微粒过滤器再生时优化车辆中排气温度控制的设备和方法

摘要

本发明涉及一种微粒过滤器再生时优化车辆中排气温度控制的设备和方法。该方法在具有氧化催化剂(OC)和选择性催化还原催化剂(SCR)的车辆内在微粒过滤器(PF)再生期间控制来自车辆发动机的排气温度。该方法保证最终OC温度不超过目标OC出口温度和标定的最大OC出口温度中的最大值。一种用于控制排气温度的设备，包括用于测量排气系统内的温度的传感器和具有算法、OC温度查询表和PF温度查询表的控制器。算法使用查询表和补偿SCR的热质量的延迟误差值来计算目标OC出口温度。在PF再生期间，将实际OC出口温度限制为目标OC出口温度和标定的最大OC出口温度中的较低者。

权利要求

1.一种用于在具有氧化催化剂、选择性催化还原催化剂和微粒过滤器的车辆内在微粒过滤器再生期间控制来自车辆发动机的排气的温度的方法，所述方法包括：调节排气内的碳氢化合物的浓度，从而达到第一温度设定点；

确定对应于微粒过滤器入口温度的第二温度设定点；

将第二温度设定点从测量到的微粒过滤器入口温度中减去，从而计算出误差项；

将误差项与第一温度设定点相加，从而确定目标氧化催化剂出口温度；和在微粒过滤器再生期间执行控制动作，从而保证最终氧化催化剂温度不超过目标氧化催化剂出口温度和标定最大氧化催化剂出口温度中的最大值。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括利用氧化催化剂出口温度确定第一温度设定点。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在将误差项与第一温度设定点相加前将该误差项滤波。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括在计算误差项前引入足以补偿选择性催化还原催化剂的已知热质量的标定时间延迟。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定第一和第二温度设定点包括从相应的查询表选择第一和第二温度设定点中的每个，所述查询表中的每个由发动机的多个预定运行值索引。

6.根据权利要求5所述的方法，其中发动机的多个预定运行值包括：节气门位置、加速器踏板位置、燃料供给量、请求的发动机转矩和发动机速度。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将测量到的微粒过滤器入口温度与可允许的微粒过滤器入口温度的标定范围进行比较；

仅当测量到的微粒过滤器入口温度处于可允许的微粒过滤器入口温度的标定范围内时，将误差项与第一温度设定点相加；和仅当测量值不在可允许的微粒过滤器入口温度的标定范围内时，使用标定的最大氧化催化剂温度作为目标氧化催化剂温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中执行控制动作包括控制在微粒过滤器再生期间由氧化催化剂燃烧的燃料的量。

9.一种用于在具有氧化催化剂、选择性催化还原催化剂和微粒过滤器的车辆内在微粒过滤器再生期间控制来自车辆发动机的排气的温度的方法，所述方法包括：从第一查询表选择第一温度设定点，所述第一温度设定点对应于氧化催化剂出口温度；

从第二查询表选择第二温度设定点，所述第二温度设定点对应于微粒过滤器入口温度；

测量实际微粒过滤器入口温度；

将第二温度设定点从实际微粒过滤器入口温度中减去以计算出误差项；

将误差项滤波，从而补偿选择性催化还原催化剂的已知热质量；

将误差项与第一温度设定点相加，以确定目标氧化催化剂出口温度；和在微粒过滤器再生期间控制实际氧化催化剂出口温度，使得实际氧化催化剂出口温度不超过目标氧化催化剂出口温度和标定最大氧化催化剂出口温度中的最大值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将误差项滤波包括如下之一：将误差项通过一阶滤波器，和计算多个误差项的移动平均。

11.根据权利要求9所述的方法，其中计算第一和第二目标氧化催化剂出口温度包括：测量从包括如下项的组中选择的至少一个值：节气门位置、加速器踏板位置、燃料供给量和请求的发动机转矩；

