微粒物质保持系统及其运转方法

专利名称：微粒物质保持系统及其运转方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于内燃发动机的排气处理系统，尤其涉及柴油发动机的柴油微粒物质保持系统及其运转方法。
背景技术：
从柴油发动机排出的排气包含作为主要成分的大量细小微粒。细小微粒(也称为 柴油微粒物质(DPM))包括柴油碳烟(即碳粒)和悬浮微粒(例如灰烬微粒、金属碎粒、硫 酸盐和硅酸盐)。当释放进大气中时，DPM能够引起严重的环境问题和健康风险。因此，已经设计柴油微粒过滤器(DPF)用于收集这些微粒物质。DPF要求正常再 生，其中去除收集的微粒(例如通过燃烧)以维持过滤器的收集能力并且减小由于堵塞造 成的压力损失。美国专利US 5，595，581显示了一个过滤器再生的示例方法。其中，使用一 对过滤器在收集运转期间从排气中去除细小粒子。在过滤器再生运转期间，窜气间歇地被 吹过其中一个过滤器以抽取收集的细小粒子。细小粒子被气体传送至收集箱，在收集箱处 通过燃烧处理这些细小粒子。然而，本发明的发明人已经认识到这种方法带来一些潜在的问题。如一个例子， 没有足够的窜气以在其它过滤器达到其最大收集能力之前抽取其中一个过滤器。如另一 个例子，在再生运转期间来自排气的背压会降低窜气的抽取效率。无论哪一种情况都会导 致不充分的过滤器再生并且会劣化后续收集运转的收集性能。如又一个例子，美国专利US 5，595，581显示的方法要求附加组件，例如收集箱和相关的电加热器或燃烧器。因此，需要 对附加部件进行经常维护以维持过滤器装置的性能。

发明内容
因此，在一个例子中，通过一种连接至发动机排气系统和进气系统的微粒物质保 持系统的运转方法来解决上述一些问题。微粒物质保持系统包含至少第一过滤器和第二过 滤器，该方法包含以第一过滤器存储微粒物质并且第二过滤器释放存储的微粒物质而排 气在第一方向上流穿过过滤器的第一模式运转，其中在第一方向上流动包含在流穿过第二 过滤器之前流穿过第一过滤器，并且在第一模式期间，从第一过滤器和第二过滤器之间抽 吸至少一些尾气用于排放至大气中。该方法进一步包含以第一过滤器释放存储的微粒物 质并且第二过滤器存储微粒物质而排气在第二、相反的方向上流穿过过滤器的第二模式运 转，其中在第二方向上流动包含在流穿过第一过滤器之前流穿过第二过滤器，并且在第二 模式期间，从第一过滤器和第二过滤器之间抽吸至少一些排气管气体用于排放至大气中。 这样，在给定的模式下，能够协调微粒物质存储和释放，同时排气在单个方向上流穿过微粒 物质保持系统。因此，该协同动作可防止碳烟的重度聚积和过滤器内的相关压力问题。此 夕卜，以这样的方式，可有效地反向流穿过该系统的排气方向，从而反转过滤器的微粒物质存 储和释放功能。通过从过滤器之间(具体地在微粒物质存储过滤器之后并且在微粒物质 释放过滤器之前)抽吸至少一些尾气，可相当大的减小排放至大气中的排气的微粒物质含量。这样，不需要复杂的系统维护和再生就可改善具有微粒物质保持系统的发动机的排放质量。 根据本发明另一方面，提供一种用于包括具有进气系统和排气系统的发动机的车 辆的系统，所述系统包含连接至所述发动机进气系统和排气系统的微粒物质保持系统，所 述微粒物质保持系统包含至少第一过滤器和第二过滤器，所述第一过滤器连接至第一控制 阀，所述第二过滤器连接至第二控制阀；及控制器，配置为在第一状况期间，运转在第一 模式，所述第一过滤器存储微粒物质并且所述第二过滤器释放收集的微粒物质，其中从所 述第一过滤器和所述第二过滤器之间抽吸排气并且随后传送至排气管，所述排气在第一方 向上流穿过所述过滤器，其中在所述第一方向上流动包含在流穿过所述第二过滤器之前流 穿过所述第一过滤器；运转在第二模式，所述第一过滤器释放收集的微粒物质并且所述第 二过滤器存储微粒物质，其中从所述第一过滤器和所述第二过滤器之间抽吸排气并且随后 传送至排气管，所述排气在第二、相反的方向上流穿过所述过滤器，在所述第二方向上流动 包含在流穿过所述第一过滤器之前流穿过所述第二过滤器；及通过调节从所述第一过滤器 和所述第二过滤器之间抽吸的排气量调节排气再循环量。根据本发明又一方面，提供一种用于管理具有进气系统和排气系统的发动机的微 粒物质排放的方法，所述排气系统包括至少第一过滤器和第二过滤器，所述方法包含运转 在第一模式，所述第一过滤器存储微粒物质并且所述第二过滤器释放存储的微粒物质，并 且所述排气系统将从所述第二过滤器释放的微粒物质运载至所述发动机进气系统；运转在 第二模式，所述第一过滤器释放存储的微粒物质并且所述第二过滤器存储微粒物质，并且 所述排气系统将从所述第一过滤器释放的微粒物质运载至所述发动机进气系统。在一个例子中，在第一模式期间，离开第二过滤器的气体可被传送至发动机进气 中。类似地，在第二模式期间，离开第一过滤器的气体可被传送至发动机进气。可通过连接 至各自过滤器的控制阀调节穿过每个过滤器的排气流的方向或速度。这样，在柴油微粒过 滤器内收集的微粒可被传送至发动机进气中，从而减少了过滤器再生的需要以及再生相关 的附件(例如收集箱和碳烟燃烧器，然而如果需要这样的再生仍然可用于一些例子中)。