TW202037807A - 虛擬感測系統 - Google Patents

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大衛 Ｐ 卡爾伯特森
馬格迪 凱爾
馬克 哈芬
詹姆斯 普拉敦
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美商瓦特洛威電子製造公司
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Abstract

一種控制系統包括安置於一排氣流體流路徑內之一電加熱器，及用於接收至少一個輸入之一控制裝置，該至少一個輸入選自由以下各者組成之群組：沿著該排氣流體流路徑之溫度讀數、交流發電機功率/電流/電壓、電池功率/電流/電壓/電荷狀態、IAT及EAT構型、一排氣流體流之質量流率、NH3 逃逸、該加熱器之TCR特性、交流發電機速度、引擎速度、一後處理組件之老化狀態、引擎之老化狀態、老化降級特性、DEF之一配量率及一溫度、後處理系統之NH3 儲存條件、一環境溫度及其組合。該控制裝置基於該至少一個輸入調變至該加熱器之功率，使得該加熱器在該排氣系統之操作期間提供一連續可變加熱輸出。

Description

虛擬感測系統
相關申請之交互參照
本申請案主張2019年1月29日提交的16/260,507之優先權及權益，其為2017年3月2日提交的美國專利申請案第15/447,942號之部份接續申請案，該專利申請案主張2016年3月2日提交的美國臨時申請案第62/302,482號之優先權及權益，該等申請案之內容被以引用的方式全部併入本文中。 發明領域
本揭露內容係關於用於流體流應用之加熱及感測系統，該等應用例如，車輛排氣系統，諸如，柴油排氣及後處理系統。
發明背景
此章節中之敘述僅提供與本揭露內容有關之背景資訊，且可不構成先前技術。
歸因於諸如振動及熱循環之嚴苛環境條件，諸如引擎之排氣系統的瞬時流體流應用中之實體感測器之使用係挑戰性的。一種已知溫度感測器包括在熱電偶套管內部之一礦物絕緣式感測器，熱電偶套管則焊接至留持一管狀元件之一支撐托架。遺憾地，此設計花費大量時間來達到穩定性，且高振動環境可導致實體感測器之損壞。
實體感測器亦呈現許多應用中的實際電阻性元件溫度之一些不確定性，且結果，在加熱器功率之設計中常應用大的安全裕度。因此，供實體感測器使用之加熱器通常提供較低瓦特密度，此允許以較大加熱器大小及成本為代價帶來的較低之損壞加熱器之風險(在更電阻性元件表面區域上散佈之相同加熱器功率)。
此外，已知技術使用來自熱控制迴路中之外部感測器的開/關控制或PID控制。外部感測器具有自在其電線與感測器輸出端之間的熱電阻之固有延遲。任一外部感測器增大了組件故障模式之可能性，且設定至總體系統之任一機械支座之限制。
流體流系統中的加熱器之一個應用為車輛排氣，其耦接至一內燃機以輔助減少至大氣內的各種氣體及其他污染物排放之不良釋放。此等排氣系統典型地包括各種後處理裝置，諸如，柴油顆粒過濾器(DPF)、催化轉化器、選擇性催化還原(SCR)、柴油氧化催化劑(DOC)、稀油氮氧化物捕集器(LNT)、氨逃逸催化劑或重組器，外加其他。DPF、催化轉化器及SCR捕獲廢氣中之一氧化碳(CO)、氧化氮(NOx)、顆粒物(PM)及未燃燒之烴(HC)。加熱器可經週期性或在一預定時間啟動以增大排氣溫度，且啟動催化劑及/或燃燒已在排氣系統中捕獲之顆粒物或未燃燒之烴。
加熱器通常安裝於排氣管或諸如排氣系統之容器的組件中。該等加熱器可包括在排氣管內之多個加熱元件，且典型地經控制至相同目標溫度以提供相同熱量輸出。然而，由於不同操作條件(諸如，來自鄰近加熱元件之不同熱輻射，及流過加熱元件的不同溫度之廢氣)，典型地出現溫度梯度。舉例而言，下游加熱元件通常具有比上游元件高的溫度，此係因為下游加熱元件曝露於具有已由上游加熱元件加熱之一較高溫度的流體。此外，中間加熱元件接收來自鄰近上游及下游加熱元件之較多熱輻射。
加熱器之壽命取決於處於最嚴苛加熱條件下且將首先出故障的加熱元件之壽命。在不知曉哪一加熱元件將首先出故障之情況下，難以預測加熱器之壽命。為了改良所有加熱元件之可靠性，加熱器典型地經設計成按一安全係數操作以避免加熱元件中之任一者之故障。因此，處於不太嚴苛加熱條件下之加熱元件典型地經操作以產生低於其最大可用加熱輸出許多之一熱輸出。
發明概要
