用于發動機的排放系統及動力系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于發動機的排放系統。排放系統可具有排氣管、布置在排氣管中的后處理部件以及布置在排氣管中位于后處理部件的上游位置處的電阻柵格。排放系統可進一步具有控制器，構造為確定加熱后處理部件至閾值溫度的需求，當后處理部件需要被加熱時，確定應施加于發動機上來增加從發動機離開的排氣溫度的負荷增加量，以及確定應被施加至電阻柵格來增加排氣溫度的電能的量。控制器還可被構造為選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，來增加排氣溫度至閾值溫度。本實用新型通過升高經過催化劑和過濾器的排氣溫度，有效地且有利地從來自發動機的排放流中去除氣態組分和微粒物質。
【專利說明】用于發動機的排放系統及動力系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種排放系統，且更特別地，涉及一種使用主動再生控制的排放系統。
【背景技術】
[0002]發動機，包括柴油發動機、汽油發動機、氣態燃料驅動發動機和本領域中已知的其它發動機，排放空氣污染物的復雜混合物。這些空氣污染物可以包括氣態組分，例如氮氧化物和已知為微粒物質或積碳的固態材料。由于對環境的關注的增加，排放標準已經變得更為嚴格，并且從發動機排出的氣態組分和固態材料的數量基于發動機類型、發動機尺寸和/或發動機級別而規定。
[0003]發動機制造商為了順應排放至環境的污染物規定而執行的一種方法已經使用催化劑和過濾器降低、轉化或以別的方式去除了來自發動機排氣流的氣態組分和微粒物質。然而，這些裝置僅能在特定操作條件下有效地發揮作用。例如，一些催化劑僅當暴露至升高溫度中才有效地發揮作用。微粒過濾器僅在一段時間內發揮作用，直到它們變得飽和積碳。為了使微粒過濾器繼續操作，它們可能需要被加熱至捕獲的微粒物質的燃燒閾值之上，使得微粒物質被燒掉。因此，一些發動機排放系統裝備有用于人為升高經過催化劑和過濾器的排氣溫度的裝置，使得這些裝置的使用可被改善和保持。
[0004]2012年I月5日公開的Ibrahim等人的美國專利2012/0003131(“ ’ 131公開物”)中公開了一種人為升高經過過濾器的排氣溫度的典型排放系統。特別地，’131專利中公開了一種電能系統，具有通過機械連接來驅動發電機的柴油發動機。依次，發動機產生用于推進機車頭的電能。電負荷堆用于消散機車頭在制動期間產生的過多的動力。提供電加熱器且包括位于發動機的排氣流中的電阻元件。電加熱器用于將來自柴油發動機的排氣的溫度升高至大約1000° F，外部動力源、發電機和/或在制動期間產生的過多的動力用于驅動電加熱器。
[0005]雖然’ 131公開物的系統可以足夠發揮作用來再生排放微粒收集，但它仍不是最佳的。特別地，該系統沒有考慮柴油發動機在再生期間的重要操作條件，其可以提高再生進程的效率。此外，電加熱器，通過它自己，可能不足以充分氧化收集的微粒物質。
【發明內容】
[0006]本實用新型公開了一種用于發動機的排放系統，解決了一個或多個在【背景技術】中公開的問題和/或現有技術的其它問題。
[0007]在一個方面，本實用新型提供了一種用于發動機的排放系統，所述排放系統包括:排氣管，構造為將來自發動機的排放引導至大氣；后處理部件，布置在排氣管中；以及電阻柵格，布置在排氣管中位于后處理部件的上游位置；所述排放系統還包括:控制器，所述控制器操作性連接到所述發動機、所述后處理部件、所述電阻柵格、以及由所述發動機驅動的發電機。
[0008]其中，所述控制器構造為確定加熱后處理部件至閾值溫度的需求，當后處理部件需要被加熱時，確定應施加于發動機上以增加從發動機離開的排氣溫度的負荷增加量，以及確定應被施加至電阻柵格來增加排氣溫度的電能的量；所述控制器還被構造為選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，來升高排氣溫度至閾值溫度，并且，所述負荷通過由發動機驅動的發電機而施加至發動機上。
