專利名稱：用于顆粒物過濾器再生的系統和方法
技術領域：
本主題發明涉及內燃機，并且更具體地涉及用于內燃機的廢氣后處理系統。
背景技術：
內燃機的發動機控制模塊控制提供給發動機燃燒室的燃料和空氣的混合物。在點燃空氣/燃料混合物后，燃燒得以發生并且燃燒氣體通過排氣門離開燃燒室。燃燒氣體由排氣歧管引導至催化劑(或“催化轉化器”)和/或其他的廢氣后處理部件。在發動機運行期間，某些廢氣后處理部件被設置用于從廢氣中去除設定的調節成分。一種示范性部件是顆粒物過濾器，被設置用于去除由烴類燃料不完全燃燒產生的碳顆粒或顆粒物，也稱作來自廢氣的顆粒物。一種示范性顆粒物過濾器被設置用于去除設定量的顆粒物并且通過再生過程周期性地燒掉累積的顆粒物。再生和去除過多的顆粒物避免了能夠造成維修和保養問題的內燃機背壓過高。在某些情況下，發動機可能會為了允許執行再生而并未在最優的發動機工況下運行。這會導致顆粒物累積到不能在隨后的再生嘗試期間燒盡的含量。
發明內容
在本發明的一個示范性實施例中，一種再生顆粒物過濾器的方法包括使廢氣從內燃機流入顆粒物過濾器內并確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量。所述方法還包括在顆粒物含量低于第一值時執行一次再生，一次再生包括使廢氣和設定量的烴類一起流入顆粒物過濾器內，并且在顆粒物含量高于第一值時執行二次再生，二次再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。在本發明的另一個示范性實施例中，一種內燃機系統包括內燃機，與內燃機流體連通并且被設置用于從內燃機接收廢氣的排氣管，以及用于從排氣管接收廢氣流的顆粒物過濾器。所述系統還包括控制器，被設置用于確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量，并且生成指令以在顆粒物含量高于第一值時執行被動再生，被動再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。方案1、一種再生顆粒物過濾器的方法，包括:
使廢氣從內燃機流入顆粒物過濾器內；
確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量；以及
在顆粒物含量低于第一值時執行一次再生，一次再生包括使廢氣和廢氣中設定量的烴類一起流入顆粒物過濾器內，并且在顆粒物含量高于第一值時執行二次再生，二次再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。方案2、如方案I所述的方法，其中第一值大于由顆粒物含量構成的第二值，在構成第二值的顆粒物含量下或低于構成第二值的顆粒物含量時，一次再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至正常的顆粒物含量。方案3、如方案2所述的方法，其中從第一值到第三值的范圍包括二次再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至第一值或第一值以下的顆粒物含量，其中第一值小于第三值。方案4、如方案3所述的方法，包括在顆粒物含量大于第三值時指示操作人員需要進行維修。方案5、如方案3所述的方法，包括在二次再生超過時間限制時指示操作人員需要進行維修。方案6、如方案I所述的方法，其中使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內促使顆粒物含量降至正常含量。方案7、如方案I所述的方法，其中使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內促使在低于一次再生溫度的溫度下燃燒顆粒物過濾器中的顆粒物。方案8、如方案I所述的方法，其中確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量包括確定跨越顆粒物過濾器的壓差。方案9、一種內燃機系統,包括:
內燃機；
與內燃機流體連通并且被設置用于從內燃機接收廢氣的排氣管；
被設置用于從排氣管接收廢氣流的顆粒物過濾器；以及
