CN103573362B - 车辆后处理装置中煤烟质量估计过程的NOx流量和温度修正 - Google Patents
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Abstract
一种修正车辆排气后处理装置中煤烟质量估计值的方法，包括：监测跨颗粒过滤器的排气压力降，所述颗粒过滤器被车辆排气后处理装置包括；从监测的排气压力降确定初始煤烟质量估计值；根据监测的发动机速度、发动机载荷、排气温度、和NOx气体流量校正初始煤烟质量估计；和如果校正的煤烟质量估计值超过阈值，则产生颗粒过滤器再生请求。
Description
技术领域
本发明涉及使用差压模块（differential pressure module）监测排气后处理系统中的颗粒过滤器的方法。
背景技术
已经开发各种排气后处理装置，例如颗粒过滤器和其他装置，以有效地限制来自内燃发动机的废气排放。在压缩点火式或柴油发动机的情况下，持续进行了大量的努力，用于开发实用且高效的装置和方法，以减少存在于发动机排气中的大量含碳颗粒。
用于现代柴油发动机排气的后处理系统通常整合有柴油颗粒过滤器（DPF），用于在排气被排放到大气之前收集和处理通过柴油发动机排出的煤烟颗粒物质。典型的DPF用作捕获器，用于从排气流去除颗粒物质。DPF还可包含贵金属，例如白金和/或钯，其用作氧化存在于排气流中的煤烟和碳氢化合物的催化剂。在许多情况下，DPF可以使用过热的排气燃烧掉收集的颗粒，从而被再生或清理。
包括在发动机排气中的颗粒物质可以包括含碳煤烟颗粒，所述颗粒可以被氧化以生产二氧化碳气体，以及不能被氧化的其他不可燃颗粒（即烟灰）。排气的成分和形态主要由燃料、发动机类型、发动机设计、发动机运行和控制方法、环境的运行条件和其他因素造成。例如，进入燃烧室且至少部分地被燃烧的发动机润滑油产生大多数的烟灰。作为进一步的例子，汽油发动机中的燃烧可以产生次微有机物（OM）以及硫酸盐和元素硅、铁或锌或硫。元素硅、铁和锌是不可燃颗粒且会包含烟灰。作为另一例子，柴油发动机中的燃烧也可以生产OM、硫酸盐和元素硅、铁、锌或硫以及煤烟和氨盐。
尽管跨颗粒过滤器的压力降通常是捕获煤烟质量浓度的良好反映，在一定的温度范围中和排气流中一定的二氧化氮水平下，压力降可以是不太精确的预测指标。这些不精确例如是由于过滤器中煤烟的被动和不均匀燃烧造成的，这会改变过滤器中煤烟的分布（即减少过滤器的压力降与过滤器中煤烟质量之间的相关性）。例如，不均匀燃烧会造成煤烟层的破裂，减少对流动的阻碍。这种煤烟估计的不精确可导致颗粒过滤器中过滤效率降低，或者可以使得过滤器在低煤烟浓度下主动再生，这会降低燃料效率。
发明内容
一种修正车辆排气后处理装置中煤烟质量估计的方法通过监测经过颗粒过滤器的排气压力降开始，其包括车辆排气后处理装置，和从监测的排气压力降确定初始煤烟质量估计。初始煤烟质量估计可以随后根据监测的发动机速度、发动机载荷、排气温度和NOx气体流量校正；和如果校正的煤烟质量估计超过煤烟阈值则可以产生颗粒过滤器再生请求。
根据监测的发动机速度、发动机载荷、排气温度和NOx气体流量校正初始煤烟质量估计可以包括从与车辆排气后处理装置流体连通的发动机监测发动机速度和发动机载荷；和从监测的发动机速度和发动机载荷确定发动机载荷修正因数。另外，车辆排气后处理装置中排气的温度和NOx流量可以被监测，由此可以确定NOx修正因数。一旦发动机载荷修正因数和NOx修正因数确定，则校正的煤烟质量估计可以将初始煤烟质量估计乘以发动机载荷修正因数和NOx修正因数来计算。
在一种构造中，确定发动机载荷修正因数可以包括从查找表选择发动机载荷修正因数，其中所述查找表是将发动机载荷修正因数表示为发动机速度和发动机载荷函数的二维查找表（two-dimensional look-up table）。类似地，确定NOx修正因数可以包括从查找表选择NOx修正因数，其中所述查找表是将NOx修正因数表示为排气温度和排气的NOx流量函数的二维查找表。
监测经过颗粒过滤器的排气压力降可以包括：从设置为与排气后处理装置流体连通且在颗粒过滤器和发动机之间的第一流体管获得第一压力信号；从设置为与排气后处理装置流体连通且在下大雨第一流体管的颗粒过滤器的相对侧上的第二流体管获得第二压力信号；且确定第一压力信号和第二压力信号之间的差。
