专利名称：颗粒过滤器的再生方法和使用这种方法的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于再生设置于附连在内燃机上的排气管中的颗粒过滤器的方法，以及一种根据权利要求6前序部分的车辆。
背景技术：
在柴油机的燃烧过程中，除了水蒸气之外，还形成了一氧化氮和二氧化碳灰粒。为了减少灰粒的排放，可以在排放管道中设置颗粒收集器。灰粒被颗粒收集器截留，由此净化了废气。例如，在EP 341 832中就描述了一种包括能截留灰粒的过滤器的系统。然后，灰粒在二氧化氮环境中焚化。二氧化氮由来自设置于过滤器上游的氧化催化器中的一氧化氮的废气形成。EP 341 832中所述的系统的问题在于在低废气温度的运行条件下将灰粒转变成二氧化碳的能力太低，这就意味着颗粒过滤器的再生将要占用太多的时间，或者在可适用的地方将不能充分进行，这将造成过滤器被逐渐阻塞，结果就导致压差增加。这又意味着过滤器需要经常维修。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高转变度的用于再生颗粒过滤器的方法。此目的通过根据权利要求1的特征部分的方法而得以实现。
根据所提出的方法，当内燃机运行于与发动机制动相应的运行模式时，设置于内燃机上的喷射单元在运行点处及时向设置于内燃机中的排放系统提供燃料，排放管道中的所述气体混合物的温度升高。催化器单元设置在排放管道中，热连接于颗粒过滤器上，其暴露于所供应的受到氧化的燃料中，结果灰粒过滤器就被加热至灰粒能够通过与所述废气中所包括的氧的反应而转变成二氧化碳的温度。喷射单元可以包括具有置于排放管道中的喷射器的分离式单元，或者利用内燃机现有的喷射系统。
本发明利用了发动机制动时的废气温度高于正常运行过程中的废气温度这一事实。例如，可以表明，位于废气温度和低负载下游的废气温度大约为200℃，中间负载时大约为300℃而在高负载时为400℃。在发动机制动过程，涡轮下游的温度在所述的情况下可能高达大约500℃，根据发动机制动时所吸收的效应而定。然而，为了在的过程中进行碳颗粒的氧化，环境温度需要接近600℃。这一温度通过向一个或若干个燃烧室中喷射燃料来实现，燃料穿过燃烧室出去通过处于未使用状态的排放管道。替代地，燃料可以通过分离设置的喷射单元直接喷入排放系统。然后，燃料通过与置于过滤器上游的氧化催化器接触而被氧化，通过这点来利用所发出的反应能将过滤器加热至点燃温度以便在过程中氧化碳颗粒。
作为发动机制动，所有系统都可被使用，其中内燃机向流过排放管道的气体混合物提供压缩，而在所使用的气体混合物没有发出相应膨胀功。在SE 466 320、SE470 363、SE 502 614、SE 502 914和SE 512484中描述了这些系统的实例。
在优选实施例中，通过设置于内燃机燃烧室处的喷射器供应燃料。在这种情况下，当将控制单元设定于已经启动发动机制动的运行模式时，燃料按照如上所述方式供应，并且处于这样一种阶段以容许燃料穿过燃烧室进入处于未用完或只是部分用完状态的排放管道。这可以通过在相对于正常喷射往后延迟的曲轴角位置处，即在膨胀冲程或稍后的过程中供应燃料而实现。如果使用废气压力调节器，则该延迟的曲轴角位置与上死点之后90°的位置相应，而如果使用SE 466 320中所述的废气制动器，则该延迟的曲轴角位置与上死点之后30°的位置相应。
本发明还涉及使用所述方法的车辆。