控制器，被設置用于確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量，并且生成指令以在顆粒物含量高于第一值時執行被動再生，被動再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。方案10、如方案9所述的系統，其中控制器被設置用于生成指令以在顆粒物含量低于第一值時執行烴類再生，烴類再生包括使廢氣和廢氣中設定量的烴類一起流入顆粒物過濾器內。方案11、如方案10所述的系統，其中第一值大于由顆粒物含量構成的第二值，在構成第二值的顆粒物含量下或低于構成第二值的顆粒物含量時，烴類再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至正常含量。方案12、如方案11所述的系統，其中從第一值到第三值的范圍包括被動再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至第一值或第一值以下的顆粒物含量，其中第一值小于第三值。方案13、如方案12所述的系統，其中控制器被設置用于在顆粒物含量大于第三值時指示操作人員需要進行維修。方案14、如方案12所述的系統，其中控制器被設置用于在二次再生超過時間限制時指示操作人員需要進行維修。方案15、如方案9所述的系統，其中被動再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內以促使顆粒物含量降至正常范圍。方案16、如方案9所述的系統，其中被動再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內以促使在低于烴類再生溫度的溫度下燃燒顆粒物過濾器中的顆粒物。方案17、如方案9所述的系統，其中確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量包括確定跨越顆粒物過濾器的壓差。方案18、如方案9所述的系統，包括位于顆粒物過濾器上游的氧化催化劑和位于氧化催化劑上游的催化還原設備。方案19、一種用于再生內燃機用廢氣顆粒物過濾器系統的方法，內燃機具有與其流體連通并且被設置用于從內燃機接收廢氣的排氣管，用于從廢氣中去除顆粒物的顆粒物過濾器；所述方法包括:
測量顆粒物過濾器內的顆粒物含量；
確定顆粒物已經達到指示需要被動再生顆粒物過濾器以燃燒其中收集的顆粒物的含量；以及
促使增加由顆粒物過濾器接收的廢氣中的氮氧化物量，其中所述氮氧化物量燃燒顆粒物。方案20、如方案19所述的方法，包括判定被動再生是否超過設定時間，其中超過設定時間就指示需要進行顆粒物過濾器的維修。本發明的上述特征和優點以及其他特征和優點根據以下結合附圖給出的本發明詳細說明即可變得顯而易見。
在以下僅作為示例的詳細說明中體現出其他的特征、優點和細節，詳細說明參照附圖給出，在附圖中:
圖1示出了包括示范性廢氣后處理系統的示范性內燃機；以及 圖2是用于在廢氣后處理系統內再生顆粒物過濾器的示范性過程的圖示。
具體實施例方式以下的說明內容在本質上僅僅是示意性的而絕不是為了限制本公開、其應用或用途。應該理解貫穿附圖始終的對應附圖標記表示相似或對應的部件和特征。如本文中所用的術語控制器和模塊是指專用集成電路(ASIC)、電子電路、執行一種或多種軟件或固件程序的(共享、專用或群組)處理器和存儲器、組合邏輯電路和/或提供所述功能性的其他合適部件。在各實施例中，控制器或模塊可以包括一個或多個子控制器或子模塊。圖1是發動機系統10的一個實施例的示意圖。發動機系統100包括內燃機102、排氣系統104和發動機控制器106。排氣系統104包括排氣歧管108、廢氣后處理系統110和排氣管112。氣缸116位于內燃機102內，其中氣缸116接收燃燒空氣和燃料的混合物。燃燒空氣/燃料混合物的燃燒導致位于氣缸116內的活塞(未示出)往復運動。活塞的往復運動旋轉曲軸(未示出)以向車輛傳動系(未示出)或向發電機或者在固定應用內燃機102的情況下向這種動力的其他固定接受者(未示出)輸送原動力。空氣/燃料混合物的燃燒促使廢氣流118流過排氣歧管108、排氣管117并流入廢氣后處理系統110內，其中廢氣后處理系統110可以包括第一氧化催化劑119、選擇性催化還原(“SCR”)設備120、第二氧化催化劑122和顆粒物過濾器124。廢氣后處理系統110在廢氣釋放入大氣之前先要還原、氧化、截留或以其他方式處理廢氣118中的各種調節成分和污染物例如顆粒物。