CN108952896B - 在内燃机的排气系统中的颗粒过滤器或四元催化器的再生 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于再生在内燃机的排气系统中的颗粒过滤器或四元催化器的方法，其中，应防止或至少使在再生颗粒过滤器或四元催化器期间氮氧化物排放的增加最小化。设置成，在内燃机的排气系统中布置颗粒过滤器或四元催化器。在内燃机的关停要求时关停燃料喷射和点火。通过惯性，内燃机从关停转速到停止，其中，在该阶段中将富氧的新鲜空气输送到排气通道中。利用包含在该新鲜空气中的氧气，进行颗粒过滤器或四元催化器的部分再生，其中，通过计算模型获取从颗粒过滤器或四元催化器中排出的颗粒质量。此外，提出一种用于废气后处理的装置，利用该装置可进行这种方法。

Description

在内燃机的排气系统中的颗粒过滤器或四元催化器的再生
技术领域
本发明涉及一种用于再生在内燃机的排气系统中的颗粒过滤器或四元催化器的装置以及方法。
背景技术
越来越严格的废气法律规定对车辆制造商提出高的要求，这通过用于减小发动机的未处理排放的相应措施并且通过相应的废气后处理来实现。随着法律等级EU6的引入，对于奥托发动机规定了颗粒数量的极限值，其在多数情况中需要使用奥托颗粒过滤器。在行驶运行中，这种奥托颗粒过滤器加载有炭黑。为了废气背压不过度增加，必须连续第或周期性地再生这种奥托颗粒过滤器。为了执行留在奥托颗粒过滤器中的炭黑利用氧气的热氧化，需要足够高的温度水平结合同时在奥托发动机的排气系统中存在的氧气。由于现代的奥托发动机通常在没有氧气过量的情况下以化学计算的空燃比(λ=1)运行，为此需要附加的措施。此外，作为措施，例如考虑通过点火角度调整提高温度、奥托发动机的暂时的过稀调整、将二级控制吹入排气系统中或这些措施的组合。优选地，至今为止使用向更晚的方向调整点火角度结合奥托发动机的过稀调整，因为该方法可在没有附加的构件的情况下实现并且可在奥托发动机的大多数运行时刻提供充分的氧气量。此外力求的是，在冷起动之后尽可能快速地将在内燃机的排气通道中的催化器带到运行温度上，以尽可能快速地实现用于有害废气成分的高转化率。然而，在颗粒过滤器的再生期间内燃机的该过稀调整可导致，在颗粒过滤器的再生期间出现氮氧化物排放(NOx排放)的显著增加，因为在过量化学计算的空燃比的情况中在废气中不再包含例如一氧化碳(CO)或不可燃的碳氢化合物(HC)的组分，利用这些组分在三元催化器上实现氮氧化物排放到分子的氮的催化还原。
从文件DE 10 2013 220 899 A1中已知用于再生在内燃机的排气系统中的颗粒过滤器的方法，其中，通过相应的氧调节器匹配内燃机的废气温度，以保证用于颗粒过滤器的再生所需的温度以及同时在内燃机的排气通道中剩余氧气的存在。然而在这种方法中不利的是，通过内燃机的过稀调整导致在颗粒过滤器的再生期间在废气中的氮氧化物排放增加。
从文件WO 2015/169958 A1中已知一种外点火的内燃机，在其排气系统中布置颗粒过滤器，其中，为了再生颗粒过滤器进行多级的方法，以便于仅仅尽可能少地降低在颗粒过滤器的再生期间的行驶舒适性。为此，在内燃机的推进阶段中，将颗粒过滤器的被动再生作为“最柔和的”措施与用于再生的相应的主动的措施相结合，其中，在多级的过程中，分别选择这样的措施，即，其可以最少地干预行驶舒适性和内燃机功率的方式来进行。然而在这种方法中不利的是，在此在主动的措施中也出现内燃机的空燃比的过稀调整以及与此相关的氮氧化物排放增加。
文件DE 10 2012 022 153 A1公开了一种用于再生在奥托发动机的排气通道中的颗粒过滤器的方法，其中，在第一步骤中确定颗粒过滤器的温度或通过颗粒过滤器的废气质量流，并且通过将在废气中的氧气份额提高到化学计算的废气之上，在达到颗粒过滤器的再生温度时氧化留在颗粒过滤器中的炭黑。
从文件DE 10 2010 046 899 A1中已知一种在内燃机的排气通道中的颗粒过滤器的再生，其中，在关停内燃机期间进行再生。在此，当颗粒过滤器具有相应的负载并且颗粒过滤器的温度还足够用于在关停内燃机时实现颗粒过滤器的部分再生时，直接在关停点火之前向“稀”的方向调整空燃比。然而，所提出的方法仅仅实现使留在颗粒过滤器中的炭黑的很少的部分量再生，因为在关停喷射和点火之后富氧的空气被输送到排气通道中的时间段相对短。
