CN105358809B - 排气设备被固体污染的过滤器元件的再生方法及排气设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将排气设备(14)的被固体污染的过滤器元件(30)再生的方法，其中排气设备(14)具有配备颗粒过滤器(38)的主排气路径(16)和AGR路径(22)，该AGR路径在颗粒过滤器(38)的下游从主排气路径(16)上分支出来，其中过滤器元件(30)布置在AGR路径(22)中，并且该方法包括以下步骤：在颗粒过滤器(38)再生的过程中，使得通过AGR路径(22)回收的排气流(31)流过过滤器元件(30)，其中借助于由颗粒过滤器(38)的再生所导致的对回收的排气流(31)的加热来引起过滤器元件(30)的再生。此外，本发明还涉及一种用于执行本发明的方法的排气设备(14)。

Description

排气设备被固体污染的过滤器元件的再生方法及排气设备
技术领域
本发明涉及一种用于将排气设备的被固体污染的过滤器元件再生的方法，其中该排气设备具有带有颗粒过滤器的主排气路径和AGR路径，该AGR路径在颗粒过滤器的下游从主排气路径上分支出来，其中过滤器元件布置在AGR路径中。本发明还涉及一种用于执行本发明的方法的排气设备。
背景技术
排气回收系统(德文缩写：AGR；英文EGR：Exhaust Gas Recirculation)用于减少内燃发动机的排放，以遵守当前的排气法规。该AGR系统例如可以设计为高压排气回收装置。其中，将回收的排气流在涡轮增压机的涡轮机上游从主排气流中取出并在涡轮增压机的压缩机下游输送给内燃发动机的吸入空气。然而AGR系统也可以设计为低压排气回收装置，其中将回收的排气流在涡轮机下游取出并输送到压缩机的上游。AGR系统中的AGR阀用于将回收的排气流分配到内燃发动机的吸入空气中。
由DE 103 47 834 A1已知一种柴油机的排气设备，包含颗粒过滤器和在颗粒过滤器的上游分支出来的高压排气回收装置。AGR管道容纳有AGR冷却器以及环绕该冷却器的旁通管道。根据柴油机的工作点，通过旁通管道中导引的排气质量流来调节回收的排气的温度。为了实现颗粒过滤器的快速再生，不对回收的排气进行冷却。
US 6,625,978 B1公开一种低压排气回收装置。颗粒过滤器所在的AGR通道的起始段嵌入在用于清洁主排气流的催化器中。借助于导热管通过AGR通道的起始段将催化器的废热导入颗粒过滤器中，由此连同电加热装置一起引起颗粒过滤器的再生。流过颗粒过滤器的排气在经过颗粒过滤器后流过AGR冷却器和AGR阀。
WO 2011/018134 A1也公开一种包含低压排气回收装置的排气系统。在主排气系中，在排气流动方向上布置有催化器、颗粒过滤器和另外的过滤器元件(例如筛网或金属丝针织物)。所述另外的过滤器元件可以布置在紧邻颗粒过滤器的下游，从而能够在对颗粒过滤器的定期再生中对至少一个另外的过滤器元件的燃尽物(Abbrand)进行清洁。
DE 10 2008 015 600 A1公开一种用于运行带有设置在柴油颗粒过滤器下游的低压排气回收装置的内燃发动机的方法。在颗粒过滤器的再生过程中，至少部分地打开低压AGR阀。通过在颗粒过滤器的再生过程中的排气回收，通过提高通过颗粒过滤器的体积流量而减少了有害物质的排放并改善了颗粒过滤器中的烧损特性。
