CN201858033U - 通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置 - Google Patents

通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及重型柴油机。为提供一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置,本实用新型采取的技术方案是,通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置,包括:空气滤清器、进气中冷器、电子节气门、可变气门机构VVA、空气压缩机、电加热器、温度传感器,可变气门机构VVA、电子节气门、空气压缩机上的旁通空气控制阀、电加热器、温度传感器分别与控制单元相连。本实用新型主要应用于重型柴油机排放控制。

Description

通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及重型柴油机,特别是涉及通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置。
背景技术
[0002] 面对环境污染和能源匮乏,柴油机排放法规日益严格,这对实现柴油机高效、清洁 燃烧的排放控制技术提出了严峻的挑战。柴油机在重型车领域的应用占据着主导地位,如 何应对近乎苛刻的排放要求是重型柴油机在发展过程中面临的主要问题。
[0003] 众所周知,柴油机的NOx和碳烟排放之间存在一种此消彼长的Trade-off关系,改 善一种排放的措施往往会带来另一种排放的升高。因此,长期以来,人们一直在围绕如何改 善两者之间的Trade-off关系展开了深入的研究。
[0004] 目前,围绕降低柴油机排放的研究已经得到了广泛的开展,在一些新型燃烧方式 (如HCCI、LTC、SCCI、PCCI等)方面取得了一定的进展,在一定的工况范围内表现出了实现 超低排放(如美国EPA 2010法规)的潜力。但这些燃烧方式目前还存在应用的局限性,有 诸多问题还需要解决,尤其是对覆盖大负荷工况的重型柴油机来说,新型燃烧方式很难覆 盖其全部工况范围。
[0005] 在进行燃烧控制和机内净化研究的同时,柴油机的后处理技术也得到了快速的发 展,如降低NOx的SCR(Selective Catalytic Reduction选择性催化还原)技术、降低碳烟 和颗粒的D0C(Diesel Oxidation Catalyst,氧化催化转化器)和DPF(Diesel Particulate Filter,颗粒捕集器)技术等。这些后处理技术虽然具有高的转化效率,但存在着系统复 杂、成本高、转化效率受边界条件影响较大等问题,如SCR需要定时填充NH3来维持正常工 作,并存在NH3泄漏等问题,DOC存在催化器热老化和催化剂中毒的问题,而DPF的再生和 可靠性问题会严重影响其使用。同时,使用后处理器还会降低柴油机在燃油经济性方面的 优势。因此,改善燃烧和降低排放还是需在机内净化(优化燃烧过程,提高热效率和燃烧效 率)的基础上尽量减少复杂后处理器的使用。
[0006] 目前,SCR是一种相对成熟的NOx后处理技术,具有较高的转化效率,但其高效区 存在于一个范围狭窄的特定温度区间(350°C〜550°C)。因此,如果能够在全工况范围内控 制SCR前的排气温度处于该高效区间,就可以大大提高SCR的转化效率。若此时通过进气 管理、提高喷射压力、优化喷油定和喷射策略等措施,改善碳烟(微粒)排放,从而减小对微 粒后处理效率的要求。因此,通过采用对排气温度控制的方法,可以在使用SCR和DOC后处 理器条件下满足欧6排放要求。
发明内容
[0007] 为克服现有技术的不足,提供一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置。 为达到上述目的,本实用新型采取的技术方案是,通过控制排温实现重型柴油机低排放的 装置,包括:[0008] 空气滤清器,用于净化进入发动机的新鲜空气;
