瞬态和稳态循环工况下柴油微粒过滤器负荷的确定的制作方法

专利名称：瞬态和稳态循环工况下柴油微粒过滤器负荷的确定的制作方法
技术领域：
本发明涉及微粒过滤器再生的系统和方法，更具体地，涉及在瞬态和稳态循环工 况下确定微粒过滤器负荷的系统和方法。
背景技术：
微粒过滤器(PF)可用于减少发动机(例如柴油发动机)中微粒物质的排放。可 周期性地再生PF以去除积聚的微粒物质。可通过将PF的温度提升至预定水准以氧化积
聚的微粒物质来完成再生。
由于过载微粒物质的PF的再生会产生过高的温度并因过热而潜在地劣化PF陶瓷， PF再生的时机可影响PF的使用寿命。另一方面，由于能量用于提升排气温度，过度频 繁的再生会导致燃料经济性降低。此外，过度频繁的再生会导致发动机润滑油稀释， 从而由于更高的部件磨损而导致保修费用增加。
可例如基于对烟粒负荷(soot load)的估计或基于过滤器两端的差压测量值与 对其它参数(例如温度)的监视一起提供PF微粒过滤器的再生时机。
本申请的发明人认识到了这种方法的多个问题。具体地，由于传感器在其工作范 围的极限时精度劣化，基于压力的测量值在低排气体积流量时可能非常不精确。另外， 由于传感器的高电平时间常数(high time constants)和排气系统中不稳定的流体 力学特性，基于压力的测量值在瞬态工况下可能非常不精确。

发明内容
为了至少部分解决上述的问题，本申请的发明人于此提供了多种用于更新发动机 的PF烟粒负荷的系统和方法。在一个实施例中，该方法可包括响应基于压力的测量值 以及与基于压力的测量值无关的估计的烟粒负荷来执行再生，其中在基于压力的测量 值可能不精确的状况下，基于工况和先前基于压力的测量值来估计烟粒负荷，所述先 前基于压力的测量值在基于压力的测量值较精确的先前状况下产生。这样，在利用了例如从最近的精确读数得出的基于压力的测量值和自这种读数起发生的工况(包括瞬 态工况)的同时，提供了对微粒过滤器负荷更加连续的监视。因而，可提供更加适时 的再生。
在另一个实施例中，提供一种用于再生车辆排气系统中的微粒过滤器的方法。该 方法包含至少响应至少通过压力传感器测量的微粒过滤器两端的压差确定第一烟粒 负荷；响应与压力传感器无关的多个工况确定微粒过滤器的估计的烟粒负荷增量；在 高排气流量状况期间，响应第一烟粒负荷并独立于估计的烟粒负荷增量执行再生；在 低排气流量和/或瞬态工况期间，至少响应在进入低排气流量和/或瞬态工况之前取得 的第一烟粒负荷读数并进一步基于估计的烟粒负荷增量执行再生。


图l为包括用于监视微粒过滤器的烟粒负荷的烟粒负荷监视系统的示例发动机的 示意图。
图2为图1的发动机的排放控制系统的示例的示意图。
图3A-3B说明了可在图1的烟粒负荷监视系统中实施的用于监视PF烟粒负荷的方 法的示例流程图。
图4为说明了微粒过滤器的烟粒负荷值随着时间变化的时间图，该值为使用本文 公开的用于监视微粒过滤器烟粒负荷的系统和方法的示例实施例确定。具体地，图4 显示了运转的假想示例。
具体实施例方式
图1为可采用公开的用于监视微粒过滤器烟粒负荷的系统和方法的示例内燃发 动机10的示意图。在一个示例中该发动机可为柴油发动机。
包含多个汽缸的内燃发动机10由电子发动机控制器12控制，图1中显示了其中 一个汽缸。发动机IO包括燃烧室30和其中定位有活塞36的汽缸壁32,该活塞连接 至曲轴40。燃烧室30显示为分别通过进气门52和排气门54与进气歧管44和排气 歧管48相连通。发动机10显示为带有将燃料直接喷射入汽缸30的燃料喷射器80的 直接喷射发动机。燃料通过燃料系统(图中未示)传输至燃料喷射器80,该燃料系 统包括燃料箱、燃料泵和高压共轨系统。燃料喷射器80与来自控制器H的信号FPW 的脉冲宽度成比例地传输燃料。由信号FPW控制的燃料量和喷射正时均可调整。例如 在一些情况下发动机.10可采用压缩点火燃烧。
