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一种再生控制系统可包括一或多个在一排气元件中的过滤器部分。该再生控制系统还可包括一控制器，该控制器被构造成用来确定在该排气元件中所积聚的烟灰量。该控制器还可被构造成用来确定在排气元件中所积聚的灰量。该该控制器还可被构造成根据在排气元件中所积聚的烟灰量和灰量来确定在排气元件中所积聚的颗粒物的量。

1.  一种用于一排气元件的再生控制系统它包括：
一或多个在排气元件中的过滤器部分；
一控制器，该控制器被构造成用来：
确定在该排气元件中所积聚的烟灰量；
确定在排气元件中所积聚的灰量；以及
根据在排气元件中所积聚的烟灰量和灰量来确定在排气元件中所积聚的颗粒物的量。

2.  如权利要求1所述的再生系统，其特征在于，排气元件上积聚的烟灰量取决于进入排气元件的烟灰量和在排气元件中被氧化的烟灰的量。

3.  如权利要求2所述的再生系统，其特征在于，该控制器被构造成根据一或多个发动机工作状态来确定进入排气元件的烟灰的量。

4.  如权利要求2所述的再生系统，其特征在于，该控制器被构造成根据一或多个发动机工作状态以及一或多个再生技术设备来确定在排气元件中被氧化的烟灰的量。

5.  如权利要求1所述的再生系统，其特征在于，该控制器被构造成根据在一发动机中使用的润滑油的类型、一发动机转速以及润滑油的流速中的至少之一来确定积聚在排气元件中的灰量。

6.  如权利要求1所述的再生系统，其特征在于，如果一测得的排气元件上的压降大于一预计的压降，那么控制器被构造成采取以下步骤中的至少之一：
在排气元件上所积聚的颗粒物下降到一预定的极限值以下之后将再生循环保持一段时间；
调整一或多个用于确定所积聚的颗粒物的参数；
提出排气元件需要维护的警告。

7.  一种控制一排气元件中的再生的方法包括：
使废气流过排气元件的一或多个过滤器部分；
预计在排气元件中所积聚的烟灰量；
预计积聚在排气元件中的灰量；以及
根据在排气元件中所积聚的烟灰量和灰量预计排气元件中所积聚的颗粒物的量。

8.  如权利要求7所述的方法，其特征在于，排气元件上积聚的烟灰量取决于进入排气元件的烟灰量和在排气元件中被氧化的烟灰的量。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，对排气元件中被氧化的烟灰的量的预计是根据一或多个发动机工作状态以及一或多个再生技术设备产生的。

10.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，对积聚在排气元件中的灰量的预计是根据在一发动机中使用的润滑油的类型、一发动机转速以及润滑油的流速中的至少之一产生的。

