CN1786430A - 用于内燃机的排气过滤系统 - Google Patents

Abstract

为了限制柴油机微粒过滤器(DPF 3)的过度温度上升，电子控制单元(ECU 6)计算流过该DPF(3)的排气的流速，以便该DPF(3)的温度被保持在能够再生该DPF(3)的温度。通过调整节流阀(42)的位置，调整新鲜气体流速，以便流过该DPF(3)的排气的流速等于该排气的目标流速。

Description

用于内燃机的排气过滤系统

发明领域

本发明涉及一种在排放管中具有微粒过滤器的排气过滤系统，其在微粒过滤器的再生期间限制微粒过滤器的过度温度上升。

背景技术

具有配置在柴油机的排放管中的柴油机微粒过滤器的排气(exhaust gas)过滤系统(其被称为DPF)为大家所熟知。DPF捕获包含在来自柴油机的排气中的微粒(其被称为PM)。通过根据累积的PM量燃烧该累积的PM来周期性地再生DPF，其中该累积的PM量是根据DPF的上游和下游之间的压差而估计的。

JP-2004-068804A(US-2003/0230060A1)示出排气过滤系统的问题，即DPF的温度过度上升。累积的DPF的急剧燃烧使得DPF的温度急剧上升，以至于它导致DPF的损害以及DPF所支持的催化剂变质。尤其是当流入DPF的排气的温度由于发动机的高负荷驱动而相对比较高时，或者当通过DPF的排气的流速在通过借助于其再生操作而使得DPF温度很高的情况下急剧地减少时，DPF的过度温度上升势必出现。如图2A中所示，这是因为从DPF辐射到排气中的热辐射量HRAQ急剧地减少，从而急剧地增加DPF的温度。

为了限制温度上升，即便进行操作以减少从排气中传送到DPF的热量HREQ，例如，排气温度被减少或者未燃烧的HC被停止以被提供给DPF，也很难限制整个DPF的温度上升，因为DPF的下游部分经由流过其中的排气从DPF的上游部分中接收热量。必须增加流过DPF的排气量，以便增加进入排气之中的HRAQ，以限制DPF下游部分的温度上升。JP-2004-068804A示出一个系统，其中当过度温度上升发生时，增加流入DPF的排气量。

然而，当排气流速在其再生期间增加过高时，DPF上游部分的温度被显著地减少。由此，燃料被浪费用于再次增加DPF的温度，以至于燃料经济性变差。

发明概要

鉴于上述原因，给出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种排气过滤系统，其中按照抑制DPF的下游部分的过度温度上升以及抑制由于DPF的上游部分的温度降低导致的燃料经济性变差这样的方式，来很好地控制了流过DPF的排气的流速。

根据本发明，一种用于内燃机的排气过滤系统具有用于捕获包含在排气中的微粒的微粒过滤器，以及温度上升控制装置，该温度上升控制装置用于增加微粒过滤器的温度，并且将微粒过滤器的温度保持在预定温度。温度上升控制装置包括目标气体条件计算装置，用于计算流过微粒过滤器的排气的目标条件，在该目标条件中热量被在微粒过滤器和排气之间传送以便微粒过滤器的温度被维持在该预定温度。温度上升控制装置包括气体流速控制装置，用于按照获取该目标条件这样的方式来调整流过微粒过滤器的排气的流速。由此，排气在数量上的增量被限制，微粒过滤器的过度温度上升被限制，以及燃料经济性变差也被限制。

附图说明

从以下参考附图作出的详细说明中，本发明其他的目的、特征和优点将变得更加清晰，其中相同的部分由相同的参考数字来表示，并且其中：

图1是一个排气过滤系统的示意图；

图2A是用于解释DPF的再生温度的变化的时序图；

图2B是用于解释根据本发明的DPF的再生温度的变化的时序图；

图3是一个用于解释为了保持DPF的温度，过量和不足热量的计算方法的图；

图4是一个用于解释为了保持DPF的最高温度，过量和不足热量的计算方法的图；

图5是一个示出DPF的内部温度分布的图；

图6是一个用于解释其中排气的流速根据滑移率和车辆速度来增加的控制方法的时序图；

图7是一个示出其中调整流过DPF的流速的控制方法的流程图；

图8A是一个用于解释其中估计DPF的温度分布的方法的流程图；

图8B是一个示出小室热量收支计算模型的图表；

图9是一个用于计算排气的目标气体流速的方块图；

图10是一个示出新鲜气体的气体流速的反馈控制的流程图；

图11是一个示出气体增量确定方法的流程图；以及

图12是一个示出气体流速增量方法的流程图。

优选实施例的详细说明

下面将参考附图来描述本发明的实施例。

(第一实施例)