图1中控制器12显示为微型计算机，包括微型处理器单元102，输入/输出端 口 104,只读存储器106,随机存取存储器108和常规数据总线。控制器12显示为从 连接至发动机10的传感器接收多个信号，除上文讨论的信号外还包括来自连接至 冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT);来自连接至进气歧管44的压力传感器116的歧管压力(MAP)的测量值；来自温度传感器117的歧管温度 的测量值(AT);来自连接至曲轴40的发动机转速传感器118的发动机转速信号(RPM)。 排放控制系统20连接至排气歧管48，具体参考图2对该系统的示例实施例进行 描述。
请注意，在一个示例中，发动机IO可为在富氧状况下以分层充气燃烧运转的柴 油发动机。可替代地，可利用燃料正时调整和多点燃料喷射以获得均质充气压缩点火 燃烧。尽管可利用稀燃运转，还可以调整发动机工况以获得化学计量运转或富燃空燃 比运转。
在另一替代实施例中，涡轮增压器可通过进气歧管和排气歧管连接至发动机10。 涡轮增压器可包括进气道内的压缩机和排气道内的涡轮，该压缩机与涡轮通过轴连 接。此外，发动机可包括节气门和排气再循环。
现在参考图2，排放控制系统20选择性地包括微粒过滤器15上游的催化剂系统 13。可选择性地使用多个种类的催化剂(例如基于尿素的选择性催化还原(SCR)催 化剂、氧化催化剂、和/或NOx吸附剂)或者可将这些催化剂与微粒过滤器相组合。 在一个例子中，在SCR催化剂的情况下，其可包括配方为200-500°C范围内最优NOx 转化性能的贱金属/沸石。例如尿素水溶液的还原剂可存储在车上并喷射入SCR催化 剂上游的排气系统。可替代地，可使用本领域技术人员已知的任意其它结抅(例如直 接喷射类型发动机中的晚期喷射)以向排气后处理装置传输还原剂，例如碳氢化合物 (HC)。
可替代地，催化剂系统13可包括(独立于SCR催化剂或作为其补充)氧化催化 剂用于迅速转化发动机排气中的碳氢化合物(HC)、 一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO), 该氧化催化剂包括贵金属催化剂，优选地为含有铂的贵金属催化剂。氧化催化剂还可 用于在排气系统中提供热量(例如用于微粒过滤器再生)，其中当在氧化催化剂上使 额外的HC减少时发生放热。这可以通过例如在发动机的做功冲程和排气冲程中的一 个或两个冲程时的缸内喷射(直接喷射发动机中)或者任意一些可选方法来完成，例 如延迟喷射正时、增加废气再循环(EGR)和进气节流，或其它增加排气中HC浓度的 方法。可替代地，碳氢化合物可直接喷射到进入氧化催化剂的排气流中。还原剂传输 系统19 (例如HC传输系统)可用于从燃料箱或从存储容器向排气系统传输HC以产
生热量用于为再生目的加热微粒过滤器15。
微粒过滤器15,在一个示例中为柴油微粒过滤器(DPF),可连接至催化剂系统 下游并可用于捕获车辆驱动循环中产生的微粒物质(例如烟粒)。DPF可由多种材料 制造，包括堇青石、碳化硅、和其它高温氧化物陶瓷。 一旦烟粒积累达到预定水准' 可开始再生过滤器。可通过将过滤器加热到一定温度来再生过滤器，在该温度可以比 新的烟粒颗粒沉积更快的速度燃烧烟粒颗粒，例如W0-600。C。在一个示例中'DPF 可以为含有贵金属(例如铂)涂层的催化微粒过滤器以降低烟粒燃烧温度并将碳氢化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳和水。
此外应注意，温度传感器21显示为连接至DPF。传感器或附加温度传感器也可 位于DPF内部或过滤器上游，或可使用排气温度模型基于工况估计DPF温度(或排气 温度)。在一个具体的示例中，可使用多个温度传感器，例如一个在DPF上游， 一个 在DPF下游。
