CN108547688A - 用于确定微粒过滤器的负载状态的方法和内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定布置在以废气涡轮增压器来增压的内燃机的排气装置中的微粒过滤器的负载状态的方法。为了确定负载状态，废气涡轮增压器的涡轮的控制机构的位置被获取且以在内燃机的运行中的位置与在未负载的微粒过滤器的情形中的相同的运行参数相比较。附加地，在内燃机的新鲜空气侧上设置有空气质量计量器，以便于可区分在废气涡轮增压器的涡轮处的压力情况通过排气背压由于微粒过滤器的增加负载引起的上升的变化与压力情况由于供气系统的泄漏引起的变化。此外，本发明涉及一种带有设立用于执行这样的方法的控制器的内燃机。

Description

用于确定微粒过滤器的负载状态的方法和内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于确定在内燃机的排气装置中的微粒过滤器的负载状态的方法以及一种带有废气涡轮增压器和布置在排气装置中的微粒过滤器的内燃机。
背景技术
当前和未来变得越来越严厉的废气法规(Abgasgesetzgebung)对发动机原始排放(Rohemission，有时也成为未处理排放)和内燃机的废气后处理提出了高要求。在柴油发动机的情形中，用于抑制在发动机式燃烧的情形中形成的碳微粒(Rußpartikel)的微粒过滤器自许多年以来是标准且目前在几乎所有柴油发动机的情形中被用于废气后处理。随着用于汽油发动机(Ottomotor，有时也称为奥托发动机)的废气标准EU6的引入，对于微粒排放的极限值被规定，从而使得其同样在汽油发动机的情形中可产生微粒过滤器的使用必要性。微粒过滤器在机动车的行驶运行中被加载以微粒，其中，在排气通道中的排气背压(Abgasgegendruck)随着负载增加。微粒过滤器的该负载可例如经由在微粒过滤器之前和之后的排气通道中的压差测量或在内燃机的控制器中的建模来确定。为了使排气背压水平不太大程度地上升，微粒过滤器必须被连续地或周期性地再生。为了执行在微粒过滤器上的碳颗粒以氧气的热氧化，足够的再生温度以及在废气中的剩余氧气的同时存在是必要的。在带有废气涡轮增压器的内燃机的情形中，排气背压由于被抑制在微粒过滤器中的碳颗粒引起的增加导致如下，即，经由废气涡轮增压器的涡轮的压力落差(Druckgefälle)且因此可能的涡轮功率下降。因为废气涡轮增压器的涡轮和压缩机被机械地联接，因此可能的压缩机压力比同样下降。压缩机不再可提供所要求的增压压力(Ladedruck)供使用。出于该原因，废气涡轮增压器具有控制设备(例如废气门阀)和/或可经由促动器被调节的可变的涡轮几何形状。借助于促动器可改变控制设备的位置，由此涡轮功率可被直接影响。
由文件DE 601 09 514 T2已知一种用于再生在柴油发动机的排气通道中的微粒过滤器的装置。在此，与内燃机的不同运行参数且与该内燃机相连接的器械(Organe)相关联的不同信息被评估。当经由微粒过滤器存在相应压差(Differenzdruck)且为了引入微粒过滤器的再生阶段实现燃料到柴油发动机的燃烧室中的反复喷射(Mehrfacheinspritzung)以便于将排气温度提升到对于再生微粒过滤器必要的温度上时，微粒过滤器的再生被引入。
由文件DE 10 2006 054 043 A1已知一种带有布置在柴油发动机的排气通道中的废气涡轮增压器和微粒过滤器的柴油发动机，其中，废气涡轮增压器驱动在内燃机的新鲜空气装置中布置在增压空气冷却器上游的压缩机，其中，内燃机具有低压-废气再循环装置(Niederdruck-Abgasrückführung)，其将废气由在涡轮增压器的涡轮下游的排气通道移除且将其供应给在压缩机上游的新鲜空气装置。为了控制废气再循环，在低压废气再循环装置中布置有废气再循环阀，其经由压差传感器来控制。
由文件DE 10 2009 004 416 A1已知一种用于运行用于废气后处理的、布置在以废气涡轮增压器来增压的内燃机的排气冲程(Abgastrakt)中的部件的方法。在此，为了温度提高在涡轮上游的废气流被划分成第一部分流和第二部分流且两个部分流被供应给废气后处理部件、尤其微粒过滤器。为了在多个布置在排气冲程中的废气后处理部件的情形中每个部件以对于相应的废气后处理步骤而言尽可能适宜的温度来流入(anströmen)，部分流的划分被相应地控制。
