CN103133107A - 用于确定排气系统状况的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个实施例中，一种用于确定排气系统状况的方法包括：基于从氧化催化剂流出的排气的确定温度来确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行；以及确定从颗粒过滤器流出的排气的温度。所述方法还包括：确定流入氧化催化剂中的排气的温度；基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二绝对差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的排气系统状况。

Description

用于确定排气系统状况的系统和方法
技术领域
本发明涉及内燃发动机，且更具体地涉及用于确定内燃发动机的排气系统的状况的方法和系统。
背景技术
内燃发动机的发动机控制模块控制供应给发动机的气缸的燃烧室的燃料和空气的混合物。在空气/燃料混合物点火之后，燃烧发生且燃烧气体通过排气阀离开燃烧室。燃烧气体通过排气歧管引导到催化转换器和/或排气后处理系统的其它部件。
内燃发动机（尤其是柴油发动机）的制造商具有符合氮氧化物（尤其是一氧化氮）以及未燃和部分氧化烃、一氧化碳、颗粒和其它燃烧副产物的释放的当前和未来排放标准的有挑战任务。为了减少内燃发动机的排放，排气后处理系统用于满足排气的排放标准。
排气后处理系统通常包括一个或多个后处理装置，例如颗粒过滤器、氧化催化剂、选择性催化还原装置、NOx捕集器、混合元件和尿素/烃喷射器。在系统中流动的排气的温度可能影响一些排气系统部件的性能。例如，在发动机启动之后，氧化催化剂可花费选定时间量来达到其“起燃”或操作温度。颗粒过滤器可直接依赖于氧化催化剂产生的放热以将排气温度升高和保持在发生再生（即，积聚在过滤器中的颗粒燃烧）的选定值。因而，从颗粒过滤器上游的排气部件流出的排气可能影响过滤器的性能。因此，如果部件未有效地工作，那么降低性能的具体根源的指示可用于维护系统。在一些情况下，提供给使用者或技术人员的信息不够具体以允许在维护期间准确确定性能缺陷。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，一种用于确定排气系统状况的方法包括：基于从氧化催化剂流出的排气的确定温度来确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行；以及确定从颗粒过滤器流出的排气的温度。所述方法还包括：确定流入氧化催化剂中的排气的温度；基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差；以及传送信号以识别所确定的排气系统状况。
在本发明的另一个示例性实施例中，一种排气系统包括氧化催化剂和从氧化催化剂接收排气的颗粒过滤器。所述系统还包括控制器，所述控制器配置成：基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差。
方案1. 一种用于确定排气系统状况的方法，所述方法包括：
基于从氧化催化剂流出的排气的确定温度来确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行；
确定从颗粒过滤器流出的排气的温度
确定流入氧化催化剂中的排气的温度；
基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差；以及
传送信号以识别所确定的排气系统状况。
方案2. 根据方案1所述的方法，其中，确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行包括：将从氧化催化剂流出的排气的建模温度和从氧化催化剂流出的排气的确定温度进行比较，以确定效率值，所述效率值与第一阈值进行比较以确定反应性能。
方案3. 根据方案1所述的方法，其中，确定从颗粒过滤器和氧化催化剂流出的排气的温度包括经由传感器测量温度。
方案4. 根据方案1所述的方法，其中，排气系统状况包括氧化催化剂效率降低和烃喷射器效率降低中的至少一个。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，确定排气系统状况包括将第一差与第二阈值进行比较且将第二差与第三阈值进行比较。