测量发动机的速度；和

从由该至少一个值和发动机速度索引的查询表选择标定的氧化催化剂温度。

12.一种用于在微粒过滤器再生期间控制车辆发动机的排气系统内的排气温度的设备，所述排气系统具有氧化催化剂、选择性催化还原催化剂和微粒过滤器，所述设备包括：多个传感器，所述传感器每个可运行以测量排气系统的不同部分内的温度；和控制器，所述控制器具有算法、氧化催化剂出口温度查询表和微粒过滤器入口温度查询表，所述查询表中的每个由多个发动机运行值索引；

其中所述算法适合于使用来自每个查询表的数据计算目标氧化催化剂出口温度，所述目标氧化催化剂出口温度补偿选择性催化还原催化剂的热质量；和其中所述算法将在微粒过滤器再生期间的实际氧化催化剂出口温度限制为目标氧化催化剂出口温度和标定的最大氧化催化剂出口温度中的较低者。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述算法计算从微粒过滤器查询表选择的温度设定点和测量到的微粒过滤器入口温度之间的算术差，并将所述差与从氧化催化剂查询表选择的另一个温度设定点相加，从而确定目标氧化催化剂出口温度的值。

14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于包括与燃料供给和控制器连通的燃料喷射器；

其中控制器可运行以用于计算生成目标氧化催化剂出口温度和标定的最大氧化催化剂出口温度中的较低者所需的燃料量，并用于指令将计算出的燃料量输送到燃料喷射器。

说明书

微粒过滤器再生时优化车辆中排气温度控制的设备和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及在微粒过滤器再生期间控制车辆中排气温度的系统和方法。背景技术[0002] 在由现有技术中公知类型的内燃发动机提供动力的车辆中，可将微粒过滤器定位在车辆排气系统内以在微粒物能够排放到大气中之前去除微粒。这样的微粒过滤器在捕获和保持微小的炭烟微粒、灰微粒、硫酸盐微粒、金属微粒和/或通常作为燃料燃烧过程的副产物而生成的任何其他微粒物的方面相对有效。虽然柴油机最普遍地使用这样的过滤器，即广泛地公知为柴油机微粒过滤器或DPF的过滤器，但例如直接喷射即DI发动机的某些汽油发动机设计也可利用类似的微粒过滤器。高效的微粒过滤器，无论燃料类型为何，在暴露于大量微粒时会相对快速地堵塞，从而产生微粒过滤器两侧的升高的压力差。为减轻压力差，可根据预定的维护周期更换微粒过滤器，或更普遍地可使微粒过滤器再生以延长过滤器的寿命。

[0003] 微粒过滤器，下文中为简单起见简称为PF，能够通过使用催化剂燃烧或氧化所积蓄的微粒物而被再生。再生过程在PF内的温度升高到大致450摄氏度(℃)的阈值以上时发生。在PF再生期间，使排气温度或排气流的温度升高到此阈值水平，以便于促进再生过程。实现这样的温度升高的一个方法是通过利用氧化催化剂(OC)并结合在PF上游的排气流内加入的增加的碳氢化合物来实现。

[0004] 在OC自身内，化学过程将增加的碳氢化合物分解为相对惰性的副产物或化合物。例如，典型的OC可使用钯或各种铂催化剂，以通过简单的氧化过程降低碳氢化合物的水平。此过程本质上是放热过程，这导致升高的排气温度。可在OC的出口处使用温度传感器，且出口温度的控制可通过调整引入到排气流内的碳氢化合物的量或水平来实现。当通向PF的入口恰好位于OC出口下游时，此温度控制方法一般是足够的。然而，在某些情形中，相同的温度控制方法可能不太理想，例如当相对大量的热质量存在于OC出口和PF入口之间时。

