CN102128069A - 监测颗粒过滤器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及监测颗粒过滤器的方法和装置。具体地，提供了一种监测颗粒过滤器的方法，所述方法包括确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经基体多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应。

Description

监测颗粒过滤器的方法和装置
技术领域
本发明涉及排气后处理系统，更具体地说涉及监测排气后处理系统中的颗粒过滤器。
背景技术
本节中的陈述仅仅提供与本发明有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
用于控制和处理排气供给流的已知后处理系统包括去除颗粒物(例如来自供给流的元素碳颗粒)的颗粒过滤器装置。颗粒过滤器装置的已知应用包括在化学计量比稀侧运行的内燃发动机，例如包括压缩点火(柴油)式发动机和稀薄燃烧火花点火式火发动机。已知的颗粒过滤器装置在工作期间可能发生故障，这些故障会影响该装置从排气供给流去除颗粒物的能力。
发明内容
一种监测具有入口、出口和基体的颗粒过滤器的方法，其中基体具有多孔壁并位于入口与出口中间，该方法包括：确定流到颗粒过滤器的排气供给流的质量流率；确定流经基体多孔壁的排气供给流的质量流率；确定与流到颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经基体多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应的等效旁通面积；以及将等效旁通面积与阈值进行比较。
本发明还涉及以下技术方案。
方案1. 一种监测颗粒过滤器的方法，所述颗粒过滤器具有入口、出口、和设置于所述入口与所述出口中间并具有多孔壁的基体，所述方法包括：
确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率；
确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应；以及
将所述等效旁通面积与阈值进行比较。
方案2. 如方案1所述的方法，其中，确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率包括：
确定所述排气供给流在所述入口与所述出口之间的压力差；
确定所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度；以及
基于所述排气供给流在所述入口与所述出口之间的压力差以及所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度，来确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率。
方案3．如方案1所述的方法，其中，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率包括：
测量流到产生排气供给流的内燃发动机的进气流量；以及
基于所述进气流量，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率。
方案4. 如方案1所述的方法，还包括：当所述等效旁通面积超过所述阈值时，检测出所述颗粒过滤器中的故障。
方案5. 如方案1所述的方法，还包括：
以迭代方式确定所述等效旁通面积；
对所述以迭代方式确定的等效旁通面积进行滤波，以确定经滤波的等效旁通面积；以及
将所述经滤波的等效旁通面积与所述阈值进行比较。
方案6. 一种监测颗粒过滤器的完整性的方法，所述颗粒过滤器具有入口、出口和设置于所述入口与所述出口中间的过滤基体，所述过滤基体具有多个交替闭合的平行流道，所述平行流道具有取向平行于所述入口与所述出口之间的轴线的多孔壁，所述方法包括：
对所述颗粒过滤器进行再生；以及
在所述再生之后：
确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率；
确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应；以及
将所述等效旁通面积与阈值进行比较。
方案7. 如方案6所述的方法，其中，确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率包括：
监测所述颗粒过滤器两端的压力差；
确定所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度；以及
基于所述颗粒过滤器两端的压力差以及所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度，确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气的质量流率。
方案8. 如方案6所述的方法，其中，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率包括：
测量流到产生排气供给流的内燃发动机的进气流量；以及
基于所述进气流量，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率。
方案9. 如方案6所述的方法，还包括：当所述等效旁通面积超过所述阈值时，检测出所述颗粒过滤器中的故障。
方案10. 如方案6所述的方法，还包括：
以迭代方式确定所述等效旁通面积；
对所述以迭代方式确定的等效旁通面积进行滤波，以确定经滤波的等效旁通面积；以及
将所述经滤波的等效旁通面积与所述阈值进行比较。
