CN203925682U - 用于发动机的排放***及动力*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于发动机的排放***。排放***可具有排气管、布置在排气管中的后处理部件以及布置在排气管中位于后处理部件的上游位置处的电阻栅格。排放***可进一步具有控制器，构造为确定加热后处理部件至阈值温度的需求，当后处理部件需要被加热时，确定应施加于发动机上来增加从发动机离开的排气温度的负荷增加量，以及确定应被施加至电阻栅格来增加排气温度的电能的量。控制器还可被构造为选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，来增加排气温度至阈值温度。本实用新型通过升高经过催化剂和过滤器的排气温度，有效地且有利地从来自发动机的排放流中去除气态组分和微粒物质。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种排放***，且更特别地，涉及一种使用主动再生控制的排放***。
背景技术
发动机，包括柴油发动机、汽油发动机、气态燃料驱动发动机和本领域中已知的其它发动机，排放空气污染物的复杂混合物。这些空气污染物可以包括气态组分，例如氮氧化物和已知为微粒物质或积碳的固态材料。由于对环境的关注的增加，排放标准已经变得更为严格，并且从发动机排出的气态组分和固态材料的数量基于发动机类型、发动机尺寸和/或发动机级别而规定。
发动机制造商为了顺应排放至环境的污染物规定而执行的一种方法已经使用催化剂和过滤器降低、转化或以别的方式去除了来自发动机排气流的气态组分和微粒物质。然而，这些装置仅能在特定操作条件下有效地发挥作用。例如，一些催化剂仅当暴露至升高温度中才有效地发挥作用。微粒过滤器仅在一段时间内发挥作用，直到它们变得饱和积碳。为了使微粒过滤器继续操作，它们可能需要被加热至捕获的微粒物质的燃烧阈值之上，使得微粒物质被烧掉。因此，一些发动机排放***装备有用于人为升高经过催化剂和过滤器的排气温度的装置，使得这些装置的使用可被改善和保持。
2012年1月5日公开的Ibrahim等人的美国专利2012/0003131（“’131公开物”）中公开了一种人为升高经过过滤器的排气温度的典型排放***。特别地，’131专利中公开了一种电能***，具有通过机械连接来驱动发电机的柴油发动机。依次，发动机产生用于推进机车头的电能。电负荷堆用于消散机车头在制动期间产生的过多的动力。提供电加热器且包括位于发动机的排气流中的电阻元件。电加热器用于将来自柴油发动机的排气的温度升高至大约1000°F，外部动力源、发电机和/或在制动期间产生的过多的动力用于驱动电加热器。
虽然’131公开物的***可以足够发挥作用来再生排放微粒收集，但它仍不是最佳的。特别地，该***没有考虑柴油发动机在再生期间的重要操作条件，其可以提高再生进程的效率。此外，电加热器，通过它自己，可能不足以充分氧化收集的微粒物质。
发明内容
本实用新型公开了一种用于发动机的排放***，解决了一个或多个在背景技术中公开的问题和/或现有技术的其它问题。
在一个方面，本实用新型提供了一种用于发动机的排放***，所述排放***包括：排气管，构造为将来自发动机的排放引导至大气；后处理部件，布置在排气管中；以及电阻栅格，布置在排气管中位于后处理部件的上游位置；所述排放***还包括：控制器，所述控制器操作性连接到所述发动机、所述后处理部件、所述电阻栅格、以及由所述发动机驱动的发电机。
其中，所述控制器构造为确定加热后处理部件至阈值温度的需求，当后处理部件需要被加热时，确定应施加于发动机上以增加从发动机离开的排气温度的负荷增加量，以及确定应被施加至电阻栅格来增加排气温度的电能的量；所述控制器还被构造为选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，来升高排气温度至阈值温度，并且，所述负荷通过由发动机驱动的发电机而施加至发动机上。
进一步的，所述电阻栅格是第一电阻栅格；所述排放***还包括与排气管无关的第二电阻栅格；以及控制器进一步构造为，在负荷增加期间引导由发电产生的过多电能经过第二电阻栅格。
其中，所述电能由发电机产生。
优选的，所述后处理部件是微粒过滤器；以及所述阈值温度是足够氧化收集在微粒过滤器中的积碳的温度。
进一步的，所述排放***还包括至少一个与后处理部件相关的压力传感器，所述控制器构造为基于来自至少一个压力传感器的信号来确定加热后处理元件的需求。
其中，所述控制器构造为基于效率来确定发动机负荷增加和电能应用的结合。
其中，所述发动机驱动发电机来产生引导牵引电机的电能；以及应被应用至电阻栅格的电能在制动期间由所述牵引电机产生。
