CN106795791B - 强制排气扩散器 - Google Patents

Abstract

本文公开了系统、方法和装置，其包括排气系统和所述排气系统外部的空气源，所述空气源被构造为强制附加空气进入发动机下游的排气流中；以及用以帮助将冷空气与排气混合的后处理系统。所述强制空气与所述排气的混合的量和时间可由电子控制器确定，使得响应于一个或多个预定操作条件和/或预期操作条件提供混合空气。

Description

强制排气扩散器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年8月8日提交的美国临时申请序列号62/035,143的申请日的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文公开了用于使用来自鼓风机的环境空气冷却尾管处或尾管附近的排气的系统、方法和装置。

背景技术

在标称内燃机操作条件下，离开尾管的排气的温度高于环境温度。由于在发动机中发生的燃烧事件，这种状况在预期之中。随着后处理系统的添加，排气温度必须周期地增加到由标称发动机操作引起的排气温度之上，以帮助维持后处理系统的正确操作和效率。持续时间和温度高于标称值的增加取决于后处理装置的类型、在特定后处理装置的构造中使用的材料和待除去的污染物的类型和量以及其它因素。

排气出口温度的增加可影响位于排气出口周围的物体。一些工业对具有在升高排气温度下需要某种类型的维护的后处理系统的发动机做出了重要规定。在某些位置，出于安全原因，来自排气系统的温度必须保持低于特定阈值。这些系统必须停止使用，并且在升高排气温度维护活动期间移动至特定位置以进行监测。

机械扩散器已经被设计为帮助将新鲜环境空气与排气混合以降低排气的温度。空气与排气的混合效果由通过装置的排气流量决定，从而阻碍了将排气出口温度可靠地降低至低于特定排气流量阈值的能力。此外，机械扩散器增加发动机上的背压，从而增加泵送损失且负面地影响燃料经济性。虽然较大扩散器可缓减这些问题中的一些，但是大扩散器增加了封装的覆盖面积和困难。

其它系统由来自发动机的进气或通过在后处理系统的上游喷射空气来冷却排气。在这种系统中控制排气温度的能力取决于发动机操作或后处理系统的温度要求，从而也阻碍了将排气出口温度可靠地降低至低于特定阈值的能力。因此，需要进一步改进控制排气出口温度。

发明内容

本文公开了系统、方法和装置，其包括排气系统以及排气系统和进气系统外部的空气源，所述空气源被构造为强制附加空气扩散至发动机下游的排气流中；以及用以帮助将冷空气与排气流混合的后处理系统。强制空气与排气的混合的量和时间可由电子控制器确定，使得响应于一个或多个预定操作条件和/或预期操作条件提供混合空气。

在一个实施方案中，强制进入排气流中的空气的时间和量在后处理维护期间提供近似标称排气温度的排气出口温度。空气流可以是冷却环境空气，该冷却环境空气独立于进入空气流和排气流而被强制进入排气流中，从而允许优化对排气的冷却效果，而与发动机速度和后处理系统温度要求无关。

在其它实施方案中，系统包括利用至少一个管道连接至发动机和后处理系统下游的排气系统的鼓风机。在一个实施方案中，管道连接至尾管。其结果是，没有对排气系统添加限制，因此发动机上的背压不增加，且燃料经济性不受影响。

本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。通过以下描述和附图，其它实施方案、形式、目的、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。

附图说明

图1示出用于控制排气出口区域中的排气温度的示例系统的局部示意图。

图2示出根据用于排气出口温度降低系统的示例控制的流程图。

图3示出根据另一实施方案的排气出口温度降低系统的示例控制的流程图。

具体实施方式

为了清楚、简明和准确地描述本发明的示例实施方案的目的，制造并使用本发明的方式和过程，以及为了能够实践、制造和使用本发明，现在将参考某些示例实施方案，包括图中所示的那些，且特定语言将用于描述本发明。然而，应理解，由此不会产生对本发明的范围的限制，并且本发明包括并保护本领域技术人员将想到的示例实施方案的这种改变、修改和其它应用。