颗粒捕集器再生控制系统
技术领域
本发明涉及对排气系统组件的再生的控制，尤其涉及用于根据在排气元件中所聚集的颗粒量来再生排气系统组件的系统和方法。
背景技术
发动机(包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机以及其它本领域中的发动机)会排放空气污染物。这些空气污染物可由气态材料和固体颗粒物组成。颗粒物可包括被称作烟灰(soot)的炭颗粒。此外，颗粒物可包括灰，该灰可用于发动机润滑油中以降低润滑油的酸度。
可将由发动机产生的颗粒物从废蒸汽中过滤出来。这些技术中的一个包括使用诸如颗粒过滤器的排气元件。颗粒过滤器将废蒸汽中所包含的颗粒捕集下来，从而使废蒸汽在进入空气的时候更干净。已开发了不同类型的颗粒过滤器。一些过滤器可包括多孔过滤材料，而其它的可包括金属丝网过滤器。这些过滤器的孔或金属丝网可在废蒸汽从过滤器的进口流向出口的过程中将废蒸汽中的至少一部分颗粒物捕集下来。
被过滤器捕集下的颗粒物会聚集在过滤器中，降低发动机的效率。随着过滤器中的颗粒物聚集，发动机的背压会上升。因此，为了产生与过滤器中没有颗粒物时一样数量的动力，发动机会消耗更多的燃料。
通过定期清理过滤器可以避免这些及其它问题。在本领域中存在多种清理过滤器的方法。一个清理过滤器的方法包括将被捕集在过滤器中的颗粒物加热到颗粒燃烧或汽化的温度。这类清理可称为再生。
已提出了多种再生系统以确定何时对颗粒捕集过滤器进行再生。这些系统中的许多采用排气元件上的压差值来决定何时对排气元件进行再生。例如，2003年9月23日授予Tashiro等人的美国专利6622480(‘480专利)描述了只在比较预计的排气元件上的压差以及测得的排气元件上的压差的基础上来确定何时对一个颗粒捕集器进行再生。如果测得的压差超出预计的压差，启动对系统的再生。
虽然‘480专利的方法可用于确定开始再生的时间，但该方法还有一些缺点。该方法使用在排气元件上测得的压差作为决定再生排气元件时间的唯一基础。由于对再生的需求与积聚在排气元件中的颗粒物的量有关，并且由于‘480专利中测量压差的方法对于精确确定积聚在排气元件中的颗粒物的量来说是不够的，因此480专利中的方法会不适于确切决定何时进行再生。
本发明旨在克服已有技术中再生方法的一或多个问题。
发明内容
本发明的一个方面包括一种用于一排气元件的再生控制系统。该再生控制系统可包括一或多个在该排气元件中的过滤器部分。该再生控制系统还可包括一控制器，该控制器被构造成用来确定在排气元件中所积聚的烟灰的量。该控制器还可被构造成用来确定在排气元件中所积聚的灰的量。该该控制器还可被构造成根据在排气元件中积聚的烟灰量和灰量来确定在排气元件中所积聚的颗粒物的量。
本发明的另一个方面包括一种控制一发动机排气元件中的再生的方法。该方法可包括使废气流过排气元件的一或多个过滤器部分。该方法还可包括预计在排气元件中积聚的烟灰量。该方法可包括预计积聚在排气元件中的灰的量。该方法还可包括根据在排气元件中所积聚的烟灰量和灰量来预计排气元件中积聚的颗粒物量。
附图说明
图1是表示根据一示例性揭示的实施例的一工作机械的图示；
图2是根据一示例性揭示的实施例地再生系统的方框图；
图3是根据一示例性揭示的实施例的排气元件的图示。
具体实施方式
图1提供了一工作机械10的图示。该工作机械10可包括发动机12。工作机械10还可包括一机架14和一工作机具16。发动机12可操作地与一排气系统18连接。发动机12可包括柴油发动机、汽油发动机或其它任何动力产生装置。工作机械10还可包括一牵引装置20。
虽然显示出的工作机械10是一履带式拖拉机，但工作机械10可包括各种工作机械。例如，工作机械10可为卡车、轮式拖拉机、自动倾卸卡车、汽车、公路汽车、越野汽车、滑动转向装置(skid-steer)、固定式发电机(stationary-generator)或其它任何包括一产生废气流的发动机的装置。
排气系统18可包括用于将由发动机12或其它废气产生装置所生成的废气传送入大气的元件。例如，排气系统18可包括一排气岐管(未示出)、一颗粒物过滤器或任何其它过滤装置、一催化转化器或任何其它催化装置、一消声器、一尾管(未示出)以及一或多根排气管道(比如排气管)。
