CN105781688B - 排放控制装置再生 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于操作排放控制装置的各种方法。在一个示例中，一种用于包括催化剂和过滤器的排放控制装置的方法包括被动再生过滤器，以及基于排放控制装置的氧气储存容量经由控制器调节过滤器的主动再生的持续时间。

Description

排放控制装置再生
技术领域
本公开的领域大体涉及排放控制装置。
背景技术
一些内燃发动机在排气系统中采用微粒过滤器捕集流经排气系统的微粒物质，并且从而满足排放标准。例如，涡轮增压的火花点火发动机可采用微粒过滤器捕集煤烟。随着微粒物质在微粒过滤器中聚集，排气背压将增加，这可不利地影响燃料经济性。因此，通过氧化所储存的微粒物质可周期性地再生微粒过滤器。再生反应需要氧气和合适的温度条件。然而，因为火花点火发动机通常在化学计量条件下操作，所以在火花点火中供应过量氧气用于再生反应可能是困难的。
美国专利申请号2011/0073088公开了在火花点火发动机中再生微粒过滤器的方法。在一个示例中，减速燃料切断(DFSO)用于将过量氧气供应到微粒过滤器，并且从而有利于过滤器的再生。也描述了被动(passively)过滤器再生，其中在不明确修改发动机操作以增加至过滤器的过量氧气的供应的情况下，可以氧化储存在过滤器中的煤烟。
发明内容
本发明人已经认识到上述方法的问题。在DFSO期间供应到微粒过滤器用于再生反应的过量氧气可以被再生反应完全消耗。虽然这可足以使过滤器再生，但储存在排气系统中(例如，在催化剂活化涂层(washcoat)中)的氧气可以耗尽并且由于在再生反应期间过量氧气的完全消耗而不可补充。在这种情况下，在不经由其他装置供应过量氧气的情况下，不能够执行被动过滤器再生。
至少部分地解决上述问题的一种方法包括一种用于包括催化剂和过滤器的排放控制装置的方法，该方法包括被动再生过滤器，以及基于排放控制装置的氧气储存容量经由控制器调节过滤器的主动再生的持续时间。
在更具体的示例中，该方法还包括确定储存在过滤器中的微粒物质的量，以及如果微粒物质的量大于或等于阈值，则主动再生过滤器。
在另一个示例中，过滤器的主动再生包括发起减速燃料切断。
在又一个示例中，该方法还包括延长减速燃料切断的持续时间，以补充储存在排放控制装置中的氧气的至少一部分。
以这种方式，作为主动的过滤器再生的一部分发起的DFSO可以用于补充储存在排放控制装置中的氧气，这可增加被动过滤器再生可执行的频率。因此，发动机操作被修改以为过滤器再生供应过量氧气的频率可以减少，这可增加燃料经济性和车辆的驾驶性能。
根据以下单独或结合附图时的具体实施方式，本说明书的以上优点和其他优点以及特征将显而易见。
应当理解，提供上述发明内容以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的所选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由随附权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上述或本公开任何部分提及的任何缺点的实施方式。最后，以上说明不承认所述信息或问题中的任何一个是众所周知的。
附图说明
图1是车辆中的一种系统的方框图。
图2是车辆的发动机的示意图。
图3A示出包括排放控制装置的示例车辆排气系统。
图3B示出说明图3A的车辆排气系统的各方面的方框图。
图4A示出包括排放控制装置的另一个示例车辆排气系统。
图4B示出说明图4A的车辆排气系统的各方面的方框图。
图5示出说明一种再生排放控制装置的微粒过滤器的方法的流程图。
图6示出说明过滤器再生如何根据氧气储存容量变化的图表。
具体实施方式
提供了用于操作排放控制装置的各种方法。在一个示例中，一种用于包括催化剂和过滤器的排放控制装置的方法包括主动再生过滤器，以及基于排放控制装置的氧气储存容量经由控制器调节过滤器的主动再生的持续时间。图1是车辆中的系统的方框图，图2是车辆的发动机的示意图，图3A示出包括排放控制装置的示例车辆排气系统，图3B示出说明图3A的车辆排气系统的各方面的方框图，图4A示出包括排放控制装置的另一个示例车辆排气系统，图4B示出说明图4A的车辆排气系统的各方面的方框图，图5示出说明一种再生排放控制装置的微粒过滤器的方法的流程图，以及图6示出说明过滤器再生如何根据氧气储存容量变化的图表。图1和图2的发动机包括被配置成实行图5所描绘的方法的控制器。
图1示意性地描绘了包括内燃发动机10的系统100，内燃发动机10在一些示例中是直接喷射式火花点火发动机。发动机10可具有多个汽缸，并且发动机输出扭矩可以被传输到变速器(未示出)，该变速器可继而联接到与路面接触的驱动轮。变速器可以是手动变速器、自动变速器或它们的组合。进一步地，可以包括各种附加部件，诸如液力变矩器和/或诸如最终驱动单元的其他传动装置等。
系统100包括涡轮增压器，其包括发动机10下游的涡轮164和发动机10上游的压缩机162。所示的用于控制进入进气歧管44中的空气进气的节气门62被定位在压缩机162的下游。在另一些示例中，节气门62可以被定位在压缩机162的上游，并且/或者可以提供附加节气门。
系统100也配备有高压(HP)EGR通道140，高压(HP)EGR通道140具有在节气门62下游且在发动机10的汽缸上游的第一开口，以及在涡轮164下游且在微粒过滤器(PF)72上游的第二开口，排气通过所述高压(HP)EGR通道140可以再循环。高压(HP)EGR阀142被定位在HP EGR通道140的第一开口和第二开口之间，并且可以基于当前发动机工况被定位。例如，在不期望来自涡轮增压器的发动机增压时的发动机运转期间，HP EGR阀142可以打开。
系统100也可以包括具有低压(LP)EGR阀28的低压EGR管道26。例如，当期望发动机增压并且/或者发动机增压由涡轮增压器实行时，并且当HP EGR阀142关闭时，低压EGR管道26可以将来自三元催化剂(TWC)71下游的开口的气体再循环到压缩机162上游的位置。
系统100还可包括一般由70指示的排放控制装置(ECD)。在所描绘的实施例中，ECD70包括TWC 71和定位在TWC下游的PF 72。发动机10可因此被配置成将排气经由排气通道48输出到被定位在发动机10下游的TWC 71。一个或更多个排气传感器可被定位在排气通道48中。例如，氧传感器14和温度传感器16被定位在TWC 71的下游，以分别测量过量氧气和温度。例如，过量氧气可被表示为排气通道48中的气流中氧气的百分比。然而，应当理解，可以存在在TWC 71和PF 72中的每一个的上游、下游或与其联接的附加氧传感器和/或温度传感器。TWC 71可以被定位在微粒过滤器72的上游以便减少排放，使得在PF 72处接收的煤烟和其他微粒大部分是惰性的。因此，TWC 71和PF 72可配合以同时减少碳氢化合物、一氧化碳、氧化氮、煤烟等。然而，在其他实施例中，TWC 71可以被定位在PF72的下游。进一步地，PF 72可以被布置在两个或更多个三元催化剂或其他排放控制装置(例如，选择性催化还原系统、NOx捕集器)或它们的组合之间。
在一些实施例中，除了被配置成过滤排气的部件之外，PF 72还可以包括一种或更多种催化剂材料。例如，PF 72可以被涂覆有包括一种或多种催化剂材料的活化涂层。在一些示例中，活化涂层还可包括被配置成允许在PF 72中储存氧气的一种或更多种材料，所述材料在本文被称为“氧气储存材料”，其可用于在选定条件下再生PF。例如，此类配置可用于发动机10被火花点火的实施例。在一些实施例中，TWC 71和PF 72可以是包括被定位成远离彼此(例如，TWC在PF的上游，如图1所示)的独立外壳的单独部件。在其他实施例中，TWC 71和PF 72可以整合成一体ECD。一体ECD可经由单个一体结构提供催化转化和过滤，并且还可整合一种或更多种氧气储存材料。关于示例性ECD的细节将在下文参照图3A至图3B提供。然而，应当理解，提供ECD 70作为非限制性示例，并且在其他实施例中，ECD可包括除了或代替TWC 71和/或PF 72之外的其他部件，包括但不限于贫NOx捕集器、SCR催化剂、柴油或汽油微粒过滤器和氧化催化剂。
在一些实施方式中，发动机10可以被配置为涡轮增压的火花点火发动机，在这种情况下，PF 72可以是被包括在内的汽油微粒过滤器，以满足排放要求——尤其是颗粒大小和颗粒数量。在该示例中，发动机10可以产生大量的微粒物质，诸如煤烟，其可被捕集在PF72中。然而，由于微粒物质在PF 72中聚集，背压将积聚。如此，PF 72可以周期性地再生，这会需要与合适温度结合的过量氧气。然而，当在化学计量条件下操作时，发动机10不能够提供足够的过量氧气用于过滤器再生。因此，当发动机10在化学计量操作条件下不可以提供此类足够的氧气时，本文所公开的各种途径用于供应足够的过量氧气用于过滤器再生。
