CN102733910A - 用于控制颗粒过滤器再生的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于控制颗粒过滤器再生的方法和装置。用于控制内燃机的废气通道中的颗粒过滤器再生的方法和装置，内燃机在其空气输入通道中具有节气门和废气回输，它在空气输入通道与废气通道之间具有废气回输阀，通过在空气流量和附加的喷射燃料时的干预，引发和监控在再生过程期间燃烧颗粒过滤器中的颗粒。提出，再生过程分成传统的再生阶段和扩展的再生阶段，用于在颗粒过滤器中快速氧化炭黑颗粒，在扩展的再生阶段内部放弃再喷射，如其在传统的再生阶段中应用的那样。本发明提出的方法和装置，相对于传统的再生策略缩短再生持续时间。降低油稀释/油混合以及动力燃料消耗。方法功能优选以软件方式作为对于传统再生策略的插件在所述控制单元内部实现。

Description

用于控制颗粒过滤器再生的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制内燃机的废气通道中的颗粒过滤器再生的方法，该内燃机在其空气输入通道中具有节气门和废气回输，该废气回输在空气输入通道与废气通道之间具有废气回输阀，其中通过在空气流量和附加的喷射燃料时的干预，引发和监控在再生过程期间燃烧颗粒过滤器中的颗粒。

本发明还涉及一种相应的用于执行按照本发明方法的装置。

背景技术

内燃机、尤其柴油内燃机经常配备废气再处理系统，它们尤其可以包括柴油颗粒过滤器（DPF）。这个颗粒过滤器在运行期间积聚炭黑并因此必须以确定的时间间隔再生。

为此需要控制和监控装置，在其中对于DPF再生实施管理。在此功能性可以分成三个基本功能块：

·估计储存在颗粒过滤器中的炭黑负荷，

·控制/监控激活的再生，和

·在内燃机的不同运行阶段内部协调再生。

最后的功能块的目的是，如果达到或超过确定的炭黑负荷值的时候，尽可能快速地启动再生。但是这一点必须在有利的内燃机运行条件下实现。功能块控制/监控激活的再生包括内燃机上的所有监控措施，它们能够实现储存在DPF中的炭黑颗粒的氧化。这个过程周期地进行，用于燃烧颗粒过滤器去除碳黑。

例如在EP 1 364 110 B1中描述了一种方法和装置，用于控制内燃机，它含有设置在废气再处理系统中的颗粒过滤器，其中设有再生过程，用于减小颗粒过滤器的负荷，其中根据内燃机的至少一个运行参数（转速N、喷射的燃料量QK、吸入的空气量ML和/或氧气浓度O2）和颗粒过滤器的至少一个运行参数（燃烧速度AV、吸入的空气量ML、废气温度TA和/或负荷状态DP）求得特征参数（过滤器温度TF），它表征未来在颗粒过滤器中的反应强度。在此规定，在超过阈值时通过特征参数TF采取至少一个措施，它减小在内燃机废气中的氧气浓度，目的是，使特征参数TF不达到阈值。

颗粒过滤器的最大炭黑负荷主要取决于过滤器的基底材料、例如孔隙度、单元密度和通道几何形状，并且尤其取决于熔化温度以及热容。

在再生期间的热释放与颗粒过滤器中的炭黑负荷成正比并且主要负责在颗粒过滤器中的最高温度。

传统的再生策略从专门的喷射图形和空气流量出发，由此在内燃机的废气通道中实现提高的温度并且可以实现炭黑氧化。为此采取许多措施，因为在柴油发动机正常运行中只能在接近满负荷时达到所需的高废气温度600℃至650℃。尤其在低发动机负荷和低转速时除了空气系统干预（节气门）以外需要喷射方面的措施，用于调整上述的温度范围。这些措施是，延迟主喷射量（MI）、停止在发动机中燃烧的再喷射（Pol2）和停止在柴油-氧化催化器（DOC）上燃烧的再喷射（Pol1）。在此必须保证在废气中的确定的剩余氧气含量，用于能够实现这种氧化。

再生持续时间取决于炭黑氧化率和颗粒过滤器中的炭黑量。用于氧化率的主影响因素是氧气含量和过滤器基底的温度。

在此行驶条件主要影响内燃机提高用于完全再生的废气温度的能力。尤其在具有低负荷和频繁滑行的城市内的行驶运行中困难的是，达到对于最佳的再生达到所需的高温度范围。结果是，与在有利的行驶条件下进行的再生阶段相比延长了再生阶段。这种有利的行驶条件例如是连续的高速公路行驶。

