專利名稱：執(zhí)行發(fā)動機低還原劑運行模式的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機運行模式，更具體地，涉及響應于低還原劑供 給水平而執(zhí)行發(fā)動機節(jié)約運行模式的系統(tǒng)。
背景技術：
內燃機一一包括柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、氣態(tài)燃料動力發(fā)動機和本 領域已知的其它發(fā)動機一一排放出空氣污染物的復雜混合物。這些空氣污
染物由氣態(tài)化合物例如氮氧化物(NOJ組成。由于環(huán)保意識的增強，廢 氣排放標準變得更加嚴格，發(fā)動機排放的NOx的量根據(jù)發(fā)動機的類型、發(fā) 動機的尺寸和/或發(fā)動機的級別進行調節(jié)。為了確保符合這些化合物的規(guī) 定， 一些發(fā)動機制造商實施被稱為選擇性催化還原(SCR)的策略。
氣流中并#>吸附在催化劑上的方法。還原劑與廢氣中的NOx反應形成H20 和N2。雖然SCR是有效的，但是只有當用于添加至廢氣流中的還原劑可 獲得時才會產(chǎn)生被還原的NOx排放物。換句話說，當尿素的供g盡時， 廢氣排放物中NOx的濃度上升。
隨著SCR方法正在成為一種可能的用于符合環(huán)境法規(guī)的策略，關于 SCR使用的指南被關注。 一種這種指南要求在尿素供給量降低時停止車 輛，并且防止車輛繼續(xù)運行直到供應量被補充。另一種這種指南要求有限 的使用，包括在尿素供給不充分時發(fā)動機重啟的次數(shù)被限制的可能。雖然 這些指南可以充分地防止過量的NOx被排放到環(huán)境中，但是這些指南是有 問題的。例如，車輛可能不方便地停止/處于困境，耗費車主大量的時間和 資源。響應于尿素可獲得量低時制動車輛的另一種策略包括提供一種發(fā)動機
低尿素運行才莫式。2006年8月17日公開的KOSAKA的美國專利文獻No. 2006/0184307 (，307文獻)描述了一種這樣的模式。，307文獻公開了一種 旅行輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于導航信息尋找最近的服務站/加油站，并預測到 達服務站之前尿素水溶液的消耗量。當尿素水溶液的剩余量不大于尿素水 溶液的預定消耗量時，用戶會得到提醒。然后計算使得車輛在不消耗完尿 素水溶液的情況下到達服務站的柴油發(fā)動機的控制條件，并且基于該計算 結果增加廢氣再循環(huán)量。由此，廢氣中含有的氮氧化物和尿素水溶液的消 耗量都被減少。
雖然，307文獻的旅行輔助系統(tǒng)可以合適地使得車輛在不完全耗盡尿素 水溶液的情況下到達服務站，但是該系統(tǒng)仍然會產(chǎn)生問題。具體地說，如 果服務站關閉，不再營業(yè)，或者沒有尿素存貨，車輛可能會耗盡尿素并且 仍然在行駛。在這種情況下，車輛不再符合排放規(guī)定。另外，，307專利的
略，例如當尿素源被凍結并且融化緩慢時。 本發(fā)明的系統(tǒng)解決上述一個或多個問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的一個方面涉及一種用于動力單元的控制系統(tǒng)，該動力單元具 有燃料源和還原劑源。該控制系統(tǒng)可以包括與燃料源相關聯(lián)以產(chǎn)生表明/ 表示剩余燃料量的信號的第一傳感器，和與還原劑源相關聯(lián)以產(chǎn)生表明剩 余還原劑量的信號的第二傳感器。該控制系統(tǒng)還可以包括與第 一和第二傳 感器通信的控制器。該控制器可以構造成影響動力單元的操作從而使得在 耗盡剩余還原劑之前耗盡剩余燃料。
