用於控制排氣處理流體配給的柴油機排氣系統和方法與流程

2024-02-27 16:55:15 1

背景技術：

為了防止排放未燃燒燃料，柴油發動機能夠以稀的空燃比（大於化學計量）運行。然而，在稀燃燒中存在的過量氧會產生氮氧化物。因此，柴油發動機除其他各種汙染物之外還產生大量氮氧化物。政府法規要求採取某些措施來限制進入大氣的汙染物的量。這包括在許多柴油發動機的排氣中提供排氣後處理裝置，諸如選擇性催化還原（scr）系統。

scr系統包含催化劑塗層，柴油發動機的排氣必須經過該塗層。周期性地，柴油機排氣處理流體或還原劑，諸如尿素、無水氨或氨水，在催化劑之前被配給。該流體分解成氨和其他氣體，並且氨被吸收到催化劑塗層中。隨著排氣通過包含氨的塗層，取決於所用的柴油機排氣處理流體，還原反應將汙染物（例如，nox）轉化成危害較小的產物：氮（n2）、水（h2o）和/或二氧化碳（co2）。配給的預定時機以及配給的柴油機排氣處理流體的量對於確保scr系統正確地發揮功能是非常重要的。如果催化劑塗層不包含足夠的被吸收的氨，則汙染物將通過scr系統而不發生反應。如果過多柴油機排氣處理流體被噴射，則氨將通過scr系統而不發生反應。

技術實現要素：

本發明在一方面提供用於控制柴油機排氣處理流體的配給的方法。提供柴油發動機，並且包括排氣後處理裝置的排氣系統被聯接到柴油發動機。噴射裝置被提供在排氣系統中以用於根據預定程序將柴油機排氣處理流體配給到排氣系統中。確定排氣後處理裝置的冷凝水含量。當確定排氣後處理裝置的冷凝水含量高於規定的閾值時，排除由預定程序引導的配給事件，使得噴射裝置不被操作成向排氣後處理裝置提供柴油機排氣處理流體。

本發明在另一方面提供用於處理來自柴油發動機的排氣的柴油機排氣系統。柴油機排氣系統包括排氣後處理裝置。噴射裝置被構造成將柴油機排氣處理流體引入到排氣後處理裝置中。控制器被編程為接收來自多個傳感器的輸出。控制器被編程為確定排氣後處理裝置的冷凝水含量，並且提供輸出，從而基於排氣後處理裝置的所確定的冷凝水含量來控制噴射裝置的致動。

本發明在又一方面提供用於控制聯接到柴油發動機的排氣系統內的柴油機排氣處理流體的配給的方法。藉助控制器基於至該控制器的一個或多個輸入來分析排氣後處理裝置的冷凝水含量。控制器驗證排氣後處理裝置內的冷凝水含量低於規定的冷凝水閾值。在驗證出排氣後處理裝置內的冷凝水含量低於規定的冷凝水閾值時，從控制器發送控制信號至柴油機排氣處理流體噴射裝置，以便向排氣後處理裝置配給柴油機排氣處理流體。

通過參考下述具體實施方式和附圖，本發明的其他特徵和方面將變得清楚。

附圖說明

圖1是柴油發動機和排氣系統的示意圖。

圖2是示出根據本發明的一個實施例的排氣處理流體配給方法的流程圖。

圖3是示出一個發動機測試循環的視圖，其提示了在排氣後處理裝置中的冷凝水積聚、以及當飽和時柴油機排氣處理流體向排氣後處理裝置中的配給。

圖4是比較在各個溫度下在水浸循環之前和之後的排氣後處理裝置的nox轉化效率的視圖。

圖5a是排氣後處理裝置、測量裝置和控制器的示意圖。

圖5b是示出圖5a的測量裝置的輸出的視圖。

在詳細解釋本發明的任何實施例之前，應該理解本發明不將其應用限於在下述描述中闡述的或附圖中示出的構造和部件結構的細節。本發明能夠具有其他實施例並且以各種方式被實現或執行。同樣，應該理解的是，本文所使用的表述和術語僅用於描述目的並且不應該被看作是限制。

