CN106481417B - 柴油机排气后处理系统的调节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于调节具有柴油微粒过滤器(DPF)的排气后处理(AT)系统的方法，所述柴油微粒过滤器与柴油发动机流体连通。所述方法包括：检测柴油发动机的运行，在运行期间，发动机生成导入所述DPF中的微粒物质(PM)的流速。所述方法还包括：响应于导入DPF中的PM的流速，检测离开DPF的PM的流速。所述方法还包括：随着所预测的PM流速，跟踪所检测的流速，用于其监控和比较。所述方法还包括：如果所检测的流速已发生下降，则适时暂停对所预测的流速的跟踪。此外，所述方法包括：当所检测的流速回到所述下降之前的值时，重新开始跟踪所预测的流速，并且采用该值调节AT系统的运行。

Description

柴油机排气后处理系统的调节
技术领域
本发明涉及用于调节具有柴油微粒过滤器(DPF)的排气后处理(AT)的系统和方法。
背景技术
多种排气后处理装置已经开发用于有效地限制内燃机的排气排放。用于现代柴油发动机排气的后处理系统典型地包括柴油微粒过滤器(DPF)，所述微粒过滤器用于在将排气排至大气之前收集和处理柴油发动机排出的烟灰性微粒物质。
通常，DPF作为收集器，用于从排气流中移除微粒物质。典型的DPF含有贵金属，诸如铂和/或钯，所述贵金属作为催化剂以进一步地氧化排气流中存在的烟灰和烃类。使用过热的排气气体来燃烧掉收集的微粒，可再生或清洁DPF。DPF的效率典型地通过微粒物质传感器来评估，所述微粒物质传感器配置为检测能够通过DPF的微粒物质的量。
发明内容
本发明公开了一种用于调节具有柴油微粒过滤器(DPF)的排气后处理(AT)系统的方法，所述柴油微粒过滤器经由排气系统与柴油发动机流体连通。所述方法包括：检测柴油发动机的运行，在运行期间，发动机生成微粒物质(PM)的流速，微粒物质经由排气系统导入DPF中。所述方法还包括：响应于导入DPF的微粒物质的流速，经由PM传感器检测离开DPF的微粒物质的流速。所述方法还包括：经由PM传感器将信号传递至控制器，所述信号指示所检测的离开DPF的微粒物质的流速。
所述方法还包括：随着所预测的微粒物质流速，跟踪所检测的离开DPF的微粒物质的流速，用于其监控和比较。所述方法还包括：如果所检测的离开DPF的微粒物质的流速已发生下降，则适时暂停对所预测的微粒物质流速的跟踪。所述方法还包括：当所检测的离开DPF的微粒物质的流速回到下降之前的值时，重新开始跟踪所预测的微粒物质流速。此外，所述方法包括：当所检测的流速回到下降之前的值时，采用所检测的离开DPF的微粒物质的流速来调节AT系统的运行。
所述方法还可包括：将所检测的离开DPF的微粒物质的流速与微粒物质流速阈值比较，并且如果与所检测的流速适时相对应的所预测的微粒物质流速小于微粒物质流速阈值，则采用所检测的离开DPF的微粒物质的流速调节AT系统的运行。
所述方法还可包括：当所检测的离开DPF的微粒物质的流速大于微粒物质流速阈值时，设定指示DPF已经失效的信号。
根据本发明，指示DPF已经失效的信号可以是故障指示灯(MIL)和配置为由授权访问检索的电子代码中的一者。
所预测的微粒物质流速可以是发动机在特定条件下运行的时间的函数。
所预测的微粒物质流速可以作为发动机在特定条件下运行的时间的函数，连续增加至流速阈值。
微粒物质流速阈值可对应于由PM传感器传递的在10-14微安(μA)频带上的信号。
本发明还提供了用于调节具有柴油微粒过滤器(DPF)的柴油发动机AT系统的系统，以及使用这种系统的车辆。
结合附图和所附权利要求，上述本发明的特征和优点以及其它特征和优点将从下文的用于实施所述发明的实施例和最佳模式的详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是具有连接至排气系统的柴油发动机的车辆的示意图，所述排气系统具有用于降低排气排放的后处理(AT)系统，包括柴油微粒过滤器(DPF)和微粒物质(PM)传感器。
图2是根据一种情形的所预测的微粒物质流速叠加由PM传感器检测并传递的离开DPF的微粒物质的流速的曲线图。
图3是根据另一种情形的所预测的微粒物质流速叠加由PM传感器检测并传递的离开DPF的微粒物质的流速的曲线图。
图4是调节图1中所示AT系统的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中在多个附图中，相同的附图标记指代相同的部件，图1示例性地描述了机动车辆10。车辆10包括压缩点火或柴油内燃式发动机12，发动机12配置为通过从动轮14推进车辆。当特定量的外界空气流16与从燃料罐20供应的计量量的柴油燃料18混合，并且生成的空气-燃料混合物在发动机的气缸(未示出)中受到压缩时，在柴油发动机12中发生内燃。
如图所示，发动机12包括排气歧管22和涡轮增压器24。涡轮增压器24由排气流26提供能量，排气流由发动机12的各个气缸随着每一次燃烧事件通过排气歧管22排放。涡轮增压器24连接至排气系统28，该排气系统接收排气流26，并且最终通常在车辆10的侧边或尾端将气流排至大气。尽管发动机12描绘成具有附接至发动机结构的排气歧管22，发动机可包括排气通道(未示出)，诸如通常形成在排气歧管内。在这样的情况下，上述通道可包含在发动机结构中，诸如发动机的气缸盖。此外，尽管示出了涡轮增压器24，但是绝不排除发动机12在没有这种动力强化装置下配置并运行。
