目標顆粒物質過濾器再生系統的制作方法

專利名稱：目標顆粒物質過濾器再生系統的制作方法
技術領域：
本公開涉及排氣系統的顆粒物質過濾器的再生。
背景技術：
這里提供的背景描述用于大致提供本公開的背景的目的。目前指定的發明人的作品，在該背景部分描述的程度，以及描述的方面，在提交時絕非將其描述為現有技術，也未明示地或暗示地承認為對抗本公開的現有技術。發動機產生顆粒物質(PM)，該顆粒物質(PM)通過PM過濾器從排氣過濾。PM過濾器布置在發動機的排氣系統內。PM過濾器降低在燃燒期間產生的PM的排放。隨著時間的推移，PM過濾器逐漸被充滿。在再生期間，可在PM過濾器內燃燒PM。再生可包括將PM過濾器加熱至PM的燃燒溫度。存在執行再生的各種方式，包括更改發動機管理，利用燃料燃燒器，利用催化氧化劑在燃料的噴射之后提高排氣溫度，利用電阻加熱線圈，和/或利用微波能量。作為一個示例，排氣系統可包括位于發動機下游的三元催化劑轉換器(TWC)，氧化催化劑(OC)和顆粒物質(PM)過濾器。來自發動機的排氣經過TWC和隨后的0C，然后被PM 過濾器過濾。TWC還原氮氧化物NOx，氧化一氧化碳(CO)，氧化未燃燒的碳氫化合物(HC)和揮發性有機化合物。OC氧化保留在從TWC接收的排氣中的CO。繼續以上示例，可推遲發動機的火花，使發動機變熱，由此加熱排氣系統以啟動PM 過濾器的再生。結果，大質量(large mass)被加熱，包括發動機，TWC，OC和PM過濾器。質量可被加熱至例如600-750°C的PM燃燒溫度。排氣系統構件的上升的溫度可降低TWC和/ 或OC的操作壽命。而且，需要更多的燃料量來提供該加熱。

發明內容
提供了一種再生系統，其包括顆粒物質(PM)過濾器。PM過濾器具有接收來自發動機的排氣的上游端。空氣泵回路將周圍空氣引導至PM過濾器上游的第一排氣管道。控制模塊確定PM過濾器的當前油煙負載水平。在當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，控制模塊還實施使發動機在富燃模式(rich mode)下操作和激活空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。在其它特征中，提供了一種再生方法，其包括經由PM過濾器的上游端接收排氣。 確定PM過濾器的當前油煙負載水平。所述方法進一步包括在當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，實施使發動機在富燃模式下操作和激活空氣泵回路中的空氣泵的至少一個。本發明還涉及以下技術方案。1. 一種再生系統，包括
顆粒物質(PM)過濾器，包括從發動機接收排氣的上游端； 空氣泵回路，將周圍空氣引導至所述PM過濾器上游的第一排氣管道；和控制模塊
確定所述PM過濾器的當前油煙負載水平；和
在所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，實施使所述發動機在富燃模式下操作和激活所述空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。2.根據技術方案1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊通過使所述發動機在富燃模式下操作和通過激活所述空氣泵以將周圍空氣引導至氧化催化劑而使所述PM 過濾器上游的所述氧化催化劑的溫度上升至再生溫度。3.根據技術方案1所述的再生系統，其特征在于，在所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，所述控制模塊使所述發動機在富燃模式下操作并激活所述空氣泵。4.根據技術方案1所述的再生系統，其特征在于，所述空氣泵回路包括 空氣閥；
第一空氣管道，連接在排氣歧管和所述空氣閥之間； 第二空氣管道，連接在所述空氣泵和所述空氣閥之間；和第三空氣管道，連接在所述空氣閥和所述第一排氣管道之間。5.根據技術方案1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述PM過濾器上游的氧化催化劑的第一當前溫度；和
在所述第一當前溫度大于第一預先確定的溫度時，實施使所述發動機在富燃模式下操作和激活所述空氣泵中的至少一個。6.根據技術方案5所述的再生系統，其特征在于，所述第一預先確定的溫度為一氧化碳放熱溫度。7.根據技術方案5所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述氧化催化劑的第二當前溫度；和
