CN102365432A - 过滤柴油机引擎废气微粒的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种柴油机微粒过滤系统，包括：过滤器，被构造为捕获来自柴油机引擎的废气微粒；再生设备，被构造为在废气气体到达所述过滤器之前对来自柴油机引擎的废气气体进行加热；以及控制器，被构造为控制所述再生设备的运行；其中，所述控制器还被构造为在多个规范化的参数值的加权平均值超过阈值时开启所述再生设备。

Description

过滤柴油机引擎废气微粒的系统和方法
技术领域
本发明总地涉及柴油机废气系统，并且更具体地，涉及柴油机微粒过滤器系统。
背景技术
环境限制和管理规定的增多使得柴油机引擎制造商和包装商开发能够改善和减小这种引擎的运行对环境的影响的技术。因此，许多设计工作投入到对引擎自身内的燃烧过程的运行进行控制，以试图增加燃油经济性并减小排放(例如NOx和微粒)。然而，给定柴油机引擎在其上运行的运行变量和参数，并且给定NOx和微粒的产生之间的折衷方案，许多引擎制造商和包装商发现在他们的系统中应用废气后处理设备是有用的或必要的。这些设备用于对来自柴油机引擎的废气气流进行过滤，从而把某些排放去除或减少到可接受的水平。这种设备在把废气微粒(或碳黑)释放到环境中去之前从废气气流中去除这种碳黑方面特别有用。
一种这样的废气后处理设备称作柴油机微粒过滤器(DPF)。DPF位于废气系统中，使得来自柴油机引擎的所有废气气体从其中流过。该DPF被构造为使得废气气体中的碳黑颗粒沉积到DPF的过滤器衬底中。按照这种方式，从废气气体中过滤掉碳黑微粒，使得引擎或引擎系统能够符合或超过所应用的环境管理规定。
在这种设备显著地对环境有益的同时，同任何过滤器一样，随着PDF持续累积这些微粒，会出现问题。在一段时间后，DPF满载碳黑，使得废气气体在经过日益受限的过滤器时受到显著的压力降落。作为利用过于受限的过滤器进行运行的结果，引擎热效率降低，因为引擎必须越来越努力的工作以把废气气体泵入满载的DPF。除了热效率降低外，可能产生第二个潜在更危险的问题。由于累积在DPF中的碳黑是可燃的，如果并且当累积的碳黑最终不受控制地点燃并且燃烧时，使用满载的DPF持续运行将升高不受控制的废气火苗的严重潜在可能性。
为了避免这两个问题，若干可能的过滤器加热设备之一被典型地包含到DPF的上游，以周期性地清洁过滤器。这些过滤器加热设备被周期性地使用，从而把废气气流的温度人工升高到所累积的碳黑将自燃的点。当在DPF的碳黑负载变得过多之前开始进行时，点燃和燃烧将按照安全且受控的方式进行。以这种受控的方式燃烧碳黑的处理被称作再生。产生增加DPF中的温度所必须的补充的热量的控制方法对于安全和可靠的再生是至关重要的。通常，用于再生的可接受的温度范围是600℃到900℃。该范围之下的温度不足以点燃累积的碳黑，并且该范围之上的温度可能导致过滤器介质的热损伤。
人们已经想出许多方法来提供开始再生所需的辅助加热。例如，能够这样修改柴油机引擎的运行参数，使得废气温度升高到足以适当运行下游微粒过滤器的水平。还可以在废气即将穿过位于微粒过滤器上游的柴油氧化催化剂(diesel oxidation catalyst，DOC)之前，把碳氢化合物燃料喷射到柴油机引擎的废气中。DOC通过催化剂的催化反应把过量的碳氢化合物燃料转变成热量，从而在废气气体穿过微粒过滤器之前提高废气气体的温度。利用设置在废气路径中的辅助电加热器或微波加热器，还可以在废气气流中产生补充热量。在废气气体穿过微粒过滤器之前，该补充热量被添加到废气气体中。作为利用微波或电加热器的替代方式，过滤器再生的另一种方法在DPF之前使用燃油燃烧器来加热废气气体。这种燃烧器需要柴油供给、辅助空气供给以及点燃系统。
碳黑在过滤器中的累积速度主要依赖于引擎的运行状况。因此，除了对用于加热废气气体以进行再生的特定方法或设备进行选择外，引擎制造商或包装商还必须确定何时开始再生处理。如果开始再生过早，此时DPF仅轻微负载，该处理将是低效的。如果直到DPF严重负载时才开始再生，如上所述，整个引擎效率已经过度降低，并且存在碳黑可能自燃和/或燃烧不安全且不受控的危险。
