CN102149904A

CN102149904A - 估算柴油机微粒过滤器中的煤烟荷载的方法以及引擎和后处理系统

Info

Publication number: CN102149904A
Application number: CN2008801310883A
Authority: CN
Inventors: 肯斯·I·斯文松; 太春
Original assignee: Mack Trucks Inc
Current assignee: Mack Trucks Inc
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: AU2008361679B2; US20110162352A1; EP2321504A1; CN102149904B; EP2321504B1; JP5702287B2; EP2321504A4; JP2012502226A; WO2010030269A1; US8646257B2; AU2008361679A1

Abstract

一种用于估算柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的方法，包括：建立用于估算额定柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的煤烟荷载模型；调整目标过滤器的煤烟荷载模型，以对所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异进行说明；以及使用调整后的煤烟荷载模型来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。还提供了一种具有柴油机微粒过滤器的引擎。

Description

估算柴油机微粒过滤器中的煤烟荷载的方法以及引擎和后处理系统

技术领域

本发明总体上涉及柴油机微粒过滤器，并且更具体地涉及用于估算柴油机微粒过滤器中的煤烟荷载(soot loading)的方法和装置。

背景技术

柴油机微粒过滤器(DPF)系统在许多市场中变得越来越常见，尤其是在重型载货车市场中，并且在今后一段时间内将可能仍会作为用于微粒物质的重要排放方案。存在各种方法来估算DPF中所积聚的煤烟质量，但是当前，仅存在一个直接反馈机制，即，测量跨过DPF的压降的压降(dP)传感器。

dP信号可以用于通常基于大量过滤器在一段时间内的观测通过相关性或模型来估算DPF煤烟质量，从而为将被称为“额定”DPF的过滤器建立数据。模型输入具有若干不确定性。除诸如偏移、迟滞、温度漂移、时间漂移等典型传感器不确定性以外，还存在影响模型精确性的附加因素。这些因素包括DPF到DPF的变化、过滤器的灰烬荷载(ash loading)、不均匀的煤烟荷载、催化剂烧结等，所有这些都使得难以确信地将目标过滤器的压降数据与跨过额定DPF的压降比较，以基于额定DPF的煤烟荷载来估算目标DPF的煤烟荷载。

如果不能以合理的精确度来估算目标DPF的煤烟载荷，则可能导致对DPF的损坏，或者DPF可能停止执行而接受过滤器颗粒。如果目标DPF的估算煤烟荷载太低，则在执行主动再生操作之前，目标DPF可能由于过载煤烟，并且再生操作可能不烧尽可接受程度的积聚煤烟。如果目标DPF的煤烟荷载太高，则目标DPF可能经受过量的再生操作，这会缩短其使用寿命。

期望提供一种用于提高DPF的煤烟荷载估算的精确性的技术。

发明内容

根据本发明的一方面，一种用于估算柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的方法，包括：建立用于估算额定柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的煤烟荷载模型；调整目标过滤器的煤烟荷载模型，以对所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异进行说明；以及使用调整的煤烟荷载模型来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。

根据本发明的另一方面，一种具有废气后处理系统的柴油机引擎，包括：目标柴油机微粒过滤器；以及控制器，所述控制器包括用于估算额定柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的煤烟荷载模型，所述控制器适于调整所述目标过滤器的所述煤烟荷载模型，以对所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异加以说明，并且适于使用调整的煤烟荷载模型来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。

附图说明

通过阅读下面结合附图的详细描述，本发明的特征和优点将很好地得到理解，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件，并且其中：

图1是根据本发明的一方面的具有废气后处理系统的引擎的示意图；

图2示出两个不同的柴油机微粒过滤器的压降和体积流量测量之间的差异；以及

图3示意性地比较额定过滤器、高阻过滤器和低阻过滤器的压降相对于体积流量的范围。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明一方面的具有废气后处理系统23的柴油机引擎21。后处理系统23包括从引擎21下游的柴油机微粒过滤器(DPF)25。DPF 25在下文中将被称为“目标”DPF，以区分其与用于比较目的的额定DPF。目标DPF 25可以是催化型过滤器。