DE 10 2006 038 706 A1公开一种带有第一颗粒过滤器下游的低压排气回收装置的内燃发动机，该第一颗粒过滤器布置在主排气路径中。低压排气回收装置具有第二颗粒过滤器，例如金属丝编织物或筛网，该第二颗粒过滤器的过滤器网孔宽度大于或等于50微米，使得直径小于过滤器网孔宽度的颗粒物能够通过，而直径大于或等于过滤器网孔宽度的颗粒物被截留。从而能够充分地保护第二颗粒过滤器下游的构件不受例如可能从第一颗粒过滤器脱落的颗粒物的损伤。此外还确保了第二颗粒过滤器不被堵塞。可能在运转过程中松脱的来自第一颗粒过滤器(柴油颗粒过滤器)的颗粒物部分地来自制造过程(焊珠、污物)或部分地来自第一颗粒过滤器的载体(Monolithen)。
因而排气系统可以包括过滤器元件，用于将固体从回收的排气中过滤出去，以保护内燃发动机的AGR系统之内或吸气侧中的构件不受损伤。该过滤器元件可能在运行中被颗粒物堵塞，并影响甚至阻碍排气回收。这可能导致不再遵守所规定的排放性能和/或内燃发动机的耗油量升高。由此可能需要更换过滤器元件或甚至整个排气回收段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种提高失效安全性的方法和排气设备。
所述技术问题通过一种用于将排气设备的被固体污染的过滤器元件再生的方法解决，其中该排气设备具有配备颗粒过滤器的主排气路径和AGR路径，该AGR路径在颗粒过滤器的下游从主排气路径上分支出来，其中过滤器元件布置在AGR路径中，并且该方法包括以下步骤：
-在颗粒过滤器再生的过程中，利用通过AGR路径回收的排气流通流所述过滤器元件，其中借助于由颗粒过滤器的再生所导致的对回收的排气流的加热来引起过滤器元件的再生。
在与排气设备相连的内燃发动机的运行过程中，烟灰(及其烟灰颗粒物)，即烟灰微粒沉积在过滤器元件(过滤器)上。此外，过滤器元件还将制造残留物从流过其中的排气流中过滤出来。在颗粒过滤器(例如是烟灰颗粒过滤器，如柴油颗粒过滤器)的再生过程中，颗粒过滤器中存放的烟灰颗粒物被完全燃烧。其中释放出的热量传导到主排气流(主排气质量流)。主排气流是各个流过颗粒过滤器的排气流。在颗粒过滤器的下游通过AGR路径(AGR表示排气回收)导引主排气流的(即回收的排气流的)一部分。因而加热的回收排气流流过该过滤器元件，从而优化对过滤器元件和在其上/中的固体的加热。这导致了过滤器元件的再生，即导致位于其上的烟灰颗粒物的燃尽，该烟灰颗粒物可能是被过滤出去的固体的一部分。其中，由颗粒物过滤器的再生所导致的对回收的排气流的加热足以用于过滤器元件的再生。
烟灰颗粒物产生自滑过颗粒过滤器的颗粒。从而当内燃发动机是柴油机时，本发明的方法尤其有利。
可以在颗粒过滤器再生的部分时间期间，或者也可以在颗粒过滤器再生的整个时间期间进行过滤器元件的通流。因而能够以最佳的方式控制过滤器元件再生的开始和结束。
由此在颗粒过滤器的再生时，将AGR路径(例如是低压排气回收区段)至少部分地打开或至少部分地保持打开状态。其中，可以在内燃发动机运行的过程中以相对较高的排气温度进行颗粒过滤器的再生或者至少在这样的发动机运行时开始颗粒过滤器的再生。其中，高排气温度在这种背景下理解为这样的温度，其在颗粒过滤器的进口处至少是550℃，尤其至少是600℃。
过滤器元件的通流优选通过在回收之前的步骤进行，该步骤将排气设备的布置在AGR路径中的AGR阀至少部分地打开或者至少部分地保持打开状态。AGR路径中的AGR阀是易于实现的、用于影响流过AGR路径的机构。
优选地规定，该方法还包括在通流步骤之前进行的以下步骤：
-检查AGR率、紧邻过滤器元件上游的温度和/或紧邻过滤器元件上游的λ值的当前数值是否在各自的、对于过滤器元件的再生所需(预先指定)的范围内，以及
-如果所述当前数值不在各自的所需范围内，则调节排气系统的AGR阀和/或调整内燃发动机的工作点，直至该当前数值处于该所需的范围内。