下面将参看附图对本发明进行更详细地描述，其中图1示意性地示出了包括装备着利用根据本发明的方法再生的颗粒过滤器的内燃机的车辆；图2示意性地示出了装备着颗粒过滤器和用于实现发动机制动的装置的内燃机；图3示意性地示出了装备着颗粒过滤器和用于实现发动机制动的装置的内燃机，其包括用于可变地设置发动机制动效应的废气压力调节器；图4示意性地示出了设置于气缸中的活塞和用于引起发动机制动的可变化地调节的废气阀；图5示意性地示出了在正常运行过程中和再生时的发动机制动过程中的喷射的燃料量的容积流量；图6示出了用于确定在正常运行过程中喷射的燃料量的矩阵形图象；图6a示出了用于确定在发动机制动以便再生颗粒过滤器的过程中喷射的燃料量和用于喷射的曲轴角位置的矩阵形图象；图7示意性地示出了用于在发动机制动时利用燃料的延迟喷射再生颗粒过滤器的方法；图8示意性地示出了用于再生颗粒过滤器的控制算法；图9示意性地示出了作为温度的函数的氧化氮至二氧化氮的转化程度，从而示出了作为废气温度的函数的二氧化氮环境中灰粒的转化效率。
具体实施例方式
图1中示出了车辆1，其装备着内燃机2和附连于内燃机2上的齿轮箱3。齿轮箱3具有向外伸出的主动轴4，其通过万向轴5驱动着至少一对主动轮6。车辆1按照常规方式设计成围绕着车架7，车架7由所述主动轮6和优选地还有一组转向轮8支承。车辆1优选地包括驾驶室9。
内燃机2按照常规方式装备着排放系统10，其包括附连于内燃机出口的排气歧管11。排放系统10中优选地设置有涡轮12，其优选地包括于涡轮机组中，从而机械连接于设置在内燃机进气侧的压缩机(未示出)上，或者替代地机械反馈至涡轮混合系统中的内燃机主动轴上。
内燃机为柴油机型，这意味着在燃烧过程中会形成灰粒。排放系统因此而装备着设置于排放系统10中的颗粒过滤器13。氧化催化器14设置成与颗粒过滤器保持热连接。热连接意味着在氧化催化器中发生的反应能够加热颗粒过滤器。为此，氧化催化器通常设置于上游并紧靠颗粒过滤器，但是也可将颗粒过滤器与氧化催化器在公共支承结构上形成一体，在此催化剂材料分布于过滤主体上。
优选地，氧化催化器和颗粒过滤器可按照EP 341 832或EP 835 684中所述进行成形。灰粒被截留于颗粒过滤器13中。在氧化催化器中，存在从氧化氮NO至二氧化氮NO2的持续转化反应。然后，在二氧化氮环境中发生灰粒的持续氧化反应，灰粒在任意、某些或所有的以下过程中被氧化成二氧化碳，这些过程包括、、或。然而，由于NOX，尤其是NO2的量较低，所以这些过程太慢以致在低温和/或低发动机负载时不能完全再生过滤器。甚至由于例如硫的毒害而引起的对NO2形成功能的妨害将会妨碍烟灰燃烧。
图2更详细地示出了内燃机2，其设置成用于再生根据本发明的颗粒过滤器。内燃机按照常规方式连接于齿轮箱3上。内燃机2具有进气壳体15，其既连接于内燃机的进口(未示出)上，又连接于进气管道16上。进气管道16优选地具有压缩机17，其优选地连接于包括在涡轮机组中的涡轮12上。应用时，负载空气冷却器18可以设置于进气管道中。
内燃机2还具有连接于内燃机出口(未示出)上的排放系统10。排放系统包括排气歧管11，并且在排气歧管11的下游设置有排气涡轮12。而且，颗粒过滤器13和氧化催化器设置于排放管道10中。在所示实施例的实例中，氧化催化器14与颗粒过滤器13隔开并且设置于颗粒过滤器13的上游。在替代实施例中，氧化催化器和颗粒过滤器可能设置于同一支承主体上。
在所示实施例的实例中，内燃机包括一个直列型六缸发动机和六个圆柱形燃烧室19a-19f。按照常规方式向燃烧室供应燃料。在所示实施例的实例中，使用了所谓的共轨喷射，燃料管道20利用泵21在高压下向阀21a-21f供给燃料，这些阀21a-21f由控制单元22分别控制着打开与关闭。控制单元22为常规型，并且设置成在一定曲柄角位置处进行一定量的燃料的喷射，例如通过控制当相应的阀21a-21f打开时的曲柄角位置并控制每个阀的喷射时间来进行。本发明可以用于利用其它类型的燃料供给的内燃机，例如使用单一喷射器时。