车辆10还包括柴油发动机后处理(AT)系统30。AT系统30包括多个排气后处理装置，所述多个排气后处理装置配置成有系统地从排气流26中移除微粒物质(PM)或烟灰，即主要为含碳的副产物，以及发动机燃烧的排放组分。如图所示，AT系统30作为排气系统28的一部分运行，并且包括柴油氧化催化剂(DOC)32。DOC 32的主要功能是还原一氧化碳(CO)和非甲烷烃类(NMHC)。另外，DOC 32配置成产生二氧化氮(NO2)，二氧化氮是布置在DOC 32下游的选择性催化还原(SCR)催化剂34所需要的。DOC 32典型地含有由贵金属制成的催化剂物质，诸如铂和/或钯，它们在其中作用，以实现上述目的。通常，随着NO2的生成，DOC 32变得活化，并且在高温下达到工作效率。因此，如图1所示，为了在气体到达DOC之前减少来自排气流26的热能的损失，DOC 32可紧密联接至涡轮增压器24，
另一方面，在由DOC产生的NO2的帮助下，SCR催化剂34配置成将NOX转化为双原子的氮气(N2)和水(H2O)。当在柴油发动机中使用还原剂时，SCR转换过程还需要控制量或计量量的具有通用名称“柴油-排气-流体”(DEF)的还原剂36。DEF 36可以是尿素的水溶液，其包括水和氨(NH3)。DEF 36在AT系统30内位于DOC 32下游和SCR催化剂34上游的位置，从容器37注入至排气流26中。因此，DEF 36在排气流26流经SCR催化剂时进入SCR催化剂34。SCR催化剂34的内表面包括封闭底漆，起到吸引DEF 36的作用，使得DEF可在NO和NO2存在的情况下与排气流26相互作用，并产生化学作用、以减少来自发动机12的NOx的排放。
在SCR催化剂34之后，排气流26行进至第二柴油氧化催化剂(DOC)38，该第二柴油氧化催化剂成纵列布置并且位于柴油微粒过滤器(DPF)40的上游。DOC 38和DPF 40可安装在单个筒罐42中，如图1所示。DOC 38配置成将排气流26中存在的烃类和一氧化碳氧化为二氧化碳(CO2)和水。DPF 40配置成在排气流26排放至大气之前，收集并处理发动机12排出的微粒物质。因此，DPF 40作为收集器，用于从排气流26中移除微粒物质，特别是烟灰。与上述的DOC 32类似，DOC 38和DPF 40中的每一个典型地含有贵金属，诸如铂和/或钯，贵金属在主体装置中用作催化剂以实现它们各自的目的。在经过了筒罐42中的DOC 38和DPF 40之后，排气流26认为是充分除去了有害的微粒物质并且可随后允许离开排气系统28进入大气中。
AT系统30还可包括多个温度探针44、45、46、47和48，它们配置成在发动机12下游的不同点感测排气流26的温度。AT系统30还包括控制器50。根据本发明，控制器50配置成调节发动机12的运行，以及排气后处理装置的运行，也就是DOC 32、SCR催化剂34、DOC 38和DPF 40的运行。为了方便对AT系统30的调节，温度探针44、45、46、47和48中的每一个都与控制器50电连接。
控制器50可配置作为中央处理器(CPU)，其配置为调节内燃发动机12(如图1中所示)、混合动力传动系统(未示出)、或者其它可替代类型的动力装置、以及其它车辆系统、或者专用控制器的运行。为了适当地控制AT系统30的运行，控制器50包括存储器，所述存储器中的至少一些是有形的和非瞬时的。存储器可以是参与提供计算机可读数据或者过程指令的任何可记录介质。这样的介质可采用多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器50的非易失性介质可包括例如光盘或磁盘以及其它永久性存储器。易失性介质可包括，例如动态随机存取存储器(DRAM)，其可构成主存储器。这样的指令可通过一个或多个传输介质来传输，传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括那些包含耦接到计算机处理器的系统总线的线缆。控制器50的存储器还可包括闪存盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、CD-ROM、DVD、以及任何其它的光学介质等。控制器50可配置成或装配有其它所需的计算机硬件，诸如高速时钟、必要的模-数(A/D)和/或数-模(D/A)电路、任何必要的输入/输出电路和装置(I/O)、以及适当的信号调制和/或缓冲电路。控制器50所需的或者可通过其访问的任何算法可存储在存储器中并且自动地执行从而提供需要的功能。
在发动机12的运行期间，由发动机12排放的烃类时常可沉积在DPF 40上，并从而影响AT系统30的工作效率。因此，DPF 40必须在其上累积某个特定量的碳基烟灰之后进行再生或清洁以燃尽所收集的颗粒。例如，在特定质量流的空气已由发动机消耗用于燃烧一段时间之后，可开始排气后处理装置的再生。通常，可以使用高温排气流来实现此种再生以燃尽所累积的颗粒。DPF 40可通过将燃料18直接注入到DPF的排气流上游，然后使所注入的燃料在适当情况下点燃，而进行再生。随着时间推移，DPF 40结构的降解可导致过量的烟灰泄漏通过装置。
