用于颗粒物过滤器的分层再生的系统和方法

专利名称：用于颗粒物过滤器的分层再生的系统和方法
技术领域：
本发明涉及车辆排气处理系统，更具体地，涉及用于使颗粒物过滤器再生的控制 系统和方法。
背景技术：
本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。发明人的一部 分工作在背景技术部分中被描述，这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技 术的方面，既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。柴油发动机在存在空气的情况下燃烧柴油燃料以产生功率。柴油燃料的燃烧产生 包含颗粒物(PM)的排气。PM可通过PM过滤器从排气中过滤。随着时间过去，PM可在PM 过滤器中累积并且可能限制排气流动通过PM过滤器。PM过滤器中收集的PM可通过称为再 生的工艺得到去除。在再生过程中，PM过滤器中的PM可被燃烧。例如，再生可通过将燃料喷入PM过滤器上游的排气流并且使所喷射的燃料燃烧 而实现。被喷射燃料的燃烧产生热量，由此提高进入PM过滤器的排气温度。排气的温度升 高可导致PM过滤器中累积的PM燃烧。电阻加热器可位于PM过滤器的上游端以向进入PM 过滤器的排气供应额外的热量。

发明内容
在一种形式中，本发明提供了一种用于发动机的示例性控制系统，包括输入装 置，其接收使PM过滤器再生的请求，所述PM过滤器从所述发动机的排气中过滤PM ；和再生 模块，其响应于所述请求在第一加热时间段、接着所述第一加热时间段的冷却时间段以及 接着所述冷却时间段的第二加热时间段内调节所述发动机和对所述PM过滤器入口表面进 行加热的电加热器的工作。在第一加热时间段内，所述再生模块对工作进行调节，使得所述电加热器将所述 入口表面维持在高于所述PM过滤器的再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述PM 过滤器内累积的PM的第一质量的燃烧。在接着所述第一加热时间段的冷却时间段内，所述 再生模块对工作进行调节，使得所述排气将所述入口表面冷却到低于所述再生温度的第二 入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧。在接着所述冷却时间段的第二加热时间 段内，所述再生模块对工作进行调节使得所述入口表面被维持在高于所述再生温度的第三 入口温度范围内，并且使所述累积的PM的第二质量燃烧。在一个特征中，所述冷却时间段小于所述第一加热时间段和所述第二加热时间 段。在其他特征中，所述第一加热时间段可小于所述第二加热时间段，并且所述第二加热时 间段可紧接着所述冷却时间段。在又一个特征中，所述第一加热时间段可基于下述之一所 述排气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。在又一个特征中，在所述第一加热时间 段期间，所述电加热器可将所述入口表面维持在目标入口温度，所述目标入口温度基于下 述之一所述排气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。在又一个特征中，界定所述第一入口温度范围的第一温度可高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。在一个示例性实施例中，本发明提供了一种用于发动机的控制系统，包括输入装 置，其接收使PM过滤器再生的请求，所述PM过滤器从所述发动机的排气中过滤PM ；以及再 生模块，其响应于所述请求调节所述发动机和对所述PM过滤器入口表面中的一些区进行 加热的电加热器的电阻线圈的工作，使得在对应于这些区的所述PM过滤器中累积的PM的 一些部分燃烧，并且使累积的PM的剩余部分随后燃烧。特别地，所述再生模块对工作进行调节，使得在第一加热时间段内，所述电加热器 的第一电阻线圈将所述入口表面的第一区维持在高于所述PM过滤器的再生温度的第一入 口温度范围内，并且引发在所述PM过滤器内累积的PM的第一质量的燃烧；并且在第二加热 时间段内，所述电加热器的第二电阻线圈将所述入口表面的第二区维持在所述第一入口温 度范围内，并且引发所述PM过滤器内累积的PM的第二质量的燃烧。所述再生模块对工作 进行进一步调节，使得在接着所述第一加热时间段的第一冷却时间段内，所述发动机的排 气将所述第一区冷却到低于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量 的燃烧，并且在接着所述第二加热时间段的第二冷却时间段内，所述发动机的排气将所述 第二区冷却到所述第二入口温度范围内，并且抑制所述第二质量的燃烧。随后，所述再生模 块对工作进行调节，使得在接着所述第一和第二冷却时间段的第三加热时间段内，所述入 口表面被维持在高于所述再生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的PM的第三 质量燃烧。在示例性实施例中，所述第二加热时间段可接着所述第一冷却时间段。在相关的 特征中，所述第一和第二冷却时间段可小于所述第一、第二和第三加热时间段，并且所述第 三加热时间段可紧接着所述第二冷却时间段。在其他特征中，界定所述第一入口温度范围 的第一温度可高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。在另一种形式中，本发明提供了一种用于控制发动机的示例性方法，包括接收使 PM过滤器再生的请求，所述PM过滤器从所述发动机的排气中过滤PM;和响应于所述请求在 第一加热时间段、接着所述第一加热时间段的冷却时间段以及接着所述冷却时间段的第二 加热时间段内调节所述发动机和加热所述PM过滤器入口表面的电加热器的工作。在第一加热时间段内，对工作进行调节包括这样对工作进行调节，其使得所述电 加热器将所述入口表面维持在高于所述PM过滤器的再生温度的第一入口温度范围内，并 且引发所述PM过滤器内累积的PM的第一质量的燃烧。在接着所述第一加热时间段的冷却 时间段内，对工作进行调节包括这样对工作进行调节，其使得所述排气将所述入口表面冷 却到低于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧。在接着所 述冷却时间段的第二加热时间段内，对工作进行调节包括这样对工作进行调节，其使得所 述入口表面被维持在高于所述再生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的PM的 第二质量燃烧。