CN110778383B - 用于再生在汽油发动机的废气设施中的颗粒过滤器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于再生在燃烧发动机(10)的废气设施(30)中的颗粒过滤器(40)的方法。在此设置成，推进空气量在燃烧发动机(10)的推进运行中匹配于对于在颗粒过滤器(40)中拦住的炭黑的氧化的空气需求，以便实现颗粒过滤器(40)的快速且有效率的再生。设置成，节流阀片(26)在推进运行中如此程度地开启，以至于实现最大允许的炭黑转化，而不冒着颗粒过滤器(40)的热损坏的风险。

Description

用于再生在汽油发动机的废气设施中的颗粒过滤器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于再生在汽油发动机的废气设施(Abgasanlage)中的颗粒过滤器的方法。本发明此外涉及一种带有汽油发动机和布置在汽油发动机的废气设施中的用于执行这样的方法的颗粒过滤器的机动车。
背景技术
未来的废气法规对于发动机原始排放且对于燃烧发动机的废气后处理提出了高要求。随着引入下一废气法规级别“EU6”，同样对于汽油发动机规定了针对发出的颗粒数量的极限值。这可导致，在一些模型中需要颗粒过滤器的使用，以便满足该下一废气法规。在行驶运行中，这样的汽油颗粒过滤器以炭黑装载。为了废气背压未过强地提升，该汽油颗粒过滤器必须连续地或周期性地再生。为了执行在汽油颗粒过滤器中拦住的炭黑以氧气的热氧化，足够高的温度水平结合在汽油发动机的废气设施中同时存在的氧气是需要的。因为，现代的汽油发动机通常在没有氧气过量的情况下以化学计量的燃烧空气比运行，对此需要附加的措施。对此作为措施例如考虑通过点燃角度调整的温度提高、汽油发动机的暂时的稀燃调整(Magerverstellung)、二次空气到废气设施中的吹入或这些措施的组合。优选地，迄今点燃角度调整沿延迟的方向结合汽油发动机的稀燃调整被使用，因为该方法在没有附加的构件的情况下够用。此外已知的是，使用汽油发动机的推进阶段(Schubphase)，在其中到燃烧发动机的燃烧室中的燃料喷入淡出，以便提供对于颗粒过滤器的再生所需的氧气。因此，废气的催化清洁运行可靠地作用且发动机燃烧的接通和切断尽可能无排放地结束，较低的空气量在推进运行(Schubbetrieb，有时也称为进给运行)中是需要的。因此，一方面实现，催化器不太强地冷却，另一方面较低的推进空气量实现了当相应低的燃料量可注入到燃烧室中时，在推进阶段后的发动机燃烧的改善的吸收。较低的推进空气量然而阻止炭黑在颗粒过滤器上的值得一提的燃耗(Abbrand)，其对于过滤器的快速的且有效率的再生是绝对必要的。
从文件DE 10 2010 044 102 A1中已知一种用于再生在汽油发动机的废气设施中的颗粒过滤器的方法，其中二次空气通过压缩机压缩且经由振动阀(Flatterventil)带入到颗粒过滤器上游的废气设施中。在此，可封锁振动阀，以便阻止到废气设施中的不期望的氧气进入且避免在颗粒过滤器上的不受控制的炭黑燃耗。
从文件DE 10 2012 022 153 A1中已知一种用于再生汽油发动机的废气设施中的颗粒过滤器的方法，在其中开启在吸取道(Ansaugtrakt)中的节流装置，以便提供对于颗粒过滤器的再生所需的氧气。备选地设置成，燃烧空气比沿稀燃的方向调整，以便提供对于颗粒过滤器的再生所需的氧气。
文件DE 10 2015 108 224 A1公开了一种带有颗粒过滤器的用于汽油发动机的废气后处理***，其中颗粒过滤器的再生在燃烧发动机的推进运行中提出。在此，经由废气阀片调节经由低压废气再循环的再循环的废气量，以便控制在燃烧发动机的推进阶段中废气中的氧气含量。
然而对于已知的解决方案不利的是，推进空气量在已知的方法中受限制，以便避免在颗粒过滤器上的不受控制的炭黑燃耗。在此，推进空气如此强地节流，使得得出对于颗粒过滤器的再生的相对长的时间间隔。此外，较低的推进空气量可导致颗粒过滤器的温度落到对于炭黑的氧化所需的再生温度下，从而再生停止且必须引入附加的加热措施，以便又将颗粒过滤器加热到再生温度上。
