CN108019254B - 用于优化废气系统再生和净化的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于优化废气系统再生和净化的方法。该废气系统可包括通过废气导管由废气源供应至颗粒过滤器装置的废气流，和具有采样端的气体传感器，该采样端设置在颗粒过滤器装置上游的废气导管之内。该方法可包括检测气体传感器故障、检测颗粒过滤器装置烟灰负载、和执行优化采用至少一种常用技术的维护。常用技术为一种能够净化气体传感器并再生PF装置的技术。废气源可包括内燃机，且至少一种常用技术包括后喷射策略。还提供了用于执行所公开方法的系统。

Description

用于优化废气系统再生和净化的方法
技术领域
本发明涉及用于优化废气系统再生和净化的方法。
背景技术
在内燃机(ICE)的燃烧循环过程中，空气/燃料混合物被提供至ICE的汽缸。空气/燃料混合物被压缩和/或点燃和燃烧以提供输出转矩。在燃烧之后，ICE的活塞迫使汽缸中的废气离开排气阀出口并进入排气系统。从ICE，尤其是柴油发动机，排出的废气为包含气体排放物的不均匀混合物，例如一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物、氮氧化物(NOX)、和硫的氧化物(SOX)、以及构成颗粒状物质的凝相材料(液体和固体)。例如，液体可包括水和碳氢化合物。
废气处理系统可采用配置成用于完成后处理过程的过滤器和催化剂装置，例如减少NOX以产生更多可容忍的氮气(N2)和水(H2O)的废气成分，或者捕获颗粒状物质。废气处理系统还采用传感器，以便监测废气流内的气体浓度，和催化部件与废气过滤器的性能。气体传感器包括位于排气系统内的采样端，该采样端包括采样孔，通过该采样孔可收集气体样本。由于在废气中存在烟灰和颗粒状物质，在传感器内的这些采样孔和/或气体路径可能变得阻塞，且阻止对废气和处理系统装置的精确监测。
发明内容
根据实例性实施例的一方面，提供了一种用于优化废气系统再生和净化的方法。废气系统可包括通过废气导管由废气源供应至颗粒过滤器装置的废气流，和具有采样端的气体传感器，该采样端设置在颗粒过滤器装置上游的废气导管之内。该方法可包括检测气体传感器故障、检测颗粒过滤器装置烟灰负载、和执行优化采用至少一种常用技术的维护。常用技术为一种能够净化气体传感器并再生PF装置的技术。废气源可包括内燃机，且至少一种常用技术包括后喷射策略。废气系统可包括在气体传感器的上游设置的涡轮增压器，且颗粒过滤器可被紧密耦接至涡轮增压器。还提供了用于执行所公开方法的系统。
尽管在此的实施例中的许多关于车辆被描述，但在此的实施例通常适合用于净化在各种不相关的应用中使用的气体传感器。
从以下实例性实施例的详细说明和附图，将更容易地理解实例性实施例地其它目的、优势和新颖性特征。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的废气处理系统；
图2示出了根据一个或多个实施例的、用于优化废气系统再生和净化的方法的框图。
具体实施方式
在此描述了本发明的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅仅是实例，且其它实施例可采取各种替代形式。所述附图并不是按比例尺绘制的；一些特征可以扩大或者缩小以显示特殊部件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节并不解释为限制，其仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域技术人员将理解的是，参考任何一个附图所示并描述的各种特征可以与在一个或多个其它附图中示出的特征相组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本发明的教导相一致的特征的各种组合和修改可期望用于特殊的应用或实施方式。
通常地，本发明涉及一种用于净化气体传感器的方法，例如O2和NOx传感器。特别地，本发明涉及净化气体传感器的采样孔和接近区域，以移除废气沉积物。在一些实施例中，由内燃机(ICE)产生废气流，例如，该内燃机能够给车辆提供动力。废气沉积物可包括颗粒状物质、含碳烟灰、NOx物质、废气液体和其它与废气有密切关系的物质。如在此使用，“NOx”指代一种或多种氮氧化物。NOx物质可包括NyOx物质，其中，y>0且x>0。氮氧化物的非限制性实例可包括NO、NO2、N2O、N2O2、N2O3、N2O4和N2O5。
