CN101676531A

CN101676531A - 用于微粒过滤器再生的温度控制系统和方法

Info

Publication number: CN101676531A
Application number: CN200910173481A
Authority: CN
Inventors: O·N·亚纳基夫; C·E·索尔布里格
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN101676531B

Abstract

本发明涉及用于微粒过滤器再生的温度控制系统和方法。一种控制系统，所述控制系统包括第一模块、燃料确定模块、温度误差修正模块和碳氢化合物喷射控制模块。第一模块确定所需的微粒过滤器(PF)入口温度和第一催化剂的出口温度之间的温差。燃料确定模块基于所述温差、环境温度和废气的质量流量确定未修正的所需燃料值。温度误差修正模块基于所述未修正的所需燃料值产生所需的燃料值。碳氢化合物喷射控制模块基于所需的燃料值控制碳氢化合物喷射器。

Description

用于微粒过滤器再生的温度控制系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年9月19日提交的美国临时申请61/098546的优先权，其作为参考全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种发动机控制系统和方法，更具体地涉及一种控制系统，其控制燃料的供给以调节微粒过滤器的温度。

背景技术

这里提供的背景描述用于总体上介绍本发明的背景的目的。当前所署名发明人的工作(在本背景技术部分中所描述的程度上)和本描述中不足以作为申请时的现有技术的各方面，既非明示地也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。

柴油机燃烧柴油燃料和空气产生动力。柴油燃料的燃烧产生包含微粒物质的废气。可以使用微粒过滤器(PF)将微粒物质从废气中过滤掉。随着时间的过去，微粒物质可能积聚在PF内并且可能限制废气流过PF。可以通过被称为再生的过程除去聚集在PF内的微粒物质。在再生期间，PF内的微粒物质可以燃烧掉。

可以通过例如将燃料喷射到PF上游的废气流中来实现再生。一个或多个催化剂可以布置在PF上游，由于催化剂引起的喷射燃料的燃烧产生热量，从而增高废气的温度。增高的废气温度可以使积聚在PF内的微粒物质燃烧。

发明内容

一种控制系统包括第一模块、燃料确定模块、温度误差修正模块和碳氢化合物喷射控制模块。第一模块确定所需的微粒过滤器(PF)入口温度和第一催化剂的出口温度之间的温差。燃料确定模块基于所述温差、环境温度和废气的质量流量确定未修正的所需燃料值。温度误差修正模块基于未修正的所需燃料值产生所需的燃料值。碳氢化合物喷射控制模块基于所需的燃料值控制碳氢化合物喷射器。

一种方法包括确定所需的微粒过滤器(PF)入口温度和第一催化剂的出口温度之间的温差；基于所述温差、环境温度和废气的质量流量确定未修正的所需燃料值；基于未修正的所需燃料值产生所需的燃料值；和基于所需的燃料值控制碳氢化合物喷射器。

根据在下文中提供的详细描述，本发明的应用的其他领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和具体实施例仅仅为了说明的目的而非用来限制本发明的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，本发明将被更充分地理解，其中：

图1是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图；

图2是根据本发明的发动机控制模块的示范性实施方式的功能框图；和

图3是描述用于根据本发明控制PF温度的方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示例性的，并且决不是用来以任何方式限制本发明、其应用或使用。为了清楚，在附图中相同的附图标记将用来表示相似的元件。当用在这里时，短语A、B和C中的至少一个应该被解释成意指使用非排他逻辑或的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同顺序执行方法内的步骤。

当用在这里时，术语模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件。

尽管将结合柴油机描述本发明，但本发明也适用于其他类型的发动机，包括自然进气式和增压式内燃机。现在参考图1，示出了示例性的发动机系统。发动机系统包括柴油机12和废气处理系统14。柴油机12包括多个气缸16、进气歧管18和排气歧管20。

空气流进入进气歧管18。节气门22可以位于进气歧管18前面。空气与燃料混合并且空气/燃料(A/F)混合物在气缸16内燃烧以驱动活塞(未示出)，活塞使与变速器(未示出)联结的曲轴(未示出)旋转。虽然示出了六个气缸16，但柴油机12可以包括更多或更少的气缸。可以通过燃料轨24提供燃料，并且可以用燃料喷射器26将燃料喷射到空气流中和/或直接喷射到气缸16中。

燃烧过程(例如，柴油机的压缩点火)产生废气，并且废气从气缸16排出到排气歧管20中。发动机系统10可以包括废气再循环(EGR)系统28，其使废气循环回到进气歧管18。EGR系统28可以由EGR阀29控制。可以用涡轮增压器和/或增压器(未示出)迫使更多空气进入气缸16。废气处理系统14处理废气。

