CN101581247A - 柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法 - Google Patents

柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法。这种方法的一个例子包括测量接近柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度，并且基于所测量的接近柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度调节至少一个发动机运转参数以控制径向温度梯度。这种装置的一个例子包括配置以测量接近柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度的两个出口面温度传感器；及配置以基于测量的径向温度梯度调节至少一个发动机运转参数以控制径向温度梯度的控制器。通过本发明可更紧密地将应力关联至DPF再生的实际风险，进而允许更好地调节多种DPF再生参数和/或其他发动机运转参数以将在再生期间DPF经历的应力减少到仅为防止不可接受的破裂风险所需差不多大。

Description

柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法
技术领域
本发明涉及一种柴油微粒过滤器过应力减轻装置及方法。
背景技术
在过滤器再生期间柴油微粒过滤器(DPF，Diesel Particulate Filter)内会发生温度非均匀性。这种非均匀性逐渐得到关注，因为其对于在具有低发动机排放水准的氮氧化物的现代柴油发动机中使用的过滤器已经变得特别大。过去，这些氮氧化物气体用于被动地氧化碳烟并且从而去除聚积的烟粒。对于现代发动机，柴油烟粒聚积在过滤器内直至采取主动措施以开始烟粒燃烧，开始主动再生，以在相对短的时间间隔内燃烧掉大部分的烟粒，并造成更严重的温度非均匀性。即使选择低热膨胀系数的陶瓷，来自主动再生的这样大的温度非均匀性能够造成大小足以破裂过滤器陶瓷的内应力。在有利于大量生产和经济性的单块整体式载体(single-brick monolithic)形式的DPF中，穿过该整体式载体的破裂导致突然的、灾难的、不能挽回的过滤器性能损失。这种关于整体式载体具有的过滤功能维护的不确定性限制了他们的广泛使用。实际上，这种整体式载体的风险已经导致多段灰浆结构的广泛商业使用，而不管其关联的高的材料和制造成本。
因此，为了减小受到多次再生的经济的整体式DPF的突然故障的风险并且为了延长其工作寿命，应该有方向地寻求在再生期间降低DPF内的温度非均匀性。更具体地，应该以将陶瓷内的应力降低至一些与陶瓷的强度和其热膨胀系数相关的特定水准以下的水准的方式来减少非均匀性。在研究环境中，能够通过基于由全场的数十个温度传感器检测的温度的有限元分析得出这种具体的关系。为了简化计算，该过滤器陶瓷体能够充分地近似为具有相对简单类型的非各向同性的连续材料，即具有从特殊蜂窝的特殊形状中的蜂窝壁材料的各向同性产生的物理特性。在再生期间的一系列时间点执行这样的有限元计算，可以估算DPF内的瞬时内应力以及相应的故障可能性。该方法适合研究。
然而，本文的申请人认识到放置遍布DPF的数十个传感器是高成本的并且在研究和提高发展环境下是不切实际的。同样，具有不太合适的估算器会保持使用的应力低于所需或者会导致故障。如果应力保持得太低，则该运转导致燃料用于开始更多的微粒过滤器再生而使燃料量多于其他情况下所需的量导致低效率。如果该不太合适的估算器在另一方面出错，将会发生更多的故障。如果不具有合适的简单的估算器，可能必须设计微粒过滤器以容忍多段式灰浆结构使用时的破裂，但是这种方法增加了不必要的制造成本并且用作为对随时间变化的降低的减排性能特性的担忧。
发明内容
由于这样的有限元方法比较麻烦，本文提供了用于防止DPF应力的简单的方法和系统。通过从较少量的温度传感器估算应力，可使用较常规的方法以采取措施防止应力上升到不能接受的破裂的高可能性的关键水准之上。尽管这些方法和系统意图应用于更经济的整体式载体，这些方法和系统也应用至灰浆结构，该灰浆(如制造的或老化的)允许一条裂缝穿过下一段而不会有太多的偏差，就像其为整体式载体一样。
这种简单的方法的一个例子包括测量接近柴油微粒过滤器的出口面并接近柴油微粒过滤器的周壁的径向温度梯度，并且调节至少一个发动机运转参数以控制该径向温度梯度，如由在接近柴油微粒过滤器的出口面的一个角度位置所测量的径向温度梯度所指示。这种系统的这个例子的一个实施例包括配置用于测量接近该柴油微粒过滤器的出口面并接近柴油微粒过滤器的周壁的径向温度梯度的两个接近出口面的温度传感器和配置用于基于所测量的温度梯度调节至少一个发动机运转参数以限制应力的控制器，如假设从出口面深深延伸入DPF内的相同梯度所计算。
具体地，在接近怠速发动机排气流的排气流处主动开始的DPF再生期间，高温度梯度和高绝对温度发生在过滤器的大部分长度。在计算陶瓷内的应力时，沿平行于流线的线条向着中心对径向温度梯度向内积分，在选择的自由面即出口面处开始零值。当遍布大半部分的过滤器长度的径向梯度为高时，积分为较大的。
