柴油機顆粒補集系統的再生方法與流程

本發明涉及一種柴油機尾氣凈化方法，尤其是一種柴油機顆粒補集系統的再生方法，屬于柴油機后處理控制技術領域。

背景技術：

柴油機尾氣污染物主要有兩種成分，顆粒物和氮氧化物。顆粒補集器能夠將尾氣中的顆粒物過濾掉，從而大大減少顆粒物向大氣中的排放。因此柴油機在選擇用顆粒補集器作為后處理系統時，往往會同時采用廢氣再循環系統，在汽缸內通過多次噴射有優化燃燒、減少柴油機原機的氮氧化物，與此同時增加的顆粒物用后處理系統進行補集。保證柴油機最終向大氣排放的尾氣中顆粒物和氮氧化物的排放量在法規規定的范圍內。

顆粒補集器作為柴油機后處理凈化裝置時，通常需要在前端安裝一個氧化催化器。氧化催化器主要作用是氧化尾氣中多余的柴油，將其出口溫度提升到有利于顆粒補集器再生的溫度范圍。同時，氧化催化器能夠將柴油機排放的部分一氧化氮轉化為二氧化氮，為顆粒補集器的被動再生創造條件。

顆粒補集系統實時監測顆粒補集量，當發現補集量超過規定的閾值時，會觸發再生請求。為了完成一次完整的顆粒補集器再生過程，首先需要通過調節柴油機每循環的新鮮空氣量或者增加近后噴的同時推遲主噴射這兩種方法的一種或者兩種，將氧化催化器的入口溫度提高到其活性溫度以上（通常是230℃），即再生第一階段。然后利用遠后噴或者碳氫噴嘴，往氧化催化器內噴射一定量的柴油，使得氧化催化器的出口溫度達到顆粒補集器能夠進行主動再生的溫度（通常是650℃），此為再生第二階段。再生過程中，將顆粒補集器載體溫度控制在適宜再生的溫度下（通常是650℃~800℃），直到補集的顆粒物剩余量低于一定程度，一次成功的主動再生才算完成，此為再生第三階段。

上述顆粒補集器的再生方法為現有文獻和專利中公認的方法，也是最有效的再生方法。

然而，上述方法存在以下幾個問題。首先在再生第一階段溫度調節過程中，調節每缸新鮮空氣量可能會導致車輛動力性的降低，增加近后噴后推遲主噴射會導致油耗增加的同時還是產生一定的扭矩波動。其次，每一次升溫都伴隨著油耗的升高，如果車輛再生頻率過高，很明顯車輛的經濟性不會理想。但是如果再生頻率不滿足要求，這就會導致每次進行主動再生時，顆粒補集器內補集的顆粒量已經累計到了相當多的程度，這就會使得在再生第三階段顆粒物燃燒時候過于劇烈，溫度超出允許的警戒溫度，尤其是再生過程中車輛從高轉速大負荷工況直接進入低轉速低負荷工況（怠速），這將使得顆粒補集器里面的燃燒溫度大幅上升，很有可能會對顆粒補集器的使用壽命造成影響，甚至直接將顆粒補集器載體燒熔。