在目标DPF 25的上游提供有加热器27，并且加热器27适于提高从引擎21进入DPF的废气的温度，以执行目标DPF的主动再生。提供传感器29，用于感测目标DPF 25的至少一个条件。传感器29被布置成将信号发送到控制器31，以令加热器27响应于该信号而发起主动再生操作。所述至少一个条件可以是跨过目标DPF 25的压降、引擎21的燃油消耗、包含引擎的车辆所行进的距离以及引擎或过滤器的操作时间中的至少一个。所述至少一个条件对应于目标DPF 25的煤烟荷载的估算级别。后处理系统23通常将包含其他后处理设备，诸如柴油机氧化催化器(DOC)(未示出)。然而，DOC还可以被认为是一种类型的加热器27或者可以连同诸如燃烧器或电加热器这样的单独的加热器一起提供。

控制器31是任何合适类型的控制器，例如计算机。控制器31包括用于估算额定DPF的煤烟荷载的煤烟荷载模型。该模型一般基于各种操作条件下的实际过滤器的观测而被编程到控制器中，所述各种操作条件例如是不同大气压强、废气温度、操作长度等。控制器31适于调整目标DPF 25的煤烟荷载模型，以对额定DPF和目标DPF之间的差异进行说明。控制器31还适于使用调整后的煤烟荷载模型来估算目标DPF 25的煤烟荷载。

根据本发明的一方面，目标DPF 25的煤烟荷载模型被调整，以对额定DPF与目标DPF之间的差异进行说明。例如，图2示出了针对来自两辆卡车的两个DPF的dP(跨过DPF的压降)集合相对于体积流量(跨过DPF)测量的两个集合。每一个集合包括多个单独的测量，这些单独的测量取自每个过滤器的启动和主动再生之间的不同时刻。

为了讨论的目的，下面的dP相对于体积流量测量的集合L将被认为是表示额定DPF的数据，并且上面的dP相对于体积流量测量的集合U将表示目标DPF的数据。然而，将理解，额定DPF与目标DPF之间的差异可以是这样的，即，目标DPF的dP相对于体积流量测量的集合可以低于额定过滤器的dP相对于体积流量测量的集合，例如如图3所示，图3示意性地比较了额定DPF的dP相对于体积流量的范围与高阻DPF和低阻DPF的范围。在图2中，在测量集合L和U底部提供了虚线，以帮助近似示出新的过滤器或者主动再生即刻之后的过滤器的dP相对于体积流量。

在本发明的一些方面中，调整目标DPF的煤烟荷载模型包括：将目标DPF的dP相对于体积流量的曲线乘以一因子，使得它们与额定DPF的曲线近似。例如，如果测量L反映了额定过滤器的dP相对于体积流量，则可以将测量U底部的虚线的斜率乘以一因子，使得其等于测量L底部的虚线的斜率。通常，通过比较均已去新(de-greened)并且均基本上无煤烟荷载的额定过滤器和目标过滤器的dP相对于体积流量的曲线或者数据点来确定该因子。此条件通常是在新过滤器去新之后或者在完成较旧的过滤器的主动再生之后的条件。当然，可以以某些其他方式来确定该因子，诸如通过比较某一其他时刻的额定过滤器和目标过滤器的dP相对于体积流量的曲线或者数据点，所述某一其他时刻包括或代替恰好在去新之后或在主动再生即刻之后初始启动时，或者经过一段时间。

目标DPF 25的煤烟荷载由控制器31使用调整后的煤烟荷载模型来估算。为了根据本发明的一方面进行例示，在本发明的这个方面中将目标DPF 25的dP相对于体积流量的曲线或者数据点乘以一因子以更接近于符合额定DPF的曲线或者数据点，可以通过比较乘以调整因子之后的、目标过滤器25的dP相对于体积流量测量来估算煤烟荷载。通过将目标过滤器测量乘以所述因子而将其调整到dP相对于体积流量的值，可以估算在这些值处的额定过滤器的煤烟荷载，以对应于目标DPF 25的煤烟荷载。

然而，确定目标DPF 25的估算煤烟荷载，通常将在目标DPF的估算煤烟荷载超过预定级别时发起主动再生循环。例如，如果煤烟荷载模型根据在某一体积流速下跨过额定DPF的压降来估算煤烟荷载，则可以监视跨过目标DPF 25的压降和体积流速，以获得特定体积流速下的至少一个压降测量，并且可以根据所述特定体积流速下的至少一个压降测量来估算目标DPF的煤烟荷载。如果不论采用了何种调整技术调整后的压降测量超过预定值，则可以将信号发送到控制器31，所述控制器31可以发送信号，以例如通过激活加热器27来发起主动再生。

