CN1322228C - 过滤器再生控制 - Google Patents

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Abstract

提出一种再生控制设备，再生用于捕集来自发动机(1)废气中颗粒物质的过滤器(13)。过滤器(13)支持用于氧化废气中的未燃烧成分的催化剂。该再生控制设备包括一个检测过滤器入口废气温度(Tdpf_in_mea)的温度传感器(14)；以及一个微计算机(22)，其被编程用来根据检测的入口废气温度计算不包括由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高的过滤器出口废气温度(Tdpf_out_cal)；根据检测的入口废气温度和计算的出口废气温度计算过滤器床层温度(Tbed_cal)；计算由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高(ΔThc1)；根据计算的温度升高(ΔThc1)校正床层温度。

Description

过滤器再生控制
技术领域
本发明涉及一种发动机废气净化设备，更特别涉及对一种用于再生捕集发动机废气中颗粒物质的过滤器的技术的改进。
背景技术
日本专利局1993年公布的JP-A-H5-106427提出了一种用于发动机废气系统的过滤器，以净化从柴油机这样的发动机释放的颗粒物质(下文中称作“废气颗粒”)。过滤器通过按预定时间间隔氧化或燃烧捕集的废气颗粒来再生。过滤器再生通过升高废气温度来实现。废气温度升高通过发动机控制来实现，例如对燃料喷射定时进行角延迟或除主喷射之外执行二次喷射。
颗粒沉积的过滤器表面的温度称作“床层温度”。过滤器的床层温度根据过滤器入口端和出口端的废气温度计算。执行发动机控制以使该床层温度变成目标值。这样能够有效燃烧废气颗粒。
发明内容
在支持用于氧化发动机废气中未燃烧成分(例如HC和CO)的催化剂的CSF型过滤器(催化煤烟过滤器)中，再生期间不仅产生废气颗粒的燃烧热，而且还在未燃烧成分氧化中产生反应热。
因为计算上面提到的床层温度时没有考虑由这些未燃烧成分产生的反应热，所以不可能在再生期间实现对床层温度的恰当控制。因此，再生中的床层温度相对于目标温度可能会太高。作为选择，根据未燃烧成分的释放速度，过滤器中可能出现局部过热部分，而且过滤器可能会损坏。
因此本发明的一个目的是提高再生控制的准确性和性能，同时避免由于过热而造成的过滤器劣化。
为了达到上述目的，本发明提供了一种再生控制设备，其再生捕集发动机废气中颗粒物质的过滤器。该过滤器支持用于氧化废气中的未燃烧成分的催化剂。再生控制设备包括一个生热设备，该设备升高过滤器的床层温度并燃烧由过滤器捕集的颗粒物质，从而再生过滤器，检测过滤器入口废气温度的第一温度传感器和一个微计算机。微计算机被编程为根据检测的入口废气温度计算过滤器出口废气温度，不包括由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高，根据检测的入口废气温度和计算的出口废气温度计算过滤器床层温度，计算由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高，根据计算的温度升高校正床层温度，以及根据修改正床层温度控制生热设备。
本发明的细节及其它特性和优点在说明书的剩余部分中阐明并在附图中显示。
附图说明
图1的原理图是一种可以应用本发明的发动机系统。
图2的流程图显示了与本发明床层温度计算的第一实施方案相关的控制程序。
图3的示意图显示了床层温度在再生期间的时间变化及其估计值。
图4的流程图显示了与本发明床层温度计算的第二实施方案相关的控制程序。
具体实施方式
参看图1，可以应用本发明的发动机系统包括发动机机体1、进气通道2和废气通道3。燃料喷射器4和燃料喷射泵5连接到发动机机体1。在该说明书中，发动机机体1和燃料喷射器4可以共称为发动机。空气滤清器6、气流计7、废气涡轮增压器8的压缩机9、中间冷却器10和节流阀11安装在进气通道2的上游侧。废气涡轮增压器8的涡轮12和捕集废气颗粒的过滤器13安装在废气通道3的上游侧。过滤器13支持用于氧化未燃烧成分的催化剂。过滤器13是用于柴油发动机的柴油机颗粒过滤器(DPF)。
