缓解用于发动机的排气系统中的柴油机排放流体（DEF）沉积的制作方法

缓解用于发动机的排气系统中的柴油机排放流体（def）沉积
技术领域
1.本公开大体上涉及一种用于内燃发动机的排气系统，并且更具体地涉及一种预热柴油机排放流体以减轻形成固体沉积物的风险的柴油机排放流体系统。


背景技术：

2.近年来，在内燃发动机中使用排气后处理设备已变得几乎普遍。在发动机燃烧汽缸中燃烧含有燃料和空气的混合物产生含有各种成分的排气，期望限制将其排放到大气。近年来，已经实施了关于允许排放氮氧化物或“nox”和颗粒物质的监管要求，这些要求已经激励制造商开发广泛的技术，以用于捕集或化学转化发动机排气中的此类材料。
3.一种常见的排气后处理技术用催化方式将nox还原为分子氮和水。已获得广泛接受和商业成功的系统被称为选择性催化还原或“scr”装置。scr 设备的正常运行需要将还原剂引入待处理的排气流中。还原剂通常以液体形式提供，在scr装置上游的位置处将该还原剂选择性地直接喷射到的排气流中。商购可得的柴油机排放流体或“def”的激增将是许多人所熟悉的。
4.常见的def制剂是水性的，并且在一些情况下，特别是在发动机在经历低环境温度的条件下操作时，机载储存的def可冻结成固体。已经提出了各种策略来直接在机载储罐中或在连接到排气系统的供应管线中加热 def。def的这种加热可以使得排气系统能够开始或继续喷射def，否则由于def冻结成固体，环境条件会出现问题。
5.在排气系统中加热def的另一实例在pierz等人的美国专利申请公开第2007/0119153号中陈述。pierz提出了用于增强后处理应用的尿素scr 系统。在pierz等人的专利申请中，scr系统具有将递送泵连接到尿素的注射喷嘴的管道，其中加热元件位于泵的下游以在喷射到排气流中之前将水性尿素预热到过热状态。显然，过热的水性尿素在喷射到相对较冷的排气流中后瞬时迅速成为蒸汽。虽然pierz等人可以解决某些挑战，但始终存在替代策略以及追求对柴油机排放流体的温度操纵的不同最终目标的空间。


技术实现要素：

6.在一个方面，一种用于发动机的排气系统包括排气管道，所述排气管道在构造成接收由所述发动机产生的排气的上游端与下游端之间延伸。所述排气系统还包括位于所述排气管道中的选择性催化还原(scr)装置以及柴油机排放流体(def)系统。所述def系统包括在所述scr上游的位置处连接到所述排气管道的def进入阀、预热器、状况传感器和def递送控制器。所述def递送控制器与所述预热器和所述状况传感器联接，并且构造成：接收由所述状况传感器产生的指示所述排气系统中的def沉积风险状况的状况信号；并且基于所述状况信号命令增加所述预热器的热能输出，使得待准许进入所述排气管道中的def的温度增加到沉积
‑
缓解温度。
7.在另一方面，一种柴油机排放流体(def)系统包括：def递送控制器，所述def递送控制器构造成与预热器联接，以用于预热def以递送到所述排气系统中的排气管道中，并且
与状况传感器联接，以用于监测所述排气系统中的def沉积风险状况。所述def递送控制器还构造成：从所述状况传感器接收指示所述排气系统中的def沉积风险状况的状况信号；以及基于所述状况信号确定待准许进入所述排气系统中的排气管道中的def 的沉积
‑
缓解温度。所述def递送控制器还构造成命令增加所述预热器的热能输出，使得待准许进入所述排气管道中的def的温度增加到所述沉积
‑
缓解温度。
8.在又一方面，一种操作内燃发动机的排气系统的方法包括：产生指示所述排气系统中的柴油机排放流体(def)沉积风险状况的状况信号；以及基于所述状况信号增加所述排气系统的def系统中的用于def的预热器的热能输出。所述方法还包括：基于增加的热能输出，将所述def系统中的def的温度增加到沉积
‑
缓解温度；以及命令准许温度增加到所述沉积
‑ꢀ
缓解温度的def进入所述排气系统中的排气管道中。
附图说明
9.图1是根据一个实施例的机器的图解侧视图；
10.图2是根据一个实施例的排气系统的图解视图；
11.图3是根据一个实施例的def递送控制器的功能图；
12.图4是根据一个实施例的计算框图；以及
13.图5是示出了根据一个实施例的示例性方法和控制逻辑流的流程图。
具体实施方式