實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述第二當前溫度大于或等于第二預先確定的溫度。8.根據技術方案7所述的再生系統，其特征在于，所述第二預先確定的溫度為PM 放熱溫度。9.根據技術方案1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述氧化催化劑的當前溫度；和
實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述當前溫度大于或等于預先確定的溫度以預先確定的一段時間。10.根據技術方案9所述的再生系統，其特征在于，當所述當前溫度大于或等于所述預先確定的溫度以所述預先確定的一段時間時，所述控制模塊使所述空氣泵停止和使所述發動機在化學計量比模式下操作。11. 一種排氣系統，包括技術方案1的再生系統，且進一步包括 第一三元轉換器，連接在排氣歧管和所述PM過濾器之間；和氧化催化劑，連接在所述第一三元轉換器和所述PM過濾器之間。12.根據技術方案11所述的排氣系統，其特征在于，所述排氣系統包括四元轉換器，所述四元轉換器包括所述氧化催化劑和所述PM過濾器。
13. 一種再生方法，包括
經由顆粒物質(PM)過濾器的上游端接收排氣； 確定所述PM過濾器的當前油煙負載水平；和
當所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，實施使發動機在富燃模式下操作和激活空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。14.根據技術方案13所述的再生方法，其特征在于，包括通過使所述發動機在富燃模式下操作和通過激活所述空氣泵以將周圍空氣引導至所述氧化催化劑而使所述PM過濾器上游的氧化催化劑的溫度上升至再生溫度。15.根據技術方案13所述的再生方法，其特征在于，進一步包括 確定所述PM過濾器上游的氧化催化劑的第一當前溫度；和
在所述第一當前溫度大于第一預先確定的溫度時，實施使所述發動機在富燃模式下操作和激活所述空氣泵中的至少一個。16.根據技術方案15所述的再生方法，其特征在于，所述第一預先確定的溫度為
一氧化碳放熱溫度。17.根據技術方案15所述的再生方法，其特征在于，進一步包括 確定所述氧化催化劑的第二當前溫度；和
實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述第二當前溫度大于或等于第二預先確定的溫度。18.根據技術方案17所述的再生方法，其特征在于，所述第二預先確定的溫度為 PM放熱溫度。19.根據技術方案13所述的再生方法，其特征在于，進一步包括 確定所述氧化催化劑的當前溫度；和
實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述當前溫度大于或等于預先確定的溫度以預先確定的一段時間。20.根據技術方案19所述的再生方法，其特征在于，進一步包括當所述當前溫度大于或等于所述預先確定的溫度以所述預先確定的一段時間時，使所述空氣泵停止和使所述發動機在化學計量比模式下操作。根據以下提供的說明書，本公開的其它應用領域將變得明顯。應理解，說明書和具體舉例僅意圖用于說明的目的，并非意圖限制本公開的范圍。


本文描述的圖形僅僅用于圖示目的，并不意圖以任何方式限定本公開的范圍。圖1是根據本公開的實施例的包含再生系統的示范性發動機系統的功能框圖； 圖2是根據本公開的實施例的另一發動機系統和相應的再生系統的功能框圖3是發動機和相應的排氣系統的熱視圖4是根據本公開的實施例操作的圖3的發動機和相應的排氣系統的熱視圖； 圖5是根據本公開的實施例的放熱的排氣圖；和
圖6A和6B是圖示根據本公開的實施例的冷啟動和再生方法的邏輯流程圖。
具體實施例方式以下描述在本質上僅僅是示例性的，并且絕不意圖限制本公開，其應用或用途。為了清楚，在附圖中使用相同的標號來表示相似的元件。如本文所用，短語A，B和C中的至少一個應被理解為表示邏輯(A或B或C)，使用的是非排他的邏輯或。應該懂得，方法中的步驟可以以不同的順序執行，而不改變本公開的原理。如本文所用，術語模塊指專用集成電路(ASIC)，電子電路，執行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共用的，專用的，或成組的)和存儲器(共用的，專用的，或成組的)，組合邏輯電路，和/或提供所述功能的其它合適的構件。在圖1中，示意性地圖示了包括再生系統12的示范性發動機系統10。