气体传感器通常在废气处理系统中使用。图1示出了用于处理和/或监测ICE12的废气15成分的废气处理系统10。在此描述的废气处理系统10可在各种ICE系统中实施，该ICE系统可包括，但不限于，柴油发动机系统、汽油直接喷射系统、和均质压燃发动机系统。ICE将在此被描述用于在生成用于车辆的转矩中使用，然而其它非车辆应用落在本发明的范围之内。因此，当将参考涉及车辆时，该发明应被解释为可应用于任何ICE应用。另外，ICE12通常可代表任何能够产生废气流15的装置，该废气流包括气态物质(例如，NOx，O2)、含碳物质和/或颗粒状物质，且因此在此的发明应当被解释为应用于所有的这种车辆。还应当理解的时，在此公开的实施例可被用于不包含含碳物质和/或颗粒状物质的排出物流的处理，且在这种情况下，ICE12还可通常代表任何能够产生包括这种物质的排出物流的装置。例如，ICE12可包括附接至曲轴(未示出)的多个往复活塞(未示出)，该往复活塞可被可操作地附接至传动系，例如车辆传动系(未示出)，以将牵引转矩传输至传动系。例如，ICE12可为任何发动机配置或应用，包括各种车辆应用(例如，汽车、海运等)，以及各种非车辆应用(例如，泵、发电机等)。
废气处理系统10通常包括一个或多个废气导管14，以及一个或多个排气处理装置。可包括几个区段的废气导管14将废气15从ICE12传输至废气处理系统10的各种排气处理装置。在一些实例性实施例中，废气15可包括NOx物质。
在如所示的实施例中，废气处理系统10装置包括抗氧化催化剂(OC)装置26，和颗粒过滤器装置(PF)装置30。示出的实施例提供了具有OC装置26的位于共同壳体中的PF装置30，然而该实施例是可选的，且提供用于OC装置26和PF装置30的分离壳体的实施例是可实行的并涉及本发明。OC装置26和PF装置30可以位于涡轮增压器20的下游。另外，在一些实施例中，PF装置30可被设置在OC装置26的上游。如可被理解的是，本发明的废气处理系统10可包括在图1中示出的排气处理装置中的一个或多个，和/或其它排气处理装置(未示出)的各种组合，且并不限制于本实例。例如，废气处理系统10可以可选地包括选择性催化还原(SCR)装置(未示出)、吸收性颗粒的流过容器(未示出)、电加热催化剂(EHC)装置(未示出)、和它们的组合。废气处理系统10还可包括经由多干传感器可操作地连接的控制模块50，以监测发动机12和/或废气处理系统10。
控制模块50可操作地连接至发动机12和/或各种废气处理系统10部件。如在此所使用，术语模块指代专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)和执行一个或多个软件和固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其它合适部件。控制模块50还可以可操作地连接至以上描述的可选的排气处理装置。图1示出了与两个位于废气导管14中的温度传感器52和54相通信的控制模块50。第一温度传感器52位于OC装置26和PF装置30的上游，且第二温度传感器54位于OC装置26和PF装置30的下游。温度传感器52和54发送电信号至控制模块50，它们每个指示废气导管14中具体位置处的温度。控制模块50还与两个气体传感器60和62相通信，该两个气体传感器与废气导管14相流体连通。具体地，第一上游气体传感器60位于ICE12的下游和OC装置26和PF装置30的上游，以检测一个或多个气体物质浓度水平。第二下游NOx传感器62位于OC装置26和PF装置30的下游，以检测废气导管14中具体位置处的一个或多个气体物质浓度水平。
气体传感器60和62可被用于监测废气15的气体成分和/或监测各种排气处理装置的性能。气体传感器60和62可包括NOx传感器，O2传感器等。气体传感器60和62包括在废气导管14之内设置的采样端，以使得每个能够接触到废气15。气体传感器60和62能够可选地包括位于废气导管14外部的第二端。气体传感器采样端包括一个或多个采样孔，通过该采样孔气体样本(例如，废气15)可被收集，和/或由内部感测元件来分析。其中，气体传感器60和62可被操作性地连接至控制模块50，其可被配置成用于完成根据在此描述的控制方法和策略的废气15内的控制。
例如，OC装置26可包括流过金属或陶瓷整块基底，其可封装在不锈钢壳体或罐中，该不锈钢壳体或罐具有与废气导管14相流体连通的入口和出口。该基底可包括在其上设置的氧化催化剂化合物。氧化催化剂化合物可使用为基面涂层，且可包含铂系金属，例如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)或其它金属氧化催化剂，例如(perovksites)，或它们的组合。OC装置被用于处理未燃烧气体和不挥发未燃烧碳氢化合物和CO，其可被氧化以形成二氧化碳和水。在一些实施例中，OC装置，例如柴油机氧化催化剂(DOC)装置，能够位于SCR装置的上游，以将NO转化未NO2，用于SCR中的优先处理。
