CN105888805B - 用于升高和/或降低内燃机的排气温度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于升高和/或降低内燃机的排气温度的方法及装置。具体而言，本发明涉及一种用于升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的方法和控制装置。根据本发明的总体方面，用于设置用于排气后处理的排气温度的方法使用电气化排气涡轮增压器(10)的电动机模式和/或发电机模式(S1‑S4)。

Description

用于升高和/或降低内燃机的排气温度的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的方法。本发明还涉及一种用于升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的控制装置。
背景技术
从实际经验中已知的事实是，来自内燃机的污染物排放可通过借助于排气后处理系统(例如，具有排气催化器的一个)对排出气体的催化后处理以有效方式减少。然而，对于此而言重要的前提条件是催化器已达到其点火温度。低于该温度，排气催化器无效或不太有效，且反应仅在不足的低转换率下发生。特别是在具有排气涡轮增压的系统中，由排气涡轮形成的热沉意味着以对于排放最佳的方式达到催化器点火在避免高污染物排放方面极为重要。在此类内燃机的情况中，因此所需的是采取预防措施来确保排气催化器尽可能快地达到其点火温度。
为了将排气温度升高到点火温度，一种已知的实施方式是以一种方式调整内燃机的喷射参数，例如使得调整的喷射参数导致排气温度的升高。例如，这可通过延迟喷射的开始来实现。
其它已知的措施需要节流阀的调整、额外引入排气线路中的燃烧器系统的启动，或发动机制动盘的闭合。上述途径的缺点在于必须提供额外的构件，例如，燃烧器系统、发动机制动盘等，且必须接受效率方面的缺点。
例如，欧洲专利申请EP1431529A1公开了一种用于升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的方法，其中排气温度借助于引入排气线路中的气体来升高或降低。用于此目的的气体引入装置可为插入的喷嘴，其设计成喷射器或插入排气线路或喷射泵中的切断喷嘴。其缺点在于需要额外的引入装置。
此外，从DE4325004C2中还已知具有颗粒过滤器形式的排气后处理装置的内燃机。在该颗粒过滤器的情况中，升高(或降低)排气温度以便控制颗粒过滤器中的烧除过程通过使流过排气线路的排气节流(或解除节流)来实现。这借助于过滤器壳体中的翼片来实现，翼片由恒温控制的连杆机构枢转。另外，电热器设置用于恒温器和颗粒过滤器。该系统具有复杂构造，且需要大量特别制造的构件。因此，颗粒过滤器材料必须具有精确限定的轮廓以允许翼片的枢转运动。此外，有效控制仅关于排气温度的升高是可能的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供用于升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的改善的方法和改善的装置，借助于其可避免常规系统的缺点。
这些目的通过根据本发明的装置和方法实现。本发明的有利实施例和用途将在以下描述中在一些情况下参照附图来更详细阐释。
根据本发明，提供了一种用于设置、特别是升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的方法。根据本发明的总体方面，使用电气化排气涡轮增压器的电动机模式和/或发电机模式设置排气温度以用于排气后处理。内燃机在方法的执行期间处于燃烧模式。
电气化排气涡轮增压器从现有技术中本来已知，且也称为可由电动机操作或由电动机协助的排气涡轮增压器。电气化排气涡轮增压器具有电机，其可联接到或以转矩传递方式联接到排气涡轮增压器的传动轴，或更通常地联接到转子。电机设置用于排气涡轮增压器的驱动(下文也称为排气涡轮增压器的电动机模式)或协助其驱动，和/或可由排气涡轮增压器操作为发电机。排气涡轮增压器的转子由排气涡轮、压缩机和传动轴形成，其中排气涡轮和压缩机在运动方面通过传动轴联接。从实际经验已知的是，内燃机的增压过程可由电动机协助的排气涡轮增压器的电动机暂时协助，特别是在启动时桥接所谓的"涡轮滞后"。