第一氧化催化劑119和第二氧化催化劑122均可包括例如流通式金屬或陶瓷整體基板，其被包裝在膨脹襯墊或者在受熱時膨脹以固定和隔離基板的其他合適載體內。基板可以被封裝在具有與排氣管117流體連通的入口和出口的不銹鋼殼體或罐內。基板可以包括設置在其上的氧化催化劑化合物。氧化催化劑化合物可以被施加為涂層并且可以包含鉬族金屬例如鉬(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)或其他合適的氧化催化劑。SCR設備120也可以包括例如流通式陶瓷或金屬整體基板，其被包裝在膨脹襯墊或者在受熱時膨脹以固定和隔離基板的其他合適載體內。基板可以被封裝在具有與排氣管117流體連通的入口和出口的不銹鋼殼體或罐內。基板可以包括向其施加的SCR催化劑組合物。SCR催化劑組合物可以包含沸石以及一種或多種基底金屬組分例如鐵(Fe)、鈷(Co)、銅(Cu)或釩，其能夠有效地操作用于在存在還原劑例如氨(NH3)的情況下轉化廢氣118中的NOx成分。NH3還原劑可以從流體供應源125(還原劑供應源)提供并且可以利用噴射器在SCR設備120上游的位置注入廢氣118內。還原劑可以是氣體、液體或尿素水溶液的形式并且可以在噴射器內與空氣混合以有助于散布噴霧。混合器也可以設置在廢氣后處理系統內以進一步幫助還原劑與廢氣118混合。在一個實施例中，第二流體源127可以包括烴類供應源。烴類供應源可以根據系統配置而取代或者附加于還原劑供應源。在一個實施例中，廢氣后處理系統110和流體供應源125，127被有效連接至發動機控制器106 (也被稱為“模塊”)并由其控制。發動機控制器106從傳感器128a-128n收集內燃機102運行的相關信息例如(進氣系統、排氣系統、發動機冷卻劑、外界環境等的)溫度、壓力、排氣流速、顆粒物含量和NOx濃度。發動機控制器106可以調節注入廢氣后處理系統110內的NH3還原劑125或其他合適的排放物還原流體的量。而且，控制器106還可以被設置用于根據測量的參數執行設定的過程或操作例如根據顆粒物過濾器124內測量的顆粒物含量執行再生過程。在一個示范性實施例中，廢氣流118由可以緊密連接至發動機102的第一氧化催化劑119接收以去除污染物并符合排放標準。顆粒物過濾器124可以被設置在SCR設備120的下游。顆粒物過濾器124操作用于過濾廢氣118中的碳和其他顆粒物。在各實施例中，顆粒物過濾器124可以被構造為使用包裝在隔離襯墊或者固定和隔離過濾器的其他合適載體內的陶瓷壁流式整體過濾器。過濾器可以被封裝在例如是不銹鋼的并具有與排氣管117流體連通的入口和出口的殼體或罐內。陶瓷壁流式整體過濾器可以具有由縱向延伸的壁部界定的多條縱向延伸的通道。通道包括具有開放的入口端和封閉的出口端的入口通道子集以及具有封閉的入口端和開放的出口端的出口通道子集。通過入口通道入口端進入過濾器的廢氣118通過鄰接的縱向延伸壁部被強行轉移至出口通道。正是通過這種示范性的壁流式機構來過濾廢氣118中的碳和其他顆粒物。濾除的顆粒物被沉積在入口通道的縱向延伸的壁部上，并且隨著時間的流逝將具有增大由內燃機102承受的排氣背壓的效果。應該理解陶瓷壁流式整體過濾器在本質上僅僅是示范性的，并且顆粒物過濾器124可以包括其他的過濾設備例如纏繞或填裝纖維式過濾器、開口泡沫塑料、燒結金屬纖維等。顆粒物過濾器124內累積的顆粒物質被定期清理或再生以減小背壓。再生涉及在通常為高溫(例如600°C或以上)的環境下氧化或燃燒累積的碳和其他顆粒物(也包括碳煙)。在一個實施例中，通過與控制器106通信聯絡的傳感器128a-128n測量顆粒物過濾器124內升高的顆粒物含量并且可以執行再生。示范性的再生過程包括通過向廢氣118內引入燃料127 (烴類或HC)而向廢氣后處理系統110內引入熱量，從而在氧化催化劑122上進行氧化以升高進入顆粒物過濾器124的廢氣118的溫度。在示范性內燃機系統100運行期間，一次再生(也被稱為“烴類再生”)可以執行一定的延長時段例如10到30分鐘以將顆粒物減少至正常或可接受的含量。某些系統需要將發動機102升溫以供再生。因此，較短的發動機運行時段(例如5分鐘)或啟動-停機操作可能無法為發動機提供升溫以開始再生的足夠時間。重復的短時段運行可以導致升高的顆粒物累積對于一次再生(也被稱為“烴類或HC再生”)來說過高但并無損壞硬件(例如顆粒物過濾器)的風險。