PF装置30可设置在OC装置26的下游，如所示，或者可设置在SCR装置26的上游。仅仅例如，PF装置30可包括柴油机颗粒过滤器(DPF)。PF装置30操作以过滤碳、烟灰和其它颗粒的废气15。PF装置30包括过滤器23。在一些实施例中，PF装置30能够使用陶瓷或SiC壁流动整个过滤器23被构造，其被封装在例如由不锈钢构造的壳体或罐中，且该壳体或罐具有与废气导管14相流体连通的入口和出口。理解的是，陶瓷或SiC壁流动整个过滤器在本质上仅仅是实例性的，且PF装置30可包括其它过滤器装置，例如，散装的和缠绕的纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属纤维等。陶瓷或SiC壁流动整个过滤器23可具有由纵向延伸壁限定的多个纵向延伸通道。通道包括入口通道的子集，该入口通道具有打开入口端和闭合出口端；以及出口通道的子集，该出口通道具有闭合入口端和打开出口端。通过入口通道的入口端进入过滤器23的废气15被迫使迁移通过相邻纵向延伸壁至出口通道。这是通过该壁流动机构，则废气15被过滤出碳和其它颗粒。过滤的颗粒沉积在入口通道的纵向延伸壁上，且随着时间的推移，将具有影响：增加了IC发动机12所遭受的废气15背压。
在废气处理系统10的操作过程中，废气15物质可积聚在气体传感器62和/或60采样端上，并堵塞或部分地堵塞位于该采样端上的一个或多个采样孔。因此，废气15的精确采样和/或气体传感器60和62的响应时间被延迟或阻止。
施加热量至废气沉积物能够引起沉积物一个或多个燃烧，且从基底移动，例如气体传感器60采样端。通常，将含碳废气沉积物的温度加热至至少约600℃至约650℃能够引发烟灰燃烧。烟灰燃烧可将含碳固体转化成气体，例如二氧化碳，例如，或者实现烟灰或积聚的沉积物中的化学或物理变化，以使得沉积物从传感器脱离。为了本发明的目的，气体传感器净化包括将废气15的温度升至至少500℃、至少525℃、或至少550℃，其中，在气体传感器处测量温度。在气体系统包括涡轮增压器处，气体传感器净化包括将废气15的温度升至至少500℃、至少525℃、或至少550℃，其中，在涡轮增压器20出口21处测量温度。
可以通过如本领域中已知的各种方法来完成废气15温度的上升。通过后喷射策略能够上升废气15温度，和/或通过使用接近于传感器的加热元件。例如，加热元件可包括电热塞。后喷射策略为正常ICE喷射策略的修改。在ICE，例如ICE12，的操作过程中，ICE的一个或多个活塞在一个或多个相应的汽缸内执行四个冲程：进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程、和排气冲程。在进气冲程过程中，活塞开始于上止点(TDC)并结束于下止点(BDC)。汽缸进气阀实现打开位置，以允许活塞通过由其向下移动而产生的真空压力至汽缸中而将空气-燃料混合物拉进汽缸中。后续的压缩冲程开始于BDC并结束于TDC。在汽缸进气阀和排气阀关闭时，活塞将空气-燃料混合物压缩到为点燃做好准备。在后续的燃烧冲程过程中，活塞位于TDC且被压缩的空气-燃料混合物由火花塞(在汽油发动机中)点燃，或者通过在压缩冲程过程中实现的压缩(柴油发动机)来点燃。在点燃空气-燃料混合物之后，燃烧力使得活塞完全地返回至BDC，并将机械功转移至相关联的曲轴。在后续的排气冲程过程中，在处于打开位置的排气阀下，活塞从BDC返回至TDC，以便将用过的空气-燃料混合物推进废气系统中，例如废气处理系统10。后喷射策略包括：在进气冲程过程中，在空气-燃料混合物被引进汽缸之后，将燃料喷射进发动机汽缸中。后喷射在燃烧冲程过程中，在排气冲程过程排气阀打开之前，并在第一空气-燃料混合物已经燃烧或者正在燃烧之后发生。更具体地，在活塞充分地在TDC附近时发生后喷射，以使得后喷射的燃料能够在汽缸之内大致地或完全地燃烧。通过将附加的燃料引进汽缸中，后喷射因此将从汽缸排出的废气的温度升高。
采用后喷射策略来净化传感器可包括运行后喷射策略一持续时间。取决于由后喷射策略获取的废气温度，和积聚在传感器上的沉积物的量将改变这种持续时间。在一些实施例中，通过运行后喷射策略约一分钟来净化传感器。在一些实施例中，通过运行后喷射策略长于一分钟来净化传感器。
