專利名稱：低怠速廢氣再循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及一種廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及一 種用于低怠速氮氧化物還原的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術：
內燃機，包括柴油機、汽油機、天然氣發(fā)動機和本領域已知的 其它發(fā)動機，會排放空氣污染物質的復雜混合物?？諝馕廴疚镔|由
固體顆粒物質和包括氮氧化物(NOx)的氣體化合物組成。隨著對 環(huán)境關注的不斷增加，排放標準已經變得更加嚴格，并且根據(jù)發(fā)動 機的類型、規(guī)格和/或等級規(guī)定了從發(fā)動機向大氣排放的固體顆粒物 質和氣體化合物的量。
發(fā)動機制造商已經采取了 一些方法以遵守這些發(fā)動機排放的規(guī) 定。 一種方法包括利用諸如選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)、NOx還 原催化室和氧化催化室等催化裝置。這些裝置通過將化學催化劑與 發(fā)動機產生的廢氣混合來將大量存在的污染物質轉化成例如水或氮 等無害物質。另一種方法包括使用廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。EGR 系統(tǒng)是通過使一部分廢氣再循環(huán)回到發(fā)動機進氣口來運行的。.在那 里，廢氣與新鮮空氣混合。產生的混合物比純空氣的含氧量少，因 此降低了燃燒室中的燃燒溫度并產生更少的NOx。同時，包含在廢 氣中的一些顆粒物質被重新引進到燃燒室內進行燃燒。兩種方法都 能夠有效地結合使用以滿足排放標準。
當發(fā)動機低怠速運行時，會產生大量的NOx和顆粒物質，很難 去除。不幸的是，在發(fā)動機低怠速運行時，由于流經催化裝置的廢 氣溫度太低，催化裝置不能有效工作。催化裝置僅在高于最低閾值 溫度時是有效的。此外，單獨使用常規(guī)的EGR系統(tǒng)可能不足以還原
4在低怠速下產生的大量NOX。在低怠速下，由于廢氣溫度太低而不 能使其中的顆粒物質燃燒，所以廢氣中還含有大量的顆粒物質。因
此，當常規(guī)的EGR系統(tǒng)在低怠速下工作以還原NOx時，該系統(tǒng)會
將過多的顆粒物質重新引入到發(fā)動機，降低發(fā)動機效率，并且不能
充分降低NOx的輸出水平。
授予Barnes等人的美國專利No.6112729 (下文中稱，729專利) 公開了解決該問題的一種嘗試。，729專利公開了在包括發(fā)動機溫度
系統(tǒng)。禁用EGR系統(tǒng)防止了將過量顆粒物質重新引入到發(fā)動機，造 成發(fā)動一幾效率降低。
盡管，729專利可以提高發(fā)動機在低怠速下的效率，但不能充分 減少NOx排放，以滿足日漸嚴格的環(huán)境法規(guī)。所述方法允許在低怠 速期間廢氣溫度降到催化裝置的運行溫度以下，從而使得催化裝置 不能運行。禁用EGR系統(tǒng)和不運行催化裝置會產生這樣的情況，即 發(fā)動機產生超過法規(guī)允許的NOx。此外，為了保持不受這些情況的 影響，必須過度限制發(fā)動機運行循環(huán)的剩余部分，以使總的發(fā)動機
發(fā)動機的效率可能被降低得更^。 一 ^ "
發(fā)明內容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術中的 一個或多個問題或缺點。 在一個方面，本發(fā)明提供一種包括動力源的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。所 述動力源具有至少一個燃燒室、進氣歧管、第一排氣歧管和,二排 氣歧管。另外，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)包括位于所述第一排氣歧管和 第二排氣歧管中的至少 一個中的閥。該閥能夠運動以通過將來自所 述第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個的廢氣引導到進氣歧 管而提高廢氣的溫度。此外，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)具有控制器，該 控制器能夠確定指示廢氣溫度的至少一個動力源狀態(tài)并響應該確定 結果使所述闊運動。