因此，利用單一的主動再生方法并不能有效解決再生頻率和整車油耗的沖突。

為此，也有專利對優化再生方式做了一定研究。

中國專利CN1514906A和CN1289800C中公開了連續再生型柴油粒子過濾裝置的再生控制方法，兩篇專利所述方法類似。該方法把過濾器的堵塞狀態分為不少于3階段的堵塞階段進行判斷。當過濾器的堵塞狀態處于第一階段時，不進行再生模式；當過濾器的堵塞狀態處于第二階段時，僅當再生控制用的溫度指標超過預定的氧化觸媒活性溫度時，進行僅有后噴射的再生模式；當過濾器的堵塞狀態處于第三階段時，檢查再生控制用指標溫度，當指標溫度低于氧化觸媒活性溫度時，進行不包括后噴射的排氣升溫控制，當上述再生控制用溫度指標高于氧化觸媒活性溫度時，進行伴隨后噴射的再生控制模式。然而，利用該方法指導顆粒補集器的再生具有相當大的局限性。首先上述專利觸發優化再生的條件過于苛刻，必須要“僅當再生控制用的溫度指標超過預定的氧化觸媒活性溫度時，進行僅有后噴射的再生模式”，而車輛在運行過程中，很多時候相關的溫度指標并不能滿足上述優化再生的要求，這就限制了優化再生的利用率。其次，上述發明方法并沒有從安全角度考慮顆粒補集器的再生過程。有很多車輛在實際運行過程中，每次駕駛循環的工況或者運行時間都不能滿足一次完整的主動再生過程，這將導致顆粒補集器內部的顆粒物越積越多，最后影響到車輛的性能。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種柴油機顆粒補集系統的再生方法，能夠有效解決再生頻率和整車油耗之間的矛盾，同時兼顧了種種極端情況的發生，保證安裝有顆粒補集系統的柴油車輛在使用過程中能夠安全運行。

按照本發明提供的技術方案，所述柴油機顆粒補集系統的再生方法，該顆粒補集系統包括顆粒補集器和氧化催化器；所述顆粒補集器補集柴油機排放的顆粒量，當顆粒補集量百分比達到閾值時進行再生去除；其特征是：所述顆粒補集器的再生方式包括主動再生、自發熱再生和被動再生；當顆粒補集器的載體溫度和顆粒補集量百分比滿足相應閾值時，進行相應的再生方式。

進一步的，當顆粒補集量百分比達到主動再生的顆粒補集量百分比閾值時，觸發主動再生方式。

進一步的，當柴油機尾氣溫度達到自發熱再生的溫度閾值，同時顆粒補集量百分比達到自發熱再生的顆粒補集量百分比閾值，則觸發自發熱再生方式。

進一步的，所述自發熱再生的溫度閾值為小于或等于顆粒補集器載體持續進行主動再生的溫度下限值。

進一步的，當顆粒補集器的載體溫度達到被動再生的溫度閾值范圍，同時顆粒補集量百分比達到達到被動再生閾值，則觸發被動再生方式。

進一步的，所述被動再生溫度閾值范圍由顆粒補集器載體持續進行被動再生的溫度范圍確定；所述被動再生溫度閾值范圍的上限值大于或等于顆粒補集器載體持續進行被動再生的溫度上限值，被動再生溫度閾值范圍的下限值小于或等于顆粒補集器載體持續進行被動再生的溫度下限值。

進一步的，當顆粒補集量百分比超出警告閾值時，則觸發再生警示。

進一步的，當顆粒補集量百分比超過最大補集量百分比時，則進行手動再生。

本發明所述柴油機顆粒補集系統的再生方法，能夠有效解決再生頻率和整車油耗這對矛盾，同時兼顧了種種極端情況的發生，保證安裝有顆粒補集系統的柴油車輛在使用過程中能夠安全運行。