[0009] 进气中冷器,利用循环水作为冷却介质,用于冷却被增压器压缩过后温度有所升 高的新鲜进气;
[0010] 电子节气门,由步进电机驱动并实时灵活控制开度,电子节气门与控制单元相 连;
[0011] 可变气门机构VVA,用于灵活调节进排气正时和气门升程,从而灵活控制新鲜进气 流量和残余废气量,可变气门机构VVA与控制单元相连;
[0012] 空气压缩机,通过皮带传动系由发动机曲轴带动,通过控制旁通空气控制阀可向 排放管路提供温度相对较低的新鲜冷空气,以降低排气管路中SCR上游的排气温度,旁通 空气控制阀与控制单元相连;
[0013] 电加热器,用于提高排气温度,电加热器与控制单元相连;
[0014] 温度传感器安装在SCR上游,并与控制单元相连;
[0015] SCR用于降低NOx排放;
[0016] D0C,用于尾气后处理;
[0017] 控制单元为16位微处理器控制芯片。
[0018] 本实用新型具备如下技术效果:
[0019] (1)具有无源唤醒功能的有源标签待机功耗超低,电池寿命理论上可达普通有源 唤醒标签的7倍。
[0020] (2)具有无源唤醒功能的有源标签的阅读距离远大于无源标签,能够满足远距离 工作的要求。
附图说明
[0021] 图1是本实用新型的一种通过控制排气温度实现重型柴油机低排放的装置示意 图。图中,1.空气滤清器2.增压器3.进气中冷器4.电子节气门5.可变气门机构(VVA)6. 皮带传动系7.空气压缩机8.旁通空气控制阀9.电加热器10.温度传感器11. SCR12.DOC。
[0022] 图2是本实用新型的排温控制原理图。
具体实施方式
[0023] 如果能够在全工况范围控制SCR前的排气温度处于该高效区间,就可以大大提 高SCR的转化效率;此时再通过提高喷射压力、优化喷射策略和进气管理等措施,改善碳烟 (微粒)排放,从而减小对微粒后处理器的要求。因此通过采用排温控制的方法,可以在使 用SCR和DOC后处理器条件下满足欧6排放要求。
[0024] 本实用新型的目的在于克服现已有技术的不足,提出一种通过控制重型柴油机排 温来提高SCR对NOx的转化效率,在不采用EGR技术的情况下使NOx排放满足欧6排放法 规;通过提高缸内喷油压力和燃烧优化降低颗粒排放,在采用DOC的条件下使颗粒满足欧6 要求,从而实现重型柴油机低排放的控制方法。
[0025] 本实用新型的通过排气温度控制实现重型柴油机低排放的方法,包括以下步骤:
[0026] (1)发动机的排温电控单元分别读取来自发动机曲轴传感器的转速信号和来自油 门踏板传感器的负荷信号,并根据读取到的转速和负荷信号来判断发动机运行在中、低负荷还是高负荷工况。读取SCR上游的排温信号判断排温是否处于所要求的350°C〜550°C 的SCR高效转率化区间。
[0027] (2)如果步骤(1)的判断结果为发动机运行于低负荷工况,此时排气温度一股比 较低。若低于350°C〜550°C的温度范围,则排温电控单元根据预置的低负荷工况排温控制 策略,通过可变气门机构(VVA)控制排气门正时(晚开或早关)来减小冷的新鲜进气量、 增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度,从而使排出气缸的废气温度也得 到相应提高,同时采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气,使废气温度迅速达到 350°C〜550°C这一温度区间。小负荷工况采用VVA减少进气量,相对调整节气门可以大大 减小泵气损失,保持较好的燃油经济性,同时小负荷情况下颗粒生成量很小,缸内残余废气 的增多不会造成颗粒明显增多。
[0028] (3)如步骤⑴中的判断结果为发动机处于中等负荷工况,但排温仍不能达到 350°C〜550°C的要求(中等负荷排气温度一股不会超过550°C,有可能出现低于350°C的情 况),此时排温电控单元根据预先优化好的排温控制策略,通过减小安装在进气管路上的电 子节气门开度来减小发动机的进气量,提高缸内工质的燃烧温度和排出的废气温度,同时 采用安装在排气管路的电加热装置快速加热废气,使废气温度迅速达到350°C〜550°C这 一温度区间要求。