借助于电气化排气涡轮增压器的电动机模式和/或发电机模式排气温度以用于排气后处理提供了优点，特别是在已经配备有电气化排气涡轮增压器的车辆的情况下，可省略用于升高排气温度的其它额外的系统，例如燃烧器、节流阀或额外的压缩机，或在排气涡轮增压器根据本发明与这些常规途径组合使用时，有可能实现排气温度的更快升高。
根据本发明的优选的示范性实施例，在满足用于启动排气温度管理的至少一个启动条件之后开始电气化排气涡轮增压器的电动机模式和/或发电机模式。用语"排气温度管理"用于意指排气温度的选择性升高和/或降低。如果对应的模式已经在该时间点开始，则其可调整(如果适合)，以便确保排气温度尽可能快地接近设置点温度或设置点温度范围。这里，启动条件的满足指出排气温度应当改变，以便例如允许排气后处理装置的最佳操作。
在该实施例的有利变型中，电气化排气涡轮增压器的发电机模式在满足指出需要升高当前排气温度的至少一个启动条件时开始，例如，如果实际排气温度低于排气后处理装置的点火温度。排气涡轮增压器的发电机模式具有使转子的动能部分地转换成电能且结果使转子制动的效果。这降低了内燃机的升压或空气质量流。由于减小的升压，空气比(λ)下降，且产生热的排气。使用排气涡轮增压器的发电机模式来升高排气温度相比于从现有技术已知的途径还减少了效率方面的缺点。
根据该实施例的另一个有利变型，当满足指出需要降低当前排气温度的至少一个启动条件时，开始或调整电气化排气涡轮增压器的电动机模式。特别地，排气涡轮增压器的电动机模式包括排气涡轮增压器的电动机协助的操作，其中电机额外地加速排气涡轮增压器的转子。加速至较高速度的排气涡轮增压器转子增加空气质量流和空气比(λ)，且因此导致排气温度的下降。这提供的优点在于可保护内燃机和排气后处理装置免于过热。
根据本发明的实施方式的一个可能性还构想出了当满足指出需要升高当前排气温度的至少一个启动条件时执行以下措施中的至少一者：(a)调整节流阀，(b)闭合发动机制动盘，(c)启动额外布置在排气线路上的燃烧器系统，以及(d)调整内燃机的喷射参数使得调整的喷射参数带来排气温度的升高，其中例如可执行喷射开始的延迟和/或引入燃料的计量数量的增加，以便升高排气温度。
换言之，使用电气化排气涡轮增压器的电动机模式和/或马达模式根据本发明设置排气温度可与用于调整排气温度的常规措施和方法组合，从而使得有可能实现排气温度的特别快的升高。
根据示范性实施例的另一个变型，其中根据本发明的用于排气温度管理的排气涡轮增压器的使用与用于调整排气温度的常规措施中的至少一个组合，排气涡轮增压器的电动机模式在瞬变操作状态的情况下开始，以便提高排气温度。瞬变操作状态为非稳态操作状态，例如，开始过程或切换过程，其中给送至排气涡轮增压器的涡轮的排气能量/量极大地波动。在这些瞬变操作状态中，排气涡轮增压器的电动机因此借助于电动机模式("升压"模式)补偿排气能量/量的波动。在瞬变操作状态中，电动机模式补偿瞬变操作状态中的极大波动的空气质量流，因此允许更有效使用常规的措施。
根据本发明的另一个方面，用于启动排气温度管理的启动条件可为排气温度低于温度下限值，该启动条件指出需要升高排气温度。温度下限值可优选为排气后处理装置(例如，排气催化器)的点火温度。
根据另一个变型，用于启动排气温度管理的启动条件可为存在内燃机的空转和/或部分负载操作状态，该启动条件指出需要升高排气温度。根据该变型，用于升高排气温度的排气涡轮增压器的发电机模式因此仅用于空转和/或部分负载操作状态。在这些操作状态中，排出气体的更快加热特别显著，因为其由于这些操作状态中的燃烧功率减少而另外大体上花费高于平均的时间用于使排气后处理装置加热至点火温度。
除排气温度的监测之外，有可能作为备选或另外使用其它参数作为用于启动排气温度管理的条件：例如，用于启动排气温度管理的启动条件可基于至少一个发动机温度传感器的特定值来确定，其中该至少一个发动机温度传感器测量进气温度、发动机冷却水温度和/或发动机油温度。例如，发动机冷却水或发动机油的低温指出发动机处于冷运行或加热模式中，其中排气后处理装置的温度同样并未在没有额外措施的情况下充分加热。
这里另一个可能方案构想出了用于启动排气温度管理的启动条件基于内燃机的操作阶段确定，其中操作阶段指出了发动机是否处于冷运行模式、加热模式或热模式，和/或内燃机是否在超程模式中比预定时间操作更久。此操作状态继而又与排气后处理装置的温度状态相关，因为排气后处理装置在冷运行模式、加热模式中或在延长超程模式或未燃烧模式之后具有低于点火温度的温度。