通 过使用排气流将存储的微粒引导至发动机进气内，也可避免与不足的窜气相关的劣化的过 滤器抽取。此外，通过减小对使用上升的排气温度(例如可通过下喷管燃料喷射引入)主 动地再生过滤器的需要，可改善发动机的燃料经济性。 在任一种运转模式中，即在第一和第二模式期间，可从过滤器之间抽吸至少一些 尾气用于可选地在下游催化转化器(例如NOx还原选择性催化还原催化剂)内进一步处理 和/或用于排放至大气中。气体剩余部分(包括释放的微粒)可通过EGR管道被传送至发 动机进气中(具体地至发动机汽缸)用于后续燃烧。调节阀和/或EGR阀可基于发动机工 况确定从过滤器之间抽吸的排气管气体量以及经由EGR管道再循环至进气歧管的排气量。 这些工况可包括例如所需EGR率、空燃比、发动机转速/负载、排气温度等。微粒物质保持 系统可顺序在第一模式和第二模式运转。在一个例子中，控制器可以第一模式运转过滤器 预定时间间隔，接着可交替运转模式。类似地，在以第二模式运转过滤器预定的时间间隔之 后，运转模式可切换回第一模式。如一个例子，每个运转模式可仅持续1个小时这样每个过 滤器在每次运转结束时可仅具有最大一半的碳烟负载。在其它例子中，每个运转模式可基 于不同的发动机工况持续不同的时间间隔，其中时间间隔可由多种因素确定，例如DPF碳烟负载(例如，基于DPF背压)、发动机碳烟模型、积分碳烟传感器(例如，精确测量过滤器 内的实际微粒物质(PM)负载的传感器)的输出、过滤器温度等。
尽管该例子建议基于时间间隔在第一运转模式和第二运转模式之间相继地运转 PM保持系统，在其它实施例中，可响应DPF背压(例如，阈值压力)、发动机碳烟模型、能够 精确测量过滤器内的实际PM负载(例如，阈值PM负载)的积分碳烟传感器的输出等交替 模式之间的运转。另外，PM保持系统可响应特定发动机工况(例如在发动机运转在高负载和峰值功 率期间)运转在第三运转模式。在第三模式期间，过滤器均在存储微粒物质。其中，可调节 阀门以使得可在排气被排放至大气之前将其引导穿过全部过滤器。这样，通过以经常的间隔交替运转模式以使得在过滤器内避免高碳烟负载，可减 少过滤器的堵塞和相关的压力下降问题。通过将收集的微粒释放进发动机进气中，可取消 再生相关的部件，例如收集器箱(用于收集微粒)和电燃烧器(用于燃烧微粒)。此外，通 过减小DPF的主动再生(其中额外的燃料量用于增加DPF的温度并且烧掉存储的碳烟)，可 减少过高温度相关的部件劣化同时也改善了车辆的燃料经济性。更进一步地，通过从在发 动机进气中燃烧微粒收回一些能量，可显著地改善发动机燃料经济性。应理解上面的概述提供用于以简化的形式引入将在详细描述中进一步描述的选 择的概念。不意味着确认所保护的本发明主题的关键的或实质的特征，本发明的范围将由 本申请的权利要求唯一地界定。此外，所保护的主题不限于克服上文或本公开的任何部分 中所述的任何缺点的实施方式。

图1显示了发动机和相关的微粒物质保持系统的示意图。图2显示了内燃发动机的示意图。图3显示了处于第一运转模式的图1的微粒物质保持系统的示例实施例。图4显示了处于第二运转模式的图1的微粒物质保持系统的示例实施例。图5显示了处于第三运转模式的图1的微粒物质保持系统的示例实施例。图6显示了图1的微粒物质保持系统的替代实施例。图7-8显示了可执行用于存储和释放根据本发明的图1的微粒物质保持系统中的 微粒的高级流程图。
具体实施例方式下面的描述涉及用于运转微粒物质保持系统(例如图1中的柴油微粒物质保持系 统)的系统和方法。如图3-4中所说明，多个微粒过滤器(在描述的示例中为两个)的控 制阀可调节以使得排气在第一运转模式期间以第一方向流穿过过滤器，并且在第二运转模 式期间以第二(相反)的方向流穿过过滤器。在每个模式下，一个过滤器可存储微粒而另 一个过滤器可释放在之前运转期间收集的微粒。如图7中所示，通过间歇地交替运转模式， 可有规律地交替柴油微粒过滤器的微粒物质的存储和释放功能。可替代地，如图5和8中 所说明，在峰值发动机运转负载下，可调节过滤器的控制阀以使得过滤器均可存储微粒。通 过EGR通道将一部分收集的微粒释放至发动机，可减少主动过滤器再生的需要。通过使用排气流将存储的微粒引导进发动机进气(在一个例子中为直接地)，可减小涉及不足窜气的潜在问题，例如不充分的过滤器抽取。此外，通过减少再生相关的提高排气温度的需要， 可改善发动机的燃料效率和排放水平。图1显示了车辆系统6的示意图。车辆系统6包括连接至微粒物质(PM)保持系 统22的发动机系统8。发动机系统8可包括具有多个汽缸30的发动机10。发动机10包 括进气系统23和排气系统25。进气系统23包括经由进气道42流体连接至发动机进气歧 管44的节气门62。排气系统25包括最终通向传送排气至大气中的排气管道35的排气歧 管48。节气门62可位于增压装置(例如涡轮增压器50或机械增压器)的下游以及后冷却 器52的上游的进气道42内。同样，后冷却器52可配置用于减小由增压装置压缩的进气的 温度。涡轮增压器50可包括设置在进气道42和进气歧管44之间的压缩器51a。压缩器 51a可至少部分由设置在排气歧管48和排气管道35之间的排气涡轮51b驱动。