CN102465741B - 具有微粒过滤器的内燃发动机排气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机排气系统，该排气系统具有能够在一端连接于内燃发动机的排气出口导管、设置在该排气出口导管中的下游的至少一个催化转换器、连接于该催化转换器的出口的微粒过滤器以及用于将辅助空气引进到排气出口导管的辅助空气引进口。而且该辅助空气引进口设置在内燃发动机的排气口和微粒过滤器之间，或设置在该催化转换器和微粒过滤器之间并且具有用于控制辅助空气引进的簧片阀。

Description

具有微粒过滤器的内燃发动机排气系统

相关申请

本申请要求于2010年11月18日提交的德国专利申请No.102010044101.5的优先权，其整个内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及具有微粒过滤器的内燃发动机排气系统。

背景技术

来自内燃发动机的污染物排放可以通过利用排气催化转化器的排气催化后处理以有效的方式减少。为了减少例如柴油燃烧期间产生的微粒排放，利用通常连接于一个或多于一个排气催化转换器的出口的微粒过滤器。利用微粒过滤器从排气中除去的微粒，即在过滤器中捕集的微粒主要是炭烟微粒。根据微粒过滤器的炭烟微粒负荷和排气背压的相关增加需要定期清洁或再生微粒过滤器。这种清洁或再生通过微粒过滤器中的炭烟微粒的氧化作用来实现，即通过燃烧来实现，由此保持微粒过滤器的正常运行。

根据6级欧洲排气标准(欧6)，对于具有直接喷射的火花点火发动机将来同样也将必需采用严格的微粒排放限制。

公布文件DE 10345986A1公开了一种用于内燃发动机的排气系统，该排气系统具有包含一个或多于一个催化转化器的催化转化器部分和连接于该催化转化器部分的出口的炭烟过滤器。而且用于附加空气的供给装置设置在催化转化器部分和炭烟过滤器之间。排气流过的喷油器装置，或连接在之间的被控制的控制阀用作供给装置。空气从空气储存容器或从供气单元获得。用附加空气加浓的排气促进炭烟过滤器的自清洁并且改善炭烟微粒的燃烧。

欧洲专利EP 1970547B1也公开了一种用于内燃发动机的排气净化系统。该排气净化系统用在摩托车上，以便利用在排气管道中串连的三个催化转换器清洁来自内燃发动机的排气。该方案(proposal)提供辅助空气引进管道，用于将辅助空气引进到至少在第二和第三催化转换器之间的排气管道中，以便帮助第三催化转换器中的CO和HC的氧化。辅助空气经由簧片阀从空气滤清器被供给排气管道。

特许公开申请DE 3818158A1也公开了一种用于除去沉积在内燃发动机排气过滤器中的炭烟的方法和装置。在排气过滤器的部位中，状态的绝热变化引起排气温度升高，因此引起沉积在过滤器中的炭烟的燃烧。用于施加在谐振状态下振动的压力的谐振系统设置在排气过滤器的前面。用于谐振系统的激发压力通过振动的燃烧器火焰或通过利用舌片(flap)周期性地打开和关闭排气出口导管产生。

公开文件DE 10350485A1也公开了一种内燃发动机，其中包含在排气中的污染物利用净化装置减少。再一次说，净化装置通过氧化过程周期性地再生。为了再生净化装置，利用净化装置上游的鼓风机使新鲜空气直接进入排气流。用于内燃发动机的进气被用作新鲜空气，所述进气被设置在进气区的鼓风机(增压器)压缩，并且经由设置在内燃发动机上的排气再循环导管并经由排气再循环阀进入排气流中。

最后，公开文件DE 102006004239A1公开了一种操作用于内燃发动机的辅助空气装置的方法。该空气辅助装置具有带有涡轮机的辅助空气增压器和压缩机。需要时连接于涡轮及的该压缩机经由压缩机阀将辅助空气吹进内燃发动机的排气部分，以便实现排气催化转换器的加热。电操作的阀或电动-气动操作阀被提供为压缩机阀，该阀或者完全打开或者完全关闭管道截面，或者能够连续调节该截面。

