CN1570359A - 发动机废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机废气净化装置。该净化装置具有过滤器(13)，其捕集包含在从发动机排出的气体中的颗粒物；压差检测传感器(16)，用于检测过滤器的压差；传感器(14，15，21，31，33)，用于检测发动机运转状态；以及微计算机(22)。该微计算机(22)设被编程为：根据检测的压差计算过滤器的推算灰尘量ASH_a；根据检测的发动机运转状态计算发动机耗油量OC_total；根据耗油量OC_total和推算的灰尘量ASH_a来计算灰尘密度DENS_ASH；以及根据耗油量OC_total和灰尘密度DENS_ASH来计算过滤器的灰尘量ASH。

Description

发动机废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种发动机废气净化装置，更确切地讲是涉及一种准确地判断过滤器更换时间的技术，该过滤器用于捕集发动机废气中的颗粒物。
背景技术
由日本专利局2000年公开的特开(Tokkai)第2000-234509号公开了一种废气净化装置，该装置对从柴油机或类似机器排出的颗粒物进行净化。该净化装置包括一个在发动机废气系统中的过滤器，该过滤器通过以预定间隔氧化或焚烧捕集的颗粒物而进行再生。
另外，易燃颗粒物、主要来自发动机油添加剂的不燃物(此后称为“灰尘”)也附着在过滤器上。因为灰尘在再生过程中不能燃烧，所以在某一时间间隔过后，会在过滤器中产生压力损失，且有效过滤器表面面积会减小。基于这一原因，根据使用情况，需要对过滤器进行更换或清洗等维护。
发明内容
但是，在现有技术中，灰尘沉积量是从发动机运动时间或汽车行驶时间推算的，因而存在着明显的误差。实际上，考虑这一误差确定维护周期，因此维护在比实际需要短的时间内进行。已知灰尘沉积量在某种程度上与发动机耗油量有关，但是灰尘密度随着发动机油型号或状态而不同。因此，即使准确地检测到耗油量，也不一定能推算出准确的灰尘沉积量。
因此，本发明目的是准确地确定附着在过滤器上的灰尘量ASH，以便按适当的定时进行过滤器的清洗或更换。
为了实现上述目的，本发明提供了一种发动机废气净化装置，包括：过滤器，其捕集包含在发动机排出的气体中的颗粒物；压差检测传感器，其检测过滤器的压差；传感器，其检测发动机的运行状态；以及微型计算机。该微型计算机被编程用于：根据检测的压差来计算过滤器的推算的灰尘量ASH_a；根据检测的发动机运转状态来计算发动机耗油量OC_total；根据耗油量OC_total和推算的灰尘量ASH_a来计算灰尘密度DENS_ASH；以及根据耗油量OC_total和灰尘密度DENS_ASH来计算过滤器的灰尘量ASH。
本发明的详情以及其它特点和优点，在说明书其余部分进行陈述且在附图中表示出来。
附图说明
图1是可应用本发明的发动机系统的示意图；
图2是表示本发明一个实施例中用于计算灰尘量的主程序的流程图；
图2A是根据发动机负载Q和发动机转速Ne给出发动机油耗率的图；
图2B表示与耗油量有关的推算的灰尘量的典型曲线和一条大致的直线；
图3表示计算灰尘量的第一子程序的流程图，该第一子程序根据过滤器压差推算灰尘量。
图3A是根据压差和发动机废气流率给出推算的灰尘量的图；
图4表示算灰尘量的第二子程序的流程图，该第二子程序对随时间增加的灰尘量进行计算；
图5是根据实施例表示灰尘量的实际变化量和计算的灰尘量的图。
具体实施方式
参照图1，可应用本发明的发动机系统装配有一发动机1、一用于引导空气的空气通道2和一用于排出发动机1产生的废气的废气通道3。该发动机系统最好用于汽车上。该发动机1可以是一个柴油机，但不局限于柴油机。与燃料喷射泵5连接的燃料喷射器4安装于发动机1内。空气通道2从上游侧顺序安装有空气滤清器6、空气流量计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。废气通道3从上游侧顺序安装有废气涡轮增压器8的涡轮机12和捕集发动机1产生的废气中的颗粒物的过滤器13。如果发动机1是一个柴油机，则过滤器13可称为柴油机颗粒过滤器(DPF)。
废气净化装置包括检测过滤器13入口温度的温度传感器14、检测过滤器13出口温度的温度传感器15和检测过滤器13入口和出口之间压差ΔP的压差传感器16。发动机系统安装一个EGR(废气再循环)装置。EGR装置安装有连接空气通道2和废气通道3的EGR通道17，和设置在EGR通道17内的EGR阀18和EGR冷却器19。废气涡轮增压器8具有一可调喷嘴20，该喷嘴可调节流入涡轮机12的废气流率。该发动机系统安装有检测发动机转速和曲柄位置的曲柄角传感器21。
