还原剂喷射器的热保护系统 【相关申请的交叉引用】
本申请要求2008年12月23日提交的美国临时申请No.61/140,283的权益。以引用的方式将上述申请的公开内容结合到本文中。
【技术领域】
本发明涉及发动机控制系统，更具体而言，涉及还原剂喷射器的热保护系统。
背景技术
本文提供的背景技术描述仅仅为了从总体上介绍本发明的背景。在此背景技术部分中所描述的当前署名发明人的工作以及在提交时在不同情形下可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。
柴油发动机排放包含一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氮氧化物(NOx)的排气。柴油机排气处理系统降低排气中CO、HC和NOx的水平。柴油机排气处理系统可包括柴油机氧化催化器(DOC)、柴油机颗粒过滤器(DPF)和选择性催化还原(SCR)系统。DOC氧化CO和HC以形成二氧化碳和水。DPF从排气中去除柴油机颗粒物质。SCR系统还原NOx。
SCR系统涉及将还原剂(例如尿素)喷射到SCR催化器上游的排气中。还原剂形成氨，氨在SCR催化器中与NOx发生反应。氨和NOx在SCR催化器中的反应还原NOx，从而导致二价氮和水的排放。当向排气中喷射过量的还原剂时，该过量的还原剂可形成过量的氨，过量的氨通过SCR催化器而不发生反应。可在SCR催化器下游使用额外的催化器来去除该过量的氨。
【发明内容】
一种发动机控制系统，包括温度确定模块、还原剂控制模块和控制模块。温度确定模块确定被排气加热的还原剂喷射器的温度。当所述温度高于或等于温度阈值时，还原剂控制模块致动还原剂喷射器以喷射一定量的还原剂到排气中。控制模块基于喷射到排气中的还原剂量来控制排气中氮氧化物的浓度。
一种发动机控制方法，包括：确定被排气加热的还原剂喷射器的温度。该方法还包括：当所述温度高于或等于温度阈值时致动还原剂喷射器以喷射一定量的还原剂到排气中。此外，该方法包括：基于喷射到排气中的还原剂量来控制排气中氮氧化物的浓度。
【附图说明】
本文描述的附图仅用于说明之目的，而并非意图以任何方式限制本发明的范围。
图1是根据本发明的柴油发动机系统的功能框图。
图2是根据本发明的发动机控制模块的功能框图。
图3是流程图，其示出了根据本发明的还原剂喷射器保护方法的步骤。
【具体实施方式】
下面的描述实质上仅为示例性的，而并非意图限制本发明及其应用或使用。应该理解，在附图中，相应的附图标记表示相似或相应的零件和特征。在本文中所用时，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它提供所述功能的合适构件。
选择性催化还原(SCR)系统包括向排气中喷射还原剂的还原剂喷射器。喷射到排气中的过量还原剂可形成过量的氨，过量的氨通过SCR催化器而不发生反应。根据本发明的喷射器保护系统利用排气再循环(EGR)和燃烧技术消耗排气中过量的氨。该喷射器保护系统向排气中喷射过量的还原剂以冷却还原剂喷射器。该系统还改变EGR和喷射正时来提高排气中氮氧化物(NOx)的浓度。排气中提高的NOx浓度通过在SCR催化器中的反应来去除过量的氨。
现在参照图1，柴油发动机系统20包括发动机22，发动机22燃烧空气/燃料混合物以产生驱动转矩。空气通过入口26被吸入到进气歧管24中。可包含节气门(未示出)以调整进入进气歧管24地空气流量。进气歧管24内的空气被分配到气缸28中。虽然图1描绘了六个气缸28，但发动机22可包括更多或更少的气缸28。
发动机系统20包括发动机控制模块(ECM)32，ECM32与发动机系统20的构件通讯。如本文所述，所述构件可包括发动机22、传感器和致动器。ECM32可实施本发明的喷射器保护系统。
空气从入口26经过质量空气流量(MAF)传感器34。MAF传感器34生成指示流经MAF传感器34的空气速率的MAF信号。歧管压力(MAP)传感器36定位在入口26和发动机22之间的进气歧管24中。MAP传感器36生成指示进气歧管24中空气压力的MAP信号。位于进气歧管24中的进气温度(IAT)传感器38基于进气温度生成IAT信号。
发动机曲轴(未示出)以发动机速度或与发动机速度成比例的速率旋转。曲轴传感器40感测曲轴的位置并生成曲轴位置(CSP)信号。CSP信号可与曲轴的旋转速度和气缸事件相关。仅作为实例，曲轴传感器40可为可变磁阻传感器。可利用其它合适的方法来感测发动机速度和气缸事件。
