CN109072744B - 用于在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在操作期间在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法，其中，为了开始再生阶段，将测得的排气温度升高到高于解吸开始温度的温度值。同时，借助于静电颗粒质量传感器（ePM‑S）来监测颗粒过滤器下游的排气流中所包含的颗粒质量，并生成颗粒质量实际值。如果颗粒质量实际值超过预定的颗粒质量阈值，高于该阈值预期白烟形成，则将排气温度设定到解吸温度以用于释放颗粒过滤器中储存的硫化合物，直到颗粒质量阈值下降。一旦颗粒质量阈值下降，则排气温度被设定到再生温度以用于在预定的时间段内烧尽颗粒过滤器的颗粒负载，并且随后凭借排气温度下降到正常操作水平结束来再生阶段。

Description

用于在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在操作期间在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法，其中，当执行该方法时，检测排气流中的硫化合物的释放，并且以依赖于此的方式，执行该方法以避免形成白烟。

背景技术

为了能够遵守关于保持清洁空气的法律规定，用内燃机运行的现代机动车辆通常配备有排气净化系统。所述系统具有例如所谓的氧化催化转化器，并且特别是在柴油燃烧发动机中，还具有用于吸收排气中的烟灰颗粒的颗粒过滤器。

为了防止颗粒过滤器堵塞，必须在颗粒过滤器的对应负载的情况下实现再生过程，在该过程中，颗粒过滤器中已积聚的颗粒通常由于排气温度相应升高到500℃至700℃之间的温度而在颗粒过滤器中燃烧。在这种情况下，温度的升高通过内燃机的操作参数的有针对性的变化来实现。

如例如在DE 10 2011 014 718 A1以及US 2010 01 07 737中所述，含硫化合物在颗粒过滤器中以及如果合适的话也在氧化催化转化器中的积聚同时发生，特别是在用具有增加的硫含量的燃料运行相应的内燃机期间。在颗粒过滤器的再生阶段，积聚的硫化合物的快速释放（积聚的硫化合物与存在于排气中的蒸汽一起可形成硫酸），然后由于排气温度大大增加而发生。由于排气流在通过排气系统的路径上再次冷却到低于酸露点的温度，形成了可见为浓白烟、所谓的“白烟”的气溶胶。

此外，文献DE 102011014718 B4公开了一种用于避免白烟的方法。因此，解吸作用，即硫化合物的释放在300℃至500℃、优选地400℃至450℃的温度范围内实现。在以这种方式增加的这些排气温度下，硫化合物的解吸可以在更长的时间段内，例如直到10分钟。因此，排气中气溶胶的浓度保持很低，以至于不会感觉到白烟。在每种情况下，这样受控的解吸在颗粒过滤器的再生之前执行。用于颗粒过滤器再生的排气温度的进一步增加仅在后来实现。然而，在该方法中，硫化合物的解吸必须在颗粒过滤器的每次再生之前的最大时间段内执行，这是由于具有硫化合物的颗粒过滤器的负载大小是未知的。即使在用具有低硫含量的燃料运行内燃机期间，这也导致燃料消耗增加。在这种情况下，不必执行上述方法。

例如，试图通过文献DE 10 2009 058 107 A1中公开的主题解决所述问题。这里，借助于确定装置确定颗粒过滤器的温度是否降到预定阈值、例如340℃的温度以下。由于硫酸（作为含硫化合物的示例）仅在高于约340℃的温度下分解，在降到所述温度阈值以下的情况下，假定含硫化合物在颗粒过滤器中积聚。

颗粒过滤器中的含硫化合物的积聚量基于喷射到内燃机中的燃料量和基于特定国家的针对燃料的硫含量的预定的值来确定。这里，一旦颗粒过滤器中的温度下降到阈值以下，就会累积在颗粒过滤器中积聚的含硫化合物的量。随着达到预定阈值，然后通过将排气温度增加到约350℃的值来开始解吸。在解吸期间，通过计算装置来减少先前积聚的硫的量，并且一旦计算确定的硫的量达到零值使解吸结束，或者借助于传感器确定硫化合物不再出现在排气中。在该方法中，假定燃料的硫含量在特定国家的基础上已知。此外提出，如果提供用于检测排气中的硫化合物的传感器，则可以基于传感器数据推断出燃料中的不同硫浓度，并且修正对应的预设值。

由于对硫含量的不精确了解以及可能影响硫的积聚和解吸的其他变量，该方法似乎是不精确的并且容易出错。一种用于检测燃料中的硫含量的另外硫传感器可以纠正这种情况，在此传感器的基础上，可以更准确地确定颗粒过滤器的负载，并且可以更有针对性地执行解吸。然而，这种传感器在许多应用情况下太昂贵，并因此不能使用。

发明内容

因此，本发明的目的在于具体说明一种方法，该方法允许在不需要增加排气后处理系统的复杂性并从而无需增加其成本的情况下，更有针对性地并且仅在必要时和只有必要时在颗粒过滤器中执行硫化合物的解吸，同时避免形成白烟。

