CN1598257A - 发动机废气净化设备中的过滤器再生 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种再生过滤器(13)的再生控制设备，其通过提高废气的温度燃烧被过滤器捕获的微粒物质。过滤器(13)捕获从发动机(1)释放的废气中的微粒物质。该再生控制设备压缩了由于燃料再生导致的燃料性价比降低。该再生控制器具有用于检测发动机负载的负载检测传感器(31)和基于微机的控制器(22)。该控制器被编程用于在计算出的捕获量等于或者大于第一参考值(A)且小于第二参考值(B)，且检测到的负载(Vsp)等于或者大月参考负载(Vo)时，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度；和当计算出的捕获量等于或者大于第二参考值(B)时，不考虑所检测负载(Vsp)，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度。

Description

发动机废气净化设备中的过滤器再生
技术领域
本发明涉及发动机废气净化设备，更特别地，涉及用于过滤器再生处理的技术，其中过滤器捕获发动机废气中的微粒物质。
背景技术
WO97/16632中公开的发动机废气净化设备包括位于发动机废气系统中的过滤器，其用于捕获从柴油发动机等释放的微粒物质(下文称作“废气微粒”)，其中过滤器通过以预定间隔氧化或者燃烧所捕获的微粒加以再生。为了再生过滤器，该设备通过发动机控制延迟燃料喷射时限或者在主喷射之外进行二次喷射来提高废气温度。
发明内容
当过滤器捕获的废气微粒达到预定限量时，该先前技术的再生设备开始再生。因此，在发动机运转状态下，当再生开始或者被执行时，需要大量的燃料来提高废气温度，而这会降低燃料的性价比。
因此本发明的一个目的是提供一种再生控制设备，其能够压缩由于过滤器再生导致的燃料性价比降低。
为了获得上述目的，本发明提供了一种再生控制设备，其再生用于捕获发动机废气中微粒物质的过滤器，该再生控制设备通过提高废气的温度燃烧过滤器中捕获的微粒物质，该再生控制设备包括检测发动器负载的负载检测传感器和一个微型计算机。该微型计算机被编程，从而根据包括发动机负载的发动机运转状态计算被过滤器捕获的微粒物质的捕获量；将计算出的捕获量与第一参考值和第二参考值相比较；当计算出的捕获量等于或者大于第一参考值而小于第二参考值，且所检测的负载等于或大于参考负载时，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器的废气温度；当计算出的捕获量等于或者大于第二参考值时，不考虑所检测负载，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器的废气温度。
本发明的细节以及其它的特点和优点将在余下的专利说明书中加以阐述，并在附图中加以显示。
附图说明
图1是能够应用本发明的发动机系统的示意图。
图2是显示关于第一实施例再生控制程序的流程图。
图3是显示各种再生温度下废气微粒捕获量随时间变化的曲线图。
图4是显示再生效率与燃料性价比之间关系的曲线图。
具体实施方式
参考图1，能够应用本发明的发动机系统包括发动机体1、入口通道2和废气通道3。燃料喷射器4和燃料喷射泵5附加在发动机体1上。在本说明书中，发动机体1和燃料喷射器4可以整体地称作发动机。空气净化器6、气流计7、废气压缩机9、涡轮增压器8、中间冷却器10和节流阀11安装在入口通道2的上游侧。废气涡轮增压器8的涡轮机12和捕获废气微粒的过滤器13安装在废气通道3的上游侧。过滤器13是用于柴油发动机(diesel engine)的柴油微粒过滤器(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。差动压力传感器16检测过滤器13的差动压力(differential pressure)。EGR(废气再循环)通道17连接入口通道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安装有可变喷嘴20，其能够调节废气流入涡轮机12的流速。曲柄角传感器21检测发动机的旋转速度和曲柄位置。此外，该发动机系统还安装有各种辅助设备。
