專利名稱：提高碳粒負荷估測準確性的方法
技術領域：
一般而言，本發明涉及一種清洗濾清器后分析測量誤差的方法；更具體地講，本發 明涉及一種提高微粒濾清器(particulate filter)中碳粒負荷(soot load)估測準確性 的方法，該微粒濾清器用于柴油機尾氣的后處理。
背景技術：
后處理裝置廣為人知，并廣泛用于各種內燃機之尾氣的后處理中。這類裝置，如柴 油氧化催化劑(DOC)和柴油微粒濾清器(DPF)，對于處理和/或除去有害成分非常有用，這 些有害成分包括一氧化碳、一氧化氮、未燃燒的烴、以及發動機排氣中的碳粒。當柴油微粒濾清器從尾氣中收集微粒物例如碳粒時，背壓(backpressure)將增 加。除非除去碳粒，否則碳粒在過濾器中的積累會降低燃料效率。為了除去柴油微粒濾清器中的碳粒，經常通過加熱，將捕獲的碳粒轉化為二氧化 碳，使柴油微粒濾清器再生。通常，再生過程的健康程度(也即碳粒的脫除程度)是基于德 爾塔壓力(delta pressure)的碳粒負荷估測而確定的。然而，估測中的誤差可能會導致失 敗的模式，例如再生過程失控或燃料經濟性下降。因而，有必要提高基于德爾塔壓力的碳粒 負荷估測的準確性。

發明內容
本發明公開了一種提高基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測準確性的方法，其可用于 確定柴油微粒濾清器的再生過程是否健康。盡管該方法特別適用于尾氣后處理系統中柴油 微粒濾清器的再生過程中估算碳粒的負荷，但該方法也可用于其它希望測量過濾器清洗后 或再生后是否健康的過濾器技術。本發明公開的方法考慮了某些干擾因素(noise factors)，以提高估測的準確性。 所使用的估測值是一能表征濾清器清洗后所殘留的微粒物量的數值，而不是微粒物的實際 測量值，從而提高了準確性，并能更好地識別出未能適當再生/清洗的濾清器。在一實施方式中，本發明方法涉及在柴油微粒濾清器清洗之后調節用于估算碳粒 負荷的參考值(reference value)。本發明方法包括通過清洗從柴油微粒濾清器去除碳粒， 并為一組預定的標準而測量若干參數。清洗過程一直持續，直到達到所有的預定標準。之 后，就可以基于德爾塔壓力估算出柴油微粒濾清器中的碳粒負荷。所得到的碳粒負荷的估 測結果，可以說明干擾因素，例如擴展操作之后的灰分負荷。在后續的清洗處理后，該值用 于調節柴油微粒濾清器內碳粒負荷的進一步估測。
在另一實施方式中，本發明的方法涉及通過核實是否達到制造商規定的標準、來 判斷濾清器的再生是否健康。該方法包括將柴油微粒濾清器的入口溫度與目標溫度進行比 較、以及將柴油微粒濾清器的入口體積流率(flow rate)與要求的體積流率進行比較。在 再生過程中，如果達到標準的時間大于預定的閾值，則該柴油微粒濾清器判斷為健康。該方 法還涉及在達到預定標準的再生過程結束時，確定基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測，然后 通過將基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測與預定的閾值進行比較，以確定是否達到制造商定 義的標準。


圖1顯示了在柴油微粒濾清器中德爾塔壓力與體積流率之比的特征曲線；圖2顯示了來自典型樣本的、未調節的、基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測數據；圖3顯示了具有預定標準的濾清器清洗后，基于干凈的濾清器的流動阻力測量值 的、調節過的、基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測；圖4顯示了本發明方法的一實施方式；圖5顯示了可從濾清器隨時間的診斷中所得到的數值的典型代表。
