CN102373989B - 目标颗粒物过滤器再生和温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及目标颗粒物过滤器再生和温度控制系统。具体地，提供了一种再生系统，包括颗粒物PM过滤器负载模块，其确定PM过滤器的当前烟灰负载水平。PM过滤器温度模块，其确定PM过滤器的温度。排气流率模块，其确定PM过滤器的排气流率。控制模块，其基于当前烟灰负载、温度和排气流率，停用空气泵回路的空气泵并且在化学计量比的预定范围内操作发动机。

Description

目标颗粒物过滤器再生和温度控制系统
技术领域
本公开涉及排气系统的颗粒物过滤器的再生。
背景技术
这里提供的背景描述是为了总体上介绍本公开的背景。当前署名发明人的一部分工作在该背景技术部分中被描述，这部分内容以及该描述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。
发动机产生颗粒物（PM），所述颗粒物通过PM过滤器从排气中过滤掉。PM过滤器被置于发动机的排气系统中。PM过滤器减少了在燃烧期间产生的PM的排放。随着时间的过去，PM过滤器变满。在再生期间，可以在PM过滤器内燃烧PM。再生可涉及将PM过滤器加热到该PM的燃烧温度。存在各种各样的执行再生的方式，包括：修改发动机管理，使用燃料燃烧器，使用催化氧化器以便在燃料喷射之后增加排气温度，使用电阻加热线圈，和/或使用微波能量。
作为一个示例，排气系统可以包括三元催化剂转换器（TWC），氧化催化剂（OC）和颗粒物（PM）过滤器，其定位在发动机下游。来自发动机的排气经过TWC，继之以OC，然后通过PM过滤器来过滤。TWC减少了氮氧化物NOx，氧化了一氧化碳（CO），以及氧化了未燃烧的碳氢化合物（HC）和挥发性有机化合物。OC对从TWC接收的排气中剩余的CO进行氧化。
从上述示例继续，发动机的火花可以被延迟以加热发动机并因而加热排气系统，以引发PM过滤器的再生。PM过滤器可以被加热到例如600-750℃的PM燃烧温度。排气系统部件的增加的温度能够减小TWC和/或OC的使用寿命。并且，提供该加热需要增加的燃料量。
发明内容
提供了一种再生系统，其包括颗粒物（PM）过滤器负载模块，所述颗粒物（PM）过滤器负载模块确定PM过滤器的当前烟灰负载水平。PM过滤器温度模块确定该PM过滤器的温度。排气流率模块确定PM过滤器的排气流率。控制模块基于当前烟灰负载、温度和排气流率来停用空气泵回路的空气泵并在化学计量值的预定范围内操作发动机。
在其它特征中，一种再生方法包括经由发动机排气系统的颗粒物（PM）过滤器的上游端接收排气。环境空气经由空气泵引导到PM过滤器上游的第一排气管道。确定PM过滤器的当前烟灰负载水平。确定PM过滤器的温度。确定PM过滤器的排气流率。停用空气泵。基于当前烟灰负载、温度和排气流率，在化学计量值的预定范围内操作发动机。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种再生系统，包括：
颗粒物PM过滤器负载模块，所述颗粒物PM过滤器负载模块确定PM过滤器的当前烟灰负载水平；
PM过滤器温度模块，所述PM过滤器温度模块确定所述PM过滤器的温度；
排气流率模块，所述排气流率模块确定所述PM过滤器的排气流率；以及
控制模块，所述控制模块基于所述当前烟灰负载、所述温度和所述排气流率来停用空气泵回路的空气泵并且在化学计量比的预定范围内操作所述发动机。
2. 如技术方案1所述的再生系统，进一步包括：
PM过滤器，其中所述PM过滤器包括上游端，以接收来自所述发动机的排气；以及
空气泵回路，其中所述空气泵回路将环境空气引导到所述PM过滤器上游的第一排气管道。
3. 如技术方案1所述的再生系统，其中，当所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平时，所述控制模块停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
4. 如技术方案1所述的再生系统，其中，当所述温度大于预定温度时，所述控制模块停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
5. 如技术方案1所述的再生系统，其中，当所述排气流率小于预定流率时，所述控制模块停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
6. 如技术方案1所述的再生系统，其中，所述控制模块在以下情况时停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机：
所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平；
所述温度大于预定温度；以及
所述排气流率小于预定流率。
7. 如技术方案1所述的再生系统，进一步包括失控防止模块，所述失控防止模块访问存储器以基于所述当前烟灰负载水平、所述温度和所述排气流率而接收防止值，
其中所述失控防止模块基于所述防止值来生成再生暂停信号；以及
其中所述控制模块基于所述暂停信号来停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
8. 如技术方案1所述的再生系统，其中，所述控制模块：
确定所述PM过滤器上游的氧化催化剂的温度；
当所述氧化催化剂的温度大于第一预定温度时，以浓模式操作所述发动机并且启用所述空气泵；以及
当所述PM过滤器的温度大于第二预定温度时，停用所述空气泵。
