過濾器再生控制的製作方法

2023-06-05 02:52:31 1

專利名稱：過濾器再生控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機廢氣淨化設備，更特別涉及對一種用於再生捕集發動機廢氣中顆粒物質的過濾器的技術的改進。
背景技術：
日本專利局1993年公布的JP-A-H5-106427提出了一種用於發動機廢氣系統的過濾器，以淨化從柴油機這樣的發動機釋放的顆粒物質(下文中稱作「廢氣顆粒」)。過濾器通過按預定時間間隔氧化或燃燒捕集的廢氣顆粒來再生。過濾器再生通過升高廢氣溫度來實現。廢氣溫度升高通過發動機控制來實現，例如對燃料噴射定時進行角延遲或除主噴射之外執行二次噴射。
顆粒沉積的過濾器表面的溫度稱作「床層溫度」。過濾器的床層溫度根據過濾器入口端和出口端的廢氣溫度計算。執行發動機控制以使該床層溫度變成目標值。這樣能夠有效燃燒廢氣顆粒。

發明內容
在支持用於氧化發動機廢氣中未燃燒成分(例如HC和CO)的催化劑的CSF型過濾器(催化煤煙過濾器)中，再生期間不僅產生廢氣顆粒的燃燒熱，而且還在未燃燒成分氧化中產生反應熱。
因為計算上面提到的床層溫度時沒有考慮由這些未燃燒成分產生的反應熱，所以不可能在再生期間實現對床層溫度的恰當控制。因此，再生中的床層溫度相對於目標溫度可能會太高。作為選擇，根據未燃燒成分的釋放速度，過濾器中可能出現局部過熱部分，而且過濾器可能會損壞。
因此本發明的一個目的是提高再生控制的準確性和性能，同時避免由於過熱而造成的過濾器劣化。
為了達到上述目的，本發明提供了一種再生控制設備，其再生捕集發動機廢氣中顆粒物質的過濾器。該過濾器支持用於氧化廢氣中的未燃燒成分的催化劑。再生控制設備包括一個生熱設備，該設備升高過濾器的床層溫度並燃燒由過濾器捕集的顆粒物質，從而再生過濾器，檢測過濾器入口廢氣溫度的第一溫度傳感器和一個微計算機。微計算機被編程為根據檢測的入口廢氣溫度計算過濾器出口廢氣溫度，不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高，根據檢測的入口廢氣溫度和計算的出口廢氣溫度計算過濾器床層溫度，計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高，根據計算的溫度升高校正床層溫度，以及根據修改正床層溫度控制生熱設備。
本發明的細節及其它特性和優點在說明書的剩餘部分中闡明並在附圖中顯示。


圖1的原理圖是一種可以應用本發明的發動機系統。
圖2的流程圖顯示了與本發明床層溫度計算的第一實施方案相關的控制程序。
圖3的示意圖顯示了床層溫度在再生期間的時間變化及其估計值。
圖4的流程圖顯示了與本發明床層溫度計算的第二實施方案相關的控制程序。
具體實施例方式
參看圖1，可以應用本發明的發動機系統包括發動機機體1、進氣通道2和廢氣通道3。燃料噴射器4和燃料噴射泵5連接到發動機機體1。在該說明書中，發動機機體1和燃料噴射器4可以共稱為發動機。空氣濾清器6、氣流計7、廢氣渦輪增壓器8的壓縮機9、中間冷卻器10和節流閥11安裝在進氣通道2的上遊側。廢氣渦輪增壓器8的渦輪12和捕集廢氣顆粒的過濾器13安裝在廢氣通道3的上遊側。過濾器13支持用於氧化未燃燒成分的催化劑。過濾器13是用於柴油發動機的柴油機顆粒過濾器(DPF)。
溫度傳感器14測量過濾器13的入口溫度。溫度傳感器15測量過濾器13的出口溫度。壓差傳感器16檢測過濾器13的壓差。EGR(廢氣再循環)通道17連接進氣通道2和廢氣通道3。EGR閥18和EGR冷卻器19安裝在EGR通道的中間。廢氣渦輪增壓器8裝配有一個能夠調節流入渦輪12的廢氣流率的可調噴嘴20。曲柄角傳感器21檢測發動機旋轉速度Ne和曲柄位置。此外，發動機系統還裝配有各種輔助設備。
