CN110062840B - 排气系统和用于控制排气的流动的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机(2)的排气系统(1)，包括发动机排气管道(4)以及包括连接到发动机排气管道的主排气管道(5)和至少一个催化转化器(9)的后处理系统(3)，还包括用于允许排气绕过后处理系统的旁通管道(10)，用于分别控制经由旁通管道和后处理系统输送的排气的流动中的每个的可调节的旁通端口和可调节的主端口的控制系统，以及配置成确定当前存储在催化转化器中的碳氢化合物的量并且至少基于碳氢化合物的所述量和/或后处理系统内的温度来彼此独立地控制主端口和旁通端口的控制系统。

Description

排气系统和用于控制排气的流动的方法
技术领域
本发明涉及内燃机的排气系统、这种排气系统在船用发动机中的用途、以及用于控制内燃机的排气系统内的排气的流动的方法。
背景技术
为了符合当前的排放法规，船用发动机可以配备有后处理系统，以减少排气中存在的氮氧化物(NOx)的量。然而，海上保险协会的政策要求如果船用发动机配备有后处理系统，则必须采取措施以使来自发动机的排气的流动不会被阻塞。其原因在于船用发动机用于海上的推进和辅助发电，即使较小的可用功率减少也可能成为安全的关键问题。因此，可用发动机功率必须优先于排放水平合规性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种至少在某些方面改进的适用于处理来自船用内燃机的排气的解决方案。特别地，本发明的目的是提供一种排气系统，该排气系统一方面满足排放法规，另一方面不存在被阻塞从而损害发动机功率的风险。另一个目的是减少后处理系统的磨损，这可能由于在不利的操作条件下操作而产生，并且可能导致催化转化器内的反应速率降低。
根据本发明的第一方面，至少主要目的借助于最初限定的排气系统实现，其特征在于它包括：
-在后处理系统的上游连接到发动机排气管道的旁通管道，用于允许排气绕过后处理系统，
-可调节的旁通端口，借助于该旁通端口可以控制经由旁通管道输送的排气的流动，
-可调节的主端口，借助于该主端口可以控制经由后处理系统输送的排气的流动，以及
-控制系统，其配置成确定当前存储在催化转化器中的碳氢化合物的量，并且至少基于碳氢化合物的所述量和/或基于后处理系统内的温度来彼此独立地控制主端口和旁通端口。
该排气系统特别适用于船舶应用中的柴油发动机和柴油发电机(发电机组)。如果存储在催化转化器中的碳氢化合物(HC)的量使得这适合于不引起排气的流动的阻塞或劣化或放热反应，则它允许排气绕过后处理系统。如果存储的HC的量很高，则通常是这种情况，在这种情况下，通过后处理系统输送的排气的流动可以借助于主端口切断，而旁通端口打开使得排气经由旁通管道输送。当合适时，诸如当排气的温度足够高时，主端口可以逐渐打开，从而可以进行受控的HC蒸发。由于主端口和旁通端口独立可控，旁通端口可以在主端口打开期间保持打开，与具有单一端口的系统或具有不能独立控制的端口的系统相比，这改善了对HC蒸发过程的控制。因此，双独立可控端口改善了可用发动机功率必须优先于排放水平的应用中的排放控制。
期望绕过后处理系统的另一种情况是当催化转化器中的温度低时，在这种情况下，存在大量HC被存储于催化转化器中的风险。存储在催化转化器中的大量HC可能随后导致催化转化器中的放热反应，因此期望保持存储的HC的量小。
催化转化器在该排气系统中通常是选择性催化还原(SCR)单元，其可以与氨逃逸催化转化器单元组合。氧化催化器可以与SCR单元一起使用或不与SCR单元一起使用，并且颗粒过滤器也可以与SCR单元和/或氧化催化器组合使用。当催化转化器是SCR单元时，后处理系统还应包括用于将尿素混合到催化转化器的上游的排气中的混合器。后处理系统可以包括一个或多个催化转化器，诸如在混合器的下游并联连接的呈SCR单元形式的两个催化转化器。