图1示出可选地包括能量转换装置18和能量储存装置20。如本文所示，能量转换装置18被联接到发动机10。能量转换装置18可以包括马达和/或发电机等以及它们的组合。能量转换装置18进一步被示为被联接到能量储存装置20，能量储存装置20可以包括电池、电容器、飞轮、压力容器等。能量转换装置18能够被操作成吸收来自车辆运动和/或发动机的能量，并且将所吸收的能量转换成适合于由能量储存装置20储存的能量形式(例如，提供发电机操作)。能量转换装置18也可以被操作成将输出(例如，动力、功、扭矩、速度等)供应到驱动轮和/或发动机10(例如，提供马达操作以在不燃烧时保持发动机转动)。应当理解，在一些实施例中，能量转换装置18仅包括马达，仅包括发电机，或者包括马达和发电机两者，以及用于在能量储存装置和车辆驱动轮和/或发动机之间提供适当的能量转换的各种其他部件。
发动机10、能量转换装置18、变速器和驱动轮之间的连接将来自一个部件的机械能传输到另一个部件，而能量转换装置18和能量储存装置20之间的连接可以传输多种能量形式，诸如电能、机械能等。例如，扭矩可以从发动机10传输以经由变速器驱动车辆驱动轮，并且如上所述，能量转换装置18可以被配置成以发电机模式和/或以马达模式操作。在发电机模式中，能量转换装置18吸收来自发动机10和/或变速器的输出中的一些或全部，这减少了传送到驱动轮的发动机输出的量或传送到驱动轮的制动扭矩的量。例如，此类操作可以通过再生制动、改善的发动机效率等用于实现效率增益。进一步地，由能量转换装置18接收的输出可用于给能量储存装置20充电。在马达模式中，例如通过使用储存在电池(例如，能量储存装置20)中的电能，能量转换装置18可以将机械输出供应到发动机10和/或变速器。
混合电力推进实施例可包括全混合系统，其中车辆能够仅依靠发动机、仅依靠能量转换装置(例如，马达)或依靠这两者的组合运转。也可采用辅助或轻度混合配置，其中发动机燃烧是主要扭矩源，且混合推进系统用于例如在踩油门或其他条件期间选择性地传送添加的扭矩。更进一步地，也可以使用起动器/发电机和/或智能交流发电机系统。
综上所述，应当理解，示例性混合电力推进系统能有各种操作模式。例如，在全混合实施方式中，推进系统可使用能量转换装置18(例如，电动马达)作为转动发动机和/或推进车辆的唯一扭矩源而操作。这种“仅电”操作模式可在制动、低速期间、在交通灯处停止等期间被使用。在另一种模式中，发动机10正运转(例如，燃烧)，并且用作给驱动轮提供动力的唯一扭矩源。在又一个模式中，其可被称为“辅助”模式，能量转换装置18可以补充由发动机燃烧提供的扭矩并且与该扭矩协同起作用。如上所述，能量转换装置18也可以以发电机模式操作，其中从发动机10和/变速器吸收扭矩。
关于图1讨论的一个或更多个部件(例如，HP EGR阀142、LP EGR阀28)和/或可潜在地被包括在系统100中的在图1中未示出的其他部件(如，涡轮废气门、压缩机旁通阀、节气门、排气尾管阀)可由电子控制器操纵。在一些示例中，此类操纵的目的可包括控制PF 72的可操作方面(例如，过滤器的氧气储存容量、至过滤器的氧气流)和/或排气系统的可操作方面(例如，排气温度)，如下文进一步详细所述。此类电子控制器的一个示例关于图2进行详细讨论。
现在参照图2，示意图示出了多缸发动机10中的一个汽缸，所述多缸发动机10可被包括在汽车的推进系统中。发动机10可至少部分地通过包括控制器12的控制系统控制，以及由车辆操作员132经由输入装置130的输入控制。在该示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于生成比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即，汽缸)30可包括其中定位有活塞36的燃烧室壁32。在一些实施例中，汽缸30内的活塞36的面可具有碗状。活塞36可联接到曲轴40，使得活塞的往复运动转化成曲轴的旋转运动。曲轴40可经由中间传动系统联接到车辆的至少一个驱动轮。进一步地，起动机马达可经由飞轮联接到曲轴40，以启用发动机10的起动操作。
燃烧室30可经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气，并且可经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48可经由相应的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
进气门52可经由电动气门致动器(EVA)51通过控制器12控制。类似地，排气门54可经由EVA 53通过控制器12控制。替代性地，可变气门致动器可以是电动液压机构或任何其他可想到的机构，以允许气门致动。在一些条件期间，控制器12可改变提供给致动器51和53的信号，以控制相应的进气门和排气门的打开和闭合。进气门52和排气门54的位置可分别由气门位置传感器55和57确定。在替代性实施例中，进气门和排气门中的一个或更多个可由一个或更多个凸轮致动，并且可利用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或更多个来改变气门操作。例如，汽缸30可替代性地包括经由电动气门致动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT的凸轮致动控制的排气门。
所示燃料喷射器66直接联接到燃烧室30，用于将燃料与从控制器12接收的信号的脉冲宽度FPW成比例地直接喷射到燃烧室中。以这种方式，燃料喷射器66以被称为燃料直接喷射的方式向燃烧室30内提供燃料。例如，燃料喷射器可安装在燃烧室的侧面或燃烧室的顶部。燃料可通过包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨的燃料系统(未示出)输送至燃料喷射器66。
在所选的操作模式下，响应来自控制器12的火花提前信号SA，点火系统88可经由火花塞92向汽缸30提供点火火花。虽然示出火花点火部件，不过在一些实施例中，燃烧室30或发动机10的一个或更多个其他燃烧室可以在点火火花的情况下或在没有点火火花的情况下以压缩点火模式操作。
进气通道42或进气歧管44可包括具有节流板64的节气门62。在该具体示例中，节流板64的位置或节气门开口可通过控制器12经由提供给被包括在节气门62中的电动马达或致动器的信号而改变，这是通常被称为电子节气门控制(ETC)的配置。以这种方式，可操作节气门62以改变提供给燃烧室30以及其他发动机汽缸的进气空气。节流板64的位置可由节气门位置信号TP提供给控制器12。进气通道42可包括用于将相应信号MAF和MAP提供给控制器12的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。
进一步地，在所公开的实施例中，排气再循坏(EGR)系统可将来自排气通道48的期望的排气部分传送到进气歧管44。在该示例中，示出了高压(HP)EGR通道140。提供给进气歧管44的EGR量可经由HP EGR阀142通过控制器12改变。进一步地，EGR传感器144可被布置在HP EGR通道140内，并且可提供排气的压力、温度和浓度中的一个或更多个的指示。替代性地，EGR流可以通过基于来自MAF传感器(上游)、MAP(进气歧管)、MAT(歧管气体温度)和曲柄速度传感器的信号的计算值被控制。进一步地，EGR流可基于排气氧传感器和/或进气氧传感器(进气歧管)被控制。在一些条件下，EGR系统可用于调整燃烧室内的空气和燃料混合物的温度和/或PF 72近侧的温度。虽然图2示出一种高压EGR系统，但另外或替代性地可使用一种低压EGR系统。在低压EGR系统中，EGR可以从涡轮增压器的涡轮的下游传送到涡轮增压器的压缩机的上游，如图1所示。
如此，发动机10还可包括压缩装置，诸如涡轮增压器或机械增压器，其至少包括沿进气歧管44布置的压缩机162。对于涡轮增压器，压缩机162可至少部分地由沿排气通道48布置的涡轮164驱动(例如，经由轴)。对于机械增压器，压缩机162可至少部分地由发动机10和/或电动机器驱动，并且可不包括涡轮。因此，经由涡轮增压器或机械增压器提供给发动机的一个或更多个汽缸的压缩量可通过控制器12改变。