发明内容

在这种背景技术下，本发明的目的是以很少的费用改进内燃发动机排气系统中的微粒过滤器的功能。

根据本发明，这个目的通过根据本发明的技术方案实现。

应当指出，在下面的描述中单个出现的特征可以以任何技术上合理的方式组合并且构成本发明的其他实施例。该描述附加地突出本发明特征并且详细描述本发明。

附图说明

图1是包括本公开的排气系统的车辆系统的示意图。

图2是示出根据本公开一个实施例的用于引导环境空气和排气系统中的排气的方法的流程图。

图3是示出根据本公开另一个实施例的用于引导环境空气和排气系统中的排气的方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明用于内燃发动机的排气系统具有排气出口导管，该排气出口导管的一端可以连接于内燃发动机的排气口，排气系统还具有设置在该排气出口导管下游的至少一个催化转换器、连接于该催化转换器的出口的微粒过滤器，以及用于将辅助空气引进到排气出口导管中的辅助空气引进口。在这种设置中，辅助空气引进口设置在内燃发动机的排气口和微粒过滤器之间，并且特别优选地，在催化转换器和微粒过滤器之间。此外，辅助空气引进口具有簧片阀，利用它能够控制辅助空气的引进。

图1示出车辆系统6的示意图。该车辆系统6包括连接于燃料系统18的发动机系统8。该发动机系统8可以包括具有多个汽缸30的发动机10。该发动机10包括发动机进气装置23和发动机排气装置25。该发动机进气装置23包括经由进气道42流体地连接于发动机进气歧管44的节气门62。发动机排气装置25包括通向排气出口导管35的排气歧管48(也叫做排气口)，该排气出口导管35使排气通向大气。发动机排气装置25可以包括一个或多于一个排放控制装置70、72，该排放控制装置70、72可以在排气装置中安装在靠近的耦合(close-coupled)位置。该一个或多于一个排放控制装置可以包括三元催化剂、稀NO_X捕集器、柴油微粒过滤器、氧化催化剂等。在图1所示的实施例中，三元催化剂(TWC)70设置在微粒过滤器72的上游。该催化剂70被配置为氧化和/或还原诸如未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的各种排气排放物。微粒过滤器72被配置为捕集排气流中的微粒并且随后将微粒燃烧掉。在排气出口导管35中设置在催化剂70和微粒过滤器72之间的是将辅助空气引进通道76连接于排气出口导管35的辅助空气引进口74。通过阀78控制辅助空气引进口74。阀78可以在辅助空气引进口74处设置在排气出口导管35的壁中，或者可以在辅助空气引进口处设置在辅助空气引进通道76中。阀78可以是也叫做单向阀的簧片阀，被配置为基于阀两侧的压力差沿着一个方向打开。在其他的实施例中，阀78可以是由诸如控制器12的控制器控制的簧片阀，并且被配置为在某种工况下封闭地关闭，这将在下面更详细地讨论。

燃料系统18可以包括连接于燃料泵系统21的燃料箱20。该燃料泵系统21可以包括一个或多于一个泵，用于对提供给发动机10的喷射器(例如所示的示例性的喷射器66)的燃料加压。喷射器66可以是被配置为直接将燃料喷射到汽缸中的直接式喷射器，或者在其他实施例中，喷射器66也可以是被配置为将燃料喷射到连接于汽缸的进气道的进气道喷射器。虽然只示出单个喷射器66，但是对于每个汽缸可以设置附加的喷射器。应当明白，燃料系统18可以是非回流式燃料系统、回流式燃料系统或各种其他类型的燃料系统。

