CN108691624B - 用于运行颗粒过滤器的方法和控制单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行内燃机的废气后处理系统中的颗粒过滤器（25）、尤其是用于实施颗粒过滤器的再生和/或用于对颗粒过滤器进行加热的方法，其中所述废气后处理系统在废气沿着废气通道的流动方向上具有至少一个第一λ传感器、第一催化器、二次空气‑导入机构和颗粒过滤器。在此规定，以下述方式调整沿着流动方向在颗粒过滤器之前的废气的适合于运行颗粒过滤器的λ：借助于第一λ传感器的信号调节在第一催化器之前的废气的λ，并且通过在第一催化器和颗粒过滤器之间将二次空气受控地输送到废气通道中来调整颗粒过滤器之前的废气的λ。本发明此外涉及一种用于实施所述方法的控制单元。所述方法和控制单元能够实现颗粒过滤器的最佳运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机的废气后处理系统中的颗粒过滤器、尤其是用于实施颗粒过滤器的再生和/或用于对颗粒过滤器进行加热的方法，其中所述废气后处理系统在废气沿着废气通道的流动方向上具有至少一个第一λ传感器、第一催化器、二次空气-导入机构和颗粒过滤器。
本发明此外涉及一种用于运行内燃机的废气通道中的颗粒传感器的控制单元，其中为内燃机配设了废气后处理系统，其中所述废气后处理系统在废气沿着废气通道的流动方向上具有至少一个第一λ传感器、第一催化器、二次空气-导入机构和颗粒过滤器，其中向所述控制单元输送第一λ传感器的至少一个输出信号，并且其中所述控制单元与内燃机的燃料计量系统相连接。
背景技术
在当今的马达控制系统中，λ传感器用于检测废气中的氧浓度并且用于马达的λ调节。在此使用宽频式λ传感器（Breitband-Lambdasonden）和跃变式λ传感器（Sprung-Lambdasonden）。
通常宽频式λ传感器使用在下述位置处，在该位置处要准确地测量浓的（fett）或稀的（mager）λ值，或使用在下述位置处，在该位置处在大约λ= 1的范围内利用有限的准确度进行测量就足够了。跃变式λ传感器使用在下述位置处，在该位置处在大约λ= 1的范围内应当以高的准确度测量废气λ。
对于宽频式λ传感器而言，典型的应用是催化器之前的λ调节以及在催化器的诊断时氧气输入和输出的平衡。跃变式λ传感器的典型应用是在催化器之后非常准确地调节λ=1以及在催化器的诊断时识别浓的或稀的废气的突破（Durchbruch）。
为了遵守有效的排放和诊断要求（例如SULEV），现代的内燃机、特别是汽油马达的典型的排气设备沿着废气的流动方向在内燃机之后具有：第一λ传感器、尤其是宽频式λ传感器，第一三元催化器，第二λ传感器、尤其是跃变式λ传感器，以及不受监控的第二三元催化器。
未来的甚至更严格的排放和诊断要求（例如中国6）需要废气后处理系统，其中还必须监控第二催化器。同时，必须限制废气中的颗粒数量。为了实现这一点，可能需要将第二三元催化器与颗粒过滤器组合起来或者使用催化地被涂覆的颗粒过滤器（四元催化器）来代替第二催化器。
此外，可以在第一和第二催化器之间设置二次空气-导入机构。可以沿着废气的流动方向在第二λ传感器之前或在其之后将所述二次空气-导入机构引入到废气通道中。借助于二次空气-导入机构能够将新鲜空气（二次空气）在第二催化器之前并因此在颗粒过滤器之前导入到废气通道中。
