用於柴油微粒過濾器效率評估的發動機控制的製作方法
2023-09-18 12:10:25 1
本公開涉及一種設計成控制柴油內燃機，用於評估柴油微粒過濾器(DPF)效率的系統和方法。
背景技術：
各種各樣的排氣後處理裝置已經被開發出來，來有效地限制內燃機的排氣排放。用於現代柴油發動機排氣的後處理系統通常包括柴油微粒過濾器(DPF)，DPF用於在排氣被排到大氣之前收集和處理柴油發動機排出的菸灰微粒物質。
通常，DPF作為用於從排氣流去除微粒物質的捕集器。典型的DPF包含諸如鉑和/或鈀的貴金屬，所述貴金屬用作催化劑，以進一步氧化存在於排氣流中的菸灰和碳氫化合物。DPF可利用過熱排氣來再生或清潔，以燒盡收集的微粒。
技術實現要素：
本發明公開了一種用於控制柴油發動機的方法，該柴油發動機經由排氣系統與具有柴油微粒過濾器(DPF)的排氣後處理(AT)系統流體連通。該方法包括：檢測柴油發動機的穩態操作，在穩態操作期間，該發動機產生經由排氣系統引導至DPF中的第一微粒物質(PM)或菸灰流量。該方法還包括：在發動機穩態操作期間，觸發閥，以調節至發動機的排氣再循環(EGR)，由此將第二微粒物質流量經由排氣系統引導至DPF。第二流量大於第一流量。該方法另外包括：響應於引導至DPF中的第二微粒物質流量，而經由置於DPF下遊的PM傳感器檢測離開DPF的微粒物質流量。該方法還包括：經由PM傳感器，將指示檢測到的離開DPF的微粒物質流量的信號傳送給控制器。另外，該方法包括：經由控制器，將檢測到的離開DPF的微粒物質流量和微粒物質流量閾值進行比較。此外，該方法包括：如果檢測到的離開DPF的微粒物質流量大於微粒物質流量閾值，則經由控制器調節排氣系統中的燃料注入，以使DPF再生，即，燒盡其上收集的微粒物質。
柴油發動機的穩態操作可被確認為發動機的轉速和負荷中的每一者都基本恆定時的發動機操作。
該方法還可包括：如果在所述的調節排放系統中的燃料注入以燒盡在DPF中收集的微粒物質之後檢測到的離開DPF的微粒物質流量大於微粒物質流量閾值，則(諸如經由故障指示燈(MIL))設定指示DPF已經失效的信號。
控制器可編程有查找表，該查找表將在發動機的穩態操作期間經由排氣系統引導至DPF中的第二微粒物質流量與檢測到的離開DPF的微粒物質流量關聯起來，以建立用於可接受的DPF的閾值。
第一微粒物質流量可在PM傳感器的檢測精確度或靈敏度之外。另一方面，第二微粒物質流量可在PM傳感器的檢測精確度之內。
PM傳感器的檢測精確度可由於在其上收集了微粒物質而降低。
第一微粒物質流量可以約為每立方米排氣流1.1毫克，而第二微粒物質流量可以比第一流量大至少10％或大於每立方米排氣流1.2毫克。
本發明還提供一種用於控制柴油發動機AT系統中的再生的系統以及一種使用這種系統的車輛。
通過以下對實施所述公開的實施例和最佳方式的詳細描述並結合附圖和所附權利要求書，本公開的上述特徵和優點以及其他特徵和優點將顯而易見。
附圖說明
圖1是具有連接到排氣系統的柴油發動機的車輛的示意性平面圖，該排氣系統具有用來減少排氣排放的後處理(AT)系統。
圖2是評估在圖1中示出的排氣後處理(AT)系統中柴油微粒過濾器(DPF)效率的方法的流程圖。
具體實施方式
參照附圖，其中在附圖的若干個視圖中相似的參考標號表示相似的部件，圖1示意性地描述了機動車輛10。車輛10包括配置為經由從動輪14推進車輛的壓縮點火式或柴油內燃式發動機12。柴油發動機12的內燃在特定量的環境空氣流16與來自燃料箱20的計量數量的燃料18混合時，以及由此產生的空氣-燃料混合物在發動機的汽缸(未示出)內被壓縮時發生。
如圖所示，發動機12包括排氣歧管22和渦輪增壓器24。渦輪增壓器24由排氣流26激發，排氣流26在每次燃燒事件之後，通過排氣歧管22由發動機12的單個汽缸釋放。渦輪增壓器24連接至排氣系統28，該排氣系統28接收排氣流26，並最終向環境中釋放氣流，一般在車輛10的一側或尾部之上。儘管發動機12被描述為具有附接到發動機結構的排氣歧管22，但該發動機可包括(諸如大體上形成在排氣歧管中的)排氣通道(未示出)。在這種情況下，上述通道可包含在發動機結構中，諸如發動機的汽缸蓋。此外，儘管渦輪增壓器24示出了，但並不阻礙發動機12在沒有這種功率增大裝置的情況下配置和操作。