车辆系统6还可以包括控制系统14。所示的控制系统14接收来自多个传感器16的信息并且将控制信号发送给多个致动器81。作为一个示例，传感器16可以包括设置在排气控制装置上游的排气传感器126和设置在排放控制装置下游的排气传感器129、130、微粒过滤器温度传感器127和被配置为确定微粒过滤器上的炭烟负荷的微粒过滤器炭烟负荷传感器128。诸如压力、温度和成分传感器的其他传感器可以连接于车辆系统6中的各种位置。作为另一个示例，致动器可以包括燃料喷射器66、节气门62和阀78。控制系统14可以包括控制器12。控制器12可以接收来起各种传感器的输入数据，处理该输入数据，并且根据对应于一个或多于一个子程序的指令或其中的编程码，响应该处理的输入数据触发致动器。

提供在其中设置有簧片阀78的辅助引进口74使得能够将辅助空气供给到排气口48中，因而将用于氧化或燃烧微粒过滤器72中的炭烟微粒所需要的氧直接供给到排气口48中。因此，例如，不需要将附加的辅助空气引进到内燃发动机的燃烧室中，以便在燃烧室中的燃料燃烧之后增加保留在排气流中的氧的比例，并且以这种方式能够燃烧微粒过滤器72中的炭烟微粒。

在内燃发动机燃烧室中的燃料燃烧期间，过量的空气意味着内燃发动机以稀燃料/空气混合物(λ＞1)运行。但是，非常重要的是保持化学计量比，即，例如当利用三元催化转化器后处理来自火花点火发动机的排气时，出现燃料完全燃烧所用的燃料/空气比(λ＝1)。因此，根据本发明的排气系统提供主要的优点是内燃发动机一直能够以正常的，即化学计量比的模式(λ＝1)运行，因为用于燃烧微粒过滤器中的炭烟微粒的辅助空气不通过内燃发动机引进而是直接进入排气导管中。所以，不需要将内燃发动机转变成稀燃运行以再生过滤器。因此，使用的任何催化转换器(例如特别是三元催化转换器)总是实现最佳效率，其中特别优选在催化转换器和微粒过滤器之间设置辅助空气引进口。而且，也能够取消为了再生微粒过滤器用于转换所需要的专用的发动机管理系统，或为了这个目的提供的发动机控制系统。因此，为了再生微粒过滤器和为了持续确保微粒过滤器的功能，根据本发明的排气系统具有特别简单的结构，并且特别适合与具有三元催化转换器和连接于其出口的微粒过滤器的火花点火发动机一起使用。

设置在辅助空气引进口74中的簧片阀78是沿着一个方向(即打开方向)打开的单向阀，并且自动关闭，优选不需要任何外部驱动而是仅仅根据该阀两侧的压力差。本发明所用意义上的术语“打开方向”是指从排气出口导管35的外侧到排气出口导管35中的方向，因此辅助空气能够流过簧片阀78进入排气出口导管35中，但是排气不能在非受控制的状态下从排气出口导管35逃出。簧片阀78用柔性材料制造，例如弹簧钢或甚至塑料，并且同时材料的性质选择成使得它们能够确保阀的严密密封。该材料同样具有足够的刚度，在压差的作用与打开方向相反的情况下确保保持阀运行，这种情况例如在排气系统中经常发生。

在内燃发动机工作期间由于排气的动态特性，排气出口导管35中的排气压力周期性地变化。根据本发明，簧片阀78以这样的方式设置在辅助空气引进口74中，使得排气压力的周期性地变化打开和关闭该簧片阀78而没有任何附加的外部控制，即，簧片阀78以纯粹的无源方式运行。具体说，当排气出口导管35中的排气压力低于环境压力时簧片阀78打开，并且如果排气出口导管35中的排气压力高于环境压力时簧片阀78关闭。因此，根据排气压力的变化，辅助空气经由簧片阀78周期性地流进排气出口导管35。于是辅助空气中所携带的氧气可用于氧化或燃烧微粒过滤器72中的炭烟微粒。

如果排气出口导管35中的排气压力高于环境压力，簧片阀78关闭并且防止排气和预先已经流进的辅助空气以非受控制的方式从排气出口导管35逃逸到外面。利用根据本发明的排气系统，可以省去用于将辅助空气引进到排气出口导管35的泵或鼓风机。可以使用经由簧片阀78引进的辅助空气持续氧化在微粒过滤器72中捕集的炭烟微粒。这在内燃发动机的低负荷范围或怠速范围内尤其具有优势。

