用于再生柴油机微粒过滤器的方法

专利名称：用于再生柴油机微粒过滤器的方法
技术领域：
本发明涉及对柴油发动机系统中的柴油微粒过滤器(DPF)进行再生。
背景技术：
柴油发动机系统总体地包括一个或多个燃烧室，所述燃烧室由缸中的往复活塞独 立地限定。缸设置有一个或多个进气阀以及一个或多个排气阀，所述进气阀用于循环地朝向 进气线路打开燃烧室从而接收新鲜的空气流，排气阀用于循环地朝向排气线路打开燃烧室 从而排放废气。缸也设置有可电控制的喷射装置，该喷射装置由基于微电脑的控制器(ECU)控 制，用于根据多种喷射方式将燃料喷射入燃烧室内部。在正常的发动机操作期间，多种喷射方式通常包括压缩冲程期间在进气阀关闭与 活塞到达其上死点中心位置(TDC)之间的时间间隔内一次接一次地多次喷射燃料。这样喷射的燃料在燃烧室内部燃烧，在用于产生曲柄轴处扭矩的作功冲程中产生 高温和高压气体，这些气体的膨胀直接地将力施加至活塞从而将活塞朝向其下死点中心位 置(BDC)移动。排气阀在接近活塞到达其下死点中心位置时打开燃烧室，使得在活塞的下一排气 冲程期间废气能够流入排气线路。柴油氧化催化器(DOC)传统地位于排气线中，用于分解形成于发动机的燃烧过程 中并且容纳在废气流中的剩余的碳氢化合物和氧化氮。为了实现更严格的排放规程，柴油微粒过滤器(DPF) —般位于DOC下游的排气线 路中，用于从废气流捕获和移除柴油微粒物质(烟灰)。通常地，柴油微粒过滤器与柴油氧化催化器连接，形成单一组，其可根据排气线路 的结构而位于闭合连接的结构中或者在板下方的结构中。在闭合连接的结构中，这一组位于发动机的排气歧管附近，涡轮增压器的涡轮机 的紧下游。在板下结构中，这一组定位成远离排气歧管，柴油氧化预催化器通常夹置在所述 组与涡轮增压器的涡轮机之间。柴油微粒过滤器总体地包括多孔材料的过滤器主体，一端封闭的孔从过滤器主体 的相对侧延伸进入过滤器主体。在正常操作中，废气从过滤器主体的一侧进入一端封闭的 孔，通过过滤器物质进入另一侧的一端封闭的孔，由此，由废气携带的微粒物质保持在表面 以及过滤器主体的孔中。累积的微粒物质增加过滤器两端的压降。当压降变得过大时，其可能导致过滤器主体开裂，使得该过滤器无效，或者其可能 影响柴油发动机的效率。为了避免该过滤器的过度阻塞，微粒物质必须在临界量的微粒物质已经累积在过 滤器主体中时被移除。
这一过程总体地称为柴油微粒过滤器的再生。传统地，通过将DPF加热至累积微粒物质燃烧掉的温度而实现，使得过滤器主体 再次干净。公知地，借助进入DPF的废气的温度增加而加热该过滤器。这一温度增加(一般 高达630°C )必须在所有可能的驾驶状态(即，城市驾驶，高速公路驾驶等)保持特定的时 间(一般为600秒)。废气温度的上升是通过专用的多次喷射的形式实现的，由此，在活塞已经经过其 上死点中心位置之后一定量的燃料被喷射入燃烧室，之前被喷射入的燃料已经燃烧掉。这种晚喷射的燃料能够由于燃烧室内部的燃料燃烧而实现第一温度增加，由于排 气线路的催化器(DOC)中的燃料氧化而实现第二温度增加更具体地，第一温度增加是通过通常称为过后喷射的单一次燃料喷射而实现的。该过后喷射在排气阀打开之前开始，充分接近TDC从而相当完全地燃烧入燃烧室。过后喷射燃料的燃烧产生热气，这些热气随后从燃烧室排放并且借道排放线路通 过DPF，由此对后者进行加热。通过通常称为过后喷射的一次或多次燃料喷射实现第二温度增加。过后喷射开始于足够远离TDC从而使得燃料不会燃烧入燃烧室，一般在排气阀打
幵之后。因此，过后喷射的燃料未被燃烧而被喷出燃烧室，借道排气线路通向柴油氧化催 化器(DOC)。该柴油氧化催化器能够有效地氧化未燃烧的过后喷射燃料，加热随后通过DPF的废气。相应于再生过程的当前策略能够在大多数的发动机工况下实现必要的目标DPF 温度，其一般限定在发动机速度、发动机负荷以及车速方面。但是，不是所有可能的发动机工况都能实际地被当前再生策略包括。例如，当发动机工作于低怠速状态时，当前再生策略可得到的温度增加不可能实 现温度上游DPF的所需目标(由于气体上游DOC的非常低的温度)，这样，再生并不是这样 在所需的再生持续时间中高效地完全地燃烧柴油微粒过滤器中的微粒物质，尤其在采用小 排量发动机的轻型应用中，尤其是用于DPF的板下结构。