CN110552765A - 控制排气后处理系统的过滤器的过滤效率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制过滤器的过滤效率的方法，该过滤器包括流入区域和流出区域之间的过滤区域(102)。确定(S102)进入过滤器的当前排气质量流量。从过滤器的流入区域和流出区域确定(S104)过滤器上的压降。根据模型过滤器在预定温度下的预定归一化压力水平对测量的压降进行归一化，以提供归一化压降。将归一化压降与压降模型(312)进行比较(S108)，该压降模型包括过滤器上的压降与流到过滤器的排气质量流量之间的关系。确定(S110)归一化压降与基于压降模型和当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差。控制(S112)过滤器上的压降以减小压力偏差。

Description

控制排气后处理系统的过滤器的过滤效率的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制排气后处理系统的过滤器的过滤效率的方法。本发明还涉及一种排气后处理系统。
背景技术
随着来自车辆和其它燃烧源的排放物中的颗粒物的排放要求提高，已经引入了颗粒物过滤器。颗粒物过滤器被设计成，在排气排放到环境中之前从排气中去除颗粒物(所谓的烟灰)。颗粒物存储在过滤器中。
当过滤器中的颗粒物水平增加时，过滤器上的背压(backpressure)也增加。过高的背压导致排气通道堵塞并最终导致发动机故障。当然，在过滤器中的颗粒物水平达到预定水平时，可以替换过滤器。
然而，大多数现代过滤器适于通过控制燃烧过程而被再生或清洁。例如，增加排气的温度或将燃料喷射到排气中能够实现过滤器中的颗粒物的燃烧。
通过周期性地燃烧过滤器中的颗粒物，背压周期性地变化。随着过滤器中的颗粒物水平增长，背压增加。随后，颗粒物燃烧，由此颗粒物的水平降低并且背压降低。
基于过滤器中存储的颗粒物的水平，过滤器的过滤能力迥然不同。因此，有利的是以这种方式更好地控制过滤器中的颗粒物的水平，从而提高颗粒物过滤器的整体效率。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是改进对排气后处理系统的过滤器效率的控制。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制排气后处理系统的过滤器的过滤效率的方法，该过滤器包括流入区域、流出区域以及流入区域和流出区域之间的过滤区域，该方法包括：确定进入过滤器的当前排气质量流量；从过滤器的流入区域和流出区域测量过滤器上的压降；相对于模型过滤器在预定温度下的预定归一化压力水平对测量的压降进行归一化，以提供归一化压降；将归一化压降与压降模型进行比较，该压降模型包括模型过滤器的压降与排气质量流量之间的关系；确定归一化压降与基于压降模型和当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差；以及控制过滤器上的压降来减小压力偏差。
本发明基于实现了，通过首先将测量的压降归一化到预定水平，从而能够更好地控制过滤器效率。随后将归一化压力与具有已知属性的模型过滤器的压降模型进行比较。比较中发现的偏差被用作控制压降的反馈。归一化能够通过以减少背压控制中的温度影响的方式控制压降来控制过滤器的效率。此外，使用压降模型来与归一化压力进行比较提供了一种常见的压降模型，以根据其调整压降。
控制过滤器上的压力可以例如通过增加排气的温度从而燃烧过滤器中的颗粒物来进行，这是本领域常用的。
过滤器中的颗粒物的数量或密度在某种程度上与过滤器的温度、过滤器上的压力以及排气中的颗粒物的流动相关。然而，过滤器上的压降也取决于过滤器中的温度。因此，通过将测量的压降归一化到特定温度的预定水平，温度对压降估算的影响至少部分地降低。
本发明构思提供的优点包括，以较窄的过滤器效率窗操作过滤器，这带来改善的燃料消耗、过滤器耐久性和提高的过滤效率。
压降模型可以提供模型过滤器上的压降与进入模型过滤器的排气流量之间的关系。模型过滤器可以是清洁的过滤器，换句话说，压降模型可以包括清洁的过滤器上的压降与流到清洁的过滤器的排气质量流量之间的关系。由于通过归一化已经至少部分地消除了测量的压力中的温度相关性，因此可以将归一化压降与压降模型进行比较。
