一种柴油机微粒捕集器微波再生系统控制策略及其装置

摘要

本发明公开了一种微粒捕集器微波再生系统控制策略及其装置。控制策略包含MAP图更新、再生时机判断、实时诊断、再生终止判断四大功能模块。其装置包括ECU、微波发生装置、二次空气补给器、显示器、传感器等。本发明的目的在于考虑不可燃烧灰烬的累积，精确控制再生开始、再生结束以及再生过程，防止因再生时机判断失误致使微粒捕集器再生过程失控的问题，对提高微粒捕集器的使用寿命，降低再生装置能耗都有很大的积极作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微粒捕集器微波再生系统控制策略及其相关装置。 

背景技术

微粒捕集器作为公认的最有效率与应用前景的柴油机微粒后处理装置，最重要的一项技术要求就是精确控制其再生过程。所谓微粒捕集器的再生就是利用自身排气热量或者外加能量点燃沉积在过滤体中的碳烟，使微粒捕集器恢复正常工作状态。通常以微粒捕集器两端的压差超过限定值与否作为再生开始判断依据，也有以过滤体内的微粒沉积量超过限定值与否作为再生开始判断依据。由于标定背压值随工况关系MAP图是一项工作量巨大且存在一定误差的工作，而且实验中不易控制微粒捕集器始终处于洁净状态，因此本发明中的再生终止判断MAP图，及其考虑不可燃烧灰烬更新后的MAP图都是由数学模型计算得来，现有研究表明，背压数学模型的精度达到了实际应用精度。另外再生判断MAP图由发动机台架试验标定得来。 

现有的技术条件下，过滤体的使用寿命成为限制微粒捕集器普及的重要原因之一。影响微粒捕集器的使用寿命主要有以下几个方面：首先再生过程中实时温度与温度上升速率超过过滤体的限定值，都容易使过滤体烧裂或者过滤孔塌陷失去捕集效用。因此有必要实时监控再生过程中过滤体的温度变化，当温度峰值与温度上升速率超过限定值时采取相应措施。 

排气管中交变的气流冲蚀，排气温度快速变化引发的热应力都会加剧过滤体的损伤。因此对于主动再生方式而言，选取合适的再生工况很重要。 

当微粒捕集器达到再生效果后，需要快速关闭外部再生装置，否则无 谓的加热会增加过滤体的热负荷，同时对于本发明而言，容易造成微波泄漏。相关实验研究表明，微粒捕集器两端轻微的背压上升对发动机性能影响可以忽略不计，因此适当的提前结束再生对发动机正常工作影响不大。当然终止再生的时机需要恰当，结束太早，达不到再生效果，反之会加重过滤体的热负荷同时增大外部再生装置能耗。 

对于上述影响微粒捕集器使用寿命问题，使用微波再生方式可以得到很好的改善。微波加热利用了沉积微粒对微波能量的选择吸收性，使得微波对过滤体本身的升温作用甚微，同时微波加热属于体积加热，没有热量的传递过程，随之产生的热应力也小。但是微波加热也有其缺点，比如：放热速率快，再生控制难，存在微波泄漏安全问题。因此对再生开始、结束、微波功率大小都要有精准的控制。 

沉积在过滤体中的微粒分两部分。一部分可以通过再生燃烧掉，即通常所说的碳烟(soot)；另外一部分是灰烬(ash)，由燃油添加剂、润滑油、环境空气中的盐类、发动机磨损物等构成，随着微粒捕集器使用时间的延长，不断在过滤体中累积，并且不能通过主动再生的方式去除。灰烬的沉积是影响微粒捕集器使用寿命的主要因素之一，同时沉积灰烬改变了过滤体的基本尺寸，随之变化的是洁净状态下相同工况微粒捕集器两端的背压值，因此要精确的判断再生结束，就必须考虑灰烬沉积带来的影响。在Yoshihisa Tashiro等人的专利US 6,622,480 B2中提到，当需要更新再生终止判断MAP图时，ECU根据此时的工况信息计算出背压修正参数a，用a乘以原来的压差值得到更新后的压差值，据此更新再生终止判断MAP图。首先用固定的a值代替所有工况下的背压修正系数是不准确的，另外根据何种算法得到a值也未提及。因此有必要采用更科学的方法更新再生终止判断MAP图。 

由于不可燃烧灰烬的沉积，堵塞过滤体孔道，微粒捕集器逐渐达到使用寿命上限，需要ECU做出判断并提醒车主更换过滤体或用特殊方法进行清理。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种微粒捕集器微波再生整个过程的控制策略，在利用微波体积加热、再生窗口宽等优点的同时，避免微波功率难以控制、微波易泄漏的缺点。技术方案包含再生终止判断MAP图更新、再生时机判断、实时诊断、再生结束判断四大功能模块。本控制策略的益处在于：考虑了不可燃烧灰烬的沉积，用排气背压数学模型更新再生终止判断MAP图。控制内容涉及再生的每一个阶段，精确可靠。微粒捕集器使用过程中需要经历数千次的再生，每一次都做到精确合理，这对于延长微粒捕集器使用寿命、减小微波发生器能耗有很大的积极作用。 

