专利名称：柴油微粒过滤器再生控制和方法
技术领域：
本发明涉及微粒捕集器再生系统，更具体地涉及微粒捕集器再生系统和相关联的控制策略。
背景技术：
内燃机中燃料燃烧的副产品之一是碳颗粒，通常称为煤烟。排放标准通常规定发动机可以向环境排放的煤烟的量的限制，该限制将低于发动机在操作期间产生的煤烟的水平。因此，发动机或车辆生产商使用多种部件和系统来控制和限制排放到环境中的煤烟的量。常用于限制发动机排放到环境中的煤烟的量的一种装置被称为微粒捕集器。这种装置包括例如由陶瓷材料制成的多孔基底，基底可以涂覆改变排气组分的构成的多种化合物。基底的多孔性起过滤器的作用，以物理地捕集经过过滤器上方和/或过滤器中的排气流中的碳颗粒或煤烟。可以理解，这种从气流中物理地去除碳颗粒的方法将使得过滤器逐渐地充满微粒物质。一种恢复变得充满煤烟的微粒捕集器的性能的方法是通过一种叫做再生的过程。 再生涉及将过滤器中累积的微粒物质氧化或燃烧。这种氧化可以包括将诸如燃料的可燃介质引入到微粒物质上以辅助燃烧。此外，微粒捕集器的再生通常包括在燃烧前例如通过升高经过捕集器的排气气流的温度来升高微粒物质的温度。常用的微粒过滤器的再生方法涉及对发动机的正常操作进行主动的介入。这种介入可能是发动机操作者可感知的，并且甚至可能与车辆的正常操作相干涉。换句话说，改变发动机的供油策略以将燃料引入到排气流中的过程，或者更常见地改变发动机的操作以提高排气温度的过程，可能改变车辆或机械的表现和功率输出。这种改变可能与设备的正常使用相干涉，这可能会影响设备操作的正常运行时间和成本。再生事件的时刻和持续时间取决于很多因素，例如煤烟或碳微粒物质在过滤器上累积的程度、发动机的操作状况等。授予Fimke等人、并转让给Illinois州Peoria市的 Caterpillar Inc.的美国专利7406822 (后文将称为’822专利)中可以看到微粒捕集系统及其控制方法的一个例子。’822专利公开了一种包括微粒捕集器和能够减少微粒捕集器中的微粒物质的量的再生装置的系统。’ 822专利中所说明的系统还包括响应于首先出现至少三种触发状况而激活再生装置的控制器。触发状况可以包括例如，发动机操作预定时间段、发动机消耗预定量的燃料、检测到微粒捕集器上游的背压升高、检测到微粒捕集器两侧的压差超过阈值、或者微粒捕集器上累积的微粒物质的计算量超过限值。这种参数可以被独立地评估以确定需要再生事件。然后，控制器可以激活再生装置以氧化微粒捕集器中所找到的微粒物质。虽然激活微粒捕集器的再生事件，不管该事件是否涉及使用再生装置，可以在捕集器上的被捕集的微粒物质的浓度超过限值时有效地去除被捕集的微粒物质，但是这种再生可能出现在发动机操作的任何时间，并且可能甚至是临时地降低任何机械或车辆的效率，到目前为止这是不希望但是必要的过程。例如，安装在公路卡车上的微粒捕集器可能要求在进行再生事件的同时卡车在路边停车。尽可能减少或消除这种对车辆或机械的正常操作的干扰是希望的。
发明内容
在一个方面，本发明描述一种具有包括需要周期性再生的柴油微粒过滤器(DPF) 的后处理装置的机械。DPF接收与机械相关联的发动机所提供的排气流。机械还包括提供表示DPF中的煤烟累积的信号的传感器，以及提供表示机械的工作模式的操作参数的至少一个装置。传感器可以直接测量煤烟和/或根据间接来源产生表示煤烟的信号。与机械相关联的控制器可以从传感器接收信号并且从至少一个装置接收操作参数。控制器被布置成基于DPF中的煤烟累积确定煤烟水平，并且基于机械的工作模式确定准备水平，其中，煤烟累积的确定至少部分基于信号，且工作模式至少部分地基于操作参数。控制器可以将煤烟水平相对于启动再生事件的希望准备水平进行分类，并且当准备水平与希望准备水平或其他的适合的阈值重合时启动再生事件。在另一个方面，本发明描述一种用于启动DPF的再生事件的方法。该方法包括提供表示DPF中的煤烟累积的信号和表示机械的工作模式的操作参数。可以基于DPF中的煤烟累积确定煤烟水平，煤烟累积可以至少部分地基于信号，并且可以基于机械的工作模式确定准备水平，机械的工作模式至少部分地基于操作参数。然后，该方法包括将煤烟水平相对于启动再生事件的希望准备水平进行分类，并且当准备水平与希望准备水平重合时启动再生事件。在又一个方面，本发明描述一种与机械的发动机相关联的后处理系统。