CN102112720B - 通过空燃比控制来运行排气系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机(2)的排气系统(1)的方法，在所述排气系统中至少设有颗粒分离器(3)和催化转化器(4)，所述方法至少包括下列步骤：a)利用关于一控制值(5)的空燃比控制来运行所述内燃机(2)中的过程；b)对所述颗粒分离器(3)的再生过程进行识别；c)确定所述颗粒分离器(3)的再生过程的氧需求；d)针对所述颗粒分离器(3)的再生过程的时段，关于所述确定的氧需求来匹配所述空燃比控制。另外，本发明提出一种适合实施本方法的具有火花点燃式发动机(9)的机动车(8)。

Description

通过空燃比控制来运行排气系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机排气系统的方法，在该排气系统中至少设有颗粒分离器和催化(转化)器。另外还提出一种适合实施该方法的机动车。本发明尤其应用在内燃机运行期间的颗粒分离器再生方面。
背景技术
正是在火花点燃式发动机的排气处理方面，在去除固态的燃烧残余物时可能出现问题。此前在火花点燃式发动机的排气处理中发现，排气中产生的颗粒量明显少于柴油发动机的情况。例如使用颗粒分离器(壁流式过滤器、旁流式过滤器(Nebenstromfilter)等)来去除这种碳烟颗粒，在该颗粒分离器中阻留颗粒。为了避免阻塞和/或获得颗粒分离器效率的再次增加，例如在550℃至600℃的温度下对碳烟进行热转化，为此需要氧。
对于火花点燃式发动机，通常使用所谓的空燃比(Lambda)控制。这种空燃比控制尤其用于与功率和燃料消耗率相关地调节内燃机的燃烧过程。在此，空燃比(λ)表示参照化学计量的(理论配比的)混合物的空气燃料比。化学计量的混合物准确地包含使燃料完全燃烧所需的空气量。这种情况下λ＝1.0。在此，对汽油情况的质量比为14.7∶1。如果存在更多的燃料，则认为是浓混合物(λ＜1)，而在空气过量的情况下，认为是稀混合物(λ＞1)。空燃比控制通过适合的传感器探测实际的空燃比值并改变燃料量或空气量，从而设定空燃比控制值。
在具有三元催化转化器的排气系统中，空燃比控制被设定成将控制值准确地保持为1.0。为此已知两种不同的选择：其一选择是使空燃比值恒定地、准确地保持为1.0，而(另)一选择是使实际的空燃比值围绕一值为1.0的空燃比平均值恒定地振动。由此，使排气具有如下的混合物：其中仍含有的污染物在与三元催化转化器接触时能被尽可能有效地转化。
发明内容
由此，本发明的目的在于：至少部分地解决关于现有技术描述的问题。尤其是提出一种方法，其中在运行期间实现对来自内燃机排气流的污染物和域颗粒的有效转化。另外，提出一种具有排气系统的机动车，通过其能实现对颗粒分离器的再生的控制性调节，其中同样还使气态组分被可靠、有效地进一步转化。
所述目的通过具有权利要求1的步骤的方法以及具有权利要求7的特征的机动车来实现。本发明的其它有利实施方式在各从属列出的权利要求中提出。应指出的是，在权利要求中单独提出的特征可以任意技术上有意义的方式相互结合并形成本发明的另外的实施方式。尤其是结合附图的描述进一步描述本发明并给出本发明的另外的实施方式。
根据本发明提出一种用于运行内燃机排气系统的方法，在该排气系统中至少设有颗粒分离器和三元催化转化器，该方法至少包括下列步骤：
a)利用关于一控制值的空燃比控制来运行内燃机中的过程；
b)对颗粒分离器的再生过程进行识别；
c)确定颗粒分离器的再生过程的氧需求；
d)针对颗粒分离器的再生过程的时段，关于所述确定的氧需求来匹配所述空燃比控制。
步骤a)尤其是表示，根据空燃比值向内燃机输入空气和燃料。在此情况下，一般地为发动机的运行设定一基本恒定的控制值。