可以从执行这种计算的车辆控制单元接收所确定的排气流量。例如，该计算可以基于，流到连接后处理系统的发动机的当前进气和燃料进入，以及发动机的当前运转速度(例如，每分钟转数)。因此，可以从控制单元检索当前排气质量流量(例如，检索排气质量流量值)，或者由控制本发明方法的控制单元计算当前排气质量流量。
控制压降可以包括以下中的至少一个：对过滤器上游的后处理系统的燃料喷射控制，对连接到排气后处理系统的燃烧发动机的喷射控制，以及对燃烧发动机的空气/燃料比控制。因此，可以通过改变过滤器中的温度，从而使颗粒物在过滤器中燃烧来控制压降。此外，对燃烧发动机的喷射控制可以包括调节连接到后处理系统的发动机的汽缸的燃料喷射开始时间。
从过滤器的流入区域和流出区域确定过滤器上的压降可以包括，测量过滤器之前和之后的压力以及测量过滤器的温度。
在一些可能的实施方式中，预定温度下的预定归一化压力水平可以是根据清洁的过滤器的压降与温度之间的预定关系确定的。因此，提供了一种明确定义的模型，该模型基于具有有益的过滤器效率的清洁的过滤器。
本发明构思适用于从排气中过滤颗粒物的各种系统。然而，在实施方式中，过滤器是颗粒物过滤器，其用于过滤来自诸如汽油发动机或柴油发动机的燃烧发动机的排气。
可以将预定温度有利地选择为在正常运转排气温度范围内。示例性温度在700℃和1000℃之间，诸如750℃、800℃、880℃、920°、980℃等。
根据实施方式，以一定的重复率连续地重复方法步骤。因此，该方法可以提供用于将过滤器效率维持在期望水平或期望水平附近的反馈系统。该重复率可以例如与燃烧发动机的每分钟转数相关。或者，该重复率可以与用于执行排气的λ系数测量的重复率基本相同。λ系数是当前空气燃料比与特定燃料的化学计量空气燃料比之间的比率。为了测量λ系数，通常在排气中测量残余氧气或未燃烧的碳氢化合物的量。测量和分析λ系数本身是本领域技术人员已知的。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于排气后处理系统的过滤器组件，包括：过滤器，其包括用于接收排气流的流入区域、用于排出过滤后气流的流出区域、以及在流入区域和流出区域之间的过滤区域，该过滤区域被构造成过滤排气流以降低排气流中的颗粒物的浓度；压力传感器组件，其用于从过滤器的流入区域和流出区域测量过滤器上的压降；用于测量过滤区域的温度的温度传感器；以及控制单元，其被构造成：确定进入过滤器的当前排气流量，相对于具有预定温度的模型过滤器的预定归一化压力水平对测量的压降值进行归一化；将归一化压降值与压降模型进行比较，该压降模型包括模型滤波器的压降和排气流量之间的关系；确定归一化压降与基于压降模型和当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差；以及通过增加过滤器温度使过滤器上的压降改变，从而减小压力偏差。
根据实施方式，压力传感器组件可包括压力测量单元，其被设置成测量流入区域处的压力并测量流出区域处的压力，其中压力测量单元与流入区域处的排气之间的连接线和压力测量单元与流出区域处的排气之间的连接线基本上长度相等。相等的长度至少提供了测量的压力值之间的相位差减小。连接线是流入或流出区域中的介质与相应压力测量单元之间的流体连接。
在一些实施方式中，压降模型可包括过滤器上的压降与流到过滤器的排气流量之间的线性关系。线性模型提供了一种使用起来相对简单而无需大量计算能力的模型。
控制单元可以被构造为，控制与排气后处理系统连接的燃烧发动机的燃料喷射的定时，以通过改变来自发动机的排气的温度来引起压降的变化。
替代地或另外地，控制单元可以被构造为控制燃烧发动机的空气/燃料比以引起压降的变化。
本发明的该第二方面提供了与上面关于本发明的前一方面所讨论的类似的优点。
根据本发明的第三方面，提供了一种车辆，其包括根据上述任一实施方式所述的排气后处理系统以及被构造为向排气后处理系统提供排气流的燃烧发动机。
当研究随附权利要求和以下描述时，本发明的其它特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以建立除下面描述的实施方式之外其它的实施方式。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面，其中：
图1概念性地示出了根据实施方式的示例性过滤器组件；
图2a示意性地示出了用于现有技术的车辆后处理系统的燃烧发动机颗粒物过滤器的再生循环；
图2b示意性地示出了根据实施方式的燃烧发动机颗粒物过滤器的改进的再生循环。
图3概念性地示出了根据实施方式的用于排气后处理系统的示例性过滤器组件；以及