后处理系统包括与连接至发动机的排气导管流体连通的后处理装置。再生装置沿着排气导管包括在发动机和后处理装置之间，并且具有提供表示后处理装置中的煤烟累积的煤烟信号的第一传感器。与机械相关联的第二传感器提供表示机械的工作模式的工作信号。与第一传感器一样，第二传感器基于直接或间接测量产生信号。与发动机、再生装置、第一传感器和第二传感器相关联的控制器基于煤烟信号确定后处理装置内的煤烟累积水平，并且基于机械的工作模式确定后处理装置的再生准备水平。这种工作模式可以至少部分地基于工作信号。 煤烟水平被相对于启动再生事件的希望准备水平分类，且当再生准备水平达到希望准备水平或其它合适阈值时启动后处理装置中的再生事件。
图1是根据本发明的机械的侧面的轮廓图。图2是具有与其相关联的根据本发明的后处理系统的发动机的框图。图3是根据本发明的后处理控制的框图。图4是根据本发明的用于确定DPF中的煤烟水平的过程的框图。图5是根据本发明的用于确定DPF再生的应用准备水平的过程的框图。图6是根据本发明的用于确定何时启动DPF再生事件的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出机械100的侧视图，在本例中为自动平路机101。术语“机械”通常用于描述具有至少一个驱动轮的任何机械，驱动轮由连接到车轮的马达利用例如电力或静液压力直接驱动，或通过将车轮与发动机相互连接的齿轮系统或变速器、或任何其他已知的驱动装置驱动。例如，机械100的替代的实施方式可以包括能够产生诸如电能的替代形式的能量的发电机或其他装置。图1所示的自动平路机101通常包括由发动机框架102和执行器部分104构成的两件式框架。替代地，自动平路机101可以包括单个框架部件。图示的实施方式中的发动机框架102通过枢轴(未示出)连接至执行器部分104。执行器部分104包括驾驶舱106 和接触地面的两个惰轮108(仅示出一个)。铲斗或铲刀110沿着执行器部分104的中部悬置。在自动平路机101操作时，铲刀110能够选择性地调节以便以不同的高度和角度接合地面，从而实现希望的坡度或轮廓。对铲刀110位置的调节通过在图1中大致由112表示的致动器系统完成，而对铲刀110在操作期间所经历的负载的支撑由杆114完成，杆114枢转地将执行器部分104连接至铲刀110。发动机框架102支撑发动机(未示出)，发动机通过发动机罩116保护。发动机提供推进自动平路机101以及操作自动平路机101的多个致动器和系统所必要的动力。应当理解，其他的机械可以具有不同的构造和/或多种其他与其相关联的执行器。这里所使用的术语“机械”可以指执行与产业相关联的一些类型的操作的任何机械，所述产业例如矿业、建筑、农业、运输或本领域已知的任何其他产业。例如，机械可以是运土机，例如轮式装载机、挖掘机、倾卸卡车、反铲机、自动平路机、材料处理机等。类似地，虽然示出示例性的铲刀110作为附接的执行器，但是可以包括替代的执行器。任何执行器可以被使用和应用来执行包括例如装载、压实、举升、刷擦的多种任务，并且包括例如斗、压实装置、叉式举升装置、刷、抓斗、切割器、剪切器、铲刀、破坏器/锤、钻等。在示出的机械中，发动机框架102中的发动机可以与静液压泵(未示出)相关联， 静液压泵可以是操作自动平路机101的推进系统的液压系统的一部分。在示出的实施方式中，自动平路机101由两组驱动轮118(仅一组可见)驱动，每组包括沿着梁120前后布置的两个车轮118，梁120在枢转关节或轴承122处连接至框架102。图2示出可以与机械100相关联的后处理系统200的框图。后处理系统200包括设置成从发动机204接收排气流的后处理装置202。后处理装置202可以包括操作以对经过其中的排气流进行化学或物理处理的一个或多个内部装置。这种装置的例子包括氧化催化器、微粒过滤器、吸收过滤器等。与本发明相关，后处理装置202基本包括柴油微粒过滤器(DPF) 206，其以虚线示出，并且可以作为后处理装置202的一部分被包括，或者可以设置成与发动机的排气管或导管流体连通的单独部件。现在将更具体地说明图2的示图。示图是示例性的并且代表与安装在车辆或机械上的发动机相关联的后处理系统的一种潜在的实施方式。后处理系统200包括流体连接至后处理装置202和DPF 206的排气导管或管208。经过后处理装置202和DPF 206的排气流经排气管208。