基于微计算机的控制器22由微型机算计构成，其包括中央处理单元、ROM(只读存储器)、随机存储器(RAM)和输入/输出界面(I/O界面)。根据来自上述传感器的信号，控制器22控制燃料喷射时限、喷射量、节流阀11的开启、EGR量、可变喷嘴20的开启和辅助设备的负载等参量中的一个或多个，并通过该发动机控制来增加/调节废气温度。
控制器22起再生控制设备的一部分和计算设备的作用，再生控制设备通过发动机控制来调节废气温度。发动机起热发生设备的作用，其通过提高过滤器的床体温度(bed temperature)燃烧微粒物质从而再生过滤器。
通过控制器22执行再生控制的概述如下。
控制器22在执行再生控制的同时，连续检测背景中的负载Q和旋转速度Ne作为发动机的运转状态，并用负载Q和旋转速度Ne计算过滤器捕获的微粒的量(微粒捕获量)。
使用控制器22的燃料喷射量命令值作为负载Q的典型值，读出的曲柄角传感器21的信号作为旋转速度Ne。如果发动机系统安装有检测燃料喷射量的燃料喷射量检测传感器，那么控制器22就可以读出燃料喷射量作为来自燃料喷射量检测传感器的负载Q。
各种用于计算过滤器中微粒捕获量的技术是已知的。计算技术的一个实例如下所示：预先根据实验绘制一个表格并存储在控制器22的ROM中，该表格确定微粒相应于负载Q和旋转速度Ne从发动机释放的释放速度(固定间隔内的释放量)。控制器22通过积分每个固定间隔内读出的释放速度计算微粒捕获量。否则，控制器22根据前述的发动机运转状态信号和来自差分压力传感器16的信号计算微粒捕获量。
如后面说明的，当废气微粒捕获量与发动机负载之间的关系满足预定条件时，控制器22执行过滤器再生。在图1所示的发动机系统中，用于过滤器再生的发动机控制的执行例如通过：用节流阀11节流吸入的空气，延迟燃料喷射时限，执行二次喷射，减少EGR量或者控制可变喷嘴20的开启。过滤器再生所需的300℃或者更高的废气温度通过发动机控制加以保证。
参考图2的流程图，说明关于用控制器22执行过滤器再生的控制程序的第一方案。该控制程序通过例如以固定间隔(例如10ms)中断定时器重复地加以执行。
首先，在步骤S101，通过前述的方法计算在没有执行再生的发动机运转状态下废气微粒的捕获量PM。
接着，在步骤S102，将计算出的捕获量PM与第一参考值A和第二参考值B比较。第一参考值A被设定为小于第二参考值B。第二参考值B被设定在由发动机系统和过滤器的特性确定的允许最大捕获量的附近。
在步骤S102的比较中，如果PM＜A，则认为捕获量没有达到再生所要求的水平，从而终止本程序而不执行再生处理。
如果A≤PM＜B，程序进行到S103，计算发动机负载。这里，安装了图1中发动机系统的机动车的机动车速度Vsp被检测作为负载Q。机动车的机动车速度Vsp可以通过机动车速度传感器31加以检测，或者由曲柄角传感器21的信号计算出来。
接着在步骤S104，确定机动车速度Vsp是否等于或者大于参考值Vo。只有当所检测到的机动车速度Vsp等于或者大于参考值Vo(也就是，机动车以高速运转)时，程序才进行到步骤S105，然后进行再生处理。如果机动车速度Vsp等于参考值Vo，这意味着负载Q为参考负载Qo。如果低于参考值Vo(例如30-50km/h)的机动车速度则认为机动车在城区行驶。进一步，喷射到发动机的燃料量可以表示负载。燃料喷射量检测传感器可以检测燃料喷射量，且控制器22可以从燃料喷射量检测传感器读出燃料喷射量。
在步骤S105，通过增加/调节废气温度进行再生。
接着，在步骤S106中，计算被再生的过滤器中的微粒捕获量PM。再生期间被除去/燃烧的废气微粒数量能够用已知的方法计算。该计算可以用过滤器再生温度与再生时间之间的关系加以执行，或者被除去的废气微粒量可以通过参考预先绘制的图(map)加以计算，该图给出相应于发动机运转状态的去除量。再生温度是指再生中过滤器的温度。