所示排气传感器126联接到排放控制装置(ECD)70上游的排气通道48。排气传感器126可以是用于提供排气空燃比指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。虽然在图2中除了排气氧传感器126之外还示出了氧传感器14和温度传感器16，但这些传感器中的一个或更多个可以被省略和/或移动。
所示ECD 70沿排气传感器126下游的排气通道48布置。在该示例中，ECD 70包括三元催化剂(TWC)71和微粒过滤器(PF)72。在一些实施例中，PF 72可以位于TWC 71的下游(如图2所示)，而在其他实施例中，PF 72可以被定位在催化剂的上游(图2中未示出)。进一步地，PF 72可被布置在两个或更多个三元催化剂或其他排放控制装置(例如，选择性催化还原系统、NOx捕集器)或它们的组合之间。在其他实施例中，TWC 71和PF 72可以被整合到如上所述的一体外壳中。进一步地，在一些实施例中，PF 72可以包括一种或更多种催化剂材料和/或氧气储存材料。关于示例性ECD的细节在下文参照图3A至图3B提供。如下文进一步详细所述，发动机10的各种可操作方面可被控制，以有利于对ECD 70执行各种措施，包括但不限于PF 72的再生。
控制器12在图2中示为微型计算机，其包括微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、用于可执行程序和校准值的在该特定示例中示为只读存储器(ROM)106的电子存储介质(例如，计算机可读的)、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110和数据总线。控制器12可接收来自联接到发动机10的传感器的各种信号，除先前讨论的那些信号外，还包括：来自质量空气流量传感器120的引入质量空气流量(MAF)的测量值；来自联接到冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)；来自联接到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)或节气门开度；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机速度信号RPM可由控制器12根据信号PIP生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供在进气歧管中的真空或压力指示。注意可使用上述传感器的各种组合，诸如有MAF传感器而没有MAP传感器，或反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器可给出发动机扭矩的指示。进一步地，该传感器连同所检测的发动机速度可提供被引入汽缸中的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，也可用作发动机速度传感器的传感器118可在曲轴每转产生预定数目的等间隔脉冲。
存储介质只读存储器106可用表示由处理器102可执行的指令的计算机可读数据编程，用于执行下述方法以及预期到但没有具体列出的其他变体。
如上所述，图2示出多缸发动机的仅一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括它自己的一套进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
图3A示出包括排放控制装置(ECD)302的示例车辆排气系统300。在一些示例中，ECD 302可以是图1和/或图2的ECD 70。排气系统300包括具有多个排气流道或通道的排气歧管304，来自发动机汽缸(例如，图2的汽缸30)的排气从所述排气流道或通道流动。排气流道联接到ECD 302上游的收集区306，在该收集区306后面是排气通道308。ECD 302因此被配置成接收来自诸如图1和图2的发动机10的发动机的排气。
排气歧管304包括会聚形成短而窄的排气流道会聚管道316的流道310、312和314。流道310、312和314可具有相等或不等的长度和宽度，其中流道的长度可被认为是沿流道的中心轴线从排气歧管304到排气流道会聚管道316的中心的测量值，并且流道的宽度可被认为是在垂直于流道的中心轴线的任何给定横截面处的流道的直径。对于流道310、312和314中的至少两个表现出不等长度的实施例，最长流道可被定位在排气歧管304的一端(例如，顶部、底部)。此外，流道310、312和314中的一个或更多个的至少一部分可以与ECD 302的至少一部分(例如，ECD的纵向轴线)基本上(例如，在5°以内)同轴。
流道310、312和314的几何性质可影响发动机操作的各方面。例如，如果排气流道直径太小，则由于不足够的排气流，可导致排气系统中背压的增加。相反地，如果排气流道的直径太大，则排气速度会较低，这可影响排气的清除能力。另外，排气流道长度也影响惯性和波调谐，这可影响清除对动力生成的效果。因此，流道310、312和314中的一个或更多个的几何形状可以鉴于这些操作考虑事项而被选择。
在图3A所描绘的示例中，ECD 302包括被定位在ECD主体319内的催化剂罐318。催化剂罐318被具体定位在排气流道会聚管道316的近侧和下游以及下文所述的过滤器的上游。催化剂罐318包括被插入在安装垫322之间的催化剂砖320，安装垫322被定位在催化剂砖和ECD主体319的上壁324之间以及在催化剂砖和ECD主体的下壁326之间。例如，安装垫322可以由硅石纤维构成。催化剂砖320可以是用于金属催化剂材料的多孔载体，其中金属催化剂材料与基体配合以形成催化剂321。在一些示例中，催化剂321可以是三元催化剂(TWC)，并且可以增加冷起动排气排放转换的效率。如图3A所示，催化剂砖320被定位成紧邻排气歧管304。此类紧密联接的配置可以激励催化剂砖320的温度迅速上升到其起燃温度。当达到此起燃温度时，排气中的排气物质可以有效地转换成期望的惰性气体。
图3B示出说明车辆排气系统300的各方面的方框图。具体地，图3B示出催化剂砖320的形成和可由催化剂砖承载的示例材料的各方面。在图3B所描绘的示例中，催化剂砖320包括催化剂砖基体328，其在一些示例中可以是壁流式基体。催化剂砖基体328可以采用包括高孔隙率(例如，40％至80％)、高表面积基体材料的各种合适的基体材料。合适的催化剂基体材料的非限制性示例包括但不限于陶瓷(例如，合成堇青石、钛酸铝、碳化硅)、矿物质(例如，氧化铝)和金属(例如，不锈钢)。在一些示例中，催化剂砖320可利用通常用在被配置用于压缩点火发动机的催化剂中的基体材料。在一些实施方式中，为了提高稳定性，催化剂砖320可包括催化剂支撑材料，诸如二氧化铈(例如，氧化铈(IV))或钡。例如，催化剂砖320可以各种合适的方式被配置，诸如整体式蜂窝状结构、纺成纤维或层状材料。
金属催化剂与诸如NOx、碳氢化合物和CO的排气物质发生反应，以便将此类物质转换成期望的惰性气体。催化剂可以被承载在催化剂砖基体328上，并且可以多种方式装载在催化剂砖320上。例如，通过使用湿化学技术，催化剂砖基体328可以涂覆有用于金属催化剂的(一个或更多个)前体化合物的浆液以形成活化涂层330。在设置活化涂层330之后，催化剂砖基体328可以被干燥和煅烧。在图3B所描绘的示例中，活化涂层330包括一种或更多种催化剂材料332，其可包括例如贵金属(例如，钯)、贵金属的混合物(例如，钯-铂)或稀土金属(例如，钇)。活化涂层330还包括一种或更多种氧气储存材料334，以允许氧气储存在ECD302中，使得氧气对于再生催化剂砖320下游的下文所述的过滤器可以是可用的。例如，氧气储存材料334可包括二氧化铈-氧化锆(Ce-Zr)。
图3A也示出催化剂砖320的单元密度。单元密度可以按每平方英寸的单元数(cspi)进行测量，并且可以影响参数，所述参数包括但不限于催化剂驻留的几何表面、流经催化剂砖320的排气材料的质量、贯穿催化剂砖的热传递以及所得的排气背压。增加催化剂砖的单元密度导致催化有效表面的增加，而不改变催化剂砖的总体尺寸。催化剂砖的物理构造和化学性质根据排放质量控制的需要进行控制，并且可以用术语单元间距(L)和单元壁厚(t)进行描述。单元密度(N)被限定为每单位横截面面积的单元数量，并且与所述单元间距成反比——例如，N＝1/(L^2)。因此，如果单元间距较小，则大量的单元被定位在催化剂支撑空间内。作为非限制性示例，本文所述的催化剂基体诸如基体328可具有介于100cpsi至1200cpsi范围内的单元密度，且具有介于0.1密耳至10密耳(10-3英寸至10-2英寸)范围内的单元壁。
