CN100582450C - 柴油机排气系统可倒转微粒过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有柴油机的车辆的排气系统中的柴油机微粒过滤器。所述微粒过滤器可能具有通过再生过程烧掉的碳烟，并可通过有选择地在排气系统中倒转柴油机微粒过滤器或其结构块来对灰烬聚积进行维护。

Description

柴油机排气系统可倒转微粒过滤器

技术领域

本发明总地涉及具有柴油机的车辆中的排气系统。

背景技术

近来使用柴油机的车辆的排放规定限制了车辆可排放的碳烟量。碳烟作为柴油燃烧的副产物，与车辆尾气一起排放。添加到排气系统的柴油机微粒过滤器(也称为捕集器)充分地限制了碳烟的排放以满足规定。

柴油机微粒过滤器通过在允许废气通过时收集碳烟来工作。当车辆运行时，那么碳烟就在过滤器中聚积。需要周期性地除去该碳烟以确保过滤器不会堵塞。堵塞的过滤器可能会给自身或发动机带来损坏。过滤器中聚积的碳烟可通过称为再生的方法来去除。通过将柴油机微粒过滤器加热至碳烟会烧掉的温度执行再生，从而清理了过滤器。

不幸的是，柴油机微粒过滤器中往往还会收集灰烬(ash)。灰烬与碳烟不同。在发动机运行期间，柴油机中使用的润滑油沿着其路线进入发动机气缸。该润滑油包括添加剂。当燃烧期间润滑油燃烧时，添加剂以灰烬的形式与碳烟一起离开发动机气缸流入排气系统。柴油机排气组件中通常使用的柴油机氧化催化剂为流通式催化剂(flow through catalyst)，因此灰烬和碳烟不会在其中聚积。但是柴油机微粒过滤器的蜂窝结构会收集灰烬与碳烟。如上所述，通过再生过程能够烧掉碳烟，但是在该过程中无法烧掉灰烬。车辆运行了很多里程之后，柴油机微粒过滤器中聚积的灰烬会使排气系统中的背压过高。

当柴油机微粒过滤器无法正常运行时必须修理(如果还能用)或置换。置换柴油机过滤器是非常昂贵的，所以如果过滤器能够维护就不置换。但是通过拆卸柴油机微粒过滤器组件，再从结构块(蜂窝结构)清理灰烬的维护也是种不太理想的耗时费钱的方案。

因此，需要提供一种使用柴油机微粒过滤器的排气系统，其具有使柴油机排气系统持续使用尽可能多的车辆行程里程，同时使由于灰烬聚积引起的置换或维护成本最小的装置。

发明内容

一实施例示出了用于具有柴油机的车辆的排气系统。该排气系统可包括：柴油机微粒过滤器，具有第一端和相对的第二端；第一管，位于所述柴油机微粒过滤器的上游，用于将废气导入所述微粒过滤器；以及第二管，位于所述柴油机微粒过滤器的下游，用于接收所述微粒过滤器的废气。该排气系统还可包括：第一安装法兰，固定于所述柴油机微粒过滤器的第一端，可安装在所述第一管或所述第二管上，并且安装在所述第一管和所述第二管中的一个之上；以及第二安装法兰，固定于所述柴油机微粒过滤器的第二端，可安装在所述第一管或所述第二管上，并且安装在所述第一管和所述第二管中的另一个之上，其中所述第一安装法兰可从所述第一管和第二管中的一个移除，并可重新安装在所述第一管和第二管中的另一个之上，并且所述第二安装法兰可从所述第一管和第二管中的该另一个移除，并可重新安装在所述第一管和第二管中的该一个之上，从而允许所述柴油机微粒过滤器在所述排气系统中倒转，并且所述排气系统还包括可操作以检测与所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积相关的至少一个参数并且可操作以确定所述柴油机微粒过滤器是否需要倒转或置换的控制器。

一实施例示出了用于监测和维护具有柴油机的车辆的排气系统中可能满载有灰烬的柴油机微粒过滤器的方法，该方法包括下列步骤：监测表示所述微粒过滤器中灰烬聚积的至少一个参数；根据所述至少一个参数确定是否由于所述柴油机过滤器中的灰烬聚积需要采取动作；当步骤确定需要采取动作时指示需要维护所述柴油机微粒过滤器；以及当指示需要维护并且希望倒转时，倒转废气流过所述柴油机微粒过滤器中结构块的方向。