温度传感器14测量过滤器13的入口温度。温度传感器15测量过滤器13的出口温度。压差传感器16检测过滤器13的压差。EGR(废气再循环)通道17连接进气通道2和废气通道3。EGR阀18和EGR冷却器19安装在EGR通道的中间。废气涡轮增压器8装配有一个能够调节流入涡轮12的废气流率的可调喷嘴20。曲柄角传感器21检测发动机旋转速度Ne和曲柄位置。此外，发动机系统还装配有各种辅助设备。
基于微计算机的控制器22包括一个微计算机，该微计算机包括一个中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)。根据来自上面提到的传感器的信号，控制器22控制燃料喷射定时、喷射量、节流阀11的开度、EGR量、可调喷嘴20的开度和辅助设备负载中的一个或多个，以及通过该发动机控制来增加/调整废气温度。
控制器22的作用是作为通过发动机控制调整废气温度的再生控制设备的一部分以及计算设备。发动机和废气通道3的作用是一个为了再生过滤器，通过增加过滤器床层温度来燃烧颗粒物质的生热设备。
控制器22执行的再生控制的概述如下。
控制器22在后台不断检测作为发动机运行状态的负载Q和旋转速度Ne，同时执行再生控制，并使用负载Q和旋转速度Ne计算过滤器捕集的颗粒量(颗粒捕集量)。
使用控制器22的燃料喷射量指令值作为负载Q的典型值，并且读取曲柄角传感器21的信号作为旋转速度Ne。如果发动机系统装配有检测燃料喷射量的燃料喷射量检测传感器25，控制器22可以从燃料喷射量检测传感器读取燃料喷射量作为负载Q。
计算过滤器中颗粒捕集量的各种方法是已知的。下面显示了一种计算技术的一个例子：预先通过试验方法获得一个根据负载Q和旋转速度Ne确定从发动机排放的颗粒排放量(固定时间间隔中的释放量)的表，并将该表存储在控制器22的ROM中。控制器22通过求取每个固定时间间隔中读取的排放量的积分来计算颗粒捕集量。否则控制器22根据前述的发动机运行状态信号和一个来自压差传感器16的信号来计算颗粒捕集量。
当颗粒捕集的估计量等于或大于应该开始再生的参考值时，控制器22测定发动机运行状态，如果发动机运行在可用过滤器再生区域，则开始过滤器再生。可用过滤器再生区域是一个能够有效获得再生所需的废气温度并根据发动机特性设置的发动机运行区域。在用于图1显示的发动机系统的过滤器再生中，可以通过节流阀11的进气节流、燃料喷射定时的角延迟、二次喷射、EGR减少量和可调喷嘴20的开度控制中的任何一个来实现发动机控制。因此，确保了颗粒再生所需的300度或更高的废气温度C。
在再生控制期间，控制器22计算过滤器13的床层温度并控制发动机，以使计算的床层温度与目标床层温度一致。目标床层温度是有效执行再生且不会发生过滤器过热的温度。床层温度的计算包括校正床层温度。
参看图2，现在描述关于由控制器22执行的床层温度计算的控制程序的第一实施方案。该控制程序周期性执行，例如通过10毫秒固定时间间隔的一个定时中断来执行。
在步骤S101中，根据温度传感器14的信号测量过滤器入口端的废气温度Tdpf_in_mea。
接下来，在步骤S102中，使用测量的入口温度Tdpf_in_mea计算假设未燃烧成分没有燃烧的情况下过滤器出口端的废气温度Tdpf_out_cal。根据发动机运行状态和测量的入口温度Tdpf_in_mea可以估计出口温度Tdpf_out_cal。例如，使用显示发动机运行状态的燃料喷射量Q和发动机旋转速度Ne，以及入口温度Tdpf_in_mea作为参数，通过参照预先设置的、根据这些参数给出未燃烧成分没有燃烧时的出口温度Tdpf_out_cal的图来计算出口温度Tdpf_out_cal。该图是通过试验定义的，并存储在控制器22的RAM中。例如，可以通过使用没有预先充有用于氧化未燃烧成分的催化剂的过滤器13测量每个发动机运行状态的出口温度和每个入口温度来获得这个图。另外，通过在过滤器13上游提供另一个充有用于氧化未燃烧成分的催化剂的过滤器和提供一个将来自所述另一个过滤器的废气冷却到没有该另一个过滤器将会实现的温度的冷却设备，从而测量每个发动机运行状态的出口温度和每个入口温度。出口温度Tdpf_out_cal增加，燃料喷射量Q和发动机旋转速度Ne越大，入口温度越高。