在一些示例中，催化剂壁320可包括两个或更多个不同的单元密度，以增加整个催化剂基体328两端的压差，并且因此减少穿过ECD 302的排气流的不平衡性。对于流道中的两个或更多个表现出不等长度和/或宽度的实施例，以这种方式增加催化剂砖的差压可补偿离开流道310、312和314的排气的不充分混合。图3A示出催化剂砖320内的轴向视图338，其中轴向视图内的线340表示支撑催化剂砖内的催化剂材料332的单元壁。线340的数量对应于单元的数量，并且与催化剂砖320的单元密度相关(例如，每单位距离的线越多表示单元密度越高)。轴向视图338内的空白空间342表示催化剂砖320内的排气可流经的槽道。如图3A所示，催化剂砖320的单元密度是不均匀的，其中相继线340之间的距离具体地在竖直方向上变化。然而，应当理解，替代性地或除此之外，催化剂砖320的单元密度可以在水平方向上变化。在其他实施例中，催化剂砖320的单元密度可以是均匀的。
应当理解，提供ECD 302作为非限制性示例，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以对ECD作出大量添加和修改。例如，在其他实施例中，ECD 302可以包括两个或更多个催化剂砖。在该示例中，多个催化剂砖中的一个或更多个可以包括两个或更多个不同的单元密度。在多个催化剂砖中的单元密度的变化可以是相同的或在至少两个催化剂砖之间可以不同。进一步地，多个催化剂砖中的平均单元密度可以是相同的或者在至少两个催化剂砖之间可以不同。在多个催化剂砖中可以共享或可以不共享其他特征，包括但不限于长度、催化剂砖基体材料、催化剂材料和氧气储存材料(如果包括的话)。
ECD 302还包括排气传感器344A，其被定位在排气流道会聚管道316近侧的ECD的上区处。排气传感器344A可以是但不限于，线性氧传感器或通用或宽域排气氧传感器(UEGO)、双态氧传感器(EGO)、加热型EGO(HEGO)、NOx、HC或CO传感器。在图3A所描绘的示例中，排气传感器344A包括被包封在金属护罩346内的内电极(未示出)。源于排气流道310、312和314的排气流流经排气流道会聚管道316，并且由排气传感器344A的电极检测。排气流在经由沿金属护罩346的底部纵向布置的开口348流入金属护罩346之后由电极检测。传感器外壳350使排气传感器344A处于ECD主体319内，并且通过电线352将电极联接到控制系统(例如，图2的控制器12)。来自排气传感器344A的读数可用于控制ECD 302的可操作方面，如下文所述。
ECD 302也包括可与排气传感器344A类似配置的排气传感器344B。如图3A所示，排气传感器344B被定位在催化剂321的下游。如下文进一步详细所述，来自排气传感器344A和344B两者的读数可用于控制ECD 302的可操作方面——例如，来自每个传感器的读数之间的差异可指示储存在催化剂321中的氧气量。应当理解，排气传感器344A和344B的定位是非限制性的，并且传感器可以定位在任何地方。在其他实施例中，三个或更多个排气传感器可被包括在ECD 302中——例如，除了排气传感器344A和344B之外，定位在下文所述的微粒过滤器下游的第三排气传感器。
图3A也示出包括被配置成测量流经ECD的排气的温度的温度传感器335。如本文所示，温度传感器335沿上壁324定位，并且被插入催化剂321和下文所述的微粒过滤器之间。应当理解，这种定位是非限制性的，并且温度传感器335可以位于ECD 302中的任何地方——例如，催化剂砖320的上游或微粒过滤器的下游。在其他实施例中，温度传感器335可从ECD 302省略，其中基于一个或更多个发动机操作参数推断排气温度。
ECD 302还包括定位在催化剂砖320下游的微粒过滤器(PF)336。PF 336可以被配置成捕集微粒物质，诸如与流经微粒过滤器的排气混合的煤烟。随着煤烟和/或其他微粒物质在PF 336中聚集，微粒过滤器中的背压会积聚，这可妨碍发动机操作并且减少燃料经济性。如此，例如响应于储存在过滤器中的煤烟水平超过阈值，PF 336可以周期性地再生并且储存在PF 336中的煤烟燃烧。对于ECD 302与火花点火发动机结合使用并且PF 336为汽油微粒过滤器的实施例，来自火花点火发动机的排气可以是足够热以燃烧储存在过滤器中的煤烟。然而，火花点火发动机可以主要地在化学计量条件下操作，在这种情况下，不存在足够量的气态氧来燃烧储存在PF 336中的煤烟。
在一些实施方式中，由催化剂砖320承载的催化剂材料332可以被选择成使得催化剂砖提供排气物质的三元催化转换。因此，在该示例中，ECD 302包括三元催化剂(TWC)。进一步地，PF 336可代替将以其他方式呈现PF在ECD 302中的位置的第二TWC。与催化剂砖320(例如，第一TWC)一样，第二TWC可包括一个或更多个氧气储存材料，以允许供应用于再生微粒过滤器(例如，PF 336)的氧气。然而，由于PF 336代替第二TWC，ECD 302相对于采用第二TWC而未采用微粒过滤器的配置可包括更少的氧气储存材料。如此，PF 336可被配置成包括一种或更多种氧气储存材料，以补偿由于第二TWC的缺失所致的氧气储存的损失。
返回图3B，PF 336的成分以方框图形式示出。如本文所示，PF 336可包括过滤器基体354，其在一些示例中可包括催化剂基体328的一种或更多种材料(例如，堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化铝、不锈钢)。过滤器基体354可提供其上设置有合适的过滤器元件的结构。PF336还包括活化涂层356，该活化涂层356可以与如上关于催化剂砖320的活化涂层330的形成所述的方式类似的方式在过滤器基体354上形成。在一些示例中，活化涂层356可包括一种或更多种氧气储存材料358，诸如Ce-Zr，其可至少部分地补偿由第二TWC的缺失造成的减少的氧气储存。PF 336的氧气储存材料358可以与催化剂砖320的氧气储存材料334相同或可以不相同。替代性地或除此之外，活化涂层356可以包括被配置成储存氧气的一种或更多种催化剂材料360(例如，钯、钯-钡、钇)，其可以与催化剂砖320的催化剂材料332相同或可以不相同。在一些示例中，催化剂材料360可包括金属氧化涂层，所述金属氧化涂层使PF336具有用于水-气变换、氨氧化、硫控制等的催化性质。
因此，根据PF 336的活化涂层356的成分，微粒过滤器可允许催化转换和氧气储存中的一者或两者，从而补偿由催化剂砖320提供的催化转换和氧气储存。作为非限制性示例，PF 336的活化涂层356可被配置成使得微粒过滤器提供三元催化转换并且包括Ce-Zr，以根据过滤器再生的需要有利于过滤器中的氧气储存以及氧气供应。
PF 336的活化涂层356可被选择成以在化学计量条件下增加微粒过滤器中的煤烟氧化(通过增加过滤器中的氧气储存)，并且限制由于过滤器中包括活化涂层而造成的背压的增加。为了实现此目的，PF 336的活化涂层356相对于至少一个物理参数可不同于催化剂砖320的活化涂层330——例如，相对于催化剂砖的活化涂层330，微粒过滤器的活化涂层356可呈现出减少的质量、密度、体积等。作为非限制性示例，PF 336的活化涂层356的质量可以为催化剂砖320的活化涂层330的近似三分之一。以这种方式，与PF 336相关联的背压可被限制。然而，由于活化涂层356相对于活化涂层330的减少的涂覆水平，活化涂层356的氧气储存材料358可减少相同或相似的比例。为了补偿由于相对减少的涂覆水平所致的PF336中的减少的氧气储存，氧气储存材料358的密度可以相对于催化剂砖320的氧气储存材料334的密度和/或以其他途径呈现微粒过滤器的位置的第二TWC的密度而增加。
为了例示PF 336的活化涂层356和氧气储存材料358的选择，非限制性示例如下。在典型的三元催化剂(例如，催化剂321)中，近似6％的催化剂重量可归因于氧气储存材料，诸如二氧化铈(例如，CeO2)。催化剂的活化涂层可形成总催化剂重量的30％，其中剩余的70％归因于基体(例如，堇青石)。催化剂活化涂层重量的20％可归因于氧气储存材料。催化剂活化涂层可具有1g/in3的密度，因此，在催化剂活化涂层的20％对应于氧气储存材料的情况下，0.2g/in3可归因于氧气储存材料。在排放控制装置(例如，ECD 302)中，其中第二TWC被省略并且由微粒过滤器(PF)代替，则由第二TWC的缺失造成的ECD中的减少的氧气储存可通过增加氧气储存材料与PF活化涂层的比例来补偿，例如，1.5和2.5之间的倍数。换句话说，由于第二TWC的缺失所致的减少的氧气储存(以及其相应的氧气储存材料)可通过增加代替第二TWC的PF中的氧气储存补偿。
