CN101324200A - 电加热微粒过滤器诊断系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种诊断电加热微粒过滤器再生的系统。该系统通常包括栅格模块，其基于电流信号和电压信号中的至少一个信号而诊断栅格的故障。诊断模块基于栅格的故障而做出设置故障状态和产生报警信号中的至少一个动作。

Description

电加热微粒过滤器诊断系统和方法
技术领域
政府权益的声明：
本发明根据美国政府与能源部(DoE)的合同No DE-FC-04-03AL67635而产生。美国政府具有本发明的某些权益。
本发明公开涉及用于诊断微粒过滤器(particular filter)的方法和系统。
背景技术
在这部分中的陈述仅仅提供与本发明公开相关联的背景信息，并且可组成当前技术。
柴油发动机通常由于提高的压缩比和柴油燃料更高的能量密度而具有比汽油发动机更高的效率。柴油燃烧循环产生微粒，其通常被设置在排气流中的微粒过滤器(PF)从柴油排气中过滤掉。随着时间的逝去，PF变满了，并且必须除去俘获的柴油微粒。在再生(regeneration)期间，柴油微粒在PF中进行燃烧。
某些再生方法通过前表面加热器点燃存在于PF前表面(front face)上的微粒材料。这样利用燃烧存在于PF加热面附近的微粒物质所产生的热量，或者通过穿过PF的加热排气就可实现存在于PF内部的微粒物质的再生。为了确保正确的再生，应该在所需温度下点燃微粒物质。当起动没有达到最佳温度时，因而发生低效率的再生，导致微粒物质累积在PF中。
发明内容
因此，本发明提供了一种诊断电加热(electrically heated)微粒过滤器再生的系统。该系统通常包括栅格模块(grid module)，其基于电流信号和电压信号中的至少一个信号而诊断栅格的故障。诊断模块(diagnostic module)基于栅格的故障而做出设置故障状态和产生报警信号中的至少一个动作。
在其它特征中，提供了一种诊断电加热的柴油微粒过滤器的方法。该方法通常包括：基于电流信号和电压信号中的至少一个信号而诊断栅格的故障；并基于栅格的故障而设置故障状态。
从本文提供的细节描述中将进一步明晰适用领域。应该懂得，细节描述和特定的示例仅仅只用于举例说明的目的，而并不意图限制本发明公开的范围。
附图说明
这里所述的图纸只是出于举例说明的目的，而决非意图限制本发明公开的范围。
图1是一种示例性车辆的功能框图，其包括根据本发明公开各个方面的微粒过滤器和微粒过滤器再生诊断系统。
图2是示例性壁流式单块微粒过滤器的截面图。
图3包括示例性微粒过滤器的前表面的透视图，其显示了阻抗路径的各种图案。
图4是示例性微粒过滤器前表面和示例性加热器插件的透视图。
图5是包括传导涂层的图2所示微粒过滤器的一部分的截面图。
图6是数据流程图，其显示了根据本发明公开各个方面的示例性微粒过滤器再生诊断系统。
图7是流程图，其显示了根据本发明公开的各个方面的示例性微粒过滤器再生诊断方法。
具体实施方式
以下描述在性质上仅仅是示例性的，并且并不意图限制本发明公开、应用或用途。应该懂得，在全部图纸中，相应的标号表示相似的或相应的部件和特征。如此处所用，词语模块指特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、可执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或集群的)及内存、组合逻辑电路和/或任何其它提供所述功能的合适的器件。
现在参看图1，其显示了一种根据本发明公开的各个方面的典型车辆10，其包括柴油发动机系统11。应该懂得，柴油发动机系统11在性质上仅仅是示例性的，并且这里所述的微粒过滤器再生诊断系统可在各种装备了微粒过滤器的发动机系统中实现。这种发动机系统可包括，但不局限于汽油直接喷射式发动机系统和均质充量压缩点火发动机系统。出于讨论方便的目的，本发明公开将在柴油发动机系统范围内进行论述。
涡轮增压的柴油发动机系统11包括发动机12，其燃烧空气和燃料混合物，以产生驱动扭矩。空气通过穿过空气过滤器14而进入系统中。空气穿过空气过滤器14，并被吸入到涡轮增压器18中。涡轮增压器18压缩进入系统11中的新鲜空气。通常空气的压缩越大，发动机12的输出越大。然后压缩空气在进入到进气歧管22中之前穿过空气冷却器20。