在再生期間， 再生系統12通過將PM過濾器14直接地加熱到再生溫度，將排氣系統16的顆粒物質(PM) 過濾器14作為目標。執行PM過濾器14的加熱，而不使發動機18和/或PM過濾器14上游的排氣系統16的構件的溫度上升超過正常的操作溫度(例如對于發動機93-121 和對于PM過濾器上游的排氣系統的構件200-300°C )。盡管發動機系統10顯示為火花點火發動機，但發動機系統10是作為示例而被提供的。再生系統12可在各種其它發動機系統上執行，諸如柴油發動機系統。發動機系統10包括燃燒空氣和燃料混合物以產生驅動扭矩的發動機18。空氣通過經由空氣過濾器20進入發動機18。空氣經過空氣過濾器20，并可被抽吸進入渦輪增壓器22。在包括渦輪增壓器22時，渦輪增壓器22壓縮新鮮空氣。壓縮越大，發動機18的輸出越大。在包括空氣冷卻器M時，在進入進氣歧管沈之前，壓縮空氣經過空氣冷卻器24。進氣歧管沈內的空氣被分配進入氣缸28。通過燃料噴射器30將燃料噴射進入氣缸觀。火花塞32點燃氣缸觀內的空氣/燃料混合物。空氣/燃料混合物的燃燒產生排氣。排氣離開氣缸觀進入排氣系統16。再生系統12包括排氣系統16和控制模塊40。排氣系統16包括控制模塊40，排氣歧管42，第一三元轉換器(TWC)44，四元轉換器(FWC)46和空氣泵回路48。可選地，EGR 閥(未顯示)再循環排氣的一部分，使其回到進氣歧管沈中。剩余的排氣被引導進入渦輪增壓器22以驅動渦輪機。渦輪機有利于從空氣過濾器20接收的新鮮空氣的壓縮。排氣從渦輪增壓器22流經第一 TWC44并進入FWC46。第一 TWC44還原氮氧化物NOx，氧化一氧化碳(CO)并氧化未燃燒的碳氫化合物 (HC)和揮發性有機化合物。第一 TWC44基于后燃燒空氣/燃料比氧化排氣。氧化的量提高排氣的溫度。FWC46包括PM過濾器14，殼體48，氧化催化劑(OC)(緊密耦合催化劑)和/或第二 TWC50。PM過濾器14和第二 TWC50被布置在殼體48內并具有相應的上游和下游端。第二 TWC50可以通過接觸PM過濾器14或可以與PM過濾器14分離開一個間隙G，以改變在 PM過濾器14和第二 TWC50之間的排氣的流量。第二 TWC50還氧化余留在從第一 TWC44接收的排氣中的CO以產生C02。第二 TWC50也可以還原氮氧化物NOx并氧化未燃燒的碳氫化合物(HC)和揮發性有機化合物。PM過濾器14接收來自第二 TWC50的排氣并過濾存在于排氣中的任何油煙顆粒。空氣泵回路48包括第一空氣管道60，空氣閥62，第二空氣管道64，空氣泵65，和第三空氣管道66。第一空氣管道60連接在排氣歧管42和空氣閥62之間。第一空氣管道60可以直接連接到排氣歧管42或連接到第一 TWC44上游的排氣管道，諸如連接到在排氣歧管42和渦輪22之間的排氣管道68或渦輪22和第一 TWC44之間的排氣管道70。第二空氣管道64連接在空氣閥62和空氣泵65之間。第三空氣管道66連接在空氣閥62和FWC46 之間。第三空氣管道66可以連接到第一 TWC44和FWC46之間的排氣管道72。空氣閥62具有兩個操作位置和相應模式。在第一模式期間，空氣閥62在第一位置。第一模式可以稱為冷啟動模式。在第一模式時，利用空氣泵65將周圍的空氣引導到第一空氣管道60。周圍的空氣可以被引導到排氣歧管42和/或發動機18的排氣閥。在第二模式期間，空氣閥62在第二位置。第二模式可以稱為再生模式或富燃操作模式。在再生模式和富燃操作模式期間，周圍的空氣利用空氣泵65被引導到第三空氣管道和/或排氣管道66、72。控制模塊40基于各種傳感的信息和油煙負載控制發動機18，空氣閥62的位置，空氣泵65，和PM過濾器再生。更具體地，控制模塊40估計PM過濾器14的負載。在估計的負載在預先確定的水平和/或排氣流率在理想的范圍內時，控制發動機18的操作，空氣閥62 的位置，和空氣泵65的狀態以啟動再生過程。可以基于在PM過濾器14內的PM的估計量來改變再生過程的持續時間。在再生期間，使發動機18在富燃模式下操作并且周圍空氣被引導到第三空氣管道和排氣管道66、72以將第二 TWC50加熱達到再生溫度。可以基于計時器73，使發動機18 在富燃模式下操作并且可以將周圍的空氣引導到第三空氣管道和排氣管道66、72。計時器 73可以是控制模塊40的一部分或可以是獨立的計時器，如圖所示。通過利用經過PM過濾器14的加熱的排氣產生的熱，實現剩余的再生過程。以上系統可以包括傳感器80，其用于確定排氣流量水平，排氣溫度水平，排氣壓力水平，氧水平，進氣流率，進氣壓力，進氣溫度，發動機速度，EGR等。顯示了排氣流量傳感器 82，排氣溫度傳感器83，排氣壓力傳感器85，氧傳感器88，EGR傳感器90，進氣流量傳感器 92，進氣壓力傳感器94，進氣溫度傳感器96，和發動機速度傳感器98。