AT系统30还包括诸如HC注入器52的特定装置，其配置为选择性地将预定量的柴油燃料18注入到跟随SCR催化剂34和DOC 38上游的排气流26。采用柴油燃料18的这种注入来使排气流过热并执行AT系统30的再生，尤其是DPF 40的再生。当认为适当时，控制器50可例如通过传递适当的控制信号调节HC注入器52的操作以开始或触发AT系统30的再生。
车辆10还包括系统54，系统54配置为调节AT系统30的操作，且尤其配置为评估DPF40的效率。系统54包括DPF 40和控制器50，并且还可包括DOC 38。系统54还包括定位在DPF40下游的微粒物质(PM)传感器56。当DPF 40过滤由发动机12排放且由排气流26携带的微粒物质时，PM传感器56配置为检测继主体过滤之后离开DPF的微粒物质的流速62。PM传感器56也配置为向控制器50传递在0-50微安(μA)的范围内指示所检测的流速62的信号。PM传感器56可通过在传感器的电极(未示出)上收集烟灰来检测流出DPF 40的微粒物质。因为烟灰通常是电流的导体，所以沉积在PM传感器的电极上的烟灰越多，发射电流越高。因此，沉积在传感器电极上的大烟灰薄片在片刻之后仅由排气流26带走，可在PM传感器56电流输出中产生尖峰，从而负面影响PM传感器56的检测精确度和灵敏度。系统54配置为使PM传感器56的这类检测精确度和灵敏度的影响最小化以可靠且一致地评估DPF 40的有效性。
作为系统54操作的一部分，控制器50配置为监控在任何特定的时间长度内发动机12已承受的加载类型。控制器50也可配置为从PM传感器56接收指示所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62的信号，并将所检测的流速62与所预测的微粒物质流速64比较。所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62与所预测的微粒物质流速64的比较的发生可作为随着所预测的微粒物质流速跟踪所检测的流速的部分，即，同时或与之并行监控。
所预测的微粒物质流速64可对应于发动机12已运行的特定时间量以及在该时间长度内发动机已承受的加载类型，即运行条件。更具体地说，所预测的微粒物质流速64可以是以经验证实的微粒物质的流速，该流速应由PM传感器56在继发动机上加载特定量和/或超过特定持续时间之后检测到。在发动机12上的加载可通过确认由发动机在特定持续时间后使用的燃料量来确定在可接受的(即，实际的)精确度内。另外，发动机12的适当运行条件可包括更多的通用状况，其中离开发动机的排气流26的温度和流速都大于各自的预定最小值。在发动机12的运行期间，在PM传感器56的电流输出中的波动可识别为在所预测的微粒物质流速64之外。
在AT系统30的测试和验证期间，所预测的微粒物质流速64的参考数据可凭经验进行编辑。例如，具有证实的允许烟灰泄露的实验性DPF可以用来模拟作为时间函数的所预测的微粒物质流速64，且主体流速随后可编程到控制器50中。更具体地说，所预测的微粒物质流速64可绘制为期望的微粒物质流动趋势线(在图2中所示)，表达为在可识别的发动机运行处作为时间长度的函数且由PM传感器56传递的电流。用于建立所预测的微粒物质流速64的趋势线的参考数据可制成表以便编程到控制器50。
众所周知的故障DPF单元(诸如其中具有特定的尺寸违背)也可用来模拟经过DPF40的烟灰的过多通道或泄露以设定微粒物质流速阈值66，以便随后编程到控制器50中。如图2和图3中所示，所预测的微粒物质流速64为连续上升至微粒物质流速阈值66的理论曲线或趋势线，作为发动机随时间运行的函数。作为系统54的运行的一部分，控制器50还配置为将所检测的流速62与微粒物质流速阈值66比较。控制器50还可配置为将所检测的离开DPF40的微粒物质的流速62与微粒物质流速阈值66比较。微粒物质流速阈值66可对应于由PM传感器56在10-14μA频带中生成并传递至控制器50的信号。
如图2中所示，如果所检测的离开DPF的微粒物质的流速62已经发生下降或衰减，控制器50还配置为在时间间隔68之后适时暂停对所预测的微粒物质流速64的跟踪。换言之，一旦所检测的离开DPF的微粒物质的流速62不再跟随所预测的微粒物质流速64的逐渐上升的趋势线，控制器50锁存到在图2中数字70所指的PM传感器56电流值。值70刚好在其检测到下降之前可识别为时间上逐步与所检测的流速62对应的所预测的微粒物质流速64的值。此外，当检测到的流速62回到刚好在主体下降之前识别的所检测的流速62的值，控制器50重新开始随着所检测的流速62跟踪所预测的微粒物质流速64。在图2中，冻结的所预测的流速由数字64A指示且重新开始的所预测的流速由数字64B指示。一旦所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62回到刚好在下降之前识别的值70，控制器50能够再次使用所预测的流速62调节AT系统30的运行。具体地说，如果适时对应于所检测的流速(即，在与所检测的流速相同的时刻)的所预测的微粒物质流速64小于微粒物质流速阈值66，控制器50可使用所预测的流速62调节AT系统30的运行。