一实施例示出了用于再生和维护具有柴油机的车辆的排气系统中柴油机微粒过滤器的方法，所述方法包括：(a)以正常运行模式运行所述柴油机和排气系统；(b)当以正常运行模式运行时，监测表示所述柴油机微粒过滤器中碳烟聚积的至少一个碳烟参数；(c)监测表示所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积的至少一个灰烬参数；(d)根据所述至少一个碳烟参数确定何时所述柴油机微粒过滤器需要再生；(e)如果在步骤(d)中确定所述柴油机微粒过滤器需要再生，那么以再生模式运行所述车辆；(f)根据所述至少一个灰烬参数确定是否由于所述柴油机微粒过滤器中的灰烬聚积而需要采取动作；以及(g)当步骤(f)确定需要采取动作时，倒转通过所述柴油机微粒过滤器中结构块的废气流的方向。

实施例的优点为显著地提高了柴油机微粒过滤器的使用寿命。

实施例的优点为使延长柴油机微粒过滤器使用寿命的成本最小。

附图说明

图1为具有柴油机的车辆及一部分车辆排气系统的示意图；

图2为柴油机微粒过滤器的侧视图；

图3为沿图2中3-3线的截面图；

图4为示出微粒过滤器监控和倒转过程的流程图；

图5为类似于图4的流程图，但是示出的是可选实施例。

具体实施方式

图1示出了具有发动机舱22的车辆20，柴油机24安装在发动机舱22中。柴油机24驱动变速器26，变速器26随后驱动车辆传动系28，最后驱动车轮30。控制器32操作地接合柴油机24与变速器26。控制器32可由一个或多个独立的控制器构成，并可由软硬件的各种组合形成，如本领域技术人员所公知的。

排气系统34从柴油机24接收废气36，处理废气36后再将其从车辆20排入大气。更具体地，排气管42在上游端连接到传统排气系统设备(未示出)如涡轮增压器(未示出)，其从发动机24上的排气歧管(未示出)接收废气。排气管42将废气36排入柴油机氧化转化器44(也称为柴油机氧化催化剂)。柴油机氧化转化器44处理废气36，以降低排入大气的某些成分的量。这种成分可为，如一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(HC)。车辆及其上述部件对于本领域的技术人员是公知的，所以这里不再更加详细地描述。

第一中间管38连接到柴油机氧化转化器44的下游端，并将废气36导入柴油机微粒过滤器50(也称为柴油机微粒捕集器)。柴油机微粒过滤器50主要为用于从废气收集(即，捕集)碳烟(也称为柴油机微粒物质)以使废气36中的碳烟量最小的过滤器。柴油机微粒过滤器50的下游为第二中间管40。第二中间管40将废气36导入消声器46。消声器将废气导入排气尾管48，排气尾管48延伸至废气36从车辆20排放进大气的开口下游端。

排气系统34还可包括上游压力传感器80，其安装在紧邻废气进入柴油机微粒过滤器50的入口之前，以便在废气刚刚进入过滤器50之前测量废气流压力。在排气系统34中废气恰好从柴油机微粒过滤器50离开之后的出口可以安装有下游压力传感器82，以便测量离开过滤器50之后的废气流压力。上下游压力传感器802都与控制器32通信。控制器32还可与柴油机24和变速器26的各种部件通信，如本领域的技术人员所知的。控制器32还可连接到安装在如仪表板(未示出)上的指示灯33。

现在参考图1-3更加详细地描述柴油机微粒过滤器50。微粒过滤器50包括外壳(也称为罩壳)52，其具有安装在上游端上的入口锥形56与下游端的出口锥形58之间的通常为圆柱形的壳体54。环绕着壳体54的内侧安装有结构块支撑材料60，其支撑结构块62。结构块62可为壁流蜂窝结构，具有面向由入口锥形56确定的入口通道66的上游端64和面向由出口锥形58确定的出口通道70的下游端68。环绕结构块62的一部分还可安装有支撑环72。柴油机微粒过滤器50可为催化式的或非催化式的。如果是催化式的，那么在入口通道和出口通道都必须均匀地应用催化剂涂层。