发明内容
本发明此时基于如下任务，缩短在颗粒过滤器的再生的情形中的加热阶段且改善再生过程的效率。根据本发明，该任务通过一种用于再生在燃烧发动机的废气设施中的颗粒过滤器的方法解决，其中颗粒过滤器在燃烧发动机的推进阶段中再生。该方法包括如下步骤：
- 获取颗粒过滤器的装载状态，
- 将颗粒过滤器加热到再生温度上，
- 计算氧气量，其被需要用于颗粒过滤器的再生，
- 使推进空气量匹配于对于颗粒过滤器的再生所需的氧气量。
如已经在序言中描述的，原则上技术上有意义的是，将推进空气量保持成尽可能低，以便降低燃烧发动机的基础排放且阻止废气后处理部件在其点火温度下的冷却。对于颗粒过滤器的临时存在的再生，然而有益的是，提高该推进空气量，因此可更快速地且更持久地实现在颗粒过滤器上的炭黑燃耗。通过在颗粒过滤器的再生期间的推进空气量的匹配，可控制炭黑在颗粒过滤器上的燃耗速度。在颗粒过滤器再生结束后，推进空气量又降低，以便使用较低的推进空气量的技术优点。由此，可相对于从现有技术中已知的方法执行在推进运行中的颗粒过滤器的较快速的再生。再生时间的缩短导致，颗粒过滤器必须以发动机内部的或外部的加热措施不太长地加热，由此降低对于燃烧发动机的燃料需求。此外，可减少燃烧发动机的氮氧化物排放，因为废气设施不太长地以空气过量运行，在其中不存在针对氮氧化物的还原剂。
在方法的一种优选的实施方式中设置成，推进空气量经由节流阀片(Drosselklappe)的位置的改变或燃烧发动机的阀的开启时间的匹配来提高。通过节流阀片的位置的改变或阀的开启时间的延长，可以以相应简单的方式以吸取道或燃烧发动机的已经存在的部件实现推进空气量的匹配。由此，不需要附加的部件，由此根据本发明的方法可基本上成本中性地(kostenneutral，有时也称为成本自给地)执行。
在此特别有利的是，节流阀片在推进运行中如此程度地开启，以至于实现在颗粒过滤器上的最大的炭黑转化。为了提高在燃烧发动机的推进运行中的炭黑转化，开启节流阀片，由此提高经由燃烧室进入到废气设施中的空气量。由此，提供更多新鲜空气用于氧化在颗粒过滤器中拦住的炭黑，由此加速颗粒过滤器的再生。此外，随着炭黑的转化速度，颗粒过滤器的温度提高，从而可省略发动机内部的加热措施或外部的加热。备选地，可相应地降低加热功率。
在方法的一种优选的实施方式中设置成，当颗粒过滤器达到下阈值温度时，推进空气量通过开启节流阀片提高。因此，颗粒过滤器的有效率的再生是可能的，且氧化在颗粒过滤器中拦住的炭黑，除了在废气设施中的氧气过量以外同样需要足够高的温度。为了避免提高推进空气量，而在颗粒过滤器中拦住的炭黑不可氧化，仅当达到颗粒过滤器的相应的温度时，则该方法才执行。
在此特别优选的是，下阈值温度处于550℃-660℃的范围中。下阈值温度应如此选择，以至于炭黑在颗粒过滤器中的有效的且有效率的氧化是可能的，然而同样阻止，产生颗粒过滤器的热损坏。因为对于颗粒过滤器的再生需要的最小温度处于约550℃至660℃，该再生温度特别良好地作为下阈值温度适用。
在方法的一种优选的实施方式中设置成，当颗粒过滤器已达到上阈值温度时，推进空气量通过节流阀片的闭合降低。通过上阈值温度的定义可阻止，当颗粒过滤器已经是热的且颗粒过滤器通过不受控制的炭黑燃耗的热损坏迫近时，较高的新鲜空气量被带入到颗粒过滤器中。上阈值温度优选地处于800℃至900℃的范围中。如果推进空气量在该范围中又降低，可避免颗粒过滤器的进一步加热，从而阻止颗粒过滤器的热损坏或破坏。
在方法的一种优选的实施方式中设置成，颗粒过滤器的再生在多个子步骤中执行。通常，单个推进阶段时间上不长地足够实现在仅一个推进阶段中的颗粒过滤器的完全的再生。因此有意义的且期望的是，在多个子步骤中执行颗粒过滤器的再生，直到颗粒过滤器完全地再生。
