CN1818356B - 柴油微粒滤清器再生装置和柴油微粒滤清器再生方法 - Google Patents

柴油微粒滤清器再生装置和柴油微粒滤清器再生方法 Download PDF

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Abstract

发动机控制器(20)控制沿车辆柴油机(9)的排气道(3)所设置的柴油机微粒滤清器(11)的再生。根据柴油机(1)的运行条件、响应终止请求，再生终止。当终止时的再生经过时间短于基准持续时间时，发动机控制器(20)将对应于再生经过时间与基准持续时间的偏差的时间加到用于DPF(11)的下一次再生的基准持续时间，由此完全去除在滤清器(11)的进气口(18)内和进气口周围累积的微粒。

Description

柴油微粒滤清器再生装置和柴油微粒滤清器再生方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机微粒滤清器的再生。
背景技术
捕获在从柴油机中释放的排气中包含的微粒的柴油机微粒滤清器(以下称作DPF)的特点在于：微粒的累积量越大，则排气流阻越大，导致在DPF的上游和下游之间的差压的增加。
为了去除累积的微粒，进行所谓的DPF的再生，根据这种再生，当DPF的压力高于预定压力时，确定微粒的累积量已达到基准捕获量，然后在DPF中累积的微粒被燃烧，使得DPF恢复到成功捕获微粒。
然而，微粒不是均匀地累积在DPF中，而往往会集中累积在DPF进气口内和进气口的周围。与累积在DPF下游的微粒不同，累积在该区域中的微粒往往不易被燃烧，这源于这样一个事实，即在DPF上游区域中所产生的燃烧热量可用于燃烧在DPF中累积的微粒，而另一方面，仅排气热量可被用于燃烧在进气口内或进气口周围的微粒。
发明内容
日本专利局在2002年公布的第JP2002-0309922-A号日本专利申请提出了在指向上游的DPF进气口的周围形成撞击，使得微粒很难附着在进气口附近。
根据该现有技术，能够防止在DPF进气口附近的微粒的累积。然而，由于该现有技术没有用于去除累积在DPF进气口内和进气口周围的微粒的任何具体装置，所以不能确保去除在该区域内累积的微粒。换句话说，即使在该区域内微粒的累积被抑止，但根据该现有技术，重复DPF再生和重复抑止DPF的再生往往会增加在该区域内累积的微粒的量。
因此本发明的一个目的是当再生时完全去除在DPF进气口内和DPF进气口周围累积的微粒。
为了实现上述目的，本发明提供了一种柴油微粒滤清器(11)再生装置，通过燃烧在柴油微粒滤清器(11)中累积的微粒来再生柴油微粒滤清器(11)，所述滤清器(11)沿车辆柴油机(1)的排气道设置，该装置包括：
传感器(14、15)，检测所述滤清器(11)的温度；和
可编程控制器(20)，被编程为：
在滤清器(11)的温度高于基准温度期间，累计经过时间(S105A、S106)；
当滤清器(11)的再生被终止时，计算所述经过时间与基准持续时间的偏差(S108)；和
根据所述偏差校正滤清器(11)的下一次再生的预定再生条件(S109、S110)，其中所述预定再生条件是基准温度或基准持续时间。。
本发明也提供了一种柴油微粒滤清器(11)再生方法，通过燃烧在柴油微粒滤清器(11)中累积的微粒来再生柴油微粒清滤器(11)，所述柴油机微粒滤清器(11)沿车辆柴油机(1)的排气道设置，该方法包括：
检测所述滤清器(11)的温度；
在滤清器(11)的温度高于基准温度期间，累计经过时间(S105A、S106)；
当滤清器(11)的再生被终止时，计算所述经过时间与基准持续时间的偏差(S108)；和
根据所述偏差校正滤清器(11)的下一次再生的预定再生条件(S109、S110)，其中所述预定再生条件是基准温度或基准持续时间。
本发明的详细情况以及其它的特征和优点在其余的说明书中被列出并在附图中被示出。
附图说明
图1是根据本发明的柴油机的排气净化装置的结构图；
图2A和图2B是用于说明在DPF中的微粒的特征的DPF的结构剖面图；
图3是说明当再生根据本发明的DPF时在各个DPF部分的温度的变化的时序图；
图4是说明由根据本发明的控制器所执行的DPF再生例程的流程图；
图5是说明由限定微粒的累积量和差压之间的关系的控制器所存储的特性曲线图的示图；
图6是说明由于执行DPF再生例程所产生的DPF床温的变化的时序图。
具体实施方式