作为重要的副作用，在上述的用于颗粒过滤器的再生策略中，观察到由于喷射图形和再喷射量引起的润滑油稀释或润滑油与动力燃料混合。这导致动力燃料负面地加载气缸壁。在高度油稀释/油混合的情况下，作为结果可能损伤内燃机机构，这已经显示出失效。

作为油稀释/混合的主影响参数已经识别到：

·喷射图形（时刻和喷射量）

·炭黑排放率，它限制DPF负荷率和再生频率，以及

·再生持续时间，它确定在每次再生时在油中的动力燃料进入。

作为另一要求，要求DPF再生对于汽车司机没有可识别的功率影响和没有附加形成噪声地实现。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种方法，通过它再生颗粒过滤器并且可以减少油稀释/混合以及动力燃料消耗。

本发明的目的还是，提供一种用于执行该方法的相应的装置。

涉及方法的目的通过权利要求1至7的特征实现。

按照本发明的方法规定，所述再生过程分成传统的再生阶段和扩展的再生阶段，用于在颗粒过滤器中快速氧化炭黑颗粒，其中在扩展的再生阶段内放弃再喷射，如同其在传统的再生阶段中应用的那样。传统的再生阶段应用一般1至3分钟，在此其首先负责加热废气净化系统包括颗粒过滤器（DPF）。通过扩展的再生阶段附加地提高温度，用于加速炭黑燃烧。由此可以明显减少整个再生阶段的持续时间。因为放弃在这个第二阶段中的可能通常的再喷射，由此减少油稀释或油混合，即传统的再生阶段只持续1-3分钟，替代通常地持续10-15分钟。

在达到炭黑氧化的启动温度以后，如同优选的方法变型规定的那样，可以通过至少部分地关闭节气门而减少在输入空气通道中的输入空气流，和/或由于至少部分地打开废气回输阀而提高回输的废气比例，结合去激活再喷射引发所述扩展的再生阶段。通过这些措施可以减小在颗粒过滤器前面的废气通道中的气流并且提高氧气浓度。这支持颗粒过滤器内部的温度提高，因为降低在生热的氧化反应期间的气流冷却效应，并且氧气浓度提高反应的速度。

以有利的方式在达到580℃至610℃的温度时引发所述扩展的再生阶段，即开始炭黑颗粒氧化。当由于炭黑燃烧的热释放提高DPF中的温度时能够实现快速的炭黑氧化，直到结束炭黑氧化并由此再降低温度。因此，这个自调节的“链反应”导致在颗粒过滤器中短暂的高峰值温度，它由颗粒过滤器中的炭黑浓度、氧气浓度和温度水平确定。

在限制颗粒过滤器的基底材料和/或基底覆层的最高允许温度或最大允许温度梯度方面，在优选的方法变型中规定，在颗粒过滤器较低的预测的炭黑负荷时引发再生过程。

在城市内的行驶运行期间引发颗粒过滤器再生时，得到对于这种再生特别有利的运行阶段，在城市内的行驶运行中发动机负荷和转速相当低。在这个运行阶段中，喷射的燃料量与供使用的空气量相比更少，由此可以迅速减少气流并且总是还提供足够的剩余氧气供炭黑燃烧使用。在传统的再生颗粒过滤器时，与上述的方法变型不同，这个运行阶段正好是最关键的，因为在这里炭黑负荷由于高的烟灰水平是最高的，并且引起相当长的再生阶段，这导致更多的动力燃料进入到机油中。因此城市内的行驶运行在传统的再生时是最关键的情况。但是对于所建议的再生方法，这种运行阶段正好提供大的改善潜力。

在高发动机负荷和高转速的运行阶段中，通常在城市外的行驶运行时（例如快速的高速公路行驶），如上所述，不能使用扩展的再生阶段，因为动力燃料喷射量足够高，并且在气流明显减少时不能再提供足够的剩余氧气供碳黑燃烧使用，并也不能再提供足够的转矩供使用。因此规定，在引发再生以后，在从城市内的行驶运行交替到城市外的行驶运行时，只要扩展的再生阶段已经激活，则中断该扩展的再生阶段，并且通过传统的再生阶段替换，其中这个再生阶段一直执行直到达到至少部分成功的炭黑降低。