进一步的，所述负荷通过由发动机驱动的发电机而施加至发动机；以及应被应用至电阻栅格的电能当牵引电机未制动时由发电机产生。
在另一方面，本实用新型还提供了一种动力***，包括发动机，发电机由发动机机械地驱动来产生电能；牵引电机，构造为接收电能且推进机械；排气管，构造为引导来自发动机的排气至大气；微粒过滤器，布置在排气管中；电阻栅格，布置在排气管中且位于微粒过滤器的上游位置；以及控制器，所述控制器操作性连接到所述发动机、所述微滤过滤器、所述电阻栅格、以及由所述发动机驱动的发电机，所述控制器构造为确定加热微粒过滤器至收集在微粒过滤器中的积碳的起燃温度，当微滤过滤器需要被加热时，确定应施加于发动机上以升高从发动机排出的排气温度的负荷增加量，确定应被施加至电阻栅格以升高排气温度的电能的量，以及选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，来增加排气温度至起燃温度；其中，施加至电阻栅格的电能由牵引电机在制动期间产生且当牵引电机在未制动时由发电机产生。
上述的技术方案通过升高经过催化剂和过滤器的排气温度，有效地且有利地从来自发动机的排放流中去除气态组分和微粒物质。
附图说明
附图1是示例性公开的动力单元的示意性和图表视图。
具体实施方式
附图1示出了可被用于移动运用（例如，机车的主移动体）或静止运用（例如，作为公共设置站的动力源）的主动力单元10。出于这一实用新型的目的，动力单元10指示和描述为包括内燃机12、空气感应***14和排放***16。空气感应***14可被构造为引导压缩空气或空气燃料混合物进入发动机12。发动机12可以点燃空气和燃油来产生机械输出和排放气体的流动。排放***16可被构造为将来自发动机12的排放气体流引导至大气。本领域技术人员将认识到，动力单元10可以包括任何类型的内燃机，例如二或四冲程柴油燃料、汽油燃料、气态燃料或混合燃料的发动机。
发动机12可被连接至机械负载，其构造为将来自于发动机12的旋转输出转换至有用动力。在公开的实施方式中，发动机12连接至将旋转输出转换至电能的主发电机18，电能随后可被引导至相当于动力单元10的特定应用的电力部件。在移动运用示例中，电能可被引导至推进机车的一个或多个牵引电机20。在静止运用示例中，电能可被引导至末端消费者（例如，利用栅格来引导电能）或用在用于其它目的的位置上（例如，用于泵送和/或钻孔目的）。注意的是，如果需要的话，接收来自发动机12的旋转输出的负荷可以包括除了主电动机的装置。
空气感应***14可以包括多个部件，其合作来处理和引导压缩空气或压缩空气和燃料混合物进入发动机12。例如，空气感应***14可以包括位于一个或多个压缩机26下游的入口导管24中的空气冷却器22。（多个）压缩机26可被构造为提取空气、压缩空气且引导空气通过入口导管24而经过冷却器22进入发动机12。随着空气经过冷却器22，冷却器22可以将来自空气的热量散发至大气，由此降低温度且增加空气密度。
排放***16可以包括多个部件，其处理和引导来自发动机12的排气至大气。例如，排放***16可以包括排气管28、一个或多个由流经导管28的排气驱动的涡轮30，以及一个或多个流动地连接至（多个）涡轮30下游的后处理部件32。来自发动机12的排气可被引导经过（多个）涡轮30并因而驱动涡轮30来旋转（多个）压缩机26且压缩进入空气。在离开（多个）涡轮30之后，排气流可以经过（多个）后处理部件32且在排至大气之前被处理。
（多个）后处理部件32可以包括氧化催化剂（例如，柴油氧化催化剂——DOC）、微粒过滤器（例如，柴油微粒过滤器——DPF）、还原型催化剂（例如，选择性催化还原装置——SCR装置）、净化催化剂（例如，氨吸附催化剂——AMOx催化剂）或本领域中已知的用于转换、降低、捕获、移除或以别的方式处理由发动机12产生的排气组分的其它类型成分的任一者或多者。仅用于示意的目的，附图1中示出的排气***16是单独DPF，其构造为从经过导管28的排气中移除微粒（例如，积碳和未燃烧的碳氢化合物）。
（多个）后处理部件32可被构造为，当（至少周期地）暴露于大于等于某阈值的排气温度时能够最佳地工作。例如，当排气温度升高时，微粒催化剂可以仅以所需速率转换或降低成分。在其它示例中，DPF可以变得随着时间而渗透积碳并且需要周期地暴露至更高的排气温度用于再生目的。那就是，使用DPF收集的积碳可以仅通过氧化而移除，其发生在升高至积碳燃烧温度之上的温度处。
经过（多个）后处理部件32的排气温度可以以多种不同方式而升高。首先，发动机12上的机械负载可以选择地增加，因而使得发动机12燃烧更大量的燃料并且增加经过导管28的排气带来的温度。发动机12上的机械负荷可通过调整主发电机18的操作而增加，使得主发电机18将更大量的发动机12的机械旋转转换成电能。其次，加热器34（例如，布置在导管28中的电电阻栅格）可被用于直接加热在（多个）后处理部件32和（多个）涡轮30下游位置处的排气。