方案11. 一种监测经再生的颗粒过滤器的方法，所述颗粒过滤器包括基体，所述基体被配置成过滤排气，所述方法包括：
确定流到所述颗粒过滤器的排气的质量流率；
确定所述排气的温度和所述颗粒过滤器两端的压力差；
确定与所述排气的温度以及所述颗粒过滤器两端的压力差相对应的流经所述基体的排气的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气的质量流率和流经所述基体的排气的质量流率之间的差相对应；
将所述等效旁通面积与阈值旁通面积进行比较；以及
当所述等效旁通面积超过所述阈值旁通面积时，检测出故障。
方案12. 如方案11所述的方法，还包括：
以迭代方式计算所述等效旁通面积；
将数字滤波器应用于所述以迭代方式计算出的等效旁通面积，以确定经滤波的等效旁通面积；
将所述经滤波的等效旁通面积与所述阈值旁通面积进行比较；以及
当所述经滤波的等效旁通面积超过所述阈值旁通面积时，检测出故障。
附图说明
现在将通过实例并参照附图对一个或多个实施例进行描述。
图1是根据本发明的排气后处理系统和附随的内燃发动机的示意图。
图2是根据本发明的用于排气后处理系统的颗粒过滤器装置的示意图。
图3是根据本发明的流程图。
具体实施方式
现在参见附图，其中附图的目的仅仅是为了说明某些示例性实施例而不是限制这些实施例，图1中示意性示出了排气后处理系统45、和包括根据本发明实施例而构造成的控制模块5的附随的控制系统。在一个实施例中，排气后处理系统45流体联接到内燃发动机10的排气歧管39，但本文所述的方法并不局限于此。在附图中相同的附图标记是指相同的元件。
在一个实施例中，发动机10包括多缸直喷四冲程内燃发动机，该发动机可在化学计量空气/燃料比稀侧运行，从而产生可以被传递给传动系(未图示)的机械动力。进气系统将进气引导至进气歧管29，该歧管将空气导向进气通道并分配入发动机10的各燃烧室。进气系统包括空气流管道系统和用于监测并控制发动机进气流量的装置。优选地，该装置包括用于监测流经发动机10的质量空气流量和进气温度的空气质量流量传感器32。其他发动机控制装置，例如节气门(未图示)，可以控制流向发动机10的空气流量。发动机包括排气歧管39，该歧管输送来自发动机10的排气并且将排气供给流引导至排气后处理系统45。
排气后处理系统45包括至少一个颗粒过滤器70，该颗粒过滤器被配置成去除来自排气供给流的颗粒物。在图1所示的一个实施例中，在第二后处理装置60的上游存在有第一后处理装置50。颗粒过滤器70是第三后处理装置，其位于第一后处理装置50和第二后处理装置60的下游。在一个实施例中，第一后处理装置50包含氧化催化剂，第二后处理装置60包含选择性催化还原装置。可以将后处理装置50、60和70组装成流体连接的并在发动机舱和车身下部中的组装的结构。
排气后处理系统45配备有多个传感装置，用以监测排气供给流。优选地，所述传感装置包括大范围空气/燃料比传感器40，该传感器可操作以监测来自排气歧管39的排气供给流输出。第一温度传感器42监测颗粒过滤器70上游的排气供给流温度。第一压力传感器44监测颗粒过滤器70上游的排气供给流压力。第二压力传感器46监测颗粒过滤器70下游的排气供给流压力。第二温度传感器48监测颗粒过滤器70下游的排气供给流温度。传感装置的信号输出由控制模块5监测。在一个实施例中，第一温度传感器42和第二温度传感器48以及第一压力传感器44和第二压力传感器46被图示为单独的部件，但是本发明并不局限于此。此外，第一压力传感器44和第二压力传感器46可以被包含单个传感器(未图示)的压差传感系统所代替；该压差传感系统可操作以监测在颗粒过滤器70的入口58与出口59之间的压力差，并且可操作以监测颗粒过滤器70的入口压力。
控制系统包括一组在控制模块5中被执行的控制算法。优选地，控制模块5包含通用数字计算机，该计算机包括微处理器或中央处理单元、包含非易失性存储器(包括只读存储器和电可编程只读存储器、随机存取存储器)的存储介质、高速时钟、模拟-数字转换电路和数字-模拟电路、输入/输出电路系统和装置、以及适当的信号调节和缓冲电路系统。控制模块5执行控制算法来监测颗粒过滤器70。控制算法包括存储于非易失性存储器中的、被执行以提供控制系统的功能的常驻程序指令和校准(calibration)。在预设的循环周期内执行该算法，使得每个算法在各循环周期内至少被执行一次。中央处理单元执行该算法以监测来自上述传感装置的输入并且执行控制与诊断程序，优选地包括使用预设的校准。在正在进行的发动机运行期间以有规律的间隔执行循环周期，例如，每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒执行一次。可替代地，可以响应于事件的发生而执行该算法。在一个实施例中，控制系统还能够控制发动机10的运行，包括控制以优选的空气/燃料比工作，从而实现与驾驶员请求、燃料消耗、排放和驾驶性能有关的性能参数，同时控制进气流量从而实现优选的空气/燃料比。发动机控制可以包括周期性地控制发动机工作而使颗粒过滤器70再生。
图2中示意性示出了颗粒过滤器70的实施例的细节，该颗粒过滤器被配置成去除来自排气供给流的颗粒物。后处理装置70包括具有入口58和出口59的金属容器51，该金属容器为设置在入口58与出口59中间的基体60提供结构性壳体。入口58流体连接到第二后处理装置60的流体出口(未图示)。出口59流体连接到排气管(未图示)。绝缘的支承材料52环绕基体60，并且机械地支撑和固定在金属容器51内的位于入口58与出口59中间的基体60。绝缘的支承材料52还提供密封功能，以确保排气供给流从入口58流经基体60而流到出口59。可以用载体涂层（washcoat）材料56涂覆基体60，在一个实施例中，如图所示在基体60的入口侧涂覆载体涂层材料56。优选的载体涂层材料可以包括基于氧化铝的载体涂层，包括例如铂、钯、铑和铈。