本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于具有還原劑源的動力單元的控制系 統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以包括與還原劑源相關聯(lián)以產(chǎn)生表明還原劑供給速率的 信號的傳感器。該控制系統(tǒng)還可以包括與該傳感器通信的控制器。該控制 器可以構造成影響動力單元的操作從而使得還原劑的期望的消耗速率不超過還原劑的供給速率。
本發(fā)明的另一個方面涉及一種廢氣處理方法。該方法可以包括燃燒燃 料以便產(chǎn)生動力輸出和廢氣流，以及將催化劑注入廢氣流以便幫助廢氣成 分的還原。該方法還可以包括測定剩余還原劑的量，并測定剩余燃料的量。 該方法還可以包括改變燃料的燃燒從而使得在剩余還原劑被耗盡之前耗盡 剩余燃料。
圖l是示例性公開的動力系統(tǒng)的示意圖2是描述圖1中的動力系統(tǒng)的示例性操作流程圖；以及
圖3是描述圖1中的動力系統(tǒng)的另一個示例性操作流程圖。
具體實施例方式
圖l示出具有燃料系統(tǒng)20、排氣系統(tǒng)40和后處理系統(tǒng)60的動力單元 10。針對本發(fā)明，以四沖程柴油發(fā)動機為例描述并說明動力單元IO。但是 本領域的技術人員會意識到，動力單元10可以是任何其它類型的內燃機， 例如汽油發(fā)動機、氣體燃料動力發(fā)動機或者渦輪發(fā)動機。動力單元10可以 包括至少部分地限定多個燃燒室14的發(fā)動機氣缸體12。在示出的實施方 式中，動力單元10具有四個燃燒室14。但是可以考慮動力單元10可以包 括更多或更少數(shù)量的燃燒室14，并且燃燒室14可以被布置成"成一行/成 一直線(in-line)，，構型、"V"構型或者任何其它合適的構型。
同樣如圖1所示，動力單元10可以包括可旋轉地安裝在發(fā)動機氣缸體 12內的曲柄軸16。 一連接桿(未示出)可以將多個活塞(未示出)連接至 曲柄軸16從而每一個活塞在各自的燃燒室中的滑動導致曲柄軸16的轉動。 同樣地，曲柄軸16的轉動可以致使活塞的滑動。
燃料系統(tǒng)20可以包括相互配合以將加壓燃料輸送至每一個燃燒室14 內的部件。具體地，燃料系統(tǒng)20可以包括容納燃料源的箱22、與箱22相 關聯(lián)的燃料傳感器24和燃料泵送結構26，該燃料泵送結構構造成使燃料加壓并將一股或多股加壓燃料流引導至歧管28。
箱22可以由容納燃料源的容器構成。該燃料可以包括例如柴油燃料、 汽油、煤油、重燃料或本領域已知的任何其它類型的燃料。如果希望，還 可以考慮燃料系統(tǒng)20與多個單獨的燃料箱連接。
燃料傳感器24可以由本領域已知的傳感器構成以便確定箱22中剩余 燃料的液位并將該液位傳輸至電子控制器80。例如，燃料傳感器24可以 是浮子式燃油表(未示出)或者磁性液位儀(未示出)。
燃料泵送結構26可以包括一個或多個用于增加燃料壓力的泵送裝置。 在一個示例中，燃料泵送結構26可以包括串連布置并通過燃料線路32流 體連接的高壓源34和低壓源30。低壓源30可以是向高壓源34供應低壓 進料的傳輸泵，高壓源34可以接收該低壓進料并將燃料的壓力增加至大約 40-300MPa的范圍。高壓源34可以通過燃料線路36與歧管28連接?？?以在燃料線路36中設置止回閥38以便使得燃料從燃料泵送結構26至歧管 28單向流動。
燃料噴射器29可以設置在氣缸蓋18內并通過多條燃料線路27與歧管 28連接。每一個燃料噴射器29都可以被操作以便以預定的正時和燃料壓 力將一定量的加壓燃料噴射至相關聯(lián)的燃燒室14內。
燃料噴射ii^燃燒室14的正時可以與相關聯(lián)的活塞的運動同步。例 如，可以在活塞靠近壓縮沖程的上止點位置時噴射燃料以便允許噴射燃料 的壓燃式燃燒。或者，可以在活塞開始朝向上止點位置的壓縮沖程時噴射 燃料從而進行均勻充氣壓燃操作。也可以在膨脹沖程期間活塞從上止點位 置朝向下止點位置運動時噴射燃料從而進行延遲噴射以便產(chǎn)生用于后處理 再生的還原氣氛。為了實現(xiàn)這些特定的噴射過程，動力單元10可以從控制 系統(tǒng)80要求以特定的噴射開始和/或結束正時(SOI或者EOI)和特定的 噴射開始和/或結束壓力(SOP或者EOP)噴射燃料。