为了正确地确定何时开始再生处理，已经开发出来若干种传感器和控制算法。这些传感器和控制算法能够用于估计DPF的碳黑负载，使得仅在碳黑负载能导致引擎效率降低之后但在出现能实际导致这种效率降低和增加的自燃可能性的过度负载之前，开始再生。然而，这些控制算法通常依赖于对一定触发事件的监控，其基于与某些预定限制的比较而产生布尔(即，真/假)响应。这些布尔响应形成了控制算法的输入。
该方法的一个缺点在于可能具有非常不连续的响应。即，一个触发事件能确定何时开始再生，而没有把各种其它相关因素考虑进来。此外，通过把再生的开始基于某些触发事件的布尔响应，存在例如故障或损坏的传感器能比所需频率频繁得多地开始再生事件的可能，或者能比所期望的时间更长地延迟再生。依赖于模拟响应并且把多种相关参数的值考虑进来的控制系统能够避免该问题。
因此，期望具有一种控制再生处理的开始的系统和方法，其中该系统和方法能计算多种因素的模拟响应，使得有效地控制再生事件并且在真正需要时开始再生事件。本发明的实施例提供了这样一种控制再生处理的开始的系统和方法。通过本发明的描述，本发明的这些优点、其它有益效果以及附加的发明特征，将变得更加清晰。
发明内容
在一个方面中，本发明的实施例提供了一种柴油机微粒过滤系统，包括：过滤器，被构造为捕获来自柴油机引擎的废气微粒；再生设备，被构造为在来自柴油机引擎的废气气体到达所述过滤器之前对废气气体进行加热；以及控制器，被构造为控制所述再生设备的运行；其中，所述控制器还被构造为在多个规范化的参数值的加权平均值超过阈值时开启所述再生设备。
在另一个方面中，本发明的实施例提供了一种控制柴油机微粒过滤系统的运行的方法，包括：在过滤器中捕获来自柴油机引擎的废气的微粒；为多个参数的每一个产生规范化的值，所述参数表示开始再生事件的必要性；为多个参数的每一个分配权重因子，所述权重因子被施加到相应的规范化的值；计算所述多个参数的加权平均值；以及当所述加权平均值超过阈值时开始再生事件。
结合附图，根据下面的详细描述，本发明的其它方面、目的和优点将变得更加清晰。
附图说明
说明书中包含的附图构成说明书的一部分并且例示本发明的若干方面，同描述一起用于解释本发明的原理。其中：
图1是例示根据本发明实施例的柴油机引擎微粒过滤系统的框图；以及
图2是例示根据本发明实施例的用于确定何时开始再生事件的参数的框图。
虽然本发明将结合一定的优选实施例进行描述，但是无意把本发明限制到这些实施例。相反，如所附权利要求限定的那样，意欲覆盖本发明的精神和范围内包括的所有的替代、修改和等价方式。
具体实施方式
图1例示了根据本发明的教导构建的柴油机微粒过滤器系统100的实施例，其被构造为确定适当的时间来开始柴油机微粒过滤器(DPF)102的再生。柴油机微粒过滤器系统100包括安装在废气出口104之前或上游的DPF 102，以从柴油机引擎107的废气气体中过滤掉微粒。为了从DPF 102中清除已经收集的微粒，例如碳黑，在DPF 102的上游但是柴油机引擎107的废气出口106的下游，设置有再生设备108。这种再生设备108可以为任何辅助加热源，例如燃油燃烧器、电燃烧器、微波燃烧器、DOC，或者甚至通过修改柴油机引擎107的运行来产生热量。引擎废气气体流过再生设备108的开口114，然后在经由废气出口104进入外界环境之前穿过DPF 102。
然而，应当认识到，在本发明的可替换实施例中，在可能具有也可能不具有离子感测能力的单独的控制器中可以包括高能火花和漏电流监控。如图所示，后处理控制器124能够与引擎控制单元(ECU)126通信。也能够想象到，柴油机微粒过滤器系统100具有遍布系统不同位置处的多个传感器136a-136f，用于收集温度数据、压力数据、化学和/或氧气浓度，等等。在本发明的一个实施例中，后处理控制器124经由CAN总线138接收来自传感器136a-136f的传感器输入数据，以及经由相同的CAN总线138向再生设备108和ECU126发送命令。
图2是例示根据本发明的实施例的用于确定开始再生事件的参数的框图。在该实施例中，再生决定202通过三个输入来确定：1)CAN通信系统204的输出；2)用户界面206的输出；以及3)组合源模块208的输出。交通工具操作员可以经由用户界面206请求再生事件。可以通过连接到CAN通信总线138的设备产生再生事件请求。组合源模块208被构造为基于一组规范化(normalized)的输入值的加权平均值与阈值的比较来开始再生事件。在本发明的一个实施例中，再生决定202可以被构造为通过多个输入中的任意一个而开始。例如，用户请求、或者来自连接到CAN通信系统的设备的请求、或者来自组合源模块208的再生信号，都能够独自开始再生事件。在本发明的另一个实施例中，再生决定202基于这三个输入的加权平均值。