内燃机1还具有用于产生发动机制动效应的机构23。术语发动机制动效应指的是内燃机在压缩或排气冲程期间向流过排放管道的气体混合物提供压缩功，而在膨胀或进气冲程期间不会从气体混合物放出相应的膨胀功。
发动机的制动效应可以按照本发明所属领域的普通技术人员已知的任选方式，如SE 466 320、SE 470 363、SE 502 614、SE 502 914和SE 512 484中任一个所述的任一种方式而实现。当发动机制动效应使得氧化催化器处的废气温度升高至至少为250℃时，优选地为至少450℃时，本发明的功能运行最佳。如果将涡轮设置于排放管道中，则当喷入燃料时涡轮下游的废气温度应当至少为250℃，优选地为至少450℃。
在图2中虚线所示的替代实施例中，燃料通过设置于排放管道上的分离式喷射单元21g直接供应至排放管道10。喷射单元21g具有终止于排放管道中的喷嘴。
图3示出了本发明的一个实施例，其中图2中所述的用于产生发动机制动效应的机构23包括废气压力调节器。大多数零件与结合图2进行描述的实施例相一致。下面将只对未经描述的零件进行描述。
内燃机2具有示意性提出的压缩制动装置24，其包括在用于发动机制动的所述机构23中。在本发明的某个实施例中，利用了专利文献SE 466 320中所述的这种压缩制动装置24，其也已经结合图4进行了部分描述。这种压缩制动装置24使得在进气冲程的后面部分期间和在压缩冲程的后面部分期间，发动机的气缸能够与发动机的排气歧管连接以便增强发动机制动效应。
此外，排气涡轮12的出口25终止于总体上标为数字26的废气压力调节器中，其可以是已知的类型并且包括节流阀外壳27，节流阀外壳27包括节流阀(未示出)和连接于节流阀上的气动控制装置28，该气动控制装置28通过控制阀29与压缩空气源例如发动机制动系统的压力箱连接。利用控制装置，就可以对节流阀在全开位置与作用位置之间进行调节，这时一定的废气压力通过节流阀与所流经气体的相互作用来限定。
控制单元22优选地为微处理器，其根据从如速度表30之类同样已知的传感器输入至控制单元的发动机和车辆的数据，来提供输出信号以便分别接通和关断压缩制动装置24和调整废气压力调节节流器26。如图2中所示，控制单元的输入包括代表作为发动机数据的负载压力、发动机每分钟转数和环境温度的信号，以及代表作为车辆数据的ABS开/关、车速、离合器踏板位置、节流阀踏板位置、持续速度自行保持装置开/关和减速水平的信号。
关于可调式发动机制动水平的功能描述，参看SE 502 614。
在替代实施例中，废气压力调节器可以由带有可调式涡轮几何结构的废气涡轮来代替，以便控制废气背压。
图4示意性地示出了装备着压缩制动装置24的燃烧室。图中示意性地示出了带有压缩制动装置的四冲程内燃机。内燃机包括带有容放着活塞33的气缸32的发动机组31，活塞33通过活塞杆34连接于曲轴35上。配重36按照常规方式使得曲轴平衡，从而减少了发动机中振动的出现。气缸32中的活塞33的上方具有利用气缸盖38关闭的燃烧室37。气缸盖38中具有进气门39，该进气门调节着燃烧室37与连接于进气口40上的进气管道16之间的连接。而且，气缸盖38还容放着排气门41，该排气门调节着燃烧室37与连接于排气口42上的排放系统10之间的连接。为了控制排气门41和进气门，实施例中示出了分别设置的凸轮轴43和44。在替代实施例中，这些阀可以直接进行电子控制，例如利用电磁执行器控制。