基於微計算機的控制器22包括一個微計算機，該微計算機包括一個中央處理單元、只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)和輸入/輸出接口(I/O接口)。根據來自上面提到的傳感器的信號，控制器22控制燃料噴射定時、噴射量、節流閥11的開度、EGR量、可調噴嘴20的開度和輔助設備負載中的一個或多個，以及通過該發動機控制來增加/調整廢氣溫度。
控制器22的作用是作為通過發動機控制調整廢氣溫度的再生控制設備的一部分以及計算設備。發動機和廢氣通道3的作用是一個為了再生過濾器，通過增加過濾器床層溫度來燃燒顆粒物質的生熱設備。
控制器22執行的再生控制的概述如下。
控制器22在後臺不斷檢測作為發動機運行狀態的負載Q和旋轉速度Ne，同時執行再生控制，並使用負載Q和旋轉速度Ne計算過濾器捕集的顆粒量(顆粒捕集量)。
使用控制器22的燃料噴射量指令值作為負載Q的典型值，並且讀取曲柄角傳感器21的信號作為旋轉速度Ne。如果發動機系統裝配有檢測燃料噴射量的燃料噴射量檢測傳感器25，控制器22可以從燃料噴射量檢測傳感器讀取燃料噴射量作為負載Q。
計算過濾器中顆粒捕集量的各種方法是已知的。下面顯示了一種計算技術的一個例子預先通過試驗方法獲得一個根據負載Q和旋轉速度Ne確定從發動機排放的顆粒排放速率(固定時間間隔中的釋放量)的表，並將該表存儲在控制器22的ROM中。控制器22通過求取每個固定時間間隔中讀取的排放速率的積分來計算顆粒捕集量。否則控制器22根據前述的發動機運行狀態信號和一個來自壓差傳感器16的信號來計算顆粒捕集量。
當顆粒捕集的估計量等於或大於應該開始再生的參考值時，控制器22測定發動機運行狀態，如果發動機運行在可用過濾器再生區域，則開始過濾器再生。可用過濾器再生區域是一個能夠有效獲得再生所需的廢氣溫度並根據發動機特性設置的發動機運行區域。在用於圖1顯示的發動機系統的過濾器再生中，可以通過節流閥11的進氣節流、燃料噴射定時的角延遲、二次噴射、EGR減少量和可調噴嘴20的開度控制中的任何一個來實現發動機控制。因此，確保了顆粒再生所需的300度或更高的廢氣溫度C。
在再生控制期間，控制器22計算過濾器13的床層溫度並控制發動機，以使計算的床層溫度與目標床層溫度一致。目標床層溫度是有效執行再生且不會發生過濾器過熱的溫度。床層溫度的計算包括校正床層溫度。
參看圖2，現在描述關於由控制器22執行的床層溫度計算的控制程序的第一實施方案。該控制程序周期性執行，例如通過10毫秒固定時間間隔的一個定時中斷來執行。
在步驟S101中，根據溫度傳感器14的信號測量過濾器入口端的廢氣溫度Tdpf_in_mea。
接下來，在步驟S102中，使用測量的入口溫度Tdpf_in_mea計算假設未燃燒成分沒有燃燒的情況下過濾器出口端的廢氣溫度Tdpf_out_cal。根據發動機運行狀態和測量的入口溫度Tdpf_in_mea可以估計出口溫度Tdpf_out_cal。例如，使用顯示發動機運行狀態的燃料噴射量Q和發動機旋轉速度Ne，以及入口溫度Tdpf_in_mea作為參數，通過參照預先設置的、根據這些參數給出未燃燒成分沒有燃燒時的出口溫度Tdpf_out_cal的圖來計算出口溫度Tdpf_out_cal。該圖是通過試驗定義的，並存儲在控制器22的RAM中。例如，可以通過使用沒有預先充有用於氧化未燃燒成分的催化劑的過濾器13測量每個發動機運行狀態的出口溫度和每個入口溫度來獲得這個圖。另外，通過在過濾器13上遊提供另一個充有用於氧化未燃燒成分的催化劑的過濾器和提供一個將來自所述另一個過濾器的廢氣冷卻到沒有該另一個過濾器將會實現的溫度的冷卻設備，從而測量每個發動機運行狀態的出口溫度和每個入口溫度。出口溫度Tdpf_out_cal增加，燃料噴射量Q和發動機旋轉速度Nc越大，入口溫度越高。