根据本发明的一个实施方式，排气系统包括上游温度传感器，该上游温度传感器配置成测量紧邻至少一个催化转化器的上游的排气的上游温度，并且控制系统还配置成基于来自所述上游温度传感器的信号来控制主端口和旁通端口。上游温度可以例如用于确定HC的量并在HC的蒸发期间控制主端口。
根据本发明的一个实施方式，控制系统配置成基于上游温度和与内燃机的当前操作条件相关的数据来确定碳氢化合物的量。这是一种可靠且成本有效的方法，用于确定催化转化器中存储的HC的量而无需使用HC传感器。
根据本发明的一个实施方式，与当前操作条件相关的所述数据至少包括发动机负载和发动机转速。
根据本发明的一个实施方式，排气系统还包括下游温度传感器，该下游温度传感器配置成测量紧邻至少一个催化转化器的下游的排气的下游温度，并且控制系统还配置成基于来自下游温度传感器的信号来控制主端口和旁通端口。下游温度可以用于检测催化转化器内是否发生放热反应。优选地，该配置中的系统还包括上游温度传感器，在这种情况下，主端口和旁通端口可以基于上游温度和下游温度之间的温度差来操作。例如，如果下游温度超过上游温度超过预先确定的量，或者如果下游温度快速增加，则排气系统可以配置成完全打开两个端口。
根据本发明的一个实施方式，控制系统配置成根据预先确定的控制状态来控制主端口和旁通端口，该预先确定的控制状态至少包括主端口完全打开且旁通端口完全关闭的运转状态，以及旁通端口完全打开并且主端口完全关闭的旁通状态。还可以包括其他控制状态，诸如根据例如上游温度和/或排气压力来控制主端口的控制状态。在某些控制状态下，主端口可以部分打开，而旁通端口完全打开。
根据本发明的一个实施方式，控制系统配置成响应于设计用于检测需要改变控制状态的条件的诊断测试的结果来选择合适的控制状态。这些条件可以包括高排气压力，催化转化器的上游和/或下游的高温或低温，优选与存储的HC的量等组合。
根据本发明的一个实施方式，控制系统还配置成，当在控制状态之间切换时，在开始关闭所述端口中的另一个之前完全打开所述端口之一。这确保了排气通过排气系统的无阻碍流动。
根据本发明的一个实施方式，预先确定的控制状态还包括放热状态，其中两个端口都是完全打开的。通过完全打开两个端口，排气可以自由地通过后处理系统和旁通管道，并且相对冷的排气可以由此冷却过热的催化转化器。
根据本发明的一个实施方式，预先确定的控制状态还包括蒸发状态，其中旁通端口完全打开并且主端口至少基于当前存储在催化转化器中的碳氢化合物的所述量来控制。这允许调节通过后处理系统的排气的流动，使得可以进行存储在催化转化器中的HC的蒸发。
根据本发明的一个实施方式，排气系统包括机械构件，用于在控制系统的电源被关闭情况下将排气系统置于旁通状态。这确保了在致动器的动力由于某种原因被切断的情况下，排气总是可以自由地通过旁通管道。
根据本发明的一个实施方式，排气系统还包括压力传感器，其配置成测量旁通管道的上游的排气压力，其中控制系统还配置成基于来自所述排气压力传感器的信号来至少控制旁通端口。如果在给定发动机的当前操作条件的情况下，测量到的压力与预期的压力不一致，则可以调节旁通端口的开度并且可选地调节主端口的开度。
根据本发明的一个实施方式，旁通端口和主端口可以使用独立可控的阀来控制。阀应优选地提供在完全打开状态与完全关闭状态之间连续调节的可能性。
根据本发明的一个实施方式，所述阀是蝶阀。这是一种成本有效的阀选择，可以在打开状态与关闭状态之间连续调节。
根据本发明的另一方面，借助于使用所提出的排气系统作为船用发动机或柴油发电机的排气系统来实现上述主要目的。
根据本发明的另一方面，上述主要目的借助于一种用于控制所提出的排气系统内的排气的流动的方法来实现，包括以下步骤：