由于高的发动机负荷，在引发颗粒过滤器再生以后可以在城市外的行驶运行期间仅仅执行传统的再生阶段，其中在交替到城市内的行驶运行时在还运行的再生期间启动扩展的再生阶段，只要预测的炭黑负荷还具有高的数值。

如上所述，本方法的优选应用规定，控制由柴油发动机构成的内燃发动机的废气再处理系统中的颗粒过滤器的再生，其中作为用于这种柴油颗粒过滤器的过滤材料可以使用廉价的、但是更低温度稳定的过滤材料。对此的示例是由堇青石制成的基体，它们可以通过本方法保护。

有关装置的目的由此实现，即利用控制单元通过在空气流量和附加的喷射燃料时的干预能够引发和监控在再生过程期间燃烧颗粒过滤器中的颗粒，其中该控制单元具有用于执行按照本发明的方法的装置，具有其方法变型，如上所述那样。

在此在优选的实施例变化中规定，所述方法与其变化的功能以软件方式作为对于传统再生策略的插件在所述控制单元内部实现。因此设备方面的费用是微少的，可以通过软件更新简单地后配备。在此，控制单元可以是上级的发动机控制器（例如在引擎控制单元ECU内部）的集成的组成部分。

附图说明

下面借助于在附图中所示的实施例详细解释本发明。附图中：

图1以示意图示出可以应用按照本发明的方法的技术环境，

图2示出传统的再生颗粒过滤器的温度变化图表，

图3示出按照本发明的方法再生颗粒过滤器的温度变化图表，

图4示出再生的不同阶段的喷射变化图表，

图5示出依赖于颗粒过滤器的负荷状态的温度变化图表，

图6简示出内燃机的不同负荷图形，

图7简示出随时间的炭黑燃烧。

具体实施方式

图1简示出技术环境，在其中可以使用本发明。以柴油发动机的形式示出内燃机10，具有燃料计量系统11、空气输入通道20（在其中输送输入空气流21）和废气通道30（在其中输送内燃机10的废气质量流46）。沿着空气输入通道20在输入空气流21的流动方向上设置输入空气测量装置27、例如以热膜测量系统（HFM）的形式、涡轮增压器22的压缩级23和节气门24。废气回输25通过废气回输阀26（AGR）和冷却器（28）使空气输入通道20与废气通道30连接。在废气质量流46的流动方向上在所示示例中在内燃机10后面示出涡轮增压器22的废气涡轮机31以及作为废气再处理系统40的组成部分示出λ探测器43、柴油-氧化催化器（DOC）形式的氧化催化器41、温度探测器44和另一单独的温度探测器（在这里未示出）以及柴油颗粒过滤器（DPF）形式的颗粒过滤器42和消声器45。原则上也能够实现其它的传感器布置，用于确定颗粒过滤器42前面的废气通道30中的氧气含量和温度。附加地在内燃机10与废气涡轮机31之间的废气通道30中，在内燃机10的单个气缸的废气弯管的部位中作为废气再处理系统40的其它组成部分设置所谓的涡轮前端催化器或者PTC（Pre Turbo Catalyst）。

通过空气输入通道20对内燃机10输送新鲜空气。在此由涡轮增压器22的压缩级23压缩新鲜空气，压缩级23通过废气涡轮机31由废气质量流46驱动。通过节气门24可以调节输入的空气量。为了减少有害物，通过废气回输25对输入空气流21混入取决于内燃机10运行参数的来自废气通道30的废气量。在此可以借助于废气回输阀26调节废气回输率。在此冷却器28冷却来自废气通道30的废气流。

在废气再处理系统40中转换或过滤由内燃机10排放的有害物。因此，在氧化催化器41中也氧化碳氢化合物及一氧化碳，而颗粒过滤器42阻拦炭黑颗粒。

未示出对于内燃机10和废气再处理系统40的运行必需的控制和调节单元，必要时其它的温度感应器以及用于颗粒过滤器42负荷诊断的单元。

通过内燃机10运行，使颗粒过滤器42填充，直到发出达到其储存容量的信号。接着激活颗粒过滤器42的再生阶段，在该再生阶段中储存在颗粒过滤器42中的颗粒在生热反应中燃烧。为了引发这个生热反应，在颗粒过滤器42前面需要600℃至650℃的废气温度。因为这个温度在内燃机10正常运行时只能接近满负荷才能实现，必须通过附加的措施引起温度提高。