9. 如技术方案1所述的再生系统，其中所述控制模块：
当所述当前烟灰负载水平大于第一预定烟灰负载水平时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机；以及
当所述当前烟灰负载水平大于第二预定烟灰负载水平时，停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机；
其中所述第二预定烟灰负载水平小于或等于所述第一预定烟灰负载水平。
10. 如技术方案1所述的再生系统，其中，所述控制模块：
当所述PM过滤器的压差超过预定压力阈值时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机；以及
当所述PM过滤器的排气流率大于预定流率时，停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
11. 如技术方案10所述的再生系统，其中，所述压差等于所述PM过滤器的入口压力和出口压力之间的差。
12. 如技术方案1所述的再生系统，其中，所述空气泵回路包括：
所述空气泵；
空气阀；
第一空气管道，所述第一空气管道连接在排气歧管和所述空气阀之间；
第二空气管道，所述第二空气管道连接在所述空气泵和所述空气阀之间；以及
第三空气管道，所述第三空气管道连接在所述空气阀和所述第一排气管道之间。
13. 一种排气系统，包括如技术方案1所述的再生系统并且进一步包括：
三元转换器，所述三元转换器连接在排气歧管和所述PM过滤器之间；以及
四元转换器，所述四元转换器包括所述PM过滤器和氧化催化剂，其中所述氧化催化剂连接在所述三元转换器和所述PM过滤器之间。
14. 一种再生方法，包括：
经由发动机排气系统的颗粒物PM过滤器的上游端来接收排气；
经由空气泵将环境空气引导到所述PM过滤器上游的第一排气管道；
确定所述PM过滤器的当前烟灰负载水平；
确定所述PM过滤器的温度；
确定所述PM过滤器的第一排气流率；以及
基于所述当前烟灰负载、所述温度和所述第一排气流率，停用所述空气泵并且在化学计量比的预定范围内操作所述发动机。
15. 如技术方案14所述的再生方法，其中，在下述情况时执行所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作：
所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平；
所述温度大于预定温度；以及
所述第一排气流率小于预定流率。
16. 如技术方案15所述的再生方法，进一步包括：
基于所述当前烟灰负载水平、所述温度和所述第一排气流率生成防止值；
基于所述防止值生成再生暂停信号；以及
基于所述暂停信号停用所述空气泵和以化学计量比操作所述发动机。
17. 如技术方案16所述的再生方法，进一步包括：
在所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作之后确定所述PM过滤器的第二排气流率；以及
当所述第二排气流率大于或等于预定流率时，启用所述空气泵和以浓模式操作所述发动机。
18. 如技术方案14所述的再生方法，进一步包括：
确定所述PM过滤器上游的氧化催化剂的温度；
当所述氧化催化剂的温度大于第一预定温度时，以浓模式操作所述发动机并且启用所述空气泵；以及
当所述PM过滤器的温度大于第二预定温度时，停用所述空气泵。
19. 如技术方案14所述的再生方法，进一步包括：
当所述当前烟灰负载水平大于第一预定烟灰负载水平时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机；
其中，当所述当前烟灰负载水平大于第二预定烟灰负载水平时，执行所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作；以及
其中，所述第二预定烟灰负载水平小于或等于所述第一预定烟灰负载水平。
20. 如技术方案14所述的再生方法，进一步包括当所述PM过滤器的压差超过预定压力阈值时，启用所述空气泵和以浓模式操作所述发动机；
其中，当所述PM过滤器的第一排气流率大于预定流率时，执行所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作；以及
其中，所述压差等于所述PM过滤器的入口压力和出口压力之间的差。
从本文中提供的描述，更多的应用领域将变得明显。应当理解的是，这些描述和具体的示例仅仅意在为了说明，而不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于说明目的，并不意在以任何方式限制本公开的范围。
图1是结合了根据本公开的再生系统的发动机系统的功能框图；
图2是根据本公开的发动机控制模块的功能框图；
图3是根据本公开的放热排气图示；
图4是例示了根据本公开的再生监测和控制方法的逻辑流程图；和
图5A和5B例示了结合有根据本公开的、图4的再生监测和控制方法的冷起动和再生方法。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的，并且绝不意图限制本公开、其应用或用途。为了清楚起见，相同附图标记在附图中用来指示类似的元件。如此处所用，短语"A、B和C中的至少一个"应该被解释为意思是使用了非排他性逻辑"或"的逻辑（A或B或C）。应当理解的是，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内的步骤。