这导致再生效率增加和/或更长的再生过程，这增加了再生过程被司机熄火而干 扰的风险，并且也包括许多其他缺点。这些缺点中那个最常见的是燃料消耗增加，这是由于用于加热DPF并且不在曲柄轴产生扭矩的过后喷射燃料 的量比较多的原因(因为过后喷射燃料经氧化而进入D0C)；排气线路热应力的增加并且早期部件老化(大部分在预催化器上)，这是由于排 气线路的部件在高温下长时间加热的事实；油稀释度增加，这是由于更大量的过后喷射燃料趋向于通过活塞与缸之间，到达 发动机油箱；如果不再进行再生那么DPF阻塞的可能性。
所有这些不利的效果典型地出现在并且重点在特定但是非常常见的驾驶方式中， 尤其是城市驾驶方式。本发明的目的是改善当前再生策略从而在所有可能的发动机工况中匹配DPF再 生所需的温度，解决或者至少正向地减小上述缺点。本发明的另一目的是采用简单、合理和低成本的方案满足目标。这些目的通过记载的本发明的特性而实现。还限定本发明的优选和/或特别的有 利方面。

发明内容
本发明提供用于再生柴油发动机系统中的柴油微粒过滤器的方法。该柴油发动机系统总体地包括由缸中的往复活塞限定的至少一个燃烧室，用于循 环地朝向排气线路打开燃烧室的至少一排气阀，以及位于排气线路中的柴油微粒过滤器。根据本发明，该方法包括借助至少两个连续的后喷射脉冲将燃料量喷射入燃烧 室，其每个在活塞已经通过上死点中心之后开始，且充分地接近后者使得燃料至少部分地 在燃烧室内部燃烧。换句话说，本发明与当前再生方法不同之处在于，现有技术的单一后喷射在若干 连续后喷射脉冲中被分离开。这种连续后喷射脉冲的相互作用致使脉冲在燃烧室中那个的放热氧化反应中彼 此维持。因此，如果比较于常用的单一后喷射，那么连续的后喷射增加了燃烧室中的热量 释放，带来更好的燃烧效率，产生较少的未燃烧碳氢化合物(HC)，并且得到更高的废气温度。而且，最后的后喷射脉冲将相对地接近排气阀打开燃烧室的时刻，使得废气流一 般地比由单次后喷射产生的废气流更温暖。实际上，该后喷射分离方法允许更快和更有效的DPF再生过程，借助这一过程，可 减少油稀释，排气线路热应力，以及DPF阻塞的风险和司机熄火噪声再生中断的风险。本发明进一步提供一种用于控制DPF再生过程的控制系统。该控制系统包括-用于将燃料喷射入燃烧室的可控制喷射装置，以及-基于微电脑的控制器，用于控制所述喷射装置从而执行根据前述任一权利要求 所述的方法


现在将借助实例参照

本发明，其中图1是根据本发明一项实施例的柴油发动机系统和发动机控制器的示意性图示；图2是在正常发动机操作期间一部分多喷射模式(multi-injection pattern)的 示意性图示，其示出压缩冲程结束处的活塞的TDC，在随后的作功冲程结束处的活塞BDC ；图3是DPF再生过程期间的再生多喷射模式的示意性图示，在图2所示的相同部 分中。
具体实施例方式本发明的优选实施例应用在经涡轮增压的柴油发动机系统，其通常在图1中由1 标注。柴油发动机系统1包括四冲程发动机2，具有多个燃烧室，由缸中的往复活塞单独 地限定。每个燃烧室设置有一个或多个进气阀，用于循环地朝向进气歧管3打开对应室； 一个或多个排气阀，用于循环地朝向排气歧管4打开对应室；以及可电控制的喷射装置，用 于将燃料喷射入燃烧室。缸、活塞、进气阀、排气阀和喷射装置没有示出，因为它们是公知的。进气歧管3位于进气线路30的端部，排气歧管4位于排气线路40的起始处。进气线路30包括进气口 31，用于以基本上大气压吸引新鲜空气。在进气口 31的下游，公知的涡轮增压器5位于进气线路30中，用于压缩空气流并 且将其提供至中间冷却器32。进一步在下游，进气线路30包括进气节流气门33，可电控制从而改变进气限制。排气线路40使来自于排气歧管4的废气通过从而驱动涡轮增压器5的涡轮并且 之后通过排气口 41到达大气。涡轮增压器5的下游，排气线路40包括柴油氧化主催化器6 (DOC)，设置用于分解 由发动机2内部的燃料燃烧产生的并且容纳在废气流中的剩余碳氢化合物。柴油微粒过滤器7位于柴油氧化主催化器6下游的排气线路40中，用于捕获和移 除废气流的柴油微粒物质(烟灰)，然后其到达排气口 41。