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CN101988408A - 加热排气以供柴油机微粒过滤器再生 - Google Patents

加热排气以供柴油机微粒过滤器再生 Download PDF

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Abstract

柴油发动机的排气系统中的电加热元件在空闲或相似的低排气流/低排气温度条件下将排气温度充分升高至DOC被活化以燃烧燃料的点。只要DOC外壳内的催化剂为活性，则DPF再生可启动。该电加热元件可被设置在排气管中的涡轮增压柴油发动机的涡轮出口与DOC外壳入口之间。该电加热元件可由发动机交流发电机供电，且可在发动机电子控制模块需要时激活。

Description

加热排气以供柴油机微粒过滤器再生
技术领域
本发明一般涉及诸如卡车之类的通过内燃机尤其是柴油发动机来提供动力的机动车辆，这些内燃机具有用于处理通过其排气系统的排气的排气处理装置。
发明背景
用于处理通过柴油发动机的排气系统的排气的已知系统包括将烃(HC)氧化成CO2和H2O且将NO转换成NO2的柴油氧化催化剂(DOC)，以及俘获柴油机微粒物质(DPM)的柴油机微粒过滤器(DPF)。DPM包括黑烟或碳、可溶解有机馏分(SOF)以及灰烬(即润滑油添加剂等)。DPF在排气流中位于DOC下游。这两个排气处理装置的组合防止诸如烃、一氧化碳、黑烟、SOF以及灰烬之类的大量污染物质进入大气。DPF对DPM的俘获防止黑烟从车辆的排气管排出。
DOC将烃(HC)氧化并将NO转换成NO2。DPF中俘获的DPM的有机组分即碳和SOF利用DOC所产生的NO2在DPF中被氧化，以形成然后可从排气管排到大气中的CO2和H2O。
被俘获的碳被氧化成CO2的速率不仅由NO2或O2的浓度控制，且由温度控制。具体而言，存在用于DPF的三个重要的温度参数。
第一温度参数是氧化催化剂的“点火”温度，当低于该温度时催化剂活性太低而不能氧化HC。点火温度通常在250℃附近。
第二温度参数控制NO向NO2的转换。此NO转换温度横跨具有被定义为最低温度和最高温度的下限和上限的温度范围，在该温度范围中实现了40％或更多的NO转换。这两个界限所限定的转换温度窗口从约250℃扩展至约450℃。
第三温度参数与碳在过滤器中氧化的速率相关。相关文献中的参照源将该温度称为“平衡点温度”(或BPT)。它是微粒的氧化速率(有时也称为DPF再生速率)等于微粒积累速率时的温度。BPT是确定DPF使柴油发动机能达到预期尾管排放法则和/或规范的参数之一。
通常，柴油发动机相对于汽油发动机较稀薄(lean)和较冷地运转。该因素使自然获取BPT成问题。
因此，DPF要求不时再生以保持微粒俘获效率。再生涉及将烧掉未经检查的累积可能会损害DPF效率的被俘获微粒的条件的存在。虽然“再生”指的是烧掉DPM的一般过程，但熟悉当前应用于机动车发动机的再生技术的人员可认识到两种具体类型的再生。
“被动再生”一般理解为表示可在发动机工作于烧掉DPM的条件的任何时间进行的再生，而无需启动发动机控制系统中的算法实现的具体再生策略。“主动再生”一般理解为表示通过发动机控制系统自身或通过驱动器使发动机控制系统发起已编程再生策略而有意启动的再生，其目的是将进入DPF的排气的温度升高至适合于发起和保持俘获微粒燃烧的范围。
主动再生甚至可在DPF变得装载DPM至发动机控制系统自己要求再生的程度之前发起。当向发动机控制系统指示DPM装载超过该程度时，控制系统迫使主动再生，而这有时简称为受迫再生。
无论被迫与否，产生用于发起和继续主动再生的条件一般涉及将进入DPF的排气的温度升高至适当高的温度。
存在用于发起DPF的受迫再生的若干方法，诸如推迟柴油燃料的主燃料喷射或后喷射的开始，以升高进入DPF的排气温度，同时仍留下过量氧气用于烧掉所俘获的微粒物质。后喷射可结合用于将排气温度升高至主动DPF再生所需的相对高温的其他过程和/或装置一起使用。
这些方法能将排气温度升高到足以将催化剂温度升高至高于催化剂“点火”温度，并提供可被该催化剂氧化的过量HC。此类HC氧化提供必需的热来将DPF中的温度升高至高于BPT。
诸如垃圾车、公共载重车以及机场加油车之类的低负荷/低流量驱动周期难以达到发起DPF再生所需的温度。通常，发动机空闲时的排气温度为150℃，而DOC活化直到约250℃才能实现。可进行基于发动机的修改以克服该缺点，但同时燃料和性能受损。诸如燃料燃烧器或同步气体转化器系统之类的某些辅助选项可补偿该缺点。
本发明人已经认识到，现有的驱动周期无法实现DPF再生，因为排气温度和柴油氧化催化剂(DOC)温度不足以氧化产生期望放热曲线的燃料。
发明内容
本发明所公开的实施例提供一种加热器，其将诸如发动机空闲时的低流速下的排气温度升高至DOC外壳内的催化剂被活化以燃烧燃料的温度点。只要DOC外壳内的催化剂为活性，则DPF再生可发起。加热器系统在空闲点或相似的低流速/低温点时将充分升高排气温度。因此，DPF再生不再依赖于车辆驱动周期。