下面描述用于柴油机的排气过滤系统。图1是一个示出用于柴油机的排气过滤系统的示意图。排放管2包括第一排放管2a以及第二排放管2b。柴油机微粒过滤器(DPF)3被安排在第一排放管2a和第二排放管2b之间。该DPF 3具有众所周知的结构，其中诸如堇青石这样的耐火陶瓷被模制成蜂窝结构，该蜂窝结构具有形成排气通道的多个小室。小室的各端被交替关闭，以便每个小室在其开口端仅具有入口孔和出口孔的其中之一。发动机1的排气被引入DPF 3，以便该排气进入一个小室的入口孔，通过相应的多孔壁被提供给下一个小室，并且通过该下一个小室的出口孔被排出。当排气通过每个相应小室的多孔壁时，通过DPF 3过滤和收集包含在排气中的微粒(PM)。

DPF 3支持其上的氧化催化剂，通过该氧化催化剂流过排放管2的碳氢化合物(HC)被燃烧，以有效地增加排气和DPF 3的温度。作为选择，DPF 3在其上可以没有氧化催化剂，或者氧化催化剂可以被布置在DPF 3的上游。

第一排气温度传感器51和第二排气温度传感器52被分别提供于第一排放管2a和第二排放管2b。第一和第二排气温度传感器51、52检测DPF 3的上游温度和下游温度，并且与ECU(电子控制单元)6进行电连接，以发送检测信号到ECU 6。气流计(进气传感器)41被提供于进气管4，以发送表示进气流速的信号到ECU 6。节流阀42被提供在气流计41的下游，以从ECU 6中接收到命令时增加/减少进气流速。进气压力传感器43被提供在进气管4中，以检测节流阀42下游的进气压力。

进气管4通过装备有EGR阀7的EGR管71与第一排放管2a进行通信。当从ECU 6中接收到命令信号时，EGR阀7调整从第一排放管2a再循环到进气管4的排气量。涡轮增压器的压缩器91被提供在气流计41和节流阀42之间。压缩器91通过轴(未示出)与装备在第一排放管2a中的涡轮92机械地连接。涡轮增压器具有众所周知的结构。排气驱动涡轮92以旋转压缩器42。压缩器42压缩被提供给发动机1的进气。涡轮9具有可调喷嘴(未示出)，其根据发动机1的驱动状态来控制喷口叶片(VNT：未示出)的位置，以调整增压压力。

压差传感器8连接到第一和第二排放管2a、2b，以便检测由DPF 3捕获的累积的微粒数量。由DPF 3捕获的累积的微粒数量以下称为QAPM。压差传感器8的一端通过第一压力引入管81连接到第一排放管2a，并且传感器8的另一端通过第二压力引入管82连接到第二排放管2b。压差传感器8发送表示DPF 3的上游和下游之间的压差的信号到ECU 6。这个压差以下称为DPF压差。

ECU 6与诸如加速器位置传感器和发动机速度传感器这样的传感器(未示出)连接，以检测发动机1的驱动状态。ECU 6根据发动机1的驱动状态来控制适当的燃料喷射量、燃料喷射定时和燃料喷射压力，以进行适当的燃料喷射。ECU 6控制DPF 3的再生控制。当QAPM超过预定值时，DPF 3由加热装置(未示出)进行加热，以燃烧累积的PM。下面描述DPF 3的再生过程。

基于由压差传感器8所检测的DPF压差来估计QAPM。在排气量不变的情况下，DPF压差随着QAPM的增加而增加。基于DPF压差和排气量之间的这个关系，能够估计QAPM。或者，基于发动机的驱动状态来计算PM的排放量，然后对该排放量进行积分以估计QAPM。这些估计的方法能够被组合。