根据本发明的另一方面，目标DPF 25的煤烟荷载可以通过根据下列等式计算时刻t处的目标DPF的煤烟荷载模型的误差(E(t))来估算：

E(t)＝sum(X(t)-Xbar)/T 等式1

其中，时刻t＝0，1，2，…，T

X(t)是给定过滤器条件下的目标DPF的煤烟荷载的计算值，

Xbar是给定过滤器条件下的额定DPF的煤烟荷载的校准值。Xbar可以是基于实际测量或者内部质量模型预测的恒定值或者随时间变化的值。

在时刻T处，偏移值Z(t)通过下列等式确定：

Z(t)＝Z(t-1)+G*[E(t-1)-Z(t-1)] 等式2

其中，G是与时刻t＝0和时刻t＝T之间的煤烟荷载数据的可靠性相对应的因子。可以根据下列等式来确定目标DPF的煤烟荷载的估算值Xa(t)：

Xa(t)＝X(t)-Z(t) 等式3

添加偏移值Z(t)是用于调整dP煤烟模型以使模型误差最小化的一个简单可行的方式。

当然，除添加偏移值Z(t)以外，还存在用于调整dP煤烟模型的其他方法。例如，可以调整下面等式4中使用的dP煤烟模型参数甚或是模型的结构以消除误差。

根据本发明的另一方面，煤烟荷载模型根据下列压降等式而通过跨过额定DPF的压降来确定煤烟负载：

{dP}_{nom} = μ (T) u_{wall} [\frac{w_{nom, wall}}{k_{nom, wall}} + \frac{w_{soot}}{k_{soot}}]

等式4

其中，dP_nom是跨过额定DPF的压降，

μ(T)是温度T下的废气气体的粘度，

u_wall是壁流速度，

w_nom.wall是额定DPF的壁厚，

k_nom.wall是额定DPF的渗透度，

w_soot是煤烟层的厚度，以及

k_soot是煤烟层的渗透度。

煤烟荷载模型可以通过将w_wall或k_wall中的一个或两者乘以一因子使得该等式精确计算出目标DPF中的零煤烟荷载，来对目标DPF 25进行调整。例如，如果在启动时或者在完成主动再生之后，当w_soot应当等于0或者基本上等于0时，如果特定μ(T)和u_wall下的目标DPF 25的dP不同于额定过滤器在该μ(T)和u_wall下的dP，则可以将w_wall或k_wall中的一个或两者乘以一调整因子，使得调整后的dP等于零煤烟荷载下的额定过滤器的dP。

前面关于压降的等式是更为复杂的等式的一个可能的简化版本。简化后的压降等式通常是考虑了大量变量的更为复杂的等式的近似。为了例示，适用于过滤器的至少某些模型的更为复杂的压降等式(并且假定为不可压缩流并且无灰烬沉积)可以如下表示：

ΔP = \frac{μQ}{2 V_{trap}} {(α + w_{s})}^{2} [\frac{w_{s}}{kα} + \frac{1}{2 k_{soot}} \ln (\frac{α}{α - 2 w}) + \frac{4 {FL}^{2}}{3} (\frac{1}{{(α - 2 w)}^{4}} + \frac{1}{α^{4}})] + \frac{ρ Q^{2} {(α + w_{s})}^{4}}{V_{trap}^{2} α^{2}} [\frac{β w_{s}}{4} + 2 ζ {(\frac{L}{α})}^{2}]

等式5

其中：

β = \frac{1.75}{ϵ^{3 / 2} \sqrt{150 k}}

ε＝DPF的孔隙率

α＝通道宽度

w＝煤烟块的厚度

w_s＝基片壁的厚度

μ＝废气的粘度

Q＝废气的体积流量

V_trap＝DPF容积

k＝DPF的渗透度

F＝28.454

L＝通道长度

ρ＝废气的密度

ζ～0.67-0.82

在本申请中，诸如“包含”这样的术语的使用是开放式的，并且旨在具有与诸如“包括”这样的术语相同的意义且不排除存在其他结构、材料或者动作。相似地，虽然诸如“可以”或“可能”这样的术语的使用旨在是开放式的并且反映结构、材料或动作并不是必须的，但是未使用这样的术语并非意图反映结构、材料或动作是必要的。对于结构、材料或动作目前被认为是必要的而言，其也被认为是如此。

尽管已根据优选实施例示出并描述了本发明，但应认识到，在不脱离如权利要求中阐述的本发明的情况下，可以在其中进行各种变化和改变。

Claims

1.一种用于估算柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的方法，包括：

建立用于估算额定柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的煤烟荷载模型；

调整目标过滤器的煤烟荷载模型，以对所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异进行说明；以及

使用调整的煤烟荷载模型来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。

2.如权利要求1所述的方法，包括：当所述目标过滤器的估算煤烟荷载超过预定级别时，发起主动再生循环。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述煤烟荷载模型根据跨过所述额定过滤器的压降来估算煤烟荷载。