控制器22包括一微型计算机，该计算机具有执行程序的中央处理单元(CPU)、存储程序和数据的只读存储器(ROM)、暂时储存CPU的计算结果和所获取数据的随机存取存储器(RAM)、测量时间的计时器和输入/输出接口(I/O接口)。根据来自上述各传感器的信号，控制器22控制燃料喷射定时、燃料喷射量、节流阀开度、EGR量、可调喷嘴的阀开度等，并且还起到计算过滤器13的颗粒物沉积量和灰尘量的装置的作用。
图2表示由控制器22执行的计算ASH量的主计算程序。该程序在每个控制间隔Δt周期性地执行。例如控制间隔Δt可以是10毫秒。计算的ASH量用于判断何时应该清洗或更换过滤器。
在步骤S21中，利用压差传感器16检测的过滤器13的压差ΔP，计算出推算的灰尘量ASH_a。
下一步，在步骤S22中，从图中(图2A所示)读取发动机油耗率OC，该图被预先设置成根据发动机负载(扭矩)Q和发动机转速Ne给出油耗率OC。发动机负载Q可用吸入空气量或燃料喷射量表示。而且，发动机运转状态例如发动机转速和吸入空气量，由控制器22在后台平行执行的另一个控制程序连续地进行检测和储存。吸入空气量可以用节流阀开度传感器31检测的节流阀开度表示。燃料喷射量可以用行程传感器33检测的加速器踏板的行程表示。另外，控制器22的燃料喷射量命令值可以用作未加校正的燃料喷射量。
下一步，在步骤S23中，耗油量OC_total根据发动机运转状态计算出来。耗油量OC_total通过对油耗率OC乘以控制间隔Δt得到的乘积的累积积分进行更新，如下面公式所示：
OC_total＝OC_total+OC·Δt                             -(1)
而且，在步骤S23中，当后面将说明的标志F1设定为1时(F1＝1)，后面将说明将OC_total赋给可变的OC_total(k)(OC_total(k)＝OC_total)。
下一步，在步骤24中，判断推算的灰尘量ASH_a是否已被更新。特别是，判断表示推算的灰尘量ASH_a已被更新的更新标志F2是否被设定为1。当推算灰尘量ASH_a已被更新时(F2＝1)，程序前进到步骤S25。
当在步骤S21中对推算的灰尘量ASH_a读取n次时，推算的灰尘量ASH_a被更新。推算的灰尘量ASH_a的更新意味着可以将推算的灰尘量ASH_a设定为计算的灰尘量ASH的状态。n的量最好是2或更大。
在步骤S25-S27中，此时推算的灰尘量ASH_a设定为与推算的灰尘量ASH_a的更新同步的计算的灰尘量ASH(步骤25)。而且，此时耗油量OC_total被赋给积分n次的耗油量OC_total(n)(步骤S26)，然后计算灰尘密度DENS_ASH(步骤27)。
在推算的灰尘量ASH_a的更新和下一次更新过程中完成步骤S28-29的处理。在步骤S28，利用灰尘密度DENS_ASH和油耗率OC计算增加的灰尘量ASH_b。在步骤S29，将这一增加的灰尘量ASH_b设定为计算的灰尘量ASH。
下面，详细说明推算的灰尘量ASH_a、灰尘密度DENS_ASH和增加的灰尘量ASH_b的计算。
图3是对应于图2的步骤S21、用于计算推算的灰尘量ASH_a的计算子程序。
在步骤S31中，判断当前定时是否恰好在过滤器13完全再生之后。在过滤器13完全再生后，把易燃颗粒物从过滤器13上完全清除，这样，可以准确地计算出只有附着于过滤器13上的灰尘的状态下的压差ΔP。例如，如果完全再生后经过的时间在1秒内，或者完全再生后汽车行驶距离在1公里内，可以确定当前定时恰好在完全再生之后。汽车可具有一个检测汽车速度的汽车速度传感器和控制器22，该控制器可以根据汽车速度和经过时间计算行驶距离。
在过滤器再生的一个实施例中，当颗粒物积存量超过某一预定基准值时，通过提高废气温度，利用过滤器的催化反应使颗粒物氧化。在图1所示的发动机系统中，控制器22通过节流阀11的进气节流、燃料喷射定时的延迟、二次喷射(后喷射)、EGR量的减少和可调喷嘴20的开度控制中的任何一种实现废气温度升高控制。控制器22例如通过设定一个标志可以存储过滤器13已被完全再生的情况。废气温度升高控制保持再生所需的300摄氏度或更高的废气温度。过滤器再生装置包括控制器22、发动机1、废气通道3，以及节流阀11、燃料喷射器4、EGR装置和废气涡轮增压器8中的至少之一。