具體實施例方式以下描述了如何提高可除去的微粒物之負荷估測的準確性的方法，該微粒物之負 荷是經過清洗之后殘留在濾清器內的。本發明所公開的方法可以調節因偏置因素(或稱偏 移因子，offsetting factor)如濾清器之間的流動阻力的變化所導致的誤差。下面描述中， 濾清器為柴油微粒濾清器(DPF)，需要過濾的材料為尾氣。然而，在適當的條件下，這里所描 述的概念可應用于其它類型的過濾器和過濾系統，例如，過濾水的水過濾系統。在一實施方式中，本發明所公開的方法包括基于德爾塔壓力估算濾清器中的碳粒 負荷。在估算碳粒負荷時，柴油微粒濾清器在使用之前要先進行校準。校準所使用的柴油 微粒濾清器是幾乎沒有污染的新濾清器。校準通常包括使尾氣以特定的體積流率流經幾乎 無污染或無污染的柴油微粒濾清器，然后測量德爾塔壓力。這種相對于體積流率的德爾塔 壓力的測量值，代表了干凈的柴油微粒濾清器中流動阻力的基線。校準進一步包括用已知 數量的碳粒，對幾乎無污染或無污染的柴油微粒濾清器施加負荷，再使尾氣以特定的體積 流率通過，然后測量德爾塔壓力。圖1顯示了由這樣的校準生成的特征曲線圖，其表示了在不同的碳粒負荷下尾氣 以特定的體積流率通過時所測得的柴油微粒濾清器的德爾塔壓力值。特別地，圓形標記的 曲線代表碳粒負荷為9g/L，星形標記的曲線代表碳粒負荷為5g/L，十字形標記的曲線代表 碳粒負荷為3g/L。三角形標記的曲線代表碳粒負荷為Og/L，其可以作為干凈的柴油微粒濾 清器中流動阻力的基線。這些曲線隨后用作估算柴油微粒濾清器中碳粒負荷的參考點，例 如，在擴展操作之后，比較特定流率下由德爾塔壓力的后續測量所生成的數據。為了測量經過一段時間使用后的干凈濾清器的流動阻力，柴油微粒濾清器必須除 去積累的碳粒。本發明所公開的方法中包括清洗柴油微粒濾清器，例如，在柴油微粒濾清 器的上游使用柴油氧化催化劑(DOC)，以達到一項或多項預定的標準。需要認識到，清洗柴 油微粒濾清器以除去碳粒的工藝并不特別限定于此，其可以是具有不同結構的不同清洗系統。預定標準的參數并無特別限制，其可以包括清洗的持續時間、清洗過程中的流率 以及清洗過程中的DPF入口溫度。用作標準的預定標準必須在測量基于德爾塔壓力的碳粒 負荷估測測量之前達到。在一實現方式中，如果下列要求滿足，則達到預定標準(1)在清洗過程中，DPF入 口溫度達到目標溫度的時間百分比高于預定閾值；以及(2)在清洗過程中，DPF體積流率達 到要求的體積流率的時間百分比高于預定閾值。如果在清洗過程結束的時候，未達到所有的預定標準，則延長清洗過程，以確保大 部分碳粒從濾清器中除去。另一方面，如果達到所有的預定標準，則以特定的流率測量德爾 塔壓力，以獲得碳粒負荷的估測。在某些情況下，基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測可能不會指示零碳粒水平。不拘 泥于理論，一個可能的原因解釋如下。如前所述，特征曲線是通過校準幾乎無污染的新濾清器生成的。然而，實際上，使 用的柴油微粒濾清器可能與產生上述曲線的柴油微粒濾清器不同。由于不同柴油微粒濾清 器之間其流動阻力是顯著不同的，可以預料用于產生上述曲線的DPF干凈濾清器的流動阻 力，與替代的DPF的流動阻力不同。除此之外，在擴展操作后暴露于尾氣中的DPF，積累了碳粒之外的微粒物，例如灰 分(ash)，這些微粒物經上述清洗過程后，依然殘留在濾清器中。這類碳粒之外的微粒物可 能導致在清洗過程之后，測量基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測時發生偏差。為了說明這類偏差的原因，本發明公開的方法將清洗后測量的基于德爾塔壓力的 碳粒負荷估測(該清洗達到了所有的預定標準)與校準的基線進行了比較。隨后計算出二 者的差，并生成一個差異值(disparate value) 0通過調節在干凈的DPF中基于差異值的 流動阻力的基線，而使該差異值用于調節后續測量中得到的基于德爾塔壓力的碳粒負荷估 測。