借助于颗粒过滤器将在燃烧时在内燃机中产生的碳烟颗粒从废气中过滤掉。如果达到了颗粒过滤器的存储容量，则执行颗粒过滤器的再生。为此，提高颗粒过滤器的温度直到在以放热的方式进行的反应中所积聚的碳烟燃烧掉。为了提高温度，可以拟定马达内部的措施或者将燃料喷入到废气通道中。为了能够实现碳烟的燃烧，必须在废气中存在足够的氧气。因此，必须在颗粒过滤器之前存在稀的废气（λ大于1）。考虑到这一点，文献D1：DE10 2011 100 677 A1介绍了一种用于柴油马达的运行方法，该柴油马达具有废气净化设备，所述废气净化设备由下述构件组成：氧化催化器，该氧化催化器优选具有三元催化器涂层；颗粒过滤器以及SCR催化器。为了颗粒过滤器的再生，柴油马达以至少接近1的λ来运行，以便在氧化催化器上实现有害物质的良好转化。为了同时在颗粒过滤器处能够实现碳烟颗粒的燃耗（Abbrand），在氧化催化器和颗粒过滤器之间将空气导入到废气通道中。尤其如此调节二次空气输送，使得引起能预先给定的碳烟燃耗速度。为此，在颗粒过滤器上的废气温度差用作调节参量。
为了发挥与颗粒过滤器相组合的三元催化器的或者催化地被涂覆的颗粒过滤器的催化作用，其必须具有足够的运行温度。为了例如在内燃机的冷启动之后或者在较长的运行阶段之后在惯性滑行（Schubbetrieb）中将组合的颗粒过滤器的温度迅速提高到所需的运行温度，已知的是：利用浓的混合物来运行内燃机并且在催化器/颗粒过滤器之前将二次空气导入到内燃机的排气道（Abgastrakt）中。然后废气中的碳氢化合物与二次空气的氧气一起在催化器之前或之中燃烧并加热该催化器。在此，优选地在颗粒过滤器之前调整出为1或大于1的λ。
为了准确地调整在颗粒过滤器（结合三元催化器/颗粒过滤器的第二催化器或者作为催化地被涂覆的颗粒过滤器）之前的废气的、用于颗粒过滤器的再生或快速加热的λ，可以借助于布置在第一催化器和颗粒过滤器之间的第二λ传感器来调节所输送的二次空气的量。为此，必须沿着流动方向在第二λ传感器之前引入二次空气。
关于准确地调节所输送的二次空气的先决条件是，在废气在第二λ传感器的安装位置处的实际λ和该λ传感器的信号之间存在明显的相互关系，因为否则在该信号的基础上所述调节的准确度不足，并且可能发生不允许的高的排放或者颗粒过滤器的损坏。因为λ传感器的信号通常受到λ传感器相对于不同的废气组分例如CO、CO2、H2、H2O、HC、NOx、O2的不同交叉灵敏度（Querempfindlichkeit）的影响，并且在内燃机的不同的运行条件下尽管有相同的废气λ但是废气组成可能不同，因此不仅在宽频式λ传感器的情况下而且在跃变式λ传感器的情况下通常都不满足所述先决条件。
因此，例如在三元催化器之后在恒定的浓的λ的情况下在氢气（H2）和一氧化碳（CO）之间出现随时间变化的比例关系。其原因是所谓的水煤气变换反应，该水煤气变换反应不能持久地将催化器置入到平衡中。在从等于1的λ或者稀的λ转变为恒定的浓的λ之后，催化器最初提供大致对应于平衡的H2量。然而，随着时间的推移，催化器提供相比于H2明显过多的CO。尽管在传感器位置处的λ是恒定的，但由于关于H2和CO的不同的交叉灵敏度，在三元催化器之后的λ传感器显示出随着时间剧烈变化的信号。
根据另一种不期望的效应，在主动的二次空气-吹入时，相对于λ传感器针对H2、CO和O2的不同的交叉灵敏度，H2与O2在λ传感器中的预催化开始起作用。因为在λ传感器中仅有少量现有的O2可以被催化地转化，所以该份额强烈取决于现有的O2的量。尽管在传感器位置处的λ是恒定的，在此也取决于废气组成地出现λ传感器的另外的传感器信号。
因此需要不利地对在第一催化器之后的废气组成以及第二λ传感器的交叉灵敏度进行耗费的建模，以便在二次空气的计量时达到所需要的准确度。
发明内容
本发明的任务是提供一种方法，该方法能够实现布置在第一催化器和随后的二次空气-导入机构之后的颗粒过滤器的最佳运行。
此外，本发明的任务是提供一种适合于执行该方法的控制单元。
