CN114458463A - 一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械 - Google Patents

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魏靖
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蔡振旭
范祎清
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Abstract

本发明涉及工程机械技术领域，公开了一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械，包括依次连接的发动机、液压泵、换向阀以及工作油缸，所述发动机的尾气方向设置有后处理装置，所述液压泵为变量泵，所述后处理装置用于处理发动机或柴油机排气***中的排气；还包括整机控制器、控制单元、压力传感器以及调压阀；所述压力传感器设置于液压泵出口或液压泵与换向阀之间，用于采集管路中的压力，并将采集到的压力数据传输至整机控制器；所述整机控制器分别与控制单元、压力传感器、液压泵、调压阀电性连接；所述控制单元分别与后处理装置、发动机以及整机控制器电性连接。本发明的有益效果为：能够提高排气温度，实现热管理目的。

Description

一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，涉及一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械，具体涉及一种用于液压挖掘机柴油机后处理热管理的SCR热管理初级升温***、方法及工程机械。
背景技术
选择性催化还原装置，简称SCR，指安装在发动机排气***中，将排气中的氮氧化物进行选择性催化还原，以降低氮氧化物排放量的排气后处理装置。
氧化型催化转化器，简称DOC，指安装在柴油机排气***中，通过催化氧化反应，能降低排气中一氧化碳、碳氢化合物和颗粒物中SOF（可溶性有机物）等污染物排放量的排气后处理装置。
柴油颗粒过滤器，简称DPF，是安装在柴油车排气***中,通过过滤来降低排气中颗粒物的装置。
SCR后处理技术是降低柴油机尾气中氮氧化物的主要技术手段，其基本原理是利用尿素分解出的氨气作为还原剂，在催化剂的作用下，还原剂选择性的与尾气中的氮氧化物反应，生成氮气、二氧化碳和水等的氮氧化物净化方法。
随着非道路柴油移动机械排放由国三升级到国四，且国四排放标准即将实施，为满足排放要求，液压挖掘机用柴油机后处理***，后处理***包括DPF和SCR，DPF+SCR后处理***称为国四液压挖掘机去除颗粒物和氮氧化物的主要选择之一。为提高SCR催化剂转化效率，需要较高的排气温度才能达到良好的后处理净化效果，满足排放标准的要求，提高排气温度的过程称为发动机热管理。在液压挖掘机实际作业过程中，存在一些工作负荷较低的工况，在这些工况下，发动机因负载低排气温度不高，达不到设计的SCR催化剂转化效率，因此需要发动机进行热管理，以提高排气温度，提高SCR转化效率，满足排放法规的要求。
现有的发动机后处理热管理技术主要立足于发动机本身设计，在发动机进气***增加进气节流阀或在排气***增加排气节流阀，即目前SCR热管理的方式主要采用进气节流阀或者排气节流阀进行初级提温，根据后处理对温度的需求，相应的改变进气节流阀或排气节流阀的开度，以达到提高排气温度的目的。改变进气节流阀或排气节流阀的开度实现的提温是将排气温度提高到一定值，该温度相对较低可称为初级升温，初级升温一般在250℃以上。如果需要更高的排气温度，如500℃以上，则需要通过燃油后喷实现，然而燃油后喷需要在初级升温完成进行。该设计没有基于发动机的安装平台特点，即整机技术特点进行设计。存在以下问题：
（1）对于采用进气节流阀实现热管理的发动机，进气节流阀会改变进气流量的稳定性，导致发动机动力输出出现波动；增加进气节流阀，使发动机结构复杂，增加成本，节流阀频繁动作，使***可靠性降低。