車輛10還包括柴油發動機後處理(AT)系統30。AT系統30包括一些排氣後處理裝置，這些排氣後處理裝置配置為有序地從排氣流26中去除微粒物質(PM)或菸灰，即，主要是發動機內燃的含碳副產物和排放成分。如圖所示，AT系統30作為排氣系統28的一部分進行操作，並包括柴油機氧化催化劑(DOC)32。DOC32的主要功能是減少一氧化碳(CO)和無甲烷碳氫化合物(NMHC)。另外，DOC32配置為產生二氧化氮(NO2)，這是置於DOC32的下遊的選擇性催化還原(SCR)催化劑34所需要的。DOC32通常含有由諸如鉑和/或鈀的貴金屬構成的催化劑物質，該催化劑物質在其中作用以實現上述目的。通常，相對於NO2的產生，DOC32在高溫下被激活並達到操作效率。因此，如圖1所示，DOC32可被緊密聯接至渦輪增壓器24，以在氣體到達DOC前減少來自排氣流26的熱能損失。
另一方面，SCR催化劑34配置為在DOC32產生的NO2的幫助下，將NOx轉變為雙原子氮氣(N2)和水(H2O)。當還原劑被用在柴油發動機中時，SCR轉變過程另外需要通用名稱為「柴油機-排氣-流體」(DEF)36的控量的或計量的還原劑。DEF36可以是包括水和氨(NH3)的尿素水溶液。在AT系統30中DOC32的下遊和SCR催化劑34的上遊的位置處，DEF36從儲存器37中被噴射入排氣流26。因此，當排氣流26流經SCR催化劑時，DEF36接近SCR催化劑34。SCR催化劑34的內表面包括基面塗層，該基面塗層用作吸引DEF36，使得DEF在NO和NO2存在時可以與排氣流26相互作用，並產生化學反應以減少來自發動機12的NOx的排放。
在SCR催化劑34之後，排氣流26進入到與柴油微粒過濾器(DPF)40串聯且布置在其上遊的第二柴油機氧化催化劑(DOC)38。DOC38和DPF40可以置於單個罐42內部，如圖1所示。DOC38配置成將存在於排氣流26中的碳氫化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳(CO2)和水。DPF40配置成在排氣流26排放到大氣中之前收集和處理由發動機12排出的微粒物質。因此，DPF40作為用於從排氣流去除微粒物質(具體地是，菸灰)的捕集器。類似於上述DOC32、DOC38和DPF40中的每一者通常均包含貴金屬，諸如鉑和/或鈀，所述貴金屬充當受檢裝置中的催化劑以實現它們各自的目的。在流經罐42內部的DOC38和DPF40之後，排氣流26被認為是充分清潔過的有毒微粒物質，然後可被允許離開排氣系統28進入到大氣中。
AT系統30還可以包括配置成在發動機12下遊的不同點處感測排氣流26的溫度的多個溫度探頭44、45、46、47和48。AT系統30還包括控制器50。根據本公開，控制器50配置為調節發動機12的操作、以及排氣後處理裝置(即DOC32、SCR催化劑34、DOC38和DPF40)的操作。每個溫度探頭44、45、46、47和48與控制器50電通信，以便有助於AT系統30的調節。
控制器50可配置為中央處理單元(CPU)，其配置成調節內燃機12(圖1中所示)、混合動力傳動系統(未示出)或其他替代類型的動力裝置，以及其它車輛系統或專用控制器的操作。為了適當地控制AT系統30的操作，控制器50包括存儲器，其至少一些是有形的和非瞬時的。存儲器可以是參與提供計算機可讀數據或過程指令的任何可記錄介質。這樣的介質可採取多種形式，包括但不限於非易失性介質和易失性介質。
用於控制器50的非易失性介質可以包括例如光碟或磁碟以及其它永久存儲器。易失性介質可以包括例如動態隨機存取存儲器(DRAM)，其可構成主存儲器。這樣的指令可以由一種或多種傳輸介質進行傳輸，包括同軸電纜、銅線和光纖，包括包含聯接到計算機處理器的系統總線的導線。控制器50的存儲器還可以包括軟盤、柔性盤、硬碟、磁帶、任何其它磁介質、CD-ROM、DVD、任何其它光學介質等。控制器50可配置或配備有其它所需的計算機硬體，諸如高速時鐘、必需的模擬-數字(A/D)和/或數字-模擬(D/A)電路、任何必要的輸入/輸出電路和裝置(I/O)、以及適當的信號調製和/或緩衝電路。控制器50所需的或由此可訪問的任何算法可以存儲在存儲器中並自動執行以提供所需的功能。