如图1和3中所示，如果所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62超过(即大于)微粒物质流速阈值66，控制器50还可配置为设定信号72，该信号72识别DPF 40出现故障或已经失效。这种评估通常表明DPF 40已经降解且目前不能除去必要量的微粒物质。控制器50可配置为执行这种评估和设定经由HC注入器52调节性注入柴油燃料18之后的信号72，从而燃尽在DPF 40上所收集的微粒物质。经由故障指示灯(MIL)和/或嵌入到控制器50的存储器中的电子故障代码可生成信号72，以便由授权实体进行后续检索。在发动机12已经运行任何时间长度之后，识别DPF 40出现故障或者已经失效的信号72可以通过控制器50来设定。为此目的，控制器50可包括内部计时器(未示出)，内部计时器配置为评估多少时间已经逝去。
图4描绘了如以上根据图1-3所描述的用于评估在AT系统30中的DPF 40效率而控制柴油发动机12的方法80。该方法在框82中启动，其中其包括：经由控制器50检测发动机12的运行，在运行期间，发动机生成经由排气系统导入DPF 40中的微粒物质的流速。在框82之后，该方法前进至框84，其中该方法包括：响应于经由排气流26导入DPF中的微粒物质的流速，经由PM传感器56检测离开DPF 40的微粒物质的流速62。
在框84之后，该方法前进至框86，其中该方法包括：经由PM传感器56将信号传递至控制器50，该信号指示所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62。在框86之后，方法前进至框88并包括：随着所预测的微粒物质流速64，跟踪所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62，如以上根据图1-2所描述的。在框88之后，如果所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62继续与所预测的流速64基本上并行增加或者已发生急剧增加或尖峰，该方法前进至框90，其中控制器50将继续随着所预测的微粒物质流速64跟踪所检测的流速62。
如果，另一方面，在框88中，所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62已发生下降，该方法前进至框92并包括在时间间隔68经由控制器50暂停对所预测的微粒物质流速64的跟踪。如果在框92中，所预测的微粒物质流速64的跟踪被冻结，该方法可从框92移动至框94，其中当所检测的流速62最后回到在下降开始之前所检测的值70，该方法将包括重新开始跟踪所预测的微粒物质流速64。在所检测的流速62回到下降之前的值70之后，该方法从框94前进至框96，其中它将包括采用所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62，经由控制器50调节AT系统30的运行。在框86-94中的任何一个之后，为了经由控制器50将所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62与微粒物质流速阈值66比较，该方法可前进至框96。
在框96之后，如果适时对应的所预测的微粒物质流速64小于微粒物质流速阈值66，该方法可继续至框98，其中它包括使用所检测的流速62来调节AT系统30的运行。另一方面，如果所检测的离开DPF 40的微粒物质的流速62在框96中已确定为大于微粒物质流速阈值66，该方法可前进至框100以设定指示DPF 40已经失效的信号72。在框88-98中的任何一个之后，该方法可循环回到框82。相应地，控制器50可编程以连续地监控发动机12、AT系统30和用于DPF 40的效率评估的系统54的运行。
详细说明书和附图或图表用于支持和描述本发明，但本发明的范围仅仅由权利要求限定。尽管已经详细地描述了用于执行所要求保护的本发明的最佳模式和其它实施例，但存在多种替代设计和实施例用于实践所附权利要求书中定义的发明。此外，附图中示出的实施例或本说明书中提及的多个实施例的特征不必理解为彼此独立的实施例。相反，可能的是，在实施例的其中一个示例中描述的每个特征均可以与来自其它实施例的一个或多个其它期望的特征进行组合，从而产生并未用文字或参照附图进行描述的其它实施例。相应地，这些其它实施例落在所附权利要求书的范围的构架内。

Claims (10)

1.一种调节具有柴油微粒过滤器DPF的排气后处理AT系统的方法，所述柴油微粒过滤器经由排气系统与柴油发动机流体连通，
其特征在于，所述方法包括：
经由控制器检测所述柴油发动机的运行，在所述运行期间，所述柴油发动机生成微粒物质的流速，所述微粒物质经由所述排气系统导入所述DPF中；
响应于导入所述DPF中的微粒物质的所述流速，经由微粒物质PM传感器检测离开所述DPF的微粒物质的流速；
经由所述PM传感器将信号传递至所述控制器，所述信号指示所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速；
随着所预测的微粒物质流速，经由所述控制器来跟踪所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速；