具體實施方式

如圖1所示，柴油機排氣系統10被連接到柴油發動機12。發動機12被連接到排氣導管16，該排氣導管16限定內部通路以用於接收和引導燃燒反應排氣離開發動機12並進入環境。排氣導管16能夠包括多個排氣管節段，並且從發動機12處的第一端延伸到第二端32，在該第二端處排氣被釋放到環境中。排氣後處理裝置14位於柴油機排氣系統10內並且能夠進一步限定導管16的一部分。排氣導管16內的排氣在被排出到環境中之前必須通過排氣後處理裝置14。排氣後處理裝置14能夠被實施為選擇性催化還原（scr）系統，該系統包括用於催化劑材料的基體34。排氣後處理裝置14可以包括多個基體區段34，每個區段均具有被催化劑塗層36覆蓋的表面區域，沿排氣導管16的長度彼此串聯。雖然未示出，但排氣系統10能夠包含各種附加部件，諸如渦輪增壓器以增加發動機動力、和/或消聲器以減少排氣的噪聲。

噴射裝置18被安裝到排氣導管16並且可選擇性地操作以將流體噴射或配給到排氣導管16中。噴射裝置18可以包括噴霧器或噴嘴以用於改善的流體散布。噴射裝置18被定位成使得流體在排氣後處理裝置14的上遊被噴射。流體是柴油機排氣處理流體（例如，尿素-水混合物、adblue等等），當是氣態形式時，該流體與柴油機排氣的汙染物反應以將汙染物轉化成諸如水和氮氣的產物。流體被存儲在柴油機排氣處理流體貯存器20中，該貯存器20被流體連接到噴射裝置18。控制器22被電聯接到噴射裝置18，以選擇性地激發噴射裝置18，以便根據預定程序向排氣後處理裝置14配給。該預定程序可以包括諸如定時、裡程和其他觸發事件的因素。

控制器22被進一步電連接於遍布車輛定位的多個傳感器24、26、28、30。作為溫度傳感器的第一傳感器24被構造成測量在排氣後處理裝置14上遊的柴油機排氣系統10內的排氣的溫度。也作為溫度傳感器的第二傳感器26被構造成測量排氣後處理裝置14的溫度。第三傳感器28被構造成測量環境參數，諸如環境溼度或環境溫度。第四傳感器30被構造成測量柴油發動機參數。例如，第四傳感器30能夠測量聯接到柴油機排氣系統10的柴油發動機12的操作速度、或者通過柴油發動機12的燃料流速。控制器22電接收並分析來自所述多個傳感器24、26、28、30的輸出信號，並且基於這些輸出信號產生冷凝水模型。來自所述多個傳感器24、26、28、30的輸出信號被看作是至控制器22的輸入。控制器22能夠進一步被構造成記錄包括配給時間和發動機循環時間的多個時間段。配給時間被定義為在每個配給事件中噴射裝置18向排氣後處理裝置14配給的時間量。發動機循環時間被定義為在發動機起動之間的時間，或者在發動機12關停直到發動機12再次開啟之間的時間。可以想到本發明範圍內的修改，例如，提供傳感器24、26、28、30的不同組合和並聯，諸如如圖5a中所示，每個基體34一個傳感器。此外，附加傳感器被構造成測量能夠用於提供冷凝水模型的附加精修的替代性參數。

傳感器24、26、28、30也可以用於計算排氣導管16中的熱通量。計算熱通量不僅有助於確定水蒸汽的冷凝，而且也有助於確定隨後水蒸汽在催化劑塗層36中的蒸發。各種車輛參數和值被測量以便確定熱通量。這樣的值包括空氣和燃料消耗、進氣和排氣的溫度和壓力、排氣再循環（egr）比率、以及通常由發動機控制軟體測量或導出的其他變量。

冷凝水模型是對排氣後處理裝置14內存在的液體水的量的近似。更具體地，冷凝水模型能夠是在排氣後處理裝置14的催化劑塗層36內存在的液體水的量的近似。當控制器22確定冷凝水含量高於規定的閾值或者規定的冷凝物閾值時，信號從控制器22被傳送給噴射裝置18以便排除通常由預定程序引導的配給事件。冷凝物閾值可以是從（且包括）零至完全飽和的任意值。如果閾值是零，則控制器22在其確定存在冷凝物的任何時刻均阻止配給。冷凝水模型可以允許控制器22確定指示排氣後處理裝置14內存在的冷凝水的量的實際值（例如溼度性質）。替代性地，冷凝水模型能夠簡單地使得二元信號能夠被控制器22輸出。