第一排氣流量、壓力和/或溫度傳感器100可以連接到第一空氣管道60并且在第一 TWC44的上游。第二排氣流量、壓力和/或溫度傳感器102可以連接到排氣管道72并且在第一 TWC44與FWC46之間。第三排氣流量、壓力和/或溫度傳感器104可以連接到FWC46。 第三排氣傳感器104可以檢測例如間隙G中的排氣的溫度。基于來自傳感器80和第一、第二和第三傳感器100、102、104的信息，控制模塊40可以在冷啟動模式、富燃模式和再生模式下操作發動機18和排氣系統16。在圖2中，顯示了另一發動機系統10’和相應的再生系統12’的功能框圖。發動機系統10’可以是發動機系統10的一部分。再生系統12’包括發動機18，排氣系統16’和空氣泵回路48’。發動機18可以是例如火花點火式或柴油發動機。排氣系統16’包括排氣歧管42，，第一 TWC44，，排氣管道72，和FWC46。空氣泵回路48，包括空氣閥62，，空氣泵 65，，以及第一，第二和第三空氣管道60，，64，，66，。再生系統12’還包括基于來自第一、第二、第三和第四流量、壓力和/或溫度排氣傳感器100、102、104、106的信息，控制發動機18、空氣閥62，和空氣泵65，的操作的控制模塊40’。第一排氣傳感器100連接在第一 TWC44’的上游，在排氣歧管42’上或在排氣歧管42’與第一 TWC44’之間的排氣管道110上。第二排氣傳感器102連接到排氣管道72’。第三排氣傳感器104連接到FWC46。第四排氣傳感器106連接到FWC46的下游的排氣管道 112。在圖3中，顯示了發動機150和相應的排氣系統152的熱視圖。該熱視示了在利用例如火花推遲以加熱FWClM的PM過濾器而執行再生時，發動機150和排氣系統152 的加熱。排氣系統152包括左側156和右側158，左側156和右側158包括各自的左和右排氣管道160，162和TffC 164,166。Y形部件170連接在TffC 164,166和FffC 154之間。為了使FWC154的OC的溫度上升到再生溫度，推遲火花并增加供應到發動機150 的燃料。增加供應的燃料量以維持化學計量比并加熱大質量。大質量指發動機150，左和右側156，158，Y形部件170和FffCl540散熱器172的溫度也上升。用于增加FffC 154的OC 的溫度的圖3的方法，增加FWC154的上游的構件的溫度和降低燃料經濟性，效率低。本文描述的目標PM過濾器加熱技術在沒有增加發動機和PM過濾器殼體和/或 FffC的上游的排氣構件的溫度的情況下，提供燃料有效率的PM過濾器的再生。在圖4中顯示了該減少的加熱的示例。在圖4中，顯示基于本文描述的目標PM過濾器方法操作的發動機150和相應的排氣系統152的熱視圖。在再生之前和在再生期間，將FWClM加熱到再生溫度。FWClM可以是唯一的溫度上升到再生溫度的排氣構件。發動機150，左和右側156，158，排氣管道160， 162，TWC164，166，Y形部件170和散熱器172保持在正常的操作溫度。結果，FWC154和/或 FWC154的OC和PM過濾器作為目標上升到再生溫度。FWClM可以利用以下描述的圖6A和 6B的方法被設為目標。在圖5中，顯示了放熱排氣圖。為在PM過濾器200中啟動顆粒的再生，可使發動機在富燃模式下操作。富燃模式指使發動機以濃于化學計量比的空氣/燃料比操作。在發動機以富燃模式操作時，排氣系統內的氧減少。由于排氣系統內氧水平減少，所以周圍空氣被泵入排氣系統，以允許例如FWC中的0C202將CO轉換為二氧化碳(CO2)。該轉換導致 0C202的溫度上升。0C202接收熱能量和排氣，包括來自發動機的燃燒產物，諸如氫氣(H2)，碳氫化合物(HC)，和一氧化碳忙0)。0C202還接收來自空氣泵的氧(O2)。0C202氧化CO和HC，且溫度上升，其啟動大量的放熱反應，該反應傳至PM過濾器200并一邊燃燒PM過濾器200中的 PM—邊沿PM過濾器200移動。0C202的溫度上升至再生溫度。快速的轉換器起燃提供減少的冷啟動排放。這通過本文描述的目標PM過濾器實施例提供。在圖6A和6B中，顯示了圖示冷啟動和再生方法的邏輯流程圖。盡管主要參照圖 1、2、4和5的實施例描述該方法，但該方法可用于本公開的其它實施例。該方法可在300開始。以下描述的控制可通過圖1和2的控制模塊40、40’中的一個執行。在301，產生傳感器信號。傳感器信號可包括排氣流量信號、排氣溫度信號、排氣壓力信號、氧信號、進氣流量信號、進氣壓力信號、進氣溫度信號、發動機速度信號、EGR信號等，可通過圖1和2的以上描述的傳感器80和100-106產生這些信號。