图2提供了表示根据示例性揭示的实施例的一颗粒物再生控制系统100的方框图。该再生系统100可包括发动机12、排气系统18和控制器104。再生系统100还可包括一再生装置106、排气管道108、一前部压力(forwardpressure)传感器110和尾部压力(aft pressure)传感器112。此外，再生系统100还可包括一排气元件114。排气管道108可携带一股废气流122。
排气管道108可用于将废气流122从发动机12传送到排气元件114。排气管道108可包括管子或其它元件，这些元件便于废气流122从发动机12到排气元件114的运动。
在再生系统中可使用本领域中已知类型的各种压力传感器。例如压力传感器110和112可包括压差传感器和表压传感器。压力传感器110和112可放置在工作机械10中任何需要的位置上。在示例性的实施例中，如图2所示，压力传感器110可放置在排气元件114的上游，而压力传感器112可放置在下游。
排气元件114可包括能将废气流122所携带的颗粒物中的至少一部分捕集下来的任何装置(例如颗粒物捕集器)。排气元件114可包括适于捕集废气流122中的颗粒物的任何类型的结构。在一个实施例中，排气元件114可包括一多孔陶瓷结构，该多孔陶瓷结构可被构造成用来捕集包含在废气流122中的颗粒物。该陶瓷结构可包括诸如氧化铝、氧化钙和氮化硅之类的组合物。在另一个实施例中，排气元件114可使用一被构造为用来捕集包含在废气流122中的颗粒物的丝网。该丝网可由导电材料比如铝和铜以及任何其它此类材料制成。
图3是根据示例性示出的实施例的排气元件的图示。排气元件114可包括一或多个过滤器部分。例如，如图3所示，排气元件114包括过滤器部分202、204和206。每个过滤器部分202、204和206可各自单独再生，或对包括所有这些过滤器部分的一组一起进行再生，或对包括其中任意数量过滤器部分的一小组进行再生。可以采用各种机构来单独或作为一组来再生每一个过滤器部分。例如，一阀门组件(未示出)可用于选择性地阻塞废气流122流入一或多个过滤器部分202、204和206。再生装置106可被构造成用来再生废气流122被阻塞的一些或所有过滤器部分。虽然在图3中只示出了三个过滤器部分202、204和206，但应该注意的是排气元件114可包括任意数量的过滤器部分。
参见图2，再生装置106可用于再生排气元件114，并可包括任何类型可提供足够热量来再生至少一部分排气元件114的装置。再生装置可包括一或多个换热器、燃烧器或电阻加热部件。在示例性的实施例中，再生装置106中可包括一或多个电阻加热部件。向电阻加热部件提供的电力可用于加热该部件。电阻加热部件散发出的热量用于排气元件114的再生。具体来说，从电阻加热部件散发出的热量可使积聚在排气元件114中的颗粒物的温度上升到颗粒物燃烧或汽化的温度。
或者，特别是在排气元件114包括由导电金属制成的丝网的情况下，再生装置106可包括向丝网提供电流的电源。由丝网因电阻加热而散发出的热量可用于再生至少一部分被捕集在丝网上的颗粒物。
控制器104可包括任何运行一应用软件的适合装置。例如，控制器104可包括CPU、RAM、I/O模块等。在一个实施例中，控制器104可组成专门用来控制排气元件114再生的单元。或者，控制器104可与工作机械10的一电子控制单元(ECU)相结合和/或相应。控制器104还可包括适用于再生工艺的诸传感器。这些传感器可包括温度传感器、烟灰传感器或任何其它此类的传感器。
控制器104可控制工作机械10的各种元件的工作。在一个实施例中，控制器104可被构造成用来控制再生装置106的工作。例如，控制器104可决定开始再生工艺的时间。在那时刻，控制器104可使再生装置106开始再生循环。另外，控制器104可决定结束再生工艺的时间。在那时刻，控制器104可使再生装置106停止工作。
为了控制再生装置106的工作，控制器104可确定积聚在排气元件114中的颗粒物的量。当积聚在排气元件114中的颗粒物的量超出一预定的极限值时，控制器104可使再生装置106开始工作。当积聚在排气元件114中的颗粒物少于或等于该预定的极限值时，控制器104可使再生装置106停止工作。
