排氣清潔系統的製作方法
2023-05-09 07:42:01
專利名稱：排氣清潔系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於內燃機例如柴油發動機的排氣(exhaust gas)清潔系統，它使用顆粒過濾器來收集和除去在從發動機排出的排氣中的顆粒物質。更具體而言，本發明涉及一種確定顆粒過濾器的顆粒物質積累狀態的方法。
背景技術：
包含在排氣中的有害排氣組分例如碳顆粒和其它顆粒物質(顆粒物質或「PM」)已經成為較大問題，尤其是在柴油發動機中。通常，各種類型的顆粒物質捕獲過濾器(柴油顆粒過濾器或「DPF」)用作排氣後處理裝置，以便收集和除去包含在排氣中的顆粒物質。
當使用該類型的顆粒過濾器時，該顆粒過濾器需要在積累的顆粒物質的量達到預定量時通過燃燒在該顆粒過濾器中積累的顆粒物質而進行再生。因此，需要確定或估計顆粒物質在顆粒過濾器中積累的量或程度。
一些普通方法設置成通過利用顆粒過濾器的壓力損失隨著在顆粒過濾器中積累的顆粒物質的量增加而增大的現象來估計在顆粒過濾器中積累的顆粒物質的量。
例如，日本專利公開No.6-341312介紹了一種技術，其中，壓力傳感器布置在顆粒過濾器的上遊側和下遊側，該顆粒過濾器安裝在發動機的排氣道中。傳感器布置成檢測在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差，即由於排氣通過顆粒過濾器而產生的壓力損失。此外，在上述參考文獻中，檢測的壓力差根據排氣溫度和發動機轉速來校正，以便獲得正確的壓力損失。校正的壓力損失用於確定在顆粒過濾器中的顆粒物質積累量。
因此，本領域技術人員由上述可知需要一種改進的排氣清潔系統。本發明解決了本領域的該需要以及其它需要，本領域技術人員通過本說明書可以清楚這些需要。
發明內容
估計顆粒物質積累量的最簡單方法是，當在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差達到預定值時，判斷顆粒物質積累量足夠高，從而需要對顆粒過濾器進行再生。不過，如圖8所示，在壓力差和顆粒物質積累量之間的關係根據發動機工作狀態而產生很大變化。因此根據上述方法的估計精度極其低。
根據Bernoulli理論，當流體流過通道的收縮部分時，通道表面面積A、流量Q、在收縮部分前和收縮部分後之間的壓力差ΔP以及流體密度ρ具有以下關係A＝Q/(2ρΔP)1/2在上述參考文獻中的所述的普通估計方法設計成根據排氣溫度和發動機轉速來校正該估計值，以便接近由上述等式表達的關係。不過，即使等效表面面積(理論表面面積)是根據上述等式精確計算出的，在等效表面面積和顆粒物質積累量之間的關係也是根據工作狀態而變化。換句話說，即使等效表面面積是根據上述等式精確計算出來的，顆粒物質積累量的估計精度也將較低。
已經知道，在顆粒物質積累量的理論值和實際值之間產生誤差的一個原因是在顆粒過濾器中通道的通道使用效率的變化。更具體地說就是，當排氣壓力增加時，顆粒過濾器例如壁流蜂窩過濾器的細(非常窄)通道的通道使用效率增加。第二原因據稱是當過濾器的溫度增加時，顆粒過濾器的體積密度增加，因此，顆粒過濾器的細(非常窄)通道的表面面積在物理上變得更小。
因此，本發明的一個目的是提供一種排氣清潔系統，該排氣清潔系統根據排氣壓力(即排氣流速)和顆粒過濾器溫度來校正等效表面面積的參考值。該等效表面面積的參考值利用發動機工作狀態例如排氣流速等來進行理論計算。
為了實現本發明的上述和其它目的，提供了一種排氣清潔系統，它包括顆粒過濾器、壓力差檢測部分、排氣流量確定部分、排氣溫度檢測部分和積累狀態確定部分。該顆粒過濾器布置在發動機的排氣道中，並設置成積累從發動機排出的排氣中的顆粒物質。壓力差檢測部分設置成檢測在排氣道中在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差。排氣流量確定部分設置成確定排氣流量。排氣溫度檢測部分設置成檢測通過顆粒過濾器的排氣的溫度。積累狀態確定部分設置成通過根據在壓力差檢測部分中檢測的壓力差、在排氣流量確定部分中確定的排氣流量和在排氣溫度檢測部分中檢測的排氣溫度而獲得的、顆粒過濾器內部通道的參考等效表面面積來確定在顆粒過濾器中的顆粒物質積累狀態。積累狀態確定部分還設置成通過根據顆粒過濾器的溫度和排氣流量來調節參考等效表面面積，從而獲得調節的等效表面面積。