[0029] (4)如步骤⑴中的判断结果为发动机处于高负荷工况,不会出现排温低于350°C 的情况。此时如果排气温度超过了 550°C,排温电控单元根据预置的排温控制策略,利用连 接到排气管路的旁通阀向废气中补充新鲜冷空气降低排气温度到规定的温度区间,补充的 新鲜空气来自一个发动机皮带轮驱动的压气机;
[0030] (5)除了采用VVA、电子节气门、补充冷空气等调节排气温度外,对排气管路要采 取辅助的保温措施,目的是使排气管中的废气温度尽量均勻,使进入SCR的全部废气温度 都保持在SCR高效的温度区间,从而保证SCR较高的催化效率;
[0031] (6)除上述控制排气温度提高SCR效率、使NOx满足欧6排放法规要求的措施外, 同时要对燃烧过程进行优化,如尽量提高燃油的喷射压力、采用灵活可调的喷射策略等,以 获得较低的颗粒原始排放,在结合DOC后处理器情况下使颗粒能够满足欧6排放法规的要 求。
[0032] 下面结合附图和具体实施例对实用新型进行详细描述。
[0033] 如图1所示为本实用新型的一种通过控制重型柴油机(匹配传统单级带旁通阀的 废气涡轮增压器)排气温度实现低排放的装置示意图。
[0034] 在发动机的进气系统中安装有空气滤清器1、进气中冷器3、电子节气门4和可变 气门机构5(VVA)。空气滤清器1主要是净化进入发动机的新鲜空气;进气中冷器3利用循 环水作为冷却介质,用于冷却被增压器压缩过后温度有所升高的新鲜进气,进气温度下降 一方面会提高进气密度,增加了进气量,另一方面降低进气温度,使缸内的燃烧温度有所下 降,有利于减少NOx的排放;电子节气门4是由步进直流电机驱动并由控制程序实时灵活控 制其开度,节气门开度越大,则进气有效流通面积就越大,进气量则增加,反之,进气量则减 少;可变气门机构5 (VVA)能灵活调节进排气正时和气门升程,从而灵活控制新鲜进气流量 和残余废气量(内部EGR)。
[0035] 排气管路连接和安装有空气压缩机7、旁通空气控制阀8、电加热器9、温度传感器10,SCR 1UD0C 12等。空气压缩机7是通过皮带传动系6由发动机曲轴带动,通过控制旁 通空气控制阀8可向排放管路提供温度相对较低的新鲜冷空气,以降低排气管路中SCR上 游的排气温度;通过温度传感器10判断排气温度高低,控制电加热器9能提高排气温度; SCR 11用于降低NOx排放,但其高效率区所处温度窗口较窄(350°C〜550°C),如何控制排 气温度处于该温度范围,使SCR始终保持较高的NOx转化效率是本实用新型的技术重点。该 实用新型主要是通过采用VVA、电子节气门、电加热器和在SCR上游的排气补充新鲜冷空气 等技术措施,实现排气温度分布于SCR高转化效率所在温度区域;DOC 12对发动机的HC和 CO具有较高的转化效率,并对微粒中SOF具有一定的转化效率。本实用新型通过提高喷油 压力,调整喷油控制策略,优化缸内燃烧过程以降低发动机微粒的原始排放,并耦合DOC实 现重型柴油机微粒排放以满足欧6排放法规要求(D0C布置在SCR下游)。
[0036] 如图2所示,本实用新型实现排温控制主要机构是由排温电控单元统一协调控 制。根据对排气温度的控制目标,经过大量的台架性能试验确定各个工况下VVA,电子节气 门、旁通空气控制阀、电加热器的综合控制策略,将其制定成全工况范围内(中小负荷、大 负荷)的综合控制MAP写入排温电控单元。控制过程为发动机排温电控单元首先接受油门 踏板、转速传感器信号判断其当前所处的工况,并经SCR上游的温度传感器实时判断当前 温度状况,排温电控单元根据事先制定的全工况范围内的排温控制策略,通过控制MAP协 调控制各部件,以达到对排气温度控制的目标和要求。
[0037] 排温电控单元,是实现所需功能的控制中心,其控制芯片有多种选择,如可选择飞 思卡尔(Freescale)公司的16位控制芯片(型号:EVB9S12XEP100)即可满足开发要求。电 控单元连接曲轴转速传感器和油门踏板传感器,并通过控制信号线根据控制策略制定的控 制MAP协调控制VVA,电子节气门、旁通空气控制阀和电加热器等装置,实现对运行工况排 气温度的实时控制和调节,使排气温度满足目标要求。
