CN1626779A - 柴油机微粒滤清器的再生 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种捕集车用柴油发动机(1)排气中包含的微粒的滤清器(41)的再生。可编程控制器(31)根据车辆运行模式通过以下步骤适当执行滤清器再生：根据第一传感器的输出计算指示频率的第一参数，柴油发动机(1)在到当前为止的预定时间段内以该频率执行怠速运转(S7)；根据第二传感器的输出计算第二参数，该第二参数指示到当前为止的预定时间段内滤清器(41)的温度状况(S3)；根据第一参数和第二参数确定是否能进行滤清器(41)的完全再生处理(S13)。

Description

柴油机微粒滤清器的再生
技术领域
本发明涉及一种安装在柴油发动机排气通道中的微粒滤清器的再生。
背景技术
1993年公开的日本专利特开平05-44437披露了一种用于处理车用柴油发动机排放的排气中的微粒的装置。
所述装置包括一个用于捕捉柴油发动机排气通道中的微粒物的微粒滤清器(DPF)。当DPF中沉积的微粒达到一预定量时，通过控制进气节流阀升高排气温度，进而升高DPF温度，从而使微粒物燃烧掉。这种处理方式被称为DPF的再生。
发明内容
当大量的微粒持续沉积在DPF中时，可能会导致再生处理的中断。而DPF再生过程一旦中断，微粒会停留在DPF温度较低的上游侧的外围，难以被燃烧掉。如果这种中断重复若干次，DPF中可能会有部分区域的微粒沉积量大大超过其最大沉积量。结果使得再生时DPF中温度梯度变大，对滤清器的抗热性造成不良影响。
导致再生过程中断的主要原因是排气温度低于DPF进行再生所需要的温度。因此，为了使DPF能够完成再生过程，在进行再生所需的时间段内车辆必须在几乎相同的状态下持续运行。
车辆运行模式包括高速行驶、市区低速行驶以及介于高低速行驶之间的郊区中速行驶模式。如果在上述不同运行模式下统一进行DPF再生，则再生过程被中断的机会必然增大。
因此，本发明的目的之一是根据不同的车辆运行模式采用适当方式实施DPF再生。
为达到上述目的，本发明提供了一种滤清器的再生机制(mechanism)的控制装置，所述滤清器捕集车用柴油发动机排气中包含的微粒。该控制装置包括：一第一传感器，用于检测柴油发动机是否正在进行怠速运转；一第二传感器，用于检测滤清器的温度；以及可编程控制器，用以控制再生机制。
控制器首先被编程为：根据第一传感器的输出计算指示频率的第一参数，柴油发动机在到当前为止的预定时间段内以该频率执行怠速运转；然后根据第二传感器的输出计算第二参数，该第二参数指示到当前为止的预定时间段内滤清器的温度状况(environment)；接着根据第一参数和第二参数确定是否能进行滤清器的完全再生处理，当确定能够进行滤清器的完全再生时，控制再生机制执行滤清器的完全再生。
同时，本发明提供了一种再生机制的控制方法。该方法包括：确定柴油发动机机是否正在进行怠速运转；确定滤清器温度；根据第一传感器的输出计算指示频率的第一参数，柴油发动机在到当前为止的预定时间段内以该频率执行怠速运转；根据第二传感器的输出计算第二参数，该第二参数指示到当前为止的预定时间段内滤清器的温度状况；根据第一参数和第二参数确定是否能进行滤清器的完全再生处理；以及当确定能够进行滤清器的完全再生时，控制再生机制执行滤清器的完全再生。
本发明的细节及其他特点、优点将在说明书余下部分加以叙述并在附图中示出。
附图说明
图1是一个示出了一种采用本发明的车用排气净化装置的示意图。
图2是由本发明的控制器执行的床温一阶延迟处理值rTbed和怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE的计算例程流程图。
图3是示出本发明中DPF床温的一阶延迟处理的时序图。
图4是示出本发明中柴油发动机的怠速运转频率的一阶延迟处理的时序图。
图5是示出由本发明的控制器执行的DPF再生处理例程的流程图。
图6是示出由控制器存储的DPF再生模式的脉谱图。
图7是示出由控制器设置再生模式子例程的流程图。
图8是示出现有技术中再生处理中断时DPF中微粒沉积状态的透视图。
图9是示出现有技术中再生处理重复中断时DPF中微粒沉积量分布的纵向截面图。
图10是示出了现有技术中微粒沉积量、排气温度与DPF床温的关系曲线图。