参照图中的图1，用于使车辆行驶的柴油机1包括吸入空气的进气道2和排出排气的排气道3。进气道2和排气道3与柴油机1的多个燃烧室相连。
柴油机1包括去除来自外部的进气中的灰尘的进气道2中的空气滤清器6，增压进气的涡轮增压器8的压缩机8b，冷却进气的中冷器9和调节进气流率的进气节流阀10。
柴油机1包括喷油器4，其分别设置在各个燃烧室的上部区域并且通过进气道2朝所吸入的空气喷射燃油。
柴油机1包括在进气道3中的涡轮增压器8的涡轮8a和捕获排气中包含的微粒的DPF 11。涡轮增压器8的涡轮8a和压缩机8b绕旋转轴同时旋转。流过排气道3的排气能使压缩机8b通过涡轮8a旋转，由此增压柴油机1中的进气。涡轮8a包括所谓的可变几何形状系统，其当发动机1以低速旋转时使用可变喷嘴(variable nozzle)8c使排气的流过断面变窄，由此获得所需的排气压力。
可变喷嘴8c和进气节流阀10通过响应负压运转的各膜片制动器被驱动。
排气道3和进气道2通过排气再循环(EGR)管路12彼此相连。来自排气道3的部分排气通过EGR管路12倒流入进气道2。调节EGR流率的EGR阀13被安装在EGR管路12中。
喷油器4的燃油喷射量和燃油喷射正时、EGR阀13的开度、提供到膜片制动器(其驱动可变喷嘴8c和进气节流阀10)的负压根据来自发动机控制器20的输出信号分别被控制。
发动机控制器20由微计算机构成，该微计算机包括中央处理单元(CPU)、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)。控制器20也可由多个微计算机构成。
为了控制上述参数，多个传感器被配置，并且来自其的检测数据通过信号电路输入发动机控制器20。这些传感器包括但不限于：检测柴油机1的曲轴转角的曲轴转角传感器5、检测进气道2中的进气流率的空气流量计7、检测在DPF 11的上游和下游之间的差压的差压传感器14、检测在DPF 11的上游区域中的排气温度的温度传感器15和检测DPF 11的下游区域中的排气温度的温度传感器16。
下面，参照图2A和图2B，将说明在DPF 11中的微粒的特征。
参照图2A，DPF 11包括支承催化剂的滤清器17、将来自柴油机1的排气引入到滤清器17的进气口18和排出通过滤清器17的排气的排气口19。
从示图中可以看出，一些微粒累积在DPF 11的进气口18内和其的周围。该累积量不比在其它部分的累积量大很多。在这种状态下，已流入DPF 11的排气通过滤清器17，滤清器17然后捕获排气中包含的微粒。在微粒已被滤清器17捕获之后，排气从排气口19被排出。
图2B示出了微粒累积在DPF 11的上游端表面上的情况。在下列说明中，该特别部分被称作前端。在前端面上累积的微粒可引起对进气口18的完全阻塞。对进气口18的完全阻塞阻止了排气的排出，即使大量的微粒尚未累积在滤清器17中，导致柴油机1的运转停止。对进气口18的这种阻塞是由下列原因产生的。
一般说来，在滤清器17中微粒的累积导致了DPF 11的排气流阻的增加和由差压传感器14所检测的差压的增加。当根据所检测的差压已确定在DPF 11中所累积的微粒已达到基准捕获量时，发动机控制器20再生DPF 11。
通过采用下列公知的方法，DPF 11的再生被执行。
具体地说，通过进行处理来升高排气的温度，如使进气节流阀10变窄，由此增加提供到柴油机1的空气的泵气损失，控制喷油器4喷射增大量的燃油或在喷油器4已进行主喷射之后进行后喷射，在DPF11中的累积微粒被燃烧。
下面，参照图3，将说明在其的再生期间的DPF 11的温度的变化。图中的实线表示在DPF 11的前端的温度，而虚线表示DPF 11的内部温度。
一旦DPF 11的再生开始，则高温排气流入DPF 11中，导致在前端的温度的增加。之后，一旦在DPF 11中累积的微粒开始燃烧，则DPF 11的内部温度增加。
由于排气通过DPF 11流向下游，所以在微粒开始燃烧后在DPF11的前端的温度的增加慢于DPF 11内部的温度的增加，并且在前端累积的微粒的燃烧慢于在DPF 11内累积的微粒的燃烧。
因此，例如由于柴油机1的运行条件的变化，当DPF的再生不能继续充分的时间时，未燃烧微粒主要残留在前端。重复DPF 11的这种未完全再生可导致在前端的微粒的逐渐增加并最终可导致进气口18的阻塞，如图2B中所示。