14.参考图1，示出了根据一个实施例的机器10，其包括框架12、支撑框架12的地面接合推进元件14、机具系统16和操作室18。内燃发动机系统 20支撑在框架12上，并且包括内燃发动机22。机器10在轮式装载机的背景下示出，然而，机器10可包括各种其它非公路机器中的任一种，例如拖拉机、卡车、自动平地机、刮土机或其它机器。机器10也可以是公路机器，或固定机器，例如，举几个实例，泵、压缩机或发电机组。内燃发动机20 可包括压缩点火多汽缸发动机，该发动机依靠各种合适的燃料(例如，柴油蒸馏燃料、烃燃料的混合物或其它)中的任一种操作。内燃发动机系统 20还包括排气系统24，该排气系统构造成将排气从内燃发动机22馈送到出口，例如排气烟道31、尾管等。如从以下描述将进一步显而易见的，排气系统24唯一地构造成用于在各种条件下减少已知策略不可实现或不可行的某些排气组分的排放。
15.现在还参考图2，排气系统24包括在上游端28与下游端30之间延伸的排气管道26，该上游端构造成接收由内燃发动机22产生的排气。排气系统24还包括位于排气管道26中的选择性催化还原(scr)装置32。各种其它排气后处理装置包括但不限于，柴油机颗粒过滤器或“dpf”、柴油机氧化催化器或“doc”，或可流体地定位在排气系统24中，在scr装置32与内燃发动机22之间，或在scr装置32与排气烟道31之间的另外其它装置。
16.def系统34包括在scr装置32上游的位置处连接到排气管道26的 def进入阀36，例如def喷射阀。def系统34还包括def储罐38、在 def储罐38与def进入阀36之间延伸的def供应管线40以及def加压泵45。def供应管线40可包括延伸到def储罐38中并流体连接到泵45 的较低压力的输送管线41以及在泵45与def进入阀36之间延伸的加压管线43。图2中还示出了与内燃发动机22的冷却系统相关联的散热器或其它热交换器54。在实际实施方式中，发
动机冷却剂可以在热交换器54与 def储罐38之间循环，例如以大体已知的方式解冻存储在def储罐38中的def。在一些实施例中，可以出于类似的目的将单独的加热器，例如电阻性加热器等定位在def储罐38中。
17.def系统34还包括第一预热器42和第二预热器44。第一预热器42可以定位成与加压管线43热传递接触，并且第二预热器44可以定位成与传输管线41热传递接触。在一些实施例中，可以仅使用单个预热器并将其与传输管线41或加压管线43中的一个相关联。在实际实施方式中，def系统34包括至少一个预热器，该至少一个预热器构造成加热相对靠近def进入阀36的def，并且因此与加压管线43接触。如上所述，加热器或预热器也可以附接到def储罐38、浸没在def储罐中或以其它方式与def储罐相关联。合适的预热器可包括作为热胶带、热包装材料、辐射加热器、热空气鼓风机部署的电阻性预热器，或与def供应管线40的部分直接物理接触或以其他方式定位成直接向def供应管线的部分提供热的其它布置。
18.如上文所论述的，某些排气系统策略采用加热器来增加def的温度，以便防止在def储罐或def供应管线中冻结或促进解冻，其中冻结的固体 def将阻止或延迟用于排气处理的scr装置的可用性。本文考虑的各种预热器可用于此类目的。本公开还反映了这样一种见解，即预热器可以用于其它目的，即当内燃发动机系统22和排气系统24以可能另外发生从def 衍生的固体材料的形成和沉积的方式操作时，增加待准许进入排气管道26 中的def的温度。
19.为此，def系统34还包括状况传感器，并且通常包括多个状况传感器 46、48、50和52，其中的一个或多个构造成产生指示排气系统24中的 def沉积风险状况的状况信号。状况传感器可包括：排气温度传感器48，其构造成产生排气温度信号；排气质量流量传感器46，其构造成产生排气质量流量信号；def温度传感器52，其构造成产生指示例如存储在def储罐38中或def系统34中其它地方的def的温度的def温度信号；以及环境温度传感器50，其构造成产生环境温度信号50。如本文进一步论述的， def控制器60可以接收和解释来自状况传感器46、48、50、52和/或额外或替代传感器中的每一个的信号，以及可控地加热待准许以液体形式进入排气管道26中的def，以减轻诸如固体尿素等的def材料沉积的风险。
20.图2中还示出了用于def进入阀36的致动器58。def递送控制器60 可构造成操作致动器58，以将def喷射到排气管道26中以在朝向scr装置32传送并进入scr装置中的排气流中蒸发，所述致动器可包括电子操作的螺线管致动器。因此，def递送控制器60与第一预热器42和第二预热器44中的一者或两者联接并与状况传感器46、48、50、52中的一个或多个联接，并且构造成：接收由一个或多个状况传感器产生的指示排气系统 26中的def沉积风险状况的状况信号；并基于状况信号，命令增加第一预热器42和/或第二预热器44的热能输出，使得待准许进入排气管道26中的 def供应管线40中的def的温度增加到沉积