具体实施方式
根据图1所示，一种车用多缸柴油发动机1带有排气通道2和进气通道3。该进气通道3带有一个向各缸分配空气的集气部分(collector part)3a，该排气通道2与集气部分3a通过排气再循环(EGR)通道4连接。
膜片式EGR阀6安装在EGR通道4中，由一个限压阀和膜片式致动器依发动机控制器31发出的工作信号进行控制。
发动机1上带有一个共轨燃料喷射装置10，该装置10带有供应泵14，共轨(燃料储存器)16以及各缸用的喷嘴17。燃料由供应泵14加压后通过共轨16分配到各个喷嘴17中。
喷嘴17由针阀、喷嘴内腔、通向喷嘴内腔的燃料供应通道、挡板、液压活塞以及复位弹簧组成。
三通阀是一种可选择性地将共轨16与燃料供应通道排放口连通的阀，并且当处于OFF状态时，借助于共轨16中的高压油压通过燃料供应通道和喷嘴内腔，将针阀保持在阀座上。当处于ON的状态时，高压油压通过排放口释放，针阀抬起，喷嘴内腔中的燃料喷入气缸内。发动机1通过压缩点火使喷入气缸的燃料燃烧。
喷嘴17的燃料喷射正时由三通阀从OFF到ON的切换时刻决定，而燃料喷射量是由三通阀处于ON状态的持续时间决定的。当共轨16中的油压相等时，燃料喷射量随着三通阀处于ON状态的持续时间增加而增加。三通阀在ON和OFF之间的状态切换由控制器31发出的信号进行控制。
美国专利No.6247311中公开了这种共轨燃料喷射装置10。
可变容积增压器21的涡轮22设置在EGR通道4下游侧的排气通道2中。该增压器21带有一个安装在进气通道3中的压缩机23。涡轮22将排气流的能量转换为转动能，并利用该转动能驱动与之同轴的压缩机23。
由执行机构25驱动的可变喷嘴24安装在涡轮22的螺旋入口处。
执行机构25包括膜片式致动器26及用于调节膜片式致动器26的控制压力的限压阀27，限压阀27还可在发动机1处于低转速区域时，通过改变喷嘴开度来获得预定增压压力。特别地，在低转速下，喷嘴开度很窄，所以流入涡轮22的排气流速增大；而在高转速下，喷嘴开度变宽，所以使排气毫无阻碍地流入涡轮22中。
限压阀27根据发动机控制器31发出的工作信号来调节膜片式致动器26的压力，从而使可变喷嘴24的开度调整到目标位置。
由执行机构43驱动的进气节流阀42安装在集气部分3a的入口处。
执行机构43包括：一个膜片式致动器44，其根据控制压力驱动进气节流阀42；一个限压阀45，其根据控制器31的工作信号调节施加到膜片式致动器44的控制压力，从而使进气节流阀42 达到目标开度。
用于捕捉排气中微粒的柴油机微粒滤清器(DPF)41安装在涡轮22下游侧的排气通道2中。
发动机控制器31包括：一个具有中央处理单元(CPU)，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)以及一个输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机。
该控制器31控制EGR阀6的开度，喷嘴17的燃料喷射正时和燃料喷射量，增压器21的可变喷嘴24的开度，以及进气节流阀42的开度。聚集在DPF41中的微粒不定期地通过上述控制进行燃烧，这种再生处理持续进行，直到滤清器能再次捕获微粒为止。
为了实现上述控制，各种传感器检测得到的信号都输入控制器31中。这些信号包括：用于检测车辆加速踏板压下量的加速踏板压下传感器32，用于检测发动机1的转速Ne和曲轴转角的曲轴转角传感器33，用于检测发动机1的冷却水温度的冷却水温度传感器34，用于检测进气通道2中的进气量Qa的空气流量计35，用于检测DPF41上游侧与下游侧的压差ΔP的压差传感器36，用于检测滤清器41入口处排气温度Tin的温度传感器37，以及用于检测滤清器41出口处排气温度Tout的温度传感器38。
当DPF41中微粒沉积量达到预定量时，控制器31开始进行DPF41的再生处理，通过燃烧沉积在DPF41中的微粒并使之从DPF41中除去。
如上所述，在现有技术中，一旦DPF再生过程中排气温度降到再生所需温度以下时，再生就会中断，而微粒将沉积在DPF的局部。
如图8所示，DPF再生过程的中断导致微粒未被燃烧保持在DPF上游周边部分，这部分的床温很低。
这部分是未再生区域。如图9所示，如果再生过程一再中断，大量的微粒将在局部沉积。