因此，优选地在过滤器再生期间使得最高梯度总体上较少在DPF的长度内发生，即优选地最接近DPF的出口面并远离DPF的中心。这样，计算的积分不像之前那么大，尽管接近端面的局部的径向梯度可能会相同或高于之前的情况下的径向梯度。通过设计控制多种发动机运转参数，例如增加空气流以将最高温度和梯度移至DPF后部可实现最高梯度的局部化。通过这样做，可降低如DPF经历的积分的数量、应力。然而，全部位于接近端面的该对温度传感器不能够感应导致高梯度集中在接近出口面的差别，因此使得计算的应力可能高于实际应力，导致在努力保持DPF过滤器不会有破裂的风险时在燃料使用上的不必要的无效率。
本文提供的系统和方法可有助于将这些由DPF经历的应力与那些用少量传感器估算的相关联，该少量的传感器包括两个接近出口面的传感器用于如上所述的接近出口面的径向温度梯度测量和一个额外的传感器以指示高温延伸至过滤器内多深。以这样的方法，可能更紧密地将应力关联至DPF再生的实际风险，进而允许更好地调节多种DPF再生参数和/或其他发动机运转参数以将在再生期间DPF经历的应力减少到仅为防止不可接受的破裂风险所需差不多大。
在另一方面，提供一种柴油微粒过滤器过应力减轻装置。该装置包括配置以测量接近柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度的两个出口面温度传感器；配置以测量更深入过滤器的深处温度的深处温度传感器；及配置以当所测量的径向温度梯度低于最大可允许的径向温度梯度时调节至少一个发动机运转参数的控制器，基于所测量的深处温度修改最大可允许的径向温度梯度。
附图说明
图1为包括DPF过应力减轻装置的示例发动机。
图2说明了示例DPF过应力减轻装置。
图3说明了另一个示例DPF过应力减轻装置。
图4为说明使用DPF过应力减轻装置避免DPF过应力的方法的流程图。
图5为说明在再生期间DPF的温度曲线的示意图。
图6为说明在过滤器再生期间由DPF内温度非均匀性导致的破裂导致的径向应力的示意图。
具体实施方式
图1为显示包括在机动车辆的推进系统中的多汽缸发动机10的一个汽缸的示意图。发动机10可包括柴油压缩点火发动机。至少部分通过包括控制器12的控制系统和通过经由输入装置130来自车辆驾驶员132的输入控制发动机10。在这个例子中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30包括带有位于其内的活塞36的燃烧室壁32。活塞36连接至曲轴40以使得活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可经由中间传动系统连接至车辆的至少一个驱动轮。此外，起动机马达可经由飞轮连接至曲轴40以能够开始发动机10的运转。
燃烧室30经由进气道42从进气歧管44接收进气并且经由排气道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气道48能够经由各自的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。
燃料喷射器66显示为直接连接至燃烧室30用于与经由电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接将燃料喷射进燃烧室内。以这样的方式，燃烧喷射器66提供了所知的燃料直接喷射进燃烧室30内。燃料喷射器可安装在例如燃烧室的顶部或是在燃烧室的侧面。通过通常包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的燃料系统(未显示)将燃料输送至燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可选择地或额外地包括以提供被称为将燃料喷射进燃烧室30上游的进气道的燃料进气道喷射的配置安置在进气道44内的燃料喷射器。
进气道42可包括具有节流板64的节气门62。在这个具体的例子中，经由提供至包括在节气门62中的电动马达或驱动器的信号通过控制器12改变节流板64的位置，这种配置通常称为电子节气门控制(ETC)。以这样的方式，运转节气门62以改变提供至其他发动机汽缸中的燃烧室30的进气。节流板64的位置可通过节气门位置信号TP提供控制器12。进气道42可包括用于提供各自信号MAF和MAP至控制器12的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。
排气传感器126显示为连接至排放控制装置70的上游的排气道48。传感器126可为任何合适的用于提供排气空燃比的指示的传感器，例如线性氧传感器器或通用或宽域排气氧传感器(UEGO，universal or wide-range exhaust gas oxygen)、两态氧传感器或排气氧传感器器(EGO)、加热型排气氧传感器(HEGO，heated EGO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)或一氧化碳(CO)传感器。排放控制装置70显示为沿排气道48设置在排气传感器126下游。排放控制装置70可包括稀NOx捕集器、选择性催化还原(SCR)催化剂、微粒过滤器例如柴油微粒过滤器(DPF)、三元催化剂(TWC)、多种其他排放控制装置或它们的组合。特别地，排放控制装置70包括具有陶瓷载体的催化柴油微粒过滤器。