附圖說明

圖1是裝備有顆粒補集系統的柴油機后處理布置圖。

圖2是顆粒補集系統布置圖。

圖3是顆粒補集系統再生方式示意圖。

圖4是顆粒補集系統主動再生示意圖。

圖5是顆粒補集系統自發熱再生示意圖。

圖6是顆粒補集系統被動再生示意圖。

具體實施方式

下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。

如圖1所示，為裝備有顆粒補集系統的柴油機后處理裝置，是本發明所述柴油機顆粒補集系統的再生方法的典型運用結構圖。柴油機1在尾氣后處理系統上安裝有顆粒補集器2以及氧化催化器3。所述顆粒補集器2的主要作用是補集柴油機排放的顆粒量，當補集量達到一定程度以后，進行再生活動，將補集的顆粒物燃燒掉，如此反復使用，以降低顆粒排放物對大氣的污染。顆粒補集器2的再生方式有主動再生和被動再生兩種。主動再生是指顆粒補集器2里面的顆粒與氧氣發生氧化反應的過程，將補集的顆粒轉化為二氧化碳排放到大氣中。被動再生是顆粒和廢氣中的二氧化氮反應，將補集到的顆粒物轉化為二氧化碳和一氧化氮的過程。主動再生和被動再生對顆粒補集器2的載體溫度有嚴格要求。主動再生過程中，顆粒補集器2的載體溫度一般會控制在600~800℃之間。溫度太低，載體上的顆粒將不會被氧氣燃燒，溫度太高，則會降低載體的使用壽命或者直接將載體燒毀。被動再生過程中，顆粒補集器2的載體溫度在350℃左右，二氧化氮將會和補集的顆粒自發進行氧化反應。被動再生過程比較緩慢，但并不消耗燃油，如果車輛能夠長時間保持在被動再生合適的工況，那么顆粒補集器2的補集顆粒量能夠控制在一定程度下，大大降低由于再生引起的油耗惡化的情況。

所述氧化催化器3的主要作用是當入口溫度達到其活性溫度（一般是230℃）后，通過氧化尾氣中的柴油進一步提升尾氣溫度，以便顆粒補集器2能夠完成再生。同時氧化催化器3還能夠將柴油機排放的一氧化氮轉化為二氧化氮，為顆粒補集器2的被動再生創造條件。

顆粒補集器2的再生升溫開始階段，需要對柴油機每循環引入的新鮮空氣量進行調節。在進氣系統中，為了調節柴油機運行過程中所需要的進氣量，安裝有排氣節流閥5和帶冷卻系統的廢氣再循環系統（廢氣再循環系統包括EGR閥6）。新鮮空氣在進氣管道中，由可變增壓器4調節壓力后，通過節流閥5與冷卻后的廢氣混合進入柴油機1的燃燒室。

柴油機電控系統ECU7主要負責按照駕駛員的需求，控制柴油機1的進氣量、每循環噴射油量以及噴射正時，同時保證車輛在運行過程中的尾氣污染物排放量能夠在法規規定的范圍之內。同時，柴油機電控系統ECU7會實時監控顆粒補集器2的顆粒裝載狀態，當檢測到補集量和尾氣溫度滿足特定條件時，進行再生請求。此時柴油機電控系統ECU7通過調整柴油機1的氣路和油路，為顆粒補集器2的再生創造條件。當顆粒補集器2成功再生或者再生被迫中斷之后，柴油機電控系統ECU7將協調柴油機1的氣路和油路，進入傳統的非再生工作模式。

如圖2所示，為顆粒補集系統的示意圖。尾氣入口端安裝有氧化催化器3，其主要作用是配合柴油機電控系統ECU7的再生請求，當尾氣溫度達到氧化催化器3的活性溫度（一般是230℃左右）以上后，利用尾氣中殘余的柴油，對尾氣進行強制升溫，當尾氣溫度達到顆粒補集器2的再生允許溫度（一般是650℃左右）后，顆粒補集器2將會進入主動再生階段。

如圖2所示，顆粒補集系統的排氣管上安裝的第一溫度傳感器10作用是測量氧化催化器3入口溫度。當廢氣溫度低于氧化催化器的活性溫度時，如果此時往尾氣中噴射柴油，柴油將不會在氧化催化器3中氧化，反而會以“白煙”的形式直接排放到大氣中，形成更大的污染。因此，為了保證氧化催化器3能夠把尾氣溫度提升到再生溫度，氧化催化器3的入口溫度必須高于其活性溫度。將尾氣溫度提高到氧化催化器3的活性溫度采取的措施主要有兩種，一種是進氣調節，一種是噴油調節。進氣調節是指通過調節EGR閥6、排氣節流閥5和可變增壓器4來改變柴油機1每缸的新鮮空氣進氣量。噴油調節是指增加近后噴，在柴油燃燒結束前增加一部分燃油以增加柴油的燃燒時間，以此來提高尾氣的溫度，同時為了降低柴油機的扭矩輸出波動，在增加近后噴的同時需要推遲主噴射。上述兩種方法從節油的考慮優先選用進氣調節，但是進氣調節會影響柴油機的動力性，因此進氣調節到一定程度之后如果溫度仍然達不到要求則會采取噴油調節措施。再生過程中，將尾氣溫度提升到氧化催化器3活性溫度階段被稱為再生第一階段。

