CN101384813B - 外界空气温度检测装置以及排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供外界空气温度检测装置以及排气净化装置。该外界空气温度检测装置根据发动机转速以及燃料供给量来校正由空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度。以这样的方式推定外界空气温度：分别运算出产生于发动机周围的热量的动态温度误差和根据进气流量而变化的热影响的校正系数，利用以校正系数校正后的温度误差来校正由空气流量传感器检测出的进气温度。并且，根据外界空气温度控制附设于还原剂或其前体的供给系统的至少一部分上，例如连通还原剂容器和还原剂供给装置的供给配管上的电加热器。

Description

外界空气温度检测装置以及排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种采用热线式空气流量传感器(Hot-wireair flow sensor)高精度地检测外界空气温度的技术。本发明还涉及一种在采用还原剂还原净化排气中的氮氧化物(NOX)的排气净化装置中，根据外界空气温度高精度地控制附设于还原剂或其前体的供给系统上的电加热器的技术。
背景技术
作为除去发动机排气中的NOX的催化净化系统，提出有日本特开2000-27627号公报(专利文献1)中所记载的排气净化装置。该排气净化装置通过向配置于发动机排气系统上的还原催化剂的排气上游喷射供给与发动机运转状态相对应的还原剂或其前体，使排气中的NOX和还原剂发生催化还原反应，将NOX净化处理成无害成分。另外，在该排气净化装置中采用了这样的技术：根据由温度传感器检测出的外界空气温度来控制附设于还原剂或其前体的供给系统上的电加热器，从而谋求防止还原剂或其前体冻结以及促进还原剂或其前体解冻。
另一方面，在发动机控制方面，也有如日本特开2005-207321号公报(专利文献2)所述那样，使用外界空气温度作为控制变量的技术。
外界空气温度通常利用温度传感器来检测，但是在具有热线式空气流量传感器的情况下，可以根据其检测原理检测出进气温度，因此出于降低成本等的要求，将进气温度代用作外界空气温度的技术被实用化了。
专利文献1：日本特开2000-27627号公报
专利文献2：日本特开2005-207321号公报
但是，由于热线式空气流量传感器配置于发动机附近，因此存在容易受到来自发动机的热量的影响这样的实际情况。由于热线式空气流量传感器利用电桥(bridge)电路进行温度补偿，因此对作为原来的检测对象的进气流量没有影响。但是，自热线式空气流量传感器输出的温度信号可能会受到来自发动机的热量的影响，而使检测出的温度与实际的外界空气温度之间产生误差。
当根据如上所述的外界空气温度来控制排气净化装置的电加热器时，有可能会产生还原剂或其前体并未冻结却使电加热器动作，或是还原剂或其前体虽已冻结却未使电加热器动作等各种问题。另外，在发动机控制方面，也有可能进行预想之外的控制，很难根据来自热线式空气流量传感器的温度信号来控制发动机。
发明内容
因此，本发明是鉴于如上所述的以往的问题点而做成的，其目的在于提供一种根据发动机运转状态来校正来自热线式空气流量传感器的温度信号，从而提高了外界空气温度的检测精度的外界空气温度检测装置。本发明的目的还在于提供一种排气净化装置，该排气净化装置根据由外界空气温度检测装置检测出的外界空气温度来控制附设于还原剂或其前体的供给系统上的电加热器，从而可利用必要的最小限度的电力来防止还原剂或其前体冻结以及促进还原剂或其前体解冻。