进气歧管22中的空气被分布到气缸26中。虽然显示了四个气缸26，但是应该懂得本发明公开的系统和方法可在具有多个气缸的发动机中实现，包括但并不局限于2，3，4，5，6，8，10和12个气缸。还应该懂得，本发明公开的系统和方法可在V型气缸结构中实现。燃料喷射器28将燃料喷射到气缸26中。来自压缩空气的热量将空气/燃料混合物点燃。空气/燃料混合物的燃烧产生了排气。排气离开气缸26而进入到排气系统中。
排气系统包括排气歧管30、柴油氧化催化剂(DOC)32和微粒过滤器(PF)34。可选地，EGR阀门(未显示)使一部分排气再循环回到进气歧管22中。剩余排气定向到涡轮增压器18中以驱动涡轮。涡轮促进了对来自空气过滤器14的新鲜空气的压缩。排气从涡轮增压器18流过DOC32和PF34。DOC32基于燃烧后的空气/燃料比而使排气氧化。氧化量提高了排气的温度。PF34接受来自DOC32的排气，并且过滤存在于排气中的任何微粒。
控制模块44基于各种检测到的和/或模型化的信息而控制发动机12和PF再生。更具体地说，控制模块44评估PF34的负载。当评估的负载达到阀值水平(例如，微粒物质5克/升)，并且排气流速处于所需的范围内时，通过电源46控制电流到PF34以开始再生过程。再生过程的持续时间基于PF34中的微粒物质的数量而变化。再生过程预期可持续达1-6分钟。然而，在再生过程的开始部分只应用电流。更具体地说，电能加热PF34的表面达阀值周期时间(例如，1-2分钟)。穿过前表面的排气被加热。利用存在于PF34加热面附近的微粒物质燃烧所产生的热量，或者通过穿过PF34的加热排气而实现再生过程的剩余部分。
为了确保发生完全再生，控制模块44基于本发明公开的微粒过滤器再生诊断系统和方法而诊断PF34的再生。具体地说，控制模块44基于自车辆10中接受的一个或多个传感器信号而诊断PF34。在各种实施例中，排气温度传感器47基于离开PF34的排气温度而产生排气温度信号。电流和/或电压传感器49基于电源46供给PF34的电流和/或电压而产生电流和/或电压信号。控制模块44接受信号，并通过确定PF34是否在操作，和/或PF34的操作温度是否太热以至于可能对PF34造成损伤而诊断PF34的再生。
特别参照图2，PF34优选是单块微粒俘获器，并且包括交替的关闭的气室/通道50和打开的气室/通道52。气室/通道50，52通常是方形横截面，轴向延伸穿过该部件。PF34的壁58优选由堇青石材料的多孔性陶瓷蜂巢式壁组成。应该懂得，任何陶瓷蜂巢型材料都被认为处在本发明公开的范围内。相邻通道在各端交替地受堵，如图中56所示。这迫使柴油浮质穿过多孔的衬底壁(其用作机械过滤器)。微粒物质沉积在关闭的通道50中，并且排气通过打开的通道52而离开。微粒物质59流入到PF34中，并被俘获在那里。
出于再生的目的，包括阻性材料的栅格64连接在被称为PF34前表面的前外表面上。供给电流到阻性材料以产生热能。应该懂得可使用厚膜加热技术将栅格64连接到PF34上。例如，可利用涂覆加热材料如银或镍铬铁合金，然后腐蚀或施加掩模于PF34的前表面上。在各种其它实施例中，栅格64由阻性材料例如不锈钢组成，并利用粘接剂或压配合的方式而连接到PF34上。
还应该懂得阻性材料可敷设成如图3中所示的各种单路径或多路径图案。阻性材料的部分可被除去，以产生所述路径。在各种实施例中，如图4中所示，穿孔的加热器插件70可连接在PF34的前表面上。在上述任何实施例中，穿过PF34的排气携带着PF34前表面所产生的热能沿着通道50，52行进很短的距离。增加的热能点燃了存在于PF34入口附近的微粒物质。然后将微粒燃烧所产生的热量引导穿过PF34，以引起保留在PF34中的微粒燃烧。
特别参照图5，还可将热传导涂层72敷设于通道50，52的入口62处。涂层72可沿着关闭的通道50的打开的末端延伸很短的距离。在各种实施例中，该传导涂层延伸入PF34的前表面的距离在一英寸内。栅格64的阻性材料与传导涂层72相接触。当电能穿过阻性材料时，就将热能传递给传导涂层72。来自传导涂层72的热量点燃了存在于PF34入口附近的微粒物质。