随着时间的推移，过滤器装置，例如PF装置30，能够类似地积聚颗粒状物质且必须再生。例如，颗粒物质的积聚能够降低PF装置30的效率并增加ICE12上的背压。再生通常牵涉PF装置30中的积聚的颗粒状物质的氧化或燃烧。例如，在再生过程中，含碳烟灰颗粒可被氧化以生成气体二氧化碳。例如，当PF装置30已经积聚一确定量的颗粒状物质时，可以实施一个或多个再生技术。例如，可基于PF装置30的重量、百分比容量，或基于其它因素来设置颗粒状物质的预定量。一个或多个再生技术可在随机时刻、或者在规定的间隔中实施。例如，PF装置30再生策略可由控制模块50来实施。
在一些情况下，再生包括增加废气15的温度。通过若干方法能够实现增加废气15温度，例如，调节发动机校准参数以实施如以上所描述的后喷射，调节发动机校准参数以实施后喷射策略，采用了可选的EHC装置和它们的组合。通常，例如，一个或多个再生策略被用于再生PF装置30，且这种策略可通过模块50来实施和/或优化。应理解的是，以上再生技术仅仅是示意性的，且并不意味着排除其它附加的或替代的再生技术。
后喷射策略将燃料引进至废气处理系统10以使得燃料燃烧和/或与系统10的催化剂部分相反应，并增加废气15的温度。具体地，后喷射策略包括：在进气冲程过程中，在空气-燃料混合物被引进汽缸之后，将燃料喷射进发动机汽缸中。在燃烧冲程和/或排气冲程过程中发生后喷射，而且排气阀为打开或仅仅在排气阀打开之前。更具体地，当活塞离TDC足够远和/或在第一空气-燃料混合物已经燃烧之后发生后喷射，以使得后喷射燃料并未在汽缸之内燃烧。后喷射燃料在排气冲程过程中从汽缸未燃烧地被排出，并被引进至废气系统。当后喷射燃料接触到OC装置26时，在燃料的氧化过程中释放的热量被给予废气处理系统10，以净化一些或所有积聚的颗粒状物质的PF装置30。
已经确定的是，采用后喷射策略和EHC装置中的中的一个或多个对气体传感器具有极少的未净化效果，特别是位于在这种再生技术中采用的DOC装置和EHC装置的上游的气体传感器。然而，已经发现的是，后喷射再生技术对气体传感器和PF装置净化/再生均有效。因此，在此提供的是用于优化PF装置再生和气体传感器净化的方法。
图2示出了用于优化废气系统再生和净化的方法100，该方法包括检测110传感器故障，检测120PF装置烟灰负载，以及执行130优化维护。废气系统它通常包括废气源，该废气源经由废气导管提供废气流至一个或多个废气处理装置，以及设置在废气导管或一个或多个废气处理装置之内的至少一个气体传感器。至少一个气体传感器可包括氧气传感器、或NOx传感器。如以上所描述，废气源可包括ICE。一个或多个废气处理装置可包括PF装置、和在PF装置上游设置的OC装置。废气系统可包括涡轮增压器，该涡轮增压器设置在一个或多个废气处理装置的上游。一个或多个处理装置可被紧密耦接至涡轮增压器。紧密耦接的处理装置可位于发动机涡轮增压器出口的1米之内，例如，其中，该距离基于废气导管的直线长度被测量。至少一个气体传感器可设置在涡轮增压器的下游，并设置在PF装置的上游。气体传感器可设置在OC装置的上游。废气系统可包括在OC装置的下游设置的第二气体传感器。例如，废气系统可包括系统10。
关于方法100，在检测110和检测120上未施加顺序；每个功能可同时地发生和/或在另外一个之后发生。检测110传感器故障可包括气体传感器地不充分性能。不充分性能可包括相对于先前响应时间的减小的响应时间，和/或可接受的阈值之上的响应时间。例如，气体传感器提供每秒一次响应、2秒以上的响应时间、或者2.25秒以上，可被视作不可接受的。响应时间可被限定为在两次连续测量之间测得的时间量。响应时间可由模块来测量，例如模块50，随着时间在当从气体传感器的两次连续传输被模块接收到时之间的消逝。
检测120PF装置烟灰负载可包括检测在PF装置中积聚的烟灰的大于可接受阈值的量。例如，阈值可被限定为在PF装置中积聚的以重量为单位的烟灰，和/或积聚的沉积物的厚度。附加地或替代地，阈值可被限定为通过PF装置地最大压降，其中，增加的压降表面增加的烟灰负载。附加地或替代地，还原剂沉积物的阈值水平可经由理论或经验烟灰负载模拟被预定，其通过使用来自废气系统的当前过程变量来实施。
执行130优化的维护可包括使用至少一个常用技术来同时净化气体传感器和再生PF装置。常用技术为一种能够净化气体传感器并再生PF装置的技术。通过实施后喷射策略、使用接近于传感器的加热元件、和它们的组合可净化气体传感器。通过实施后喷射策略、实施喷射后策略、采用可选的EHC装置、和它们的组合可再生PF装置。因此，实施后喷射策略包括常用技术。在废气系统包括在OC装置的下游设置的气体传感器中，喷射后策略可包括常用技术。方法100可包括实施多个常用技术，例如喷射后策略和后喷射策略。
