專利名稱：過濾器的控制方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有用于截獲發動機廢氣中所含顆粒的過濾器適時控制再生能力的過濾器控制方法及系統。
背景技術：
近年來，用于柴油顆粒后處理的各種裝置已被開發出來并用來安裝在柴油發動機的廢氣系統中，由此抑制柴油發動機廢氣中所含細顆粒進入大氣的擴散。廣泛應用的、此類型的廢氣處理裝置通常被設計成使用截獲柴油發動機廢氣中所含顆粒的過濾器。用于截獲顆粒的過濾器則被設計成通過使用陶瓷或金屬過濾元件來分離廢氣與顆粒以截獲顆粒。因此，截獲過濾器內部的顆粒逐漸集聚，直到過濾器最后被堵塞及廢氣的通過變得不可能。
因此實踐中使用了過濾器控制系統，它基于過濾器中的壓力差或基于發動機工作狀況對發動機單位時間產生的顆粒量的積分來估算聚集于過濾器中的顆粒量，并當估算的顆粒量達到預定水平時執行發動機操作控制以增高廢氣溫度，由此燃燒掉顆粒及使過濾器再生。
在該類型的過濾器中，在聚集于過濾器中的、最暴露于高溫氣體的顆粒區域上引起氧化加速的現象。這就是說，產生出保持在廢氣總是容易通過的狀態中的聚集顆粒層，以致在過濾器中停止了廢氣阻力的升高及廢氣阻力的幅值被穩定在一定值上，盡管在過濾器的其它部分上繼續進行顆粒的集聚。當該現象發生時，顆粒的增加不能由主要基于壓力差的傳統方法檢測出來，甚至在過濾器中集聚了大量顆粒時。因為由此過濾器被動再生的定時是延遲的，再生開始于顆粒量超過過濾器中允許范圍的時刻，以致顆粒的氧化反應逐漸增強及過濾器易于遭受熱熔損壞。
另一方面，當采用其中用事先在標準發動機上測量的圖表數據來計算發動機單位時間產生的顆粒量及通過積分該值來估算過濾器中聚集顆粒量的結構的情況下，引起了事先在標準發動機上測量的單位時間顆粒產生量與實際顆粒產生量之間的差異，這主要是由于各個發動機之間的差別、所使用的燃料的性能及燃油噴嘴和其它部件的降級引起的。此外，因為估算聚集顆粒量所使用的聚集顆粒量圖表是基于在額定工作狀態下的發動機上測量的聚集顆粒量，在瞬態的工作狀態期間聚集量不能被精確地測定制成圖表。其結果是，存在著難以高精確度地估算聚集顆粒量的問題。
因此，高精確度地估算過濾器中聚集的顆粒量是困難的及難以在適當的時間上進行過濾器的再生，這將導致當再生時過濾器熱熔損壞及燃料效率降低的缺陷。
本發明的目的是提供一種能克服現有技術中上述問題的過濾器控制方法及系統。
發明內容
為了實現所述目的，本發明提供了一種過濾器控制方法，該方法基于過濾器上的壓力差和/或基于在考慮發動機工作狀態的情況下通過對單位時間給定顆粒產生量的積分所獲得的積分值來估算在用于截獲柴油顆粒的過濾器中集聚的顆粒量并進行過濾器再生控制，該過濾器控制方法的特征在于，它包括基于過濾器上的壓力差獲得作為第一顆粒增加量的預定時間間隔期間的顆粒增加量及基于積分值獲得第二顆粒增加量的步驟；根據第一及第二顆粒增加量求得用于校正積分值的校正數據的步驟；使用校正數據來校正積分值以獲得校正的積分值的步驟；以及使用校正的積分值或過濾器上的壓力差進行過濾器的再生控制。