當進行后續測量時，可以將后續得到的基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測值，與先 前的測量值進行比較。通過調節已調節的基線，可利用后續測量值和先前測量值之差來調 節之后的測量。與先前測量進行比較的、用于進行調節的后續測量的次數并無特別限定。實驗驗證圖2顯示了在一實施方式中DPF的基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測的數據組，該 組DPF來自滿足上述預定標準清洗之后的一隊越野卡車。在這個數據組中，樣本量為78，平 均值為9. 5925，標準偏差為9. 7867。圖2同時顯示了正態測試(Anderson-Darling test) 的結果。計算出的A2值非常小，為0. 58，相應的ρ值非常大，為0. 128。圖3顯示了上述數據組基于清洗過程后的干凈濾清器流動阻力測量值和校準的 基線之間的差值進行調節后的標準化調節值。在本例中，平均值9. 5925調節至0，使得標準 偏差變為5. 5513。此處，計算出的A2值非常大，為1.11，并且ρ值非常小。同樣地，統計表 明分布更窄并且更集中。在上述例子中，平均值9. 7867用作差異值。該平均值可以用于調節經另一滿足預 定標準的清洗之后、所得到的后續基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測。需要認識到，用于調節 后續測量以說明偏差原因的數學計算并非是特別限定的，其可以通過減去差值、乘以一個常數或其它方法而實現。在另一實施方式中，本發明所公開的方法包括判斷清洗后濾清器是否符合某些特 定的標準，例如，制造商規定的標準。該方法包括將清洗后微粒物的負荷與預定的閾值進 行比較，以進一步判斷清洗的效果。在一操作模式中，柴油微粒濾清器可由車載故障診斷 (OBD)符合性監控進行判斷。為了滿足車載故障診斷符合性監控的要求，需要設計一個檢 測儀，以便在需要除去碳粒的情況下，能夠檢測到從柴油微粒濾清器中除去碳粒的失敗。在 這種操作模式中，從柴油微粒濾清器中除去碳粒包括通過加熱將捕集的碳粒轉化為二氧化 碳、以使柴油微粒濾清器再生。在一實現方式中，車載故障診斷(OBD)符合性的判斷方法包括通過監測預定標準 的參數而檢查再生的效果。圖4顯示了該方法所涉及步驟的一實例100。如圖4所示，方法100包括在一運行的再生過程中，將柴油微粒濾清器的入口溫度 與目標溫度進行比較110、將柴油微粒濾清器的入口體積流率與要求的體積流率進行比較 120。然后，基于比較110和比較120，計算出在再生過程中符合下列條件的時間百分比⑴ 柴油微粒濾清器的入口溫度達到目標溫度；(2)柴油微粒濾清器的入口體積流率達到要求 的體積流率。然后，確定是否達到預定的標準130。如果在再生過程結束之前，計算的百分比高于預定的閾值，而且基于模型的碳粒 負荷估測低于預定的閾值，則達到預定的標準。如果達到預定的標準，那么再生過程確定為 健康140。否則，再生過程確定為不健康150，并停止診斷。在停止診斷的情況下，在后續的再生過程中重復上述步驟110、120、130。如果在第 二次嘗試后，再生過程仍然確定為不健康，將標記為故障190。—旦再生過程確定為健康，將再生過程中基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測進行比 較160和分析170。如果基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測低于預定的閾值，則診斷為通過 180。另一方面，如果基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測高于預定的閾值，則診斷為失敗，并標 記為故障190。圖5顯示了隨時間從濾清器的診斷中得到的數值的典型代表，其中時間由y軸表 示。