本发明的涉及装置的任务通过下述方式来解决，以下述方式调整沿着流动方向在颗粒过滤器之前的废气的、适合于运行颗粒过滤器的λ：借助于第一λ传感器的信号调节在第一催化器之前的废气的λ，并且通过在第一催化器和颗粒过滤器之间将二次空气受控地输送到废气通道中来调整颗粒过滤器之前的废气的λ。第一λ传感器用于在内燃机的常规运行中在催化器之前进行λ调节，并且必要时在催化器的诊断时用于平衡氧气输入和输出。必要时针对废气后处理系统的常规运行，如在现有技术中本身已知的那样，通过相对简单的建模校正所述第一λ传感器的交叉灵敏度。因此，借助于第一λ传感器能够准确地确定和调整第一催化器之前的废气的λ。在超过第一催化器的存储容量之后，也在第一催化器之后存在在第一催化器之前所调节的λ。在第一催化器之后的λ已知时，能够确定所需的二次空气量，必须将该二次空气量在颗粒过滤器之前输送给所述废气，以调整适合于运行颗粒过滤器的λ。由此，通过根据本发明地受控地输送二次空气能够精确地调整在颗粒过滤器之前的废气λ。根据在第一催化器之前所调节的λ来确定二次空气的输送量。不需要使用布置在第一催化器和颗粒过滤器之间的第二λ传感器的信号。因此，可以省去对第二λ传感器的交叉灵敏度的耗费的校正。
为了针对颗粒过滤器的再生产生最佳的运行条件，可以规定：为了实施颗粒过滤器的再生，在第一催化器之前调节小于或等于1的λ，特别是在0.95和1.00之间的λ，并且通过受控地输送二次空气在颗粒过滤器之前调整出稀的λ，尤其是在1.05和1.2之间的范围内的λ。因此，在废气中不仅存在未燃烧的碳氢化合物而且也存在充足的氧气，以便如此程度地提高颗粒过滤器的温度，从而实现碳烟颗粒的燃耗。在此可以通过适当地改变所输送的二次空气的体积流量和/或第一催化器之前的废气的λ来影响碳烟颗粒的燃耗速度。
可以通过下述方式来实现将颗粒过滤器快速加热到所期望的运行温度上：为了对颗粒过滤器实施加热在第一催化器之前调节出浓的λ，特别是在0.85和0.95之间的范围内的λ，并且通过受控地输送二次空气在颗粒过滤器之前调整出大于或等于1的λ。
可以通过下述方式改善在颗粒过滤器之前相应期望的λ的调整的准确度：在受控地输送二次空气时考虑当前的废气质量流量（Abgasmassenstrom）。在第一催化器之前的并且因此还有在第一催化器之后的λ已知时，并且在废气质量流量已知时，可以精确地确定并且调整所需要的二次空气的量，所述二次空气必须与废气掺和，以便准确地调整在颗粒过滤器之前的相应需要的λ。
能够通过下述方式监控颗粒过滤器的加热或再生的准确实施：通过第二λ传感器的输出信号来监控为了实施颗粒过滤器的再生和/或加热是存在稀的λ还是λ=1，所述第二λ传感器沿着废气的流动方向布置在二次空气-导入机构之后并且布置在颗粒过滤器之前。对稀的废气的这种识别也可以在不对第二λ传感器的交叉灵敏度校正的情况下以足够的准确度来进行。
根据本发明的一种有利的设计方案可以规定：通过第二λ传感器的输出信号来监控二次空气-导入机构的功能。因此可以容易且迅速地识别例如二次空气泵的故障，所述二次空气泵将二次空气输送给二次空气-导入机构。如果在二次空气-导入机构中存在缺陷并且接着不能针对颗粒过滤器的最佳运行调整所需要的λ，由此能够可靠地指出。
为了最佳地运行颗粒过滤器，尤其用于实施颗粒过滤器的再生或快速加热，有利的是：不等于1地调整出第一催化器之前的并且因此也将所述第一催化器之后的λ。因此，根据本发明的一种优选的设计变型方案可以规定：借助于宽频式λ传感器来调节第一催化器之前的λ。借助于这种宽频式λ传感器可以在大约λ=1的大的范围内检测废气的氧浓度并且相应地调节λ。
有利地可以规定：在超过第一催化器的存储容量和存在浓的废气的突破之后，通过受控地输送二次空气来调整颗粒过滤器之前的废气的λ。基于浓的废气，通过相应地输送二次空气可以将颗粒过滤器之前的λ调整到为1的或稀的λ上。在此，第一催化器之后的和浓的废气突破之后的废气的λ对应于第一催化器之前的λ。该λ通过利用布置在第一催化器之前的第一λ传感器进行的测量而准确地已知，从而能够精确地确定二次空气的需求量，所述二次空气必须被输送给所述废气以用于调整颗粒过滤器之前的所期望的λ。