电加热元件可设置在排气管中的涡轮出口与DOC外壳入口之间，优选正好位于DOC外壳前方以使温度损耗最小化。加热器可通过来自车辆交流发电机的继电器供电。当发动机控制系统请求DPF再生但无法实现通向DOC外壳的期望排气温度时，继电器的控制信号将接通。
所公开的实施例提供一种用于柴油发动机的排气系统。该柴油发动机包括接收因柴油发动机内的燃料燃烧产生的排气的排气路径。DOC外壳设置在排气路径中。DPF设置在排气路径中的DOC外壳下游。电加热元件设置在排气路径中的DOC外壳上游。电加热元件被配置成升高进入DOC外壳的排气的温度。电加热元件的大小可调节为将排气加热至约250℃。
发动机控件接收发动机工作信号，并控制发动机参数以控制排放且优化发动机性能。发动机控件与电子继电器信号连通。该继电器具有信号连接至发动机控件的信号侧和连接在发动机电功率与电加热元件之间的功率侧。当排气温度必须被升高以进行充分的DOC活化以便高效的DPF再生时，发动机控件触发该继电器以向电加热元件提供电功率。在该方面中，温度传感器可设置在DOC外壳与电加热元件之间，该传感器信号连接至发动机控件。
排气路径可包括在DOC外壳上游的涡轮。该电加热元件可设置在涡轮与DOC外壳之间，或在通向DOC外壳的入口处。
本发明提供一种发起柴油微粒过滤器再生的方法，该方法包括以下步骤：
确定是否需要再生；以及
利用与排气传热连通的电加热元件加热与DOC连通的排气。
加热排气的步骤可进一步由以下步骤限定：
感测与DOC连通的排气的温度；以及
仅当排气温度低于所需DOC活化温度时才进行对排气的加热。
本发明的许多其他优点和特征根据本发明的以下详细描述及其实施例、根据权利要求以及根据附图将变得显而易见。
附图简述
图1是具有排气后处理装置的代表性柴油发动机和控件的示意图。
详细描述
虽然本发明容许许多不同形式的实施例，但在附图中示出并将在本文中详细描述本发明的特定实施例，且应理解本公开内容将被认为是本发明原理的例证，而不旨在将本发明限制为所示的特定实施例。
图1示出了用于对机动车辆提供动力的示例性柴油发动机20的示意图。发动机20具有诸如发动机电子控制单元或模块之类的基于处理器的发动机控件22，其处理来自多个源的数据以产生用于控制发动机工作的多个方面的多种控制数据。控件22所处理的数据可来自诸如传感器之类的外部源，和/或在内部产生。
控件22包括喷油器驱动模块24，用于控制向发动机缸体28中的燃烧室喷射燃料的电执行燃料喷射器26的操作。相应的燃料喷射器26与各个气缸相关联，且包括安装在发动机上的主体，且具有喷嘴，燃料通过该喷嘴喷射到相应的发动机气缸中。发动机控制系统22的处理器能充分快地处理数据以实时计算喷射器执行的时序和持续时间，以设置供给燃料的时序和量。
发动机20还包括具有安装在缸体28上的进气歧管30的进气系统。涡轮增压机36的中间冷却器32和压缩机34在歧管30上游。压缩机34通过中间冷却器32吸入空气以产生增压空气，增压空气从歧管30经由在发动机周期期间的正确时刻打开和关闭的相应进气阀进入各个发动机气缸。
发动机20还包括排气系统37，发动机气缸中的燃烧所产生的排气可通过该排气系统37从发动机进入大气。排气系统包括安装在缸体28上的排气歧管38。排气从各个气缸经由在发动机周期期间的正确时刻打开和关闭的相应排气阀进入歧管38。
发动机20的涡轮增压通过涡轮增压机36实现，该涡轮增压机36还包括与排气系统相关联且经由轴耦合至压缩机34的涡轮40。作用在涡轮40上的热排气导致涡轮使压缩机34工作，以产生提供发动机20加速的增压空气。
该排气系统还包括在涡轮40下游的DOC外壳44和DPF 48，用于在排气通过排气管49进入大气之前处理排气。虽然DOC外壳44和DPF 48被示为独立部件，但DOC外壳44和DPF 48也可能共享同一外壳。
DPF 48物理俘获通过其中的排气中高百分比的DPM，从而防止被俘获的DPM进入大气。DOC外壳44中的氧化催化剂将输入排气中的烃(HC)氧化成CO2和H2O，并将NO转化成NO2。然后该NO2用于减少DPF 48中俘获的碳微粒。
关于上述的被动和主动再生，美国专利6,829,890和美国已公开专利申请2008/0184696和2008/0093153描述了用于进行再生的系统和方法。这些专利和出版物通过引用结合于此。
根据本发明所公开的示例性实施例，诸如电阻线圈52之类的电加热元件设置在排气系统中的涡轮40与DOC外壳44之间。线圈52通过由诸如来自发动机交流发电机60之类的车辆电源供电的继电器56供电，该交流发电机60通常由发动机20通过皮带传动轮等驱动。交流发电机60还对已知的车辆蓄电池64再充电。诸如热耦之类的温度传感器70设置在DOC外壳44上游或DOC外壳44上。温度传感器70将与DOC外壳44中的排气温度相对应的排气温度传达给发动机22。
在发动机空闲或其他低排气流条件期间，如果温度下降至再生所需温度以下，而控件22命令再生，则发动机控件22对继电器56供电以使电流通到线圈52以加热流入DOC外壳44的排气。一旦传感器70感测到的温度超过再生所需的排气温度，则控件22停止对继电器供电从而从线圈52切断电流。
根据上述内容，将注意到可实现多种变化和修改，而不背离本发明的精神和范围。应当理解，不希望或不认为仅限于本文所说明的特定装置。

