用于在发动机怠速时保持热后处理的系统和方法

文档序号:1835993 发布日期:2021-11-12 浏览:26次 >En<

阅读说明:本技术 用于在发动机怠速时保持热后处理的系统和方法 (System and method for maintaining thermal aftertreatment while engine is idling ) 是由 詹姆斯·E·麦卡锡 米哈伊·多罗班图 于 2020-03-25 设计创作,主要内容包括:本公开提供了一种变速器系统,该变速器系统选择性地联接到布置在车辆上的内燃机的发动机曲轴,该变速器系统包括变速器、后处理系统、附件设备和控制器。该后处理系统减少内燃机的排气中的排放物。该附件设备被配置为提供功率。该控制器在后处理加热模式下操作,使得后处理系统被加热至升高的温度,从而基于升高的温度减少排放物。该控制器被配置为通过以下方式来加热后处理系统以在发动机启动两分钟内达到介于一(1)千瓦时(kWh)和二(2)kWh之间的焓:(i)在气缸停缸模式(CDA)下操作内燃机;(ii)以升高的怠速操作内燃机;以及(iii)在阈值功率下操作附件设备。(The present disclosure provides a transmission system selectively coupled to an engine crankshaft of an internal combustion engine disposed on a vehicle, the transmission system including a transmission, an aftertreatment system, an accessory device, and a controller. The aftertreatment system reduces emissions in the exhaust of the internal combustion engine. The accessory device is configured to provide power. The controller operates in an aftertreatment heating mode such that the aftertreatment system is heated to an elevated temperature, thereby reducing emissions based on the elevated temperature. The controller is configured to heat the aftertreatment system to achieve an enthalpy between one (1) kilowatt-hour (kWh) and two (2) kWh within two minutes of engine start-up by: (i) operating the internal combustion engine in a cylinder deactivation mode (CDA); (ii) operating the internal combustion engine at an elevated idle speed; and (iii) operating the accessory device at the threshold power.)

用于在发动机怠速时保持热后处理的系统和方法

技术领域

本公开整体涉及一种变速器系统和相关方法,该相关方法用于操作在发动机启动时联接到变速器系统的副轴的电动发电机,以在排气后处理中产生较高排气热量。

背景技术

联邦测试规程(FTP)迫使当前发动机设计趋于需要降低排放物及改善燃料经济性。对低负载循环、使用中的排放物合规和延长的怠速操作的添加提高了这种严格性水平。降低排放物的挑战之一是在发动机启动时有效地管理排放物。众所周知,氮氧化物(NOx)后处理系统是温度敏感的。根据催化剂配方,高NOx转化始于220C和280C之间。通常在发动机启动时,怠速排气温度可介于110C和150C之间。就这一点而言,需要一定量的时间排气以从通常的排气温度加热至满足期望的95%(或以上)效率目标的升高温度。发动机在该时间量期间的操作对于NOx转化是低效的。在一些示例中,该时间量为约600秒。即使使用气缸停缸,选择性催化还原(SCR)温度也可在怠速时降低至约200C。期望提供一种系统,该系统在启动时快速有效地升高SCR温度,并且还可在发动机接通时在整个怠速内或一直将温度保持在效率目标内。

本文所提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的上下文的目的。当前指定的发明人的工作,在某种程度上其在本

背景技术

部分以及在提交时可能不具有其他资格作为现有技术的说明书的各个方面中进行描述,既不明确也不暗示地被承认为针对本公开的现有技术。

发明内容

本公开提供了一种变速器系统,该变速器系统选择性地联接到布置在车辆上的内燃机的发动机曲轴,该变速器系统包括变速器、后处理系统、附件设备和控制器。变速器具有输入轴、主轴、输出轴和从输入轴偏移的副轴。副轴可驱动地连接到第一输入轴和主轴。后处理系统减少内燃机的排气中的排放物。附件设备被配置为提供功率。控制器在后处理加热模式下操作,使得后处理系统被加热至升高的温度,从而基于升高的温度减少排放物。控制器被配置为通过以下方式来加热后处理系统以在发动机启动两分钟内达到介于一(1)千瓦时(kWh)和二(2)kWh之间的焓:(i)在气缸停缸模式(CDA)下操作内燃机;(ii)以升高的怠速操作内燃机;以及(iii)在阈值功率下操作附件设备。

根据附加特征,在CDA下操作内燃机并以升高的怠速操作内燃机提供介于7千瓦和11千瓦之间的功率。附件设备在介于9千瓦和14千瓦之间的功率下操作。控制器可在后处理加热模式下操作,以通过同时在CDA下并以升高的怠速操作内燃机以及在阈值功率下操作附件驱动器来提供介于27千瓦和33千瓦之间的功率,从而在三分钟内达到介于一(1)千瓦时(kWh)和二(2)kWh之间的焓。