以一個形式，提供一種用於一排氣系統之一加熱系統之控制系統。該控制系統包括安置於一排氣流體流路徑中之至少一個電加熱器，及適於接收至少一個輸入之一控制裝置。該至少一個輸入係選自由以下各者組成之群組：沿著該排氣流體流路徑之溫度讀數、交流發電機功率、交流發電機電流、交流發電機電壓、電池功率、電池電流、電池電壓、電池電荷狀態、進氣口空氣節流閥(IAT)及排氣節流閥(EAT)構型、廢氣再循環(EGR)、排氣流體流之質量流率、NH3 逃逸、該至少一個電加熱器之電阻溫度係數(TCR)特性、交流發電機速度、引擎速度、後處理組件之老化狀態、引擎之老化狀態、老化降級特性、柴油排氣流體(DEF)之配量率、DEF之溫度、後處理系統之NH3 儲存條件、注入計時延遲、氣缸關斷、可變閥操縱、渦輪增壓器旁路、進氣預加熱、缸內次後噴、環境溫度、環境溫度及其組合。該控制裝置可操作以基於該至少一個輸入調變至該至少一個電加熱器之功率，使得隨著該至少一個輸入而變，一不同加熱輸出由該至少一個電加熱器提供，且該至少一個電加熱器在該排氣系統之操作期間提供一連續可變加熱輸出。
自本文中提供之描述，另外應用領域將變得顯而易見。應理解，描述及具體實例僅意欲用於說明之目的，且並不意欲限制本揭露內容之範疇。
較佳實施例之詳細說明
以下描述在本質上僅為例示性的，且決不意欲限制本揭露內容、其應用或用途。亦應理解，在不更改本揭露內容之原理之情況下可以不同次序執行一方法內之步驟。
參看圖1，一例示性引擎系統10大體包括一柴油機12、一交流發電機14 (或在一些應用中，發電機)、一渦輪增壓器16及一排氣後處理系統18。該排氣後處理系統18安置於渦輪增壓器16下游，用於在將來自柴油機12之廢氣釋放至大氣前處理該等廢氣。該排氣後處理系統18可包括一或多個額外組件、裝置或系統，其可操作以進一步處理排氣流體流以達成一所要的結果。在圖1之實例中，該排氣後處理系統18包括一加熱系統20、一柴油氧化催化劑(DOC) 22、一柴油顆粒過濾器(DPF) 24及一選擇性催化還原裝置(SCR) 26。該排氣後處理系統18包括：一上游排氣管道32，其在其中接納一加熱器總成28；一中間排氣管道34，在其中提供DOC 22及DPF 24；及一下游排氣管道36，在其中安置SCR 26。
應理解，本文中繪示及描述之引擎系統10僅為例示性，且因此可包括諸如NOx 吸收器或氨氧化催化劑(外加其他)之其他組件，同時可不使用諸如DOC 22、DPF 24及SCR之其他組件。另外，雖然展示了一柴油機12，但應理解，本揭露內容之教示亦適用於汽油機及其他流體流應用。因此，不應將柴油機應用解釋為限制本揭露內容之範疇。此等變化應被解釋為屬於本揭露內容之範疇。
加熱系統20包括安置於DOC 22上游之一加熱器總成28，及用於控制加熱器總成28之操作之一加熱器控制模組30。加熱器總成28可包括一或多個電加熱器，其中各電加熱器包括至少一個電阻性加熱元件。加熱器總成28安置於一排氣流體流路徑內，以便在操作期間加熱流體流。加熱器控制模組30典型地包括一控制裝置，其適於接收來自加熱器總成28之輸入。控制加熱器總成28之操作之實例可包括接通及關斷加熱器總成，調變至作為一單一單元之加熱器總成28的功率，及/或調變至單獨子組件(諸如，若可用，個別或成群組之電阻性加熱元件)之功率，及其組合。
在一個形式中，加熱器控制模組30包括一控制裝置。該控制裝置與加熱器總成28之至少一個電加熱器通信。該控制裝置適於接收至少一個輸入，包括但不限於排氣流體流、排氣流體流之質量速度、在至少一個電加熱器上游之流動溫度、在至少一個電加熱器下游之流動溫度、輸入至至少一個電加熱器之功率、自加熱系統之物理特性得出之參數及其組合。該至少一個電加熱器可為適合於加熱排氣流體之任一加熱器。實例電加熱器包括但不限於帶式加熱器、裸線電阻性加熱元件、纜線加熱器、筒式加熱器、分層加熱器、電熱絲加熱器、管狀加熱器及其組合。以實例說明，物理特性可包括電阻絲直徑、MgO (絕緣)厚度、外殼厚度、傳導率、構造之材料之比熱及密度、熱傳遞係數及加熱器及流體管道之輻射率，外加其他幾何及應用有關之資訊。
圖1之系統包括安置於加熱器總成28下游之DOC 22。DOC 22充當催化劑來氧化廢氣中之一氧化碳及任何未燃燒烴。此外，DOC 22將一氧化氮(NO)轉換成二氧化氮(NO2 )。DPF 24安置於DOC 22下游，以輔助自廢氣移除柴油顆粒物(PM)或煙灰。SCR 26安置於DPF 24下游，且藉助於催化劑，將氧化氮(NOx)轉換成氮(N2 )及水。尿素水溶液注入器27安置於DPF 24下游且SCR 26上游，用於將尿素水溶液注入至廢氣流內。當將尿素水溶液用作SCR 26中之還原劑時，將NOx還原成N2 、H2 O及CO2 。