因而测出当前的AGR率、紧邻过滤器元件上游的当前的温度和/或紧邻过滤器元件上游的λ值(进而氧气质量比例)。随后检查所测得的值是否在(各自)所需范围内。如不符合该标准，则打开或关闭AGR阀和/或改变内燃发动机的工作点，直至符合该标准。其中，优选以力矩平衡的方式(momentenneutral)对内燃发动机的工作点进行调整。由内燃发动机提供或承受的扭矩由此至少基本上保持恒定。因而在内燃发动机的使用者未察觉到的情况下对工作点进行调整。
优选地提出，回收的排气流在紧邻过滤器元件上游处的温度为至少500℃，尤其为至少550℃，优选为至少600℃。在温度达到600℃(也可被称为烟灰颗粒物氧化的最低温度)以上时，即便在过滤器元件没有催化涂层的情况下，也会以足够快的速率进行烟灰颗粒物的氧化。然而过滤器元件可优选具有降低该最低温度的催化涂层，从而即便在低于500℃的温度下，也能足够快地进行烟灰颗粒物的氧化。
根据本发明的优选设计方案规定，回收的排气流在紧邻过滤器元件上游处的λ值为至少1.05，尤其为至少1.1，优选为至少1.15。从而确保了有足够的氧气用于回收的排气流中固体的氧化。
优选规定，AGR率在5％和40％之间，尤其在10％和30％之间，优选在15％和25％之间。可能的AGR率的下限由所必需的最少的过滤器元件的通过流量所构成。AGR率越高(在其他参数不变的情况下)，则可以越快地加热过滤器上或其中的固体并供应氧气。然而在AGR率过高的情况下，回收排气流中的λ值和温度降低，从而向上限制AGR率。
优选地提出，该方法包括检查过滤器元件上游的压力和过滤器元件下游的压力之间的压差的步骤，其中仅在该压差大于预先指定的压差阈值时才执行该方法。因而仅在存在将过滤器元件再生的需要时，才开始或继续执行本发明的方法。
此外优选地提出，主动地引发颗粒过滤器的再生，以便能够实现过滤器元件的再生。因而可以在确定了过滤器元件再生的需要后，将过滤器元件再生，而无需将颗粒过滤器再生。
过滤器元件优选具有尤其由多根金属丝构成的网眼式的结构。此外优选地，该过滤器元件具有织物或穿孔板。网眼宽度或穿孔大小优选为最大0.100mm，最小0.050mm，进一步优选为最大0.085mm，最小0.065mm。由此实现了过滤效果和流动阻力之间的良好折中。与穿孔大小类似，网眼宽度指过滤元件中开口的大小。小于网眼宽度或穿孔大小的颗粒物不从排气流中过滤出去。
优选地，该过滤器元件基本上构造为二维的，尤其是筛网或包括筛网。过滤器元件在垂直于(回收排气流的)排气流方向上的尺寸尤其为其在排气流方向上尺寸的至少5倍，优选至少10倍，尤其20倍。
优选地，该过滤器元件基本上由金属制成。通过由金属作为过滤器元件的材料，可以在预期的排气温度下实现过滤器元件的所需结构。
此外还提供了一种用于执行本发明方法的排气设备。本发明的排气设备的突出之处在于其特别的失效安全性。
该排气设备从而构造为借助于在颗粒过滤器的再生时被加热的、回收的排气流而如此地加热过滤器元件，使得发生过滤器元件的再生。
优选地，该过滤器元件相对颗粒过滤器呈一定间距地布置，使得在颗粒过滤器的再生过程中通过AGR路径回收的排气流导致固体被完全燃烧。因而如此选择所述间距，使得经过颗粒过滤器之后的热损失不足以将回收的排气流在紧邻过滤器元件上游处的温度降低至低于氧化烟灰颗粒物以氧化固体所需的最低温度。排气流在离开颗粒过滤器时的温度例如为约550℃至630℃，从而表明了颗粒过滤器与过滤器元件之间较小的间距是特别有利的。
优选地提出，该颗粒过滤器的过滤器结构的下游端与过滤器元件的距离小于300mm，尤其小于200mm，优选小于100mm。因而确保了颗粒过滤器与过滤器元件之间的热损失并不过大。