为了实现发动机制动效应，优选地，节流阀外壳27中设置有呈节流阀形式的节流机构45。节流机构或节流器45由控制单元22进行控制，控制单元22也用于调节机构46，当受到影响时该调节机构变更凸轮轴44与用于控制排气门41的阀机构之间的接合关系。
而且，图4中还示意性地示出了活塞33的位置与上死点47和下死点48。如上所述，活塞33通过活塞杆34连接于设置在内燃机2中的曲轴35上，从而可在上下死点之间进行调节，同时引起曲轴35的转动。
参看SE 466 320，可以了解对发动机制动效应实现方式的更详细的说明。
图5示意性地示出了在正常运行条件下和再生期间的发动机制动过程中的喷射燃料量的容积流量。在喷射过程中，喷射的燃料量和曲轴的角度位置的控制由控制器按照本发明所属领域的普通技术人员已知的方式进行控制。SAEJ1939/71，1996中示出了一种车辆所用的控制单元的实例。示意图示出了容积流量为曲轴角度位置的函数，其利用活塞的上、下死点作为参考点进行示出。沿着X轴线示出了内燃机的四个冲程0°与180°之间的进气冲程，180°与360°之间的压缩冲程、360°与540°之间的膨胀冲程以及540°与720°之间的排气冲程。
曲线A示出了在一种运行情况下的燃料供应量，其中发动机在输送转矩的正常运行模式中运行。然后，在压缩冲程与膨胀冲程之间的过渡处供应燃料，持续时间介于3-30曲轴角度之间。
曲线B1-B3示出了在发动机制动过程中用于再生设置在排放管道中氧化催化器下游的颗粒过滤器的供应燃料量。优选地，在膨胀冲程或排气冲程期间，在位于压缩冲程与膨胀冲程之间的上死点之后的30°与90°之间的间隔内供应燃料。在压缩冲程和膨胀冲程期间在上死点之后可能存在另一个0°-360°的间隔，其处于膨胀冲程和排气冲程过程中。
在实施例B1和B2中，在位于压缩冲程与膨胀冲程之间的上死点之后的30°与180°之间供应燃料。
在实施例B3中，在上死点之后的270°处供应燃料。
图6示出了内燃机在正常运行模式中运行时根据负载和每分钟转数来确定喷射的燃料量的矩阵形图象的实例。控制单元22包括其中存储着这种形式矩阵的存储区域(未示出)。
图6a示出了喷射的燃料量的矩阵形式图像的实例。当假定内燃机具有发动机制动功能并且颗粒过滤器将要发生再生时，就使用这种矩阵形图象。控制单元22包括其中存储着这种形状矩阵的存储区域(未示出)。在第一负载间隔中，当发动机制动时没有燃料供应。该第一负载间隔与内燃机负载的小负值相应，即这时利用低发动机制动效应进行发动机制动，其与废气未受到充分加热相应。在本发明的一个实施例中，这与250℃以下的废气温度相应。在第二负载间隔中，供应少量的燃料，其基本上与零负载期间的燃料供应量处于同一量级。在该第二负载间隔中，内燃机负载的较大负值与在中间至高发动机制动效应状态下进行的发动机制动相应。在本发明的一个实施例中，这与超过250℃，优选地超过450℃的废气温度相应。
图7示出了用于实现对设置成热连接于氧化催化器上的颗粒过滤器的再生的流程图。第一道工序50是确定车辆是否处于正常运行状态或者是否处于发动机制动状态。如果车辆处于正常运行状态，则控制单元22处于第一运行模式60，在此燃料喷射由根据图6中所示实例的矩阵形图像控制。如果正在进行发动机制动，则第二道工序70确定颗粒过滤器是否应当进行再生。如果不需进行再生，则控制单元22再次处于第一运行模式60，在此燃料喷射由根据图6中所示实例的矩阵形图像控制。然而，由于进行发动机制动，则定期喷射的燃料量等于0mg/冲程。如果进行再生，则控制单元22处于在发动机制动过程中进行再生的第二运行模式80。在这种情况下，根据按照图6a中所示实例的矩阵形图象供应燃料。