方案6. 根据方案5所述的方法，其中，如果第一差大于第二阈值且第二差小于第三阈值，那么氧化催化剂具有效率降低。
方案7. 根据方案5所述的方法，其中，第二阈值大约等于第三阈值。
方案8. 一种排气系统，包括：
氧化催化剂；
从氧化催化剂接收排气的颗粒过滤器；以及
控制器，所述控制器配置成：基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差。
方案9. 根据方案8所述的系统，其中，所述控制器配置成基于效率值与第一阈值进行比较来确定氧化催化剂中的反应的可接受或不可接受性能。
方案10. 根据方案9所述的系统，其中，所述控制器基于从氧化催化剂流出的排气的温度、在正常工作时从氧化催化剂流出的排气的温度和在未常工作时从氧化催化剂流出的排气的温度来确定效率值。
方案11. 根据方案9所述的系统，其中，不可接受性能由氧化催化剂或烃喷射器中的至少一个的效率降低引起。
方案12. 根据方案8所述的系统，其中，从颗粒过滤器和氧化催化剂流出的排气的温度由传感器测量。
方案13. 根据方案8所述的系统，其中，排气系统状况包括氧化催化剂效率降低和烃喷射器效率降低中的一个。
方案14. 根据方案8所述的系统，其中，排气系统状况通过将第一差与第二阈值进行比较且将第二差与第三阈值进行比较来确定。
方案15. 根据方案13所述的系统，其中，如果第一差大于第二阈值且第二差小于第三阈值，那么氧化催化剂具有效率降低。
方案16. 根据方案13所述的系统，其中，第二阈值大约等于第三阈值。
方案17. 一种内燃发动机系统，包括：
氧化催化剂；
位于氧化催化剂上游的烃喷射器；
从氧化催化剂接收排气的颗粒过滤器；
配置成确定流入氧化催化剂中的排气的温度的传感器；
配置成确定从颗粒过滤器流出的排气的温度的传感器；以及
控制器，所述控制器配置成：基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二绝对差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的氧化催化剂状况，其中，排气系统状况包括氧化催化剂效率降低和烃喷射器效率降低中的一个。
方案18. 根据方案17所述的系统，其中，从颗粒过滤器和氧化催化剂流出的排气的温度由传感器测量。
方案19. 根据方案17所述的系统，其中，排气系统状况通过将第一差与第一阈值进行比较且将第二绝对差与第二阈值进行比较来确定。
方案20. 根据方案17所述的系统，其中，如果第一差大于第一阈值且第二绝对差小于第二阈值，那么氧化催化剂具有效率降低。
本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点从本发明的以下详细描述结合附图显而易见。
附图说明
其它特征、优点和细节在实施例的以下详细描述中仅通过示例的方式显现，详细描述参考附图，在附图中：
图1图示了包括示例性排气后处理系统的示例性内燃发动机；和
图2是用于确定排气后处理系统的状况的示例性过程的简图。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或使用。应当理解，相应的参考标记在全部的附图中表示类似或相应的部分和特征。如在此所使用的，术语“控制器”和“模块”指的是专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器（共享的、专用的、或组）和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他合适的部件。在实施例中，控制器或控制模块可以包括一个或多个子控制器或子模块。
图1是发动机系统100的实施例的示意图。发动机系统100包括内燃发动机102、排气后处理系统104和发动机控制器106。内燃发动机102可以是任何合适发动机，例如柴油或火花点火发动机。排气后处理系统104包括排气歧管108和排气管道112。气缸116位于内燃发动机102中，其中，气缸116接收燃烧空气和燃料的组合物。燃烧空气/燃料混合物被燃烧，从而导致位于气缸116中的活塞（未示出）的往复移动。活塞的往复移动旋转曲轴（未示出）以将原动力传输给车辆动力系（未示出）或发电机，或者在内燃发动机102的固定应用的情况下传输给这种动力的其它固定接收器（未示出）。空气/燃料混合物的燃烧引起通过排气歧管108、排气管道112和氧化催化剂122、选择性催化还原装置120和颗粒过滤器（PF）124的排气118流。排气后处理系统104在排气118释放到大气之前还原、氧化、捕获或以其他方式处理排气118的各种管制成分，例如颗粒。