如此处所用，术语"模块"可以指的是以下各项的一部分或者包括以下各项：专用集成电路（ASIC）；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享的、专用的、或成组的）；提供所述功能的其它合适部件；或上述各项的一些或全部的组合，例如片上系统。术语"模块"可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的或者成组的）。
如上面所用，术语"代码"可以包括软件、固件、和/或微代码，并且可以指的是程序、例程、函数、类和/或对象。如上面所用，术语"共享的"意思是可以使用单个（共享的）处理器来执行来自多个模块的一些或者全部代码。另外，来自多个模块的一些或者全部代码由单个（共享的）存储器来存储。如上面所用，术语"成组的"意思是可以使用一组处理器来执行来自单个模块的一些或者全部代码。另外，可以使用一组存储器来存储来自单个模块的一些或全部代码。
此处描述的设备和方法可以通过由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来实施。计算机程序包括处理器可执行的指令，所述指令存储在非暂时的有形的计算机可读介质上。计算机程序还可以包括存储的数据。非暂时的有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器、磁存储器和光存储器。
排气系统可以包括位于发动机下游的颗粒物（PM）过滤器。来自发动机的排气被PM过滤器过滤。在再生期间，通过将增加的燃料提供给发动机，PM过滤可以被加热到PM燃烧温度。在以下的公开中，实施方式被描述为包括增加再生温度同时减少再生时间。PM氧化与温度指数性地相关。因为该原因，再生温度越高，PM燃烧得越快。减少了再生时间，就减少了与再生相关联的燃料消耗。提供了减少的再生时间，同时保持了PM过滤器的完整性。
在图1中，示出了包括再生系统12的发动机系统10。再生系统12通过控制PM过滤器14的加热在再生期间热瞄准排气系统16的颗粒物（PM）过滤器14。再生系统12最小化再生时间，同时防止再生期间PM过滤器14的热失控。热失控可能发生在某些工况期间。热失控可能发生在，例如：PM过滤器负载大于预定负载时；PM过滤器14的温度大于预定温度时；和/或排气系统16中的排气流率小于预定排气流率时。热失控是指PM过滤器14的温度超过与PM过滤器14的劣化相关联的劣化温度之时。劣化温度可以大约是例如1200-1300℃。这在下面进一步描述。
发动机系统10可以是混合动力电动车辆系统，插电式混合动力电动车辆系统，起动/停止车辆系统，部分零排放车辆（PZEV）系统，超低排放车辆（SULEV）系统，或其它更加更严格排放的车辆系统（例如，SULEV20），等等。发动机系统10包括发动机18和排气系统16。虽然发动机18示出为火花点火（基于汽油或石油）发动机，但是发动机18是作为一个例子来提供的。再生系统12可以实施在各种各样的其它发动机上，例如柴油发动机。
发动机18燃烧空气和燃料的混合物以便产生驱动扭矩。空气通过空气过滤器20而进入发动机18。空气经过空气过滤器20，并可以被抽吸到涡轮增压器22中。当包括涡轮增压器22时，涡轮增压器22压缩新鲜空气。压缩得越大，则发动机18的输出越大。当包括空气冷却器24时，压缩空气在进入进气歧管26之前经过空气冷却器24。
进气歧管26内的空气被分配到气缸28中。燃料通过燃料喷射器30喷射到气缸28中。火花塞32点燃气缸28中的空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生排气。该排气离开气缸28进入排气系统16。
再生系统12包括排气系统16和发动机控制模块（ECM）40。排气系统16包括ECM40、排气歧管42、第一三元转换器（TWC）44、四元转换器（FWC）46和空气泵回路48。可选地，EGR阀（未示出）将排气的一部分重新循环回到进气歧管26中。排气的剩余部分被引导进入涡轮增压器22内以便驱动涡轮。涡轮便于对接收自空气过滤器20的新鲜空气进行压缩。排气从涡轮增压器22流动通过第一TWC44并且进入FWC46内。
第一TWC44减少了氮氧化物NOx，氧化了一氧化碳（CO），以及氧化了未燃烧的碳氢化合物（HC）和挥发性有机化合物。第一TWC44基于燃烧后的空气/燃料比来氧化排气。氧化的量增加了排气的温度。
FWC46包括PM过滤器14、壳体49、氧化催化剂（OC）（紧密耦接的催化剂）和/或第二TWC50。PM过滤器14和第二TWC50被置于壳体49内并且具有相应的上游端和下游端。第二TWC50可以与PM过滤器14接触，或者可以通过间隙G与PM过滤器14分开，以便改变PM过滤器14和第二TWC50之间的排气流量。第二TWC50还氧化接收自第一TWC44的排气中剩余的CO以产生CO2。第二TWC50还可以还原氮氧化物NOx和氧化未燃烧的碳氢化合物（HC）以及挥发性有机化合物。TPM过滤器14接收来自第二TWC50的排气，并且过滤存在于排气中的烟灰颗粒。
空气泵回路48包括第一空气管道60、空气阀62、第二空气管道64、空气泵65和第三空气管道66。T第一空气管道60连接在排气歧管42和空气阀62之间。第一空气管道60可以被直接地连接到排气歧管42或第一TWC44上游的排气管道，例如，连接到在排气歧管42和涡轮22之间的排气管道68，或者连接到涡轮22和第一TWC44之间的排气管道70。第二空气管道64连接在空气阀62和空气泵65之间。第三空气管道66连接在空气阀62和FWC46之间。第三空气管道66可以连接到第一TWC44和FWC46之间的排气管道72。
