CN113227548B - 操作发动机系统中的尿素计量系统的方法和包括尿素计量系统的发动机系统 - Google Patents

操作发动机系统中的尿素计量系统的方法和包括尿素计量系统的发动机系统 Download PDF

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Abstract

在用于操作发动机的排气后处理系统(EATS)中的尿素计量系统的方法中：在布置有所述EATS的环境中测量周围环境温度；监测与所述EATS相关联的一个或多个温度，所述一个或多个温度与尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系。在关闭发动机之后，基于所测得的周围环境温度以及所述一个或多个监测到的温度来确定尿素计量系统中的尿素是否会冻结。在关闭发动机之后，以一定的延迟执行逆向操作，所述一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，所述一个或多个事件包括：确定尿素计量系统中的尿素会冻结。还提供了一种发动机系统。

Description

操作发动机系统中的尿素计量系统的方法和包括尿素计量系 统的发动机系统
技术领域
本发明总体上涉及一种用于操作发动机系统中的用于柴油机排气流体的计量系统的方法、以及一种包括柴油机排气流体计量系统的发动机系统。柴油机排气流体通常(但不一定)是尿素水溶液，并且为了讨论的目的，在下文中将通常被统称为“尿素”，应当理解，术语“尿素”旨在包括尿素水溶液和其它柴油机排气流体。类似地，为了讨论的目的，计量系统在下文中将被统称为尿素计量系统。
背景技术
通常提供排气后处理系统(EATS)来处理柴油发动机的排放物。EATS通常将包括柴油氧化催化剂(DOC)、柴油微粒过滤器(DPF)以及选择性催化还原催化剂(SCR)。尿素被喷射在SCR的上游，以帮助将发动机所产生的NOx还原为N2和H2O。
当发动机关闭时，特别是在低温下，通常执行逆向过程以从包括从尿素储液器(即，储罐)、尿素泵和尿素喷射阀引出的管线的部件中去除尿素。这是为了避免这些管线中的尿素冻结的可能性。尿素水溶液的凝固点约为-11℃。在一些发动机系统中，如果在发动机关闭时测量到的周围环境温度等于或低于约-11℃，则执行逆向过程。在其它系统中，无论周围环境温度如何，每次发动机关闭时都执行逆向过程。
每次关闭发动机或每次在低的周围环境温度下关闭发动机时执行逆向过程的缺点在于：如果发动机随后在所述管线中的尿素预期将冻结之前重新起动，则在能够喷射更多尿素之前，从储罐到喷射阀的管线必须被重新填充尿素。除了这种过程浪费能量之外，这种过程将导致存在一个时间段：在该时间段期间，尿素将不被喷射到SCR中以将NOx还原为N2和H2O，并且有害的排放物可能会释放到大气中。
此外，当该系统立即逆向时，喷射阀更容易变得堵塞，因为该阀处的温度往往因为排气而变得非常高。热量可能导致在喷射器内部以及在喷射器的末端外部形成微晶体，而如果在该系统冷却时将尿素留在所述阀中，则不会形成微晶体。
希望提供一种能够最大程度地减少执行不必要的逆向的方法和设备。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于操作发动机的排气后处理系统(EATS)中的尿素计量系统的方法。该方法包括以下步骤：测量布置有所述EATS的环境中的周围环境温度；监测与所述EATS相关联的一个或多个温度，所述一个或多个温度与所述尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系；在关闭发动机之后，基于测得的周围环境温度以及所述一个或多个监测到的温度，确定所述尿素计量系统中的尿素是否会冻结；以及在关闭所述发动机之后，以一定的延迟执行逆向操作，所述一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，所述一个或多个事件包括确定所述尿素计量系统中的尿素会冻结。
根据本发明的另一方面，一种发动机系统包括：发动机；排气后处理系统(EATS)，该EATS包括尿素计量系统、用于测量布置有所述EATS的环境中的周围环境温度的装置、以及用于监测与所述EATS相关联的一个或多个温度的装置，所述一个或多个温度与所述尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系；以及控制器，该控制器被布置成：在关闭发动机之后，基于所测得的周围环境温度和所述一个或多个监测到的温度来确定所述尿素计量系统中的尿素是否会冻结，并向所述尿素计量系统发送指令，以在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作，所述一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，所述一个或多个事件包括确定所述尿素计量系统中的尿素会冻结。