在步驟103中，使用測量的入口溫度和計算的出口溫度Tdpf_out_cal計算過濾器的床層溫度Tbed_cal。計算的床層溫度Tbed_cal可以通過參照一個根據測量的入口溫度和計算的出口溫度Tdpf_out_cal預先設置的圖來計算。例如，可以通過測量過濾器13對於每個入口溫度和每個出口溫度的床層溫度來試驗地獲得這個圖。作為選擇，可以藉助於熱模擬，通過計算過濾器13對於每個入口溫度和每個出口溫度的的床層溫度來獲得該圖。
因為步驟S102中計算的出口溫度Tdpf_out_cal有包括由於未燃燒成分的燃燒熱而造成的溫度升高，所以計算的床層溫度Tbed_cal也不包括由於未燃燒成分的燃燒熱而造成的溫度升高。因此，計算的床層溫度Tbed_cal表示假設未燃燒成分沒有燃燒時的床層溫度Tbed_cal。
在步驟S104中，通過溫度傳感器15測量過濾器出口端的實際廢氣溫度Tdpf_out_mea。
接下來，在步驟S105中，通過從測量的出口溫度Tdpf_out_mea減去在步驟S103中計算的出口溫度Tdpf_out_cal來計算由於未燃燒成分燃燒而造成的溫度升高量ΔThc1。
在步驟S106中，通過將步驟S103中計算的床層溫度Tbed_cal加上計算的溫度升高量ΔThc1來計算校正的床層溫度Tbed_cor。這樣，通過考慮由於未燃燒成分的燃燒而造成的溫度升高量ΔThc1，校正的床層溫度Tbed_cor成為一個接近實際床層溫度的值。
在再生控制期間，控制器22控制發動機，以使計算的校正的床層溫度Tbed_cor與目標床層溫度一致。
圖3顯示了過濾器再生期間的估計溫度和實際溫度。計算的出口溫度和實際出口溫度的溫度差ΔT1是由於未燃燒成分的氧化反應而生成的熱造成的。溫度差ΔT1加上不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高的計算的床層溫度Tbed_cal的結果是校正的床層溫度Tbed_cor。校正的床層溫度Tbed_cor在實際入口溫度和實際出口溫度之間，因此校正的床層溫度Tbed_cor的計算是符合要求的。
根據該實施方案，獲得一個接近實際床層溫度(其包含由於上述的未燃燒成分而造成的床層溫度升高)的值作為校正的床層溫度Tbed_cor。由於這個原因，通過使用Tbed_cor執行上述再生控制，有效執行了過濾器再生並防止了過濾器過熱。
參看圖4的流程圖，現在描述由控制器22執行的、關於床層溫度計算的控制程序的第二實施方案。步驟S101-S103的處理與圖2的步驟相同，並且根據測量的入口溫度Tdpf_in_mea計算不包含由於未燃燒成分的燃燒熱而造成的溫度升高的出口溫度Tdpf_out_cal和床層溫度Tbed_cal。該實施方案與第一實施方案的不同之處在於由於未燃燒成分的反應而造成的溫度升高量ΔTch2是根據未燃燒成分量計算的。
在步驟S204中，首先參照一張圖計算未燃燒成分HC和CO的排放速率。未燃燒成分的排放速率(固定時間間隔中的排放量)由發動機運行狀態確定。因此，預先通過試驗獲得一個給出根據發動機運行狀態例如具有上述燃料噴射量Q和旋轉速度Ne的未燃燒成分排放速率的圖，並且通過參照該圖計算未燃燒成分的排放速率。該圖可以通過使用商用的用來測量廢氣中未燃燒成分的數量或密度的測量設備測量對於每個發動機運行狀態諸如HC和CO這樣的未燃燒成分的排放速率。
接下來，在步驟S205中，根據計算的未燃燒成分的排放速率、由於未燃燒成分燃燒而產生的熱、產生的熱量轉換成過濾器溫度升高的效率以及過濾器的熱容量來計算由於未燃燒成分的燃燒而造成的床層溫度升高ΔTch2。