在其他特征中,变速器系统可包括提供电压调节的至少一个电池。该至少一个电池可为48伏。附件设备可为电加热器。控制器可被配置为在达到介于一(1)kWh和二(2)kWh之间的焓时暂停后处理加热模式,直到选择性催化还原(SCR)温度下降至阈值以下。控制器可在SCR温度下降至阈值以下时重新进入后处理加热模式,直到后处理系统返回至介于一(1)kWh和二(2)kWh之间的焓。控制器可被配置为加热后处理系统以达到1.3kWh的焓。

本公开提供了一种变速器系统,该变速器系统选择性地联接到布置在车辆上的内燃机的发动机曲轴,该变速器系统包括变速器、后处理系统、电加热器和控制器。变速器具有输入轴、主轴、输出轴和从输入轴偏移的副轴。副轴可驱动地连接到第一输入轴和主轴。后处理系统可减少内燃机的排气中的排放物。电加热器可设置在后处理系统中。控制器可在后处理加热模式下操作,使得后处理系统被加热至升高的温度,从而基于升高的温度减少排放物,控制器在怠速期间在后处理加热模式下操作。

根据附加特征,在后处理加热模式期间,控制器在气缸停缸模式(CDA)下操作发动机,使得后处理系统在升高的温度下操作。在后处理加热模式期间,控制器结合在CDA模式下操作发动机来接通电加热器。控制器可在后处理加热模式下操作第一时间段,以将后处理系统升高至预定温度。预定温度可为约350摄氏度。更具体地讲,预定温度为约350摄氏度以确保防止冷却,从而将加热功能保持到最小值。在第一时间段之后,控制器可关闭电加热器。在保压时间之后,控制器可确定后处理系统的温度已降低到期望摄氏度值以下,并且打开电加热器。

提供了一种操作变速器系统的方法,该变速器系统选择性地联接到内燃机的发动机曲轴,该变速器系统具有变速器、后处理系统和被配置为提供功率的附件设备。控制确定后处理系统是否在阈值温度以下操作。控制器在后处理模式下操作变速器系统。内燃机在气缸停缸模式(CDA)下操作。内燃机以升高的怠速操作。附件设备在阈值功率下操作。在发动机启动两分钟内达到介于一(1)千瓦时(kWh)和二(2)kWh之间的焓时退出后处理加热模式。

根据其他特征,在CDA下操作内燃机并以升高的怠速操作内燃机提供介于7千瓦和11千瓦之间的功率。附件设备在介于9千瓦和14千瓦之间的功率下操作。控制器可在后处理加热模式下操作,以通过同时在CDA下并以升高的怠速操作内燃机以及在阈值功率下操作附件驱动器来提供介于27千瓦和33千瓦之间的功率,以在三分钟内达到一(1)千瓦时(kWh)和二(2)kWh的焓。退出后处理加热模式,直到选择性催化还原(SCR)温度下降至阈值以下。在SCR温度下降至阈值以下时重新进入后处理加热模式,直到后处理系统返回至介于一(1)kWh和二(2)kWh之间的焓。在后处理加热模式下操作变速器系统包括加热后处理系统以达到1.3kWh的焓。

附图说明

根据

具体实施方式

和附图,将更全面地理解本公开,其中:

图1A是根据本公开所构造的变速器系统的示意图,并且该变速器系统被配置为实现各种后处理加热模式。

图1B是根据本公开的一个示例的联接到发动机的自动机械变速器系统的示意图,该变速器系统具有联接到副轴的电动发电机;

图2是图1的自动机械变速器系统的另一示意图;

图3是示出NOx转化效率与选择性催化还原(SCR)温度的关系的图表;

图4示出了根据本公开的配置的各种功率流场景;

图5A和图5B示出了根据本公开的各种示例的示出NOx需求标准变化和加热目标的背景信息;

图6是RPM和扭矩示例的曲线图,其中0.02g/hp-hr的NOx是2024年的目标;

图7A是根据本公开的一个示例的冷循环曲线图;

图7B是针对图7A的冷循环曲线图的SCR效率的曲线图;

图7C是根据本公开的一个示例的热循环曲线图;

图7D是针对图7C的热循环曲线图的SCR效率的曲线图;

图8A和图8B示出了在重型(HD)联邦测试规程(FTP)期间后处理加热涡轮出口和SCR温度的背景曲线图;

图9示出了电池功率为20kW的HD FTP,其示出了在排放循环期间功率需求的第一曲线图以及功率添加20kW的第二曲线图;

图10示出了根据本公开的基线扭矩的第一曲线图、新扭矩的第二曲线图和RPM的第三曲线图;

图11和图12示出了根据本公开的各种示例的电池的20kW连续/底部功率;

图13是发动机负载与发动机速度的关系的曲线图,其示出了气缸停缸有益于快速加热从而使得排气更热并向后处理系统驱动更大的焓;

图14A和图14B示出了发动机在正常模式下操作和发动机在气缸停缸模式下操作的扭矩的曲线图;

图15示出了发动机飞轮角加速度(即,噪声和/或振动)与发动机速度的关系;