在本揭露內容之一個形式中，來自以上描述之引擎系統10的資料在數學模型中用來不使用實體感測器預測各種溫度，包括加熱器溫度、排氣入口溫度及排氣出口溫度，外加其他。此等模型已經開發用於瞬時及非瞬時系統兩者，且適用於多種加熱器類型及流體流應用。因此，管狀加熱器及引擎排氣的本文中提供之各種形式不應被解釋為限制本揭露內容之範疇。另外，對「加熱器外殼」溫度之具體參考僅為例示性，且計算之溫度可針對諸如帶式加熱器、裸線電阻性加熱元件、纜線加熱器、筒式加熱器、分層加熱器、電熱絲加熱器或管狀加熱器外加其他的任一類型之加熱器之任一組件。「分層加熱器」先前已在美國專利第7,196,295號中定義，該專利與本申請案係共同轉讓的且其內容被以引用的方式全部併入本文中。
參看圖2，一管狀加熱器用作在加熱器總成28中使用之一實例加熱器類型，且經繪示且大體由參考數字40指示。管狀加熱器40包含安置於一外殼44內之一電阻性加熱元件42，及安置於其間之一絕緣材料46，諸如，以實例說明，緻密氧化鎂(MgO)。管狀加熱器40亦可包括電力接腳50及密封件52。
本揭露內容提供一種控制系統及一種控制一電加熱器之方法，該電加熱器通常包括使用輸入(諸如，質量流或流動速率、在加熱器上游或下游之流動溫度、加熱器功率輸入及自系統之物理特性得出之任何參數)之一裝置/設備，以接著基於此等輸入調變至加熱器之功率。為了取決於一組已知變數來計算系統之值，本文中揭露多種方式。應理解，此等方程僅為例示性，且不應被解釋為限制本揭露內容之範疇。
舉例而言，為了在諸如如上闡述之柴油排氣之應用中不使用實體感測器計算外殼44之溫度，針對多種加熱器組配，使用質量流率、入口溫度及至加熱器40之功績，連同熱傳遞方程。在一個形式中，使用以下方程式1計算外殼44之溫度(Ts )：
Figure 02_image001
方程式1 其中： Ac  = 加熱器橫截面積； As  = 外殼面積； C    = 基於雷諾數(Re)及以下展示之表1的第一常數； C2 = 基於加熱器元件之數目的偏差； D   = 加熱器元件直徑； K    = 空氣之熱導率； kW = 總加熱器功率； M燃料 = 燃料之質量流率； M輸入 = 入口質量空氣流動(MAF)速率； m   = 基於雷諾數(Re)及以下展示之表1的第二常數； Pr = 在氣體溫度下取得的空氣之卜朗特數； Prs = 在外殼溫度下取得的空氣之卜朗特數； ST = 元件之間的橫向距離； T輸出 = 加熱器出口溫度；及 µ = 空氣之黏度。 表1
ReD, max C (「C1 」) m
  10 – 100 0.80 0.40
  100 – 1000 (單缸大致) (單缸大致)
  1000 – 200k 0.27 0.63
單缸 40 – 4000 0.683 0.466
NL 1 2 3 4 5 6
C2 0.70 0.80 0.86 0.89 0.90 0.92
ReD,max = 針對一給定直徑及速度最大值之雷諾數； NL = 元件之數目；及 C2 = 當評估元件1時，使用NL = 1；當評估6個元件時，NL 開始於0.7，且隨著分析各元件，增大至0.92。
另外，在此方程式1中，尚未併有輻射效應，然而，當保持處於本揭露內容之範疇內時可併有輻射效應。
除了加熱器外殼44溫度之外，可計算/模型化在流體流動流(見圖3)內之每一元件後的出口溫度，因此減少了對於額外溫度感測器之需求。在一個形式中，根據以下方程式2計算出口溫度：
Figure 02_image003
方程式2 其中： As = 外殼表面積； Cp = 在恆定壓力下的空氣之比熱； h = 對流熱傳遞係數； ṁ   = 質量流率； T輸出,1 = 在加熱元件1後之出口溫度； Tin,1 = 加熱元件1之入口溫度；及 Ts = 外殼溫度。
因此，使用方程式2，可貫穿流體流系統不使用實體感測器來預測溫度。作為再一優勢，歸因於與實體感測器相關聯之滯後時間，且尤其在瞬時系統中，使用如本文中闡述之方程式導致較快回應時間。較好準確度及較快回應時間亦允許使用在較高溫度下操作之加熱器，因此提供改良之效能且減小安全裕度。此外，實體感測器之故障模式由本揭露內容移除。
