一種柴油機微粒捕集器微波再生系統控制策略及其裝置製造方法

2023-05-31 22:13:36 1

一種柴油機微粒捕集器微波再生系統控制策略及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種微粒捕集器微波再生系統控制策略及其裝置。控制策略包含MAP圖更新、再生時機判斷、實時診斷、再生終止判斷四大功能模塊。其裝置包括ECU、微波發生裝置、二次空氣補給器、顯示器、傳感器等。本發明的目的在於考慮不可燃燒灰燼的累積，精確控制再生開始、再生結束以及再生過程，防止因再生時機判斷失誤致使微粒捕集器再生過程失控的問題，對提高微粒捕集器的使用壽命，降低再生裝置能耗都有很大的積極作用。
【專利說明】一種柴油機微粒捕集器微波再生系統控制策略及其裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微粒捕集器微波再生系統控制策略及其相關裝置。

【背景技術】
[0002]微粒捕集器作為公認的最有效率與應用前景的柴油機微粒後處理裝置，最重要的一項技術要求就是精確控制其再生過程。所謂微粒捕集器的再生就是利用自身排氣熱量或者外加能量點燃沉積在過濾體中的碳煙，使微粒捕集器恢復正常工作狀態。通常以微粒捕集器兩端的壓差超過限定值與否作為再生開始判斷依據，也有以過濾體內的微粒沉積量超過限定值與否作為再生開始判斷依據。由於標定背壓值隨工況關係MAP圖是一項工作量巨大且存在一定誤差的工作，而且實驗中不易控制微粒捕集器始終處於潔淨狀態，因此本發明中的再生終止判斷MAP圖，及其考慮不可燃燒灰燼更新後的MAP圖都是由數學模型計算得來，現有研究表明，背壓數學模型的精度達到了實際應用精度。另外再生判斷MAP圖由發動機臺架試驗標定得來。
[0003]現有的技術條件下，過濾體的使用壽命成為限制微粒捕集器普及的重要原因之一。影響微粒捕集器的使用壽命主要有以下幾個方面:首先再生過程中實時溫度與溫度上升速率超過過濾體的限定值，都容易使過濾體燒裂或者過濾孔塌陷失去捕集效用。因此有必要實時監控再生過程中過濾體的溫度變化，當溫度峰值與溫度上升速率超過限定值時採取相應措施。
[0004]排氣管中交變的氣流衝蝕，排氣溫度快速變化引發的熱應力都會加劇過濾體的損傷。因此對於主動再生方式而言，選取合適的再生工況很重要。
[0005]當微粒捕集器達到再生效果後，需要快速關閉外部再生裝置，否則無謂的加熱會增加過濾體的熱負荷，同時對於本發明而言，容易造成微波洩漏。相關實驗研究表明，微粒捕集器兩端輕微的背壓上升對發動機性能影響可以忽略不計，因此適當的提前結束再生對發動機正常工作影響不大。當然終止再生的時機需要恰當，結束太早，達不到再生效果，反之會加重過濾體的熱負荷同時增大外部再生裝置能耗。
[0006]對於上述影響微粒捕集器使用壽命問題，使用微波再生方式可以得到很好的改善。微波加熱利用了沉積微粒對微波能量的選擇吸收性，使得微波對過濾體本身的升溫作用甚微，同時微波加熱屬於體積加熱，沒有熱量的傳遞過程，隨之產生的熱應力也小。但是微波加熱也有其缺點，比如:放熱速率快，再生控制難，存在微波洩漏安全問題。因此對再生開始、結束、微波功率大小都要有精準的控制。