氧化催化剂（OC）122可包括例如流通式金属或陶瓷整料基底，其包覆在起泡垫或其它合适支撑件中，起泡垫或其它合适支撑件在加热时膨胀，从而紧固和隔离基底。基底可以包装在不锈钢外壳或罐中，其具有与排气管道112流体连通的入口和出口。氧化催化剂化合物可作为涂层涂覆且可包括铂族金属，例如铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）或其它合适氧化催化剂。选择性催化还原（SCR）装置120可包括例如流通式陶瓷或金属整料基底，其包覆在起泡垫或其它合适支撑件中，起泡垫或其它合适支撑件在加热时膨胀，从而紧固和隔离基底。基底可以包装在不锈钢外壳或罐中，其具有与排气管道112流体连通的入口和出口。基底可包括涂覆到其上的SCR催化剂成分。SCR催化剂成分可包含沸石和一种或多种贱金属成分，例如铁（Fe）、钴（Co）、铜（Cu）或钒（V），其可以在存在还原剂（例如，氨（NH3））的情况下有效地操作以转换排气118中的NOx成分。NH3还原剂可以从流体供应源125（还原剂供应源）供应且可以使用喷射器在SCR装置120上游的位置喷射到排气118中。还原剂可以是气体、液体、或含水尿素溶液的形式，且可以在喷射器中与空气混合以有助于所喷射喷流的分散。混合器还可以设置在排气后处理系统中，以进一步有助于还原剂与排气118的混合。在实施例中，第二流体供应源，例如烃喷射器（HCI）127，可用于引起排气118的温度升高。在OC装置122中燃烧或氧化来自于HCI 127的烃引起排气温度的升高，可用于再生过程。在示例中，OC装置122可用于以放热反应燃烧来自于HCI 127的烃（HC），其有效地燃烧PF 124中的积聚颗粒。PF 124再生的启动通常在选定起燃或操作温度下发生，其中，放热反应使得排气温度达到起燃温度。
在实施例中，排气后处理系统104和流体供应源125、127操作性地联接到发动机控制器106（也称为“控制器”或“控制模块”）且由发动机控制器106控制。发动机控制器106从传感器128a-128n收集与内燃发动机102的操作有关的信息，例如温度（进气系统、排气系统、发动机冷却剂、环境等）、压力、排气流率、颗粒水平和NOx浓度。发动机控制器106可调节喷射到排气后处理系统104中的NH3还原剂125或其它合适排放物还原流体的量。此外，控制器106还可以配置成基于感测参数执行选定过程或操作，例如基于颗粒过滤器124中的感测颗粒水平执行再生过程。在示例性实施例中，排气流118进入氧化催化剂装置122，在一些实施例中，其可以近距离联接到发动机102，以最小化热损失且有助于排放物还原。在实施例中，当喷射过多烃时，在氧化催化剂装置122内发生放热反应，其中，反应提供由PF 124接收的排气的升高温度，以用于再生。
PF 124设置在OC装置122和SCR装置120的下游。颗粒过滤器124操作以从排气118过滤碳和其它颗粒，包括碳烟。在实施例中，PF 124可以使用陶瓷壁流式整料过滤器构造，其包覆在绝缘垫或其它合适支撑件中，绝缘垫或其它合适支撑件紧固并隔离过滤器。过滤器可以包装在外壳或罐中，所述外壳或罐例如为不锈钢且具有与排气管道112流体连通的入口和出口。陶瓷壁流式整料过滤器可具有由纵向延伸壁限定的多个纵向延伸通道。所述通道包括具有开口入口端和封闭出口端的入口通道子组，以及具有封闭入口端和开口出口端的出口通道子组。通过入口通道的入口端进入过滤器的排气118被推动以移动通过相邻的纵向延伸壁到达出口通道。通过该示例性壁流式机构从排气118过滤碳和其它颗粒。已过滤颗粒沉积在入口通道的纵向延伸壁上，且随着时间的经过，将具有增加内燃发动机102经受的排气背压的影响。应当理解的是，陶瓷壁流式整料过滤器本质上仅仅是示例性的，且PF 124可包括其它过滤器装置，例如缠绕或填充纤维的过滤器、开孔泡沫、烧结金属纤维等。在实施例中，SCR装置120和PF 124可以位于同一罐中。在其它实施例中，SCR装置120可以放置在PF 124上游的独立罐中。