在进气口18内累积的微粒量的增加导致由差压传感器14所检测的差压的增加，即使微粒尚未在DPF 11内部累积。此时，如果发动机控制器20根据差压的增加误认为在DPF 11中累积的微粒的量已达到基准捕获量并且因此再生DPF 11，则再生DPF 11的频率增加，使得柴油机1不必要地增加燃油消耗量。
本发明的目的是通过确定在前端累积的微粒的状态，然后校正当进行DPF 11的下一次再生时DPF再生时间的持续时间，完全去除在DPF 11的前端累积的微粒而不增加再生DPF的频率，使得微粒被均匀地分布。
下面，参照图4，将说明对于这种操作，由发动机控制器20所执行的DPF再生例程。发动机控制器20在柴油机1开始运转的同时开始执行该例程。当完成该例程时，开始执行下一个例程。因此，当柴油机1在运转时总是执行该例程。
发动机控制器20除了执行该例程外，还执行特别设置的单独的例程，以确定柴油机1的运行条件是否适合于DPF 11的再生。当确定柴油机1的工作状态不适合于DPF 11的再生时，单独的例程发出DPF再生终止指令，停止DPF的再生例程。
在停止执行DPF的再生例程时，当柴油机1的工作状态恢复到适合于DPF 11的再生的工作状态时，发动机控制器20恢复执行DPF再生例程。
在步骤S100中，发动机控制器20根据由差压传感器14所检测的差压检索预存储在存储器(ROM)中并具有图5中所示的特性曲线的图，然后计算在DPF 11中的微粒捕获量。
如图5中所示，图中的差压越高，则微粒捕获量越大。该图在假定微粒被相对均匀地分布并在DPF 11中被累积的情况下被设计，如图2A中所示。
在下一个步骤S101中，发动机控制器20将微粒捕获量与预定基准捕获量相比较。基准捕获量为确定DPF 11的再生是否应被进行的值，并不是在DPF 11中的微粒捕获量的物理上限。一般说来，远远低于在DPF 11中的微粒捕获量的物理上限的值被设置为基准捕获量。
在步骤S101中，如果微粒捕获量已达到基准捕获量，则发动机控制器20进行步骤S102的处理。相反，如果微粒捕获量还未达到基准捕获量，则发动机控制器20重复步骤S100和S101的处理，直到微粒捕获量达到基准捕获量为止。
在步骤S102中，发动机控制器20响应车辆行驶条件设置用于DPF11的再生的基准温度和基准持续时间(reference duration)。基准温度和基准持续时间具有下列含义。即，它们为通过DPF的再生使得由DPF 11所捕获的微粒和在前端上累积的微粒，以等于或大于基准温度的温度燃烧等于基准持续时间的一段时间的值。
基准温度为燃烧微粒所需的温度。在车辆在市区以较低的速度行驶的情况下，基准温度为较低的温度，例如600℃，因此很难提高排气温度。相反，在很容易提高排气温度例如当车辆以高速行驶时的情况下，高于当车辆在市区行驶时的温度，例如650℃，被设置为基准温度。
基准持续时间根据基准温度被设置。因此，对于较低的车辆行驶速度，基准持续时间被设置为较长；而对于较高的车辆行驶速度，基准持续时间被设置为较短。因此，根据基准温度和车辆行驶速度规定的基准持续时间的图被预存储在发动机控制器20的存储器(ROM)中。
发动机控制器20将在存储器(RAM)中所存储的偏差加到基准持续时间，延长用于DPF再生的执行时间。该偏差为通过先前执行的DPF再生例程在步骤S109或S110中所计算的值，在下文中将要详细地对其进行说明。在下文中被校正的基准持续时间被称作校正(corrected)基准持续时间。
当先前执行的DPF再生例程的工作条件不同于当前执行的DPF再生例程的工作条件时，根据当前工作条件的校正再生持续时间的进一步校正也是可取的。
一旦基准温度和校正基准持续时间被设置，则发动机控制器20使用DPF 11的上述公知再生方法中的一种方法开始再生DPF 11。
在步骤S103中，根据由温度传感器15所检测的DPF 11的上游温度和由温度传感器16所检测的DPF 11的下游温度，发动机控制器20计算DPF 11的床温(bed temperature)。该床温可以是介于上游温度和下游温度的平均温度。
为了计算DPF 11的床温，最好根据温度变化的响应延迟的时间常数校正上游和下游的温度。或者，DPF 11的温度可根据上游温度被计算。
在步骤S104中，发动机控制器20确定床温是否等于或大于基准温度。如果床温等于或大于基准温度，则发动机控制器20进行步骤S105的处理。相反，如果床温不等于或大于基准温度，则发动机控制器20重复步骤S103和S104的处理。因此，DPF 11的再生不被执行直到床温达到基准温度为止。