如圖2所示，顆粒補集系統的排氣管上安裝的第二溫度傳感器11作用是測量氧化催化器3出口溫度。顆粒補集器主動再生第一階段結束之后，氧化催化器3的入口溫度已經提升到活性溫度以上了，此時需往尾氣中噴射額外的柴油，柴油在氧化催化器3中進行氧化放熱反應，使氧化催化器3的出口溫度進一步提升到顆粒補集器2的再生溫度（一般是650℃左右）。有兩種方式可以實現往尾氣中噴射額外的柴油，一種是在氣缸內以遠后噴的方式，在活塞的排氣行程將未燃的柴油排放到尾氣管中，另一種是在排氣管路上安裝碳氫噴嘴，在需要的時刻直接往排氣管中噴射所需的柴油。再生過程中，將氧化催化器3的出口溫度提升到顆粒補集器2再生溫度的階段被稱為再生第二階段。

如圖2所示，顆粒補集系統的排氣管上安裝的第三溫度傳感器8作用是測量顆粒補集器2的出口溫度。再生過程中，如果顆粒補集器2的內部溫度超過一定范圍以后，顆粒補集器2的載體將會發生由于溫度過高而降低其使用壽命的情況，或者直接燒熔破損。因此，再生過程中，必須嚴格控制顆粒補集器2的載體溫度在合適的溫度范圍內。第三溫度傳感器8的采樣溫度是用來估算顆粒補集器2載體內部溫度的重要條件，或者直接作為顆粒補集器2載體內部的替代溫度。再生過程中，顆粒補集器2內補集的顆粒物燃燒的過程被稱為再生第三階段。

如圖2所示，顆粒補集系統的排氣管上安裝的壓差傳感器9作用是采集顆粒補集器2的前后壓差。在大多數工況下，柴油機電控系統ECU7根據采樣得到的壓差信號作為估算顆粒補集器2的顆粒補集量的重要依據。

如圖3所示，為顆粒補集系統的再生方式示意圖。橫坐標為顆粒補集器2的補集量百分比，最大范圍120%是為了留有一定余量；縱坐標為顆粒補集器2的載體溫度（即顆粒補集器2的再生溫度）。這兩個量是確定顆粒補集器2再生請求和再生持續的最重要的指標。顆粒補集器2的顆粒補集量百分比和再生溫度將控制區域分為：A區域（主動再生區域）、B區域（自發熱再生區域）、C區域（被動再生區域）、D區域（警告再生區域）、E區域（故障區域）五大部分。A區域為主動再生區域，為傳統模式下最常用的再生方式。B區域為自發熱再生區域，當尾氣溫度自發達到或接近顆粒補集器2的熱再生溫度時，顆粒補集器2將會自動進入熱再生階段。C區域為被動再生區域，顆粒補集器2的載體溫度滿足被動再生條件時，顆粒將被二氧化氮氧化，進行被動再生過程。D區域為警告再生區域，當車輛長時間不滿足再生條件，而顆粒補集器2的補集量已經到了臨界警告閾值時，將會觸發再生警示，提醒駕駛員配合顆粒補集器2進行主動再生過程。E區域為故障區域，當顆粒補集器2的補集量超過100%以后，則認為對車輛的性能有了較大程度的損壞，將進入跛足維修的狀態，直至顆粒補集器2在專業維修人員的操作下，進行完整的手動再生。