本發明還提供了一種過濾器控制系統，該系統設有第一計算裝置，它基于過濾器上的壓力差來估算在用于截獲柴油顆粒的過濾器中集聚的顆粒量；及第二計算裝置，它在考慮發動機工作狀態的情況下通過對單位時間給定顆粒產生量的積分來估算集聚顆粒量；及基于第一及第二計算裝置的輸出進行過濾器再生控制，該過濾器控制系統的特征在于，它包括基于第一計算裝置的輸出來計算兩個不同給定時間點之間的集聚顆粒量的增加并作為第一輸出并輸出它，及同時基于第二計算裝置的輸出來計算第二輸出并輸出它的裝置；響應第一及第二輸出量以求得用于校正第二計算裝置的輸出的校正數據的裝置；及使用校正數據來校正第二計算裝置的輸出來獲得校正的輸出的裝置；以及使用校正的輸出及第一計算裝置的輸出進行過濾器的再生控制。
圖1是表示將本發明應用于柴油發動機廢氣的后處理的過濾器控制情況下的一個實施例的總體概圖。
圖2是表示圖1中過濾器控制單元通用結構的框圖。
圖3是圖2中的估算單元的詳細框圖。
具體實施例方式
為了更詳細地解釋本發明，現在將參照附圖來描述本發明。
圖1是表示將本發明應用于柴油發動機廢氣的后處理的過濾器控制情況下的一個實施例的總體概圖。標號1表示一個四汽缸柴油發動機1，它的汽缸2-5分別設有噴射器6-9。這些噴射器6-9的工作受到發動機控制單元10的控制，它們使用公知的結構在所需時刻上將所需高壓燃料量噴射到相應的汽缸中。
連接到進氣支管11的進氣管12設有一個中間冷卻器13及一個空氣清潔器14。連接到廢氣支管15的廢氣管16裝有一個廢氣后處理裝置30。
設有EGR控制閥17的廢氣循環通道18被設置在進氣管12與廢氣管16之間。EGR控制閥17的開度受到被發動機控制單元10控制的致動器19的調節。這就形成了一個結構，其中在廢氣管16流動的廢氣部分可被測量及返回到進氣支管11。標號20表示一個渦輪增壓器，它由設置在廢氣管16內部的廢氣渦輪機21及一個壓縮機22組成，后者設置在進氣管12中及由廢氣渦輪機21驅動。
廢氣后處理裝置30包括一個氧化催化器31及一個用于截獲顆粒的過濾器32，及被設計成在廢氣管16流動的廢氣首先流到氧化催化器31，及然后再流到過濾器32。氧化催化器31的構成是通過在例如由蜂窩結構的堇青石或耐熱鋼構成的載體表面上形成活性氧化鋁的沖洗層或類似物，及然后在該涂層上產生貴金屬如鉑、鈀或銠組成的催化激活成分。該氧化催化器被設計成用于氧化廢氣中的NO以產生NO2，及也氧化廢氣中的HC及CO以產生O及CO2。
作為過濾器32，使用所謂壁流型的蜂窩過濾器，其中并列地由多孔堇青石或碳化硅形成多個小室，并且帶有密封入口的小室與帶有密封出口的小室相交替；或使用纖維型過濾器，它包括圍裹在穿孔不銹鋼管上的陶瓷纖維層。該過濾器將截獲廢氣中的顆粒。
過濾器32的入口端(前)及出口端(后)分別設有第一壓力傳感器33及第二壓力傳感器34，各用于檢測廢氣的壓力。從第一壓力傳感器33輸出指示過濾器32的入口端上廢氣壓力P1的第一壓力信號S1，及從第二壓力傳感器34輸出指示過濾器32的出口端上廢氣壓力P2的第二壓力信號S2。標號35指示用于檢測廢氣管16中的廢氣流的流速的流速傳感器。來自流速傳感器35的廢氣流速信號F與第一壓力信號S1及第二壓力信號S2一起被輸入到過濾器控制單元40。
這里，也可以通過根據進入空氣量、噴油量、廢氣溫度及廢氣壓力的計算獲得廢氣流速，來取代由流速傳感器35檢測廢氣流速。在此情況下，可使用下列對時間積分容積的關系式計算容積流速PV＝nRT(式中P壓力，V容積，T溫度，nR氣體常數)過濾器控制單元40是一個估算由過濾器32截獲的聚集顆粒量，及根據估算結果進行發動機控制以再生過濾器32的單元。