在步骤103中，使用测量的入口温度和计算的出口温度Tdpf_out_cal计算过滤器的床层温度Tbed_cal。计算的床层温度Tbed_cal可以通过参照一个根据测量的入口温度和计算的出口温度Tdpf_out_cal预先设置的图来计算。例如，可以通过测量过滤器13对于每个入口温度和每个出口温度的床层温度来试验地获得这个图。作为选择，可以借助于热模拟，通过计算过滤器13对于每个入口温度和每个出口温度的的床层温度来获得该图。
因为步骤S102中计算的出口温度Tdpf_out_cal没有包括由于未燃烧成分的燃烧热而造成的温度升高，所以计算的床层温度Tbed_cal也不包括由于未燃烧成分的燃烧热而造成的温度升高。因此，计算的床层温度Tbed_cal表示假设未燃烧成分没有燃烧时的床层温度Tbed_cal。
在步骤S104中，通过温度传感器15测量过滤器出口端的实际废气温度Tdpf_out_mea。
接下来，在步骤S105中，通过从测量的出口温度Tdpf_out_mea减去在步骤S103中计算的出口温度Tdpf_out_cal来计算由于未燃烧成分燃烧而造成的温度升高量ΔThc1。
在步骤S106中，通过将步骤S103中计算的床层温度Tbed_cal加上计算的温度升高量ΔThc1来计算校正的床层温度Tbed_cor。这样，通过考虑由于未燃烧成分的燃烧而造成的温度升高量ΔThc1，校正的床层温度Tbed_cor成为一个接近实际床层温度的值。
在再生控制期间，控制器22控制发动机，以使计算的校正的床层温度Tbed_cor与目标床层温度一致。
图3显示了过滤器再生期间的估计温度和实际温度。计算的出口温度和实际出口温度的温度差ΔT1是由于未燃烧成分的氧化反应而生成的热造成的。温度差ΔT1加上不包括由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高的计算的床层温度Tbed_cal的结果是校正的床层温度Tbed_cor。校正的床层温度Tbed_cor在实际入口温度和实际出口温度之间，因此校正的床层温度Tbed_cor的计算是符合要求的。
根据该实施方案，获得一个接近实际床层温度(其包含由于上述的未燃烧成分而造成的床层温度升高)的值作为校正的床层温度Tbed_cor。由于这个原因，通过使用Tbed_cor执行上述再生控制，有效执行了过滤器再生并防止了过滤器过热。
参看图4的流程图，现在描述由控制器22执行的、关于床层温度计算的控制程序的第二实施方案。步骤S101-S103的处理与图2的步骤相同，并且根据测量的入口温度Tdpf_in_mea计算不包含由于未燃烧成分的燃烧热而造成的温度升高的出口温度Tdpf_out_cal和床层温度Tbed_cal。该实施方案与第一实施方案的不同之处在于：由于未燃烧成分的反应而造成的温度升高量ΔTch2是根据未燃烧成分量计算的。
在步骤S204中，首先参照一张图计算未燃烧成分HC和CO的排放量。未燃烧成分的排放量(固定时间间隔中的排放量)由发动机运行状态确定。因此，预先通过试验获得一个给出根据发动机运行状态例如具有上述燃料喷射量Q和旋转速度Ne的未燃烧成分排放量的图，并且通过参照该图计算未燃烧成分的排放量。该图可以通过使用商用的用来测量废气中未燃烧成分的数量或密度的测量设备测量对于每个发动机运行状态诸如HC和CO这样的未燃烧成分的排放量。
接下来，在步骤S205中，根据计算的未燃烧成分的排放量、由于未燃烧成分燃烧而产生的热、产生的热量转换成过滤器温度升高的效率以及过滤器的热容量来计算由于未燃烧成分的燃烧而造成的床层温度升高ΔTch2。
在步骤S206中，通过将计算的床层温度升高ΔTch2加上步骤S103中计算的床层温度Tbed_cal来计算校正的床层温度Tbed_cor。
根据第二实施方案，根据未燃烧成分的排放量计算校正床层温度Tbed_cor，因此可以避免由于过热而造成的过滤器损坏，而且可以改善再生控制的精度和效率。
虽然上面已经参照特定实施方案描述了本发明，但是本发明不限于上面描述的实施方案。本领域的那些技术人员根据上面的教导可以对上面描述的实施方案进行修改和变化。本发明的范围参照下面的权利要求进行定义。
这里引用作为参考(2003年9月19日申请)日本专利申请P2003-328666的全部内容。

Claims (9)

1.一种再生控制设备，再生用于捕集来自发动机(1)的废气中的颗粒物质的过滤器(13)，该过滤器(13)支持用于氧化废气中的未燃烧成分的催化剂，该再生控制设备包括：
