CN107084023B - 用于内燃机的废气后处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气后处理的方法和装置，其带有废气通道、催化器、Lambda探针和颗粒过滤器，该方法包括以下步骤：‑测定颗粒过滤器的负载状态，‑通过测量第一Lambda探针的内阻来测定在废气通道中的废气温度，‑通过第一Lambda探针来测定在废气中的氧含量，‑当达到了相应的负载状态、内燃机的燃烧空气比和在废气通道中的温度处于对于颗粒过滤器的再生所预定的范围中时，引入颗粒过滤器的再生，‑当在废气通道中的温度和/或在废气中的氧含量处于一定的、所限定的界限之上时，通过相应的发动机措施避免再生的引入，‑当在废气通道中的温度处于限定的阈值之下时，通过引入相应的发动机措施调节颗粒过滤器以再生。

Description

用于内燃机的废气后处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气后处理的方法和装置。
背景技术
废气法规制订的持续加强对车辆制造商提出高要求，这些要求通过相应的用于降低发动机未处理排放的措施和通过相应的废气后处理来实现。随着下一法规级别EU6的引入，对于汽油发动机规定了颗粒数量的极限值。这可造成，在一些车型中可能需要使用奥托颗粒过滤器(Ottopartikelfilter)。在行驶运行中这样的奥托颗粒过滤器被以碳烟加载。为了不使排气背压过强地升高，须连续地或周期性地使该奥托颗粒过滤器再生。为了以氧气来执行留在奥托颗粒过滤器中的碳烟的热氧化，在汽油发动机的废气设备中与同时存在的氧气相联系需要足够高的温度水平。因为现代的汽油发动机通常在无氧气过量的情况下以化学计量的燃烧空气比(λE=1)来运行，对此需要附加的措施。对此作为措施考虑例如通过调整点火角提高温度、汽油发动机的暂时稀薄调整(Magerverstellung)、吹入二次空气到废气设备中或这些措施的组合。颗粒过滤器的再生例如由文件DE 10 2013 220 899 A1已知。在此对于汽油发动机设置有Lambda调节，其中，为了颗粒过滤器的再生将燃烧空气比从化学计量的燃烧空气比出发向过化学计量的燃烧空气比的方向调整，并且利用氧气过量通过碳烟的氧化来实现颗粒过滤器的再生。然而在一定的、不利的运行条件下(即如果在废气通道中的高温和氧气过量同时存在)可能导致碳烟在颗粒过滤器上不受控制地燃耗且因此导致构件损坏。
为了内燃机的Lambda调节，使用Lambda探针，其为了提高测量精度可借助于加热元件来加热，以便将Lambda探针带到预定的温度上。Lambda探针的这样的温度调节例如可借助于在废气通道中的温度传感器实现。然而这样的温度传感器作为附加的构件与额外成本相联系。由此过去已提出解决方案，在其中由Lambda探针的电阻或电阻变化来测定废气温度。
由文件DE 10 2008 011 833 A1已知一种用于控制内燃机器的lambda调节的废气设备的方法，其中，该废气设备具有至少一个催化器和用于将Lambda探针加热到运行温度上的至少一个加热元件。设置成，测定加热元件的工作效率并且使用加热元件控制的至少一个修正的调节参数用于加热元件的受调节的加热。
发明内容
本发明现在目的在于使颗粒过滤器的再生容易并且避免用于废气后处理的部件的构件损坏、尤其颗粒过滤器的损坏。
根据本发明，该目的通过一种用于内燃机的废气后处理的方法来实现，内燃机带有废气通道、布置在废气通道中的催化器、布置在废气通道中的可借助于加热元件加热的第一Lambda探针以及带有颗粒过滤器，该方法包括以下步骤：
-测定颗粒过滤器的负载状态，
-通过测量Lambda探针的内阻来测定在内燃机的废气通道中的废气温度，
-通过Lambda探针来测定在废气中的氧含量，
-当达到了相应的负载状态、内燃机的燃烧空气比和在废气通道中的温度处于对于颗粒过滤器的再生所预定的范围中时，引入颗粒过滤器的再生，
-当在废气通道中的温度和/或在废气中的氧含量处于一定的、所限定的界限之上时，通过相应的发动机措施避免再生的引入，