因此，本发明的外界空气温度检测装置根据发动机运转状态来校正由可检测出进气流量以及进气温度的热线式空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定出外界空气温度。另外，本发明的排气净化装置根据发动机运转状态校正由可检测进气流量以及进气温度的热线式空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度，并根据推定出的外界空气温度控制附设于还原剂或其前体的供给系统的至少一部分上的电加热器。
此时，外界空气温度的推定是这样进行的：用根据进气流量而变化的热影响的校正系数来校正产生于发动机周围的热量的动态温度误差，并用校正后的温度误差来校正由空气流量传感器检测出的进气温度。另外，动态温度误差通过以温度变化平滑的时间常数(该时间常数是给予相对于输入变化的输出的应答时间的目标的常数)来校正稳态的温度误差而进行运算。
采用本发明的外界空气温度检测装置，可以根据发动机运转状态来校正由空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度。即，由于空气流量传感器配置于发动机附近，因此可能会受到混合气体的燃烧热的影响，这样检测出的进气温度与实际温度不同。但是，若根据发动机运转状态校正进气温度，则可以排除燃烧热的影响，可以大幅度提高空气流量传感器对外界空气温度的检测精度。
另外，采用本发明的排气净化装置，可以避免还原剂或其前体并未冻结却使电加热器动作，或是还原剂或其前体虽已冻结却未使电加热器动作等电加热器控制方面的各种问题。因此，可以谋求适当防止还原剂或其前体冻结以及促进还原剂或其前体解冻。
附图说明
图1是表示本发明的排气净化装置的一实施方式的结构图。
图2是控制电加热器的主程序的流程图。
图3是控制电加热器的主程序的流程图。
图4是电加热器输出的控制特性的说明图。
图5是根据进气温度间接检测外界空气温度的子程序的流程图。
附图标记说明
10、发动机；14、排气管；20、NOX还原催化剂；24、还原剂容器；26、供给配管；28、还原剂供给装置；30、控制单元；38、空气流量传感器；42、发动机控制单元；44、电加热器。
具体实施方式
下面，参照附图详述本发明。
图1表示具有本发明的外界空气温度检测装置的排气净化装置的整体结构。
在与发动机10的排气歧管12相连接的排气管14上沿着排气流通方向分别配置有氮氧化催化剂16、喷射喷嘴18、NOX还原催化剂20、氨氧化催化剂22；上述氮氧化催化剂16使一氧化氮(NOX)氧化成二氧化氮(NO2)；上述喷射喷嘴18喷射供给作为还原剂前体的尿素水溶液；上述NOX还原催化剂20将自尿素水溶液获得的氨用作还原剂来还原净化NOX；上述氨氧化催化剂22使通过NOX还原催化剂20的氨氧化。另外，贮存于还原剂容器24中的尿素水溶液经由在还原剂容器24底部具有吸入口的供给配管26被供给到还原剂供给装置28中。并且，还原剂供给装置28由内置有计算机的控制单元30控制，将与发动机运转状态相对应的尿素水溶液以与空气混合了的喷雾状态供给到喷射喷嘴18。另外，还原剂供给装置28内置有压力传感器，以便可检测出供给到喷射喷嘴18的尿素水溶液的压力pu，该压力传感器的输出被输入到控制单元30。
在该排气净化装置中，自喷射喷嘴18喷射供给的尿素水溶液利用排气热量以及排气中的水蒸气而水解，产生具有还原剂功能的氨。排气中的NOX与产生的氨在NOX还原催化剂20中发生化学反应，从而被净化成水(H2O)以及无害的氮气(N2)，这是公知的。此时，为了提高NOX还原催化剂20的NOX净化率，利用氮氧化催化剂16将NO氧化成NO2，将排气中的NO和NO2的比例改善成适合进行催化还原反应的比例。另外，通过了NOX还原催化剂20的氨被配置于NOX还原催化剂20的排气下游的氨氧化催化剂22氧化，因此，可以防止氨被直接排出到大气中。