（2）对于采用排气节流阀实现热管理的发动机，由于排气压力较大，流量因节流变化会产生异响，增大发动机排气背压，降低发动机动力；增加排气节流阀，使发动机结构复杂，增加成本，可靠性降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械，通过改变液压泵的流量和压力提升液压***的吸收功率，继而提高发动机的负载，从而提高排气温度，实现热管理目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种工程机械排放的热管理***，包括依次连接的发动机、液压泵、换向阀以及工作油缸，所述发动机的尾气方向设置有后处理装置，所述液压泵为变量泵，所述后处理装置用于处理发动机或柴油机排气***中的排气；还包括整机控制器、控制单元、压力传感器以及调压阀；所述压力传感器设置于液压泵出口或液压泵与换向阀之间，用于采集管路中的压力，并将采集到的压力数据传输至整机控制器；所述整机控制器分别与控制单元、压力传感器、液压泵、调压阀电性连接，用于接收控制单元传递的后处理装置的入口温度和发动机转速信号以及调压阀传递的液压***压力信号，并根据接收的信号判断是否需要进行热管理，当需要进行热管理时，控制液压泵及调压阀按照其内部计算结果动作,；所述控制单元分别与后处理装置、发动机以及整机控制器电性连接，用于采集后处理装置的入口温度信号和发动机转速信号，并将采集的信号传递给整机控制器；所述调压阀用于根据整机控制器发出的控制信号来调节液压***的压力，单独设置于液压回路中或与换向阀集成设置。
结合第一方面，进一步地，所述后处理装置包括选择性催化还原装置SCR。
结合第一方面，进一步地，所述选择性催化还原装置SCR的入口设置有温度传感器，所述温度传感器用于采集选择性催化还原装置SCR入口的排气温度，并将采集到的温度数据传输至控制单元。
结合第一方面，进一步地，所述发动机上设置有转速传感器，所述转速传感器用于采集发动机的转速，并将转速数据传输至控制单元。
结合第一方面，进一步地，所述后处理装置还包括氧化型催化转化器DOC和柴油颗粒过滤器DPF，所述氧化型催化转化器DOC、柴油颗粒过滤器DPF以及选择性催化还原装置SCR依次设置。
结合第一方面，进一步地，所述整机控制器包括SCR热管理控制模块，所述SCR热管理控制模块内预设有排气温度MAP图，所述排气温度MAP图的横坐标为发动机转速、纵坐标为发动机输出扭矩，每个所述发动机转速下不同的发动机输出扭矩值对应于一个排气温度。MAP图中，发动机转速同样也是液压泵的转速，发动机的输出扭矩对应于液压泵的吸收扭矩。
结合第一方面，进一步地，输入信号来自控制单元，包括发动机转速、SCR入口温度，输入信号可以通过CAN总线发送。
结合第一方面，进一步地，所述液压泵为柱塞式变量泵，与发动机直接连接，吸收发动机的功率；液压泵的排量由斜盘角度控制，斜盘角度由柱塞的位移决定，柱塞的位移最终由比例电磁阀的开度决定。
第二方面，一种工程机械排放的热管理方法，基于上述的热管理***，包括以下步骤：
步骤1，整机控制器接收来自控制单元的SCR入口温度信号T0和发动机转速信号n；
步骤2，SCR热管理控制模块将接收的SCR入口温度信号T0 与SCR热管理起点设定温度TL进行比较；
步骤3，经比较，若T0<TL，则启动SCR热管理，SCR热管理控制模块在经内部计算处理后发出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号发至调压阀，以指示调压阀对液压***的压力进行调节，第二控制信号发至比例电磁阀，指示比例电磁阀对液压泵的排量进行调节，增大液压泵排量，此时液压***压力随之提高，液压泵的吸收功率上升，发动机负载提高，排气温度随之升高；不断进行迭代计算，直至液压泵功率H等于目标功率PH，停止迭代，泵的排量设置为当前值，保持不变；
步骤4，经比较，若TO<TH，则维持现状，不作调节工作，TH为SCR热管理退出的设定温度；
步骤5，经比较，若TO>TH，则将液压泵的排量恢复至热管理前的设定排量，将调压阀设置为全通，以退出热管理。
结合第二方面，进一步地，所述步骤3中SCR热管理控制模块的内部计算方法具体为：
步骤3-1，SCR热管理控制模块根据当前的发动机转速，从MAP图中直接查到SCR热管理退出的设定温度TH对应的扭矩值；