以相似的方式，一种用于监测与车辆发动机流体连通的排气后处理装置的颗粒过滤器的系统，该系统可以包括设置为与排气后处理装置流体连通且在颗粒过滤器和发动机之间的第一流体管，和设置为与排气后处理装置流体连通且相对于第一流体管在颗粒过滤器相对侧的第二流体管。差压模块与第一流体管和第二流体管通信且配置为产生对应于第一流体管和第二流体管之间压力降的压差信号。最后，控制器与差压模块通信且配置为：从差压模块，接收压差信号，和从压差信号确定初始煤烟质量估计。
控制器进一步配置为：监测发动机的发动机载荷和发动机速度；从监测的发动机速度和发动机载荷确定发动机载荷修正因数；监测车辆排气后处理装置中排气的温度；监测排气的NOx流量；从监测排气温度和监测的排气NOx流量确定NOx修正因数；通过将初始煤烟质量估计乘以发动机载荷修正因数和NOx修正因数监测校正的煤烟质量估计；和如果煤烟质量估计超过阈值，则产生颗粒过滤器再生请求。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是用于处理来自发动机的排气的发动机和排气后处理系统示意图。
图2是包括煤烟估计器的煤烟模型、发动机载荷修正模块和NOx修正模块的示意图。
具体实施方式
参见附图，其中在各附图中相同的附图标记用于表示相同的部件，图1示意性地示出了车辆10，其包括发动机12和排气后处理系统14。如可以理解的，发动机12可以燃烧燃料和空气的混合物，以提供用于车辆10的原动力。排气后处理系统14可以随后在燃烧副产物（即排气）从发动机12流动（通过流动箭头16表示）时引导和处理该燃烧副产物。通常，排气后处理系统14可以在气体从车辆10排出之前从排气流16除去悬浮颗粒物质和NOx气体。在一种构造中，发动机12可以是压燃式柴油发动机；然而，可以类似地使用其他类型的发动机技术。
排气后处理系统14可以通常包括柴油氧化催化剂（“DOC”）20、选择性催化还原（“SCR”）催化剂22、和颗粒过滤器24。DOC20可以被动氧化和/或燃烧排气流16中的碳氢化合物（在它们离开发动机12时）。SCR催化剂22可以包括化学制剂，其选择性地被引入到排气流16中，以将排气流16中的至少一些氮氧化物转换水和氮。
最后，颗粒过滤器24可以配置为从发动机12的排气过滤颗粒物质，即烟黑（soot）。颗粒过滤器24可以包括一个或多个基质26，其限定多个孔28，排气必须通过所述孔流动。在排气经过颗粒过滤器24时，悬浮的空气携带颗粒物质可收集在基质26上，在该处，颗粒物质可以从排气流16中分离。
在车辆10的寿命中，颗粒过滤器24偶尔需要再生，以除去任何收集的颗粒物质。在一种构造中，颗粒过滤器24可以通过将颗粒过滤器24加热到足以燃烧基质26的颗粒物质的温度而再生。在一种构造中，可以通过将提供到发动机12的空气/燃料比调整为稍更富含可燃物（richen）而提供高的温度，这随后可以被保持达足以从基质26燃烧大多数颗粒物质的时间段。通常，“燃烧”颗粒物质的过程可包括将捕获的烟黑颗粒物质转换为允许被排放到大气中的二氧化碳。
可以采用监测系统29来监测排气流16的各种实时运行参数和估计颗粒过滤器24中包含的烟黑的量。如果估计值超过预定阈值，则监测系统可从发动机（或相关的发动机控制器）请求再生，以燃烧掉过滤器24中收集的烟黑。监测系统29可以包括控制器30，其配置为通过监测差压传感器模块32而确定颗粒过滤器24的流动阻抗，所述差压传感器模块32跨颗粒过滤器24设置。另外，控制器30可以配置为监测与排气流16流体连通的一个或多个温度传感器36、和/或一个或多个氮氧化物传感器34。
差压传感器模块32可以使用第一流体管40和第二流体管42监测跨基质26的压力降，所述第一流体管40在过滤器24上游的位置处（即在过滤器24和发动机12之间）与后处理系统14流体连通，所述第二流体管42在过滤器24下游位置处（即在颗粒过滤器24的与第一流体管40相对的侧上）与后处理系统14流体连通。差压模块32可以检测相应第一和第二流体管40、42之间的压力降，且可以向控制器30提供表示差的大小的信号44（即压差信号44）。在另一构造中，一个或多个电子压力传感器可以用于确定跨颗粒过滤器24的压力降。电子压力传感器可以包括压敏电阻传感器、压电传感器、MEMS传感器、和/或电容传感器，其配置为将感测的压力转换为表示感测压力的模拟或数字信号。
氮氧化物传感器34可以配置为测量存在于排气流16中的氮氧化物的质量流量。其可以随后向控制器30提供NOx信号46，所述信号对应于该测量的质量。温度传感器36可以设置在颗粒过滤器24的上游，且可以配置为测量进入过滤器24的排气流16的温度。温度传感器可以向控制器30提供对应于该被监测值的温度信号48。如所示，温度传感器36可以设置在SCR22和颗粒过滤器24之间，以测量进入过滤器24的气体的温度。第二温度传感器（未示出）可以设置在过滤器24的下游，且可以类似地被用于测量过滤后排气流16的温度。