附图说明
通过结合附图来阅读以下详细描述，可以很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的一方面的发动机系统的交通工具；
图2示意性地示出了根据本发明的一方面的被构造成将尿素喷射到EATS中的发动机系统；
图3示意性地示出了根据本发明的一方面的被构造成执行逆向操作的发动机系统；并且
图4是示出了根据本发明的一方面的方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
图1中示出了包括根据本发明的一方面的发动机系统23的交通工具21。发动机系统23包括发动机25(通常是柴油发动机)和排气后处理系统(EATS)27。EATS 27包括：计量系统29，该计量系统29用于柴油机排气流体(通常(但不一定)是尿素，并且为了讨论的目的，该计量系统在下文中将被称为尿素计量系统)；用于测量布置有所述EATS的环境中的周围环境温度的装置31(图2和图3)；以及用于监测与所述EATS相关联的一个或多个温度的装置33(图2和图3)，所述一个或多个温度与尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系(除非另外指出，否则该装置33在下文中都被称为EATS温度监测装置)。周围环境温度测量装置31通常包括诸如温度计、热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器之类的装置，或其它能够执行温度测量功能的装置。同样，EATS温度监测装置33通常包括可以直接线连接(wired)到控制器53的装置(例如温度计、热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器)，或者其它能够执行温度测量功能的装置，例如一些类型的智能传感器，所述智能传感器在不需要直接线连接到控制器的控制器局域网通信总线上通信。应当明白，本发明具有在不与交通工具21相关联的发动机系统中的应用，然而，目前预计对于发动机系统来说特别有用的应用与交通工具有关。所示出的特定交通工具21是卡车，然而，该交通工具可以是包括本文所述类型的发动机系统23的任何其它形式的交通工具或设备，例如船舶、建筑设备或固定发动机。
如图2和图3中所见，发动机系统23还包括控制器53，该控制器53被布置成：在关闭发动机25之后，基于所测得的周围环境温度和所述一个或多个监测到的温度来确定尿素计量系统29中的尿素35是否会冻结，并且向尿素计量系统发送指令，以在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作，该一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，该一个或多个事件包括确定尿素计量系统中的尿素会冻结。控制器53可以具有各种合适的形式，例如编程计算机、发动机控制单元或后处理控制模块。在执行逆向过程之前发生的延迟将通常是发动机关闭时的周围环境温度和指示了计量系统29中的尿素的温度的所监测到的温度的函数。可以允许该延迟，因为：例如，在关闭发动机之后的一段时间内，计量系统29的部件中以及靠近计量系统29的部件中的余热可以防止计量系统中的尿素冻结。该延迟的长度将取决于特定计量系统的构造和其它因素而变化。通常，针对特定系统的适当延迟长度将由所考虑的系统的测试和/或建模来确定。
周围环境温度测量装置31和EATS温度监测装置33通常将包括以下类型的温度测量设备：该类型的温度测量设备发送与所测得/监测到的温度相对应的电信号。通常，周围环境温度测量装置31将仅提供与周围环境温度相对应的单个信号(通常是在发动机关闭时提供)，因此仅存在电池55的最小消耗。相比之下，EATS温度监测装置33通常将连续地或定期地进行温度测量并向控制器53发送信号。
所执行的逆向操作的精确性质可以取决于特定的发动机系统结构而变化。图2和图3示意性地示出了当前优选的发动机系统23，该发动机系统23包括喷射阀(或尿素计量阀)37，从该阀37在选择性催化还原装置(SCR)57的上游喷射尿素35，以将发动机25所产生的NOx还原为N2和H2O。喷射阀37经由泵单元41下游的压力管线39连接，该泵单元41通常包括连接在泵马达45下游的泵过滤器43，该泵马达45经由入口管线47连接到用于容纳尿素35的储罐49。反向阀51被设置在入口管线47中，并且能够在图2中所示的第一位置或喷射位置与图3中所示的第二位置或逆向位置之间切换，在该第一位置或喷射位置，尿素35被从储罐49泵送到喷射阀37，该第二位置或逆向位置用于使流动方向逆转而从所述喷射阀回到储罐，使得尿素被从所述喷射阀和压力管线39抽吸并经由入口管线47泵送回到储罐。喷射阀37、压力管线39、泵单元41、入口管线47以及储罐49通常将会被一个或多个适当的加热装置加热，例如被电加热器和/或被加热的发动机冷却剂所流经的管线67加热。回流管线65通常被设置成允许由泵单元41泵送并且超过可通过喷射阀37在特定的泵送压力下喷射的尿素量的尿素返回到储罐49。