4.如权利要求3所述的方法，包括：监视跨过所述目标过滤器的压降，以获得至少一个压降测量，并且根据所述至少一个压降测量来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。

5.如权利要求1所述的方法，包括：基于去新后的额定过滤器和去新后的目标过滤器来确定所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异。

6.如权利要求5所述的方法，包括：基于新的目标过滤器来确定所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异。

7.如权利要求5所述的方法，包括：在所述目标过滤器的主动再生之后，确定所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异。

8.如权利要求1所述的方法，其中，建立所述模型包括：建立跨过所述额定过滤器的额定压降相对于体积流速的第一曲线，所述方法包括：定义跨过所述目标过滤器的测量的压降值相对于通过所述目标过滤器的体积流速的第二曲线，并且其中，调整所述煤烟荷载模型包括：将所述第二曲线上的值乘以一因子，使得所述第二曲线与所述第一曲线近似。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述调整后的煤烟荷载模型根据跨过所述目标过滤器的所测量的压降来估算煤烟荷载。

10.如权利要求1所述的方法，其中，建立所述模型包括：建立在多个体积流速下的跨过所述额定过滤器的额定压降，所述调整步骤包括：测量所述体积流速下的跨过所述目标过滤器的压降，并且将所述体积流速下的所测量的压降乘以一因子，使得跨过所述目标过滤器的所测量的压降与所述体积流速下的所述额定压降的值近似。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述估算步骤包括：将体积流速下的测量的压降乘以与所述体积流速相对应的因子，以获得调整后的压降，并且将所述调整后的压降与所述体积流速下的额定压降相比较。

12.如权利要求1所述的方法，其中，时刻t处的所述目标过滤器的所述煤烟荷载模型的误差(E(t))等于

E(t)＝sum(X(t)-Xbar)/T，

其中，时刻t＝0，1，2，…，T

X(t)是给定过滤器条件下的目标过滤器的煤烟荷载的计算值，

Xbar是给定过滤器条件下的额定过滤器的煤烟荷载的校准值，并且在时刻T处，能够使所述计算值X(t)偏移偏移值Z(t)以提供煤烟荷载的估算值Xa(t)，所述偏移值Z(t)由下列等式表示：

Z(t)＝Z(t-1)+G*[E(t-1)-Z(t-1)]

其中，G是与时刻t＝0和时刻t＝T之间的煤烟荷载数据的可靠性相对应的因子，并且所述目标过滤器的煤烟荷载的估算值Xa(t)由等式Xa(t)＝X(t)-Z(t)来表示。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述煤烟荷载模型根据跨过所述额定过滤器的至少一部分的压降来确定煤烟荷载。

14.如权利要求13所述的方法，其中，通过将w_wall乘以一因子调整所述目标过滤器的所述煤烟荷载模型，使得所述等式精确地计算所述目标过滤器中的零煤烟荷载。

15.如权利要求13所述的方法，其中，通过将k_wall乘以一因子调整所述目标过滤器的所述煤烟荷载模型，使得所述等式精确地计算所述目标过滤器中的零煤烟荷载。

16.一种具有废气后处理系统的柴油机引擎，包括：

目标柴油机微粒过滤器；

控制器，所述控制器包括用于估算额定柴油机微粒过滤器的煤烟荷载的煤烟荷载模型，所述控制器适于调整所述目标过滤器的所述煤烟荷载模型，以对所述额定过滤器与所述目标过滤器之间的差异进行说明，并且适于使用调整的煤烟荷载模型来估算所述目标过滤器的煤烟荷载。

17.如权利要求16所述的具有废气后处理系统的柴油机引擎，其中，所述目标过滤器是催化型过滤器。

18.如权利要求16所述的具有废气后处理系统的柴油机引擎，包括加热器，所述加热器用于所述目标过滤器的主动再生。

19.如权利要求18所述的具有废气后处理系统的柴油机引擎，包括传感器，所述传感器用于感测所述目标过滤器的至少一个条件并且将信号发送到所述控制器，以响应于所述信号发起主动再生。

20.如权利要求19所述的具有废气后处理系统的柴油机引擎，其中，所述至少一个条件是压降、燃油消耗、所行进的距离和操作时间中的至少一个。