所述方法可以优选地用于与三元催化器组合的颗粒过滤器或者用于催化地被涂覆的颗粒过滤器（四元催化器）。
本发明的涉及控制单元的任务通过下述方式来解决：所述控制单元被设计用于：根据第一λ传感器的输出信号通过操控燃料计量系统并且由此引起地将输送给内燃机的空气/燃料混合物调节到一预先给定的数值上来调整在第一催化器之前的废气的λ，并且所述控制单元被设计用于：通过操控二次空气泵并且由此引起地将二次空气受控地输送到颗粒过滤器之前的废气通道中来将颗粒过滤器之前的废气的λ调整到一适合于颗粒过滤器再生或加热的数值上。所述控制单元因此能够实现所描述的方法的实施。
附图说明
下面借助于在附图中示出的实施例来进一步阐述本发明。其中：
图1以示意图示出了内燃机的废气后处理系统，该废气后处理系统具有布置在第二λ传感器之后的二次空气-导入机构；
图2以示意图示出了内燃机的废气后处理系统，该废气后处理系统具有布置在第二λ传感器之前的二次空气-导入机构。
具体实施方式
图1以示意图示出了内燃机10的废气后处理系统20，该废气后处理系统具有布置在第二λ传感器24之后的二次空气-导入机构27。
内燃机10的废气11沿着废气通道21通过废气后处理系统20来引导。在此，沿着废气通道21并且沿着废气11的流动方向在废气通道21中布置了第一催化器23并且接下来布置了颗粒过滤器25。在内燃机10和第一催化器23之间设置了第一λ传感器22。第二λ传感器24直接在第一催化器23之后被引导到废气通道21中。第三λ传感器26在废气通道21中布置在颗粒过滤器25之后。二次空气-导入机构27在第一催化器23和颗粒过滤器25之间连接到废气通道21上。所述二次空气-导入机构在此沿着流动方向布置在第二λ传感器24之后。通过二次空气-导入机构27能够将二次空气12输送给废气通道21。
图2以示意图示出了内燃机10的废气后处理系统20，该废气后处理系统具有布置在第二λ传感器24之前的二次空气-导入机构27。除了二次空气-导入机构27和第二λ传感器24的交换布置之外，所述结构对应于在图1中示出的废气后处理系统20的结构。因此，相同的结构元件在两幅图中被相同地标记。
在图1和2中示出的内燃机10当前被实施为汽油马达。第一λ传感器22是宽频式λ传感器。所述第一λ传感器用于调整输送给内燃机10的空气/燃料混合物。为此将第一λ传感器22的信号输送给未示出的马达控制机构。在马达控制机构内对利用第一λ传感器22测量的λ数值进行校正。由此来校正错误，如所述错误由于第一λ传感器相对于不同的废气成分的交叉灵敏度而存在。这些交叉灵敏度例如相对于一氧化碳、二氧化碳、氢气、水、碳氢化合物、氮氧化物和氧气而存在。通过相应地校正这些交叉灵敏度，可以精确地确定在第一催化器23之前的废气11的λ。
第一催化器23被实施为三元催化器。这种三元催化器具有用于氧气和未燃烧的碳氢化合物的有限的存储能力。如果在相应地输送稀的或浓的废气之后达到了三元催化器的存储能力的极限，则出现稀突破（Magerdurchbruch）或浓突破（Fettdurchbruch），其中，稀的或浓的废气未经转化地通过三元催化器来引导。这种稀突破或浓突破可以借助于第二λ传感器24来检测。为此，不必校正第二λ传感器24的交叉灵敏度。
颗粒过滤器25当前被实施为催化地被涂覆的颗粒过滤器25。这种催化地被涂覆的颗粒过滤器25也被称为四元催化器。然而也可以考虑将颗粒过滤器25作为结构单元与三元催化器相组合。
在内燃机10运行期间，由该内燃机排放的碳烟颗粒被颗粒过滤器25从废气11中过滤掉。如果达到了颗粒过滤器25的存储容量，则所述颗粒过滤器必须再生。在此燃烧所储存的碳烟颗粒。
