CN104165099B - 用于运行尤其机动车的自行点火的内燃机的废气再循环系统的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行尤其机动车的自行点火的内燃机的废气再循环系统的方法和装置，其中所述内燃机具有用于对进入到所述内燃机的至少一个燃烧室中的进气进行控制的空气系统，并且其中尤其设置了，识别（110）所述内燃机的动态运行状态，并且在识别到动态运行状态的情况下对所述内燃机的空气系统实施校正干预（145、150）。

Description

用于运行尤其机动车的自行点火的内燃机的废气再循环系统 的方法和装置

技术领域

本发明涉及按相应的独立权利要求的前序部分所述的、用于运行尤其机动车的自行点火的内燃机的废气再循环系统的方法和装置。此外，本发明涉及一种计算机程序，该计算机程序当其在计算器或者控制机构上运行时执行按本发明的方法的所有步骤。此外，本发明涉及一种具有存储在机器可读的载体上的程序代码的计算机程序产品，所述程序产品用于在计算器或者控制机构上执行所述程序时实施按本发明的方法。

背景技术

废气再循环系统（AGR）如所知道的那样用于在燃烧在自行点火的内燃机（例如柴油机）中的燃料时防止产生氮氧化物。对于AGR来说，将柴油机的废气的至少一部分通过废气涡轮增压器（或者废气涡轮机）导回到内燃机中，用于重新进行燃烧。这个涡轮增压器驱动压缩机并且由此提高供燃烧所用的空气流量。涡轮增压器从所导回的废气的剩余压力中获得能量并且用于形成相应的增压压力，借助于所述增压压力来改进燃烧效率并且由此也改进内燃机的有效功率。

由于用于有害物质排放的、法律上的极限值越来越严格，目前向这种内燃机提出较高的要求。不仅在客车（Pkw）领域内而且在载货车（Nkw）领域内都有相应的极限值。

AGR尤其能降低内燃机的燃烧室或者气缸中的氧含量，由此在燃烧室中的燃烧温度发生变化并且由此降低氮氧化物（NOx）的形成。

对于柴油机来说，额外地考虑到颗粒排放，对于颗粒排放来说同样存在法律上规定的极限值。颗粒排放以本身熟知的方式可以借助于颗粒过滤器来减少，其中通过碳烟氧化来消除散发到排气系统中的颗粒。

对于柴油机来说，AGR的缺点是，颗粒排放的程度随着所导回的废气的份额的增加而上升。引起较高的颗粒排放的主要原因在于：对所提到的碳烟氧化来说所必需的氧气的限制。废气的、通过AGR降低的氧含量对NOx排放起到降低作用并且对于颗粒排放则起到提高作用。因此，对于柴油机来说，在所提到的碳烟排放与NOx排放之间存在着冲突，必须为该冲突找到折衷方案。

根据此前用于废气检验的法律规定，对于客车来说在内燃机的动态运行中、也就是在一种运行状态中仅存在着对降低有害物质排放的较低的要求，在所述运行状态中进行动态的运行循环，所述动态的运行循环接近于内燃机的、切合实际的使用条件。

这种动态的运行尤其要求内燃机的转矩及转速的特别快的（也就是瞬态的）变化并且也要求转矩方向的倒转（所谓的“推进运行”）。因此，现今的发动机试验台仅允许稳定地设定待检验的发动机的各个工作点，其中大多数在稳态综合特性曲线（例如转矩或者关于转速的发动机负荷）中引用待测量的参数、尤其是相应的AGR调节的额定值。这种AGR调节在大多数情况中基于空气质量调节或者AGR-比率调节。

在载货车的领域内，对于在那里实施的稳态废气检验来说甚至完全排除动态的运行。

将来的、尤其在欧洲、美利坚合众国和日本用于对不仅在客车的领域内而且在载货车的领域内的废气再循环或者废气后处理进行认证的法律规定将会具有所提到的、动态的检验的、高得多的份额，其中尤其将在真实的行驶运行中产生的排放物（Real DrivingEmission=RDE）和燃料消耗考虑在内。

发明内容

本发明的构思是，对于自行点火的内燃机的废气再循环来说设置动态校正，所述动态校正识别所提到的动态的运行状态并且降低颗粒排放及NOx排放，并且内燃机的响应特性、也就是说具有内燃机的机动车的、改进的可行驶性通过在空气系统中的合适的校正干预来改善。