除了采用至少一个常用技术之外，执行130优化的维护还可包括执行第二气体传感器净化技术。第二气体传感器净化技术可包括致动接近于传感器的加热元件。第二气体传感器净化技术可在以下情况被使用：常用技术足以再生PF装置，但气体传感器需要进一步净化。在第二气体传感器净化技术被采用中，使用指定查找表可优化净化例程，其采用气体传感器上的沉积物积聚以及发动机操作状态和废气系统状态中的一个或多个，以便规定目标净化温度和/或持续时间。
除了采用至少一个常用技术之外，执行130优化的维护还可包括执行一个或多个PF装置再生技术。第二PF装置再生技术可包括采用喷射后策略、或着采用与PF装置集成的或接近于PF装置的EHC装置。第二PF装置再生技术可被用于常用技术足以净化气体传感器，但PF装置需要进一步再生。
尽管以上描述了实例性实施例，并不意于这些实施例描述了由权利要求涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词汇是描述性而非限定性词汇，且理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种变化。如先前所描述，各种实施例的特征可被组合以形成本发明的未明确描述或示出的其它实施例。尽管各种实施例已经被描述为提供优势或关于一个或多个期望的特征与其它实施例或现有技术实施例相比为优选地，本领域技术人员将意识到，一个或多个特点或特征可被折衷以实现期望的整体系统属性，这取决于具体说明和实施方式。这些属性可包括但并不限制于成本、强度、耐久性、生命周期成本、适销性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、组装简易性等。由此，关于一个或多个特征所描述的与其它实施例或现有技术实施方式相比不太期望的实施例并不位于本发明的范围之外，且可期望用于特殊的应用。

Claims (10)

1.一种用于净化在废气系统中使用的气体传感器的方法，所述废气系统可包括通过废气导管由废气源供应至颗粒过滤器装置的废气流，和具有采样端的气体传感器，所述采样端设置在所述颗粒过滤器装置上游的所述废气导管之内，所述方法包括：
检测气体传感器故障；
检测颗粒过滤器装置烟灰负载在可接受阈值之上；以及
执行采用第一常用技术的优化维护以净化气体传感器和再生颗粒过滤器装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述废气系统还包括在所述气体传感器上游设置的涡轮增压器。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括对气体传感器执行第二气体传感器净化技术。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，针对气体传感器的所述第二气体传感器净化技术通过使用查找表被优化，其采用所述气体传感器上的沉积物积聚以及发动机操作状态和废气系统状态中的一个或多个，以便规定净化温度和净化持续时间中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括对颗粒过滤器执行第二颗粒过滤器装置再生技术。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述废气系统包括设置在所述颗粒过滤器装置上游的氧化催化剂装置和在所述颗粒过滤器装置与所述氧化催化剂装置之间设置的第二气体传感器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述废气源包括内燃机，且所述第一常用技术包括后喷射策略和喷射后策略中的一个或多个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，检测气体传感器故障包括检测气体传感器位于阈值之上的响应时间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，检测颗粒过滤器装置烟灰负载包括使用烟灰负载模型来检测烟灰的积聚量和/或检测通过所述颗粒过滤器装置的位于阈值之上的压降。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述废气源为配置成用于给车辆提供动力的内燃机。
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