通過下面結合附圖對本發明優選實施例的詳細說明，本領域技術人員可以清楚本發明的這些和其它目的、特徵、方面和優點。
下面將參考附圖，這些附圖形成本原始公開的一部分，附圖中圖1是裝備有本發明一個實施例的排氣清潔系統的柴油發動機的示意圖；圖2是表示由本發明一個實施例的排氣清潔系統執行以便確定排氣流量的控制處理的功能方框圖；圖3是表示由本發明一個實施例的排氣清潔系統執行以便確定顆粒物質積累量的控制處理的功能方框圖；圖4是表示在圖3的功能方框圖的步驟S202中使用的圖TTC_DPFLT的特徵曲線圖；圖5是表示在圖3的功能方框圖的步驟S222中使用的圖MAP_KADPF的特徵曲線圖；圖6是表示在圖3的功能方框圖的步驟S225中使用的圖TBL_ADPF_INIT的特徵曲線圖；圖7是表示根據本發明一個實施例的、在調節等效表面面積和顆粒物質積累量之間的關係的曲線圖；
圖8是表示在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差和顆粒物質積累量之間的關係的曲線圖；圖9是表示在理論等效表面面積和顆粒物質積累量之間的關係的曲線圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖介紹本發明的選擇實施例。本領域技術人員由本說明應當知道，下面對本發明實施例的說明只是用於舉例說明，而不是為了限制本發明，本發明將由附加權利要求和它們的等效物來確定。
首先參考圖1，根據本發明第一實施例，所示排氣清潔系統用於內燃機例如渦輪增壓柴油發動機1。本發明的排氣清潔系統可以用於在汽車等中使用的其它內燃機。發動機1優選是執行相對較大量的排氣再循環(EGR)。通過本發明，即使當發動機工作狀態變化時，也可以獲得與顆粒物質積累量基本相對應的調節等效表面面積，因此可以非常精確地估計顆粒物質的積累狀態。因此，顆粒過濾器的再生可以在合適時間進行。
如圖1所示，發動機1有排氣道2和具有集合器3a的進氣道3。EGR通道4將排氣道2連接到進氣道3的集合器3a上。發動機1的工作由發動機控制單元5來控制。更具體地說，控制單元5優選是包括具有控制程序的微機，它以如後面所述方式控制發動機1。控制單元5還可以包括其它普通部件例如輸入接口電路、輸出接口電路以及儲存裝置例如ROM(只讀存儲器)裝置和RAM(隨機存儲器)裝置。控制單元5的微機進行編程，以便控制發動機1的各個部件。存儲器電路儲存處理結果和將由處理器電路運行的控制程序。控制單元5以普通方式與發動機1的各個部件進行操作連接。控制單元5的內部RAM儲存操作標記的狀態和各個控制數據。控制單元5能夠根據控制程序選擇控制該控制系統的任何部件。本領域技術人員由本說明書可知，控制單元5的精確結構和算法可以是將執行本發明功能的硬體和軟體的任意組合。換句話說，在說明書和權利要求書中所用的「裝置加功能」語句將包括能夠執行該「裝置加功能」語句的功能的任何結構或硬體和/或算法或軟體。
EGR閥6布置在EGR通道4中，並與發動機控制單元5操作連接。優選是，EGR閥6的閥打開程度可以由步進馬達或者任何能夠連續和可變控制EGR閥6的閥打開程度的其它裝置來進行連續和可變地控制。EGR閥6的閥打開程度由發動機控制單元5控制，以便根據由發動機控制單元5從各個工作狀態傳感器接收的工作狀態來獲得指定的EGR率。換句話說，EGR閥6的閥打開程度進行可變控制，以便將EGR率可變控制成接近由發動機控制單元5設定的目標EGR率。例如，當發動機1在低速、低負載區域中工作時，EGR率設置成較大EGR率，而當發動機轉速和負載變大時，EGR率降低。