图2以温度变化图表100（温度101相对时间102）示出DPF温度103的变化以及在引发的颗粒过滤器42（DPF）再生期间在DPF104前面的温度。示出用于传统的再生策略的温度变化。从正常的运行阶段120开始，在激活再生以后跟随着加热阶段121，它通过确定的发动机措施引发。在达到基准温度（约600℃）以后对于接着的传统的再生阶段122保持这个温度，在再生阶段中实现炭黑燃烧，在此周期地应用这些措施，直到低于用于颗粒过滤器42的确定的炭黑负荷水平并且结束传统的再生阶段122。接着又是正常的运行阶段120。

与在图2中已经示出的一样，图3以另一温度变化图表100示出用于按照本发明的再生策略的DPF温度103变化以及DPF104前面的温度变化。相对于在图2中所示的温度变化，在加热阶段121和与其紧接着的短的传统的再生阶段122以后（一般1至3分钟），在达到基准温度105以后，温度再一次提高到达到最高DPF温度106（扩展的再生阶段123），它取决于颗粒过滤器42的所使用的基底材料或者所使用的基底覆层。相对于在图2中所述的传统的再生，在图3中所示的再生时得到明显缩短的持续时间。

在图4中以喷射变化图表110简示出用于再生循环的不同阶段的依赖于时间112的喷射量111。

尤其在低的发动机负荷和转速的情况下，除了空气系统干预（例如通过节气门24）以外，在通过燃料计量系统11进行的燃料喷射范畴中的其它措施是常见的。这些措施可以是发动机内部的措施，例如延迟主喷射114（MI）或在内燃机10中转矩中性地（drehmomentneutral）燃烧的再喷射115（Pol2），或者通过燃料输入输送到氧化催化器41前面的废气通道30中的且在氧化催化器41上燃烧的再喷射116（Pol1），其中再喷射116（Pol1）通常通过燃料计量系统11实现。此外通过废气回输阀26能够实现废气回输率的变化。

上述措施除了影响废气温度以外，也影响废气的成分，尤其其氧气含量。因为氧气含量对于在颗粒过滤器42中储存的颗粒在再生过程期间的燃烧速度并因此对于每时间单元释放的能量具有重要的影响，因此已知，例如通过上述措施通过调节废气的氧气含量来调节颗粒燃烧的变化并由此调节颗粒过滤器的温度。

图4示出示例地用于正常的运行阶段120、用于加热阶段121以及用于传统的再生阶段122的上述喷射过程，其中在所示的图表中还可以设有预喷射（Pl）113。

与已经在图3中所示的一样，图5以另一温度变化图表100示出用于按照本发明的再生策略的DPF温度103的变化。根据颗粒过滤器42的不同炭黑负荷，由于上述的炭黑氧化的动力，所达到的峰值温度可以是不同的。示出用于DPF温度（低）103.1（即具有相对较低的炭黑负荷）、用于DPF温度（中等）103.2（即具有相对中等的炭黑负荷）以及用于DPF温度（高）103.3（即相对较高的炭黑负荷）的温度变化。在限制最高允许温度（最高DPF温度106）或最大允许温度梯度方面对于颗粒过滤器42的基底材料和/或基底覆层可以规定，根据颗粒过滤器42的预测的炭黑负荷，限制扩展的再生阶段123的持续时间。

图6示出用于内燃机10的不同运行阶段的负荷-转速图表130，其中对于城市内的行驶运行133和城市外的行驶运行134的变化示出负荷131与转速132的关系。

图7在炭黑-燃烧变化图表140中示出炭黑质量141与时间142的关系。在此标出不同的负荷水平143…146。

在此负荷水平0 143表示几乎无炭黑的颗粒过滤器42（仅仅微小的剩余炭黑负荷），如它在刚成功进行再生循环以后可以观察到的那样。负荷水平1 144在此是部分成功进行再生。负荷水平2 145对应于炭黑几乎满负荷的颗粒过滤器42。负荷水平3 146对应于用于启动再生的触发水平并且是最高的炭黑负荷水平。

尤其在动态的行驶方式期间，内燃机10在具有较低负荷131和较低转速132的运行阶段（参见图6，区域II对应于城市内的行驶运行133）与具有较高负荷131和较高转速132的运行阶段（参见图6，区域I对应于城市外运行的行驶运行134）之间交替。按照本发明的方法对应于不同运行阶段之间的过渡来控制不同的再生阶段。在此可以区分四种情况：

