具有连续可变变速器和后处理系统的传动系的制作方法

本专利公开大体上涉及传动系的操作，所述传动系包括内燃发动机和连续可变变速器，并且更具体地涉及发动机和cvt的调节后处理系统的系统和方法。

背景技术：

传动系是将内燃发动机产生的旋转动力传输到应用点或负载的组件。传动系可包括各种部件和装置，以例如通过改变角方向、扭矩或转速来操纵和调节传输中的旋转动力。变速器是传动系的主要部件，在变速器中，转速和扭矩可以反向地从输入到输出改变。传统的变速器通常通过一系列固定的齿轮比来增大或减小速度，然而，已经开发了连续可变变速器(cvt)，使得通过连续范围的输入旋转到输出旋转来调节速度和扭矩。由于与cvt相关的适应性，它们已用于建筑、采矿、农业和其他行业的重型工业应用和大型移动机器。

传动系中还包括内燃发动机，内燃发动机可以与诸如后处理系统的排放控制技术操作地关联，后处理系统通过减少或转换由内燃过程产生的排放而起作用。后处理系统的一个实例是选择性催化还原(scr)，其中废气在催化剂存在下与引入的还原剂流体化学反应以将氮氧化物(nox)转化成氮(n2)和水(h2o)。后处理系统还与传动系一起操作以在发电中实现有利结果。例如，美国专利8,073,610(“’610专利”)描述了一种系统，其中变速器和后处理催化剂可以一起使用以改善该系统的操作效率。然而，随着内燃发动机的操作状态或输出的变化，其可能影响后处理过程。本公开涉及用于与包括cvt的传动系协作地操作后处理系统的新颖系统和方法。

技术实现要素：

在一个方面，本公开描述了一种传动系，其包括内燃发动机，该内燃发动机具有在其中燃烧燃料的多个燃烧室。排气系统可与所述多个燃烧室流体连通以将废气引导远离内燃发动机。在排气系统中可以设置有选择性催化还原(scr)催化剂，以将废气中的氮氧化物(nox)还原为氮(n2)和水(h2o)。内燃发动机可以与联接到驱动轴的连续可变变速器(cvt)操作地关联。电子控制器还可以与内燃发动机和cvt关联，以反向地调节发动机速度和cvt输出，从而选择性地调节scr催化剂的催化剂温度。

在另一个方面，本公开描述了操作传动系以调节选择性催化还原(scr)催化剂的温度的方法。该方法测量设置在内燃发动机的排气系统中的scr催化剂的催化剂温度，并且与催化剂温度成反比关系地调节发动机的发动机速度。该方法还与催化剂温度成直接关系地调节联接到内燃发动机的连续可变变速器(cvt)的cvt输出，以补偿对发动机速度的调节。

在又一方面中，本公开描述了一种传动系，其包括具有多个燃烧室的内燃发动机，燃料在所述燃烧室中燃烧。排气系统与所述多个燃烧室连通以去除废气。为了将废气中的氮氧化物(nox)还原为氮(n2)和水(h2o)，在排气系统中设置有选择性催化还原(scr)催化剂。操作地联接到内燃发动机的驱动轴的是连续可变变速器(cvt)，用于调节传动系中的速度和/或扭矩。与传动系关联的电子控制器被配置成接收催化剂温度并将催化剂温度与催化阈值进行比较。如果催化剂温度低于催化阈值，则电子控制器提高发动机速度，限制cvt输出以加热scr催化剂。