ECM32致动燃料喷射器42以向气缸28中喷射燃料。进气门44选择性地打开和关闭以使空气能够进入气缸28。进气凸轮轴(未示出)调整进气门位置。活塞(未示出)压缩气缸28内的空气/燃料混合物并使其燃烧。活塞在做功冲程期间驱动曲轴以产生驱动转矩。当排气门48处于打开位置时，气缸28内因燃烧而产生的排气经由排气歧管46被驱出。排气凸轮轴(未示出)调整排气门位置。排气歧管压力(EMP)传感器50生成指示排气歧管压力的EMP信号。
排气处理系统52可处理排气。排气处理系统52可包括柴油机氧化催化器(DOC)54、SCR催化器56和柴油机颗粒过滤器(DPF)58。DOC54氧化排气中的一氧化碳和碳氢化合物。SCR催化器56利用还原剂来还原排气中的NOx。DPF58去除排气中的柴油机颗粒物质。
发动机系统20包括配量系统60。配量系统60存储还原剂。例如，还原剂可包括尿素/水溶液。配量系统60可控制还原剂的温度。例如，配量系统60可加热还原剂以防止还原剂的冻结。ECM32可致动配量系统60以控制还原剂的温度和/或确定还原剂的当前温度。配量系统60可确定留在配量系统60中的还原剂量。配量系统60可加压还原剂以将其传送到还原剂喷射器62。还原剂喷射器62以下称为喷射器62。ECM32可致动配量系统60以控制还原剂的压力以便将其传送到喷射器62。
喷射器62测量并控制喷射到流经排气处理系统52的排气中的还原剂量。还原剂与排气混合以在SCR催化器56中还原NOx。ECM32可致动喷射器62以测量和控制喷射到排气中的还原剂量。ECM32可向喷射器62施加电压和/或电流来致动喷射器62。施加到喷射器62的电压和/或电流控制喷射到排气中的还原剂量。
喷射器62可包括具有电阻的致动元件(例如螺线管)。该致动元件的电阻以下称为喷射器62的电阻。ECM32可基于施加到喷射器62的电压和/或电流来确定喷射器62的电阻。例如，ECM32可用电压除以电流以确定喷射器62的电阻。喷射器62的电阻可指示喷射器62的温度。例如，喷射器62的电阻可随着温度的升高/降低而增大/减小。ECM32可基于喷射器62的电阻来确定喷射器62的温度。ECM32也可基于环境温度、排气温度、排气流速、流经喷射器62的还原剂量和车辆速度来确定喷射器62的温度。
排气处理系统52可包括NOx传感器64-1、64-2(统称为NOx传感器64)以及排气温度传感器66-1、66-2、66-3、66-4(统称为排气温度传感器66)。每个NOx传感器64生成指示排气中NOx量的NOx水平信号。每个排气温度传感器66生成指示排气温度的排气温度信号。排气温度传感器66测量DOC54上游、SCR催化器56上游以及DPF58上游的排气温度。排气温度传感器66还可测量DPF58下游的排气温度。NOx传感器64指示SCR催化器56上游和下游的排气中NOx的量。ECM32可利用NOx水平信号来确定SCR催化器64的转化效率以及确定要喷射到排气中的还原剂量。
尽管图1中示出了四个温度传感器66和两个NOx传感器64，但排气处理系统52可包括多于或少于四个的温度传感器66以及多于或少于两个的NOx传感器64。本发明的喷射器保护系统可在没有排气温度传感器66和NOx传感器64的发动机系统20中实施。
喷射器62被排气加热。当喷射器62被加热至超出阈值温度时，喷射器62会被还原剂损坏。当喷射器62被加热至超出阈值温度时，还原剂会腐蚀喷射器62的构件。仅作为示例，该阈值温度可包括处于120-130℃范围内的温度。本发明的喷射器保护系统保护喷射器62免受因高于该阈值温度发生腐蚀而造成的损坏。
发动机系统20可包括EGR系统68。EGR系统68包括EGR阀70和EGR管线72。EGR系统68可将一部分排气从排气歧管46中引入到进气歧管24中。EGR阀70可安装在进气歧管24上。EGR管线72可从排气歧管46延伸至EGR阀70，从而提供排气歧管46和EGR阀70之间的连通。ECM32可致动EGR阀70以增加或减少引入到进气歧管24中的排气量。
发动机22可包括涡轮增压器74。涡轮增压器74可由通过涡轮入口接收的排气驱动。仅作为实例，涡轮增压器74可包括可变喷嘴涡轮。涡轮增压器74增大进入进气歧管的空气流量以使得进气歧管压力增加(即增压压力)。ECM32致动涡轮增压器74以选择性地限制排气的流量，从而控制增压压力。
现在参照图2，ECM32包括温度确定模块80、还原剂控制模块82、EGR控制模块84和燃烧控制模块86。ECM32接收来自发动机系统20的输入信号。所述输入信号包括MAF、MAP、IAT、CSP、EMP、排气温度和NOx水平信号。所述输入信号以下称为“发动机系统信号”。ECM32处理发动机系统信号并生成定时的发动机控制指令，该指令输出到发动机系统20。发动机控制指令可致动燃料喷射器42、EGR阀70、配量系统60、喷射器62和涡轮增压器74。
