CN102812223B - 加热发动机系统中的催化器和诊断催化器加热措施效用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在催化器加热运行模式中来运行内燃机（2）的方法，其中所述内燃机（2）能够在正常运行模式中运行，所述方法具有以下步骤：检测（S1）第一废气温度数据，该第一废气温度数据表明第一催化器（9）尤其氧化催化器中的废气的废气温度；在第一种运行方式中运行（S2）所述内燃机（2），对于所述第一种运行方式来说，只要所述第一废气温度数据还没有达到预先给定的第一温度阈值，那就相对于正常运行模式将具有提高的废气温度的废气从所述内燃机（2）的至少一个气缸（4）中排出。利用这种方法，能够按照CARB？Title13？CCR？部分？1968.2？章节（f）（12）的要求实现所述催化器加热运行模式的效用的稳健且简单的诊断。

Description

加热发动机系统中的催化器和诊断催化器加热措施效用的方法
技术领域
本发明涉及一种具有内燃机尤其柴油机的发动机系统，在所述发动机系统的排气区段中串联地布置了氧化催化器和还原催化器。此外，本发明涉及用于为加热阶段运行发动机系统的方法，以使催化器达到工作温度。
背景技术
现今的具有内燃机尤其具有柴油机的发动机系统在排气设备中具有催化器，用于减少有害的排放物。在现代的发动机系统中使用所谓的氧化催化器（简称：Oxi-Kat）和布置在后面的通常以SCR催化器（SCR：选择性催化还原）的形式出现的还原催化器。此外，所述SCR催化器需要将比如以尿素的形式出现的还原剂导入到排气设备中。
因为所述催化器为进行正常的运行需要特定的工作温度，所以内燃机在发动机系统冷起动之后通常按照催化器加热运行模式来运行，在催化器加热运行模式中首先使氧化催化器并且随后使还原催化器达到其工作温度。通过所述加热运行实现较早地达到所述催化器的工作温度（起燃温度），这对满足法律上规定的废气排放标准是有必要的。
以往的用于SCR催化器的加热运行的方法设有控制装置，在所述方法中在时间上控制所述SCR催化器的加热。这通过在时间上规定的预设由用于运行内燃机的措施来实施，其目的是提高所述SCR催化器中的温度。但是由此无法对系统偏差或者说运行参数比如环境温度、燃料质量及类似参数的影响加以考虑。其后果是，加热过程的效用以及由此在SCR催化器中力求达到的升温都可能具有很大的控制。
此外要求对加热过程进行监控。以往就参与加热过程的单个构件的功能性对所述单个构件进行监控，以便也在实际上获得所期望的加热效果。但是实现这一点比较麻烦。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于对发动机系统中的催化器进行加热的改进的方法，在所述方法中尤其考虑到运行参数的影响及系统偏差，从而可以尽快地达到预先给定的工作温度。此外，本发明的任务是，实现为了对所述催化器的加热的效用进行监控的诊断。
该任务通过按权利要求1所述的用于对催化器进行加热的方法并且通过按并列的权利要求所述的装置及发动机系统得到解决。
其它有利的设计方案在从属权利要求中得到说明。
按照第一方面，设置了一种用于在催化器加热运行模式中运行内燃机的方法，其中所述内燃机能够在正常运行模式中运行。所述方法具有以下步骤：
-检测第一废气温度数据，所述第一废气温度数据表明在第一催化器中尤其在氧化催化器中的废气的废气温度；
-在第一种运行方式中运行所述内燃机，在所述第一种运行方式下，只要所述第一废气温度数据还没有达到预先给定的第一温度阈值，那就相对于正常运行模式将具有提高的废气温度的废气从所述内燃机的至少一个气缸中排出。
上述方法的构思原则上在于，根据关于所述第一催化器的废气温度的第一废气温度数据来为所述第一催化器实施加热过程，用于尽快地达到所述催化器的工作温度。在此考虑到构件公差及其它影响，因为检测相应当前的废气温度并且一直进行加热过程，直至达到可以通过第一温度阈值来表明的工作温度。
