CN104047697A - 用于关机后温度管理和清洗的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于关机后温度管理和清洗的***和方法。一种机器，包括具有冷却剂***、电力***和排气***的发动机。柴油排气流体（DEF）喷射器提供DEF进入排气***。DEF喷射器包括壳体，壳体形成从中穿过的冷却剂通道。冷却剂通道适合于容纳用于冷却DEF喷射器的冷却剂流经过冷却剂通道。DEF泵被布置用于在发动机操作过程中从存储箱向DEF喷射器提供DEF。动力管理模块与电力***、DEF喷射器和DEF泵关联。辅助动力单元与动力管理模块关联并被构造为在发动机电力***被停止之后保持有效。动力管理模块被构造为当发动机关机时从DEF喷射器清洗DEF。
Description
技术领域
本发明总体上涉及发动机***，尤其是涉及排气后处理***和方法。
背景技术
一种用于减少某些柴油发动机排气成分的已知方法是利用使用氮氧化物的选择性催化还原剂（SCR）的排气后处理***。在一种典型的SCR***中，尿素或尿素基水溶液与排放气体混合。在一些应用中，尿素溶液经专门的喷射器装置直接喷射进排气通道中。喷射的尿素溶液与排放气体混合并被分解以在排气流中提供氨（NH3）。氨然后在催化剂作用下与排气中的氮氧化物（NOx）反应生成氮气（N2）和水（H2O）。
可以理解，SCR***要求存在某种形式的尿素接近发动机***，使得发动机能在操作过程中得到连续的供应。在发动机应用领域中，已知并使用了各种尿素或尿素溶液传送***。在已知的尿素喷射***中，会产生与温度相关的挑战，这种挑战能影响用来喷射尿素的电子和机械硬件。例如，考虑到尿素一般被直接喷射进发动机排气***，所以，尿素喷射器装置靠近热发动机排气会导致在***操作过程中以及热发动机关机后热饱和之后喷射器部件过热。而且，对于使用水基尿素溶液的***来说，当发动机不操作时，尿素溶液的冻结会造成部件损坏。其他问题包括由于尿素溶液的性质而在尿素喷射部件和其他周围的发动机和机动车部件上的腐蚀。
发明内容
本发明一个方面描述了一种机器。该机器包括发动机，发动机具有冷却剂***、电力***和排气***。柴油排气流体（DEF）喷射器被设置用来提供DEF进入排气***的计量数量。DEF喷射器包括壳体，壳体形成从中穿过的冷却剂通道。冷却剂通道适合于容纳用于冷却DEF喷射器的冷却剂流。DEF泵被布置用于在发动机操作过程中从存储箱向DEF喷射器提供DEF。动力管理模块与电力***、DEF喷射器和DEF泵关联。辅助动力单元与动力管理模块关联并被构造为在发动机电力***被停止之后保持有效。动力管理模块被构造为当发动机关机时从DEF喷射器清洗DEF。
在另一个方面中，本发明描述了一种在具有发动机的机器中用于热管理和关机后从喷射器清洗流体的方法。发动机包括冷却剂***和电力***。该方法包括在发动机操作过程中从电力***将电能存储在辅助动力单元中，以及在发动机关机并且电力***停止后，启动辅助动力单元传送电力。流体泵被提供动力以从喷射器清洗流体，并且感测喷射器的温度。根据该温度，当所感测的温度超过或预计超过阈值温度时，第二冷却***被启动以降低喷射器温度。第二冷却***从辅助动力单元获取用于操作的电力。电力到流体泵和到第二冷却***的流动由动力管理模块控制。动力管理模块与辅助动力单元、流体泵和第二冷却***关联。
在又一个方面中，本发明描述了一种用于避免在热发动机关机后设置在发动机排气***中的柴油排气流体（DEF）喷射器过热的方法。该方法包括在发动机关机并且电力***停止后，启动辅助动力单元以传送电力，该辅助动力单元在发动机操作过程中将电能存储在其中。感测与DEF喷射器关联的温度。当温度超过预定阈值时并且在温度超过预定阈值的时候，来自辅助动力单元的能量被用来操作风扇和冷却剂泵，风扇向DEF喷射器提供冷却气流，冷却剂泵使冷却剂流体流循环经过DEF喷射器的壳体中形成的通道。电力到风扇和到冷却剂泵的流动由与辅助动力单元关联的动力管理模块控制。