通常，控制器30可以使用感测的压力降44、NOx流量46、监测的温度48、发动机速度50和发动机载荷52作为烟黑模型54的输入，所述模型可以估计颗粒过滤器24的状态/容量。如后文详述的，烟黑模型54可以使用感测的跨颗粒过滤器的压力降来估计收集在颗粒过滤器24中的烟黑的克数。
当烟黑模型54估计出颗粒过滤器24需要再生（即估计的烟黑量超过烟黑阈值）时，控制器30可以提供控制信号56，所述控制信号56配置为调整发动机12的运行和启动再生（直接地或通过相关的发动机控制器）。如上所述，在一种构造中，控制器30可以通过增加提供到发动机的燃料量直到燃料/空气比略微富于化学计量平衡而启动过滤器再生事件。
控制器30可以包括计算机和/或处理器，且包括监测和控制排气后处理系统14、发动机12和/或差压模块32必要的所有软件、硬件、存储器、算法、连接器、传感器等。从而，操作为估计烟黑模型54和/或启动再生的控制方法可以实施为与控制器30相关的软件或固件。应理解控，制器30还可以包括能够分析来自各传感器的数据、比较数据、做出控制排气后处理系统14所需的必要决定、以及监测差压模块32的任何装置。
图2示意性地示出了烟黑模型54的一种构造。烟黑模型54可以包括烟黑估计器60、发动机载荷矫正模块62和NOx矫正模块64。烟黑估计器60可以接收一个或多个输入，包括差压信号44，从该差压信号，所述烟黑估计器可以产生颗粒过滤器24中收集的烟黑质量的初始输出估计值70（即“初始烟黑质量估计值70”）。在一种构造中，烟黑估计器60可以包括查找表72和/或数据库，其可以提供作为监测的差压信号44函数的初始烟黑质量估计值70。查找表72可以使用通过经验测试或通过分析公式获得的数字数据制成。在一种构造中，烟黑质量估计值70可以是以烟黑克数表示的值。
一旦初始烟黑质量估计值70被确定，则可以将其乘以发动机载荷修正因数80和NOx修正因数82，以得出校正的烟黑质量估计值84。校正的烟黑质量估计值84可以随后在86处与阈值相比较，以确定颗粒过滤器24是否需要再生。如果校正的烟黑质量估计值84小于阈值（在86），则系统可以继续监测差压模块32，且可以经由烟黑估计器60重新计算初始烟黑质量估计值70（经由虚线箭头示意性地示出的环圈）。发动机载荷修正因数80和NOx修正因数82同时有助于根据车辆10变化的运行条件而计入过滤器24的变化的压力响应来细化烟黑质量估计值70。例如，使用修正因数80、82，控制器30可以计入烟黑层（即过滤器24上的烟黑堆积）的任何破裂，这可以归因于高排气压力和/或NO2的存在。从而修正因数80、82可以修正任何低得不正确的初始烟黑估计值（其可以归因于较低的压力降），而不管过滤器24填满烟黑的可能性。
发动机载荷修正模块62可以包括二维查找表76，所述二维查找表可以基于提供的发动机速度50和提供的发动机载荷52输出发动机载荷修正因数80。发动机载荷修正因数80可以是调整因数，其可以按比例调节（scale）初始烟黑质量估计值70，以计入发动机的动态速度/载荷特点。二维查找表76可以使用通过经验测试或通过分析公式获得的数字数据制成。
NOx修正模块64可以类似地包括二维查找表78，所述二维查找表基于提供的NOx流量46和监测的温度48输出NOx修正因数82。NOx修正因数82可以是调整因数，其可以按比例调节初始烟黑质量估计值70和/或发动机载荷修正因数80，以计入通过颗粒过滤器24的NOx的量和温度。二维查找表78可以使用通过经验测试或通过分析公式获得的数字数据制成。以这种方式，施加到初始烟黑质量估计值70的任何修正可以计入通过颗粒过滤器24的增加的NO2，这可以另外地降低跨过滤器24的感知的压力。
实际上，NOx修正模块64针对SCR催化剂22的性能动态调整烟黑模型54。换句话说，发动机修正模块62如果被单独使用则不能修正烟黑模型54以计入SCR性能。类似地，NOx修正模块64如果被单独使用则不能修正烟黑模型54以计入动态发动机运转状态。在组合使用时，通过监测NOx流量46、监测的温度48、发动机速度50和发动机载荷52，控制器30可以动态调整其被维持的初始烟黑质量估计值70，以计入当前发动机运转状态和当前SCR性能二者。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。目的是上述和在附图中所示的所有内容应被理解为仅是示例性的而不是限制性的。
Claims (8)
1.一种修正车辆排气后处理装置中烟黑质量估计值的方法，包括：