在步骤S105中，由于床温已达到基准温度或由于DPF的再生已开始，所以发动机控制器20初始化累计(count up)已经过时间(elapsed time)的计时器。所记时间代表DFP 11再生的持续时间。该计时器可使用构成发动机控制器20的微计算机的时钟功能。
在步骤S106中，发动机控制器20确定是否终止DPF的再生。当校正基准持续时间已逝去时或当由于柴油机1的运行条件的变化DPF的再生不能再进行时，该变化包括改变到发动机怠速状态或在较小负荷下的运转，DPF再生终止条件被满足。
在后一种情况下，上述的单独的例程发出DPF再生终止指令。如果这些终止条件的其中一个被满足，则发动机控制器20确定终止DPF再生。发动机控制器20重复步骤S105A中计时器的累计和步骤S106的确定直到DPF再生终止条件的其中一个被满足为止。
在步骤S106中，如果确定终止DPF再生，则发动机控制器20进行步骤S107的处理。
在步骤S107中，发动机控制器20终止在步骤S102中开始的DPF再生。与此同时，在步骤S105中开始的从DPF再生开始的计时器的累计被终止。
在下一个步骤S108中，发动机控制器20确定从DPF再生开始的经过时间是否已达到校正基准持续时间。由于校正基准持续时间已逝去或由于终止指令已从单独的例程发出，该操作实质上确定DPF的再生是否被终止。
如果确定结果表示经过时间还未达到校正基准持续时间，则发动机控制器20进行步骤S109的处理。
在步骤S109中，发动机控制器20根据经过时间计算校正基准持续时间的偏差并将该结果存储在存储器(RAM)中。在步骤S102中，当执行下一次DPF再生时，存储在存储器中的偏差被加到基准持续时间。在步骤S109的处理之后，发动机控制器20终止该例程。
在步骤S108中，如果确定结果表示经过时间已达到校正基准持续时间，则在步骤S110中，发动机控制器20将该偏差重置为0，然后，终止该例程。在这种情况下，在步骤S102中，在DPF再生例程的下一次执行期间，DPF再生的执行持续时间不被延长，并且校正再生持续时间被设置为等于在步骤S102从图中所提供的基准持续时间。
如果执行例程的结果表示DPF再生的终止源自已逝去的校正基准持续时间，则可假定在包括DPF 11的前端的DPF 11中累积的微粒已完全燃烧。相反，如果DPF再生的终止源自由单独的例程所发出的终止指令，则DPF再生的经过时间还未达到校正基准持续时间，并且很有可能微粒残留在其中微粒不易被燃烧的DPF 11的前端。
在这种情况下，校正基准持续时间与DPF再生的累计时间的偏差被存储在存储器中，然后，当执行下一次DPF再生例程时，对应于该偏差的持续时间被加到基准持续时间，提供所得到的执行持续时间用于DPF再生。因此，当执行下一次DPF再生例程时，在包括其前端的DPF 11中累积的微粒被完全去除。
参照图6，将进一步地说明源自终止指令的DPF再生的终止的情况。
在时间t0，开始执行DPF再生例程。如果步骤S101的确定结果为肯定，则在步骤S102中开始DPF 11的再生，并且与此同时使用与先前执行例程的偏差计算校正基准持续时间。当在时间t1再生使DPF床温超过基准温度时，DPF 11的再生实质上开始。
通过将在步骤S102中所计算的校正基准持续时间加到时间t1所提供的时间t3变为用于完全再生DPF 11的目标持续时间。
这里，假定在时间t3之前的时间t2，例程发出终止指令。在步骤S107中，发动机控制器20终止DPF 11的再生。此时，由于从在时间t1开始DPF 11的再生的累计时间还未达到校正基准持续时间，所以步骤S108的确定结果为肯定，并且在步骤S109中，发动机控制器20将校正基准持续时间与累计时间的偏差(t3-t2)存储在存储器(RAM)中。因此，当执行下一次DPF 11再生例程时，要计算的校正基准持续时间等于由将偏差(t3-t2)加到基准持续时间得到的值。
在早期终止当前执行的DPF再生例程提供了一个用于执行DPF11再生例程的延长基准持续时间，由此完全燃烧了残留在前端的微粒。即使DPF 11的再生以这种方式被中断，延长用于执行下一次DPF11再生的持续时间确实可防止包括在进气口18的在前端的微粒的累积。
根据上述实施例，校正基准持续时间与用于DPF 11的连续再生的累计时间的偏差用于计算下一次执行例程的校正基准持续时间。然而，在当车辆以高速行驶时再生DPF的情况下，或在能够增加排气温度的条件下，通过使用将与偏差对应的值加到基准温度而得到的校正基准温度作为基准温度，也能够提供相同的结果。