附图说明

图1是传动系的框图，该传动系包括与连续可变变速器和后处理系统操作地关联的内燃发动机。

图2是示出根据本公开的内燃发动机和连续可变变速器的相关操作条件的可变范围的示意图的示意性表示。

图3是说明用于通过内燃发动机和连续可变变速器的选择性操作来调节后处理催化剂的催化剂温度的计算机实施的方法或过程的实例的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，其中尽可能地类似元件涉及类似的附图标记，示出了传动系100，用于将内燃发动机102产生的旋转动力传输到应用点或负载104，例如推进装置。内燃发动机100配置成燃烧诸如空气的氧化剂和基于烃的燃料的混合物，以将其中的化学能转化为旋转运动形式的运动机械动力，所述运动机械动力可以通过发动机的驱动轴1-106施加而用于其他工作。内燃发动机100可以具有任何尺寸，但是本申请特别适合于数百马力或千瓦的大小的大型重工业发动机。这些规模的内燃发动机用于各种工业机械，包括在建筑、采矿、农业和其他工业中使用的移动机械，例如轮装载机、推土机、自卸卡车等。此外，虽然内燃发动机102可燃烧任何合适的燃料且可在任何合适的燃烧循环上操作，但本公开可尤其适用于柴油燃烧的压缩点火式发动机。

为了输送燃料以用于燃烧过程，内燃发动机102可以与燃料系统110操作地关联。燃料系统110可包括多个燃料喷射器112，所述多个燃料喷射器操作地设置成将燃料递送到内燃发动机102中的相应多个燃烧室，其中至少一个燃料喷射器与每个燃烧室关联。燃料喷射器112可将期望量的燃料喷射到燃烧室中，在燃烧室中，燃料被点燃，且所产生的燃烧往复地驱动活塞，该活塞附接到曲轴且使曲轴旋转。在燃烧柴油的压缩点火式发动机中，由于引入了由压缩冲程而导致的气缸104中的高压状态，因此燃料自动点火，且因此，可以对燃料喷射器112进行定时以增加效率和动力生成。为了储存燃料，燃料系统110可包括燃料储存器或燃料箱114，燃料储存器或燃料箱通过一个或多个燃料管线114与多个燃料喷射器112流体连通，燃料管线还可与燃料泵、燃料轨道等等关联。

为了在燃烧过程期间输送用作氧化剂的空气，内燃发动机102可以与进气系统120操作地关联。进气系统120可通过用于去除污染物、灰尘和碎屑的空气过滤器122从周围环境接收空气，所述周围环境可以是大气。进气通过进气导管124从空气过滤器122输送到内燃发动机102上的进气歧管126。进气歧管126与多个燃烧室流体连通并且可以将进气引导到所述多个燃烧室。进气可通过与每个燃烧室关联的一个或多个进气阀的选择性致动而选择性地进入燃烧室。

为了从燃烧室去除燃烧过程的副产物，内燃发动机102可以与排气系统130操作地关联。排气系统130可包括排气歧管132，该排气歧管与内燃发动机102一起被包括，并且经由选择性致动的排气阀与多个燃烧气缸流体连通。当设置在燃烧室中的活塞在排气阀打开时往复地向上移动时，废气被强制地排放到排气歧管，并且可由排气导管134引导到大气。

在实施例中，为了提高内燃发动机102的效率，涡轮增压器140可以与进气系统120和排气系统130操作地关联。涡轮增压器140可包括设置在排气导管134中的涡轮142，该涡轮联接到设置在进气导管124中的压缩机144。涡轮142和压缩机144可各自包括附接到联接涡轮和压缩机的旋转毂146的多个适当形状的轮叶。当加压废气被引导通过涡轮机142且在涡轮机中膨胀经过轮叶时，加压流可驱动旋转毂146，旋转毂继而使压缩机144中的轮叶旋转。因此，压缩机144压缩进气，从而增加输送到内燃发动机102的流。

为了处理废气中的排放，内燃发动机102可以与后处理系统150操作地关联，所述后处理系统包括在发动机下游的布置在排气导管134中的一个或多个后处理装置。例如，为了减少氮氧化物，如no和no2，有时称为nox，后处理系统150可以进行选择性催化还原(scr)过程，其中废气中的nox转化为氮(n2)和水(h2o)。在scr过程中，废气被引导通过设置在排气导管134中的scr催化剂152，并与还原剂(称为柴油机排气处理液(def))相互作用，其中共同def为尿素。def可包括氨(nh3)，其在scr催化剂152的存在下与nox反应，将其转化为n2和h2o。为了将def递送到废气，def喷射器154可与scr催化剂152上游的排气导管134流体连通，尽管其可能直接设置在scr催化剂152中。def喷射器154可以是机电操作的喷射器，其配置成在有时称为加料的过程中将测量量的加压def作为喷雾引入排气导管134。def本身可以保持在与内燃发动机102关联的机械上的可再填充def罐156或储存器中。

