CN101825008B - 用于控制电加热式颗粒过滤器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制电加热式颗粒过滤器的方法和系统。具体地，提供了用于控制柴油颗粒过滤器的方法和系统，该系统包括：确定柴油颗粒过滤器(DPF)中颗粒物质负载的颗粒物质负载确定模块；基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平的期望氧水平确定模块；将所述期望排气氧水平与测量排气氧水平进行比较并产生比较信号的氧比较模块；以及响应于所述比较信号控制电加热式催化器的DPF电控制模块。

Description

用于控制电加热式颗粒过滤器的方法和系统
技术领域
本公开涉及车辆排气系统，更具体地涉及对电加热式颗粒过滤器进行控制。
背景技术
这里提供的背景描述是用于大致说明本公开背景的目的。发明人的一部分工作在背景技术部分被加以描述，这部分内容以及说明书在提交时不另作为现有技术的方面，既不明确也不暗示地被认为是破坏本公开的现有技术。
柴油发动机的操作涉及产生排气的燃烧。在燃烧期间，空气/燃料混合物通过进气门输送至汽缸并在其中燃烧。燃烧之后，活塞迫使汽缸中的排气进入排气系统。排气可包含氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)之类的排放物。
通常利用排气处理系统来减少车辆的排放物。控制模块监控发动机的操作，计量系统有选择地将尿素喷射到催化器上游的排气中。处理过的排气与催化器反应。发生化学反应从而加热催化器并还原排气中的排放物。更具体地，该化学反应将NOx和尿素分解成分离元素。NOx分解成氮和水。尿素分解成氨，其储存在催化器表面上。
还在柴油发动机的排气系统中使用柴油颗粒过滤器。柴油颗粒过滤器从排气中去除颗粒物质。所述颗粒物质通常被称为烟炱。配备了有效起作用的过滤器的柴油动力车辆不会从其排气管排出可见的烟。
除了收集颗粒物质以外，还必须具有一种清洁过滤器的方法。一些过滤器是一次性的并且必须去除。其它过滤器设计成使积累的颗粒物质氧化。清洁过滤器的一种方式是以预定方式操作发动机，从而使排气温度被加热到高于烟炱燃烧温度的水平。这称为过滤器再生。
柴油颗粒过滤器对于过热是敏感的。若柴油颗粒过滤器过热，则有可能发生颗粒过滤器破裂或其它损坏。
发明内容
因此，本公开提供了一种用于通过控制排气中的氧水平并控制柴油颗粒过滤器内的电加热元件从而控制柴油颗粒过滤器的方法和系统。
在本公开的一个方面，一种方法包括：确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载的颗粒物质负载确定模块；基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平的期望氧水平确定模块；将所述期望排气氧水平与测量的排气氧水平进行对比并产生比较信号的氧比较模块；以及响应于所述比较信号控制电加热式催化器的柴油颗粒过滤器(DPF)电控制模块。
提供一种方法，所述方法包括：确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载；基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平；对排气氧水平进行测量以形成测量排气氧水平；比较所述期望排气氧水平和所述测量排气氧水平；以及响应于所述比较来控制电加热式催化器。
优选地，所述确定期望排气氧水平包括基于所述颗粒物质负载和最大的催化器期望温度来确定所述期望排气氧水平。
优选地，所述最大的期望温度对应于用于从所述柴油颗粒过滤器去除大多数烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
优选地，所述最大的期望温度对应于沿着至所述柴油颗粒过滤器内的预定轴向方向从所述柴油颗粒过滤器去除大多数烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
优选地，控制所述排气氧水平。
优选地，所述控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环、和后排气喷射器中至少之一。
优选地，所述后排气喷射器包括通过喷射器喷射尿素。
优选地，所述控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环、和后排气喷射器中至少之一。
优选地，所述控制电加热式催化器包括对柴油颗粒过滤器进行电加热。
优选地，所述确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载包括确定柴油机排气流中的所述柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载。