现在参看图6，数据流程图显示了可嵌入在控制模块44中的微粒过滤器再生诊断系统的各种实施例。根据本发明公开的微粒过滤器再生诊断系统的各种实施例可包括许多嵌入到控制模块44中的子模块。应该懂得，图6中所示的子模块可进行组合和/或进一步分割，以类似地诊断PF34的再生。系统的输入可从车辆10中发出(图1)，被车辆10中(图1)的其它控制模块(未显示)接受，并/或由控制模块44中的其它子模块(未显示)确定。在各种实施例中，图6的控制模块44包括栅格模块80、温度模块82和诊断模块84。
栅格模块80接受控制信号状态86、电压信号88和/或电流信号90作为输入。基于输入86-90，栅格模块80设置栅格状态94，其指示栅格64的操作状态(图2)。例如，一旦控制信号状态86指示栅格64(图2)是被激励的，那么就评估电压信号88和电流信号90。如果有电压值但没有电流值，那么栅格64(图2)就是有故障的。如果有电流值但没有电压值，那么到栅格64(图2)的电路就是有故障的，例如短路。在各种实施例中，栅格状态94可以是指示栅格故障类型的枚举量。例如，栅格状态94可以是其值指示′栅格故障′、′短路故障′或′无故障′的枚举量。
温度模块82接受控制信号状态86和排气温度96作为输入。基于输入86，96，温度模块82设置PF状态98，其指示PF34的操作状态(图1)。例如，在控制信号状态86指示栅格64(图2)已经被激励之后，就评估排气温度96以确定峰值操作温度是否超过温度阀值。温度阀值可指示PF34(图1)在没有对PF34造成损伤条件下进行操作的最大温度(图1)。高于这种温度阀值以上的排气温度将不可避免地对PF34造成损伤。在各种实施例中，排气温度96是在预定的时间周期过后进行评估的，其开始于栅格被激励的时间。
诊断模块84接受栅格状态94和PF状态98作为输入。基于输入94，98，诊断模块84设置一个或多个故障状态信号100和/或产生报警信号104。例如，如果栅格状态94或PF状态98指示在连续的X秒内或Y样本中有X个处于一个或多个故障，那么就将故障状态信号100设为测试失败。然而，如果栅格状态94和PF状态98指示没有故障，那么就将故障状态信号100设为测试通过。在各种实施例中，故障状态信号100对应于预定的诊断故障代码。
诊断模块84还可额外或备选地产生报警信号104。例如，如果栅格状态94或PF状态98指示在连续的X秒内或Y样本中有X个处于一个或多个故障，那么可产生报警信号104。在各种实施例中，报警信号104可以是音频信号，其激励车辆10(图1)的音响系统(未显示)。在其它各种实施例中，报警信号104可以是指示信号，其激励车辆10(图1)的报警灯(未显示)。在其它各种实施例中，报警信号104包括合适的诊断故障代码，并可由维护工具回收或通过车辆10(图1)的远程通信技术系统(未显示)发送至远程站点。
现在参看图7，流程图显示了一种根据本发明公开的各个方面的典型的微粒过滤器再生诊断方法，其可由图6的微粒再生诊断系统执行。应该懂得，可改变这种典型的微粒过滤器再生诊断方法的步骤执行顺序，而不会改变该方法的精神。这种典型的微粒过滤器再生诊断方法可在控制模块的操作期间周期性地执行，或者基于某些事件而计划运行。
在一个示例中，该方法可开始于200。如果在步骤210中，控制信号状态86指示栅格64(图2)已经被激励，那么就在步骤220中通过评估电流和/或电压信号90，88来诊断栅格64(图2)。否则，该方法在步骤210中继续监测控制信号状态86。
一旦在步骤220中已经诊断栅格64(图2)，那么就在步骤230中评估计时器。如果自激励栅格64算起的时间(图2)在步骤230中已经过期，那么在步骤240中通过评估排气温度96来诊断PF34(图1)。否则，如果自激励栅格64(图2)算起的时间没有过期，那么该方法继续在步骤230中监测计时器。
一旦已经在步骤240中诊断了PF34(图1)，那么就在步骤250中评估栅格64(图2)和PF34(图1)的状态。如果在步骤250中，栅格状态94或PF状态98指示故障(例如在连续X秒内)，那么在步骤260中故障状态信号100被设为测试失败，和/或在步骤270中产生报警信号104。否则，如果在步骤250中，栅格状态94和PF状态98指示没有故障(例如在连续X秒内)，那么在步骤280中故障状态信号100被设为测试通过。该方法可终止于步骤290。