此外，已知这样的废气后处理系统，即，在其中，通过电动的措施、尤其地通过向“晚的”方向调整点火角度提高颗粒过滤器的温度，直至达到颗粒过滤器的再生温度，并且为了氧化留在颗粒过滤器中的炭黑所需的氧气通过二级空气系统输送给排气通道。但是，为此始终需要二级空气系统，这显著提高了用于内燃机的成本。
发明内容
现在本发明的目标是，在排气系统中，在没有二级空气系统的情况下实现至少基本上颗粒过滤器无排放的再生并且克服从现有技术中已知的缺点。
根据本发明，该目标通过用于内燃机的废气后处理的方法实现，在内燃机的排气系统中布置颗粒过滤器或四元催化器，该方法包括以下步骤：
- 在正常运行中利用化学计算的空燃比使内燃机运行，其中，在燃烧时产生的炭黑颗粒通过颗粒过滤器或四元催化器留在排气系统中，
- 通过计算模型获取到颗粒过滤器或四元催化器中的颗粒引入，
- 将内燃机的关停要求传输到内燃机的控制器处，
- 关停到内燃机的燃烧室中的燃料喷射，其中，当内燃机的发动机转速在阈值之上时，关停燃料喷射，
- 在关停燃料喷射之后内燃机的惯性运行时通过输送到排气系统中的剩余氧气再生颗粒过滤器或四元催化器，其中，通过计算模型获取从颗粒过滤器或四元催化器中的炭黑排出。
在这种方法中，可进行颗粒过滤器的再生、尤其地在多个子步骤中的再生，而在再生期间不出现排放、尤其地氮氧化物排放的显著增加。通过根据本发明的方法不需要内燃机的过稀调整。由此，可通过三元催化器在整个发动机运行期间保证废气净化和有害物质的转化，并且在再生颗粒过滤器期间不需要采取附加的用于废气后处理的措施。通过关停燃料喷射，内燃机由于惯性继续旋转，从而在关停燃料喷射的时刻和发动机停止之间将富氧的空气输送到排气通道中，利用该空气氧化留在颗粒过滤器中的炭黑颗粒。
通过在从属权利要求中阐述的特征实现在独立权利要求中给出的用于内燃机的废气后处理的方法的有利的改善和改进方案。
在本发明的一优选的设计方案中设置成，当内燃机在关停要求的时刻处于怠速运转时，在关停之前使内燃机的转速增大在阈值之上的转速上。通过在关停内燃机之前且尤其地在关停到内燃机的燃烧室中的燃料喷射之前提高发动机转速，可增大可供颗粒过滤器再生所用的空气量。在此，再次利用内燃机的惯性，以便于在停止过程期间进行颗粒过滤器的部分再生。如果在需要颗粒过滤器或四元催化器的再生之前从颗粒过滤器的部分负载或完全负载出发，则通过所提出的方法可在每次发动机停止时从颗粒过滤器中排出1mg至100mg的部分量。由此，相应地需要多次部分再生，但是其可分别在没有附加消耗的情况下实现并且由此对于机动车的驾驶员来说感觉不到。
在此，用于发动机转速的阈值在内燃机的通常的怠速转速之上。通过在关停之前提高转速，延长内燃机的惯性运行过程，由此将更多的氧气输送到排气系统中。由此，可氧化炭黑颗粒的更大的部分量。由此，需要更少的再生步骤直至完全再生颗粒过滤器。
在此尤其优选的是，用于发动机转速的阈值在900U/min之上。由于乘用车发动机通常具有650U/min至900U/min的怠速转速，通过这种阈值可保证，充分的氧气量到达内燃机的排气通道中。
在方法的另一优选的设计方案中设置成，仅仅当颗粒过滤器或四元催化器的温度或废气温度位于阈值温度之上时，才关停到内燃机的燃烧室中的燃料喷射。连续地利用起动/停止系统用于主动再生。即使当过滤器未被再生时，发动机也进入停止阶段，即，喷射停止。这从驾驶员行为方面得到。车辆性能必须总是相同的。为了再生颗粒过滤器、也就是说氧化留在颗粒过滤器或四元催化器中的炭黑颗粒，除了存在氧气，同时需要最低温度以实现炭黑的氧化。如果颗粒过滤器或四元催化器位于该最低温度之下的温度水平上，则不能通过提出的方法实现颗粒过滤器的再生。因此，在这种运行状态中放弃开始根据本发明的方法，并且尤其地在不增大转速的情况下关停内燃机。
在此，阈值温度优选地在550℃至750℃之间的范围中。在该温度范围中，在没有颗粒过滤器的热损坏风险的情况下实现留在颗粒过滤器中的炭黑的氧化。
根据所提出的方法的一改善方案设置成，在内燃机的关停要求时，完全打开在内燃机的进气通道中的节流阀。通过打开节流阀可增大输送给排气通道的空气量以及由此用于氧化留在颗粒过滤器或四元催化器中的炭黑的氧气量。由此，可氧化炭黑颗粒的更大的部分量。由此，需要更少的再生步骤直至完全再生颗粒过滤器。同时，可通过节流阀的位置阻碍氧化，以便于在热方面不使过滤器过热。这可选地也根据计划来应用。