图16示出了用于操作变速器系统以在发动机启动时达到热后处理的第一示例性场景;

图17示出了用于操作变速器系统以在发动机启动时达到热后处理的第二示例性场景;

图18示出了用于在发动机启动时使后处理变热的示例性功率和速度;

图19示出了针对SCR催化剂的温度与时间的关系,该SCR催化剂的温度即使在添加气缸停缸时也在怠速下运行延长时间段时降低;

图20示出了根据本公开的一个示例的用于在短时间段内达到升高的后处理系统温度从而实现约1.3kWh的焓的系统和方法;

图21示出了根据本公开的当操作本公开的系统以变热并无限期地保持热时的温度与时间的关系;

图22示出了向后处理系统添加19kW的热量以使温度每秒升高约1.5摄氏度的方法;

图23示出了使用另一种方法进行加热的联邦测试规程,这种方法通过添加气缸停缸以在249秒时达到250摄氏度来操作本公开的系统;

图24示出了示出在发动机启动时的氮氧化物的联邦测试规程;

图25示出了添加10kW热量以在104秒时达到250摄氏度的方法;

图26A和图26B示出了启用紧密偶联催化剂从而允许SCR脱硫的气缸停缸;

图26C示出了根据本公开的两种示例性催化剂配置;

图27A是氮氧化物与时间的关系的曲线图,其示出了将一个SCR向上游移动以使变热更快的效果;

图27B是累积氮氧化物与时间的关系的曲线图,其示出了将一个SCR向上游移动以使变热更快的效果;

图28是具有CDA的紧密偶联SCR和不具有CDA的当前SCR的温度与时间的关系的曲线图;

图29是具有CDA的紧密偶联SCR和不具有CDA的当前SCR的温度与时间的关系的曲线图,其示出了具有低氮氧化物数量级和节省5%二氧化碳的低负载循环;

图30示出了根据本公开的示出使后处理系统快速变热的各种方法的表格;

图31示出了根据本公开的示出使后处理系统快速变热的各种方法的另一表格;

图32是使用本公开原理的发动机速度和发动机扭矩与时间的关系的曲线图;

图33是根据本公开的示出添加10kW和19kW热量的温度和加热速率与时间的关系的曲线图;

图34是示出了冷联邦测试规程加热的温度和加热速率与时间的关系的曲线图;

图35是示出基线变热方法的示意图;

图36是示出本专利申请要解决的问题的示意图;

图37是示出在CDA下并以升高的怠速操作发动机的示意图;

图38是根据本公开的变速器系统的示意图,该变速器系统被配置为在CDA下并以升高的怠速操作发动机,同时增加发动机负载并操作电加热器;并且

图39为根据本教导内容的图38的变速器系统的示意图,其示出了为后处理获得热量的各种时间。

具体实施方式

以下公开内容涉及优化后处理效率。如上所述,联邦测试规程(FTP)迫使当前发动机设计趋于需要降低排放物及改善燃料经济性。对低负载循环、使用中的排放物合规和延长的怠速操作的添加提高了这种严格性水平。众所周知,氮氧化物(NOx)后处理系统是温度敏感的。根据催化剂配方,高NOx转化始于220C和280C之间。具体地讲,如图3所示,当选择性催化还原催化剂(SCR)催化剂温度介于300C和450C之间时,NOx转化可具有95%以上的效率。通常在启动时,怠速排气温度可介于110C和150C之间。就这一点而言,需要一定量的时间排气以从通常的排气温度加热至满足期望的95%(或以上)效率目标的升高温度。发动机在该时间量期间的操作对于NOx转化是低效的。在一些示例中,该时间量为约600秒。本公开提供了快速升高排气温度的配置和控制策略,从而使此低效操作时间量最小化并达到期望的95%效率范围。

根据以下讨论可以理解,本公开从驱动附件部件诸如充电系统(交流发电机)和驱动HVAC空气调节器的压缩机的传统“前端附件驱动器”(FEAD)开始更换车辆电气系统。相反,根据本公开的车辆电气系统由变速器副轴驱动。此类配置允许在发动机熄火时滑行的新的操作模式(发动机熄火滑行或EOC),同时仍然通过在发动机停止(放油)并且车辆还在移动时从车轮驱动充电系统来提供电力。

首先参考图1A和图1B,根据本公开的一个示例所构造并且指示标记为10的AMT系统。AMT系统10选择性地联接到燃料控制发动机12(诸如柴油发动机等)、多速度变速齿轮变速器14和驱动地插置在发动机12和变速器14的输入轴18之间的主离合器16。变速器14可以是包括与分段式和/或组合式辅助段串联连接的主变速器段的复合式变速器。这种类型的变速器,尤其是用在重型车辆中的变速器,通常具有9、10、12、13、16或18种前进速度。变速器输出轴20从变速器14向外延伸并且通常通过传动轴24与车辆驱动轮轴22驱动地连接。

