用来操作排放物减少组件的方法和设备的制作方法

专利名称：用来操作排放物减少组件的方法和设备的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及柴油机排放物减少装置。
背景技术：
未处理的内燃机排放物(例如，柴油机排放物)包括各种废物，像例如氮的氧化物 (N0x)、烃以及一氧化碳。另外，来自某些类型的内燃机(如柴油发动机)的未处理的排放 物也包括颗粒碳基物质或“碳黑”。与碳黑排放物标准相关的联邦法规正在变得越来越严 格，由此促进了对于从发动机排放物除去碳黑的装置和/或方法的需求。由发动机系统释放的碳黑的量可通过排放物减少装置(如过滤器或捕集器)的使 用而减少。这样的过滤器或捕集器被定期地再生，以便从其除去碳黑。过滤器或捕集器可 以利用用于燃烧在过滤器中捕获的碳黑的燃烧器或电加热器而再生。选择性催化还原法(SCR)用于在内燃机排气中的N0x还原。SCR催化剂的N0x还 原的效率基于暴露于那里的排气的温度。排气在低负载条件期间通常处于低效率温度下。 已经使用热源来将排气的温度升高到允许SCR催化剂更高效地执行的水平。

发明内容
根据本发明的一个方面，一种操作具有选择性催化还原(SCR)催化剂的排放物减 少系统的方法可以包括将燃料供给到在SCR催化剂的上游的烧燃料的燃烧器，以加热正 在向SCR催化剂前进的排气。该方法还可以包括确定正在供给到燃烧器的燃料流量。该方法还可以包括基于确定的燃料流量来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量。该方法还可以 包括将预测量的燃料供给到燃烧器。根据本发明的另一个方面，一种具有选择性催化还原(SCR)催化剂的排放物减少 组件可以包括烧燃料的燃烧器，该烧燃料的燃烧器定位在SCR催化剂的上游，并且是可操 作成加热正在向SCR催化剂前进的排气。该排放物减少组件还可以包括第一传感器，该第 一传感器构造成确定正在供给到燃烧器的燃料流量并对该正在供给到燃烧器的燃料流量 产生响应。该排放物减少组件还可以包括电子控制燃料输送组件，该电子控制燃料输送组 件可操作成将燃料输送到燃烧器。排放物减少组件还可以包括电联接到燃料输送组件的控 制器。该控制器可以包括处理器和电联接到处理器的存储装置。该存储装置可以具有在其 中存储的多条指令，这些指令在被处理器执行时使得处理器基于由第一传感器产生的信 号确定燃料流量，以及基于确定的燃料流量预测要进一步供给到燃烧器的燃料量。还可以 使处理器操作燃料输送组件，以基于确定的燃料流量将预测量的燃料供给到燃烧器。


图1是公路用载货汽车的后视图，该汽车具有安装在其上的排放物减少组件；图2是排放物减少组件的立体图；图3是在图2的线3-3的箭头方向上所看到的排放物减少组件的端部的视图；图4是沿图3的线4-4取得的、在箭头的方向上所看到的图2的排放物减少组件 的剖视图，注意，为了描述清楚，在横截面中未表示过滤器壳体和收集器壳体；图5是图4的排放物减少组件的烧燃料的燃烧器的放大剖视图；图6是图2-5的烧燃料的燃烧器的混合隔板的放大剖视图；图7是烧燃料的燃烧器的示意性内部俯视图；图8是可选择的烧燃料的燃烧器的示意性内部俯视图；图9是说明性排放物减少组件的方块图；图10是一控制例行程序的流程图，该控制例行程序用来操作在排放物减少组件 中的烧燃料的燃烧器；图11是用来操作在排放物减少组件中的烧燃料的燃烧器的另一个控制例行程序 的流程图；图12是用来操作在排放物减少组件中的烧燃料的燃烧器的还一个控制例行程序 的流程图；及图13是用来操作在排放物减少组件中的烧燃料的燃烧器的又一个控制例行程序 的流程图。
具体实施例方式如这里将更详细描述的那样，图1说明性地表示供内燃机(如公路用载货汽车14 的柴油发动机)使用的排放物减少组件10、12。如在图1中说明性地表示的那样，排放物减 少组件10、12的每一个分别具有烧燃料的燃烧器16、18和颗粒过滤器20、21。烧燃料的燃 烧器16、18定位在相应颗粒过滤器20、21的上游(相对于来自发动机的排气流)。在发动 机的操作期间，排气在进入排放物减少组件10、12之前流过分流排气进口管19，并因而流
5过颗粒过滤器20、21，由此将碳黑捕获在过滤器中。处理的排气通过排气管24、26释放到大 气中。通常在发动机的操作期间，烧燃料的燃烧器16再生颗粒过滤器20，并且烧燃料的燃 烧器18再生颗粒过滤器21。也分别表示在图1中的是，用于排放物减少组件10、12的燃料 管线37、41和空气管线39、43。现在参照图2-6，更详细地表示了排放物减少组件10。应该认识到，排放物减少组 件10大体与排放物减少组件12相同。这样，与图2-6的排放物减少组件10相关的讨论相 应于排放物减少组件12。如图4和5所示，烧燃料的燃烧器16包括壳体15，该壳体15具有定位在其中的燃 烧室17。排气进口管19说明性地表示在图4和5中，该排气进口管19示出为穿过壳体15 设置，这允许管19将排气从柴油发动机(未表示)引导到壳体15中。管19包括在出口端 部上设置的弯头23，该出口端部定位在壳体15中。弯头23允许使得流过管19的排气朝壳 体15的壁25定向，以在到达燃烧室17之前撞击在壁25上。图7表示烧燃料的燃烧器16 的示意性内部俯视图(就在图1中表示的方位而论)，图7示出了排气流入壳体15中和撞 击在壁25上的方式。