参考图1，示出系统10，其包括内燃机14，该内燃机接收进气流16和燃料并且可操作以产生进入排气系统20中的排气流12。排气流12包括一定量的排气，这些排气穿过后处理系统22到达排气系统20的尾管24。系统10可用于任何应用，包括至少对车辆提供动力、为固定发电提供动力、为对车辆提供动力的电动机提供发电、对船提供动力、为泵(例如石油钻机泵)提供动力、对机车提供动力和/或对任何其它负载提供动力。排气系统20还可包括未示出的各种组件，诸如排气再循环系统、涡轮增压器系统、冷却器，以及将排气系统20连接至进气系统的其它组件。应理解，未示出通常存在的这些系统的所有细节。

系统10包括位于后处理系统22下游的排气出口区域26，该排气出口区域包括尾管24并延伸至出口28。系统10还包括鼓风机30，该鼓风机在后处理系统22下游的一个或多个位置处由空气管道34与排气出口区域26连接。鼓风机30接收环境空气42并经由电动机31操作以产生用于与排气出口区域26和/或尾管24中的排气混合的环境空气流。独立于进气流16、发动机14和排气流12而提供环境空气42。

空气管道34可包括具有致动器38的一个或多个控制阀36，所述致动器用以调节控制阀36的定位，以控制通过空气管道34的空气流量。在其它实施方案中，鼓风机30可替代地或附加地包括电动机31，该电动机能够改变速度以控制通过其中的空气流的量。例如，电动机31可以是变速电动机或与变速驱动器连接。

控制器40可操作地耦接至至少一个或多个传感器，诸如排气出口区域传感器44。传感器44与排气出口区域26相关联以提供其温度。可替代地或附加地提供分别与发动机14、排气系统20和/或后处理系统22中的至少一个相关联的其它传感器46、47、48。传感器可以是温度传感器、速度传感器或其它合适的传感器或传感器的组合。此外，任何传感器都可以是物理传感器或虚拟传感器。在一个实施方案中，排气出口区域传感器44向排气出口区域26处或附近的温度条件的控制器40提供温度指示，诸如排气管道外部以及距离排气出口区域26预定距离内的环境温度。

在某些实施方案中，控制器40被构建为形成处理系统的一部分，该部分包括一个或多个计算装置，该装置具有在一个或多个控制器局域网(CAN)系统上操作通信的存储器、处理和通信硬件。控制器40可以是单个装置或分布式装置，且控制器40的功能可由硬件或软件来进行。控制器40可包括在发动机控制器(未示出)内、部分地包括在发动机控制器中或与发动机控制器完全分离。控制器40还可与贯穿本文公开的系统的任何传感器或致动器通信，包括通过直接通信、通过数据链路进行的通信和/或通过与其它控制器或部分的通信。在一个实施方案中，控制器40响应于来自传感器44的温度指示可操作地耦接至鼓风机30并提供对从鼓风机30产生的空气量的反馈控制，以维持或驱动与排气出口区域26相关联的温度低于预定阈值。

控制器40可被构造为提供控制命令，该控制命令调节从鼓风机30提供至排气出口区域26的空气量的量、时间和持续时间，以提供其提供期望温度降低的空气量。因此，控制器40可连接至与来自发动机14的排气流的产生和对鼓风机30的空气流的控制相关联的各种致动器、开关、传感器或其它装置。例如，根据某些实施方案，控制器40可与其与发动机14相关联的一个或多个组件和/或传感器可操作地通信，以确定发动机速度或扭矩输出，以确定或预测与排气流相关联的温度增加。

示例控制器40可被构造为用于执行控制算法，该控制算法包括向鼓风机30提供排气冷却命令，以响应于排气温度漂移事件和/或响应于在排气出口区域26处或附近的温度的反馈控制来提供环境空气流量。可从例如存储在控制器40中的等式(其使空气流量与温度降低量和其它操作条件相关)，或存储在控制器40中的图/表格(其确定待提供的空气流量与排气混合，以响应于各种操作条件将废气温度降低某一温度降低量)来确定待提供的环境空气流量。

如本文所使用，温度降低量可以是以下中的任何一个或其组合：排气温度超过阈值温度的量、响应于预期排气温度增加事件而预冷却以避免超过温度阈值的排气量、预冷却以限制随后温度增加以避免超过温度阈值的排气量、排气朝向温度阈值的温度降低速率或任何其它合适的温度降低量。在另一实施方案中，用户或操作者基于当前或预期温度控制要求输入用户或机器控制命令以启动排气冷却或维持排气温度处于或低于特定阈值。