在此优选的是，在子步骤之间分别设置有用于颗粒过滤器的加热阶段。为了避免颗粒过滤器在两个再生阶段之间的冷却，可需要的是，在两个依次跟随的推进阶段之间执行加热阶段。通常，推进阶段导致废气设施和布置在其中的废气后处理部件的冷却。为了维持颗粒过滤器的再生温度且如此调节颗粒过滤器，在下一推进阶段中炭黑颗粒的氧化是可能的，可通过发动机内部的或外部的加热措施将能量带入到废气设施中，以便将颗粒过滤器的温度保持在再生温度上方。
在此特别优选的是，燃烧发动机在两个推进阶段之间在点火的运行中运行。在两个推进阶段之间执行加热阶段的简单的可行性方案在于，使燃烧发动机在点火的正常运行中、优选地以化学计量的燃烧空气比来运行。由此，在推行空气的解除节流(Entdrosselung)的情形中可避免，产生到重要的极限温度上的温度提升，因为通过燃烧发动机的化学计量的运行对于废气而言抽出氧气且在颗粒过滤器上的炭黑燃耗停止。解除节流在此可根据在燃烧发动机的控制器中存储的计算模型来实现，利用其算出颗粒过滤器的温度。备选地可设想，颗粒过滤器的温度通过优选地在颗粒过滤器的多个测量点处的高动态的温度测量实现且推进空气量根据测量的温度调节。备选地，可使用燃烧发动机的点火的运行阶段，以便将颗粒过滤器又加热到其再生温度上，当其通过外部条件降低到为了氧化在颗粒过滤器中拦住的炭黑下时。
在方法的另一改善方案中设置成，点火的运行点包括发动机内部的加热措施。通过发动机内部的加热措施可同样在燃烧发动机的相对低的负荷的情形中阻止颗粒过滤器的冷却。尤其，发动机内部的加热措施可如此长地维持，直到颗粒过滤器完全地再生。
在此特别优选的是，发动机内部的加热措施包括点火塞的点火时刻沿推迟的方向的点火调整或λ分离运行(Lambda-Split-Betrieb)。提高燃烧发动机的废气温度的简单的可行性方案在于，使混合物的点火时刻在燃烧发动机的燃烧室中沿延迟的方向移动。这虽然暂时导致热效率的劣化和燃料过多消耗，然而进入到废气设施中的热量提高，从而避免了颗粒过滤器的冷却。备选地可行的是，在多气缸发动机中各个燃烧室以低化学计量的燃烧空气比且其他的燃烧室以过化学计量的燃烧空气比运行，从而来自低化学计量运行的燃烧室的未燃烧的燃料组成部分与来自过化学计量运行的燃烧室的剩余氧气在废气设施中放热地反应且由此提高废气温度。
在方法的一种备选的实施方式中设置成，颗粒过滤器包括电加热元件或对于颗粒过滤器而言前置有电加热元件，其中电加热元件在颗粒过滤器的再生期间激活，以便阻止在推进运行中颗粒过滤器到再生温度下的冷却。通过在废气设施中的电加热元件、尤其可电加热的催化器或可电加热的颗粒过滤器，颗粒过滤器的温度可同样提高直至到再生温度上。
根据本发明，提出了一种带有燃烧发动机的机动车，其带有空气供给***，在其中在吸取通道中布置有节流阀片，以及带有废气设施，在其中布置有颗粒过滤器。燃烧发动机与发动机控制器相连接，其设立用于，当机器可读的程序代码通过发动机控制器实施时，执行根据本发明的方法。在这样的机动车中可行的是，在燃烧发动机的推进阶段中执行用于颗粒过滤器的再生的根据本发明的方法，以便实现颗粒过滤器的有效率的且有效的再生。在此可不仅降低颗粒过滤器的再生时间而且降低在其中需要颗粒过滤器的加热的时间。以该方式，燃料消耗可相对于从现有技术已知的方法降低。平行地，燃烧发动机的排放、尤其氮氧化物排放降低。
只要在个别情况中未另外阐述，本发明的不同的在该申请文件中提到的实施方式可有利地彼此组合。
附图说明
本发明随后在实施例中根据附图来阐释。其中：
图1示出了带有空气供给***和废气设施的燃烧发动机；
图2示出了带有空气供给***和废气设施的燃烧发动机的另一实施例；且
图3示出了用于执行用于再生在燃烧发动机的废气设施中的颗粒过滤器的根据本发明的方法的流程图。
参考符号列表
10 燃烧发动机
12 燃烧室
14 点火塞
16 入口
18 出口
20 空气供给***
22 吸取通道
24 空气过滤器
26 节流阀片
28 压缩机
30 废气设施
32 废气通道
34 废气涡轮增压器
36 涡轮
38 三元催化器
40 颗粒过滤器
42 四元催化器
44 第一λ探子
46 第二λ探子
48 温度传感器
50 控制器
52 入口阀
54 电加热元件
56 出口阀
58 第一压力传感器