继续该非限制性示例，PF 336可被配置成使得氧气储存材料358构成微粒过滤器的活化涂层356的重量的30％和50％之间。相对于上述的典型TWC活化涂层，这表示氧气储存材料358与活化涂层356的比例的10％和30％之间的增加。以这种方式配置，1g/in3活化涂层中的0.3g/in3和0.5g/in3之间可归因于氧气储存材料。
在一些示例中，在不增加活化涂层的质量的情况下，PF 336的氧气储存材料358与活化涂层356的比例可增加。这可通过用氧气储存材料代替活化涂层356的其他成分完成。作为非限制性示例，活化涂层356可包含γ-Al2O3、CeO2、ZrO2，、La2O3和Nd2O3中的一个、BaO和SrO中的一个、NiO以及Pt、Pd和Rh中的一个。在该示例中，通过用氧气储存材料代替活化涂层的惰性组分——例如，通过用CeO2代替γ-Al2O3，在不增加活化涂层的质量的情况下，氧气储存材料358与活化涂层356的比例可增加。在一些途径中，活化涂层356的惰性组分用氧气储存材料358代替的程度可以与氧气储存材料相对于标称水平(例如，包括在典型TWC活化涂层中的氧气储存材料)增加的程度成比例。例如，被氧气储存材料358代替的惰性材料的部分可以基本上等于(例如，在5％之内)代替惰性材料的被代替部分的氧气储存材料的部分，这可防止重量的增加。在以上讨论的氧气储存材料358增加1.5和2.5之间的倍数的非限制性示例中，活化涂层356的惰性组分减少的倍数与氧气储存材料增加的倍数相同(例如，减少到1.5和2.5之间的倍数)，但在其他途径中这些倍数可以不等。
因此，通过以上述方式选择氧气储存材料358，由于用PF 336代替第二TWC所致的减少的ECD 302的氧气储存容量可以被补偿，并且在一些示例中，至少匹配包括双TWC的ECD的氧气储存容量。因此，足够的氧气可以用于燃烧储存在PF 336中的煤烟(和/或其他微粒物质)，特别是在火花点火发动机的化学计量操作期间。此外，这可通过用氧气储存材料358代替活化涂层的至少一种惰性成分而不增加活化涂层356的质量的情况下完成。图6还示出氧气储存容量对过滤器再生的影响。
应当理解，车辆排气系统300和ECD 302的各方面可以在不脱离本公开的范围的情况下修改。例如，系统300的各种部件(例如，催化剂321、PF 336、排气传感器344A、温度传感器335)的相对定位、几何形状和尺寸(例如，长度、宽度、高度)可以调节。在一些实施例中，可以提供两个或更多个排气传感器和/或温度传感器，而在其他实施例中，温度传感器335可以从系统300省略。例如，第一排气传感器可以被提供在催化剂321的上游，并且第二排气传感器可以被提供在催化剂的下游。在一些实施例中，两个或更多个ECD可以以串联方式提供，使得第一ECD(例如，包括催化剂和/或微粒过滤器)之后跟着被定位在第一ECD下游的第二ECD，其中第二ECD可以包括或可以不包括与第一ECD相同的部件。进一步地，替代或除了催化剂321和/或PF 336之外，ECD 302可被修改以包括其他排放控制装置，诸如NOx捕集器、SCR催化剂等。
图4A示出包括排放控制装置(ECD)402的示例车辆排气系统400。试图说明图3A和图4A之间的差异，并且如此，相同部件被类似地标号。与ECD 302一样，ECD 402因此被配置成接收来自诸如图1和图2的发动机10的发动机的排气。然而，通常ECD 402与图3A的ECD302不同之处在于：排气的催化转换和过滤经由单个一体结构提供，这与ECD 302中的经由催化剂(例如，催化剂321)执行催化转换并且经由与催化剂分开并且远离该催化剂定位的过滤器(例如，PF 336)执行过滤相反。如此，ECD 402包括提供单个一体结构的催化剂/过滤器罐404，除了其他潜在元件之外，在该单个一体结构上可形成催化材料和过滤器材料。以这种方式，流经ECD 402的排气的同时催化转换和过滤可经由罐404所提供的单个一体结构在催化剂/过滤器406中实施。
图4B示出说明车辆排气系统400的各方面的方框图。具体地，图4B示出催化剂/过滤器406的形成以及可由催化剂/过滤器承载的示例材料的各方面。在图4B所描绘的示例中，催化剂/过滤器406包括催化剂/过滤器基体408，其在一些示例中可以是壁流式基体。基体408可以采用支撑催化材料和过滤器材料的各种合适的材料，包括高孔隙率(例如，40％至80％)、高表面积基体材料，诸如堇青石、钛酸铝、碳化硅、氧化铝、不锈钢等。在一些示例中，为了提高稳定性，催化剂/过滤器406可包括支撑材料，诸如二氧化铈或钡。
催化剂/过滤器406还可包括活化涂层410，催化剂/过滤器基体408涂覆有所述活化涂层410，并且然后被干燥和煅烧。活化涂层410可包括允许排气物质(例如，NOx、碳氢化合物和CO)转换成期望的惰性气体的一种或更多种催化剂材料412。催化剂材料412可包括例如贵金属(例如，钯)、贵金属的混合物(例如，钯-铂)或稀土金属(例如，钇)。活化涂层410还可包括一种或更多种氧气储存材料414，以允许氧气储存在ECD 402中，使得可以存在氧气以用于燃烧储存在催化剂/过滤器406中的煤烟和/或其他微粒物质从而再生过滤器。例如，氧气储存材料414可包括Ce-Zr。在一些示例中，活化涂层410可通过将催化剂材料412和氧气储存材料414混合并且然后用混合后的活化涂层涂覆基体408而形成。例如，上述的催化剂材料中的一种或更多种可以被嵌入(embedded)Ce-Zr中，以形成可供基体408涂覆的活化涂层。在一些实施方式中，替代性地或除此之外，活化涂层410可包括一种或更多种金属氧化物，所述金属氧化物具有用于水-气变换、氨氧化、硫控制等中的一个或更多个的催化性质。
图4A也示出催化剂/过滤器406内的轴向视图416，其中轴向视图内的线418表示支撑过滤器材料、催化剂材料412和氧气储存材料414的单元壁。线418的数量对应于单元的数量，并且与催化剂/过滤器406的单元密度相关。轴向视图416内的空白空间420表示排气可流经的槽道。如图4A所示，催化剂/过滤器406的单元密度是均匀的。然而，在其他实施例中，与图3A的ECD 302一样，催化剂/过滤器406的单元密度可以是不均匀的，例如以增加ECD402中的压差。
对于ECD 402与火花点火发动机结合使用的一些实施例，催化剂/过滤器406可以被配置为三元催化剂(TWC)和汽油微粒过滤器(GPF)。在该示例中，活化涂层410中包括氧气储存材料414有利于提供足够的氧气用于燃烧捕集在催化剂/过滤器406中的煤烟和/或其他微粒物质。这当用于过滤器再生的过量氧气会不足时，在火花点火发动机的化学计量操作期间可以是特别有利的。
应当理解，提供车辆排气系统400和ECD 402作为非限制性示例，并且在不脱离本公开的范围的情况下可修改所述系统和ECD的各方面。例如，系统400的各种部件(例如，催化剂/过滤器406、排气传感器344A、温度传感器335)的相对定位、几何形状和尺寸(例如，长度、宽度、高度)可以被调节。在其他实施例中，可以提供两个或更多个排气传感器和/或温度传感器，而在其他实施例中，温度传感器335可以从系统400省略。在一些实施方式中，两个或更多个ECD可以以串联方式提供，使得第一ECD之后跟随有被定位在第一ECD下游的第二ECD。在该示例中，ECD中的每一个可包括在共同外壳中实现的整合的催化剂/过滤器(例如，催化剂/过滤器406)或被单独装纳的催化剂和过滤器。进一步地，ECD 402可被修改成，替代或除了催化剂/过滤器406之外，包括其他排放控制装置，诸如NOx捕集器、SCR催化剂等。更进一步地，在一些实施例中，催化剂和过滤器可以被整合在单个一体外壳中，但其中催化剂材料和过滤器材料是分开的——例如，一体外壳可包括其中设置有催化剂的第一段，其中第一段下游跟随有其中设置有过滤器的第二段。
发动机操作可被控制成使得图3A和图4A的ECD 302和402分别在期望条件下操作。例如，发动机(例如，图1和图2的发动机10)可被控制成使得实现排气物质在特定速率下的催化转换，以将发动机排放保持在可接受的范围内。因为催化转换至少部分地取决于温度，所以发动机操作可被控制，以便将ECD 302和402的催化剂的温度保持在期望范围内。以这种方式的发动机控制可包括利用来自例如温度传感器335的读数，并且经由诸如图2的控制器12的发动机控制器控制一个或更多个发动机操作参数。