排氣系統(tǒng)40可以將廢氣從氣缸14導向大氣并且可以包括通過一個或 多個氣缸14與排氣通道44流體連通的排氣歧管42。考慮排氣系統(tǒng)40可 以包括其它的部件，例如渦輪、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、顆粒過濾器或者本領域已知的任何其它的排氣系統(tǒng)部件。
后處理系統(tǒng)60可以包括用于調節(jié)歧管42中的廢氣的處理裝置62。處 理裝置62可以包括例如還原劑源64、與還原劑源64連接的噴射器66和 催化劑基體(載體)68。還原劑從源64被抽吸并通過噴射器66被噴射至 催化劑基體68上。
還原劑源64可以通過流動線路70與噴射器66流體連接。還原劑源 64可以包括測定還原劑源64中還原劑的剩余量并產(chǎn)生表明該量的信號的 傳感器72 。傳感器72還可以測定還原劑源64的參數(shù)，例如還原劑供給箱 64中的還原劑的供給溫度和速率。還原劑源64中容納的還原劑可以是本 領域已知的有利于這種催化系統(tǒng)的任何還原劑，例如尿素或者氨水。
還原劑傳感器72可以由本領域已知的傳感器構成以便測定箱64中剩 余燃料的液位并將該液位傳輸至電子控制器80。例如，傳感器72可以是 浮子式液位儀或者磁性液位儀。
噴射器66可以將來自還原劑源64的還原劑噴射至排氣系統(tǒng)40內以便 降低其中的成分的濃度。在一個示例中，所述成分可以包括氮氧化物 (NOx)。還原劑與廢氣中的NOx反應產(chǎn)生H20和N2。
催化劑基體68可以設置在排氣系統(tǒng)40中排氣歧管42的下游。排氣系 統(tǒng)40可以引導廢氣流的流動從而使得廢氣流以基本上均勻分布的方式流 過催化劑基體68并使得成分與還原劑接觸并反應。
催化劑基體68可以由各種材料制成。例如，催化劑基體68可以包括 支承材料和分散在催化劑支承材料中的金屬促進劑。支承材料可以包括氧 化鋁、沸石、磷酸鋁、六鋁酸鹽、鋁硅酸鹽、鋯酸鹽、鈦硅酸鹽和鈦酸鹽 中的至少一種，并且金屬促進劑可以包括金屬銀(Ag)。可以使用這些材 料的組合，可以基于使用的燃料的類型、使用的還原劑、期望的空氣燃油 蒸氣比和/或符合環(huán)境標準來選擇支承材料。本領域的普通技術人員會理解 在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以使用多種其它的催化劑合成物。另外， 多個催化裝置也可與排氣系統(tǒng)40 —起設置。
控制系統(tǒng)80可以響應于一個或多個輸入而控制每一個燃料噴射器29的操作。特別地，控制系統(tǒng)80可以包括控制器82，該控制器82通過通信 線路84與燃料噴射器29通信，通過通信線路25與燃料傳感器24通信， 并通過通信線路73與還原劑傳感器72通信。控制器82可以通過基于燃料 傳感器24和還原劑傳感器72的輸入向每一個燃料噴射器29施加確定的電 流波形或者確定的電流波形序列來控制燃料噴射的正時、壓力和量?？刂?器82還可以與發(fā)動機的其它系統(tǒng)例如空氣導入系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)等通 信。
控制器82可以是單個微處理器或者多個微處理器，所述微處理器包括 用于控制燃料系統(tǒng)20的操作的裝置。許多商業(yè)可購得的微處理器可以被構 造成執(zhí)行控制器82的功能。應當理解，控制器82可以容易地表現(xiàn)為能夠 控制許多作業(yè)機械或發(fā)動機功能的總的機械或動力單元微處理器?？刂破?82可以包括運行應用程序所需的全部組件，例如存儲器、二次存儲裝置和 處理器，例如中央處理單元或者本領域已知的用于控制燃料系統(tǒng)20的任何 其它裝置。各種其它已知的電路可以與控制器82相關聯(lián)，包括電源電路、 信號調節(jié)電路、螺線管驅動器電路、通信電路和其它合適的電路。