主离合器16包括连接到发动机曲轴/飞轮26的驱动部分16A和联接到变速器输入轴18并适于摩擦地接合驱动部分16A的从动部分16B。电子控制单元(ECU)28被提供用于接收输入信号30并根据预定逻辑规则处理该输入信号,以向变速器系统10发出命令输出信号32。系统10还可以包括用于感测发动机12的旋转速度并提供指示该旋转速度的输出信号(ES)的旋转速度传感器34、用于感测输入轴16的旋转速度并提供指示该旋转速度的输出信号(IS)的旋转速度传感器36以及用于感测输出轴20的速度并提供指示该速度的输出信号(OS)的旋转速度传感器38。主离合器16可以由离合器致动器50响应于来自ECU 28的输出信号来控制。

变速器14具有一个或多个主轴段40。该主轴40与输入轴18同轴。变速器14具有第一副轴42和第二副轴44。副轴42和44从输入轴18和主轴40偏移。副轴42和44被示出为彼此偏移,然而在一些示例中,副轴42和44可以彼此同轴。输出轴20可以与主轴40同轴。

第一副轴42由轴承支撑以在变速器14壳体内旋转。变速器14的第一副轴42具有副轴齿轮50、52、54、56和58。第二副轴44由轴承支撑以在变速器14壳体内旋转。变速器14的第二副轴44具有副轴齿轮60、62、64、66和68。变速器40的主轴14具有主轴齿轮70、72、74、76和78。主离合器16可选择性地将扭矩传递到变速器14中。车头碗组离合器84、第一滑动爪形离合器88和第二滑动爪形离合器90可如图2所示左右移动,以连接各种主轴齿轮70-78和副轴齿轮50-58和60-68以便在变速器14内获得期望的驱动齿轮和扭矩路径。

主轴40的右手端可驱动地连接到太阳齿轮110。行星齿轮架112连接到输出轴20或与输出轴成一体,该输出轴通过驱动轮轴22可驱动地连接到车辆牵引轮。环形齿轮118接合由齿轮架112承载的行星小齿轮120。

根据本公开的一个示例,电动发电机140可以选择性地联接到第二副轴44(或变速器动力输出装置PTO)。如本文将理解的,电动发电机140被配置为以两种相反的模式运行。在第一模式中,电动发电机140通过消耗电力来产生机械动力而作为电动机操作。在第二模式中,电动发电机140通过消耗机械动力来产生电力而作为发电机操作。在一种配置中,行星齿轮组件144可联接在第二副轴44和电动发电机140之间。行星齿轮组件144可为具有太阳齿轮150的增速齿轮组件。行星齿轮架152连接到第二副轴44或与第二副轴成一体,该第二副轴可驱动地连接到电动发电机140。环形齿轮156接合由齿轮架152承载的行星小齿轮160。

仅以举例的方式,电动发电机140可为6千瓦-20千瓦、24伏-48伏电动机。电动发电机140最终可由第二副轴44驱动并且电连接到集成电机驱动和转换器170。集成电机驱动和转换器170可提供降压转换和电池管理。在所提供的非限制性示例中,集成电机驱动和转换器170可为24伏-48伏的三相逆变器。第一电池180可电连接到集成电机驱动和转换器170。第二电池182可电连接到集成电机驱动和转换器170。第一电池180可为24伏-48伏电池,其为车辆的各种电池供电部件184(诸如混合制冷、供热通风和空调(HVAC)、空气压缩机、功率转向和其他部件)供电。虽然上述描述设置用于24伏和48伏的具体实施,但在其他示例中,电动发电机及相关部件可被配置用于12伏的操作。此外,在其他示例中,变速器系统10可仅在生成模式下结合交流发电机,而不需要集成电机驱动和转换器170。在附图中,特征部140将为交流发电机。应当理解,变速器系统10可仅使用交流发电机,使得在第二副轴44减速且不加速的情况下,可执行惯性制动和同步。在其他示例中,如本文将理解的,电加热器(图20)具体实施不需要电压调节。电池不是必需的。就这一点而言,电压可在电加热器的操作期间变化。

具体参考图1A至图2,将更详细地描述本公开的附加特征。发动机12包括排气歧管210,该排气歧管将排气引导到后处理组件214,该后处理组件包括涡轮增压器系统220,该涡轮增压器系统具有涡轮222和压缩机224。众所周知,柴油机排气可含有排放物,包括一氧化碳(CO)、未燃烧的烃(HC)、氮氧化物(NOx)和颗粒物诸如烟灰。后处理组件214还可包括柴油氧化催化剂(DOC)230、柴油微粒过滤器(DPF)232和选择性催化还原催化剂(SCR)234。

DOC 230可放置在柴油发动机的排出气流中,并且通常包含铂族金属和/或碱金属。这些催化剂促进OC和HC排放物转化为二氧化碳和水。SCR 234用于转化NOx和N2,并且可包括碱金属并利用氨还原剂,诸如尿素水溶液。尿素水溶液可注入DOC 230下游的排气流中。所形成的氨与SCR 234上的排出气流中的NOx反应以形成N2。DPF 232从发动机排气中收集烟灰。积聚的颗粒在升高的温度下燃烧以再生过滤器。