发明内容

[0005] 因此，提供了一种用于优化车辆发动机的排气或排气流的温度控制的方法和设备。该设备在微粒过滤器(PF)再生期间控制排气系统内的排气的温度。该设备包括PF自身、氧化催化剂(OC)和位于排气流内OC和PF之间的选择性催化还原催化剂或称SCR。SCR提供以上所述的相对大的热质量。可使用OC选择地使PF再生，而SCR适合于将氮氧化物或NOx气体转化为相对惰性或无害的副产物。使用本发明的方法和系统，任何温度超调或振荡的发生和/或严重性被最小化。类似地，任何后处理硬件，即在PF下游捕获和/或处理其他气体或副产物的硬件或其它装置，充分地免受这样的温度超调。

[0006] 排气系统还包括控制器和多个传感器，每个传感器适合于测量排气系统的不同区域或部分内的温度，包括OC下游和PF上游的温度。控制器包括算法，且也可包括OC温度和PF温度查询表，以确定如下所述的一对温度设定点。如果不使用查询表，则设备可替代地利用一条或多条曲线和/或标量标定函数或其他合适的函数。执行算法从而使用从查询表获取的或替代地从可替代曲线和/或函数获取的数据来计算目标OC出口温度。在PF再生期间，算法将实际OC出口温度限制为计算出的目标OC出口温度和标定的最大OC出口温度中的较低者。

[0007] 两个反馈控制回路用于控制PF入口的温度。初级回路控制变量是OC的出口温度。此特定的回路通过改变碳氢化合物在排气中的浓度，例如通过使用缸内装置、外部碳氢化合物配量装置或其他合适的方法，将OC的出口温度控制为预定的或标定的第一温度“设定点”。次级控制回路利用定位在SCR的出口处或替代地在PF入口处的另外的温度传感器。次级控制回路利用第二温度设定点，可将该第二温度设定点从测量到的PF入口温度中减去，从而计算出误差值或误差项。在将误差项与第一温度设定点相加前可以任何增加系统稳定性的方式对该误差项进行滤波或处理。从而优化了在PF入口处的温度控制，同时防止了温度超调。

[0008] 在使用本发明的方法和系统时，确定两个希望的或标定的温度设定点：对于OC出口温度的第一温度设定点，和对于PF入口温度的第二温度设定点。首先通过第一温度设定点控制排气温度并允许其稳定，例如但不限制于等待预定的时间间隔过去，或等待定时器到时。一旦排气温度稳定，则计算测量到的PF入口温度与其标定温度设定点之间的算术差。可按照需要对在后文中称为误差项的此值进行滤波以增加系统稳定性，并且然后将此值加回到OC出口温度设定点，即第一温度设定点。因此，可间接地调整碳氢化合物在排气流中的浓度，以控制PF内的温度。

[0009] 本发明的以上的特征和优点以及其他特征和优点从下面对实施本发明的最佳方式详细描述中结合附图显见。附图说明

[0010] 图1是具有发动机和通过本发明的设备和方法可控制的排气系统的车辆的示意性图示；

[0011] 图2是描述图1的车辆内的氧化催化剂(OC)和微粒过滤器(PF)之间的示例性温度关系的图示或代表性曲线组；和

[0012] 图3是根据本发明的方法的信息流或控制次序的示意性图示。具体实施方式[0013] 参考附图，其中在所有数个附图中类似的附图标号表示类似的部件，且从图1开始，车辆10包括发动机(E)12和变速器(T)14。发动机12构造为常规的内燃发动机，因此可运行以燃烧从油槽或油箱24抽取的燃料25供给。燃料25可以是柴油或汽油，这取决于发动机12的构造。发动机12具有调速器或节气门70，所述调速器或节气门70取决于节气门70的位置可操作以按照需要允许预定量或百分比的燃料25和空气(箭头A1)进入到发动机12内，如本领域的普通技术人员将理解的那样。燃料25的燃烧生成排气(箭头B)，该排气随后通过排气歧管或排气管47排放到排气系统11内。由燃料25的燃烧释放的能量在变速器14的输入构件13上产生旋转力或转矩。变速器14转而将来自发动机12的转矩传递到输出构件15以通过一组驱动轮18推进车辆10。