[0009]進一步的，所述電阻柵格是第一電阻柵格；所述排放系統還包括與排氣管無關的第二電阻柵格；以及控制器進一步構造為，在負荷增加期間引導由發電產生的過多電能經過第二電阻柵格。
[0010]其中，所述電能由發電機產生。
[0011]優選的，所述后處理部件是微粒過濾器；以及所述閾值溫度是足夠氧化收集在微粒過濾器中的積碳的溫度。
[0012]進一步的，所述排放系統還包括至少一個與后處理部件相關的壓力傳感器，所述控制器構造為基于來自至少一個壓力傳感器的信號來確定加熱后處理元件的需求。
[0013]其中，所述控制器構造為基于效率來確定發動機負荷增加和電能應用的結合。
[0014]其中，所述發動機驅動發電機來產生引導牽引電機的電能；以及應被應用至電阻柵格的電能在制動期間由所述牽引電機產生。
[0015]進一步的，所述負荷通過由發動機驅動的發電機而施加至發動機；以及應被應用至電阻柵格的電能當牽引電機未制動時由發電機產生。
[0016]在另一方面，本實用新型還提供了一種動力系統，包括發動機，發電機由發動機機械地驅動來產生電能；牽引電機，構造為接收電能且推進機械；排氣管，構造為引導來自發動機的排氣至大氣；微粒過濾器，布置在排氣管中；電阻柵格，布置在排氣管中且位于微粒過濾器的上游位置；以及控制器，所述控制器操作性連接到所述發動機、所述微濾過濾器、所述電阻柵格、以及由所述發動機驅動的發電機，所述控制器構造為確定加熱微粒過濾器至收集在微粒過濾器中的積碳的起燃溫度，當微濾過濾器需要被加熱時，確定應施加于發動機上以升高從發動機排出的排氣溫度的負荷增加量，確定應被施加至電阻柵格以升高排氣溫度的電能的量，以及選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，來增加排氣溫度至起燃溫度；其中，施加至電阻柵格的電能由牽引電機在制動期間產生且當牽引電機在未制動時由發電機產生。
[0017]上述的技術方案通過升高經過催化劑和過濾器的排氣溫度，有效地且有利地從來自發動機的排放流中去除氣態組分和微粒物質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]附圖1是示例性公開的動力單元的示意性和圖表視圖。
【具體實施方式】
[0019]附圖1示出了可被用于移動運用(例如，機車的主移動體)或靜止運用(例如，作為公共設置站的動力源)的主動力單元10。出于這一實用新型的目的，動力單元10指示和描述為包括內燃機12、空氣感應系統14和排放系統16。空氣感應系統14可被構造為引導壓縮空氣或空氣燃料混合物進入發動機12。發動機12可以點燃空氣和燃油來產生機械輸出和排放氣體的流動。排放系統16可被構造為將來自發動機12的排放氣體流引導至大氣。本領域技術人員將認識到，動力單元10可以包括任何類型的內燃機，例如二或四沖程柴油燃料、汽油燃料、氣態燃料或混合燃料的發動機。
[0020]發動機12可被連接至機械負載，其構造為將來自于發動機12的旋轉輸出轉換至有用動力。在公開的實施方式中，發動機12連接至將旋轉輸出轉換至電能的主發電機18，電能隨后可被引導至相當于動力單元10的特定應用的電力部件。在移動運用示例中，電能可被引導至推進機車的一個或多個牽引電機20。在靜止運用示例中，電能可被引導至末端消費者(例如，利用柵格來引導電能)或用在用于其它目的的位置上(例如，用于泵送和/或鉆孔目的)。注意的是，如果需要的話，接收來自發動機12的旋轉輸出的負荷可以包括除了主電動機的裝置。
