CN103122784A - 控制压缩点火发动机的后处理构件中的再生的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制压缩点火发动机的后处理构件内的再生的方法，其包括根据基于压力的碳灰累积模型和指示跨构件的压力降低的压降指数来计算累积的颗粒物质的初始估计。基于初始估计以及碳灰模型中内在的碳灰预测误差来计算构件中累积的颗粒物质的调整的估计。调整的估计与后处理构件所关联的预先确定的阈值进行比较，并且当后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计超过预先确定的阈值时开始补救措施。基于压力的碳灰累积模型可以配置为在没有被动再生的情况下预测碳灰累积，并且可以使用调整的动力学燃烧模型来估计通过被动再生所处理的碳灰的量。

Description

控制压缩点火发动机的后处理构件中的再生的方法
技术领域
本发明涉及压缩点火发动机的后处理系统，并且更具体地涉及用于控制压缩点火发动机的后处理构件中的再生的方法。
背景技术
由于环境原因，来自压缩点火发动机的排气中的颗粒物质的排放被管制。因此，装备有压缩点火发动机的车辆通常包括后处理构件，诸如颗粒过滤器，催化碳灰过滤器和吸附催化剂，用于从其排气流中除去颗粒物质和其它受管制的成分（例如，氮氧化物或NOx）。颗粒过滤器和其它的后处理构件可能是有效的，但也可能在它们收集颗粒物质时增加背压。
颗粒物质可以包括通常称为碳灰的灰和未燃的碳颗粒。随着这种基于碳的颗粒物质在后处理构件中累积，其能够增加排气系统中的背压。具有大的颗粒质量排放率的发动机可能在相对短的时间段内产生过量的背压水平，降低发动机的效率和功率产生容量。因此，期望具有颗粒过滤系统，其最小化背压，同时有效地捕获排气中的颗粒物质。
为了实现这两个有挑战的目标，后处理构件必须被周期性监测并且通过更换构件或通过移除累积的碳灰而被维护。从后处理构件清理累积的碳灰可以通过氧化CO2（即，燃尽）来实现，在本领域称为再生。为了避免服务中断，再生通常比后处理构件的更换更优选。
可以完成再生的一个方式是将过滤器材料和收集的颗粒物质的温度增加到颗粒物质的燃烧温度以上的水平。增加温度通过允许排气中的过量的氧来氧化颗粒物质而有利于碳灰的消耗。通过将颗粒物质暴露于充分浓度的二氧化氮（NO2）中，颗粒物质也可以在较低的温度被氧化从而被移除。来自压缩发动机（诸如柴油发动机）的排气通常包含NOx，该NOx主要包括一氧化氮（NO）和大约5-20%的NO2，当氧化催化剂存在于排气流中时，更高水平的NO2是常见的。因此，即使在相对低的温度下，也会发生某种水平的再生。
再生过程可以是被动的或主动的。在被动系统中，当热量（例如，由排气携带的热量）以及碳灰（例如，捕集在后处理构件中的碳灰）足以促进氧化时，和/或在排气中存在充分浓度的NO2以使得在较低温度氧化时，发生再生。在主动系统中，通过从外部源（例如，电加热器、燃料燃烧器、微波加热器、和/或来自发动机自身，诸如以稍晚的缸内喷射或将燃料直接喷射到排气流中）引入热量而在期望的时间引起再生。在各种车辆操作和排气条件期间，可以开始主动再生。这些有利的操作条件是静止的车辆操作，诸如当车辆停车时，例如，当加燃料停止时。可以使用发动机控制系统来预测何时主动地促进再生事件并且对再生过程进行控制可能是有利的。
因此，期望提供一种用于确定何时促进主动的再生以及控制颗粒过滤系统的主动再生的改进的系统和方法。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，一种用于控制压缩点火发动机的后处理构件内的再生的方法，包括根据基于压力的碳灰累积模型、指示排气流通过后处理构件时的压力降低的压降指数、以及指示排气流的流率的流率指数来计算后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计。基于后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计以及碳灰模型中内在的碳灰预测误差来计算后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计。调整的估计与后处理构件所关联的预先确定的阈值进行比较，并且当后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计超过预先确定的阈值时开始补救措施。
在本发明的另一个示例性实施例中，基于压力的碳灰累积模型被配置成在没有被动再生的情况下预测碳灰累积。
在本发明的又一示例性实施例中，调整的动力学燃烧模型估计通过被动再生处理的碳灰的量。