根据步骤b)的对颗粒分离器再生过程的识别可以以测量和/或计算的方式来确定。因此，例如可以测量和/或计算出在颗粒分离器上(跨颗粒分离器)的压力损失。也可以设有计算模型，由该计算模型能基于内燃机中的过程确定或计算出存在的颗粒量。总之在此考虑的是限值/临界值，当到达该限值时便进行颗粒分离器的再生。该限值在此可以是固定的，但也可以设置可根据内燃机的负载状态和/或排气系统中的温度改变的限值。
根据步骤c)确定：仅为氧化颗粒分离器中的颗粒需要多少排气中的氧。为此，尤其可以考虑多种不同的边界条件，例如排气温度、排气流速、颗粒分离器中的温度、颗粒分离器中颗粒的质量和/或尺寸和/或分布。在此，根据具体的测量值确定氧需求，和/或计算出氧需求，必要时在使用适合的模型的情况下进行所述计算。
根据这样确定的氧需求来匹配空燃比控制，使得输入尤其是更多的空气(或燃料)，以使排气满足所述确定的氧需求(如可能仅是准确地按照需要)。因此，针对颗粒分离器的再生过程的时段，输入的附加氧的量一方面使颗粒分离器以希望的转化率再生，另一方面使催化转化器也在使转化高效的排气环境中进行转化。
在这方面优选的是，步骤a)中，控制值是为1.0的空燃比值。就这方面来说，所述方法尤其适合于控制火花点燃式发动机中的燃烧过程，使得位于排气系统中的三元催化转化器即使在颗粒分离器的再生过程中也在最佳环境中运行。
根据一种改进方案提出：步骤d)中，控制值是在1.02至1.05范围内的空燃比值。这里所提出的空燃比值的范围准确地按照颗粒分离器再生过程的氧需求来确定，并优选在再生过程的整个持续期间得到保持。在这方面尤其提出：与行驶功率和所确定的温度相关地使(平均)空燃比值向更稀的方向移动。
除针对颗粒分离器的再生过程时段提高空燃比值的平均值外，还提出：在步骤a)中，所述控制值以第一幅值围绕1.0的空燃比值变化，而在步骤d)中设定一比第一幅值大的第二幅值。以这种方式，在再生过程的时段期间至少周期性地(定期地)提高排气中的氧份额，从而在这里也可以可靠地转化碳烟。所述(两)幅值的大小差优选为2％至10％，尤其是3％至6％。
根据本方法的一种改进方案提出：借助颗粒分离器的再生模型进行计算来确定氧需求。这尤其意味着，在考虑燃烧过程、温度等的情况下或者在与燃烧过程、温度等无关的情况下，由一再生模型进行对颗粒分离器的再生过程的识别。该再生模型可包括经验值和/或参数，借助所述经验值和/或参数能识别出颗粒分离器的再生过程的必要性。
特别是在步骤d)期间颗粒分离器区域内的温度至少为500℃的情况下实施本方法。颗粒分离器区域内的温度可以涉及颗粒分离器本身以及排气系统的上游和/或下游部段的温度，和/或流入和/或流出排气的温度。为此，尤其是温度传感器和/或用于以计算方式确定温度的温度模型是有帮助的。
另外提出一种机动车，其包括火花点燃式发动机以及与火花点燃式发动机相连接的排气系统，在火花点燃式发动机中产生的排气能够沿流动方向穿流过所述排气系统。排气系统包括至少一个传感器。此外在排气系统中沿流动方向至少依次布置有颗粒分离器和三元催化转化器，其中，用于火花点燃式发动机的控制装置与排气系统的至少一个传感器共同作用并且被设置用于实施根据本发明所述的方法。
为完整起见需指出，除颗粒分离器和三元催化转化器外，还可以设有用于排气后处理的其它部件。在此重要的是，颗粒分离器布置在三元催化转化器的上游，也就是说，排气在到达三元催化转化器之前首先接触颗粒分离器。因此，在颗粒分离器与三元催化转化器之间也可以设有另外的排气后处理单元。控制装置尤其可以是机动车的发动机控制装置，其中，该发动机控制装置也可以集成在机动车的车载系统中。总之在控制装置中能处理传感器的信号和/或数据，必要时还能利用计算模型进行比较或校正。