同时，压差信号(厶p)显示为从压力传感器124和126确定。请注意，单个压 差传感器也可用于测量DPF 15两端的压差。也可以使用单端口表压传感器(SPGS， single port gauge pressure sensor)。在另一个替代实施例中，DPF可位于上游 位置，而可选的一个或多个催化剂位于下游。总体上，DPF两端的压力降(Ap)可 受到体积流量(F)和DPF的烟粒负荷影响，以及受如果需要可包括的其它因素例如 温度、燃料类型等影响。压力降可包括收缩和膨胀损失、气流沿着壁的摩擦损失、和 例如在确定烟粒负荷中的压力损失。
本领域技术人员可了解，下面在流程图中描述的具体程序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。这样，可以以 所说明的顺序或并行实现所说明的各种行为或功能，或在一些情况下有所省略。同样， 处理的顺序也并非达到此处所描述的特征和优点所必需的，而只是为了说明和描述的 方便。尽管没有明确说明，可根据使用的具体策略，可重复执行一个或多个说明的动 作或功能。此外，这些附像化表示了编程入控制器12中的计算机可读存储介质 的代码。
现在参考图3,描述了用于确定烟粒负荷并从而例如基于可与烟粒负荷相关联的 确定的流量限制以及基于可替代烟粒负荷模型控制微粒过滤器再生的程序。在一个示 例中，该方法通过将模型估计的烟粒负荷加到上次测量的烟粒负荷值上来在变化的工 况下更新DPF烟粒负荷。该烟粒模型可包括主要由发动机转速和扭矩的函数确定的发 动机原料气烟粒。也可包括环境和发动机工况，因为其影响了原料气烟粒。烟粒模型 可每lOOms估计烟粒，然而较慢的可校准定时器(timer)确定模型估计的烟粒被积 累并加到测量的烟粒负荷值上的频率。该定时器可仅在发动机运行且PF (例如DPF) 来处于再生模式时执行。可校准该定时器以慢至例如每6分钟执行一次，并因此可使 用附加的累加器以捕获上述瞬态工况时产生的烟粒。也可以与上面提出的定时器相同 的频率重置该瞬态累加器，但有延迟。可独立积累来自烟粒模型的烟粒并将其加到最 近测量的烟粒负荷值上。当测量的烟粒负荷值可用时，清除来自模型的积累的烟粒负 荷(如设为零)。图3,即下面描述的程序300，提供了示例方法的进一步细节。
应了解，可以不同速度执行程序300的多个步骤。例如，可以可校准的速度(例 如大约每IO秒)执行步骤302至328以及步骤348和350。可每100 ms执行步骤 至346 (烟粒模型)。可以可校准的速度(例如每2分钟)执行步骤330。
在如图3A和3B中所说明的程序300中，"LOAD—PF'，表示测量的烟粒负荷，或基于测量的PF烟粒负荷估计值；"L0AD-PF-S00T-M0DEL"表示在瞬态工况期间模型 确定的烟粒负荷增量，或在增加期间来自烟粒模型的烟粒积累量；
"LOAD —PF—S00T-M0DEL—SUM"表示模型确定的烟粒负荷累积增量，或自上次LOAD-PF 更新以后来自烟粒模型的累积的烟粒总量；且"TOTAL—LOAD-PF"表示来自测量和发 动机烟粒模型的累积的烟粒总量。
具体地，程序300可包括在302处确定发动机是否停止。如果答案为否，程序前 进至304。
在304处，确定PF是否处于再生模式。如果答案为否，程序前进至306。 在306处，启动可校准定时器用于测量监视并更新PF的时间间隔。在一些示例 中，可校准定时器以便慢至每6分钟执行一次。可设定仅当发动机运行时运行定时器。 在308处，程序可确定定时器是否期满。当定时器期满时，程序可前进至步骤
310。
程序可包括子程序A用于确定是否将以基于PF两端的压差确定的最新测量的烟 粒负荷更新测量的烟粒负荷。该子程序可包括步骤310、 312和314。该程序可确保 所有求平均以用于测量的烟粒负荷计算的样本均在一个驱动循环中取样。