除了scr催化剂152之外，后处理系统150可包括处理废气的其它装置。例如，为了减少废气中可归为未燃烧燃料的一氧化碳(co)和烃(cxhx)，柴油机氧化催化剂(doc)158可以设置在排气导管134中，以启动氧化反应，将那些成分转化为二氧化碳(co2)和水(h2o)。作为另一实例，为了从废气去除颗粒物质和烟尘，可设置柴油颗粒过滤器(dpf)以接收和过滤废气流。由于过滤器物理地捕获并积聚颗粒物质，因此过滤器可能需要在开始阻碍排气流之前定期进行再生或清洁。

除了内燃发动机102及其支撑系统之外，传动系100还可包括变速器160以改变转速，且以成反比关系，改变由发动机产生的扭矩。变速器160可以操作地联接到从内燃发动机102伸出的驱动轴106，并直接从该驱动轴接收旋转运动。在实施例中，变速器160可以是连续可变变速器(cvt)，其被配置成在输入速度和扭矩的连续范围内操作以输出速度和扭矩，而不是通过固定齿轮比进行步进输出。在更特定实施例中，cvt160可以是分裂扭矩液压机械变速器，其中来自内燃发动机102的旋转运动和扭矩通过静压变速器162和机械变速器164传输。静压变速器162可通过cvt160的输入166接收旋转动力，该旋转动力用于驱动可变排量泵170。静压变速器162还可包括通过静液压流体回路174与可变排量泵170流体连通的可变排量马达172。可变排量泵170和马达172可以被可变地调节以改变流体回路中的压力和流速，使得泵的转动或冲程可以驱动数量上不同的转动或冲程，从而导致马达。

机械变速器164也可直接联接到cvt160的输入166，因此拆分扭矩输入，且可具有包括多个可调节的可内啮合齿轮的任何合适构造。在特定实施例中，机械变速器164可包括一个或多个行星齿轮组180。行星齿轮组180可包括由一个或多个旋转行星齿轮184包围的中心太阳齿轮182，所述旋转行星齿轮可围绕太阳齿轮182运动。行星齿轮184与环形齿轮186啮合且被环形齿轮包围。通过选择性地限制或释放行星齿轮组180的一组齿轮，可使其它组齿轮以变化的速度和方向旋转或转动。静压变速器162和机械变速器164的输出可组合并且引导通过cvt160的输出168且传输到负载104上。除了静压变速器162和机械变速器164之外，cvt160可包括其它齿轮、离合器等，以促进旋转动力从输入166到输出168的传输和调节。

为了协调和调节传动系100的操作，可包括电子控制器190，电子控制器也可被称作电子控制单元(ecu)，或被称作发动机控制模块(ecm)，或可能只是控制器。电子控制器190可以是可编程计算装置，并且可以包括一个或多个微处理器192、非暂时性计算机可读和/或可写存储器193或类似的存储介质、输入/输出接口194、以及用于处理计算机可执行指令、程序、应用程序和数据以调节传动系100的性能的其他适当电路。电子控制器190可以配置成处理二进制位和字节形式的数字数据。电子控制器190可以与各种传感器通信以接收关于传动系性能和操作特性的数据，并且可以响应地控制各种致动器以调节该操作。

为了发送和接收电子信号以输入数据和输出命令，电子控制器190可以与通信网络操作地关联，所述通信网络具有通过数据链路或通信通道连接的多个终端节点。例如，如汽车技术领域的技术人员所熟悉的，可以利用控制器区域网络(“can”)，所述控制器区域网络是标准化的通信总线，包括在电子控制器190与传感器和致动器之间传导传送信息的信号的物理通信通道。然而，在可能的实施例中，电子控制器190可以利用其他形式的数据通信，例如诸如wi-fi的射频波、光波导和光纤或其他技术。在实施例中，电子控制器190可以是预编程的专用设备，例如专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)。为了可能与操作员或技术员对接，电子控制器190可以与操作员接口显示器操作地关联，所述操作员接口显示器也可以称为人机接口(hmi)。