空气阀62具有两个操作位置和对应的模式。在第一模式期间，空气阀62处在第一位置。第一模式可以被称作为冷起动模式。当在第一模式中时，使用空气泵65将环境空气引导到第一空气管道60。环境空气可以被引导到发动机18的排气歧管42和/或排气阀。
在第二模式期间，空气阀62在第二位置。第二模式可以被称作为再生模式或浓操作模式。在再生模式和浓操作模式期间，使用空气泵65将环境空气引导进入第三空气和/或排气管道66、72内。
ECM40基于各种各样的感测信息和烟灰负载来控制发动机18，空气阀62的位置，空气泵65，以及PM过滤器再生。更具体地，ECM40估计PM过滤器14的负载。当估计的负载在预定再生水平SR和/或PM过滤器14上的压差PPF大于预定压力时，发动机18的操作、空气阀62的位置、以及空气泵65的状态被控制以引发再生过程。再生过程的持续时间可以基于PM过滤器14内PM的估计量而变化。
在再生期间，发动机18操作在浓模式，并且环境空气被引导到第三空气和排气管道66、72，以将第二TWC50加热到再生温度。发动机18可以操作在浓模式，并且环境空气可以基于计时器73被引导到第三空气和排气管道66、72。计时器73可以是ECM40的一部分，或者可以是单独的计时器，如所示。利用通过PM过滤器14的加热的排气产生的热量来实现再生过程的剩余部分。
在再生期间，对PM过滤器14的加热是在没有将发动机18和/或PM过滤器14上游的排气系统部件的温度增加到高于正常操作温度（例如，对发动机而言93-121℃，对PM过滤器上游的排气系统部件而言200-300℃）的情况下执行的。
上述系统可以包括传感器80，用于确定排气流量水平、排气温度水平、排气压力水平、氧水平、进气流率、进气压力、进气温度、发动机速度、EGR等等。示出了排气流量传感器82、排气温度传感器83、排气压力传感器85、氧传感器88、EGR传感器90、进气流量传感器92、进气压力传感器94、进气温度传感器96和发动机速度传感器98。
第一排气流量、压力和/或温度传感器100可以连接到第一空气管道60并且位于第一TWC44的上游。第二排气流量、压力和/或温度传感器102可以连接到排气管道72并且位于第一TWC44和FWC46之间。第三排气流量、压力和/或温度传感器104可以连接到FWC46。第三排气传感器104可以检测排气的温度，例如在间隙G内。第四排气流量、压力和/或温度传感器106可以连接在FWC46的下游。控制模块40可以基于来自传感器80以及第一、第二和第三、第四传感器100、102、104、106的信息以冷起动模式、浓模式、以及再生模式来操作发动机18和排气系统16。第二和第四传感器102、106可以用于检测PM过滤器104的入口流率和出口流率。
现在参照图2，示出了ECM40。ECM40包括PM过滤器温度模块150、催化剂温度模块152、排气流率模块154、PM过滤器压力模块156、PM过滤器负载模块158、再生模块160和失控防止模块162。PM过滤器温度模块150监测PM过滤器14的温度。PM过滤器温度模块150可以接收例如来自PM过滤器温度传感器（例如传感器104、106）的入口温度信号TPFIN（151）和出口温度信号TPFOUT（153）。PM过滤器温度模块150可以基于入口信号和出口温度信号TPFIN、TPFOUT来生成PM过滤器温度信号TPF(155)。
催化剂温度模块152可以监测TWC44和TWC50中的一个或多个的温度。催化剂温度模块152可以接收第一和第二催化剂温度信号TCAT1(157)、TCAT2(159)，其指示了TWC44和TWC50的温度。催化剂温度模块152可以基于第一和第二催化剂温度信号TCAT1、TCAT2来生成催化剂温度信号TCAT(161)。
排气流率模块154监测排气系统16内的排气流率。排气流率模块154可以接收来自排气流率传感器（例如，传感器100、102、104、106）的排气流率信号F1-N(163)，其中N是整数。排气流率模块154可以基于排气流率信号F1-N来生成排气流率信号FEXH（165）。
PM过滤器压力模块156可以确定PM过滤器14上的压差PPF(167)。压差PPF可以基于入口流率信号FIN(169)、出口流率信号FOUT(171)、以及发动机速度信号ENG（173）来确定。入口流率信号FIN和出口流率信号FOUT可以由例如传感器104、106生成。排气流率信号F1-N可以包括流率信号FIN、FOUT。压差PPF可以基于PM过滤器14的入口压力和出口压力之间的差来确定，所述PM过滤器14的入口压力和出口压力可以例如由传感器104、106来提供。
PM过滤器负载模块158估计PM过滤器14的烟灰负载Sl(175)。PM过滤器负载模块158可通过预测方法等等基于诸如车辆里程数、排气压力、PM过滤器上的排气压降（例如压差PPF）之类的参数来估计烟灰负载Sl。里程数是指车辆里程数，其大致对应于或者能够被用于估计车辆发动机的操作时间和/或所生成的排气量。作为示例，再生可以在车辆已经行进了大约200～300英里时被执行。所生成的烟灰量取决于这段时间上的车辆操作。操作在空转速度时比操作在行驶速度时生成更少的烟灰。所生成的排气量与PM过滤器中的烟灰负载状态有关。
排气压力能够被用于估计在一段时间段上生成的排气量。在排气压力超过预定压力阈值时或者在排气压力减小到低于预定压力阈值时，可以执行再生。例如，当进入PM过滤器的排气压力超过预定压力阈值时，可以执行再生。作为另一示例，当离开PM过滤器的排气的压力低于预定压力阈值时，可以执行再生。