在方法的一优选的实施形式中设置成，通过内燃机的起动停止系统触发内燃机的关停信号。与在没有起动停止系统的内燃机中相比，在起动停止系统中明显更频繁地实现内燃机的关停，例如在停止在交通灯处的情况中。由此，提高了再生阶段的数量，由此可增大从颗粒过滤器中排出的颗粒质量。在频繁的起动停止过程中，例如在停停走走的交通中，由此可在相对短的时间之内实现颗粒过滤器的基本上完全再生。
在方法的另一改善方案中设置成，当颗粒过滤器或四元催化器的负载在用于颗粒过滤器或四元催化器的负载的阈值之上时，开始该方法。虽然原则上也可行的是与颗粒过滤器或四元催化器的负载状态无关地进行该方法。然而当颗粒过滤器达到了用于颗粒过滤器或四元催化器的负载的第一阈值时，在关停过程之前提高内燃机的转速的情况下开始方法是尤其有利的。
根据该方法的另一有利的实施形式设置成，在识别了内燃机的立即关停要求时提高废气温度。由此，可将颗粒过滤器或四元催化器加热到再生温度上，从而通过所提出的方法带入排气通道中的氧气也达到用于氧化炭黑的充分的温度。备选地，也可提高温度以用于使颗粒过滤器上的炭黑燃烧加速并且在关停燃料喷射和内燃机停止之间在时间上限定的窗口中将更多炭黑从颗粒过滤器或四元催化器中排出。
根据本发明，实现一种用于内燃机的废气后处理的装置，该装置具有排气系统，在排气系统中布置颗粒过滤器或四元催化器，该装置也具有带有可机读的程序码的控制器，其中，控制器在实施程序码时设定成用于进行根据本发明的方法。通过这种废气后处理装置，在运行阶段、尤其地在颗粒过滤器再生时也实现尤其有效的废气再生，在其中在从现有技术中已知的排气系统中可导致排放增加。
在本发明的优选的实施形式中设置成，颗粒过滤器或四元催化器作为废气后处理的第一组件布置在发动机附近。通过颗粒过滤器或四元催化器在发动机附近的布置方案，可相对简单地实现至少550℃的再生温度。由此实现，在关停内燃机期间带入到排气通道中的新鲜空气有效地用于氧化留在颗粒过滤器或四元催化器中的炭黑。如果附加地在内燃机的排气通道中设置NOx储存催化器，则尤其有利的是，颗粒过滤器或四元催化器作为废气后处理的第一组件布置并且NOx储存催化器布置在颗粒过滤器或四元催化器下游。由于NOx储存催化器的最大储存能力在约250℃至480℃的温度范围中，并且由此在颗粒过滤器或四元催化器的再生温度之下，有利的是，热的废气首先流过颗粒过滤器或四元催化器并且之后流过NOx储存催化器，以实现最优的废气后处理和尽可能少的排放。
在此优选的是，内燃机关联有起动停止系统，利用起动停止系统在车辆停止时、例如在停止在交通灯处的情况中接通内燃机，并且在起动要求时再次起动。具有起动停止系统的内燃机具有明显更频繁的发动机关停，从而可明显更频繁地开始所提出的方法。由此，实现了颗粒过滤器或四元催化器的立即再生。
如果没有详细地另外阐述，在申请中提到的本发明的不同实施形式有利地可相互组合。
附图说明
下面根据附图在实施例中解释本发明。其中：
图1示出了具有进气歧管和排气系统的内燃机，在根据本发明的方法中，利用排气系统可减少在再生颗粒过滤器期间的排放；
图2示出了根据本发明的排气系统的备选的实施形式，在其中，代替颗粒过滤器在发动机附近布置四元催化器；
图3示出了用于进行根据本发明的用于内燃机的废气后处理的方法的流程图。
附图标记清单
10内燃机
12排气系统
14颗粒过滤器
16三元催化器
18 NOx储存催化器
20排气通道
22四元催化器
24控制器
26第一氧传感器
28第二氧传感器
30第三氧传感器
32排气部
34燃烧室
36节流阀
38进气通道
40起动停止系统
44涡轮
46压缩机
n内燃机的转速
nA关停转速
nl通常的怠速转速
Ppm从颗粒过滤器中排出的颗粒质量
S1阈值
ST阈值温度
SL用于颗粒过滤器的负载的阈值
TEG废气温度
U/min每分钟的转速
λE内燃机的空燃比。
具体实施方式
图1示出了具有联接在内燃机10的排气部32处的排气系统12的内燃机10的示意图。在排气系统12中，在内燃机10的废气通过排气系统12的流动方向上，在发动机附近布置颗粒过滤器14。就此而言，发动机附近的位置理解成在废气设备中废气行进长度与内燃机10的排气部32小于80cm、优选地小于50cm的距离的位置。在颗粒过滤器14下游、尤其地在机动车的地板层中布置三元催化器16并且继续在下游布置NOx储存催化器18，三元催化器16和NOx储存催化器通过排气系统12的排气通道20相互连接。被喷射到内燃机10的燃烧室34中的燃料量并且由此内燃机10的空燃比λE可通过控制器24控制。为了调节内燃机10的空燃比λE，在排气通道20中布置多个氧传感器26,28,30。在内燃机10的排气部32下游并且在颗粒过滤器14上游设置废气涡轮增压器42，其涡轮44被内燃机10的废气流驱动。内燃机10此外具有带有进气通道38的进气歧管，在进气通道38中布置用于控制输送给内燃机10的燃烧室34的空气量的节流阀36。此外，在进气歧管中布置压缩机46，其通过废气涡轮增压器42的涡轮44驱动并且压缩被输送给内燃机10的新鲜空气。内燃机10关联有起动停止系统40，在车辆停止时利用起动停止系统关停内燃机10并且根据起动信号、例如松开制动踏板才再次起动。