图8示出了车辆的控制单元2使用的控制算法100的一个实施例。控制单元22包括已知类型的常规控制算法101，其用于设定控制着内燃机以便产生转矩的第一运行模式60和与启动发动机制动相应的第二运行模式80。为此，常规控制算法101包括提取车辆数据如速度、负载压力、温度、发动机每分钟转数等等。车辆数据按照常规方式利用一系列传感器和利用根据可用信息计算与估计的值而进行检索。在第一道工序102中完成车辆数据的检索。而且，在常规控制算法101中包括检索驾驶员所需的值，如气动踏板位置、制动、减速器和/或发动机制动器的制动效应调节、自动速度控制(持续速度自行保持装置)调节等。
在第二道工序103中进行对所需值的检索。根据检索的所需值和检索的车辆数据，在第一执行步骤104中确定内燃机是否应当在其第一或第二运行模式下运行。在与产生驱动转矩相应的第一运行模式60的情况下，根据已知的算法，在第三道工序105中计算燃料供应所用的持续时间和时间点。如果在设定于第二运行模式80的情况下，则在第二执行步骤106中的控制算法就处于再生模式或非再生模式之一。当执行步骤106的输入信号显示将要进行再生时，则进行再生。输入信号来自控制算法100的子过程107，在此发生正在进行的烟灰水平计算。根据本发明，烟灰水平的计算通过燃烧室中燃料的每次燃烧产生的烟灰附加物的总和减去由二氧化氮感生过程以及由周围的氧中的强迫再生而转变的烟灰量来进行。在本发明的一个实施例中，烟灰量S利用下述方程式进行计算S=Σi=1naiVi-∫b(T)dt-Σj=11mcΔtj]]>其中，ai为燃烧i的烟灰形成因数，其燃料容量为Vi。本发明所属领域的普通技术人员凭经验可知烟灰形成因数，其取决于燃烧过程中的负载点。b(T)为二氧化氮环境中的灰粒的燃烧的因数。因数b主要取决于氧化催化器中的废气温度T。b(T)的定性形态对本发明所属领域的普通技术人员而言众所周知，并且可以从图9所示的简图中清楚地看到。
c为上述氧支持的灰粒转变的因数。c的特性对本发明所属领域的普通技术人员而言众所周知。氧支持的转变只有在废气温度超过600℃时才会发生。在这一区域内，因数c主要与废气中氧的含量和过滤器上的烟灰浓度成比例。Δtj为强迫再生的持续时间。这个方程式只有在S为正值才正确。如果S小于0，则将S赋予值0。
在以下工序108中，确定烟灰量S是否超过极限水平S≥Smax。如果烟灰水平超过极限值，则在发动机制动时通过供应燃料而进行强迫再生，其在第四道工序109中执行。可以利用末端位于排放管道中的分离设置的喷射单元供应燃料，或者通过内燃机的普通喷射单元供应燃料。如上所述。在第五道工序110中按照常规方式实现发动机制动。
本发明并不限定于上述实施例，而是在不超出附属权利要求书范围的情况下，可以对本发明可以自由变动。
权利要求
1.一种用于再生设置成与连接至内燃机(2)上的排放管道(10)中的催化器单元(14)热连接的颗粒过滤器(13)的方法，其中内燃机(2)设置成处于产生驱动转矩的第一运行模式(60)和构成发动机制动的第二运行模式(80)，其中内燃机(2)向流过内燃机(2)和排放管道(10)的气体混合物提供压缩功，而不会从气体混合物放出相应的膨胀功，其特征在于执行下列步骤控制单元(22)确定内燃机(2)在与发动机制动相应的所述第二运行模式(80)中受到驱动，排放管道中的所述气体混合物的温度升高；在所述第二运行模式(80)过程中，喷射单元(21a-21f、21g)向排放管道(10)供应燃料，所述催化器单元(14)暴露于所述被氧化的燃料中，颗粒过滤器(13)被加热至灰粒能够通过与所述气体混合物中所包括的氧的反应而转变成二氧化碳的温度。