渦流控制閥9布置在進氣道3中並在發動機1的進氣口附近。渦流控制閥9設置成根據發動機1的工作狀態而在在燃燒室19內部產生螺旋流。渦流控制閥9由促動器(未示出)驅動，並根據來自控制單元5的控制信號而打開和關閉。例如，渦流控制閥9優選是在低負載和低速狀態下關閉，以便在燃燒室19內部產生螺旋流。
優選是，發動機1還裝備有公共軌道(common rail)燃料噴射裝置10。在該公共軌道燃料噴射裝置10中，在燃料通過高壓燃料泵11增壓之後，該燃料通過高壓燃料供給通道12供給，這樣，燃料聚積在蓄積器13(公共軌道)中。然後，燃料從該蓄積器13分配給用於各發動機氣缸的多個燃料噴嘴14。控制單元5設置成控制各個燃料噴嘴14的噴嘴打開和關閉，以便將燃料注入發動機氣缸內。蓄積器13內部的燃料壓力由壓力調節器(未示出)進行可變調節，且燃料壓力傳感器15布置在蓄積器13中，用於檢測燃料壓力。燃料壓力傳感器15設置成向控制單元5輸出燃料壓力信號，該燃料壓力信號是蓄積器13中的燃料壓力指示。
燃料溫度傳感器16布置在燃料泵11的上遊。該燃料溫度傳感器16設置成檢測燃料溫度，並向控制單元5輸出作為燃料溫度指示的信號。此外，普通熱線點火塞18布置在各發動機氣缸的燃燒室19中，以便點燃各個燃燒室19中的燃料。
發動機1有可變能力渦輪增壓器21，該渦輪增壓器21裝備有同軸布置的排氣渦輪22和壓縮機23。例如，具有可變幾何形狀閥系統的可變幾何形狀渦輪增壓器能夠用作可變能力渦輪增壓器21。當然，本領域技術人員由本說明書可知，可變能力渦輪增壓器21並不局限於可變幾何形狀渦輪增壓器。而是，渦輪增壓器的能力能夠通過控制能力調節裝置而有效改變的任何類型渦輪增壓器都可以用作本發明中的可變能力渦輪增壓器21。排氣渦輪22位於排氣道2中並在EGR通道4與排氣道2連接的位置的下遊處。為了改變渦輪增壓器21的能力，優選是渦輪增壓器提供有可變噴嘴24或者布置在排氣渦輪22的渦旋進口處的能力調節裝置。換句話說，渦輪增壓器21的能力可以根據發動機工作狀態而變化。例如，當排氣流量相對較小(例如低速區域)時，優選是通過減小可變噴嘴24的打開程度而獲得渦輪增壓器21的相對較小能力。另一方面，當排氣流量相對較大(例如高速區域)時，優選是通過增大可變噴嘴24的打開程度而獲得相對較大能力。優選是，可變噴嘴24由隔膜促動器25來驅動，該隔膜促動器25設置成響應控制壓力(負控制壓力)，且控制壓力利用負載控制壓力控制閥26來產生。較寬範圍的空氣燃料比傳感器17布置在排氣渦輪22的上遊側。空氣燃料比傳感器17設置成檢測排氣的空氣燃料比。因此，空氣燃料比傳感器17還設置成向控制單元5輸出作為排氣空氣燃料比的指示的信號。
發動機1的排氣系統包括氧化催化轉換器27，該氧化催化轉換器27布置在排氣道2中並在排氣渦輪22的下遊側。氧化催化轉換器27有氧化催化劑，該氧化催化劑例如使包含在排氣中的CO和HC氧化。發動機1的排氣系統還包括NOx捕獲催化轉換器28，它設置成在排氣道2中在氧化催化轉換器27下遊側處理NOx。因此，氧化催化轉換器27和NOx捕獲催化轉換器28順序布置在排氣道2中並在排氣渦輪22的下遊側。該NOx捕獲催化轉換器28設置成當流入NOx捕獲催化轉換器28中的排氣的排氣空氣-燃料比為貧油時吸收NOx。因此，流入NOx捕獲催化轉換器28中的排氣的氧密度降低。當排氣的氧濃度減小時，NOx捕獲催化轉換器28釋放吸收的NOx，並通過催化作用清潔排氣，以便進行淨化處理。
發動機1的排氣系統還包括排氣後處理系統例如顆粒過濾器29(柴油顆粒過濾器DPF)，該顆粒過濾器裝備有用於收集和除去排氣顆粒物質(顆粒物質和「PM」)的催化劑。顆粒過濾器29布置在NOx捕獲催化轉換器28的下遊側。顆粒過濾器29例如構成為有壁流蜂窩結構(交替燭煤端部封閉類型)，該壁流蜂窩結構有固體柱形過濾材料例如堇青石，其中形成有多個蜂窩形細通道，且通道的交替端封閉。交替燭煤端部封閉類型的顆粒過濾器是本領域公知的普通部件。因為該類型的顆粒過濾器為本領域公知，因此在本文中將不再詳細介紹和說明它們的結構。
發動機1的排氣系統還包括過濾器進口溫度傳感器30和過濾器出口溫度傳感器31，它們分別布置在顆粒收集過濾器29的進口側和出口側。溫度傳感器30和31設置成分別檢測在進口側和出口側的排氣溫度。因此，溫度傳感器30和31還設置成向控制單元5輸出分別作為進口側和出口側的排氣溫度指示的信號。