在本發(fā)明的另一方面，還提供一種用于再循環(huán)廢氣的方法。該方 法包括檢測指示廢氣溫度的至少一個動力源狀態(tài)。另外，所述方法 包括響應廢氣溫度將來自動力源的廢氣重新引回到動力源。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施方式的動力系統(tǒng)的示意圖； 圖2是描述了圖1的動力系統(tǒng)的示例性運行方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了一種示例性動力系統(tǒng)10，該系統(tǒng)具有能夠燃燒空氣
和燃#斗混合物并產生機械輸出和廢氣流的發(fā)動才幾12。動力系統(tǒng)10 還可包括空氣系統(tǒng)14、廢氣處理系統(tǒng)16和廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng) 18?？諝庀到y(tǒng)14可以向發(fā)動機12供應空氣以促進燃燒過程。，廢氣 處理系統(tǒng)16可以減少由發(fā)動機12釋》文到大氣中的污染物質。EGR 系統(tǒng)18可以使發(fā)動才幾12產生的一部分廢氣再循環(huán)回到發(fā)動機12的 進氣口 。
發(fā)動機12可以是任何種類的傳統(tǒng)柴油、汽油或者氣體燃料內燃 機，且可以包括至少一個燃燒室20、進氣歧管22、第一排氣歧管24 和第二排氣歧管26。進氣歧管22可以將空氣從系統(tǒng)14引導到燃燒 室20。燃燒過程中在燃燒室20內產生的廢氣可經由第一排氣歧管 24或者第二排氣歧管26離開發(fā)動機12。
在圖1所示的示例性實施方式中，第一排氣歧管24和第二排氣 歧管26可以各自可纟喿作地連接到三個燃燒室20。但是，可以想到的 是第一排氣歧管24和第二排氣歧管26可以各自可操作地連接到 任何數(shù)量的燃燒室20,只要兩根歧管都可操作地連接到至少一個燃 燒室20;以及所有的燃燒室20可操作地連接到第一排氣歧管24或 者第二排氣歧管26。還可以想到，如果需要，發(fā)動機12可以包括單 個一體式歧管。
空氣系統(tǒng)14可以向進氣歧管22供應空氣且可以包括一個或多個空氣壓縮裝置28、節(jié)流閥30和空氣冷卻器32,所述空氣壓縮裝 置用于將增壓空氣引入到發(fā)動機12的燃燒室20中，所述節(jié)流閥用 于調節(jié)空氣流量，所述空氣冷卻器用于冷卻空氣。空氣壓縮裝置28 可以包括例如渦輪增壓器和/或機械增壓器。節(jié)流閥30可以設置在壓 縮裝置28的上游，以調節(jié)進入發(fā)動機12的空氣流量?？梢韵氲降?是，可以省去壓縮裝置28,發(fā)動機12也可以為自然吸氣。還可以想 到，在空氣引入系統(tǒng)中可以包括另外的和/或不同的部件，例如，一 個或多個空氣凈化器、 一個或多個廢氣門、旁路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和 本領域已知的用于將增壓空氣引入到燃燒室20內的其它裝置?？諝?冷卻器32可以位于EGR系統(tǒng)18連接到發(fā)動機12的進氣口位置的 上游，從而使被引導至發(fā)動機12的廢氣保持在升高的溫度下。
廢氣處理系統(tǒng)16可以減少由發(fā)動機釋放到大氣中的污染物質 的量。廢氣處理系統(tǒng)16可以經由共同的通道34可操作地連接到第 一排氣歧管2 4和第二排氣歧管2 6 。在圖1所示的示例性實施方式中， 廢氣處理系統(tǒng)16可包括一個或多個后處理裝置，例如顆粒過濾器36 和稀NOx催化裝置38?？梢韵氲降氖牵梢允褂昧硗獾膹U氣處理裝 置來還原NOx,例如選擇性催化還原裝置和/或本領域內已知的其它 NOx還原裝置。
顆粒過濾器36可以包括被設計用來捕獲顆粒物質的過濾元件 (未示出)。顆粒過濾器36還包括電加熱元件(未示出)或燃油噴 射器(未示出)以燒掉可能聚集在過濾元件上并限制廢氣流通過過 濾器的顆粒物質。
當廢氣溫度在大約200攝氏度以上時，NOx催化裝置38可以有 效運行。存在于催化裝置中的催化劑的化學特性能夠使催化劑在高 于200攝氏度的溫度下與廢氣中的NOx發(fā)生反應。但是，如果廢氣 的溫度低于200攝氏度，化學催化劑不會與顆粒物質反應或者反應 效果很差。結果，廢氣可能在沒有充分凈化NOx的情況下通過催化 裝置。
EGR系統(tǒng)18可以使來自發(fā)動機12的一部分廢氣再循環(huán)回到進