下面對上述五個再生區域的劃分原理和優勢進行詳細說明。

如圖4所示，為A區域主動再生過程的示意圖。上半部分為顆粒補集器2的載體溫度示意圖，Ta0為氧化催化器3載體活性溫度閾值，Ta1為顆粒補集器2主動再生溫度閾值。下半部分為顆粒補集器2補集量百分比示意圖。Xa為顆粒補集器2的補集量觸發主動再生的閾值。車輛在運行過程中，顆粒補集器2對柴油機排放的顆粒進行補集，即a0階段。當柴油機電控系統ECU7檢測到顆粒補集器2的補集量已經到達再生閾值Xa時，會觸發再生請求，將柴油機1的工作模式切換為再生模式。為了給顆粒補集器2創造再生條件，在再生第一階段即a1階段，柴油機電控系統ECU7通過調節每缸新鮮空氣的進氣量或者增加近后噴的同時推遲主噴射這兩種措施的一種或者兩種，將氧化催化器3的入口溫度提升到氧化催化器3的活性溫度Ta0范圍內。調節過后，當氧化催化器3的入口溫度滿足要求之后，顆粒補集器2的再生過程將進入再生第二階段。再生第二階段即a2階段，氧化催化器3與尾氣中剩余的柴油反應，繼續提升尾氣溫度，直到顆粒補集器2的載體溫度達到顆粒的燃燒溫度（顆粒補集器2主動再生溫度閾值Ta1）。尾氣中剩余的柴油可以通過遠后噴方式或者在排氣管上安裝碳氫噴嘴的方式獲取。在主動再生第三階段即a3階段，此時顆粒補集器2補集的顆粒物與氧氣發生劇烈的氧化反應，顆粒的補集量快速減少，直到再生完成進入下一次補集周期。

主動再生方式為傳統顆粒補集器2的再生方式中最常用的一種再生方法。在a1階段需要調節進氣量或者增加近后噴的同時推遲主噴射，會對車輛的動力性和油耗產生一定的影響。在a2階段需要增加遠后噴或者碳氫噴嘴噴射柴油的方式，對顆粒補集器2進行大幅升溫過程，這對油耗也有較大影響。在再生過程的a3階段，為了保持顆粒補集器2的載體溫度能夠在一定范圍內工作，需要持續對尾氣中噴射柴油，也會增加一定的油耗。顆粒補集量百分比閾值Xa的標定也大有講究，如果Xa選擇過小，將會使得顆粒補集器2的再生頻率過高，導致整車油耗大大增加；如果Xa選擇過大，則會使得再生過程中載體最大溫度難以控制，增加溫度超高后損壞載體的風險。因此，為了平衡再生過程中油耗和再生頻率之間的矛盾，本發明提出了增加兩種優化的再生方式，即B區域的自發熱再生和C區域的被動再生方式。優化后的顆粒補集器2的再生控制方法能夠在降低再生油耗的前提下，控制主動再生的頻率。

如圖5所示，為B區域自發熱再生的示意圖。上半部分為顆粒補集器2載體溫度曲線，Tb1為顆粒補集器2載體主動再生適宜溫度（一般是650℃）。Tb0為接近Tb1的溫度曲線（接近650℃或達到650℃，一般為600～650℃，根據載體能夠進行進行主動再生的溫度確定），Tb0作為觸發自發熱再生的溫度閾值。下半部分為顆粒補集器2補集量百分比示意曲線，Xb為觸發自發熱再生的顆粒補集量百分比閾值。某些車輛如果經常運行于高速高負荷工況下，那么柴油機的尾氣排溫勢必會比較高，甚至可能會出現不采取任何升溫措施，顆粒補集器2的載體溫度就已經達到了熱再生的溫度情況，此時補集的顆粒將會自動被氧氣氧化，減少顆粒補集器的負載量。這種情況是最理想的情況，但實際車輛運行過程中，經常會出現顆粒補集器2載體溫度雖然比較高，但是達不到熱再生的情況，此時，如果顆粒補集量已經超過一定程度，僅需要對氧化催化器3少量噴油，就能夠使得顆粒補集器2的載體溫度滿足熱再生的條件，從而自發的進行再生動作。