在相关的特征中，所述冷却时间段可小于所述第一加热时间段和所述第二加热时 间段，并且所述第一加热时间段可小于所述第二加热时间段。在另一个相关的特征中，所述 第二加热时间段可紧接着所述冷却时间段。在进一步的特征中，所述第一加热时间段可基于下述之一所述排气的第一排气 温度和所述排气中的氧气浓度。在所述第一加热时间段期间，所述电加热器可将所述入口表面维持在目标入口温度，所述目标入口温度基于下述之一所述排气的第一排气温度和 所述排气中的氧气浓度。在进一步的特征中，界定所述第一入口温度范围的第一温度可高于界定所述第三 入口温度范围的第二温度。所述第一入口温度范围可包括在700°C和800°C之间的温度。所 述排气在所述冷却时间段期间的排气温度可低于450°C。本发明还提供了以下方案方案1. 一种用于发动机的控制系统，包括输入装置，其接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机 的排气中过滤颗粒物；以及再生模块，其响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进 行加热的电加热器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器将所述入口表面维持在高于所述颗粒物过滤 器的再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第一 质量的燃烧；在接着所述第一加热时间段的冷却时间段内，所述排气将所述入口表面冷却到低 于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；以及在接着所述冷却时间段的第二加热时间段内，所述入口表面被维持在高于所述再 生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第二质量燃烧。方案2.如方案1所述的控制系统，其特征在于，所述冷却时间段小于所述第一加 热时间段和所述第二加热时间段。方案3.如方案2所述的控制系统，其特征在于，所述第一加热时间段小于所述第 二加热时间段，其中，所述第二加热时间段紧接着所述冷却时间段。方案4.如方案1所述的控制系统，其特征在于，所述第一加热时间段基于下述之 一所述排气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。方案5.如方案1所述的控制系统，其特征在于，在所述第一加热时间段期间，所述 电加热器将所述入口表面维持在目标入口温度，所述目标入口温度基于下述之一所述排 气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。方案6.如方案1所述的控制系统，其特征在于，界定所述第一入口温度范围的第 一温度高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。方案7. —种用于发动机的控制系统，包括输入装置，其接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机 的排气中过滤颗粒物；以及再生模块，其响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进 行加热的电加热器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器的第一电阻线圈将所述入口表面的第一区维 持在高于所述颗粒物过滤器的再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤 器内累积的颗粒物的第一质量的燃烧；在第二加热时间段内，所述电加热器的第二电阻线圈将所述入口表面的第二区维 持在所述第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第二质量的燃烧；在接着所述第一加热时间段的第一冷却时间段内，所述发动机的排气将所述第一 区冷却到低于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；在接着所述第二加热时间段的第二冷却时间段内，所述发动机的排气将所述第二 区冷却到所述第二入口温度范围内，并且抑制所述第二质量的燃烧；以及在接着所述第一和第二冷却时间段的第三加热时间段内，所述入口表面被维持在 高于所述再生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第三质量燃烧。方案8.如方案7所述的控制系统，其特征在于，所述第二加热时间段接着所述第 一加热时间段。方案9.如方案8所述的控制系统，其特征在于，所述第二加热时间段接着所述第 一冷却时间段。方案10.如方案9所述的控制系统，其特征在于，所述第一和第二冷却时间段小 于所述第一、第二和第三加热时间段，其中，所述第三加热时间段紧接着所述第二冷却时间 段。方案11.如方案7所述的控制系统，其特征在于，界定所述第一入口温度范围的第 一温度高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。方案12. —种用于控制发动机的方法，包括接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机的排气中过滤 颗粒物；以及响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进行加热的电 加热器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器将所述入口表面维持在高于所述颗粒物过滤 器的再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第一 质量的燃烧；在接着所述第一加热时间段的冷却时间段内，所述排气将所述入口表面冷却到低 于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；以及在接着所述冷却时间段的第二加热时间段内，所述入口表面被维持在高于所述再 生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第二质量燃烧。方案13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述冷却时间段小于所述第一加热 时间段和所述第二加热时间段。方案14.如方案13所述的方法，其特征在于，所述第一加热时间段小于所述第二 加热时间段。方案15.如方案14所述的方法，其特征在于，所述第二加热时间段紧接着所述冷 却时间段。方案16.如方案12所述的方法，其特征在于，所述第一加热时间段基于下述之一 所述排气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。方案17.如方案12所述的方法，其特征在于，在所述第一加热时间段期间，所述电 加热器将所述入口表面维持在目标入口温度，所述目标入口温度基于下述之一所述排气 的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。