加热装置具体地是，诸如后期燃料喷射(post fuel injection)，延迟燃料喷射定时，节流阀42的进入节流，增加EGR阀7的EGR数量，以及中间冷却器旁通。该加热装置通过提供给排放管2的未燃烧的HC的氧化反应来使热生产。来自发动机1的排气的温度被增加。由此，处于高温的排气被提供给DPF 3。

ECU 6控制加热装置来将DPF 3维持在预定再生温度中，以通过操作该加热装置来再生DPF 3。这相当于温度上升控制装置。预定再生温度(用于再生的目标温度)可以是不变的，例如，650℃，或者可以根据QAPM逐步变化。在目标温度变化的情况下，目标温度被设置为比预置值低，以在QAPM相对很大的早期期间保持安全，然后当QAPM减少时增加目标温度，借此能够进行有效的再生。

温度上升控制装置控制温度上升操作量和控制流过DPF 3的排气的流速，以将DPF 3保持在目标再生温度。也就是说，目标气体流速计算装置计算目标排气流速，以便DPF 3被保持在目标再生温度。排气流速控制装置控制流过DPF 3的排气的流速，以便排气的流速与目标再生温度一致。

在图2A中示出的常规控制方法中，当发动机的驱动状态在DPF3的再生期间变化(例如，减速)时，排气的流速(FREG)被急剧地增加，以将DPF 3的温度急剧地上升至过度温度上升区域(OTRA)。这是因为再生温度不变的条件(HREQ+DPF内部产生的热量＝HRAQ)变成另一个条件，在该另一条件中被传送到流过DPF 3的排气的热量被急剧地减少。由此，HREQ与DPF内部产生的热量的总和超过HRAQ，以至于DPF 3的温度被增加。DPF内部产生的热量在下文中称为IGH。

为了避免这样一种情况，即便发动机的驱动状态变化，也应该规定流过DPF 3的排气的流速，以建立图2B中所示的下列等式。

HREQ+IGH＝HRAQ

也就是说，控制从DPF 3中传送到排气的热量，以便维持预定再生温度。

目标气体流速计算装置计算维持DPF 3的温度的多余和不足的热量，并且计算与该多余和不足的热量相对应的目标气体流速。具体地，如图3中所示，基于以下等式计算该多余和不足的热量ΔQ。

ΔQ＝Qr-Qb

Qr表示由于HC燃烧和PM燃烧导致的在DPF 3中产生的总热量。Qb表示将DPF的温度从排气温度增加到目标再生温度(例如，650℃)所需的热量。根据以下列等式计算热辐射量(HRAQ)Qout。

Qout＝Qex-Qin

Qin表示从DPF 3流出的排气所具有的热量。Qex表示流入DPF3的排气所具有的热量。在这里，在Tin表示流入DPF 3的排气的温度的情况下，Tex表示从DPF 3中流出的排气的温度，Mgas表示排气的流速，以及Cp表示排气的比热，建立下列等式。

Qex＝Cp×Mgas×Tex

Qin＝Cp×Mgas×Tin

由此，由下列等式来表示排气的流速Mtrg，其中Qout等于ΔQ。

Mtrg＝ΔQ/{Cp×(Tex-Tin)}

Mtrg被定义为排气的目标流速。

按照变成目标流速的方式来控制排气的流速，以便所转移的热量与多余和不足的热量一致。由此，将DPF 3的温度上升到比目标再生温度高的过剩热量能够被辐射到流过DPF 3的排气，以将DPF 3的温度维持在目标再生温度。排气的目标流速能够以排气的目标温度来代替。

或者，如图4和5中所示，为了维持DPF 3的最高温度，能够从DPF 3的内部温度分布中导出目标气体流速。在这种方法中，经由集中常数系统(concentrated constant system)来处理DPF 3，以便相对于图3中示出的方法，能够精确地计算排气的目标流速。在最高温度位置Pmax处多余和不足的热量ΔQmax是基于包括在位置Pmax处由于HC燃烧和PM燃烧产生的热量和转移的热量的总热量Qrmax，流入位置Pmax的排气的热量Qfr，以及用于将在位置Pmax处的温度维持为目标再生温度的热量Qbmax进行计算的。然后，基于该多余和不足的热量ΔQmax以及在上游位置Pfr和下游位置Prr处的相对于位置Pmax的气体温度Tfr、Trr来计算排气的流速，以便维持在位置Pmax处的温度。