监测跨颗粒过滤器的排气压力降，所述颗粒过滤器被车辆排气后处理装置包括；
从监测的排气压力降确定初始烟黑质量估计值；
从与车辆排气后处理装置流体连通的发动机监测发动机速度和发动机载荷；
从监测的发动机速度和发动机载荷确定发动机载荷修正因数；
监测车辆排气后处理装置中排气的温度；
监测的排气的NOx流量；
从监测的排气温度和监测的排气的NOx流量确定NOx修正因数；
通过将初始烟黑质量估计值乘以发动机载荷修正因数和NOx修正因数，计算校正的烟黑质量估计值；和
如果校正的烟黑质量估计值超过阈值，则经由控制器产生颗粒过滤器再生请求，其中，颗粒过滤器再生请求可操作以调整车辆发动机的运行，从而启动颗粒过滤器的再生。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定发动机载荷修正因数包括从查找表选择发动机载荷修正因数，所述查找表是将发动机载荷修正因数表示为发动机速度和发动机载荷的函数的二维查找表。
3.如权利要求1所述的方法，其中确定NOx修正因数包括从查找表选择NOx修正因数，所述查找表是将NOx修正因数表示为排气温度和排气的NOx流量的函数的二维查找表。
4.如权利要求1所述的方法，其中监测跨颗粒过滤器的排气压力降包括：
从第一流体管获得第一压力信号，所述第一流体管设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器和发动机之间；
从第二流体管获得第二压力信号，所述第二流体管设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器的与第一流体管相对的侧上；
确定第一压力信号和第二压力信号之间的差。
5.一种用于监测排气后处理装置的颗粒过滤器的系统，所述排气后处理装置与车辆发动机流体连通，该系统包括：
第一流体管，设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器和发动机之间；
第二流体管，设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器的与第一流体管相对的侧上；
差压模块，与第一流体管和第二流体管通信，且配置为产生对应于第一流体管和第二流体管之间压力降的压差信号；和
控制器，与差压模块通信，且配置为：
从差压模块接收压差信号；
从压差信号确定初始烟黑质量估计值；
监测发动机的发动机载荷和发动机速度；
从监测的发动机速度和发动机载荷确定发动机载荷修正因数；
监测车辆排气后处理装置中排气的温度；
监测排气的NOx流量；
从监测的排气温度和监测的排气的NOx流量确定NOx修正因数；
通过将初始烟黑质量估计值乘以发动机载荷修正因数和NOx修正因数，计算校正的烟黑质量估计值；和
如果校正的烟黑质量估计值超过阈值，则产生颗粒过滤器再生请求。
6.如权利要求5所述的系统，其中控制器配置为通过从查找表选择发动机载荷修正因数来确定发动机载荷修正因数，所述查找表是将发动机载荷修正因数表示为发动机速度和发动机载荷的函数的二维查找表。
7.如权利要求6所述的系统，其中控制器配置为通过从查找表选择NOx修正因数确定NOx修正因数，所述查找表是将NOx修正因数表示为排气温度和排气的NOx流量的函数的二维查找表。
8.一种修正车辆排气后处理装置中烟黑质量估计值的方法，包括：
从第一流体管获得第一压力信号，所述第一流体管设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器和发动机之间；
从第二流体管获得第二压力信号，所述第二流体管设置为与排气后处理装置流体连通，且在颗粒过滤器的与第一流体管的相对的侧上；
从第一压力信号和第二压力信号，确定跨颗粒过滤器的排气压力降；
从监测的排气压力降确定初始烟黑质量估计值；
从与车辆排气后处理装置流体连通的发动机监测发动机速度和发动机载荷；
从监测的发动机速度和发动机载荷确定发动机载荷修正因数；
监测车辆排气后处理装置中排气的温度；
监测排气的NOx流量；
从监测的排气温度和监测的排气的NOx流量确定NOx修正因数；
通过将初始烟黑质量估计值乘以发动机载荷修正因数和NOx修正因数来计算校正的烟黑质量估计值；和
如果校正的烟黑质量估计值超过阈值，则经由控制器产生颗粒过滤器再生请求，其中，颗粒过滤器再生请求可操作以调整车辆发动机的运行，从而启动颗粒过滤器的再生。
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