在本公开的另一方面，一种控制系统包括：确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载的颗粒物质负载确定模块；基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平的期望氧水平确定模块；将所述期望排气氧水平与测量的排气氧水平进行比较并产生比较信号的氧比较模块；以及响应于所述比较信号控制电加热式催化器的柴油颗粒过滤器电控制模块。
优选地，所述期望排气氧水平确定模块基于所述颗粒物质负载和最大的催化器期望温度来确定所述期望的排气氧水平。
优选地，所述最大的期望温度对应于从所述柴油颗粒过滤器去除大多数烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
优选地，所述最大的期望温度对应于沿着至所述柴油颗粒过滤器内的预定轴向方向从所述柴油颗粒过滤器去除大多数烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
优选地，控制所述排气氧水平的发动机控制模块。
优选地，所述发动机控制模块通过控制空燃比、排气再循环、和后排气喷射器中至少之一来控制所述排气氧水平。
优选地，控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环、和后排气喷射器中至少两个。
优选地，所述电加热式催化器包括电加热式柴油颗粒过滤器。
优选地，还包括柴油发动机。
优选地，所述柴油发动机产生排气流，并且所述控制系统还包括感测所述排气氧水平的氧传感器。
从本文提供的说明将会清楚更多的应用领域。应当理解，这些说明和具体示例仅用于说明之目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
从详细说明和附图将会更充分地理解本公开，在附图中：
图1是发动机系统的功能框图，该发动机系统包括带温度传感器的排气处理系统，其中该温度传感器集成在根据本公开的催化器内；
图2是图1的控制器的功能框图；
图3是示出了由本公开的系统所执行的步骤的流程图；
图4A是对于第一颗粒物质负载，峰值温度对轴向位置的曲线图；
图4B是对于第一颗粒物质负载，在再生之后烟炱厚度对轴向位置的曲线图；
图5A是对于第二颗粒物质负载，峰值温度对轴向位置的曲线图；
图5B是对于第二颗粒物质负载，在再生之后烟炱厚度对轴向位置的曲线图；
图6A是对于第三颗粒物质负载，峰值温度对轴向位置的曲线图；
图6B是对于第三颗粒物质负载，在再生之后烟炱厚度对轴向位置的曲线图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的，并且绝不意图限制本公开及其应用或使用。为清楚起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。用在本文中时，措词“A、B和C中至少之一”应当被理解为是意指使用了非排它性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法中的步骤。
用在本文中时，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。
利用柴油发动机来对本公开进行说明。然而，本公开可用于其它类型的发动机，例如汽油发动机。
现在参照图1，其中示意性示出了柴油发动机系统10。柴油发动机系统10包括柴油发动机12和排气处理系统13。排气处理系统13进一步包括排气系统14和计量系统16。柴油发动机12包括汽缸18、进气歧管20、空气质量流量(MAF)传感器22和发动机速度传感器24。空气通过进气歧管20流入发动机12，并被MAF传感器22监测。空气被引入汽缸18中并与燃料一起燃烧以驱动活塞(未示出)。尽管仅示出了单个汽缸18，但能够理解的是，发动机12可包括另外的汽缸18。例如，可以设想具有2、3、4、5、6、8、10、12和16个汽缸的柴油发动机。
作为燃烧过程的结果，在汽缸18内产生排气。排气系统14在将排气释放到大气中之前对其进行处理。排气系统14包括排气歧管26和柴油氧化催化器(DOC)28。排气歧管26将离开汽缸的排气引向DOC 28。在DOC 28内对排气进行处理以还原排放物。排气系统14进一步包括催化器30(优选为选择性催化还原(SCR)式催化器)、温度传感器31、温度传感器32、氧传感器34、以及电加热式催化的柴油颗粒过滤器(EHDPF)36。DOC 28在排气处理之前与排气发生反应以便降低排气的排放水平。催化器30继排气处理之后发生反应以进一步还原排放物。
温度传感器31可定位在发动机与DOC 28之间。温度传感器32位于催化器30之后以监测催化器30的出口处的温度变化。氧传感器34位于该催化器之后，以在EHDPF 36之前监测催化器30的出口处的氧水平，如以下进一步所述。EHDPF 36通过俘获排气中的柴油颗粒(即，烟炱)从而进一步减少排放物。