在本实例中，柴油微粒过滤器7与柴油氧化主催化器6连接，从成单一组，其根据 板下结构而位于排气线路40中。柴油氧化预催化器8位于柴油氧化主催化器6与涡轮增压器5的涡轮机之间的排 气线路40中。四冲程发动机2的工作循环将在下文参照只一个燃烧室进行说明。工作循环在两个曲柄轴旋转中完成，或者在进入对应缸的活塞的四个往复移动中 完成进气冲程，压缩冲程，作功冲程和排气冲程。当活塞位于其上死点中心(TDC)时该循环开始，该位置是活塞最接近缸的顶端的位置。在进气冲程期间，活塞从上死点中心下降至下死点中心(BDC)，其是当活塞离缸的 顶端最远的位置。该进气阀打开，促使新鲜空气进入燃烧室。当活塞接近下死点中心时，该进气阀关闭燃烧室。在压缩冲程期间，活塞从下死点中心上升至上死点中心，将空气压缩进入燃烧室。根据预定的多喷射模式，在压缩冲程的最后阶段，燃料被直接引燃进入燃烧室。多喷射模式通常表示在时间线上，其主要参照点是压缩冲程终点处的活塞的上死 点(TDC)。代替时间，多喷射模式能够以曲柄轴的角度位置进行表示。
在正常发动机操作期间，多喷射模式采用图2所示的类型。这种多喷射模式包括若干次喷射燃料，采用II、12和13进行标记。喷射模式一般定位为跨活塞的上死点(TDC)，使得所喷射的燃料在燃烧室中相当 完全地燃烧。燃烧室中的燃料的燃烧产生高温和高压气体，这些气体的膨胀直接地向活塞施加 力从而将活塞推动经过作功冲程朝向其下死点中心(BDC)，从而在曲柄轴处产生扭矩。更具体地，第一喷射Il和12通常称为预喷射，鉴于作为主喷射的最过后喷射13， 尤其用于提升燃烧室的温度。主喷射13的燃料量高于预喷射Il和12的燃料量，因为主喷射13通常对于在曲 柄轴处产生扭矩是最重要的。在活塞接近其下死点中心(BDC)时，排气阀打开燃烧室。在随后的排气冲程期间，活塞推动燃烧室的废气通过排气阀并且进入排气歧管4。在排气冲程的最终阶段，排气阀关闭燃烧室，该循环再次开始。与柴油发动机系统1形成整体的是控制系统，该控制系统包括检测装置，用于提 供对多个发动机运行参数的相应的测量，以及基于微电脑的控制器(ECU)，控制器在图1中 标记为9。E⑶包括用于将发动机运行参数测量值应用至多个发动机控制程序的电脑代码。在本发明中由ECU使用的大多数重要的发动机运行参数是发动机速度和发动机 负荷，发动机速度通常由曲柄轴的角速度[rpm]表示，发动机负荷通常发动机燃料(每个循 环喷射的燃料mm3)或者发动机扭矩[Nm]表示。其他发动机运行参数可使用本发明中，包括重要的环境状态参数，诸如来自于温 度传感器的环境空气温度[°C]，来自于气压表压力传感器的环境压力[bar]，以及许多其 他参数。ECU的最重要任务其中的一个是根据当前发动机运行参数测量值确定和调节多喷 射模式(multi-injection pattern)，并且因此命令和控制该喷射方式。E⑶的另一重要任务是确定DPF填充程度，并且一旦达到特定的填充程度而执行 DPF再生过程。该DPF再生过程通过增加废气温度而实现，从而在特定时间将DPF加热至高温，在 这一温度下，累积的微粒物质燃烧掉。废气温度增加包括专门的再生多喷射模式。根据本发明的再生多喷射模式示出在图3中。除了通常使用的预喷射II、12和主喷射13，该再生多喷射模式设置用于还在TDC 之过后喷射特定量的燃料。这种燃料量包括所谓的后喷射燃料(after-injected fuel)和过后喷射燃料 (post-injected fuel)。后喷射燃料的特征在于，燃料在排气阀打开之前喷射，并且足够接近TDC从而将 燃料燃烧入燃烧室。过后喷射燃料的特征在于，燃料被喷射充分远离TDC从而使燃料不燃烧进入燃烧 室，一般在排气阀打开之后。根据本发明的再生多喷射模式不同于现有技术的地方在于，其包括多个连续的后喷射脉冲AIP1-AIP3，代替单一的后喷射。实际上，每个后喷射脉冲AIP1-AIP3的喷射开始(SOI)位于TDC之后，足够接近后 者使得燃料能够燃烧，至少部分地以及优选地相当完全地，进入燃烧室。换句话说，根据本 发明的每个单个后喷射脉冲AIP1-AIP3能够被认为是现有技术的传统后喷射。该后喷射脉冲AIP1-AIP3的燃烧产生热气，随后热气从燃烧室排出，借道排气线 路40以通过DPF，由此对后者进行加热。