现在将描述用于排气出口区域26的几种示例温度控制技术的其它细节。现在参考图2，示出示例控制例程100的流程图，其可存储在非暂时性控制器可读存储介质中并由控制器40执行以控制排气温度降低系统(例如本文所述的系统10或其它类型的发动机系统)的操作。控制例程100在操作102中开始，其中操作发动机14以产生进入排气系统20的排气流。

控制例程100在操作104中继续以确定与排气出口区域26相关联的温度条件T。在条件106下，如果温度条件T小于阈值温度，则控制例程返回10操作102。如果条件106是正的且温度条件T超过温度阈值，则控制例程100在操作108中继续以确定温度降低量。然后控制例程100在操作110中继续以响应于温度降低量确定由鼓风机30提供的空气流量。然后在操作112中，控制器40提供控制命令以控制鼓风机30来提供空气流量。

在某些实施方案中，在操作104中的温度条件T的确定可以是排气出口区域26的温度的直接测量。在其它实施方案中，温度条件T的确定由与后处理系统22相关联的当前或预期再生事件的指示来提供。在又一些其它实施方案中，温度条件T的确定由与发动机14的操作相关联的当前或预期排气温度增加事件的指示(诸如发动机速度的测量或预期增加、扭矩输出的测量或预期增加、对发动机14的供油的测量或预期增加及其组合)来提供。在又其它实施方案中，温度条件T的确定由指示需要排气冷却的手动用户输入来提供。

可响应于一个或多个期望温度降低结果来确定响应于温度降低量而从操作110确定被引导至排气中的空气流量。例如，可响应于期望实现或维持用于排气出口区域26的目标温度或目标温度范围小于温度阈值的温度降低量来控制环境空气的空气流量。在一个实施方案中，环境空气的空气流量被引导至排气中并通过经由电动机31调节通过或来自鼓风机30的空气流并且将来自鼓风机30的空气流量引导至排气出口区域26中的排气系统20来控制。在该实施方案的改进中，空气流量经由致动器38通过控制阀36来控制，所述致动器允许调节控制阀36以提供进入排气出口区域26处的排气中的期望空气流量。在另一改进中，通过控制鼓风机的电动机的速度来控制空气流量。

在某些实施方案中，公开了一种系统、方法和装置，其包括直接喷射至后处理系统22和尾管24之间的排气中的空气。还公开了一种系统、方法和装置，其独立于且不影响发动机14的冷却或进气特性、后处理系统22或后处理系统22上游的系统的任何其它部分的冷却或操作将空气直接喷射至排气系统20中。还公开了一种系统、方法和装置，其用于独立于排气穿过其中的后处理系统22的任何控制操作来冷却排气。

还公开了一种系统、方法和装置，其用于通过将环境空气引导至后处理系统22和尾管24之间的排气中而响应于排气温度漂移事件来控制排气冷却。现在参考图3，示出示例控制例程200的流程图，该控制例程可存储在非暂时性控制器可读存储介质中并由控制器40执行来控制排气温度降低系统(诸如本文所述的系统10或其它类型的发动机系统)的操作。控制例程200在操作202中开始，其中操作发动机14以产生进入排气系统20的排气流。

控制例程200在操作204中继续以确定排气温度漂移事件。排气温度漂移事件可包括以下中的任何一个或其组合：后处理系统22的后处理组件的主动或即将再生、排气温度超过或接近高温阈值、尾管24处或附近的温度接近或超过高温阈值、由发动机14操作的车辆的速度接近或超过阈值、发动机14的速度接近或超过阈值、发动机14上的负载接近或超过阈值，以及发动机14和与发动机相关联的组件中的一个或多个的操作状态。

响应于确定温度漂移事件，控制例程200在操作206中继续以确定温度降低量。然后控制例程200在操作208中继续以响应于温度降低量确定由鼓风机30提供的空气流量。然后在操作210中，控制器40提供控制命令以控制鼓风机30来提供空气流量。

在每个控制例程100、200中，可在温度漂移事件期间多次进行温度降低量和/或空气流量的确定以调节空气流量(如可能需要响应于变化的操作条件)，同时提供空气流量。此外，可在提供空气流的同时多次进行温度确定和/或温度漂移事件确定，使得可根据需要继续或终止所提供的空气流量。