PF 124内的积聚颗粒物质被定期清洁或再生以减少排气系统背压。再生涉及在通常高温（例如，处于或高于600°C）环境中积聚碳和其它颗粒（还包括碳烟）的氧化或燃烧。在实施例中，由与控制器106信号连通的传感器128a-128n感测PF 124中的升高颗粒水平，且可执行再生。示例性再生过程包括通过将燃料（经由HCI 127）引入排气118中以在OC装置122内氧化从而增加进入PF 124的排气118的温度而将过多热能引入排气后处理系统104中。排气118的温度和其它排气参数可以通过任何合适方法确定，包括但不限于建模和传感器测量。例如，排气温度测量可由靠近OC装置122入口的传感器130、靠近OC装置122出口的传感器132、靠近PF 124入口的传感器134以及靠近PF 124出口的传感器136进行。
传感器130、132、134和136联接到控制器106，控制器106接收测量信号且使用信息（包括温度数据）来确定一个或多个排气系统部件的状况。在实施例中，所述状况经由信号或其它合适方式传送给指示器138。示例性指示器138可以是使用者或者维护技术人员可见的指示器。在实施例中，维护技术人员可以经由诊断装置连接到系统，所述诊断装置接收传送信号作为与具体发动机部件的性能相对应的维护码。在实施例中，控制器106提供排气系统状况指示，其描述HCI 127或OC装置122中的至少一个的性能。具体地，所述系统提供HCI或氧化催化剂的具体性能效率和/或性能变化的指示，以简化修理和改进顾客服务。
图2是确定排气系统状况的过程的示例性步骤的流程图200。为了便于阐述，示例性步骤将参考图1所示的排气后处理系统104讨论。应当理解的是，所述步骤可以以任何合适顺序执行且不限于所示图表。在框202，启动排气系统评估。评估可以基于发动机中的感测参数、周期性评估之间的设定时间间隔或用于评估的任何其它合适根源来启动。具体地，所示评估用于确定HCI 127和/或OC装置122的状况。在框204，OC装置122中的反应被评估和/或分析，以通过将测量和/或计算值与选定阈值进行比较来确定OC是否可接受地工作。OC的评估可以通过任何技术进行，例如使用测量、建模和/或数据分析。在实施例中，使用以下关系式来经由效率比评估OC性能：
Figure 201210502133X100002DEST_PATH_IMAGE002
其中，
TDS＝OC下游的温度；
TNoEx＝在没有放热反应的情况下OC下游的温度，例如在OC发生故障时（通过测试和/或建模确定）；以及
TMod＝在OC中具有适当放热反应的情况下OC下游的温度（通过测试和/或建模确定）。
在实施例中，TDS是由传感器132和/或传感器134确定的OC装置122下游的排气118温度。TMod和TNoEx值可以通过任何合适方法确定，例如通过用选定条件和配置测试和/或建模排气系统。在一个示例中，大约1的效率比（也称为“效率值”）表示可接受地工作和起作用的OC装置122和HCI 127。在框204，效率比与预定阈值进行比较以确定OC装置122和/或HCI 127部件性能的水平。小于阈值的效率比值表示一个或多个部件的降低效率，而大于阈值的值表示排气部件可接受地工作。例如，可接受部件性能的阈值可以是大约0.5。在另一个实施例中，阈值可以是大约0.2。如果效率比值与阈值进行比较且表示性能可接受，那么过程移动到框206，其中，发动机继续正常操作，因为排气部件通过评估。
如果效率比值与阈值相比表示排气系统性能展现降低效率，那么过程前进到框208，其中，进行进一步评估和分析。在框208，所确定参数、建模和/或算法可用于进一步确定部件操作。例如，PF 124出口处和OC装置122出口处的排气温度之间的差与第一阈值进行比较。在实施例中，从PF 124流出的排气的温度由传感器136确定，从OC装置122流出的排气的温度由传感器132和/或传感器134确定。所述差与第一阈值进行比较，其中，大于阈值的差提供“是”指示符，小于阈值的差提供“否”指示符。判定为“否”将过程移动到框210，而判定为“是”将过程移动到框212。框210提供HCI 127效率被怀疑的指示。在实施例中，排气系统状况的指示通过信号从控制器106提供给使用者和/或维护技术人员（例如，指示器138）。在实施例中，第一阈值是大约70至大约130摄氏度。在另一个实施例中，第一阈值是大约100摄氏度。