在本发明的优选实施例中，排气系统具有超速断油(overrun cutoff)功能。超速断油是当内燃发动机不输出任何功率时受控制地中断供给内燃发动机的燃料，例如在内燃发动机超速运行期间会出现这种情况。在具有同时超速断油的超速运行期间，空气或氧气继续被传递通过内燃发动机用于再生微粒过滤器72。微粒过滤器72的这种再生在内燃发动机的所有运行状态下都是可能的，而不需要例如将内燃发动机转变成稀燃烧模式。还能够免除协助燃烧或氧化微粒过滤器72中的炭烟微粒的添加剂的使用。

在本发明的另一个优选实施例中，簧片阀78是由诸如控制器12的控制单元主动控制的簧片阀。例如，这使得能够以特别有利的方式控制进入排气出口导管35的辅助空气的引进，或在一段之间完全抑制辅助空气。因此，控制单元能够以最佳方式控制微粒过滤器的清洁或再生。例如，通保持过簧片阀关闭能够防止再生，直到微粒过滤器72中达到特定的微粒质量浓度，并且只有当高于过滤器的预定微粒负荷时，通过打开排气出口导管35并将辅助空气引进排气出口导管35来启动和进行再生。在另一个示例中，当微粒过滤器的温度高于阈值时，簧片阀78可以被控制器控制，从而被封闭地关闭。这样，如果微粒过滤器的温度高，使微粒过滤器的温度升高的再生能够被延迟直到温度下降，从而避免损坏微粒过滤器。因此在内燃发动机运行期间微粒过滤器72具有最佳过滤性能。簧片阀的控制可以通过任何合适的机构发生。在一个示例中，在辅助空气引进通道76中可以设置附加的阀。该附加的阀可以由控制器控制以在某种工况下打开，例如当过滤器的炭烟负荷高于阈值时，并且在其他时间保持关闭。在其他实施例中，簧片阀自身可以由控制器控制，以在某些工况下封闭地关闭，并且然后在其他条件下能够根据排气压力打开。

在优选实施例中，排气传感器129、130可以用来诊断簧片阀78不能适当地打开和关闭。例如，簧片阀78可以由控制器12控制，以当过滤器72的炭烟负荷高于阈值时能够打开。当簧片阀78能够打开时，从设置在辅助空气引进口74上游的传感器129获得的读数可以与从设置在辅助空气引进口74下游的传传感器130获得的读数进行比较。由于当环境压力超过排气压力时簧片阀78打开，额外的氧出现在辅助空气引进口74下游的排气中，并且传感器130将具有比传感器129高的氧读数。如果两个传感器指示相同的读数，则簧片阀78可能不会适当地打开。在另一个实施例中，在汽缸中的燃烧期间传感器130可以用于确定空气/燃料比，以便确保在设置在排气出口导管35中的排放控制装置中存在合适的空气/燃料比。当簧片阀78打开时，由传感器130给出的读数可能需要调节以补偿由辅助空气引进口74引进的额外的氧气。

在优选实施例中，根据本发明的排气系统用于具有直接喷射的内燃发动机，具体说用于具有直接喷射的火花点火的内燃发动机。其中至少一个三元催化转换器70设置在排气出口导管35的下游，并且其出口连接有微粒过滤器72、设置在三元催化转换器70和微粒过滤器72之间并具有无源或有源控制阀78的辅助空气引进口74。