此外，本发明还涉及以下技术方案。
1. 一种用于控制压缩点火发动机的后处理构件中的再生的方法，包括：
接收压降指数，该压降指数指示排气流通过后处理构件时的压力降低；
接收流率指数，该流率指数指示所述排气流的流率；
根据基于压力的碳灰累积模型、所述压降指数、和所述流率指数来计算所述后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计；
计算所述碳灰模型中内在的碳灰预测误差；
基于所述后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计以及所述碳灰预测误差来计算所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计；
将所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计与所述后处理构件所关联的预先确定的阈值进行比较；以及
当所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计超过所述预先确定的阈值时，开始补救措施。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，所述压降指数表示跨所述后处理构件的压力比。
3. 如技术方案1所述的方法，其中，所述压降指数表示跨所述后处理构件的压力差。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，所述压降指数表示跨所述后处理构件的归一化的压力差。
5. 如技术方案1所述的方法，其中，所述流率指数基于发动机的速度。
6. 如技术方案1所述的方法，其中，所述流率指数基于发动机的空气质量流量。
7. 如技术方案1所述的方法，其中，所述基于压力的碳灰累积模型基于经验数据。
8. 如技术方案1所述的方法，其中，所述基于压力的碳灰累积模型被配置成在没有被动再生的情况下预测颗粒物质的累积。
9. 如技术方案1所述的方法，其中，计算碳灰预测误差的步骤包括执行调整的动力学燃烧模型以便估计通过被动再生处理的碳灰的量。
10. 如技术方案9所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被调整为近似于利用所述发动机和所述后处理构件测量的数据。
11. 如技术方案9所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的再生所释放的热量的影响。
12. 如技术方案9所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的NOx存储和/或释放的影响。
13. 如技术方案9所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的固硫和/或脱硫的影响。
14. 如技术方案9所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的替代性还原剂的形成。
15. 如技术方案1所述的方法，其中，所述补救措施包括开始对一个或多个发动机参数进行一个或多个调整，以便修改所述发动机的操作，以便促进所述后处理构件中的被动再生。
16. 如技术方案15所述的方法，其中，所述一个或多个调整被配置为在所述后处理构件处提供最小温度，促进所述后处理构件中的被动再生。
17. 如技术方案15所述的方法，其中，所述一个或多个调整包括修改所述发动机的给燃料和正时。
18. 如技术方案15所述的方法，其中，所述一个或多个调整包括激活辅助加热元件，以便增加所述排气流的温度。
19. 如技术方案1所述的方法，其中，所述补救措施包括激活警告灯，指示操作者开始所述后处理构件中的再生。
20. 如技术方案1所述的方法，还包括使开关致动，以便开始所述后处理构件中的再生。
上述特征和优点以及本发明其它的特征和优点将根据以下结合附图对本发明进行的详细说明而变得清楚。
附图说明
在以下参照附图仅通过示例给出的实施例的详细说明中，其它特征、优点和细节得以显现，附图中：
图1是显示用于控制压缩点火发动机的后处理构件内的再生的示例性过程的过程流图，以及
图2是显示用于产生调整的动力学燃烧模型的示例性过程的过程流图。
具体实施方式
以下说明在本质上仅仅是示例性的，而并不是为了限制本公开、其应用或用途。应当明白在所有附图中，相应的附图标记指示类似的或者相应的部件和特征。