发动机排气系统25可包括一个或多个排放控制装置70，其可安装在排气系统中 的紧密耦合位置。一个或多个排放控制装置可包括三元催化剂、稀NOx过滤器、选择性催化 还原(SCR)催化剂等。排气系统25也可经由管道26和柴油氧化还原剂(DOC) 54可运转地 连接至PM保持系统22。PM保持系统22也可经由EGR通道28和EGR冷却器56可运转地 连接至发动机进气系统23。应该明白地是，如图2的示例发动机中详细描述的，发动机可包 括其它部件例如多种阀门和传感器。在一个例子中，如所描述，PM保持系统22为柴油微粒 物质保持系统。PM保持系统22可包括一个或多个PM保持装置(例如一个或多个柴油微粒过滤器 (DPF))以临时地将PM从进入的气体中过滤。可通过各自的阀(例如双向控制阀)控制通 过DPF的气流。如参考图3-4进一步详述的，PM保持系统22可包括调节孔用于将至少一 些尾气传送至排放控制装置70并且进一步地沿排气管道35传送至大气中。类似地，一个 或多个EGR阀(图3-6)可调节由PM保持系统22释放至发动机进气系统23中的微粒量。车辆系统6还可包括控制系统14。控制系统14显示为从多个传感器16 (本文描 述了其多种例子)接收信息并且将控制信号发送至多个驱动器81 (本文描述了多种例子)。 如一个例子，传感器16可包括排气传感器126 (位于排气歧管48内)、温度传感器128和 压力传感器129 (位于排放控制装置70上游)。其他传感器例如压力传感器、温度传感器、 空燃比传感器和组分传感器可连接至车辆系统6中的多个位置，如这里更详细讨论的。如 另一个例子，驱动器可包括燃料喷射器(未显示)、双向控制阀(如图3-6中所示)、EGR阀 (如图3-6中所示)和节气门62。控制系统14可包括控制器12。控制器12可从多种传感 器接收输入数据，处理输入数据，并且基于指令或相应于一个或多个程序的编程入其中的 代码响应处理的输入数据触发驱动器。这里参考图7-8描述示例控制程序。PM保持系统22可运转用于将来自发动机排气系统25的柴油微粒物质(DPM)(例 如碳烟)存储在第一柴油微粒过滤器(DPF)中，并且同时将存储在第二 DPF中的DPM释放至 发动机进气系统23中。可从PM保持系统(例如从DPF之间)抽吸至少一些尾气用于进一 步通过下游催化剂和排放控制装置处理和/或用于排出至大气中。基于发动机工况(例如 排放控制装置的温度、空燃比等)，可调节释放至发动机进气系统(经由发动机EGR系统) 中的DPM量。图2为显示了多缸发动机10的一个燃烧室或汽缸的示意图。发动机10可至少部分由包括控制器12的控制系统和由车辆操作者130经过输入装置132的输入控制。在这 个例子中，输入装置132包括加速踏板和用于成比例地产生踏板位置信号PP的踏板位置传 感器134。发动机10的汽缸(本文也可为燃烧室)30可包括带有定位于其内的活塞138的 燃烧室壁136。活塞138可连接至曲轴140以便使活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。 曲轴140可经由传动系统连接至车辆的至少一个驱动轮。而且，起动马达可经由飞轮连接 至曲轴140以开启发动机10的起动运转。燃烧室30可经由一系列的进气道142、144和146接收进气。进气道146能够与 除汽缸30之外的发动机10的其它汽缸连通。在一些实施例中，一个或多个进气道可包括 增压装置例如涡轮增压器或机械增压器。例如，图2显示了发动机10配置有包括设置在进 气道142和144之间的压缩器174和沿排气道148设置的排气涡轮176的涡轮增压器。压 缩器174可通过轴180至少部分由排气涡轮176驱动，在这里增压装置配置为涡轮增压器。 然而，在其它例子中，例如在发动机10设有机械增压器时，排气涡轮176可选择地省略，这 样压缩器174可由来自马达或发动机的机械输入驱动。包括节流板164的节气门162可沿 发动机的进气道设置用于改变提供至发动机汽缸的气流速度和/或进气压力。例如，节气 门162可设置在如图2中所示的压缩器174的下游，或可替代地设置在压缩器174的上游。排气道148能够从除汽缸30之外的发动机其它汽缸接收排气。排气传感器126 显示为连接至排放控制装置170上游的排气道148。传感器126可从用于提供排气空燃比 指示的多种适合的传感器中选择，例如线性氧传感器或UEGO (通用或宽域排气氧传感器)、 双态氧传感器或EGO (排气氧传感器)、HEG0(加热型EGO)、氮氧化物、碳氢化合物或一氧化 碳传感器。装置70可为三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、多种其他排放控制装置或其组合。可通过位于排气道148内的一个或多个排气传感器(未显示)估计排气温度。可 替代地，可基于发动机工况(例如转速、负载、空燃比(AFR)、火花延迟等)来推断。此外，可 通过一个或多个排气传感器126来计算排气温度。应了解可替代地可通过本文列出的温度 估计方法的任何组合来估计排气温度。