此外，在所述第一种运行方式下在空气过剩时在燃烧过程之前或者燃烧过程中将额外的燃料喷射到所述至少一个气缸中，用于实现所谓的提早的后喷射。
尤其在所述第一种运行方式下可以运行内燃机，使没有未燃烧的燃料进入到废气排出区段中。
按照一种实施方式，在所述第一种运行方式下可以将所述第一废气温度数据调节到预先给定的第一额定工作温度，其中所述调节干预仅仅涉及发动机内部的措施，尤其其中所述调节干预包括额外的加热燃料量在主喷射与提前喷射和/或后喷射之间的分配。
此外，可以根据发动机系统的运行状态来改变预先给定的第一额定工作温度，使得所述第一废气温度数据与预先给定的第一额定工作温度之间的差别不超过预先给定的边界值。
按照另一种实施方式，如果已经达到预先给定的第一温度阈值，那就可以实施其它的步骤：
-检测第二废气温度数据，所述第二废气温度数据表明连接在所述第一催化器后面的第二催化器中的废气的废气温度；
-在第二种运行方式中运行所述内燃机，在所述第二种运行方式下从所述内燃机的气缸中排出的废气包含未燃烧的燃料，只要所述第二废气温度数据还没有达到用于所述第二催化器的预先给定的第二额定工作温度，那么为了提高废气温度就使所述未燃烧的燃料在所述废气排出区段中燃烧并且/或者使其在所述第一催化器中氧化，从而由此提高废气温度。
可以规定，在所述第二种运行方式下将所述第二催化器中的废气的废气温度调节到预先给定的第二额定工作温度，其中所述调节干预涉及在燃烧过程之后在所述至少一个气缸中燃料的延迟的后喷射。
按照另一个方面，可以设置一种用于检查催化器加热运行模式的功能的方法，其中如果在调节中所述第一废气温度数据与所述预先给定的第一额定工作温度之间的差别或者说所述第二废气温度数据与所述预先给定的第二额定工作温度之间的差别在预先给定的持续时间里超过预先给定的诊断边界值，那就识别出所述催化器加热运行模式的功能故障。
上述诊断方法的构思在于，对调节偏差进行分析并且如果在预先给定的最大持续时间里超过所述调节偏差，则识别出误差。
按照另一个方面，可以设置一种用于在催化器加热运行模式中运行内燃机的装置，其中所述内燃机能够在正常运行模式中运行。该装置可以包括：
-用于检测第一废气温度数据的第一温度传感器，所述第一废气温度数据表明在第一催化器中的废气的废气温度；
-控制器，该控制器构造用于在第一种运行方式中运行所述内燃机，在所述第一种运行方式下，只要所述第一废气温度数据还没有达到预先给定的第一温度阈值，那就相对于正常运行模式将具有提高的废气温度的废气从所述内燃机的至少一个气缸中排出。
按照另一个方面，可以设置一种具有内燃机及上述装置的发动机系统，其中所述内燃机构造用于将废气排出到废气排出区段中，其中所述第一温度传感器布置在所述内燃机与所述第一催化器之间。
此外上述装置可以包括用于检测第二废气温度数据的第二温度传感器和所述控制器，其中所述第二废气温度数据表明连接在所述第一催化器后面的第二催化器中的废气的废气温度，并且其中所述控制器构造用于在已经达到所述预先给定的第一温度阈值时在第二种运行方式中运行所述内燃机，在所述第二种运行方式下从所述内燃机的气缸中排出的废气包含未燃烧的燃料，只要所述第二废气温度数据还没有达到预先给定的第二额定工作温度，那么为了提高废气温度就使所述未燃烧的燃料在所述废气排出区段中燃烧并且/或者在所述第一催化器中氧化，从而由此提高废气温度。
按照另一个方面，可以设置一种具有内燃机及前述装置的发动机系统，其中所述第二温度传感器布置在所述第一催化器与所述第二催化器之间。
按照另一个方面，设置了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码，所述程序代码在数据处理装置上执行时实施上述方法。
附图说明
下面借助于附图对优选的实施方式进行详细解释。附图示出如下：