步骤3-2，根据查询到的设定温度TH对应的扭矩值及公式P=M*n/9550（其中P为发动机功率，M为发动机输出扭矩，n为发动机转速，该公式属于定理）计算出达到设定温度TH所需的发动机功率PH，发动机功率PH即为液压***需要提升到的目标功率；
步骤3-3，根据压力传感器采集到的液压***压力y，再根据液压泵吸收功率计算公式H=K*q*y（其中H为液压***的功率，q为液压泵的排量，y为液压***压力，K为常数，该公式属于定理），计算出当前液压***压力下的泵排量q；
步骤3-4，不断的重复步骤3-1至步骤3-3进行迭代计算，直至液压泵功率H等于目标功率PH。
第三方面，一种工程机械，包括上述的热管理***。
与现有技术相比，本发明提供了一种工程机械排放的热管理***、方法及工程机械，具备以下有益效果：
（1）本发明的热管理***基于整机设计发动机后处理SCR热管理方式，取消进气或排气节流阀，当需要热管理时，通过提高整机液压***的吸收功率来提高发动机负载，从而提高排气温度；
（2）本发明的热管理***，液压泵可根据发动机后处理热管理需要改变泵的排量；可以根据发动机后处理热管理需要改变调整液压***压力；可以根据排气温度变化调整液压***压力；液压***卸荷回路上的调压阀可根据控制电流信号改变卸荷压力；通过改变液压泵的排量和液压***压力，结合液压***功率MAP图，可实现发动机负载的多级控制。
（3）本发明的热管理***使发动机的动力输出更加平稳；简化发动机的进、排气***，降低设计成本，提高***可靠性；改善整机动作响应速度；降低发动机排气背压，提高发动机的动力。
附图说明
图1为本发明的热管理***的原理图；
图2为本发明实施例1中的SCR热管理控制逻辑图；
图3为本发明实施例2中的SCR热管理控制逻辑图。
图中附图标记的含义为：
1-整机控制器，101-第一控制信号，102-第二控制信号，103-输入信号，2-发动机，201-后处理装置、3-液压泵，4-柱塞，5-比例电磁阀，6-换向阀，7-工作油缸，8-调压阀，9-压力传感器，10-控制单元，11-温度传感器，12-转速传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
实施例1
如图1所示，本发明的热管理***，包括依次连接的发动机2、液压泵3、换向阀6以及工作油缸7，发动机2的尾气方向设置有后处理装置201，液压泵3为变量泵，后处理装置201用于处理发动机2或柴油机排气***中的排气；还包括整机控制器1、控制单元10、压力传感器9以及调压阀8；压力传感器9设置于液压泵3出口或液压泵3与换向阀6之间，用于采集管路中的压力，并将采集到的压力数据传输至整机控制器1；整机控制器1分别与控制单元10、压力传感器9、液压泵3、调压阀8电性连接，用于接收控制单元10传递的后处理装置201的入口温度和发动机2的转速信号以及调压阀8传递的液压***压力信号，并根据接收的信号判断是否需要进行热管理，当需要进行热管理时，控制液压泵3及调压阀8按照其内部计算结果动作；控制单元10分别与后处理装置201、发动机2以及整机控制器1电性连接，用于采集后处理装置201的入口温度信号和发动机2的转速信号，并将采集的信号传递给整机控制器1；调压阀8用于根据整机控制器1发出的控制信号来调节液压***的压力，单独设置于液压回路中或与换向阀6集成设置。
在本实施例的一种具体实施方式中，后处理装置201包括选择性催化还原装置SCR。
在本实施例的一种具体实施方式中，调压阀8在液压回路中的位置可以是在换向阀6之后，也可以在图1中位置A或位置B处。
在本实施例的一种具体实施方式中，调压阀8通过调整阀的流通面积实现的，也可以其他实现方式。
在本实施例的一种具体实施方式中，选择性催化还原装置SCR的入口设置有温度传感器11，温度传感器11用于采集选择性催化还原装置SCR入口的排气温度，并将采集到的温度数据传输至控制单元10。
在本实施例的一种具体实施方式中，发动机2上设置有转速传感器12，转速传感器12用于采集发动机2的转速，并将转速数据传输至控制单元10。