为了解决再生开始不够及时可靠的问题。本发明技术方案如下：微粒捕集器两端压力传感器测得相应工况下压力差ΔP_tes，ECU根据工况信息查询再生判断MAP图得到ΔP_lim，当ΔP_tes≥90％ΔP_lim时，达到再生触发条件，同时将汽车行驶里程与手动启动再生(手动启动再生按钮后ECU还需判断发动机油耗速率是否超过正常值5％以上，否则程序还是原地等待)也作为再生触发第一阶段条件。其益处在于：ΔP_tes与ΔP_lim之间预留了一定余量，以消除标定再生判断MAP图以及传感器的测量误差，同时将汽车行驶里程与手动启动再生也作为并行的再生触发条件，进一步保证微粒捕集器能够可靠开始再生。为了防止误操作，手动启动了再生按钮，ECU会在之后检测油耗速率是否超过了正常值5％作为程序继续进行条件，保证再生系统不会非正常启动。 

在一些实施例中，为了解决微粒捕集器再生过程中脉动气流冲蚀，排气温度场不均匀造成过滤体损伤。采取的技术方案是：当ECU检测到达到再生 触发条件后，判断排气管中温度与流量参数波动在限定时间步长内是否超过限定值，若不超过，启动再生装置，反之则继续等待。此方案的益处在于：再生过程始终处在发动机稳态工况下进行，将交变气流冲蚀，气流温度场变化产生的热冲击降到最低，提高过滤体使用寿命。 

在一些实施例中要求ECU能够实时调整微波发生器功率，保证合适的温度峰值与温度上升速率。具体技术方案是：再生过程中，ECU接收布置在微粒捕集器中的温度传感器信号，并计算得出温度上升速率，据此实时调整微波功率。此方案的益处在于：调节微波发生器功率使过滤体内的实时温度与温度上升速率不超过限定值，大大提高了微粒捕集器使用寿命，同时防止微波外泄，节省微波能量。 

在一些实施例中要求选取合适的时机终止再生，保证再生完全的同时节约微波能量、防止微波泄漏。技术方案是：微粒捕集器两端压力传感器测得相应工况下压力差ΔP_tes，ECU根据工况信息查询再生终止判断MAP图，得到ΔP_pur值，当ΔP_tes≤(1+8％)ΔP_pur，ECU向微波发生器、二次空气补给器发送指令，再生结束。此方案的益处在于：ΔP_tes与ΔP_pur之间预留了8％余量，用以保证再生及时终止，同时可以利用微粒氧化的余热继续加热碳烟使之燃烧。即时排气背压不能降低到洁净状态背压以下，也不会对发动机性能造成影响(轻微的背压上升对发动机性能影响可以忽略不计)。由于减少了无谓的加热时间，微波外泄的问题得到改善，降低了微波能耗。 

在一些实施例中考虑不可燃烧灰烬的沉积对排气背压的影响，通过排气背压数学模型更新再生终止判断MAP图。其技术方案是：当ECU监测到限定时长内微波加热无法使ΔP_tes≤(1+8％)ΔP_pur，认为不可燃灰烬沉积改变了过滤体的孔道与壁厚尺寸，需要更新再生终止判断MAP图，记录下此时的排气流量 与温度参数以及微粒捕集器两端压差值。根据准稳态流动的压力损失方程和传热方程可以建立洁净状态微粒捕集器两端背压方程，简言之：深床捕集阶段(即没有微粒沉积)微粒捕集器两端压差值可以表示为ΔP＝f(v，t，w，a)，四项参数依次为排气流量、排气温度、过滤体壁厚、过滤体孔道尺寸。假设灰烬在过滤体孔道内均匀沉积，设微粒沉积层厚度为Δs，新的过滤体孔道尺寸w’，a’，则有：w’＝w+2Δs；a’＝a-2Δs，代入ECU中存储的ΔP、v、t、w、a参数，计算出不可燃烧灰烬沉积后的新的孔道尺寸：w’，a’。将计算出的新的过滤体尺寸代入背压表达式：ΔP＝f(v，t，w_s’，a’)，据此生成的更新MAP图存储到ECU中，作为下一次的再生终止判断背压查询依据。 

在一些实施例中，当微粒捕集器过滤体超过使用寿命上限后，提醒车主更换过滤体或用特殊方法进行清理。具体技术方案是：每次需要更新再生终止判断MAP图之前，比较ΔP_tes与ΔP_lim的数值大小，若ΔP_tes≥90％ΔP_lim，ECU向显示器发出报警提示，需要更换过滤体或对其进行清理，同时切断所有再生系统相关装置电源。反之，继续完成再生终止判断MAP图的更新。此方案的益处在于：微粒捕集器使用寿命达到上限之前得到及时更换，保证微粒捕集效果，并且切断相关设备电源，保证安全。 