由此，流过DPF 3的排气的流速与排气的目标流速一致，以便DPF 3的最高温度被维持在目标再生温度，以限制DPF 3的过度温度上升。或者，当驱动状态从高负荷变化为低负荷，或者从高速变化为低速时，计算用于将DPF的温度维持在期望温度的排气的目标流速。

具体地，气体流速控制装置按照流过DPF 3的排气的流速与排气的目标流速一致这样的方式来调整来自发动机1的排气量。例如，因为排气的流速＝流过DPF 3的排气的流速+EGR量＝新鲜气体流速+EGR量，所以流过DPF 3的排气的流速等于新鲜气体流速。根据新鲜气体流速和目标气体流速之间的偏差，通过操作节流阀42来改变压力损失，通过操作EGR阀71来改变EGR量，或者通过操作涡轮92的喷口叶片来改变排气压力损失和增压压力，以调整涡轮的驱动功率，以便调整进气压力来将新鲜气体流速维持在目标气体流速附近。此外，在涡轮装备有电动马达的情况下，能够通过控制电动马达的速度来调整进气压力。当排气能量相对低时，电动马达可以有效地调整排气量。

当新鲜气体流速过度减少时，进气压力也过度减少到将机油输入汽缸，这导致了一些问题。为了避免这样的问题，根据进气压力来限制节流阀42的开度、EGR阀71的开度以及喷口叶片的开度。

流过DPF 3的排气量的增加取决于发动机1的旋转速度。当发动机的旋转速度处于诸如怠速这样的低区域中时，排气的流速很难增加到目标流速，使得出现过度温度上升。为了避免这样的问题，根据发动机输出轴与车辆的滑移率(slip rate)来增加发动机1的旋转速度，以获取排气所需的流速。如图6中所示，当滑移率大约是100％时，例如，当离合器(未示出)被分开时，发动机1的旋转速度增加到获取目标流速的速度，从而限制了过度温度上升。当发动机的旋转速度相对于车辆速度被过度增加时，可能导致一些问题。由此，应该确立旋转速度增量的上限。

参考图7至12，下面将描述ECU 6的操作流程。

图7是一个示出DPF 3的加热控制的主操作的流程图。在步骤100中，估计DPF 3内部的温度分布。在这个实施例中，沿着气流线在DPF 3上建立十个温度估计点，DPF 3实际上被分成十个小室，它们的温度被测量以导出温度分布。图8A是一个示出估计温度分布的过程的流程图。在步骤101至110中，计算每一个小室的热量收支。借助于图8B中示出的热量收支模型来计算每一个小室的热量收支。

为了计算小室接收的热量，基于DPF衬底和排气的传热量、HC产生的热量、PM产生的热量以及小室衬底的温度来计算每一个小室的热传导量。为了计算小室衬底的温度，是基于所接收的热量以及小室的热容量来计算温度的增量。同时，计算HC量的增量、PM数量的增量以及O₂消耗。关于从第一小室至第十小室来进行该热量收支计算，以计算小室衬底的温度T1到T10。温度T1相应于DPF 3最上游部分的温度，以及温度T10相应于DPF 3最下游部分的温度。排气的流速是基于气流计41的检测值进行检测的，第一小室的上游气体温度是基于第一排气温度传感器51的检测值进行检测的，以及第一小室的上游HC量是基于驱动状态进行检测的。

在图7的步骤200中，是基于DPF压差和排气的流速来估计QAPM。借助于压差传感器8来计算DPF压差，并且基于气流计41的检测值来计算排气的流速。在步骤300中，确定DPF 3是否基于DPF温度上升控制程序(未示出)来再生。在DPF温度上升控制程序中，在QAPM和预定再生-启动QAPM之间进行比较。当QAPM超过再生-启动QAPM时，开启再生标志，以开始加热操作。当标志为开启并且在步骤300中回答为是时，该过程转到步骤400，其中基于下列步骤来进行气体流速控制。当在步骤300中回答为否时，该过程结束。