在步驟S206中，通過將計算的床層溫度升高ΔTch2加上步驟S103中計算的床層溫度Tbed_cal來計算校正的床層溫度Tbed_cor。
根據第二實施方案，根據未燃燒成分的排放速率計算校正床層溫度Tbed_cor，因此可以避免由於過熱而造成的過濾器損壞，而且可以改善再生控制的精度和效率。
雖然上面已經參照特定實施方案描述了本發明，但是本發明不限於上面描述的實施方案。本領域的那些技術人員根據上面的教導可以對上面描述的實施方案進行修改和變化。本發明的範圍參照下面的權利要求進行定義。
這裡引用作為參考(2003年9月19日申請)日本專利申請P2003-328666的全部內容。
權利要求
1.一種再生控制設備，再生用於捕集來自發動機(1)的廢氣中的顆粒物質的過濾器(13)，該過濾器(13)支持用於氧化廢氣中的未燃燒成分的催化劑，該再生控制設備包括生熱設備(1，3)，用於升高過濾器的床層溫度和燃燒由過濾器捕集的顆粒物質，從而再生過濾器，第一溫度傳感器(14)，用於檢測過濾器入口廢氣溫度(Tdpf_in_mea)；以及微計算機(22)，其被編程用於根據檢測的入口廢氣溫度計算不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高的過濾器出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)，根據檢測的入口廢氣溫度和計算的出口廢氣溫度計算過濾器床層溫度(Tbed_cal)，計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高(ΔThc1)，根據計算的溫度升高(ΔThc1)來校正床層溫度，以及根據校正的床層溫度(Tbed_cor)控制生熱設備。
2.如權利要求1所述的再生控制設備，還包括用於檢測過濾器出口廢氣溫度的第二溫度傳感器(15)，其中，微計算機(22)還被編程用來根據檢測的出口廢氣溫度(Tdpf_out_mea)和計算的出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)的差來計算由於未燃燒成分的氧化反應造成的溫度升高(ΔThc1)。
3.如權利要求1所述的再生控制設備，還包括用於檢測發動機運行狀態的傳感器(21)，其中，微計算機(22)還被編程用於根據檢測的發動機運行狀態計算未燃燒成分的排放速率，以及根據計算的未燃燒成分的排放速率計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高(ΔTch2)。
4.如權利要求1所述的再生控制設備，還包括用於檢測發動機運行狀態的傳感器(21)，其中，微計算機(22)包括根據過濾器入口廢氣溫度和發動機運行狀態給出過濾器出口廢氣溫度的圖，以及微計算機(22)被編程用來根據檢測的入口廢氣溫度和檢測的發動機運行狀態，通過參照該圖來計算過濾器出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)。
5.如權利要求1到4中任一個所述的再生控制設備，其中，微計算機(22)包括根據過濾器入口廢氣溫度和過濾器出口廢氣溫度給出床層溫度的圖，以及微計算機(22)被編程用來根據檢測的入口廢氣溫度(Tdpf_in_mea)和計算的出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)，通過參照圖來計算過濾器床層溫度(Tbed_cal)。
6.如權利要求3或4所述的再生控制設備，其中，發動機運行狀態包括發動機旋轉速度(Ne)和發動機負載(Q)中的至少一個。
7.如權利要求1到4中任一個所述的再生控制設備，其中，生熱設備(1，3)包括一個發動機(1)，以及微計算機(22)還被編程用於控制發動機廢氣溫度，以使校正的床層溫度(Tbed_cor)在過濾器再生期間與目標床層溫度一致。