如图3所示,NOx转化的最佳点通常介于300C至450C之间。就这一点而言,希望在启动时快速加热后处理组件214。本公开的教导内容提供了用于在快速加热模式下操作发动机12的系统和方法。如本文所用,术语“启动”用于表示达到NOx转化的期望最佳点的时间段(300C至450C)。换句话讲,“启动”用于限定从发动机曲柄到达到期望热催化剂温度的时间段。

参考图4,示出了根据本公开的两种后处理(快速)加热模式。后处理加热模式在发动机12上提供额外的负载,以在冷启动时加热后处理系统214,并且直到后处理系统214被加热。相同的功率可递送至轮22,而额外的负载可引导至电池180、182。就这一点而言,电动发电机140可在变速器14上实现负载,这可使发动机12运行变热。如本文将理解的,本公开提供了许多构型和方法,这些构型和方法可以单独使用或组合使用以负载发动机12,从而使其运行变热,并因此将后处理系统214的温度升高至期望的范围。

在一些示例中,如果后处理系统214已变热,则可能不需要考虑启动时的额外负载。控制器250可管理发动机功率、变速器功率路由和电池充电状态。在后处理系统214中提供的热电偶可向控制器250提供指示后处理系统214的温度的信号。应当理解,根据本公开,可通过将功率(在该示例中+20kW)路由至电池180、182来使用能量。应当理解,可以路由其他kW,诸如5kW、10kW、15kW、25kW、50kW或适于在发动机12上产生负载的其他kW。消耗的功率越多,发动机12将越快变热。控制器250可需要连续20kW的功率或将最小值或“底部”保持在20kW的功率。当功率高于20kW时,控制器250可将所有功率引导到轮22并停止对电池180、182充电。就这一点而言,变速器14可将功率引导至轮22或电池180、182。在变速器14将功率引导至正确位置时,发动机12仍可以两种构型发动。在一种构型中,可将功率同时发送给轮22和电池180、182。在另一种构型中,变速器14可在发动时断开对轮22供电。

除此之外或作为另外一种选择,可在本公开的范围内使用其他路由功率的装置。例如,可通过打开发动机风扇、对气罐充电、使用任何车辆附件、打开灯、打开风扇、低效运行变速器14(诸如以未优化的齿轮齿数比和/或阻止减速)等来使用功率(消耗能量)。当控制器250路由附加功率时,发动机12和后处理系统214因此将快速加热以更快地实现更有效的NOx转化(参见图3)。

仅以举例的方式,如图5所示,本公开涉及将发动机加热至实现期望的后处理效率的温度。第一曲线图示出了运行1.5g/kWh的NOx(在发动机输出)校准。第二曲线图示出了运行5g/kWh的NOx(在发动机输出)校准。当运行较高发动机输出NOx校准时,将节省更多燃料。然而,后处理系统将更快地超过在尾管处的期望限制。就这一点而言,当运行5g/kWh的NOx(在发动机输出)校准时,需要在进入循环50秒时实现100%的NOx转化。相似地,当运行1.5g/kWh的NOx(在发动机输出)时,需要在进入循环400秒时(从发动机启动)实现100%的NOx转化。对于2024年的排放物要求,发动机将需要加热400秒(并且更优选地加热50秒)以满足联邦测试规程(FTP)要求。本公开的教导内容提供了快速加热后处理系统214以满足该新要求的解决方案。

从此角度来看,在柴油机配置中,常规加热模式可以花费最多十分钟来达到后处理系统214的期望温度。本公开提供了显著更快地加热后处理系统214的解决方案。本公开的教导内容也可适用于混合动力电动车辆。在一些示例中,教导内容在混合电动配置中特别有用,因为内燃机使用较少并且具有较少快速变热的机会。就这一点而言,与图1A至图2所示相比,电动发电机140的尺寸将会更大。在其他布置结构中,电动发电机140可直接联接到发动机12,而不具有设置在其间的变速器14。此时,电动发电机140可设置在驱动线上需要来自发动机12的负载的任何位置处,从而使发动机较快地达到较高温度。

图6示出了本公开的教导内容的不实施快速加热的系统中的示例性排放循环测试。图6示出了x轴上的时间,左侧y轴上的RPM和右侧y轴上的以NM为单位的扭矩。600秒内的区域被识别为太冷。期望在该区域内快速加热。图7A示出了图6中所示循环期间的涡轮222的出口温度。将图7A与图3中300C至450C的目标催化剂温度进行比较,涡轮222运行温度太冷。图7B示出了SCR效率小于95%,这是不期望的。图7D示出了图7C中所示的热循环的SCR效率。图8A和图8B示出了针对各种发动机操作模式(热管理校准、排出气体再循环(EGR)、气缸停缸(CDA))的涡轮222的出口温度与时间的关系。一般来讲,在300C以上运行SCR 234将花费超过600秒。