因為方程式1係針對穩態，所以再一下面之方程式用於如本文中揭露之虛擬感測，即，方程式3：
Figure 02_image005
方程式3 其中： Ac  = 加熱器橫截面積； As  = 外殼面積； C    = 基於雷諾數(Re)及表1之常數； C2 = 基於加熱器元件之數目的偏差； Cp = 在恆定壓力下的空氣之比熱； D   = 加熱器元件直徑； K    = 空氣之熱導率； M燃料 = 燃料之質量流率； M輸入 = 入口質量空氣流動(MAF)速率； m   = 基於雷諾數(Re)及表1之常數； ṁ   = 質量流率； Pr   = 在氣體溫度下取得的空氣之卜朗特數； Prs = 在外殼溫度下取得的空氣之卜朗特數； ST = 元件之間的橫向距離； T輸入 = 加熱器入口溫度； T輸出 = 加熱器出口溫度；及 µ = 空氣之黏度。
通常，為了不限於本文中揭露之具體方程式，Ts 由使用設定點、質量流及入口溫度之輸入的方程組判定以計算系統溫度。
本揭露內容進一步提供加熱器40之預測性/前攝性控制。舉例而言，可將諸如轉矩需求、踏板位置及增大之歧管絕對壓力(MAP)/增壓/引擎計時之系統資料轉換至質量流率，接著可將質量流率提供至控制系統以在需要功率時之前判定所要的加熱器功率，而非依賴於對實體感測器之延遲之回應。
本揭露內容之一個變化考量根據方程式4之輻射效應：
Figure 02_image007
方程式4 其中： Q   = 輻射密度； Th = 絕對加熱器溫度； Tse = 絕對感測器溫度； Vf = 視角因數(撞擊感測器的加熱器輻射之部分)； ε = 輻射率；及 σ = 斯蒂芬-波滋曼常數。
此外，加熱器可經充分數學量化，使得可自質量空氣流動(MAF)速率、加熱器入口溫度及施加之功率判定包含加熱器的所有材料之系統頻率回應。加熱器對改變引擎及排氣條件或一般系統破壞之頻率回應可減少，從而允許加熱器具有較快回饋回應。此接著改良對加熱器元件溫度之控制，從而隨著減小了溫度波動，允許加熱器具有較高瓦特密度(每單位長度之瓦特數、每單位面積之瓦特數或每單位體積之瓦特數)及較好耐久性。可將系統表示簡化成控制微處理器可按減小之精力來利用之一形式。另外，本揭露內容可將相對複雜之數學過程簡化成表格狀形式，以減少處理能力及定義之預期狀態。應理解，可使用獲得質量流率之多種方法，諸如，以實例說明，MAP及組合入口空氣質量流與燃料消耗。因此，如本文中使用，術語「質量流」應被解釋為包括獲得質量空氣流之此等及其他方法。
通常，本揭露內容取得來自多種裝置(諸如，以實例說明，引擎、排氣裝置、電力及加熱器)之輸入，執行各種演算法，且接著產生輸出，諸如，實際功率消耗、排氣溫度、加熱器溫度、診斷及排氣質量流。引擎輸入/參數可包括排氣溫度及排氣流；且加熱器輸入/參數可包括加熱器功率、幾何尺寸及係數。系統模型可包括加熱器模型、電線溫度及外殼溫度及至少一個控制演算法。該等輸出可接著包括排氣溫度、排氣流及診斷。
在再一形式中，虛擬感測系統在一診斷模式中用以比較加熱器40之一回應與一已知施加功率以判定總排氣後處理系統18是否正降級、具有降低之效率，或在排氣後處理系統18中是否存在缺陷。此外，虛擬感測系統可允許移除催化劑入口溫度感測器，因此減少總排氣後處理系統18之成本且降低複雜性。若催化劑入口溫度感測器保持在排氣後處理系統18中，則可將其輸出與由虛擬感測系統提供的計算/預測之加熱器出口溫度比較，且其間之任何不匹配可觸發引擎控制單元(ECU)內之一診斷故障碼。此外，本揭露內容之虛擬感測器系統可與一基於模型之設計(例如，Simulink)整合以改良瞬時效能，且允許加熱器系統之更好特性化。此外，一基於模型之設計可基於不同於如本文中使用之柴油排氣應用之一具體應用來調整虛擬感測器系統之參數/特性化。
虛擬感測器系統之使用進一步減少了知曉實際電阻性元件(例如，電線)溫度之不確定性，且允許減小安全裕度、增大之瓦特密度及較小之加熱器表面積，因此導致更高效且成本較少之加熱器。
如本文中揭露之控制系統亦可藉由電阻性加熱元件(諸如，電阻絲)之一計算之或虛擬溫度控制至加熱器之功率。對已被以引用的方式併入本文中之題為「Advanced Two-Wire Heater System for Transient Systems」之同在申請中之申請案進行參考。在諸如管狀加熱器之一些應用中，藉由虛擬電線溫度進行之控制克服了絕緣件及外殼之熱惰性。此導致電線上之較少溫度變化，其改良可靠性。此方法亦減小了電源上之循環負載，從而允許更平衡之功率傳遞及電源上之較少應變。