如由箭头指示的那样，排气在撞击壁25时按涡旋式样流动，这时排气 也穿过壳体15朝过滤器20向下游(相对于排气流)流动。再参照图4和5，燃烧室17包括围绕空间47的壁45，在该空间47处定位燃烧器 16的火焰。壁45在其靠近过滤器20的端部处是敞开的，壁45包括在其中限定的多个气 体进口开口 22。允许排气穿过进口开口 22流入燃烧室17中。按这样一种方式，保护在燃 烧室17内存在的火焰免受全部发动机排气流的影响，同时允许受控量的发动机排气进入 燃烧室17，以提供促进供给到燃烧器16的燃料的燃烧的氧气。通过弯头23将排气引导成 使它在离开管19时不直接朝向燃烧室17，这进一步保护火焰。随着排气撞击在壁25上并 且穿过壳体15涡旋，排气将如此扩散，使得它的一部分进入燃烧室17。没有进入燃烧室17 的排气被定向成穿过在罩盖27中限定的多个开口 35。烧燃料的燃烧器16也包括电极组件，该电极组件具有一对电极28、30，如在图3_5 中说明性地表示的那样。当电能施加到电极28、30时，在电极28、30之间的间隙32中产生 火花。燃料从燃料管线37流动并穿过燃料进口喷嘴34进入烧燃料的燃烧器16，并且穿过 电极28、30之间的间隙32前进，由此使燃料通过由电极28、30产生的火花而点燃。应该认 识到，进入喷嘴34中的燃料一般呈受控的空气/燃料混合物的形式。烧燃料的燃烧器16也包括燃烧空气进口 36。空气泵或其它加压的空气源(如所 述公路用载货汽车的涡轮增压器或空气制动系统)产生前进到燃烧空气进口 36的加压的 空气流。在颗粒过滤器20的再生期间，空气流通过空气管线39和燃烧空气进口 36引入到 烧燃料的燃烧器16中，以提供维持燃料燃烧的氧气(除了在排气中存在的氧气之外)。如图4所示，颗粒过滤器20定位在烧燃料的燃烧器16的壳体15的出口 40的下 游。颗粒过滤器20包括过滤器基片42。如图4所示，基片42定位在过滤器壳体44中。过 滤器壳体44固定到燃烧器壳体15。这样，离开燃烧器壳体15的气体被引导进入到过滤器 壳体44中，并且穿过基片42。颗粒过滤器20可以是任何类型的可买到的颗粒过滤器。例 如，颗粒过滤器20可以实施成任何已知的排气颗粒过滤器，如“深层”或“壁流”过滤器。深 层过滤器可以实施成金属丝网过滤器、金属或陶瓷泡沫过滤器、陶瓷纤维丝网过滤器等类 似物。另一方面，壁流过滤器可以实施成堇青石或碳化硅陶瓷过滤器，该过滤器具有在过滤器的前部和后部处插入的交替通道，由此迫使气体前进穿过并进入到一个通道中、穿过壁 并且从另一个通道出去。另外，过滤器基片42可以浸渍有催化材料，像例如贵金属催化材 料。催化材料可以例如实施成钼、铑、钯、包括其各种组合，以及任何其它类似的催化材料。 催化材料的使用降低点燃捕获的碳黑颗粒需要的温度。过滤器壳体44固定到收集器48的壳体46。明确地说，过滤器壳体44的出口 50 固定到收集器壳体46的进口 52。这样，离开过滤器基片42 (和因此过滤器壳体44)的处理 的(即，过滤的)排气前进到收集器48中。然后处理的排气前进穿过气体出口 54。在图1 中，气体出口 54联接到排气管24，该排气管24将处理的排气引导到大气中。然而，应该认 识到，气体出口 54可以联接到随后的排放物减少装置上(例如，见图9)，如果发动机的排气 系统装有这样一种装置，则允许在排气被释放到大气中之前进一步的排气处理。再参照图4-6，混合隔板56定位在燃烧器壳体15中。混合隔板56定位在罩盖27 与燃烧器壳体15的出口 40之间。在这里描述的说明性实施例中，混合隔板56包括拱顶形 转向板58、开孔圆环60以及收集板62。如图4和5所示，收集板62焊接或以其它方式固 定到燃烧器壳体15的内表面。收集板62在其中央处具有孔64。开孔圆环60焊接或以其 它方式固定到收集板62。圆环60的内径大于孔64的直径。这样，圆环60围绕收集板62 的孔64。转向板58焊接或以其它方式固定到圆环60的端部，该端部与固定到收集板62的 端部相对。转向板58是实心的(S卩，它没有形成在其中的孔或开口)，由此起到阻止排气流 直线地穿过混合隔板56的作用。而是，转向板58使排气流径向向外地换向。混合隔板56在过滤器再生期间，起到使被引导而穿过燃烧室17的热排气流和 旁通经过燃烧室17的冷排气流相混合的作用，由此将混合的排气流引入到颗粒过滤器20 中。具体地说，如以上描述的那样，在燃烧室壳体15中涡旋的排气流(见图7)分离成两股 流_(i)冷旁通流，该冷旁通流旁通经过燃烧室17，并且穿过罩盖27的开口 35前进；和(ii) 热燃烧流，该热燃烧流流入燃烧室17中，在燃烧室17由其中存在的火焰显著地加热。混合 隔板56迫使两股流一起穿过狭窄区域流动，然后使这样一种集中的流随后径向地向外流 动，由此将两种流混合在一起。为此，冷排气流穿过在罩盖27中的开口 35前进，并且此后 被定向成与收集板62的上游面66相接触。收集板62的形状将冷流引向孔64。同样，使热排气流朝向收集板62的孔64。具体地说，由拱顶形火焰捕捉器68防 止热排气流轴向离开燃烧室17。火焰捕捉器68迫使热排气流径向向外穿过在开孔圆环72 中限定的多个开口 70，该开孔圆环72类似于混合隔板56的开孔圆环60。热排气流然后通 过包括罩盖27的下游面74和燃烧器壳体15的壁25的表面的组合而被引向收集板62的 上游面66。