CN103124837B - 处理柴油发动机排气的方法、柴油发动机和排气后处理***以及车辆 - Google Patents

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Abstract

在一种柴油发动机和排气后处理***中，控制器被布置成：控制发动机的运行以获得第一组排气特性，并控制燃料喷射器在DPF的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件，并且，在达到所述至少一个条件后，控制燃料喷射器以使燃料喷射速率降低，并控制发动机的运行以获得第二组排气特性以便发生所述DPF的再生。所述第一组特性和第二组特性中的至少一个特性是不同的。还公开了一种处理柴油发动机排气的方法。

Description

处理柴油发动机排气的方法、柴油发动机和排气后处理***以及车辆
技术领域
本发明总体上涉及具有排气后处理***(EATS)的柴油发动机和处理柴油发动机排气的方法，更具体地，涉及如下这种发动机和EATS以及方法：其中，在再生期间，燃料喷射和发动机排气特性是变化的。
背景技术
专门通过引用的方式并入本文的、共同受让的国际申请公布WO2009/100412和共同受让的国际申请公布WO2009/100413公开了通过NO2再生而实现的、EATS中的柴油微粒过滤器(DPF)的再生。与常规的被动式NO2再生或常规的主动式O2再生相比，在通常处于450℃-550℃范围内的温度下进行的所谓“主动式”NO2再生产生了令人鼓舞的结果，其中，该450℃-550℃的温度范围高于常规的被动式NO2再生的温度范围，但低于常规的主动式O2再生的温度范围。然而，在许多条件下，尤其当这种发动机和EATS用在车辆的路面上(over-the-road)瞬态操作中时，通过所谓的第七喷射器喷射的、用于将DPF加热到主动式NO2再生所需温度的燃料可能导致通过DPF上游的柴油氧化催化器(DOC)的烃滑移(hydrocarbonslip)，这可能抑制NO2的再循环，而NO2的再循环是主动式NO2再生所需要的。
发明内容
希望提供如下一种处理排气的方法以及一种发动机和排气后处理***，其在能够降低通过DOC或DPF的烃滑移风险的条件下允许DPF再生，特别是执行主动式NO2再生。还希望提供如下一种处理排气的方法以及一种发动机和排气后处理***，其在减少失控再生风险或减少对DPF或SCR的其它热损坏的条件下允许执行有效的DPF再生，特别是执行主动式NO2再生。
根据本发明的一个方面，一种处理柴油发动机排气的方法包括：运行发动机并使排气通过柴油微粒过滤器(DPF)；运行发动机以获得第一组排气特性，并在DPF的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件；并且，在达到所述至少一个条件后，降低燃料喷射速率，并运行发动机以获得第二组排气特性以便发生DPF的再生，所述第一组特性和第二组特性中的至少一个特性是不同的。
根据本发明的另一方面，一种柴油发动机和排气后处理***包括：柴油发动机，该柴油发动机适于运行而获得至少两组不同的排气特性；柴油微粒过滤器(DPF)，该柴油微粒过滤器(DPF)位于发动机的下游；燃料喷射器，该燃料喷射器位于发动机的下游但在所述DPF的上游；以及控制器，该控制器被布置成：控制发动机的运行以获得第一组排气特性；且控制燃料喷射器在所述DPF的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件；并且，在达到所述至少一个条件之后，控制燃料喷射器以使燃料喷射速率降低，并控制发动机的运行以获得第二组排气特性以便发生所述DPF的再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的。
附图说明
通过结合附图来阅读以下详细说明，将能很好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中，相同的标记表示相同的元件，其中：
图1是包括根据本发明一个方面的柴油发动机和排气后处理***的车辆的示意图；
图2是流程图，示出了根据本发明一个方面的、处理柴油发动机排气的方法中的各个步骤。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个方面的柴油发动机21和排气后处理***23(EATS)，其可用于各种应用，特别是柴油发动机用于驱动车辆25(在图中示意性地示出)的应用中。虽然本发明被认为对于诸如卡车等的车辆特别有用，但它也能在其它类型的车辆中以及非车辆型的应用中使用。
柴油发动机21适于被运行来获得至少两组不同的排气特性。例如，通过调节发动机运行特性(例如燃料喷射定时)，可以改变发动机排气中的NOX水平和/或发动机排气的温度。例如，还可以通过改变发动机转速或发动机负荷或者关闭可变几何涡轮增压器的几何结构，来调节发动机运行特性以获得不同的排气质量流量。用于改变发动机排气特性的各种技术都是公知的，不应认为本发明局限于使用任何特定技术。