本揭露內容進一步提供一引擎系統10，其包括用於控制如前描述之排氣系統之加熱系統的一控制系統。該控制裝置適於接收選自由引擎參數、排氣參數、電力輸出、加熱器參數組成之群組的引擎輸入，且該裝置可操作以產生選自由功率消耗、排氣溫度、加熱器溫度、診斷、排氣質量流率及其組合組成之群組的輸出。該控制系統進一步可操作以診斷降級引擎系統組件。在此實例中，控制系統與一引擎控制單元通信，且適於當一判定之參數與一預設定參數不匹配時觸發一診斷故障碼。
參看圖4，本揭露內容進一步包括一種預測具有安置於用於加熱流體之一加熱系統中之一加熱器的一流體流系統中之至少一個位置之溫度之方法100。該方法包括獲得流體流系統之流體流之質量流率110、獲得加熱器之流體出口溫度及流體入口溫度中之至少一者120、獲得提供至加熱器之功率130，及基於流體流系統之一模型及獲得之質量流率及流體出口及入口溫度計算在至少一個位置處之溫度140。該至少一個位置可在該加熱總成之至少一個電加熱器之一加熱元件上。該模型可包括如上文先前描述之溫度預測模型。該過程可進一步與一基於模型之設計整合。
參看圖5，本揭露內容進一步提供預測在安置於一流體流系統中用於加熱流體之一加熱器系統中的多個電阻性加熱元件中之各者後之出口溫度之另一方法200。該方法包括獲得流體流系統之流體流之質量流率210、獲得至至少一個電阻性加熱元件之流體入口溫度220、獲得提供至各電阻性加熱元件之功率及流體流系統之使輸入至各電阻性加熱元件之功率與轉移至流體流之功率有關的特性230，及基於流體流系統之一模型計算出口溫度240。
如本文中使用，術語「模型」應被解釋為意謂一方程式或一方程組、表示在各種操作條件下之參數之值的值之一表格、一演算法、一電腦程式或一電腦指令集、一信號調節裝置或基於預測/計劃/未來條件修改控制之變數(例如，至加熱器之功率)之任一其他裝置，其中預測/計劃係基於先驗與現場量測之組合。
因此，本文中已揭露多種不同形式之加熱器、感測器、控制系統及有關裝置及方法，用於在流體流系統中使用。不同形式中之許多者可相互組合，且亦可包括具體針對如本文中闡述之資料、方程式及組配之額外特徵。此等變化應被解釋為屬於本揭露內容之範疇。
參看圖6，結合圖1，如先前指出，加熱器控制模組30可經組配以控制加熱器總成28之操作及調變至加熱器總成28之功率。在本實施例中，加熱器控制模組30可與引擎12整合或通信，以允許處理排氣後處理系統18中之廢氣，而不危害燃料效率或對燃料效率具有較少干擾。
在用於排氣系統之先前技術加熱系統中，可僅基於排氣系統之條件(諸如，廢氣之溫度)來啟動加熱器，而不考慮引擎及電池之狀況。此控制可危害燃料效率。舉例而言，當在車輛操作取決於來自電池組之能量的電荷耗盡或EV模式中操作車輛時，在此狀態中致動加熱器引起對功率之增大需求。若電荷之電池狀態低，則對功率之此增大需求可使車輛自電荷耗盡模式切換至引擎運轉模式，藉此不良地增大燃料消耗。
因此，用於排氣後處理系統18的加熱系統20之加熱器控制模組30可經組配以按減少來自排氣後處理系統18之排放同時考慮燃料效率之一方式來控制加熱器總成28之一或多個電加熱器。加熱器總成18之一或多個電加熱器安置於一排氣流體流路徑中。加熱器控制模組30包括一控制裝置31，其經組配以接收關於引擎、電池、交流發電機、加熱器、排氣後處理系統18之後處理組件之狀況的至少一個輸入以及沿著排氣後處理系統18之排氣流體流路徑之溫度，及因此調變至加熱器總成18之功率。
當至少一個輸入為引擎有關狀況時，該引擎有關狀況可由一預定或所要的溫度分佈表示。該至少一個輸入亦可關於電池、交流發電機、加熱器、排氣後處理系統18之後處理組件之狀況。因此，該至少一個輸入可選自由以下各者組成之群組：沿著該排氣流體流路徑之溫度讀數、交流發電機功率、交流發電機電流、交流發電機電壓、電池功率、電池電流、電池電壓、電池電荷狀態(SOC)、進氣口空氣節流閥(IAT)及排氣節流閥(EAT)構型、廢氣再循環(EGR)、排氣流體流之質量流率、NH3 逃逸、電加熱器之電阻溫度係數(TCR)特性、交流發電機速度、引擎速度、後處理組件之老化狀態、引擎之老化狀態、老化降級特性、柴油排氣流體(DEF)之配量率、DEF之溫度、後處理系統之NH3 儲存條件、注入計時延遲、氣缸關斷、可變閥操縱、渦輪增壓器旁路、進氣預加熱、缸內次後噴、環境溫度及其組合。基於至少一個輸入，控制裝置31可操作以連續或按一預定間隔調變及調整至加熱器總成28之功率。隨著該至少一個輸入而變，不同功率/加熱輸出由加熱器總成28提供以加熱排氣後處理系統18中之廢氣。