根据本发明的优选设计方案提出，该排气设备在主排气路径中，在颗粒过滤器的上游包括涡轮增压机的涡轮机和/或催化器。因而该排气回收装置可以是低压排气回收装置。该催化器可以引发颗粒过滤器的加热，且因而允许或加速颗粒过滤器的再生。
此外，排气设备可包含控制装置，其中该排气设备中存储有被适配为用于执行本发明方法的软件。
此外还提供了一种包括本发明的排气设备和内燃发动机的汽车。该内燃发动机以流体技术方式在出口侧与排气设备的发动机侧末端相连，在入口侧与(AGR路径的)排气设备的入口侧末端相连。该汽车的突出之处在于更高的可靠性和更低的维护费用。
本发明的其他优选设计方案自从属权利要求中所述的其他特征得出。
附图说明
下面参考附图借助于实施例对本发明进行说明。其中：
图1为汽车的局部示意图，
图2为汽车的局部等角图，以及
图3为汽车的排气设备的局部等角图。
具体实施方式
图1示出了汽车10的局部示意图。汽车10包括内燃发动机12，例如柴油机，和排气设备14。排气设备14具有主排气路径16。主排气路径16在(借助排气设备14的排气弯管48)与内燃发动机12相连的发动机侧末端18与用于将内燃发动机12的排气排放到环境中的出口侧末端20之间延伸。排气设备14还具有在主排气路径16的支路23与入口侧末端24之间延伸的AGR路径22(AGR表示排气回收)。入口侧末端24与内燃发动机12的空气供应装置26相连。排气设备14还包括在AGR路径22中的AGR阀28。
此外，排气设备14还包括在发动机侧末端18与AGR阀28之间的过滤器元件30。过滤器元件30设计用于截留固体。过滤器元件30用作AGR阀28和内燃发动机12、以及空气供应装置26的防护过滤器。过滤器元件30防止了颗粒物的侵入，而这些颗粒物否则可能导致AGR阀28的污染。此外，还可以在过滤器元件30与AGR阀28之间布置AGR冷却器25。
过滤器元件30基本上构造为二维的，从而其在(回收排气的)排气流方向上的延伸相对于其横向于排气流方向的延伸而言非常小。过滤器元件30具有多个网眼，并且可以基本上具有圆盘的形状。过滤器元件30例如是(设计为紧密网眼的)金属筛网。通过改变网眼大小可以影响排气流的过滤。过滤器元件30的网眼宽度例如可以约为75微米，这是过滤效果与流动阻力之间较好的折中。
排气设备14可包括控制装置32用于控制AGR阀28和内燃发动机12，该控制装置例如还可与λ探头34，例如宽频λ探头34和NOx传感器36相连。
在主排气路径16中，在支路23的上游布置有颗粒过滤器38和催化器40。此外，在主排气通道16中，在过滤器元件30的上游还布置有涡轮增压机的涡轮机42。除了涡轮机42外，涡轮增压机还包括以机械方式与压缩机46相连的轴44。压缩机46是内燃发动机12的空气供应装置26的一部分，并且布置在入口侧末端24的下游。尤其通过该过滤器元件30来保护压缩机46不受颗粒物的损伤。此外，压缩机46通过吸气弯管50与内燃发动机12相连。AGR路径22在所示情况下布置在涡轮增压机的低压侧上，即所谓的低压排气回收装置。
图2示出了汽车10的局部等角图，尤其是排气设备14。图1中已经阐述了各构件，其中为了确保清楚明了而未示出图1中可见的构件，如内燃发动机12以及在AGR阀28和空气供应装置26的两个接头52之间的连接通道。催化器40和颗粒过滤器38借助于节省空间地成型的排气通道54彼此相连。所示的排气设备14和所示的低压AGR系统适合用于例如所谓的“模块式横置发动机单元(Modularen Querbaukasten)”。