在步骤400中，基于DPF温度分布来计算在DPF再生期间排气的目标气流速率，其被称为GATRG。该GATRG是将DPF 3的最高温度维持在其再生温度的流速。图9是一个用于计算在再生期间排气的目标速率的程序的方块图。在这个程序中，基于在步骤100中计算的小室衬底的温度、流入DPF 3的HC量、在步骤200中计算的QAPM来计算在位置Pmax处由于HC燃烧和PM燃烧而产生的热量和热传导量。这些热量被加在一起，以计算总热量Qrmax。

随后，基于下列等式(1)来计算多余和不足的热量ΔQmax。

ΔQmax＝Qrmax-Qbmax  (1)

热辐射量(HRAQ)Qout是基于下列等式(2)进行计算的。

Qout＝Qrr-Qfr  (2)

Qrr表示在位置Pmax的下游的位置Prr处的排气所具有的热量。Qfr表示在位置Pmax的上游的位置Pfr处的排气所具有的热量。

在位置Pfr处的排气的温度由Tfr表示，在位置Prr处的排气的温度由Trr表示，排气的流速由Mgas表示，以及排气比热由Cp表示的情况下，建立下列等式(3)、(4)。

Qrr＝Cp×Mgas×Trr  (3)

Qfr＝Cp×Mgas×Tfr  (4)

当Qout等于ΔQmax时，排气的流速Mtrg由下列等式(5)来表示。

Mtrg＝ΔQmax/{Cp×(Trr-Tfr)}(5)

排气的流速Mtrg被转换成每单位时间的流速，以获取在再生期间排气的目标气流速率GATRG。

在步骤500中，为了将新鲜气体流速维持在步骤400中所计算的目标气流速率GATRG附近，新鲜气体流速被反馈以改变节流阀42的开度。进气(新鲜气体+EGR气体)流速等于排气(EGR气体+流过DPF的排气)的流速。因为EGR气体的流速是不变的，所以流过DPF的排气的流速能够通过操作节流阀来进行调整，以增加/减少新鲜气体流速。

图10是一个示出新鲜气体反馈控制过程的流程图。在步骤501中，新鲜气体流速GA是从气流计41中读取的。在步骤502中，进气压力PIM是从进气压力传感器43中读取的。在步骤503中，确定进气压力PIM是否低于预定压力PIM0。当在步骤503中回答为是时，该过程转到步骤504，其中节流位置THR被保持为先前值THROLD，以结束该过程。

在步骤505中，借助于基于发动机旋转速度和所要求的转矩的地图来计算基本的节流位置THRBASE。是由PID控制来校正基本的节流位置THRBASE，以计算节流位置THR。

在步骤506中，获取在步骤501中读取的新鲜气体流速GA和在步骤400中计算的目标气流速率GATRG之间的偏差EGA。

EGA←GA-GATRG  (6)

在步骤507中，基于先前的积分量来计算偏差EGA的积分量。在步骤508中，基于先前的微分量来计算微分量DEGA。

IEGA(i)←IEGA(i-1)+EGA(i)……(7)

DEGA(i)←EGA(i)-EGA(i-1)……(8)

在步骤509中，先前的节流位置THROLD由当前的节流位置THR来替代。在步骤510中，基于比例增益KP、积分增益K1、和微分增益KD来计算节流位置THR。

THR←THRBASE+KP·EGA+K1·IEGA+KD·DEGA  (9)

在图7的步骤600中，确定是否必须通过增加发动机1的旋转速度来增加排气流速。具体地，在图11的步骤601中，确定离合器是否被分开。当离合器被分开时，该过程转到步骤602，其中确定在步骤510中计算的节流位置THR是否为全开位置THRMAX。当在步骤602中回答为是时，该过程转到步骤603。当在步骤601中离合器不被分开时，并且当节流位置THR不是全开位置THRMAX时，该过程转到步骤606。

在步骤603中，计算GA和GATRG之间的偏差ΔGA。在步骤604中，确定偏差ΔGA是否小于零，这意味着排气的流速不足。当在步骤604中回答为是时，该过程转到步骤605，其中发动机速度增加标志XNEUP被开启。当在步骤604中回答为否时，该过程转到步骤606，其中标志XNEUP被关闭。