图9示出了排放周期期间的功率(扭矩乘以速度)需求的第一曲线图。第二曲线图示出了向第一曲线图添加20kW的功率。发动机沿着第二曲线图运行较热。图10示出了基线扭矩的第一曲线图、新扭矩的第二曲线图和RPM的第三曲线图。新扭矩的第二曲线图匹配图9所示的功率。

图11和图12示出了驱动线功率的第一曲线图、发动机功率的第二曲线图(底部较低)和发动机功率的第三曲线图(连续添加)。图13公开了本公开的附加特征。如本文所讨论的后处理系统需要高温度来有效地操作。热运行发动机是重要的。后处理的焓也是重要的,这基本上是温度乘以排气流量率。为了快速加热,发动机可在温度已经非常热的气缸停缸模式下以更高的速度(诸如1600RPM或2000RPM)运行。高发动机速度将增加催化剂的焓。如图13所示,当发动机负载在3和4制动平均有效压力(巴或对发动机位移归一化的发动机扭矩的测量值)以下时,后处理系统214太冷并且是不期望的。然而,在快速加热模式下运行发动机,诸如在气缸停缸模式下(下文更全面地描述),可以升高后处理温度。

现在进一步参考图14A和图14B,本公开可在气缸停缸模式下操作发动机,以产生更高的发动机负载,并因此产生升高的后处理温度。图14A示出了扭矩与涡轮出口温度的关系。曲线图320示出了在处于正常所有气缸点火模式时的涡轮222的温度。曲线图322示出了在处于气缸停缸模式时的涡轮222的温度。图14B示出了扭矩与制动燃油消耗率(BSFC)的关系。如图所示,在气缸停缸模式下运行发动机12将有利地更快地升高后处理系统214中的温度。此外,在气缸停缸下运行时改善了燃料经济性,这提供了双重益处。

图15示出了发动机飞轮角加速度(即,噪声和/或振动)与发动机速度的关系。曲线图340示出了所有气缸(在该示例六中)的正常点火。曲线图342示出了第一气缸停缸模式,其中三个气缸正在点火(CDA下的三个气缸)。如本文所用,术语“点火”用于表示气缸接收燃料并操作以提供功率。曲线图344示出了第二气缸停缸模式,其中两个气缸正在点火(CDA下的四个气缸)。曲线图346示出了第三气缸停缸模式,其中四个气缸正在点火(CDA下的两个气缸)。

在线350和352之间识别出可接受的噪声和振动范围。如图所示,第二气缸停缸模式和第三气缸停缸模式(分别为两个气缸或四个气缸点火)在600和750发动机RPM之间的可接受噪声和振动范围内。进一步解释,在怠速期间,优选的气缸停缸模式是第二(两个气缸点火)和第三(四个气缸点火)气缸停缸模式。就这一点而言,这些启动时的气缸停缸模式将影响后处理的更快加热、经改善的燃料经济性(相对于正常所有气缸点火模式)并且在可接受的噪声振动范围内。此外,相对于所有气缸点火模式,在第二气缸和第三气缸停缸模式下运行发动机实际上提供了经改善的噪声振动。当然,一旦发动机负载达到3巴和4巴之间,控制器250就不再需要在气缸停缸模式下操作,因为后处理系统214已经达到期望的温度。

图16至图23示出了本公开的附加特征,其使用电再生附件驱动器(eRAD)和电加热器(eHeater)进行快速加热。在当前现有技术的具体实施中,加热后处理组件需要约10.5分钟。根据本申请,电动发电机140可为eRAD,该eRAD能够以12kW至25kW负载发动机12。eRAD可被配置为将功率发送到排气中的电排气加热器。作为另外一种选择,可使用该功率加电池180、182中已有的功率来进行排气加热。换句话说,发动机12可在某个负载下运行。该负载可通过eRAD运行并转换为电热。结果,这将加热通过后处理组件214运行的排出气体。

图16示出了第一场景。目的是在后处理组件214中实现预定量的热量(焓)。该过程可在约2至3分钟内完成,并且产生约30kW的能量以加热排气。eRAD具有12.5kW的增量轴功率,来自发动机排气的19.2kW加上来自电加热器的10kW等于29.2kW的排气。加热时间为约2.7分钟,达到1.3kWh。在使用eRAD的25kW增量轴功率的另一种场景中(图17),来自发动机排气的30.6kW加上来自电加热器的20kW等于50.6kW的排气。加热时间为约1.5分钟,达到1.3kWh。可以理解,在后处理组件214处具有较高kW,例如50.6kW(图17)对29.2kW(图16),达到1.3kWh的目标更快地实现。虽然本文使用1.3kWh小时,但应当理解,可以使用相同的原理在1kWh和2kWh之间实现。另外,来自电池的加热器功率将缩短上述时间。电池在先前的滑行事件中可从再生充电而不损失燃料。