如图10所示，当DPF中微粒沉积量增加时，达到DPF允许温度上限的排气温度将会降低。
换句话说，如果微粒沉积量增加，在更低的排气温度下，DPF的床温就会达到最大允许值。
当大量微粒沉积在局部时，DPF内部的温度梯度会增大，结果造成部分的床温超过最高允许温度，对DPF抗热性能有不良影响。
为了避免现有技术装置中存在的上述问题，本发明采用了以下的控制方法。
被DPF41捕获的微粒开始燃烧的温度大约为350摄氏度，而微粒燃烧很活跃的温度为650摄氏度或以上。
DPF41再生所需时间为5至10分钟。
在本实施例中，利用DPF41的床温和柴油发动机1的怠速运转频率为参数确定汽车在过去5分钟至当前的运行模式。同时，做出DPF41是否需要再生的决定。当确定需要进行DPF41的再生时，就根据过去5分钟的车辆运行模式来确定其再生模式，并按照确定的再生模式进行DPF41再生处理。
以下根据图2、图5及图7所示流程图对发动机控制器31执行的例程进行描述。
图2是确定床温和怠速运转频率的例程流程图。发动机控制器31在发动机运转过程中每10毫秒执行一次该例程。
在步骤S1中，控制器31读取DPF41的入口温度Tin和出口温度Tout，前者由温度传感器37检测，后者由温度传感器38检测，同时读出怠速运行确定参数。
怠速运行确定参数是用于指示发动机1是否处于怠速状态的参数。在本实施例中，由加速踏板压下传感器32检测的加速踏板压下量作为怠速运行确定参数。
在步骤S2中，控制器31将入口温度Tin和出口温度Tout求平均值确定DPF41的床温Tbed。
在步骤S3中，控制器31利用下式(1)计算通过对滤清器41的床温Tbed执行一阶延迟处理例程而获得的床温一阶延迟处理值rTbed。
rTbed＝rTbedn-1*(1-a)+Tbed*a               (1)
式中rTbedn-1＝例程上次执行计算所得的rTbed，
a＝加权平均系数(0≤a≤1)。
下面根据图3对床温一阶延迟处理值rTbed进行描述。
当车辆行驶在市区反复进行加速及减速时，床温Tbed依照行驶状态的变化而上下波动。相反地，床温一阶延迟处理值rTbed是将加减速的影响进行平均得出的值。随着加权平均系数a的增加，床温一阶延迟处理值rTbed接近床温Tbed。该加权平均系数a是通过实验选取的最佳值，可使床温一阶延迟处理值rTbed合适地代表过去5分钟的车辆运行模式。例程开始时的床温Tbed作为床温一阶延迟处理值rTbed的初始值。
步骤S4-S6用于计算怠速运转频率IDLE。
首先，在步骤S4中，控制器31判断步骤S1中读出的作为怠速运转确定参数的加速踏板压下量是否为0，为0则表示发动机1正在实行怠速运转。为了增加怠速运转判断的准确性，发动机1的转速Ne也作为判断指标之一，如果车辆装有车速传感器，那么车速也可加入判断指标中。
若通过步骤S4判断发动机1处于怠速状态，则在步骤S5中控制器31就将怠速运转频率IDLE设为100％。若通过步骤S4判断发动机1不处于怠速状态，则在步骤S6中控制器31将怠速运转频率IDLE设为0％。
在步骤S7中，控制器31利用下式(2)计算通过对怠速运转频率IDLE执行一阶延迟处理例程而获得的怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE(％)。
fIDLE＝fIDLEn-1*(1-b)+fIDLE*b                      (2)
式中fIDLEn-1＝例程上次执行计算所得的fIDLE，
b＝加权平均系数(0≤b≤1)。
下面根据图4对怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE进行描述。
当车辆在市区行驶反复进行加速及减速时，怠速运转频率IDLE依照行驶状态的变化而在100％和0％之间切换。通过对怠速运转频率IDLE执行一阶延迟处理例程而获得的怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE，是将加减速的影响进行平均得出的值。加权平均系数b是通过实验选取的最佳值，可使怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE合适地代表过去5分钟的车辆运行模式。例程开始时的怠速运转频率IDLE作为怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE的初始值。