[0021]空氣感應系統14可以包括多個部件，其合作來處理和引導壓縮空氣或壓縮空氣和燃料混合物進入發動機12。例如，空氣感應系統14可以包括位于一個或多個壓縮機26下游的入口導管24中的空氣冷卻器22。(多個)壓縮機26可被構造為提取空氣、壓縮空氣且引導空氣通過入口導管24而經過冷卻器22進入發動機12。隨著空氣經過冷卻器22，冷卻器22可以將來自空氣的熱量散發至大氣，由此降低溫度且增加空氣密度。
[0022]排放系統16可以包括多個部件，其處理和引導來自發動機12的排氣至大氣。例如，排放系統16可以包括排氣管28、一個或多個由流經導管28的排氣驅動的渦輪30，以及一個或多個流動地連接至(多個)渦輪30下游的后處理部件32。來自發動機12的排氣可被引導經過(多個)渦輪30并因而驅動渦輪30來旋轉(多個)壓縮機26且壓縮進入空氣。在離開(多個)渦輪30之后，排氣流可以經過(多個)后處理部件32且在排至大氣之前被處理。
[0023](多個)后處理部件32可以包括氧化催化劑(例如，柴油氧化催化劑一D0C)、微粒過濾器(例如，柴油微粒過濾器一DPF)、還原型催化劑(例如，選擇性催化還原裝置一SCR裝置)、凈化催化劑(例如，氨吸附催化劑一AMOx催化劑)或本領域中已知的用于轉換、降低、捕獲、移除或以別的方式處理由發動機12產生的排氣組分的其它類型成分的任一者或多者。僅用于示意的目的，附圖1中示出的排氣系統16是單獨DPF，其構造為從經過導管28的排氣中移除微粒(例如，積碳和未燃燒的碳氫化合物)。
[0024](多個)后處理部件32可被構造為，當(至少周期地)暴露于大于等于某閾值的排氣溫度時能夠最佳地工作。例如，當排氣溫度升高時，微粒催化劑可以僅以所需速率轉換或降低成分。在其它示例中，DPF可以變得隨著時間而滲透積碳并且需要周期地暴露至更高的排氣溫度用于再生目的。那就是，使用DPF收集的積碳可以僅通過氧化而移除，其發生在升高至積碳燃燒溫度之上的溫度處。
[0025]經過(多個)后處理部件32的排氣溫度可以以多種不同方式而升高。首先，發動機12上的機械負載可以選擇地增加，因而使得發動機12燃燒更大量的燃料并且增加經過導管28的排氣帶來的溫度。發動機12上的機械負荷可通過調整主發電機18的操作而增加，使得主發電機18將更大量的發動機12的機械旋轉轉換成電能。其次，加熱器34(例如，布置在導管28中的電電阻柵格)可被用于直接加熱在(多個)后處理部件32和(多個)渦輪30下游位置處的排氣。
[0026]當增加了發動機12上的機械負載來人為增加排氣溫度時，由主發電機18產生的額外電能必須被調節。也就是，額外電能必須從主發電機18提取出。在一個實施方式中，額外電能可經過多個電阻柵格38而消散,其以熱的形式將電能傳輸至大氣。在另一個實施方式中，額外電能可被引導至加熱器34且用于進一步增加排氣溫度。在又一個實施方式中，一些額外電能可被引導至電阻柵格36并且剩余的額外電能可被引導至加熱器34。
[0027]當使用加熱器34 (單獨或與增加的機械負載結合)來人為增加排氣溫度時，提供給加熱器34的電能可以來自多個不同來源。如上所述，在一個實施方式中，電能可直接來自主發電機18。在另一個實施方式中，電能可在制動期間通過牽引電機20產生。在又一個實施方式中，弓I導至加熱器34的電能可來自動力儲存源，例如電池。在最終一個實施方式中，電能可根據需要由這些不同來源的組合而提供。
[0028]經過(多個)后處理部件32的排氣流的溫度可基于任意數量的不同情況而選擇地增加。例如，排氣溫度可在額外電能可用的任何時刻，例如制動發生的任何時刻而被選擇地增加。替代地，排氣溫度可在周期基礎上或當(多個)后處理部件32需要或可能從溫度增加獲益的任何時刻選擇地增加。
[0029]在公開的實施方式中，控制器38基于通過一個或多個傳感器40探測的(多個)后處理部件32的參數而調節排放溫度。例如，基于探測的壓力或經過后處理部件32的排氣壓力差，控制器38可選擇地控制發動機12上的機械負載增加和/或導致電能被引導至加熱器34。控制器38可以繼續控制負載增加和/或加熱器34激活一設定時段或直到探測到的(多個)后處理部件32的參數到達可接受值。控制器38可被構造為調節動力單元10的不同部件之間的電能流動，例如在主發電機18、牽引電機20、加熱器34和/或電阻柵格36之間，通過一個或多個開關42或其它固態裝置。