在图2所示的实施方式中，后处理装置202流体连接至再生装置210。再生装置 210可以是在发动机204的操作期间操作以起动、维持和/或控制DPF 206中发生的再生事件的速率的任何装置。上文所讨论的’ 822专利中描述了再生装置的一个例子。再生装置的额外的例子包括设置成选择性地产生火焰的燃烧器(未示出)，其可以用于起动、维持和 /或控制DPF 206上累积的微粒物质的再生。示出的再生装置210包括设置成喷射诸如柴油的燃料或催化剂的喷射器212。当燃料被喷射时，经过导管214供给新鲜的压缩空气流以与燃料混合，并且在出现火花时形成火焰，火焰将热量引入排气流和/或DPF 206中。在再生事件中该热量帮助氧化DPF 206上的碳和其他沉积物，产生诸如灰的副产品，可以在维护过程中从DPF 206收集和/或移除副产品。在示出的实施方式中，后处理装置202流体连接至发动机204的排气歧管216。发动机204操作以结合燃料和通过进气歧管218供给至多个气缸的空气，以在输出轴220处产生功率或转矩。以公知的构造，发动机204的每个气缸包括通过连杆(未示出)连接至转动的曲轴(未示出)的活塞。活塞的往复运动导致曲轴的转动。这种转动可以被传递至机械的多个部件和系统，例如静液压泵、机械和/或液力变速器、发电机、工作执行器等。在图2的示图中，输出轴220 —般地代表能够将发动机204在操作期间产生的转矩和功率传递至机械的任何这种部件和系统的机械联动装置。后处理系统200还可以包括控制器222。控制器222可以是单个控制器，或者可以包括多于一个控制器，其被设置成控制机械的多种功能和/或特征。例如，用于控制机械的整体操作和功能的主控制器可以与用于控制发动机204的马达或发动机控制器协作地执行。术语“控制器”广义地包含可以与机械100相关联并且可以协作以控制机械100(图 1)的多种功能和操作、包括控制再生装置或再生过程的一个、两个或更多个控制器。虽然在附图中仅出于说明目的概念性地示出控制器的功能包括多种独立的功能，但是控制器的功能可以与所述独立的功能无关地以硬件和/或软件执行。因此，控制器的多种界面相对于图2的框图中示出的后处理系统200的部件来进行说明。这些界面并不意于限制连接的部件的类型和数量，或是限制所说明的控制器的数量。控制器222和多种传感器和致动器之间的相互连接以虚线示出，代表用于传递来自和去往控制器222的信息信号和指令的通信线。应当理解，可以使用任何适当类型的连接，例如承载模拟或数字电信号的导电部件、和 /或诸如局域网络(CAN)布置中的电子通信通道。控制器222连接至被设置成测量后处理器系统200在操作期间的多种参数的多种传感器和致动器。由此控制器222设置成接收表示这些操作参数的信息以处理这些信息， 并且使用这些信息来有效地和高效地操作后处理系统200。如图2的实施方式所示，控制器 222可以连接至与喷射器212以及连接至与可选的再生装置210相关联的火焰或温度传感器224。控制器222还可以连接至发动机速度传感器2 和连接至设置成测量输出轴220 处存在的负载的可选的负载传感器228。控制器222还可以与上游温度传感器230和上游压力传感器232通信。上游传感器230和232被设置成分别向控制器222提供表示排气流在进入或经过后处理装置202、 在本例中为经过DPF 206之前的温度和压力的信号。控制器222还可以与下游温度传感器 234和下游压力传感器236通信。下游传感器234和236分别向控制器222提供表示离开 DPF 206的排气流的温度和压力的信号。虽然示出分开的传感器被设置在DPF 206的上游和下游，例如上游压力传感器232和下游压力传感器234，可以理解，可以替代地使用单个传感器，例如被设置成测量在相对于经过后处理装置202的排气流方向的上游和下游位置之间的压差的压差传感器。