2.根据权利要求1所述的用于再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，所述燃料通过设置于所述内燃机(2)上的喷射单元(21a-21f)供应，其在这样一个点处及时向内燃机(2)中的燃烧室(37)供应燃料，以容许燃料穿过燃烧室(37)进入处于未用完或只是部分用完状态的排放管道(10)，当所述用完或只是部分用完的燃料与催化器单元(14)接触时则会受到氧化，由此将灰粒过滤器(13)加热至灰粒能够通过与所述废气中所包括的氧的反应而转变成二氧化碳的温度。
3.根据权利要求2所述的用于再生的方法，其特征在于，所述燃料在内燃机的膨胀冲程或在其排气冲程期间供应。
4.根据权利要求1所述的用于再生的方法，其特征在于，所述燃料通过设置于排放管道上的喷射单元(21g)直接向排放管道(10)供应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于再生的方法，其特征在于，在通过发动机制动效应在颗粒过滤器处的废气温度至少为250℃，优选地至少为450℃的这些情况下供应燃料。
6.一种车辆(1)，包括内燃机(2)和连接于内燃机(2)的排放系统(10)以及热连接于所述排放系统(10)中的催化器(14)上的颗粒过滤器(13)，其中内燃机(2)装备着发动机制动用机构(23)，由此内燃机(2)被设置成向流过内燃机(2)和排放管道(10)的气体混合物提供压缩功，而不会从气体混合物放出相应的膨胀功，设置于内燃机(2)上的控制单元(22)设置成处于内燃机发出驱动转矩的第一运行模式(60)和构成所述发动机制动的第二运行模式(80)，其特征在于，设置于所述车辆(1)上的喷射系统(20、21)设置成当需要再生灰粒过滤器(13)时，在所述第二运行模式(80)的过程中向排放管道(10)供应燃料，由此催化器单元(14)暴露于所述被氧化的燃料中，由此灰粒过滤器(13)被加热至灰粒能够通过与所述废气中所包括的氧的反应而转变成二氧化碳的温度。
7.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述喷射系统(20、21)包括连接于内燃机上的喷射系统(20、21)，用于将燃料供向布置在内燃机(2)中的燃烧室(37)，该喷射系统布置成在这样的状态下将燃料供向所述燃烧室(37)，以容许燃料穿过燃烧室(37)进入处于未用完或只是部分用完状态的排放管道。
8.根据权利要求7所述的车辆，其特征在于，所述喷射系统布置成在内燃机的膨胀冲程或排气冲程期间供应燃料。
9.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，该车辆包括喷射单元(21g)，该喷射单元布置在排放管道上并且布置成直接将燃料供向排放管道(10)。
全文摘要
一种用于再生设置在设置于内燃机(2)上的排放管道(10)中的催化器单元(14)下游的颗粒过滤器(13)的方法，其中内燃机(2)设置成处于发出驱动转矩的第一运行模式(60)和构成发动机制动的第二运行模式(80)，其中内燃机(2)向流过排放管道(10)的气体混合物提供压缩功，而不会从气体混合物放出相应的膨胀功，以及一种使用了所述方法的车辆。
文档编号F01N13/02GK1666014SQ03816214
公开日2005年9月7日 申请日期2003年5月7日 优先权日2002年5月7日
发明者P·珀松 申请人:沃尔沃拉斯特瓦格纳公司