在發動機12操作過程中，發動機12排出的碳氫化合物可以時常沉積在DPF40上，從而影響AT系統30的操作效率。因此，DPF40在其上的碳基菸灰積聚到某特定量之後必須再生或清潔，以燒盡所收集的微粒。排氣後處理裝置的再生可以，例如，在特定質量流量的空氣已經由發動機消耗用於燃燒一段時間之後開始。通常，這樣的再生可以利用高溫排氣流來完成以燒盡所積聚的微粒。DPF40可以經由被直接噴射到DPF上遊的排氣流中的燃料18再生，然後在適當的情況下點燃噴射的燃料。
車輛10還包括配置成評估DPF40的效率的系統52。系統52包括DPF40和控制器50，並且還可以包括DOC38。系統52包括微粒物質(PM)傳感器54，該PM傳感器設置在DPF40下遊並且配置為檢測離開DPF的微粒物質的流量並將指示所檢測的流量的信號傳送給控制器50。另外，系統52包括排氣再循環(EGR)閥56，該EGR閥配置為調節排氣流26的一部分經由通道58到發動機12的再循環。EGR閥56接收來自排氣歧管22的排氣流26的一部分，並將該部分引導回發動機的汽缸用於壓縮和動力衝程。結果，在動力衝程上發動機12使用較少的燃料，從而避免發動機爆震，這允許發動機以顯著稀薄的燃料-空氣比運行，以及產生改進的燃料經濟性和降低的氣體排放。然而，隨著EGR閥56使排氣流26的受檢部分再循環，與沒有EGR的操作相比，發動機12通常在排氣中產生增加量的微粒物質。
AT系統30還包括特定裝置，諸如配置為選擇性地將預定量的柴油燃料18噴射到SCR催化劑34之後且在DOC38上遊的排氣流26中的HC噴射器60。柴油燃料18的這種噴射被用來使排氣流過熱，並執行AT系統30的再生，具體地是DPF40的再生。控制器50可調節HC噴射器60的操作，以在AT系統30的再生被認為適當時開始或觸發這種再生。控制器50還配置成檢測發動機12的穩態操作，期間發動機產生第一微粒物質流量62，排氣系統28隨後將該第一流量62引導至DPF40。根據本公開，發動機12的穩態操作被確定為發動機轉速和負荷都基本上恆定時的發動機操作。當例如車輛10在水平面上以穩定車速行駛時，發動機12的負荷可以是相對恆定的。第一微粒物質流量62或濃度可以是每立方米排氣流26約1.1毫克。
控制器50另外配置為在發動機12的穩態操作期間觸發EGR閥56，以調節到發動機汽缸的排氣再循環，由此經由排氣通道58將第二微粒物質流量64引導至DPF40。第二微粒物質流量64可以比第一流量62大至少10％，或至少每立方米排氣流26為1.2毫克。換句話說，排氣流26在第二流量64比在第一流量62將更大量的微粒物質引導至DPF40。通常，在瞬態發動機操作過程中，從代表性發動機12發生微粒物質的最大流量或濃度，並可能達到每立方米排氣流26約52.8毫克。
控制器50另外配置為響應於被引導至DPF的第二微粒物質流量64從PM傳感器54接收指示檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66的信號。控制器50還配置成將檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66與微粒物質流量閾值68進行比較。控制器50還配置成，如果檢測到的離開DPF的微粒物質流量66大於微粒物質流量閾值68，則調節經由HC噴射器60進入排氣系統28的燃料18的噴射以使DPF40再生，例如，通過發送適當的控制信號。微粒物質流量閾值68可以設定為車輛10每行駛一英裡約15毫克。
有時，如在發動機12的穩態操作期間，第一微粒物質流量62可以具有使得第一流量在PM傳感器54的檢測精確度和/或靈敏度之外的低值。另一方面，當EGR閥56使排氣流26的一部分再循環到發動機12時，第二微粒物質流量64相對於第一流量62將增加到第二流量將在PM傳感器54的檢測精確度和/或靈敏度之內的程度。注意到PM傳感器54的檢測精確度和靈敏度可能在「老化的」PM傳感器中降低，這是由於累計操作循環期間微粒物質在其上的收集。因此，第二微粒物質流量64可以選擇成使得也可以可靠地採用老化的PM傳感器54來評估DPF40的有效性。
上述經由EGR閥56到發動機12的排氣流26的一部分的再循環允許對AT系統30中的DPF40的效率進行幹預評估。如本文所採用的，術語「幹預」意味著為了DPF40的效率評估的受檢有限目的對主發動機12的操作進行修改。DPF40效率的這種幹預評估旨在對發動機12的排放具有最小的影響，因為在發動機的穩態操作期間產生的微粒物質的實際增加顯著低於任何特定的排放要求。