发明内容
本发明此时基于如下任务，即，根据已存在的传感器识别出微粒过滤器的负载状态且因此以备选的形式和方式使得微粒过滤器的负载状态的特别低成本且可靠的确定成为可能。
根据本发明，该任务通过一种用于确定在借助于废气涡轮增压器来增压的内燃机的排气装置中的微粒过滤器的负载状态的方法来解决，其中，在废气涡轮增压器的涡轮处布置有用于确定涡轮的控制机构的状态(Stellung)的控制设备或用于确定涡轮的转速的转速传感器(Drehzahlgeber)，其包括如下步骤：
- 确定控制设备的状态或涡轮的转速；
- 比较控制设备的经确定的状态或经确定的转速与控制设备的位置或在相同运行状态且未负载的微粒过滤器的情形中的转速；
- 由控制设备的经确定的状态或涡轮的转速计算出微粒过滤器的负载状态。
通过根据本发明的方法，微粒过滤器的负载状态的确定在借助于涡轮增压器来增压的内燃机的情形中是可能的。在此，在微粒过滤器处的附加的传感装置、尤其压差计量器或射频传感器可被取消且因此成本可被节省。此外，至压力传感器或射频传感器的复杂的布线(Leitungsführung)不是必要的。此外，用于传感器的复杂的诊断设计(Diagnosekonzept)可被取消。
通过在从属权利要求中所列举的特征可实现在独立权利要求中所说明的用于确定微粒过滤器的负载状态的方法的有利的改进方案和改善方案。
在本发明的优选的设计方案中作如下设置，即，在内燃机的供气系统中布置有空气质量计量器，其中，附加地新鲜空气流被确定，且经确定的新鲜空气流附加地进入到微粒过滤器的负载状态的计算中。通过在内燃机的供气系统中的空气质量计量器的信号的附加评估可确定，是否控制设备的调节实际被归因于排气背压由于微粒过滤器以碳微粒的增加负载引起的上升，或是否该调节由在新鲜空气管道中的泄漏和在新鲜空气侧上的相应压力落差得出。因此，可在泄漏引起的调节与相应于本发明的基本思想的由于微粒过滤器的上升的负载引起的调节之间进行区分。因此可实现在线诊断(On-Board-Diagnose)，从而可排除故障。附加地，通过空气质量计量器可获取内燃机的燃烧室的填充，由此可实现燃烧的更精确的测定(Zumessung)和在燃烧中的更少的原始排放。
在此如下是特别优选的，在供气系统中在废气涡轮增压器的压缩机上游的新鲜空气流被确定。在压缩机的上游可实现新鲜空气流的特别简单且精确的确定。在此，空气质量计量器、尤其热膜式空气质量计量器可作为单独的构件布置在供气系统的进气通道处或被集成到空气过滤器中。原则上同样可实现在压缩机下游的新鲜空气流的获取，然而由于在空气压缩的情形中出现的涡流，这更不利且降低了测量精度。
在本发明的进一步优选的设计方案中作如下设置，即，控制设备包括废气门阀，其中，为了确定微粒过滤器的负载状态获取废气门阀的状态。在微粒过滤器的增加的负载的情形中，排气装置中的排气背压上升。该压力上升通过闭合废气门阀来补偿，以便于导引更大的经由废气涡轮增压器的涡轮的废气质量流。经由废气门的废气质量流下降。因此，在涡轮上游在排气装置中的压力水平被提升。经由涡轮的压力落差上升，由此涡轮功率又被提高到如下水平上，涡轮在调节废气门阀之前在未负载的微粒过滤器和较小排气背压的情形中达到该涡轮功率。由废气门阀的状态因此可推断出微粒过滤器的负载，经由微粒过滤器的附加的压差测量不必要。
备选地或附加地，在该方法的一种有利的改进方案中作如下设置，即，废气涡轮增压器的涡轮关联有可调节的导向叶片，其中，微粒过滤器的负载由导向叶片的状态来确定。通过调节带有可变的涡轮几何形状的废气涡轮增压器的导向叶片(也被称作VTG增压器)可以以与通过闭合废气门阀类似的形式和方式如此地匹配经由废气涡轮增压器的涡轮的压力比，使得通过由于增加的微粒过滤器负载而上升的排气背压的功率损失被补偿。在此，由导向叶片的状态可推断出微粒过滤器的负载状态，而经由微粒过滤器的附加的压差测量不必要。
根据该方法的一种有利的改善方案作如下设置，即，微粒过滤器的负载由废气门阀的状态和导向叶片的状态来确定。通过评估废气门阀的状态和涡轮的导向叶片的状态形成冗余，其也可被用作用于相应其它部件的诊断功能。此外，通过两个信号的评估可改善测量的精度且因此实现微粒过滤器的负载状态的更精确的确定。