然后热排气流与收集板的上游正面66相接触，在该处板62的形状使热排气流 引向孔64。这开始形成热排气流与冷排气流的混合。随着冷排气流和热排气流进入收集板62的孔64，混合继续进行。部分混合的气体 流被定向成与转向板58相接触。转向板58阻碍气体的直线流动，并且将它们在远离转向 板58的径向方向上向外定向。然后将排气流弓丨导穿过多个开口 76，这些开口 76形成在混 合隔板56的开孔圆环72中。排气的这种径向向外流动撞击在燃烧器壳体15的内表面上， 并且被引导穿过燃烧器壳体15的出口 40并进入过滤器壳体44的进口中，在该处，混合的 排气流被用来再生过滤器基片42。因此，弯头23使进入壳体15的排气按涡旋方式流动，而随着排气分离成旁通和燃烧流，排气穿过壳体15向下游流动。混合隔板56迫使穿过狭窄区域的非均勻排气流的混 合，并且然后使混合的流向外扩展。使进入壳体15的排气进行涡旋并迫使它穿过混合隔板 56，这防止形成的中心流或热气体的中心射流撞击在过滤器基片42上。这在将组合的流引 入到过滤器基片的面上之前提供形成的热流和冷流的更均勻混合物，由此提高过滤器再生 效率，并且降低由热斑点造成的过滤器损坏的可能性。应该认识到，弯头23和混合隔板56 可以分离地实施，或者一起实施，如本文描述的那样。图8表示排放物减少组件10的示意性内部俯视图，该排放物减少组件10实施可 选择壳体15和排气进口管构造19。在这种说明性构造中，除去弯头23，并且管19穿过在 壳体15中形成的开口延伸，从而穿过管19流动的排气在进入壳体15时沿壁25定向。这 允许排气流沿其流动路径撞击在壁25上，这使得排气流呈与用在图7中表示的构造所引起 的涡旋式样相类似的涡旋式样。类似于在图7中表示的构造，图8的构造可以与混合隔板 56 一起实施。现在参照图9，说明性地表示排放物减少组件90的示意图，该排放物减少组件90 用来减少由内燃机92产生的排放物。排放物减少组件90包括沿排气路径94设置在发动 机92下游的烧燃料的燃烧器96，发动机92在这个说明性实施例中是柴油发动机。排放物 减少组件90还包括柴油氧化催化剂(D0C) 98，该柴油氧化催化剂(D0C)98定位在燃烧器 96的下游；和颗粒过滤器100，该颗粒过滤器100沿排气路径94定位在D0C 98的下游。排 放物减少组件90还包括定位在过滤器100的下游的选择性催化还原(SCR)催化剂102。应 该认识到，燃烧器96和过滤器100与以前描述的燃烧器16和过滤器20大体相同，因而关 于燃烧器96和过滤器100的描述，将使用与以前描述的燃烧器16和过滤器20相关的类似 元件的名称和附图标记。也在图9中表示的是电子控制单元(EOT)或“电子控制器” 104。电子控制器104 通常定位在壳体中，并且位于所述公路用载货汽车14内，如以前关于图1讨论的那样。电 子控制器104本质上是主计算机，该主计算机负责解释由与排放物减少组件90 (并且在某 些情况下，发动机92)相关联的传感器发送的电信号，并且负责致动与排放物减少组件90 相关联的电子控制元件。例如，电子控制器104是可操作的，除其它事项外，用于确定何时 排放物减少组件90的颗粒过滤器100需要再生；计算和控制待引入到烧燃料的燃烧器96 中的空气和燃料的量和比值；确定在排放物减少组件90内各个位置中的温度；操作多个空 气和燃料阀；以及与同所述公路用载货汽车14的发动机92相关联的发动机控制单元(未 表示)相通信。应该认识到，电子控制器104也可确定在与关于图1描述的双重布置相类 似的双重布置中哪个排放物减少组件90需要再生。为了执行这些任务，电子控制器104包括多个电子元件，这些电子元件通常与在 机电系统的控制中利用的电子单元相关联。例如，除了通常包括在这样的装置中的其它元 件以外，电子控制器104可以包括诸如微处理器106之类的处理器；以及诸如可编程只读 存储装置(“PR0M”)之类的存储装置108，该可编程只读存储装置包括可擦除PROM(EPR0M 或EEPR0M)。除其它事情以外，存储装置108用于存储例如呈(一个或多个)软件例行程序 形式的指令，该软件例行程序当由处理器106执行时允许电子控制器104控制排放物减少 组件90的操作。电子控制器104也包括模拟接口电路110。模拟接口电路110将来自各个传感器(例如温度传感器)的输出信号转换成适于提供给微处理器106的输入的信号。具体地说， 模拟接口电路110通过利用模数(A/D)转换器(未表示)等类似物而将由传感器产生的模 拟信号转换成由处理器106使用的数字信号。应该认识到，A/D转换器可以实施成一个分 立的装置或多个装置，或者可以集成到微处理器106中。也应该认识到，如果与排放物减少 组件90相关联的传感器中的任一个或多个产生数字输出信号，则可以绕过模拟接口电路 110。类似地，模拟接口电路110将来自微处理器106的信号转换成输出信号，该输出信 号适于提供给与排放物减少组件90相关联的电控元件(例如，燃料喷注器、空气阀、点火 器、泵马达、等等)。具体地说，模拟接口电路110通过利用数字模拟(D/A)转换器(未表 示)等类似物而将由处理器106产生的数字信号转换成由与排放物减少组件90相关联的 电子控制元件使用的模拟信号。应该认识到，类似于以上描述的A/D转换器，D/A转换器可 以实施成一个分立的装置或多个装置，或者可以集成到处理器106中。