對于經常跑高速高負荷的車輛，顆粒補集器2的載體溫度很容易就達到了標定閾值Tb0，如圖5所示b0階段，但此時的顆粒補集量百分比還沒有滿足自發熱再生的要求，因此沒有觸發自發熱再生的請求。直到顆粒補集器2的載體溫度和補集量百分比都滿足了標定閾值時，即b1階段，此時僅需要通過少量噴油，就能夠將顆粒補集器2的載體溫度提升到熱再生適宜溫度，進行熱再生動作，即圖5所示b2階段。因此，增加少量后噴或者碳氫噴嘴噴射少量柴油就能夠將顆粒補集器2帶入熱再生狀態。相比于區域A的主動再生過程來講，區域B的自發熱再生過程不需要經歷主動再生第一階段，這就使得保證顆粒補集器2能夠進行熱再生的前提下，減少了油耗，同時也不會產生車輛動力性的損失和扭矩的波動。圖5所示b3階段為顆粒補集器2的熱再生過程。

如圖6所示，為C區域被動再生的示意圖。上半部分為顆粒補集器2載體溫度曲線。Tc1為顆粒補集器2載體被動再生合適的溫度（一般是300～350℃）。Tc0和Tc2為觸發被動再生的溫度范圍（根據顆粒補集器載體被動再生的合適溫度進行確定，具體如，當顆粒補集器載體被動再生的合適溫度為300～350℃，一般觸發被動再生的溫度范圍可以設置為270～370℃）。下半部分為顆粒補集器2的補集量百分比示意曲線。車輛在運行過程中，由于工況的變化，顆粒補集器2的載體溫度偶爾會達到或接近被動再生的溫度Tc1，此時如果對發動機運行模式做微量調整，將會大大持續顆粒補集器2在被動再生溫度范圍的持續時間，這就使得被補集的顆粒能夠和尾氣中的二氧化氮進行氧化反應，除去顆粒補集器2中顆粒物的積累。

當車輛運行過程中，柴油機電控系統ECU7檢測到顆粒補集器2的載體溫度接近被動再生合適溫度范圍附近時，即Tc0到Tc2之間，而此時的顆粒補集量也達到了再生觸發請求閾值Xc，即圖6所示c0階段。此時，僅需要對柴油機工作模式做微量調整，就能夠使得顆粒補集器2的載體溫度維持在被動再生所需要的溫度。在被動再生持續過程中，顆粒補集量持續減少，如圖6所示c1階段。由于被動再生并不需要柴油的介入，因此在除去顆粒物的同時，對油耗并沒有額外的要求，所以能夠降低整車的燃油消耗。

區域D為警告再生區域，作為上述三種再生方式的補充。有些車輛在實際使用過程中，很難滿足再生第一階段的溫度需求，或者說每次駕駛循環持續時間非常短，根本不能夠進行一次完整的再生過程。這就導致顆粒排放物在顆粒補集器2里面越積越多，如果不采取額外的警示措施，最終將導致車輛性能的下降甚至完全損壞。因此，當顆粒補集器2的顆粒補集量百分比超過一定閾值之后，比方說90%，此時應該用警示燈的方式提醒駕駛員顆粒補集器2需要立刻進行再生。駕駛員收到警示之后，為顆粒補集器2創造再生條件，保證顆粒補集系統和車輛系統正常運行。

然而存在一種極端的情況，當柴油機電控系統ECU7發出了顆粒補集器2的再生警告之后，駕駛員并沒有采取相應措施保證后處理系統完成一次主動再生，這就將導致顆粒補集器2的補集量百分比持續增大，直到超過允許規定的最大補集量百分比，通常是100%。這個時候如果再自動執行主動再生，顆粒補集器2的載體最大溫度有可能會超過允許的極限溫度，因此只能由專業維修人員進行手動再生過程。故障區域E就是為了滿足上述極端情況而設定的。當顆粒補集器2的顆粒補集量百分比達到故障區域E內時，此時對車輛運行將執行跛足維修功能，柴油機運行的最大扭矩和最大轉速都將會被限制，強制駕駛員到專業維修部門進行后處理系統的維修。

上述5個區域以A區域主動再生為主，B區域自發熱再生和C區域的被動再生為輔，D區域警告再生和E區域的故障區域為保障，構成了完整的顆粒補集器2再生控制方法。