在某些发动机工况下，可能无法基于测量的PF两端的压差精确地确定烟粒负荷。 例如，由于压力传感器在低排气流量状况下精度退化，在低排气流量下PF烟粒负荷 测量值可能无法足够精确。此外，由于传感器的较高电平时间常数和/或排气系统中 的不稳定流体力学特性，在瞬态中PF烟粒负荷可能不精确。因此，在这些工况时， 烟粒负荷的估计与基于测量的PF两端的压差的烟粒负荷无关。替代地使用烟粒模型 以基于速度和负荷来估计烟粒负荷，随后对其修正用于发动机/环境工况。随后将修 正的烟粒模型输出加到最近的烟粒负荷测量值上，其中所述最近的烟粒负荷测量值来 自在上述以外的工况下发生的压差。
在310处，程序确定发动机是否在PF烟粒负荷可例如基于测量的PF两端的压差
被精确测量的状况下运行。
如果在310处程序确定发动机在PF烟粒负荷可被精确测量的状况下运行，则程 序可前进至316,且以最近的测量值更新330处的测量的PF烟粒负荷。否则如果不 能精确测量烟粒负荷，程序可前进至312并使用未更新的测量的烟粒负荷，且可使用 烟粒模型以连续更新烟粒负荷。
在312处，程序可清除烟粒负荷移动平均数，导致累加器在在348处重置，并在 延时350后烟粒模型计算模型确定的烟粒负荷累积增量。在314处程序可停止以模型
确定的烟粒负荷累积增量更新烟粒负荷。
程序还可包括子程序B用于以模型确定的烟粒负荷累积增量更新烟粒负荷。该子 程序可包括316、 318、 320和322、 324、 328和346。
在316处，通过累加单个的使用烟粒负荷模型(子程序C)确定的模型确定的烟粒负荷增量，程序确定当前的由模型确定的烟粒负荷累积增量。模型确定的烟粒负荷 增量传递自346处的烟粒负荷模型(子程序C)。
在318处，程序确定烟粒负荷是否已经以最近测量的烟粒负荷更新。如果答案为 是，则程序前进至320。否则程序前进至322。
在320处，程序将模型确定的烟粒负荷累积增量重置为零。
在322处，子程序传递出模型确定的烟粒负荷累积增量。如果步骤314确定烟粒 负荷已经以最近测量的烟粒负荷更新，则模型确定的烟粒负荷累积增量为零。否则， 将步骤316处得到的求和值作为模型确定的烟粒负荷累积增量传递。
在步骤324，程序可以模型确定的烟粒负荷增量更新先前的烟粒负荷。如果在步 骤312处清除了烟粒负荷移动平均数或如果未对要求数量的测量的烟粒负荷样本取 样，330处得到的先前的烟粒负荷可以为来自326的测量的烟粒负荷。
在326处，程序可传递出来自烟粒负荷测量值和发动机烟粒负荷模型的累积的烟 粒负荷总量。
在328处，程序可返回至开始。
程序可进一步包括子程序C，其包括用于计算模型确定的烟粒负荷增量的烟粒模 型。该子程序可包括332至350。
将烟粒图(map) 340和多种发动机工况传递至烟粒模型341。多种发动机工况可 包括例如歧管空气温度(TBA)修正系数334 、空气质量流量修正系数"6、和环境压 力修正系数338。
烟粒模型341计算修正的烟粒估计值342，其在累加器344中积累以得到瞬态工 况时产生的总烟粒。程序输出模型确定的烟粒负荷增量346。可在348处重置累加器， 并在较短的延时350后程序在346处输出模型确定的烟粒负荷增量。
烟粒图340可存储在发动机控制器中。多种发动机工况可包括例如歧管空气温度 (TBA)修正系数334 、空气质量流量修正系数336、和环境压力修正系数338,它们可使用多种发动机传感器测量或计算得到。
模型确定的烟粒负荷增量346传递至316以确定当前的由模型确定的烟粒负荷累
积增量。
图4显示了说明了图1的烟粒负荷监视系统的微粒过滤器(PF)的烟粒负荷值的 时间图400,其在使用本文公开的用于监视PF烟粒负荷的系统和方法的机动车辆的
循环工况时多种情况下确定。
在T,处，起动机动车辆的发动机。结果，可校准定时器401开始运行以测量一个 或多个预定的时间间隔404。预定的时间间隔404测量监视和更新PF烟粒负荷的频 率。可在每次定时器期满时监视和/或更新PF的烟粒负荷。