-当在废气通道中的温度处于限定的阈值之下时，通过引入相应的发动机措施调节(Konditionierung)颗粒过滤器以再生。
由此可以以有利的方式实现废气温度以及在废气通道中的氧含量的相组合的测量，使得借助于一构件来测定两个参数。由此可改善测量的可靠性并且由此可更简单地引入用于颗粒过滤器的再生的方法。此外，通过氧含量和温度的并行测量提供了在内燃机的废气通道中的部件的提高的构件保护，因为识别出可导致废气温度不受控制的升高的不利的运行条件。在此可取消在废气通道中的附加的温度传感器，这降低了成本。
根据本方法的优选的实施形式设置成，在废气通道中温度高于阈值的情况下阻止内燃机的惯性运行(Schubbetrieb)。由此防止新鲜空气通过内燃机的缸体被泵到废气通道中并且因此防止提供足够多的氧气以导致在颗粒过滤器上碳烟的不受控制的燃耗。以该方式可避免在废气通道中不期望的氧气过量，该氧气过量促进不受控制的碳烟燃耗(Russabbrand)。
在根据本发明的方法的优选的设计方案中设置成，在废气通道中的温度过高的情况将内燃机的点火角向“早”的方向调整。通过将点火角向“早”的方向调整，燃料的燃烧可更早地开始并且当排气阀打开时已基本结束。由此在内燃机器的废气通道中的温度降低，由此温度又可降低到对于颗粒过滤器的再生有利的范围中并且避免颗粒过滤器的热损坏。
按照根据本发明的方法的备选的设计方案设置成，通过将内燃机的点火角向迟的方向调整实现废气温度的提升。通过将点火角向“迟”的方向调整，燃烧更迟地开始并且在排气阀打开时还未结束，使得在废气通道中的温度提高。
根据该方法的优选的改进方案设置成，在颗粒过滤器的再生期间将Lambda探针的加热元件解除激活。由此实现Lambda探针的内阻的简化的测量以及基于此在颗粒过滤器的再生期间废气温度的计算。
为了颗粒过滤器的有效再生而没有构件热损坏的危险，当颗粒过滤器的再生在600°C与700°C之间的温度范围中以及在内燃机的燃烧空气比λE在1.1与1.3之间的情况下实现时，是有利的。为了使能够有效地氧化留在颗粒过滤器中的碳烟且因此实现颗粒过滤器的再生，在到颗粒过滤器中的入口处的温度应为至少600°C，以达到碳烟的显著的转化速度。此外，该氧化应在废气通道中氧气略微过量的情况下实现，以便一方面充足地提供氧气用于碳烟颗粒的氧化，然而避免较高的氧气过量和因此不受控制的碳烟燃耗的危险。
根据本发明，提出一种用于内燃机的废气后处理的装置，其包括废气通道、布置在废气通道中的催化器、布置在废气通道中的颗粒过滤器以及控制器，其中，在废气的流动方向上在催化器下游而在颗粒过滤器上游布置有第一Lambda探针，其中，借助于第一Lambda探针可测量在废气中的氧含量，其中，第一Lambda探针可通过加热元件加热，其中，借助于第一Lambda探针的内阻可确定在废气通道中、优选地就在到颗粒过滤器中的入口前的温度，并且其中，根据这些信息可阻止颗粒过滤器的再生，以阻止在颗粒过滤器上不受控制的碳烟燃耗。
在优选的实施方案中，在废气通道中布置有第一催化器、优选地靠近发动机的前催化器和第二催化器，其中，第二催化器构造为所谓的四元催化器，即为带有附加的颗粒过滤器功能的三元催化器，尤其为带有三元有效的催化覆层的颗粒过滤器。在优选的实施方案中，在第一催化器上游布置有第二Lambda探针、尤其宽带-Lambda探针而在四元催化器上游布置有第一Lambda探针，其中，第一Lambda探针构造为阶跃探针(Sprungsonde)。至少第一Lambda探针是可加热的。带有三元有效的催化覆层的颗粒过滤器相对于未覆层的颗粒过滤器在再生时再次更强地热受载，因为在此碳烟燃耗的放热的反应和三元催化器的放热的催化反应叠加。因此，根据本发明的用于废气后处理的装置特别优选地设置在带有四元催化器的废气***中。
根据优选的实施形式设置成，催化器包括前催化器和主催化器，其中，Lambda探针布置在前催化器下游或后催化器上游。通过将Lambda探针布置在前催化器与后催化器之间，Lambda探针用于在废气通道中的总Lamda调节的校正。后催化器是所谓的四元催化器并且除了气态有害物质的转化之外还用于过滤固态有害物质。