在实施例中，电子控制器190可响应地调节传动系100的操作，使得内燃发动机102、后处理系统150和cvt160协同地一起相互作用。因此，电子控制器190可以与传感器、致动器和与三种组件关联的控制装置操作地关联且电连通。例如，为了控制和调节内燃发动机102的操作，电子控制器190可以控制其上的装置，例如多个燃料喷射器112。另外，为了确定发动机102的操作速度，电子控制器190可以与发动机速度传感器196关联。在实施例中，发动机速度传感器196可与驱动轴106物理地接触以测量每分钟转数(rpm)，或可以以磁性或光学原理操作以感测驱动轴的转速。

为了控制后处理系统150的操作，并且特别是控制scr过程，电子控制器190可以与设置在scr催化剂152附近的scr传感器197关联。scr传感器197可测量与scr过程相关的变量和参数，例如scr催化剂152的温度。为了使def与nox发生反应，scr催化剂152必须处于升高的温度，例如大约200℃和更高，这取决于催化材料和催化剂大小。scr传感器197还可感测对scr过程而言重要的其它性质，例如废气的nox含量。为了确定排气温度和流速，电子控制器190可以与排气传感器198关联，排气传感器可以设置在排气歧管132中或紧接在排气歧管的下游。废气的流速可根据体积、时间和/或压力来测量。为了可变地调节cvt160以改变输入166与输出168之间的速度和/或扭矩的比率，电子控制器190可与操作地调节静压变速器162和机械变速器164的cvt控制器199关联。

在实施例中，电子控制器190可控制传动系100的操作以根据执行scr过程的需要调节scr催化剂152的温度。如上所述，scr催化剂152必须处于高温下以将nox转换为n2和h2o，通常高于200℃。此温度可被称为活化温度或催化阈值。取决于scr催化剂152是否高于或低于催化阈值，电子控制器190可被编程以在加热模式与保温模式之间实施和切换。在加热模式中，scr催化剂152可能低于催化阈值，并且电子控制器190可以操作传动系100以将催化剂温度快速升高到催化阈值。当内燃发动机100最初起动或已经怠速运行一段时间时，可以实施加热模式。在保温模式中，scr催化剂152可以处于或高于催化阈值，并且电子控制器190可以操作传动系100以维持该温度。后处理系统150可以相对于排气系统130设计和设置，使得保温模式可以在内燃发动机102的正常或常规操作条件期间实施。

为了在加热模式和保温模式之间实施和切换并且同时保持传动系100的现行操作和设定，电子控制器190可以以相关且反向的方式调节内燃发动机102和cvt160的操作。例如，参考图2，可以操作发动机102和cvt160以在利用废气调节scr催化剂152的温度的同时保持传动系100在负载104处的所需的设定速度或扭矩。图2是描绘催化剂温度202(沿着x轴)、发动机速度204和cvt速度206(以例如左y轴上的rpm)与发动机温度208和cvt输出扭矩210(在右y轴上)之间的关系的说明性曲线图200。

当催化剂温度202较低且不足以进行scr过程时，电子控制器190可增加发动机速度204，这导致产生的废气增加且因此增加排气流速。在图2中，发动机速度204的增加可以由实线曲线212表示。例如，发动机速度204可以增加到高于设定或期望速度。在重型或大型应用中，内燃发动机102可以在其峰值效率或峰值功率输出处或附近被设定成恒定速度和功率输出，并且旋转速度和/或扭矩的任何期望变化可以通过调节变速器或类似组件来解决。然而，在加热模式中，为了提高引导到scr催化剂152的热废气的流速，发动机速度204增大，从而导致更多的废气和增加的排气流速。这有效地增加了引导到scr催化剂152的焓或热能，以快速地将催化剂温度提高或升高到催化阈值。在柴油燃烧发动机中，可以通过增加每个燃烧循环引入到燃烧室的燃料的量来增加发动机速度202。在图1的实施例中，电子控制器190可相应地引导多个燃料喷射器112以增加燃料喷射量。为了调节或补偿增加的发动机速度204，电子控制器190可反向调节cvt160。具体地，cvt输入166与cvt输出168之间的cvt速度206的比率可以与发动机速度204的增加成反比地减小。cvt速度206的反比减小可由加热模式下的虚线曲线214的位置表示。因此，传动系100的总速度输出保持恒定。