方案18.如方案12所述的方法，其特征在于，界定所述第一入口温度范围的第一 温度高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。方案19.如方案12所述的方法，其特征在于，所述第一入口温度范围包括在700°C 和800°C之间的温度。方案20.如方案12所述的方法，其特征在于，所述排气在所述冷却时间段期间的 排气温度低于450°C。通过后文提供的详细描述将明了本发明进一步的应用领域。应当理解的是，这些 详细描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。


根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中图1是根据本发明的示例性发动机和排气系统的功能框图；图2是图1所示发动机和排气系统的一部分的示意图；图3是图1所示PM过滤器的侧视图；图4是图1所示PM过滤器的一部分的透视图；图5是功能框图，其示出了用于控制图3所示电加热器的示例性控制系统；图6是功能框图，其示出了图5所示的再生控制模块；图7是图1所示PM过滤器一部分的剖视图；图8是图1所示PM过滤器一部分的另一剖视图；图9是图表，其根据本发明，示出了再生期间PM过滤器的示例性温度；图10是图表，其根据本发明，示出了再生期间PM过滤器的示例性PM层厚度；图11是流程图，其示出了根据本发明的用于执行再生的方法的示例性步骤；以及图12是流程图，其示出了根据本发明的用于执行再生的另一方法的示例性步骤。
具体实施例方式下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本公开、其应用或 用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短 语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是逻辑“A或B或C”的含义，其中使用了非排 他的逻辑“或”。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺 序执行。如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多 个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电 路、和/或提供所述功能的其他适合部件。在PM过滤器的再生期间，PM燃烧所产生的热量可导致PM过滤器的温度上升。如 果PM过滤器的温度变得过高，则可能导致PM过滤器的损坏。本发明提供了用于在再生期 间降低PM过滤器最高温度的示例性控制系统和方法。根据下面更详细描述的原理，可通过 利用分层再生过程使PM过滤器再生，从而降低最高温度。分层再生过程可包括第一燃烧过程和第二燃烧过程，PM过滤器中累积的PM的一 部分在第一燃烧过程中燃烧，累积的PM的剩余部分在第二燃烧过程中燃烧。在第一燃烧过程期间，排出发动机的排气温度保持低于PM过滤器的再生温度。如本文所讨论的，术语“再 生温度”将被用于指PM过滤器的温度，在该温度之上，PM过滤器中累积的PM将发生燃烧。虽然将排气温度保持低于再生温度，但热量仍被供应到进入PM过滤器的排气，使 得PM过滤器的入口表面的温度升高到高于再生温度的温度范围内并持续第一时间段。将 入口表面升高到高于再生温度引发了累积的PM的燃烧。在跟随所述第一时间段的第二时 间段期间，排气将入口表面冷却到低于再生温度。第二时间段是足以抑制持续燃烧的冷却 时间段，并且将通常小于第一时间段以及后续的时间段，第二燃烧过程在该后续的时间段 期间进行。通过以前述方式来调节排气和入口表面的温度，第一燃烧过程期间的燃烧可被限 制到所述累积的PM的一部分。特别地，燃烧可被限制到累积的PM的表面层。入口表面的 区可相继加热，以使PM过滤器的独立的对应容积内累积的PM的一些部分相继燃烧。位于 PM过滤器上游端的电加热器可供应热量，该热量使入口表面的温度升高。在第二燃烧过程期间，PM过滤器中累积的剩余PM通过燃烧被去除。可利用使PM 过滤器再生的常规方法使剩余PM燃烧。在两个或更多个容积中累积的PM在第一燃烧过程 中被相继燃烧的情况下，这些容积中的一个的第二燃烧过程可在另一容积的第一燃烧过程 完成之前开始。通过在第一燃烧过程期间去除PM的一部分，可降低后续第二燃烧过程中燃烧的 PM质量。通过降低PM质量，可降低第二燃烧过程期间产生的热量，从而导致PM过滤器的最 高温度降低。参见图1，其示出了根据本发明的示例性发动机和排气系统100的功能框图。发动 机和排气系统100可包括柴油发动机系统102。虽然示出的是柴油发动机系统，但本发明也 可适用于汽油发动机系统、均质充量压燃式发动机系统、和/或其他发动机系统。柴油发动机系统102包括发动机104、排气系统106和调节发动机104和排气系 统106工作的控制模块108。发动机104通过节气门118将空气吸入汽缸120并且在汽缸 120内使空气和柴油燃料的混合物燃烧以产生功率(例如扭矩)。燃料可通过一个或多个 燃料喷射器122被供应到汽缸120中的每一个。汽缸120内的燃烧可通过一个或多个火花 塞124引发。虽然所示发动机104包括了六个汽缸120，但发动机104也可具有更多的或者 更少的汽缸。空气和燃料混合物的燃烧产生热排气，热排气可从发动机104被排放到排气系统 106中。发动机104产生的排气可包含气态化合物和进入排气系统106的PM的混合物。