在302，控制確定是否OC和/或FWC (例如第二 TWC50的OC和FWC46)的當前溫度 Tre低于CO放熱溫度TroEx(第一預先確定的溫度)。在一個實施例中，⑶放熱溫度Ttoex為 2500C。在另一實施例中，CO放熱溫度ΤωΕχ為300°C。例如可基于來自排氣傳感器104的信息和/或利用等式1和2確定溫度T『Tstart為OC和/或FWC的開始溫度。EAddedMass為例如提供給OC的C0、H2*HC的質量。HL為OC的加熱損耗。K為恒定值。I7e為排氣流量， 其可為質量空氣流量和供應給發動機的氣缸(例如氣缸觀)的燃料量的函數。質量空氣流量可通過質量空氣流量傳感器(諸如進氣流量傳感器92)確定。
權利要求
1.一種再生系統，包括顆粒物質(PM)過濾器，包括從發動機接收排氣的上游端； 空氣泵回路，將周圍空氣引導至所述PM過濾器上游的第一排氣管道；和控制模塊確定所述PM過濾器的當前油煙負載水平；和在所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，實施使所述發動機在富燃模式下操作和激活所述空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊通過使所述發動機在富燃模式下操作和通過激活所述空氣泵以將周圍空氣引導至氧化催化劑而使所述PM過濾器上游的所述氧化催化劑的溫度上升至再生溫度。
3.根據權利要求1所述的再生系統，其特征在于，在所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，所述控制模塊使所述發動機在富燃模式下操作并激活所述空氣泵。
4.根據權利要求1所述的再生系統，其特征在于，所述空氣泵回路包括 空氣閥；第一空氣管道，連接在排氣歧管和所述空氣閥之間； 第二空氣管道，連接在所述空氣泵和所述空氣閥之間；和第三空氣管道，連接在所述空氣閥和所述第一排氣管道之間。
5.根據權利要求1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述PM過濾器上游的氧化催化劑的第一當前溫度；和在所述第一當前溫度大于第一預先確定的溫度時，實施使所述發動機在富燃模式下操作和激活所述空氣泵中的至少一個。
6.根據權利要求5所述的再生系統，其特征在于，所述第一預先確定的溫度為一氧化碳放熱溫度。
7.根據權利要求5所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述氧化催化劑的第二當前溫度；和實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述第二當前溫度大于或等于第二預先確定的溫度。
8.根據權利要求1所述的再生系統，其特征在于，所述控制模塊 確定所述氧化催化劑的當前溫度；和實施使所述發動機維持在富燃模式和維持所述空氣泵的激活中的至少一個，直到所述當前溫度大于或等于預先確定的溫度以預先確定的一段時間。
9.一種排氣系統，包括權利要求1的再生系統，且進一步包括 第一三元轉換器，連接在排氣歧管和所述PM過濾器之間；和氧化催化劑，連接在所述第一三元轉換器和所述PM過濾器之間。
10.一種再生方法，包括經由顆粒物質(PM)過濾器的上游端接收排氣； 確定所述PM過濾器的當前油煙負載水平；和當所述當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，實施使發動機在富燃模式下操作和激活空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。
全文摘要
本發明涉及一種目標顆粒物質過濾器再生系統。具體而言，再生系統包括顆粒物質(PM)過濾器。PM過濾器具有從發動機接收排氣的上游端。空氣泵回路將周圍空氣引導至PM過濾器上游的第一排氣管道。控制模塊確定PM過濾器的當前油煙負載水平。在當前油煙負載水平大于預先確定的油煙負載水平時，控制模塊實施使發動機在富燃模式下操作和激活空氣泵回路的空氣泵中的至少一個。
文檔編號F01N3/035GK102191981SQ20111005862
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月11日 優先權日2010年3月12日
發明者V. 岡策 E., G. 桑托索 H., J. 小帕拉托爾 M. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司