在基本上与图1所描述的相同结构的情况中，在图2中示出的实施例中，通过具有三元催化作用的覆层的、所谓的四元催化器22的颗粒过滤器代替(未被涂覆的)颗粒过滤器14。在此，四元催化器22结合了颗粒过滤器和三元催化器的功能。通过在机动车的地板层中布置另一三元催化器16，四元催化器可实施得相对小，以便实现在内燃机10冷起动之后快速加热到运行温度上。备选地，通过四元催化器22还可省去另一三元催化器16、尤其地在机动车的地板层中的三元催化器16。
在内燃机10的运行中，通过颗粒过滤器14或四元催化器22留下在燃烧时在内燃机10的废气中出现的颗粒。在此，颗粒过滤器14或四元催化器22以已知的方式被炭黑加载。由于该加载，当由于颗粒过滤器14或四元催化器22的加载引起的废气背压增大超过确定的阈值SL时，可出现如更高的燃料消耗、功率损失和点火中断的效应。由此，颗粒过滤器14或四元催化器22必须周期性地或者根据负载进行再生。为了再生颗粒过滤器14或者四元催化器22，除了达到再生温度之外，需要在排气系统中存在剩余氧气，以氧化留在颗粒过滤器14或四元催化器22中的炭黑颗粒。通过内燃机10的过量化学计算的运行，为三元催化器16和四元催化器22赋予其用于氮氧化物的转化性能，因为不再存在用于将氮氧化物还原成元素氮的还原介质。
为了避免内燃机10的过量化学计算的运行以及与此相关的氮氧化物排放增加，设置成，通过在关停内燃机10时首先关停到内燃机10的燃烧室24中的燃料喷射并且利用内燃机10的剩余转速直至停止以便将富氧的新鲜空气输送到排气系统12中，将用于再生颗粒过滤器14或四元催化器22所需的氧气输送到排气系统中。
在图3中示出了发动机图，根据该发动机图解释用于内燃机10的废气后处理的根据本发明的方法。在此，示出了在时间t上的内燃机的发动机转速n。在该方法的第一阶段I中检查，内燃机10的转速n是否在用于转速n的阈值S1之上。如果转速n在阈值S1之下，尤其地在通常的怠速转速nl时，首先将内燃机的转速n增大到在阈值S1之上的转速n上，尤其地至少1100U/min的转速、尤其优选地至少1200U/min的转速上。如果内燃机10的转速n在阈值S1之上，则不采取附加的措施。在第二方法步骤中，在时刻T1关停到内燃机10的燃烧室34中的燃料喷射并且停止点火。由此，内燃机10的转速n从运行转速下降到0，从而内燃机10停止。在关停期间，内燃机通过其惯性将新鲜空气输送到排气通道20中直至停止。在此，暂时地在第二阶段II中在排气系统12中出现氧气过量λ＞＞1，从而氧化留在颗粒过滤器14中或在四元催化器22中的炭黑并且以二氧化碳(CO2)的形式从颗粒过滤器14或四元催化器22中排出。一直进行炭黑的排出，直至存在为了氧化炭黑所需的条件。在此，在图3中在时间t上示出了从颗粒过滤器14或四元催化器22中排出的颗粒质量Ppm。如果内燃机10静止，则不再将另外的新鲜空气输送到排气通道20中，从而颗粒过滤器14或四元催化器22的再生停止。由此，所提出的方法还以防在颗粒过滤器14或四元催化器22上不受控的炭黑燃烧，因为用于氧化炭黑的氧气过量总是仅仅在几秒的非常有限的时间段上可供使用。如果在内燃机10停止之后重新起动内燃机10，则出现颗粒过滤器14或四元催化器22重新被炭黑颗粒加载，其中，通过计算模型获取到颗粒过滤器14或四元催化器22中的炭黑引入。

Claims (13)

1.一种用于内燃机(10)的废气后处理的方法，在所述内燃机的排气系统(12)中布置颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)，所述方法包括以下步骤：
- 在正常运行中利用化学计算的空燃比使所述内燃机(10)运行，其中，在燃烧时产生的炭黑颗粒通过所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)留在所述排气系统(12)中，