图4是根据本发明实施方式的方法步骤的流程图。
具体实施方式
在本详细描述中，描述了根据本发明的组件和方法的各种实施方式。然而，本发明通常可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了彻底和完整性，并且其向技术人员充分传达了本发明的范围。相同的附图标记贯穿全文表示相同的要素。
图1概念性地示出了根据实施方式的用于排气后处理系统的示例性过滤器组件100。过滤器组件100包括过滤器101，其具有用于接收排气流的流入区域104和用于排出过滤后气流的流出区域106。过滤器101还包括在流入区域104和流出区域106之间、被构造为过滤掉排气中的颗粒物的过滤区域102。因此，在流入区域104处进入过滤器101的排气流在过滤区域102中被过滤，并且得到的过滤后气流在流出区域106处被排出。过滤后气流包括与进入过滤区域102的排气相比较低的颗粒物密度。
压力传感器组件包括一组传感器108、110和被构造为测量过滤器101上的压降的测量单元112。在一些实施方式中，传感器108、110与测量单元112之间的连接线116、118的长度基本相等，以避免在过滤器101的上游和下游感测到的压力之间的相位差。在该实施方式中，仅示出了一个测量单元，然而，在一些可能的实施方式中，系统100中包括用于流入区域的一个测量单元和用于流出区域的另一个测量单元。
该系统还包括温度传感器114(概念性地示出)，以用于测量过滤区域102中的过滤器101的温度。温度传感器可以向车辆控制单元(图1中未示出)提供温度数据，并且可以用作改变过滤器中的温度的参考。
通常，过滤器效率取决于过滤器中的烟灰负载的量。过滤器中的大量烟灰(即由过滤器捕获的颗粒物)导致更高的过滤效率(即，排出的过滤后气流中存在少量颗粒物)，但也导致高背压。过大的背压导致将没有或很少有气流能够通过过滤器101，并且因此还导致燃烧发动机故障。随着背压增加，通常执行所谓的再生以减少过滤器中的烟灰负载，并因此降低过滤器101上的背压。
可以通过调节与过滤器101相关的发动机汽缸中的喷射燃料开始时间来执行过滤器的再生。用于改变过滤器中的温度以控制压降的其它可能方式是调节提供给燃烧发动机(未示出)的空气/燃料比。通常，期望增加过滤器中的温度以进行过滤器再生。
图2a示出了用于现有技术的车辆后处理系统的燃烧发动机颗粒物过滤器的再生循环。最初，过滤器相对清洁并且压降低并且从过滤器排出的颗粒物的流量相对较高。过滤器中的烟灰负载发生积聚直到图中的时间T1，因此从过滤器排出的颗粒物的流量在时间T1处降低到最小值。在相同的时间段内(直到图2a中的时间T1)，过滤器上的压降(即背压)增加，以在时间T1处达到最大值。在T1处，执行再生过程，其减少过滤器中的烟灰负载并因此增加从过滤器排出的颗粒物的流量。此外，再生还使过滤器中的背压降低，并且该循环在时间T2处重新开始。线202和204指示过滤器效率窗的边界。在现有技术系统中，以固定的循环速率运行图2a中示出的循环。
图2b示出了如图2a中的再生循环，但在图2b中，根据本发明构思的实施方式执行该循环。如图所示，与边界202和204所示的现有技术的过滤器效率窗相比，显示过滤器效率窗的所示边界206和208大幅度减小。这是由于本发明实施方式提供的主动过滤器控制。因此，当压降在T1处增加到最大值并且排出气流中的颗粒物的量最小时，比现有技术系统更快地执行过滤器的再生。在时间T2处，压降再次达到最小值，并且排出气体中的颗粒物的量达到最大值。然而，为了能够如图2b所示的那样控制循环，必须以在测量之间一致的明确定义的方式来测量和控制压降，如下面将描述的。
图3示出了根据示例实施方式的用于排气后处理系统的过滤器组件300的框图。过滤器组件300包括控制单元302，其被设置成接收来自压力传感器组件304的压力数据和来自温度传感器306的温度数据。压力数据指示过滤器308上的压降，并且温度数据指示在过滤器308的温度，过滤器仅示意性地示为虚线框308。
控制单元302确定过滤器308上的压降，并且相对于模型过滤器在预定温度Temp1下的压力PC将确定的压降归一化。归一化压力由PNormalized＝PMeasured/PC给出。模型滤波器优选地代表具有相对线性的压降与温度曲线310的清洁的滤波器。随后将归一化压力PNormalized与压降模型312进行比较，压降模型312包括过滤器上的压降(P)和流到过滤器308的排气流量之间的关系。压降模型可以由以下通式给出：