通过将所观测的排气元件114前后的压降与一预计的排气元件114前后的压降相比较，控制器104可监视再生装置106的工作效率。应该注意的是：该预计的压降(estimated pressure drop)是可根据例如一或多个发动机12的发动机动作状态和一或多个与排气元件114相关联的已知特性来计算的预期的压降(expected pressure drop)。还应该注意的是：虽然所观测的和所预计的排气元件114前后的压降可用于监视再生工作的效率，但开始和结束再生装置106的工作的决定可仅仅根据排气元件114上颗粒物的积聚量来做出。这样，可选择是否采用观测和预计的排气元件114前后的压降值。
排气元件114中所积聚的颗粒物可根据积聚在排气元件上的烟灰量来确定。此外，排气元件上所积聚的灰量也可用于确定排气元件114中所积聚的颗粒物。
在排气元件上积聚的烟灰量可根据进入排气元件114而被过滤下来的烟灰量和在排气元件114中被氧化的烟灰量来确定。在一个实施例中，进入排气元件114被过滤下来的烟灰量和在排气元件114中被氧化的烟灰量之间的差可用来计算在排气元件114中积聚的烟灰总量。
控制器104可根据一或多个发动机工作状态来确定进入排气元件114被过滤下来的烟灰量。例如，可使用空气流速、燃料流速、发动机转速、发动机转矩以及其它任何适合的参数来确定排气元件114中的烟灰量。在一个实施例中，可将控制器104构造成用以下公式来确定预计一段时间(t)中在排气元件114中所积聚的烟灰：
m ( Δt ) = m 0 + ∫ ξ = t 1 ξ = t 2 [ η ( ξ ) · C in ( ξ ) · Q ( ξ ) · exp ( - RR 0 ( ξ ) · ξ ) ] dξ . . . [ 1 ] ]]>其中：m₀是在t＝t₀时积聚在排气元件114中的烟灰的质量，积分极限值(integration limits)t₁和t₂与时间段t＝t₂-t₁相关，为排气元件的过滤效率，为排气元件114中过滤器部分的孔隙率，C_in为排气元件114中废气上游处的烟灰浓度，Q是废气的体积流率，而RR₀是发电机中燃烧的整体反应速率。应该注意的是：虽然公式[1]是计算排气元件114中积聚的烟灰量的一种方法，但也可以用其它适合的公式来计算排气元件114中所积聚的烟灰量。
还可将控制器104构造成用来确定在排气元件114中被氧化的烟灰量。被氧化的烟灰量可根据总体反应速率来确定。该总体反应速率可根据一或多个发动机工作状态、一或多个再生技术设备以及一或多个与再生相关的因素来确定。发动机工作状态可包括例如废气流122中的氧气浓度以及废气流122的温度。再生技术设备可包括例如电加热器以及燃烧器。燃料添加剂和被催化的过滤器的存在可为与再生相关的诸因素的例子。例如，如果使用燃料添加剂(a)来帮助再生，则可以说一氧化过程的总反应速率RR₀(l/s)是由以下所提供的反应速率贡献(reaction rate contribution)的总和：(1)烟灰的氧化(例如根据发动机工作状态和所使用的再生技术设备所决定的RR_s(x，y，t)所代表的量)以及(2)燃料添加剂(a)的催化作用(例如RR_a(x，y，t)可代表与再生相关的各种因素的影响)。这一反应速率可由以下公式获得：
RR_o(x，y，t)＝RR_s(x，y，t)+RR_a(x，y，t)
RR 0 ( x , y , t ) = A s [ O 2 ] m exp E s R · T ( x , y , t - Δt ) + ]]>
A a [ O 2 ] m exp E a R · T ( x , y , t - Δt ) . . . [ 2 ] ]]>
其中，A(m³/gS)是指数前因数，对这类氧化过程5中假定m为1，O₂(g/m³)为废气中氧气的摩尔份数，E(kJ/kmol)为烟灰的反应能，R(kJ/kmol-K)是通用气体常数，而T(xyt-Δt)(K)为在前一时间迭代范围(level)(t-Δt)时的局部温度。被氧化的质量的阻力(traction)与反应速率的关系如下：
dm dt = - m RR 0 . . . [ 3 ] ]]>
应该注意的是：虽然公式[2]和[3]提供了一种用于计算排气元件114中被氧化的烟灰量的方法，但也可使用其它合适的公式来计算排气元件114中被氧化的烟灰量。