[0014] 系统11将燃料25燃烧期间所生成的排气(箭头B)进行清洁和调整，且系统11包括氧化催化剂(OC)33、选择性催化还原催化剂(SCR)43和微粒过滤器(PF)40，如在下文中描述的。在本文中使用时，术语“清洁”指从排气(箭头B)中去除任何悬浮的微粒气溶胶或物质，因此系统11构造成引导排气通过或为排气(箭头B)设计路径使之通过PF 40。PF 40可构造为陶瓷泡沫材料、金属网、颗粒状氧化铝或任何其他合适的材料或各材料的组合。还可按照需要使用适合于从排气(箭头B)捕获和/或去除其他化合物的可选后处理硬件(ATH)29来清洁排气(箭头B)。

[0015] 在本文中使用时，术语“调整”也指在系统11内的多个位置处对排气(箭头B)温度的控制和/或调节。为此目的，PF 40连接到OC 33或与OC 33整体地形成，其中OC 33与外部燃料喷射器装置或外部喷射器71连通，该外部燃料喷射器装置或外部喷射器71用于按照需要将可控量的燃料25输送到OC 33。在OC 33内，燃烧燃料25以生成用于使PF40再生的足够水平的热。

[0016] 即，OC 33在存在排气(箭头B)的受控温度的情况下起作用，以氧化、燃烧或以其它方式去除引入到排气流或流动中的任何碳氢化合物。这为PF 40中提供了用于将OC 33下游的PF 40所捕获的任何微粒物氧化的足够的温度水平。PF 40因此被保持为相对地无潜在的阻塞性微粒物，所述阻塞性微粒物否则将影响车辆10的性能。

[0017] 常规的SCR 43定位在OC 33和PF 40之间。SCR 43是现有技术中已知类型的选择性催化还原装置或单元，它可运行以使用活性催化剂将氮氧化物或NOx气体转化为作为副产物的水和氮气。SCR 43可以构造为陶瓷砖或陶瓷蜂窝结构、板结构或任何其他合适的设计。

[0018] 无论SCR 43的具体构造或结构如何，SCR 43是定位在系统11内OC 33和PF 40之间的相对大的热质量。因此，为补偿SCR 43的已知热质量，引入标定的时间延迟或延迟的温度响应，因为排气缓慢地加热SCR43。使用通向PF 40的入口温度作为主要反馈变量来以常规方式控制系统11内的排气温度实质上增加OC 33和SCR 43内的温度超调的发生。为最小化这种超调的发生，系统11因此包括具有温度优化算法或方法100的电子控制单元或控制器20。系统11可以包括一对图或查询表19A、19B，这将在下文中参考图2和图3描述。作为图1的查询表19A、19B的替代，系统11可以按照需要替代地包括一条或多条曲线(未示出)和/或标量标定函数或其他合适的函数，也如在下文中描述的。

[0019] 控制器20可构造为通用数字计算机或比例-积分-微分(PID)控制器装置，所述装置通常包括微处理器或中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数(A/D)转换电路和/或数模(D/A)转换电路，和任何输入/输出电路或装置，以及任何合适的信号调整和缓冲电路。方法100和任何所需基准标定被存储在控制器20内的ROM中，且容易地被执行以提供如下参考图2和图3描述的各功能。

[0020] 控制器20接收来自定位在系统11内不同位置处的多个温度传感器21A至21D的输入信号，包括恰好在OC 33下游的传感器21B和恰好在PF 40上游的传感器21C，传感器21A至21D可运行以检测、测量或以其它方式确定系统11内不同位置或地点处的排气(箭头B)的温度。