也应该认识到，如 果与排放物减少组件90相关联的电子控制元件中的任一个或多个基于数字输入信号而操 作，则可以绕过模拟接口电路。因此，电子控制器104可以被操作成控制烧燃料的燃烧器96的操作。具体地说， 电子控制器104执行例行程序，该例行程序(除其它事项外)包括闭环控制方案，在该闭环 控制方案中，电子控制器104监视与排放物减少组件90相关联的传感器的输出，以控制对 于与排放物减少组件90相关联的电子控制元件的输入。为此，电子控制器104同与排放物 减少组件90相关联的传感器相通信，以便(除其它事项外)确定在排放物减少组件90内 的各个位置处的温度和跨过过滤器100的过滤器基片42的压力降。配备有这种数据，电子 控制器104每秒进行多种计算，包括查阅在预编程的表格中的值，以便执行算法，从而完成 诸如确定何时操作燃料喷注器或操作多长时间、控制输入到燃烧器96的电极28、30的功率 级、控制穿过燃烧空气进口 36前进的空气、等等之类的功能。应该认识到，电子控制器104可以直接同与排放物减少组件90相关联的各个传感 器相通信，或者借助对于本领域技术人员已知的控制器区域网(CAN)接口(未表示)，可以 从与发动机92相关联的发动机控制单元(未表示)得到来自传感器的输出。可选择地， 由电子控制器104按常规方式利用发动机操作参数可以计算排气质量流量，所述发动机操 作参数如发动机RPM、涡轮增压压力和吸气歧管温度(以及其它已知参数，如发动机汽缸排 量)。应该认识到，电子控制器104本身可以计算质量流量，或者借助CAN接口从发动机92 的发动机控制单元得到计算的质量流量。如以前讨论的那样，在发动机92的操作期间，过滤器100由于过滤由发动机92产 生的排气最终变得充满碳黑，并且需要再生，以便继续有效地过滤。处理器106可编程成基 于预定时间间隔、事件检测或对于本领域技术人员已知的其它触发情况来控制燃烧器96。 一旦烧燃料的燃烧器96被致动，它就开始产生热量。这样的热量被引导到下游(相对于排 气流)，并且与颗粒过滤器100的上游面相接触。热量点燃并燃烧在过滤器基片42中捕获的 碳黑颗粒，由此再生颗粒过滤器100。举例来说，在600-650摄氏度范围中的热量可以足以 再生非催化的过滤器，而在300-350摄氏度范围中的热量可以足以再生催化的过滤器。DOC 98可以定位在颗粒过滤器100的上游。DOC 98 (或任何其它类型的氧化催化剂)可以用来 氧化任何未燃烧的烃和一氧化碳(CO)，由此产生向下游传递到过滤器100的辅助热量。如
9图9所示，喷注器97可以选择性地实施成定位在DOC 98的上游，该喷注器97通过控制线 101连接到控制器104，并且通过燃料管线103连接到燃料源117。这使得柴油机燃料喷注 到DOC 98上，允许DOC 98催化在喷注的燃料与流过DOC 98的排气中存在的氧气之间的反 应，以便也产生热量。可选择地，排放物减少组件90可以构造成不带有D0C98。在说明性实施例中，颗粒过滤器100的再生可能只用几分钟。另外，应该认识到， 颗粒过滤器100的再生一旦由来自燃烧器96的热量启动，就可以相应地自行维持。明确地 说，一旦过滤器100被加热到在其中捕获的碳黑颗粒开始点燃的温度，则在其中捕获的碳 黑颗粒的初始部分的点燃就可按与雪茄从一端缓慢燃烧到另一端几乎相同的方式来引起 剩余碳黑颗粒的点燃。在本质上，随着碳黑颗粒“燃烧”，一定的热量释放在“燃烧区”中。 局部地，碳黑层(在燃烧区中)现在比紧邻的周围热得多。这样，热量传递到燃烧区下游的 还未点燃的碳黑层。传递的能量可足以引起氧化反应，该氧化反应将未点燃的碳黑升高到 其点燃温度以上的温度。由此，可只需要来自烧燃料的燃烧器96的热量来开始过滤器100 的再生过程(即，开始在其中捕获的碳黑颗粒的点燃过程)。在其操作期间，燃烧器96接收空气/燃料混合物，这可通过对燃料喷注器93的控 制和穿过燃烧器96的燃烧空气进口 36的燃烧空气的添加而进行控制。如说明性地在图9 中表示的那样，燃烧器96通过燃料管线119从燃料源117接收燃料。燃烧器96也接收用 于燃烧的氧气，该氧气存在于穿过燃烧器96流动的排气中。希望的是，避免向燃烧器96供 给过量燃料，这种过量供给发生在当由于缺乏用于完全氧化的氧气而使得比可被氧化的燃 料多的燃料供给到燃烧器96的时候。此外，希望的是，将一定量的燃料供给到燃烧器96，从 而在燃烧室中的火焰是稳定的。为了确定要供给的适当的燃料的量，以便避免燃料过量供 给并保持火焰稳定性，可求出由燃烧器96实际“可用的”氧气量。由发动机92产生的排气通常包含一定量的氧气，所述一定量的氧气在燃烧器96 的操作期间向下游供给到燃烧器96。所述的量在理论上可基于正在供给到发动机92的空 气和燃料的量的质量流量计算而被确定。换句话说，通过计算在给定操作条件下正在供给 到发动机的空气和燃料的量，可在理论上计算在排气中可得到的残余空气的量。这个理论 计算值在本领域中通常被称作在排气流中的“可得到氧气”的量。然而，在实际中，在排气 中可得到氧气的这个理论量的全部不会完全地由燃烧器96用于燃烧。由于多种原因，情况 就是这样。例如，发动机排气往往被分层，并且在某些情况下被高度地分层。因此，显著量 的氧气可能捕获在分层的流的层中，由此使它不能由燃烧器96用于燃烧。