如果所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速已发生下降，则适时暂停对所预测的微粒物质流速的所述跟踪；
当所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速回到所述下降之前的值时，重新开始对所预测的微粒物质流速的所述跟踪；以及
当所检测的流速回到所述下降之前的值时，采用所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速，经由所述控制器来调节所述AT系统的运行。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：经由所述控制器将所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速与微粒物质流速阈值比较；并且如果与所检测的流速适时相对应的所述预测的微粒物质流速小于所述微粒物质流速阈值，则采用所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速来调节所述AT系统的运行。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括：当所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速大于所述微粒物质流速阈值时，设定指示所述DPF已经失效的信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，指示所述DPF已经失效的所述信号是故障指示灯(MIL)和配置为由授权访问检索的电子代码中的一者。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所预测的微粒物质流速是所述发动机在特定条件下运行的时间的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所预测的微粒物质流速能够作为所述发动机在特定条件下运行的时间的函数，连续增加至所述流速阈值。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述微粒物质流速阈值对应于由所述PM传感器传递的在10-14微安(μA)频带上的信号。
8.一种用于调节具有柴油微粒过滤器DPF的排气后处理AT系统的系统，所述柴油微粒过滤器与柴油发动机流体连通，
其特征在于，所述系统包括：
排气系统，所述排气系统提供所述柴油发动机与所述DPF之间的流体连通；
微粒物质PM传感器，所述微粒物质传感器定位在所述DPF的下游并且配置为检测离开所述DPF的微粒物质的流速以及传递信号，所述信号指示所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速；
装置，所述装置配置为将柴油燃料注入所述排气系统中；以及
控制器，所述控制器配置为：
检测所述柴油发动机的运行，在所述运行期间，所述发动机生成微粒物质的流速，所述微粒物质经由所述排气系统导入所述DPF中；
响应于导入所述DPF中的微粒物质的所述流速，从所述PM传感器接收信号，所述信号指示所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速；
随着所预测的微粒物质流速，跟踪所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速；
如果所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速已发生下降，则适时暂停对所预测的微粒物质流速的跟踪；
当所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速回到所述下降之前的值时，重新开始跟踪所预测的微粒物质流速；以及
当所检测的流速回到所述下降之前的值时，采用所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速来调节所述AT系统的运行。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器还配置为：
将所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速与微粒物质流速阈值比较；以及
如果与所检测的流速适时相对应的所预测的微粒物质流速小于所述微粒物质流速阈值，则采用所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速调节所述AT系统的运行。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还配置为：当所检测的离开所述DPF的微粒物质的流速大于所述微粒物质流速阈值时，设定指示所述DPF已经失效的信号。
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