计量系统16包括可用于从箱中喷射尿素的喷射流体供应部38以及计量喷射器40。计量系统16将尿素之类的喷射流体喷射到排气中。尿素与排气混合，并在排气/尿素混合物暴露于催化器30时进一步还原排放物。混合器41用于在排气进入催化器之前使尿素之类的喷射流体与排气混合。
控制模块42调节发动机系统10的操作，并监控计量系统16的操作。控制模块42接收来自温度传感器31和32的温度信号。控制模块42还基于催化器30的入口处和出口处的温度变化监控排气处理系统13的操作。
电加热式柴油颗粒过滤器36可包括位于其内的加热器44。加热器44可具有各种位置和构造，包括径向延伸穿过EHDPF 36。控制模块42如以下所述那样控制EHDPF的操作。
排气再循环气门50也可由控制模块42控制。排气再循环气门50布置在管道52内，管道52使来自排气系统或排气歧管26的排气传送到进气歧管20中。通过控制气门50的开启和闭合，可知从排气中再循环到进气中的排气量。控制排气再循环会改变排气中的含氧量。
氧传感器56也与控制模块42通讯。氧传感器56产生与排气内的氧水平相对应的信号。基于氧水平，可知发动机的空燃比。一种合适类型的传感器为响应于车辆中的氧水平进行切换的λ(Lambda)传感器。该切换响应直接对应于车辆的空燃比。当然，可利用其它类型的空燃比传感器代替氧传感器56。
现在参照图2，进一步详细示出了图1的控制模块42。颗粒物质负载确定模块102产生与柴油颗粒过滤器内的颗粒物质或烟炱的量对应的颗粒物质负载信号。可以各种方式确定颗粒物质负载，包括监测各种传感器的输出，这包括监测自柴油颗粒过滤器上一次再生以来的时间。
期望氧水平确定模块104产生排气中期望的期望氧水平，以产生适于从柴油颗粒过滤器中去除颗粒物质或烟炱的氧水平。该期望氧水平对应于这样的水平，即，该水平可以是再生过程中仍能从柴油颗粒过滤器中去除所有烟炱或颗粒物质且同时最大化衬底耐用性及车辆燃料效率的最小有效值。如以下所述，确定颗粒物质负载密度，然后设置氧水平以限制车辆排气状态的峰值温度。
期望氧水平确定模块104产生期望氧水平信号，并将期望氧水平信号传送至期望氧产生发动机控制模块106。期望氧产生发动机控制模块106可以是总体发动机控制体系的一部分。期望氧产生发动机控制模块106控制发动机的各种参数以实现期望氧水平。这样的参数包括改变发动机的空燃比、改变发动机的排气再循环、以及控制尿素喷射或计量系统16。
氧比较模块108将排气中的测量氧水平与来自期望氧水平确定模块104的期望氧水平进行比较并产生比较信号。当仅通过发动机控制不能获得期望氧水平时，可响应于比较信号通过柴油颗粒过滤器电控制模块110控制电控式柴油颗粒过滤器加热器。柴油颗粒过滤器电控制模块110内的加热器控制EHDPF 36内的加热器44。通过电控制柴油颗粒过滤器的加热元件，可达到用于颗粒物质氧化的适当的氧化温度。
可分区控制加热器。也就是说，可以使得EHDPF的仅一部分横截面积经历烟炱去除。而且，所用的温度可以为较低的温度。这可允许EHDPF的最上游部分经历烟炱去除。由于EHDPF中的通道，所以在通道开始处开始的烟炱去除可致使余下的烟炱也被去除。烟炱会以熔丝状方式往下游燃烧，直至到达通道末端为止。这可以较低流速因而以较低温度来加以实现，同时仍提供了烟炱或颗粒的去除。
现在参照图3，对一种控制柴油颗粒过滤器(DPF)再生的方法进行了说明。在步骤150中，系统开始DPF氧控制。在步骤152中，确定柴油颗粒过滤器内的颗粒物质负载。如以上所述，车辆的各种参数和操作状态都会影响到柴油颗粒过滤器内的颗粒物质的量。颗粒物质随时间积累在柴油颗粒过滤器上。在步骤154中，基于在步骤152中确定的颗粒物质负载以及期望的最大再生温度来确定氧化颗粒物质的排气期望氧水平。所述最大温度也可对应于柴油颗粒过滤器内的颗粒物质负载。
在步骤156中，利用步骤154中确定的期望氧水平来控制发动机。可单独或组合地利用各种功能来控制期望氧水平，包括但不限于改变空燃比、改变排气再循环量、以及改变由计量系统16喷射的尿素量。
在步骤158中，测量排气中的氧水平。这可由氧传感器直接测量。在步骤160中，比较测量氧水平和期望氧水平。在某些情况下，期望氧水平可能不够高，不足以使柴油颗粒过滤器进行氧化以去除柴油颗粒过滤器内的所有或绝大多数颗粒物质或烟炱。当在步骤160中氧水平不能独自升高柴油颗粒过滤器温度时，控制柴油颗粒过滤器内的电加热器166以升高柴油颗粒过滤器的温度。
现在参照图4A，其中示出了对于每升三克的颗粒物质负载在再生期间颗粒过滤器内的峰值温度对轴向位置的关系。如所示，利用各种氧水平获得各种峰值温度。图中示出了7％氧水平、9％氧水平、11％氧水平和14％氧水平。
现在参照图4B，其中示出了对于各种氧水平在再生之后的烟炱厚度对轴向位置的关系。
现在参照图5A至图6B，其中分别示出了对于每升四克颗粒物质负载和每升五克颗粒物质负载的峰值温度和烟炱厚度，每一种颗粒物质负载均处于各种氧水平下。从这些曲线可确定颗粒物质负载密度，并可控制对车辆当前排气状态的峰值温度进行限制的氧水平。这会提高衬底的耐用性并降低尾管温度。