因為顆粒過濾器29的壓力損失隨著排氣顆粒物質積累而發生變化，因此壓力差傳感器32用於檢測在顆粒收集過濾器29的進口和出口之間的壓力差。當然，本領域技術人員由本說明書可知，也可以不使用壓力差傳感器32來直接檢測壓力差，而是在顆粒過濾器29的進口和出口分別提供壓力傳感器，以便根據兩個壓力值而得出壓力差。消聲器(未示出)優選是布置在顆粒收集過濾器29的下遊側。
優選是，發動機1的進氣系統包括氣流計35，該氣流計35設置成檢測通過進氣道3的新鮮進氣量。氣流計35布置在進氣道3中並在壓縮機23的上遊側。氣流計35設置成向控制單元5輸出作為通過進氣道3的新鮮進氣量指示的信號。
優選是，發動機1的進氣系統包括空氣過濾器36和大氣壓力傳感器37，它們位於氣流計35的上遊側。大氣壓力傳感器37設置成檢測外部壓力，即大氣壓力。大氣壓力傳感器37布置在空氣過濾器36的進口側。大氣壓力傳感器37設置成向控制單元5輸出作為進入進氣道3的外部空氣壓力指示的信號。
優選是，發動機1的進氣系統包括中間冷卻器38，以便冷卻高溫的增壓空氣。中間冷卻器38布置在進氣道3中並在壓縮機23和集合器3a之間。
此外，優選是發動機1的進氣系統包括進氣節流閥41，該進氣節流閥41設置成限制新鮮進氣量。進氣節流閥41安裝在進氣道3中並在進氣道3的集合器3a的進口側。該進氣節流閥41的打開和關閉由發動機控制單元5的控制信號通過促動器42來驅動，該促動器42優選是包括步進電機等。而且，檢測增壓壓力的增壓壓力傳感器44以及檢測進氣溫度的進氣溫度傳感器45布置在集合器3a中。
控制單元5設置成控制燃料噴射裝置10的燃料噴射量和燃料噴射正時、EGR閥6的打開程度、可變噴嘴24的打開程度、以及發動機1的其它部件和功能。而且，除了如上述安裝在發動機1中的各個傳感器，控制單元5還設置成接收加速器位置傳感器46、發動機轉速傳感器47和溫度傳感器48的檢測信號，該加速器位置傳感器46用於檢測加速器踏板的按壓量，該發動機轉速傳感器47用於檢測發動機的轉速，而該溫度傳感器48用於檢測發動機冷卻劑的溫度。
下面將參考圖2和3以及8至10的功能方框圖來介紹由控制單元5執行的控制操作。下面介紹的很多功能可以利用軟體處理來執行。首先參考圖2和3介紹確定在顆粒過濾器29中積累的排氣顆粒物質量的處理。
在本發明的排氣清潔系統中，通過首先根據Bernoulli理論計算顆粒過濾器29的通道表面面積(等效表面面積)而估計與在顆粒過濾器29中積累的顆粒物質的量相對應的顆粒物質積累量。然後，使所計算的通道表面面積與當顆粒過濾器29中的排氣顆粒物質積累量為零時的情況相對應的相應表面面積進行比較，以便確定表面面積減小率。最後，根據該表面面積減小率來計算在顆粒過濾器29中的顆粒物質積累量。根據Bernoulli理論，當流體流過收縮部分時，收縮部分的表面面積A、流量Q、在收縮部分前和收縮部分後之間的壓力差ΔP以及流體密度ρ具有以下關係A＝Q/(2ρΔP)1/2(1)因此，在控制單元5中執行的、如下面所述的處理利用等式(1)來計算當進行計算時在特殊點處的顆粒過濾器29的等效表面面積A。
圖2是表示用於確定排氣流量QEXH的處理流程的功能方框圖。首先，在步驟S101中，將流入氣缸的新鮮空氣量QAC和注入氣缸內的燃料量QFTRQ加在一起。然後，在步驟S102中，所得的和與發動機轉速NE相乘，以便獲得排氣流量QEXH。
圖3是表示用於確定顆粒物質積累量SPMact的處理流程的功能方框圖。在圖3的步驟S201中，控制單元5設置成計算如圖2所述獲得的排氣流量QEXH的連續值的加權平均值。因此，控制單元5將輸出結果並作為具有合適響應特徵的排氣流量QEXHD。在步驟S201中用於加權平均計算的過濾器常數(加權係數)TC是在步驟S202中使用基於發動機轉速NE的規定圖TTC_DPFLT而獲得的值。圖4表示了圖TTC_DPFLT的特徵曲線，其中，當發動機在低轉速區域中工作時，過濾器常數TC的響應特徵將變慢，而當發動機在高轉速區域中工作時，過濾器常數TC的響應特徵將加快。