60 第二压力传感器
100 机动车。
具体实施方式
图1示出了机动车100的示意图，其由燃烧发动机10驱动。燃烧发动机10包括大量燃烧室12，在其中燃料空气混合物燃烧。燃烧发动机10优选地如在图1中呈现的那样实施为根据奥托原理(Ottoprinzip)借助于点火塞14外部点火的燃烧发动机。对此，在燃烧室12中的每个处布置有至少一个点火塞14，以便点燃燃料空气混合物。此外，燃烧室12分别具有至少一个入口阀52和出口阀56，利用其可控制燃烧室12的气体变换。入口阀52和出口阀56可以以已知的方式经由相应的机制由燃烧发动机10的凸轮轴操纵，其在图1中出于清楚性的原因未呈现。燃烧发动机10经由入口16与空气供给***20相连接。空气供给***20包括吸取通道22，在其中沿新鲜空气穿过吸取通道22的流动方向布置有空气过滤器24，在空气过滤器24下游布置有废气涡轮增压器34的压缩机28且在压缩机28下游布置有节流阀片26。备选地，燃烧发动机10也可实施为自吸式发动机(Saugmotor)，其中在该情况中废气涡轮增压器34和由此压缩机28在吸取通道22中取消。此外，燃烧发动机10经由机械压缩器或电压缩机的增压是可能的。
燃烧发动机10以其出口18与废气设施30相连接。废气设施30沿燃烧发动机10的废气穿过废气设施的流动方向包括废气涡轮增压器34的涡轮36，其经由轴驱动在吸取通道22中的压缩机28。在涡轮36下游布置有三元催化器38且进一步在下游布置有颗粒过滤器40。备选地，颗粒过滤器40也可利用三元催化有效的覆层实施为所谓的四元催化器42。在涡轮36下游和在三元催化器38上游在废气通道32中布置有第一λ探子(Lambdasonde，有时也称为氧传感器)44、优选地宽带探子(Breitbandsonde)，以便确定在废气中的燃烧空气比。在三元催化器38下游且在颗粒过滤器40上游在废气通道32中设置有第二λ探子46，其可实施为跳跃探子(Sprungsonde)或宽带探子。此外，在废气设施中、优选地在颗粒过滤器40处设置有温度传感器48，利用其可确定在进入到颗粒过滤器40前的废气温度且基于其可计算颗粒过滤器40的温度。此外，在颗粒过滤器40上游设置有第一压力传感器58且在颗粒过滤器40下游设置有第二压力传感器60，利用其确定在颗粒过滤器40上的差压。因为在颗粒过滤器40上的差压随着颗粒过滤器40的增加的装载提升，当需要颗粒过滤器40的再生时，可根据该差压估计和获取颗粒过滤器40的装载状态。备选地，颗粒过滤器40的装载也可经由装载模型确定，其根据燃烧发动机10的发动机参数计算到颗粒过滤器40中的炭黑进入(Rußeintrag)或来自颗粒过滤器40的炭黑排出(Rußaustrag)且由此计算颗粒过滤器40的装载。
燃烧发动机10与发动机控制器50相连接。发动机控制器50控制燃料到燃烧发动机10的燃烧室12中的喷入量和喷入时刻以及节流阀片26在吸取通道22中的位置。此外，发动机控制器50经由信号线路与λ探子44,46、温度传感器48以及用于在颗粒过滤器40上的差压测量的传感器58,60相连接。
在图2中呈现了带有空气供给***20和废气设施30的燃烧发动机10的另一实施例。在如对于图1实施的那样基本上相同的构造中，在此在颗粒过滤器40处设置有电加热元件54，其对于颗粒过滤器40的蜂窝体而言前置且废气在进入到颗粒过滤器40中前加热。电加热元件54优选地如在图2中呈现的那样构造为电加热盘(Heizscheibe)，其固定在颗粒过滤器40的壳体处。备选地，然而电加热元件54的其他的可行性方案也是可行的。尤其，颗粒过滤器40的过滤器基底可构造成导电的且通过施加电压加热。