7氣歧管22, EGR系統(tǒng)18可以包括EGR閥40、溫度傳感器42、發(fā) 動機速度傳感器44和控制器46。 EGR閥40可以是簡單的開/關閥或 者比例閥，并可以與第二排氣it支管26、共同通道34和EGR通道48 流體連接。在接收到來自控制器46的信號時，EGR閥40可以將來 自第二排氣歧管26的廢氣經由共同通道34引導到廢氣處理系統(tǒng)16, 或者經由EGR通道48引導到進氣歧管22。可以想到的是，如果需 要，EGR閥40可以與第一和第二排氣歧管兩者都連接。
為了確定何時激活EGR閥40,可能有必要確定發(fā)動機的物理狀 態(tài)。這可以通過用傳感器42和44來檢測發(fā)動機12的某些物理參數(shù) 來實現(xiàn)。具體來說，傳感器42可以被構造成產生指示排氣歧管溫度 的一個或多個信號。另外，傳感器44可以被構造成產生指示發(fā)動機 速度的信號。可以想到的是，傳感器42和44可以分別設置在與第 一排氣歧管24、第二排氣歧管26和發(fā)動機12有關的任何位置，所 示的具體位置僅是出于示例的目的。
溫度傳感器42可以是安裝到第一排氣歧管24、第二排氣歧管 26或者共同通道34內以檢測離開燃燒室20的廢氣溫度的任何類型 溫度傳感器。例如，溫度傳感器42可以具體實施為測量第一排氣歧 管24、第二排氣歧管26或者共同通道34的壁溫度的表面式溫度傳 感器。替代地，溫度傳感器42可以是直接測量第一排氣歧管24、第 二排氣歧管26或者共同通道34內的廢氣溫度的氣體式溫度傳感器。 如本領域已知的，溫度傳感器42可以產生廢氣溫度信號并將該信號 經由通信線(未標出)發(fā)送給控制器46。該溫度信號可以連續(xù)發(fā)送， 基于時間間隔發(fā)送，或者僅在控制器46提示時才發(fā)送。
發(fā)動機速度傳感器44可以檢測發(fā)動機12的速度。例如，發(fā)動 機速度傳感器44可以具體實施為能夠檢測發(fā)動機12的曲軸(未標 出)轉速并產生與該轉速相應的信號的電磁式拾波傳感器。發(fā)動機 速度傳感器44可以設置成鄰近埋置于曲軸(未標出)內的電磁元件 (未示出)、鄰近埋置于直接或間接受曲軸(未標出)驅動的部件 內的電磁元件(未示出)，或者以其它合適的方式設置以產生與發(fā)
8動才幾12的轉速對應的信號。如本領域已知的，動力源速度信號可以
通過通信線(未標出)發(fā)送給控制器46?？梢韵氲降氖牵绻?發(fā)動機速度傳感器44來確定廢氣溫度，則可以省去溫度傳感器42 。
在一種替代實施方式中，可以想到的是，如果需要，控制器46 可以利用其它傳感輸入作為溫度信號和/或發(fā)動機速度信號的替代。 這種輸入可以與各種發(fā)動機參數(shù)相關，例如，燃料消耗率、發(fā)動機 節(jié)氣門位置、進氣歧管溫度、增壓、燃料設定(fuel setting)、空氣 流量和/或本領域已知的其它參數(shù)。控制器46可以接收并分析該輸入 來獲得發(fā)動機12的排氣歧管溫度和/或發(fā)動機速度。
控制器46可以包括一個或多個微處理器、存儲器、數(shù)據(jù)存儲裝 置、通信集線器和/或本領域已知的其它部件。在圖1所示的示例性 實施方式中，控制器46可以僅與EGR系統(tǒng)18相聯(lián)。然而，可以想 到的是，控制器46可以結合到能夠控制動力系統(tǒng)10的附加功能的 總控制系統(tǒng)內，例如，發(fā)動機12的選擇性控制系統(tǒng)，和/或結合到可 操作地與動力系統(tǒng)IO相聯(lián)的其它系統(tǒng)內，例如傳動系統(tǒng)的選擇性控 制系統(tǒng)。
控制器46可以接收來自傳感器42和44的信號并通過將該數(shù)據(jù) 與儲存在控制器46或可從控制器46獲得的閾值溫度和速度值進行 比較來分析數(shù)據(jù)，以確定發(fā)動機12是否運行在低怠速狀態(tài)下。.在從 傳感器42和44接收輸入信號時，控制器46可以執(zhí)行多種運算，例 如算法、方程式、子程序、引用查找映射或查找表，并建立輸出， 以便以本領域已知的方式通過一才艮或多根通信線(未標出)影響EGR 閥40的運4亍。
工業(yè)實用性
本發(fā)明的EGR系統(tǒng)可以提供一種簡單、經濟且可靠的方式以降 低在低怠速狀態(tài)期間釋放到大氣中的NOx和顆粒物質排放。具體地， 本發(fā)明的EGR系統(tǒng)利用廢氣再循環(huán)閥，以響應于廢氣溫度和/或發(fā)動 機速度，將廢氣重新引導入發(fā)動機的進氣歧管。將廢氣重新引回進氣歧管可以使廢氣溫度保持在對于NOX的催化還原裝置的最優(yōu)性能 起關鍵作用的閾值溫度以上。下面介紹動力系統(tǒng)IO的運行。