在步驟S202中確定的過濾器常數(加權係數)TC也用於步驟S203中，以便由壓力差傳感器32來計算輸出值的連續值的加權平均值PF_D。該結果作為具有合適響應特徵的壓力差DP_DPF_FLT而輸出。
在步驟S204中，控制單元5用於確定過濾器進口溫度傳感器30的輸出值PF_Pre的連續值的加權平均值。還有，在步驟S205中，控制單元用於確定過濾器出口溫度傳感器31的輸出值PF_Pst的連續值的加權平均值。在步驟S204和S205中，用於加權平均計算的過濾器常數(加權係數)TC設置成規定常數KTC_TEXH，而不是使用圖4中所示的規定的圖TTC_DPFLT。然後，在步驟S206中，控制單元5用於通過在步驟S206中使輸出值PF_Pre和輸出值PF_Pst的加權平均值相加以及在步驟S207中使該相加的總和除以常數2，從而將顆粒過濾器29的溫度TMP_DPF確定為進口和出口溫度的平均值。優選是，溫度TMP_DPF表示為絕對溫度。
當發動機1的工作狀態突然變化時(例如當加速器踏板壓低量瞬時進行較大增加或減小時)，各參數(即，排氣流量QEXH、在顆粒過濾器29進口處的溫度PF_Pre和出口處的溫度PF_Pst、以及穿過顆粒過濾器29的壓力差PF_D)通過不同響應特徵而變化。更具體地說，壓力差PF_Pre和排氣流量QEXH將相對較快變化，而溫度PF_Pre和PF-Pst將相對較慢變化。因此有過渡時期，在該過渡時期中，當通過讀出這些檢測值並在沒有對這些檢測值進行任何調節的情況下利用它們來估計顆粒物質積累量時，將導致較大誤差。此外，使各參數響應於發動機工作狀態的較大瞬時變化的步驟將根據在該變化時發動機轉速NE為較高還是較低而改變。因此，在本發明實施例中，合適的過濾器常數TC用於各檢測值的加權平均計算，以便防止由於參數的響應特徵改變而使顆粒物質積累量的估計精度降低。更特別是，在本發明實施例中，與排氣流量QEXH和壓力差PF_D相比具有更慢響應特徵的溫度(即PF_Pre和PF_Pst)的變化將用作參考，以便調節排氣流量QEXH和壓力差PF_D的響應特徵。還有，用於排氣流量QEXH和壓力差PF_D的加權平均計算的過濾器常數TC將根據發動機轉速NE而變化。換句話說，優選是在步驟S3和S5中執行排氣流量QEXH和壓力差PF_D的檢測值的加權平均計算，這樣，排氣流量QEXH和壓力差PF_D的響應特徵基本與溫度PF_Pre和PF_Pst的響應特徵相匹配。
在步驟S211中，控制單元5用於使用規定圖TPEXH_MFLR來確定基於排氣流量QEXHD的壓力升高量，通過該壓力升高量，壓力由於消聲器(未示出)的空氣流阻而升高。當排氣流量QEXHD增加時，壓力升高量通常變大。在步驟S212中，控制單元5用於將壓力升高量加到在排氣道2中在顆粒過濾器29前和顆粒過濾器29後之間的壓力差DP_DPF_FLT中，以便獲得輸出值PEXH_DPFIN。步驟S212的輸出值PEXH_DPFIN與由於消聲器和顆粒過濾器29而產生的壓力差相等。在步驟S213中，控制單元5設置成將大氣壓力pATM加到輸出值PEXH_DPFIN上。因此，步驟S213的輸出等於在顆粒過濾器29的進口處的排氣壓力。在步驟S214中，控制單元5設置成使步驟S213的輸出值(在顆粒過濾器29的進口處的排氣壓力)乘以規定常數(步驟S215中所示)，該常數等於氣體常數R(0.350429)。在步驟S216中，控制單元5設置成使步驟S214的輸出除以在步驟S204至S207中獲得的顆粒過濾器29的溫度TMP_DPF(絕對溫度)。因此，步驟S216的輸出等於排氣的密度ρ，即比重ROUEXH。在步驟S217中，控制單元5設置成根據上述等式(1)而使比重ROUEXH乘以常數2(步驟S218中所示)和乘以壓力差DP_DPF_FLT。