当增加了发动机12上的机械负载来人为增加排气温度时，由主发电机18产生的额外电能必须被调节。也就是，额外电能必须从主发电机18提取出。在一个实施方式中，额外电能可经过多个电阻栅格38而消散，其以热的形式将电能传输至大气。在另一个实施方式中，额外电能可被引导至加热器34且用于进一步增加排气温度。在又一个实施方式中，一些额外电能可被引导至电阻栅格36并且剩余的额外电能可被引导至加热器34。
当使用加热器34（单独或与增加的机械负载结合）来人为增加排气温度时，提供给加热器34的电能可以来自多个不同来源。如上所述，在一个实施方式中，电能可直接来自主发电机18。在另一个实施方式中，电能可在制动期间通过牵引电机20产生。在又一个实施方式中，引导至加热器34的电能可来自动力储存源，例如电池。在最终一个实施方式中，电能可根据需要由这些不同来源的组合而提供。
经过（多个）后处理部件32的排气流的温度可基于任意数量的不同情况而选择地增加。例如，排气温度可在额外电能可用的任何时刻，例如制动发生的任何时刻而被选择地增加。替代地，排气温度可在周期基础上或当（多个）后处理部件32需要或可能从温度增加获益的任何时刻选择地增加。
在公开的实施方式中，控制器38基于通过一个或多个传感器40探测的（多个）后处理部件32的参数而调节排放温度。例如，基于探测的压力或经过后处理部件32的排气压力差，控制器38可选择地控制发动机12上的机械负载增加和/或导致电能被引导至加热器34。控制器38可以继续控制负载增加和/或加热器34激活一设定时段或直到探测到的（多个）后处理部件32的参数到达可接受值。控制器38可被构造为调节动力单元10的不同部件之间的电能流动，例如在主发电机18、牵引电机20、加热器34和/或电阻栅格36之间，通过一个或多个开关42或其它固态装置。
控制器38可以包括单独或多个微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DPS）等，其能够响应于多种输入而控制动力单元10的操作。多个商业上可用的微处理器可被构造为执行控制器38的功能。应意识到，控制器38可易于包含微处理器，独立于那些控制而非排放相关的功能，并且控制器38可以通过数据连接或其它方法与总动力单元处理器通讯。多种其它的已知电路可以与控制器38连接，包括动力供应电路、信号处理电路、促动器驱动器电路（例如，电路供电螺线管、电机或压力促动器）、通讯电路和其它合适电路。
工业应用
本实用新型的排放***可以应用至多种发动机，包括，例如柴油、汽油和气态燃料供能的发动机。实际上，公开的排放***可用于任何新的或现有的发动机中，其具有从选择性排放加热收益的后处理部件。现在将详细描述动力单元10的操作。
在动力单元10的操作期间，（多个）压缩机26可提取空气、压缩空气至所需水平，以及经过冷却器22引导压缩空气进入发动机12。发动机12可以点燃压缩空气和燃油的混合物，产生驱动主发电机18的机械旋转和排放气体的流动。排放气体可以经过导管28、（多个）驱动涡轮30，并且随后经过（多个）后处理部件32。排放气体可以包括调节的成分（例如，微粒），其应通过（多个）后处理部件32调节（例如，获取）。
控制器38可以监测（多个）后处理部件32的操作，并且相应地确定经过这里的排气温度的增加需求。例如，基于来自（多个）传感器40的压力差信号，控制器38可以确定DPF渗透有积碳且需要被再生。控制器38可随后选择地使得排气温度经过上文所述的不同方法的组合而升高。
通过使用控制器38来人为地增加排气温度的不同方法的组合可基于使用者确定的目标而选择。例如，动力单元10的一个特定使用者会希望再生进程尽可能有效地实施，同时其它使用者会希望再生进程尽快或者在最少不便的时刻实施。不管该目标，控制器38可构造为选择地实施最佳实现该目标的不同温度升高方法的组合。
例如，当控制器38确定了加热（多个）后处理部件32的需求，控制器38可以确定应施加于发动机12上的机械负载的增加，来升高离开发动机12的排气温度。控制器38随后可以确定应被施加至加热器38的电阻栅格以直接升高排气温度的电能的量。控制器38随后可以选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，从而以最有效的方式升高排气温度至（多个）后处理部件32的阈值温度。在一些应用中，充分增加排气温度所需的多数动力可来自于发动机12上的机械负载的增加。