组合源模块208具有五个输入模块：1)碳黑模型模块210；2)背压(backpressure)模块212；3)超时模块214；4)有利条件模块216；以及5)ECU信号模块218。这五个输入参数的规范化的值或缩放值(scaled value)以加权平均值的方式进行组合。权重可以为常数并且可以基于各种因素，这些因素包括例如传感器可靠性或准确性。当这些参数的加权平均值超过一定预定阈值时，开始再生事件。然而，如下面将要解释的那样，还可以部分地基于运行状况来动态地设定权重。
碳黑模型模块210提供基于映射或模型的碳黑产量值的积分，并且生成规范化的碳黑产量值。例如，可以把组合源模块208的值选择为100，作为所需再生的临界值。如果例如DPF 102中4g/L的碳黑负载是期望的再生负载，则可以对碳黑负载信号进行缩放或规范化，使得碳黑模型模块210输出值为100，当在过滤器中具有4g/L的碳黑负载时，该值乘以缩放因子。然后，由碳黑模型模块210产生的值成为从组合源模块208输出的加权平均值的一部分。可以通过来自柴油微粒过滤器系统的传感器输入来确定碳黑产生。在本发明的一个替换实施例中，碳黑模型210从引擎控制单元(ECU)126获取数据。来自ECU126的数据可以是交通工具所有者/操作者专有的。典型地，该ECU数据通过把碳黑产量值与引擎速度、温度、引擎负载等进行关联而向后处理控制器124提供碳黑产量值。
背压模块212确定DPF 102两端的压力差来预测碳黑负载，以及产生压力差的规范化的值。在本发明的一个实施例中，可以基于运行状况动态地调整用于背压模块212的权重因子。例如，在以较高废气流量运行的柴油机驱动的交通工具中，压力差的幅度值足以通过典型地用于汽车应用中的低分辨率传感器来准确地测量。在这些较高流量下，满载碳黑的DPF 102和干净的DPF 102之间的压力差读数的差比较显著并且能够被准确地测量。但是，在以较低废气流量运行的同一交通工具中，满载碳黑的DPF 102和干净的DPF 102之间的压力差读数的差可能位于传感器的噪声水平之内。对这种流动现象的补偿涉及增加高废气流量下的背压模块212的权重因子以及减小低废气流量下的权重因子。当确定适当的权重因子时应当加以考虑的运行状况是环境温度。例如，如果传感器中存在水分，非常冷的温度有可能损坏压力传感器136a-136f。背压模块212可以被构造为当环境温度降低到足够低的时候减小权重。
在一个示例性实施例中，其中组合源模块208的值100是再生的临界值，以及其中DPF 102两端的压力差20kPa是开始再生的期望压力差，背压模块212被构造为当DPF 102两端的压力差达到20kPa时输出的值为100乘以适当的缩放因子。然后，由背压模块212输出的规范化的值成为从组合源模块208输出的加权平均值的一部分。如上解释的那样，该规范化的值随着废气流量而波动。
超时模块214自上次成功再生事件开始监控时间量，以及产生规范化的时间值。该模块允许在预定的时间段之后开始再生事件，从而保证再生事件的最小次数。按照这种方式，再生事件将在充分长时间段之后开始，而不论运行状况如何。
有利条件模块216提供基于映射或模型的值，该值表示开始再生事件的条件的有利性。所使用的映射或模型被构造为基于一定参数产生规范化的有利条件值。例如，在引擎速度较低且环境温度较高以及废气气体具有较高氧气浓度的情况下，引擎速度负载映射可以确定再生事件的条件是不利的，因为DPF 102会被过快地加热，可能对DPF102造成损伤。相反，在引擎速度较高且环境温度较低以及废气气体中的氧气浓度也较低的情况下，引擎速度负载映射可以确定再生事件的条件是不利的，因为将花费太长时间来产生足够的热量以从DPF102去除碳黑。在这两种情况中，有利条件模块216输出的值表示不利条件(例如较低值或可能为负值)，从而有效地延迟开始再生事件。
当引擎速度、温度以及氧气浓度组合起来得到有利再生的条件时，有利条件模块216输出，例如较高值或可能为任意正值，从而有效地加速开始再生事件。然而，即使再生条件是不利的，其它因素(即来自其它模块的缩放输出)可能表示需要再生事件。这样，即使条件是不利的，也将开始再生事件。类似地，即使再生条件是有利的，其它模块的缩放输出的值可能不足以开始再生事件。在这种情况中，即使在有利条件下也不开始再生事件。