Claims (12)

1.一种用于柴油发动机的排气系统，所述柴油发动机因燃料的燃烧产生排气，所述排气系统包括：
从所述柴油发动机接收排气的排气路径；
所述排气路径中的柴油氧化催化剂(DOC)外壳；
所述排气路径中的在所述DOC外壳下游的柴油微粒过滤器(DPF)；以及
所述排气路径中的在所述DOC外壳上游的电加热元件，所述电加热元件被配置成升高进入所述DOC外壳的排气的温度。
2.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于，包括发动机控件和继电器，所述继电器具有信号连接至所述发动机控件的信号侧和连接在发动机电功率与所述电加热元件之间的功率侧，当排气温度必须被升高以便充足的DOC活化以进行有效的DPF再生时，所述发动机控件触发所述继电器以向所述电加热元件提供电功率。
3.如权利要求2所述的排气系统，其特征在于，所述排气路径包括在所述DOC外壳上游的涡轮，且所述电加热元件设置在所述涡轮与所述DOC外壳之间。
4.如权利要求3所述的排气系统，其特征在于，所述电加热元件设置在所述DOC外壳的入口处。
5.如权利要求1所述的排气系统，其特征在于，所述电加热元件的大小被设计成将排气加热至约250℃。
6.在由柴油发动机提供动力的车辆中，所述柴油发动机提供机械功率来驱动发电机，所述柴油发动机具有包括压缩机和排气驱动涡轮的涡轮增压机和发动机电子控制单元，所述涡轮具有与流连接至柴油微粒过滤器(DPF)的柴油氧化催化剂(DOC)外壳流连接的排气出口，所述发动机电子控制单元接收发动机传感器信号并发送发动机控制信号以改变发动机可控参数从而控制发动机排放，其改进包括：
设置在流动路径中的所述涡轮与所述DOC外壳之间的电加热元件，所述电加热元件信号连接至所述发动机电子控制单元，并在所述发动机电子控制单元请求更高的排气温度进入所述DOC外壳时由所述发电机供电。
7.如权利要求6所述的改进，其特征在于，包括继电器，所述继电器具有连接至所述发动机电子控制模块的信号侧和连接在所述发电机与所述电加热元件之间的功率侧。
8.如权利要求7所述的改进，其特征在于，所述电加热元件位于排气管中的涡轮出口与DOC外壳入口之间。
9.如权利要求8所述的改进，其特征在于，包括设置在所述DOC外壳与所述电加热元件之间的温度传感器。
10.一种发起用于具有排气路径的柴油发动机的柴油微粒过滤器(DPF)再生的方法，所述排气路径包括在DPF上游的柴油氧化催化剂(DOC)，所述方法包括以下步骤：
确定是否需要再生；以及
利用与所述排气传热连通的电加热元件加热与所述DOC连通的所述排气。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，加热所述排气的所述步骤进一步通过以下步骤限定：
感测与所述DOC连通的所述排气的温度；以及
仅当所述排气的所述温度低于所需DOC活化温度时才进行对所述排气的加热。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，加热所述排气的所述步骤进一步通过以下步骤限定：
通过将发动机机械功率转换成电功率来产生所述电加热元件所需的电功率。
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