也期望在特定速率下将诸如煤烟的微粒物质(PM)捕集在ECD 302和402的微粒过滤器内，以将发动机排放保持在可接受的范围内。然而，随着PM在过滤器内聚集，由过滤器引起的背压增加，这可减少燃料经济性。因此，储存在ECD 302和402的过滤器中的PM可以被周期性地氧化并且过滤器再生，以便减少聚集的PM并且限制背压。在一些示例中，储存在ECD 302和402的过滤器中的PM量可以通过测量(例如，经由图3A至图4B中未示出的一个或更多个压力传感器)或推断ECD中的背压而被确定。然后可以利用所确定的背压访问诸如查找表的合适的数据结构，以检索对应的PM量(例如，质量)。替代性地，可以使用传递函数来基于所确定的背压确定对应的PM量。
当确定储存在ECD 302和402的过滤器中的PM的氧化以及过滤器的再生是期望的时(例如，基于所储存的PM和/或背压超过相应阈值)，可评估ECD处的氧气的可用性以及它们的温度，因为PF的再生通常取决于可用的过量氧气和周围温度条件。具体地，在足够氧气可用的情况下，过滤器温度可被控制为至少过滤器再生发起的起燃温度(例如，400℃至600℃)。在过滤器再生期间，所储存的PM可以在大于PM在过滤器中沉积的速率的速率下氧化。微粒过滤器再生反应是放热的，所以一旦该反应开始，温度就会迅速增加，除非氧气供应被仔细控制。例如，如果温度超过上阈值，则该反应可变得不可控制并且可完全停止，因为在高温下不可供应过滤器再生所需的过量氧气的水平。此外，如果氧气供应是不足的，则再生反应不能够维持其自身。更近一步地，如果过量氧气水平太高，则温度可冷却，并且再生反应可放慢。
在一些示例中，可基于ECD中的背压来确定至ECD 302和402的氧气供应。例如，可基于来自例如排气传感器344A和温度传感器355的读数确定ECD 302和402中的所储存的PM的氧化速率；诸如查找表的合适的数据结构可储存由过滤器温度和氧气的质量流率索引的PM的氧化速率。
替代性地或除了上述考虑事项中的一个或更多个之外，控制程序可考虑到ECD302和402的氧气储存容量。如本文所用的“氧气储存容量”是指ECD储存通过包含一种或更多种氧气储存材料所确定的氧气的容量，如上所述，所述氧气储存材料可以被嵌入到被设置在催化剂基体和/或过滤器基体上的活化涂层中。ECD 302和402的氧气储存容量可以被确定且用于控制至ECD的过量氧气的供应，例如使得在给定时间间隔内供应到ECD的过量氧气的量不超过在该时间间隔内ECD的氧气储存容量。在一些示例中，至ECD 302和402的过量氧气供应可以被限制成它们氧气储存容量的子集——例如，过量氧气供应可以被限制成ECD的总氧气储存容量的40％至60％。在一个示例中，ECD 302和402中的每一个的氧气储存容量可通过测量在选定条件下由上游氧传感器和下游氧传感器感测的氧浓度的差异来确定——例如，在供应到催化剂/过滤器的排气从富条件过渡到贫条件的时间段期间，图4A的催化剂/或过滤器406的氧气储存容量可基于来自催化剂/过滤器上游的排气传感器344A和催化剂/过滤器下游的排气传感器344B的读数之间的差异确定。排气传感器344A和344B可用于确定在从富状态过渡到贫状态期间传送到ECD的氧气。在其他实施方式中，ECD 302和402的氧气储存容量可通过访问保持由温度(例如，催化剂温度、排气温度)索引的氧气储存容量的数据结构(例如，查找表)确定。在该示例中，从数据结构检索的氧气储存容量可以被调整以考虑到可随时间推移发生的催化剂劣化。
在一些实施方式中，发动机操作可被控制，以修改ECD 302和402的氧气储存容量。例如，供应到ECD 302和402的排气可从富条件过渡到贫条件，以调节ECD氧气储存容量。来自上游排气传感器和下游排气传感器的输出的差异可用于确定ECD氧气储存容量何时如上所述那样变化。
ECD 302和402中的过滤器再生可以采用被动和/或主动的过滤器再生技术。在被动的过滤器再生期间，发动机操作不可被修改以增加对ECD 302和402的过量氧气的供应。相反，发动机可标称地操作(例如，化学计量操作)，其中ECD 302和402中先前储存的氧气用于执行过滤器再生。在被动的过滤器再生期间，储存在ECD 302和402中的微粒物质可在大于微粒物质在ECD中沉积的速率的速率下氧化。
相反地，主动的过滤器再生可包括对发动机操作的调节以有利于过滤器再生。例如，发动机操作可在主动的过滤器再生期间修改以增加至ECD 302和402的过量氧气的供应。在一些实施方式中，响应于应当执行主动的过滤器再生的判定——例如，响应于储存在ECD中的微粒物质的量超过阈值的判定，在合适的条件下可发起减速燃料切断(DFSO)。在该示例中，可以利用DFSO来增加至ECD 302和402的过量氧气的供应并且有利于其中的过滤器再生。替代性地或除此之外，DFSO可以用于增加储存在ECD 302和402中的氧气量，其在一些情形中补充先前储存的氧气量。在一些示例中，在DFSO期间的主动的过滤器再生可包括利用DFSO为微粒物质的氧化供应过量氧气的第一阶段。在第一阶段期间供应到ECD 302和402的过量氧气可基本上(例如，90％或更多)用在再生反应中，并且如此可不储存在ECD中。DFSO可延长超出第一阶段到过量氧气供应到ECD 302和402以储存在其中的第二阶段，其中所储存的氧气可用于随后的过滤器再生事件。相比之下，对于期望DFSO但不期望过滤器再生的情形，DFSO可仅包括第一阶段。
主动的过滤器再生可包括用以增加至ECD 302和402的过量氧气供应的其他措施，包括但不限于调节节气门开度(例如，图1和图2的节气门62的开度)、空燃比、可变凸轮正时等。替代性地或除此之外，主动的过滤器再生可包括用以增加ECD 302和402处的排气温度的一个或更多个措施，诸如延迟火花正时和/或增大节气门开度。
在DFSO期间，发动机(例如，图1和图2的发动机10)在没有燃料喷射的情况下操作，同时发动机旋转并且将空气泵送通过汽缸。DFSO进入和退出条件可基于各种车辆和发动机工况。具体地，车辆速度、车辆加速度、发动机速度、发动机负载、节气门位置、踏板位置、变速齿轮位置和各种其他参数中的一个或更多个的组合可用于控制进入DFSO或从DFSO退出。在一个示例中，DFSO进入条件可基于发动机速度低于阈值。在另一个示例中，DFSO进入条件可基于发动机负载低于阈值。在又一个示例中，DFSO条件可基于加速器踏板位置。除此之外或替代性地，进入DFSO可基于停止燃料喷射的命令信号被确定。在一个示例中，退出DFSO可基于开始燃料喷射的命令信号。在另一个示例中，DFSO事件可基于驾驶员踩油门、车辆速度达到阈值和/或发动机负载达到阈值而结束。应当理解，DFSO可包括部分汽缸停用，其中至少一个但不是全部的发动机汽缸被停用(例如，所述汽缸中的燃料喷射被停止但空气从中泵送通过)，而在其他示例中，DFSO可包括停用所有发动机汽缸。
图5示出说明一种再生排放控制装置(ECD)的微粒过滤器(PF)的方法500的流程图。例如，方法500可用于再生ECD 302(图3A)和/或ECD 402(图4A)的PF。如此，方法500中的过滤器再生可以是指与一个或更多个其他ECD分开的过滤器的再生或者是指组合的催化剂/过滤器的再生。在一个示例中，方法500可用于再生被定位在三元催化剂(TWC)下游的汽油PF(例如，氧化储存在其中的煤烟)。例如，方法500可被存储在控制器12(图2)的存储器中并且由CPU 102执行。
在方法500的502处，诸如煤烟的微粒物质(PM)聚集在PF中。当由燃料燃烧造成的排气流经PF时，PM可在标称发动机操作(例如，在化学计量条件下的燃料燃烧)期间聚集在PF中。
在方法500的504处，储存在PF中的PM利用所储存的氧气(O2)被氧化。根据ECD的配置，氧气可储存在ECD中的各个位置中；例如，氧气可储存在包括被配置成储存氧气的氧气储存材料的ECD部件中。如此，ECD中所储存的氧气可驻留在PF和催化剂中的一者或两者中，其中所述PF和催化剂在一些实施例中可整合进如上所述的组合的催化剂/过滤器中。一旦PF达到可出现PM氧化的起燃温度，储存在PF中的PM的氧化就可发生。进一步地，如果PM氧化的速率大于由燃料燃烧造成的PM在PF中沉积的速率，则在504处储存在PF中的PM的氧化可构成PF的被动再生。PF的被动再生在无需调节发动机操作参数以有利于过滤器再生的情况下允许PF的至少部分再生。
在方法500的506处，确定聚集在PF中的PM量和储存在PF中的PM的氧化速率。在一些示例中，聚集在PF中的PM量可通过测量(例如，经由排气系统中的压力传感器，通过测量PF两端的压差)或推断由PF引起的背压而被确定，其中所测量或推断的背压用于访问产生对应于背压的聚集的PF量的数据结构或传递函数。储存在PF中的PM的氧化速率可通过访问存储由例如温度和氧气的质量流率索引的PM的氧化速率的数据结构确定，其中温度可经由温度传感器335(图3A)感测，并且氧气的质量流率可基于来自排气传感器344A和344B(图3A)的读数之间的差异被感测。