预期本文公开的各个方面。例如，根据一方面，系统包括内燃机和排气系统，该排气系统连接至内燃机以接收由内燃机的操作产生的排气流。排气系统包括后处理系统和后处理系统下游的排气出口区域。系统还包括鼓风机，该鼓风机流体地连接至排气出口区域，所述鼓风机可操作以提供用于与排气出口区域中的排气混合的环境空气流。

在一个实施方案中，系统包括控制器，该控制器被构造为确定与排气流相关联的温度漂移事件，并且响应于温度漂移事件，控制鼓风机产生环境空气流。在该实施方案的改进中，控制器被构造为确定温度降低量并且响应于温度降低量控制从鼓风机进入排气出口区域的环境空气流量。在进一步改进中，系统包括流体管道中的控制阀，所述流体管道将鼓风机连接至排气出口区域。控制器连接至控制阀，且控制器被构造为调制控制阀以响应于温度降低量控制环境空气流量。在又另一改进中，系统包括与鼓风机相关联的电动机，且控制器被构造为响应于温度降低量来改变电动机的速度以控制环境空气流量。

在另一实施方案中，进入鼓风机的环境空气独立于进入内燃机的进气流和由内燃机产生的排气流。在又另一实施方案中，系统包括控制器，所述控制器被构造为确定排气出口区域的温度条件超过温度阈值，并且响应于温度条件超过温度阈值，控制鼓风机产生环境空气流。在该实施方案的改进中，温度条件是排气出口区域的温度的直接测量。在另一改进中，控制器被构造为响应于温度条件超过温度阈值来确定温度降低量、响应于温度降低量确定环境空气流量，并控制鼓风机和空气流与排气出口区域之间的控制阀中的至少一者以向排气出口区域提供环境空气流量。

另一方面，方法包括操作内燃机以产生进入排气系统的排气流，所述排气系统包括后处理系统、后处理系统下游的尾管，和后处理系统和尾管之间的排气出口区域；确定与排气出口区域相关联的温度条件超过温度阈值；由流体地连接至排气出口区域的鼓风机产生环境空气流；和在排气出口区域处将环境空气流提供至排气系统中以冷却排气出口区域中的排气。

在一个实施方案中，方法包括响应于确定温度条件超过温度阈值来确定温度降低量；响应于温度降低量来确定环境空气流量；和将环境空气流量提供至排气出口区域中。在该实施方案的改进中，提供环境空气流量包括响应于环境空气流量来改变驱动鼓风机的电动机的速度。在其它改进中，提供环境空气流量包括响应于环境空气流量来控制控制阀在鼓风机和排气出口区域之间的位置。

在方法的另一实施方案中，确定温度条件包括直接测量排气出口区域的温度。在又另一实施方案中，确定温度条件超过温度阈值包括识别与后处理系统相关联的主动再生事件和迫近再生事件中的至少一者。

根据另一方面，方法包括操作内燃机以产生进入排气系统的排气流，所述排气系统包括后处理系统、后处理系统下游的尾管，和后处理系统和尾管之间的排气出口区域；确定与排气出口区域相关联的温度漂移事件；响应于温度漂移事件来确定排气出口区域的温度降低量；响应于温度漂移事件来确定环境空气流量；和通过由流体地连接至排气出口区域的鼓风机产生环境空气流来冷却排气出口区域，以在排气出口区域处将环境空气流量提供至排气系统中。

在方法的一个实施方案中，确定温度漂移事件包括确定与后处理系统相关联的主动再生事件和迫近再生事件中的至少一者。在另一实施方案中，确定温度漂移事件包括接收指示需要排气冷却的手动输入。

在其它实施方案中，环境空气流独立于进入内燃机的进气流和从内燃机至后处理系统的排气流而产生。在另一实施方案中，提供环境空气流量包括控制控制阀在将鼓风机连接至排气出口区域的流体管道中的位置。

虽然在附图和前面的描述中已经详细地示出并描述了本发明，但是本发明应被认为是说明性的而不是限制性的，应理解，仅示出并描述了某些示例性实施方案。本领域技术人员应理解，在实质上不脱离本发明的情况下，可对示例性实施方案进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。

在阅读权利要求书时，意图在当使用诸如不定冠词“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”的词语时，不会意图将权利要求限制为仅一个项目，除非在权利要求中特别相反地说明。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可包括一部分和/或整个项目，除非有相反的特别说明。