在多個輸入當中，組件之老化狀態指組件之時間及溫度歷史。IAT-EAT分佈可包括溫度-質量流分佈、溫度-引擎速度分佈、溫度-引擎速度分佈、溫度-負載分佈或溫度-引擎狀況分佈。所有此等分佈具有基於引擎狀況之不同溫度目標。加熱器總成18之一或多個電加熱器可包括一或多個電阻性元件。控制裝置31可基於電阻性元件之計算之溫度來調變至加熱器總成18之功率。
作為一實例，當至少一個輸入包括沿著排氣流體流路徑之溫度讀數時，該等溫度讀數係相對於一臨限值，以調整或修改加熱器總成28之輸出，使得由該加熱器總成28提供低於及高於該臨限值之不同功率輸出。在一個實例中，該等溫度讀數可為選擇性催化還原(SCR)裝置26之入口溫度。當SCR入口溫度低於臨限值時，加熱器總成28提供一較高功率輸出。當SCR入口溫度高於臨限值時，加熱器總成28提供一較低功率輸出。較高功率輸出包括功率增大之量值及/或速率之增大。
控制裝置31可包括一電力開關40、一控制器42、一質量流限制表44及一功率輸出限制裝置46。控制器42可為一PID控制器、一預測性回饋控制器、一基於模型之控制器或可控制加熱器功率輸出的此項技術中已知之任一控制器。
當諸如溫度讀數之至少一個輸入高於臨限值時，控制器42可用以基於溫度讀數控制加熱器功率。然而，當溫度讀數低於臨限值且需要較高加熱器功率輸出或快速加熱時，控制裝置31可繞過或越過控制器42，且使用質量流限制表44及功率輸出限制裝置46提供加熱器功率。該至少一個輸入經不斷地或定期監視。當該至少一個輸入已增大以達到臨限值時，可將加熱器總成28之控制切換至具有極限之PID控制。替代地，加熱器總成28之控制可基於一預定演算法48。
在冷排氣條件期間改良NOx轉換可達成最佳燃料節省。當排氣裝置冷時，在冷排氣條件期間之較快加熱可改良NOX 轉換，藉此允許引擎在排氣裝置稍後變得較暖時在相對較低溫度下運轉，以節省燃料。在冷排氣條件期間的較快加熱可藉由向上斜變至加熱器之功率以提供更多熱量來達成。提前燃料注入計時亦可改良燃料節省。因此，可修改引擎校準以當需要較多熱量時連同加熱器總成18之操作一起供應額外熱量。
在冷排氣條件期間使用之燃料典型地為總燃料使用之一較小部分。藉由使用比當排氣溫度低時典型地所需要多之燃料，可達成較快加熱，藉此達成較好之NOx轉換。在冷排氣條件期間的較好之NOx轉換實現當排氣裝置稍後變得較暖時的減少之NOx轉換。因此，當排氣裝置較暖時用於NOx轉換之溫度可降低以減少燃料消耗。當排氣裝置較暖時，加熱器功率亦可最小化。
當使用附加燃料達成在冷排氣條件期間之快速加熱時，在當引擎在一相對較低溫度下運轉時之隨後較暖排氣條件期間，節省燃料。結果，在冷排氣條件期間使用之附加燃料係藉由在隨後變暖排氣條件期間降低溫度(及因此燃料消耗)來補償。雖然此策略將增大在隨後較暖排氣條件期間之NOx排放，但NOx排放之量將仍然在根據政府法規之受控制範圍內。此燃料節省策略之效應可藉由組合用於快速加熱(諸如，用於燃料注入之推遲之計時)之引擎加熱、多個注入與注入壓力來進一步增強。
為了減少在低負載操作期間之燃料消耗，使用基於條件之設定點替代單一固定設定點來更密切地匹配所要的基於引擎條件之溫度分佈。換言之，所要的設定點隨引擎條件而變化。
在另一實例中，該至少一個輸入可包括電池電流或電流電荷狀態。在此情況中，當電池電荷狀態低於一臨限值時，加熱器功率受到限制。因此，可基於引擎/交流發電機速度或基於電壓隨時間之改變來將加熱器總成28控制為受到限制。
當在SCR裝置26中注入過多氨時或當SCR溫度增加且NH3儲存容量減小時，發生NH3逃逸。當至少一個輸入包括NH3逃逸時，加熱器功率在NH3逃逸超過一臨限值時較低，且當NH3逃逸低於該臨限值時較高。
可使用控制裝置31之電力開關40來控制至加熱器總成28之功率。電力開關40可使脈衝式電流/電力供應至加熱器總成28。電力係脈衝式的，以控制至加熱器總成28之電流供應。當電流為脈衝式，使用電壓及平均電流來計算至加熱器總成28之功率。藉由使用脈衝式電力連同功率量測，與關於排氣質量流之資訊組合，質量流限制表44及演算法48可用以保護加熱器總成28，且可使加熱器總成28較小。