为了获得颗粒过滤器25的催化涂层的转化能力，颗粒过滤器25必须具有所需的运行温度。在此必须例如在内燃机10的冷启动之后尽可能快速地达到所述运行温度，以避免有害物质的排放增加。
借助于第三λ传感器26，可以识别被涂覆的颗粒过滤器25的稀突破或浓突破。
为了将颗粒过滤器25更快地加热到其运行温度，在浓的燃烧室-混合物的情况下，通过将二次空气12输送到颗粒过滤器25之前的废气通道11中在被涂覆的颗粒过滤器25中引起放热反应。为了避免不必要的排放，在此必须在颗粒过滤器25之前尽可能准确地保持为1或大于1的平均的废气λ。
在颗粒过滤器25的温度足够高的情况下，在氧气过量时可以实现碳烟负载（Rußbeladung）的燃耗并且因此实现颗粒过滤器25的再生。为此，必须在颗粒过滤器25之前保持定义的稀的λ。为了同时确保第一催化器23的尽可能好的转化，在再生期间在内燃机10的燃烧室中调整出为1的λ。
因此为了颗粒过滤器25的最佳运行得出以下λ-目标值：
· 颗粒过滤器的加热：
o 在第一催化器23之后的λ：浓的（例如λ= 0.9）
o 在颗粒过滤器25之前的λ：1（或者至少> 1）
· 颗粒过滤器的再生：
o 在第一催化器23之后的λ：1或者略微浓的（例如λ= 0.99）
o 颗粒过滤器之前的λ：稀的（例如λ等于1.1）。
不能利用第二λ传感器24调节沿着废气11的流动方向在颗粒过滤器25之前的λ，而不考虑在第二λ传感器24的位置处的废气组成及其相对于不同的废气组分的交叉灵敏度，因为在不同的废气组成的情况下，尽管废气λ相同但是该传感器可能具有不同的信号。
根据本发明，因此规定：调整第一催化器23之后的所需要的λ，其中利用第一λ传感器22将第一催化器23之前的λ调整到相应的目标值上。一旦超过所述第一催化器的存储容量，也在第一催化器23之后调整在第一催化器23之前被调节的λ。
因为第一λ传感器22的交叉灵敏度被校正，所以在此能够在第一λ传感器22的输出信号的基础上在第一催化器23之前并且因此也在第一催化器23之后准确地调整所述λ。根据本发明，此外规定：通过二次空气-导入机构27如此预控制二次空气12的输送，使得通过将二次空气-导入机构27之前的废气λ与计量的二次空气12组合来调整颗粒过滤器25之前的所期望的λ。优选地，在确定计量的二次空气的量时，除了废气λ之外还考虑当前的废气质量流量。
如果二次空气-导入机构27，如在图2中所示出的那样，布置在第二λ传感器24之前，则该第二λ传感器24的信号可以用于识别：在颗粒过滤器25之前实际上是否存在对于再生来说或对于加热来说所需要的稀的λ。这种识别不会受到第二λ传感器24的所描述的交叉灵敏度的负面影响。同样，借助于第二λ传感器24可以监控二次空气-导入机构27的功能能力。
Claims (12)
1.用于运行内燃机（10）的废气后处理系统（20）中的颗粒过滤器（25）的方法，其中所述废气后处理系统（20）在废气（11）沿着废气通道（21）的流动方向上具有至少一个第一λ传感器（22）、第一催化器（23）、二次空气-导入机构（27）和颗粒过滤器（25），其特征在于，以下述方式调整沿着流动方向在颗粒过滤器（25）之前的废气（11）的适合于运行颗粒过滤器（25）的λ：借助于第一λ传感器（22）的信号调节在第一催化器（23）之前的废气（11）的λ，并且通过在第一催化器（23）和颗粒过滤器（25）之间将二次空气（12）受控地输送到废气通道（21）中来调整颗粒过滤器（25）之前的废气（11）的λ，其中，根据在第一催化器（23）之前所调节的λ来确定二次空气的输送量，其中，在超过第一催化器（23）的存储容量和存在浓的废气的突破之后，通过受控地输送二次空气（12）来调整颗粒过滤器（25）之前的废气（11）的λ。