EATS23包括位于发动机21下游的柴油微粒过滤器27(DPF)。该EATS23还包括燃料喷射器29，该燃料喷射器29位于发动机21下游但在DPF27的上游。柴油氧化催化器31(DOC)可以设置在DPF27的上游，并且，选择性催化还原(SCR)催化器33可以设置在该DPF的下游。该EATS23中的各个点位处可以设有传感器以监测各种排气特性，包括：该EATS中的各个点位中的一个或多个点位处的排气质量流量、温度、NOX水平和烃水平。上述用于监测包括排气质量流量、温度、NOX水平和烃水平在内的一个或多个排气特性的传感器通常包括：设置在发动机21和DOC31(如果提供了DOC31的话)之间的至少一个传感器35；位于该DOC和DPF27之间的另一个传感器37；位于该DPF和SCR催化剂33之间的另一个传感器39；以及，位于该SCR催化器下游的另一个传感器41。在所述DPF中还可以设有传感器43。
该EATS23可以包括如在共同受让的国际申请公布WO2009/100412中公开的设备特征，并根据该申请所公开的通过借助增强的有效NO2供应而进行的、基于NO2的主动再生来对DPF进行再生的方法而运行，和/或包括如在共同受让的国际申请公布WO2009/100413中公开的设备特征，并根据该申请所公开的使用再循环NOx对DPF进行再生的方法而运行，这两个国际申请公布都通过引用的方式专门并入本文。
控制器45(它可以是任何适当形式的电子控制器，例如计算机、ECU等)被布置成：控制发动机21的运行以获得第一组排气特性；且控制燃料喷射器29在DPF27的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件；并且，在达到该至少一个条件后，控制燃料喷射器以使燃料喷射速率降低，并控制发动机的运行以获得第二组排气特性以便发生DPF的再生，所述第一组特性和第二组特性中的至少一个特性是不同的。当燃料喷射速率降低时，它被降低到低于第一喷射速率但大于等于零的水平。
所述第一组排气特性可以在各个特性方面与第二组排气特性不同，包括质量流量、排气温度、和NOx水平中的一个或多个。通常，第一组排气特性将包括如下项中的一个或多个：比第二组排气特性更高的质量流量和更低的NOx水平。在正常的发动机运行期间，NOx水平通常约为400ppm，然而，在主动式NO2再生期间，NOx水平通常约为1000ppm。在正常的发动机运行期间，排气温度可以约为300℃，而当产生高的排气温度时，该温度可以约为400℃。在正常运行期间，用于13公升发动机的排气质量流量通常在0-0.5kg/s的范围内。如果再生期间的排气质量流量小于正常的质量流量，则DPF的冷却将减慢，这能够有助于所述再生的有效性。
所述至少一个条件可以包括以下条件中的一个或多个：将DPF27加热到一定温度，该温度等于或高于发生主动式NO2再生的预定加热温度，但低于发生DPF的失控再生的温度；或存在对SCR催化剂33造成损坏的风险。例如，可将DPF27加热到550℃，这低于或接近于将要发生主动式O2再生的最低温度范围，但仍处在将要发生主动式NO2再生的范围内。此外，该DPF27被加热而达到的具体温度可以是其他因数(例如DPF中的碳烟加载量(sootloading))的函数，其中，越高的碳烟加载量将需要越低的目标温度。所述至少一个条件还可以或替代地包括：检测到从DPF上游的DOC31中滑移通过的烃量超过了预定水平，在该预定水平下，DPF或SCR催化剂33的运行可以会恶化或可能出现对DPF或SCR催化剂的损害。通过该SCR上游的DPF的、典型最大可接受的烃滑移通常约为30ppm。所述至少一个条件还可以或替代地包括：感测到所述DPF上游或下游的温度等于或高于预定温度；或者，基于建模，发现所述DPF的温度或者所述DPF上游或下游的温度等于或高于预定温度；或者，已经经过了一段预定时间，在该预定时间内，燃料喷射器29已经以第一速率喷射燃料且发动机21已经运行而获得了第一排气特性。
通常，控制器45被布置成使得：在达到所述至少一个条件之后，该控制器控制燃料喷射器以使燃料喷射速率降低，并控制发动机的运行以获得第二组排气特性以便发生所述DPF的增强的NO2再生。因为烃可以作为碳烟再生或碳烟与NO2氧化反应的抑制剂，所以，通过所述第七喷射器进行的燃料喷射速率被降低到一定程度以使通过所述DOC的烃滑移水平保持在可接受的水平内，从而确保足够的碳烟再生速率。通过DPF上游的DOC的、典型最大可接受的烃滑移通常约为30ppm。当控制器45控制发动机21运行以获得第一组排气特性并控制燃料喷射器29在DPF27的上游以第一喷射速率喷射燃料直到达到所述至少一个条件时，和/或在其它运行时段内，可以发生再生，但不是必须发生。
控制器45还能够布置成：控制燃料喷射器29以使燃料喷射速率降低，并控制发动机21的运行以获得第二组排气特性，直到达到至少一个第二条件。所述至少一个第二条件包括以下条件中的一个或多个：DPF27(或者该DPF上游或下游的某个点位)被冷却到低于预定再生温度，或者已经经过了一段预定时间。所述至少一个第二条件可以包括：基于建模而不是通过实际测量DPF温度，发现DPF27的温度(或者该DPF下游的温度)降低到低于预定再生温度。应当理解，这里提到的“DPF温度”可以指该DPF的入口或DPF上游的温度，而不是在该DPF内测量到的温度。