生热设备(1，3)，用于升高过滤器的床层温度和燃烧由过滤器捕集的颗粒物质，从而再生过滤器，
第一温度传感器(14)，用于检测过滤器入口废气温度(Tdpf_in_mea)；以及
微计算机(22)，其被编程用于：
根据检测的入口废气温度计算不包括由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高的过滤器出口废气温度(Tdpf_out_cal)，
根据检测的入口废气温度和计算的出口废气温度计算过滤器床层温度(Tbed_caI)，
计算由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高(ΔThc1)，
根据计算的温度升高(ΔThc1)来校正床层温度，以及
根据校正的床层温度(Tbed_cor)控制生热设备。
2.如权利要求1所述的再生控制设备，还包括用于检测过滤器出口废气温度的第二温度传感器(15)，
其中，微计算机(22)还被编程用来根据检测的出口废气温度(Tdpf_out_mea)和计算的出口废气温度(Tdpf_out_caI)的差来计算由于未燃烧成分的氧化反应造成的温度升高(ΔThc1)。
3.如权利要求1所述的再生控制设备，还包括用于检测发动机运行状态的传感器(21)，
其中，微计算机(22)还被编程用于：
根据检测的发动机运行状态计算未燃烧成分的排放量，以及
根据计算的未燃烧成分的排放量计算由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高(ΔThc2)。
4.如权利要求1所述的再生控制设备，还包括用于检测发动机运行状态的传感器(21)，
其中，微计算机(22)包括根据过滤器入口废气温度和发动机运行状态给出过滤器出口废气温度的图，以及
微计算机(22)被编程用来根据检测的入口废气温度和检测的发动机运行状态，通过参照该图来计算过滤器出口废气温度(Tdpf_out_cal)。
5.如权利要求1到4中任一个所述的再生控制设备，其中，微计算机(22)包括根据过滤器入口废气温度和过滤器出口废气温度给出床层温度的图，以及
微计算机(22)被编程用来根据检测的入口废气温度(Tdpf_in_mea)和计算的出口废气温度(Tdpf_out_cal)，通过参照图来计算过滤器床层温度(Tbed_cal)。
6.如权利要求3或4所述的再生控制设备，其中，发动机运行状态包括发动机旋转速度(Ne)和发动机负载(Q)中的至少一个。
7.如权利要求1到4中任一个所述的再生控制设备，其中，生热设备(1，3)通过增加发动机废气温度来升高所述过滤器的床层温度，以及
微计算机(22)还被编程用于：
控制所述发动机废气温度，以使校正的床层温度(Tbed_cor)在过滤器再生期间与目标床层温度一致。
8.如权利要求7所述的再生控制设备，其中，包含所述发动机的发动机系统装配有燃料喷射器(4)、涡轮增压器(8)、EGR设备(17，18，19)、节流阀(11)和辅助设备中的一个，以及
微计算机还被编程用于通过燃料喷射定时控制、燃料喷射量控制、可调喷嘴废气涡轮增压器喷嘴开度控制、EGR控制、进气量控制和辅助设备负载控制中的任一个来控制发动机废气温度。
9.一种再生控制方法，用于再生捕集来自发动机(1)的废气中的颗粒物质的过滤器(13)，该过滤器(13)支持用于氧化废气中的未燃烧成分的催化剂，该再生控制方法包括：
检测过滤器入口废气温度(Tdpf_in_mea)；
根据检测的入口废气温度计算不包括由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高的过滤器出口废气温度(Tdpf_out_cal)；
根据检测的入口废气温度和计算的出口废气温度计算过滤器床层温度(Tbed_cal)；
计算由于未燃烧成分的氧化反应而造成的温度升高(ΔThc1)；
根据计算的温度升高(ΔThc1)校正床层温度；以及
根据校正的床层温度(Tbed_cor)控制生热设备(1，3)，该生热设备能够升高过滤器的床层温度和燃烧由过滤器捕集的颗粒物质，从而再生过滤器。
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