在本实施例的一种具体实施方式中，后处理装置201还包括氧化型催化转化器DOC和柴油颗粒过滤器DPF，氧化型催化转化器DOC、柴油颗粒过滤器DPF以及选择性催化还原装置SCR依次设置。
在本实施例的一种具体实施方式中，整机控制器1（简称VCU）包括SCR热管理控制模块，SCR热管理控制模块内预设有排气温度MAP图，排气温度MAP图的横坐标为发动机2转速、纵坐标为发动机2输出扭矩，每个发动机2转速下不同的发动机2输出扭矩值对应于一个排气温度。MAP图中，发动机2转速同样也是液压泵3的转速，发动机2的输出扭矩对应于液压泵3的吸收扭矩。
在本实施例的一种具体实施方式中，输入信号103来自控制单元10（控制单元10简称ECU），包括发动机2转速、SCR入口温度，输入信号103可以通过CAN总线发送。
在本实施例的一种具体实施方式中，液压泵3为柱塞4式变量泵，与发动机2直接连接，吸收发动机2的功率；液压泵3的排量由斜盘角度控制，斜盘角度由柱塞4的位移决定，柱塞4的位移最终由比例电磁阀5的开度决定。
如图2所示，本发明还公开了一种热管理方法，包括以下步骤：
步骤1，整机控制器1接收来自控制单元10的SCR入口温度信号T0和发动机2转速信号n；
步骤2，SCR热管理控制模块将接收的SCR入口温度信号T0 与SCR热管理起点设定温度TL进行比较；
步骤3，经比较，若T0<TL，则启动SCR热管理，SCR热管理控制模块在经内部计算处理后发出第一控制信号101和第二控制信号102，第一控制信号101发至调压阀8，以指示调压阀8对液压***的压力进行调节，第二控制信号102发至比例电磁阀5，指示比例电磁阀5对液压泵3的排量进行调节，增大液压泵3排量，此时液压***压力随之提高，液压泵3的吸收功率上升，发动机负载提高，排气温度随之升高；不断进行迭代计算，直至液压泵3功率H等于目标功率PH，停止迭代，泵的排量设置为当前值，保持不变；
步骤4，经比较，若TO<TH，则维持现状，不作调节工作，TH为SCR热管理退出的设定温度；
步骤5，经比较，若TO>TH，则将液压泵3的排量恢复至热管理前的设定排量，将调压阀8设置为全通，以退出热管理。
当需要进行热管理，可以首先逐步缩小调压阀8的流通面积，使液压***的压力逐步上升，此时液压泵3的吸收功率因液压***排出压力的升高而增加，若此时液压泵3的吸收功率H达到了发动机2目标功率PH需求或排气温度T0上升到SCR热管理起点设定温度TL之上，此时可不改变液压泵33的排量，仅依靠液压***压力的提升来增加发动机2的功率，提高排气温度；若调压阀8的流通面积已经达到了限定位置，发动机2功率仍未达到目标功率PH或排气温度T0低于SCR热管理起点设定温度TL，再增加液压泵33的排量来提高发动机2的负载，进行升温。当排气温度T0大于设定温度TH时，液压泵3排量恢复至升温前的设定排量，调压阀8工作于全流通位置，退出热管理。
本发明还公开了一种工程机械，工程机械上配置了本发明的热管理***，当需要热管理时，通过提高整机液压***的吸收功率来提高发动机2负载，从而提高排气温度。
实施例2
实施例2和实施例1的区别在于：本发明的热管理方法略有不同，本实施例直接同时增加液压***压力和液压泵3排量，提高了热管理速率，少了SCR控制管理模块的迭代计算的过程，具体为：
如图3所示，当需要进行热管理时，也可以在缩小调压阀8的流通面积，使液压***压力逐步上升的同时，增大液压泵3的排量，使液压泵3的吸收功率迅速上升，当排气温度T0大于设定温度TH时，液压泵3排量恢复至升温前的设定排量，调压阀8工作于全流通位置，退出热管理。
需要说明的是，在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：包括依次连接的发动机、液压泵、换向阀以及工作油缸，所述发动机的尾气方向设置有后处理装置，所述液压泵为变量泵，所述后处理装置用于处理发动机或柴油机排气***中的排气；还包括整机控制器、控制单元、压力传感器以及调压阀；所述压力传感器设置于液压泵出口或液压泵与换向阀之间，用于采集管路中的压力，并将采集到的压力数据传输至整机控制器；所述整机控制器分别与控制单元、压力传感器、液压泵、调压阀电性连接，用于接收控制单元传递的后处理装置的入口温度和发动机转速信号以及调压阀传递的液压***压力信号，并根据接收的信号判断是否需要进行热管理，当需要进行热管理时，控制液压泵及调压阀按照其内部计算结果动作；所述控制单元分别与后处理装置、发动机以及整机控制器电性连接，用于采集后处理装置的入口温度信号和发动机转速信号，并将采集的信号传递给整机控制器；所述调压阀用于根据整机控制器发出的控制信号来调节液压***的压力，单独设置于液压回路中或与换向阀集成设置。