检测微粒过滤器内的微粒物质负载密度

摘要

本发明涉及检测微粒过滤器内的微粒物质负载密度。一种控制系统包括加热器控制模块和微粒物质(PM)负载模块。所述加热器控制模块有选择地激活电加热器来开始微粒过滤器的区域中的再生，并在开始所述再生之后停用所述电加热器。在停用所述电加热器之后，所述再生沿着所述微粒过滤器的长度延续进行。所述PM负载模块基于所述再生开始之后所述微粒过滤器的出口温度来确定PM负载。

说明书

技术领域

本发明涉及控制电加热式微粒过滤器。

背景技术

这里提供的背景描述是为了总地示出本公开的背景。目前署名的发明人的工作，在该背景技术部分中所作描述的程度，以及在提交时不会以其它方式被认为是现有技术的描述方面，既不明示地也不含蓄地认为是破坏本公开的现有技术。

发动机燃烧空气与燃料的混合物，产生驱动扭矩。发动机，例如柴油机和压燃式发动机产生微粒物质(PM)，该PM被微粒过滤器从废气过滤掉。过滤器通过收集和存储PM来减少PM。随着时间的过去，存储在过滤器中的PM量会增加。相对于干净的过滤器，充满的过滤器会降低废气流。

再生期间，可通过燃烧过滤器中的PM来清理过滤器。再生可包括将过滤器加热至点燃PM的燃烧温度。PM的燃烧进一步升高了过滤器温度。过滤器的再生率和过滤器温度会受废气中的氧水平影响。增加废气中的氧水平会增加再生率和过滤器温度。

可有多种方式执行再生，包括修改发动机控制、使用燃料燃烧器、使用催化氧化剂、使用微波能量、和/或使用电阻加热线圈。电阻加热线圈可布置成与过滤器接触，以允许通过传导和对流来加热。

发明内容

一种控制系统包括加热器控制模块和微粒物质(PM)负载模块。所述加热器控制模块有选择地激活电加热器来开始微粒过滤器的一个区域中的再生，并在开始所述再生之后停用所述电加热器。在停用所述电加热器之后，所述再生沿着所述微粒过滤器的长度延续进行。所述PM负载模块基于所述再生开始之后所述微粒过滤器的出口温度来确定PM负载。

一种方法包括有选择地激活电加热器来开始微粒过滤器的一个区域中的再生、在开始所述再生之后停用所述电加热器、以及基于所述再生开始之后所述微粒过滤器的出口温度来确定PM负载。在停用所述电加热器之后，所述再生沿着所述微粒过滤器的长度延续进行。

本发明提供以下技术方案：

方案1.一种控制系统，包括：加热器控制模块，其有选择地激活电加热器来开始微粒过滤器的区域中的再生，并在开始所述再生之后停用所述电加热器，其中在停用所述电加热器之后，所述再生沿着所述微粒过滤器的长度延续进行；以及微粒物质(PM)负载模块，其基于所述再生开始之后所述微粒过滤器的出口温度来确定PM负载。

方案2.如方案1所述的控制系统，其中所述PM负载与所述再生开始之后所述出口温度的峰值正相关。

方案3.如方案1所述的控制系统，其中所述区域包括所述微粒过滤器的入口面的一部分。

方案4.如方案3所述的控制系统，其中所述部分的尺寸被预先确定为以防止所述再生期间对所述微粒过滤器的损坏。

方案5.如方案3所述的控制系统，其中所述部分小于所述入口面的十分之一。

方案6.如方案3所述的控制系统，其中所述加热器控制模块基于所述微粒过滤器的入口温度和氧水平中的至少一项有选择地激活所述电加热器，以开始所述再生。

方案7.如方案6所述的控制系统，其中当所述入口温度不等于期望温度时，所述加热器控制模块制止激活所述电加热器开始所述再生。

方案8.如方案6所述的控制系统，其中当所述氧水平低于期望水平时，所述加热器控制模块制止激活所述电加热器开始所述再生。

方案9.如方案6所述的控制系统，所述PM负载模块还基于所述入口温度和废气流量中的至少一项确定所述PM负载。

方案10.如方案9所述的控制系统，其中所述PM负载与所述入口温度和所述废气流量中的至少一项负相关。

方案11.一种方法，包括：有选择地激活电加热器来开始微粒过滤器的区域中的再生，并在开始所述再生之后停用所述电加热器，其中在停用所述电加热器之后，所述再生沿着所述微粒过滤器的长度延续进行；以及基于所述再生开始之后所述微粒过滤器的出口温度来确定PM负载。