发动机10的每个汽缸可包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，汽缸 30显示为包括位于发动机30上部区域的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀 156。在一些实施例中，发动机的每个汽缸(包括汽缸30)可包括位于汽缸上部区域的至少 两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。可经由驱动器152通过控制器12控制进气门150。类似地，可经由驱动器154通 过控制器12控制排气门156。在一些情况下，控制器12可改变提供至驱动器152和154的 信号以控制各自进气门和排气门的打开和关闭。通过各自气门位置传感器(未显示)可确 定进气门150和排气门156的位置。气门驱动器可为电动气门驱动类型或凸轮驱动类型中 一种或它们的组合。可同时地控制进气门正时和排气门正时，或可使用可变进气凸轮正时、 可变排气凸轮正时、双独立可变凸轮正时或固定凸轮正时中任一种。每个凸轮驱动系统可 包括一个或多个凸轮并且可利用可由控制器12运转以改变阀运转的一个或多个凸轮廓线 变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统。例 如，汽缸30可替代地包括经由电动阀门驱动控制的进气门和由包括CPS和/或VCT系统的 凸轮驱动控制的排气门。在其它实施例中，进气门和排气门可由共同的阀门驱动器或驱动 系统，或可变阀门正时驱动器或驱动系统控制。
汽缸30能够具有当活塞138处于下止点与上止点时的容积比的压缩比。按常规， 压缩比处于9 1至10 1的范围内。然而，在一些使用不同燃料的例子中，可增加压缩 比。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可包括火花塞192用于发动燃烧。在选定 的运转模式下，点火系统190能够响应来自控制器12的火花提前信号SA经由火花塞192 将点火火花提供至燃烧室30。然而，在一些实施例中，火花塞192可省略，例如在发动机10 通过自动点火或通过喷射燃料(如在一些柴油发动机情况下)发动燃烧。在一些实施例中，发动机10的每个汽缸可配置有一个或多个燃料喷射器用于为 其提供燃料。如一个非限制性例子，汽缸30显示为包括一个燃料喷射器166。燃料喷射器 166显示为直接地连接至汽缸30用于经由电子驱动器168直接地将燃料与从控制器12接 收的脉冲宽度信号FPW-I成比例地喷射进汽缸30内。这样，燃料喷射器166以称为直接喷 射(下文也称为“DI”)的方式将燃料提供进燃烧室30内。尽管图2显示喷射器166为侧 喷射器，其也可位于活塞的顶部，例如靠近火花塞192的位置。可从包括燃料箱、燃料泵和 燃料轨的高压燃料系统172将燃料输送至燃料喷射器166。可替代地，可通过单级燃料泵在 低压下输送燃料，在这种情况下，在压缩冲程期间的直接燃料喷射正时比使用高压燃料系 统受到更多的限制。此外，尽管没有显示，燃料箱可具有压力传感器用于将信号提供至控制 器12。应了解在替代实施例中，喷射器166可为将燃料提供至汽缸30的进气道上游的进 气道喷射器。也应了解汽缸30可从多个喷射器接收燃料，例如多个进气道喷射器、多个直 接喷射器或它们的组合。图2中控制器12显示为微型计算机，包括微处理器单元106、输入/输出端口 108、 用于可执行的程序和检定值的电子存储介质(在本具体例子中显示为只读存储器芯片 110)、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。存储介质只读存储器110可被编 程为由处理器102可执行用于执行下面描述的方法以及可以预期的但没有具体列出的其 它变量的指令表示的计算机可读数据。控制器12可从连接至发动机10的传感器接收多种 信号，除了之前论述的那些信号，还包括来自质量空气流量传感器122的引入质量空气流 量(MAF)测量值、来自连接至冷却套筒118的温度传感器116的发动机冷却剂温度(ECT)、 来自连接至曲轴140霍尔效应传感器120 (或其他类型)的脉冲点火感测信号(PIP)、来自 节气门位置传感器的节气门位置TP和来自传感器124的绝对歧管压力信号MAP。发动机转 速信号RPM可由控制器12从脉冲点火感测PIP信号生成。来自歧管压力传感器的歧管压 力信号MAP可用于提供进气歧管内的真空或压力指示。排气再循环(EGR)系统可经由EGR通道141将所需部分的排气从排气道148传送 至进气道144。可经由EGR阀143通过控制器12改变提供至进气道148的EGR的量。此 外，EGR传感器145可设置在EGR通道内并且可提供压力、温度和排气的浓度中一个或多个 指示。如上如述，图2显示了多个汽缸发动机10的一个汽缸，并且每个汽缸可类似地包 括其自有组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。图3显示了处于第一运转模式(模式1)的微粒物质(PM)保持系统22的示例实 施例300。类似地，图4显示了处于第二运转模式(模式2)的微粒物质(PM)保持系统22的示例实施例400，而图5显示了处于第三运转模式(模式3)的微粒物质(PM)保持系统 22的示例实施例500。