优选地，基体60具有由挤制堇青石构成的蜂窝结构，并形成有多条平行于入口58与出口59之间轴线的平行流道62。在多条流道62之间的、由挤制堇青石构成的基体60的壁是多孔的。优选地，每条流道62在其一端闭合。优选地，相邻的流道62在相对的入口58和出口59处交替地闭合。交替闭合的流道62导致在发动机工作期间当排气由于排气供给流在入口58与出口59之间的压力差而从入口58流向出口59时，排气供给流流经基体60的多孔壁。排气供给流在基体60多孔壁中流经，起着过滤或脱除排气供给流中的颗粒物并且使排气供给流非常接近于载体涂层的作用。可替代地，可以用其他过滤基体(包括泡沫)来代替具有本文所述壁流式（wall-flow）设计的基体60。
图3中示出了用于监测颗粒过滤器70(包括监测其结构完整性)从而确定颗粒过滤器70的功效的流程图300。优选地，对颗粒过滤器70的监测包括：最初执行再生操作(步骤310)来从基体60的壁清除所捕获的颗粒物。在示出的实施例中，再生操作可以包括：向包含氧化催化剂的第一后处理装置50提供过量的碳氢化合物以提高排气供给流的温度。在使颗粒过滤器70再生之后，对排气供给流的参数(包括颗粒过滤器70的入口压力以及颗粒过滤器70的入口58与出口59之间的压力差)进行监测。优选地，对颗粒过滤器70的入口58和出口59处的排气供给流的温度进行监测。然后确定流向颗粒过滤器70的排气供给流的质量流率(步骤312)。可以利用空气质量流量传感器32来确定排气供给流的质量流量                                                
Figure 509075DEST_PATH_IMAGE001
。可替代地，可以用转速和负荷的发动机工况来确定排气供给流的质量流量
Figure 550850DEST_PATH_IMAGE002
。
清洁的或经再生的颗粒过滤器70两端的压力差(‘ΔPclean’)可以表示为如下：
Figure 268270DEST_PATH_IMAGE003
    [1]
其中，a、b和c表示基于清洁的或经再生的颗粒过滤器70而预定的标量值；
ρexh表示排气的密度；
μ表示排气的粘度；
k表示清洁的或经再生的颗粒过滤器70的基体60的多孔壁的渗透性；以及
Figure 348965DEST_PATH_IMAGE004
表示经过颗粒过滤器70的基体60的多孔壁的排气供给流的质量流率；
当方程式1的其他因子为已知或已确定时，可以确定流经基体60的多孔壁的排气供给流的质量流率，优选地通过求解方程式1来确定(步骤314)。
可以确定其他因子，包括利用第一压力传感装置44和第二压力传感装置46来测量ΔPclean，即清洁的或经再生的颗粒过滤器70两端的压力差，并且可以确定与颗粒过滤器70的入口58和出口59处的排气供给流的温度相对应的排气密度ρexh、排气粘度μ和渗透性k。在颗粒过滤器70未被使用时以及在已利用上述再生操作而再生之后，就认为颗粒过滤器70是清洁的。
可以计算出绕过颗粒过滤器70的基体60的排气的质量流率
Figure 101020DEST_PATH_IMAGE005
 (步骤316)。绕过颗粒过滤器70的基体60的排气的质量流率，包含排气供给流的质量流量与流经颗粒过滤器70的基体60多孔壁的排气供给流的质量流率
Figure 315150DEST_PATH_IMAGE007
之间的差，如下所示：
Figure 202466DEST_PATH_IMAGE008
 =
Figure 995978DEST_PATH_IMAGE009
 -
Figure 927025DEST_PATH_IMAGE010
    [2]。
可以利用用于流量的伯努利方程来计算等效旁通面积
Figure 310383DEST_PATH_IMAGE011
(步骤318)并按照如下求解
Figure 860444DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 321512DEST_PATH_IMAGE013
    [3]。
将等效旁通面积
Figure 875990DEST_PATH_IMAGE014
与阈值旁通面积
Figure 803102DEST_PATH_IMAGE015
进行比较，来确定等效旁通面积
Figure 15908DEST_PATH_IMAGE016
是否已经超过阈值旁通面积(步骤330)。在一个实施例中，可以基于等效旁通面积与颗粒物排放水平之间的预定关系，来预先确定阈值旁通面积
Figure 472429DEST_PATH_IMAGE017
。当等效旁通面积
Figure 745278DEST_PATH_IMAGE018
超过阈值旁通面积
Figure 661150DEST_PATH_IMAGE019
时，可以确定发生了故障(步骤340)。
在一个实施例中，可以用迭代方式计算等效旁通面积
Figure 677648DEST_PATH_IMAGE020
的值，并且可以应用数字滤波器(步骤320)。数字滤波器的一个实施例包括卡尔曼滤波器。计算并定义以下的用于卡尔曼滤波器的项：
Figure 816372DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 774970DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 663292DEST_PATH_IMAGE023
。
可以按照如下预测所述各项的值：
Figure 234212DEST_PATH_IMAGE024
可以按照如下来确定每个项的新的、滤波后的值：
Figure 789959DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 653878DEST_PATH_IMAGE026