在图7的步骤700中，确定标志XNEUP是否为打开。当标志XNEUP为关闭时，该过程结束。当标志XNEUP为打开时，该过程转到步骤800，其中发动机的旋转速度被增加，以增加排气的流速。在图12的步骤801中，读取车辆速度SPD。在步骤802中，计算发动机的目标旋转速度NETRG。基于下列等式(10)来计算目标旋转速度NETRG。

NETRG＝GATRG/(η×V)(10)

其中V表示发动机排量。

在步骤803中，计算可接受的最大发动机速度NEMAX。可接受的最大发动机速度NEMAX是其中即使离合器接合时车辆不加速的发动机速度。具体地，计算将当前车辆速度维持在最小齿轮比的发动机的旋转速度。在步骤804中，确定NETRG是否大于NEMAX。当在步骤804中回答为是时，该过程转到步骤805，其中按照NEMAX等于NETRG这样的方式来限制发动机的旋转速度。随后，该过程转到步骤806。当在步骤804中回答为否时，该过程转到步骤806。在步骤806中，调整燃料喷射量，以便发动机的旋转速度等于目标旋转速度NETRG。

如上所述，在再生GATRG期间，能够将流过DPF的排气的流速调整到排气的目标气体流速。由此，与多余和不足的热量ΔQ相对应的热量能够作为热辐射量(HRAQ)Qout被辐射到DPF 3外，以便DPF 3的过度温度上升被限制，以避免燃料经济性变差。

Claims (9)

1、一种用于内燃机(1)的排气过滤系统，所述内燃机(1)具有用来捕获包含在排气中的微粒的微粒过滤器(3)，所述排气过滤系统包括：

温度上升控制装置(6)，用于增加所述微粒过滤器(3)的温度，以及将所述微粒过滤器(3)的温度保持在预定温度，其中

所述温度上升控制装置(6)包括：

目标气体条件计算装置，用于计算流过所述微粒过滤器(3)的排气的目标条件，在所述目标条件中热量被在所述微粒过滤器(3)和所述排气之间传送以便所述微粒过滤器(3)的温度被维持在所述预定温度；以及

气体流速控制装置，用于按照获取所述目标条件这样的方式来调整流过所述微粒过滤器(3)的所述排气的流速。

2、根据权利要求1所述的排气过滤系统，其中

所述目标气体条件计算装置计算足以将所述微粒过滤器(3)维持在所述预定温度的多余和不足的热量，并且计算所述目标气体条件，以便所述多余和不足的热量等于在所述排气和所述微粒过滤器(3)之间所传送的热量。

3、根据权利要求1所述的排气过滤系统，其中

所述目标气体条件计算装置基于所述微粒过滤器(3)的温度分布来计算所述目标气体条件，以便保持所述微粒过滤器(3)的最高温度。

4、根据权利要求1所述的排气过滤系统，其中

所述目标气体条件相应于所述排气的目标流速或者所述排气的目标温度。

5、根据权利要求4所述的排气过滤系统，其中

所述目标气体条件相应于所述排气的目标流速，以及

当所述发动机(1)的旋转速度和所述发动机(1)的驱动负荷的至少之一被减少时，所述气体流速控制装置相对于所述排气的目标流速逐渐增加地校正流过所述微粒过滤器(3)的所述排气的流速。

6、根据权利要求4所述的排气过滤系统，其中

所述目标气体条件相应于所述排气的目标流速，以及

所述气体流速控制装置按照流过所述微粒过滤器(3)的所述排气的流速等于所述排气的目标流速这样的方式来调整来自所述发动机(1)的排气量。

7、根据权利要求6所述的排气过滤系统，其中

所述气体流速控制装置通过调整节流阀(42)的节流位置、EGR控制阀门(7)的开度以及增压器(91、92)的旋转涡轮功率的至少之一来反馈控制进气流速。

8、根据权利要求7所述的排气过滤系统，其中

所述气体流速控制装置建立监视，以便保持进气压力高于预定值。

9、根据权利要求6所述的排气过滤系统，其中

所述气体流速控制装置通过根据输出轴和所述发动机(1)的驱动轴之间的滑移率以及车辆速度改变所述发动机(1)的旋转速度来调整来自所述发动机(1)的排气量。

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