來自空氣系統(tǒng)14的空氣通過進氣歧管22進入發(fā)動機12。 一旦 進入燃燒室20,空氣就可以被壓縮，然后與諸如柴油、汽油或者天 然氣(未示出)之類的燃料混合?；旌虾?，混合物質可以燃燒，產 生機械輸出和廢氣流。取決于燃燒室20的構造，廢氣可以經由廢氣 出口進入第一排氣歧管24或者第二排氣歧管26。
如通過圖2公開的方法所示，在步驟100，傳感器42和44可 以^r測其中一個排氣歧管中的廢氣溫度和/或檢測發(fā)動機速度。然后， 傳感器42和44可以將基于廢氣溫度和/或發(fā)動機速度的信號傳遞給 控制器46。在步驟102,控制器46可以接收來自傳感器42和44的 信號并可以確定廢氣溫度和/或發(fā)動機速度是否分別高于或者低于預 定閾值，例如200攝氏度和600轉每分鐘?？刂破?6可以通過執(zhí)行 算法、引用查詢映射或者遵循本領域公知的其它技術來做出該確定。
如果控制器46確定發(fā)動機12正以大于低怠速的速度運行，則 執(zhí)行步驟104。如果廢氣溫度和/或發(fā)動機速度高于預定閾值，控制 器46可以得出發(fā)動機正以大于低怠速的速度運行的結論。在步驟 104, 控制器46可以4吏EGR閥40運動到第一位置，在該位置，來 自第二排氣歧管26的廢氣經由共同通道34被引導到廢氣處理系統(tǒng) 16中。另外，第一排氣歧管24中的廢氣可經由共同通道34進入廢 氣處理系統(tǒng)16中。 一旦進入廢氣處理系統(tǒng)16,廢氣中的NOx就可 以與催化室中的催化劑進行反應，從而在廢氣被釋放到大氣中之前， 減少NOx的量。
如果控制器46確定發(fā)動機12正以低于低怠速的速度運行，則 執(zhí)行步驟106。如果廢氣溫度和/或發(fā)動機速度低于預定閾值，控制 器46可以得出發(fā)動機正以低于低怠速的速度運行。在步驟106，控 制器46可以使EGR岡運動到第二位置，在該位置，來自第二排氣 歧管26的廢氣經由EGR通道48被引導到進氣歧管22。在進氣歧管 22中，來自第二排氣歧管26的廢氣可以與來自空氣系統(tǒng)14的新鮮
10空氣混合。廢氣可以提高進入發(fā)動機12的廢氣/空氣混合物的溫度， 最終可以提高進入廢氣處理系統(tǒng)16的廢氣溫度。 一旦進入廢氣處理
系統(tǒng)16中，廢氣中的NOx就可以與催化室中的催化劑發(fā)生反應， /人而在廢氣4皮釋;^文到大氣中之前，減少NOx的量。
由于本發(fā)明的系統(tǒng)可以根據(jù)排氣歧管的溫度和/或發(fā)動機速度 將廢氣引導到發(fā)動機進氣口 ，確保了在低溫和/低速狀態(tài)下的NOx排 放保持符合法規(guī)。具體地，將廢氣引回發(fā)動機進氣口可以提高廢氣 的溫度，這可以允許后處理催化裝置在低溫和/或低速狀態(tài)下起作用。 另外，由于NOx還原裝置將在整個發(fā)動機狀態(tài)范圍內適當?shù)剡\行， 而不是僅在高速和高于低怠速的狀態(tài)下運行，因此，在低溫和/或低 速狀態(tài)期間利用EGR和催化系統(tǒng)可以提高動力系統(tǒng)的廢氣處理效 率。應當注意，由于改善了低怠速廢氣排放，可以放寬在其它速度 狀態(tài)下的限制，以進一步提高整個運行循環(huán)的發(fā)動機效率。
對于本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的 范圍的情況下，可以對本發(fā)明的系統(tǒng)進行各種變型和改變。通過考 慮此處開的說明書，其它實施方式對于本領域的4支術人員是明顯 的。說明書和例子僅僅用于示例的目的，真正的保護范圍由后附的 權利要求書及其等同原則來確定。
權利要求
1. 一種廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(10)，包括動力源(12)，其包括至少一個燃燒室(20)、進氣歧管(22)、第一排氣歧管(24)和第二排氣歧管(26)；閥(40)，其位于所述第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個之中，并能夠運動以通過將來自所述第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個的廢氣引導到所述進氣歧管來提高廢氣的溫度；和控制器(46)，其能夠確定指示廢氣溫度的至少一個動力源狀態(tài)，并響應該確定使所述閥運動。