-确定当前存储在催化转化器中的碳氢化合物的量，
-至少基于碳氢化合物的所述量来控制可调节的旁通端口，
-独立于旁通端口并且至少基于碳氢化合物的所述量来控制可调节的主端口。
从所提出的排气系统的上述描述中可以看出这种方法的优点和有利特征。
从以下描述中可以看出本发明的其他有利特征以及优点。
附图说明
下面将参考附图通过示例进一步描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的实施方式的排气系统，
图2更详细地示意性地示出图1中的排气系统，
图3是展示排气系统的操作的图，以及
图4是展示根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1中示出根据本发明的实施方式的内燃机2的排气系统1的示意图。后处理系统3经由发动机排气管道4连接到发动机2。后处理系统3包括连接到发动机排气管道4的主排气管道5、经由尿素供应管道8从尿素储罐7注入尿素(例如
Figure GDA0003030992920000051
)的混合器6、以及催化转化器9。此外，旁通管道10在后处理系统3的上游连接到排气管道4，用于允许排气绕过后处理系统3。
图2更详细地显示了图1中的排气系统。可以看出，催化转化器9在此包括选择性催化还原(SCR)单元22和氨逃逸催化转化器单元23。可调节的旁通阀11定位在旁通管道10的入口中，使得提供可调节的旁通端口。在主排气管道5的入口中，可调节的主阀12主端口定位成使得提供可调节的主端口。此外，提供了控制系统，该控制系统配置成经由主阀12控制控制主端口并且经由旁通阀11控制旁通端口。控制系统包括控制单元13，该控制单元与旁通致动器14通讯以致动旁通阀11，并且与主致动器15通讯以致动主阀12。致动器14，15在此呈通讯区域网络的形式(CAN)控制的电动机的形式，可以向控制系统提供实际阀位置反馈。由此可以彼此独立地控制旁通阀11的开度和主阀12的开度。旁通阀11与主阀12之间没有设置机械连接。
用于测量排气的上游温度T_up的上游温度传感器16设置在紧邻催化转化器9的上游。用于测量排气的下游温度T_down的下游温度传感器17设置在紧邻催化转化器9的下游，其中“紧邻……下游”在这里意味着距催化转化器9的出口一(1)米内。此外，提供NOx传感器18用于测量催化转化器9下游的NOx气体的量。
来自传感器16，17，18的数据被通讯到排气排放控制单元19，该排气排放控制单元配置成经由CAN总线与控制单元13通讯。数据在控制单元13中用于计算供应给混合器6的尿素的量，然后排气排放控制单元19用于控制尿素向混合器6的供应。
排气系统还包括位于发动机排气管道4中的排气压力传感器20，即旁通阀11和主阀12的上游。还可以提供各种其他传感器，诸如用于检测排气中的NOx气体的量的NOx传感器。发动机协调器单元21配置成经由CAN总线与控制单元13通讯，向控制单元13提供与内燃机的当前运行状况相关的数据，诸如发动机转速ω和发动机负载。
控制系统配置成至少基于当前存储在催化转化器9中的碳氢化合物(HC)的量来控制主阀12和旁通阀11中的每个的开度。存储在催化转化器9中的HC的量可以在控制单元13中基于通过上游温度传感器16测量的上游温度T_up并且基于经由发动机协调器单元21接收的与内燃机2的当前操作状态相关的数据来确定。发动机2在不同操作条件下排出的HC的量通常是已知的。它可以是例如事先在实验室确定。所排出的HC的量被包括在用于确定当前存储在催化转化器9中的HC的量的模型中。另一种选择是包括用于检测排气中存在的HC的量的传感器。HC的量也可以基于与发动机2的当前操作条件相关的数据以及催化转化器9内的模拟温度一起来确定。