控制系統(tǒng)80可以與燃料系統(tǒng)20、排氣系統(tǒng)40和后處理系統(tǒng)60通信 以調節(jié)動力單元10的運行?？刂破?2可以與還原劑傳感器72和燃料傳感 器24通信?？刂破?2可以響應于傳感器報告的各種條件來改變發(fā)動機的 性能。可以通過改變其它發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)例如增壓壓力、溫度、燃料噴射 正時，或者通過本領域已知的用于影響發(fā)動機性能的任何其它方法來影響 所述改變。
在控制系統(tǒng)80的儲存器中可以存儲一個或多個與發(fā)動機正常運行模 式、發(fā)動機低還原劑運行模式和發(fā)動機低還原劑流量運行模式相關的控制 圖(map)。這些圖中的每一個都可以是表格、圖表和/或公式的形式并且 可以包括從實驗室和/或動力單元10的現(xiàn)場運行中收集的數(shù)據(jù)的編輯?？?制模塊80可以參考這些圖并相應地影響動力單元10的操作。
工業(yè)適用性本發(fā)明的系統(tǒng)適用于任何使用廢氣成分還原系統(tǒng)的動力單元10,包括
例如客車、專業(yè)工業(yè)卡車、建筑和運土機以及本領域已知的其它類似裝置。
實際上，本發(fā)明的動力單元10可以用于通過使用還原劑的后處理系統(tǒng)調節(jié) 其排氣的任何系統(tǒng)。下面解釋動力單元10的操作。
參考圖1，空氣和燃料可以被抽吸入動力單元10的燃燒室14內用于 后續(xù)的燃燒。燃料被噴射至動力單元10的燃燒室14內，與燃燒室中的空 氣混合并通過動力單元10燃燒以便產(chǎn)生機械功輸出和熱的廢氣流。該廢氣 流可以包括由氣態(tài)物質組成的空氣污染物的復雜混合物，可以包括氮氧化 物(NOx)。當該載有NOx的廢氣流從燃燒室14被引導通過排氣系統(tǒng)40 和后處理系統(tǒng)60時，可通過化學還原過程從廢氣流中除去NOx。
來自動力單元10的未被處理的廢氣流可以通過排氣歧管42進入排氣 系統(tǒng)40。當廢氣流進入后處理系統(tǒng)60時，來自箱72的還原劑可以通過還 原劑噴射器66被噴射以便與廢氣流混合。
然后，廢氣流和還原劑的組合氣態(tài)混合物繼續(xù)向下游流動并且在穿過 催化劑基體68時與還原劑反應。被注入還原劑的廢氣流和催化劑基體68 之間的這種反應可以使得廢氣成分例如NOx和還原劑反應，從而將氮氧化 物轉化成純氮和水。被處理的廢氣然后被釋放至大氣。
后處理系統(tǒng)60依賴于來自箱64的基本上恒定的還原劑供應。當還原 劑供給被完全耗盡時，后處理過程不能起作用并且根據(jù)行業(yè)或政府法規(guī)動 力單元10應立即停止運行。
本發(fā)明的目的是防止還原劑源在燃料源被耗盡之前被完全消耗。以這 種方式，動力單元10可以以發(fā)動機低還原劑運行模式繼續(xù)運行而不需要動 力單元10完全停止運行。
根據(jù)圖2，在本發(fā)明的一個示例性實施方式中，還原劑源傳感器72監(jiān) 測還原劑箱64中的還原劑液位(步驟200 )。當還原劑液位在預定量之上 時(即，足夠用以連續(xù)的正常運行(步驟210;否)，傳感器72可以繼續(xù) 監(jiān)測還原劑箱64中的還原劑液位(步驟200)而不會采取進一步的動作。 但是，當可用的還原劑的液位下降至低于預定量時(步驟210;是)，傳感器72通知控制器82,該控制器可以啟動發(fā)動機低還原劑運行;漠式(步驟220)。