在一种实施方式中，DPF 206包括煤烟传感器238。煤烟传感器238(如果存在的话)操作以提供表示DPF 206中累积的材料的量的信号。在一种实施方式中，煤烟传感器 238发送无线电频率信号，无线电频率信号经过DPF 206的过滤器元件，然后被反射回到煤烟传感器238并由煤烟传感器238接收。煤烟传感器238可以提供表示发送至DPF 206的无线电信号和从DPF 206接收回的无线电信号之间的幅度变化的信号。在一种实施方式中， 这种幅度变化与DPF206的煤烟负载程度相关，由此可以通过例如集成在煤烟传感器238中的逻辑或位于控制器222中的逻辑来确定DPF 206中已经收集的材料的量的估计值。在图2的实施方式中，控制器222还连接至在图2中共同地由单个框代表的其他机械系统对0。控制器222和其他机械系统之间的信息和指令信号的通信可以通过任何适合的方法来完成。在一种实施方式中，多信道CAN链路242提供控制器222和每个其他机械系统240之间的适当的通信信道。所述其他机械系统可以包括提供机械操作期间的功能信息的任何机械部件或系统。这种系统的例子包括提供关于机械的变速器或牵引系统的信息的空档开关、提供关于驻车和/或紧急制动器的接合状态的信息的驻车制动开关、提供表示发动机204的节气门的接合程度的信息的节气门设置开关、执行器锁定接合开关、操作者在场开关等。可以理解，根据涉及的机械或车辆类型，可以得到不同的系统、以及因此关于这些系统的不同信息。操作者界面244通信地连接至控制器222并且布置成向机械的操作者提供视觉和 /或听觉信息。当然，这种界面是可选的，并且可以包括一个或多个操作者控制器，例如手动启动或停用开关。操作者界面244可以包括用于显示关于后处理系统200的操作状态的信息的显示器。操作者界面244可以是仅用于接收关于后处理系统200的指令并显示信息的单独的或专用的界面，例如这种系统可以改装到现有的机器上，或者可以与布置成与机械的其他系统相接口的多功能或多用途显示器集成。图3示出后处理控制300的框图。功能可以部分地或完全地在控制器222中执行。 后处理控制300被布置成主要执行两项功能；第一项功能是确定DPF的煤烟负载，并表示为 DPF煤烟负载确定装置302，而第二项功能是确定执行DPF再生的准备状态，并表示为再生准备确定装置304。在操作过程中，当基于系统的再生准备的确定来决定是否启动再生事件时，考虑煤烟负载。在一种实施方式中，后处理控制300被布置成当DPF的煤烟负载增加时更加倾向于启动再生。现在将更具体地说明后处理控制300的一种实施方式的操作。在图3所示的实施方式中，DPF煤烟负载确定装置302操作以将与安装在机械上的后处理系统相关联的DPF(例如作为图1和图2所示的机械100的后处理系统200的一部分而安装的DPF 206)的负载状态量化为满负载的百分值。DPF煤烟负载确定装置302基于煤烟信号306和压力信号308来作出确定。煤烟信号306可以由与DPF相关联的适当的传感器、例如煤烟传感器238(图2、提供，并且压力信号308可以由测量DPF上游、下游的排气压力或DPF两侧的压差的压力传感器提供。在一种实施方式中，这种压力传感器可以是上游压力传感器232(图2~)。在一种替代的实施方式中，压力传感器可以是下游压力传感器234、测量DPF 206(图幻两侧的压差的压差传感器、或上游和下游压力传感器232和 234 二者，在该情况下信号处理装置可以计算两个传感器的差值以产生压力信号308。DPF煤烟负载确定装置302提供煤烟负载确定信号310作为其输出。煤烟负载确定信号310可以以任何适合的量化参数来表达。在示出的实施方式中，煤烟负载确定信号310被表达成“煤烟水平”，这是一个从0到5的正值，并且取决于根据表1确定的DPF的煤
烟负载的百分值，表1如下所示
权利要求
1.一种具有包括需要周期性再生的柴油微粒过滤器(DPF) (206)的排气处理系统的机械(100)，所述DPF (206)被设置成接收与所述机械(100)相联的发动机(204)提供的排气流，所述机械(100)包括传感器038)，其提供表示所述DPF (206)中的煤烟累积的信号(306)；至少一个装置040)，其提供表示所述机械(100)的工作模式的操作参数042)；控制器022)，其与所述机械(100)相联并且设置成从所述传感器(238)接收所述信号 (306)和从所述至少一个装置(MO)接收操作参数042)，所述控制器(22 还被设置成至少部分地基于所述信号(306)确定煤烟水平(310)；至少部分地基于操作参数(314，316，318，320，322，或324)确定准备水平(312)；将所述煤烟水平(310)相对于用于启动再生事件的希望范围进行分类；以及当所述准备水平(31 落入所述希望范围内时启动再生事件。