图6显示了图3-6中的PM保持系统的替代实施例，包括高压和低压 EGR循环。应了解图1中引入的相同标号的部件可类似地作为图3-6中的参考。 回到图3，PM保持系统22可包括设置在排放控制装置70上游的PM保持装置，例 如第一柴油微粒过滤器(DPFl) 302和第二柴油微粒过滤器(DPF2)304。过滤器可具有由例 如堇青石或碳化硅制成的块结构，其带有多个内部通道用于将微粒物质从柴油排气中过滤 掉。而且，交替通道可塞住。塞子强制排气流穿过通道壁并且允许微粒物质收集在出口面 上。因此，在存储运转结束时，交替通道塞子的出口面可覆盖有微粒物质，产生特性变化的 模型。来自排气歧管48的清洁排气可经由排气歧管26在通过DOC 54、或空气过滤器箱 之后流进PM保持系统22。可通过连接至第一过滤器的第一双向控制阀312调节穿过第一 过滤器302的排气流。类似地，可通过连接至第二过滤器的第二双向控制阀314调节穿过 第二过滤器304的排气流。在一个例子中，例如在第一运转模式和第二运转模式期间，两个 控制阀(312和314)可以相同方向配置。因此，例如当运转在第一模式时，控制阀312和 314均可配置为第一配置，例如打开(ON)位置。类似地，如参考图4详述，当运转在第二模 式时，控制阀312和314均可配置为第二配置，例如关闭(OFF)位置。在其它例子中，例如 在图5中描绘的第三运转模式期间，两个控制阀(312和314)可以相反方向配置。当配置 在打开(ON)位置时，控制阀312可允许排气进入过滤器302，而控制阀314可防止排气进入 过滤器304。因此，当两个控制阀均处于打开(ON)配置时，排气可在第一方向上流穿过PM 保持系统，具体地，沿管道306穿过第一过滤器302随后至第二过滤器304。此外，在该配 置下，第一过滤器DPFl可存储微粒物质(在交替通道的出口面上)，而第二过滤器DPF2可 释放存储的微粒物质(即，在前面存储运转期间存储在交替通道的出口面上的微粒物质)。 通过使用清洁的排气，可减少微粒释放过滤器(即，当运转在模式1时的第二过滤器DPF2) 的出口面内的微粒物质积聚。可从位于第一过滤器302和第二过滤器304之间的管道306至管道308抽吸至少 一些穿过PM保持系统22的尾气。抽吸穿过管道308的尾气可进一步在排放控制装置70 中处理和/或经由排气管道35排放至大气中。通过调节阀310调节沿管道308在过滤器 之间抽吸的尾气量。在一个例子中，调节阀310可为压力调节器。压力调节器可配置用于 提供较高的静态压力以解决进气歧管内的增压压力。因此，其为这样，在第一模式期间，穿 过第一过滤器的排气流量高于穿过第二过滤器的排气流量。此外，在第一模式期间，离开第二过滤器DPF2的气体被传送至发动机进气系统。 具体地，顺着穿过第一过滤器DPFl和第二过滤器DPF2的管道，含有从第二过滤器释放的微 粒物质的排气可经由连接管道27流进EGR管道28。在进入进气道42并且随后进入进气歧 管44之前，排气可在EGR冷却器56内冷却。除了调节释放至下游部件和/或大气中的气 体量，调节阀310也可调节释放进EGR管道内的排气量，即EGR率。额外地或可选地，位于 EGR管道内以及EGR冷却器56上游的EGR阀29可调节EGR率。这样，在第一模式期间，通 过减少通过第二过滤器的流量，可减少排气再循环的量。调节阀310和/或EGR阀29可基 于发动机工况(例如所需EGR率、空燃比、排气温度、过滤器温度等)调节抽吸的尾气量和 再循环的排气量。
现参考图4，当运转在第二运转模式(模式2)时，双向控制阀312和314均可配置为关闭(OFF)位置。当配置在关闭(OFF)位置时，控制阀314可允许排气进入第二过滤 器304，同时控制阀312可防止排气进入第一过滤器302。因此，当两个控制阀均处于关闭 (OFF)配置时，排气可在第二方向上流穿过PM保持系统，具体地，沿管道306(在与当运转在 第一模式时相反的方向上)穿过第二过滤器304(DPF2)随后至第一过滤器302 (DPFl)。此 夕卜，在该配置下，DPF2可存储微粒物质(在交替通道的出口面上)，而DPFl可释放存储的微 粒物质(即，在前面第一运转模式期间存储在交替通道的出口面上的微粒物质)。在这里，如在第一模式下，可从位于管道306至管道308抽吸至少一些穿过PM保 持系统22的尾气用于进一步在排放控制装置70中处理和/或经由排气管道35排放至大 气中。调节阀310可调节沿管道308抽吸的尾气量。因此，其为这样，在第二模式期间，穿 过第一过滤器的排气流量低于穿过第二过滤器的排气流量。此外，在第二模式期间，离开第一过滤器DPFl的气体被传送至发动机进气系统。 具体地，顺着穿过第二过滤器DPF2和第一过滤器DPFl的管道，含有从第一过滤器DPFl释 放的微粒物质的排气可直接地流进EGR管道28。与模式1中不同的是，在这里可不需要穿 过连接管道27的管道。在进入进气道42并且后续进入进气歧管44之前，排气可在EGR冷 却器56内冷却。调节阀310也可调节释放进EGR管道内的排气量，S卩EGR率。