更具体地说，在图4的步骤S102中，不是将基准持续时间校正为校正再生持续时间，将与偏差对应的值加到基准温度上，由此将基准温度校正为更高的校正基准温度。
换句话说，根据本发明，微粒再生的提高不限于延长再生持续时间，包括延长再生温度的可提高DPF 11的再生的任意方法也是使用的。
于2004年7月23日在日本申请的第Tokugan 2004-215568号日本专利申请的整个内容以参照的方式被包含在这里。
尽管以上参照本发明的某些实施例已描述了本发明，但本发明不限于上述的实施例。在权利要求的范围内，本领域的技术人员可对上述实施例进行各种修改和变化。
例如，在上述实施例的每一个中，控制所需的参数使用传感器被检测，但本发明可被适用于可使用要求的参数执行要求的控制的任何DPF再生装置，而与参数是如何获取的无关。
申请了专有权或专用权的本发明的实施例被限定如下：

Claims (10)

1.一种柴油微粒滤清器(11)再生装置，通过燃烧在柴油微粒滤清器(11)中累积的微粒来再生柴油微粒滤清器(11)，所述滤清器(11)沿车辆柴油机(1)的排气道设置，该装置包括：
传感器(14、15)，检测所述滤清器(11)的温度；和
可编程控制器(20)，被编程为：
在滤清器(11)的温度高于基准温度期间，累计经过时间(S105A、S106)；
当滤清器(11)的再生被终止时，计算所述经过时间与基准持续时间的偏差(S108)；和
根据所述偏差校正滤清器(11)的下一次再生的预定再生条件(S109、S110)，其中所述预定再生条件是基准温度或基准持续时间。
2.如权利要求1中所述的装置，其中所述控制器(20)还被编程为：当在所述滤清器(11)中累积的微粒的量已达到预定值时，再生所述滤清器(11)(S101，S102)。
3.如权利要求2中所述的装置，其中该装置还包括检测在所述滤清器(11)的上游和下游之间的差压的传感器(14)，并且所述控制器(20)还被编程为根据所述差压计算在所述柴油机微粒滤清器(11)中累积的微粒的量(S101)。
4.如权利要求1中所述的装置，其中所述控制器(20)还被编程为：当所述经过时间已达到校正基准持续时间时，或当根据所述柴油机(1)的运行条件发出再生终止请求时，终止所述滤清器(11)的再生(S106)。
5.如权利要求1-4中的任何一个所述的该装置，其中所述控制器(20)还被编程为：根据车辆行驶条件确定所述基准温度和所述基准持续时间(S102)，并通过使所述滤清器(11)的温度在基准持续时间内不小于所述基准温度，执行所述滤清器(11)的再生(S103、S104)。
6.如权利要求5中所述的装置，还包括传感器(5)，其检测用作所述车辆行驶条件的车辆行驶速度。
7.如权利要求5中所述的装置，其中所述预定再生条件对应于所述基准持续时间，并且所述控制器(20)还被编程为将用于所述滤清器(11)的下一次再生的基准持续时间延长与所述偏差对应的时间(S102)。
8.如权利要求5中所述的装置，其中所述预定再生条件对应于所述基准温度，并且所述控制器(20)还被编程为：将用于所述滤清器(11)的下一次再生的基准温度提高与所述偏差对应的温度(S102)。
9.如权利要求1中所述的装置，其中所述传感器(14、15)包括检测所述滤清器(11)的上游区域的温度的传感器(15)和检测所述滤清器(11)的下游区域的温度的传感器(14)，并且所述控制器(20)还被编程为计算所述滤清器(11)的上游区域温度和下游区域温度的平均温度作为所述滤清器(11)的温度(S103)。
10.一种柴油微粒滤清器(11)再生方法，通过燃烧在柴油微粒滤清器(11)中累积的微粒来再生柴油微粒清滤器(11)，所述柴油机微粒滤清器(11)沿车辆柴油机(1)的排气道设置，该方法包括：
检测所述滤清器(11)的温度；
在滤清器(11)的温度高于基准温度期间，累计经过时间(S105A、S106)；
当滤清器(11)的再生被终止时，计算所述经过时间与基准持续时间的偏差(S108)；和
根据所述偏差校正滤清器(11)的下一次再生的预定再生条件(S109、S110)，其中所述预定再生条件是基准温度或基准持续时间。
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