接下来，在步骤S32中，判断在过滤器13附近(例如在过滤器13入口或紧邻过滤器13的上游/下游)的废气流率是否大于预定流率。过滤器13附近的废气流率根据发动机运转状态(Q，Ne)(发动机运转点)进行计算。当过滤器13附近的废气流率增加时，积存在过滤器13上的灰尘量的影响在压差ΔP中更容易看到。当废气流率大于预定流率时，在压差ΔP足够大时可以准确地推算出积存在过滤器13上的灰尘量。控制器存储器可以储存用于获得相对于发动机运转状态(Q，Ne)的过滤器13附近的废气流率的图(未示出)。
当在步骤S31中判断恰好在过滤器完全再生后的定时或者在步骤S32中判断废气流率小于预定流率时，程序回到图2所示的程序而不执行任何处理。当废气流率大于预定流率，恰好在过滤器完全再生之后时，在步骤S33及其后步骤对推算的灰尘量进行计算。
在步骤S33中，从压差传感器16读取过滤器的压差ΔP。然后，在步骤S34中，对读取的过滤器压差ΔP进行校正。对压差ΔP的校正需考虑废气温度和废气压力，并且将校正的压差设定为新的压差ΔP。利用温度传感器14或15检测废气温度。废气压力通过查阅根据发动机运转状态确定废气压力的图而得到。然后，在步骤S35中，对新的和直接由发动机1产生的废气流率Vexh进行计算，消除在EGR通道17内循环废气流率的影响。废气流率Vexh根据空气流量计7检测到的空气流率、燃料喷射量、废气温度和废气压力来计算。
下一步，在步骤S36中，根据压差ΔP和上面计算的废气流率Vexh计算出推算的灰尘量ASH_a。该计算通过从图3A所示的预先确定的图中读取ASH_a的处理完成。该预先确定的图根据压差ΔP和废气流率Vexh给出推算的灰尘量ASH_a。然后，表示读取ASH_a次数的计数器k增加1，将ASH_a的值赋给ASH_a(k)。然后，对代表推算的灰尘量ASH_a被计算的标志F1进行设定(F1＝1)。ASH_a(k)的值和计数器k的值存储于RAM。然后，在步骤S37中，只有当计数器k达到n时(即只有当推算灰尘量ASH_a的计算重复n次时)(k＝n)，才将推算的灰尘量ASH_a赋给ASH_a(n)，对ASH_a的更新标志F2进行设定(F2＝1)，并且对计数器k复位(k＝0)。当计数器k没达到n(k＜n)时，在步骤S37中不进行处理。随后，子程序回到图2所示的主程序。
在步骤S27中，以通过线性拟合得到的近似直线的斜率来计算灰尘密度DENS_ASH，此线性拟合是对通过上述计算得出的推算的尘量ASH_a和对应的耗油量OC_total的曲线利用最小二乘方的方法进行的(图2B)。该近似直线的斜率表示推算的灰尘量ASH_a相对于耗油量OC_total的平均增加率，并且给出灰尘密度DENS_ASH的近似值。图2B表示ASH_a(k)相对于OC_total(k)(k＝1，2，...，n)且近似直线的图。
利用图4的子程序执行增加的灰尘量ASH_b的计算。在步骤S41中，通过图2所示的步骤S22的按图搜索，从发动机运转状态(Q，Ne)得到油耗率OC。然后，在步骤S42中，如下面公式所示，油耗率OC乘以控制时段Δt和上述灰尘密度DENS_ASH的乘积与计算的灰尘量ASH相加。
ASH_b＝ASH+OC·Δt·DENS_ASH                  -(2)
此时，由于在推算的灰尘量ASH_a第一次更新以前不对灰尘量DENS_ASH进行计算，那么直到第一次更新前，通过将灰尘密度DENS_ASH设定为预定初始值来对增加的灰尘量ASH_b进行计算。
图5表示利用上述方法计算出的灰尘量ASH的计算结果。图中实线代表计算的灰尘量ASH，虚线代表实际灰尘量的变化，图5中的圆圈代表利用推算的灰尘量ASH_a进行的灰尘量的更新。利用灰尘密度DENS_ASH的预定初始值进行灰尘量ASH的计算，直到推算的灰尘量ASH_a接受第一次更新。为保险起见，灰尘密度DENS_ASH的预定初始值确定在大值侧。在这种情况下，因为灰尘量ASH的计算有效地取决于只与耗油量OC_total有关的运行历史纪录，所以计算的灰尘量ASH会相对快速地增长。图5所示的点M1表示到达假设灰尘密度DENS_ASH保持其初始值的限制灰尘量的时间(或耗油量)，并且灰尘量的计算连续进行。上限灰尘量代表过滤器应该更换时的灰尘量。另一方面，根据本发明，在根据过滤器压差周期性地更新推算的灰尘密度ASH_a的同时，对灰尘密度DENS_ASH进行校正。基于这个原因，如图连续线所示，计算的灰尘量ASH接近灰尘量的实际变化(虚线)。因为这一点，可以准确地确定到达限制灰尘量的时间(图中点M2所示)。控制器22可与指示器电连接，该指示器通知发动机系统的驾驶员或操作员，计算的灰尘量ASH已经达到上限灰尘量。