连续后喷射脉冲AIP1-AIP3的相互作用使得脉冲在燃烧室的燃料放热氧化反应 中彼此维持。因此，如果与通常的单一后喷射比较，这种连续的后喷射脉冲AIP1-AIP3增加燃 烧室中的热量释放，导致在少量产生未燃烧的碳氢化合物(HC)的情况下使得燃烧的效率 更好，以及更高的废气温度。控制后喷射脉冲中的大多数重要参数是脉冲数、由所有脉冲喷射的燃料的总量， 由每个脉冲单独喷射的燃料的单独量，再生多喷射模式中的脉冲位置。每个后喷射脉冲的位置在后文参照喷射的开始(SOI)进行考虑。该位置能够根据每个脉冲的喷射开始(SOI)与TDC之间的距离而进行限定。可选 择地，该位置可根据每个脉冲的喷射开始(SOI)与先前喷射的结束之间的距离(DWT-停止 时间)而进行限定。在后种情况下，第一后喷射脉冲AIPl的位置限定为其SOI与主喷射13 之间的距离，第二后喷射脉冲AIP2的位置限定为其SOI与第一后喷射脉冲AIPl之间的距
离，等等。在每种情况下，该模式中的距离可采用时间[μ S]或曲柄轴距离TDC的角度位置 [角度]进行表示。根据本发明，后喷射脉冲至少是两个，优选地不超过五个。后喷射脉冲的数量通过ECU根据发动机运行参数优选地至少根据发动机速度进 行校准和调节。后喷射脉冲的可行数量也取决于整个喷射模式可行性。这意味着，如果TDC与排气阀打开之间的可用时间间隔不足够长，一些后喷射脉 冲必须被E⑶删除。因此，设置E⑶用于根据上述时间间隔校正后喷射脉冲的数量。由所有后喷射脉冲AIP1-AIP3喷射的后喷射燃料的总量通过E⑶根据发动机运行 参数优选地至少根据发动机速度和发动机负荷而被校准和调节。ECU也设置用于根据环境条件例如根据周围温度和/或压力校正后喷射燃料的这
一总量。通过每个后喷射脉冲AIP1-AIP3喷射的燃料量被E⑶根据发动机运行参数优选地 至少根据发动机速度和发动机负荷而被单独地校准和调节。这一调节独立于每个脉冲，使得一般可以将不同量的燃料进行喷射。参照曲柄轴旋转，采用该模式的所有后喷射脉冲位置(SOI)处于活塞上死点中心 (TDC)与排气阀打开之间的范围，更优选地在距离TDC的30至100角度之间的范围内。采用该模式的后喷射脉冲位置(SOI)也由ECU根据发动机运行参数优选地至少根 据发动机速度和发动机负荷而被单独地校准和调节。
这一调节独立于每个脉冲，使得通常可在每对连续脉冲之间存在不同的停留时间 (DffT)。E⑶也设置用于根据环境条件例如根据周围温度和/或压力校正该模式中的后喷 射脉冲的位置(SOI)。如图3所示，根据本发明使得多喷射模式再生也包括过后喷射PI。该过后喷射并 不不同于现有技术的过后喷射，并且因此最终分为若干连续的过后喷射脉冲。该过后喷射的喷射开始(SOI)接近排气阀打开，使得燃料不在燃烧室中燃烧。实际上，过后喷射一般地在曲柄轴已经覆盖离开活塞TDC的160度角后开始。因 此，过后喷射的燃料在未燃烧的情况下被排出燃烧室，借道排气线路到达柴油氧化催化器 (DOC)。该柴油氧化催化器可有效地氧化这种未燃烧的过后喷射燃料，加热废气，随后通 过 DPF。本发明的另一方面涉及电脑程序，包括电脑可读取存储装置，在计算机上执行，借 助至少两个连续的后喷射脉冲(AIP1-AIP3)初始化将燃料量喷射入燃烧室，其每个在活塞 已经通过上死点中心(TDC)之后开始，充分地接近后者，使得燃料至少部分地在燃烧室中燃烧。本发明的另一方面指代电脑程序产品，包括根据存储在电脑可读介质上的电脑 程序，其包括电脑可读取程序装置，当在计算机上执行时，借助至少两个连续后喷射脉冲 (AIP1-AIP3)初始化将燃料量喷射入燃烧室，其每个在活塞已经通过上死点中心(TDC)之 后开始，充分地接近后者使得燃料至少部分地在燃烧室内部燃烧。虽然已经参照特定优选实施例和特定应用说明本发明，但是可以理解，这里上面 所阐述的说明书是为了举例，而不是进行限制。本领域技术人员可知，对特定实施例作出的 各种改进都处于所附权利要求的范围内。因此，本发明并不意在限制于所公开的实施例，而 是具有由随后权利要求的语言允许的完整范围。
权利要求