还可以设想的是,如果排气流中存在电元件,则这可用于喷涂尿素以蒸发尿素从而更快地注入尿素。本教导内容可与尿素注入结合使用,其中尿素注入到电加热器上以有助于蒸发,使得尿素可在冷循环中更早地注入。附图中所示的分析针对6.7升柴油机。预期本教导内容可用于包括15升在内的其他置换柴油机。发动机12可以在高怠速下以气缸停缸(CDA)运行,以将后处理的排气功率几乎翻四倍。

图18示出了展示额定功率在不到一分钟内变热的背景数据。在所示的示例中,额定条件具有2500RPM、736英尺磅的力、710摄氏度的TIT、506摄氏度的TOT以及每分钟24.46千克的排气流量。在额定功率和速度下运行时,SCR非常快速地加热至35秒时的200摄氏度和57秒时的300摄氏度。图19示出了针对SCR催化剂的温度对时间,该SCR催化剂的温度即使在添加气缸停缸数时也在怠速下运行延长时间段时降低。

现在参考图19至图34,将描述本申请的附加特征。虽然前面的描述解释了用于在启动时升高后处理系统的温度的系统和方法,但下面的描述描述了用于在启动之后诸如在怠速期间保持后处理系统的热温度的系统和方法。出于本公开的目的,“怠速”用于表示零发动机扭矩,而不管车辆速度如何。同样,如本文所用,“热温度”用于表示满足后处理系统的温度,该后处理系统在满足可接受操作的温度下操作。如本文将描述的,本公开的系统和方法使用气缸停缸(CDA)和升高的每分钟发动机怠速转数(RPM)以在发动机上间歇发电机负载的情况下保持热,和/或使用电加热器以在启动之后诸如在怠速及之后期间将后处理系统保持在可接受的升高(热)温度。

参考图19,SCR催化剂在怠速下运行较长时间时将降低温度,即使在添加气缸停缸(CDA)时也是如此。希望避免该温度在以怠速运行及之后期间(诸如在正常驾驶条件期间)降低,以保持后处理系统的有效操作。虽然后处理系统将趋于在CDA下保持热(诸如在这种情况下为2个气缸点火),但最终温度将下降至期望的水平以下(在这种情况下为低于250摄氏度)。

参照图20和图21所示,本申请可结合以升高的怠速在CDA下操作发动机502来激活电加热器(电加热器)500,以在后处理系统(ATS)510中产生升高的功率(在该示例中为29kW),并因此产生升高的热量。控制器250(图1)可在后处理加热模式下操作,使得ATS 510加热至升高的温度。从而基于升高的温度减少排放物。控制器250被配置为在发动机12启动的两分钟内加热ATS 510以达到介于1千瓦时(kWh)和2kWh之间的焓。在所示的具体示例中,ATS 510被加热以实现约1.3kWh的焓。目标焓通过以下方式来实现:在CDA下操作发动机12;以升高的怠速转速操作发动机12;以及在阈值功率下操作附件设备(电加热器500)。仅以举例的方式,升高的怠速可介于轻型卡车的约1200RPM和中型卡车的1500RPM之间。本领域的技术人员将理解,特定发动机的校准怠速以上的发动机速度在本申请的范围内。以举例的方式,电加热器500可以是10kW的电加热器。在一个示例中,在CDA下并以升高的怠速操作发动机可以提供介于约8千瓦和10千瓦之间的功率。假定从机械到电的80%转换可从电加热器产生约10kW,使电加热器500在12.5kW下运行。另外,可通过让发动机12更努力地运转来实现约10kW的排气焓。就这一点而言,控制器250可以上述方式操作发动机12和电加热器500,以达到约29kW的功率,从而满足1.3kWh的焓目标。

在一些系统中,电加热器500可使后处理温度每秒增加约1.5摄氏度。就这一点而言,后处理系统510可在约一至两分钟内从约250摄氏度加热至约350摄氏度(使用CDA和电加热器500)。在所示的示例中,后处理系统510可以在约25分钟内冷却(在该示例中,在CDA下两个气缸点火,没有电加热器500)回到约250摄氏度。因此,本方法提供了使用电加热器500循环进出(开和关)的方法,以不仅在启动时而在之后的延长(无限)时间段内,在怠速时保持250摄氏度以上的可接受的后处理温度。

参照图22,添加19kW的热量,使得后处理系统510每秒增加约1.5摄氏度的温度。线512指示具有CDA的SCR温度。在接通电加热器500的情况下,可产生19kW的热量。虽然图27中的曲线图特定于在启动时变热,但是根据本申请的各种方法使用相同的原理来保持热。线514表示具有CDA的SCR温度,并且电加热器500接通导致在78秒之后达到250摄氏度。参见箭头516。此时,可关闭电加热器500。