根据本发明的示例性实施例，如图1所示，用于控制压缩点火发动机的后处理构件（诸如颗粒过滤器）内的再生的过程100通常包括对后处理构件中的颗粒物质累积的初始估计进行计算的步骤（步骤110）。该步骤开始于计算或接收到指示排气流通过后处理构件时的压力降低的压降指数。在示例性实施例中，接收并记录指示后处理构件的上游压力（Pu）的信号（步骤112），并且还接收和记录指示后处理构件的下游压力（Pd）的信号（步骤114）。
一旦这些压力信号已经被记录，则可以计算压降指数（步骤116），该压降指数指示排气流在不同的排气流率下通过后处理构件时所经历的压力降低的水平。在一个实施例中，压降指数被计算为上游压力与下游压力之比（即，PR=Pu/Pd），以便表示跨后处理构件的压力比。在另一个实施例中，压降指数被计算为上游压力与下游压力之间的差（即，DP=Pu-Pd），以便表示跨后处理构件的压力差。在又一个实施例中，压降指数被计算为上游压力与下游压力之间的差除以上游压力的大小（即，作为归一化的压降，DPP=DP/Pu），以便表示跨后处理构件的归一化的压力差。
除了确定与后处理构件相关联的压降之外，示例性过程还包括接收指示排气流的相对流率的流率指数（步骤118）。该流率指数信号可以由发动机速度传感器、或空气质量流量传感器、或配置成感测指示排气流的相对流率的发动机操作条件的任何其它传感器来产生。
一旦确定了排气流的压降指数和流率指数，示例性过程采用基于压力的碳灰累积模型（步骤120）基于压降指数和流率指数来计算后处理构件中的累积的颗粒物质的初始估计。该初始估计表示被预测已经累积在后处理构件中的颗粒物质的量。基于压力的碳灰累积模型（其可以基于经验数据）配置成反映后处理构件中已经累积的颗粒物质的量、压降指数和流率指数之间的关系。该模型通常被校准以便在没有可预见的被动再生的情况下精确地预测冷温度（例如，排气温度低于230℃）下的颗粒物质累积。因此，碳灰模型与为系统所选的压降指数的特定形式相关联，其可以是上游压力和下游压力之比、上游压力和下游压力之差、或者归一化的上游压力和下游压力之差。
由于碳灰累积模型被校准以便在没有被动再生（即，在较冷的温度）的情况下精确地预测颗粒物质累积，在被动再生可能会发生（即，在高于大约200℃的排气温度，存在NOx）的情况下，碳灰累积模型将可能预测与后处理构件中所剩余的实际颗粒物质累积不同的颗粒物质累积水平。由于后处理构件累积颗粒物质，压降指数将（至少在最初）反映该累积。然而，随着被动再生发生，以及颗粒物质在后处理构件中累积，包含在累积的颗粒物质中的碳颗粒将通过与NO2反应而氧化。该过程能够造成颗粒的分散，并且随后造成后处理构件内的流性质改变。结果，压力差响应可能不能够区分碳灰分散的细小变化和由于碳灰燃烧造成的碳灰质量的实际变化。因此，除非考虑和计入被动再生对碳灰质量降低的影响，否则碳灰模型将不能够精确地预测颗粒物质累积，并且可能不能够精确地确定何时促进主动再生、或适当地通知操作员来寻求更换颗粒过滤器、或适当地控制后处理系统构件中的主动再生、或者可能危及后处理硬件。
为了至少部分地弥补这些缺点，用于控制后处理构件内的再生的过程100包括进一步的步骤（步骤130），即计算由于不能够计入被动再生而在碳灰模型中内在的碳灰预测误差。该误差可以凭经验地评估为碳灰质量的直接测量值（例如，通过后处理构件的重量的变化）和来自碳灰模型的输出（例如，基于压力差信号）之间的差。为了补偿碳灰预测误差，调整的动力学燃烧模型估计被动再生所处理的颗粒物质的量（即，碳灰与排气流中存在的NO2反应所关联的实时碳灰燃烧速率）。在示例性实施例中，调整的动力学燃烧模型配置为计入后处理构件中的再生所释放的热量的影响。动力学燃烧模型还配置为计入后处理构件中的NOx存储和/或释放的影响。动力学燃烧模型还可配置为计入固硫和/或脱硫以及后处理构件中的替代性的还原剂的形成的影响。动力学燃烧模型还可以基于使用发动机和后处理构件测量的数据而被调整。因此，动力学燃烧模型模拟了通过后处理构件的排气流以及在催化剂基底、碳灰层、和环境之间交换的热量。动力学燃烧模型还模拟了在后处理构件中的化学反应并且预测在一系列操作条件下的后处理性能。调整的动力学燃烧模型的输入包括在后处理构件的入口处的碳灰速率（例如，碳灰模型基于压力差、基于由排气传感器和发动机参数或一个或多个其它适当指数校正的估计碳灰速率所提供的）、排气温度、温度和流率、发动机速度、燃料流率、DPF的上游压力、DPF的入口处的HC和氧气流量、和NOx水平。结果，使用动力学燃烧模型以及碳灰负荷模型能够使得累积在后处理构件中并且通过被动再生而氧化的颗粒物质的水平被更可靠地估计。