柴油机微粒过滤器50包括上游端上的第一安装法兰74和下游端上的第二安装法兰76。安装法兰74、76都可连接到第一第二中间管38、40中任意一个。这些法兰74、76还优选为允许柴油机微粒过滤器50移涂和重装的形式。安装法兰74、76可为如V形弯头法兰。由于允许柴油机微粒过滤器50移除、倒转和重装可使用许多种类型的安装法兰74、76，所以这仅仅是一个例子。此外，这里使用的术语安装法兰应当广泛地理解为包括可安装柴油机微粒过滤器50的许多已知的排气管接头。

图4示出了延长图1-3的排气系统34中所示柴油机微粒过滤器50使用寿命的方法。当柴油机24运行时，废气36从发动机24流过柴油机氧化转化器44、柴油机微粒过滤器50、消声器46，通过排气尾管48排入大气。当废气流过排气系统34时，碳烟和灰烬收集在柴油机微粒过滤器50的结构块62中，并随着时间的过去而聚积。那么，需要确定何时碳烟和何时灰烬已经聚积至需要采取动作的水平。因此，步骤100监测用于确定碳烟聚积量的一个或多个参数，步骤102监测用于确定灰烬聚积量的一个或多个参数。

步骤104在(多个)碳烟聚积参数与(多个)预定阈值之间作比较以确定是否需要碳烟再生。如果不需要，那么步骤108在(多个)灰烬聚积参数与(多个)预定阈值之间作比较以确定是否需要由于灰烬聚积而采取动作。如果不需要，那么继续监测。

在某些点，确定需要烧掉碳烟(即，过滤器再生)(步骤104)，以避免柴油机微粒过滤器50堵塞。可基于几个因素(参数)的一个或多个确定何时启动再生模式。例如，自从上次再生过程发生之后，控制器32可跟踪发动机运行时间、车辆里程或燃料消耗，并在发动机运行时间、车辆里程或燃料消耗的预定量之后启动再生过程，视情况而定。又例如，控制器32可通过计算上游压力传感器80与下游压力传感器82之间的测量压力的差来确定穿过微粒过滤器50的压降，当穿过微粒过滤器50的压降达到预定压力差时启动再生过程。或者，控制器32可采用基于两或多个前述因素或其它因素的某种组合估计碳烟聚积量的碳烟再生算法。

当确定微粒过滤器50需要再生时，步骤106中控制器32开始再生过程。控制器32通过各种已知的方法启动再生过程。控制器32采取的特定动作可基于发动机和车辆的运行条件以及环境条件。柴油机微粒过滤器50的温度上升至足以引起碳烟烧掉。控制器32继续该过程，直到达到所需的再生量。这可基于如达到穿过微粒过滤器50的预定压降、预定长度的再生时间或估计所达到碳烟烧掉量的碳烟再生算法。

在某些点，确定灰烬聚积足以需要采取动作(步骤108)。人们会注意到，可预计由于碳烟的再生发生得远比解决灰烬聚积所需的所有动作频繁。例如，碳烟再生可能每次油箱加油时都会发生，而由于灰烬聚积采取的动作直到车辆行驶大约200,000千米时才会需要。灰烬聚积需要采取动作的确定可基于如测量穿过柴油机微粒过滤器50的压降——尤其是即使在碳烟再生之后压降仍超过预定阈值。其它可能确定因素的实例可为柴油机微粒过滤器处于相同方向达到一定里程，或者柴油机24燃料消耗的增加。或者，可使用两或三个这些因素或其它因素的组合来做出该确定。使用的具体因素和阈值可依据应用该方法的具体车辆、发动机和排气系统。

如果灰烬聚积需要采取动作，那么步骤110提供柴油机微粒过滤器需要倒转或置换的指示。该指示可为如照明仪表板(未示出)上照明的灯33，或者发送至能电邮操作者该需求的计算机网络(未示出)的无线数据传输。当然，如果需要，还可使用其它类型能通知车辆操作者对灰烬聚积采取动作的需求的指示器。

通过过滤器50中结构块62的壁流蜂窝结构，聚积的灰烬往往聚积在结构块62的上游端64附近。因此，倒转整个过滤器50(或只倒转结构块62)会使结构块62具有最多灰烬聚积的部分(起初为上游的那端)位于面向出口通道70的下游端上。这将允许当废气流36从结构块62进入出口通道70时吹出聚积的灰烬。如上所述，第一和第二安装法兰74、76都可连接到第一中间管38或第二中间管40，并允许柴油机微粒过滤器50的移除和重装。