图1是具有氧化催化器和布置在后面的还原催化器的发动机系统的示意图；并且
图2是用于说明用于将催化器加热到其工作温度的加热过程的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了具有内燃机2、尤其柴油机的示范性的发动机系统1的示意图。经由空气供给区段3将外界空气输送给所述内燃机2并且经由废气排出区段5将燃烧废气从所述内燃机2的气缸4排到环境中。所述内燃机2在当前的实施例中包括四个气缸4，在所述气缸中为燃料的直喷分别布置有一个喷射阀8。空气经由相应的进气阀19进入到所述气缸4中并且经由排气阀21排出到所述废气排出区段5中。
在所述空气供给区段3和废气排出区段5中布置有涡轮增压器6，所述涡轮增压器6具有压缩机61及涡轮机62。所述涡轮机62布置在废气排出区段5中并且从废气焓中提取用于所述压缩机61的驱动能。所述涡轮机62与所述压缩机61相耦合，用于将其驱动。所述压缩机61从环境中吸入空气并且在增压压力下提供所述空气。在增压压力下提供的空气，即所谓的增压空气，经由节气门7输送给所述内燃机2。在那里所述空气根据工作冲程经由相应的进气阀19进入到气缸4中。
在所述涡轮机62的下游布置有用于进行废气后处理的氧化催化器9。通过所述氧化催化器9可以有力地降低废气中的有害物质排放。尤其将一氧化碳和氮氧化物氧化为较为无害的气体。
随后可以导送废气流穿过可选的颗粒过滤器10，用于减少在柴油机的废气中存在的颗粒，尤其在柴油机中产生的碳黑颗粒。
在所述颗粒过滤器10之后，将经过过滤的废气导送到接下来布置的还原催化器11中，所述还原催化器比如可以构造为SCR催化器（SCR：选择性催化还原）。对于所述SCR催化器来说，连续地将尿素水溶液作为还原剂喷射到废气流中，从而通过水解作用产生水和氨。氨能够将废气中的氮氧化物还原为氮气。
在所述颗粒过滤器10与所述SCR催化器11之间，在所述废气排出区段5的相应的部位上布置有计量模块12，用于以合适的计量将来自还原剂容器13的还原剂添加到废气中，从而在所述SCR催化器11中使氮氧化物还原。
在所述氧化催化器9的上游设置有第一温度传感器18，用于在所述氧化催化器9的入口处作为状态参量测量第一废气温度。在处于所述颗粒过滤器10与所述SCR催化器11之间的所述废气排出区段的部分中设置有第二温度传感器14，用于在所述氧化催化器9的出口处或者说在进入到所述SCR催化器11之前作为状态参量测量废气的第二废气温度。
在所述内燃机2与所述涡轮增压器6的涡轮机62之间设置有废气再循环管路15，用于将燃烧废气从所述废气排出区段5导回到处于所述节气门7与所述内燃机的进气阀19之间的所述空气供给区段3的区域中。导回的废气用作惰性气体并且不参与所述气缸4的燃烧室中的燃烧。但是此外它还用于避免过量产生氮氧化物，所述氮氧化物的过量产生在氧气过剩的情况下燃烧时会更多地出现。
在所述废气再循环管路15中可以设置废气冷却器16和废气再循环阀17，用于能够调整导回的废气的量以及从中产生的废气再循环率。
为了运行所述内燃机设置有控制器20，所述控制器20根据预设参量E，比如加速踏板位置数据的预设参量、期望驱动力矩的预设参量及类似的预设参量，控制所述内燃机2，并且根据在所述发动机系统1中检测到的状态参量控制所述发动机系统1的调整促动器，用于按照所述预设参量运行所述内燃机1。所述发动机系统1的调整促动器比如可以包括用于调节节气门7的节气门促动器、涡轮增压器6、废气再循环阀17以及气缸4中的喷射阀8，其中通过所述节气门促动器可以调节进气管压力或者说输送给气缸的空气量，其中用所述涡轮增压器6（比如利用通过调节涡轮几何形状实现的效率调节）可以调节增压压力，其中用所述废气再循环阀17能够调节废气再循环率，并且其中所述气缸4中的喷射阀8用于调节燃料量及喷射时刻。