另一方面，在与发动机10的进气歧管32相连接的进气管34上沿着进气流通方向分别配置有用于过滤来自大气中的灰尘等异物的空气过滤器36和用于检测进气流量的热线式空气流量传感器(以下称为“空气流量传感器”)38。在此，空气流量传感器38利用吸进的空气自发热体带走的热量根据进气流量而变化的对流热传递现象间接检测进气流量，根据该进气流量检测原理也可以同时检测出进气温度Ti。
作为排气净化装置的控制系统，在还原剂容器24中安装有用于检测尿素水溶液的水溶液温度Tu的温度传感器40，该温度传感器40的输出被输入到控制单元30。另外，控制单元30借助CAN(Controller Area Network控制器局域网)等网络与发动机控制单元42可通信地相连接，从而可适当读取发动机转速Ne以及燃料供给量q。另外，发动机转速Ne以及燃料供给量q也可以用公知的传感器进行检测。并且，控制单元30通过存储于其ROM(Read Only Memory只读存储器)中的控制程序，根据尿素水溶液的压力pu、尿素水溶液的温度Tu、发动机转速Ne、燃料供给量q以及进气温度Ti适当控制附设于供给配管26上的电加热器44，谋求在严冬时期促进尿素水溶液解冻以及防止尿素水溶液冻结。
在此，检测发动机转速Ne以及燃料供给量q的发动机控制单元42或是公知的传感器相当于运转状态检测装置，另一方面，外界空气温度推定装置由执行控制程序的控制单元30来实现。
图2以及图3表示在控制单元30中，从启动发动机10并结束预热开始，所执行的控制程序的内容。
在步骤1(图中简称为“S1”。以下同样)中，调入用于根据进气温度Ti检测外界空气温度To的子程序。另外，关于检测外界空气温度To的子程序的细节后面会详述(以下同样)。
在步骤2中，判定外界空气温度To是否小于规定值To1、且尿素水溶液温度Tu是否小于规定值Tu1。在此，规定值To1以及Tu1是用于判定尿素水溶液是否有冻结的可能性的阈值，是根据尿素水溶液的特性等而分别设定的。并且，若外界空气温度To小于规定值To1、且尿素水溶液温度Tu小于规定值Tu1，则前进至步骤3(Yes)，以进入解冻模式，若非上述情况，则前进至步骤8(No)。
在步骤3中，调入用于根据进气温度Ti检测外界空气温度To的子程序。
在步骤4中，参照如图4所示的实现电加热器控制特性的控制图，用与外界空气温度To相对应的加热器输出来控制电加热器44。在此，由于控制特性呈线形，因此在与外界空气温度To相对应的控制值未被设定在控制图内时，用公知的插值(interpolate)技术进行插值即可。
在步骤5中，判定尿素水溶液温度Tu是否为规定值Tu2以上。在此，规定值Tu2是用于判定尿素水溶液的解冻是否结束的阈值，将其设定成稍高于尿素水溶液的凝固点(冻结温度)的温度。并且，若尿素水溶液温度Tu为规定值Tu2以上，则前进至步骤6(Yes)，若尿素水溶液温度Tu小于规定值Tu2，则返回至步骤3(No)。
在步骤6中，为了升高以及降低供给到喷射喷嘴18的尿素水溶液的压力，控制内置于还原剂供给装置28中的泵。
在步骤7中，判定尿素水溶液压力pu是否有压力变动。并且，若尿素水溶液压力pu有压力变动，则判断为尿素水溶液的解冻已结束而前进至步骤10(Yes)。另一方面，若尿素水溶液压力pu没有压力变动，则判断为尿素水溶液的解冻未结束而返回至步骤3(No)。
在步骤8中，调入用于根据进气温度Ti检测外界空气温度To的子程序。
在步骤9中，判定外界空气温度To是否小于规定值To2，且尿素水溶液温度Tu是否小于规定值Tu3。在此，规定值To2以及Tu3是用于判定是否有尿素水溶液虽未冻结，但却因行驶风等作用而冻结的可能性的阈值，是根据尿素水溶液的特性等而分别设定的。并且，若外界空气温度To小于规定值To2，且尿素水溶液温度Tu小于规定值Tu3，则前进至步骤10(Yes)，以进入保温模式，若非上述情况，则前进至步骤13(No)。
在步骤10中，调入用于根据进气温度Ti检测外界空气温度To的子程序。
在步骤11中，利用与步骤4同样的处理，以与外界空气温度To相对应的加热器输出来控制电加热器44。