废气处理系统14可以包括还原剂剂量系统30、第一柴油氧化催化剂(DOC)32、选择性催化还原(SCR)催化剂36、碳氢化合物喷射(HCI)系统38、第二DOC 39和微粒过滤器(PF)40。在不同的实施方式中，SCR催化剂36可以由稀NO_X捕集器(未示出)补充或代替。

当废气通过第一DOC 32时，第一DOC 32使一氧化碳和碳氢化合物氧化并还原废气中的氮氧化物(NO_X)。剂量系统30选择地在SCR催化剂36的上游将还原剂供应到废气。仅仅举例，还原剂可以包括氨或尿素。还原剂与废气中的NO_X发生化学反应并在还原NO_X时产生二氧化碳。

随着时间的过去，到达PF 40的微粒物质可能积聚在PF 40内并且可能限制废气流过PF 40。在再生期间可以移除聚集在PF 40内的微粒物质。HCI系统38在第二DOC 39的上游选择地喷射燃料以增高废气温度。废气温度响应于所喷射燃料的数量而改变。

另外，废气处理系统14可以包括温度传感器42、44、46和48(共同称为温度传感器42-48)，其沿着排放路径位于不同地点。例如，温度传感器42可以位于SCR催化剂36的出口并且产生T_{CAT_OUTLET}。当存在稀NO_X捕集器时，温度传感器42可以位于稀NO_X捕集器的出口。

温度传感器44可以位于第二DOC 39的入口附近并且产生T_{DOC2_INLET}。温度传感器46可以位于第二DOC 39的出口和PF 40的入口之间并且产生T_{PF_INLET}。温度传感器48可以位于PF 40的下游并且产生T_{PF_OUTLET}。例如，温度传感器42-48可以用于废气处理系统14的基于反馈的控制。可以使用额外的温度传感器和其他传感器。仅仅举例，温度传感器(未示出)可以位于第一DOC 32的上游。

剂量系统30可以包括喷射器50和储罐52。剂量系统30选择地喷射还原剂。可以基于来自一个或多个传感器的反馈控制还原剂的喷射速率。仅仅举例，可以用NO_X传感器(未示出)确定NO_X转换效率。可以响应于NO_X转换效率或其他因素确定还原剂的量。NO_X传感器可以布置在SCR催化剂36的上游和/或下游。可替换地，可以基于模型、表格或其他参数估计NO_X水平。还原剂与废气中的NO_X发生化学反应并产生二氧化碳，从而降低NO_X水平。

HCI系统38包括HCI喷射器60和HCI供应源62。HCI供应源62可以是车辆燃料箱或单独的容器。如果需要，则可以用泵(未示出)增高燃料供应压力。在再生期间，HCI系统38喷射燃料，燃料在第二DOC39中燃烧，这增高了废气的温度。温度增高与所喷射燃料的数量相关。当热的废气流入PF 40中时，PF 40的温度增高。当PF 40的温度超过再生温度时，PF 40中的微粒物质开始燃烧。燃烧的微粒物质可以产生火焰峰，火焰峰沿着PF 40的长度下落。

发动机系统10可以包括发动机控制模块100。发动机控制模块100可以是独立模块、或另一个车辆控制模块如发动机或变速器控制模块的一部分。发动机控制模块100基于驾驶员输入和检测到的参数控制发动机的运行。

关于图2，示出发动机控制模块100的示例性实施方式的功能框图。发动机控制模块100包括PF温度控制模块110，PF温度控制模块110基于PF 40的所需温度确定所需的燃料喷射值F_DES。HCI控制模块112基于所需的燃料值F_DES利用信号HCI_Control控制由HCI喷射器60供给的燃料。HCI喷射器60喷射的燃料量影响离开第二DOC 39的废气的温度。较高的废气温度导致较高的PF 40温度。

PF温度控制模块110可以基于来自温度传感器42-48的温度值、废气的空气质量流量(MAF)值MAF_EXH、环境温度值T_AMB和/或其他参数确定F_DES。可以由布置在任何合适位置中的传感器测量T_AMB。例如，环境温度传感器120可以测量进气的温度。发动机控制模块100可以基于由进气MAF传感器124产生的进气MAF值计算MAF_EXH。MAF_EXH值还可以基于所需的燃料流量。