附图说明
图1是根据本发明的机器的示意图。
图2是根据本发明的具有SCR***的发动机的方框图。
图3是根据本发明的排气处理模块的部分剖视示意图。
图4是根据本发明的用于柴油排气流体（DEF）的喷射器的示意图。
图5是根据本发明的关机后温度管理和清洗***的原理图。
具体实施方式
本发明涉及用于机器的动力管理***，尤其是涉及向与发动机关联的SCR***的尿素喷射和相关部件提供受控的冷却和清洗功能的动力管理***和方法。这里所公开的动力管理***对于一些机器***维持动力和功能性是有效的。
图1中示出了机器100的侧视图，在该例子中，机器100是自动平地机101。术语“机器”被一般性地用来描述任何一种机器：其具有至少一个驱动轮，该至少一个驱动轮由与该轮连接的马达直接驱动，例如通过使用电力或液压力，或者作为替换方式该至少一个驱动轮经过传动系通过发动机由机械装置驱动。图1所示的自动平地机101大体上包括由发动机框架102和执行部分104构成的两件式框架。作为替换方式，自动平地机101可包括单个框架件。在所示实施方式中的发动机框架102通过枢轴（未示出）连接到执行部分104。执行部分104包括操作员室106和接触地面的两个惰轮108（只一个可见）。发动机框架102经过两个驱动轮118接触地面，两个驱动轮118通过级联梁120相互连接，级联梁120在枢轴123处连接到发动机框架102。铲或铲刀110沿着执行部分104的中间部分悬置。铲刀110能被选择性地调整为以各种高度和角度接合地面，以在自动平地机101操作时实现希望的坡度或轮廓。铲刀110的位置调整是通过图1中总体标记为112的致动器***完成的，而支承铲刀110在操作过程中经受的负荷是由杆114完成的，杆114枢转地将执行部分104连接到铲刀110。
发动机框架102支承发动机（下面结合图2进行显示和描述），发动机由发动机罩116保护免受他物影响。发动机提供推进自动平地机101以及操作自动平地机101的各种致动器和***所必须的动力。可以理解，其他的机器可具有不同的构造和/或与之关联的各种其他的执行工具。发动机罩116包括允许空气通过并冷却发动机部件的格栅和其他开口。
图2是与机器100的发动机202关联的排气后处理***200的方框图。***200可以象图示实施方式所示那样按照模块设计，用于对已有发动机进行改造，或者作为替换方式，用于安装在新发动机上面。在图示实施方式中，***200包括流体连接到发动机202的排气管道206的第一模块204。在发动机操作过程中，第一模块204被布置为在内部从管道206接收发动机排放气体。第一模块204可包含各种排放气体处理装置，诸如柴油氧化催化剂（DOC）208和柴油颗粒过滤器（DPF）210，但其他装置也是可以使用的。由发动机202提供到第一模块204的排放气体在进入传输管道212之前可首先通过DOC208，然后通过DPF210。
传输管道212将第一模块204和第二模块214流体互连，使得来自发动机202的排放气体在排气管220处被释放之前按顺序通过第一、第二模块204和214。排气管220连接到第二模块。在图示实施方式中，第二模块214包围SCR催化剂216和氨氧化催化剂（AMOX）218。SCR催化剂216和AMOX218操作以在氨存在的情况下处理来自发动机202的排放气体，氨是在被喷射进传输管道212中的排放气体中的含尿素溶液被分解后提供的。
更具体地说，通常被称为柴油排气流体（DEF）221的含尿素水溶液由DEF喷射器222喷射进传输管道212中。DEF221包含在存储箱228内并由泵226提供给DEF喷射器222。当DEF221被喷射进传输管道212中时，DEF221与流经的排放气体混合并因此被携带到第二模块214。为了促进DEF与排气的混合，混合器224可沿着传输管道212设置。