排气压降可以用于估计PM过滤器内的烟灰量。例如，随着压降的增加，烟灰负载量也增加。排气压降可以通过确定进入PM过滤器的排气压力减去离开PM过滤器的排气压力来确定。排气系统压力传感器可以用来提供这些压力。
预测方法可以包括对一种或多种发动机操作状况的确定，所述发动机操作状况例如：发动机负载、燃料加注方案（方式、体积等等）、燃料喷射正时、以及排气再循环（EGR）水平。可以基于发动机状态来使用累积权重因子。累积权重因子与烟灰负载有关。当累积权重因子超过阈值时，可以执行再生。
再生模块160控制再生，包括基于各种参数启动、暂停、以及停止或结束再生。例如，再生模块160可以基于PM过滤器温度信号TPF、催化剂温度信号TCAT、排气流率信号FEXH、发动机速度信号ENG、烟灰负载Sl等等来控制再生。再生模块160可以基于所述参数生成空气泵信号AIRPUMP(177)，燃料控制信号FUEL(179)，和/或火花控制信号SPARK(181)。空气泵信号AIRPUMP启用和停用空气泵65。
失控防止模块162监测各种参数并且确定何时存在热失控状况。热失控状况是指何时某些参数值使得可能发生热失控。热失控状况可以基于例如烟灰负载Sl，PM过滤器温度信号TPF和排气流率信号FEXH来确定。烟灰负载越大，PM过滤器14的温度越高和/或PM过滤器的流率越低，PM过滤器14越有可能在再生期间发生热失控事件。失控防止模块162可以监测烟灰负载Sl，PM过滤器温度信号TPF，以及排气流率信号FEXH，从而基于这些参数来防止PM过滤器14发生热失控事件。
失控防止模块162生成再生暂停信号PAUSE(183)，以便在存在热失控状况时使再生暂停。再生模块160基于暂停信号PAUSE来使得再生暂停。再生暂停信号PAUSE还可以指示何时继续再生。这可以发生在热失控状况不再存在时。使再生暂停可以包括停用空气泵65以及以化学计量比来操作发动机18。以化学计量比来进行操作减小了氧水平，并且停止CO和HC的再生燃料加注。
在一个实施方式中，失控防止模块162可以将烟灰负载Sl、PM过滤器温度信号TPF、和排气流率信号FEXH与预先确定的烟灰负载、温度、和排气流率阈值STh、TTh和FTh(共同指示为185)进行比较。失控防止模块162可以给再生模块160发信号，以便使得在以下情况时暂停再生：烟灰负载Sl大于烟灰负载阈值STh；PM过滤器温度信号TPF大于温度阈值TTh；以及，排气流率信号FEXH小于排气流率阈值FTh。
阈值STh、TTh和FTh可以不是固定值，并且可以基于烟灰负载Sl、PM过滤器温度信号TPF、以及排气流率信号FEXH来调整。例如，当烟灰负载Sl增加超过烟灰负载阈值STh时，温度阈值TTh可以减小和/或排气流率阈值FTh可以增加。作为另一示例，当排气流率信号FEXH减小到排气流率阈值FTh以下时，烟灰负载阈值Sl和温度阈值TTh可以减小。作为又一示例，当PM过滤器温度信号TPF增加超过温度阈值TTh时，烟灰负载阈值Sl可以减小并且排气流率阈值FTh可以增加。
在另一实施方式中，失控防止模块162基于烟灰负载Sl、PM过滤器温度信号TPF和排气流率信号FEXH在失控防止表164中查找防止值PREV(187)。失控防止表164存储在存储器166中。失控防止模块162基于防止值PREV确定是否应当暂停再生并生成再生暂停信号PAUSE。在又一实施方式中，失控防止模块162可以基于参数的函数来生成暂停信号PAUSE，所述参数包括：烟灰负载Sl、PM过滤器温度TPF和排气流率信号FEXH。
在图3中，示出了放热排气图示。为了启动PM过滤器180中的颗粒再生，发动机可以操作在浓模式。浓模式是指以在化学计量比浓侧的空气/燃料比来操作发动机。当发动机操作在浓模式时，排气系统内的氧气减少。因为排气系统中的氧水平减少，所以环境空气被泵送到排气系统中以允许OC182工作，例如，使FWC将CO转换为二氧化碳(CO2)。该转换导致OC182的温度增加。
OC182从发动机接收热能和排气，所述排气包括燃烧产物，例如，氢(H2)，碳氢化合物(HC)，以及一氧化碳(CO)。OC182还从空气泵接收氧(O2)。OC182氧化CO和HC，并升高温度，其引起了大的放热反应，该放热反应传递到PM过滤器180并沿着PM过滤器180行进，同时燃烧了PM过滤器180内的PM。OC182的温度被增加到再生温度。快速转换器起燃提供了减少的冷起动排放。
本文所公开的实施方式将PM过滤器的温度快速提高到高再生温度，所述高再生温度大于最低再生温度。这减小了再生时间，并且减少了与再生相关联的燃料消耗。最低再生温度指的是PM过滤器14的PM燃烧或点燃的最低温度。一个示例的最低再生温度是350-600℃，其取决于PM过滤器14是否被催化。在一种实施方式中，最低再生温度是大约600-650℃。高再生温度可以是例如650-700℃。在另一实施方式中，高再生温度大于最低再生温度，并且小于PM过滤器14的劣化温度（例如1200-1300℃）以预定安全范围（例如，200-400℃）。再生温度越大，再生过程被执行得越快。
在图4中，示出了对冷起动和再生方法进行说明的逻辑流程图。尽管该方法是主要关于图1-2的发动机系统10和ECM40来描述的，但是该方法可以应用于本公开的其它实施方式。该方法可以开始于200。以下描述的控制可以由ECM40执行，和/或由ECM40的一个或多个模块来执行。
在201，生成传感器信号。所述传感器信号可以包括：排气流量信号，排气温度信号，排气压力信号，氧信号，进气流量信号，进气压力信号，进气温度信号，发动机速度信号，EGR信号等等，其可以由上述图1和图2中的传感器80和100-106生成。