包括等效旁通面积的滤波后的值
Figure 29496DEST_PATH_IMAGE027
。可以将等效旁通面积的滤波后的值
Figure 135599DEST_PATH_IMAGE027
与阈值旁通面积
Figure 545852DEST_PATH_IMAGE028
进行比较，当等效旁通面积的滤波后的值
Figure 111831DEST_PATH_IMAGE029
超过阈值时，可以确定发生了故障。
等效旁通面积包含不流经颗粒过滤器70的基体60的多孔壁的排气的质量的测量值。当颗粒过滤器70的基体60是完好的、而且环绕基体60并将基体60机械地固定于金属容器51内的绝缘支承材料52是完好时，不流经颗粒过滤器70的基体60的多孔壁的排气的质量是极小的。优选地，大致上所有质量的排气均流经基体60的多孔壁。当发生影响颗粒过滤器70的完整性的故障时，流入颗粒过滤器70的排气的一部分质量会避免流经基体60的多孔壁，而是流经其他地方。影响颗粒过滤器70的完整性的故障可以包括：在一部分基体60中的破裂、支承材料52的侵蚀或另一种退化、以及金属容器51中的机械泄漏。若未检测出故障，则运行继续(步骤350)。
本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。其他人可以在阅读理解本说明书之后想到其它修改和变更。因此，意图是本发明并不局限于被构想作为本发明最佳实施方式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种监测颗粒过滤器的方法，所述颗粒过滤器具有入口、出口、和设置于所述入口与所述出口中间并具有多孔壁的基体，所述方法包括：
确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率；
确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应；以及
将所述等效旁通面积与阈值进行比较。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率包括：
确定所述排气供给流在所述入口与所述出口之间的压力差；
确定所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度；以及
基于所述排气供给流在所述入口与所述出口之间的压力差以及所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度，来确定流经所述基体的多孔壁的排气供给流的质量流率。
3.如权利要求1所述的方法，其中，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率包括：
测量流到产生排气供给流的内燃发动机的进气流量；以及
基于所述进气流量，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：当所述等效旁通面积超过所述阈值时，检测出所述颗粒过滤器中的故障。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
以迭代方式确定所述等效旁通面积；
对所述以迭代方式确定的等效旁通面积进行滤波，以确定经滤波的等效旁通面积；以及
将所述经滤波的等效旁通面积与所述阈值进行比较。
6.一种监测颗粒过滤器的完整性的方法，所述颗粒过滤器具有入口、出口和设置于所述入口与所述出口中间的过滤基体，所述过滤基体具有多个交替闭合的平行流道，所述平行流道具有取向平行于所述入口与所述出口之间的轴线的多孔壁，所述方法包括：
对所述颗粒过滤器进行再生；以及
在所述再生之后：
确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率；
确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率和流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率之间的差相对应；以及
将所述等效旁通面积与阈值进行比较。
7.如权利要求6所述的方法，其中，确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气供给流的质量流率包括：
监测所述颗粒过滤器两端的压力差；
确定所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度；以及
基于所述颗粒过滤器两端的压力差以及所述颗粒过滤器上游的排气供给流的温度，确定流经所述过滤基体的多孔壁的排气的质量流率。
8.如权利要求6所述的方法，其中，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率包括：
测量流到产生排气供给流的内燃发动机的进气流量；以及
基于所述进气流量，确定流到所述颗粒过滤器的排气供给流的质量流率。
9.如权利要求6所述的方法，还包括：当所述等效旁通面积超过所述阈值时，检测出所述颗粒过滤器中的故障。
10.一种监测经再生的颗粒过滤器的方法，所述颗粒过滤器包括基体，所述基体被配置成过滤排气，所述方法包括：
确定流到所述颗粒过滤器的排气的质量流率；
确定所述排气的温度和所述颗粒过滤器两端的压力差；
确定与所述排气的温度以及所述颗粒过滤器两端的压力差相对应的流经所述基体的排气的质量流率；
确定等效旁通面积，所述等效旁通面积与流到所述颗粒过滤器的排气的质量流率和流经所述基体的排气的质量流率之间的差相对应；
将所述等效旁通面积与阈值旁通面积进行比较；以及
当所述等效旁通面积超过所述阈值旁通面积时，检测出故障。
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