上述使用电气化排气涡轮增压器升高和/或降低排气温度优选暂时地执行，直到排气温度达到期望的设置点值或设置点范围。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于设置、特别是升高和/或降低具有布置在排气线路中的排气后处理装置的内燃机的排气温度的控制装置。控制装置设计成检查是否满足用于启动排气温度管理的至少一个启动条件，且如果是，则启动内燃机的电气化排气涡轮增压器来确立电气化排气涡轮增压器的电动机和/或发电机模式，以便设置排气温度。
具体而言，控制装置可体现为执行如本文献中公开的方法。为了避免重复，在该方法的背景中完全公开的特征也应当认为可在装置的背景下适用和申请保护。
本发明还涉及一种具有由电气化排气涡轮增压器增压的内燃机的机动车辆，特别是商用车辆，其具有如本文献中公开的控制装置。
附图说明
本发明的上述优选实施例和特征可以以任何期望的方式与彼此组合。下文参照附图描述了本发明的进一步细节和优点，在附图中：
图1示出了意在示出根据本发明的一个实施例的通过启动电气化排气涡轮增压器来设置排气温度的控制装置的示意性框图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的用于升高和/或降低排气温度的方法的流程图；以及
图3示出了意在示出根据本发明的一个实施例的启动排气温度管理所处的操作点的操作图。
参考标号列表
1 控制装置
2 内燃机
3 排气后处理装置
4 压缩机入口线路
5a 压缩机出口线路或增压空气线路
5b 涡轮入口线路
6 涡轮出口线路
7 至排气口的排气线路
8 增压空气冷却器
9 电气线路
10 电气化排气涡轮增压器
11 压缩机
12 涡轮
13 传动轴
14 电机
15 用于电能的储存装置
16 控制线路
17 电气线路
18 控制线路
19 信号线
20 排气温度传感器
40 排气温度管理
41 发动机操作图的满负载极限曲线。
具体实施方式
图1以高度示意性框图的形式示出了商用车辆的增压式内燃机2(通常是柴油机)，以及与其相关联的下文也称为ETC的电气化排气涡轮增压器10。ETC 10包括涡轮12，其由来自内燃机2的排出气体驱动，排出气体经由排气线路5b给送至涡轮12。此后，排气混合物经由涡轮出口流过排气线路6，其中布置了本来已知的排气后处理装置，例如，排气催化器的形式。在穿过排气后处理装置之后，排气经由另一排气线路7流至排气口。
涡轮12通过轴13连接到压缩机11。新鲜空气经由压缩机入口线路4给送至压缩机11。压缩机11压缩待给送至内燃机2的增压空气，且因此在正常燃烧操作中提高内燃机2的功率。由压缩机11压缩的增压空气经由增压空气线路给送至增压空气冷却器8，且然后经由线路5a给送到内燃机2中。
ETC 10体现为电气化排气涡轮增压器，即，电动机协助的排气涡轮增压器。出于此目的，ETC 10设有电机14，其可操作为马达以及操作为发电机，可联接到或以转矩传递方式联接到传动轴13，且设置成用于驱动或协助排气涡轮增压器的转子11、12、13的驱动。
电机14(例如，电动机)的马达模式和发电机模式由控制装置控制，控制装置1出于此目的经由电气线路连接到电动机14且连接到用于电能的储能装置15上，例如，起动机电池或混合传动系的高压电池，这由虚线9和17示意性地指出。对于电机14的马达模式，该能量由储能装置15供应。在电机14的发电机模式中生成的功率可经由控制装置1给送至储能装置15。
在考虑的示范性实施例中，控制装置1还体现为控制器，其可主动地执行排气温度管理，以便升高和/或降低排气温度。这里，例如设计为微处理器的控制器经由控制线路18连接到内燃机2，以便给所述发动机提供改变的喷射参数，例如，喷射开始的延迟，以便升高排气温度。
控制装置1还设计成控制排气后处理装置2的操作，这由电气线路16指出。线路16将传动系的传感器和/或排气后处理系统连接到控制装置1。例如，借助于传感器，有可能以本来已知的方式测量涡轮12之后的排气温度、催化转换器或颗粒过滤器之前和/或之后的温度、温差、催化转换器或颗粒过滤器之前和/或之后的压力，或压差。
控制装置1设计成控制排气温度且从各种发动机温度传感器连续地接收数据。例如，存在布置在压缩机入口线路4中的温度传感器20，所述传感器测量进气的温度，且经由信号线19将测量值传送至控制装置1。控制装置从其它温度传感器(图1中未示出)接收测量值，传感器以本来已知的方式测量排气温度和发动机冷却水及发动机油的温度。