图3示出了图2中可见的排气设备14的局部等角图，其中未示出主排气路径16中NOx传感器36上游的构件和AGR路径22中的过滤器元件30下游的构件。由此可看到过滤器元件30的可行的结构。相应地，过滤器元件30包括具有多个接片的支架结构58和安装在其上的筛网56。支架结构58的目的为支撑该构造为细网眼的筛网56。此外，在筛网56与支架结构58之间布置有另一支撑材料，该材料构造为比筛网56更坚固。
下面根据优选的设计方式来说明上述带有排气设备14的汽车10的功能方式：
内燃发动机12在其运行过程中产生不同大小的烟灰颗粒物。颗粒过滤器38的目的在于将烟灰颗粒物从内燃发动机12的主排气流33中过滤出去。然而，颗粒过滤器38在实践中通常存在颗粒物滑出，因此相对较少部分的烟灰颗粒物经过颗粒过滤器38。为保护AGR阀28免受(尤其较大的)烟灰颗粒物，即烟灰微粒或烟灰的污染，过滤器元件30将AGR路径22中的烟灰颗粒物从回收的排气流31中过滤出去。烟灰颗粒物因而沉积在过滤器元件30上，由此其通过性在运行中逐渐降低。此外，过滤器元件30还将上游构件的制造残留物从回收的排气流31中过滤出去。
随着颗粒过滤器38中积累的烟灰增多，颗粒过滤器38的通过性也逐渐降低，因此持续地或仅在需要时将颗粒过滤器38再生。例如借助于对发动机工作参数的有针对性的影响来进行再生，由此提高了进入颗粒过滤器38之前的排气温度，同时也对颗粒过滤器38进行加热。超过了氧化烟灰颗粒物的最低温度后，颗粒过滤器38中的烟灰颗粒物完全燃烧，由此颗粒过滤器38中的烟灰负载减少。通过该放热的完全燃烧，颗粒过滤器38下游的主排气流33的排气温度升高。
为开始执行本发明的方法，控制器32首先可以检查将过滤器元件30再生的必要性。为此，控制器32可以对过滤器元件30上游的压力和下游的压力之间的压差的升高进行识别。例如当压差大于预先指定的压差阈值时，进行过滤器元件30的再生。作为替代方案，也可在颗粒过滤器38的每次再生时导引回收的排气流31通过该过滤器元件，并因此将过滤器元件30再生。此外，可以为了所需的过滤器元件30的再生而主动引起颗粒过滤器38的再生。
为了确保过滤器元件30的最优的再生，可以首先检查不同的数值如AGR率、紧邻过滤器元件30上游的温度和/或紧邻过滤器元件30上游的λ值。根据具体的设计方案，可能这些值中的一个、多个或所有值都有意义。如果这个或这些值不在过滤器元件30的再生所需的相应范围内，则调节AGR阀28和/或调整内燃发动机12的工作点。该调节或调整持续至该当前的值或这些当前的值处于该所需的相应范围内。
具体地，可以指出以下的值，这些值被证明对于过滤器元件的再生具有实用价值：约20％的AGR率、约1.2的紧邻过滤器元件30上游的回收排气流31的λ值，以及约600℃的紧邻过滤器元件30上游的回收排气流31的温度。为了达到约600℃的温度，有利的是，颗粒过滤器38的过滤器结构的下游端与过滤器元件30的距离例如约为100mm。由此尽可能地避免了颗粒过滤器38与过滤器元件30之间的热损失。因为根据具体的设计方案，离开颗粒过滤器38的出口温度仅略高于600℃，所以需要避免热损失。颗粒过滤器38再生的持续时间(例如可以约为15或20分钟)足以实施过滤器元件30的最优的再生。
总而言之，利用通过AGR路径22回收的排气流31流过过滤器元件30，能够有针对性地引发或维持过滤器元件30的再生。回收的排气流31是主排气流33的分流，该分流分入支路23中。通过颗粒过滤器38中烟灰颗粒物放热的完全燃烧对主排气流33进行加热。直至主排气流33到达过滤器元件30，主排气流略微冷却，但温度仍高于氧化烟灰颗粒物的最低温度。需要时，可通过该过滤器元件30的催化涂层来降低该温度。
通过根据本发明利用通过颗粒过滤器38的再生而加热的回收排气流31流过过滤器元件30，能够发生过滤器元件30的快速和尽可能好的再生。无法完全燃烧的陶瓷或金属颗粒物可能在再生后仍留在过滤器元件30上。但这不会影响排气回收装置的功能。