现在，本领域技术人员从以上描述可认识到本公开的广义教导可以以各种形式实施。因此，尽管已经联系其具体实施例描述了本公开，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为本领域技术人员通过研究附图、说明书和所附权利要求将会清楚其它变型。

Claims (20)

1.一种控制系统，所述控制系统包括：
确定柴油颗粒过滤器中颗粒物质负载的颗粒物质负载确定模块；
基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平的期望氧水平确定模块；
将所述期望排气氧水平与测量的排气氧水平进行比较并产生比较信号的氧比较模块；以及
响应于所述比较信号控制电加热式催化器的柴油颗粒过滤器电控制模块。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述期望氧水平确定模块基于所述颗粒物质负载和最大的催化器期望温度来确定所述期望排气氧水平。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中，所述最大的催化器期望温度对应于从所述柴油颗粒过滤器去除几乎全部烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
4.如权利要求2所述的控制系统，其中，所述最大的催化器期望温度对应于沿着至所述柴油颗粒过滤器内的预定轴向方向从所述柴油颗粒过滤器去除几乎全部烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
5.如权利要求1所述的控制系统，还包括，控制所述排气氧水平的发动机控制模块。
6.如权利要求5所述的控制系统，其中，所述发动机控制模块通过控制空燃比、排气再循环和后排气喷射器中至少之一来控制所述排气氧水平。
7.如权利要求6所述的控制系统，其中，控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环和后排气喷射器中至少两个。
8.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述电加热式催化器包括电加热式柴油颗粒过滤器。
9.如权利要求1所述的控制系统，还包括柴油发动机。
10.如权利要求9所述的控制系统，所述柴油发动机产生排气流，并且所述控制系统还包括感测所述排气氧水平的氧传感器。
11.一种用于控制电加热式颗粒过滤器的方法，所述方法包括：
确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载；
基于所述颗粒物质负载确定期望排气氧水平；
对排气氧水平进行测量以形成测量排气氧水平；
比较所述期望排气氧水平和所述测量排气氧水平；以及
响应于所述比较来控制电加热式催化器。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述确定期望排气氧水平包括基于所述颗粒物质负载和最大的催化器期望温度来确定所述期望排气氧水平。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述最大的催化器期望温度对应于用于从所述柴油颗粒过滤器去除几乎全部烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
14.如权利要求12所述的方法，其中最大的催化器期望温度对应于沿着至所述柴油颗粒过滤器内的预定轴向方向从所述柴油颗粒过滤器去除几乎全部烟炱的最低的柴油颗粒过滤器温度。
15.如权利要求11所述的方法，还包括控制所述排气氧水平。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环和后排气喷射器中至少之一。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述后排气喷射器包括通过喷射器喷射尿素。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述控制所述排气氧水平包括控制空燃比、排气再循环和后排气喷射器中至少两个。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述控制电加热式催化器包括对柴油颗粒过滤器进行电加热。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述确定柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载包括确定柴油机排气流中的所述柴油颗粒过滤器中的颗粒物质负载。
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