根据本发明的教导内容的一个特定特征在于，控制装置1设计成启动ETC 10作为排气温度管理的一部分，特别是通过ETC 10的发电机模式升高排气温度，或如果适合，通过ETC 10的电动机模式降低排气温度。
对应的模式和对应的方法通过举例在图2中的流程图中示出。
在第一步骤S1中，控制装置1在内燃机2的燃烧模式中监测是否满足排气温度管理的预定启动条件，其中排气温度将选择性地升高或降低。这里，启动条件的满足指出了排气温度应当主动地改变，例如，以便允许排气后处理装置3的最佳操作。启动条件得到满足，且指出了例如在排气线路5b中的实际排气温度低于排气后处理装置3的点火温度时应当升高排气温度。为了监测该启动条件，控制装置1可连续地监测来自排气温度传感器20的测量值。作为另一个启动条件，控制装置可检查内燃机2是否处于冷运行或加热模式，因为在这些操作状态中，排气后处理装置3大体上同样未充分加热。
作为备选，控制装置3可使用发动机温度传感器来监测启动条件，其测量进气、发动机水或发动机油的温度。如果测得的温度值分别低于预定温度阈值，则控制装置3可从此推定并未达到排气后处理装置3的启动温度。例如，此温度阈值可按经验依靠试验装置确定。
根据考虑的示范性实施例，作为ETC 10的发电机模式的另一个启动条件，系统检查空转或部分负载操作状态是否存在。换言之，在空转或部分负载操作状态存在时，过低的排气温度仅通过ETC 10的发电机模式主动地升高。
图3示出了发动机操作图以示出此类操作状态。由参考标号41表示的曲线代表发动机操作图的满载极限曲线。由40表示的线包绕的操作点的区域代表执行排气温度管理的示范性商用车辆发动机的部分负载模式中的操作点。对于示范性商用车辆内燃机，部分负载操作状态是发动机速度在从600到1600转每分钟的速度范围中和从0到700Nm的转矩范围中所处的那些操作点。
在步骤S2中，控制装置1因此检查是否满足启动条件。如果这是此情况且启动条件进一步指出了排气温度应当主动升高，则然后执行步骤S3，其中控制装置1开始ETC 10的电机14的发电机模式。
在发电机模式中，与转子的传动轴13在运动方面联接的电动机14由供有来自内燃机的排气能量的转子11、12、13加速，结果转子11、12、13的动能部分地转换成电能，且因此转子制动。因此，排气涡轮增压器的发电机模式具有的结果在于内燃机的升压或空气质量流减小。由于减小的升压，故空气比(λ)下降，且在燃烧期间产生较热的排气。
当排气的温度超过排气后处理装置的点火温度时，ETC 10的临时发电机模式结束。该方法然后又以步骤S1继续。
如上文已经提到，本发明的一个特定优点还在于该方法可类似地用于降低排气温度以便保护内燃机2和排气后处理装置3(如果排出气体温度过高)。出于此目的，在步骤S1中，还监测指出排气温度过高的启动条件。因此，系统还在步骤S2中检查是否存在过高的排气温度的情况。例如，如果排气温度超过排气温度的预定上限值，则这将是此情况。在此情况中，然后执行步骤S4。
在步骤S4中，ETC 10由电动机驱动，即，ETC 10的转子11、12、13另外由ETC 10的电动机模式加速。
由于转子加速至较高速度，空气质量流增大，且导致排气温度的降低。如果排气温度值降到上限值以下，则ETC 10的临时电动机协助模式结束。该方法然后又以步骤S1继续。
本发明不限于上文所述的优选示范性实施例。相反，大量的变型和改型是可能的，其同样地利用本发明的构想且因此落入保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于设置具有布置在排气线路(5b,6)中的排气后处理装置(3)的内燃机(2)的排气温度的方法，其特征在于，
使用电气化排气涡轮增压器(10)的电动机模式和/或发电机模式设置所述排气温度以用于排气后处理，其中，所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述电动机模式(S4)和/或所述发电机模式(S3)在满足用于启动排气温度管理的至少一个启动条件之后开始，
在至少一个启动条件的满足指出需要升高当前排气温度时，开始所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述发电机模式(S3)，所述发电机模式制动所述电气化排气涡轮增压器(10)的转子(11,12,13)，并且，