ECU信号模块218规定ECU 126信号的集成以确定，例如燃料消耗、碳黑产生速率等，然后产生规范化的ECU 126信号值。在某些交通工具中，存在中央处理器，通常称作引擎控制单元(ECU)126，其被构造为运行算法以确定各种参数，例如燃料消耗、油料消耗以及碳黑产生。来自ECU 126的数据可以被传送给后处理控制器124。在一些实施例中，由ECU 126运行的算法是交通工具的所有者/操作者专有的。ECU信号模块218可以被构造为从专有ECU 126获取信号以及规范化这些信号值。
在本发明的一个实施例中，来自五个模块中的每一个的规范化的输出乘以权重因子。对加权值求和，然后除以权重因子之和。组合源模块208把加权平均值与预定的阈值进行比较，如果加权平均值更大，则开始再生事件。使用若干规范化的值的加权平均值的一个有益效果是：通常在再生决定中可能被认为是次要因素的那些因素，诸如有利条件，能够倾覆比例并且触发再生事件，即使其它(通常更关键)参数的规范化的值接近(但没有超过)再生的阈值。这有助于优化再生开始处理。因此，能够在柴油机引擎107的性能出现明显下降之前进行再生。
此外，上述自适应性权重因子(其允许在柴油机引擎107运行期间动态调整权重因子)允许后处理控制器124通过减小来自已经被确定为损坏或不准确的传感器的输出的权重，对这些传感器进行补偿。例如，在一定运行条件下，某些参数的权重可以被调整为最小化甚至消除这些参数值对开始再生的决定的贡献。
该系统还足够灵活，以允许在再生决定202中采用附加输入。例如，交通工具操作者可以安装专用碳黑传感器(未示出)来增加过滤器中碳黑负载的确定的准确性。在这种情况中，碳黑传感器模块可以被构造为规范化碳黑传感器的输出以及把该值提供给组合源模块208.像其它模块那样，可以动态调整碳黑传感器模块的权重，从而把传感器的相关运行状况和可能的准确性考虑进来。
所有的参考文献，包括出版物、专利申请以及本文中引用的专利都通过引用包含于此，以达到每个参考文献都单独并且具体的指明通过引用被包含于此并且全部列出的程度。
描述本发明的上下文(特别是下面权利要求的上下文)中的术语“一个”、“一种”以及“所述”和类似称谓应当被理解为包括单数和复数，除非在此另外指明或者明显与上下文矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”应当被理解为开放性术语(即意味着“包括，但不限于”)，除非另外注明。本文中数值范围的引用仅用来表示落在该范围内的每一个单个数值的简写方法，除非另外指明，并且每个单独数值被包含到说明书中，就像其被单独引用一样。本文中描述的所有方法能够以任何适当次序执行，除非另外指明或者明显与上下文矛盾。任何及所有例子的使用，或者本文中提供的示例性语言(例如，“例如”)，都仅用来更好地例示本发明而不是对本发明的范围进行限制，除非另外要求。说明书中的语言不应当被理解为表示任何未要求保护的元素对本发明的施行是必要的。
本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知的执行本发明的最佳方式。阅读过上述描述之后，这些优选实施例的变化对本领域技术人员是明显的。发明人认为本领域技术人员能适当地采用这些变化，并且发明人打算按照与本文具体描述的方式不同的方式来执行本发明。因此，本发明包括适用法律许可的附于此的权利要求所引用的主题内容的全部修改和等价方式。此外，上述元素的任何组合按照任何可能变化被包含于本发明中，除非另外指明或者与上下文明显矛盾。

Claims (24)

1.一种柴油机微粒过滤系统，包括：
过滤器，被构造为捕获来自柴油机引擎的废气微粒；
再生设备，被构造为在来自柴油机引擎的废气气体到达所述过滤器之前对废气气体进行加热；以及
控制器，被构造为控制所述再生设备的运行；
其中，所述控制器还被构造为在多个规范化的参数值的加权平均值超过阈值时开启所述再生设备。
2.根据权利要求1所述的微粒过滤系统，其中，基于运行状况来动态地调整所述多个规范化的参数值的权重。
3.根据权利要求2所述的微粒过滤系统，其中，所述运行状况包括柴油机引擎的废气流量。
4.根据权利要求2所述的微粒过滤系统，其中，所述运行状况包括环境温度。