可以理解，由于在操作过程中来自排放气体的加热，DEF喷射器222在传输管道212上的位置能将喷射器暴露于较高温度。为了避免在操作过程中对DEF喷射器222的损坏，发动机冷却剂流被提供流经喷射器。在没有这种冷却剂流时，同时喷射器热或遭受加热条件，就会在喷射器中产生热问题，例如，如果发动机关机但是热的。热问题也会由于DEF在喷射器222内冻结而产生。这些以及其他问题能通过下述的***和方法被避免。
图3是***200的部分剖视示意图，图4是从***200移除的DEF喷射器222的示意图，用于说明。图5是温度管理和清洗***300的原理图。参见这些图，本发明目的是处理与DEF喷射器222和周围***关联的热问题。对于高温条件，本发明至少部分地提供了一种用于管理输入到喷射器的热量的***和方法，特别是在热发动机关机条件下。对于低温条件，本***确保存在于喷射器222中的DEF在发动机关机后被清洗，使冻结问题得以避免。***300通过向辅助冷却和清洗***提供自持式动力源来完成这些任务，自持式动力源有利的是关机后不从机器获取动力而是具有足够的动力操作冷却和清洗***。
更具体地说，***200被设计成DEF喷射器222的位置相对于周围结构比较靠外，在发动机操作过程中以及关机后暴露到对流的冷却气流。参见图3，其中与前述对应结构相同或相似的结构为方便起见用前面使用的相同附图标记来标记。第一模块204和第二模块214一个挨着一个设置，传输管道212设置在二者之间。DEF喷射器222设置在相对于排放气体流302的方向而言的传输管道212的上游端。DEF喷射器222实施方式的示意图显示在图4中。
在这个实施方式中，喷射器222包括容纳电致动器（未示出）的本体部分230。电致动器能经连接到本体部分230的电连接器232接收指令信号。致动器连接到阀构件234。阀构件234当打开时允许DEF流出喷射器222并进入传输管道212。为了在本体部分230和连接喷射器222的排气***之间形成传导热传输障碍，多个分隔件236用来将本体部分230从安装法兰238分隔开，由此在喷射器222的本体部分230和安装法兰238之间形成间隙240。
DEF经本体部分230被供应给阀构件234。DEF入口管道242连接到管道245（图2），管道245又流体连接到存储箱228。在一些操作条件下，DEF在入口管道242和阀构件234之间流经喷射器222作用是在操作过程中以对流的方式冷却本体部分230。通过使发动机冷却剂或其他冷却流体流经本体部分230中形成的内部通道，还能提供另外的对流冷却。在图示实施方式中，延伸经过本体部分230的内部冷却通道（未示出）能够经过入口和出口冷却剂端口244和246以流体方式进出。每个冷却剂端口244和246都连接到相应的管道248和250（图5），这适合于接收冷却剂流经过用于以对流方式冷却本体部分230。
现在参见图5，显示了用于DEF喷射器222的温度管理***300的原理图。DEF喷射器222经过管道248接收DEF流体，也是如图2所示，并经管道248和250接收冷却剂。风扇252提供冷却气流254，冷却气流254从外部以对流的方式冷却DEF喷射器222。当发动机202正在操作时，流向DEF喷射器222和从DEF喷射器222流出的冷却剂流经冷却剂控制模块256得到控制。当发动机202正在操作时，用以操作风扇252的动力经机器电力***258提供，机器电力***258还提供用以操作泵226的动力，泵226向喷射器222提供DEF。然而，当发动机202关机时，给机器电力***258的动力被中断。在热发动机操作条件下，发动机关机后喷射器222的热饱和可使喷射器222的温度增加超过希望的限度，尤其是如果喷射器被放在发动机室的高处、发动机罩的下方，远离通气开口（有时是这种情况）。为了避免这些问题，***300包括第二动力源304，第二动力源304总体上独立于机器电力***258，并被构造为安全地维持动力，即使机器关机之后。