气 态化合物和PM可在排出排气系统106进入周围环境之前得到处理。特别参见图2，排气系统106可包括排气歧管130、消音器132、选择性催化还原 (SCR)系统134、PM过滤器136和次级燃料喷射器138。发动机104产生的排气经由排气 歧管130进入排气系统106并且通过消音器132排出。SCR系统134可降低排气中的氮氧 化物(NOx)浓度。SCR系统134可包括由所示排气管连接的柴油氧化型催化(DOC)转化器 142、尿素喷射器144和SCR催化转化器146。SCR系统134也可包括布置在尿素喷射器144 下游位于排气中的混合器148，该混合器148促进排气和由尿素喷射器144喷入排气中的尿 素的混合。PM过滤器136可从排气去除PM。特别参见图3，PM过滤器136可包括过滤器块160和容纳在壳体164内的电加热器162。过滤器块160可以是任意的常规类型，并且可例 如由堇青石制成。电加热器162可位于过滤器块160的上游端并且可包括电阻线圈170 (图 4)，该电阻线圈170跨入口表面172布置并由此限定加热区174。功率可经由连接器176独 立地供给到每个电阻线圈170。以此方式，每一个电阻线圈170均可被独立地致动。特别参见图4，电加热器162可包括五个电阻线圈170，其如图所示限定了五个加 热区174。应当意识到，也可设置更多的或更少的电阻线圈170。电阻线圈170的数量和布 置可取决于入口表面172的面积以及每个加热区174所需的表面功率密度。数量和布置也 可取决于通过每个加热区174的排气的质量流率。另外，如本文所讨论的，所设置的电阻线 圈170的数量可取决于过滤器块160内由每个电阻线圈170限定的设计容积(projected volume)178(图 3)。再次参见图2，燃料喷射器图所示位于DOC转化器142的上游。燃料喷射器138可 将燃料喷入排气中，该燃料在下游燃烧，由此使排气温度升高。燃料可被喷入排气中以帮助 PM过滤器136的再生，这在下面将进一步描述。排气系统106可进一步包括传感器，其用于感测排气的一个或多个工作状况，例 如排气温度和压力以及排气中的NOx浓度。仅作为示例，排气系统106可包括第一 NOx传 感器180、第一温度传感器182、第二 NOx传感器184、第二温度传感器186和压差传感器 188。传感器180-188可基于感测到的工作状况产生信号。由位于排气系统106内的传感 器(例如前面的传感器180-188)所产生的信号在后文中以及在附图中可被共同称为“排气 信号”。第一 NOx传感器180和第一温度传感器182可位于DOC转化器142的上游。第一 NOx传感器180可感测进入SCR系统134的排气中存在的NOx浓度，并且可基于感测到的浓 度产生输出信号。第一温度传感器182可感测进入SCR系统134的排气的温度，并且可基 于感测到的温度产生输出信号。第二 NOx传感器184可位于SCR催化转化器146的下游。第二 NOx传感器184可 感测排出SCR系统134的排气中的NOx浓度，并且可基于感测到的浓度产生输出信号。NOx 传感器180、184产生的输出信号也可用于确定排气中的氧气浓度。第二温度传感器186可位于PM过滤器136的上游端并且可感测进入PM过滤器 136的排气的温度。第二温度传感器186可基于感测到的温度产生输出信号。压差传感器188可流体联接到PM过滤器136的上游端和下游端。压差传感器188 可感测在进入PM过滤器136的排气的第一压力和排出PM过滤器136的排气的第二压力之 间的差。压差传感器188可基于感测到的存在于第一和第二压力中的差而产生输出信号。 压差传感器188产生的输出信号可用于确定PM过滤器136的背压。再次参见图1，控制模块108调节发动机104和排气系统106的工作。控制模块 108可基于发动机传感器(未示出)产生的信号对工作进行调节，所述发动机传感器测量发 动机104的一个或多个工作状况。工作状况可包括例如进入发动机的空气质量流量以及发 动机冷却剂温度。发动机传感器产生的信号可在后文中以及在附图中被共同称为“发动机 信号”。控制模块108可进一步基于排气信号对工作进行调节。控制模块108可通过控制致动器对工作进行调节，这些致动器改变发动机104的 工作状况，例如但不限于进气供应、燃料供应和火花正时。作为一个示例，控制模块108可通过控制节气门118来调节进入发动机104的空气质量流量。控制模块108可进一步通过 控制排气致动器对工作进行调节，所述排气致动器改变排气系统106的工作状况。例如，控 制模块108可通过控制尿素喷射器144拉调节喷入排气中的尿素质量。控制模块108可包 括调节各种工作状况的一个或多个模块，例如排气系统模块190。特别参见图5，现在将详细描述排气系统模块190。根据本发明，排气系统模块190 与控制模块108的其他模块一同工作并且由此调节发动机104和排气系统106的工作。特 别地，排气系统模块190在需要使PM过滤器136再生时对工作进行调节。排气系统模块190可包括SCR控制模块200、喷射器致动器模块202、再生控制模 块204和加热器致动器模块206。SCR控制模块200可经由喷射器致动器模块202调节SCR 系统134的工作，并由此调节排气中的NOx浓度。SCR控制模块200可输出SCR系统控制 值，例如将被喷入到排气中的期望尿素质量，该SCR系统控制值被喷射器致动器模块202接 收。喷射器致动器模块202可基于接收到的控制值来控制尿素喷射器144的工作。再生控制模块204确定是否使PM过滤器136再生。当需要再生时，再生控制模块 204与其他模块一同工作以在本发明的分层再生过程期间或者之前的时间段期间对工作进 行调节。在分层再生过程之前，再生控制模块204可调节工作状况，使得在分层再生过程期 间，排气排放可被保持在期望限度内。仅作为示例，再生控制模块204可与SCR系统134 — 同工作以调节PM过滤器136内的氨储备，并由此调节后续分层再生过程期间的NOx排放。 在分层再生过程之前和期间，再生控制模块204可调节排出发动机104的排气的温度。在 分层再生过程期间，再生控制模块204可经由加热器致动器模块206调节电加热器162。通 过调节电加热器162，再生控制模块204可调节入口表面172的温度。特别参见图6，其示出了再生控制模块204的示例性实施例。再生控制模块204包 括负载确定模块210、再生确定模块212、第一 PM燃烧模块214和第二 PM燃烧模块216。负 载确定模块210接收发动机信号和排气信号中的一个或多个，并且基于接收到的信号确定 PM过滤器136的PM负载。