可进一步将控制器104构造成用来确定在排气元件114中所积聚的灰的量。可以根据用于发动机12的至少一种润滑油以及一或多个与发动机12相关的工作状态来确定排气元件114中所积聚的灰量。例如，如果知道所使用的润滑油的种类，那么可以根据润滑油中预定的灰含量来确定润滑油中的灰含量，该润滑油与生产商所提供的表示单位数量的润滑油中所含有的灰的数值相关。另外，如果在一具体时间知道了发动机12的转速，可根据用来确定对于一给定的发动机转速的润滑油流率的实验室试验来确定润滑油流率。控制器104可被构造成用来根据润滑油中预定的灰含量以及润滑油流率来确定排气元件114中所积聚的灰量。
可将控制器104构造成用来确定排气元件114中所积聚的颗粒物总量。通过将排气元件114中所积聚的灰量和排气元件114中所积聚的烟灰量相加，控制器104可得到积聚的颗粒物总量。这样，控制器104可被构造成用来根据排气元件114中所积聚的灰量和烟灰量来确定排气元件114中所积聚的颗粒物的量。
作为一种选择，通过确定排气元件114上预计的压降以及观测的排气元件114前后的压降，控制器104可监控再生控制系统100的工作。可根据发动机12的一或多个工作状态来确定预计的压降。另外，可根据与排气元件114相关的一或多个特征来确定预计的压降，这些特征可包括例如排气元件114的长度、宽度、渗透率和/或孔隙率。例如，可以用以下公式来得到预计的压降ΔP：
ΔP = 6 μLQ [ 2 ( e γ + 1 ) + γ ( e γ - 1 ) ] NH 4 γ ( e γ - 1 ) . . . [ 4 ] ]]>
其中，L＝排气元件114的一个过滤器部分的长度，Q＝来自发动机12的废气的体积流率，N＝过滤器部分的数量，H＝每个过滤器部分的宽度，μ为气体的动态粘度，以及
γ = 48 k 0 L 2 w H 3 . . . [ 5 ] ]]>
其中，w是排气元件114的一个过滤器部分的壁厚，k₀是过滤器部分的壁渗透率。应该注意的是：虽然公式[4]代表了一种确定排气元件114前后的预计的压降的方法，但也可使用任何其它适合的公式。
可以通过从前部压力传感器110和尾部压力传感器112得到的被观测的压降来监视再生控制系统100的工作。例如，由前部压力传感器110和尾部压力传感器112所测得的压力之间的差可用于确定在排气元件114前后观测得到的压降。还可将控制器104构造成用来接收可以表示该观测的压降的来自压力传感器110和112的输出信号。如果排气元件114确定观测的压降与预计的压降不同，它可以被构造成用来改变再生控制系统100的一或多个操作来保护排气元件114。例如，控制器104可被构造成进行以下至少一种动作：保持一再生循环一个较长或较短的持续时间；调整一或多个用于确定所积聚的颗粒物的参数；以及，警告用户排气元件需要维护。这些动作可进一步加强所揭示的再生系统的精确度和有效性。
工业可用性
所揭示的再生系统可适用于许多可受益于对排气元件的再生的系统。通过根据排气元件中所积聚的颗粒物总量而不是根据排气元件上的压降来决定再生排气元件114，所揭示的再生系统可提供比已有技术中的方法更精确的再生方法。
使用所揭示的系统可帮助增加排气元件的可靠性。控制在排气元件中所积聚的颗粒物的量，以防止排气元件的失灵是较重要的。通过增加确定排气元件中所积聚的颗粒物的精确性，所揭示的系统可精确地确定(1)进行再生的时间和(2)再生的持续时间。所揭示的系统的特征可帮助减少由于因延长再生时间而产生的过热而使排气元件失灵的风险。
在排气元件中，不仅烟灰而且灰的积聚都会对排气元件的工作产生不利影响。由于所揭示的系统同时计算积聚在排气元件中的烟灰量和灰量，因此所揭示的系统会比只监视积聚在排气元件中的灰量或烟灰量的系统更精确。
另外，使用所测得的和所预计的压差来监视所揭示的再生系统的工作，可通过在该再生系统中设置内置检测来加强所揭示的系统的可靠性。如果该系统没有如所期望的那样工作，所揭示的系统可主动地采取步骤来进一步提高对颗粒物聚集量计算的精确性和再生系统的有效性。
对于熟悉本领域技术的人员来说，显然，可以对所揭示的再生系统进行多种修改和变形而不会背离本发明的范围。另外，通过阅读本说明书之后，所揭示的系统的其它实施方式对于熟悉本领域技术的人员来说是显而易见的。应认为本说明和实例只是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等效内容来限定。