在發(fā)動機低還原劑運行^t式中，控制器82可以使用傳感器24監(jiān)測燃料箱22中的燃料的液位?？紤]剩余的燃料和還原劑的液位，控制器82可以基于儲存在其存儲器中的圖確定節(jié)約還原劑所必需的發(fā)動機運行模式(步驟250)。然后控制系統(tǒng)80基于該確定改變發(fā)動機性能以便產(chǎn)生節(jié)約還原劑所必需的發(fā)動機運行模式(步驟260)。
例如，響應于正被測定的低還原劑液位，控制系統(tǒng)80可延遲噴射正時。由于該延遲的正時，燃燒室14中的最高燃燒溫度可以導致較低的NOx產(chǎn)生速率，由此減少還原劑消耗速率并且同時增加維持動力所需的燃料供給速率。減小增壓壓力和/或增加廢氣再循環(huán)速率可具有類似的效果。該低還原劑運行模式可使得動力單元10在耗盡其還原劑供給之前耗盡其燃料供給，而仍然保持符合排放規(guī)定。
在示出的實施方式中，控制系統(tǒng)80通過延遲噴射正時并且由此改變空燃比來改變發(fā)動機性能。但是，可設想改變空燃比也可以包括節(jié)流、廢氣再循環(huán)或者任何其它能夠改變燃燒室中空氣量的方法。
本發(fā)明的另一個目的是，當來自箱64的還原劑供給速率低于預定的消耗速率(在該預定的消耗速率下動力單元以正常模式運行)時允許動力單元10在發(fā)動機低還原劑流量運行才莫式下運行。根據(jù)圖3，在本發(fā)明的另一個示例性實施方式中，源傳感器72可以監(jiān)測來自還原劑箱64的還原劑的供給速率(步驟300)。如果當前的還原劑供給速率在當前的消耗速率之上(即足夠用以連續(xù)運行)(步驟310;否)，傳感器72可以繼續(xù)監(jiān)測還原劑的供給速率(步驟300)而不會采取進一步的動作。但是，當還原劑源傳感器72確認還原劑供給速率低于當前期望的消耗速率時(步驟310;是)，傳感器72通知控制器82，該控制器可以啟動發(fā)動機低還原劑流量運行模式(步驟320)。當還原劑源被凍結并且自然地緩慢解凍時或者通過加熱元件(未示出)在低于期望消耗速率的速率下解凍時即是這種情況。
在發(fā)動機低還原劑流量運行模式下，控制器82還可以監(jiān)測當前期望的消耗速率(步驟340)。基于當前的還原劑供給速率和期望的消耗速率之間的差值，控制系統(tǒng)80可以確定使得還原劑消耗速率降低至低于當前的供給速率所必需的發(fā)動機運行;漠式(步驟350)。控制系統(tǒng)80然后可以改變發(fā)動機性能以便使還原劑消耗速率降低至低于當前的供給速率(步驟360)。
與上述發(fā)動機低還原劑運行模式相似，發(fā)動機低還原劑流量運行模式可以使得動力單元10在較高的溫度下以較低的效率運行，由此增加燃料消耗并降低還原劑的使用速率。這種運行模式可以使得動力單元10在耗盡其
還原劑供給之前耗盡其燃料供給。
本發(fā)明允許動力單元10的操作者連續(xù)操作直到燃料供給被消耗完。例
如，如果發(fā)動機低還原劑運行模式中的車輛操作者到達服務站時發(fā)現(xiàn)服務站關閉或者沒有還原劑，操作者可以繼續(xù)行進當前燃料供給所允許的最遠距離。這是有利的，因為有經(jīng)驗的操作者不太可能在輪班作業(yè)期間耗盡燃料。
本發(fā)明還可確保只要車輛運行就符合排放標準，并且只要其有燃料和還原劑供給車輛即可運行。由于將來的排放標準可能要求一旦還原劑供給被耗盡，即^f吏還有燃料供給，動力單元也應立即關閉，這種系統(tǒng)可以使得操作者延長動力單元的運行，只要燃料供給還有剩余。
本發(fā)明的另 一個優(yōu)點是其提供用于解決還原劑具有充足供應而僅僅達不到所需的供給速率的策略，例如當還原劑被凍結并且融化緩慢時。這使得操作在低還原劑和高燃料使用模式下繼續(xù)進行，而以前的系統(tǒng)在這種情況下則要求所有操作停止以便使得足夠量的還原劑融化。
本領域的技術人員將會顯見，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對本發(fā)明的系統(tǒng)進行各種修改和變型。通過考慮本說明書和此處公開的系統(tǒng)的實施，其它實施方式對本領域的技術人員是顯而易見的。本說明書和示例只是示例性的目的，本發(fā)明的真正范圍由下面的權利要求及其等同物限定。