因此，步骤112做出确定是否需要倒转。如果不需要倒转过滤器50，那么步骤116置换柴油机微粒过滤器50。如果需要倒转过滤器50，那么在步骤114中，将其从排气系统34移除，倒转(即，从其初始方向转动180°)，然后重新安装在排气系统34中。然后可重新设定控制器32，并再次启动该过程。

置换而不是倒转过滤器50的原因可以是例如之前已经倒转过至少一次，并对于特定车辆、发动机与过滤器组合，不希望再将其倒转额外次数。其它的原因可以是例如微粒过滤器50堵塞了，而不只是充满了灰烬。过滤器50满载表示对灰烬聚积是该采取一些动作的时候了——发动机和排气系统仍能运行，但效率稍微有些下降。堵塞表示过滤器50无法再运行——在该情形下，发动机和排气系统运行状况非常恶劣，或者根本无法运行。当然，由于通常倒转的成本显著地低于置换的成本，所以优选倒转过滤器50。

图5示出了类似于图4的可选方法。在该实施例中，与图4中相类似的步骤也类似地标注，但使用200系列的数字。该方法实质上将处理灰烬聚积的过程与处理碳烟聚积的过程分开。由于碳烟再生发生得相对地频繁，而灰烬聚积在整个车辆寿命期间可能只需要一或两次，所以可能需要这种分离的过程。

步骤202监测灰烬聚积的(多个)参数。步骤208中在(多个)灰烬聚积参数与(多个)预定阈值之间作出比较以确定是否由于灰烬聚积需要采取动作。如果不需要，那么继续监测。如果灰烬聚积需要采取动作，那么步骤210提供柴油机微粒过滤器需要倒转或置换的指示。步骤212作出是否希望倒转的确定。如果不希望倒转过滤器50，那么步骤216置换过滤器50。如果希望倒转过滤器50，那么步骤214中将过滤器50从排气系统34移除，倒转(即，从其初始方向转动180°)，然后重新安装进排气系统34。

对于上述过程，可能存在可选的方式完成某些步骤。例如，该过程包括通过倒转满载灰烬的柴油机微粒过滤器50但重新安装进其它车辆的维护技术。作为另一可选方案，该过程可包括在重新安装之前去除灰烬。作为再一可选方案，该过程可包括移除柴油机微粒过滤器50，打开外壳52，移除结构块62并沿倒转方向重新安装进外壳52中，然后将外壳52沿相同方向重新安装进排气系统34中。或者，作为其它可选方案，外壳52可保持与排气系统34连接但是被打开，移除结构块62，倒转并重新插入，然后再封闭外壳52。

尽管已经详细描述了本发明的具体实施例，但是本发明所属领域的技术人员会认识到由所附权利要求限定的实现本发明的各种可选设计和实施方式。

Claims (18)

1.一种用于具有柴油机的车辆的排气系统，包括：

柴油机微粒过滤器，具有第一端和相对的第二端；

第一管，位于所述柴油机微粒过滤器的上游，用于将废气导入所述柴油机微粒过滤器；

第二管，位于所述柴油机微粒过滤器的下游，用于接收来自所述柴油机微粒过滤器的废气；

第一安装法兰，安装于所述柴油机微粒过滤器的第一端上，可安装在所述第一管或所述第二管上，并且安装在所述第一管和所述第二管中的一个之上；以及

第二安装法兰，安装于所述柴油机微粒过滤器的第二端上，可安装在所述第一管或所述第二管上，并且安装在所述第一管和所述第二管中的另一个之上，

其中所述第一安装法兰可从所述第一管和第二管中的一个移除，并可重新安装在所述第一管和第二管中的另一个之上，并且所述第二安装法兰可从所述第一管和第二管中的该另一个移除，并可重新安装在所述第一管和第二管中的该一个之上，从而允许所述柴油机微粒过滤器在所述排气系统中倒转，并且

所述排气系统还包括可操作以检测与所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积相关的至少一个参数并且可操作以确定所述柴油机微粒过滤器是否需要倒转或置换的控制器。