在图示实施方式中，***300包括动力存储装置或电池阵列306。电池阵列306被构造为在发动机操作过程中使用来自机器电力***258的电力充电，但是当发动机202不操作时与机器电力***258隔离。当机器电力***258关机时，电池阵列306，直接地或经过动力管理模块308，被构造为向一些关机后温度管理和清洗***和部件提供动力。
更具体地说，动力管理模块308经辅助通气动力线310连接到风扇252并被构造为操作该风扇。动力管理模块308进一步连接到DEF泵226以及可选择地连接到喷射器222，并被构造为操作DEF泵226以及可选择地操作喷射器222。第二冷却剂泵314经阀316连接到发动机202的冷却剂***，第二冷却剂泵314的出口连接到喷射器222的入口冷却剂管道248。阀316可以是电力致动的阀，或者作为替换方式，是压力致动的阀。当泵314被启动时，阀打开以在泵314的入口处提供来自发动机的冷却剂。
在操作过程中，***300可以在发动机202已经关机时启动，也可以停止机器电力***258。温度传感器318被设置用来测量部件温度，该温度代表***300的关键部件和***（诸如DEF喷射器222）的热状态，向动力管理模块308提供温度信号320。图示实施方式中的动力管理模块308除了诸如开关和继电器等其他电力部件外还包括电子控制器。电子控制器一体形成在动力管理模块308内，可以是单个控制器或者可以包括被设置用以控制机器多种功能和/或特征的多于一个的控制器。例如，用于控制机器整体操作和功能的主控制器可以同用来控制发动机202和/或***300的部件和***的马达或发动机控制器一起配合实施。在这个实施方式中，术语“控制器”意思是要包括一个、两个或更多的控制器，所述控制器可以与机器100（图1）关联并可以在控制机器100的各种功能和操作时配合。控制器的功能性，虽然这里概念性显示为仅仅为了说明目的包括各种分立功能，但是，可以在硬件和/或软件中实施，不管图示的分立功能性。相应地，控制器的各种接口是相对于图5方框图中所示的***300的部件进行描述的。这些接口不是意欲限制连接的部件的类型和数量，也不是意欲限制描述的控制器的数量。
在操作过程中，动力管理模块308在发动机关闭后可按照需要启动泵226、风扇252、冷却剂泵314和DEF喷射器222，使得各种内部操作得以进行，这些内部操作能够减少由于高温或低温效应造成部件损坏的可能性。例如，当发动机关机而DEF存在于喷射器222和相关流体管道中时，动力管理模块308可以反方向启动DEF泵226，并且还打开喷射器222的阀，以有效地清洗***，或者换句话说，排空存在于DEF流体管道中和喷射器222内的任何DEF流体，并将所有这些DEF返回到存储箱228。
动力管理模块308可通过选择性地使待提供的冷却生效而进一步管理各种***部件的关机后温度。更具体地说，可以使用本实施方式中所示的两个冷却***。第一冷却***是包括提供冷却气流254的风扇252的空气冷却***。在一个实施方式中，由温度传感器318指示的温度被动力管理模块308内的控制器确定为高于阈值温度，或者作为替换方式，被确定为升高速率预计导致将会高于阈值温度的饱和温度，这时，动力管理模块308可启动DEF冷却回路322。
在发动机202不操作时，DEF冷却回路322可共享通常在发动机操作过程中使用的冷却回路的发动机冷却剂管道，例如管道248和250，并提供另外的用于供应并使得冷却剂从中流过的装置。在图示实施方式中，DEF冷却回路322包括阀316，阀316连接到发动机202的冷却剂源并被构造为使得冷却剂从其流向泵314。如前面讨论的，泵314可以是依靠经过动力管理模块308从电池阵列306提供的动力操作的电力泵。如图所示，电池阵列306可以在发动机操作过程中从动力管理模块308接受涓流充电，并在关机后热管理模式过程中可以放电以操作泵314。