所提到的动态运行状态优选是内燃机的、当前的工作点的、快速的或者瞬态的变化，其中所提到的校正干预代表着对于空气系统的相应的瞬态校正。

此外，在内燃机的、所提到的动态的或者瞬态的运行中可能出现的排放峰值通过对AGR调节的控制变量（Führungsgröße）的、动态调整来明显得到降低。所提到的控制变量优选代表着调节的额定值，应该使相应的调节变量达到所述调节的额定值。优选用于吸入空气量的有效的额定值通过由稳态额定值和动态地得到优化的额定值构成的加权来形成。

因此，本发明作为结果也能够在动态的条件下在颗粒排放与NOx排放之间设定最佳的折衷方案。可以个性化地为特定的内燃机和/或特定的废气后处理系统进行调整。

能够额外地按所选择的废气后处理策略将排放重心移到所述颗粒侧或者所述NOx侧或者相应地对排放重心进行校准，而在此没有改变或者影响用于稳态运行的应用方案或者相应的工作参数。优选在稳态运行中使用所提到的稳态的额定值，在动态运行中使用所述动态地得到优化的额定值并且在按份额的或者说成比例的（anteilig）动态运行中使用由稳态的和动态地得到优化的额定值构成的相应的加权。

排放重心的这种移动能够灵活地并且非常有效地改进或者优化这里相关的废气再循环或者废气后处理并且导致了明显降低所提到的有害物质排放的、也就是不仅NOx排放的而且颗粒排放的水平。

对所提到的动态运行状态的所提到的识别可以以不同的方式来进行。因此所述识别可以根据内燃机的当前负载状态来进行。对于具有将废气导回到增压器中的内燃机来说，能以增压压力的或者在气缸进口上存在的压力的调节偏差为基础。在此将延迟的增压压力形成的、所提到的效应作为用于减慢的空气系统特性的主要原因。对于具有预控制的增压压力的内燃机来说，所述动态的运行状态可以通过增压器的当前的增压压力与参考增压压力的比较来识别。

所提到的、对所述空气系统的校正干预可以通过适合地操控内燃机的吸入空气量来进行，其中优选计算一动态地得到优化的、用于吸入空气量的额定值。动态地得到优化的额定值在此可以在最小的和最大的空气质量或者废气再循环率的基础上以及在取决于运行方式的和/或取决于工作点的加权因数的基础上来计算。

利用本发明也可以避免在现有技术中在使用空气质量调节器时常见的“NOx-容差”，所述NOx-容差引起燃料消耗的提高。按照这种容差，更高的NOx排放通过在内燃机的稳态运行中内燃机以较小的NOx排放运行得到平衡。

本发明尤其可以用在客车或者载货车的、自行点火的内燃机上并且用在这里相关的类型的、具有在这一点上所描述的优点的、在其它方面例如在航运或者工业中所使用的内燃机上。

此外，本发明不仅可以用在基于模型的AGR调节（Model Based Charge Control=MCC），而且可以用在非基于模型的、常规的AGR调节中。

本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中获得。

不言而喻，前面提到的和下面还要解释的特征不仅能够以相应所说明的组合、而且也能够以其它的组合或者单独地使用，而不背离本发明的范围。

附图说明

唯一的附图借助于组合的框图/流程图示出了按本发明的方法和装置的一种实施例。

具体实施方式

附图示出了关于柴油机的实例在废气再循环系统（AGR）中进行的按本发明的动态校正的实施例。

与汽油机相比，柴油机以高得多的空气-燃料比或者说空气比来工作。附加地，不是像在汽油机时那样通过混合气量，而是通过所喷射的燃料量来调节柴油机的负载。因为空气量总是保持相同，所以空气比按所设定的负载来变化。空气比的大小因此作为用于废气的影响可行方案来起作用（ausschneiden）。仅对于全负载来说，通过对燃料供给的限制可能进行细微的影响，借助于所述细微的影响可以限制颗粒排放。

在废气检验的、将来的测试周期中，经常要求负载跃变或者快速的负载变化（尤其负载提高）。这些快速的负载变化由于柴油机的空气系统的迟缓而导致与转矩形成相比延迟地形成增压压力。引起这种迟缓的、可能的原因例如是在柴油机的压缩机与进气阀之间的死点容积和/或可能存在的涡轮增压器的惯性矩。附加地，实现车辆驾驶员方面的负载要求的喷射系统具有比发动机的空气系统明显较短的反应时间。