用于监视或确定烟粒负荷的方法可取决于发动机工况。例如，当发动机运转在高 排气流量时(在此期间可基于PF两端的压力损失来精确测量烟粒负荷)'可基于测量的PF两端的压力损失确定PF的烟粒负荷。另一方面，当发动机运转在瞬态工况或 低排气流量时(在此期间不可基于测量的PF两端的压力损失精确地确定烟粒负荷)， 可代之以使用烟粒负荷模型来确定烟粒负荷，该烟粒负荷模型可基于发动机转速、和 /或发动机扭矩、和/或其它环境和发动机工况(例如环境温度和EGR设定点)。特定 地，可使用来自差压的最近读数作为基准，模型将未使用差压的状况期间累积的附加 的估计的烟粒递增地加到该基准上。这样，即使是当基于差压的读数不准确时，系统 可继续监视过滤器烟粒水准。
在一些例子中，定时器401可配置用于仅在预定的发动机工况下运转，例如仅当 发动机运行时。此外，可以预定的时间间隔执行或重置定时器401。在一个例子中， 可以慢至每6分钟执行或重置定时器401。此外定时器401可包括多个定时器，例如 两个独立的定时器，包括用于测量第一时间间隔的第一定时器，和用于测量第二时间 间隔的第二定时器，其中将基于pf两端的压力损失以第一时间间隔测量pf的烟粒负 荷，且使用烟粒负荷模型(例如图3的烟粒负荷模型)以第二时间间隔计算PF的烟 粒负荷。第一定时器测量的第一间隔可与第二定时器测量的第二间隔不同或者相同。 多个定时器可以同步或不同步，并且可以同时启动或不同时启动。此外，定时器401 可包括独立的定时器用于测量用于监视PF的烟粒负荷和用于更新烟粒负荷模型值的 预定伺隔。
在开始于T,并结東于T2的时间阶段，机动车辆的发动机工况是这样的，其可以 基于PF两端的差压且在一些情况下还基于PF内部的温度精确地确定微粒过滤器的烟 粒负荷。
菱形402表示的数据点显示了基于微粒过滤器两端的压力损失确定的测量的烟 粒负荷，该压力损失可从通过放置在PF上游和下游的压力传感器(例如压力传感器 124和126)或通过测量PF两端的差压的单个差压传感器确定的差压信号(△ p)与 多个其它参数例如温度等一起确定。因此，也可基于其它发动机参数，例如PF内部 的温度和排气体积流量以及其它因素(如果需要的话可被包括)，确定测量的烟粒负 荷。
在开始于T2并结東于T6的时间段中，机动车辆的发动机工况可以是这样的，即 无法基于PF两端的差压精确地确定微粒过滤器的烟粒负荷，例如当发动机在低排气 流量中运转和/或当发动机处于瞬态工况下时。例如，发动机在从L至L的低排气流 量状况中运转，且发动机在从L至Ts的瞬态工况中运转。圆形406表示的数据点为 在这样一种发动机工况下模型确定的烟粒负荷，其使用烟粒负荷模型确定.例如，烟 粒负荷406表示估计的烟粒负荷，其基于可接受状况(如L处的菱形)中最近的基于 压力的读数及进一步如烟粒模型(与基于压力的读数无关)确定的基于L和L间的 时间段产生的估计的增加的烟粒。这样，尽管在时间T3基于压力的读数不可用，也仍 可提供精确的烟粒负荷。在开始于T6并结東于L的时间段，机动车辆的发动机工况可以是这样的，即可 再次基于PF两端的差压精确地确定微粒过滤器的烟粒负荷，例如当发动机运转在高 排气流量中和当发动机不处于瞬态工况期间。因此，在L处可清除模型且再次从基于 压力的读数确定烟粒负荷。
压差410表示模型确定的烟粒负荷增量，其使用烟粒模型确定。压差412表示模 型确定的烟粒负荷累积增量，其由在从T2开始T6结束的时间段内累积合计模型确定 的烟粒负荷增量来确定。
在L处，微粒过滤器的烟粒负荷达到预定的用于再生PF的阈值414,并再生PF。
应了解，此处公开的配置和程序实际上是示例性的，且这些具体的实施例并非理 解为限制，因为可能有多种变形例。
本发明的主旨包括此处公开的多种系统和配置及其它特征、功能和/或属性的所 有新颖的和非显而易见的组合和子组合。例如， 一旦基于压力的测量值变得可用，则 可以基于与先前当基于压力的测量值不可用时获得的增加的烟粒负荷的比较适应地 更新模型。