发动机控制模块100可以选择地启动PF 40的再生。发动机控制模块100可以在检测到各种条件时启动再生。仅仅举例，发动机控制模块100可以在车辆运行了预定时期和/或行驶了预定距离时启动再生。可替代地，发动机控制模块100可以基于MAF_EXH、发动机负荷和/或其他条件启动再生。仅仅举例，可以在MAF_EXH值小于预定值时和/或在发动机正在预定负荷下运行时启动再生。

发动机控制模块100也可以基于其他标准启动再生。例如，发动机控制模块100可以基于预定温度与来自温度传感器42的T_{CAT_OUTLET}的比较结果启动再生。当T_{CAT_OUTLET}小于预定温度时，发动机控制模块100可以禁止再生。

发动机控制模块100基于是否启动再生来确定所需的PF入口温度值T_{PF_INLET_DES}。当PF 40超过再生温度时，PF 40中的微粒物质开始燃烧，从而使PF 40再生。发动机控制模块100可以将T_{PF_INLET_DES}设定成再生温度或设定成保持正在进行的再生过程的温度。

PF温度控制模块110的求和模块214基于T_{PF_INLET_DES}和T_{CAT_OUTLET}之间的差确定所需的温度增高值(T_INCR)。燃料确定模块216基于温度增高值T_INCR确定喷射到废气中的所需的燃料值。当温度误差修正模块218存在时，所需的燃料值被标记为未修正(F_{DES_UNCORR})。温度误差修正模块218基于F_{DES_UNCORR}产生所需的燃料值(F_DES)。

仅仅举例，燃料确定模块216可以基于下列等式产生F_{DES_UNCORR}：F_{DES_UNCORR}＝T_INCR×N PPM/℃×1E-6×(MAF_EXH/MW_EXH)×MW_HC其中N PPM/℃是将废气温度升高1℃所需的燃料百万分率(PPM)的预定数量，MW_EXH对应于废气的分子量，以及MW_HC对应于碳氢化合物的分子量。仅仅举例，能由燃料确定模块216计算N PPM/℃和/或能将NPPM/℃存储在表中。仅仅举例，可以基于MAF_EXH、环境空气温度T_AMB和/或其他运行条件索引N PPM/℃。MW_EXH和MW_HC可以基于所存储的或所计算的值，并且在不同的实施方式中，可以是所存储的常数。

温度误差修正模块218基于所需的(T_{PF_INLET_DES})和实际的PF入口温度(T_{PF_INLET})之间的差修正F_{DES_UNCORR}。求和模块220基于T_{PF_INLET_DES}和T_{PF_INLET}之间的差产生温度误差(T_ERR)信号。误差控制模块222基于T_ERR产生燃料修正值(F_{ERR_CORR})，误差控制模块222可以使用比例的、比例-积分的和/或比例-积分-微分的方法。仅仅举例，误差控制模块222可以基于T_ERR的积分与T_ERR的标量乘法之和产生F_{ERR_CORR}。求和模块224将F_{ERR_CORR}加到F_{DES_UNCORR}以便产生F_DES。

在稳态运行期间，燃料确定模块216可以基于F_{ERR_CORR}调节N PPM/℃值。这可能在将来产生更精确的F_{DES_UNCORR}值。所需的燃料值F_DES输出到HCI控制模块112，HCI控制模块112基于所需的燃料值F_DES产生HCI喷射器60的HCI_Control。

关于图3，示出了描述用于在再生期间控制PF温度的方法的流程图。在步骤310中，控制确定是否期望PF再生。如果是这样的话，那么控制在步骤312中继续。如果不是，则控制留在步骤310中。在步骤312中，控制确定催化剂出口温度(T_{CAT_OUT})和PF再生所需的温度(T_{PF_INLET_DES})。在步骤316中，控制基于T_{SCR_OUT}和T_{PF_INLET_DES}确定温度增高T_INCR。

在步骤318中，控制确定N PPM/℃。在步骤320中，控制确定废气的空气质量流量(MAF_EXH)。在步骤322中，控制确定废气的分子量MW_EXH和碳氢化合物的分子量MW_HC。在步骤326中，控制计算未修正的所需燃料值(F_{DES_UNCORR})。

在步骤332中，控制确定PF入口温度(T_{PF_INLET})。在步骤334中，控制基于T_{PF_INLET_DES}和T_{PF_INLET}确定温度误差(T_ERR)。在步骤336中，控制产生燃料修正值F_{ERR_CORR}。在步骤344中，控制基于F_{DES_UNCORR}和F_{ERR_CORR}产生所需的燃料值F_DES。在步骤346中，控制基于F_DES喷射燃料。在步骤348中，控制确定是否禁止PF再生(例如，如果再生完成)。如果是这样的话，则控制返回到步骤332。否则，控制返回到步骤310。