为了正常的运行必须将所述氧化催化器9和还原催化器11加热到工作温度。因此在发动机系统1的冷起动之后设置有所谓的加热运行，利用所述加热运行可以不仅对所述氧化催化器9而且对所述还原催化器11加快地实施加热。
在加热过程中，首先力求达到所述氧化催化器9的工作温度。这可以借助于第一调节回路来实现，所述第一调节回路经由发动机内部的措施来提高所述氧化催化器9的工作温度，以使所述氧化催化器9能够使碳氢化合物氧化。为此为所述氧化催化器9预先给定了额定工作温度，该额定工作温度表示用于所述第一调节回路的额定值。借助于所述第一温度传感器18测量在所述氧化催化器9之前的废气的第一废气温度并且根据调节偏差的大小也就是说根据所述氧化催化器9的预先给定的额定工作温度与所测量的工作温度18之间的温差的大小来选择在所述氧化催化器9之前的废气的第一废气温度。对于出现较大的正的调节偏差也就是超过预先给定的阈值的调节偏差的情况来说，所述第一调节回路应该根据所述氧化催化器9的特性来相应地改变喷射持续时间以及喷射时刻。
为加热所述氧化催化器9改变喷射量和喷射时刻的方案在于，在燃烧之后或者在燃烧过程中作为提早的后喷射将燃料喷射到气缸4中。所述如此喷射的燃料基本上在工作冲程之后在气缸中或者在所述废气排出区段的直接紧挨着的区域中燃烧并且仅仅在提高废气温度方面起作用，而对内燃机2的驱动力矩方面没有贡献。
另一种提高废气温度的方案在于，在主喷射的过程中并且在可能在主喷射之前进行的提前喷射中添加更多的燃料。
在所谓的延迟的后喷射时，将燃料延迟喷射到气缸中，从而使所述燃料不再在所述气缸中燃烧，而是未燃烧地进入到所述氧化催化器9中并且在那里与空气中的氧气反应。这种氧化释放出热量。
在图2中作为流程图示出了用于加热催化器的方法。
在步骤S1中根据所述第一温度传感器18来检查，是否必须进行加热运行。如果确定流到所述氧化催化器9中的废气比通过预先给定的第一温度阈值所表明的冷，那就有必要进行加热运行。如果加热运行是有必要的（选择：是），那就在步骤S2中按照第一种加热运行模式来运行所述内燃机2。为此在所述控制器20中激活第一调节回路，在此作为额定值为该第一调节回路预先给定所述氧化催化器9的额定工作温度。所述额定工作温度在加热运行开始时用当前的实际温度来初始化并且根据发动机工作点及所述加热运行模式的持续时间来更新并且直至连续或者逐步地提高到第一温度阈值。所述第一调节回路控制所述内燃机2，使得从所述气缸4中排出的废气的废气温度高于在正常运行中的温度，从而能够使所述氧化催化器9变热。
在所述第一调节回路激活时，在步骤S3中对所述第一废气温度进行监控并且一旦所述第一温度阈值被所述第一废气温度超过（选择：是），那就在步骤S4中采用所述第二种加热运行模式，在所述第二种加热运行模式中仅仅或者补充地对所述SCR催化器11进行加热。因此在所述第二种加热运行模式中作为所述第一调节回路的替代方案或者补充方案来激活所述第二调节回路。所述第二调节回路根据所述第二废气温度与预先给定的可以相当于所述SCR催化器11的工作温度的第二额定工作温度之间的差通过进行延迟的后喷射来控制进入到所述废气排气区段5或者说氧化催化器9中的未燃烧的燃料的量。这种第二额定工作温度在加热运行开始时用当前的实际温度来初始化并且根据发动机工作点8和加热运行模式的持续时间来更新并且连续地或者逐步地一直提高到第二温度阈值。
在步骤S5中检查，是否已经达到了预先给定的第二额定工作温度。如果是这种情况（选择：是），那就在步骤S6中在正常运行模式中运行所述内燃机并且结束加热运行（步骤S6）。
此外可以规定，如果所述第一调节回路的调节偏差大于预先给定的调节偏差阈值，那就仅仅在所述第一加热运行模式中运行所述内燃机2，所述第一加热运行模式相当于利用额外的燃料提早地后喷射而进行的稀薄混合气运行。由此从所述气缸4中排出具有较高的废气温度的燃烧废气，由此所述氧化催化器9的变热的速度快于正常运行时的情况。