负载确定模块210可根据常规方法确定PM负载。例如，可基于 发动机运行时间和/或PM过滤器136产生的背压来确定PM负载。因此，负载确定模块210 可基于压差传感器188感测到的压差来确定PM负载。PM负载可以是PM过滤器136中累积的PM的估计质量。替代性地，PM负载可以是 基于累积的PM的估计质量的值，例如累积的PM的估计质量与PM目标质量的比，低于该PM 目标质量时，PM过滤器136应当工作。负载确定模块210可向再生确定模块212输出PM负载。再生确定模块212可基于PM负载确定是否请求对PM过滤器136进行再生。例如， 再生确定模块212可通过比较PM负载和预定阈值负载来确定是否请求再生。阈值负载可 以是存储在存储器内的预定值，高于阈值负载时，应当执行再生。阈值负载可通过经验性方 法确定。再生确定模块212输出再生请求，其指示是否对PM过滤器136进行再生。再生确 定模块212可向第一和第二 PM燃烧模块214、216输出再生请求。第一和第二 PM燃烧模块214、216可接收再生请求，并且当再生被请求时可一同工 作以使PM过滤器136再生。如下面将进一步详细讨论的，第一和第二 PM燃烧模块214、216 可分别在第一燃烧过程和第二燃烧过程期间调节排出发动机104和PM过滤器136的入口 表面172的排气的温度。第一和第二 PM燃烧模块214、216可基于接收到的一个或多个发动机和排气信号对工作进行调节。第一和第二 PM燃烧模块214、216也可产生用于调整工 作状况并由此对工作进行调节的控制值。第一 PM燃烧模块214可调节发动机104和排气系统106的工作，使得PM过滤器 136中累积的PM的一部分在第一燃烧过程中燃烧。第一 PM燃烧模块214可对工作进行调 节使得两个或更多个加热区174的设计容积178中的PM的一部分燃烧。在第一加热时间段期间，第一PM燃烧模块214可调节发动机104，使得排出发动机 104的排气处于第一排气温度范围中的第一目标发动机停车(engine-out)排气温度，第一 排气温度范围低于再生温度。仅作为示例，第一排气温度范围可包括低于或等于450°C的温 度。在第一加热时间段期间，第一 PM燃烧模块214可进一步调节电加热器162以将热 量供应到排气，使得PM过滤器136的入口表面172被加热到第一入口温度范围中的第一目 标入口温度，第一入口温度范围高于再生温度。仅作为示例，第一入口温度范围可包括在 700°C和800°C之间的温度。在接着第一加热时间段的冷却时间段期间，第一 PM燃烧模块214可对工作进行调 节，使得入口表面172被冷却到低于再生温度。第一 PM燃烧模块214可退动(de-actuate) 电加热器162并且调节发动机104，使得排出发动机104的排气被维持在第一排气温度范围 内。这样，排气可用于在相对短的时间段内将入口表面172冷却到低于再生温度，由此抑制 持续的燃烧。 第一 PM燃烧模块214可传送加热器控制值，加热器致动器模块206在第一加热时 间段期间利用该加热器控制值控制电加热器162的工作。加热器控制值可对应于第一目标 入口温度和第一入口温度范围、致动每个电阻线圈170的时间段、致动加热区174的顺序、 以及每个加热区174的目标排气温度。第一 PM燃烧模块214可基于排出发动机的排气温 度和/或排气中的氧气浓度来产生加热器控制值。第一 PM燃烧模块214可传送其他控制 值，这些其他控制值用于在第一加热时间段期间对工作进行调节。第二 PM燃烧模块216可在第二加热时间段期间调节发动机104和排气系统106 的工作，使得累积的PM的剩余部分在第二燃烧过程中燃烧。在第二加热时间段期间，第二 PM燃烧模块216可对工作进行调节，使得入口表面172被加热到第二入口温度范围中的第 二目标入口温度，第二入口温度范围高于再生温度。仅作为示例，第二入口温度范围可包括 550°C和650°C之间的温度。虽然第二入口温度范围可包括低于第一入口温度范围的温度， 如本文所公开的那样，但应当理解的是，第二入口温度范围可包括更高的温度。第二入口温 度范围可包括处于第一入口温度范围内的温度。加热器致动器模块206接收加热器控制值，并且可基于接收到的加热器控制值来 控制电加热器162的工作。加热器致动器模块206可经由连接器176选择性地向电阻线圈 170供应功率。特别参见图7，现在将进一步详细讨论PM过滤器136捕获PM的工作。排气进入 PM过滤器136的上游端并且在进入过滤器块160的交替的闭合通道300和打开通道302之 前流经电阻线圈170。通道300、302的端部可通过塞304交替地密封。排气通过位于闭合 通道300上游端的开口 306进入过滤器块160，并且通过位于打开通道302的下游端的开口 308排出。沿途，排气穿过通道300、302的壁310。排气中的PM通过壁310累积并且在位于上游端和下游端之间沿壁310长度的两侧形成层312。层312的长度和厚度可取决于过 滤器块160的构造以及累积的PM的量而改变。现在参见图8-10，将进一步详细讨论发动机和排气系统100使PM过滤器136再生 的工作。特别参见图8，其示出了 PM过滤器136的一部分。特别地，图8示出了用于单个加 热区174的设计容积178。简单起见，示出了单个闭合通道300和两个打开通道302。然而 应当理解的是，每个加热区174的设计容积178可包括更多的或更少的通道300、302。当请求对PM过滤器136进行再生时，第一 PM燃烧模块214开始第一燃烧过程。在 第一燃烧过程中，PM过滤器136中累积的PM的一部分在第一加热时间段期间燃烧。第一 燃烧过程可包括在一个或多个设计容积178内燃烧累积的PM的一些部分。在第一燃烧过 程中，一个或多个设计容积178内的层312的表面层320被燃烧。每个设计容积178内的 表面层320均可被燃烧。如下面进一步详细讨论的，每个设计容积178内的表面层320的 燃烧可被顺序地引发。替代性地，两个或更多个设计容积178内的表面层320的燃烧可在 几乎同一时间被引发。接着第一燃烧过程，第二 PM燃烧模块216开始第二燃烧过程。在第二燃烧过程 中，PM过滤器136内累积的PM的剩余质量在第二加热时间段期间燃烧。以此方式，第一燃 烧过程之后层312中剩余的PM可被燃烧。在第一燃烧过程包括在两个或更多个设计容积 178中的顺序燃烧的情况下，第二燃烧过程可在完成受影响的设计容积178的第一燃烧过 程之前开始。