另外，在排气中 存在的某些气体(如CO和CO2)吸收由燃烧器96产生的热量的一部分，由此吸取用于燃烧 所需的能量。在这样的即时冷却条件存在的情况下，在排气中的氧气可能未被使用。总之， 因为多种不同的原因，在排气中存在的氧气不是全部都能由燃烧器96用于氧化。使燃烧器96的燃料供给基于理论量的可得到氧气的任何燃料供给计算一般将导 致燃料过量供给。因此，这里描述的说明性系统和方法将燃料供给计算基于在排气中可用 氧气的经验产生量。因而，对本发明而言，术语“可用氧气”是指在发动机的给定操作条件下 产生的、发动机排气中经验产生量的氧气，该经验产生量的氧气实际上可由排放物减少组 件的燃烧器使用，这样一种经验产生量小于在发动机排气中的可得到氧气的理论计算量， 该理论计算量基于在发动机的相同操作条件下正在供给到发动机的空气和燃料的质量流 量计算。基于在排气流中的可用氧气量的燃料供给计算可用来产生用于燃烧器96的操作的、具有希望的空气与燃料比(例如，化学计算比)的空气/燃料混合物，而不用担心与基 于在排气流中的可得到氧气的理论计算量的类似燃料供给计算有关的燃料过量供给。相对 于其中在排气流中的氧气量被人为地假定成很低以避免燃料过量供给的计算，基于在排气 流中的可用氧气量的燃料供给计算也可用来在燃烧器96中产生更稳定的火焰。在燃烧器96的操作期间，在排气中存在的可用氧气量可能不足以让燃烧器96产 生用于再生颗粒过滤器100的足够热量。然而，来自空气源112的补充氧气可按与关于图 3-5所讨论的相类似的方式供给到燃烧器96。空气源112可以通过各种形式(如空气泵、 发动机92的涡轮增压器或所述公路用载货汽车的空气制动系统)而被实施。空气流量传 感器线114可用来将由空气源112供给的空气量并因此氧气量传送到控制器104。通常，假 定由空气源112供给的全部氧气都由燃烧器96消耗在燃烧中。因而，供给到燃烧器96的 燃料量可基于在排气中存在的可用氧气量和从空气源112可得到的氧气量而进行控制。可以确定在来自发动机92的排气中存在的可用氧气量，以便适当地控制燃烧器 96的燃料供给。这可在试验单元中通过跨过操作条件的范围操作发动机92和燃烧器96按 经验进行。为此，发动机92在试验单元中在给定操作条件下进行操作，并且对于给定操作 条件确定在发动机排气中可得到氧气的理论计算量。来自空气源112的氧气也按受控的、 已知量的方式供给到燃烧器96。燃料按基于在排气中的全部氧气(即，在排气中可得到氧 气的理论计算量和由空气源112供给的已知量之和)而应该提供的所需的空气与燃料比 (例如，化学计算比)的量来供给到燃烧器96。氧气传感器用来检测在燃烧器下游的排气 流中存在的氧气量。由于假定从空气源112供给到燃烧器96的氧气的全部都被消耗，所以 在燃烧器96下游的排气流中检测到的氧气量代表在发动机排气中未被消耗的氧气量(即， 在发动机排气中因为一个或另外的原因由燃烧器“不可用”的氧气量)。“可用氧气”量是 在燃烧器96上游的排气中存在的氧气量与在燃烧器96下游的排气中检测到的氧气量之间 的差。换句话说，“可用氧气”量是在排气中的总氧气量(即，在排气中可得到氧气的理论 计算量和从空气源112供给的已知量之和)与在排气中的“不可用”氧气量(即，在燃烧器 96下游的排气中存在的检测到的氧气量)之间的差。应该认识到，这种测量可以跨过发动机92的操作条件的范围被重复。例如，可确 定用于各种发动机速度和负载的可用氧气量。生成数据可用来创建由电子控制器104使用 的发动机特性曲线图(engine map)。因而，燃烧器96的燃料供给可基于发动机特性曲线图 跨过操作条件的范围而进行控制。图10表示说明性控制例行程序200，该控制例行程序200可用来基于在排气中存 在的可用氧气量而控制向燃烧器96的燃料供给，以便再生颗粒过滤器100。控制例行程序 200可基于各种触发事件(像例如将跨过过滤器100的压力与预定的压力阈值相比较或预 定时间间隔的到期)而开始。一旦控制例行程序200开始，就执行操作202，该操作202如 按以前描述的方式那样，确定在排气中存在的可用氧气量。在操作204中，确定从空气源 112供给的氧气量。传感器线114将这种数据传输到电子控制器104，以便进行处理。这些 量值在操作208中被使用，该操作208基于在操作202和204中计算的氧气量、根据允许燃 料供给被连续地调节的闭环控制来调节供给到燃烧器96的燃料量。控制例行程序200可 根据由电子控制器104识别的具体完成事件而结束，所述具体完成事件例如是预定条件的 完成或具体操作条件的探测(例如通过压力传感器124测量的和通过传感器线126传输的跨过颗粒过滤器100的基片42的压力降)。这种控制策略也可与其它控制方法一起使用，如关于图11讨论的控制方法。就是 说，可用氧气的确定可用来设置关于要供给到燃烧器的燃料量的上限或最大极限，而在该 极限下操作的同时实施用于控制燃烧器96的另一种控制策略。一种这样的最大燃料供给 极限可建立在足够燃料供给到燃烧器96以消耗在排气中的可用氧气量以及从空气源112 提供的量的水平处，该最大燃料供给极限可实施成动态上限，该动态上限取决于像例如发 动机92的操作条件和由空气源112供给的氧气量的变量。避免燃烧器96的燃料过量供给的另一种方法是监视由燃烧器96产生的热量的温 度，这可通过确定由燃烧器96加热的排气的温度而完成。