本申请的权利要求特别指出某些视为新颖和非显而易见的组合和子组合。这些权 利要求可提到"一个"元素或"第一"元素或其等价。这种权利要求应当理解为包括 一个或多个这种元素的结合，既没有要求也没有排除两个或多个这种元素。可通过本 权利要求的修订或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求公开的特征、 功能、元素和/或属性的其它组合和子组合的权利。无论相对原始申请范围更宽、更 窄、相等或不同，这种权利要求也被认为是包括在本发明的主旨中。
权利要求
1.一种用于再生车辆排气系统中的微粒过滤器的方法，该方法包含响应流量限制引起的传感器压力指示执行所述微粒过滤器的再生，其中当传感器读数不精确状况期间，所述再生进一步响应所述传感器在传感器读数精确状况期间的先前读数和基于所述先前读数后与传感器无关的工况得出的估计的烟粒负荷。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述传感器测量所述微粒过滤器两 端的差压。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述传感器读数不精确状况包括低 排气流量状况。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述传感器读数精确状况包括高排 气流量状况。
5. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于将所述估计的烟粒负荷递增地加到 所述先前读数上直至传感器读数精确状况发生。
6. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于以比确定估计的烟粒负荷慢的取样 速度取得传感器读数。
7. —种用于再生车辆排气系统中的微粒过滤器的方法，该方法包含 响应流量限制引起的传感器压力指示执行所述微粒过滤器的再生，其中当低排气流量和瞬态工况期间所述再生进一步响应传感器的先前读数和估计的烟粒负荷，在 高排气流量状况期间取得所述先前读数，且所述估计的烟粒负荷基于与所述传感器无 关的工况，所述与传感器无关的工况在低排气流量和瞬态工况期间发生。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述传感器测量微粒过滤器两端的 差压。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述传感器压力指示包括所述微粒 过滤器上游的第一压力传感器的读数和所述微粒过滤器下游的第二压力传感器的读 数。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于在高排气流量状况期间响应流 量限制引起的与所述估计的烟粒负荷无关的传感器压力指示执行所述微粒过滤器的 再生。
全文摘要
本发明涉及瞬态和稳态循环工况下柴油微粒过滤器负荷的确定。本文提供了用于更新发动机的PF烟粒负荷的系统与方法。在一个实施例中，该方法可包括响应基于压力的测量值和与该基于压力的测量值无关的估计的烟粒负荷执行再生，其中在基于压力的测量值可能不精确的状况期间，基于工况和先前基于压力的测量值来估计烟粒负荷，所述先前基于压力的测量值在基于压力的测量值较精确的先前状况期间产生。这样，在利用了例如从最近的精确读数得出的基于压力的测量值和自这种读数起发生的工况(包括瞬态工况)的同时，提供了对微粒过滤器负荷更加连续的监视。从而，可提供更加适时的再生。
文档编号F01N3/023GK101598058SQ200810189029
公开日2009年12月9日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月18日
发明者大卫·切斯特·韦斯基威奇, 布拉德利·D·格雷森斯, 彼得·米切尔·莱恩, 戈帕尔·K·彻马西, 米切尔·J·范·纽斯塔特, 艾德温·艾伦·克伦兹, 诺门·海厄姆·奥珀尔斯凯 申请人:福特环球技术公司