在最后一个步骤S8中，控制器31将获得的床温一阶延迟处理值rTbed和怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE保存在存储器(RAM)中，然后结束整个例程。
在上述例程中计算得到的怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE表示过去5分钟的怠速运转频率。当fIDLE值增大时，怠速运转频率升高，表明车辆正行驶在市区。而当fIDLE值减小时，怠速运转频率降低，表明车辆已经进入高速行驶。
至于床温一阶延迟处理值rTbed，若该值增大则代表高速行驶，减小则表示行驶在市区。
图5示出了再生模式设定例程。柴油发动机1运转过程中，控制器31每5分钟执行一次该例程。
在步骤S31中，控制器31进行DPF41是否需要进行再生的判断。当由压差传感器36检测的DPF41上下游压差ΔP超过预定值时，判断出DPF41需要进行再生。前述日本专利特开平05-44437中披露的方法可以应用于进行DPF41是否需要再生的判断。
接着在步骤S32中，发动机控制器31进行再生模式的判断。图7所示子例程用于该判断。
图7中，如第一步骤S11所示，控制器31读出存储器中保存的床温一阶延迟处理值rTbed和怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE。
接着，在步骤S12中，控制器31参考提前保存在存储器中的具有图6示出的特性的图根据床温一阶延迟处理值rTbed和怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE确定运行区域。
如图6所示，相对于发动机1的运转状态设定了四种运行区域，从区域A至区域D。其中区域A的床温一阶延迟处理值rTbed较大，怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE较小，区域D的床温一阶延迟处理值rTbed较小，怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE较大。
在步骤S13中，控制器31判断运行状态是否对应于区域A，如果对应于A，则在步骤S16中将再生模式设为完全再生模式。
当步骤S13中运行状态不对应区域A时，控制器31在步骤S14中判断运行状态是否对应于区域B，如果对应于B，则在步骤S17中将再生模式设为部分再生模式。
当步骤S14中运行状态不对应区域B时，控制器31在步骤S15中判断运行状态是否对应于区域C。如果对应于C，则在步骤S18中控制器31将再生模式设为沉积量保持再生模式。
当在步骤S15中判断出运行状态不对应区域C时，则运行状态对应于区域D。在这种情况下，控制器31在步骤S19中将再生模式设为禁止再生模式。
在执行了步骤S16-S19其中的某一处理后，控制器31在步骤S20中将设定的再生模式存入存储器中。步骤S20执行完之后，控制器31结束该子例程。
回到图5中，在步骤S32设定了再生模式后，控制器31在接下来的步骤S33中按照存储器中保存的再生模式执行DPF41的再生处理例程。再生例程执行完后，控制器31结束该例程。
下面描述再生模式以及再生处理过程。
在完全再生模式中，所有沉积于DPF41中的微粒都进行燃烧。当滤清器41床温达到600摄氏度或更高，同时持续高速运行大约5分钟时，可实现将DPF41中全部微粒都燃烧掉。
如图6所示，完全再生模式对应于一个区域，在该区域中床温一阶延迟处理值rTbed比预定温度T2高，同时怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE小于50％。预定温度T2设为600摄氏度。
完全再生模式中不包括怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE大于等于50％情况的原因叙述如下。
当怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE超过50％时，车辆很可能行驶于市区或郊区，因此完全再生模式中进行再生处理所需的高速运行暂时可能不能执行。