在202，ECM40确定PM过滤器14的再生模式是否有效。再生可以通过使用例如图5A和图5B中提供的方法来启动。在再生期间，发动机18可以以浓模式操作，并且空气泵65可以是有效的。任务204可以在再生模式有效时被执行。
在204，PM过滤器负载模块158估计PM过滤器14的烟灰负载Sl，如上所述。在206，失控防止模块162确定烟灰负载Sl是否大于预定烟灰负载阈值STh。当烟灰负载Sl大于预定阈值STh时，失控防止模块162行进到208，否则返回到201。预定烟灰负载阈值STh(第二预定烟灰负载水平)可以小于或等于用于引起再生的预定阈值SR(第一预定烟灰负载水平)。参见图5A和5B的任务312。
在208，PM过滤器温度模块150估计PM过滤器14的温度，并且生成PM过滤器温度信号TPF。在210，失控防止模块162确定PM过滤器温度信号TPF是否大于温度阈值TTh。当PM过滤器温度信号TPF大于温度阈值TTh时失控防止模块162行进到212，否则返回到201。
在212，排气流率模块154可以估计PM过滤器14的流率。排气流率模块154可以生成指示了PM过滤器14的流率的排气流率信号FEXH。在214，失控防止模块162确定排气流率信号FEXH是否小于排气流率阈值FTh。排气流率阈值FTh可以是以每秒立方米(m3/s)为单位的预定阈值，其与例如空转发动机速度（例如，500-700每分钟转数(rpm))相关。空转发动机速度可以发生在例如发动机18的加速器没有“踩下”时。作为另一示例，排气流率阈值FTh可以与预定发动机速度相关联，所述预定发动机速度大于空转发动机速度以预定安全速度范围(例如，50-200rpm)。ECM40和/或再生模块160可以在排气流率信号FEXH小于排气流率阈值FTh时行进到216，否则返回201。
在任务206，210和214期间，失控防止模块162可以确定是否暂停PM过滤器14的再生。任务206，210和214可以在相同时间段期间执行。任务206，210和214可以被查找任务和/或功能任务替代或与其一起执行。失控防止模块162可以基于烟灰负载Sl、PM过滤器温度信号TPF和排气流率信号FEXH在失控防止表164中查找防止值PREV，并且基于防止值PREV生成暂停信号。失控防止模块162可以基于烟灰负载Sl、PM过滤器温度信号TPF和排气流率信号FEXH的函数生成暂停信号PAUSE。当再生被暂停时执行任务216。
在216，再生模块160暂停再生(PM过滤器保护模式)。再生模块160和/或ECM40可以停用空气泵65，并且以化学计量比(例如，14.7:1的空气/燃料比)和/或在化学计量比的预定范围内操作发动机18。这能够将排气系统16中的氧O2的百分比减小到大致0.5%，这防止了再生继续。以化学计量比进行操作减小了排气系统16和PM过滤器14内的氧浓度，这防止了再生继续。减小氧浓度水平，则减小了PM过滤器14的温度。这限制了PM过滤器14中的温度峰值。由于以化学计量比进行操作，所以诸如PZEV排放性能之类的排放性能得以维持。
在218，再生模块160确定再生是否完成。如果再生未完成，则执行任务220。如果再生完成，则控制可以返回201，返回310(如果执行图5的方法)，或者在226结束，如所示。
在220，失控防止模块162确定排气流率信号FEXH是否大于或等于排气流率阈值FTh。当排气流率信号FEXH大于或等于排气流率阈值FTh时，ECM40和/或再生模块160可以行进到222。尽管任务220包括检查排气流率信号FEXH是否大于或等于排气流率阈值FTh，但是其它参数检查可以在行进到任务222之前被执行。参数检查可以包括例如：（i）检查PM过滤器14的烟灰负载是否大于烟灰负载阈值STh；以及（ii）PM过滤器14的温度TPF是否大于温度阈值TTh。
在222，再生模块160和/或ECM40重新启用空气泵。在224，再生模块160和/或ECM40返回到以浓模式来操作发动机18。ECM40在任务224后可以返回到任务201。
在图5a和图5b中，示出了对冷起动和再生方法进行说明的逻辑流程图。尽管该方法是主要关于图1-2的发动机系统10和ECM40来描述的，但是该方法可以应用于本公开的其它实施方式。该方法可以开始于300。以下描述的控制可以由ECM40执行，和/或由ECM40的一个或多个模块来执行。
在301，生成传感器信号。所述传感器信号可以包括：排气流量信号，排气温度信号，排气压力信号，氧信号，进气流量信号，进气压力信号，进气温度信号，发动机速度信号，EGR信号等等，其可以由上述图1和图2中的传感器80和100-106生成。
在302，控制确定OC和/或FWC(例如，第二TWC50的OC和FWC46)的当前温度TOC是否小于CO放热温度TCOEx(第一预定温度)。在一个实施方式中，CO放热温度TCOEx是250℃。在另一实施方式中，CO放热温度TCOEx是300℃。温度TOC可例如基于来自排气传感器104的信息和/或使用方程式1和2来确定。TStart是OC和/或FWC的起始温度。EAddedMass是例如提供到OC的CO、H2和HC的质量。HL是OC的热损耗。K是常数。FE是排气流量，其可以是供应到发动机气缸（例如，气缸28）的质量空气流量和燃料量的函数。质量空气流量通过质量空气流量传感器来确定，例如，进气流量传感器92。
Figure 2011102269184100002DEST_PATH_IMAGE001
在当前温度TOC小于CO放热温度TCOEx时，控制行进到304，否则控制行进到310。