因为利用燃料/空气混合物的气缸充气对于柴油机来说基本上通过（如前面提到的那样）迟缓的增压压力来确定，所以空气系统的、基于喷射量和转速的额定值不适合于发动机的开头提到的、动态的运行。因此，空气质量调节的、稳态额定值对于迟缓的增压压力形成以及由此引起的、降低的气缸充气来说引起AGR比率的大大降低并且由此导致动态的NOx峰值。而在进行AGR-比率调节时，则产生较小的空气质量以及由此得到提高的颗粒排放并且进一步降低增压压力动态。

因此，延迟的增压压力形成按AGR调节的方式尤其在对柴油机的、开头提到的认证而言重要的颗粒排放及NOx排放时使动态的有害物质排放明显有别于静态的或者稳态有害物质排放。

要说明，对于柴油机来说在节气阀之前存在的增压压力与在气缸进气口处（也就是说在节气阀后面或者之后）的、也被称为进气管压力的压力之间进行区分。只有在接通节气阀时，这两种压力才被区分。原则上，可以通过涡轮增压器要么调整增压压力要么调整在气缸进气口处的压力。

在附图中示出的动态校正通过以下方式考虑到前面提到的缺点：所述动态校正识别动态的运行状态并且在柴油机的空气系统中实施合适的校正干预，由此降低所述颗粒排放及NOx排放。同时，可以影响所述增压压力形成以及进而柴油机的响应特性，也就是说在驾驶员干预、例如对于加速踏板的操纵之后发动机的反应的延迟时间。

要说明，基本上通过流经涡轮增压器的涡轮机的质量流来影响增压压力形成。如果在瞬态的运行状态中利用在涡轮增压器之前分支出的废气再循环管路，例如用于降低NOx排放，那就减慢增压压力形成。如果通过涡轮增压器来提供最大的质量流，则可以获得最佳的增压压力形成，其中在这种情况下没有进行废气再循环。按照本发明，可以有针对性地调节应该在瞬态的运行状态中加以利用的、被导回的废气的量，并且由此在良好的排放特性与良好的增压压力形成之间找到折衷方案。

对动态运行状态的识别基于对布置在柴油机中的涡轮增压器的增压压力或者在气缸进气口处存在的压力（所谓的进气管压力）的相对的调节偏差进行监控。

此外，对于具有预控制的增压压力的发动机来说或者对于无主动的增压压力调节功能的发动机来说，可选可以规定，在当前的增压压力与参考增压压力之间进行比较（必要时包括根据环境压力进行的校正），或者使用对增压压力和/或发动机负载的监控，以进行动态识别。

在附图中示出的图表中，通过粗体印刷来突显的方框100、120、125、135、145和150表示所采用的柴油机的、既存的组件。方框100相当于现存的、用于同样采用的（这里未示出的）涡轮增压器的增压压力的调节器。调节器100将信号提供给监控模块105，该监控模块确定，是否存在所述增压压力的调节偏差。在接下来的识别器110中检查，是否存在着动态运行状态。

在布置在所述识别框110后面的第一计算模块115中，形成所描述的、最大的以及最小的空气质量或者AGR比率。在此可以为在发动机进气口处的氧气浓度并且为在废气中的空气系数（Lambda）预先给定在物理上限定的极限值。作为替代方案，空气质量的或者AGR比率的、所提到的最小值/最大值可以通过当前的与在发动机的稳态运行状态中存在的气缸充气或者在稳态情况中存在的进气管压力的比较来求得。如果稳定地存在的进气管压力已经作为在增压压力调节方面的额定值例如存在于发动机控制仪中，那就可以从中计算所提到的最小值/最大值，这在实施动态校正时意味着一种简化方案。

柴油机的一个或者多个通过方框120所勾画出来的传感器、例如转速计和/或空气质量流计将其信号传输给工作点检测模块125，该工作点检测模块从所传输的传感器数据中检测到内燃机的当前的工作点。在所检测到的工作点的基础上，在下面的计算模块130中确定取决于运行方式和/或取决于工作点的加权因数。

借助于在方框130中确定的加权因数以及空气质量或者AGR比率的、在方框115中求得的最小值/最大值，在第二计算模块136中计算动态地得到优化的、用于吸入空气量的额定值。

在第三计算模块140中，通过由稳态额定值135和动态地得到优化的额定值136构成的加权（识别框110中的加权因数）形成有效的、用于吸入空气量的额定值。例如在稳态的发动机运行中形成（durchschalten）稳态额定值，在动态的发动机运行中形成动态地得到优化的额定值并且在按份额的动态运行中则形成相应的、由稳态的和动态地得到优化的额定值构成的加权。