例如，第二燃烧过程可在一个设计容积178中的第一燃烧过程完成之前在另 一个已经完成第一燃烧过程的设计容积178内开始。考虑到前面所述，在第一加热时间段期间，第一 PM燃烧模块214可调节发动机104 使得排出发动机104的排气处于第一排气温度范围中的第一目标发动机停车排气温度。以 此方式，排出发动机104的排气可被维持低于再生温度。应当意识到，第一加热时间段期间 排出发动机104的排气的温度可取决于其他工作状况而改变，例如发动机104的发动机速 度和/或期望功率输出。在第一加热时间段期间，第一 PM燃烧模块214可进一步调节电加热器162，使得 PM过滤器136的入口表面172被维持在第一入口温度范围中的第一目标入口温度。特别 地，第一 PM燃烧模块可致动每个加热区174的电阻线圈170，由此调节给通过每个加热区 进入的排气所供应的热量大小。热量可以被顺序地供应在每个加热区174中，并且持续以 预定致动时间段。该致动时间段可以是单个预定时间段，或者对于各个加热区174可不同。 仅作为示例，致动时间段可以是约60秒的单个预定时间段。电阻线圈170可各自被致动以对应的致动时间段，使得在致动时间段期间进入通 道300、302的排气的温度处于或接近每个加热区174的目标区入口排气温度。通常，目标区 入口排气温度是在致动时间段内足以将高于再生温度的入口表面172温度升高到第一目 标入口温度的温度。以此方式，第一 PM燃烧模块214可在致动时间段期间将入口表面172 的温度升高到足以导致表面层320燃烧的温度。燃烧可在位于闭合通道300的上游端处或附近的表面层320内被引发。在致动时 间段期间，燃烧可随后在表面层320内沿壁310的长度朝向下游端前进。在结束之前，表面 层320的燃烧可接着在致动时间段后持续一个短的时间段。在致动时间段期间，电阻线圈170供应的热量在与PM燃烧期间所产生的热量结合起来时，可足以导致表面层320沿壁310的长度燃烧。然而通常的情况是，一旦致动时间段 已经结束，则燃烧期间产生的热量不足以使燃烧延长。一旦致动时间段已经结束，则进入通 道300、302中的排气的更加寒冷的温度抑制了燃烧。因此，在每个加热区174的致动时间 段结束时，在每个设计容积178内通常将剩余一部分的层312。图9-10提供了 PM过滤器温度和PM层厚度的图表，其示出了第一燃烧过程中表面 层320的燃烧。特别地，图9-10的图表示出了在等于30秒的加热时间段期间的燃烧。图 9是温度随轴向位置变化的示例性图表，其示出了燃烧沿过滤器块160长度的前进。在该 图中，在温度迹线350、352、354中分别绘出了在引发燃烧后的时间间隔61秒、120秒和240 秒时测得的沿所述长度的温度。温度迹线350、352、354的峰示出了燃烧沿长度的前进。从 图中可以看出，在30秒的加热时间段期间，峰沿长度前进，并且此后持续一个时间段。图10是绘出了在图9所示加热时间段期间PM层(即层312)厚度的图表。在该 图中，在厚度迹线360、362、364中分别绘出了在类似时间间隔时测得的沿过滤器块160长 度的PM层厚度。这些迹线示出了在第一燃烧过程期间由于表面层(即表面层320)的去除 而引起的PM层厚度的逐渐减小。图9-10示出了第一燃烧过程期间燃烧的前进以及PM过滤器136中累积的PM质 量的对应减少。图9-10进一步示出了表面层320的燃烧可在热量被供应到排气以引发和 促进燃烧的时间段(即第一加热时间段)之后继续持续一个时间段。在位于过滤器块160 的两个或更多个设计容积178内的表面层320按顺序燃烧的情况下，这些设计容积178内 的燃烧时间段可重叠，但是对应的第一加热时间段并不重叠。在完成第一燃烧过程后，第二燃烧过程开始。第二燃烧过程可在第一燃烧过程结 束时开始或者在此后的一个短时间段内开始。在第二燃烧过程期间，层312内的剩余PM在 第二加热时间段期间燃烧。通常，第二加热时间段可以是比第一加热时间段更长的持续时 间段，并且可大于第一燃烧过程的第一加热时间段的总和。第二加热时间段可以是更长的 持续时间段，其中在第一燃烧过程后剩余的PM质量大于在第一燃烧过程期间所燃烧的质 量。第二加热时间段可以是更长的时间段，其中入口表面172在第二燃烧过程期间被加热 到的温度比在第一燃烧过程期间所加热到的温度更低。另外，第二加热时间段将通常是比 抑制第一燃烧过程中的持续燃烧的冷却时间段更长的持续时间段。第二燃烧过程可通过用于再生的常规方法实施。在一种常规方法中，过滤器块160 的入口表面172的温度被升高到使剩余PM可被引发燃烧的温度并且被保持以第二加热时 间段的时间。仅作为示例，入口表面172可在第二时间段期间被升高到并且维持在约600°C 的温度。更具体地，入口表面172可被升高到550°C的温度并持续第一时间段，然后被升高 到600°C并持续第二时间段，然后被升高到630°C并持续第三时间段。例如，第一、第二和第 三时间段可各自约为10分钟。在这种情况下，第二加热时间段将为30分钟。包括了第一、 第二和第三时间段的第二加热时间段可以是基于入口表面172所工作的温度的预定时间 段。第二燃烧过程可按照主动过程来实施，由此，燃料在PM过滤器136上游被喷入 排气中并燃烧，使得达到上游端的期望温度。例如，在燃烧过程期间，燃料的次级质量 (secondary mass)可由燃料喷射器138喷入排气中并且在DOC转化器142内燃烧，由此使 排气的温度升高。也可使用其他调节发动机104的方法，例如延迟主燃料喷射和进气节气门调节。另外，一个或多个加热区174可被致动以供应额外的热量，由此使排气的温度进一
步升尚。特别参见图11，其给出了根据本发明的用于使PM过滤器(例如PM过滤器136)再 生的示例性控制方法400。将参照本文前面公开的发动机和排气系统100以及控制值来描 述方法400。方法400可在一个或多个模块中实施，例如排气系统模块190。方法400可在 发动机104工作期间周期性运行，以管理PM过滤器136中PM的积累。方法400开始于步骤402，其中控制方法确定发动机104是否运行。如果发动机 104正在运行，则控制方法前进到步骤404，否则控制方法如图所示循环返回。在步骤404中，控制方法确定PM过滤器136的PM负载，并且控制方法前进到步骤 406。如本文前面所讨论的，PM负载可以是PM过滤器136中累积的PM的估计质量。控制 方法前进到步骤406，其中控制方法确定是否对PM过滤器136进行再生。控制方法可通过 比较PM负载和阈值负载来确定是否再生。阈值负载可代表阈值质量。因此，控制方法可在 PM负载大于阈值负载时确定对PM过滤器136进行再生。