当前捕获量(残留在过滤器中的废气微粒量)通过从再生开始时的捕获量中逐步减去去除量加以计算。
在步骤S107中，确定捕获量PM是否达到预定的零值，也就是，是否执行了燃料再生。当PM＝0时，程序进行到步骤S108并终止再生。当PM＞0时，程序返回到步骤S104，且再生持续到PM＝0。然而，当再生期间的机车速度Vsp降到低于参考值Vo时，则停止再生。
另一方面，如果在步骤S102中确定PM＞B，则程序进行到步骤S109，且不考虑发动机的负载，执行再生。
接着，在步骤S110，按照类似于步骤S106的方法计算捕获量PM。
接着，在步骤S111，捕获量PM与第三参考值C相比较。第三参考值C被设定为第一参考值A或者比第一参考值A更高的值。如果捕获量PM大于参考值C，则程序返回到步骤S109并继续再生处理。如果发动机达到预定的负载运转状态，其包括在再生处理期间空转，则可以停止再生处理。
根据前述的再生控制，在相对低的负载运转状态下，其中机车速度小于参考值Vo，不开始再生，直到废气中微粒的捕获量等于或大于相应于预定最大值的第二参考值B为止。另一方面，如果捕获量等于或大于第一参考值A，即使小于第二参考值B，在相对高的负载运转状态下也执行再生，其中在高负载运转状态下机车速度等于或者大于参考值Vo。因此，在燃料性价比由于再生而降低的相对低的负载运转状态下，再生几率被降低，此外，过滤器中的微粒捕获量能够通过使用相对高的负载运转状态被连续压缩到较低，其中在高负载运转状态下可有效地获得再生所需的废气温度。
图3显示了废气微粒捕获量从再生开始到结束的时间依赖变化。参考图3，能够理解过滤器再生开始时的废气微粒捕获量与完成再生所需的时间之间的关系。在低再生温度Tb下，不考虑起始捕获量(A或B)，完成再生所需的时间较长，其中低再生温度Tb能够在相对低的负载运转条件下获得，而相对低的负载运转条件相应于机车在城区内的行驶。在更高的再生温度Ta(Ta＞Tb)下，再生能够有效地在短时间内完成，如图3的点划线所示，其中更高的再生温度Ta能够在相对高的负载运转条件下获得，而相对高的负载运转条件相应于机车以高速行驶。
另一方面，图4显示了再生期间燃料性价比与再生比之间的关系。再生比表示通过再生除去的微粒量的百分数，且它在再生开始时为零，在再生结束时为100％。在当机车行驶于城区内时的再生温度Tb下，燃料性价比在再生比为50％或更多的区域内显著增加。另一方面，在当机车以高速行驶时的再生温度Ta下，再生有效执行的范围是从再生比为50％到完全再生100％。
根据本发明，因为再生主要在高负载条件下执行，所以燃料性价比的降低被压缩，这从图3和图4的特征中可以看出。如图4所示，在低负载下，当再生效率为50％或者更多时，再生效率恶化，因此在这一方面，通过将第一参考值A设定为大约50％，并将第二参考值B设定为大约第一参考值A的两倍，将能够更有效地执行再生。
参考值C用于在图2的步骤S111中在低负载条件下确定再生处理的结束，并可以设定为等于或者高于第一参考值A。在这种情况下，如果在步骤S109-S111的再生处理终止之后，机车立刻以高速行驶，那么通过步骤S104的确定继续执行再生处理直到获得完全的再生为止。因此，能够执行可有效利用高负载运转条件的再生。
进一步，如果第一参考值A和第二参考值B设定得较小，那么甚至当废气微粒捕获量相对较小时，再生也能够在高负载发动机运转条件下开始。出于这个原因，通过主动利用高负载发动机运转条件，其对燃料性价比没有影响且能够容易地允许提高废气温度，过滤器中微粒的捕获量能够维持得较低。另一方面，当发动机负载较低、燃料性价比由于提高废气温度趋向于增加时，当再生废气中微粒的捕获量等于或大于第二参考值B(相对较高)时，首先执行再生。因此，会减小再生过滤器的燃料性价比。
尽管上面通过本发明特定的实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不仅限于上述的实施例。本领域技术人员能够根据上述技术对上述的实施例进行各种修改和变化。本发明的范围由随后的权利要求限定。
这里引用了日本专利申请P2003-328739的全部内容作为参考。