当scr催化剂152的催化剂温度202朝催化阈值升高时，电子控制器190可切换到其尝试维持催化剂温度202的保温模式。因此，发动机速度204可减小到期望或设定速度，如由保温区域中的实线曲线212的位置所指示。发动机速度204的降低导致到scr催化剂152的排气流速降低；然而，甚至较低的流速也可能足以将催化剂温度保持在或超过催化阈值。另外，在柴油燃烧发动机中，降低发动机速度导致燃烧室中的空气/燃料比的降低。例如，由于涡轮增压器的效率的降低，使得发动机速度的降低导致引导到燃烧室的进气质量流量的降低。因此，尽管发动机速度的降低是由引入到燃烧室的燃料量的降低引起的，但进气质量流量的降低以更大的速率发生，由此导致更接近化学计量的空气/燃料比和更丰富的燃烧条件。丰富的燃烧条件通常导致更高的温度并且导致更热的废气，以将scr催化剂152的催化剂温度202保持在催化阈值以上。为了维持恒定传动系输出，cvt速度206可反向增加，如由保温区域中的虚线曲线的位置指示。

在实施例中，如实线曲线212和虚线曲线214所指示，发动机速度204和cvt输出206之间的反向调节可以按比例缩放，并且可以在催化剂温度202的范围内作为连续或频谱发生。因此，加热模式与保温模式之间的过渡可能没有明确限定。此外，电子控制器190可以在加热模式或保温模式之间引导发动机和cvt操作，作为连续响应的过程，以考虑催化剂温度202的升高和降低。发动机速度传感器196可测量瞬时发动机速度204，其可以由电子控制器196以相关但成反比的关系转换为适当的cvt速度206，使得传动系的输出保持一致。此外，电子控制器可以尝试在用于即时催化剂和其他条件的加热和保温模式之间进行平衡，以最佳地调节scr催化剂的温度。应当注意，图2仅是示例性的，并且不应被解释为指示特定值或内燃发动机102或cvt160的值之间的直接关系。

工业适用性

参考图3，示出了用于操作公开的传动系100的示例性例程或算法的流程图300。流程图300可以包括一系列步骤，包括动作和决策，其可以实现为可以由与电子控制器190关联的处理器192执行的应用或程序形式的计算机可执行软件指令或代码。此外，软件形式的流程图300可以在非暂时状态下存储在与电子控制器190关联的存储器193中。

可以用测量scr催化剂152的催化剂温度304的测量步骤302来启动流程图300中公开的过程。测量步骤302可以用与scr催化剂152可操作地关联的scr传感器197来完成。在流程图300的实施例中，可将催化剂温度304与催化阈值306进行比较，以确定scr催化剂是否处于足以进行scr过程的催化剂温度。催化阈值306可以部分地由scr催化剂的材料、scr催化剂的大小和其他信息(例如排气流速和排气温度)确定，并且例如可以是大约200℃，这可以是典型的scr催化剂的活化温度。与上文关于图2所描述的程序(其中内燃发动机102和cvt160的相对速度或输出在连续的催化剂温度202上协作地调节)相比，流程图300表示基于催化阈值306在加热和保温模式之间操作的更决定性和二进制的确定。催化阈值306可以作为电子数据存储在电子控制器190的存储器193中。