在304，空气阀(例如，空气阀62)定位至用于发动机冷起动的第一位置。在第一位置中，空气可以从空气阀传送到排气歧管(例如，排气歧管42)，而不是从空气阀到第一TWC(例如，第一TWC44)下游的位置点处。在306，空气泵(例如，空气泵65)被启用以便将空气泵送到排气歧管中。
在308，控制再次确定当前温度TOC是否小于CO放热温度TCOEx。在当前温度TOC大于或等于CO放热温度TCOEx时，控制行进到310。在302-308执行的任务允许排气系统的温度增加到正常操作温度。这迅速将排气系统的OC的温度增加到用于进行氧化的温度。在当前温度TOC大于或等于CO放热温度TCOEx时，空气泵可以被停用。
在310，控制估计PM过滤器的烟灰负载，如上所述。在312，控制确定当前烟灰负载Sl是否大于烟灰负载阈值SR。在当前烟灰负载Sl大于下限阈值SR时，控制行进到316，否则控制行进到314。在314，控制可以停用空气泵，如果空气泵在308之后没有停用的话。在316，控制确定当前温度TOC是否大于或等于CO放热温度TCOEx。在当前温度TOC大于或等于CO放热温度TCOEx时，控制行进到318。控制允许通过发动机的正常操作(例如，操作在化学计量比模式中)和排气系统的正常操作(例如空气泵停用)而将OC和/或FWC加热到CO放热温度TCOEx。
在318，控制以浓模式来操作发动机以便生成CO和HC。浓模式被用于将OC和/或FWC加热至再生温度。OC和/或FWC氧化CO和HC。OC和/或FWC的温度增加，例如从正常操作温度增加到再生温度。
在320，控制给空气阀发信号以切换到第二或再生位置。在322，控制确定空气泵是否启用。在空气泵未启用时，控制行进到324。在空气泵启用时，控制行进到326。在324，启用空气泵。
通过以浓模式操作发动机、使空气阀处于第二位置、以及使空气泵处于启用状态，再生系统经由第一TWC去除NOx，并且经由第二TWC转换HC和CO。这在PM过滤器的再生期间执行。在再生期间，这减少了NOx、HC和CO排放。尽管由于发动机以浓模式操作使得第一TWC缺少氧气，但氧气被从第一TWC提供到下游，以便允许FWC的OC氧化所接收的HC和CO。
在326，控制确定当前温度TOC是否大于或等于PM放热温度TPMEx(第二预定温度)。控制允许当前温度TOC快速增加或斜坡上升(在预定时间段内)至PM放热温度TPMEx。PM过滤器的再生可以开始于OC、PM过滤器和/或FWC的温度大于或等于PM放热温度TPMEx以预定时间段之时。获取OC、PM过滤器和/或FWC的PM放热温度(最低温度)以便开始烟灰燃烧。仅仅是举例，取决于PM过滤器是否被催化，该最低温度可以为大致350-650℃。在当前温度TOC大于或等于PM放热温度TPMEx时，控制行进到328。
在328，启用计时器。计时器用于确定当前温度TOC大于或等于PM放热温度TPMEx是否达到了预定时间段。
在330，控制确定当前温度TOC是否大于或等于PM放热温度TPMEx以预定时间段。在计时器大于或等于预定时间段时，控制行进到335，否则行进到332。在332，计时器递增。
在335，可以启动图4的再生监测和控制方法。可以在再生模式有效(即，在PM过滤器14再生期间)时执行图4的再生监测和控制方法。在336，控制确定再生是否完成。任务335和336可以在相同的时间段期间执行。当再生完成时，控制行进到任务338。
在338和340，空气泵可以停用，并且发动机可以操作在化学计量比模式。在达到足够的PM温度时，可以停止浓模式操作。发动机以浓模式操作的时长可以仅仅是足以用于烟灰的燃烧，然后便可以返回到化学计量比的操作模式。在340后，控制可以返回到310。
在使用中，控制模块确定PM过滤器何时需要再生。该确定是基于PM过滤器内的烟灰水平。替代地，再生可以定期执行，或者基于事件而执行。控制模块可以估计整个PM过滤器何时需要再生，或者PM过滤器内的区域何时需要再生。
上述在图4、5A和5B中的任务可仅仅是说明性示例；取决于应用，这些任务可以被顺序地、同步地、同时地、连续地、在交叠时间段期间、或者以不同次序来执行。
上述PM过滤器监测和再生控制方法通过去除放热燃料和减少氧气浓度水平防止了PM过滤器的热失控事件，同时最小化了与PM过滤器再生相关的所用燃料。这些方法还在再生暂停时维持了排放控制。因为发动机以及因而排气系统的TWC是以化学计量比操作的，所以排放控制得以维持。这些方法有助于在车辆的整个寿命期间维持PM过滤器的完整性和耐用性。
本公开的目标PM过滤器方法最小化了再生期间所用的燃料以及温度升高的部件的数量。这增加了排气部件的寿命，例如连接到PM过滤器壳体上游的TWC。本公开的目标PM过滤器方法包括在PM过滤器的再生期间去除NOx以及转换HC和CO。
本领域技术人员从前述说明中能够认识到本公开的广泛教导能够以各种形式实施。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应局限于此，因为其它变型在本领域技术人员研究了附图、说明书和所附权利要求后将变得清楚。

Claims (18)

1.一种再生系统，包括：
颗粒物PM过滤器负载模块，所述颗粒物PM过滤器负载模块确定PM过滤器的当前烟灰负载水平；
PM过滤器温度模块，所述PM过滤器温度模块确定所述PM过滤器的温度；
排气流率模块，所述排气流率模块确定所述PM过滤器的排气流率；以及
控制模块，所述控制模块：
基于所述当前烟灰负载、所述温度和所述排气流率来再生PM过滤器并且启用空气泵回路的空气泵；
当所述排气流率小于预先确定的流率时，暂停PM过滤器的再生，停用空气泵回路的空气泵，并且在化学计量比的预定范围内操作发动机；以及
当所述排气流率大于或等于所述预先确定的流率时，重新启用所述空气泵并且以浓模式操作发动机。