[0007]沉積在過濾體中的微粒分兩部分。一部分可以通過再生燃燒掉，即通常所說的碳煙(SOOt);另外一部分是灰燼(ash)，由燃油添加劑、潤滑油、環境空氣中的鹽類、發動機磨損物等構成，隨著微粒捕集器使用時間的延長，不斷在過濾體中累積，並且不能通過主動再生的方式去除。灰燼的沉積是影響微粒捕集器使用壽命的主要因素之一，同時沉積灰燼改變了過濾體的基本尺寸，隨之變化的是潔淨狀態下相同工況微粒捕集器兩端的背壓值，因此要精確的判斷再生結束，就必須考慮灰焊沉積帶來的影響。在Yoshihisa Tashiro等人的專利6，622，480 82中提到，當需要更新再生終止判斷嫩？圖時，2⑶根據此時的工況信息計算出背壓修正參數^用3乘以原來的壓差值得到更新後的壓差值，據此更新再生終止判斷嫩？圖。首先用固定的3值代替所有工況下的背壓修正係數是不準確的，另外根據何種算法得到3值也未提及。因此有必要採用更科學的方法更新再生終止判斷鮮圖。
[0008]由於不可燃燒灰燼的沉積，堵塞過濾體孔道，微粒捕集器逐漸達到使用壽命上限，需要做出判斷並提醒車主更換過濾體或用特殊方法進行清理。


【發明內容】

[0009]本發明的目的在於提供一種微粒捕集器微波再生整個過程的控制策略，在利用微波體積加熱、再生窗口寬等優點的同時，避免微波功率難以控制、微波易洩漏的缺點。技術方案包含再生終止判斷嫩？圖更新、再生時機判斷、實時診斷、再生結束判斷四大功能模塊。本控制策略的益處在於:考慮了不可燃燒灰燼的沉積，用排氣背壓數學模型更新再生終止判斷嫩？圖。控制內容涉及再生的每一個階段，精確可靠。微粒捕集器使用過程中需要經歷數千次的再生，每一次都做到精確合理，這對於延長微粒捕集器使用壽命、減小微波發生器能耗有很大的積極作用。
[0010]為了解決再生開始不夠及時可靠的問題。本發明技術方案如下:微粒捕集器兩端壓力傳感器測得相應工況下壓力差八？…，2⑶根據工況信息查詢再生判斷嫩？圖得到八？當八？…? 90%八？…時，達到再生觸發條件，同時將汽車行駛裡程與手動啟動再生(手動啟動再生按鈕後2⑶還需判斷發動機油耗速率是否超過正常值5%以上，否則程序還是原地等待)也作為再生觸發第一階段條件。其益處在於:八？…與八？…之間預留了一定餘量，以消除標定再生判斷嫩？圖以及傳感器的測量誤差，同時將汽車行駛裡程與手動啟動再生也作為並行的再生觸發條件，進一步保證微粒捕集器能夠可靠開始再生。為了防止誤操作，手動啟動了再生按鈕，2⑶會在之後檢測油耗速率是否超過了正常值5%作為程序繼續進行條件，保證再生系統不會非正常啟動。
[0011]在一些實施例中，為了解決微粒捕集器再生過程中脈動氣流衝蝕，排氣溫度場不均勻造成過濾體損傷。採取的技術方案是:當2⑶檢測到達到再生觸發條件後，判斷排氣管中溫度與流量參數波動在限定時間步長內是否超過限定值，若不超過，啟動再生裝置，反之則繼續等待。此方案的益處在於:再生過程始終處在發動機穩態工況下進行，將交變氣流衝蝕，氣流溫度場變化產生的熱衝擊降到最低，提高過濾體使用壽命。
[0012]在一些實施例中要求2⑶能夠實時調整微波發生器功率，保證合適的溫度峰值與溫度上升速率。具體技術方案是:再生過程中，2⑶接收布置在微粒捕集器中的溫度傳感器信號，並計算得出溫度上升速率，據此實時調整微波功率。此方案的益處在於:調節微波發生器功率使過濾體內的實時溫度與溫度上升速率不超過限定值，大大提高了微粒捕集器使用壽命，同時防止微波外洩，節省微波能量。
[0013]在一些實施例中要求選取合適的時機終止再生，保證再生完全的同時節約微波能量、防止微波洩漏。技術方案是:微粒捕集器兩端壓力傳感器測得相應工況下壓力差八？…，2⑶根據工況信息查詢再生終止判斷嫩？圖，得到八？胃值，當八？…彡向微波發生器、二次空氣補給器發送指令，再生結束。此方案的益處在於:八？…與八？，之間預留了 8%餘量，用以保證再生及時終止，同時可以利用微粒氧化的餘熱繼續加熱碳煙使之燃燒。即時排氣背壓不能降低到潔淨狀態背壓以下，也不會對發動機性能造成影響(輕微的背壓上升對發動機性能影響可以忽略不計)。由於減少了無謂的加熱時間，微波外洩的問題得到改善，降低了微波能耗。