本领域中的技术人员现在从前表面的细节描述中应该懂得，本发明公开的广泛知识可由各种形式来实现。因此，虽然已经结合特殊的示例描述了本发明公开，但是本发明公开的真实范围不应该受到这样的限制，因为在研究图纸、说明书和以下权利要求的条件下，熟练的技术人员将明晰其它变体。

Claims (21)

1.一种诊断电加热微粒过滤器的系统，所述微粒过滤器包括阻性栅格，所述系统包括：
栅格模块，其基于电流信号和电压信号中的至少一个信号而诊断所述栅格的故障；和
诊断模块，其基于所述栅格的故障而做出设置故障状态和产生报警信号中的至少一个动作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述栅格模块基于栅格激励状态而评估所述电流信号和所述电压信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括温度模块，其基于离开所述微粒过滤器的排气温度而诊断所述微粒过滤器的故障。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述温度模块基于栅格激励状态而评估所述排气温度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述温度模块基于预定的时间周期而评估所述排气温度，所述时间周期基于所述栅格激励状态而开始。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述排气温度超过预定的阀值时，所述温度模块诊断所述微粒过滤器的故障。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述报警信号是声音报警信号。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述报警信号被发送至远程站点。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述报警信号是视觉报警信号。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障状态相当于诊断故障代码。
11.一种诊断微粒过滤器的方法，所述微粒过滤器包括阻性栅格，所述方法包括：
基于电流信号和电压信号中的至少一个信号而诊断所述栅格的故障；和
基于所述栅格的故障而设置故障状态。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所述栅格的故障而产生报警信号。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于栅格激励状态而评估所述电流信号和所述电压信号。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于离开所述微粒过滤器的排气温度而诊断所述微粒过滤器的故障。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于栅格激励状态而评估所述排气温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，评估所述排气温度还基于预定的时间周期，所述时间周期基于所述栅格激励状态而开始。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当所述排气温度超过预定的阀值时，就诊断所述微粒过滤器的故障。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述产生报警信号包括产生声音报警信号。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述产生报警信号包括产生发送至远程站点的报警信号。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述产生报警信号包括产生视觉报警信号。
21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述故障状态相当于诊断故障代码。
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