方案12.如方案11所述的方法，其中所述PM负载与所述再生开始之后所述出口温度的峰值正相关。

方案13.如方案11所述的方法，其中所述区域包括所述微粒过滤器的入口面的一部分。

方案14.如方案13所述的方法，其中所述部分的尺寸被预先确定为以防止所述再生期间对所述微粒过滤器的损坏。

方案15.如方案13所述的方法，其中所述部分小于所述入口面的十分之一。

方案16.如方案13所述的方法，还包括基于所述微粒过滤器的入口温度和氧水平中的至少一项有选择地激活所述电加热器，以开始所述再生。

方案17.如方案16所述的方法，还包括当所述入口温度不等于期望温度时，制止激活所述电加热器开始所述再生。

方案18.如方案16所述的方法，还包括当所述氧水平低于期望水平时，制止激活所述电加热器开始所述再生。

方案19.如方案16所述的方法，还包括基于所述入口温度和废气流量中的至少一项确定所述PM负载。

方案20.如方案19所述的方法，其中所述PM负载与所述入口温度和所述废气流量中的至少一项负相关。

从下文提供的详细描述可清楚本公开适用性的其它方面。应当理解，其详细描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本公开的范围。

附图说明

从其详细描述和附图可更加全面地理解本公开，其中：

图1为根据本公开原理的示例性发动机系统的功能框图；

图2示出了根据本公开原理的示例性电加热式微粒过滤器；

图3示出了根据本公开原理的示例性电加热式微粒过滤器的再生；

图4为根据本公开原理的示例性控制模块的功能框图；以及

图5为示出根据本公开原理的控制方法的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

实质上，下面的描述仅仅是示例性的，而绝不是限制本发明及其应用或使用。为清楚起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中至少之一”应当被理解为意味着使用非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开原理的情况下，可以不同的顺序执行方法中的步骤。

如本文中所使用的，术语“模块”指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适部件。

本公开的电加热式微粒过滤器控制系统及方法在预定排气条件下激活电加热器，以起动微粒过滤器的一个区域中的再生。电加热器在起动再生之后被停用。在电加热器停用之后，所述再生沿着微粒过滤器的长度延续进行。因此，在起动之后所述再生是不受控制的。所述区域可足够地小，以防止对微粒器的破坏。PM负载(例如，微粒过滤器中的PM的密度)可基于起动再生之后微粒过滤器的出口温度的峰值来确定。

不受控制的再生以比受控制的再生更高的温度燃烧PM。因此，与受控制的再生相比，不受控制的再生期间，出口温度会更高。进而，与受控制的再生相比，不受控制的再生期间，出口温度使得能够更加精确地确定PM负载。提高的PM负载确定精度可防止由于因低估PM负载而等待过长时间来再生导致的对微粒过滤器的破坏。

另外，以更高的精度确定PM负载可改进使用再生模型的车载诊断(OBD)，例如不完全性和频繁性再生诊断系统。所述不完全性再生诊断系统确定何时微粒过滤器的再生是不完全的。频繁性再生诊断系统确定何时微粒过滤器的再生发生得过于频繁。不完全的再生由于增加背压而降低功率，而过于频繁的再生增加了排放。因此，提高PM负载确定精度可提高功率和降低排放。

现在参考图1，示意性地示出了根据本公开的示例性柴油发动机系统20。所述柴油发动机系统20实质上仅仅是示例性的。本文所述的电加热式微粒过滤器控制技术可在包括微粒过滤器的各种发动机系统中执行。所述发动机系统可包括柴油直喷发动机系统和均质充量压燃式发动机系统。为便于描述，本公开将以柴油发动机系统为背景进行描述。

发动机系统20包括燃烧空气/燃料混合物以产生驱动扭矩的发动机22。空气通过入口26吸入进气歧管24。可包括节气门(未示出)以调节进入进气歧管24的气流。进气歧管24中的空气分配进汽缸28。尽管图1示出了6个汽缸28，但是发动机22可包括更多或更少的汽缸28。仅作为举例，可预想到具有4、5、8、10、12和16个汽缸的发动机。

控制模块32与发动机系统20的组件连通。所述组件可包括发动机22、传感器和如本文所述的致动器。控制模块32可执行本公开的电加热式微粒过滤器控制技术。

空气经由空气质量流量(MAF)传感器34通过入口26。MAF传感器34产生表示流过MAF传感器34的空气的流率的MAF信号。歧管压力(MAP)传感器36位于入口26与发动机22之间的进气歧管24中。MAP传感器36产生表示进气歧管24中空气压力的MAP信号。位于进气歧管24中的进气温度(IAT)传感器38基于进气温度产生IAT信号。