在图9的说明性实施例中，温度传 感器116示出为定位在过滤器100的进口处。温度传感器116产生指示进入过滤器100的 排气的温度的信号，并且通过传感器线118传输该信号，以便由电子控制器104进行处理。 由燃烧器96产生的热量的温度通常随着正在供给到燃烧器96的燃料的量的增大以及在存 在用于燃烧的足够氧气的情况下而升高。然而，如果没有足够的氧气存在，则发生燃料过量 供给。未燃烧的燃料将吸收热量，利用热量用于蒸发。在能量从加热的排气取出的情况下， 沿排气路径94流动的排气的温度将降低。因而，当供给到燃烧器96的燃料正在增加、但在 过滤器100的进口处的温度降低时，电子控制器104可确定已经发生燃料过量供给。在这 时，可减少向燃烧器96的燃料供给，这可引起温度升高。图11表示说明性控制例行程序300，该控制例行程序300可用来控制燃烧器96， 以避免燃料过量供给的情形。类似于控制例行程序200，控制例行程序300可基于触发事 件(如达到预定的阈值或预定的时间发生)而开始，如本文前面讨论的那样。一旦控制例 行程序300已经开始，操作302就可发生，在该操作302中，在空气/燃料混合物供给到燃 烧器96的情况下致动燃烧器96。在操作304中，增加供给到燃烧器96的燃料的流量以升 高由燃烧器产生的热量的温度，以便达到足以再生过滤器100的温度。在操作306中，由燃烧器96产生的热量的温度通过利用温度传感器116和电子控 制器104来确定。热量温度的确定可按各种方式进行。例如，在一个说明性实施例中，控制 器104在某一预定量的时间上可通过温度传感器116取样在过滤器100的进口处的温度。 这些样本可存储在存储装置108中。然后处理器106可确定温度是否在预定量的时间范围正在下降，如在操作308中 执行的那样。换句话说，处理器106在预定量的时间范围可使温度呈一定趋势，以保证正 在发生的温度的下降持续一定长度的时间，该一定长度的时间足够长，以确定燃料过量供 给正在发生。如果温度趋势指示热量的温度不是正在下降，则控制例行程序300执行操作 304，并且继续增大供给到燃烧器96的燃料的流量，以升高燃烧器的温度。如果确定温度正 在下降，则执行操作310，该操作310减小供给到燃烧器96的燃料的流量。在延时(未表 示)之后，可再次执行操作308，以确定热量的温度是否正在下降。在认为再生完成之后，或 者在某种其它条件发生(如预定时间段的完成)之后，控制例行程序300可结束。在发动机92的操作期间，控制SCR催化剂102的温度，以从排气除去NOx。在一个 说明性实施例中，SCR催化剂102构造成具有200-400摄氏度的操作范围。沿排气路径94 流动的排气在它到达SCR催化剂102之前可利用燃烧器96而被加热，这允许排气将热量提 供给用于操作的SCR催化剂102。也希望的是，保持SCR催化剂102的温度免于升高到其操作范围的上限以上，以保持其效率。在SCR催化剂102的使用期间，由于多种原因可能变得难以将SCR催化剂102的 温度控制在其操作范围内。一个原因例如可能是，在燃烧器96与SCR催化剂102之间定位 的元件(如DOC 98和过滤器100)可吸收由燃烧器96产生的热量。因而，在不知道过滤器 100将吸收多少热量的情况下，SCR催化剂102的温度控制可能变得不可预测。而且，通常 使用闭环控制策略，该闭环控制策略由于元件响应的延迟时间，可能使SCR催化剂温度范 围的上限被超出。控制SCR催化剂102的温度而不考虑实际SCR催化剂温度的一种方式是，基于正 在提供给燃烧器的燃料的流量来预测将SCR催化剂102加热到其操作范围内需要的燃料 量。在一个说明性实施例中，控制策略可以利用到燃烧器96的燃料流量(燃料量)的积分 (integral)来实施。传感器125和传感器线136用来检测到燃烧器96的燃料流量并且将 该燃料流量传输到电子控制器104，其中，用微处理器106可确定该积分，该处理器106提供 从某一预定的以前的时间点起(如当致动燃烧器时)当前供给到燃烧器96的燃料总量。在另一个说明性实施例中，可以实施其它操作条件，以便预测加热SCR催化剂所 需要的燃料量。例如，穿过燃烧器96的标准化排气流量和在燃烧器96进口处排气的温度 可以被测量，并且实施为变量。传感器128构造成检测穿过燃烧器流动的排气的流量。传 感器128将这种数据通过传感器线132传输到电子控制器104。温度传感器130构造成确 定穿过燃烧器96流动的排气的温度，并且将这种数据通过传感器线134传输到电子控制器 104。然后这些操作条件可分离地或一起用来预测燃烧器96将需要多少燃料，以便将 热量供给成达到SCR催化剂102的操作范围，并且将热量维持在该范围内。此外，使用这些 操作条件可以实施各种控制策略，以预测要供给到燃烧器96的燃料量。例如，在一个说明 性实施例中，可以使用模糊逻辑控制策略。这种控制策略根据采取在0与1之间的连续值 的逻辑变量来分析模拟输入值。这允许输入值具有各种状态。所述状态可以定义为“隶属 (membership)函数”，从而由于输入变量获取在一种状态中的隶属，它失去在另一种状态中 的隶属。因而，过渡状态不包括从一种状态到另一种状态的离散过渡，而是包括各种程度的 过渡。在这个例子中，供给到燃烧器的燃料量可以是这些变量的一个。如以前讨论的那样， 穿过燃烧器的排气的流量和穿过燃烧器流动的排气的温度也可以是变量。