控制器50可以另外配置成如果檢測到的離開DPF的微粒物質流量66大於微粒物質流量閾值68，則設定識別DPF40發生故障或已經失效的信號70。這種評估通常表示DPF40已經老化且目前不能除去必要量的微粒物質。控制器50可以配置為在經由HC噴射器60的燃料18的調節噴射以燒盡DPF40中收集的微粒物質之後執行這種評估以及設定信號70。信號70可經由故障指示燈(MIL)和/或嵌入在控制器50的存儲器中的供授權實體進行後續檢索的故障代碼生成。通常，微粒物質可以在車輛10每行駛一英裡1至10毫克的範圍內逃離有效的DPF40。針對比較，如果微粒物質在車輛10每行駛一英裡15至50毫克或更大的範圍內逃離DPF40，則可以認為受檢DPF故障。
控制器50可編程有查找表72，該查找表72將在發動機12的穩態操作期間被引導至DPF40的第二微粒物質流量64與檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66相關聯。用於查找表72的基準數據可在AT系統30的測試和驗證期間憑經驗進行編輯。第二流量64和檢測流量66之間的這種表格關聯性可以建立用於有效的或可接受的DPF40(即，產生低於流量閾值68的微粒物質的DPF)的閾值，其由控制器50用來設定信號70。
圖2示出了控制柴油發動機12的方法80，用於AT系統30中的DPF40的效率的幹預評估，如上面關於圖1所描述的。該方法開始於框82，其中其包括經由控制器50檢測發動機12的穩態操作，期間發動機產生經由排氣系統被引導至DPF40中的第一微粒物質流量62。在框82之後，該方法前進到框84，其中，該方法包括在發動機12的穩態操作期間觸發EGR閥56，以(諸如通過增加EGR的量)調節到發動機的排氣再循環，從而將第二微粒物質流量64經由排氣系統28引導至DPF40中。如上關於圖1所討論的，第二流量64大於第一流量62。
接著框84，該方法前進到框86，其中，該方法包括響應於被引導至DPF中的第二微粒物質流量64經由PM傳感器54檢測離開DPF40的微粒物質的流量。在框86之後，該方法前進到框88，並且包括經由PM傳感器54將指示檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66的信號70傳送給控制器50。接著框88，該方法前進到框90，並且包括比較經由控制器50將檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66與微粒物質流量閾值68進行比較。在框90之後，該方法前進到框92，其中，該方法包括如果檢測到的離開DPF的微粒物質流量66大於微粒物質流量閾值68，則經由控制器50調節HC噴射器60，以噴射燃料18到排氣系統28用於使DPF40再生。
在框92中的DPF40的再生之後，該方法可以循環返回框82。因此，控制器50可被編程為連續地監測發動機12和AT系統30的操作，以觸發DPF40的效率的這種幹預評估。另一方面，接著框92，該方法可以前進到框94，其中，如果在經由HC噴射器60噴射燃料18之後檢測到的離開DPF的微粒物質流量66大於微粒物質流量閾值68，則控制器50設定指示DPF40已經失效的信號。如以上關於圖1所討論的，控制器50可編程有查找表72，該查找表72將在發動機12的穩態操作期間被引導至DPF40的第二微粒物質流量64與檢測到的離開DPF40的微粒物質流量66相關聯，以建立用於可接受的DPF的閾值。
具體實施方式和附圖或圖是對本公開的支持和描述，但本公開的範圍僅由權利要求限定。雖然已詳細描述了用於實施所要求保護的公開的一些最佳模式和其它實施例，但存在各種替代設計和實施例用於實施所附權利要求中限定的本公開。另外，在附圖中示出的實施例或本說明書中提到的各種實施例的特徵不必理解為彼此獨立的實施例。相反，有可能的是，在一個實施例的一個示例中所描述的每個特徵可以與來自其他實施例的一個或多個其他期望特徵相結合，得到未用文字或參考附圖描述的其它實施例。因此，這樣的其他實施例落在所附權利要求的範圍的框架之內。