[0030]控制器38可以包括單獨或多個微處理器、現場可編程門陣列(FPGA)、數字信號處理器(DPS)等，其能夠響應于多種輸入而控制動力單元10的操作。多個商業上可用的微處理器可被構造為執行控制器38的功能。應意識到，控制器38可易于包含微處理器，獨立于那些控制而非排放相關的功能，并且控制器38可以通過數據連接或其它方法與總動力單元處理器通訊。多種其它的已知電路可以與控制器38連接，包括動力供應電路、信號處理電路、促動器驅動器電路(例如，電路供電螺線管、電機或壓力促動器)、通訊電路和其它合適電路。
[0031]工業應用
[0032]本實用新型的排放系統可以應用至多種發動機，包括，例如柴油、汽油和氣態燃料供能的發動機。實際上，公開的排放系統可用于任何新的或現有的發動機中，其具有從選擇性排放加熱收益的后處理部件。現在將詳細描述動力單元10的操作。
[0033]在動力單元10的操作期間，(多個)壓縮機26可提取空氣、壓縮空氣至所需水平，以及經過冷卻器22引導壓縮空氣進入發動機12。發動機12可以點燃壓縮空氣和燃油的混合物，產生驅動主發電機18的機械旋轉和排放氣體的流動。排放氣體可以經過導管28、(多個)驅動渦輪30，并且隨后經過(多個)后處理部件32。排放氣體可以包括調節的成分(例如，微粒)，其應通過(多個)后處理部件32調節(例如，獲取)。
[0034]控制器38可以監測(多個)后處理部件32的操作，并且相應地確定經過這里的排氣溫度的增加需求。例如，基于來自(多個)傳感器40的壓力差信號,控制器38可以確定DPF滲透有積碳且需要被再生。控制器38可隨后選擇地使得排氣溫度經過上文所述的不同方法的組合而升高。
[0035]通過使用控制器38來人為地增加排氣溫度的不同方法的組合可基于使用者確定的目標而選擇。例如，動力單元10的一個特定使用者會希望再生進程盡可能有效地實施，同時其它使用者會希望再生進程盡快或者在最少不便的時刻實施。不管該目標，控制器38可構造為選擇地實施最佳實現該目標的不同溫度升高方法的組合。
[0036]例如，當控制器38確定了加熱(多個)后處理部件32的需求，控制器38可以確定應施加于發動機12上的機械負載的增加，來升高離開發動機12的排氣溫度。控制器38隨后可以確定應被施加至加熱器38的電阻柵格以直接升高排氣溫度的電能的量。控制器38隨后可以選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，從而以最有效的方式升高排氣溫度至(多個)后處理部件32的閾值溫度。在一些應用中，充分增加排氣溫度所需的多數動力可來自于發動機12上的機械負載的增加。
[0037]在(多個)后處理部件32的加熱期間，引導至加熱器34的電能可以來自不同來源。例如，如果在牽引電機20主動制動機車且產生電能同時需要再生，隨后，引導至加熱器34的電能可主要來自于牽引電機20。由牽引電機20產生的任何過多的能量在這一時刻可隨著需要而被引導至與電阻柵格36并聯。然而，如果當牽引電機20沒有主動制動機車的時候需要再生，隨后，被弓I導至加熱器34的電能必須來自于其它來源，例如來自于存儲裝置和/或來自于主發電機18。
[0038]通常，使用由牽引電機20產生的過多的電能來經過(多個)后處理部件32加熱排氣是最有效的。然而，當牽引電機20部產生電能時，最有效的是實施發動機負載增加和加熱器激活(正如與僅有發動機負載增加或僅有加熱器激活相對的)的組合。在一些實施方式中，僅有發動機負荷增加或加熱器激活可能不足以充分加熱(多個)后處理部件32。