2.根据权利要求1所述的机械(100)，还包括沿着将所述发动机(204)与所述 DPF(206)相互连接的排气导管设置在所述发动机(204)与所述DPF(206)之间的再生装置 010)，其中所述控制器(22 还被设置成激活所述再生装置010)。
3.根据权利要求2所述的机械(100)，其中，所述再生装置(210)包括火焰传感器 (224)和燃料喷射器012)，且其中所述再生装置(210)操作以启动和维持所述DPF(206) 中的再生事件。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，其中，所述控制器(22 还被设置成在所述再生事件期间调节所述发动机O04)的速度和负载中的至少一个，使得空气流经流体连接所述再生装置O10)与所述发动机(204)的进气歧管018)的导管014)以预定的速率被提供给所述再生装置010)。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，还包括提供表示被供给所述再生装置O10)的空气流量的信号的空气流量(MAF)传感器052)，其中所述MAF传感器 (252)被布置成在一系列流量上操作，其中所述MAF传感器(25 在流量的狭窄范围上具有提高的准确度，且其中所述控制器(22 还被设置成在所述再生事件期间调节所述发动机 (204)的速度以使所述空气的流量在所述流量的狭窄范围内。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，其中，所述控制器(22 被布置成通过下述中的至少一种方式来确定所述煤烟水平(310)基于所述信号(306)从煤烟传感器表(406)估计所述煤烟水平(310)，使用煤烟累积模型(404)计算所述煤烟水平 (310)，以及基于计时器信号(416)估计所述煤烟水平(310)。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，其中，所述再生事件的启动频率基于由大气压力传感器(254)提供的大气压力信号(330)，所述大气压力传感器被设置成测量表示所述机械(100)的操作海拔的大气压力(330)。
8.根据权利要求7所述的机械(100)，其中，所述控制器(22 还被设置成接收所述大气压力信号(330)并且基于所述机械(100)的操作海拔计算所述DPF (206)的煤烟累积容量。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，其中，所述DPF(206)沿着将所述发动机(204)与所述DPF(206)流体连接的排气导管设置，并且其中所述传感器(252) 是沿着所述排气导管设置在所述发动机(204)和所述DPF(206)之间的上游压力传感器032)、设置在所述DPF(206)和所述排气导管的出口之间的下游压力传感器034)、设置成测量所述DPF (206)两侧的压差的压差传感器、以及与所述DPF (206)集成并且设置成测量所述DPF (206)中累积的煤烟的量的煤烟累积传感器038)中的至少一个。
10.根据前述权利要求中的任意一项所述的机械(100)，其中，所述至少一个装置是制动传感器、变速器传感器、在场传感器、执行器状态传感器、节气门传感器、机械(100)的车辆速度传感器中的至少一个，且所述控制器(22 包括至少一个可编程处理单元。
全文摘要
一种包括需要周期性再生的柴油微粒过滤器(DPF)(206)的后处理装置(202)包括提供表示煤烟累积的信号(306)的传感器(238)和提供表示机械(100)的工作模式的操作参数(242)的至少一个装置(240)。控制器(222)基于所述机械(100)的工作模式确定煤烟水平(310)和准备水平(312)，并且进一步将所述煤烟水平(310)相对于启动再生事件的希望范围进行分类，并且当所述煤烟水平(310)落入所述希望范围内时启动再生事件。
文档编号F01N3/025GK102405334SQ201080011435
公开日2012年4月4日 申请日期2010年3月2日 优先权日2009年3月12日
发明者D·J·卡帕罗斯, G·B·考克斯, J·K·布洛姆斯, M·E·鲁斯特克, R·B·南琼达里迪, T·V·理查德斯, V·P·库尔卡尼 申请人:卡特彼勒公司