一种用于使柴油发动机系统(1)中的柴油微粒过滤器再生的方法，该柴油发动机系统包括由缸中的往复活塞限定的至少一燃烧室，用于循环地朝向排气线路(40)打开燃烧室的至少一排气阀，以及位于排气线路中的柴油微粒过滤器(7)，其特征在于，所述方法包括借助至少两个连续的后喷射脉冲(AIP1 AIP3)将燃料量喷射入燃烧室，每个后喷射脉冲在活塞已经通过上死点中心(TDC)之后开始，且充分地接近该上死点中心使得燃料至少部分地在燃烧室内部燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括调节由所有后喷射脉冲 (AIP1-AIP3)喷射的燃料的总量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，这一总量的燃料的调节至少根据发动机 速度和发动机负荷而进行。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，这一总量的燃料的调节包括根据环境条 件校正燃料的总量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括调节后喷射脉冲(AIP1-AIP3)的数量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，后喷射脉冲的数量的调节至少根据发动 机速度而进行。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，后喷射脉冲的数量的调节包括根据活塞 上死点中心(TDC)与排气阀打开燃烧室时之间的可用时间间隔校正后喷射脉冲的数量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括相应于每个后喷射脉冲 (AIP1-AIP3)彼此独立地调节将被喷射的燃料量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，相应于每个后喷射脉冲(AIP1-AIP3)而喷 射的燃料量的调节至少根据发动机速度和发动机负荷而进行。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在活塞通过上死点中心(TDC)后且在排 气阀打开之前进行每个后喷射脉冲(AIP1-AIP3)。
11.一种电脑程序，包括电脑可读取程序装置，当在计算机上执行时，借助至少两个连 续后喷射脉冲(AIP1-AIP3)初始化到燃烧室燃料量的喷射，其每个在活塞已经通过上死点 中心(TDC)之后开始，且充分地接近上死点中心使得燃料至少部分地在燃烧室内部燃烧。
12.一种电脑程序产品，包括存储在电脑可读取介质上的根据权利要求11的电脑程序。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，喷射模式中的每个后喷射脉冲 (AIP1-AIP3)的位置的调节包括根据环境条件校正该位置。
14.用于柴油发动机系统(1)的控制系统，该柴油发动机系统包括由缸中的往复活塞 限定的至少一燃烧室，用于循环地朝向排气线路(40)打开燃烧室的至少一排气阀，以及位 于排气线路中的柴油微粒过滤器(7)，其特征在于，所述控制系统包括-用于将燃料喷射入燃烧室的可控制喷射装置，以及_基于微电脑的控制器(9)，用于控制所述喷射装置从而执行根据前述任一权利要求 所述的方法。
全文摘要
用于使柴油发动机系统(1)中的柴油微粒过滤器再生的方法，该柴油发动机系统包括由缸中的往复活塞限定的至少一燃烧室，用于循环地打开燃烧室朝向排气线路(40)的至少一排气阀，以及位于排气线路中的柴油微粒过滤器(7)，其中，所述方法包括借助至少两个连续的后喷射脉冲(AIP1-AIP3)将燃料量喷射入燃烧室，其每个在活塞已经通过上死点中心(TDC)之后开始，充分地接近后者使得燃料至少部分地在燃烧室内部燃烧。
文档编号F02D41/30GK101994545SQ20101026075
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者戴维德·默丘里, 斯蒂法诺·卡萨尼, 皮尔路易吉·雷勒卡蒂, 西莫内·巴贝罗 申请人:通用汽车环球科技运作公司