如果控制方法确定对PM过滤器 136进行再生，则控制方法前进到步骤408，否则控制方法如图所示循环返回。在步骤408中，控制方法确定用于在分层再生过程期间以顺序步骤执行的操作发 动机和排气系统100的控制值。控制值可包括但不限于本文前面所讨论的入口表面172的 第一和第二目标入口温度和范围、目标发动机停车排气温度和范围、目标区入口排气温度、 区顺序、以及用于电加热器162的加热和致动时间段。接下来，在步骤410-414中，控制方法调节发动机和排气系统100的工作，使得层 312中累积的PM的一部分在第一燃烧过程中燃烧。特别地，控制方法对工作进行调节，使得 燃烧被限制于累积的PM的表面层320。在步骤410中，控制方法将入口表面172加热到高 于再生温度的第一入口温度范围内并持续第一加热时间段。控制方法可在第一加热时间段 期间致动电加热器162以加热进入PM过滤器136的排气，并由此将入口表面172加热到第 一目标入口温度。控制方法可致动电加热器162，使得排气以目标区入口排气温度进入PM 过滤器136。控制方法可同时致动每个加热区174的电阻线圈170，并由此同时使每个设计容 积178内的表面层320燃烧。替代性地，控制方法可根据区顺序来顺序地致动每个电阻线 圈170并持续对应的致动时间段。以此方式，控制方法可顺序地使每个设计容积178内的 表面层320燃烧。在前述两种方式中，控制方法可选择性地致动电阻线圈170并由此引发 燃烧，从而使选定的设计容积178的表面层320燃烧。如步骤412中所示，控制方法可在第一加热时间段期间将排出发动机104的排气 温度维持在低于再生温度的第一排气温度范围内。特别地，控制方法可将排气温度维持在 目标发动机停车排气温度。控制方法可按照前述方式调节排气温度，以便有助于在后续步 骤中冷却入口表面172。接下来，在步骤414中，接着在第一加热时间段后，控制方法将入口表面172冷却 到低于再生温度并持续冷却时间段。控制方法将入口表面172冷却到低于再生温度，以便 抑制表面层320的持续燃烧。以此方式，控制方法可停止表面层320的燃烧并且对层312 在第一燃烧过程期间所燃烧的部分进行控制。控制方法可在冷却时间段期间将排出发动机 104的排气温度维持在第一排气温度范围内。冷却时间段可小于第一加热时间段。
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控制方法前进到步骤416，其中控制方法调节发动机和排气系统100的工作并持 续第二加热时间段，使得层312中剩余的累积PM在第二燃烧过程中燃烧。控制方法可对工 作进行调节，使得入口表面172的温度被维持在高于再生温度的第二入口温度范围内并持 续第二加热时间段。控制方法可将入口表面172维持在第二目标入口温度。以此方式，控 制方法可引发层312中的剩余PM的燃烧。第二加热时间段可大于第一加热时间段和冷却 时间段。在第二加热时间段结束时，根据方法400进行的控制在步骤414中结束。特别参见图12，其给出了根据本发明用于使PM过滤器(例如PM过滤器136)再生 的另一个示例性控制方法500。方法500类似于方法400，除了在方法500中，在其期间两 个设计容积178内累积的PM的一部分在第一燃烧过程中燃烧的加热时间段与在其期间两 个设计容积178内的剩余PM在第二燃烧过程中燃烧的加热时间段重叠。虽然方法500公 开了涉及两个设计容积178的分层再生过程，但应当意识到的是方法500中也可包括另外 的设计容积178。方法500开始于步骤502，其中控制方法确定发动机104是否运行。如果发动机 104正在运行，则控制方法前进到步骤504，否则控制方法如图所示循环返回。在步骤504中，控制方法确定PM负载并且控制方法前进到步骤506。在步骤506 中，控制方法确定是否对PM过滤器136进行再生。控制方法可通过比较PM负载和阈值负 载来确定是否再生。如果控制方法确定对PM过滤器136进行再生，则控制方法前进到步骤 508，否则控制方法如图所示循环返回。在步骤508中，控制方法确定用于以顺序步骤操作发动机和排气系统100的控制 值。控制值可包括但不限于本文前面所讨论的用于入口表面172的第一和第二目标入口温 度和范围、目标发动机停车排气温度和范围、目标区入口排气温度、区顺序、以及电加热器 162的加热和致动时间段。在步骤510中，控制方法将入口表面172的第一区加热到高于再生温度的第一入 口温度范围内并持续第一加热时间段。控制方法可在第一加热时间段期间致动对应于第一 加热区174的电阻线圈170以加热第一区。以此方式，控制方法可导致对应于第一加热区 174的设计容积178中PM的层312 (例如表面层320)的一部分燃烧。控制方法可在第一加 热时间段期间将排出发动机104的排气温度维持成低于再生温度。接下来，在步骤512中，接着在第一加热时间段后，控制方法将第一区冷却到低于 再生温度并持续第一冷却时间段，由此抑制对应设计容积178中PM的持续燃烧。在冷却时 间段期间，控制方法可退动对应的电阻线圈170，并且可将排气温度维持在低于再生温度的 第一排气温度范围内。第一冷却时间段可小于第一加热时间段。接下来在步骤514中，控制方法将第一区加热到高于再生温度的第二入口温度范 围内并持续第二加热时间段。以此方式，控制方法可导致对应设计容积178中的层312中 的剩余PM燃烧。控制方法可致动对应的电阻线圈170以加热第一区。第二加热时间段可 大于第一加热时间段和第一冷却时间段。接下来在步骤516中，控制方法在第三加热时间段期间将入口表面172的第二区 加热到第一入口温度范围内。以此方式，控制方法可导致对应于第二加热区174的设计容 积178中PM的层312的一部分燃烧。控制方法可致动对应于第二加热区174的电阻线圈 170以加热第二区。控制方法可在第三加热时间段期间将排出发动机104的排气温度维持成低于再生温度。接下来，在步骤518中，接着在第三加热时间段后，控制方法将第二区冷却到低于 再生温度并持续第二冷却时间段，由此抑制对应设计容积178中PM的持续燃烧。在第二冷 却时间段期间，控制方法可退动对应的电阻线圈170，并且可将排气温度维持在第一排气温 度范围内。第二冷却时间段可小于第三加热时间段。接下来在步骤520中，控制方法将第二区加热到第二入口温度范围内并持续第四 加热时间段。以此方式，控制方法可导致对应于第二加热区174的设计容积178中的层312 中的剩余PM燃烧。控制方法可致动对应的电阻线圈170以加热第二区。第四加热时间段 可大于第三加热时间段和第二冷却时间段。在第二时间段结束时，根据方法500进行的控 制在步骤508中结束。本发明的广泛教导可按照多种形式实施。因此，尽管本发明包括了具体示例，但本 发明的真实范围却不应当限于这些具体示例，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书 和所附权利要求后将会明白其他的修改。