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：所述后处理装置包括选择性催化还原装置SCR。
3.根据权利要求2所述的一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：所述选择性催化还原装置SCR的入口设置有温度传感器，所述温度传感器用于采集选择性催化还原装置SCR入口的排气温度，并将采集到的温度数据传输至控制单元。
4.根据权利要求1所述的一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：所述发动机上设置有转速传感器，所述转速传感器用于采集发动机的转速，并将转速数据传输至控制单元。
5.根据权利要求2所述的一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：所述后处理装置还包括氧化型催化转化器DOC和柴油颗粒过滤器DPF，所述氧化型催化转化器DOC、柴油颗粒过滤器DPF以及选择性催化还原装置SCR依次设置。
6.根据权利要求2所述的一种工程机械排放的热管理***，其特征在于：所述整机控制器包括SCR热管理控制模块，所述SCR热管理控制模块内预设有排气温度MAP图，所述排气温度MAP图的横坐标为发动机转速、纵坐标为发动机输出扭矩，每个所述发动机转速下不同的发动机输出扭矩值对应于一个排气温度。
7.一种工程机械排放的热管理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，整机控制器接收来自控制单元的SCR入口温度信号T0和发动机转速信号n；
步骤2，SCR热管理控制模块将接收的SCR入口温度信号T0 与SCR热管理起点设定温度TL进行比较；
步骤3，经比较，若T0<TL，则启动SCR热管理，SCR热管理控制模块在经内部计算处理后发出第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号发至调压阀，以指示调压阀对液压***的压力进行调节，第二控制信号发至比例电磁阀，指示比例电磁阀对液压泵的排量进行调节，增大液压泵排量，此时液压***压力随之提高，液压泵的吸收功率上升，发动机负载提高，排气温度随之升高；不断进行迭代计算，直至液压泵功率H等于目标功率PH，停止迭代，泵的排量设置为当前值，保持不变；
步骤4，经比较，若TO<TH，则维持现状，不作调节工作，TH为SCR热管理退出的设定温度；
步骤5，经比较，若TO>TH，则将液压泵的排量恢复至热管理前的设定排量，将调压阀设置为全通，以退出热管理。
8.根据权利要求7所述的一种工程机械排放的热管理方法，其特征在于：所述步骤3中SCR热管理控制模块的内部计算方法具体为：
步骤3-1，SCR热管理控制模块根据当前的发动机转速，从MAP图中直接查到SCR热管理退出的设定温度TH对应的扭矩值；
步骤3-2，根据查询到的设定温度TH对应的扭矩值，计算出达到设定温度TH所需的发动机功率PH，发动机功率PH即为液压***需要提升到的目标功率；
步骤3-3，根据压力传感器采集到的液压***压力y计算出当前液压***压力下的泵排量q；
步骤3-4，不断的重复步骤3-1至步骤3-3进行迭代计算，直至液压泵功率H等于目标功率PH。
9.一种工程机械，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的热管理***。
10.一种工程机械，其特征在于：采用权利要求7或8所述的热管理方法对所述工程机械的排放进行热管理。
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