在步骤12中，判定外界空气温度To是否为规定值To3以上，且尿素水溶液温度Tu是否为规定值Tu4以上。在此，规定值To3以及Tu4是用于判定是否有尿素水溶液即使受到行驶风等的吹打也不会冻结的可能性的阈值，是根据尿素水溶液的特性等而分别设定的。并且，若外界空气温度To为规定值To3以上，且尿素水溶液温度Tu为规定值Tu4以上，则前进至步骤13(Yes)，若非上述情况，则返回至步骤10(No)。
在步骤13中，由于尿素水溶液不可能冻结，因此为了防止消耗不必要的电力，关闭电加热器44。
图5表示用于检测外界空气温度To的子程序的控制内容。另外，本发明的外界空气温度检测装置通过执行该子程序而实现。
在步骤21中，自空气流量传感器38读取进气温度Ti。
在步骤22中，为了防止利用进行了过度校正的外界空气温度To执行不当的控制，判定进气温度Ti是否处于需要对其进行校正的温度范围内。即，为了高精度地控制电加热器44，仅在尿素水溶液的凝固点附近的规定范围内进行校正即可，因此，通过不对脱离该规定范围的区域的外界空气温度进行推定，可以避免例如使用进行了过度校正的外界空气温度To作为控制变量。并且，在需要校正进气温度Ti时前进至步骤23(Yes)。另一方面，在不需要校正时前进至步骤29(No)，将进气温度Ti作为外界空气温度To。
在步骤23中，自发动机控制单元42分别读取发动机转速Ne以及燃料供给量q，作为可以进行高响应性控制的发动机运转状态。
在步骤24中，根据发动机转速Ne以及燃料供给量q来推定由产生于发动机周围的热量所导致的动态温度误差。具体而言，根据发动机转速Ne以及燃料供给量q分别运算出稳态的温度误差以及用于使温度变化平滑的时间常数，以温度变化平滑的时间常数校正稳态的温度误差而推定动态温度误差。在此，稳态的温度误差可以参照设定有经过一定时间测定的实验值的图而求得。另外，温度变化平滑的时间常数，可以参照设定有使用了公知的平滑技术的控制值的图而求得。因此，动态温度误差可以根据发动机运转状态容易地运算出来，从而可以抑制增大其运算负担等。
在步骤25中，根据发动机转速Ne以及燃料供给量q，运算出根据进气流量而变化的热影响的校正系数。即，在进气流量大时，质量流量大，因此由产生于发动机周围的热量所产生的影响变小。另一方面，在进气流量小时，质量流量小，因此由产生于发动机周围的热量所产生的影响变大。因此，导入与发动机转速Ne以及燃料供给量q相应的校正系数，提高最终的控制精度。在此，由于进气流量对发动机运转状态的变化存在响应滞后，因此，优选根据发动机转速Ne以及燃料供给量q来运算。
在步骤26中，以校正系数校正动态温度误差。
在步骤27中，以动态温度误差校正进气温度Ti而推定外界空气温度To。
在步骤28中，将外界空气温度To作为返回值输出。
采用该排气净化装置，若尿素水溶液可能在预热结束时冻结，则电加热器44以与外界空气温度To相对应的加热器输出进行动作，供给配管26内的尿素水溶液被解冻。另外，若尿水溶液解冻结束，或是尿素水溶液有可能因行驶风等作用而冻结，则电加热器44以与外界空气温度To相对应的加热器输出进行动作，还原剂容器24内的尿素水溶液会保温在规定温度范围(大于Tu3且小于等于Tu4)。另一方面，若尿素水溶液未冻结，且不可能因行驶风等作用而冻结，则为了防止消耗不必要的电力，而停止电加热器44的动作。
因而，不会发生尿素水溶液并未冻结却使电加热器44动作，或是尿素水溶液虽已冻结却未使电加热器44动作等各种问题，可以谋求适当地防止尿素水溶液冻结以及促进尿素水溶液解冻。
此时，根据作为发动机运转状态的发动机转速Ne以及燃料供给量q来校正由空气流量传感器38检测处的进气温度Ti，从而推定外界空气温度To。具体而言，根据发动机运转状态，分别运算出在发动机周围产生的热量导致的动态温度误差和与进气流量相应变化的热影响的校正系数，以校正系数校正动态温度误差后，以温度误差校正进气温度Ti，从而推定外界空气温度To。因此，推定出来的外界空气温度To与实际的外界空气温度之差小，其检测精度较高。并且，只须稍微改变控制内容，就可以不需要用于直接检测外界空气温度To的传感器，抑制了因设置传感器而导致的成本上升。