附图标记清单
10 汽车
12 内燃发动机
14 排气设备
16 主排气路径
18 发动机侧末端
20 出口侧末端
22 AGR路径
23 支路
24 入口侧末端
25 AGR冷却器
26 空气供应装置
28 AGR阀
30 过滤器元件
31 回收的排气流
32 控制装置
33 主排气流
34 λ探头
36 NOx传感器
38 颗粒过滤器
40 催化器
42 涡轮机
44 轴
46 压缩机
48 排气弯管
50 吸气弯管
52 接头
54 排气通道
56 筛网
58 支架结构

Claims (10)

1.一种用于将排气设备(14)的被固体污染的过滤器元件(30)再生的方法，其中该排气设备(14)具有配备颗粒过滤器(38)的主排气路径(16)和AGR路径(22)，该AGR路径在该颗粒过滤器(38)的下游从该主排气路径(16)上分支出来，其中该过滤器元件(30)布置在该AGR路径(22)中，并且该方法包括以下步骤：
-在该颗粒过滤器(38)再生的过程中，利用通过该AGR路径(22)回收的排气流(31)通流所述过滤器元件(30)，其中借助于由该颗粒过滤器(38)的再生所导致的对所述回收的排气流(31)的加热来引起该过滤器元件(30)的再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述通流步骤之前的以下步骤：
-检查AGR率、紧邻该过滤器元件(30)上游的温度和/或紧邻该过滤器元件(30)上游的λ值的当前数值是否在各自的、对于该过滤器元件的再生所需的范围内，以及
-如果当前数值不在相应的所需范围内，则调节该排气设备(14)的AGR阀(28)和/或调整内燃发动机的工作点，直至当前数值处于该所需的范围内。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述回收的排气流(31)在紧邻该过滤器元件(30)上游处的温度为至少500℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回收的排气流(31)在紧邻该过滤器元件(30)上游处的λ值为至少1.05。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，AGR率在5％和40％之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括检查该过滤器元件(30)上游的压力和该过滤器元件(30)下游的压力之间的压差的步骤，其中仅在该压差大于预先指定的压差阈值时才执行该方法。
7.一种设计为用于执行根据权利要求1至6中任一项所述方法的排气设备(14)。
8.根据权利要求7所述的排气设备，其特征在于，该过滤器元件(30)以相对该颗粒过滤器(38)这样的间距而布置，使得在该颗粒过滤器(38)的再生过程中通过该AGR路径(22)回收的排气流(31)导致固体被完全燃烧。
9.根据权利要求8所述的排气设备，其特征在于，该颗粒过滤器(38)的过滤器结构的下游端与该过滤器元件(30)的距离为最多300mm。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的排气设备，其特征在于，该排气设备(14)在该主排气路径(23)中在该颗粒过滤器(38)的上游包括涡轮增压机的涡轮机(42)和/或催化器(40)。
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