[0014]在一些實施例中考慮不可燃燒灰燼的沉積對排氣背壓的影響，通過排氣背壓數學模型更新再生終止判斷MAP圖。其技術方案是:當ECU監測到限定時長內微波加熱無法使APtes^ (1+8%) APpur，認為不可燃灰燼沉積改變了過濾體的孔道與壁厚尺寸，需要更新再生終止判斷MAP圖，記錄下此時的排氣流量與溫度參數以及微粒捕集器兩端壓差值。根據準穩態流動的壓力損失方程和傳熱方程可以建立潔淨狀態微粒捕集器兩端背壓方程，簡言之:深床捕集階段(即沒有微粒沉積)微粒捕集器兩端壓差值可以表示為AP = f(v, t，w，a)，四項參數依次為排氣流量、排氣溫度、過濾體壁厚、過濾體孔道尺寸。假設灰燼在過濾體孔道內均勻沉積，設微粒沉積層厚度為Λ s，新的過濾體孔道尺寸w』，a』，則有:w』 =w+2As;a』 = a-2 Δ s,代入E⑶中存儲的Δ P、v、t、W、a參數,計算出不可燃燒灰焊沉積後的新的孔道尺寸:w』，a』。將計算出的新的過濾體尺寸代入背壓表達式:ΔΡ = f (V，t,ws』，a』)，據此生成的更新MAP圖存儲到E⑶中，作為下一次的再生終止判斷背壓查詢依據。
[0015]在一些實施例中，當微粒捕集器過濾體超過使用壽命上限後，提醒車主更換過濾體或用特殊方法進行清理。具體技術方案是:每次需要更新再生終止判斷MAP圖之前，比較Λ Ptos與APlim的數值大小，若APtes彡90% APlim, E⑶向顯示器發出報警提示，需要更換過濾體或對其進行清理，同時切斷所有再生系統相關裝置電源。反之，繼續完成再生終止判斷MAP圖的更新。此方案的益處在於:微粒捕集器使用壽命達到上限之前得到及時更換，保證微粒捕集效果，並且切斷相關設備電源，保證安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是微波再生系統結構示意圖；
[0017]圖2是再生判斷MAP圖；
[0018]圖3Α是再生時機判斷模塊流程圖；
[0019]圖3Β是圖3Α的繼續，包含實時診斷模塊，再生結束判斷模塊；
[0020]圖4是更新再生終止判斷MAP圖模塊的流程圖。
[0021]在圖1中:
[0022]1-ECU，2-微波發生器，3-微粒捕集器，
[0023]4-溫度傳感器，5-壓力傳感器，6-溫度傳感器，7-壓力傳感器，
[0024]8-流量傳感器，9- 二次空氣補給器，10-顯示器，11-發動機。

【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0026]如圖1所示，微波再生系統包括E⑶1，分別與各類傳感器、執行機構相連。微波發生器2，一端通過導波管與微粒捕集器3相連，另一端與E⑶I相連，以實現實時調節功率的功能。溫度傳感器4用來監控微粒捕集器3內實時溫度，傳遞數據到ECUl，計算出溫度變化上升速率，為調節微波發生器2功率提供依據。壓力傳感器5與壓力傳感器7安裝在微粒捕集器3兩端，將測量的壓差值傳遞給ECU1，作為判斷再生開始和結束的依據。溫度傳感器6與流量傳感器8安裝在微粒捕集器3前端，測量排氣流量信息，傳遞給用作數據分析。二次空氣補給器9作為輔助再生裝置為再生提供充分氧氣，與相連，再生開始時開啟，結束關閉。顯示器10與2⑶相連，用以顯示報警或者提示信息。