附图说明

图1是微波再生系统结构示意图； 

图2是再生判断MAP图； 

图3A是再生时机判断模块流程图； 

图3B是图3A的继续，包含实时诊断模块，再生结束判断模块； 

图4是更新再生终止判断MAP图模块的流程图。 

在图1中： 

1-ECU,2-微波发生器，3-微粒捕集器， 

4-温度传感器，5-压力传感器，6-温度传感器，7-压力传感器， 

8-流量传感器，9-二次空气补给器，10-显示器，11-发动机。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

如图1所示，微波再生系统包括ECU1，分别与各类传感器、执行机构相连。微波发生器2，一端通过导波管与微粒捕集器3相连，另一端与ECU1相连，以实现实时调节功率的功能。温度传感器4用来监控微粒捕集器3内实时温度，传递数据到ECU1，计算出温度变化上升速率，为调节微波发生器2功率提供依据。压力传感器5与压力传感器7安装在微粒捕集器3两端，将测量的压差值传递给ECU1，作为判断再生开始和结束的依据。温度传感器6与流量传感器8安装在微粒捕集器3前端，测量排气流量信息，传递给ECU用作数据分析。二次空气补给器9作为辅助再生装置为再生提供充分氧气，与ECU相连，再生开始时开启，结束关闭。显示器10与ECU相连，用以显示报警或者提示信息。 

本发明所包含控制策略需要向ECU内存储两套排气背压MAP图：一是再生判断MAP图。在发动机台架上用蝶形阀模拟排气管后端背压值，以发动机油耗对比正常情况上升5％作为限定背压值判断标准，记录下此时的工况信息(负荷、转速)、排气背压值。对主要的工况点做相同操作，最后利用所得数据进行插值得到再生判断MAP图。另一套MAP图是再生终止判断MAP图，采用背压模型ΔP＝f(v，t，w，a)生成MAP图，其中w，a分别为初始过滤体壁厚和孔道宽度，当灰烬沉积到一定程度时更新再生终止判断MAP图。 

ECU读取微粒捕集器两端压力传感器的压差信号，并根据工况信息查 询再生判断MAP图，对比两者数值，当ΔP_tes≥90％ΔP_lim时认为达到再生开始触发条件之一，同时为了保证再生开始可靠，再生触发条件还包括：ECU监测到距上一次再生后行驶里程达到再生限定值；手动启动再生按钮后，随后ECU监测到油耗速率对比正常情况上升5％以上。三者条件任意达到一项，如图3A所示，认为达到再生触发条件。接下来ECU根据温度、流量传感器信号判断温度与流量波动在规定时间步长内是否超过限定值，如果不超过，说明工况稳定，适合再生。达到上述条件后，ECU发动指令启动微波发生器和二次空气供给器，再生开始。 

再生开始后，ECU读取温度传感器4的实时温度值，并根据前后一系列温度值计算出温度上升速率，如果实时温度或者温度上升速率超过了限定值，ECU发送指令适当减小微波发生器功率。 

如图3B所示，ECU读取压力传感器压差信号，根据工况信息查询再生终止判断MAP图得到ΔP_pur。如果监测到限定时间内ΔP_tes≤(1+8％)ΔP_pur，认为达到在再生效果，ECU发送指令关闭微波发生器和二次空气补给器，再生结束；如果限定时间内不能使ΔP_tes≤(1+8％)ΔP_pur，ECU首先检测是否有ΔP_tes≥90％ΔP_lim，如果条件成立则表明微粒捕集器达到使用寿命上限，此时ECU向显示器发送警示信息，同时切断所有再生系统相关设备电源，保证安全。如果ΔP_tes≤90％ΔP_lim，则需要采用排气背压数学模型更新再生终止判断MAP图，下面将详细介绍更新方法。 

当需要更新再生终止判断MAP图时，ECU记录下此时的排气流量v、排气温度t以及背压值△P。根据准稳态流动的压力损失方程和传热方程可以建立微粒捕集器两端的背压方程，通过验证这种模型具有相当的精度，可以用在实际控制中。简言之可以将背压模型表示为：ΔP＝f(v，t，w，a)，其中w为过 滤体壁厚，a为过滤体孔道宽度。认为不可燃烧灰烬在孔道内的沉积是均匀的，并且只改变过滤体基本尺寸，不影响其材料的密度、孔隙率、渗透性等物理属性。设灰烬沉积层厚度为△S，则新的过滤体尺寸可以表示为：w’＝w+2△S；a’＝a-2△S。结合ECU中存储的v，t，△P计算出w_s’，a’，代入到背压模型中得到新的背压表达式：ΔP＝f(v，t，w_s’，a’)，据此生成更新后的再生终止判断MAP图，存储进ECU,用作下一次再生结束的判断依据。