在图3中呈现了用于执行用于颗粒过滤器40的再生的根据本发明的方法的流程图。在第一方法步骤<100>中通过差压测量或根据在发动机控制器50中存储的平衡模型(Bilanzierungsmodell，有时也称为结账模型)获取颗粒过滤器40的装载状态。在方法步骤<110>中颗粒过滤器40通过发动机内部的措施或通过至少一个电加热元件54在燃烧发动机10的废气设施30中加热到其再生温度上。如果颗粒过滤器40已经达到其再生温度，则在方法步骤<120>中确定氧气量，其对于颗粒过滤器40的有效率的和运行可靠的再生是需要的。在方法步骤<130>中然后在燃烧发动机10的推进运行中推进空气如此匹配，使得推进空气量匹配于对于颗粒过滤器40的再生需要的氧气量。对此，尤其节流阀片26在燃烧发动机10的吸取通道22中开启，以便提高推进空气量。备选地或附加地，燃烧室12的气体变换阀52,56的开启时间在该推进阶段中可被匹配，以便使空气流消除节流且提高推进空气量。

Claims (11)

1.一种用于再生燃烧发动机(10)的废气设施(30)中的颗粒过滤器(40)的方法，其中所述颗粒过滤器(40)在所述燃烧发动机(10)的推进阶段中再生，包括如下步骤：
- 获取所述颗粒过滤器(40)的装载状态，
- 将所述颗粒过滤器(40)加热到再生温度(Treg)上，
- 计算氧气量，其被需要用于再生所述颗粒过滤器(40)，
- 使推进空气量匹配于对于所述颗粒过滤器(40)的再生需要的氧气量，其中所述推进空气量经由节流阀片(26)的位置的改变来提高且所述节流阀片(26)在推进运行中如此程度地开启，即使得实现在所述颗粒过滤器(40)上的最大的炭黑转化。
2.根据权利要求1所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其特征在于，当所述颗粒过滤器(40)已达到下阈值温度(TSU)时，所述推进空气量通过开启所述节流阀片(26)来提高。
3.根据权利要求2所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其中，所述下阈值温度(TSU)处于550℃-600℃的范围中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其特征在于，当所述颗粒过滤器(40)达到上阈值温度(TSO)时，所述推进空气量通过闭合所述节流阀片(26)降低。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其特征在于，所述颗粒过滤器(40)的再生在多个子步骤中执行。
6.根据权利要求5所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其特征在于，在各个子步骤之间分别设置有用于所述颗粒过滤器(40)的加热阶段。
7.根据权利要求5所述的用于再生颗粒过滤器(40)的方法，其特征在于，所述燃烧发动机(10)在两个推进阶段之间在点火的运行点中运行。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述点火的运行点包括发动机内部的加热措施。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述发动机内部的加热措施包括点火塞(14)的点火时刻沿延迟的方向的点火调整或λ分离运行。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述颗粒过滤器(40)包括电加热元件(54)或对于所述颗粒过滤器(40)而言前置有电加热元件(54)，其中所述电加热元件(54)在所述颗粒过滤器(40)的再生期间激活，以便阻止所述颗粒过滤器(40)在所述推进运行中冷却到再生温度(Treg)以下。
11.一种带有燃烧发动机(10)的机动车(100)，该燃烧发动机带有空气供给***(20)，在其中在吸取通道(22)中布置有节流阀片(26)，以及带有废气设施(30)，在其中布置有颗粒过滤器(40)，以及带有发动机控制器(50)，其设立成用于，当机器可读的程序代码通过所述发动机控制器(50)实施时，执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
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