根据上述说明，本领域技术人员现在可知道本发明的广泛教导能以各种各样的形式实施。因而，虽然本发明包括特定例子，但本发明的真实范围不应受此限制，因为基于对附图、说明书和所附权利要求的研究，其他变型对本领域技术人员来说将变得显而易见。

Claims

1.一种控制系统，所述控制系统包括：

第一模块，其确定所需的微粒过滤器(PF)入口温度和第一催化剂的出口温度之间的温差；

燃料确定模块，其基于所述温差、环境温度和废气的质量流量确定未修正的所需燃料值；

温度误差修正模块，其基于所述未修正的所需燃料值产生所需的燃料值；和

碳氢化合物喷射控制模块，其基于所述所需的燃料值控制碳氢化合物喷射器。

2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述温度误差修正模块基于测量到的PF入口温度和所述所需的入口温度之间的差产生误差值。

3.如权利要求2所述的控制系统，其中所述温度误差修正模块基于所述误差值产生修正值，并且基于所述未修正的所需燃料值与所述修正值之和产生所述所需的燃料值。

4.如权利要求3所述的控制系统，其中所述温度误差修正模块使用比例的、比例-积分的和比例-积分-微分的方法中的其中一种产生所述修正值。

5.如权利要求1所述的控制系统，其中所述废气的空气质量流量是基于所述所需的燃料值和进气的空气质量流量值。

6.如权利要求1所述的控制系统，其中所述燃料确定模块基于下列公式产生所述未修正的所需燃料值：

T_INCR×N PPM/℃×1E-6×(MAF_EXH/MW_EXH)×MW_HC

其中T_INCR是所述温差，N PPM/℃是将废气温度升高1℃所需的燃料百万分率(PPM)的预定数量，MAF_EXH是所述废气的空气质量流量，MW_EXH是所述废气的分子量，以及MW_HC是碳氢化合物的分子量。

7.如权利要求6所述的控制系统，其中所述燃料确定模块包括输出N PPM/℃的表，以及其中所述表通过MAF_EXH和所述环境温度中的至少一个索引。

8.如权利要求1所述的控制系统，其中所述第一催化剂在所述PF的上游，其中第一氧化催化剂位于所述第一催化剂和所述PF之间，和其中所述碳氢化合物喷射器在所述氧化催化剂的上游喷射碳氢化合物。

9.一种包括如权利要求8所述的控制系统和所述第一催化剂的系统，其中所述第一催化剂是选择性催化还原(SCR)催化剂和稀NO_X捕集器中的其中一个。

10.如权利要求9所述的控制系统，还包括布置在所述第一催化剂上游的第二氧化催化剂。

11.一种方法，所述方法包括：

确定所需的微粒过滤器(PF)入口温度和第一催化剂的出口温度之间的温差；

基于所述温差、环境温度和废气的质量流量确定未修正的所需燃料值；

基于所述未修正的所需燃料值产生所需的燃料值；和

基于所述所需的燃料值控制碳氢化合物喷射器。

12.如权利要求11所述的方法，还包括基于测量到的PF入口温度和所述所需的入口温度之间的差产生误差值。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

基于所述误差值产生修正值；和

基于所述未修正的所需燃料值与所述修正值之和产生所述所需的燃料值。

14.如权利要求13所述的方法，还包括使用比例的、比例-积分的和比例-积分-微分的方法中的其中一种产生所述修正值。

15.如权利要求11所述的方法，还包括基于所述所需的燃料值和进气的空气质量流量值确定所述废气的空气质量流量。

16.如权利要求11所述的方法，还包括基于下列公式产生所述未修正的所需燃料值：

T_INCR×N PPM/℃×1E-6×(MAF_EXH/MW_EXH)×MW_HC

17.如权利要求16所述的方法，还包括存储输出N PPM/℃的表，其中所述表由MAF_EXH和所述环境温度中的至少一个索引。

18.如权利要求11所述的方法，其中所述第一催化剂在所述PF的上游，其中第一氧化催化剂位于所述第一催化剂和所述PF之间，和其中所述碳氢化合物喷射器在所述氧化催化剂的上游喷射碳氢化合物。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一催化剂是选择性催化还原(SCR)催化剂和稀NO_X捕集器中的其中一个。

20.如权利要求19所述的方法，其中第二氧化催化剂布置在所述第一催化剂上游。