对于这种机动车认为有利的是：沿流动方向在颗粒分离器上游设有第一空燃比传感器，在颗粒分离器下游或三元催化转化器下游设有至少一个第二空燃比传感器。必要时也可以在颗粒分离器和/或三元催化转化器中内置有至少一个这里所述的空燃比传感器。空燃比传感器在此是排气系统的传感器。空燃比传感器可尤其用于，判定何时颗粒分离器的再生过程基本结束，其中，为此尤其是使用布置在颗粒分离器下游的空燃比传感器。在这方面，由此能够确定出颗粒分离器的再生过程的时段、进而使步骤d)结束。
另外，优选的机动车是，其中颗粒分离器利用蜂窝体形成，所述蜂窝体具有开口(敞开)的通道，所述通道由金属薄板和非织造(金属)丝织物(Drahtvlies)来界定。其中，这里提出的颗粒分离器因此不是具有交替封闭的通道的所谓壁流式过滤器，而是一种开口式的结构，该开口式结构在本申请人的其它申请中也被称为“旁流式过滤器”。在这种颗粒分离器中，蜂窝体具有多个通道，其中所述通道又基本上能被排气穿流过。在这些通道中设有导向叶片、凸起和类似物，所述导向叶片、凸起和类似物使颗粒朝向由非织造丝织物形成的壁区段转向，其中总是确保：流经通道的排气的至少一部分还在导向叶片、凸起等旁流动，从而被留在通道中。为此，金属薄板优选形成有波纹结构，而金属的非织造丝织物为此目的包括一个或多个由相对布置成的极细的丝形成的层，所述层彼此烧结和/或熔接。如必要，所述薄板和/或非织造织物可形成有(催化活性的)涂层。
附图说明
下面借助附图更详细地阐明本发明和技术领域。应指出的是，所述附图特别示出本发明的优选实施方式，但其不对本发明形成限制。所述附图示意性示出：
图1示出根据本发明的方法的第一形式；
图2示出根据本发明的方法的第二实施方式；
图3示出用于实施本方法的机动车的实施方式；
图4示出开口式微粒分离器；以及
图5示出另一开口式微粒分离器的局部。
具体实施方式
图1以一图表来示出排气系统运行期间的情况，其中在Y轴上示出空燃比控制的控制值5。在此示出作为控制值5的空燃比值随时间21的变化曲线。从左侧起可看出，首先以恒定的控制值5、例如1.0的空燃比值来运行内燃机中的过程。如果这时识别出颗粒分离器的再生过程，则确定所需的氧需求。随后通过所确定的氧需求20来对空燃比控制进行匹配，使得控制值5在再生时段19中阶梯式地升高。在此，控制值5在该再生时段19内的值为1.02至1.05。如果判定颗粒分离器的再生过程结束，则控制值5再次下降到其初始控制值。
图2示出一类似的状况，其中利用动态空燃比幅值控制来运行内燃机。这里同样根据随时间21示出控制值5。从左侧起可看出，控制值5关于这里以点划线示出的平均值具有第一幅值6。针对再生时段19将空燃比控制匹配成，使得第二幅值7大于第一幅值6。由此附加地提供先前确定的氧需求。在颗粒分离器的再生时段结束之后，幅值再次下降到第一幅值6的值。
图3示意性地示出具有内燃机2的机动车8，该内燃机是火花点燃式发动机9。火花点燃式发动机9连接一排气系统1。在火花点燃式发动机内产生的排气沿流动方向首先流经颗粒分离器3，随后流经三元催化转化器4。沿流动方向10观察，在颗粒分离器3上游设有一第一空燃比传感器13。在颗粒分离器3下游直接设置一第二空燃比传感器14。而在图3中还(用虚线)绘出第二空燃比传感器14的一沿流动方向10观察位于三元催化转化器4下游的位置。另外，机动车8具有控制装置12。控制装置12通过导线22在数据或信号技术和/或控制技术上与传感器11和内燃机2的一部分相连接。尤其是，可通过控制装置12将传感器11测得的排气特征参数用于控制内燃机2中的过程。
图4以一纵剖面示出旁流过滤器类型的颗粒分离器3的一可能的实施方式，其具有开口的通道16。在此，通道16分别利用金属薄板和非织造丝织物18界定。在沿流动方向10流经颗粒分离器3时，由于导向面24和/或开口26而使带有颗粒的排气朝向非织造丝织物18转向，使得排气部分地沿非织造丝织物18流动和/或穿流过非织造丝织物18。在此颗粒被阻留。在这种开口式颗粒分离器3中不存在单个通道16被阻塞的危险，这是因为总是能够对通道10的导向面24实现旁通或旁流。由此，相对很少需要执行再生。通常这种颗粒分离器3的所有部件都由金属制成，使该颗粒分离器由金属壳体25和纯金属的蜂窝体15形成。