在至少一个启动条件的满足指出需要降低当前排气温度时，开始所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述电动机模式(S4)，所述电动机模式加速所述电气化排气涡轮增压器(10)的转子(11,12,13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当至少一个启动条件的满足指出需要升高当前排气温度时执行以下措施中的至少一者：
(a)调整节流阀，
(b)闭合发动机制动盘，
(c)启动额外的布置在所述排气线路上的燃烧器系统，以及
(d)调整所述内燃机的喷射参数使得调整的喷射参数带来所述排气温度的升高。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述电动机模式(S3)在以下情形时开始：
(a)至少一个启动条件的满足指出需要升高当前排气温度，且
(b)存在所述内燃机的瞬变操作状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于启动排气温度管理的启动条件是所述排气温度低于温度下限值，所述启动条件指出需要升高所述排气温度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于启动排气温度管理的启动条件是存在所述内燃机的空转和/或部分负载操作状态，所述启动条件指出需要升高所述排气温度。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于启动排气温度管理的启动条件基于
至少一个发动机温度传感器的测量值来确定，其中所述至少一个发动机温度传感器测量进气温度、发动机冷却水温度和/或发动机油温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当至少一个启动条件的满足指出需要升高当前排气温度时执行以下措施中的至少一者：
(a)调整节流阀，
(b)闭合发动机制动盘，
(c)启动额外的布置在所述排气线路上的燃烧器系统，以及
(d)调整所述内燃机的喷射参数使得调整的喷射参数带来所述排气温度的升高，其中，发生喷射开始的延迟和/或引入燃料的计量数量的增加。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，用于启动排气温度管理的启动条件是所述排气温度低于温度下限值，所述启动条件指出需要升高所述排气温度，其中所述温度下限值是所述排气后处理装置(3)的点火温度。
9.一种用于设置具有布置在排气线路(5b,6)中的排气后处理装置(3)的内燃机(2)的排气温度的控制装置(1)，其特征在于，
所述控制装置(1)设计成检查是否满足用于启动排气温度管理的至少一个启动条件，且如果是，则启动所述内燃机(2)的电气化排气涡轮增压器(10)来确立所述电气化排气涡轮增压器(10)的电动机模式和/或发电机模式，以便设置所述排气温度，其中，所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述电动机模式(S4)和/或所述发电机模式(S3)在满足用于启动排气温度管理的至少一个启动条件之后开始，
在至少一个启动条件的满足指出需要升高当前排气温度时，开始所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述发电机模式(S3)，所述发电机模式制动所述电气化排气涡轮增压器(10)的转子(11,12,13)，并且，
在至少一个启动条件的满足指出需要降低当前排气温度时，开始所述电气化排气涡轮增压器(10)的所述电动机模式(S4)，所述电动机模式加速所述电气化排气涡轮增压器(10)的转子(11,12,13)。
10.根据权利要求9所述的控制装置，所述控制装置实施成用于执行根据权利要求2至8中任一项所述的方法。
11.一种具有由电气化排气涡轮增压器增压的内燃机的车辆，具有根据权利要求9或10所述的控制装置(1)。
12.根据权利要求11所述的车辆，其特征在于，所述车辆为商用车辆。
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