‑
缓解温度。
21.在一个实施方式中，状况信号包括例如由排气温度传感器48产生的指示排气温度降低的排气温度信号。已经观察到，虽然排气温度在操作排气系统24期间相对较高，但def沉积的风险可能相对较低或不存在。def 控制器60可以周期性地或更多地或更少地连续地从排气温度传感器48接收信号或询问该排气温度传感器，以监测排气管道26中的排气温度。由排气温度信号48产生的排气温度信号可以相对于先前排气温度信号指示，例如与def沉积风险状况相关联的排气温度的降低。在一个实例中，排气温度从较高温度降低到约200
℃或更小的排气温度可以指示发生了def沉积风险状况。
22.所属领域的技术人员将理解，许多排气系统将在相对较低的排气温度状况期间关闭def递送，并且接受相关联的nox处罚。根据本公开，可以实现def的预热，以使得scr装置32能够以相对较低的排气温度操作并且减少或消除nox处罚。因此，即使在相对较低的排气温度，例如从约 150℃到约200℃的排气温度下，def递送控制器60仍可以命令致动def 进入阀36，以准许温度增加到沉积
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缓解温度的def进入排气管道26中，以用于连续地操作scr装置32。
23.应理解，尽管本文中论述了各种传感器并且其可以是def系统34的一部分，但这些传感器中的一些或可能全部可由虚拟传感器或替代传感器取代。例如，代替使用排气质量流量传感器46直接感测排气质量流量，可以例如通过监测升压压力、燃料量、发动机负载、发动机速度或潜在的其他因素来监测内燃发动机系统20的操作，以获得排气质量流量的估计值。通过除了直接感测排气温度之外的手段，还可以例如通过感测进气温度、汽缸内温度或所属领域的技术人员将显而易见的另外其他因素来确定、推断或估计排气温度。还应理解，术语“约”在本文中应理解为意指“大体上”或“大约”，或以其它方式与本领域技术人员的理解一致。例如，“约200℃”并不仅仅指在测量误差内精确地200℃，而是考虑高于或低于200℃的温度，在该温度下scr操作通常变得不切实际，如由熟悉发动机后处理技术的人员所理解的。
24.现在还参考图3，示出了def递送控制器60的额外细节。def递送控制器60可包括用于def系统34的单个专用控制单元，或具有分布式功能的多个单独的控制单元。在所示的实施例中，def控制器60包括处理器62 (例如，微处理器或微控制器)，其与计算机可读存储器64(例如，rom、 sdram、flash、epromm、硬盘驱动器或其它)联接。存储器64存储 def温度图68和def喷射图70，并且可包括适用于控制def系统34或一般内燃发动机系统10的本文中描述的功能中的一个或多个的其它图和操作软件。def递送控制器60还包含输入/输出或i/o接口66。示出了由处理器62接收或在该处理器上确定多个输入，包括排气温度输入72(t
exh
)、排气质量流量输入74(m
exh
)、def温度输入76(t
def
)、def剂量输入 78(m
def
)和环境温度输入80(t
amb
)。图3还描绘了由def递送控制器 60产生的输出，该输出包括：def喷射器命令82，诸如用于致动器58的电流命令；以及预热器命令84，诸如用于第一预热器42的电流或电压命令、接通时间命令、温度命令、开启命令或其它。如上文所论述的，def系统 34中的状况传感器可以是构造成产生多个状况信号的多个状况传感器中的一个，所述多个状况信号可以由输入72
‑
80表示。如本文进一步讨论的，def递送控制器60还可构造成基于多个状况信号确定沉积
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缓解温度。
25.现在还参考图4，示出了根据一个实施例的计算框图100。def递送控制器60还可构造成在具有排气温度坐标、排气流量坐标和def剂量(量) 坐标的图中查找沉积
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缓解温度。在图4中，框110包括确定沉积