控制系统在所示实施方式中还配置成基于来自下游温度传感器17的信号来控制阀11，12的开度。如果下游温度T_down大于上游温度T_up，或者如果下游温度T_down迅速增长，则这可能指示出在催化转化器9中发生放热反应。可以设定条件使得T_down>T_up触发旁通阀11的打开和主阀12的关闭。当然，也可以设定条件，使得下游温度T_down与上游温度T_up之间的差值必须超过某个阈值。
控制系统可以配置成根据预先确定的控制状态来操作主阀12和旁通阀11。这种预先确定的控制状态可以包括：
-运转状态，其中主阀12完全打开并且旁通阀11完全关闭。所有排气都通过催化转化器9。这是在推进期间并且用于在排放控制区域中运行的辅助动力应用的正常操作模式。
-旁通状态，其中旁通阀11完全打开并且主阀12完全关闭。这可以是通过阀复位弹簧引起的默认机械设置，因为致动器14，15的电源被关闭。
-放热状态，其中旁通阀11和主阀12都完全打开。
还可以定义不同的子状态，诸如蒸发状态，在该蒸发状态期间发生HC的蒸发，在该状态下主阀12响应于传感器信号和发动机操作数据而缓慢地打开并且被控制，而旁通阀11保持完全打开。
控制系统配置成基于在发动机2的操作期间执行的诊断检测功能来切换到期望的控制状态。这种检测功能可以用于检测例如放热反应、过高的催化器和尿素喷射器温度、过高的发动机排气压力等。
图3示出在上述蒸发状态下的根据本发明的排气系统1的操作的示例。曲线示出作为时间的函数的发动机转速ω、主阀12的关闭程度％MV、SCR单元22内的模拟温度T_mod、上游温度T_up以及所存储的HC的量。在该示例中，发动机2最初以低发动机转速ω运行，主阀12关闭，模拟温度T_mod以及上游温度T_up低，而所存储的HC的量相对较高。旁通阀11在所示的时间段内完全打开。
在大约30秒后，发动机负荷和发动机转速ω突然增加。排气的质量流量增加，这触发主阀12的打开。
在大约75秒之后，上游温度T_up突然增加，因此主阀12部分关闭以限制催化转化器9内的温度增加。此后主阀的关闭程度％MV被控制以达到用于HC蒸发的目标温度。通常，降低的发动机负荷和转速ω导致更加打开的主阀12。当其中的温度足够高时，所存储的HC在大约110秒之后开始从催化转化器9蒸发。
在图4中示意性地展示根据本发明的实施方式的方法。在步骤S1中，感测包括催化转化器9的上游和下游的温度以及发动机排气管道4中的压力的各种参数。至少基于来自上游温度传感器16的信号并且基于与发动机2的当前操作条件相关的数据，在步骤S2中确定存储在催化转化器9中的HC的量。在步骤S3中，旁通阀11和主阀12借助于致动器14，15基于所确定的所存储在催化转化器9中的HC的量来控制。当然，可以包括以下步骤，该步骤包括基于例如来自上述传感器16-18中的一个或多个的传感器信号来控制旁通阀11和/或主阀12。此外，催化转化器9内的模拟温度可以用于控制阀11，12的步骤。
根据本发明的排气系统可以包括一个以上的催化转化器，诸如在混合器的下游并联连接的两个SCR单元，每个SCR单元具有连接在下游的氨逃逸催化转化器单元。
本发明当然不以任何方式限于上述实施方式，但是对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的范围的情况下，对其进行修改的许多可能性是显见的。

Claims (16)

1.一种内燃机(2)的排气系统(1)，包括：
-发动机排气管道(4)，
-后处理系统(3)，其包括连接到发动机排气管道(4)的主排气管道(5)和至少一个催化转化器(9)，
其特征在于，
排气系统(1)还包括：
-旁通管道(10)，其在后处理系统(3)的上游连接到发动机排气管道(4)，用于允许排气绕过后处理系统(3)，
-可调节的旁通端口，能够借助于所述旁通端口控制经由旁通管道(10)输送的排气的流动，