在框208中判定为“是”的情况下，框212确定OC装置122的入口和出口处的排气温度之间的温度Δ或绝对变化（即，温度之间的差的绝对值、“差分”或“绝对差”），且将Δ与第二阈值进行比较。如所讨论的，绝对差或Δ是选定变量的变化。在实施例中，流入OC装置122的排气的温度由传感器130确定，且从OC装置122流出的排气的温度由传感器132和/或传感器134确定。Δ值与第二阈值进行比较，其中，小于第二阈值的Δ提供“是”指示符，大于阈值的Δ提供“否”指示符。判定为“否”将过程移动到框210，用于指示由操作者或维护技术人员进行HCI调查，而判定为“是”将过程移动到框214。在框214，过程指示OC装置122具有降低性能且可能需要修理或更换。OC装置122效率降低的指示可以通过信号从控制器106提供给使用者和/或维护技术人员（例如，经由指示器138）。在实施例中，第二阈值是大约70至大约130摄氏度。在另一个实施例中，第二阈值是大约100摄氏度。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解的是，可以作出各种变化且等价物可替代其元件，而不偏离本发明的范围。此外，可以作出许多修改以使得具体情况或材料适合于本发明的教导，而不偏离其实旨范围。因而，本发明并不旨在限于所公开的具体实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于确定排气系统状况的方法，所述方法包括：
基于从氧化催化剂流出的排气的确定温度来确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行；
确定从颗粒过滤器流出的排气的温度
确定流入氧化催化剂中的排气的温度；
基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差；以及
传送信号以识别所确定的排气系统状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定氧化催化剂中的反应是否可接受地进行包括：将从氧化催化剂流出的排气的建模温度和从氧化催化剂流出的排气的确定温度进行比较，以确定效率值，所述效率值与第一阈值进行比较以确定反应性能。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定从颗粒过滤器和氧化催化剂流出的排气的温度包括经由传感器测量温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，排气系统状况包括氧化催化剂效率降低和烃喷射器效率降低中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定排气系统状况包括将第一差与第二阈值进行比较且将第二差与第三阈值进行比较。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，如果第一差大于第二阈值且第二差小于第三阈值，那么氧化催化剂具有效率降低。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，第二阈值大约等于第三阈值。
8.一种排气系统，包括：
氧化催化剂；
从氧化催化剂接收排气的颗粒过滤器；以及
控制器，所述控制器配置成：基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的排气系统状况，其中，第二差是绝对温度差。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器配置成基于效率值与第一阈值进行比较来确定氧化催化剂中的反应的可接受或不可接受性能。
10.一种内燃发动机系统，包括：
氧化催化剂；
位于氧化催化剂上游的烃喷射器；
从氧化催化剂接收排气的颗粒过滤器；
配置成确定流入氧化催化剂中的排气的温度的传感器；
配置成确定从颗粒过滤器流出的排气的温度的传感器；以及
控制器，所述控制器配置成：基于从颗粒过滤器流出的排气的温度和从氧化催化剂流出的排气的温度之间的第一差以及从氧化催化剂流出的排气的温度和流入氧化催化剂中的排气的温度之间的第二绝对差来确定排气系统状况；以及传送信号以识别所确定的氧化催化剂状况，其中，排气系统状况包括氧化催化剂效率降低和烃喷射器效率降低中的一个。
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