EATS温度监测装置33监测特定发动机系统23的温度，已知该温度与发动机系统中的尿素的温度有一定关系。通过监测该温度，可以确定发动机系统23中的尿素35冻结的可能性。当由周围环境温度测量装置31测量到的温度和由EATS温度监测装置33监测到的温度表明发动机系统中的尿素35存在冻结的可能性时，可以执行所述逆向操作。控制器53可以评估由周围环境温度测量装置31测量到的温度和由EATS温度监测装置33监测到的温度，并且，即使存在冻结的可能性，控制器53也可以被编程为基于所测得的温度和监测到的温度来延迟一定时间段才发起逆向操作，该一定时间段直到冻结风险超过预定水平为止。以这种方式，可以避免只要发生了发动机关闭就进行不必要的逆向操作，因为发动机将可能在实际发生冻结之前重新起动，并且可以最小化起动期间的NOx的排放。
EATS温度监测装置33可以是用于测量尿素计量系统29的尿素计量泵单元41的温度的装置的形式。替代地或另外，EATS温度监测装置33可以是用于测量与尿素计量系统的喷射阀37邻近的EATS部件的温度的装置的形式。在许多发动机系统中邻近喷射阀37且趋向于具有与发动机系统23中的尿素35的温度存在直接关系的温度的EATS部件是柴油微粒过滤器(DPF)59，该DPF 59通常布置在喷射阀37和SCR 57的紧接上游。然而，应当明白，EATS温度监测装置33可以布置在各种位置并且可以测量与发动机系统23中的尿素35的温度存在关系的各种温度，例如被布置在喷射阀37、入口管线47、压力管线39和/或回流管线65旁边或之中，并且上述示例仅仅是说明性而非限制性的。
根据本发明的又一方面，发动机系统23包括用于监测发动机25的电池55的电压的装置61，其中，该电池被布置成用于起动所述发动机，并且也向EATS温度监测装置33供电。控制器53可以被布置成：在关闭发动机25之后，响应于来自电压监测装置61的信号来确定电池55的电压是否已经下降到低于预定电压，并且，为了使该控制器向尿素计量系统29发送指令以在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作所必须发生的所述一个或多个事件可以包括确定该电池的电压已经下降到低于预定电压。以这种方式，可以假定诸如EATS温度监测装置33(以及其它由电池供电的设备，如果存在的话)的电力消耗装置的操作将不持续到超过电池55不再有足够电量来起动发动机25的点。电压监测装置61可以是用于在检测到电压低于特定值时向控制器53发送信号的任何合适的装置(例如电压监测继电器)。在当前优选的实施例中，控制器53直接读取电压，然而，其它替代方式也是可能的，例如在控制器局域网总线上中继电压电平测量值的智能传感器。当前优选的是，电池电压不下降到低于直流12.2伏的值，然而，控制器53将控制发动机系统23来执行逆向操作的特定电压可以在不同的发动机系统中以及在不同的安全系数下是不同的。
根据本发明的又一方面，发动机系统23包括用于测量从关闭发动机23开始的实耗时间的装置63。控制器53可以被布置成：在关闭发动机25之后，响应于来自实耗时间测量装置63的信号来确定从关闭发动机开始的实耗时间是否已经超过了预定时间长度，并且，为了使该控制器向尿素计量系统29发送指令以在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作所必须发生的所述一个或多个事件可以包括：确定从关闭发动机开始的实耗时间超过了预定时间长度。在预定的实耗时间之后执行逆向操作提供了除了测量电池电压之外或者作为其替代方案的、一种附加的或可替代的安全措施，以在用EATS温度监测装置监测温度的同时(或者在操作其它由电池供电的部件的同时)确保电池55将不会被消耗超过将不能起动发动机23的点。所述预定的实耗时间长度例如可以是在关闭发动机23并监测与EATS相关联的所述一个或多个温度之后的预期电池电压的函数。实耗时间测量装置63可以是任何合适的形式，例如适于在发动机关闭之后向控制器53发送信号的时钟(或者是该控制器的一部分，例如后处理控制模块)。