在步驟S219中，控制單元5設置成確定步驟S217的輸出值的平方根。步驟S217的輸出值的平方根利用為了計算方便的規定圖TROOT_VEXH而獲得。步驟S219的結果等於在等式(1)的右側表達式的分母，即排氣流速VEXH。在步驟S220中，控制單元5設置成使排氣流量QEXH除以排氣流速VEXH，從而獲得等式(1)的表面面積A的理論值。在步驟S220中獲得的表面面積A的理論值設置成用於顆粒過濾器29的等效表面面積的參考值(參考等效表面面積)。在本發明實施例中，為了增加顆粒物質積累量的估計精確性，控制單元5設置成在步驟S221中使等效表面面積的參考值(即步驟S220的輸出)乘以調節係數KADPF。更具體地說，在步驟S221中，根據排氣流量和顆粒過濾器29的溫度而使用調節係數KADPF對等效表面面積進行調節。
調節係數KADPF在步驟S222中利用圖MAP_KADPF獲得，該圖MAP_KADPF使用排氣流量QEXHD的倒數值(如步驟S229中所示)和顆粒過濾器29的溫度TMP_DPF作為輸入。圖5表示了圖MAP_KADPF的特徵曲線。如圖5所示，調節係數KADPF根據排氣流量QEXHD的倒數值(1/QEXHD)來確定，且調節係數KADPF在一定範圍內變化，例如從0.3至3.0。在圖5中，參考值(0.5、1.0、1.5、2.0和2.5)表示為實線，在兩個相鄰參考值之間的區域中根據這兩個相鄰參考值來計算插值。如上所述，當排氣流量(即排氣壓力)改變時，顆粒過濾器29的過濾器通道使用效率也變化(增加或減小)。因此，調節係數KADPF設置成具有圖5中所示的特徵，以便抵消顆粒過濾器29的過濾器通道使用效率變化的影響。而且，當顆粒過濾器29的溫度增加時，顆粒過濾器29的體積密度增加，這使得顆粒過濾器29的、很狹窄的通道的表面面積在物理上變得更小。調節係數KADPF設計成抵消顆粒過濾器29的通道變小的影響。因此，儘管調節係數KADPF相對於溫度TMP_DPF的變化相對較小(如圖5所示)，但是當溫度TMP_DPF增大時，調節係數KADPF通常變小。因此，通過在步驟S221中使等效表面面積的參考值乘以調節係數KADPF，可以更精確地估計顆粒過濾器29的等效表面面積。
在步驟S223中，控制單元5設置成計算在步驟S221中獲得的等效表面面積值的加權平均值，並將該結果作為顆粒過濾器29的等效表面面積ADPFD而輸出。
在步驟S225中，控制單元5設置成獲得顆粒過濾器29的初始等效表面面積ADPF_INIT，該初始等效表面面積ADPF_INIT是在顆粒過濾器29中絕對沒有積累排氣顆粒物質的假設情況下的等效表面面積。如上所述，當顆粒過濾器29的溫度變化時，體積密度變化，因此顆粒過濾器29的通道表面面積變化。因此，在本發明實施例中，控制單元5設置成通過使用規定圖TBL_ADPF_INIT而根據溫度TMP_DPF來調節等效表面面積，以便獲得初始等效表面面積ADPF_INIT。圖6表示了規定圖TBL_ADPF_INIT的特徵曲線。如圖6所示，當溫度較低時，初始等效表面面積ADPF_INIT基本恆定，而當溫度較高時，該初始等效表面面積略微減小。
在步驟S226中，控制單元5設置成使步驟S223中獲得的等效表面面積ADPFD除以在步驟S225中獲得的初始等效表面面積ADPF_INIT，以便確定通道表面面積減小率RTO_ADPF，即由在顆粒過濾器29中積累的排氣顆粒物質引起的堵塞比例(「堵塞率」)。在步驟S227中，控制單元5設置成參考規定圖Tb1_SPMact來根據堵塞率RTO_ADPF確定顆粒物質積累量(重量)SPMact。優選是，規定圖Tb1_SPMact遵循顆粒物質積累量SPMact相對於堵塞率RTO_ADPF的預定特徵。
如上述在步驟S227中確定的顆粒物質積累量SPMact再與界限值進行比較。當顆粒物質積累量SPMact達到界限值時，控制單元5執行顆粒過濾器29的強制再生。顆粒過濾器29的再生可以利用任何普通方法來實現。例如，在顆粒過濾器29中累的排氣顆粒物質可以通過關閉進氣節流閥41使排氣溫度升高而進行燃燒，或者通過執行後燃料注入(在主注入後執行的附加燃料注入)使排氣溫度升高而進行燃燒。