对于柴油机来说，吸入空气量一般借助于AGR阀150来确定。相应的空气系统调节机构145将由中心计算模块140提供的额定值转换为相应的、用于AGR阀150的控制数据。

动态地得到优化的额定值关于运行时间来计算出来并且考虑发动机的当前的运行状态。

所提到的加权因数115尤其能够使排放与相应的应用情况及发动机的运行状态相协调地、无级地在侧重NOx、折衷方案、侧重颗粒这些角值之间移动。所述加权因数115可以额外地通过废气再循环系统的组件的要求来确定，例如对于可能存在的柴油颗粒过滤器的、较高的DPF（柴油颗粒过滤器）载荷以及颗粒过滤器的、不利的再生条件来说，可以如此改变所述加权因数115，从而出现尽可能少的颗粒排放。作为替代方案，在所述NOx后处理系统（例如NSC、SCR）的效率较低时可以如此改变所述加权因数，从而出现尽可能少的NOx排放。

要说明，对于所描述的动态校正来说，所述AGR调节的额定值不仅取决于发动机工作点，而且例如在出现发动机的负载跃变时额外地通过所描述的动态校正来改变。

借助于所描述的动态校正，与纯粹基于空气质量的AGR调节相比明显地降低了所述NOx排放，其中通过所述动态校正尤其仅引起所述颗粒排放的较小的上升。所提出的动态校正能够额外地降低燃料消耗并且由此也降低CO₂排放。

在具有SCR催化器（SCR=Selektive Katalytische Reduktion选择性催化还原）的柴油机的情况下，其中废气中的氮氧化物如熟知的那样通过与氨（NH₃）的化学反应来还原，NOx转化率在连续的无峰值的NOx流时明显比在动态地剧烈变化的NOx流时高。通过所描述的动态校正，有利地实现一种均匀的曲线，而没有同时通过较高的碳烟排放来强烈地加载颗粒过滤器。

所描述的方法或者能以控制程序的形式在既存的、用于对内燃机进行控制的控制仪中来实现，或者能以相应的控制单元的形式来实现。

Claims (13)

1.用于运行自行点火的内燃机的废气再循环系统的方法，其中所述内燃机具有用于对进入到所述内燃机的至少一个燃烧室中的进气进行控制的空气系统，其特征在于，识别（110）所述内燃机的动态的运行状态，并且在识别到动态的运行状态的情况下对所述内燃机的空气系统实施校正干预（145、150），以便在碳烟排放与NOx排放之间实现折衷，其中在动态的运行时内燃机的转矩及转速快速变化，并且转矩方向倒转。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于所述内燃机的当前的负载状态来识别（110）所述动态的运行状态。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机具有一带有增压器以及增压压力调节机构的废气再循环系统，其中借助所述增压器的当前的增压压力或者借助所述增压器的增压压力的、相对的调节偏差来识别（110）所述动态的运行状态。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机具有进气管压力调节机构，其中借助进气管压力来识别（110）所述动态的运行状态。

5.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述内燃机具有预控制的增压压力，其中通过所述增压器的当前的增压压力与参考增压压力的比较来识别（110）所述动态的运行状态。

6.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过对所述内燃机的吸入空气量的适合的操控来对所述空气系统进行校正干预（145、150）。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，作为校正干预而计算（140）动态地得到优化的、用于所述吸入空气量的额定值。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在最小的和最大的空气质量或者废气再循环率（115）的基础上以及在取决于运行方式和/或取决于工作点的加权因数（130）的基础上来计算所述动态地得到优化的额定值。

9.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述内燃机是机动车的内燃机。

10.用于按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法来运行自行点火的内燃机的废气再循环系统的装置，其中所述内燃机具有用于对进入到所述内燃机的至少一个燃烧室中的空气供给进行控制的空气系统，其特征在于用于对所述内燃机的动态的运行状态进行识别的识别器（110）、用于计算最小的和最大的空气质量或者废气再循环率的第一计算模块（115）、用于计算取决于运行方式和/或取决于工作点的加权因数的计算模块（130）、用于计算动态地得到优化的额定值的第二计算模块（136）以及用于计算有效的、用于吸入空气量的额定值的第三计算模块（140）。

11.按权利要求10所述的装置，其特征在于调节器（150），所述调节器用于将由所述第三计算模块（140）提供的信息转化为用于对所述吸入空气量进行控制（145）的控制数据。

12.按权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述内燃机是机动车的内燃机。

13.机器可读的载体，在该载体上保存着程序代码，其用于在计算器或者控制仪上实施按权利要求1到9中任一项所述的方法。