5.根据权利要求1所述的微粒过滤系统，其中，所述多个规范化的参数值包括以下至少一个：规范化的碳黑产量值、规范化的超时值、规范化的背压值、规范化的有利条件值、以及规范化的ECU信号值。
6.根据权利要求1所述的微粒过滤系统，其中，所述多个规范化的参数值包括规范化的碳黑模型值、规范化的超时值、规范化的背压值、规范化的有利条件值、以及规范化的ECU信号值中的每一个。
7.根据权利要求6所述的微粒过滤系统，其中，通过燃油消耗速率和碳黑产生速率之一来至少部分地确定所述规范化的ECU信号值。
8.根据权利要求6所述的微粒过滤系统，其中，开启所述再生设备包括开始再生事件，其中通过自上次成功的再生事件时起的时间量来至少部分地确定所述规范化的超时值。
9.根据权利要求6所述的微粒过滤系统，其中，通过所述过滤器两端的压力差来至少部分地确定所述规范化的背压值。
10.根据权利要求6所述的微粒过滤系统，其中，通过柴油机引擎废气中的氧气浓度来至少部分地确定所述规范化的有利条件值。
11.根据权利要求10所述的微粒过滤系统，其中，通过环境温度来至少部分地确定所述规范化的有利条件值。
12.根据权利要求11所述的微粒过滤系统，其中，通过柴油机引擎的速度来至少部分地确定所述规范化的有利条件值。
13.根据权利要求6所述的微粒过滤系统，其中，通过对过滤器的碳黑负载的计算来至少部分地确定所述规范化的碳黑模型值。
14.根据权利要求1所述的微粒过滤系统，其中，所述再生设备包括柴油氧化催化剂、电加热器、微波加热器以及燃油加热器之一。
15.一种控制柴油机微粒过滤系统的运行的方法，包括：
在过滤器中捕获来自柴油机引擎的废气的微粒；
为多个参数的每一个产生规范化的值，所述参数的值表示开始再生事件的必要性；
为多个参数的每一个分配权重因子，所述权重因子被施加到相应的规范化的值；
计算所述多个参数的加权平均值；
当所述加权平均值超过阈值时开始再生事件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，为多个参数的每一个分配第一权重因子的步骤包括：基于运行状况分配权重因子。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，基于运行状况分配权重因子的步骤包括：基于柴油机引擎的废气流量来分配权重因子。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，基于运行状况分配权重因子的步骤包括：基于环境温度来分配权重因子。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，为所述多个参数的每一个分配权重因子的步骤包括：由于运行状况的变化而把第一权重因子改变为不同于第一权重因子的第二权重因子。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，为多个参数的每一个产生规范化的值的步骤包括：为碳黑模型值、超时值、背压值、有利条件值以及ECU信号值中的至少一个产生规范化的值。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，为多个参数的每一个产生规范化的值的步骤包括：为碳黑模型值、超时值、背压值、有利条件值以及ECU信号值中的每一个产生规范化的值。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，产生规范化的碳黑模型值的步骤包括：产生通过对过滤器的碳黑负载的计算来至少部分地确定的值。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，产生规范化的背压值的步骤包括：产生通过所述过滤器两端的压力差来至少部分地确定的值。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，产生规范化的有利条件值的步骤包括：产生通过柴油机引擎废气中的氧气浓度、环境温度以及柴油机引擎速度之一来至少部分地确定的值。
CN2010800153007A 2009-03-31 2010-03-26 过滤柴油机引擎废气微粒的系统和方法 Active CN102365432B (zh)

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