发动机曲轴(未示出)以发动机速度或与发动机速度成比例的速率旋转。曲轴传感器40感测曲轴的位置，并产生曲轴位置(CSP)信号。CSP信号可与曲轴的旋转速度和汽缸事件相关。例如，曲轴传感器40可为可变磁阻传感器。发动机速度和汽缸事件可使用其它适当的方法来感测。

控制模块32致动燃料喷射器42以将燃料喷入汽缸28中。进气门44可打开，以使空气能够进入汽缸28。进气凸轮轴(未示出)调节进气门位置。活塞(未示出)压缩并燃烧汽缸28内的空气/燃料混合物。在做功冲程期间，活塞驱动曲轴以产生驱动扭矩。当排气门48处于打开位置时，汽缸28内因燃烧产生的废气通过排气歧管46被排出。排气凸轮轴(未示出)调节排气门位置。排气歧管压力(EMP)传感器50产生表示排气歧管压力的EMP信号。

废气处理系统52可处理废气。废气处理系统52可包括柴油氧化催化剂(DOC)54和微粒过滤器组件56。DOC 54基于燃烧后的空气/燃料比氧化废气中的一氧化碳和碳氢化合物。氧化量提高了废气的温度。

过滤器组件56从DOC 54接收废气，并过滤掉废气中存在的任何微粒物质。电加热器58可加热废气和/或过滤器，以起动过滤器组件56的再生。控制模块32基于各种感测的和/或估计的信息控制发动机22和过滤器再生。

废气处理系统52可包括氧传感器64-1和64-2(统称为氧传感器64)和废气温度传感器66-1、66-2、66-3(统称为废气温度传感器66)。氧传感器64产生表示废气中氧水平的信号。可选地，可使用氮氧化物传感器(未示出)来检测废气中氧的水平。

废气温度传感器66测量DOC 54和过滤器组件56上游的废气的温度。废气温度传感器66还可测量过滤器组件56下游的或者DOC 54与过滤器组件56之间的废气的温度。废气温度传感器66产生表示废气温度的信号。控制模块32可产生废气温度模型以估计整个废气处理系统52中的废气的温度。

控制模块32以预定排气条件下激活加热器58以起动过滤器组件56的一个区域中的再生。控制模块在起动再生之后停用加热器58。在起动之后再生是不受控制的，在加热器58停用之后再生沿着过滤器组件56的长度延续进行。在起动再生之后，控制模块32可基于从传感器66-3接收的过滤器组件56的出口温度确定PM负载。

发动机系统20可包括EGR系统68。EGR系统68包括EGR阀70和EGR管路72。EGR系统68可将一部分废气从排气歧管46引入进气歧管24。EGR阀70可安装在进气歧管24上。EGR管路72可从排气歧管46延伸至EGR阀70，提供排气歧管46与EGR阀70之间的连通。控制模块32可致动EGR阀70以调节引入进气歧管24中的废气的量。

发动机系统20可包括涡轮增压器74。涡轮增压器74可由通过涡轮入口接收的废气来驱动。仅作为举例，涡轮增压器74可包括可变喷嘴涡轮。涡轮增压器74增大进入进气歧管的空气流以引起进气歧管压力的升高(即，增压压力)。控制模块32可致动涡轮增压器74以限制废气的流动，从而控制增压压力。

现在参考图2和3，示出了过滤器组件56的示例性实施例。过滤器组件56可包括外壳57、微粒过滤器76和加热器58。加热器58可布置在过滤器76的层流元件(未示出)及基片之间。所述基片可由金属和/或陶瓷材料构成或形成。

加热器58可包括给起动再生提供加热的一个或多个线圈、加热器片段或传导元件。仅作为举例，加热器58可加热过滤器76与加热器58接触或间隔开的入口面78的第一区域78-1。加热器58可通过将过滤器组件56中的温度升高至高于或等于PM燃烧温度来起动区域78-1中不受控制的再生。仅作为举例，PM燃烧温度可在700℃与1000℃之间。仅为比较起见，在600℃可发生受控制的再生。

所述区域78-1可包括入口面78的一部分。入口面78上区域78-1所包括的这部分可为足够小的预定尺寸，以防止在不受控制的再生期间对过滤器组件56的损坏。仅作为举例，所述部分可小于入口面78的百分之十。

控制模块32可向加热器58提供激活加热器58的信号。加热器58可与过滤器76接触或间隔开，使得提供给区域78-1的热量是对流和/或传导加热。排气从DOC 54进入过滤器组件56并被加热器58加热。