在一些实施例中，在发动机10运转期间，周期性地重设排放控制装置70。例如，柴油微粒过滤器通过燃烧掉积聚在柴油微粒过滤器内的烟粒而周期性地再生。
图1中所示的控制器12显示为微型计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口104、在这个具体的例子中显示为只读存储器芯片106的用于可执行的程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12从连接至发动机10的传感器接收多种信号，除了之前讨论的那些信号，还包括来自质量空气流量传感器120的吸入质量空气流量(MAF)的测量值、来自连接至冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)、来自连接至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型传感器)的脉冲点火感测信号(PIP)、来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)和来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速信号RPM可由控制器12从信号PIP生成。如上所述，图1仅显示多汽缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸类似地包括其自身组的进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
图2和图3说明了用于避免在DPF再生期间由温度非均匀性导致的柴油微粒过滤器的机械过应力的DPF过应力减轻系统200的示例。这种过应力可导致DPF过滤器陶瓷的破裂，其进而会导致DPF过滤性能的损失。为了方便起见，类似地标注图2和图3中的类似的部件。
系统200的一个实施例包括位于接近DPF的周壁并靠近DPF的出口面206部分的至少两个温度传感器204。温度传感器204彼此径向隔开(并且在排气流方向上可彼此稍微纵向分开)用于测量接近出口面的径向温度梯度
Figure A20091013892400071
系统200也包括配置以调节至少一个发动机参数以提供故障的可能性的反馈控制的控制器208，该反馈在等温线为圆柱状时，例如基于圆柱状的等温线当径向温度梯度
Figure A20091013892400072
大于最大可允许的径向温度梯度
Figure A20091013892400081
时更简单地关联于径向温度梯度
Figure A20091013892400082
Figure A20091013892400083
可为预定值。控制器208可包括在控制器12内，或可为与控制器12分离的控制系统中的其他控制器。
最大可允许的径向温度梯度
Figure A20091013892400084
为低于其则DPF所经历的机械应力小于对于在那种高应力下的材料体积的最大可允许的应力(MAXσ)的温度梯度，这样可实现可接受的低的DPF故障的可能性。在一些例子中，接近出口面处的最大可允许的径向温度梯度基于用于测量接近出口面的径向温度梯度的出口面温度传感器的位置、过滤器的材料和网格几何学和DPF的直径和长度。
此外，接近出口面的最大可允许的径向温度梯度可随着柴油微粒过滤器的工况和/或其他发动机运转参数改变，例如空燃比、排气氧浓度、通过柴油微粒过滤器的排气流速度、过滤器已经再生的次数、再生频率、过滤器老化和/或组成过滤器与其上的任何催化剂的材料的机械特性。例如，如果由于过滤器老化、已经执行大量的再生循环和/或组成过滤器的材料已经变差导致过滤器的机械强度为低，最大可允许的温度梯度可设置为较低以减小过滤器陶瓷材料破裂的可能性。
在一个具体的例子中，在离DPF的出口面206向内1英寸处和离周壁2071cm和2cm之间测得的最大可允许径向温度梯度被设置为大约175℃/cm。
在一些例子中，系统200也可包括如图3所示的用于测量深处温度(Td)的深处温度传感器214。该深处温度传感器214离开出口面206并且沿总排气流方向纵向深入进柴油微粒过滤器202内至比径向温度梯度传感器204更上游的位置定位并具有类似于径向温度梯度传感器204的径向位置。该深处温度传感器允许估算再生的DPF内的等温线是较圆锥形状还是较圆柱形状。在这些例子中，控制器208可进一步配置以基于所测量的深处温度(Td)调节至少一个发动机运转参数。控制器208例如可基于所测量的深处温度(Td)修改最大可允许的温度梯度
Figure A20091013892400085
在一个具体例子中，可使用下面的等式计算以
Figure A20091013892400086
形式的最大可允许的温度梯度