其中A和K1–Kn是常数。该压降模型是基于清洁的模型过滤器上的压降。由于已经通过归一化消除了测量的压力中的温度相关性，因此可以将归一化压降与上述压降模型进行比较。
尽管可以使用上述压降模型312的任何阶次，但在一些实施方式中，使用简化形式作为压降模型312：
将测量的排气流量插入模型312中提供了计算出的压降值。计算出的压降与归一化压降之间的比较可以得到归一化压降(PNormalized)与基于压降模型312计算的压降值之间的偏差。
控制单元302随后控制燃料喷射单元314将燃料喷射到过滤器308上游的排气流中，或者改变燃烧发动机中的空气/燃料比，或者增加过滤器中的温度以燃烧过滤器中的烟灰并由此降低过滤器308上的压降。例如，对燃烧发动机的喷射控制可以包括调节连接到后处理系统的发动机的汽缸的燃料喷射开始时间。接下来，再次开始参考图3描述的过程，以便提供对过滤器308上的压降以及因此对过滤器效率的主动控制。因此，以一定的重复率重复这些步骤，从而将过滤器效率保持在期望水平或期望水平附近。该重复率可以例如与燃烧发动机的每分钟转数或用于在后处理系统中执行排气的λ系数测量的重复率相关。
温度数据可用于控制过滤器上的压力，这通常通过增加排气的温度从而燃烧过滤器中的颗粒物来执行。因此，使过滤器上的压降变化以便减小压力偏差包括增加过滤器的温度，该温度由温度传感器306监测。
图4示出了根据示例性实施方式的方法步骤的流程图。在步骤S102中，确定流入过滤器的当前排气质量流量。在进一步的步骤S104中，确定过滤器上的压降。该压降是从过滤器的流入区域到流出区域的过滤器上的压降。随后在步骤S106中，相对于模型过滤器在预定温度下的预定归一化压力水平对测量的压降进行归一化，以提供归一化压降。在步骤S108中，将归一化压降与压降模型进行比较，压降模型包括过滤器上的压降与流到过滤器的排气质量流量之间的关系。进一步地，在步骤S110中，确定归一化压降与基于压降模型和当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差。最后，在步骤S112中，控制过滤器上的压降以减小压力偏差。优选地，控制过滤器上的压降以使偏差最小化。
除非由于某些原因(例如，车辆关闭或后处理关闭)控制过滤器效率的过程完成，否则该方法在步骤S102处重新开始。该方法优选地连续进行，或者以一定的重复率进行，该重复率与例如用于在后处理系统中执行排气的λ系数测量的重复率相关。
本公开的控制功能可以通过使用现有的计算机处理器来实现，或者通过用于适当系统为此目的或另一目的而并入的专用计算机处理器来实现，，或者通过硬线系统实现。本公开范围内的实施方式包括程序产品，该程序产品包括用于执行或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是能够由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问的任何可用介质。举例来说，这种机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储设备、或者可用于执行或存储所需程序代码的任何其它介质，所需程序代码的形式为机器可执行指令或数据结构，并且可由通用或专用计算机或具有处理器的其它机器访问。当通过网络或其它通信连接(硬连线、无线或硬连线或无线的组合)向机器传送或提供信息时，机器将该连接适当地视为机器可读介质。因此，任何这种连接都被适当地称为机器可读介质。上述项的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行特定功能或功能群组的指令和数据。
尽管附图可以示出次序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。还可以同时或部分同时地执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实现可以利用标准编程技术以及基于规则的逻辑和其它逻辑来完成，以实现各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。
本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在随附权利要求的范围内可以进行许多修改和变化。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (13)