优选地，颗粒过滤器布置在机动车的底板层(Unterbodenlage)中。可在底板层中远离发动机地布置颗粒过滤器，使得颗粒过滤器在热学上不那么强地受载。此外通过底板层实现相对于安装在发动机舱中改善的在颗粒过滤器处的辐射的和对流的散热。远离发动机的布置就此而言被理解成布置在内燃机的出口下游至少80cm、优选地至少100cm。通过在颗粒过滤器处改善的散热可尤其在颗粒过滤器再生时减少热损坏的危险()。
本发明的另外的优选的设计方案从其余的特征中得出。
在该申请中所提及的本发明的不同的实施形式倘若未单独另外实施可有利地相互组合。
附图说明
接下来在实施例中根据所属的附图来阐述本发明。其中：
图1示出了带有根据本发明的用于废气后处理的装置的内燃机，
图2示出了用于执行根据本发明的用于内燃机的废气后处理的方法的流程图，
图3示出了根据本发明的用于内燃机的废气后处理的装置的备选的实施形式。
附图标记清单
10 内燃机
12 废气通道
14 催化器
16 加热元件
18 颗粒过滤器
20 第一Lambda探针(在颗粒过滤器之前)
22 控制器
24 前催化器
26 带有集成的后催化器的颗粒过滤器
28 后催化器
30 第二Lambda探针(在前催化器之前)
λE燃烧空气比
TA 废气温度
TSO 上阈值
TSU 下阈值。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于内燃机10的废气后处理的装置。该装置包括与内燃机10相连接的废气通道12，在该废气通道中在内燃机10的废气通过废气通道12的流动方向上布置有第二Lambda探针30、前催化器24、第一Lambda探针20和以带有三元有效的催化覆层的颗粒过滤器26形式的后催化器28。前催化器24构造为三元催化器，后催化器28构造为四元催化器、即为带有三元有效的催化覆层的颗粒过滤器26。备选地也可如在图3中所示使用未覆层的颗粒过滤器18。内燃机10和Lambda探针20、30分别通过信号线路与用于控制内燃机10的控制器22相连接。在第一Lambda探针20处设置有加热元件16，利用该加热元件可将第一Lambda探针20带到运行温度上。对此设置有未示出的加热调节器，其例如可集成到控制器22中，通过该加热调节器可将Lambda探针20的温度调到预定的运行温度上。
在废气通道12中的温度测量提供对于废气***的状态的重要信息。如此例如可通过内燃机10根据在废气通道12中的温度TA的相应的调控采取保护措施以防废气后处理的部件、尤其催化器14或颗粒过滤器18、26的过热。
在带有两个催化器14(尤其带有一靠近发动机的前催化器24和一布置在机动车的底板层中的后催化器26)的废气***中，第一Lambda探针20(其构造为阶跃-Lambda探针)用于在废气通道12中的总Lambda调节的校正。该第一Lambda探针20处于前催化器24下游而在后催化器28上游。第一Lambda探针20的探针温度可通过控制器22来控制或调节。在此，第一Lambda探针20的内阻可与所施加的加热电压以及可能另外的参数(例如所测量的环境条件)一起被用以建立与废气温度的关联。通过该措施可保护处于第一Lambda探针20下游的第二催化器28和/或颗粒过滤器18、26免于过热。
在内燃机10的运行中，颗粒过滤器18、26被以碳烟颗粒加载，使得在废气通道12中的流动阻力随着负载升高。须周期性地使该颗粒过滤器18、26再生。为了在机动车的底板层中在外源点火的内燃机10的废气通道12中运用颗粒过滤器18、26，尤其在颗粒过滤器18、26的再生期间对颗粒过滤器18、26的构件保护提出高要求。废气温度TA在再生期间不允许超过一定的阈值，由此颗粒过滤器18、26不经受热损坏并且颗粒过滤器18、26不被在颗粒过滤器18、26上碳烟的放热的燃耗-反应破坏。