權利要求
1. 一種用于包括燃料源(22)和還原劑源(64)的動力單元(10)的控制系統(tǒng)(80)，所述控制系統(tǒng)包括與該燃料源相關聯(lián)以便產(chǎn)生表明剩余燃料量的信號的第一傳感器(24)；與該還原劑源相關聯(lián)以便產(chǎn)生表明剩余還原劑量的信號的第二傳感器(72)；以及與所述第一和第二傳感器通信的控制器(82)，所述控制器構造成影響動力單元的操作從而使得在剩余的還原劑被耗盡之前耗盡剩余的燃料。
2. 根據(jù)權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，通過改變進氣成 分影響所述動力單元的操作。
3. 根據(jù)權利要求l所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，僅僅當剩余還原 劑量少于預定量時影響所述動力單元的操作。
4. 根據(jù)權利要求l所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二傳感器進一步構造成產(chǎn)生表明還原劑的供給速率的信號；并且所述控制器構造成影響動力單元的操作從而使得還原劑的期望的消耗 速率不超過還原劑的供給速率，其中所述期望的消耗速率是為了將廢氣成 分的濃度減少至可接受的范圍內必須以該速率將尿素噴射至廢氣流內的速 率。
5. 根據(jù)權利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，僅僅當還原劑的 供給速率低于預定速率時影響所述動力單元的操作。
6. —種處理廢氣(40)的方法，包括 燃燒燃料以便產(chǎn)生動力輸出和廢氣流； 將催化劑注入廢氣流中以便幫助廢氣成分的還原； 測定剩余催化劑的量； 測定剩余燃料的量；改變燃料的燃燒從而使得在剩余的催化劑被耗盡之前耗盡剩余的燃料。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，僅僅當剩余催化劑的 量少于預定量時改變燃料的燃燒。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括 測定催化劑的融化速率；并且改變燃料的燃燒從而使得催化劑的期望的消耗速率不超過融化速率。
9. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述期望的消耗速率 是為了將所述成分的濃度減少至可接收的范圍內必須以該速率將催化劑噴 射至廢氣(40)流內的速率。
10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，僅僅當催化劑的融化 速率低于預定速率時改變燃料的燃燒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于動力單元(10)的控制系統(tǒng)(80)，該動力單元包括燃料源(22)和還原劑源(64)。所述控制系統(tǒng)具有與燃料源相關聯(lián)以便產(chǎn)生表明剩余燃料量的信號的第一傳感器(24)。該控制系統(tǒng)還包括與還原劑源相關聯(lián)以便產(chǎn)生表明剩余還原劑量的信號的第二傳感器(72)。該控制系統(tǒng)還可以包括與第一和第二傳感器通信的控制器(82)。該控制器可以構造成影響動力單元的操作從而使得在剩余的還原劑被耗盡之前耗盡剩余的燃料。
文檔編號F01N3/20GK101535609SQ200780040830
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權日2006年10月31日
發(fā)明者G·E·唐納森, J·J·德里斯科爾 申請人:卡特彼勒公司