如果所述用第一温度传感器18测量的第一废气温度与所述预先给定的第一额定工作温度之间的温差下降到低于所述调节偏差阈值，那就明显地按照延迟的后喷射来喷射为进行加热所规定的燃料量，从而在排出区域中进行燃料的燃烧或者在氧化催化器9中进行氧化并且由此在那里直接产生热量。
但是在所述温差太高时也就是说在调节偏差太大时不应该将作为延迟的后喷射来喷射的燃料量提高得太多，因为而后存在着这样的危险，即燃料没有完全在所述氧化催化器9中燃烧并且碳氢化合物进入到接下来的SCR催化器11中，使得其由此“中毒”。所述碳氢化合物尤其会阻碍所述SCR催化器的功能并且使得所述SCR催化器的经常的整新成为必要，而这会显著降低发动机系统的效率。
这种特性可以通过以下方式来避免，即所述第一调节回路的调节干预仅仅涉及发动机内部的措施并且不允许延迟的后喷射。尤其可以规定，在主喷射与提前喷射之间的额外的加热燃料量的分配是所述第一调节回路的主调节量。
对所述第一废气温度与所述第一额定工作温度之间的调节偏差的监控可以用作诊断。尤其由此可以检查与所述第一加热运行模式相关联的措施的作用。
如果达到了与所述氧化催化器9相关的第一温度阈值，那就按照所述加热过程的第二加热运行模式来对所述还原催化器11进行加热。为此通过所述第二温度传感器14来测量所述SCR催化器11之前的废气的第二废气温度。根据在所述SCR催化器11的预先给定的第二额定工作温度与所述SCR催化器11之前的废气的第二废气温度之间的温差来实施所述第二调节回路的调节。
作为所述第二调节回路的重要的调节参量，现在作为延迟的后喷射在燃烧之后将燃料喷射到气缸中。由此燃料在所述气缸4的排出区域中或者说在所述氧化催化器9中才燃烧并且对从所述气缸4中排出的废气进行加热，从而对所述SCR催化器11进行加热。
不仅在进行第一调节时而且在进行第二调节时都可以规定，根据所述内燃机2的通过转速、喷射量、废气再循环率、行驶速度、环境条件（比如环境温度和外界空气压力）以及所述加热运行模式激活时的持续时间来确定的工作点来设置所述废气的预先给定的额定工作温度。尤其可以使所述额定工作温度适当地与当前的运行状态相匹配，从而避免所述调节偏差太高。较高的调节偏差可能引起这样的后果，将较高的燃料量额外地喷射到所述内燃机的气缸4中。这在所述氧化催化器9之前或者说所述氧化催化器9中的第一废气温度太低时导致未燃烧的燃料在所述氧化催化器9中不燃烧并且由此燃料进入到所述SCR催化器11中。后果可能是所述SCR催化器11因碳氢化合物而中毒。
此外，可以实施一种用于对加热过程的效用进行监控的方法，为此，如果所述调节已经充分利用了整个调节方案，也就是说如果所述调节参量，比如在延迟的后喷射时喷射的喷射量，具有最大值并且取决于转速、喷射量及类似参数的通用的解除条件已经存在了特定的持续时间，那就解除诊断。如果所述调节偏差在所述调节之一中在特定的持续时间里超过预先确定的阈值，那就识别出误差。

Claims (14)

1.用于在催化器加热运行模式中运行内燃机（2）的方法，其中所述内燃机（2）能够在正常运行模式中运行，所述方法具有以下步骤：
-检测（S1）第一废气温度数据，所述第一废气温度数据表明在第一催化器（9）中的废气的废气温度；
-在第一种运行方式中运行（S2）所述内燃机（2），在所述第一种运行方式下，只要所述第一废气温度数据还没有达到预先给定的第一温度阈值，那就相对于正常运行模式将具有提高的废气温度的废气从所述内燃机（2）的至少一个气缸（4）中排出，其中在所述第一种运行方式下如此运行内燃机，使没有未燃烧的燃料进入到废气排出区段中。
2.按权利要求1所述的方法，其中在所述第一种运行方式下在空气过剩时在燃烧过程之前或者燃烧过程中将额外的燃料喷射到所述至少一个气缸（4）中。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中在所述第一种运行方式下运行所述内燃机（2），使得没有未燃烧的燃料进入到废气排出区段（5）中。