在此，电加热器44并不限定于附设于供给配管26上，也可以附设于尿素水溶液的供给系统的至少一部分上，即附设于还原剂容器24和连通还原剂容器24与喷射喷嘴18的配管(也包含供给配管26)的至少一方上。这样，可以将面对外界空气而容易冻结的部分集中加热或者保温，并能谋求有效促进尿素水溶液的解冻以及防止尿素水溶液冻结。另外，为了控制电加热器44的动作，并不限定于将外界空气温度To以及尿素水溶液温度Tu作为控制变量，也可以仅将外界空气温度To作为控制变量。
并且，在单独使用外界空气温度检测装置时，不需要图5中的步骤22以及29的处理。
另外，作为还原剂，在本实施方式中使用了作为其前体的尿素水溶液，但也可以根据NOX还原催化剂20的特性适当选择使用以氨水溶液及作为其前体的碳氢化合物为主要成分的轻油、石油、汽油等。

Claims (7)

1.一种外界空气温度检测装置，其特征在于，该装置包括：
热线式空气流量传感器，其可以检测进气流量以及进气温度；
运转状态检测装置，其用于检测发动机运转状态；
外界空气温度推定装置，其根据由该运转状态检测装置检测出的发动机运转状态，校正由上述空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度，
上述外界空气温度推定装置根据上述发动机运转状态，分别运算产生于发动机周围的热量所导致的动态温度误差和根据进气流量而变化的热影响的校正系数，以上述校正系数校正上述温度误差，并以校正后的温度误差校正由上述空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度。
2.根据权利要求1所述的外界空气温度检测装置，其特征在于，上述外界空气温度推定装置根据上述发动机运转状态分别运算出稳态的温度误差和用于使温度变化平滑的时间常数，以温度变化平滑的时间常数校正稳态的温度误差，从而运算动态温度误差。
3.根据权利要求1所述的外界空气温度检测装置，其特征在于，上述运转状态检测装置分别检测发动机转速以及燃料供给量作为发动机运转状态。
4.一种排气净化装置，该装置自喷射喷嘴向配置于发动机排气系统上的还原催化剂的排气上游喷射供给与发动机运转状态相应的还原剂或其前体，利用在上述还原催化剂中采用了还原剂的催化还原反应来还原净化排气中的氮氧化物，其特征在于，该装置包括：
电加热器，其附设于上述还原剂或其前体的供给系统的至少一部分上；
热线式空气流量传感器，其可以检测进气流量以及进气温度；
控制单元，其内置有计算机；
上述控制单元根据发动机运转状态分别运算产生于发动机周围的热量所导致的动态温度误差和根据进气流量而变化的热影响的校正系数，以上述校正系数校正温度误差，并以校正后的温度误差校正由上述空气流量传感器检测出的进气温度，从而推定外界空气温度，并根据推定出的外界空气温度控制上述电加热器。
5.根据权利要求4所述的排气净化装置，其特征在于，上述控制单元根据上述发动机运转状态分别运算稳态的温度误差和用于使温度变化平滑的时间常数，以温度变化平滑的时间常数校正稳态的温度误差，从而运算动态温度误差。
6.根据权利要求4所述的排气净化装置，其特征在于，在由上述空气流量传感器检测出的进气温度处于规定范围内时，上述控制单元推定外界空气温度。
7.根据权利要求4所述的排气净化装置，其特征在于，上述电加热器附设于贮存有上述还原剂或其前体的还原剂容器和连通该还原剂容器与喷射喷嘴的配管的至少一方上。
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