基于使用碳灰模型确定的后处理构件中的累积的颗粒物质的实时估计和和预期的碳灰预测误差（例如，基于在被动再生期间燃烧的碳灰的量和已经凭经验确定的预测误差），计算后处理构件中的累积的颗粒物质的调整估计（步骤140）。该调整的估计被计算为使用碳灰模型确定的后处理构件中的累积的颗粒物质的估计与预期的碳灰预测误差（即动力学燃烧模型所估计的碳灰模型中内在的预测偏低的颗粒物质的水平）之和。应该认识到，模型估计（基于压力差）的该实时关联取决于动力学模型所估计的燃烧的碳灰的量。由于动力学模型已经被调整（例如，基于经验数据），动力学模型产生燃烧的碳灰的量的可靠预测。
一旦完成对累积的颗粒物质的调整预测，则后处理构件中的累积的颗粒物质的调整预测与后处理构件所关联的预先确定的阈值进行比较（步骤150）。如果结果显示后处理构件中的累积颗粒物质的调整的估计超过预先确定的阈值，则控制可以开始补救措施，诸如开始对一个或多个发动机控制参数进行一个或多个调整，以便改变发动机的操作，以便促进后处理构件中的被动再生（步骤160）。这可以通过将一个或多个调整配置为在后处理构件提供一最小温度以促进后处理构件中的主动再生而实现。可以通过修改发动机的给燃料和正时或者通过激活辅助加热元件来增加排气流的温度而获得该最小温度。
对于发动机操作修改的替代，或者与发动机操作修改结合，控制可以激活警告灯，指令操作者开始过滤器再生循环（步骤170）。可以提供用于开始再生的手动开关，使得操作者在操作者选择的时间通过致动开关而对警告灯的激活做出响应，从而开始再生步骤（步骤180）。
如图2所示，在示例性实施例中，用于产生调整的动力学燃烧模型（诸如在以上步骤140中所使用的模型）的过程200包括收集后处理基体条件上的颗粒物质累积数据的步骤（步骤210）。因此，在被动再生发生于各种强度水平的一系列条件下收集颗粒物质累积数据。当颗粒物质在特定的操作条件下累积时，随着颗粒物质载入构件内，在一段时间内测量（步骤216）并记录（步骤218）每个后处理构件（诸如颗粒过滤器）的重量。构件的重量的改变指示了后处理构件中累积的颗粒物质的重量。
更具体而言，在示例性实施例中，第一发动机操作在（步骤212）第一测试条件下，该第一测试条件由第一周围压力和温度、第一发动机操作速度、和第一发动机负荷来刻画。在规则的时间间隔处，测量在后处理构件中累积的颗粒物质的重量（步骤216）并且记录（步骤218），直到已经经过了相关的载入时间。接下来，设定随后的测试条件（步骤214），包括随后对周围压力和温度以及发动机操作速度和负荷的组合。再次，在规则的时间间隔处，测量在后处理构件中累积的颗粒物质的重量（步骤216）并且记录（步骤218），直到已经经过了相关的载入时间。可以设置另外的测试条件（步骤214），并且可以测量（步骤216）和记录（步骤218）数据集，直到已经在一系列期望的测试条件下确定发动机的颗粒物质累积特性（步骤219），因此，已经在一系列后处理条件下收集了颗粒物质累积数据，从而使得能够刻画发生被动再生的各种强度水平。本领域技术人员将认识到，每次载入的重量的数量可以基于所期望的模型精度的各种水平。特别关注的条件可以包括触发再生的那些条件。相关的载入时间可以是经历由于颗粒物质累积造成的发动机功率的限制所必要的时间长度。
用于产生调整的动力学燃烧模型的过程200还包括在以上所述的步骤212和214中所使用的每个测试条件处执行基于压力的碳灰累积模型的步骤（步骤220），该模型是诸如以上步骤120中所述的模型。通过在每个测试基体条件下执行基于压力的碳灰累积模型，可以在没有被动再生的情况下预测颗粒物质累积。
用于产生调整的动力学燃烧模型的过程200还包括计算在步骤210中收集的数据与利用碳灰模型在步骤220中产生的预测之间的差的步骤（步骤230）。这些差表示颗粒物质水平的实际预测偏低或预测偏高（即，颗粒物质预测偏低或预测偏高）。由于预测偏低可能与没能计入与再生相关联的碳灰燃烧速率有关，因此，动力学模型被用于校正基于压力差的模型所得到的预测偏低。
接着，使用在以上所述的步骤212和214中所用的各个测试条件下执行的调整的动力学燃烧模型来预测碳灰燃烧速率（步骤240）。调整的动力学燃烧模型模拟被动再生现象，因此，能够以合理的精确度来实时地预测被NO2所氧化的碳灰。动力学燃烧模型模拟在每个基体条件下发生的被动再生，实时地估计碳灰燃烧的速率以及与NO2反应相关联产生的热量。因此，基于动力学的燃烧模型产生预测偏低或预测偏高水平的估计，作为与NO2反应相关联的实时碳灰燃烧速率。接下来，用于产生碳灰模型（例如，基于压力差并且计入与被动再生相关联的模型不精确性）的过程200还包括将测量的误差与通过动力学模型估计的碳灰速率关联起来的步骤（步骤250）。因此，所得到的基于压力差的模型应该能够在没有被动再生的情况下预测碳灰。动力学模型应该能够精确地模拟与被动再生相关联的碳灰燃烧。可以产生包括基于压力差的模型和动力学模型的组合的碳灰模型，以便能够可靠地预测被动再生或非被动再生是否正在发生。通过建立基于压力差的模型内在的不精确性与使用动力学模型预测的碳灰燃烧速率之间的关联（例如，通过经验数据），这种组合的碳灰模型将基于压力差的模型与动力学模型联接起来。