在催化剂温度304低于催化阈值306的情况下，流程图300可以进行到加热模式310。催化剂温度304可能低于催化阈值306，因为内燃发动机102刚刚起动或已经处于怠速状态。在用于与采矿行业关联的移动机器或用于工业泵和发电机的大型内燃发动机102中，发动机可以处于怠速状态数小时以节省燃料，但使得scr催化剂152能够冷却到低于催化阈值306。在加热模式中，为了快速地提高催化剂温度304，可以进行增加燃料步骤312以增加引入到多个燃烧室的燃料量。在柴油燃烧发动机中，这导致发动机速度/排气流速步骤314的增加。具体地，增加燃料量会加速发动机速度，导致从燃烧室排出的排气流速增加。在排气引导步骤316中，增加的排气流速被引导到scr催化剂152以快速将其加热到催化阈值。具体地，因为存在大量通过scr催化剂152的热排气流，所以与在较低的发动机速度期间相比，更多焓或热能被快速传递到scr催化剂的材料。

为了补偿可能高于内燃发动机102被控制的期望或命令的发动机速度的增加的发动机速度，加热模式310可在限制步骤318中限制cvt160的cvt输出。例如，cvt160可以通过调节静压变速器162和机械变速器164来相对于cvt输入速度降低cvt输出速度。因此，调节cvt160会补偿增加的发动机速度，使得传动系100的输出保持一致。

在催化剂温度304处于或高于催化阈值306的情况下，流程图300可以进行到保温模式320。在保温模式320中，流程图300中表示的过程尝试将催化剂温度304保持在催化阈值306以上，使得scr过程可以进行而不减弱。例如，在降低燃料步骤322中，引入到多个燃烧室的燃料量例如减小到燃料供给速率，所述燃料供给速率可能更有效或操作内燃发动机102更接近于其峰值功率点。降低燃料步骤322导致发动机速度/排气流速步骤324中的降低，原因是每个燃烧循环的燃料量的降低导致发动机速度减慢。在柴油燃烧发动机中，此结果是由于由燃烧的燃料量确定的发动机速度而导致的。在排气引导步骤326中，增加的排气流速被引导到scr催化剂152以将催化剂温度304维持在催化阈值306之上。由于排气流速的较低量，所以每单位时间较少的焓或热能可以传递到scr催化剂152。另外，由于通过scr催化剂152的排气体积减小，将转移较少的热，特别是在具有降低的排气温度的低负载条件下操作时。但是，由于内燃发动机102中的燃烧条件丰富，排气流可能处于较高温度，并且可以足以将催化剂温度304保持在催化阈值306以上。

为了补偿降低的发动机速度，在调节步骤328中，保温模式320可以增加cvt160的cvt输出。例如，可以通过调节静压变速器162和机械变速器164相对于cvt输入速度增加cvt输出速度。另外，可以调节cvt输出扭矩以维持传动系100上的负载。因此，尽管对内燃发动机102和cvt160进行了调节，传动系100的总输出仍保持一致。

加热模式310和保温模式320两者可以进行nox还原步骤330，其中废气中的nox通过scr过程在scr催化剂152中被还原。流程图300还可以返回到测量步骤302，以继续测量scr催化剂152的催化剂温度304，从而确定在特定情况下在加热模式310和保温模式320之间切换是否是有利的。因此，流程图300表示评估传动系100的当前操作条件的持续进行的过程。应注意，流程图300仅是示范性的，且步骤的不同顺序或布置、额外步骤或步骤的省略是可能的。前述本公开内容的优点在于，内燃发动机102和cvt160可以协作地用于快速加热低于催化阈值的scr催化剂152，并且当催化剂温度高于催化阈值时维持催化剂温度。从前面的描述和附图，本公开的这些和其他可能的优点和特征将是明显的。

应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可设想，本公开的其它实施方式可在细节上与前述示例不同。对本公开或其示例的所有引用旨在引用当时所讨论的特定示例，而并非旨在更一般地暗示对本公开的范围的任何限制。关于某些特征的所有区别和不利言辞旨在表明这些特征不是优选的，但除非另外指明，否则并不是将这些特征从本发明的范围中完全排除。

除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾。

因此，如适用法律所允许的，本公开包括所附权利要求书中叙述的主题的所有修改和等效内容。另外，除非在本文中另有指示或者与上下文明显矛盾，本公开涵盖上述元件以所有可能变型的任何组合。