Claims (16)

1.一种用于冷却排气的系统，其包括：

内燃机；

排气系统，其连接至所述内燃机以接收由所述内燃机的操作产生的排气流，所述排气系统包括后处理系统和所述后处理系统下游的排气出口区域；

鼓风机，其流体地连接至所述排气出口区域，其中所述鼓风机可操作以提供用于与所述排气出口区域中的排气混合的环境空气流量；和

控制器，所述控制器被构造为响应于所述排气系统的排气管道外部以及距离所述排气出口区域预定距离内的环境温度来确定所述排气出口区域的温度降低量，其中所述控制器还被构造为独立于所述后处理系统的任何控制操作，控制所述鼓风机基于所述温度降低量提供所述环境空气流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器还被构造为确定与所述排气流相关联的温度漂移事件，并且响应于所述温度漂移事件，控制所述鼓风机产生所述环境空气流。

3.根据权利要求2所述的系统，其还包括流体管道中的控制阀，所述流体管道将所述鼓风机连接至所述排气出口区域，其中所述控制器连接至所述控制阀，且所述控制器被构造为调制所述控制阀以响应于所述温度降低量控制所述环境空气流量。

4.根据权利要求2所述的系统，其还包括与所述鼓风机相关联的电动机，其中所述控制器被构造为响应于所述温度降低量来改变所述电动机的速度以控制所述环境空气流量。

5.根据权利要求1所述的系统，其中进入所述鼓风机的环境空气量独立于进入所述内燃机的进气流和由所述内燃机产生的排气流。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器还被构造为确定所述环境温度超过温度阈值，并且响应于所述环境温度超过所述温度阈值，控制所述鼓风机产生所述环境空气流量。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述环境温度是所述排气出口区域的温度的直接测量。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被构造为控制所述鼓风机和所述鼓风机与所述排气出口区域之间的控制阀中的至少一者以向所述排气出口区域提供所述环境空气流量。

9.一种用于冷却排气的方法，其包括：

操作内燃机以产生进入排气系统的排气流，所述排气系统包括后处理系统、所述后处理系统下游的尾管，和所述后处理系统和所述尾管之间的排气出口区域；

确定所述排气系统的排气管道外部以及距离所述排气出口区域预定距离内的环境温度超过温度阈值；

响应于确定所述环境温度超过所述温度阈值来确定温度降低量；

响应于所述温度降低量来确定环境空气流量；

由与所述排气出口区域流体连接的鼓风机产生所述环境空气流量；和

独立于所述后处理系统的任何控制操作，在所述排气出口区域处将所述环境空气流量提供至所述排气系统中以冷却所述排气出口区域中的所述排气。

10.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述温度包括直接测量所述排气出口区域的所述环境温度。

11.根据权利要求9所述的方法，其中提供所述环境空气流量包括响应于所述环境空气流量来改变驱动所述鼓风机的电动机的速度。

12.根据权利要求9所述的方法，其中提供所述环境空气流量包括响应于所述环境空气流量来控制控制阀在所述鼓风机和所述排气出口区域之间的位置。

13.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述环境温度超过所述温度阈值包括识别与所述后处理系统相关联的主动再生事件和迫近再生事件中的至少一者。

14.一种用于冷却排气的方法，其包括：

操作内燃机以产生进入排气系统的排气流，所述排气系统包括后处理系统、所述后处理系统下游的尾管，和所述后处理系统和所述尾管之间的排气出口区域；

确定所述排气系统的排气管道外部以及距离所述排气出口区域预定距离内的环境温度；

响应于所述环境温度来确定所述排气出口区域的温度降低量；

响应于所述温度降低量来确定环境空气流量；和

独立于所述后处理系统的任何控制操作，通过由与所述排气出口区域流体连接的鼓风机产生所述环境空气流量来冷却所述排气出口区域，以在所述排气出口区域处将所述环境空气流量提供至所述排气系统中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述环境空气流量独立于进入产生所述排气流的内燃机的进气流，且还独立于从所述内燃机至所述后处理系统的所述排气流而产生。

16.根据权利要求14所述的方法，其中提供所述环境空气流量包括控制控制阀在将所述鼓风机连接至所述排气出口区域的流体管道中的位置。

Images