这种模糊逻辑控 制策略编程到控制器104的存储装置108中，并且由处理器106执行。应该认识到，可以实 施其它控制策略以预测要供给到燃烧器96的燃料量，如Smith预估器策略以及bang-bang 控制器。再参照图9，温度传感器140通过传感器线142来传输SCR催化剂102的温度。由 传感器140提供的温度值可用来与以上描述的控制策略一道形成OR(或)门功能。例如， 在使用基于预测的控制模型的同时，将SCR催化剂102的温度置于操作范围中，如果比预测 的更早地到达范围的上限，则由电子控制器104观察温度，并且可停止燃烧器96。图12表示一个说明性控制例行程序400，该控制例行程序400可用来将SCR催化 剂温度调节到在操作温度范围内。控制例行程序400可基于某种触发事件、预定时间而开 始，或者可在发动机从“冷起动”开始的任何时间开始。此外，可执行控制例行程序400，以 便确定何时接通或切断燃烧器、或者在操作期间控制燃烧器，如在图12中说明性地表示的
13那样。一旦开始，说明性控制例行程序400就执行操作402，该操作402确定供给到燃烧器 96的燃料量。然后执行操作404，该操作404确定穿过燃烧器96的排气流量。然后执行操 作406，该操作406确定在燃烧器96的进口处的排气温度。一旦这种数据被收集，就可执行操作408，该操作408确定要提供给燃烧器96的预 测的燃料量。如讨论的那样，这种操作可以使用各种控制策略来执行，例如模糊逻辑。操作 410包括将预测量的燃料供给到燃烧器96。燃烧器96的操作可以按这种方式控制一定时 间段，直到预测量的燃料已经提供给燃烧器。一旦这个操作时间段完成，控制例行程序400 就可结束。在燃烧器96的操作期间，电极28、30的表面可由于其上的碳黑或其它物质的积累 而变得淤塞。碳黑/物质积累可造成燃烧器不能点燃。一旦已经确定燃烧器96要被关闭直 到进一步的使用，正在供给到燃烧器的空气/燃料混合物就可调节成燃烧在电极28、30上 积累的任何碳黑或其它物质。正在供给到燃烧器96的燃料，如有必要则可减少，以便试图 迫使空气/燃料混合物达到比化学计算比大的比值。提供比化学计算比或较小(lean)的 空气与燃料比大的空气与燃料比将升高电极周围的温度，以提供允许在电极28、30的表面 上的各种物质燃烧的足够热的环境。在燃烧器的操作期间，电极28、30正在被恒定地操作， 以便维持在燃烧器96内的火焰。因而，产生火花提供较少空气/燃料混合物的点燃，这将 烧掉碳黑。如果燃烧器96的燃料供给不能控制成实现比化学计算的空气/燃料混合物大 的空气/燃料混合物，则可使用空气源112，以便增大空气/燃料混合物的空气与燃料比。图13表示说明性控制例行程序500，该控制例行程序500可由电子控制器104执 行，以燃烧在电极28、30上积累的物质。操作502确定是否已经提出关闭请求。如果是，则 控制例行程序500执行操作504，该操作504确定正在供给到燃烧器96的空气/燃料混合 物的空气与燃料比。在确定空气与燃料比之后，如果要求调节，则执行操作506，该操作506 调节正在供给到燃烧器的空气/燃料混合物的空气与燃料比。如果空气与燃料比要求调节 到比化学计算比大，则可通过减少正在供给到燃烧器96的燃料量和/或通过从空气源112 供给氧气来进行调节。在调节之后，或者如果没有必要，则执行操作508，该操作508将燃烧器96操作预 定量的时间，允许碳黑或其它物质从产生火花的电极28、30的表面烧掉。应该认识到，增大 空气与燃料比可以使在燃烧室内的火焰物理地运动，从而它向电极28、30运动，这可燃烧 在电极表面上积累的碳黑或其它物质。在预定量的时间已经过去之后，执行操作510以关 闭燃烧器96，这可通过使用电子控制器104进行。尽管本发明容许各种修改和可选择形式，但其特定示范性实施例借助实例已经在 附图中表示，并且已经在本文中详细地描述。然而，应该理解，不旨在将本发明限于所公开 的具体形式，而是相反，旨在覆盖落在本发明的精神和范围内的全部修改、等效物以及可选 择的形式。本文描述的设备、系统以及方法的各种特征带来本发明的多个优点。将注意到，本 发明的设备、系统以及方法的可选择实施例可以不包括所描述的全部特征，而仍然从这样 的特征的至少一些优点受益。本领域的技术人员可以容易地设计他们自己的设备、系统以 及方法的实施方式，这些实施方式包括本发明的特征中的一个或多个，并且落在本发明的 精神和范围内。
例如，应该认识到，可以改变本文描述的控制例行程序的多个步骤的顺序。另外， 控制例行程序的多个步骤可以彼此并行地执行。
权利要求