圖2是表示控制單元40結構的框圖。該控制單元40設有一個估算單元41，它執行估計在過濾器32中聚集的顆粒量的計算及輸出指示估算結果的估算數據Q；及再生控制單元42，它根據估算數據Q控制過濾器32的再生。對估算單元41提供第一壓力信號S1，第二壓力信號S2，廢氣流速信號F，及指示柴油發動機1的工作狀態的發動機工作數據M。
圖3是估算單元41的詳細框圖。標號51是一個壓力差計算器，它響應第一壓力信號S1及第二壓力信號S2，計算經由過濾器32的壓力差ΔP(＝P1-P2)及輸出指示計算結果的壓力差數據D1。該壓力差數據D1輸出給第一估算器52，對該第一估算器還輸入廢氣流速信號F。這里，過濾器32中集聚的顆粒量是根據壓力差ΔP及由廢氣流速信號F指示的廢氣流速來估算的，并輸出指示估算結果的第一估算數據D2。
另一方面，第二估算器53被設計成進行這樣的處理，即在考慮指示柴油發動機1瞬時工作點的發動機工作數據M的情況下，來對事先存儲在第二估算器53中指示單位時間給定顆粒產生量的數據進行積分，及輸出由積分運算獲得的作為指示集聚顆粒量估算值的第二估算數據D3。作為在第二估算器53中使用的指示單位時間顆粒產生量的數據，可以適當地使用事先通過試驗等獲得的值。其中在考慮由發動機工作數據M指示的發動機工作狀態情況下來對單位時間給定顆粒產生量的數據進行積分及根據它來估算集聚顆粒量的方案其本身是現有技術所公知的。因此這里將省略對第二估算器53的詳細結構的說明。
由標號60表示的框是校正數據計算部分，用于在柴油發動機1一定的預定工作期間基于第一估算數據D2計算集聚顆粒量的增量ΔA及基于第二估算數據D3計算集聚顆粒量的增量ΔB，比較ΔA與ΔB，及基于比較結果，計算用于校正第二估算數據D3的校正數據，以便得到更精確的顆粒集聚估算值。
現在來說明校正數據計算部分60。第一及第二快速緩存器62，63響應來自測量起動器61的起動信號SA進行工作，以在第一快速緩存器62及第二快速緩存器63中保持在起動信號SA輸出時刻的第一估算數據D2及第二估算數據D3的值D2A及D3A。測量起動器61例如可被設計成在預定調節時間間隔上輸出起動信號SA。
測量終止器64被設計成一個定時器，它響應起動信號SA并當從起動信號SA的輸出開始的預定時間期滿時輸出終止信號SB。終止信號SB被輸入到第一差值計算器65及第二差值計算器66。也可取代使用定時器的方案，而采用當在起動信號SA輸出后檢測的集聚顆粒量增加變成預定值時輸出終止信號SB的方案。
對第一差值計算器65輸入保持在第一快速緩存器62中的值D2A。在終止信號SB輸出的時刻上，第一差值計算器65取得第一估算數據D2的值D2B及計算值D2B與值D2A之間的差值ΔA。因此，差值ΔA是由第一估算器52估算的關于在從起動信號SA輸出到終止信號SB輸出之間的預定時間間隔T0期間在過濾器32中集聚的顆粒量的值。
類似地，對第二差值計算器66輸入保持在第二快速緩存器63中的值D3A。在終止信號SB輸出的時刻上，第二差值計算器66取得第二估算數據D3的值D3B及計算值D3B與值D3A之間的差值ΔB。因此，差值ΔB是由第二估算器53估算的關于在從起動信號SA輸出到終止信號SB輸出之間的預定時間間隔T0期間在過濾器32中集聚的顆粒量的值。