Figure A20091013892400087
Figure A20091013892400088
其中
Figure A20091013892400089
为以圆柱形等温线用有限元分析(FEA)的最大可允许的径向温度梯度。中间项为以圆柱形等温线在FEA计算中的径向梯度与应力关系的瞬时斜率。在一个例子中，
Figure A200910138924000810
约等于在离DPF的出口面向内1英寸和离周壁2071cm和2cm处所测量的175℃/cm以实现故障的可能性低于0.002。
其中Td为深处温度，为在离直径为8英寸长度为10英寸的DPF的出口面206向内3.66英寸和离周壁2072cm处读取的温度。在这个例子中，中间项为0.7(无量纲)用于圆柱形等温线在FEA计算中的径向梯度与应力关系的瞬时斜率。
在一些例子中，由深处温度传感器214检测的信号用于修改径向梯度温度传感器204的近似温度差信号。也可经由模拟电路逼近算法，差分热电偶，例如包括两个热电偶结204的一个与一个反向串联，以及适当校准的电阻器来实现该修改。
控制器208连接至多种传感器210用于感应多种发动机工况和驱动器212以控制发动机运转的参数。参考图1列出并描述传感器210和驱动器212的例子。
用于在再生期间控制DPF温度非均匀性的由控制器208调节的至少一个发动机运转参数可包括例如用于调节空气流量的节气门位置、DPF再生频率、排气氧浓度、后喷射量等。例如，控制器208可增加空气流量至DPF以帮助冷却DPF并且将在再生期间的DPF内的峰值温度推向DPF的出口面以减小DPF经历的应力和相关联的故障可能性。额外地或可选择地，如果径向温度梯度
Figure A20091013892400091
已经超过可允许的温度梯度控制器208可增加后续DPF再生的频率，以使得在每个后续DPF再生事件期间，燃烧掉较少的积聚的烟粒，因此降低了最大温度和最大温度非均匀性。同样地，如果测量的径向温度梯度
Figure A20091013892400093
大于可允许的温度梯度
Figure A20091013892400094
控制器208可通过增加废气再循环(EGR)减少排气氧浓度，因此有效地减小了烟粒燃烧速度或终止DPF再生，其进而减小DPF内部的温度和温度非均匀性。另一个可选择的措施用于控制器208以减少后喷射，其减少排气中可用的燃料量，因此帮助减少DPF再生的速度或终止DPF再生。更进一步地，可使用上面方法的组合。
现请参考图2中所示的DPF过应力减轻系统200的具体例子，系统200显示为仅包括两个温度传感器，更具体地位于离DPF 202的出口面206向内1英寸处的两个径向温度传感器204，其中一个位于离DPF的周壁207向内1cm处且另一个更接近于DPF的中线(L)1cm处。控制器208配置以基于由两个接近出口面温度传感器204检测的信号并通过连接至控制器208的多种驱动器212来调节至少一个发动机运转参数以控制接近出口面206的DPF的径向温度梯度。
现请参考图3中所示的示例的DPF过应力减轻系统200，这里的系统200显示为包括两个出口面温度传感器204和一个深处温度传感器。两个出口面温度传感器204位于离DPF 202的出口面206向内1英寸处。其中一个接近出口面温度传感器204位于离DPF的周壁207向内1cm处且另一个位于更接近DPF 202的中线(L)1cm处。由深处温度传感器214检测的信号用于修改由两个接近出口面温度传感器204检测的梯度信号。控制器208配置以基于修改的梯度信号并经由连接至控制器208的多种驱动器212来调节至少一个发动机运转参数以控制接近出口面206的DPF的径向温度梯度
Figure A20091013892400101
图4为说明用于在依照本发明的DPF过应力减轻系统中执行以减小DPF的过应力的示例方法400的流程图。方法400包括：
在402处，使用位于比出口面温度传感器更深入进DPF的深处温度传感器测量深处温度。在一些例子中，DPF过应力减轻系统具有深处温度传感器。在404处，当深处温度低于离周壁相同距离接近出口面的传感器测量的温度时，修改接近出口面的最大可允许的径向温度梯度为更高。根据使用测量的更深处的温度的计算，具有这样锥形的等温线的接近出口面的最大可允许的径向温度梯度从用于圆柱形等温线计算的DPF的最大可允许的应力增加。
又，在修改之前，接近出口面的最大可允许的径向温度梯度基于用于测量接近出口面的径向温度梯度的出口面温度传感器的读数和位置和假定圆柱形等温线计算的应力。
在具有深处温度感应的示例中，当测量的深处温度指示等温线为较圆锥而非圆柱时，修改接近出口面的最大可允许的径向温度梯度是有利的。参考图3讨论了这样修改的一个例子。
如上面所提到的，在一些例子中，接近出口面的最大可允许的径向温度梯度自身随着柴油微粒过滤器和/或发动机的工况和其他因素改变。
在406处，使用至少两个接近DPF的出口面的出口面温度传感器测量接近DPF的出口面的实际径向温度梯度，其中两个出口面温度传感器彼此径向地定位。
在408处，在DPF再生期间调节至少一个发动机运转参数以维持接近出口面的径向温度梯度低于如通过包括深处温度的计算修改的最大可允许的径向温度梯度。