返回图21,如果发动机502保持怠速,则ATS 510的温度将趋于最终降低到期望的250摄氏度温度以下(在该示例中,保压时间520为约25分钟)。本公开预计该不期望的温度下降并打开电加热器500,以在CDA加上电加热器影响时间522期间重新升高后处理系统510中的温度,从而甚至在启动之后在延长的(无限的)时间段内保持可接受的升高的温度。值得注意的是,本申请的系统和方法不需要图20中标识的电池530。换句话讲,不需要48伏的调节。电压可在加热电加热器500期间变化。电加热器500基本上作为加热装置操作,并且将获取给予其的任何功率。在高速公路上,卡车通常具有12伏的电池,而总线通常具有24伏的电池。电动发电机是现在电池的二至四倍(以达到48伏)。同样,电加热器500可采用任何电压。就这一点而言,大于48伏的电压也可为电加热器接受。

图23示出了使用另一种方法进行加热的联邦测试规程,这种方法通过添加气缸停缸以在249秒时达到250摄氏度来操作本公开的系统。图24示出了示出在发动机启动时的氮氧化物的联邦测试规程。图25示出了添加10kW热量以在104秒时达到250摄氏度的方法。图26A和图26B示出了启用紧密偶联催化剂从而允许SCR脱硫的气缸停缸。图26C示出了根据本公开的两种示例性催化剂配置。图27A是氮氧化物对时间的曲线图,其示出了将一个SCR向上游移动以使变热更快的效果。图27B是累积氮氧化物对时间的曲线图,其示出了将一个SCR向上游移动以使变热更快的效果。图28是具有CDA的紧密偶联SCR和不具有CDA的当前SCR的温度对时间的曲线图。图29是具有CDA的紧密偶联SCR和不具有CDA的当前SCR的温度与时间的关系的曲线图,其示出了具有低氮氧化物数量级和节省5%二氧化碳的低负载循环。图30示出了根据本公开的示出使后处理系统快速变热的各种方法的表格。图31示出了根据本公开的示出使后处理系统快速变热的各种方法的另一表格。图32是使用本公开原理的发动机速度和发动机扭矩与时间的关系的曲线图。图33是根据本公开的示出添加10kW和19kW热量的温度和加热速率与时间的关系的曲线图。图34是示出了冷联邦测试规程加热的温度和加热速率与时间的关系的曲线图。

现在转到图35至图39,将描述附加特征。图35示出了现在在变热方法期间的基线发动机。图35所示的方法需要约60%的附加发动机燃料来实现(与不运行变热方法相比)。在变热期间,从发动机12向后处理214提供约7.4kW的焓,该后处理在约10.5分钟内加热后处理214。为了进行比较(未运行变热),在正常操作(燃料经济模式)期间,将约2.5kW的焓从发动机12发送到后处理214。现在参见图36,示出了本申请提出要解决的问题。目标是达到1kWh至2kWh来加热,使用1.3kWh作为基线。需要更高等级的热量。一种方法包括以升高的怠速运行CDA(如上所述),从而允许发动机热量在CDA下并以升高的怠速操作以达到9.2kWh(参见图20)。这比图35所示的基线(7.4kWh)多24%的热量。就这一点而言,以CDA和升高的怠速运行是对图35的教导内容的改进,但本教导内容诸如图37所示的教导内容在减少的时间段内提供甚至更多的焓。如图38所示,变速器系统使用CDA和升高的怠速(如图36所解释的)来操作,但是也增加了发动机负载和电加热器500(图20)输入。就这一点而言,通过操作CDA和升高的怠速来提供9.2kW的焓。向其中添加提供10kW的电加热器500。线材610电连接电动发电机140和电加热器500。

如图38所示,将12.5kWh提供给发动机12以运行电动发电机140。来自在CDA下并以升高的怠速运行的发动机热量提供9.2kW,来自在额外负载下运行发动机12的发动机热量为10kW,并且来自电加热器500的热量提供10kW,所有这些都共同增加到29.2kW。在29.2kW下,后处理214可加热至2.7分钟。

在另外的具体实施中,可提供低负载循环期间的CDA和附件负载,诸如在所提出的监管低负载循环(CARB和EPA)下,这比现有技术的状态减少大约90%。此外,本教导内容可减小延长的怠速极限。具体地讲,当天包括每小时30加仑。本教导内容可用于在2024年实现10加仑/小时,并且在2027年及以上的时间内实现小于10加仑/小时。延长的怠速可包括约15分钟。设想了其他时间范围。

已出于说明和描述的目的提供了这些示例的上述描述。并非意图是详尽的或限制本公开。特定示例的各个元件或特征通常不限于该特定示例,而是在适用的情况下是可互换的并且可用于所选示例中,即使未具体示出或描述也是如此。其可也按许多方式进行改变。此类变型形式不应被视为脱离了本公开,并且所有此类修改形式都旨在被包括在本公开的范围内。

58页详细技术资料下载
上一篇:一种医用注射器针头装配设备
下一篇:非轴对称次级管道部分

网友询问留言

已有0条留言

还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!

精彩留言,会给你点赞!