從第一差值計算器65輸出指示差值ΔA的第一差值數據DX及從第二差值計算器66輸出指示差值ΔB的第二差值數據DY。第一差值數據DX及第二差值數據DY被輸入到一個系數計算器67，該系數計算器執行ΔA/ΔB的計算及輸出指示該計算結果的系數數據DC。
系數數據DC被輸送到系數數據存儲器68。系數數據存儲器68是一個移位寄存器類型的存儲器，及每次由系數計算器67輸出系數數據DC時在先的數據被順序地移位及存儲。這里它被設計成存儲最新的5個系數數據。
對數據鑒別器69輸入來自系數計算器67的系數數據DC及前5步中存儲在系數數據存儲器68中的系數數據，及該數據鑒別器鑒別來自系數計算器67的系數數據DC的適合性。在該實施例中，數據鑒別器69基于在系數數據DC前獲得的系數數據計算系數數據的移動平均值，將移動平均值的幅值與來自系數計算器67的系數數據DC相比較，及當其差值等于或小于預定值時判斷來自系數計算器67的系數數據是合適的，及輸出最新的系數數據DC作為校正數據D4。另一方面，當差值大于預定值時，則判斷最新系數數據DC的值是不適合的，及將基于數據鑒別器69中計算的移動平均值的數據、例如瞬時移動平均值作為校正數據D4輸出。
換句話說，校正數據計算部分60被設計來計算在預定時間間隔中由第一估算器52估算的顆粒增加值與在預定時間間隔中由第二估算器53估算的顆粒增加值的比例，及基于該比例輸出校正數據D4。
第一估算器52的特征在于由于它基于過濾器32上的壓力差估算集聚顆粒量，當過濾器32是新的或剛再生過時，它能夠以很高的精確度估算集聚顆粒量。但是，如前面所說明的，在過濾器32上已聚集一定量顆粒后，顆粒被廢氣部分氧化的過程起作用，由此，盡管繼續地集聚顆粒，壓力差的幅值并不改變，這使得集聚顆粒量的精確估算變為不可能。
另一方面，由第二估算器53的估算使用事先存儲的有關發動機單位時間產生的顆粒量的數據及在考慮工作條件的情況下積分該數據來完成，以致指示單位時間產生的顆粒量的數據有時偏離實際產生的量。
因此集聚顆粒量的估算可在第一估算器52及第二估算器53中在相同條件下進行，及通過結果比較，在校正數據計算部分60中計算用于來自第二估算器53的第二估算數據D3的值的校正系數。因而在校正數據計算部分60中用于得到校正數據D4的計算最好在能使第一估算器52中的估算相對精確地進行的條件下實現。為此，對于進行獲得校正數據D4的計算，在測量起動器61及測量終止器64中決定開始及終止的時刻最好限定在更換了一個新過濾器32后緊接著的一個預定時間間隔內或在過濾器32再生后的緊接著的一個時間間隔內。它們是顆粒集聚穩定增加的時間間隔。
來自數據鑒別器69的校正數據D4被傳送到系數計算器70，它計算用于第二估算數據D3的校正系數。這樣獲得的校正系數數據D5被傳送到一個乘法器71，該乘法器將第二估算數據D3乘以校正系數數據D5并獲得校正的第二估算數據D6。最好采用至少每次過濾器32再生將執行補償/保存計算的方案。
校正的第二估算數據D6及第一估算數據D2被傳送到一個選擇器72及使用了來自鑒別器73的鑒別數據D7，來選擇校正的第二估算數據D6及第一估算數據D2中哪一個是合適的，然后被選擇的數據作為指示集聚顆粒量估算值的估算數據Q不加修改地被輸出。