回到图2，图2示出用于引导发动机中的环境空气和排气的方法200。该方法200可以由诸如控制器12的发动机的控制器执行，方法200包括，在202，判断发动机是否运行。发动机运行可以通过合适的方法确定，例如点火钥匙是处于接通还是断开状态。如果发动机不运行，方法200结束。但是，如果发动机运行，方法200则进行到204以判断发动机的汽缸是否接收燃料。在发动机超速断油状态期间，例如当车辆减速时，可以不需要发动机功率，并且因此可以停止到汽缸的燃料喷射以节约燃料。如果确定汽缸正在接收燃料，那么方法200进行到206。但是，如果汽缸不接收燃料，汽缸中不发生燃烧，结果不产生排气。控制通过汽缸的空气流的进气门和排气门仍然可以打开和关闭，泵送环境空气通过汽缸。因此，在208，方法200包括将环境空气引导至微粒过滤器。除了被引导经过汽缸到过滤器的空气之外，取决于设置在辅助空气引进口中的阀两侧的压力差，环境空气也可以被引导通过辅助空气引进口。如果对于在204的答案是“是”，并且汽缸正在接收燃料，则在燃烧期间产生排气。结果，在206，环境空气和排气被引导到过滤器。排气被持续引导到微粒过滤器。如果环境压力大于排气压力，设置在辅助空气引进口中的簧片阀在210打开，引导环境空气通过该阀到微粒过滤器。在210来自汽缸中的燃烧的排气也被引导到微粒过滤器。但是，如果环境压力不大于排气压力，簧片阀在212关闭。因此，来自汽缸的排气被引导到微粒过滤器，同时环境空气被阻挡不到达微粒过滤器。

图3示出根据本公开另一个实施例的用于响应各种发动机运行参数控制引导环境空气和发动机中的排气的方法。方法300可以通过诸如控制器12的车辆系统的控制单元进行。方法300包括在302判断微粒过滤器上的炭烟负荷是否高于阈值。阈值可以用任何合适的方式设置并且可以指示微粒过滤器炭烟容量。炭烟负荷可以通过诸如传感器128的传感器确定。如果炭烟负荷小于阈值，在304簧片阀被阻止打开，以防止环境空气到达微粒过滤器，并且因此微粒过滤器再生。如果炭烟负荷大于或等于阈值，方法300进行到306，以确定微粒过滤器的温度。如果微粒过滤器的温度高于阈值，则方法300再一次进行到304，以防止簧片阀打开，从而防止在高温再生，高温将损坏微粒过滤器。如果微粒过滤器的温度低于阈值，则方法进行到308，以使簧片阀能够基于排气压力打开。程序308可以类似于关于图2所描述的程序206，相同之处在于当环境压力超过排气压力时簧片阀打开。

因此，图2和图3示出用于引导环境空气和排气到微粒过滤器的各种实施例。在208、206和308引导环境空气到微粒过滤器允许微粒过滤器中存在过量的氧，以进行过滤器的再生。另一方面，当单向阀被关闭或防止被打开时，例如在212和304，过量的氧不到达微粒过滤器，并且不进行再生。应当理解，当簧片阀被控制以封闭地关闭时，当允许它打开时，该簧片阀仍然基于环境空气压力与排气压力的对比而打开，正如在上面关于图1所描述的。

应当注意，这里包括的示例性的控制和估计程序可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起应用。这里描述的具体程序可以表示任何数目的处理策略的一个或多于一个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种动作、操作或功能可以以所示的顺序进行，同时进行，或在一些情况下可以省略。同样，为了实现这里所述示例性实施例的特征和优点，处理的次序不是必需要求的，而是为了容易示出和描述而提供。一个或多于一个所示的动作或功能根据所用的特定策略可以重复地进行。而且，所述的动作可以图示地表示被编程为在发动机控制系统中的计算机可读的储存介质中的编码。

应当明白，这里所公开的配置和程序在性质上是示例性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以用于V-6、L-4、L-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本公开的主题包括这里公开的各种系统和结构、以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

所附权利要求具体指出某些被认为是新颖且非显而易见的组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这种权利要求应当理解为包括包含一个或多于一个这样的元件，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合或子组合可以通过在本申请或相关申请中修改这些权利要求，或通过提出新权利要求来主张。这些权利要求，无论其范围比原权利要求更宽、更窄、等同或不同，都被认为包含在本公开的主题内。

Claims (18)