在（多个）后处理部件32的加热期间，引导至加热器34的电能可以来自不同来源。例如，如果在牵引电机20主动制动机车且产生电能同时需要再生，随后，引导至加热器34的电能可主要来自于牵引电机20。由牵引电机20产生的任何过多的能量在这一时刻可随着需要而被引导至与电阻栅格36并联。然而，如果当牵引电机20没有主动制动机车的时候需要再生，随后，被引导至加热器34的电能必须来自于其它来源，例如来自于存储装置和/或来自于主发电机18。
通常，使用由牵引电机20产生的过多的电能来经过（多个）后处理部件32加热排气是最有效的。然而，当牵引电机20部产生电能时，最有效的是实施发动机负载增加和加热器激活（正如与仅有发动机负载增加或仅有加热器激活相对的）的组合。在一些实施方式中，仅有发动机负荷增加或加热器激活可能不足以充分加热（多个）后处理部件32。
在一些情形中，需要的是每当过多的电能是可用的时候通过加热器34人为地升高排放温度，而不管由（多个）传感器40产生的信号。例如，可能的是，当牵引电机20主动制动机车时，DPF不再完全饱和。在这一情形中，可能更有效的是，在除了等待额外积碳负载的时候，使用过多的电能开始再生。
对于本领域技术人员明显的是，对于该排放***，可以进行多种修改和变形，而不偏离本实用新型的范围。基于对在此公开的说明书和该***的实践的考虑，其它的实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。这里的详述和示例意于仅被认为是示例，本实用新型的实际保护范围通过权利要求和它们的等价物来指示。
Claims (10)
1.一种用于发动机的排放***，其特征在于，包括：
排气管，用于引导来自发动机的排放至大气；
后处理部件，布置在排气管中；
电阻栅格，布置在排气管中，位于后处理部件的上游位置；以及
控制器，所述控制器操作性连接到所述发动机、所述后处理部件、所述电阻栅格、以及由所述发动机驱动的发电机。
2.如权利要求1所述的用于发动机的排放***，其特征在于，所述控制器构造为：
确定加热后处理部件至阈值温度的需求；
当后处理部件需要被加热时，确定应施加于发动机上以增加从发动机离开的排气温度的负荷增加量，以及
确定应被施加至电阻栅格来增加排气温度的电能的量；以及
选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，来升高排气温度至阈值温度，并且
负荷通过由发动机驱动的所述发电机而施加至发动机上。
3.如权利要求2所述的用于发动机的排放***，其特征在于，
所述电阻栅格是第一电阻栅格；
所述排放***还包括与排气管无关的第二电阻栅格；以及
控制器进一步构造为，在负荷增加期间引导由发电产生的过多电能经过第二电阻栅格。
4.如权利要求2所述的用于发动机的排放***，其特征在于：所述电能由所述发电机产生。
5.如权利要求2所述的用于发动机的排放***，其特征在于：
所述后处理部件是微粒过滤器；以及
所述阈值温度是足够氧化收集在微粒过滤器中的积碳的温度。
6.如权利要求1所述的用于发动机的排放***，其特征在于，还包括至少一个与后处理部件相关的压力传感器，所述控制器构造为基于来自所述至少一个压力传感器的信号来确定加热后处理元件的需求。
7.如权利要求1所述的用于发动机的排放***，其特征在于：所述控制器构造为基于效率来确定发动机负荷增加和电能应用的结合。
8.如权利要求1所述的用于发动机的排放***，其特征在于：
所述发动机驱动发电机来产生引导牵引电机的电能；以及
应被应用至电阻栅格的电能在制动期间由所述牵引电机产生。
9.如权利要求2所述的用于发动机的排放***，其特征在于：
所述负荷通过由发动机驱动的发电机而施加至发动机；以及
应被应用至电阻栅格的电能当牵引电机未制动时由发电机产生。
10.一种动力***，其特征在于，包括：
发动机；
发电机，由发动机机械地驱动来产生电能；
牵引电机，构造为接收电能且推进机械；
排气管，构造为引导来自发动机的排放至大气；
微粒过滤器，布置在排气管中；
电阻栅格，布置在排气管中位于微粒过滤器的上游位置；以及
控制器，所述控制器操作性连接到所述发动机、所述微粒过滤器、所述电阻栅格、以及由所述发动机驱动的发电机，所述控制器构造为：
确定加热微粒过滤器至收集在微粒过滤器中的积碳的起燃温度；
当微滤过滤器需要被加热时，确定应施加于发动机上以升高从发动机排出的排气温度的负荷增加量；
确定应被施加至电阻栅格以升高排气温度的电能的量；以及
选择地执行发动机负荷增加和应用电能至电阻栅格的结合，来增加排气温度至起燃温度，
其中，施加至电阻栅格的电能由牵引电机在制动期间产生且当牵引电机在未制动时由发电机产生。
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