在該實施例中，鑒別器73被設計來鑒別以下任何項是否適合(1)集聚顆粒量的估算值等于或小于預定值；(2)壓力差ΔP的值等于或小于預定值；(3)壓力差ΔP的變化范圍等于或大于預定值；(4)第二壓力傳感器34或第二壓力傳感器34有故障。
它還被設計來當(1)-(4)中任一項適合時選擇校正的第二估算數據D6，否則選擇第一估算數據D2。
由于過濾器控制單元40的上述結構，估算單元41可確定哪個數據更適合作為估算數據Q基于過濾器32上的壓力差ΔP的第一估算數據D2或校正的第二估算數據D6，后者是通過使用在校正數據計算部分60中得到的校正數據D4來校正基于積分的單位時間給定顆粒產生量的處理得到的第二估算數據D3而獲得的。因此估算數據Q是比以往精確等得多的顆粒集聚估算值。
另一可能性是根據壓力差中的時間-行程變化來校核壓力差的上升是否已飽和，及當發現已飽和時基于此后積分值進行過濾器再生控制。
再生控制單元42響應估算數據Q以鑒別集聚顆粒量是否已超過預定值，及當它根據估算數據Q發現集聚顆粒量已超過預定值時輸出再生信號CS，以輸入到發動機控制單元10。發動機控制單元10響應再生信號CS，以執行過濾器32再生所需的噴油定時延遲控制，由此增加廢氣溫度以燃燒過濾器32中集聚的顆粒及這樣進行過濾器32的再生。
如以上所解釋的，由估算單元41所獲得的估算數據Q精確地代表了過濾器32中集聚的顆粒量，以致過濾器32的再生控制可被合適地執行，及可防止再生期間過濾器32的損壞。此外，通過在集聚顆粒量被判斷未顯著地大到降低燃油經濟性的階段，進行再生控制防止了過濾器的熱熔損壞，由于過濾器再生控制，在本系統中改善的檢測精確度減小了對燃油損耗的副作用。
如上所述，過濾器中集聚顆粒量可被估算的很好精確度允許合適的過濾器再生控制，由此再生期間過濾器的損壞可被有效地防止及用于過濾器再生的燃油損耗可被保持在一個小值上，并實現了燃油經濟性的改善。
工業實用性如上所述，根據本發明的過濾器控制方法及系統可用來進行合適定時的過濾器再生。
權利要求
1.一種過濾器控制方法，該方法基于過濾器上的壓力差和/或基于在考慮發動機工作狀態的情況下通過對單位時間給定顆粒產生量進行積分所獲得的積分值，來估算在用于截獲柴油顆粒的過濾器中集聚的顆粒量并進行過濾器再生控制，該過濾器控制方法的特征在于，它包括基于過濾器上的壓力差獲得作為第一顆粒增加量的預定時間間隔期間的顆粒增加量及基于積分值獲得第二顆粒增加量的步驟；根據第一及第二顆粒增加量求得用于校正積分值的校正數據的步驟；使用校正數據來校正積分值以獲得校正的積分值的步驟，以及使用校正的積分值或過濾器上的壓力差進行過濾器的再生控制。
2.根據權利要求1的過濾器控制方法，其中在顆粒集聚穩定上升的預定時間間隔內獲得第一及第二顆粒增加量。
3.根據權利要求1的過濾器控制方法，其中在求得校正數據的步驟中，根據第一與第二顆粒增加量之間的比例計算系數數據，及基于系數數據適合性的判斷及判斷結果將系數數據或系數數據的移動平均值用作校正數據。
4.根據權利要求1的過濾器控制方法，還包括一個鑒別步驟，用于確定校正積分值及過濾器上的壓力差中的哪個用于再生控制。
5.根據權利要求4的過濾器控制方法，其中在鑒別步驟中鑒別是否(1)集聚顆粒量的估算值等于或小于預定值；(2)壓力差ΔP的值等于或小于預定值；(3)壓力差ΔP的變化范圍等于或大于預定值；(4)第二壓力傳感器34或第二壓力傳感器34有故障；及僅當(1)-(4)中任一項適合時選擇校正積分值數據。