一种操作包括选择性催化还原(SCR)催化剂的排放物减少系统的方法，所述方法包括将燃料供给到位于SCR催化剂的上游的烧燃料的燃烧器，以加热正在向SCR催化剂前进的排气；确定正在供给到燃烧器的燃料流量；基于所确定的燃料流量来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量；及将预测量的燃料供给到燃烧器。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定流过燃烧器的排气的流量，其中预测燃料量的步骤还包括基于流过燃烧器的排气的流量来预测要进一步供给到燃烧 器的燃料量。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括确定排气在燃烧器的进口处的温度，其中预测燃料量的步骤还包括基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进一步供给到 燃烧器的燃料量。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括确定排气在燃烧器的进口处的温度，其中预测燃料量的步骤还包括基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进一步供给到 燃烧器的燃料量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中预测燃料量的步骤包括 对所确定的燃料流量求积分；和使用模糊逻辑控制策略来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量，该模糊逻辑控制策略 使所确定的燃料流量的积分作为其输入变量。
6.一种操作包括选择性催化还原(SCR)催化剂的排放物减少系统的方法，所述方法包括将燃料供给到位于SCR催化剂的上游的烧燃料的燃烧器，以加热正在向SCR催化剂前 进的排气；确定排气在燃烧器的进口处的温度；基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量；及 将预测量的燃料供给到燃烧器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进 一步供给到燃烧器的燃料量的步骤包括使用Smith预估器控制策略来预测要进一步供给 到燃烧器的燃料量，该Smith预估器控制策略使确定的燃料流量的积分作为其输入变量。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进 一步供给到燃烧器的燃料量的步骤包括使用bang-bang控制策略来预测要进一步供给到 燃烧器的燃料量，该bang-bang控制策略使确定的燃料流量的积分作为其输入变量。
9.一种排放物减少组件，包括 选择性催化还原(SCR)催化剂；烧燃料的燃烧器，该烧燃料的燃烧器位于SCR催化剂的上游，并且能够操作成加热正 在向SCR催化剂前进的排气；第一传感器，该第一传感器构造成确定正在供给到燃烧器的燃料流量并对该正在供给 到燃烧器的燃料流量产生响应；2电子控制的燃料输送组件，该电子控制的燃料输送组件能够操作成将燃料输送到燃烧 器；及控制器，该控制器电联接到燃料输送组件，该控制器包括(i)处理器，和(ii)电联接到 处理器的存储装置，该存储装置具有在其中存储的多条指令，这些指令在被处理器执行时 使得处理器基于由第一传感器产生的信号确定燃料流量；基于确定的燃料流量预测要进一步供给到燃烧器的燃料量；及基于确定的燃料流量操作燃料输送组件，以将预测量的燃料供给到燃烧器。
10.根据权利要求9所述的排放物减少组件，其中，所述多条指令在被处理器执行时还 使得处理器对确定的燃料流量求积分；和使用模糊逻辑控制策略来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量，该模糊逻辑控制策略 使确定的燃料流量的积分作为输入变量。
11.根据权利要求9所述的排放物减少组件，还包括第二传感器，该第二传感器构造成 确定流过燃烧器的排气的流量并对该流量产生响应，其中，所述多条指令在被处理器执行 时还使得处理器基于由第二传感器产生的信号来确定流过燃烧器的排气的流量； 基于排气通过燃烧器的流量来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量；及 基于排气通过燃烧器的流量来操作燃料输送组件，以将预测量的燃料供给到燃烧器。
12.根据权利要求11所述的排放物减少组件，还包括第三传感器，该第三传感器构造 成确定排气在燃烧器的进口处的温度并对该排气在燃烧器的进口处的温度产生响应，其 中，所述多条指令在被处理器执行时还使得处理器基于由第三传感器产生的信号来确定排气在燃烧器的进口处的温度； 基于排气在燃烧器的进口处的温度来预测要进一步供给到燃烧器的燃料量；及 基于排气在燃烧器的进口处的温度来操作燃料输送组件，以将预测量的燃料供给到燃/jm-nfr ο
13.根据权利要求8所述的排放物减少组件，还包括第二传感器，该第二传感器构造成 确定SCR催化剂的温度并响应SCR催化剂的温度而产生信号，其中，所述多条指令在被处理 器执行时还使得处理器基于由第二传感器产生的信号来确定SCR催化剂的温度；并且基于SCR催化剂的温度 来操作燃料输送系统，以将燃料供给到燃烧器。
全文摘要
一种操作具有选择性催化还原(SCR)催化剂的排放物减少系统的方法，包括将燃料供给到在SCR催化剂的上游定位的烧燃料的燃烧器，以加热正在向SCR催化剂前进的排气。该方法还包括确定正在供给到燃烧器的燃料流量；和基于确定的燃料流量，预测要进一步供给到燃烧器的燃料量。该方法还包括将预测量的燃料供给到燃烧器。
文档编号F01N3/20GK101952563SQ200880124774
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月15日 优先权日2008年1月15日
发明者T·R·帕里施 申请人:埃姆康技术有限责任公司