额外地或可 选地，位于EGR管道28内以及EGR冷却器56上游的EGR阀29可调节EGR率。可响应包括 发动机转速/负载状况的发动机工况调节EGR率。这样，在第二模式期间，减少通过第一过 滤器的流量以减少排气再循环的量。调节阀310和/或EGR阀29可基于发动机工况(例如 所需EGR率、空燃比、排气温度、过滤器温度等)调节抽吸的尾气量和再循环的排气量。也 可响应存储在第一过滤器和第二过滤器中至少一个内的微粒物质量调节抽吸的尾气量和/ 或输送至进气歧管带有释放的微粒物质的排气量。例如，可随着过滤器内存储的微粒物质 的量增加而增加输送至进气歧管的微粒物质的量和EGR率。类似地，可随着过滤器内存储 的微粒物质的量减少而减小输送至进气歧管的微粒物质的量和EGR率。如参考图7进一步详述，控制器可调节控制阀的运转以使得每个运转模式(即模 式1和模式2)可持续固定的、预定长的时间量。时间间隔可基于不同的发动机工况，例如 DPF碳烟负载(例如，基于DPF背压)、发动机碳烟模型、积分碳烟传感器(例如，精确测量过 滤器内的实际PM负载的传感器)的输出、过滤器温度等。在一个示例中，每个模式可持续 1个小时，然而，应了解其它时间间隔也是可能的。通过在每个模式运转1个小时，实际上， 存储的过滤器(即在第一模式期间的DPFl和在第二模式期间的DPF2)可承载半小时的微 粒。在该时间期间，在存储的过滤器期望是大约最多一半的碳烟(或微粒物质)负载。这 样，可减少过滤器堵塞和相关的压力下降问题。类似地，释放的过滤器(即在第一模式期间 的DPF2和在第二模式期间的DPF1)可将存储的微粒释放进EGR管道约半小时。这样，收集 的微粒物质可有效地释放至发动机汽缸用于后续燃烧，从而在随后的存储运转之前使得通 路畅通，并且可避免过滤器再生。在其它实施例中，可响应DPF背压(例如，阈值压力)、发动机碳烟模型、能够精确 测量过滤器内的实际PM负载的积分碳烟传感器的输出(例如阈值PM负载)等在模式之间 交替运转。因此，通过在两个运转模式之间连续顺序运行发动机微粒物质保持系统，其中有规律地交替微粒过滤器的微粒物质存储和释放运转，能够改善微粒物质存储和释放效率而 不需要过滤器再生。此外，通过直接将存储的微粒物质释放进发动机汽缸用于进一步燃烧， 能够改善燃料效率。
现参考图5，在第三运转模式(模式3)期间，双向控制阀312和314可以调节在相 反方向。如所描绘，控制阀312可处于打开(ON)配置，而控制阀314可处于关闭(OFF)配 置，然而相反组合也是可能的。在该配置下，控制阀312可允许排气进入过滤器302，而控制 阀314可允许排气进入过滤器304。因此，排气可流穿过PM保持系统的过滤器并且进入管 道306，排气从这里可进入管道308并且沿排气管道35排放至大气。此外，在该配置下，过 滤器都可存储微粒物质。同样，PM保持系统可在发动机特定工况期间(例如在峰值功率需 求和/或高发动机负载期间)运转在第三模式。由于发动机的峰值功率能力相当大地受到 排气背压(其相应地受到催化剂尺寸影响)的影响，通过在峰值发动机负载期间在存储模 式下使用两个过滤器，可增加过滤器的有效尺寸，可减小排气的背压，并且可显著地改善发 动机峰值功率输出。图6描绘了图3-5中的PM保持系统的替代实施例600。具体地，实施例600额外 地包括了高压EGR回路和低压EGR回路。高压EGR回路626可位于涡轮增压器50的上游 并在进气歧管和排气歧管之间。在一些例子中也可省略高压EGR回路。通过EGR阀628可 调节沿高压EGR回路626来自排气歧管的排气流。
可额外地提供低压EGR回路627以使得PM保持系统抽吸低压EGR。可设置低压 EGR回路627以抽吸(存储中的)柴油微粒过滤器下游(特别是从管道306)的排气。将再 循环进发动机进气中的排气可穿过可选的EGR冷却器656。此外，EGR阀629可调节释放进 低压EGR回路627内的排气量(和/或释放速度)。尽管描绘的实施例显示使用了可选的 EGR冷却器656，在其它实施例中，低压EGR回路627可不包括EGR冷却器，并且可替代地， 与EGR阀29的上游的EGR管道28合并，从而使得EGR回路627也可利用EGR阀29和EGR 冷却器56。现参考图7，描述了在第一和第二运转模式期间用于在图1中的微粒物质保持系 统中存储和释放微粒的示例程序700。在702处，可确认发动机在运行，否则程序可结束。 同样，在一个例子中，存储_释放运转仅在发动机运行时执行。在703处，可确定发动机是 否运转在峰值功率。例如，可基于当前发动机转速、发动机负载和/或发动机扭矩输出估计 峰值功率。同样，在峰值功率时，即便很小量的排气背压就会对发动机性能具有较大的不利 影响。因此，在704处，如果发动机正运转在峰值功率时，PM保持系统可运转在模式3(如 在图8中进一步详述)以使得全部的排气流能够穿过PM保持系统的过滤器。如果发动机没有运转在峰值功率，随后在705处，PM保持系统可配置为以模式1 运转，其中第一和第二过滤器(DPF1和DPF2)的控制阀可切换至打开(ON)配置。在描述的 例子中，模式1可为例如在发动机冷起动时的默认运转模式。在706处，PM保持系统计时 器可设置为零并且开始计时。