從上到下，圖5顯示了 (1)基于模型的碳粒負荷估測曲線270，在圖的這一部分，其縱 軸表示基于模型的碳粒負荷估測；(2)再生觸發280，在圖的這一部分，其縱軸上的正值表 示運行的再生過程，縱軸上的零值表示未運行的再生過程；(3)線230代表了柴油微粒濾清 器的入口溫度達到目標溫度的所計算出的時間百分比，在圖的這一部分，其縱軸表示柴油 微粒濾清器的入口溫度達到目標溫度的時間的百分比；(4)線250代表了體積流率達到要 求的流率的所計算出的時間百分比，在圖的這一部分，其縱軸表示體積流率達到要求的體 積流率的時間的百分比；(5)曲線290、295代表了測量出的基于德爾塔壓力的碳粒負荷估 測，在圖的這一部分，其縱軸表示基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測。虛線縱軸210和220依 次表示在y軸上運行再生過程的開始時間的參考位置和再生過程的結束時間的參考位置。圖5顯示了 (1)在再生過程結束之前，線230穿越閾值線240之上；(2)在再生過 程結束之前，線250穿越閾值線260之上；(3)在再生過程結束之前，曲線270穿越閾值線 275之下。線230、25和曲線270是再生過程被確定為健康的典型代表。圖5中的曲線295是進行再生的柴油微粒濾清器中所測量的基于德爾塔壓力的碳 粒負荷估測的一實例，曲線295在再生過程結束之前，穿越閾值線300之下，因而其是柴油微粒濾清器通過了車載故障診斷(OBD)符合性之診斷的代表性實例；另一方面，曲線290是 進行再生的柴油微粒濾清器中所測量的基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測的另一實例，在再 生過程結束之前，其位于閾值線300的上方，因而，曲線290是柴油微粒濾清器未通過車載 故障診斷(OBD)符合性之診斷的代表性實例，所以，其將被記錄為故障。本發明所公開方法的許多優點之一是，該方法能探測出由較高灰分負荷、管道堵 塞或熔融所導致的濾清器的失敗狀態。另外，本發明公開的方法能顯著地增加確定濾清器 的清潔是否有效的機會。除此之外，本發明方法通過提高可靠性以及使發動機背壓所造成 的燃油損耗最小化，而有助于維持系統的性能，進而降低了服務成本和保修申請。雖然通過優選的實施方式，披露了本發明的系統和方法，但顯而易見，本領域的普 通技術人員，在不脫離本發明之發明范圍前提下，可以將其它改進內容結合進所披露的系 統和方法。以上的公開在其各個方面和公開形式上，適合實現本發明的目的和其它優點。所 公開的細節不應理解為對權利要求的限制。
權利要求
1.一種補償濾清器測量誤差的方法，該方法包括在濾清器進行了以去除可移除之微粒物的清洗過程之后，確定該清洗過程之后該濾清 器內所殘留的可移除的微粒物負荷的估測；以及通過量化以下二者之間的差值，而確定第一差異值(1)清洗過程之后該濾清器中所殘留的可移除微粒物的估測負荷；以及(2)參考值。
2.如權利要求1所述的方法，其中，確定估測包括在濾清器壓力降和體積流率的函數中進行輸入，該輸入包括觀測的濾清器上的壓力降 和觀測的體積流率；基于所述參考值，估測殘留在該濾清器中的可移除的微粒物負荷。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述的參考值是通過與基本上沒有污染物的新濾 清器進行校準而獲得的。
4.如權利要求1所述的方法，其中，在該濾清器上的清洗過程持續進行到達到至少一 個預定的標準，該預定的標準用于指示何時足夠量的可移除的微粒物被去除了。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述預定的標準包括至少下列之一該濾清器的清 洗時間；通過該濾清器的流體的體積流率；或者該濾清器清洗過程中濾清器入口的溫度。