情况1：在城市内的行驶运行133（图6，区域II）期间启动再生（达到负荷水平3 146，图7），其中城市内的行驶运行133在整个再生持续时间期间得到保持。在这种情况下执行具有扩展的再生阶段123的完全再生（快速的炭黑氧化），直到达到负荷水平0（图7）并且颗粒过滤器42几乎烧空。

情况2：在城市内的行驶运行133（图6，区域II）期间启动再生（达到负荷水平3 146 图7），其中在这种情况下交替到城市外的行驶运行134（图6，交替到区域I）。在这种情况下还执行扩展的再生阶段123，只要内燃机10还位于城市内运行阶段133。扩展的再生阶段123立刻中断，并且引发传统的再生阶段122，直到达到负荷水平1 144（图7）。在这里可能出现，在交替到城市外的行驶运行134时，预测的炭黑负荷已经位于负荷水平1 144以下，这源自成功的再生。

情况3：在城市外的行驶运行134（图6，区域I）期间启动再生（达到负荷水平3 146 图7），其中城市外的行驶运行133在整个再生持续时间期间得到保持。在这种情况下执行具有传统的再生阶段122的完全再生，直到达到负荷水平0（图7），并且颗粒过滤器42几乎烧空。

情况4：在城市外的行驶运行134（图6，区域I）期间启动具有传统的再生阶段122的再生（达到负荷水平3 146，图7），其中在这种情况下交替到城市内的行驶运行133（图6，交替到区域II）。在这种情况下还执行传统的再生阶段122，只要内燃机10还位于城市外的行驶运行134。一旦达到城市内的行驶运行133，扩展的再生阶段123立刻启动。对于在交替时预测的炭黑负荷位于负荷水平2 145（图7）以下的情况，中断再生。

在正常的行驶运行中追求负荷水平1或2 144、145。因此能够实现在行驶功率与燃料消耗之间的良好折中。

Claims (10)

1.一种用于控制内燃机（10）的废气通道（30）中的颗粒过滤器（42）再生的方法，该内燃机在其空气输入通道（20）中具有节气门（24）和废气回输（25），该废气回输在空气输入通道（20）与废气通道（30）之间具有废气回输阀（26），其中通过在空气流量和附加的喷射燃料时的干预，引发和监控在再生过程期间燃烧颗粒过滤器（42）中的颗粒，其特征在于，所述再生过程分成传统的再生阶段（122）和扩展的再生阶段（123），用于在颗粒过滤器（42）中快速氧化炭黑颗粒，其中在扩展的再生阶段（123）内部如同其在传统的再生阶段（122）中应用的那样放弃再喷射（115,116）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过至少部分地关闭节气门（24）而减少在输入空气通道（20）中的输入空气流（21），和/或由于至少部分地打开废气回输阀（26）而提高回输的废气比例，结合去激活再喷射（115,116）而引发所述扩展的再生阶段（123）。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在达到580℃至610℃的温度时引发所述扩展的再生阶段（123）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在颗粒过滤器（42）较低的预测的炭黑负荷时启动整个再生过程（123）。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在城市内的行驶运行（133）期间引发颗粒过滤器（42）再生。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在引发再生以后在从城市内的行驶运行（133）交替到城市外的行驶运行（134）时，只要扩展的再生阶段（123）已经激活，则中断该扩展的再生阶段，并且通过传统的再生阶段（122）替换，其中所述传统的再生阶段一直执行直到达到至少部分成功的炭黑降低。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在引发颗粒过滤器（42）再生以后在城市外的行驶运行（134）期间仅仅执行传统的再生阶段（122），其中在交替到城市内的行驶运行（122）时在还运行的再生期间启动所述扩展的再生阶段（123），只要预测的炭黑负荷还具有高的数值。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法的用途，用于控制具有相对较低的温度稳定性的基体的由柴油发动机构成的内燃发动机（10）的废气再处理系统（40）中的颗粒过滤器（42）的再生。

9.用于控制内燃机（10）的废气系统中的颗粒过滤器（42）再生的装置，该内燃机在其空气输入通道（20）中具有节气门（24）和废气回输（25），该废气回输在空气输入通道（20）与废气通道（30）之间具有废气回输阀（26），其中借助控制单元通过在空气流量和附加的喷射燃料时的干预，能够引发和监控在再生过程期间燃烧颗粒过滤器（42）中的颗粒，其特征在于，所述控制单元具有用于执行如权利要求1至7中任一项所述方法的装置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，如权利要求1至7中任一项所述方法的功能以软件方式作为对于传统再生策略的插件在所述控制单元内部实现。

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