在方法500的508处，确定是否主动再生PF。主动的过滤器再生可包括调节一个或更多个发动机操作参数以有利于主动的PF再生。是否主动再生PF的确定可基于如在506处所确定的聚集在PF中的PM量和/或储存在PF中的PM的氧化速率。例如，如果聚集的PM量大于或等于阈值PM量，并且/或者聚集的PM的氧化速率小于阈值氧化速率，则可执行主动的PF再生。如果聚集的PM量小于阈值PM量，并且/或者聚集的PM的氧化速率大于或等于阈值氧化速率，则可执行被动的PF再生而不可执行主动的PF再生。替代性地或除此之外，其他条件可作为确定是否主动再生PF的一部分被评估——例如，如果ECD中的背压大于阈值，则可执行主动的PF再生。如果确定不主动再生PF(否)，则方法500返回到502。以这种方式，储存在PF中的PM可以以被动的方式至少部分地氧化，直到要求主动再生。如果确定主动再生PF(是)，则方法500前进至510。
在510处，确定PF是否处于再生温度。例如，可基于来自诸如图3A的温度传感器335的排气温度传感器的输出确定PF温度。再生温度可以是在足够的过量氧气的情况下聚集在PF中的PM可以被氧化时的过滤器再生起燃温度。如果确定PF不处于(例如，小于)再生温度(否)，则方法500前进至512，在512处排气温度增加以试图使PF处于再生温度。排气温度也可被控制以实现期望的PM氧化速率。在512处增加排气温度可包括延迟火花正时、增大节气门开度(例如，图1的节气门62的开度)、增加发动机速度、增加发动机负载等中的一个或更多个。如果确定PF处于(例如，大于或等于)再生温度(是)，则方法500前进至516。
在方法500的516处，发起PF的主动再生。主动的PF再生的发起可包括在518处发起减速燃料切断(DFSO)以便为PM氧化提供氧气。在一些示例中，DFSO可仅在选定的条件下发起，诸如上述的条件；例如，如果发动机速度和/或负载低于相应的阈值，并且/或者其他输入(例如，加速器踏板位置)不指示即将到来的驾驶员踩油门或对扭矩的请求，则可发起DFSO。通过发起DFSO，足够水平的过量氧气可供应到PF，其与足够的温度一起有利于聚集的PM的氧化和PF的至少部分再生。因此，PF可经由从发动机接收的过量氧气而主动再生。替代性地或除了DFSO之外，其他方法可用于增加PF处的过量氧气。例如，节气门开度、空燃比(例如，贫化)和可变凸轮正时中的一个或更多个可以被调节以增加过量氧气的供应。
在方法500的520处，DFSO可选地被延长以补充储存在PF中的氧气。在一些示例中，在520处的DFSO的延长可构成DFSO的第一阶段之后的DFSO的第二阶段。在DFSO的第一阶段期间，过量氧气可基本上用于氧化储存在PF中的PM，并且不用于储存在PF中以供随后的PM氧化。因此，DFSO的第一阶段可被使用一定的持续时间，在该持续时间内DFSO进入条件被满足，并且在该持续时间上期望量的所储存的PM被氧化。在DFSO的第二阶段期间，过量氧气可基本上储存在PF中用于随后的PM氧化，而不用于当前储存在PF中的PM的氧化。只要DFSO进入条件满足，并且如果所储存的氧气的补充是期望的并且可执行，DFSO的第二阶段可执行。在一些示例中，DFSO在520处可延长的持续时间可以基于过量氧气的流率和ECD的氧气储存容量。例如，DFSO可以延长一定的持续时间，在给定过量氧气的流率的情况下，所述持续时间允许氧气的储存，使得填充了期望百分比的氧气储存容量——例如，40％至60％。一旦填充了期望百分比的氧气储存容量，DFSO的延长期就可停止。以这种方式，响应于PF的氧气储存容量，主动的PF再生的持续时间可以被控制。在520之后，方法500结束。然而，应当理解，方法500可返回到502，使得该方法在迭代基础上贯穿整个发动机操作被执行。例如通过使用由于在520处延长DFSO而储存的被储存的氧气，在主动的PF再生停止之后，被动的PF再生可继续。
还应当理解，在一些示例中，在储存在PF中的期望量的PM被氧化之前或者在所储存的氧气被补充到期望水平之前——例如，由于操作条件不再适合DFSO，DFSO可停止。例如，响应于驾驶员踩油门，DFSO可以终止。在任何一种情况下，一旦随后发起DFSO，则PM氧化和/或氧气储存补充可从其终止的点恢复。在一些示例中，可执行除了DFSO之外的措施以在DFSO不可执行情况下增加对PF的过量氧气的供应，所述措施包括上述的那些，诸如调节(例如，贫化)空燃比。例如，在主动的PF再生的第一阶段(其中储存在PF中的期望量的PM被氧化)之后，如果主动的PF再生的第二阶段不可执行，则空气燃料操作可基于储存在PF中的氧气量被调节。在一个示例中，空燃比可贫化到与储存在PF中的氧气量和储存在PF中的期望氧气量之间的差异成比例的程度——例如，空燃比可以针对所储存的氧气水平和期望的所储存的氧气水平之间的相对较大差异而被较大程度地贫化，并且可以针对两种氧气水平之间的相对较小差异而被较小程度地贫化。在其他示例中，即使在主动的PF再生的第二阶段完成时，PF的氧气储存容量仍会没有被填充到期望程度；在这种情况下，上述措施中的一个或更多个可以被执行以供应过量氧气来完成期望的氧气储存容量的补充，诸如空燃比的贫化，其中贫化的程度可以与期望的补充成比例。以这种方式，在完成主动的PF再生之后，基于PF中的实际氧气储存水平可调节空气燃料操作。
图5中未示出的其他措施可以作为方法500的一部分被执行。如上所述，在PF处的再生反应高度取决于过量氧气的供应和温度；过量氧气供应和温度均可降低或终止再生反应。如此，方法500可包括，如果确定过量氧气供应或排气温度任一个超过或将超过相应阈值，则限制过量氧气供应和排气温度中的一者或两者。进一步地，如上所述，排气温度可被控制以实现期望的再生速率。通常，方法500可在不脱离本公开的范围的情况下进行修改。
因此，如图所示和所述，在考虑至PF的过量氧气的供应以及整个排放控制装置的氧气储存容量的同时，方法500可允许微粒过滤器的再生。方法500允许被动的过滤器再生和主动再生两者，在被动的过滤器再生中，通过使用先前储存在ECD中的氧气，PF可以在不调节发动机操作以增加过量氧气的供应的情况下至少部分地再生，在主动再生中，发动机操作可被修改以增加过量氧气的供应，以用于过滤器再生以及可选地只是部分补充ECD的氧气储存容量。
在一些实施例中，方法500可与包括催化剂和微粒过滤器的ECD结合使用，当设置在催化剂和/或过滤器上的活化涂层的至少一个惰性组分的一部分用附加的氧气储存材料代替时，所述ECD具有增加的氧气储存容量。一种此类ECD可以为上述的ECD 302(图3A)或ECD 402(图4A)，其可用CeO2(氧气储存材料)至少部分地代替γ-Al2O3(活化涂层的惰性组分)。以这种方式，由于ECD中增加的氧气储存，可以使被动的过滤器再生更加彻底，这可减少主动过滤器再生被采用的频率。此外，由于ECD的增加的氧气储存容量，过量氧气被供应以储存在ECD中的频率可减少。例如，这两种效果均可减少发动机排放并且增加燃料经济性和车辆的驾驶性能。
图6示出说明过滤器再生如何根据氧气储存容量变化的图表600。图表600示出用于四个示例过滤器再生事件的各种参数，所述过滤器再生事件利用储存在被包括过滤器的排放控制装置中(例如，储存在被包括在过滤器和/或催化剂中的氧气储存材料中，所述过滤器和/或催化剂在一些示例中可与过滤器被整合到单个外壳中)的氧气来氧化储存在过滤器中的煤烟和/或其他微粒物质。四个过滤器再生事件可已被执行，并且它们相关联的数据在例如测试环境中已获得，其中所储存的氧气用于被动再生过滤器，而无需进行主动的过滤器再生以及调节发动机操作用于过滤器再生。然而，实施方式是可能的，其中过滤器再生事件包括主动再生，在一些示例中所述主动再生可在基本相同程度上(例如，在5％之内)被使用。针对每个过滤器再生事件，经由菱形示出部分再生(fractional regeneration)，其中部分再生可以是再生完成之后氧化的储存PM的比例比再生发起之前的总的储存PM的比例。针对每个过滤器再生事件，也示出经由正方形表示的煤烟载荷，该煤烟载荷以克每升提供在再生之前储存在过滤器中的煤烟水平。图表600还用微摩尔来示出氧气储存容量，其在每个再生事件处由过滤器呈现。
如图6所见，四个过滤器事件表现出部分再生和氧气储存容量之间的高度线性相关。更具体地，图6中表示的数据示出部分再生以与氧气储存容量高度线性的方式增加，使得当过滤器包括相对较高的氧气储存容量时可导致相对较高的部分再生，并且当过滤器包括相对较低的氧气储存容量时可导致相对较低的部分再生。在一些情形中，此结果可仅仅是如由瞬时氧气储存容量确定的增加的(或减少的)氧气储存的后果。作为非限制性示例，由线602表示的线性函数拟合由四个过滤器再生事件提供的数据，具有0.0003的斜率、0.3497的y轴截距和0.9271的确定系数。