2. 根據(jù)權利要求1所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，還包括位于所述第 一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個之中的第一傳感器(42), 該第一傳感器被構造成測量廢氣的溫度，其中，所述控制器與所述 第 一傳感器通信以接收溫度信號。
3. 根據(jù)權利要求2所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中，所述控制器 在所述信號指示廢氣的溫度低于閾值溫度時，使所述閥運動到一位 置，在該位置，來自所述第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一 個的廢氣流到所述進氣歧管。
4. 根據(jù)權利要求2所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中，第二傳感器 (44) ^a殳置成檢測所述動力源的發(fā)動才幾速度。
5. 根據(jù)權利要求4所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中，所述控制器使所述閥運動到一位置，在該位置，來自所述第一排氣歧管和第二 排氣歧管中的至少 一個的廢氣流到所述進氣歧管。
6. 根據(jù)權利要求1所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，還包括能夠檢測動 力源的非溫度參數(shù)并產生指示該非溫度參數(shù)的參數(shù)信號的傳感器， 其中，所述控制器與該傳感器通信并能夠從所述參數(shù)信號獲得廢氣 溫度值。 ，
7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其中，所述動力源是發(fā)動機，且所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)還包括空氣系統(tǒng)和廢 氣處理系統(tǒng)，所述空氣系統(tǒng)與所述進氣歧管流體連通且具有空氣冷 卻器和至少 一 個空氣壓縮機，所述廢氣處理系統(tǒng)與所述第 一 排氣歧 管和第二排氣歧管流體連通且包括后處理裝置，所述后處理裝置具有最低運行溫度。
8. —種用于使廢氣再循環(huán)的方法，包括檢測指示廢氣溫度的至少一個動力源狀態(tài)；和響應于所述廢氣溫度，將來自動力源的廢氣重新引回動力源。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，重新引回包括當所述廢 氣溫度低于閾值溫度時，將來自動力源的廢氣引回動力源。
10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，還包括檢測所述動力源的速度， 其中，所述重新引回的步驟進一步響應于所述動力源的速度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于還原在低怠速下從動力源(12)排放的NOx的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(18)。所述動力源具有至少一個燃燒室(20)、進氣歧管(22)、第一排氣歧管(24)和第二排氣歧管(26)。所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)具有位于第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個之中的閥(40)。該閥能夠運動以通過將來自所述第一排氣歧管和第二排氣歧管中的至少一個的廢氣引導到進氣歧管而提高廢氣的溫度。此外，所述廢氣再循環(huán)系統(tǒng)具有控制器(46)，該控制器被構造成用于確定指示廢氣溫度的至少一個動力源狀態(tài)并響應該確定結果使所述閥運動。
文檔編號F02M25/07GK101512129SQ200780032146
公開日2009年8月19日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權日2006年8月31日
發(fā)明者D·A·皮爾龐特 申請人:卡特彼勒公司