通过在优选地安装在机动车的底板层中的颗粒过滤器18、26上游应用第一Lambda探针20，可应用第一Lambda探针20的内阻和加热功率的监控，以测定废气在进入颗粒过滤器18、26中时的温度并且必要时借助于控制器22这样影响内燃机10的运行，使得保护颗粒过滤器18、26免于过热。
在此，第一Lambda探针20的内阻与第一Lambda探针20的温度成比例。第一Lambda探针20的温度越高，其内阻越小。在内燃机10的运行中第一Lambda探针20的加热不仅通过内燃机10的热的废气而且通过加热元件16进行，该加热元件优选地构造为加热电阻、尤其为集成到第一Lambda探针20中的加热丝。第一Lambda探针20的运行温度被精确地限定并且通过控制或调节被应用于所有出现的废气温度。通过废气被发出到第一Lambda探针20处的热量越多，通过加热元件16引入的加热功率就越少。
在颗粒过滤器18、26的再生要求的情况中，要求在>600°C的范围中的较高的废气温度，以使留在颗粒过滤器18、26中的碳烟燃耗。通过该氧化反应，在颗粒过滤器18、26中开始放热反应，其又在颗粒过滤器18、26上引起温度提高。这对于带有三元有效的催化覆层的颗粒过滤器26特别关键，因为在此三元有效的催化覆层和碳烟燃耗的放热反应叠加。该温度提升当其超过限定的界限时可有害地影响颗粒过滤器18、26。因此，初始焓(Eingangsenthalpie)、即在到颗粒过滤器18、26中的入口处的温度不允许超过一定的阈值。
为了颗粒过滤器18、26的再生且为了碳烟的燃耗，现在可将加热元件16解除激活，以便仅通过内燃机10的废气加热第一Lambda探针20。在此测量第一Lambda探针20的内阻，并且从第一Lambda探针20的内阻推断出在废气通道12中的废气温度。基于该测量然后可通过控制器22引入用于颗粒过滤器18、26的构件保护的措施。例如将内燃机10的点火角向“早”的方向调整和/或燃料喷入的喷入时刻或喷入量的匹配适合作为措施。
在此，Lambda探针20、30不仅提供关于在废气通道12中的温度TA、而且提供关于在废气中的氧含量和废气成分的信息。对于颗粒过滤器18、26的再生，除了温度之外在废气中的剩余氧气的量也相关。将大量新鲜空气输送到热的颗粒过滤器18、26中就像过高的温度那样可导致颗粒过滤器18、26的构件损坏，因为在该情况中可造成在颗粒过滤器18、26上碳烟的不受控制的燃耗。作为另外的通过Lambda探针20、30来控制的保护措施，例如可采取阻止内燃机10的推进切断(Schubabschaltung)。
在图2中示出根据本发明的用于内燃机10的废气后处理的方法的流程图。
在第一方法步骤<100>中测定颗粒过滤器18、26的负载状态，这例如可通过在颗粒过滤器18、26上的压差测量或通过从颗粒过滤器18、26中的碳烟排出和碳烟进入的建模实现。在另外的方法步骤<110>中通过测量第一Lambda探针20的内阻来测定在内燃机10的废气通道12中的温度TA。在另外的方法步骤<120>中通过Lambda探针20、30中的至少一个来测定在废气通道12中的氧含量。在此，方法步骤<100>、<110>和<120>可并行地或以任意顺序实现。
根据方法步骤<100>、<110>和<120>的测量值，当达到了颗粒过滤器18、26的相应的负载状态并且在废气通道12中的温度TA以及在废气通道12中的氧浓度处于对于颗粒过滤器18、26的再生预定的范围中时，在接下来的方法步骤<140>中引入颗粒过滤器18、26的再生。
如果在废气通道12中的温度TA低于该预定的范围、尤其低于限定的阈值TSU，在前置的方法步骤<130>中通过引入相应的发动机措施来预调节颗粒过滤器18、26并且将废气温度提升到对于颗粒过滤器18、26的再生必要的范围中。
如果在废气通道中的温度12高于一定的所限定的界限、尤其高于阈值TSO，则在方法步骤<150>中通过引入相应的发动机措施避免颗粒过滤器18、26的再生，以避免颗粒过滤器18、26的热损坏。