图表600因此示出期望如何最大化排放控制装置的氧气储存容量，以便最大化由通过使用储存在排放控制装置中的氧气的至少一部分再生过滤器而造成的部分再生。通过增加氧气储存容量，较大比例的氧气可储存用于再生事件，从而增加过滤器可被动再生而非主动再生的次数。用被动再生取代主动的过滤器再生的至少一部分减少了发动机操被修改以用于主动再生的频率，这可减少排放并且增加燃料经济性和车辆的驾驶性能。如上所述，在一些示例中，通过用氧气储存材料置换惰性活化涂层材料，可以在不增加排放控制装置的重量的情况下增加排放控制装置的氧气储存容量。增加的氧气储存容量也可以允许更好地利用过量氧气提供给排放控制装置以用于氧气储存的事件。
注意，本文中包括的示例性控制和估计程序可与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文所公开的控制方法和程序可存储为非暂时存储器中的可执行指令，并且可由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件组合的控制器的控制系统实行。本文所述的特定程序可表示任何数目的处理策略中的一种或更多种，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。如此，所说明的各种动作、操作和/或功能可按说明的顺序执行、并行执行或在一些情况下省略。同样，处理的顺序不是实现本文所述的示例性实施例的特征和优点所必需的，而是为易于说明和描述提供。根据所使用的具体策略，可重复执行所说明的行为、操作和/或功能中的一种或更多种。进一步地，所述动作、操作和/或功能可用图形表示待编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器内的代码，其中所述行为通过执行包括与电子控制器组合的各种发动机硬件部件的系统中的指令实行。
应当理解，因为许多变化是可能的，所以本文所公开的配置和程序实际上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制意义。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他发动机类型。本公开的主题包括本文所公开的各种系统和配置，以及其它特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
随附权利要求特别指出被视为新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应被理解成包括一个或更多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或更多此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过本权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中呈现的新权利要求加以要求。此类权利要求，无论比原始权利要求范围更宽、更窄、相同或不同，仍被视为包括在本公开的主题内。

Claims (18)

1.一种用于包括催化剂和过滤器的排放控制装置的方法，其包括：
被动再生所述过滤器；
基于所述排放控制装置的氧气储存容量，经由控制器调节所述过滤器的主动再生的持续时间，其中所述过滤器的主动再生包括发起减速燃料切断；以及
延长减速燃料切断的持续时间，以补充被储存在所述排放控制装置中的氧气的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定被储存在所述过滤器中的微粒物质的量；以及
如果所述微粒物质的量大于或等于阈值，则主动再生所述过滤器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中被动再生所述过滤器包括利用被储存在所述排放控制装置中的氧气来氧化被储存在所述过滤器中的微粒物质。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
如果过滤器温度大于或等于过滤器再生温度，则主动再生所述过滤器；以及
如果所述过滤器温度小于所述过滤器再生温度，则增加排气温度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括基于来自第一氧传感器的输出和来自第二氧传感器的输出，确定所述排放控制装置的所述氧气储存容量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤器的主动再生包括增加至所述排放控制装置的过量氧气供应。
7.根据权利要求1所述的方法，其中一旦确定被储存在所述过滤器中的阈值水平的微粒物质已被氧化，则停止所述过滤器的主动再生，所述方法还包括在停止所述过滤器的主动再生之后，利用被储存在所述排放控制装置中的氧气被动再生所述过滤器，被储存在所述排放控制装置中的储存氧气是由于所述过滤器的主动再生的结果。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是三元催化剂，以及
其中所述过滤器是汽油微粒过滤器。
9.一种用于包括催化剂和过滤器的排放控制装置的方法，其包括：
被动再生所述过滤器；
基于所述排放控制装置的氧气储存容量，经由控制器调节所述过滤器的主动再生的持续时间，其中所述过滤器的主动再生包括发起减速燃料切断；
延长减速燃料切断的持续时间，以补充被储存在所述排放控制装置中的氧气的至少一部分；以及
在完成所述主动再生之后，基于实际氧气储存水平，调节空气燃料操作。
10.根据权利要求9所述的方法，其中调节空气燃料操作包括贫化空燃比以增加所述过滤器处的过量氧气。
11.根据权利要求9所述的方法，其中响应于被储存在所述过滤器中的微粒物质的量大于或等于阈值，主动再生所述过滤器，所述主动再生包括减速燃料切断的发起。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述主动再生包括被储存在所述过滤器中的微粒物质利用被储存在所述排放控制装置中的氧气被氧化的第一阶段，以及所述氧气储存容量被至少部分地补充的第二阶段。
13.一种发动机系统，其包括：
发动机；
排放控制装置，其被配置成接收来自所述发动机的排气，所述排放控制装置包括：
催化剂；
微粒过滤器；以及
被配置成储存氧气的一种或多种氧气储存材料，
发动机控制器，其包括处理器和保持指令的计算机可读存储装置，所述指令由所述处理器可执行以：
确定被储存在所述微粒过滤器中的微粒物质的量；
利用被储存在所述一种或多种氧气储存材料中的氧气被动再生所述微粒过滤器；
如果所述微粒物质的量大于或等于阈值，发起减速燃料切断以利用从所述发动机接收的过量氧气主动再生所述微粒过滤器；
延长减速燃料切断的持续时间，以补充被储存在所述一种或多种氧气储存材料中的氧气的至少一部分；以及
基于所述一种或多种氧气储存材料的氧气储存容量，控制主动再生的持续时间。
14.根据权利要求13所述的发动机系统，其中所述催化剂和所述微粒过滤器被定位在彼此分开的相应外壳中，以及
其中所述一种或多种氧气储存材料被嵌入到所述催化剂的活化涂层和所述微粒过滤器的活化涂层中的一者或两者中。
15.根据权利要求13所述的发动机系统，其中所述催化剂和所述微粒过滤器被整合到一体外壳中，所述一体外壳具有包括所述一种或多种氧气储存材料的活化涂层。
16.根据权利要求13所述的发动机系统，其中所述催化剂包括催化剂活化涂层，
其中所述微粒过滤器包括过滤器活化涂层，以及
其中所述一种或多种氧气储存材料中的至少一部分被嵌入到所述过滤器活化涂层中，所述一种或多种氧气储存材料中的所述部分代替所述过滤器活化涂层的惰性材料的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的发动机系统，其中所述一种或多种氧气储存材料中的所述部分基本上等于所述惰性材料的被代替部分，以便不增加所述微粒过滤器的重量。
18.根据权利要求16所述的发动机系统，其中所述一种或多种氧气储存材料包括Ce-Zr，以及
其中所述惰性材料为Al2O3。
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