總之，加熱器總成28經控制以考慮燃料效率對排氣後處理系統18中之廢氣提供加熱。因此，按提供更精確熱控制以當經由最佳化保存燃料時符合排放要求之一方式來操作加熱器總成28。加熱器總成28可基於至少一個輸入低於還是高於一臨限值不同地控制，或可在多個加熱模式中不同地控制。該至少一個輸入包括關於引擎之狀況、電池之狀況、交流發電機之狀況、後處理組件之狀況及加熱器之狀況的參數，以及排氣後處理系統之溫度。該等多個加熱模式係基於引擎、電池、交流發電機、後處理組件、加熱器之狀況，以及排氣後處理系統之溫度。
加熱器功率基於功率量測及基於工作循環而受到限制，以減少燃料消耗。藉由限制加熱器功率，避免了特別在大體較低引擎速度及負載之時期間將廢氣加熱至一單一設定點。藉由限制加熱器功率，避免了將車輛自EV模式切換至引擎運轉模式(其中交流發電機對電池再充電)。功率限制隨質量流(或基於引擎之映射)變化。加熱器總成28亦可用來管理NH3儲存，藉此控制NH3逃逸。基於功率量測(在引擎、交流發電機、電池等之情況中)控制加熱器總成28之溫度。此外，為了保存燃料，溫度設定點在不同引擎條件下變化。結果，可更高效地使用燃料，同時可在一範圍內控制NOx排放以符合政府法規。
本揭露內容之描述在本質上僅為例示性，且因此，不脫離本揭露內容之實質的變化意欲在本揭露內容之範疇內。不應將此等變化看作脫離本揭露內容之精神及範疇。
10:引擎系統 12:柴油機 14:交流發電機 16:渦輪增壓器 18:排氣後處理系統 20:加熱系統 22:柴油氧化催化劑(DOC) 24:柴油顆粒過濾器(DPF) 26:選擇性催化還原裝置(SCR) 27:尿素水溶液注入器 28:加熱器總成 30:加熱器控制模組 31:控制裝置 32:上游排氣管道 34:中間排氣管道 36:下游排氣管道 40:電力開關 42:控制器 44:質量流限制表 46:功率輸出限制裝置 48:預定演算法 50:電力接腳 52:密封件 100:預測具有安置於用於加熱流體之一加熱系統中之一加熱器的一流體流系統中之至少一個位置之溫度之方法 110~140,210~240:步驟 200:預測在安置於一流體流系統中用於加熱流體之一加熱器系統中的多個電阻性加熱元件中之各者後之出口溫度之另一方法
為了可很好地理解本揭露內容，現將藉由實例描述其各種形式，對隨附圖式進行參看，其中：
圖1為應用本揭露內容之原理的一柴油引擎及排氣後處理系統之示意圖；
圖2為根據先前技術的一管狀加熱器構造之橫截面圖；
圖3為繪示根據本揭露內容之教示的一流體流系統中之一系列組件之示意圖；
圖4為繪示根據本揭露內容之教示的預測具有一加熱器之一流體流系統中的至少一個位置之溫度之方法之流程圖；
圖5為繪示根據本揭露內容之教示的預測在安置於一流體流系統中之一加熱器系統中之多個電阻性加熱元件中之各者後的出口溫度之方法之流程圖；且
圖6為根據本揭露內容之教示構造的一加熱器控制模組之方塊圖。
本文中描述之圖式僅係用於繪示目的，且並不意欲以任何方式來限制本揭露內容之範疇。
10:引擎系統
12:柴油機
14:交流發電機
16:渦輪增壓器
18:排氣後處理系統
20:加熱系統
22:柴油氧化催化劑(DOC)
24:柴油顆粒過濾器(DPF)
26:選擇性催化還原裝置(SCR)
27:尿素水溶液注入器
28:加熱器總成
30:加熱器控制模組
32:上游排氣管道
34:中間排氣管道
36:下游排氣管道

Claims (15)

  1. 一種用於排氣系統之加熱系統之控制系統，該控制系統包含： 至少一個電加熱器，其安置於一排氣流體流路徑內；以及 一控制裝置，其經組配以操作該至少一個電加熱器且適於接收至少一個輸入， 其中該至少一個輸入係關於一引擎狀況或一所要的溫度分佈中之至少一者，且該至少一個輸入包括沿著該排氣流體流路徑之溫度讀數、交流發電機功率、交流發電機電流、交流發電機電壓、電池功率、電池電流、電池電壓、電池電荷狀態、一所要的引擎狀況、進氣口空氣節流閥(IAT)及排氣節流閥(EAT)構型、廢氣再循環(EGR)、一排氣流體流之質量流率、NH3 逃逸、該至少一個電加熱器之電阻溫度係數(TCR)特性、交流發電機速度、引擎速度、一後處理組件之老化狀態、引擎之老化狀態、老化降級特性、一柴油排氣流體(DEF)之一配量率、該DEF之一溫度、後處理系統之NH3 儲存條件、注入計時延遲、氣缸關斷、可變閥操縱、渦輪增壓器旁路、進氣預加熱、缸內次後噴、環境溫度及其等之組合，且 其中該控制裝置可操作以基於該至少一個輸入來調變至該至少一個電加熱器之功率，使得隨著該至少一個輸入而變，一不同加熱輸出由該至少一個電加熱器提供，且該至少一個電加熱器在該排氣系統之操作期間提供一連續可變加熱輸出。