2.如权利要求1所述的排气系统，其中所述柴油机微粒过滤器包括具有壁流蜂窝结构的结构块。

3.如权利要求1所述的排气系统，包括连接到所述第一管的上游端的柴油机氧化转化器。

4.如权利要求1所述的排气系统，包括连接到所述第二管的下游端的消声器。

5.如权利要求1所述的排气系统，其中所述柴油机微粒过滤器包括具有入口通道的外壳和安装所述外壳中并具有第一端和相对的第二端的结构块，所述结构块可选择性地沿使所述第一端面向所述入口通道的第一方向和沿使所述第二端面向所述入口通道的第二方向安装在所述外壳中。

6.如权利要求1所述的排气系统，包括控制器、位于所述第一管附近并可操作以测量废气中上游压力的上游压力传感器、和位于所述第二管附近并可操作以测量废气中下游压力的下游压力传感器，所述上游压力传感器和下游压力传感器与控制器通信。

7.如权利要求1所述的排气系统，包括可操作以检测与所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积相关的至少一个参数并且可操作以确定所述柴油机微粒过滤器是否需要倒转或置换的控制器。

8.一种用于监测和维护具有柴油机的车辆的排气系统中可能变得满载灰烬的柴油机微粒过滤器的方法，所述方法包括下列步骤：

(a)监测表示所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积的至少一个参数；

(b)根据所述至少一个参数确定是否由于所述柴油机过滤器中的灰烬聚积需要采取动作；

(c)当步骤(b)中确定需要采取动作时指示需要维护所述柴油机微粒过滤器；以及

(d)当步骤(c)中指示需要维护并且希望倒转时，倒转通过所述柴油机微粒过滤器中结构块的废气流方向。

9.如权利要求8所述的方法，其中步骤(a)由该至少一个参数、至少包括车辆行程里程来进一步限定。

10.如权利要求8所述的方法，其中步骤(a)由该至少一个参数至少包括检测所述柴油机微粒过滤器上游端与下游端之间压力差来进一步限定。

11.如权利要求8所述的方法，其中步骤(d)通过从所述柴油机微粒过滤器的外壳移除所述结构块，并沿倒转方向重新安装所述结构块来进一步限定。

12.如权利要求8所述的方法，其中步骤(d)通过从所述排气系统移除所述柴油机微粒过滤器，并沿相反方向将所述柴油机微粒过滤器重新安装进所述排气系统来进一步限定。

13.如权利要求8所述的方法，其中步骤(d)通过如果通过所述柴油机微粒过滤器中所述结构块的废气流方向之前未倒转过则希望倒转来进一步限定。

14.如权利要求8所述的方法，还包括下列步骤：(e)当步骤(c)指示需要维护，并且不希望倒转通过所述结构块的废气流方向时，置换所述排气系统中的所述柴油机微粒过滤器。

15.如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)由需要维护的指示包括点亮车辆上的指示灯来进一步限定。

16.一种用于再生和维护具有柴油机的车辆的排气系统中柴油机微粒过滤器的方法，所述方法包括：

(a)以正常运行模式运行所述柴油机和排气系统；

(b)当以正常运行模式运行时，监测表示所述柴油机微粒过滤器中碳烟聚积的至少一个碳烟参数；

(c)监测表示所述柴油机微粒过滤器中灰烬聚积的至少一个灰烬参数；

(d)根据所述至少一个碳烟参数确定何时所述柴油机微粒过滤器需要再生；

(e)如果在步骤(d)中确定所述柴油机微粒过滤器需要再生，那么以再生模式运行所述车辆；

(f)根据所述至少一个灰烬参数确定是否由于所述柴油机微粒过滤器中的灰烬聚积而需要采取动作；以及

(g)当步骤(f)确定需要来取动作时，倒转通过所述柴油机微粒过滤器中结构块的废气流的方向。

17.如权利要求16所述的方法，其中步骤(g)通过从所述柴油机微粒过滤器的外壳移除所述结构块，并沿倒转方向重新安装所述结构块来进一步限定。

18.如权利要求16所述的方法，其中步骤(g)通过从所述排气系统移除所述柴油机微粒过滤器，并沿相反方向将所述柴油机微粒过滤器重新安装进所述排气系统来进一步限定。

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