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缓解温度。在一些情况下，相对较低的排气温度可以证明相对较高的沉积
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缓解温度，而相对较高的排气温度可以证明相对较低的沉积
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缓解温度。相对较高的排气质量流量可以证明相对较低的沉积
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缓解温度，并且相对较高的排气质量流量可以证明相对较低的沉积
‑
缓解温度。排气温度、排气质量流量和def 剂量是关于def沉积风险可以是交叉耦合和非线性相关的因素，并且可能因排气系统而变化。
26.def递送控制器60可在def温度图68上查找所需的沉积
‑
缓解温度。替代地，def递
送控制器60可以通过计算来确定沉积
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缓解温度。在框120 处，示出了def储罐温度输入，并且在框130处，示出了计算期望的def 温度变化或δdef。在框140处，def递送控制器60计算加热待准许进入的def所需的能量。在框140处，def递送控制器60可以理解为基于例如def的比热乘以def的流速乘以期望的δdef来计算加热def所需的能量。在框150处，示出了环境温度输入，并且在框160处，示出了计算环境热损失。在框170处，示出了计算输入到def的总能量，并且在框 180处，示出了预热器命令。def递送控制器60还可理解为构造成基于当前def温度与沉积
‑
缓解温度之间的差计算预热器控制值。预热器控制值可以包括用作预热器命令84的基础的数字值，例如，由在框130处执行的计算、在框140处执行的计算或在框170处执行的计算所确定的。也可以基于预期环境热损失，包括基于框150处的环境温度输入，来计算预热器控制值。
27.工业适用性
28.大体上参考图式，但现在还参考图5，示出了流程图200，其图示了根据本公开的示例性方法和控制逻辑流。在框210处，操作内燃发动机系统 20以便操作内燃机22和排气系统24。在框220处，由内燃发动机22产生的排气通过排气管道26馈送。从框220，流程图200前进到框230以接收状况信号，包括如本文所论述的排气温度信号、def温度信号和环境温度信号。
29.从框230，流程图200可以前进到框240以确定如本文所讨论的沉积
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缓解温度。从框240，流程图200前进到框250以命令增加预热器(例如，预热器42、44中的一个)的热能输出。例如，命令增加热能输出可包括命令开启预热器42、44中的一者或两者。从框250，流程图200前进到框260，以命令准许def进入排气管道26中。在一些实施例中，流程图200 的过程和控制逻辑可以当内燃发动机系统20在def加热以更大或更小程度发生的情况下操作时向后循环并且或多或少连续地重复，以基于当前状况最佳地控制def温度。在其它情况下，可仅在某些条件下，例如在观察到或推断出排气温度降至阈值以下时，才触发控制逻辑。此阈值可以固定例如在如本文所论述的约200℃处，或考虑到内燃发动机系统20内部或外部的若干(或许多)不同因素是可变的。
30.本说明书仅用于说明目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围。因此，本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的完整和合理范围和精神的情况下，可对本文公开的实施例进行各种修改。通过查看附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所使用，冠词“一(a)”和“一(an)”旨在包括一个或多个物品，且可与“一个或多个”互换使用。在想要表示仅有一个物品时，使用术语“一个(one)”或类似语言。此外，如本文中所使用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在为开放式术语。此外，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。