在该方法的一种备选的实施形式中有利地作如下设置，即，在涡轮增压器处、尤其在涡轮增压器的涡轮处布置有转速传感器，其中，微粒过滤器的负载由废气涡轮增压器的转速来确定。为了在由于微粒过滤器的增加的碳负载而上升的排气背压的情形中实现废气涡轮增压器的相同的压缩机功率，废气涡轮增压器的转速相对于带有未负载的微粒过滤器和较小的排气背压的相同运行状态而上升。因此，转速传感器的信号和废气涡轮增压器的由此确定的转速可被用于推断出微粒过滤器的负载状态。
补充地有利地作如下设置，即，经由废气涡轮增压器的压缩机的压差被测量。基于存在的温度且基于通常明显更短的用于在新鲜空气侧上的传感器的导线长度，经由废气涡轮增压器的压缩机的压差测量可被用于识别出在供气系统中可能存在的泄漏。在此，不仅在压缩机上游的泄漏而且在压缩机下游的泄漏导致经由压缩机的压力比的变化，从而可由该压力比的非期望的变化推断出泄漏。此外可通过经由压缩机的压力比实现在内燃机的新鲜气体侧上的空气质量流的预控制，由此可实现用于燃烧室的燃烧空气比的经改善的数量调节和与此相联系的较少的原始排放。
根据该方法的另一种改善方案作如下设置，即，涡轮的控制设备通过促动器、尤其通过伺服电机来调节。为了实现废气涡轮增压器的压缩机功率的相应匹配，如先前所描述的那样控制设备的相应调节是必要的。通过促动器可以以简单的形式和方式改变废气门阀、尤其膜片阀或蝶形阀的闭合元件的状态且将状态的信号在电路上传递到内燃机的控制器处。备选地，促动器可被用于调节涡轮增压器的可调节的导向叶片的导向叶片。伺服电机是一种较小的且紧凑的促动器，其特别适用于用于控制设备的调节的先前所描述的要求。
根据本发明建议了一种带有供气系统和排气装置的内燃机，其中，内燃机关联有带有布置在供气系统中的压缩机和布置在排气装置中的涡轮的废气涡轮增压器，其驱动用于压缩被供应给内燃机的燃烧室的新鲜空气的压缩机，其中，在排气装置中在废气涡轮增压器的涡轮下游布置有微粒过滤器，其中，在废气涡轮增压器的涡轮处布置有用于确定涡轮的控制机构的状态或涡轮的转速传感器的转速的控制设备，且其中，内燃机关联有控制器，当可机读的程序编码在控制器上被执行时，该控制器实施根据本发明的方法。在根据本发明的内燃机的情形中，在微粒过滤器处的附加的传感装置可被取消，由此较少的构件被需要且成本可被降低。
本发明的不同的在该申请中所提及的实施形式(只要在具体情况中不另外地实施)可有利地彼此组合。
附图说明
在下面在实施例中根据附图对本发明进行解释。其中：
图1显示了一种机动车，其带有借助于废气涡轮增压器来增压的内燃机，其被设立用于执行根据本发明的方法；
图2显示了用于执行用于确定微粒过滤器的负载状态的根据本发明的方法的流程图。
附图标记列表
10 内燃机
12 燃烧室
14 入口
16 出口
18 废气涡轮增压器
20 供气系统
22 空气过滤器
24 空气质量计量器
26 压缩机
28 节流阀片
30 增压空气冷却器
32 新鲜空气管道
40 排气装置
42 涡轮
44 控制设备
46 废气门
48 废气门阀
50 促动器
52 可调节的导向叶片
54 转速传感器
56 排气通道
58 微粒过滤器
60 控制器
62 信号线
63 信号线
66 伺服电机。
具体实施方式
图1显示了用于机动车的内燃机10。内燃机10具有燃料空气混合物在其中燃烧的燃烧室12。内燃机10以入口14被联接到内燃机10的供气系统20处。供气系统20在新鲜空气穿过供气系统20的新鲜管道32的流动方向上包括空气过滤器22而在空气过滤器22的下游包括空气质量计量器24、优选地热膜式空气质量计量器。在空气质量计量器24的下游，在新鲜空气管道中布置有废气涡轮增压器18的压缩机26，利用该压缩机26压缩新鲜空气用于更好地填充燃烧室12。在压缩机26下游布置有用于控制供应给燃烧室的空气量的节流阀片28。另外，在下游在节流阀片28与内燃机10的入口14之间的新鲜空气管道32中布置有增压空气冷却器30，以便于冷却压缩机26的经压缩的空气且再次改善内燃机10的燃烧室的填充。