一旦控制器22確定排氣後處理裝置14的冷凝水含量低於規定的閾值，則控制器22發送信號至噴射裝置18以便向排氣後處理裝置14配給柴油機排氣處理流體，如下文參考圖2的方法討論的。

圖2的流程圖示出了控制聯接到柴油發動機12的排氣系統10內的柴油機排氣處理流體的配給的方法。在第一步驟102中，方法開始。柴油發動機12運轉並且提供排氣通過排氣導管16。在第二步驟104中，控制器22分析預定程序以確定是否是向排氣後處理裝置14配給柴油機排氣處理流體的恰當時機。如果控制器22確定不是配給的恰當時機，則其將再次檢查。另外，如果不是配給的恰當時機，則在步驟104的循環之間會存在時間延遲。

如果基於預定程序，控制器22確定是配給的恰當時間，則流程圖繼續到第三步驟106。在步驟106中，控制器22分析排氣後處理裝置14內的冷凝水含量（例如，scr催化劑塗層36的冷凝物含量）。如果冷凝水含量小於規定的冷凝物閾值，則控制器22可以可選地通過在步驟108中分析排氣後處理裝置14內的氨含量而繼續。氨含量能夠通過分析由傳感器24、26、28、30測量的許多相同參數及各種其他動態參數被建模。如果排氣後處理裝置14內存在的氨的量大於規定的氨閾值，則這將導致不可接受的高氨洩漏，其中未反應的氨將通過排氣後處理裝置14。替代性地，對步驟106的條件的肯定響應可以直接前進到步驟110。如果在步驟106中沒有確定冷凝水含量低於規定的冷凝物閾值，或者在肯定了低冷凝物之後檢查氨含量並且沒有確定氨含量低於規定的氨閾值，則no-dose（不配給）控制信號從控制器22被提供給噴射裝置18，如步驟112所示。no-dose信號排除正常配給事件，並且能夠構成實際信號，或者簡單地抑制將根據預定程序被發送的dose（配給）信號的傳輸。

一旦在步驟112中產生no-dose信號，則方法返回步驟104。替代性地，方法能夠在從步驟112返回之後跳過步驟104並且繼續檢查冷凝物含量並且可選地檢查氨含量，直到產生dose控制信號。以此方式，來自預定程序的配給事件不被跳過，而僅僅被延遲。一旦在步驟106中確定冷凝水含量低於規定的冷凝物閾值，則到達步驟110，並且步驟110可以可選地還取決於在步驟108中氨含量是否被確定為低於規定的氨閾值。因此，在步驟110中由控制器22提供dose信號以致動噴射裝置18，並且預定量的柴油機排氣處理流體被配給到排氣系統10中。

圖3圖示地示出了示例性測試情形，其被執行以評價將柴油機排氣處理流體配給到含冷凝物的排氣後處理裝置中的效果，並且其帶來了改進的配給策略，諸如圖2中所示策略。沿橫軸示出時間，例如其以秒測量。沿著豎軸，加速踏板百分比指的是加速踏板被下壓的總距離相對於可實現的最大距離之比。該測量結果類似於各種發動機或驅動參數，諸如節氣門開度、發動機轉速（即rpm）、發動機轉矩或者車輛速度。

在第一時間段220，發動機12（在環境溫度下）被操作由較長的非操作時段間隔開的多個短時段（例如，每個時段小於或等於200秒，每個時段小於或等於500秒等等）。在操作時段期間，加速踏板不被下壓，或者僅被下壓最小量（例如，總行程的百分之十）。在時間段220期間，發動機12有意地經歷多個重複的冷起動。例如，發動機12被冷起動且運行200秒，被關斷1400秒，並且重複。在操作中，發動機12沒有運行足夠長的時間來顯著增加排氣系統10的溫度或使配給成為必需。因為在初始時間段220中在短操作時段期間溫度沒有顯著增加，所以發動機12和排氣系統10在隨後的長時間中斷中冷卻回到環境溫度，使得每次冷起動均導致來自排氣的冷凝水形成在排氣後處理裝置14內的一個或多個塗層36上。

這種冷凝水積聚在整個初始時間段220中持續。在一系列冷起動的最後一次之後，發動機12運行足夠長以允許配給柴油機排氣處理流體的時間段230（例如，2000秒）。直接跟著多個冷起動時間段220的時間段230確保了柴油機排氣處理流體被配給到冷凝物飽和（即被水浸）的塗層36中。