由泵314经阀316从发动机获得的冷却剂通过传输管道324提供给DEF喷射器222的入口冷却剂管道248。于是，冷却剂流动路径可被限定为从发动机202、经阀316和泵314、经传输管道324，然后经入口冷却剂管道248、DEF喷射器222、返回冷却剂管道250（图5），最后经过发动机202。这个回路可在发动机关机后操作以通过对流方式除去在DEF喷射器222中聚集的热能，这样可以避免过温度饱和条件。在***温度保持或者预计保持高于阈值温度时，这个经过DEF喷射器222的第二冷却剂流动路径可以使用。当实际或预计的DEF喷射器温度落到阈值限度之下时，***可以停止。在一个实施方式中，在失效条件下，例如当动力管理模块308确定存在能造成DEF喷射器222过热条件的***失效或环境条件时，***也可以在发动机操作过程中启动。换言之，当正常机器***不能或者无法提供充分的DEF喷射器冷却时，***300能自动地向DEF喷射器222提供辅助或紧急冷却功能。
工业适用性
本发明能应用于用于在一个机器的主操作关机后针对机械和电子部件和***进行内部操作的***。这里描述的具体实施方式涉及从用于处理内燃发动机排放气体的SCR***喷射器清洗工作流体的操作，并且涉及热管理操作以避免部件过热，尤其是在热关机模式中。
在一个所公开的实施方式中，具有能在机器关机后维持有效的独立动力源的动力管理模块，被用来为能从相应喷射器清洗DEF的一些部件提供动力。这种清洗可以在发动机关机后立即完成，例如两分钟内，而且能够用于避免严寒条件下开裂问题、当机器已经长时间没有操作时的泄露、或者在发动机关机后保持DEF在喷射器和相关管道中的任何其他失效或效应。为此，动力管理模块反方向启动并向DEF泵提供动力，而且也打开DEF喷射器阀，清洗残留在相关管道中的任何DEF并将其返回而存在DEF储存箱内。
动力管理模块还被构造为在热发动机关机后为DEF喷射器提供冷却。为此，动力管理模块可监视DEF喷射器温度，并基于该温度或该温度的导数，启动空气和/或水冷却***以控制DEF喷射器温度。在一个实施方式中，空气冷却***采用风扇，风扇能从独立动力源进行操作以向DEF喷射器提供冷却气流。另外，水冷却***可以使用电力泵，当发动机不操作时使冷却剂流过DEF喷射器。这些冷却装置的一个或二者，可以只要需要就操作，以避免DEF喷射器中的过温度条件。
将会理解，前面的描述提供了本发明所公开的***和技术的例子。但是，可以想到，本发明其他实施方式可以在细节上不同于前述例子。所有谈及本发明或其例子的内容都意欲谈及当时正在讨论的特定例子，而不想意味着更一般地就本发明的范围进行任何限制。针对某些特征的所有区别和批评的语言意图指出对这些特征缺少偏好，但是不是完全从本发明范围排除这些特征，除非另有说明。
这里引用的数值范围仅仅是意欲用作单个地谈到落入这个范围中每一个个别值的一种简便的方法，除非这里另有说明，而且每一个个别值包含在本说明书中，就好像被单个地引入在说明书中一样。这里描述的所有方法都可以按照任何合适顺序执行，除非这里另有说明，或者通过上下文有明显矛盾。
Claims (11)
1.一种机器，包括：
发动机，发动机具有与其关联的冷却剂***、电力***和排气***；
柴油排气流体喷射器，柴油排气流体喷射器被设置用来提供柴油排气流体进入排气***的计量数量，柴油排气流体喷射器包括壳体，壳体形成从中穿过的冷却剂通道，所述冷却剂通道适合于容纳从其流过用于冷却柴油排气流体喷射器的冷却剂流；
柴油排气流体泵，柴油排气流体泵被布置用于在发动机操作过程中从存储箱向柴油排气流体喷射器提供柴油排气流体；
动力管理模块，动力管理模块与电力***、柴油排气流体喷射器和柴油排气流体泵关联；