Claims (9)

1.一种用于再生过滤器(13)的再生控制设备，其中过滤器(13)用于捕获从发动机(1)排出的废气中的微粒物质，该再生控制设备通过提高废气温度燃烧被过滤器捕获的微粒物质，该再生控制设备包括：
负载检测传感器(31)，其检测发动机负载，和
微计算机(22)，其被编程用于：
根据包括发动机负载的发动机运转状态来计算被过滤器捕获的微粒物质的捕获量；
将所计算的捕获量与第一参考值和第二参考值进行比较；
当计算出的捕获量等于或者大于第一参考值且小于第二参考值，且检测到的负载等于或者大于参考负载时，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度；以及
当计算出的捕获量等于或者大于第二参考值时，不考虑所检测的负载，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度。
2.根据权利要求1的再生控制设备，其中微计算机(22)进一步被编程用于：
在检测到计算出的捕获量等于或者大于第一参考值而小于第二参考值，且检测出的负载等于或者大于参考负载时，继续发动机控制以调节废气温度，直到微粒物质的捕获量达到预定值为止。
3.根据权利要求1或者2的再生控制设备，其中微计算机(22)被进一步编程用于：
在检测到计算出的捕获量等于或者大于第二参考值后，继续发动机控制以调节废气温度，直到微粒物质的捕获量达到超过第一参考值的第三参考值为止。
4.根据权利要求3的再生控制设备，其中微计算机(22)被进一步编程用于：
当发动机处于包括空转的预定低负载运转状态时，停止发动机控制以调节废气温度。
5.根据权利要求1或2的再生控制设备，其中第二参考值被设定为大约是第一参考值的两倍。
6.根据权利要求1或2的再生控制设备，其中负载检测传感器(31)检测安装了发动机的机车的行驶速度。
7.根据权利要求1或2的再生控制设备，其中发动机系统包括发动机(1)，其安装有如下设备的其中一个：燃料喷射器(4)、涡轮增压器(8)、废气再循环设备(17、18、19)、节流阀(11)和辅助设备，且
调节废气温度的发动机控制是如下控制之一：燃料喷射时限控制、燃料喷射量控制、涡轮增压器可变喷嘴(20)的开启控制、废气再循环控制、入口空气量控制和辅助设备负载控制。
8.一种用于再生过滤器(13)的再生控制设备，其中过滤器(13)用于捕获从发动机(1)排出的废气中的微粒物质，该再生控制设备通过提高废气温度燃烧被过滤器捕获的微粒物质，该再生控制设备包括：
用于检测发动机负载的装置；
用于根据包括发动机负载的发动机运转状态计算被过滤器捕获的微粒物质捕获量的装置；
用于将所计算的捕获量与第一参考值和第二参考值进行比较的装置；
当计算出的捕获量等于或者大于第一参考值且小于第二参考值，且检测到的负载等于或者大于参考负载时，用于执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度的装置；和
用于当计算出的捕获量等于或者大于第二参考值时，不考虑所检测负载，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度的装置。
9.一种用于再生过滤器(13)的再生方法，其中过滤器(13)用于捕获从发动机(1)排出的废气中的微粒物质，该方法通过提高废气温度燃烧被过滤器捕获的微粒物质再生过滤器，该再生方法包括：
检测发动机负载的装置；
根据包括发动机负载的发动机运转状态来计算被过滤器捕获的微粒物质的捕获量；
将所计算的捕获量与第一参考值和第二参考值进行比较；
当计算出的捕获量等于或者大于第一参考值且小于第二参考值，且检测到的负载等于或者大于参考负载时，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度；和
当计算出的捕获量等于或者大于第二参考值时，不考虑所检测负载，执行发动机控制从而调节用于再生过滤器(13)的废气温度。
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