温度确定模块80确定喷射器62的温度并将喷射器62的温度输出到还原剂控制模块82。当排气处理系统52包括排气温度传感器66时，温度确定模块80可基于排气温度信号确定喷射器62的温度。可替代地，温度确定模块80可基于喷射器温度模型确定喷射器62的温度。喷射器温度模型可基于发动机系统信号和流经喷射器62的还原剂量来确定喷射器62的温度。当排气处理系统52不包括排气温度传感器66时，喷射器温度模型可基于发动机系统信号，而非排气温度信号。
温度确定模块80可基于喷射器62的电阻确定喷射器62的温度。温度确定模块80可基于施加到喷射器62以致动喷射器62的电压和/或电流来确定喷射器62的电阻。当喷射器62的致动元件包括金属元件时，喷射器62的电阻会遵循金属的温度-电阻关系。例如，喷射器62的电阻可随喷射器62温度的升高/降低而增大/减小。
还原剂控制模块82接收喷射器62的温度并基于喷射器62的温度调节通过喷射器62的还原剂的流量。当喷射器62的温度高于或等于阈值温度时，还原剂控制模块82调节还原剂的流量以降低喷射器62的温度。还原剂控制模块82可致动配量系统60和喷射器62以增大通过喷射器62的还原剂流量，从而使喷射器62的温度降至阈值温度以下。例如，还原剂控制模块82可致动配量系统60以增大还原剂的压力，从而增加向喷射器62输送的还原剂。还原剂控制模块82也可致动喷射器62以允许更多的还原剂流过喷射器62进入排气中。
还原剂在SCR催化器56中发生反应之前可形成氨。为降低喷射器62的温度而进行的还原剂流量的增大会增加储存在SCR催化器56上的氨。氨的增加可导致未反应的氨从排气处理系统52排出。还原剂控制模块82可给EGR控制模块84和燃烧控制模块86发送信号以增加排气中的NOx以便消耗过量的氨或与其发生反应。
还原剂控制模块82以一种或多种方式控制NOx。还原剂控制模块82向EGR控制模块84输出EGR控制信号以控制NOx。此外，还原剂控制模块82向燃烧控制模块86输出燃烧控制信号以控制NOx。还原剂控制模块82可基于喷射到排气中的还原剂量来给EGR控制模块84和/或燃烧控制模块86发送信号以增加排气中的NOx。还原剂控制模块82可基于从NOx传感器64接收的反馈来发送增加NOx的信号。
EGR控制模块84接收来自还原剂控制模块82的EGR控制信号。EGR控制模块84基于该EGR控制信号增加排气中的NOx。EGR控制模块84可以多种方式控制NOx。一般来说，EGR的减少会导致NOx的增加。EGR控制模块84可致动EGR阀70以降低EGR的量。EGR控制模块84可降低背压以减少EGR。例如，EGR控制模块84可致动涡轮增压器74以降低背压。EGR控制模块84可控制进气门44/排气门48的正时以便通过将排气捕获在气缸28中而控制EGR。
燃烧控制模块86接收来自还原剂控制模块82的燃烧控制信号。燃烧控制模块86基于该燃烧控制信号增加排气中的NOx。燃烧控制模块86致动燃料喷射器42以控制NOx。例如，燃烧控制模块86可将喷射正时提前以增加NOx。
ECM32可基于EGR技术和燃烧技术的结合来增加排气中的NOx，其中这两种技术均增加NOx。例如，ECM32可将喷射正时提前并同时减少EGR以增加NOx。ECM还可利用减少NOx的EGR技术与增加NOx的燃烧技术的结合来增加NOx。例如，ECM32可增加EGR以减少NOx，且同时将喷射正时提前以增加NOx，这可导致NOx的净增加。ECM32也可利用增加NOx的EGR技术与减少NOx的燃烧技术的结合来增加NOx。例如，ECM32可减少EGR以增加NOx，且同时将喷射正时延迟以减少NOx，这可导致NOx的净增加。
现在参照图3，还原剂喷射器的保护方法100开始于步骤101。在步骤102中，温度确定模块80确定喷射器62的温度。在步骤104中，温度确定模块80确定喷射器62的温度是否高于或等于阈值温度。如果为否，则方法100重复步骤102。如果为是，则方法100继续至步骤106。在步骤106中，还原剂控制模块82增大还原剂的流量以降低喷射器62的温度。在步骤108中，还原剂控制模块82确定是否利用EGR技术来增加NOx。如果为是，则在步骤110中EGR控制模块84减少EGR。如果为否，则方法100继续至步骤112。在步骤112中，燃烧控制模块86利用提前的喷射正时致动燃料喷射器42以增加NOx输出。方法100结束于步骤114。
从以上描述中本领域技术人员现在可以认识到，本发明的广泛教导可以多种形式实施。因此，尽管结合特定实例对本发明进行了描述，但本发明的真实范围不应该如此局限，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求之后本领域技术人员将明显看出其它的修改。