而且，在步驟S231中，控制單元5設置成根據排氣流量QEXHD利用規定圖TPEXH_CATS來確定由安裝在排氣道2內並在顆粒過濾器29上遊側的催化裝置(即NOx捕獲催化轉換器28和氧化催化轉換器27)的空氣流阻產生的壓力升高量。當排氣流量QEXHD增加時，壓力升高量基本增加。在步驟S232中，控制單元5設置成將步驟S212的輸出值PEXH_DPFIN加到在步驟S231中獲得的壓力升高量上，以便獲得輸出值PEXH_TCOUT。步驟S231的輸出值PEXH_TCOUT等於在排氣道2中在排氣渦輪22外側並在氧化催化轉換器27上遊側的渦輪出口壓力。
因此，通過本發明，首先利用基於Bernoulli理論的理論關係來確定顆粒過濾器29的等效表面面積的參考值(理論值)。然後，根據顆粒過濾器29的排氣壓力(該排氣壓力與排氣流量QEXHD相關)和溫度TMP_DPF來調節該參考值。如圖7所示，通過本發明，不管發動機工作狀態如何，都能夠穩定地獲得在等效表面面積和顆粒物質積累量之間的基本固定的相關關係。因此，可以避免由於發動機工作狀態變化而引起錯誤地確定顆粒過濾器29的再生時間，且顆粒過濾器29能夠以良好的可重複性而在合適時間進行再生。
利用具有壁流蜂窩結構的顆粒過濾器作為顆粒過濾器29的實例來介紹上述實施例。不過，即使當使用其它類型的過濾器時，過濾器的通道表面面積將在排氣壓力增加時發生物理膨脹，且通道表面面積將在過濾器溫度增加時由於體積密度增大而物理地縮小，如上所述。因此，即使使用與壁流蜂窩過濾器不同的過濾器，顆粒物質積累量的估計精度同樣可以通過根據本發明進行調節而提高。
而且，在上述實施例中，在顆粒過濾器29的進口和出口處的排氣溫度平均值用作顆粒過濾器29的溫度以及流過顆粒過濾器29的排氣的溫度。當然，本領域技術人員由本說明書可知，顆粒過濾器29的溫度也可以使用用於檢測顆粒過濾器29的溫度的單獨溫度傳感器而直接檢測。
在上述實施例中，控制單元5優選是構成壓力差檢測部分、排氣流量確定部分、排氣溫度檢測部分、積累狀態確定部分、以及再生部分。
如本文中所使用，下面的方向術語「向前、向後、高於、向下、垂直、水平、低於和橫向」以及其它類似方向術語是參考裝備有本發明的車輛的這些方向。因此，用於介紹本發明的這些術語將相對於裝備有本發明的車輛來進行解釋。
本文中用於介紹裝置的部件、部分的術語「設置成」包括構成和/或編程而執行所希望的功能的硬體和/或軟體。而且，在權利要求中表示為「裝置加功能」的術語將包括可用於執行本發明的該部分功能的任何結構。
本文中使用的程度術語例如「基本」、「大約」和「近似」的意思是偏離可變項一個合適的量，這樣，最終結果將不會明顯改變。例如，這些術語可以認為包括偏離至少+-5％，只要該偏離不會否定該變量詞的意思。
本申請要求日本專利申請No.2003-284230的優先權。日本專利申請No.2003-284230的整個內容被本文參引。
儘管已經通過選定的實施例介紹了本發明，但是本領域技術人員由本說明書可知，在不脫離由附加權利要求確定的本發明範圍的情況下，可以進行各種變化和改變。而且，對本發明實施例的前述說明只是用於舉例說明，並不是為了限制本發明，本發明將由附加權利要求和它們的等效物來確定。因此，本發明的範圍並不局限於所述實施例。
權利要求
1.一種排氣清潔系統，包括顆粒過濾器，該顆粒過濾器布置在發動機的排氣道中，並設置成用於積累在從發動機排出的排氣中的顆粒物質；壓力差檢測部分，該壓力差檢測部分設置成用於檢測在排氣道中在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差；排氣流量確定部分，該排氣流量確定部分設置成用於確定排氣流量；排氣溫度檢測部分，該排氣溫度檢測部分設置成用於檢測通過顆粒過濾器的排氣的溫度；積累狀態確定部分，該積累狀態確定部分設置成用於通過根據在壓力差檢測部分中檢測的壓力差、在排氣流量確定部分中確定的排氣流量和在排氣溫度檢測部分中檢測的排氣溫度而獲得顆粒過濾器內部的通道的參考等效表面面積來確定在顆粒過濾器中的顆粒物質積累狀態，積累狀態確定部分還設置成用於通過根據顆粒過濾器的溫度和排氣流量來調節參考等效表面面積，從而獲得所調節的等效表面面積。