图5以一局部示意性地示出由具有一定结构的、含导向面24的金属薄板17引起的各排气流13的偏转。由于这种导向面24而朝向金属非织造丝织物18引导至少一部分排气，其中，尤其由于相邻通道内的压差而进一步促进这种流动。
附图标记列表
1排气系统
2内燃机
3颗粒分离器
4催化转化器
5控制值
6第一幅值
7第二幅值
8机动车
9火花点燃式发动机
10流动方向
11传感器
12控制装置
13第一空燃比传感器
14第二空燃比传感器
15蜂窝体
16通道
17金属薄板
18非织造丝织物
19再生时段
20氧需求
21时间
22导线
23排气流
24导向面
25壳体
26开口

Claims (9)

1.一种用于运行火花点燃式内燃机（2）的排气系统（1）的方法，在所述排气系统中至少设有颗粒分离器（3）和位于所述颗粒分离器下游的三元催化转化器（4），所述方法至少包括下列步骤：
a）利用关于一基本恒定的控制值（5）的空燃比控制来运行所述内燃机（2）中的过程；
b）对所述颗粒分离器（3）的再生过程进行识别；
c）确定所述颗粒分离器（3）的再生过程中仅为氧化所述颗粒分离器中的颗粒所需要的氧需求；
d）针对所述颗粒分离器（3）的再生过程的时段，关于所述所需要的确定的氧需求来准确地匹配所述空燃比控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中所述控制值是1.0的空燃比值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤d）中，所述控制值（5）是在1.02至1.05范围内的空燃比值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中的所述控制值（5）以第一幅值（6）围绕1.0的空燃比值变化，而在步骤d）中，设定一比所述第一幅值（6）大的第二幅值（7）。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助所述颗粒分离器（3）的再生模型进行计算来确定氧需求。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤d）期间，在所述颗粒分离器（3）的区域内存在至少500℃的温度。
7.一种机动车（8），包括火花点燃式发动机（9）以及与所述火花点燃式发动机相连接的排气系统（1），在所述火花点燃式发动机（9）中产生的排气能够沿流动方向（10）穿流过所述排气系统（1），所述排气系统包括至少一个传感器（11），在所述排气系统中沿流动方向（10）至少依次布置有颗粒分离器（3）和三元催化转化器（4），其中，用于所述火花点燃式发动机（9）的控制装置（12）与所述排气系统（1）的至少一个传感器（11）共同作用并且被设置用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
8.根据权利要求7所述的机动车（8），其特征在于，沿流动方向（10）在所述颗粒分离器（3）上游设有第一空燃比传感器（13），在所述颗粒分离器（3）下游或所述三元催化转化器（4）下游设有至少一个第二空燃比传感器（14）。
9.根据权利要求7或8所述的机动车（8），其特征在于，所述颗粒分离器（3）包括蜂窝体（15），所述蜂窝体（15）具有开口的通道（16），所述通道由金属薄板（17）和非织造丝织物（18）来界定。
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