因此，用于产生调整的动力学燃烧模型的过程200还包括确定调整的步骤（步骤260），该调整足以调整动力学燃烧模型使得模型以合理的精确度预测与未能够计入与再生相关联的碳灰燃烧速率有关的颗粒物质水平的实际预测偏低或预测偏高（即，颗粒物质的预测偏低）。该调整被施加到动力学燃烧模型（步骤270），从而产生调整的动力学燃烧模型。
因此，调整的动力学燃烧模型能够精确地预测与NO2反应相关联的实时碳灰燃烧速率。该碳灰燃烧速率可以用于对基于压力的碳灰累积模型所产生的结果进行调整（步骤280），以便产生对后处理构件中的碳灰累积的精确预测。这些预测可以用于精确地确定何时主动地促进再生事件或者对再生过程进行控制是有利的，诸如通过对再生构件增加热量、或者通知操作员可能需要更换再生构件。实质上，可以使用精确的实时碳灰校正来补偿基于压力的碳灰累积模型中内在的不精确性。该实时碳灰校正基于估计的与NOx反应相关联的实时碳灰燃烧速率，其由与经验数据关联起来的基于动力学的燃烧模型来计算。结果，硬件保护可以被改善并且可以维持发动机效率。
已参照示例性实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变和对其元件用等同物进行替换。另外，根据本发明的教导，可做许多变形以适应特定情况或材料，这些都不会脱离本发明的实质范围。因此，本发明不限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落入到本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制压缩点火发动机的后处理构件中的再生的方法，包括：
接收压降指数，该压降指数指示排气流通过后处理构件时的压力降低；
接收流率指数，该流率指数指示所述排气流的流率；
根据基于压力的碳灰累积模型、所述压降指数、和所述流率指数来计算所述后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计；
计算所述碳灰模型中内在的碳灰预测误差；
基于所述后处理构件中累积的颗粒物质的初始估计以及所述碳灰预测误差来计算所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计；
将所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计与所述后处理构件所关联的预先确定的阈值进行比较；以及
当所述后处理构件中累积的颗粒物质的调整的估计超过所述预先确定的阈值时，开始补救措施。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基于压力的碳灰累积模型被配置成在没有被动再生的情况下预测颗粒物质的累积。
3.如权利要求1所述的方法，其中，计算碳灰预测误差的步骤包括执行调整的动力学燃烧模型以便估计通过被动再生处理的碳灰的量。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被调整为近似于利用所述发动机和所述后处理构件测量的数据。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的再生所释放的热量的影响。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的NOx存储和/或释放的影响。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述动力学燃烧模型被配置为计入所述后处理构件中的固硫和/或脱硫的影响。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述补救措施包括开始对一个或多个发动机参数进行一个或多个调整，以便修改所述发动机的操作，以便促进所述后处理构件中的被动再生。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个调整包括修改所述发动机的给燃料和正时。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述一个或多个调整包括激活辅助加热元件，以便增加所述排气流的温度。
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