内燃机10通过出口16与内燃机10的排气装置40相连接。排气装置40在内燃机10的废气穿过排气装置的排气通道56的流动方向上具有废气涡轮增压器18的涡轮42，其刚性地经由共同的轴与压缩机26相联接且驱动压缩机26。废气涡轮增压器18具有废气门46，利用该废气门46废气的部分流可在废气涡轮增压器18的涡轮42处被引导经过。在废气门46中布置有废气门阀48，利用该废气门阀48通过废气门46在涡轮42处流动经过的废气量可被控制。涡轮42优选地实施成带有可调节的导向叶片52的涡轮42。在涡轮42处布置有转速传感器54，利用该转速传感器54可确定废气涡轮增压器18的转速。在废气涡轮增压器的涡轮42处此外设置有至少一个控制设备44，利用该控制设备44可改变废气门阀48的状态和/或可调节的导向叶片52的位置。控制设备44包括促动器50、尤其伺服电机66，用于改变导向叶片52的位置且/或用于打开和关闭废气门阀48。在排气装置40中，在涡轮42下游布置有微粒过滤器58，其将在燃料空气混合物燃烧的情形中在内燃机10的燃烧室12中形成的碳微粒从内燃机10的废气流中过滤出来。
内燃机10关联有控制器60，该控制器60控制被带入到内燃机10的燃烧室12中的燃料量。控制器60经由第一信号线62与空气质量计量器24相连接且经由第二信号线与废气涡轮增压器18的控制设备44相连接。
在内燃机10的运行中，排气装置40中的微粒过滤器58被加载以碳微粒和灰烬。在此，在涡轮42下游在排气装置40中的排气背压p4上升。由于排气背压p4的上升，经由涡轮42的压力落差p3/p4且因此可能的涡轮功率下降。因为废气涡轮增压器18的涡轮42和压缩机26经由轴机械地相联接，因此可能的压缩机压力比p2/p1同样下降。压缩机26不再可提供所要求的增压压力p2供使用且因此内燃机10的最大功率同样下降。出于该原因，废气涡轮增压器18具有控制设备44、尤其具有废气门阀48或可调节的导向叶片52。借助于促动器50，控制设备44的位置可被改变，由此废气涡轮增压器18的涡轮功率可被直接影响。
在带有废气门46的废气涡轮增压器18的情形中，由于排气背压p4通过微粒过滤器58的增加负载而上升引起的功率损失可通过闭合废气门阀48来补偿。通过该闭合，更大的废气质量流被导引经过涡轮42。经由废气门46的废气质量流下降。因此在涡轮42之前的废气压力p3上升。经由涡轮42的压力落差p4/p3上升，由此涡轮功率又提高到未负载的微粒过滤器58的水平上。增压压力此时又可被提供，因为随着涡轮功率压缩机功率同样又上升到额定值上。
现代的废气涡轮增压器18具有控制设备44的当前位置的位置反馈。如果此时比较在未负载的微粒过滤器58的情形中的控制设备44的位置与在经加载的微粒过滤器58的情形中的位置可识别如下，即，该位置与微粒过滤器58的负载成比例地变化。废气门阀48随着增加的负载必须被一直继续闭合，由此可提供相同的功率。废气门阀48的必要的操控比例(Ansteuerverhältnis)或者在带有和不带有微粒过滤器58的负载的键控比例(Tastverhältnis)之间的差相应地是用于排气背压p4的压力提高的量且因此是用于微粒过滤器58的负载的量。
在此然而必须注意如下，即，在压缩机26下游在供气系统20中的泄漏引起控制设备44的相同反应。由于附加的泄漏流，压缩机功率必须被提高，这仅当涡轮功率同样被提高时是可能的。为了该目的，废气门阀48被进一步闭合。为了在压缩机26下游在供气系统20中的泄漏与由于微粒过滤器58的增加负载引起的在涡轮42上游的排气背压提高之间可区分，在该系统中必须带入空气质量计量器24。空气质量计量器24连续地测量由压缩机26吸入的新鲜空气流。借助于空气质量计量器24可实现如下，即，识别由于泄漏引起的压缩机体积流的提高。利用空气质量计量器24可识别出额定质量流在每个运行点中的偏差。因此，是由于泄漏引起的压缩机体积提高还是由于增加的微粒过滤器负载引起的排气背压提高是明确清楚的，因为由压缩机26吸入的压缩机体积流在排气背压p4由于微粒过滤器58的增加负载而提高的情形中不提高。该压缩机体积流关于运行点保持恒定。
在图2中示出了用于确定微粒过滤器58的负载状态的根据本发明的方法的流程图。在第一方法步骤<100>中，获取控制设备44的状态和/或涡轮42的转速。在紧接着其的第二方法步骤<110>中，控制设备44的经确定的状态与在未负载的微粒过滤器58的情形中的相同的运行和负载状态的情形中的控制设备44的位置相比较。备选地或附加地，在方法步骤<120>中涡轮42的经获取的转速与在未负载的微粒过滤器58的情形中的相同的运行和负载状态的情形中的涡轮42的转速相比较。在方法步骤<130>中，由控制设备44的经确定的状态和/或涡轮42的经确定的转速计算出微粒过滤器58的加载状态。在方法步骤<140>中，确定在压缩机26上游在供气系统20中的新鲜空气质量流。在方法步骤<150>中，然后根据控制设备44的经确定的位置和/或涡轮42的转速和经确定的新鲜空气质量流实现该系统是否按规则起作用或故障、尤其泄漏是否在压缩机26下游在供气系统20中存在的评估。