4.按权利要求1或2所述的方法，其中在所述第一种运行方式下将所述第一废气温度数据调节到预先给定的第一额定工作温度，其中所述调节干预仅仅涉及发动机内部的措施。
5.按权利要求4所述的方法，其中根据发动机系统（1）的运行状态来改变所述预先给定的额定工作温度，使得所述第一废气温度数据与所述预先给定的第一额定工作温度之间的差别不超过预先给定的边界值。
6.按权利要求4所述的方法，其中如果已经达到所述预先给定的第一温度阈值，那就实施其它的步骤：
-检测第二废气温度数据，所述第二废气温度数据表明连接在所述第一催化器（9）后面的第二催化器（11）中的废气的废气温度；
-在第二种运行方式中运行（S4）所述内燃机（2），在所述第二种运行方式下从所述内燃机（2）的气缸（4）中排出的废气包含未燃烧的燃料，只要所述第二废气温度数据还没有达到用于所述第二催化器的第二额定工作温度，那么为了提高废气温度就使所述未燃烧的燃料在所述废气排出区段中燃烧并且/或者在所述第一催化器中氧化，从而由此提高废气温度。
7.按权利要求6所述的方法，其中在所述第二种运行方式下将所述第二催化器（11）中的废气的废气温度调节到预先给定的第二额定工作温度，其中所述调节干预涉及在燃烧过程之后在所述至少一个气缸（4）中燃料的延迟的后喷射。
8.按权利要求1所述的方法，其中所述第一废气温度数据表明在氧化催化器中的废气的废气温度。
9.按权利要求4所述的方法，其中所述调节干预包括额外的加热燃料量在主喷射与提前喷射之间的分配。
10.用于用按权利要求7所述的方法来检查催化器加热运行模式的功能的方法，其中如果所述第一废气温度数据与所述预先给定的第一额定工作温度之间的差别或者说所述第二废气温度数据与所述预先给定的第二额定工作温度之间的差别在预先给定的持续时间里超过预先给定的诊断边界值，那就识别出所述催化器加热运行模式的功能故障。
11.用于在催化器加热运行模式中运行内燃机（2）的装置，其中所述内燃机（2）能够在正常运行模式中运行，所述装置包括：
-用于检测第一废气温度数据的第一温度传感器（18），所述第一废气温度数据表明在第一催化器（9）中的废气的废气温度；
-控制器（20），所述控制器构造用于在第一种运行方式中运行所述内燃机（2），在所述第一种运行方式下，只要所述第一废气温度数据还没有达到预先给定的第一温度阈值，那就相对于正常运行模式将具有提高的废气温度的废气从所述内燃机（2）的至少一个气缸（4）中排出，其中在所述第一种运行方式下如此运行内燃机，使没有未燃烧的燃料进入到废气排出区段中。
12.按权利要求11所述的装置，此外包括：
-用于检测第二废气温度数据的第二温度传感器（14），所述第二废气温度数据表明布置在所述第一催化器（9）后面的第二催化器（11）中的废气的废气温度；
-所述控制器（20），该控制器构造用于在已经达到所述预先给定的第一温度阈值时在第二种运行方式中运行所述内燃机（2），在所述第二种运行方式下从所述内燃机（2）的气缸（4）中排出的废气包含未燃烧的燃料，只要所述第二废气温度数据还没有达到预先给定的第二额定工作温度，那么为了提高废气温度就使所述未燃烧的燃料在所述废气排出区段（5）中燃烧并且/或者在所述第一催化器（9）中氧化，从而由此提高废气温度。
13.发动机系统（1），具有内燃机（2）和按权利要求11所述的装置，其中所述内燃机（2）构造用于将废气排出到废气排出区段（5）中，其中所述第一温度传感器（18）布置在所述内燃机（2）与所述第一催化器（9）之间。
14.发动机系统（1），具有内燃机（2）和按权利要求12所述的装置，其中所述第二温度传感器（14）布置在所述第一催化器（9）与所述第二催化器（11）之间。
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