权利要求
1.一种用于发动机的控制系统，包括输入装置，其接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机的排 气中过滤颗粒物；以及再生模块，其响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进行加 热的电加热器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器将所述入口表面维持在高于所述颗粒物过滤器的 再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第一质量 的燃烧；在接着所述第一加热时间段的冷却时间段内，所述排气将所述入口表面冷却到低于所 述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；以及在接着所述冷却时间段的第二加热时间段内，所述入口表面被维持在高于所述再生温 度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第二质量燃烧。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述冷却时间段小于所述第一加热时 间段和所述第二加热时间段。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述第一加热时间段小于所述第二加 热时间段，其中，所述第二加热时间段紧接着所述冷却时间段。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一加热时间段基于下述之一所 述排气的第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在所述第一加热时间段期间，所述电加 热器将所述入口表面维持在目标入口温度，所述目标入口温度基于下述之一所述排气的 第一排气温度和所述排气中的氧气浓度。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，界定所述第一入口温度范围的第一温 度高于界定所述第三入口温度范围的第二温度。
7.一种用于发动机的控制系统，包括输入装置，其接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机的排 气中过滤颗粒物；以及再生模块，其响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进行加 热的电加热器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器的第一电阻线圈将所述入口表面的第一区维持在 高于所述颗粒物过滤器的再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内 累积的颗粒物的第一质量的燃烧；在第二加热时间段内，所述电加热器的第二电阻线圈将所述入口表面的第二区维持 在所述第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第二质量的燃 烧；在接着所述第一加热时间段的第一冷却时间段内，所述发动机的排气将所述第一区冷 却到低于所述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；在接着所述第二加热时间段的第二冷却时间段内，所述发动机的排气将所述第二区冷 却到所述第二入口温度范围内，并且抑制所述第二质量的燃烧；以及在接着所述第一和第二冷却时间段的第三加热时间段内，所述入口表面被维持在高于所述再生温度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第三质量燃烧。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述第二加热时间段接着所述第一加 热时间段。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述第二加热时间段接着所述第一冷 却时间段。
10.一种用于控制发动机的方法，包括接收使颗粒物过滤器再生的请求，所述颗粒物过滤器从所述发动机的排气中过滤颗粒 物；以及响应于所述请求调节所述发动机和对所述颗粒物过滤器入口表面进行加热的电加热 器的工作，使得在第一加热时间段内，所述电加热器将所述入口表面维持在高于所述颗粒物过滤器的 再生温度的第一入口温度范围内，并且引发所述颗粒物过滤器内累积的颗粒物的第一质量 的燃烧；在接着所述第一加热时间段的冷却时间段内，所述排气将所述入口表面冷却到低于所 述再生温度的第二入口温度范围内，并且抑制所述第一质量的燃烧；以及在接着所述冷却时间段的第二加热时间段内，所述入口表面被维持在高于所述再生温 度的第三入口温度范围内，并且使所述累积的颗粒物的第二质量燃烧。
全文摘要
本发明涉及用于颗粒物过滤器的分层再生的系统和方法。具体地，提供了一种用于控制发动机的方法，其包括接收使颗粒物过滤器再生的请求；和响应于该请求调节发动机和对过滤器入口表面进行加热的电加热器的工作，使得在第一时间段内，加热器将入口表面维持在高于过滤器的再生温度的第一温度范围内，并且引发过滤器内累积的颗粒物的第一质量的燃烧，在接着第一时间段的第二时间段内，排气将入口表面冷却到低于再生温度的第二温度范围内，并且抑制第一质量的燃烧，以及在接着第二时间段的第三时间段内，入口表面被维持在高于再生温度的第三温度范围内，并且使累积的颗粒物的第二质量燃烧。还提供了相关的控制系统。
文档编号F01N9/00GK101994557SQ201010254219
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者E·V·冈策, G·巴蒂亚, M·J·小帕拉托尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司