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了实施颗粒过滤器（25）的再生，在第一催化器（23）之前调节出小于或等于1的λ，并且通过受控地输送二次空气（12）在颗粒过滤器（25）之前调整出稀的λ。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了实施颗粒过滤器（25）的再生，在第一催化器（23）之前调节出在0.95和1.00之间的λ。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过受控地输送二次空气（12）在颗粒过滤器（25）之前调整出在1.05和1.2之间的范围内的λ。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了对颗粒过滤器（25）实施加热，在第一催化器（23）之前调节出浓的λ，并且通过受控地输送二次空气（12）在颗粒过滤器（25）之前调整出大于或等于1的λ。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了对颗粒过滤器（25）实施加热，在第一催化器（23）之前调节出在0.85和0.95之间的范围内的λ。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在受控地输送二次空气（12）时考虑当前的废气质量流量。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过第二λ传感器（24）的输出信号来监控为了实施颗粒过滤器（25）的再生和/或加热是存在稀的λ还是λ=1，所述第二λ传感器沿着废气（11）的流动方向布置在二次空气-导入机构（27）之后并且布置在颗粒过滤器（25）之前。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过第二λ传感器（24）的输出信号来监控二次空气-导入机构（27）的功能。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于宽频式λ传感器来调节第一催化器（23）之前的λ。
11.将根据权利要求1至10中任一项所述的方法用于与三元催化器相组合的颗粒过滤器（25）或者用于催化地被涂覆的颗粒过滤器（25）。
12.用于运行内燃机（10）的废气通道（21）中的颗粒传感器（23）的控制单元，其中为内燃机（10）配设了废气后处理系统（20），其中所述废气后处理系统（20）在废气（11）沿着废气通道（21）的流动方向上具有至少一个第一λ传感器（22）、第一催化器（23）、二次空气-导入机构（27）和颗粒过滤器（25），其中向所述控制单元输送第一λ传感器（22）的至少一个输出信号，并且其中所述控制单元与内燃机（10）的燃料计量系统相连接，其特征在于，所述控制单元被设计用于：根据第一λ传感器（22）的输出信号通过操控燃料计量系统并且由此引起地将输送给内燃机（10）的空气/燃料混合物调节到一预先给定的数值上来调整在第一催化器（23）之前的废气（11）的λ，并且所述控制单元被设计用于：通过操控二次空气泵并且由此引起地将二次空气（12）受控地输送到颗粒过滤器（25）之前的废气通道（21）中来将颗粒过滤器（25）之前的废气（11）的λ调整到一适合于颗粒过滤器（25）的加热或再生的数值上，其中，根据在第一催化器（23）之前所调节的λ来确定二次空气的输送量，其中，在超过第一催化器（23）的存储容量和存在浓的废气的突破之后，通过受控地输送二次空气（12）来调整颗粒过滤器（25）之前的废气（11）的λ。
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