在完全再生模式中，由于适合于完全再生的运行状态很可能持续很长时间，所以DPF41的再生不执行任何特殊处理。因此，在完全再生模式中，对再生处理基本上不执行任何操作。
部分再生模式是一种当不可能燃烧所有沉积于DPF41中的微粒时采用的将部分微粒进行燃烧的模式。
根据图6所示，部分再生模式对应于一个区域，在该区域中床温一阶延迟处理值rTbed比预定温度T2低但不低于预定温度T1，同时怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE处在除临近100％的再生禁止区域以外的其它区域内。预定温度T1设为400摄氏度。
当车辆行驶在郊区或市区时，持续5分钟的高速运行是无法预期的。然而，仅仅等待持续5分钟高速运行这一条件的建立，DPF41进行再生的机会几乎不会出现。因此设置部分再生模式的目的就是增加这种再生处理的机会，即使DPF41中仍有一部分微粒不能燃烧，以减少DPF41中的微粒量，即使是略微减少。通过反复进行部分再生模式处理，DPF41中的所有微粒都可以燃烧掉了。
部分再生模式的再生过程包括为了燃烧DPF41中沉积的30％至50％微粒量而升高床温所进行的发动机控制。升高床温可通过延迟喷嘴17的燃料喷射正时，使喷嘴17执行后喷射，延迟后喷射正时以及减小进气节流阀42的开度这些方法中的一个或组合来实现。上述所有升温方法都是公知的。
在沉积量保持模式中，为防止DPF41中沉积的微粒量的增加，执行了一些处理。当床温大约为400摄氏度，即设定为预定温度T1时，DPF41难以进行再生。因此采取了一些措施确保在床温达到适于DPF41再生的温度以前DPF41中微粒沉积量不会增加。
如图6所示，沉积量保持模式对应于一个区域，在该区域中床温一阶延迟处理值rTbed低于预定温度T1，同时怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE不超过大约70％。
设计沉积量保持模式再生处理的前提是：大约2克的微粒保持在DPF41中的每升的容积内，更明确地说，通过前述床温升高方法将床温保持在预定温度T1可以满足该条件。
在再生禁止模式中，DPF41的再生处理被禁止。
如图6所示，当床温一阶延迟处理值rTbed比400摄氏度低的多时，即使怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE很小，或当怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE远高于70％时，即使床温一阶延迟处理值rTbed很高，DPF41都不可能进行再生。在这些区域中，再生处理被禁止。因此，当步骤S19中再生处理模式设为再生禁止时，步骤S33中不执行任何再生处理。
图6所示特性根据柴油发动机1的规格不同而有所不同。因此，在实施时，各个区域的边界都是根据柴油发动机1的特性进行配机试验所得。本发明的主题是再生模式的确定方法，而不是对DPF4执行再生处理的方法。对于用于DPF41的再生处理方法而言，可以采用任何已知技术。
如上所述，DPF41的再生模式根据过去5分钟至当前的车辆运行模式确定，因此DPF41再生是依照车辆运行模式而适当执行的。结果使得DPF41进行完全再生的机会增加了，再生中断的次数则减少。
本发明参考了申请日为2003年12月10日的日本专利Tokugan2003-412120的内容，并结合在本文中作为参考。
虽然以上结合具体实施例对本发明进行了描述，但本发明并不只限于上述具体实施例。在各权利要求的范围内，本技术领域的普通技术人员可对上述实施例进行各种修改及变换。
例如，在上述实施例中，床温Tbed被确定为滤清器入口温度Tin和出口温度Tout的平均值，但床温也可以通过对入口温度Tin进行基于废气的排放和DPF41热容量的延迟处理而确定。另外，床温还可以由传感器直接检测。
并且，第一参数并不局限于怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE。例如，怠速运行频率IDLE在固定时间内的平均值也可以作为第一参数。类似地，第二参数并不局限于床温一阶延迟处理值rTbed。例如，床温Tbed在固定时间内的平均值也可以作为第二参数。