2.如权利要求1所述的再生系统，进一步包括：
PM过滤器，其中所述PM过滤器包括上游端，以接收来自所述发动机的排气；以及
空气泵回路，其中所述空气泵回路将环境空气引导到所述PM过滤器上游的第一排气管道。
3.如权利要求1所述的再生系统，其中，当所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平时，所述控制模块停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
4.如权利要求1所述的再生系统，其中，当所述温度大于预定温度时，所述控制模块停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
5.如权利要求1所述的再生系统，其中，所述控制模块在以下情况时停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机：
所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平；
所述温度大于预定温度；以及
所述排气流率小于预定流率。
6.如权利要求1所述的再生系统，进一步包括失控防止模块，所述失控防止模块访问存储器以基于所述当前烟灰负载水平、所述温度和所述排气流率而接收防止值，
其中所述失控防止模块基于所述防止值来生成再生暂停信号；以及
其中所述控制模块基于所述暂停信号来停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机。
7.如权利要求1所述的再生系统，其中，所述控制模块：
确定所述PM过滤器上游的氧化催化剂的温度；
当所述氧化催化剂的温度大于第一预定温度时，以浓模式操作所述发动机并且启用所述空气泵；以及
当所述PM过滤器的温度大于第二预定温度时，停用所述空气泵。
8.如权利要求1所述的再生系统，其中所述控制模块：
当所述当前烟灰负载水平大于第一预定烟灰负载水平时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机；以及
当所述当前烟灰负载水平大于第二预定烟灰负载水平时，停用所述空气泵并且以化学计量比来操作所述发动机；
其中所述第二预定烟灰负载水平小于或等于所述第一预定烟灰负载水平。
9.如权利要求1所述的再生系统，其中，所述控制模块：
当所述PM过滤器的压差超过预定压力阈值时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机。
10.如权利要求9所述的再生系统，其中，所述压差等于所述PM过滤器的入口压力和出口压力之间的差。
11.如权利要求1所述的再生系统，其中，所述空气泵回路包括：
所述空气泵；
空气阀；
第一空气管道，所述第一空气管道连接在排气歧管和所述空气阀之间；
第二空气管道，所述第二空气管道连接在所述空气泵和所述空气阀之间；以及
第三空气管道，所述第三空气管道连接在所述空气阀和所述PM过滤器之间。
12.一种排气系统，包括如权利要求1所述的再生系统并且进一步包括：
三元转换器，所述三元转换器连接在排气歧管和所述PM过滤器之间；以及
四元转换器，所述四元转换器包括所述PM过滤器和氧化催化剂，其中所述氧化催化剂连接在所述三元转换器和所述PM过滤器之间。
13.一种再生方法，包括：
经由发动机排气系统的颗粒物PM过滤器的上游端来接收排气；
经由空气泵将环境空气引导到所述PM过滤器上游的第一排气管道；
确定所述PM过滤器的当前烟灰负载水平；
确定所述PM过滤器的温度；
确定所述PM过滤器的排气流率；
基于所述当前烟灰负载、所述温度和所述排气流率来再生PM过滤器并且启用空气泵回路的空气泵；
当所述排气流率小于预先确定的流率时，暂停PM过滤器的再生，停用空气泵回路的空气泵，并且在化学计量比的预定范围内操作发动机；以及
当所述排气流率大于或等于所述预先确定的流率时，重新启用所述空气泵并且以浓模式操作发动机。
14.如权利要求13所述的再生方法，其中，在下述情况时执行所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作：
所述当前烟灰负载水平大于预定烟灰负载水平；
所述温度大于预定温度；以及
所述排气流率小于预定流率。
15.如权利要求14所述的再生方法，进一步包括：
基于所述当前烟灰负载水平、所述温度和所述排气流率生成防止值；
基于所述防止值生成再生暂停信号；以及
基于所述暂停信号停用所述空气泵和以化学计量比操作所述发动机。
16.如权利要求13所述的再生方法，进一步包括：
确定所述PM过滤器上游的氧化催化剂的温度；
当所述氧化催化剂的温度大于第一预定温度时，以浓模式操作所述发动机并且启用所述空气泵；以及
当所述PM过滤器的温度大于第二预定温度时，停用所述空气泵。
17.如权利要求13所述的再生方法，进一步包括：
当所述当前烟灰负载水平大于第一预定烟灰负载水平时，启用所述空气泵并且以浓模式操作所述发动机；
其中，当所述当前烟灰负载水平大于第二预定烟灰负载水平时，执行所述空气泵的停用和以化学计量比对所述发动机的操作；以及
其中，所述第二预定烟灰负载水平小于或等于所述第一预定烟灰负载水平。
18.如权利要求13所述的再生方法，进一步包括当所述PM过滤器的压差超过预定压力阈值时，启用所述空气泵和以浓模式操作所述发动机；
其中，所述压差等于所述PM过滤器的入口压力和出口压力之间的差。
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