与动力管理模块关联的辅助动力单元，所述辅助动力单元被构造为在发动机电力***被停止之后保持有效；
其中，动力管理模块被构造为当发动机关机时从柴油排气流体喷射器清洗柴油排气流体。
2.如权利要求1所述的机器，其中，动力管理模块操作而在发动机关机后通过下述动作从柴油排气流体喷射器清洗柴油排气流体：
从辅助动力单元提供动力以操作柴油排气流体泵；
使柴油排气流体泵反方向操作，使得柴油排气流体泵从柴油排气流体喷射器抽取柴油排气流体并将柴油排气流体存到存储箱；
在清洗柴油排气流体时使柴油排气流体喷射器阀打开。
3.如权利要求1所述的机器，还包括被设置用来为柴油排气流体喷射器提供冷却气流的风扇，其中所述风扇连接到电力***并且构造为在发动机操作过程中提供冷却气流。
4.如权利要求3所述的机器，还包括：
温度传感器，温度传感器被设置用以测量与柴油排气流体喷射器的温度关联的温度，并向动力管理模块提供指示所述温度的温度信号，
其中，动力管理模块进一步被构造为当温度信号指示柴油排气流体喷射器的温度超过或估计超过阈值温度的条件时使用由辅助动力单元提供的动力启动所述风扇。
5.如前述任一项权利要求所述的机器，其中，发动机被构造为当发动机正在操作时提供冷却剂流经过壳体的冷却剂通道，所述冷却剂流操作而冷却柴油排气流体喷射器。
6.如权利要求5所述的机器，还包括：
温度传感器，温度传感器被设置用以测量与柴油排气流体喷射器的温度关联的温度，并向动力管理模块提供指示所述温度的温度信号，
与动力管理模块关联的冷却剂泵，所述冷却剂泵在发动机关机后由辅助动力单元提供动力并操作而使辅助的冷却剂流流经壳体的冷却剂通道，
其中，动力管理模块进一步被构造为当温度信号指示柴油排气流体喷射器的温度超过或估计超过阈值温度的条件时使用由辅助动力单元提供的动力启动所述冷却剂泵。
7.如权利要求6所述的机器，还包括设置在冷却剂泵和发动机之间的阀，所述阀能操作以在冷却剂泵被启动时将冷却剂泵与发动机的冷却剂***流体连接。
8.一种用于操作如前述任一项权利要求所述的机器的方法，包括：
在发动机操作过程中从电力***将电能存储在辅助动力单元中；
在发动机关机并且电力***停止后，启动辅助动力单元以传送电力；
给流体泵提供动力以从喷射器清洗流体；
感测喷射器的温度，并根据该温度，当所感测的温度超过或预计超过阈值温度时，启动第二冷却***以降低喷射器温度；
其中，第二冷却***从辅助动力单元获取用于操作的电力，以及
其中，电力到流体泵和到第二冷却***的流动由动力管理模块控制，该动力管理模块与辅助动力单元、流体泵和第二冷却***关联。
9.如权利要求8所述的方法，其中，柴油排气流体含有尿素水溶液。
10.如权利要求9所述的方法，其中，动力管理模块操作而在发动机关机后通过下述动作从喷射器清洗柴油排气流体：
从辅助动力单元提供动力以操作流体泵；
使流体泵反方向操作，使得流体泵从喷射器抽取柴油排气流体并将柴油排气流体存到存储箱；以及
在清洗柴油排气流体时使喷射器阀打开。
11.一种用于在如前述任一项权利要求所述的机器中避免在热发动机关机后设置在发动机排气***中的柴油排气流体喷射器过热的方法，包括：
在发动机关机并且发动机电力***停止后，启动辅助动力单元以传送电力，该辅助动力单元在发动机操作过程中将电能存储在其中；
感测与柴油排气流体喷射器关联的温度，并且当温度超过预定阈值时以及在温度超过预定阈值的时候：
使用来自辅助动力单元的能量操作风扇，向柴油排气流体喷射器提供冷却气流；
使用来自辅助动力单元的能量操作冷却剂泵，该冷却剂泵使冷却剂流体流循环经过柴油排气流体喷射器的壳体中形成的通道；
其中，电力到风扇和到冷却剂泵的流动由与辅助动力单元关联的动力管理模块控制。
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