图2中示出了处理柴油发动机21的排气的方法，该方法包括步骤101：运行发动机21并使排气通过DPF27。在下一步骤103中，运行该发动机21以获得第一组排气特性，并且燃料喷射器29在DPF27的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件。该步骤103可以包括：在运行发动机21以获得第一组排气特性并在DPF的上游以第一喷射速率喷射燃料期间，控制该DPF27的温度上升速率。这样，能够最小化该DPF27上的、可能造成DPF破裂和/或故障的热应力。典型的温度上升速率极限例如可以为3℃/秒。
在下一步骤105中，在达到所述至少一个条件后，降低燃料喷射器29的燃料喷射速率，并运行发动机21以获得第二组排气特性以便发生DPF27的再生，所述第一组特性和第二组特性中的至少一个特性是不同的。
在下一步骤107中，可以执行降低燃料喷射速率并运行发动机21以获得第二组排气特性的步骤105，直至达到至少一个第二条件。在达到所述第二条件后，可以重复上述步骤103：在步骤103中，能够运行发动机21以获得第一组排气特性并在DPF27的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个条件。在下一步骤109中，可以重复如下步骤直至DPF的碳烟加载量降低到低于预定水平：运行发动机21以获得第一组排气特性，并在DPF27的上游以第一喷射速率喷射燃料，直至达到至少一个条件(步骤103)；在达到所述至少一个条件之后，降低燃料喷射速率，并运行发动机以获得第二组排气特性以便发生该DPF的增强的再生，直至达到至少一个第二条件(步骤105)。
在本申请中，所使用的诸如“包含”等的术语是开放式的，其旨在与诸如“包括”的用语具有相同意思，但并不排除其它结构、材料或行为的存在。类似地，虽然所使用的诸如“能够”、“可以”等的用语被认为是开放式的且表明这些结构、材料或行为不是必须的，但未使用这些用语也不意味着表示这些结构、材料或行为是必须的。如果这些结构、材料或行为在某种程度上被认为是必须的，则它们被专门指出。
虽然已经根据其优选实施例示意和描述了本发明，但应当意识到，在不脱离如权利要求所阐述的本发明范围的情况下，可以进行各种变型和修改。

Claims (11)

1.一种处理柴油发动机排气的方法，包括：
运行所述发动机并使排气通过柴油微粒过滤器(DPF)；
运行所述发动机以获得第一组排气特性，并在所述发动机的下游以及所述柴油微粒过滤器的上游以第一喷射速率喷射燃料以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，直至达到至少一个第一条件，所述至少一个第一条件包括：将所述柴油微粒过滤器加热到高于预定加热温度的温度；并且
在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得第二组排气特性以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的，
执行所述降低燃料喷射速率并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性的步骤，直至达到至少一个第二条件，所述至少一个第二条件包括：将所述柴油微粒过滤器冷却到低于预定再生温度，
在达到所述第二条件之后，重复以下步骤：
运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组排气特性包括：比所述第二组排气特性更高的排气质量流量。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其中，所述第二组排气特性包括：比所述第一组排气特性更高的NOx。
4.一种处理柴油发动机排气的方法，包括：
运行所述发动机并使排气通过柴油微粒过滤器(DPF)；
运行所述发动机以获得第一组排气特性，并在所述发动机的下游以及所述柴油微粒过滤器的上游以第一喷射速率喷射燃料以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，直至达到至少一个第一条件，所述至少一个第一条件包括：通过所述柴油微粒过滤器上游的柴油氧化催化剂的烃滑移量超过预定水平；并且
在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得第二组排气特性以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的，
执行所述降低燃料喷射速率并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性的步骤，直至达到至少一个第二条件，所述至少一个第二条件包括：将所述柴油微粒过滤器冷却到低于预定再生温度，
在达到所述第二条件之后，重复以下步骤：
运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