2.根據權利要求1所述的排氣清潔系統，其中積累狀態確定部分還設置成用於利用規定圖來確定與顆粒過濾器的排氣流量和溫度相對應的調節係數，並通過使參考等效表面面積乘以調節係數來調節該參考等效表面面積。
3.根據權利要求1所述的排氣清潔系統，其中，積累狀態確定部分還包括初始等效表面面積確定部分，它設置成用於獲得與在顆粒過濾器的溫度下當顆粒物質積累量為零時的假設等效表面面積相對應的初始等效表面面積；以及積累量估計部分，該積累量估計部分設置成用於通過根據所調節的等效表面面積和初始等效表面面積的比率來估計在顆粒過濾器中積累的顆粒物質量，從而獲得所估計的顆粒物質積累量。
4.根據權利要求2所述的排氣清潔系統，其中，積累狀態確定部分還包括初始等效表面面積確定部分，它設置成用於獲得與在顆粒過濾器的溫度下當顆粒物質積累量為零時的假設等效表面面積相對應的初始等效表面面積；以及積累量估計部分，該積累量估計部分設置成用於通過根據所調節的等效表面面積和初始等效表面面積的比率來估計在顆粒過濾器中積累的顆粒物質量，從而獲得所估計的顆粒物質積累量。
5.根據權利要求3所述的排氣清潔系統，還包括再生部分，該再生部分設置成用於當所估計的顆粒物質積累量等於或大於規定值時再生該顆粒過濾器。
6.根據權利要求4所述的排氣清潔系統，還包括再生部分，該再生部分設置成用於當所估計的顆粒物質積累量等於或大於規定值時再生該顆粒過濾器。
7.根據權利要求1所述的排氣清潔系統，其中顆粒過濾器具有壁流蜂窩結構，該壁流蜂窩結構包括柱形過濾材料，該柱形過濾材料有多個蜂窩形細槽道，這些細槽道在交替端堵塞。
8.根據權利要求2所述的排氣清潔系統，其中顆粒過濾器具有壁流蜂窩結構，該壁流蜂窩結構包括柱形過濾材料，該柱形過濾材料有多個蜂窩形細槽道，這些細槽道在交替端堵塞。
9.根據權利要求3所述的排氣清潔系統，其中顆粒過濾器具有壁流蜂窩結構，該壁流蜂窩結構包括柱形過濾材料，該柱形過濾材料有多個蜂窩形細槽道，這些細槽道在交替端堵塞。
10.一種用於發動機排氣清潔系統的顆粒物質積累狀態確定方法，包括根據發動機的新鮮進氣流量和燃料注入量來確定排氣流量；根據排氣流量以及在排氣道中在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差來確定布置在排氣道中的顆粒過濾器的進口附近的排氣壓力；根據排氣壓力和顆粒過濾器的溫度來確定排氣密度；根據排氣流量和排氣密度來確定顆粒過濾器的參考等效表面面積；根據顆粒過濾器的溫度和排氣流量來確定調節係數；以及通過使參考等效表面面積乘以調節係數來確定顆粒過濾器的等效表面面積。
11.一種排氣清潔系統，包括顆粒物質積累裝置，用於積累在從發動機排出的排氣中的顆粒物質；壓力差檢測部分，用於檢測在排氣道中在顆粒物質積累裝置前和顆粒過濾器後之間的壓力差；排氣流量確定部分，用於確定排氣流量；排氣溫度檢測部分，用於檢測通過顆粒物質積累裝置的排氣的溫度；積累狀態確定部分，用於通過根據在壓力差檢測部分中檢測的壓力差、在排氣流量確定部分中確定的排氣流量和在排氣溫度檢測部分中檢測的排氣溫度而獲得顆粒物質積累裝置內部的通道的參考等效表面面積來確定在顆粒物質積累裝置中的顆粒物質積累狀態，積累狀態確定部分還設置成用於通過根據顆粒物質積累裝置的溫度和排氣流量來調節參考等效表面面積，從而獲得所調節的等效表面面積。
全文摘要
本發明提供了一種排氣清潔系統，該排氣清潔系統包括在排氣道中的顆粒過濾器。該排氣清潔系統設置成通過根據在顆粒過濾器前和顆粒過濾器後之間的壓力差、排氣流量和通過顆粒過濾器的排氣的溫度而獲得顆粒過濾器內部的通道的參考等效表面面積來確定在顆粒過濾器中的顆粒物質積累狀態。該排氣清潔系統還設置成通過根據顆粒過濾器的溫度和排氣流量來調節參考等效表面面積，從而獲得所調節的等效表面面積。因此，在柴油發動機的顆粒過濾器中積累的顆粒物質量可以準確估計，且估計結果不會受到發動機工作狀態的錯誤影響。
文檔編號F01N13/02GK1580510SQ20041005878
公開日2005年2月16日 申請日期2004年7月30日 優先權日2003年7月31日
發明者白河曉 申請人:日產自動車株式會社