加热器58加热通过加热器58的排气。加热的排气行至过滤器76并通过对流和/或传导加热靠近加热器58的区域78-1。当区域78-1附近的PM达到PM燃烧温度时，加热器58可被停用。控制模块32可基于来自传感器66-2的入口温度确定是否达到PM燃烧温度。由于升高的温度，区域78-1附近的PM被点燃，并开始再生。

再生延续通过过滤器76的第一部分76-1。第一部分76-1可从入口面78上的区域78-1延伸至过滤器76的出口面80。第一部分76-1的再生可使用排气中存在的热量和氧以及第一部分76-1内由PM燃烧释放的能量来实现。PM的燃烧沿第一部分76-1顺序连续进行，无需来自电加热器58的热量。

当第一部分76-1再生时，过滤器76内的废气温度会升高。起初，因为过滤器76的热质量会吸收再生产生的热量，所以传感器66-3可能不会检测废气温度的升高。但是，当连续前进的PM移至更加靠近过滤器76的出口面80时，传感器66-3可检测出口温度的升高。当第一部分76-1的再生完成时，传感器66-3的出口温度下降至低于再生完成温度。

图3中，第一部分76-1显示为过滤器76的以轴向定中心的部分。再生可通过布置在入口面78的其它区域上的其它加热器在其它部分起动。当第一部分76-1的再生完成时，控制模块32可起动入口面78的其余区域中的再生，例如过滤器76的第二部分76-2。第二部分76-2可为环绕第一部分76-1的以轴向定中心的部分。

现在参考图4，控制模块32可包括燃料控制模块400、加热器控制模块402和PM负载模块404。燃料控制模块400控制燃料喷射器42喷射燃料。燃料控制模块400监测燃料喷射器42喷射的燃料量。加热器控制模块402可激活电加热器58以开始过滤器组件56的区域中的再生，然后停用电加热器58。在起动之后所述再生是不受控制的，在加热器58停用之后沿着过滤器组件56的长度延续进行。

加热器控制模块402可接收来自废气温度传感器66的废气温度和来自氧传感器64的氧水平。加热器控制模块402可基于传感器66-2的入口温度及氧传感器64的一个或多个氧水平开始不受控制的再生。当入口温度和/或氧水平不等于期望值时，加热器控制模块402可制止起动不受控制的再生。

所述期望值可预先确定以提供使不受控制的再生能进行的排气条件。所述期望值可在起动之后无需加热就足以燃烧PM并能够进行峰值温度检测。所述期望值可基于PM负载变化。仅作为举例，期望的废气温度可为大致450℃。

PM负载模块404可接收来自MAF传感器34的进气流速、来自废气温度传感器66的废气温度、和来自燃料控制模块400的喷射燃料量。PM负载模块404可基于进气流速和喷射燃料量确定废气流量。

PM负载模块404可基于来自传感器66-3的过滤器组件56的出口温度确定PM负载。PM负载可与开始不受控制的再生之后出口温度中的峰值正相关。另外，PM负载模块404可基于废气流量和/或来自传感器66-2的过滤器组件56的入口温度确定PM负载。PM负载可与废气流量和/或废气温度负相关。

现在参考图5，在步骤500中，控制监测入口温度。在步骤502中，控制确定微粒过滤器的入口温度是否等于期望温度。所述期望温度可为一温度范围。当入口温度不等于期望温度时，控制返回步骤500。当入口温度等于期望温度时，在步骤504中，控制监测废气的氧水平。

在步骤506中，控制确定所述氧水平是否大于或等于期望水平。所述期望水平可为一氧水平范围。当氧水平小于期望水平时，控制返回步骤504。当氧水平大于或等于期望水平时，在步骤508中，控制开始微粒过滤器的区域中的再生。在以不受控制的方式开始再生之后，所述再生横过微粒过滤器的整个长度。

所述不受控制的再生开始的区域可包括微粒过滤器的入口面的一部分。入口面的这部分可为预定尺寸，该尺寸足够小以防止不受控制的再生期间对微粒过滤器的破坏。仅作为例子，所述部分可小于入口面的十分之一。

在步骤510中，控制确定废气流量。控制可基于进气流量和燃料喷射流量确定废气流量。在步骤512中，控制监测微粒过滤器的出口温度。

在步骤514中，控制确定是否检测到出口温度的峰值。当没有检测到峰值时，控制返回步骤512。当检测到峰值时，在开始不受控制的再生之后，于步骤516中，控制基于出口温度中的峰值确定PM负载。

所述PM负载可与出口温度的峰值正相关。另外，控制可基于废气流量和/或微粒过滤器的入口温度确定PM负载。所述PM负载可与废气流量和/或入口温度负相关。

本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，尽管本公开包括了特定实施例，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于熟练的从业者也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当这样限制。