  2. 如請求項1所述之控制系統，其中該至少一個輸入包括沿著該排氣流體流路徑之該溫度讀數，且該控制裝置經組配以比較該溫度讀數與一臨限值，及當該溫度讀數高於該臨限值時，基於該溫度讀數及一預定之控制來操作該至少一個電加熱器，及當該溫度讀數低於該臨限值時，基於一質量流限制表及一功率輸出限制裝置中之至少一者來操作該至少一個電加熱器。
  3. 如請求項2所述之控制系統，其中該溫度讀數包括一SCR入口溫度，且該至少一個電加熱器經操作以當該SCR入口溫度低於該臨限值時提供比當該SCR入口溫度高於該臨限值時還高的一加熱輸出。
  4. 如請求項3所述之控制系統，其中該控制裝置將功率增大之一量值及速率中之至少一者提供至該至少一個電加熱器以提供該較高加熱輸出。
  5. 如請求項2所述之控制系統，其中該預定義之控制包括一比例積分導數(PID)控制、一預測性回饋控制及一基於模型之控制中之至少一者。
  6. 如請求項1所述之控制系統，其中該至少一個輸入包括基於一引擎狀況之一溫度分佈，其包括一溫度-質量流分佈、一溫度-引擎速度分佈、一溫度-引擎速度分佈、一溫度-負載分佈或一溫度-引擎狀況分佈。
  7. 如請求項6所述之控制系統，其中該控制裝置經組配以基於一質量流限制表及基於該至少一個輸入及與該至少一個輸入相關聯之一臨限值之一功率輸出限制中的至少一者來操作該至少一個電加熱器。
  8. 如請求項1所述之控制系統，其中該至少一個輸入包括該電池電荷狀態，且該控制裝置經組配以當該電池電荷狀態低於一臨限值時，限制提供至該至少一個電加熱器之功率。
  9. 如請求項1所述之控制系統，其中該控制裝置經組配以以脈衝方式將電力提供至該至少一個電加熱器以控制電流供應。
  10. 如請求項1所述之控制系統，其中該至少一個輸入包括該NH3 逃逸，且該控制裝置經組配以操作該至少一個電加熱器以當該NH3 逃逸超過一臨限值時提供比當該NH3 逃逸低於一臨限值時還低之一加熱輸出。
  11. 一種方法，其包含： 獲取與一引擎狀況或一所要的溫度分佈中之至少一者有關的至少一個輸入；以及 基於該至少一個輸入及一相關聯之臨限值來調變至安置於一排氣系統之一排氣流體流路徑內的至少一個電加熱器之功率，使得該至少一個電加熱器在該排氣系統之操作期間提供一連續可變加熱輸出， 其中該至少一個輸入係關於一引擎狀況或一所要的溫度分佈中之至少一者，且該至少一個輸入包括沿著該排氣流體流路徑之溫度讀數、交流發電機功率、交流發電機電流、交流發電機電壓、電池功率、電池電流、電池電壓、電池電荷狀態、一所要的引擎狀況、進氣口空氣節流閥(IAT)及排氣節流閥(EAT)構型、廢氣再循環(EGR)、一排氣流體流之質量流率、NH3 逃逸、該至少一個電加熱器之電阻溫度係數(TCR)特性、交流發電機速度、引擎速度、一後處理組件之老化狀態、引擎之老化狀態、老化降級特性、一柴油排氣流體(DEF)之一配量率、該DEF之一溫度、後處理系統之NH3 儲存條件、注入計時延遲、氣缸關斷、可變閥操縱、渦輪增壓器旁路、進氣預加熱、缸內次後噴、環境溫度及其等之組合。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該至少一個輸入包括沿著該排氣流體流路徑之該溫度讀數，且該方法進一步包含： 比較該溫度讀數與一臨限值； 當該溫度讀數高於該臨限值時，基於該溫度讀數及一預定之控制來操作該至少一個電加熱器；以及 當該溫度讀數低於該臨限值時，基於一質量流限制表及一功率輸出限制裝置中之至少一者來操作該至少一個電加熱器。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該預定義之控制包括比例積分導數(PID)控制、預測性回饋控制及一基於模型之控制中之至少一者。
  14. 如請求項11所述之方法，進一步包含以脈衝方式將電力提供至該至少一個電加熱器以控制電流功率。
  15. 如請求項14所述之方法，進一步包含 基於提供至該至少一個電加熱器之一電壓及平均電流來計算提供至該至少一個電加熱器之功率；以及 基於該計算之功率及該至少一個輸入來控制至該至少一個電加熱器之功率。
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