6.如權利要求4所述的方法，其中，當滿足下列條件即為達到所述預定的標準(1)在清洗過程中，濾清器的入口溫度達到或超過目標溫度的時間百分比高于預定的 閾值；以及(2)在清洗過程中，通過濾清器的體積流率達到或超過要求的體積流率的時間百分比 高于預定的閾值。
7.如權利要求1所述的方法，其進一步包括根據所述差異值調節所述參考值，以生成 第一調節參考值。
8.如權利要求7所述的方法，其進一步包括 進行濾清器的后續清洗；確定后續清洗之后該濾清器中殘留的可移除的微粒物負荷的估測； 通過量化以下二者的差值，而確定第二差異值(1)在后續清洗之后該濾清器中所殘留的可移除微粒物的估測負荷；以及(2)第一調節參考值；基于該第二差異值調節第一調節測量值，以生成第二調節參考值。
9.如權利要求8所述的方法，其中，確定該濾清器中所殘留的微粒物負荷的估測包括 在濾清器壓力降和體積流率的函數中進行輸入，該輸入包括觀測的濾清器上的壓力降和觀測的體積流率；基于第一調節參考值，估算殘留在該濾清器中的可移除的微粒物負荷。
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述的濾清器為柴油微粒濾清器，所述的可移除 的微粒物為碳粒。
11.如權利要求10所述的方法，其中，確定估測包括測量基于德爾塔壓力的碳粒負荷 估測。
12.如權利要求11所述的方法，其進一步包括確定當預定的條件滿足、在清洗過程結束時，基于德爾塔壓力所測量的碳粒負荷估測是否高于預定的閾值。
13.如權利要求12所述的方法，其中，當所述基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測高于預 定的閾值則記錄為故障。
14.一種判斷柴油微粒濾清器的再生是否健康的方法，該方法包括在運行再生過程期間，確定所述柴油微粒濾清器內的碳粒負荷的估測；確定在運行再生過程期間，是否達到再生過程健康程度的預定標準，當達到預定標準 時，再生過程為健康；以及當再生過程確定為健康，通過在再生過程結束時、該柴油微粒濾清器中估測的碳粒負 荷是否高于預定閾值而核實該再生過程為健康。
15.如權利要求14所述的方法，其中，確定估測包括在德爾塔壓力和體積流率的函數中進行輸入，該輸入包括觀測的德爾塔壓力和觀測的 體積流率，以及基于基本上沒有污染物的新濾清器所進行的校準，估算碳粒負荷。
16.如權利要求14所述的方法，其中，當下列條件滿足則達到所述的預定標準(1)在運行再生過程中，入口溫度達到或高于目標入口溫度的時間百分比高于預定的 閾值；(2)在運行再生過程中，體積流率達到或高于要求的體積流率的時間百分比高于預定 的閾值；以及(3)在再生過程結束時，基于模型的碳粒負荷估測低于預定的閾值。
17.如權利要求14所述的方法，其進一步包括在再生過程結束時，當該柴油微粒濾清 器中估測的碳粒負荷高于預定的閾值，則記錄為故障。
全文摘要
本發明公開了一種提高過濾器效果的方法，其通過提高清洗后殘留在過濾器中微粒物負荷估測的準確性而實現。在一實施方式中，本發明方法包括通過清洗，從柴油微粒濾清器除去碳粒，并為一組預定標準而測量若干參數。然后，基于德爾塔壓力估測出柴油微粒濾清器中的碳粒負荷量。所得到的碳粒負荷的估測值可以說明干擾因素，例如擴展操作之后的碳粒負荷。隨后，在后續的清洗處理之后，該值用于調節柴油微粒濾清器中進一步的碳粒負荷估測和/或用于診斷清洗的效果。本發明的方法也可用于柴油微粒濾清器的診斷。當在健康的再生過程中觀測到基于德爾塔壓力的碳粒負荷估測和基于模型的碳粒負荷估測的差異，可以探測出失敗的工作狀態例如堵塞、極端的灰分負荷或基體熔化。
文檔編號F01N3/023GK102124190SQ200980131608
公開日2011年7月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2008年6月13日
發明者丹尼爾·D·威廉, 張月濤 申請人:康明斯過濾Ip公司