1.一种用于内燃发动机的排气系统，其具有一端能够连接于所述内燃发动机的排气口的排气出口导管、设置在所述排气出口导管中的下游的至少一个催化转换器、连接于所述催化转换器的出口的微粒过滤器以及用于将辅助空气引进到所述排气出口导管的辅助空气引进口，其中所述辅助空气引进口设置在所述内燃发动机的排气口和所述微粒过滤器之间，并且具有用于控制辅助空气引进的簧片阀，其中在发动机超速断油状况期间，所述内燃发动机经配置为经由所述排气出口导管引导被泵送通过一个或多于一个汽缸的环境空气到所述催化转换器和微粒过滤器。

2.一种用于内燃发动机的排气系统，其具有一端能够连接于所述内燃发动机的排气口的排气出口导管、设置在所述排气出口导管中的下游的至少一个催化转换器、连接于所述催化转换器的出口的微粒过滤器以及用于将辅助空气引进到所述排气出口导管的辅助空气引进口，其中所述辅助空气引进口设置在所述催化转换器和所述微粒过滤器之间，并且具有用于控制辅助空气引进的簧片阀，其中在发动机超速断油状况期间，所述内燃发动机经配置为经由所述排气出口导管引导被泵送通过一个或多于一个汽缸的环境空气到所述催化转换器和微粒过滤器。

3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其中所述簧片阀被配置为当环境空气压力大于所述排气出口导管中的排气压力时打开。

4.根据权利要求1或2所述的排气系统，其中所述内燃发动机被配置为在发动机正常运行期间，经由所述排气出口导管引导在燃烧期间从一个或多于一个汽缸产生的排气到所述催化转换器和所述微粒过滤器。

5.根据权利要求1或2所述的排气系统，其中所述簧片阀由控制器控制，当所述微粒过滤器的炭烟负荷低于阈值时所述簧片阀被封闭地关闭。

6.根据权利要求1或2所述的排气系统，其中所述簧片阀由控制器控制，当所述微粒过滤器的温度高于阈值时所述簧片阀被封闭地关闭。

7.一种用于控制发动机中微粒的系统，包括：

汽缸；

连接于所述汽缸的排气出口导管；

设置在所述排气出口导管中的三元催化剂；

设置在所述催化剂下游的所述排气出口导管中的微粒过滤器；以及

设置在催化转换器和所述微粒过滤器之间并且由簧片阀控制的辅助空气引进口，其中在发动机超速断油状况期间，所述发动机经配置为经由所述排气出口导管引导被泵送通过所述汽缸的环境空气到所述催化转换器和微粒过滤器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述簧片阀被配置为打开以便将环境空气供给至所述微粒过滤器，以提供用于微粒过滤器再生的氧，所述簧片阀设置在所述辅助空气引进口处。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述簧片阀包括被配置为当环境空气压力大于排气压力时打开的单向阀。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述簧片阀由控制器控制，从而如果所述微粒过滤器中的炭烟负荷低于预定的阈值，所述簧片阀被封闭地关闭。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述簧片阀由控制器控制，从而如果所述微粒过滤器的温度高于预定的阈值，所述簧片阀被封闭地关闭。

12.一种用于控制发动机中的微粒的方法，包括：

在第一发动机工况期间，引导排气和环境空气通过微粒过滤器；

在第二发动机工况期间，引导排气通过所述微粒过滤器，并且阻挡环境空气到达所述微粒过滤器；以及

在第三发动机工况期间，引导来自所述发动机的一个或多于一个汽缸的环境空气至所述微粒过滤器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中引导环境空气通过所述微粒过滤器还包括引导环境空气经由具有簧片阀的辅助空气引进口通过所述微粒过滤器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一发动机工况包括环境空气压力大于排气压力，而所述第二发动机工况包括排气压力大于或等于环境空气压力。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述簧片阀由控制器控制，当所述微粒过滤器的炭烟负荷低于阈值时所述簧片阀被封闭地关闭。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述簧片阀由控制器控制，从而当所述微粒过滤器的温度高于阈值时所述簧片阀被封闭地关闭。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述微粒过滤器设置在发动机的一个或多于一个汽缸的下游的排气出口导管中。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述第三发动机工况包括发动机超速断油状况。