在上述实施例中，耗油量用于计算增加的灰尘量ASH_b和灰尘密度DENS_ASH，但是增加的灰尘量ASH_b和灰尘密度DENS_ASH可以根据汽车行驶距离或发动机运转时间进行计算，而不必根据耗油量计算。也就是说，耗油量可以用汽车行驶时间或发动机运转时间表示。
日本专利申请P2003-104363(2003年8月申请)的全部内容在此引用作为参考。
尽管参照本发明的某些实施例对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述实施例。根据上述技术内容，本领域技术人员可以对上述实施例进行改进和变型。本发明的保护范围由下面的权利要求限定。

Claims (9)

1.一种发动机废气净化装置，包括：
过滤器(13)，用于捕集包含在来自从发动机的废气中的颗粒物；
压差检测传感器(16)，用于检测过滤器的压差；
传感器(14，15，21，31，33)，用于检测发动机运转状态；以及
微计算机(22)，其被编程用于：
根据检测的压差，计算过滤器(13)的推算的灰尘量ASH_a；
根据检测的发动机运转状态，计算发动机耗油量OC_total；
根据耗油量OC_total和推算的灰尘量ASH_a，计算灰尘密度DENS_ASH；以及
根据耗油量OC_total和灰尘密度DENS_ASH，计算过滤器(13)的灰尘量ASH。
2.根据权利要求1所述的发动机废气净化装置，还包括再生装置(1，3，4，8，11)，用于使过滤器捕集的颗粒物燃烧。
3.根据权利要求1或2所述的发动机废气净化装置，其中，微计算机(22)配备有一张图，该图给出相对于发动机废气流率和过滤器压差的灰尘量，且该微计算机被编程用于：
根据检测的发动机运转状态计算发动机废气流率；以及
通过根据计算的废气流率和检测的过滤器压差查找该图来计算推算的灰尘量ASH_a。
4.根据权利要求2所述的发动机废气净化装置，其中，微计算机(22)执行过滤器(13)的再生控制，并且该微计算机被编程用于：
根据发动机运转状态计算过滤器附近的废气流率；
判断过滤器是否已经完全再生；
判断计算的废气流率是否大于预定流率；以及
如果过滤器已经完全再生且过滤器附近的废气流率大于预定值，则计算推算的灰尘量ASH_a。
5.根据权利要求1或2所述的发动机废气净化装置，其中，用于检测发动机运转状态的传感器包括检测发动机负载(31，33)的传感器和检测发动机转速的传感器(21)；
以及其中，微计算机配备有一张图，该图给出相对于发动机负载和发动机转速的耗油量，并且该微计算机被编程用于：
通过根据检测的发动机负载和检测的发动机转速查找该图来计算耗油量OC_total；以及
根据耗油量OC_total和发动机油中的灰尘密度DENS_ASH来计算灰尘量。
6.根据权利要求1或2所述的发动机废气净化装置，其中，微计算机被编程用于：
计算推算的灰尘量相对于耗油量的平均增长率，且设定灰尘密度DENS_ASH为该平均增长率。
7.根据权利要求1或2所述的发动机废气净化装置，其中，耗油量用车辆行驶距离或发动机运转时间来表示。
8.一种发动机废气净化装置，包括：
用于捕集包含在来自发动机的废气中的颗粒物的装置(13)；
用于检测过滤器的压差的装置(16)；
用于检测发动机运转状态的装置(21，31，33)；
用于根据检测的压差计算过滤器(13)的推算的灰尘量ASH_a的装置；
用于根据检测的发动机运转状态计算发动机耗油量OC_total的装置；
用于根据耗油量OC_total和推算的灰尘量ASH_a来计算灰尘密度DENS_ASH的装置；以及
用于根据耗油量OC_total和灰尘密度DENS_ASH来计算过滤器(13)的灰尘量ASH的装置。
9.一种计算过滤器内灰尘量的计算方法，其包括下列步骤：
检测过滤器(13)的压差；
检测发动机运转状态；
根据检测的压差计算过滤器(13)的推算的灰尘量ASH_a；
根据检测的发动机运转状态计算发动机耗油量OC_total；
根据耗油量OC_total和推算的灰尘量ASH_a来计算灰尘密度DENS_ASH；以及
根据耗油量OC_total和灰尘密度DENS_ASH来计算过滤器(13)的灰尘量ASH。
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