[0039]在一些情形中，需要的是每當過多的電能是可用的時候通過加熱器34人為地升高排放溫度，而不管由(多個)傳感器40產生的信號。例如，可能的是，當牽引電機20主動制動機車時，DPF不再完全飽和。在這一情形中，可能更有效的是，在除了等待額外積碳負載的時候，使用過多的電能開始再生。
[0040]對于本領域技術人員明顯的是，對于該排放系統，可以進行多種修改和變形，而不偏離本實用新型的范圍。基于對在此公開的說明書和該系統的實踐的考慮，其它的實施方式對于本領域技術人員將是顯而易見的。這里的詳述和示例意于僅被認為是示例，本實用新型的實際保護范圍通過權利要求和它們的等價物來指示。
【權利要求】
1.一種用于發動機的排放系統，其特征在于，包括: 排氣管，用于引導來自發動機的排放至大氣； 后處理部件，布置在排氣管中； 電阻柵格，布置在排氣管中，位于后處理部件的上游位置；以及控制器，所述控制器操作性連接到所述發動機、所述后處理部件、所述電阻柵格、以及由所述發動機驅動的發電機。
2.如權利要求1所述的用于發動機的排放系統，其特征在于，所述控制器構造為: 確定加熱后處理部件至閾值溫度的需求； 當后處理部件需要被加熱時，確定應施加于發動機上以增加從發動機離開的排氣溫度的負荷增加量，以及 確定應被施加至電阻柵格來增加排氣溫度的電能的量；以及 選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，來升高排氣溫度至閾值溫度，并且 負荷通過由發動機驅動的所述發電機而施加至發動機上。
3.如權利要求2所述的用于發動機的排放系統，其特征在于， 所述電阻柵格是第一電阻柵格； 所述排放系統還包括與排氣管無關的第二電阻柵格；以及 控制器進一步構造為，在負荷增加期間引導由發電產生的過多電能經過第二電阻柵格。
4.如權利要求2所述的用于發動機的排放系統，其特征在于:所述電能由所述發電機產生。
5.如權利要求2所述的用于發動機的排放系統,其特征在于: 所述后處理部件是微粒過濾器；以及 所述閾值溫度是足夠氧化收集在微粒過濾器中的積碳的溫度。
6.如權利要求1所述的用于發動機的排放系統，其特征在于，還包括至少一個與后處理部件相關的壓力傳感器，所述控制器構造為基于來自所述至少一個壓力傳感器的信號來確定加熱后處理元件的需求。
7.如權利要求1所述的用于發動機的排放系統，其特征在于:所述控制器構造為基于效率來確定發動機負荷增加和電能應用的結合。
8.如權利要求1所述的用于發動機的排放系統，其特征在于: 所述發動機驅動發電機來產生弓I導牽弓I電機的電能；以及 應被應用至電阻柵格的電能在制動期間由所述牽引電機產生。
9.如權利要求2所述的用于發動機的排放系統，其特征在于: 所述負荷通過由發動機驅動的發電機而施加至發動機；以及 應被應用至電阻柵格的電能當牽引電機未制動時由發電機產生。
10.一種動力系統，其特征在于，包括: 發動機； 發電機，由發動機機械地驅動來產生電能； 牽引電機，構造為接收電能且推進機械； 排氣管，構造為引導來自發動機的排放至大氣； 微粒過濾器，布置在排氣管中； 電阻柵格，布置在排氣管中位于微粒過濾器的上游位置；以及控制器，所述控制器操作性連接到所述發動機、所述微粒過濾器、所述電阻柵格、以及由所述發動機驅動的發電機，所述控制器構造為: 確定加熱微粒過濾器至收集在微粒過濾器中的積碳的起燃溫度； 當微濾過濾器需要被加熱時，確定應施加于發動機上以升高從發動機排出的排氣溫度的負荷增加量； 確定應被施加至電阻柵格以升高排氣溫度的電能的量；以及 選擇地執行發動機負荷增加和應用電能至電阻柵格的結合，來增加排氣溫度至起燃溫度， 其中，施加至電阻柵格的電能由牽引電機在制動期間產生且當牽引電機在未制動時由發電機產生。
【文檔編號】F01N9/00GK203925682SQ201420271451
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2013年5月28日
【發明者】M·B·古特克, R·P·S·桑吉亞, B·瑟沃思 申請人:易安迪機車公司