- 通过计算模型获取到所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)中的颗粒引入，
- 将所述内燃机(10)的关停要求传输到所述内燃机(10)的控制器(24)处，
- 关停到所述内燃机(10)的燃烧室(34)中的燃料喷射，其中，当所述内燃机(10)的发动机转速(n)在阈值(S1)之上时，关停所述燃料喷射，
- 通过在关停燃料喷射之后所述内燃机(10)的惯性运行时输送到所述排气系统(12)中的剩余氧气来再生所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)，其中，
- 通过计算模型获取从所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)中的炭黑排出。
2.根据权利要求1所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，当所述内燃机(10)在关停要求的时刻处于怠速运转时，在关停之前使所述内燃机(10)的转速(n)增大到在所述阈值(S1)之上的转速(nA)上。
3.根据权利要求1或2所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，所述转速(n)的阈值(S1)在所述内燃机(10)的通常的怠速运转转速(nl)之上。
4.根据权利要求3所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，所述阈值(S1)在1100U/min至1800U/min的范围中。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，仅仅当所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)的温度(TPF)或所述废气温度(TEG)位于阈值温度(ST)之上时，才关停到所述内燃机(10)的燃烧室(34)中的燃料喷射。
6.根据权利要求5所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，所述阈值温度(ST)在550℃至700℃的范围中。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，在所述内燃机(10)的关停要求时，完全打开在所述内燃机(10)的进气通道(38)中的节流阀(36)。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，通过所述内燃机(10)的起动停止系统(40)触发所述内燃机(10)的关停信号。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，当所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)的负载在用于颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)的负载的阈值(SL)之上时，开始所述方法。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的用于内燃机(10)的废气后处理的方法，其特征在于，在识别了所述内燃机(10)的立即关停要求的情况下提高所述废气温度(TEG)。
11.一种用于内燃机(10)的废气后处理的装置，所述装置具有排气系统(12)，在所述排气系统(12)中布置颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)；且具有带有可机读的程序码的控制器(24)，所述控制器在实施程序码时设定成用于进行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
12.根据权利要求11所述的用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其特征在于，所述颗粒过滤器(14)或四元催化器(22)作为废气后处理的第一组件布置在发动机附近。
13.根据权利要求11或12所述的用于内燃机(10)的废气后处理的装置，其特征在于，所述内燃机(10)关联有起动停止系统(40)。
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