图4示出了用于操作发动机25的EATS 27中的尿素计量系统29的方法中的步骤。在步骤S1处关闭发动机25之后，在步骤S2处，在布置有EATS 27的环境中，通常在发动机关闭之后经由合适的周围环境温度测量装置31测量周围环境温度至少一次。虽然可能仅测量周围环境温度一次，但可替选地，可以间歇性地或连续地监测，然而，这样的间歇监测或连续监测可能比所期望的从电池55消耗更多电力。而且，在步骤S1处关闭发动机25之后，在步骤S3处，监测与EATS 27相关联的一个或多个温度，该一个或多个温度与尿素计量系统29中的尿素35的温度存在一定关系，该监测连续地或定期地发生。在步骤S1处关闭发动机25之后，在步骤S4A处，基于所测得的周围环境温度和所述一个或多个监测到的温度来做出尿素计量系统29中的尿素35是否会冻结的确定。在步骤S5处，在关闭发动机之后，以一定的延迟执行逆向操作，该一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，该一个或多个事件包括在步骤S4A中确定尿素计量系统29中的尿素35会在该延迟之后冻结，该一定的延迟基于预计何时可能发生尿素的冻结，该延迟是作为所测得的周围环境温度和指示了计量系统中的尿素的温度的所监测到的温度的函数而计算的。
在步骤S3处监测所述一个或多个监测到的温度可以包括监测以下温度：例如(但不限于)，尿素计量系统29的尿素计量泵单元41的温度，或者是与尿素计量系统的尿素喷射阀37邻近的EATS部件(例如DPF 59)的温度。
该方法可以进一步包括：在步骤S4B处，监测发动机25的电池55的电压，该电池被布置成用于起动发动机并向EATS温度监测装置供电。在步骤S5处，在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作，该一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，该一个或多个事件包括：在步骤S4B处确定电池的电压已经下降到低于预定电压。
该方法可以进一步包括：在步骤S4C处，测量从关闭发动机25开始的实耗时间。在步骤S5处，在关闭发动机之后以一定的延迟执行逆向操作，该一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，该一个或多个事件包括在步骤S4C处确定从关闭发动机开始的实耗时间超过了预定时间长度。该预定时间长度通常是在关闭发动机25以及用EATS温度监测装置33监测与EATS相关联的所述一个或多个温度之后的预期电池电压的函数。
可以通过仅执行步骤S4A、S4B或S4C中的一个来执行该方法。例如，发动机系统23可以仅包括用于执行步骤S4A的周围环境温度测量装置31和EATS温度监测装置33以及控制器53，即，确定尿素是否会冻结并且延迟逆向操作，直到确定出尿素会冻结为止，并且可以不包括用于执行步骤S4B或S4C(在图4中用虚线示出，以表明它们可以省略)的电压监测装置61或时间监测装置63。替代地，发动机系统23可以仅包括用于执行步骤S4B和/或S4C的电压监测装置61和/或时间监测装置63，并且可以不包括用于执行步骤S4A的周围环境温度测量装置31和EATS温度监测装置33以及控制器53。然而，当前优选的是执行所有步骤。一旦满足了发动机系统23所能执行的步骤S4A、S4B或S4C中的任何一个步骤的条件，将自动地执行逆向操作，而不必还执行任何其它步骤。如果执行比所有步骤S4A、S4B或S4C少的步骤，则当前优选的是，至少使用周围环境温度测量装置31、EATS温度监测装置33以及控制器53来执行步骤S4A，以确定尿素是否会冻结并且延迟逆向操作，直到确定尿素会冻结为止。
在执行逆向操作之后，与发动机系统23相关联的引起电池55消耗的设备(例如EATS温度监测装置33、电压监测装置61、时间测量装置63以及控制器53)通常将被关闭，从而将不发生对电池的不必要的消耗。
在本申请中，诸如“包括…”之类的术语的使用是开放式的，旨在与诸如“包含…”之类的术语具有相同的含义，并且不排除其它结构、材料或行为的存在。类似地，尽管使用诸如“可以”或“可”之类的术语旨在是开放式的并且表明该结构、材料或行为不是必要的，但是，未使用此类术语也不旨在表明该结构、材料或行为是必不可少的。就结构、材料或行为目前被认为是必不可少的而言，它们被确定为如此。
虽然已经根据优选实施例示出和描述了本发明，但应认识到，在不脱离如权利要求书中阐述的本发明的情况下，可以在其中进行多种变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于操作发动机的排气后处理系统EATS中的尿素计量系统的方法，包括：
测量布置有所述EATS的环境中的周围环境温度；
利用温度监测装置监测与所述EATS相关联的一个或多个温度，所述一个或多个温度与所述尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系；
在关闭所述发动机之后，基于所测得的周围环境温度以及一个或多个监测到的温度来确定所述尿素计量系统中的尿素是否会冻结；以及
在关闭所述发动机之后以一定的延迟执行用于使所述尿素从喷射阀回到储罐的逆向操作，所述一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，所述一个或多个事件包括：确定所述尿素计量系统中的尿素会冻结，