如这里讨论地，可调节多种发动机运转参数。
图5为说明在过滤器再生期间在DPF内形成的近似圆锥形的等温线具有推向过滤器后方的峰值温度的示意图。如在图5中由DPF等温线216所示，在DPF的中央后部区域较热并且沿DPF的周壁和前方较冷，具有有些圆锥形的等温线。这样的温度非均匀性仍然会导致DPF经历轴向应力，相较于未加热的DPF其仍然会增加DPF的蜂窝结构的破裂或微破裂的可能性，如这里描述的。如图6中更好地显示，该圆锥形的等温线的轴向应力218在大小上低于具有相同的接近出口面径向梯度的圆柱形等温线。
注意的是这里包括的控制与估算程序的例子可使用在各种不同的发动机和/或车辆系统配置中。这里描述的特定程序可代表任何数目的处理策略，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等中的一个或多个。同样地，所说明的各种不同的动作、操作或功能可以以顺序执行、平行执行或在一些情况下被省略。同样地，处理的顺序不实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是为了说明和描述的方便。根据使用的具体的策略，可重复执行所述动作或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作可图像地表现为编程至发动机控制系统内的计算机可读存储介质中的编码。
应了解，此处公开的配置与程序实际上为示例性，且这些具体实施例不可认定为限制，因为可能存在多种变形。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸、和其他发动机类型，例如汽油直接喷射、均质充气压缩点火(HCCI)和柴油发动机等。本发明的主旨包括此处公开的多种系统与配置以及其它特征、功能和/或性质的所有新颖且非显而易见的组合与子组合。
本申请的权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可指为“一个”元素或“第一”元素或其等同物。这些权利要求应该了解为包括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或关联申请中提出新的权利要求得到主张。这些权利要求，与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本发明主题内。

Claims (10)

1.一种用于减轻柴油微粒过滤器过应力的方法，包括：
在柴油微粒过滤器再生期间响应接近所述柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度调节至少一个发动机运转参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括调节所述发动机运转参数以维持所述径向温度梯度低于最大可允许的径向温度梯度，其中接近所述出口面的所述最大可允许的径向温度梯度对应于可接受的低故障可能性的所述柴油微粒过滤器的最大可允许的应力。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：
从多个径向分离的温度传感器测量接近所述柴油微粒过滤器的所述出口面的所述径向温度梯度；
从深处温度传感器测量离开所述出口面并深入进所述柴油微粒过滤器的深处温度；
其中基于所测量的深处温度修改接近所述出口面的所述最大可允许的径向温度梯度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：调节所述发动机运转参数以维持所述径向温度梯度低于最大可允许的径向温度梯度，其中所述最大可允许的径向温度梯度随着所述柴油微粒过滤器的工况变化。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机运转参数包括节气门位置。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发动机运转参数包括后喷射量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机运转参数包括至所述柴油微粒过滤器的排气流。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发动机运转参数包括后续的柴油微粒过滤器再生的频率。
9.一种柴油微粒过滤器过应力减轻装置，包括：
位于所述柴油微粒过滤器的出口面部分内的两个温度传感器，所述传感器配置以测量接近所述柴油微粒过滤器的出口面的径向温度梯度；及
配置以基于所述径向温度梯度调节至少一个发动机运转参数的控制器。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制器进一步配置以当所测量的径向温度梯度大于最大可允许的径向温度梯度时调节所述至少一个发动机运转参数。
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