图3示出了根据本发明的用于内燃机10的废气后处理的装置的备选的实施形式。在与根据图1的实施例大致相同的结构中，代替带有三元催化有效的覆层的颗粒过滤器26使用未覆层的颗粒过滤器18。第一催化器14在此构造为靠近发动机的三元催化器。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(10)的废气后处理的方法，所述内燃机带有废气通道(12)，布置在所述废气通道(12)中的催化器(14)，布置在所述废气通道(12)中的、能够借助于加热元件(16)加热的第一Lambda探针(20)以及带有颗粒过滤器(18,26)，所述方法包括以下步骤：
-测定所述颗粒过滤器(18,26)的负载状态，
-通过测量所述第一Lambda探针(20)的内阻Ri来测定在所述内燃机(10)的废气通道(12)中的废气温度，
-通过所述第一Lambda探针(20)来测定在废气中的氧含量，
-当达到了相应的负载状态、所述内燃机(10)的燃烧空气比(λE)和在所述废气通道(12)中的温度(TA)处于对于所述颗粒过滤器(18,26)的再生所预定的范围中时，引入所述颗粒过滤器(18,26)的再生，
-当在废气通道(12)中的温度(TA)和/或在废气中的氧含量处于一定的、所限定的界限之上时，通过相应的发动机措施避免再生的引入，
-当在所述废气通道(12)中的温度处于限定的阈值之下时，通过引入相应的发动机措施调节所述颗粒过滤器(18,26)以再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述废气通道(12)中的温度(TA)高于阈值的情况下阻止所述内燃机(10)的惯性运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述废气通道(12)中的温度(TA)过高的情况下将所述内燃机(10)的点火角向“早”的方向调整。
4.根据权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，在所述颗粒过滤器(18,26)的再生期间将所述第一Lambda探针(20)的加热元件(16)解除激活。
5.根据权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，废气温度(TA)的提升通过将点火角向“迟”的方向调整来实现。
6.根据权利要求1到2中任一项所述的方法，其特征在于，所述颗粒过滤器(18,26)的再生在600°至700°的温度范围中并且在所述内燃机(10)的燃烧空气比(λE)处于范围1.1<λE<1.3的情况下进行。
7.一种用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其带有废气通道(12)、布置在所述废气通道(12)中的催化器(14)、布置在所述废气通道(12)中的颗粒过滤器(18,26)，带有能够借助于加热元件(16)加热的用于调节所述内燃机(10)的燃烧空气比(λE)的第一Lambda探针(20)，以及带有控制器(22)，其特征在于，所述控制器(22)设立成执行根据权利要求1到6中任一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其特征在于，所述颗粒过滤器(18)构造为带有催化有效的覆层的颗粒过滤器(26)。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其特征在于，所述催化器(14)包括前催化器(24)和后催化器(28)，其中，所述第一Lambda探针(20)布置在所述前催化器(24)下游而在所述颗粒过滤器(26)上游。
10.根据权利要求9所述的用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其特征在于，在所述前催化器(24)上游设置有第二Lambda探针。
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