Claims (10)

1.一种用于确定布置在借助于废气涡轮增压器(18)来增压的内燃机(10)的排气装置(40)中的微粒过滤器(58)的负载状态的方法，其中，在所述废气涡轮增压器(18)的涡轮(42)处布置有用于确定所述涡轮(42)的控制机构(48,52)的状态的控制设备(44)或用于确定所述涡轮(42)的转速的转速传感器，包括如下步骤：
- 确定所述控制设备(44)的状态或所述涡轮(42)的转速；
- 比较所述控制设备(44)的经确定的状态或经确定的转速与所述控制设备(44)的位置或在相同运行状态且未负载的微粒过滤器(58)的情形中的转速；
- 由所述控制设备(44)的经确定的状态或所述涡轮(42)的转速计算所述微粒过滤器(58)的负载状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述内燃机(10)的供气系统(20)中布置有空气质量计量器(24)，其中，新鲜空气流被附加地确定，且经确定的新鲜空气流附加地进入到所述微粒过滤器(58)的负载状态的计算中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述新鲜空气流在所述供气系统(20)中在所述废气涡轮增压器(18)的压缩机(26)的上游被确定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制设备包括废气门阀(48)，其中，为了确定所述微粒过滤器(58)的负载状态获取所述废气门阀(48)的状态。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述废气涡轮增压器(18)的涡轮(42)关联有可调节的导向叶片(52)，其中，所述微粒过滤器(58)的负载由所述导向叶片(52)的状态来确定。
6.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，所述微粒过滤器(58)的负载由所述废气门阀(48)的状态和所述导向叶片(52)的状态来确定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述涡轮增压器(18)处、尤其在所述涡轮增压器(18)的涡轮(42)处布置有转速传感器(54)，其中，所述微粒过滤器(58)的负载由所述涡轮(42)的转速来确定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，经由所述废气涡轮增压器(18)的压缩机(26)的压差被测得。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制设备(44)通过促动器(50)、尤其通过伺服电机(66)来调节。
10.一种带有供气系统(20)和排气装置(40)的内燃机(10)，其中，所述内燃机(10)关联有带有布置在所述供气系统(20)中的压缩机(26)和布置在所述排气装置(40)中的涡轮(42)的废气涡轮增压器(18)，该涡轮(42)驱动用于压缩被供应给所述内燃机(10)的燃烧室(12)的新鲜空气的压缩机(26)，其中，在所述排气装置(40)中在所述废气涡轮增压器(18)的涡轮(42)的下游布置有微粒过滤器(58)，其中，在所述废气涡轮增压器(18)的涡轮(42)处布置有用于确定所述涡轮(42)的控制机构(48,52)的状态或所述涡轮(42)的转速传感器(54)的转速的控制设备(44)，且其中，所述内燃机(10)关联有控制器(60)，当可机读的程序编码在所述控制器(60)上被执行时，该控制器(60)实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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