其中，所述一个或多个监测到的温度包括柴油微粒过滤器的温度，监测所述柴油微粒过滤器的温度的温度监测装置被布置在所述柴油微粒过滤器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个监测到的温度包括所述尿素计量系统的尿素计量泵的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述一个或多个监测到的温度包括与所述尿素计量系统的尿素计量阀邻近的EATS部件的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个监测到的温度包括与所述尿素计量系统的尿素计量阀邻近的EATS部件的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，与所述尿素计量阀邻近的所述EATS部件是柴油微粒过滤器。
6.根据权利要求1所述的方法，包括监测所述发动机的电池的电压，所述电池被布置成用于起动所述发动机并向用于监测与所述EATS相关联的一个或多个温度的装置供电，其中，所述一个或多个事件包括：确定所述电池的电压已经下降到低于预定电压。
7.根据权利要求6所述的方法，测量从关闭所述发动机开始的实耗时间，其中，所述一个或多个事件包括：确定从关闭所述发动机开始的所述实耗时间超过了预定时间长度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预定时间长度是在关闭所述发动机并监测与所述EATS相关联的所述一个或多个温度之后的预期电池电压的函数。
9.根据权利要求1所述的方法，测量从关闭所述发动机开始的实耗时间，其中，所述一个或多个事件包括：确定从关闭所述发动机开始的所述实耗时间超过了预定时间长度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，周围环境温度是在所述发动机关闭时测量的。
11.一种发动机系统，包括：
发动机；
排气后处理系统EATS，所述EATS包括：
尿素计量系统，
用于测量布置有所述EATS的环境中的周围环境温度的装置，和
用于监测与所述EATS相关联的一个或多个温度的温度监测装置，所述一个或多个温度与所述尿素计量系统中的尿素的温度存在一定关系；以及
控制器，所述控制器被布置成：在关闭所述发动机之后，基于所测得的周围环境温度和一个或多个监测到的温度来确定所述尿素计量系统中的尿素是否会冻结，并向所述尿素计量系统发送指令，以在关闭所述发动机之后以一定的延迟执行用于使所述尿素从喷射阀回到储罐的逆向操作，所述一定的延迟直到发生一个或多个事件为止，所述一个或多个事件包括：确定所述尿素计量系统中的尿素会冻结，
其中，所述一个或多个监测到的温度包括柴油微粒过滤器的温度，监测所述柴油微粒过滤器的温度的温度监测装置被布置在所述柴油微粒过滤器中。
12.根据权利要求11所述的发动机系统，其中，用于监测所述一个或多个监测到的温度的所述温度监测装置监测所述尿素计量系统的尿素计量泵的温度。
13.根据权利要求12所述的发动机系统，其中，用于监测所述一个或多个监测到的温度的所述温度监测装置监测与所述尿素计量系统的尿素计量阀邻近的EATS部件的温度。
14.根据权利要求11所述的发动机系统，其中，用于监测所述一个或多个监测到的温度的所述温度监测装置监测与所述尿素计量系统的尿素计量阀邻近的EATS部件的温度。
15.根据权利要求14所述的发动机系统，其中，与所述尿素计量阀邻近的所述EATS部件是柴油微粒过滤器。
16.根据权利要求11所述的发动机系统，包括用于监测所述发动机的电池的电压的装置，所述电池被布置成用于起动所述发动机并向用于监测与所述EATS相关联的一个或多个温度的所述温度监测装置供电，其中，所述一个或多个事件包括：确定所述
电池的电压已经下降到低于预定电压。
17.根据权利要求16所述的发动机系统，包括用于测量从关闭所述发动机开始的实耗时间的装置，其中，所述一个或多个事件包括：确定从关闭所述发动机开始的所述实耗时间超过了预定时间长度。
18.根据权利要求17所述的发动机系统，其中，所述预定时间长度是在关闭所述发动机并监测与所述EATS相关联的所述一个或多个温度之后的预期电池电压的函数。
19.根据权利要求11所述的发动机系统，包括用于测量从关闭所述发动机开始的实耗时间的装置，其中，所述一个或多个事件包括：确定从关闭所述发动机开始的所述实耗时间超过了预定时间长度。
20.根据权利要求11所述的发动机系统，其中，用于测量周围环境温度的所述装置被布置成在所述发动机关闭时测量周围环境温度。
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