在各實施例中，升高的顆粒物含量無法通過一次再生降低可能會導致發動機在動力有限的模式下運行，直到在服務中心例如經銷商或維修中心以受控的狀態執行人工再生過程為止。因此，提供了一種用于廢氣后處理系統110的方法和系統以使得能夠在顆粒物含量對于通過一次再生過程處理來說過高時實現顆粒物過濾器124的二次再生(也被稱為“被動再生”)，從而避免由需要人工再生導致的不合需要的車輛停機時間。應該注意的是發動機系統100可以具有多種可選結構，包括比圖示更少或更多的部件。在一個實施例中，系統可以包括單個氧化催化劑119和單個顆粒物過濾器124。圖2是用于在廢氣后處理系統110 (圖1)內的顆粒物再生的示范性過程200的方塊圖。在一個實施例中，廢氣后處理系統Iio從內燃機102接收廢氣118并且使廢氣流過第一氧化催化劑119、SCR設備120、第二氧化催化劑122然后流入顆粒物過濾器124內。在方塊202，通過合適的測量設備例如沿排氣流路設置的一個或多個背壓傳感器測量顆粒物過濾器124內升高的顆粒物含量。在一個實施例中，可以通過確定過濾器入口和出口之間的壓差來測量顆粒物含量，其中升高的顆粒物含量由跨越過濾器124的更大壓差指示。用于升高的顆粒物含量的示范值可以根據發動機、環境、燃料類型和其他因素而改變。在一個實施例中，升高的顆粒物含量是過濾器內的顆粒物大于約40克。如果顆粒物含量并未升高，那么發動機102(圖1)就正常運行。在方塊204，對顆粒物含量是否低于用于被動再生的下限進行判定。用于被動再生的示范性下限可以是過濾器內的顆粒物約為70克。在方塊206，如果顆粒物含量低于下限則啟動示范性的一次再生過程。一次再生過程可以燃燒烴類(HC) 127以提供熱量用于燃燒顆粒物。在一次再生之后，如方塊208所示，顆粒物含量被降至可以恢復發動機正常運行的“正常含量”。如本文中所述，正常的顆粒物含量就是說顆粒物過濾器124內的顆粒物含量不會造成發動機102的背壓過高并且低于用于啟動一次再生的閾值或下限。在方塊210，對測量的顆粒物含量是否介于用于被動再生的下限和上限之間或者顆粒物含量是否超過用于被動再生的上限進行判定。用于被動再生的示范性上限可以是約為75克的顆粒物含量。如果顆粒物含量超過上限，那么內燃機系統100 (圖1)就如方塊212所示指示操作人員需要進行發動機維修。在一個示例中，發動機直到將其送至維修中心之前都在動力有限或低動力模式下運行。如方塊214所示，如果顆粒物含量低于用于被動再生的上限，那么就啟動二次或被動再生。被動再生可以在發動機仍以基本正常的方式運行時發生，由此允許操作人員無中斷地繼續使用。在一個實施例中，被動再生過程包括運行發動機系統100以生成加量的NOx (—氧化氮和二氧化氮)。在廢氣中增加的NOx即可產生另外的化學反應以促使“燒掉”顆粒物過濾器124(圖1)基板上的顆粒物。在一個方面中，高NOx以比烴類再生過程更低的溫度被動地再生顆粒物。在一個實施例中，因為驅動循環可能會導致顆粒物快速燃燒從而不合需要地造成高溫，所以烴類再生可能無法在較高的顆粒物含量下進行。對發動機系統100任意合適的調節或動作均可用于生成額外的NOx。在一個示例中，控制器106可以促使發動機系統100調節燃料和空氣的混合比以生成NOx。在另一個示例中，廢氣再循環(EGR)系統可以減少流入發動機內的再循環廢氣，這樣即可導致增加NOx的生成量。在方塊216，監測用于執行被動再生過程的時間。在一個實施例中，在被動再生過程期間測量顆粒物含量以判定被動再生過程是否應該繼續。如果被動再生在設定時間限制以內將顆粒物含量降至正常含量，那么發動機系統100就恢復正常運行(方塊208)。如果被動再生過程繼續運行而并未在設定時間限制內將顆粒物含量降至可接受的含量，那么就可以通知操作人員需要進行維修(方塊212)。在方塊216，時間限制可以根據發動機配置和其他因素而改變。示范性的時間限制范圍可以是從約10分鐘到約30分鐘。在一個方面中，大約每三到四分鐘去除約一克的顆粒物。示范性的再生過程200可以利用任意合適的設備例如硬件、處理器和軟件以執行本文中介紹的邏輯、控制和指令。在一個示范性實施例中，一個或多個控制模塊例如控制器106 (圖1)可以被用于執行圖示過程200中的步驟。圖1和圖2中示出的方法和裝置通過經被動過程去除顆粒物而為廢氣后處理系統提供了更好的性能。