在708处，响应控制阀的配置，清洁的排气可在第一方向流穿 过过滤器，这样第一过滤器DPFl存储微粒并且第二过滤器DPF2同时释放存储的微粒。艮口， DPFl可正在收集该过滤器的交替通道内的微粒，而DPF2可正在将在前面运转期间收集的 微粒经由EGR管道释放进发动机内。在710处，可确认是否已经过了预定的时间间隔(t)。 在一个例子中，预定的时间间隔为1小时。因此，检验模式1运转是否已经发生1个小时。如果回答为否，则随后在712处，模式1的运转可继续直至已经过了预定时间间隔。 在714处，如果确认已经过去预定时间间隔，则PM保持系统可配置为以模式2运 转，其中第一和第二过滤器(DPF1和DPF2)的控制阀可切换至关闭(OFF)配置。在716处， 计时器可设置为零并且随后重新开始计时。在718处，响应控制阀的配置，清洁的排气可在 第二方向流穿过过滤器，这样第一过滤器DPFl正在释放微粒并且第二过滤器DPF2正在存 储微粒。即，DPF2可正在收集该过滤器的交替通道内的微粒，而DPFl可正在将在前面运转 期间收集的微粒经由EGR管道释放进发动机内。在720处，可确认是否已经过了预定的时 间间隔(t)。在描述的例子中，预定的时间间隔为1小时。然而，应了解在替代实施例中，每 个模式的运转的预定时间间隔可不同。此外，可响应发动机工况独立地调节每个运转模式 的预定时间间隔，发动机的工况例如包括排气温度、所需的EGR率、空燃比、DPF碳烟负载 (例如，基于DPF背压)、发动机碳烟模型、积分碳烟传感器(例如，精确测量过滤器内的实 际PM负载的传感器)的输出、过滤器温度等。如果确认模式2的运转已经完成所需的时间 间隔，随后程序可返回至704处以将运转模式交替至模式1。如果所需时间间隔没有过去， 随后在722处，模式2的运转可继续直至已经过了预定时间间隔。这样，过滤器可相继地运 转在第一模式直至达到第一阈值，并且随后运转在第二模式直至达到第二阈值。尽管所描述的例子说明了基于由PM保持系统计时器设置的时间间隔(即基于时 间的阈值)相继地在第一运转模式和第二运转模式之间运转PM保持系统，在其它实施例 中，可响应DPF背压(例如，阈值压力)、发动机碳烟模型、能够精确测量过滤器内的实际PM 负载的积分碳烟传感器的输出(例如阈值PM负载)等在模式之间交替运转。S卩，可响应工 况独立地调节第一过滤器和第二过滤器的第一阈值和第二阈值。现参考图8，描述了在第三运转模式期间用于在图1中的微粒物质保持系统中存 储微粒的示例程序800。同样，在选择的发动机工况下(例如在发动机运转在高负载和峰值 功率期间)，PM保持系统可运转在模式3。因此，在802处，可确认发动机是否在峰值功率 运行。如果回答为否，则程序可结束。一旦确认发动机峰值功率输出，PM保持系统可配置 以运转在模式3，其中第一过滤器(DPFl)的控制阀可切换至打开(ON)配置，而第二过滤器 (DPF2)的控制阀可切换至关闭(OFF)配置。即，与两个控制阀均可处于相同配置(都为打 开(ON)或都为关闭(OFF))的模式1和模式2相反，在模式3下，控制阀可调节在不同的配 置。在806处，PM保持系统计时器可设置为零并且开始计时。在808处，响应控制阀 的配置，清洁的排气可流穿过过滤器，这样过滤器均正在存储微粒。在这里，通过使得在峰 值发动机运转期间过滤器均存储微粒，峰值功率排气流可有效地分布在过滤器之间并且可 减小任何一个过滤器内的碳烟过度聚集，从而减少排气背压累加的机会。通过减小排气背 压，在发动机高输出需求期间可将发动机性能维持在较高水平。在810处，可确认是否已经 过了预定的时间间隔(t)。可替代地，其可确认是否已经达到阈值DPF背压或阈值PM负载。 如果是，则程序可结束。否则，程序可继续在模式3运转直至达到阈值。因此，通过在低发 动机负载至中发动机负载下交替过滤器的存储和释放功能，并且随后在高发动机负载下切 换至仅存储功能，DPF材料的大小可比如果峰值功率气流仅流穿过单个DPF时更小。 这样，微粒物质保持系统可在低发动机负载至中发动机负载下相继地运转在第一 模式和第二模式，这样可有规律地交替柴油微粒过滤器的微粒物质的存储和释放功能。此夕卜，微粒物质保持系统在高发动机负载下可运转在第三模式，其中过滤器均执行存储功能， 这样峰值功率排气流可分布在过滤器之间。通过这样，可减小过滤器内的碳烟过度聚积，从 而减少相关问题(例如堵塞、压力累加和对主动再生的需要)。通过将存储的微粒直接地释 放进发动机进气中(具体地至发动机汽缸中)用于后续的燃烧，可减少使用下喷管燃烧喷 射和上升的温度的过滤器再生同时增加燃料效率和车辆的排放质量。