6.根據權利要求3的過濾器控制方法，其中至少每次過濾器再生時執行系數數據的計算。
7.根據權利要求1的過濾器控制方法，其中根據過濾器上壓力差中的時間-行程變化來檢查壓力差的上升是否已飽和，及當發現壓力差的上升已飽和時基于此后積分值進行過濾器再生控制。
8.一種過濾器控制系統，該系統設有第一計算裝置，它基于過濾器上的壓力差來估算在用于截獲柴油顆粒的過濾器中集聚的顆粒量；及第二計算裝置，它在考慮發動機工作狀態的情況下通過對單位時間給定顆粒產生量的積分來估算集聚顆粒量；及基于第一及第二計算裝置的輸出進行過濾器再生控制，該過濾器控制系統的特征在于，它包括基于第一計算裝置的輸出來計算兩個不同給定時間點之間的集聚顆粒量的增加并作為第一輸出并輸出它，及同時基于第二計算裝置的輸出來計算第二輸出并輸出它的裝置；響應第一及第二輸出以求得用于校正第二計算裝置的輸出的校正數據的裝置；及使用校正數據來校正第二計算裝置的輸出來獲得校正的輸出的裝置，以及使用校正的輸出及第一計算裝置的輸出進行過濾器的再生控制。
9.根據權利要求8的過濾器控制系統，其中在集聚顆粒穩定上升的預定時間間隔內獲得第一及第二輸出。
10.根據權利要求8的過濾器控制系統，其中在求得校正數據的裝置中，根據第一與第二輸出之間的比例計算系數數據，及基于系數數據適合性的判斷及判斷結果將系數數據或系數數據的移動平均值用作校正數據。
11.根據權利要求8的過濾器控制系統，還包括一個鑒別裝置，用于確定校正輸出及第一計算裝置的輸出中的哪個用于再生控制。
12.根據權利要求11的過濾器控制系統，其中在鑒別裝置中鑒別是否(1)集聚顆粒量的估算值等于或小于預定值；(2)壓力差ΔP的值等于或小于預定值；(3)壓力差ΔP的變化范圍等于或大于預定值；(4)第二壓力傳感器34或第二壓力傳感器34有故障；及僅當(1)-(4)中任一項適合時選擇校正輸出。
13.根據權利要求10的過濾器控制系統，其中至少每次過濾器再生時執行系數數據的計算。
14.根據權利要求8的過濾器控制系統，其中根據過濾器上壓力差中的時間-行程變化來檢查壓力差的上升是否已飽和，及當發現壓力差的上升已飽和時基于此后第一計算裝置的輸出進行過濾器再生控制。
全文摘要
本發明涉及過濾器的控制方法及系統。預定時間間隔中的顆粒增加量被求得作為第一差值數據(DX)，它是基于過濾器(32)上的壓力差ΔP及根據由第一估算器(52)獲得的第一估算數據(D2)求得的，及同時預定時間間隔中的顆粒增加量被求得作為第二差值數據(DY)，它是基于單位時間顆粒再生量的積分及根據由第二估算器(53)獲得的第二估算數據(D3)求得的，及使用由第一及第二差值數據(DX，DY)計算的校正數據(D4)來校正第二估算數據(D3)以求得校正的第二估算數據(D6)。一個鑒別器(73)鑒別第一估算數據(D2)及校正的第二估算數據(D6)中的哪個是合適的數據及使用這樣選擇的估算數據(Q)來進行過濾器的再生控制。
文檔編號F01N13/02GK1568399SQ0380126
公開日2005年1月19日 申請日期2003年8月8日 優先權日2002年8月9日
發明者濱畑敏宏 申請人:株式會社博世汽車系統