1.一种用于控制排气后处理系统(100)的过滤器(101，308)的过滤效率的方法，所述过滤器包括流入区域(104)、流出区域(106)以及在所述流入区域和所述流出区域之间的过滤区域(102)，所述方法包括：
-确定(S102)进入所述过滤器的当前排气质量流量，
-确定(S104)在所述过滤器的所述流入区域和所述流出区域之间的所述过滤器上的压降，
-相对于模型过滤器在预定温度下的预定归一化压力水平对测量的压降进行归一化(S106)，以提供归一化压降；
-将所述归一化压降与压降模型(312)进行比较(S108)，所述压降模型包括模型过滤器的压降与排气质量流量之间的关系；
-确定(S110)所述归一化压降与基于所述压降模型和当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差；以及
-控制(S112)所述过滤器上的所述压降以减小所述压力偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述压降包括以下中的至少一个：对连接到所述排气后处理系统的燃烧发动机的燃料喷射控制，以及用于所述燃烧发动机的空气/燃料比控制。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预定温度下的所述预定归一化压力水平是根据清洁的过滤器的压降与温度之间的预定关系确定的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述过滤器是用于过滤来自燃烧发动机的排气的颗粒物过滤器。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述预定温度被选择为在正常运转排气温度范围内。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，以一定的重复率连续地重复所述方法的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述重复率与用于执行排气的λ系数测量的重复率基本相同。
8.一种用于排气后处理系统的过滤器组件(100)，所述过滤器组件包括：
-过滤器(101)，所述过滤器包括用于接收排气流的流入区域(104)、用于排出过滤后气流的流出区域(106)、以及在所述流入区域和所述流出区域之间的过滤区域(102)，所述过滤区域被构造为过滤所述排气流以减少所述排气流中的颗粒物的浓度，
-压力传感器组件(304)，所述压力传感器组件用于从所述过滤器的所述流入区域和所述流出区域测量所述过滤器上的压降；
-用于测量所述过滤区域的温度的温度传感器(306)；以及
-控制单元，所述控制单元被构造为：
-确定进入所述过滤器的当前排气流量，
-相对于具有预定温度的模型过滤器的预定归一化压力水平对测量的压降值进行归一化；
-将归一化压降值与包括压降和排气流量之间的关系的压降模型进行比较；
-确定所述归一化压降与基于所述压降模型和所述当前排气流量计算的压降值之间的压力偏差；以及
-通过使所述过滤器的温度升高来引起所述过滤器上的所述压降的变化，从而减小所述压力偏差。
9.根据权利要求8所述的过滤器组件(100)，其特征在于，所述压力传感器组件包括压力测量单元(112)，所述压力测量单元被设置成测量所述流入区域处的压力并测量所述流出区域处的压力，
所述压力测量单元和所述流入区域处的排气之间的连接线(116)与所述压力测量单元和所述流出区域处的排气之间的连接线(118)具有基本相等的长度。
10.根据权利要求8或9所述的过滤器组件(100)，其特征在于，所述压降模型包括过滤器上的压降与流到所述过滤器的排气流量之间的线性关系。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的过滤器组件(100)，其特征在于，所述控制单元被构造为，控制对连接到所述排气后处理系统的燃烧发动机的燃料喷射，以引起压降的变化。
12.根据权利要求10或11中所述的过滤器组件(100)，其特征在于，所述控制单元被构造为控制所述燃烧发动机的空气/燃料比。
13.一种车辆，所述车辆包括：排气后处理系统，所述排气后处理系统包括根据权利要求10至12中任一项所述的过滤器组件(100)；以及被构造成向所述排气后处理系统提供排气流的燃烧发动机。
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