注意的是本发明包括的示例控制和估值程序可与多种发动机和/或车辆系统配 置一同使用。本发明描述的具体例程可代表任意数量处理策略(例如事件驱动、中断驱动、 多任务、多线程等)中的一个或多个。同样，可以以所说明的顺序执行、并行执行所说明的 各种行为或功能，或在一些情况下有所省略。同样地，处理的顺序也并非实现此处所描述的 实施例的特征和优点所必需的，而只是为了说明和描述的方便。可根据使用的具体策略，可 重复执行一个或多个说明的步骤或功能。此外，所述的步骤用图形表示了编程入发动机控 制系统中的计算机可读存储介质的代码。应了解，此处公开的配置与例程实际上为示例性，且这些具体实施例不应认定为 是限制性，因为可能存在多种变形。例如，上述技术可应用于V-6、1-4、I-6、V-12、对置4缸、 和其他发动机类型。本发明的主题包括多种系统与配置以及其它特征、功能和/或此处公 开的性质的所有新颖和非显而易见的组合与子组合。本申请的权利要求具体地指出某些被认为是新颖的和非显而易见的组合和次组 合。这些权利要求可引用“一个”元素或“第一”元素或其等同物。这些权利要求应该理解 为包括一个或多个这种元素的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元素。所公开的特 征、功能、元件和/或特性的其他组合和次组合可通过修改现有权利要求或通过在这个或 关联申请中提出新的权利要求得到主张。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更 宽、更窄、相同或不相同，也被认为包括在本发明主题内。
权利要求
一种微粒物质保持系统的运转方法，所述微粒物质保持系统连接至发动机排气系统和进气系统，所述微粒物质保持系统包含至少第一过滤器和第二过滤器，所述方法包含在第一状况期间，运转在第一模式，所述第一过滤器存储微粒物质并且所述第二过滤器释放存储的微粒物质，所述排气在第一方向上流穿过所述过滤器，其中在所述第一方向上流动包含在流穿过所述第二过滤器之前流穿过所述第一过滤器，并且在所述第一模式期间，从所述第一过滤器和所述第二过滤器之间抽吸至少一些尾气用于排放至大气中；以及运转在第二模式，所述第一过滤器释放存储的微粒物质并且所述第二过滤器存储微粒物质，所述排气在第二、相反的方向上流穿过所述过滤器，其中在所述第二方向上流动包含在流穿过所述第一过滤器之前流穿过所述第二过滤器，并且在所述第二模式期间，从所述第一过滤器和所述第二过滤器之间抽吸至少一些尾气用于排放至所述大气中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一模式期间，穿过所述第一过滤器 的排气流量高于穿过所述第二过滤器的排气流量，并且在所述第二模式期间，穿过所述第 一过滤器的排气流量低于穿过所述第二过滤器的排气流量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含在所述第一模式期间，减少穿过所述 第二过滤器的流量以减少排气再循环的量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一模式期间，离开所述第二过滤器 的气体被传送至所述发动机进气。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第二模式期间，离开所述第一过滤器 的气体被传送至所述发动机进气。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述过滤器之间抽吸的尾气量取决于所 述发动机工况。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含在所述第一运转模式和第二运转模 式之间相继地运转。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述第一运转模式和第二运转模式之间 相继地运转包括运转在所述第一模式直至达到第一阈值，并且随后运转在第二模式直至达 到第二阈值，响应时间间隔、DPF背压和DPF碳烟负载中至少一个独立地调节所述第一和第二阈值。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一过滤器连接至第一控制阀并且所 述第二过滤器连接至第二控制阀，并且其中运转在所述第一模式包含将所述第一控制阀和 所述第二控制阀均设置在第一配置，并且运转在所述第二模式包含将所述第一控制阀和所 述第二控制阀均设置在第二配置。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一配置为打开(ON)配置，并且所述 第二配置为关闭(OFF)配置。
全文摘要
本发明公开一种微粒物质保持系统的运转方法。微粒物质保持系统包含连接至发动机进气系统的至少第一过滤器和第二过滤器。一个示例方法包含在第一状况期间，以第一过滤器存储微粒物质并且第二过滤器释放存储的微粒物质而排气在第一方向上流穿过过滤器的第一模式运转。该方法还包含以第一过滤器释放存储的微粒物质并且第二过滤器存储微粒物质而排气在第二、相反的方向上流穿过过滤器的第二模式运转。该方法还包括在第二状况期间，运转在第三模式，其中第一过滤器和第二过滤器均存储微粒物质。在所有的模式期间，从第一过滤器和第二过滤器之间抽吸至少一些尾气用于排放至大气中。
文档编号F01N3/022GK101806236SQ201010115190
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月12日
发明者P·J·坦尼松, 张小钢 申请人:福特环球技术公司