[0021] 具体地，传感器21A定位成靠近发动机或OC 33的入口侧，且测量或检测通向OC33内的入口温度。此温度在后文中为简化起见缩写为TOC_IN。传感器21B检测来自OC 33的出口温度，此温度在后文中为简化起见缩写为TOC_OUT。传感器21C检测通向PF 40的入口温度，此温度在后文中为简化起见缩写为TPF_IN。最后，传感器21D检测来自PF 40的出口温度，此温度在后文中为简化起见缩写为TPF_OUT。这些温度信号每个从传感器21A至21D被传送或传递到控制器20，用于被图3的方法100使用。控制器20也与发动机12通信，以接收确定发动机12的运行点的另外的信号，例如：节气门位置、水平或百分比(Th％)、发动机速度(N)、加速器踏板位置、燃料供给量、请求的发动机转矩等。

[0022] 现在参考图2，代表性曲线组60大体上描述了图1中示出的车辆10的OC 33和PF40之间的示例性温度关系。Y轴包括预定值或标定值，包括但不必限制于：OC 33内标定的最高温度水平，表示为线80或TOC，MAX；OC 33的希望温度或目标温度，表示为线79或TOC，T；
和PF 40的希望温度或目标温度，表示为线78或TPF，T。

[0023] 图2中的X轴表示时间，缩写为(t)。曲线74表示PF 40的实际的或测量到的入口温度，即TPF_IN，如通过图1中的传感器21C确定或测量的。曲线72表示OC 33的出口温度，即TOC_OUT，如通过图1中的传感器21B确定或测量的。为将PF 40的入口温度，即TPF_IN从曲线74的点90-即从曲线74最初的平台处-升高到点91，就是说升高到由线78表示的标定值的水平，即TPF，T，图3的方法100包括补偿SCR 43的已知热质量，从而将曲线74-即图1的OC 33的受控出口温度或TOC，OUT-控制在大体上由阴影区75表示的范围内，该范围上至由线80表示的标定上限或最大值或TOC，MAX。

[0024] 参考图3以及图1中的车辆10，方法100开始于步骤102，该步骤102包括步骤102A、102B和102C中的每个。在步骤102处，测量、检测、计算或以其它方式确定车辆10的一组预定运行值，并将该组预定运行值临时地存储在控制器20内。这样的值可在车辆
10内的不同位置处测量，例如通过在步骤102A处测量燃料量或节气门70的节气门百分比(Th％)且在步骤102B处测量发动机12的速度(N)。在步骤102C处，可根据希望的相关值的相应阵列位置选择标定整数值(CAL#)，如将在步骤104处描述的。通常，在步骤102C处选择已知对应于PF 40的入口温度的整数，但在本发明的范围内也可以选择其他温度值且因此其他相应的阵列位置。方法100然后前进到步骤104，该步骤104包括步骤104A至步骤104C中的每个。

[0025] 在步骤104处，方法100包括为OC出口温度和PF入口温度中的每个选择相应的预定值或标定值或设定点。步骤104可通过多种方式完成，例如通过访问例如图1的查询表19A、19B的称为阵列的查询表，通过使用如上所述的多种函数计算，和/或通过其他合适的方式。例如，在步骤104A处，将在步骤102A处确定的节气门值(Th％)和在步骤102B处确定的发动机速度(N)用作对应于OC 33的第一图或查询表19A的输入，并将作为结果的值传递到步骤112。在步骤104B处，将分别来自步骤102A和102B的值输入到对应于PF 40的第二图或查询表19B中，并将作为结果的值传递到步骤106。最后，在步骤104C处，将来自步骤102C的标定值(CAL#)输入到阵列中，并将对于PF 40和OC 33之一的入口或出口的相应测量温度值传递到步骤106和107。方法100然后前进到步骤106、107和112。

[0026] 在步骤106处，将在步骤104C处通过阵列确定的测量值从在步骤104B处从PF图确定的值中减去，以确定误差值或误差项，然后将该误差项送到或前馈到步骤108。例如，可如上所述为OC出口温度选择第一温度设定点，而可为PF入口温度选择第二温度设定点。例如通过允许定时器到时或经过预定的时间间隔而使排气流温度稳定后，可计算出测量到的PF入口温度与其标定的第二温度设定点之间的算术差作为误差项。方法100然后前进到步骤108。