[0027]本發明所包含控制策略需要向內存儲兩套排氣背壓嫩？圖:一是再生判斷嫩？圖。在發動機臺架上用蝶形閥模擬排氣管後端背壓值，以發動機油耗對比正常情況上升5%作為限定背壓值判斷標準，記錄下此時的工況信息(負荷、轉速〉、排氣背壓值。對主要的工況點做相同操作，最後利用所得數據進行插值得到再生判斷嫩？圖。另一套嫩？圖是再生終止判斷嫩？圖，採用背壓模型八？ =生成嫩？圖，其中分別為初始過濾體壁厚和孔道寬度，當灰燼沉積到一定程度時更新再生終止判斷應圖。
[0028]2⑶讀取微粒捕集器兩端壓力傳感器的壓差信號，並根據工況信息查詢再生判斷嫩？圖，對比兩者數值，當八？…彡90%八？…時認為達到再生開始觸發條件之一，同時為了保證再生開始可靠，再生觸發條件還包括:2⑶監測到距上一次再生後行駛裡程達到再生限定值；手動啟動再生按鈕後，隨後2⑶監測到油耗速率對比正常情況上升5%以上。三者條件任意達到一項，如圖3八所示，認為達到再生觸發條件。接下來2⑶根據溫度、流量傳感器信號判斷溫度與流量波動在規定時間步長內是否超過限定值，如果不超過，說明工況穩定，適合再生。達到上述條件後，2⑶發動指令啟動微波發生器和二次空氣供給器，再生開始。
[0029]再生開始後，2⑶讀取溫度傳感器4的實時溫度值，並根據前後一系列溫度值計算出溫度上升速率，如果實時溫度或者溫度上升速率超過了限定值，發送指令適當減小微波發生器功率。
[0030]如圖38所示，2⑶讀取壓力傳感器壓差信號，根據工況信息查詢再生終止判斷嫩？圖得到八？胃。如果監測到限定時間內八？…彡(1+8% )八？胃，認為達到在再生效果，2⑶發送指令關閉微波發生器和二次空氣補給器，再生結束；如果限定時間內不能使八？如彡(1+8% )八？師，2⑶首先檢測是否有八？如彡90%八？…，如果條件成立則表明微粒捕集器達到使用壽命上限，此時2⑶向顯示器發送警示信息，同時切斷所有再生系統相關設備電源，保證安全。如果八？…? 90%八？…，則需要採用排氣背壓數學模型更新再生終止判斷嫩？圖，下面將詳細介紹更新方法。
[0031]當需要更新再生終止判斷嫩？圖時，2⑶記錄下此時的排氣流量V、排氣溫度七以及背壓值八？。根據準穩態流動的壓力損失方程和傳熱方程可以建立微粒捕集器兩端的背壓方程，通過驗證這種模型具有相當的精度，可以用在實際控制中。簡言之可以將背壓模型表示為:八？ = 「V，〖，化4，其中I為過濾體壁厚，8為過濾體孔道寬度。認為不可燃燒灰燼在孔道內的沉積是均勻的，並且只改變過濾體基本尺寸，不影響其材料的密度、孔隙率、滲透性等物理屬性。設灰燼沉積層厚度為八3，則新的過濾體尺寸可以表示為=計2厶3毋』 =8-2厶3。結合中存儲的V，。厶？計算出』，代入到背壓模型中得到新的背壓表達式:八？ = 「V，。I』，)，據此生成更新後的再生終止判斷嫩？圖，存儲進2⑶，用作下一次再生結束的判斷依據。
【權利要求】
1.一種微粒捕集器微波再生系統控制策略，該策略在功能上包含MAP圖更新、再生時機判斷、實時診斷、再生終止判斷四大模塊，通過汽車E⑶控制晶片、微波發生器、二次空氣補給器、傳感器與執行機構來實現，本策略包括如下步驟: 步驟一、在再生系統中，E⑶通過工況信息查詢再生判斷MAP圖，得知當前工況下的限定背壓值，對比預先微粒捕集器兩端的壓力傳感器返回的壓差值，確定是否開始再生，為了保證系統再生開始可靠，本控制策略將汽車行駛裡程達到限定值與手動開啟再生按鈕也作為並行的再生觸發條件，此步驟從屬於再生時機判斷模塊； 