二次或被動再生使得能夠在發動機基本正常運行期間燒掉累積的過多顆粒物，由此避免了與通過經銷商或維修技術人員執行的人工再生相關聯的停機時間。盡管已經參照示范性實施例介紹了本發明，但是本領域技術人員應該理解可以進行各種修改并且可以用等價形式代替其中的元素而并不背離本發明的保護范圍。另外，可以根據本發明的教導得到多種變形以適應特定情況或材料而并不背離其實質的保護范圍。因此，應該認定本發明并不局限于公開的特定實施例，而且本發明應該包括落入本申請保護范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種再生顆粒物過濾器的方法，包括: 使廢氣從內燃機流入顆粒物過濾器內； 確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量；以及 在顆粒物含量低于第一值時執行一次再生，一次再生包括使廢氣和廢氣中設定量的烴類一起流入顆粒物過濾器內，并且在顆粒物含量高于第一值時執行二次再生，二次再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。
2.按權利要求1所述的方法，其中第一值大于由顆粒物含量構成的第二值，在構成第二值的顆粒物含量下或低于構成第二值的顆粒物含量時，一次再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至正常的顆粒物含量。
3.按權利要求2所述的方法，其中從第一值到第三值的范圍包括二次再生將顆粒物過濾器內的顆粒物含量降至第一值或第一值以下的顆粒物含量，其中第一值小于第三值。
4.按權利要求3所述的方法，包括在顆粒物含量大于第三值時指示操作人員需要進行維修。
5.按權利要求3所述的方法，包括在二次再生超過時間限制時指示操作人員需要進行維修。
6.按權利要求1所述的方法，其中使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內促使顆粒物含量降至正常含量。
7.按權利要求1所述的方法，其中使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內促使在低于一次再生溫度的溫度下燃燒顆粒物過濾器中的顆粒物。
8.按權利要求1所述的方法，其中確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量包括確定跨越顆粒物過濾器的壓差。
9.一種內燃機系統,包括: 內燃機； 與內燃機流體連通并且被設置用于從內燃機接收廢氣的排氣管； 被設置用于從排氣管接收廢氣流的顆粒物過濾器；以及 控制器，被設置用于確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量，并且生成指令以在顆粒物含量高于第一值時執行被動再生，被動再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。
10.一種用于再生內燃機用廢氣顆粒物過濾器系統的方法，內燃機具有與其流體連通并且被設置用于從內燃機接收廢氣的排氣管，用于從廢氣中去除顆粒物的顆粒物過濾器；所述方法包括: 測量顆粒物過濾器內的顆粒物含量； 確定顆粒物已經達到指示需要被動再生顆粒物過濾器以燃燒其中收集的顆粒物的含量；以及 促使增加由顆粒物過濾器接收的廢氣中的氮氧化物量，其中所述氮氧化物量燃燒顆粒物。
全文摘要
用于顆粒物過濾器再生的系統和方法。在本發明的一個示范性實施例中，一種再生顆粒物過濾器的方法包括使廢氣從內燃機流入顆粒物過濾器內并確定顆粒物過濾器內的顆粒物含量。所述方法還包括在顆粒物含量低于第一值時執行一次再生，一次再生包括使廢氣和廢氣中設定量的烴類一起流入顆粒物過濾器內，并且在顆粒物含量高于第一值時執行二次再生，二次再生包括使廢氣和加量的氮氧化物一起流入顆粒物過濾器內。
文檔編號F01N11/00GK103089374SQ201210432209
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月2日 優先權日2011年11月4日
發明者T.小拉羅斯, D.M.范布倫, J.A.卡塔羅納, C.懷特, R.J.達爾 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司