至于权利要求中的术语，在上述实施例中，温度传感器37构成第一传感器，加速踏板压下传感器32构成第二传感器，怠速运转频率一阶延迟处理值fIDLE构成第一参数，床温一阶延迟处理值rTbed构成第二参数。
本发明要求排他权或独占权利的具体实施例限定如下。

Claims (10)

1.一种滤清器(41)的再生机制的控制装置，所述滤清器(41)捕集车用柴油发动机(1)排气中包含的微粒，所述控制装置包括：
一第一传感器(37)，用于检测柴油发动机(1)是否正在进行怠速运转；
一第二传感器(32)，用于检测滤清器(41)的温度；以及
可编程控制器(31)，其被编程为：
根据第一传感器的输出计算指示频率的第一参数，柴油发动机(1)在到当前为止的预定时间段内以该频率执行怠速运转(S7)；
根据第二传感器的输出计算第二参数，该第二参数指示到当前为止的预定时间段内滤清器(41)的温度状况(S3)；
根据第一参数和第二参数确定是否能进行滤清器(41)的完全再生处理(S13)；以及
当确定能够进行滤清器(41)的完全再生时，控制再生机制以执行滤清器(41)的完全再生(S16，S20，S33)。
2.如权利要求1所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为通过对第一传感器(37)的检测值进行一阶延迟处理，计算第一参数(S7)。
3.如权利要求2所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为确定在第一参数超过预定值时完全再生不能进行(S13)。
4.如权利要求1所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为通过对第二传感器(32)的检测值进行一阶延迟处理，计算第二参数(S3)。
5.如权利要求4所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为确定在第二参数低于预定值时完全再生不能进行(S13)。
6.如权利要求1所述的控制装置，其中第二传感器(37)包括用于检测滤清器(41)入口温度的传感器(37)，该控制装置还包括用于检测滤清器(41)出口温度的传感器(38)，并且控制器(31)被进一步编程为对入口温度和出口温度取平均值来计算滤清器(41)床温(S2)，并根据床温计算第一参数(S3)。
7.如权利要求1至6中任一所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为：在确定完全再生不能进行后，根据第一参数和第二参数确定是否可以进行滤清器(41)的部分再生处理(S14)，当确定部分再生能够进行时，控制再生机制以进行滤清器(41)的部分再生处理(S17，S20，S33)。
8.如权利要求7所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为：在确定部分再生不能进行后，根据第一参数和第二参数确定是否能够对滤清器(41)执行沉积量保持处理以保持当前微粒沉积量(S15)，当确定能够执行该处理时，控制再生机制以对滤清器(41)进行沉积量保持处理(S18，S20，S33)。
9.如权利要求8所述的控制装置，其中控制器(31)被进一步编程为：在确定不能执行沉积量保持处理后，控制再生机制以禁止滤清器(41)的再生处理(S19，S20，S33)。
10.一种滤清器(41)的再生机制的控制方法，所述滤清器(41)捕集车用柴油发动机(1)排气中包含的微粒，所述控制方法包括：
确定柴油发动机机(1)是否正在进行怠速运转；
确定滤清器(41)温度；
根据第一传感器的输出计算指示频率的第一参数，柴油发动机(1)在到当前为止的预定时间段内以该频率执行怠速运转(S7)；
根据第二传感器的输出计算第二参数，该第二参数指示到当前为止的预定时间段内滤清器(41)的温度状况(S3)；
根据第一参数和第二参数确定是否能进行滤清器(41)的完全再生处理(S13)；以及
当确定能够进行滤清器(41)的完全再生时，控制再生机制以执行滤清器(41)的完全再生(S16，S20，S33)。
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