[0027] 在步骤107处，将在步骤104C处从阵列选择的值与可允许的最大值/最小值的标定范围或集进行比较，以确定选择的值是否落入范围的上限和下限-即[Range U，Range L]-之内。如果来自步骤104C的值小于范围上限值(Range U)且大于范围下限值(Range L)，则方法100包括启动定时器以允许经过预定的时间间隔。步骤107提供补偿SCR 43的相对大的热质量(见图1)的温度效应的足够缓冲。

[0028] 替代地，可SCR 43的热质量看作排气流的函数，对于不同的发动机运行点使用不同的“等待”时间。类似地，查询表19A、19B包括说明或补偿穿过SCR 43的任何预期的温度下降的数据。在步骤107处，在定时器到时后或任何其他可替代的热质量补偿步骤已结束后，将激活信号或开关信号(箭头S)送到或前馈到步骤110。

[0029] 在步骤108处，将来自步骤106的误差项滤波以取误差值的移动平均，以便不非必要地响应于大的但瞬时的误差值。步骤108可包括但不限制于使误差项通过一阶滤波器，从而计算误差项的移动平均等。这样，可进一步优化系统稳定性。然后将滤波后的误差项值前馈到步骤110。

[0030] 在步骤110处，将为零的常数值连续地送到或前馈到步骤112，直至接收到来自步骤107的开关信号(箭头S)。当接收到开关信号(箭头S)时，将在步骤108处确定的误差项送到或前馈到步骤112。

[0031] 在步骤112处，将从如上所述的OC图或查询表选择的、来自步骤104A的值与从步骤110前馈的误差项相加。然后将对应于OC 33的目标出口温度或TOC，T(见图2的线79)的总值前馈到步骤114。

[0032] 在步骤114处，将OC 33的目标出口温度或TOC，T与对应于图2的线80的OC 33的标定最大值或TOC，MAX进行比较。方法100然后包括将值TOC，T与TOC，MAX中的最小值前馈。在图2中表示为曲线74的此值是OC33的最终温度，在图3中表示为TOC，F。然后将此值送到控制器20的合适部分，或送到控制图1中被引到外部喷射器71或通过缸内喷射器(未示出)的燃料25的百分比的另一个控制装置。

[0033] 一个一般的例子表示为，其中标定的最大OC温度或TOC，MAX等于700℃且来自步骤104A的第一温度设定点等于650℃的情况。在步骤102处等于2的示例性阵列值可对应于步骤104处阵列内测量到的PF入口温度。此值在下文中缩写为TPF_IN，为了本例子的目的等于650℃。然后可在步骤104B处将PF入口温度的希望的或标定的第二温度设定点选择为或确定为648℃。在此例子中，然后步骤106会生成如下值：(TPF_IN-设定点2)或(650℃-648℃)＝2℃。因此，2℃成为从步骤106前馈的误差项。

[0034] 当步骤104C处确定的温度测量值-在此为650℃-在步骤107处落入预定的范围[Range U，Range L]内时，在被加到步骤104A处确定的第一温度设定点—在此特定例子中为650℃—之前，2℃的误差值可通过一阶滤波器或其他合适的滤波器在步骤108处进行滤波并在步骤110处通过开关或逻辑门。将输出值，就是说(650℃+2℃)＝652℃，设定为目标OC出口温度或TOC，T，然后将其与标定最大值例如700℃进行比较。然后将这两个值中的最小值即652℃作为TOC，F(见图2的线72)前馈到控制器20。如本领域的普通技术人员将理解的，值TOC，F可被控制器20用来计算、查询或以其它方式确定通过外部喷射器71或缸内喷射器(未示出)喷射以在OC 33内燃烧所需的燃料25的合适体积流量或质量流量，以实现最终温度TOC，F。

[0035] 虽然用于实施本发明的最佳方式已作详细描述，但熟悉本发明所涉及领域的人员将认识到在所附权利要求范围内实施本发明的各种可替代设计和实施例。