8.如權利要求7所述的再生控制設備，其中，包含所述發動機的發動機系統裝配有燃料噴射器(4)、渦輪增壓器(8)、EGR設備(17，18，19)、節流閥(11)和輔助設備中的一個，以及微計算機還被編程用於通過燃料噴射定時控制、燃料噴射量控制、可調噴嘴廢氣渦輪增壓器噴嘴開度控制、EGR控制、進氣量控制和輔助設備負載控制中的任一個來控制發動機廢氣溫度。
9.一種再生控制設備，其再生用於捕集來自發動機(1)的廢氣中的顆粒物質的過濾器(13)，該過濾器(13)支持用於氧化廢氣中的未燃燒成分的催化劑，該再生控制設備包括生熱裝置(1，3)，用於升高過濾器的床層溫度和燃燒由過濾器捕集的顆粒物質，從而再生過濾器，溫度檢測裝置(14)，用於檢測過濾器入口廢氣溫度(Tdpf_in_mea)；用於根據檢測的入口廢氣溫度計算不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高的過濾器出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)的裝置；用於根據檢測的入口廢氣溫度和計算的出口廢氣溫度計算過濾器床層溫度(Tbed_cal)的裝置；用於計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高(ΔThc1)的裝置；用於根據計算的溫度升高(ΔThc1)校正的床層溫度的裝置；以及用於根據校正的床層溫度(Tbed_cor)控制所述生熱裝置的裝置。
10.一種再生控制方法，用於再生捕集來自發動機(1)的廢氣中的顆粒物質的過濾器(13)，該過濾器(13)支持用於氧化廢氣中的未燃燒成分的催化劑，該再生控制方法包括檢測過濾器入口廢氣溫度(Tdpf_in_mea)；根據檢測的入口廢氣溫度計算不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高的過濾器出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)；根據檢測的入口廢氣溫度和計算的出口廢氣溫度計算過濾器床層溫度(Tbed_cal)；計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高(ΔThc1)；根據計算的溫度升高(ΔThc1)校正床層溫度；以及根據校正的床層溫度(Tbed_cor)控制生熱設備(1，3)，該生熱設備能夠升高過濾器的床層溫度和燃燒由過濾器捕集的顆粒物質，從而再生過濾器。
全文摘要
提出一種再生控制設備，再生用於捕集來自發動機(1)廢氣中顆粒物質的過濾器(13)。過濾器(13)支持用於氧化廢氣中的未燃燒成分的催化劑。該再生控制設備包括一個檢測過濾器入口廢氣溫度(Tdpf_in_mea)的溫度傳感器(14)；以及一個微計算機(22)，其被編程用來根據檢測的入口廢氣溫度計算不包括由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高的過濾器出口廢氣溫度(Tdpf_out_cal)；根據檢測的入口廢氣溫度和計算的出口廢氣溫度計算過濾器床層溫度(Tbed_cal)；計算由於未燃燒成分的氧化反應而造成的溫度升高(ΔThc1)；根據計算的溫度升高(ΔThc1)校正床層溫度。
文檔編號F02B3/06GK1598256SQ20041007879
公開日2005年3月23日 申請日期2004年9月17日 優先權日2003年9月19日
發明者上野昌一郎, 川島純一, 大竹真, 近藤光德, 筒本直哉, 井上尊雄, 古賀俊雅 申請人:日產自動車株式會社