加速踏板然後被保持為更大下壓量（如所示總行程的百分之三十二），這增加了排氣後處理裝置14的總溫度。這個時間段240從塗層36移除了所有的柴油機排氣處理流體和冷凝水，從而有效地清空了排氣後處理裝置14。一旦塗層36被清空，則發動機12和排氣系統10冷卻以返回到初始發動機和排氣系統參數（例如，處於環境溫度、空的塗層等等），以便可以開始下一循環。

圖3的測試循環被重複許多次以便評價向水浸塗層36中配給柴油機排氣處理流體的效果。當柴油機排氣處理流體與塗層36上的冷凝物結合時，產生鹼性混合物。當塗層36在多次循環後暴露於鹼性混合物（特別是具有ph12或更大的混合物）時，會在一些塗層配方中發生化學反應，這會導致塗層36分解或者剝離。

如圖4所示的實驗結果示出了在向水浸塗層36中配給柴油機排氣處理流體之後nox轉化效率的損失。在測試中，如圖3中概述的，該測試被設計成快速且重複地向排氣後處理裝置14的水浸塗層34中配給排氣處理流體，在排氣後處理裝置14的可實現的nox轉化效率如圖4所示那樣顯著減小之前僅少量循環（例如，57個循環）被運行。然而，當冷凝水積聚並且在低溫下與柴油機排氣處理流體混合時，效率的損失能夠更大，從而可能減少塗層36的使用壽命。如圖4所示，當在規定數量的測試循環之後在220攝氏度下規律地配給時，排氣後處理裝置14的轉化效率下降百分之三十八。在240攝氏度下，效率下降百分之二十八，並且在330攝氏度下，效率下降百分之十一。

圖5a-圖5b涉及替代性排氣後處理裝置414。但是，圖5a-圖5b的替代性排氣後處理裝置414能夠用於參考圖1-圖4在前文描述的結構和方法，作為排氣後處理裝置14及其附隨的單個溫度傳感器26的代替品。在圖5a中示出了在具有多個塗層434a-c的排氣後處理裝置414內的溫度傳感器426a-d的陣列的一個特定示例的示意圖。提供溫度傳感器426a-c的陣列，如所示，針對每個催化劑基體和塗層434a-c提供一個溫度傳感器。另外，入口溫度傳感器426d被提供在排氣導管416內、在排氣後處理裝置414的上遊。這些傳感器426a-d被連接到控制器422，該控制器422收集並存儲來自傳感器426a-d的輸出。控制器422可以類似於圖1的控制器22，只不過具有來自排氣後處理裝置414的附加輸入。

圖5b圖示地示出了響應於緊密重複的冷起動的圖5a的傳感器426a-d的輸出436a-d。每個輸出436a-d數字上對應於相應傳感器426a-d，例如，輸出436a是傳感器426a的輸出。在該特定測試中，發動機轉速438增加（例如，達到在次豎軸上的如所示的1200rpm）較短時間段（例如，200秒；橫軸）且之後返回靜止（即，0rpm）。在大於所述較短時間段的時間長度（例如，1500秒）之後，允許排氣後處理裝置414冷卻，發動機的旋轉速度438再次增加（例如，1200rpm）較短時間段（例如，150秒）。沿排氣後處理裝置414的長度的各點處的溫度響應被示出，如主豎軸所表示的。如圖所示，由於冷凝物的熱量，入口傳感器426d記錄的溫度（輸出436d）明顯小於最後的催化劑基體和塗層434c的溫度（輸出436c）。隨著在排氣冷凝物中水蒸發，熱被釋放。隨著發動機12第二次運行，由基體和塗層傳感器426a-c記錄的溫度相對於入口處的溫度（輸出436d）增加示出了非常小的增加。這表明基體和塗層434a-c是飽和的，或者至少第一基體和塗層434a是飽和的。這提供了對排氣後處理裝置414內的冷凝水含量的指示。以此方式，溫度響應能夠提供對排氣後處理裝置414內的冷凝水的指示，但是溫度沿裝置414的長度變化並且其他因素可影響冷凝物含量。因此，相比於不配給直到觀察到特定溫度值，確定排氣後處理裝置414的冷凝水含量可以提供對安全的配給時機的更精確且有效的指示。