5.一种处理柴油发动机排气的方法，包括：
运行所述发动机并使排气通过柴油微粒过滤器(DPF)；
运行所述发动机以获得第一组排气特性，并在所述发动机的下游以及所述柴油微粒过滤器的上游以第一喷射速率喷射燃料以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，直至达到至少一个第一条件，所述至少一个第一条件包括：将所述柴油微粒过滤器加热到高于预定加热温度的温度；并且
在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得第二组排气特性以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的，执行所述降低燃料喷射速率并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性的步骤，直至达到至少一个第二条件，
所述至少一个第二条件包括：通过建模得到的所述柴油微粒过滤器的温度下降到低于预定再生温度，
在达到所述第二条件之后，重复以下步骤：
运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
6.一种处理柴油发动机排气的方法，包括：
运行所述发动机并使排气通过柴油微粒过滤器(DPF)；
运行所述发动机以获得第一组排气特性，并在所述发动机的下游以及所述柴油微粒过滤器的上游以第一喷射速率喷射燃料以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，直至达到至少一个第一条件，所述至少一个第一条件包括：将所述柴油微粒过滤器加热到高于预定加热温度的温度；并且
在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得第二组排气特性以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的，执行所述降低燃料喷射速率并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性的步骤，直至达到至少一个第二条件，所述至少一个第二条件包括：已经经过了一段预定时间，
在达到所述第二条件之后，重复以下步骤：
运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
7.根据权利要求1所述的方法，包括重复如下步骤直至所述柴油微粒过滤器的碳烟加载量下降到低于预定水平：运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件；以及，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
8.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，包括：在运行所述发动机以获得所述第一组排气特性并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料期间，控制所述柴油微粒过滤器的温度上升速率。
9.一种柴油发动机和排气后处理***，其布置成用于执行根据权利要求1-2中的任一项所述的方法。
10.一种柴油发动机和排气后处理***，包括：
柴油发动机，所述柴油发动机适于运行而获得至少两组不同的排气特性；
柴油微粒过滤器(DPF)，所述柴油微粒过滤器(DPF)位于所述发动机的下游；
燃料喷射器，所述燃料喷射器位于所述发动机的下游但在所述柴油微粒过滤器的上游；以及
控制器，所述控制器被布置成：控制所述发动机的运行以获得第一组排气特性；且控制所述燃料喷射器在所述发动机的下游以及所述柴油微粒过滤器的上游以第一喷射速率喷射燃料以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，直至达到至少一个第一条件，所述至少一个第一条件包括：将所述柴油微粒过滤器加热到高于预定加热温度的温度；并且，在达到所述至少一个第一条件之后，控制所述燃料喷射器以使燃料喷射速率降低，并控制所述发动机的运行以获得第二组排气特性以便发生所述柴油微粒过滤器的基于NO2的主动再生，所述第一组特性和所述第二组特性中的至少一个特性是不同的，
执行所述降低燃料喷射速率并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性的步骤，直至达到至少一个第二条件，所述至少一个第二条件包括：将所述柴油微粒过滤器冷却到低于预定再生温度，
在达到所述第二条件之后，重复以下步骤：
运行所述发动机以获得所述第一组排气特性，并在所述柴油微粒过滤器的上游以所述第一喷射速率喷射燃料，直至达到所述至少一个第一条件，在达到所述至少一个第一条件之后，降低燃料喷射速率，并运行所述发动机以获得所述第二组排气特性，直至达到所述至少一个第二条件。
11.一种车辆，其包括根据权利要求10所述的柴油发动机和排气后处理***。
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