步驟二、再生開始後，E⑶向包括微波發生器及二次空氣補給器在內的執行機構發送指令，並通過布置在微粒捕集器中的溫度傳感器傳遞的實時溫度信號與ECU計算所得溫度上升速率信息實時調整微波功率，此步驟從屬於實時診斷模塊； 步驟三、E⑶通過工況信息查詢再生終止判斷MAP圖，得知當前工況下的潔淨狀態背壓值，對比預先微粒捕集器兩端的壓力傳感器返回的壓差值，確定是否終止再生，在判斷再生結束的同時，根據ECU計算結果，若有需要，程序自動跳到更新再生終止判斷MAP圖模塊中； 步驟四、在步驟三中根據需要更新再生終止判斷MAP圖之前，根據ECU計算信息，判斷微粒捕集器是否達到使用年限，此步驟也從屬於實時診斷模塊； 在整個再生控制過程中，其特徵在於，步驟一:微粒捕集器兩端壓力傳感器測得相應工況下壓力差Λ Ptes，E⑶根據工況信息查詢再生判斷MAP圖(該MAP圖通過在實驗臺架上標定發動機油耗率對比正常狀況下上升5%以上時的排氣背壓隨工況變化數據，然後插值得來)得到壓力差APlim，當APtos>90% APlim時，達到再生觸發條件； 同時，為了保證再生判斷可靠，將汽車行駛裡程超過限定值與手動啟動再生也作為再生觸發條件，即本控制策略使用了三條並行的再生觸發條件，排除發動機工況突發惡化等情況對再生時機控制的影響，達到精細化控制再生的目的； 在『手動啟動再生按鈕』這條觸發條件中，為了防止誤操作，手動啟動再生按鈕後，E⑶判斷發動機油耗速率對比正常情況是否增加5%以上，如果是，才認為達到再生觸發條件，反之程序原地等待； 在任意三條觸發條件達到之一後，程序跳轉到判斷排氣管中溫度與流量參數波動在限定時間步長內是否超過限定值，若不超過，則表示工況穩定，氣流衝蝕與溫度變化對微粒捕集器的損害較小，再生開始，否則程序原地等待； 步驟二中，ECU接收布置在微粒捕集器中的溫度傳感器信號，計算出溫度變化率，實時調整微波功率，使微粒捕集器內的實時溫度與溫度上升速率不超過限定值，防止過濾體出現熱損傷或者破裂； 步驟三中，微粒捕集器兩端壓力傳感器測得相應工況下壓力差APtes, ECU根據存儲其中的再生終止判斷MAP圖查詢相應工況下潔淨壓差值APpur，當APtes彡(1+8%) ΛΡ_，Ε⑶向微波發生器、二次空氣補給器發送關閉指令，再生結束； 當E⑶監測到排氣背壓值在限定時長內無法達到APtesS (1+8%) ΛPpm再生結束條件時，判斷認為不可燃灰燼沉積改變了過濾體的孔道與壁厚尺寸，記錄下此時的排氣流量與溫度參數以及微粒捕集器兩端壓差值，深床捕集階段(即沒有微粒沉積)微粒捕集器兩端壓差值可以表示為函數:ΛΡ = f (V, t, w，a)，四項參數依次為排氣流量、排氣溫度、過濾體壁厚、過濾體孔道寬度，假設灰燼在過濾體孔道內均勻沉積，設微粒沉積層厚度為Λ s，新的過濾體孔道尺寸w』，a』，則有:w』 = w+2 Δ s ；af = a_2 Δ s,代入EQJ中存儲的AP、v、t、w、a參數，計算出不可燃燒灰燼沉積後的新的孔道尺寸，更新後的APpur = f(v，t，w』，a』)，將更新後的再生終止判斷MAP圖存儲到E⑶中，作為下一次的再生終止判斷背壓查詢依據；步驟四中，每次需要更新再生終止判斷MAP圖之前，比較APtes與APlim的數值大小，若APtes彡90% APlim,ECT向顯示器發出報警提示，需要更換過濾體或對其進行清理，反之程序繼續完成再生終止判斷MAP圖的更新。
【文檔編號】F01N9/00GK104405477SQ201410577687
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】龔金科, 劉偉強, 陳韜, 劉冠麟 申請人:湖南大學