[0038] 本实用新型是通过排温电控单元判断发动机所运行的工况及该工况下的排气温 度,根据发动机工况和排气温度特性采用不同的技术措施以达到控制排气温度的目的。如 图1和图2所示,发动机排温电控单元通过曲轴转速传感器转速信号和油门踏板传感器的 负荷信号来判断发动机运行在何种工况(中、低负荷还是高负荷工况),并通过读取安装在 SCR上游的温度传感器10的排气温度信号来判读是否处于SCR高转化效率所在温度区间 (350°C〜550°C )。具体实施如下所述:
[0039] (1)如果排温电控单元判断当前发动机运行在低负荷工况,此时排气温度一股比 较低,若低于350°C〜550°C的温度范围,则排温电控单元根据预置的低负荷工况排温控制 策略,通过可变气门机构(VVA)5控制排气门正时(晚开或早关)来减小冷的新鲜进气量、 增加缸内热的残余废气量来提高燃烧后的缸内工质温度,从而使排出气缸的废气温度也得 到相应提高。同时采用安装在排气管路的电加热装置9快速加热废气,使废气温度迅速达 到350°C〜550°C这一温度区间要求。
[0040] (2)如果排温电控单元判断当前发动机处在中等负荷工况,但排气温仍不能达到 350°C〜550°C的要求,此时排温电控单元根据预先优化好的排温控制策略,通过减小安装 在进气管路上的电子节气门4的开度来减小发动机的进气量,提高缸内工质的燃烧温度和 排出的废气温度,同时采用安装在排气管路的电加热装置9快速加热废气,使废气温度迅 速达到350°C〜550°C这一温度要求。
6[0041] (3)如果排温电控单元判断当前发动机处于高负荷工况,此时发动机排温一股不 会出现低于350°C的情况。此时如果排气温度超过了 550°C,排温电控单元根据预置的排温 控制策略,打开连接到排气管路的旁通阀8向SCR上游的废气中补充温度较低的新鲜冷空 气以降低排气温度到规定的温度区间,补充的新鲜空气由发动机皮带传动系6所驱动的压 气机7提供。
[0042] 本实用新型采用VVA、电子节气门、排气电加热和向SCR上游补充新鲜冷空气等技 术措施,根据发动机运行工况,由排温电控单元统一协调控制各部件,以达到调节排气温度 的要求,此外,为使SCR上游的排气管中的废气温度尽量均勻,使流入S CR的全部废气温度 都保持在SCR高效率的温度区间(350°C〜550°C ),排气管路还采取辅助的保温措施,目的 是始终保证SCR具有较高的催化效率。除采用上述控制排气温度以提高SCR转化效率,使 NOx排放满足欧6排法法规要求的措施外,同时需要提高燃油的喷射压力、调整喷油定时、 采用灵活可调的喷射控制策略并优化进气参数等技术措施来改善柴油机缸内燃烧过程,提 高燃烧效率,以获得较低的颗粒原始排放和良好的燃油经济性,并结合DOC后处理器使颗 粒排放完全能达到欧6排放法规的要求。

Claims (2)

1. 一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置,其特征是,包括: 空气滤清器,用于净化进入发动机的新鲜空气;进气中冷器,利用循环水作为冷却介质,用于冷却被增压器压缩过后温度有所升高的 新鲜进气;电子节气门,由步进电机驱动并实时灵活控制开度,电子节气门与控制单元相连; 可变气门机构VVA,用于灵活调节进排气正时和气门升程,从而灵活控制新鲜进气流量 和残余废气量,可变气门机构VVA与控制单元相连;空气压缩机,通过皮带传动系由发动机曲轴带动,通过控制旁通空气控制阀可向排放 管路提供温度相对较低的新鲜冷空气,以降低排气管路中SCR上游的排气温度,旁通空气 控制阀与控制单元相连;电加热器,用于提高排气温度,电加热器与控制单元相连; 温度传感器安装在SCR上游,并与控制单元相连; SCR用于降低NOx排放; D0C,用于尾气后处理;控制单元连接曲轴转速传感器和油门踏板传感器。
2.根据权利要求1所述的一种通过控制排温实现重型柴油机低排放的装置,其特征 是,控制单元为16位微处理器控制芯片。
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