉积物形成风险。如图3和4所示，当空间速度208增加时，减小较高供给压力和较低供给压力相对于基准供给压力的差值可能是有利的。在高空间速度以及由此导致的高还原剂流量下，还原剂注射器116可能接近其流动限制，这可能需要更恒定的压力来实现高还原剂流量。
当废气温度206升高时，减小较高供给压力和较低供给压力相对于基准供给压力的差值可能是有利的。当废气温度206升高时，NH3氧化开始占主导地位，并且NOx转化率开始降低。这降低了对高NH3均匀性的要求。
进一步地，随着方法200重复，当废气温度206升高时，控制器115可以减小第一时间段和第二时间段，或者可替代地，当废气温度206降低时，控制器115可以增大第一时间段和第二时间段。差值的这种增大和减小的可以在步骤204中计算并且在步骤214中实施。图5图示了用于调整时间段的示例性策略。
更进一步，随着方法200重复，控制器115可以在空间速度208增大时减小第一时间段和第二时间段，或相反地在空间速度208减小时增大第一时间段和第二时间段。差值的这种增大和减小可以在步骤204中计算并且在步骤214中实施。在某些示例中，该时间段可能已经处于跳转处(即，太短或太长)，从而导致保持而不是改变。
仍更进一步，随着方法200重复，控制器115可以在供给压力振荡至较低供给压力时增大打开时间段，或可替代地在供给压力振荡至较高供给压力时减小打开时间段。差值的这种增大和减小可以在步骤204中计算并且在步骤214中实施。在一些操作模式中，该打开时间可能已经处于跳转处(即，太短或太长)，从而导致保持而不是调整。
返回参照图5，在较高空间速度下，较短的第一时间段和第二时间段可能是有利的。这是因为：与储存在SCR催化剂120上的NH3的量相比NOx和NH3的流量增加。这加快了SCR催化剂120的动态响应。在较高空间速度下，NO2还原工作面(front)将会更快地从SCR催化剂120的前面进行到SCR催化剂120的后面。NH3的存储量也是如此。出于类似但相反的原因，较长的第一时间段和第二时间段在较低空间速度下可能是有利的。
在较高废气温度下，较短的第一时间段和第二时间段可能是更合适的。这是因为：当存储在SCR催化剂120上的NH3的温度增加时存储在SCR催化剂120上的NH3存储量减小。这减小了存储的NH3的量，并且从根本上加快了SCR催化剂120的动态响应。NH3的存储量也是如此。出于类似但相反的原因，在较高空间速度下，较长的第一时间段和第二时间段可能是有利的。
虽然图5中未示出，但是在较高NOx浓度下，较短的第一时间段和第二时间段也可能是更合适的。这是因为：NOx浓度的增加会增加NOx相对于存储在SCR催化剂120上的NH3的量流过SCR催化剂120的流量。考虑到该动态效果加快了SCR催化剂120的动态响应，该动态效果与增加空间速度208和温度类似。
在方法200的一些实施例中，时间段可保持相对恒定。此外，时间段也可以基于可控性限制。例如，时间段可以总是等于或大于还原剂注射器116的周期率(例如，1秒)。
虽然在附图和前述的说明中已经详细地示出和说明了本公开，但是此种图示和说明应当被理解为在特征方面是示例性的并且非限制性的，应当理解图示的实施例已经被示出和说明，并且落在本公开的范围内的所有改变和修改都期望被保护。应当注意的是，本公开的替代实施例可能不包括描述的所有特征，但是还是从这些特征的至少一些优点中受益。本领域的技术人员可以容易地想到他们自己的实施方式，该实施方式包含本公开的特征的一个或多个，并且落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内。

Claims (24)

1.一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法，该方法包括下述步骤：
以指定的流量注射还原剂；
计算还原剂的基准供给压力；
基于基准供给压力计算较高供给压力，所述较高供给压力大于基准供给压力；
基于基准供给压力计算较低供给压力，所述较低供给压力小于基准供给压力；
使还原剂供给压力在所述较高供给压力与所述较低供给压力之间振荡；以及
在空间速度降低时，增大所述较高供给压力与所述基准供给压力之间的差值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，注射还原剂的步骤包括对供给压力的振荡进行补偿以维持正被注射的还原剂的流量恒定。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于动力系统的一个或多个物理状态计算所述指定的流量。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括基于动力系统的一个或多个物理状态计算较高供给压力和较低供给压力。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括基于废气温度计算较高供给压力和较低供给压力。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括基于空间速度计算较高供给压力和较低供给压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，使还原剂供给压力在较高供给压力与较低供给压力之间振荡的步骤包括使还原剂供给压力在用于还原剂单次注射的较高供给压力与用于接下来的还原剂单次注射的较低供给压力之间振荡。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，注射和振荡同时发生。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，基准供给压力与较低供给压力之间的差值的量值明显大于较高供给压力与基准供给压力之间的差值的量值。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在空间速度降低时，增大基准供给压力与较低供给压力之间的差值。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括在空间速度增大时，减小较高供给压力与基准供给压力之间的差值。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：在空间速度增大时，减小基准供给压力与较低供给压力之间的差值。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括在废气温度降低时，增大较高供给压力与基准供给压力之间的差值。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括在废气温度降低时，增大基准供给压力与较低供给压力之间的差值。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括在废气温度升高时，减小较高供给压力与基准供给压力之间的差值。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括在废气温度升高时，减小基准供给压力与较低供给压力之间的差值。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算用于以较高供给压力进行注射的第一时间段；以及
计算用于以较低供给压力进行注射的第二时间段。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在废气温度升高时，减小第一时间段和第二时间段；以及
在废气温度降低时，增大第一时间段和第二时间段。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在空间速度增大时，减小第一时间段和第二时间段；以及
在空间速度减小时，增大第一时间段和第二时间段。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在供给压力振荡至较高供给压力时，减小打开时间段；以及
在供给压力振荡至较低供给压力时，增大打开时间段。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，使还原剂供给压力在较高供给压力与较低供给压力之间振荡的步骤包括：使还原剂供给压力在用于还原剂多次注射的较高供给压力与用于接下来的还原剂多次注射的较低供给压力之间振荡，所述还原剂多次注射和接下来的还原剂多次注射在时序上紧邻。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述较高供给压力是多个较高供给压力中的一个，所述较低供给压力是多个较低供给压力中的一个，并且所述方法还包括：
基于基准供给压力计算所述多个较高供给压力，所述多个较高供给压力大于基准供给压力；以及
基于基准供给压力计算所述多个较低供给压力，所述多个较低供给压力小于基准供给压力。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，基准供给压力与所述多个较低供给压力之间的平均差值的量值明显大于所述多个较高供给压力与基准供给压力之间的平均差值的量值。
24.一种用于将还原剂注射到动力系统的废气中的方法，该方法包括以下步骤：
以指定的流量注射还原剂；
计算还原剂的基准供给压力；
基于基准供给压力计算较高供给压力，所述较高供给压力大于基准供给压力；
基于基准供给压力计算较低供给压力，所述较低供给压力小于基准供给压力；
使还原剂供给压力在所述较高供给压力与所述较低供给压力之间振荡；以及
在废气温度降低时，增大所述较高供给压力与所述基准供给压力之间的差值。
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