-可调节的主端口，能够借助于所述主端口控制经由后处理系统(3)输送的排气的流动，以及
-控制系统，其配置成确定当前存储在催化转化器(9)中的碳氢化合物的量并且至少基于碳氢化合物的所述量和/或基于后处理系统(3)内的温度来彼此独立地控制主端口和旁通端口，
其中主端口和旁通端口能够由控制系统基于所述至少一个催化转化器(9)的上游温度与下游温度之间的温度差来控制。
2.根据权利要求1所述的排气系统，还包括上游温度传感器(16)，其配置成测量紧邻所述至少一个催化转化器(9)的上游的排气的上游温度(T_up)，其中控制系统进一步配置成基于来自所述上游温度传感器(16)的信号来控制主端口和旁通端口。
3.根据权利要求2所述的排气系统，其中，控制系统配置成基于上游温度(T_up)并且基于与内燃机(2)的当前操作条件相关的数据来确定碳氢化合物的量。
4.根据权利要求3所述的排气系统，其中，与当前操作条件相关的所述数据至少包括发动机负载和发动机转速(ω)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的排气系统，还包括下游温度传感器(17)，其配置成测量紧邻所述至少一个催化转化器(9)的下游的排气的下游温度(T_down)，其中，控制系统还配置成基于来自下游温度传感器(17)的信号来控制主端口和旁通端口。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的排气系统，其中，控制系统配置成根据预先确定的控制状态来控制主端口和旁通端口，所述预先确定的控制状态至少包括主端口完全打开并且旁通端口完全关闭的运转状态以及旁通端口完全打开且主端口完全关闭的旁通状态。
7.根据权利要求6所述的排气系统，其中，控制系统还配置成，当在各控制状态之间切换时，在开始关闭所述端口中的一个之前完全打开所述端口中的另一个。
8.根据权利要求6所述的排气系统，其中，预先确定的控制状态还包括放热状态，其中两个端口完全打开。
9.根据权利要求6所述的排气系统，其中，预先确定的控制状态还包括蒸发状态，其中旁通端口完全打开并且主端口至少基于当前存储在催化转化器(9)中的碳氢化合物的量来控制。
10.根据权利要求6所述的排气系统，其中，控制系统配置成响应于设计用于检测需要改变控制状态的条件的诊断测试的结果来选择合适的控制状态。
11.根据权利要求6所述的排气系统，其中，排气系统(1)包括机械构件，用于在控制系统的动力被关闭的情况下将排气系统(1)置于旁通状态。
12.根据权利要求6所述的排气系统，还包括压力传感器(20)，其配置成测量旁通管道(10)的上游的排气压力，其中控制系统还配置成基于来自所述压力传感器(20)的信号来至少控制旁通端口。
13.根据权利要求6所述的排气系统，其中旁通端口和主端口能够使用独立可控的阀(11，12)来控制。
14.根据权利要求13所述的排气系统，其中旁通端口和主端口能够使用蝶形阀来控制。
15.根据前述权利要求中任一项所述的排气系统(1)作为船用发动机或柴油发电机的排气系统的用途。
16.一种用于控制根据前述权利要求中任一项所述的内燃机(2)的排气系统(1)内的排气的流动的方法，包括以下步骤：
-确定当前存储在催化转化器(9)中的碳氢化合物的量，
-确定后处理系统(3)内的温度，
-至少基于所述碳氢化合物的量和/或所述温度来控制可调节的旁通端口，
-独立于旁通端口并且至少基于碳氢化合物的所述量和/或所述温度来控制可调节的主端口，
其中所述方法还包括基于所述至少一个催化转化器(9)的上游温度与下游温度之间的温度差来控制主端口和旁通端口。
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