所述目的通过用于再生具有一种按照本申请所述的特征的颗粒过滤器的方法来实现。

根据本发明，用于在操作期间在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法具有以下步骤。

首先，为了开始再生阶段，测得的排气温度从正常操作水平（对应于内燃机的预期正常操作期间的排气温度）增加到高于解吸开始温度的温度值。解吸开始温度表示一温度值，高于该温度值，则开始颗粒过滤器中积聚的硫化合物的释放，并且例如为至少300℃，其中也可以选择直到400℃的温度以便以对应的确定度开始解吸。

同时，借助于布置在颗粒过滤器下游的排气流中的静电颗粒质量传感器（ePM-S）来监测包含在颗粒过滤器下游的排气流中的颗粒质量，并且生成取决于颗粒质量的颗粒质量实际值。在这种情况下，本发明利用了令人惊讶的发现，即此传感器以该传感器与其它颗粒（例如烟灰）反应相同的方式与在排气中输送的硫化合物反应。

将借助于静电颗粒质量传感器生成的颗粒质量实际值与预定的颗粒质量阈值进行比较，在该阈值之上可以预期白烟形成。例如，为此目的，将颗粒质量阈值与用于执行根据本发明的方法的控制程序一起存储在设置用于执行根据本发明的方法的电子处理单元中。

如果超过颗粒质量阈值，则将排气温度设定为解吸温度以用于释放在颗粒过滤器中积聚的硫化合物并保持在所述温度，直到颗粒质量实际值降至颗粒质量阈值以下。在这里，选择解吸温度使得可以发生“温和”解吸，在此期间，颗粒过滤器中积聚的硫化合物以每单位排气体积的量逐渐释放，在该量处确保不出现白烟。

如果降到颗粒质量阈值以下，例如如果颗粒过滤器中的硫含量已经通过解吸大大减少或者在该方法开始时已经相应地低，则排气温度被设定为用于烧尽颗粒过滤器的颗粒负载的再生温度，并在预定的时间段内将其保持在所述温度下。在这种情况下选择再生温度使得确保颗粒过滤器的可靠且快速的“自由燃烧”，这优选地在550℃和750℃之间的温度范围内进行。该时间段同样是预定义的，例如使得在预定的排气温度下，该时间段足以在所有情况下例如借助于已知方法烧尽已确定的或估算的颗粒负载。

在经过预定时间段之后，通过排气温度降低到正常操作水平来结束再生阶段。

根据本发明的方法允许在操作期间以节能且快速的方式执行内燃机的颗粒过滤器的再生，而不产生与燃料的硫含量无关的白烟。特别地，有利的是，沉积在颗粒过滤器中的硫化合物的解吸能够在频率和持续时间方面以需求导向的方式执行，以避免白烟的发生。这不仅有助于缩短再生阶段，而且还避免了由于所需的排气温度升高而增加的燃料需求，特别是当使用具有低硫含量的燃料时。

可以单独使用，或者在不涉及相互排斥的替代方案的情况下彼此组合使用的有利的实施例和改进形成从属权利要求的主题。

在用于再生颗粒过滤器的方法的有利实施例中，为了开始再生阶段，将排气温度升高至解吸温度。这具有的优点在于，在所有情况下都避免了由于排气的初始过热并因此颗粒过滤器的过热而形成的白烟。

用于再生颗粒过滤器的方法的另一实施例的特征在于，为了开始再生阶段，将排气温度升高到再生温度。这样的优点在于，在颗粒过滤器初始加载较少的硫以及相关的不发生超出颗粒质量阈值的情况下，确保立即开始再生，也就是颗粒负载的烧尽。

有利地，在用于再生颗粒过滤器的方法的实施方式中，解吸温度处于300℃至500℃的温度范围内，优选地在400℃至450℃之间的范围内。这确保了积聚在颗粒过滤器中的硫的解吸的可靠开始和“温和”执行，而在该过程中不会形成白烟。

在另一有利的方式中，在用于再生颗粒过滤器的方法的实施方式中，再生温度处于550℃至750℃的温度范围内，优选地在600℃至700℃之间的范围内。这确保了积聚在颗粒过滤器中的颗粒负载的烧尽的可靠开始和快速执行。

在用于再生颗粒过滤器的方法改进中，如果超过颗粒质量阈值，也就是说如果确定具有硫化合物的颗粒过滤器的相关负载，则排气温度以取决于由静电颗粒质量传感器测量的颗粒质量实际值的方式调节，使得颗粒质量实际值保持低于颗粒质量阈值但高于颗粒质量下限值，这确保不形成白烟。在这里，颗粒质量下限值小于颗粒质量阈值，从而首先将颗粒质量实际值调节至颗粒质量极限值和颗粒质量阈值之间的值。优选地，将颗粒质量实际值调节到位于由颗粒质量阈值和颗粒质量极限值跨越的范围的上三分之一的值。这具有的优点在于：解吸率接近白烟形成的极限，并因此可以缩短解吸的持续时间。同时，在这种情况下应当指出，预定为操纵变量的解吸温度在允许的解吸温度范围内变化。在这种情况下，如果降至颗粒质量下限值以下，而不管最大解吸温度（通常约为500℃），则继续再生颗粒过滤器的方法是可能的。

在用于再生颗粒过滤器的方法的实施方式中，有利地可以借助于电子发动机控制单元通过适当设定内燃机的操作参数以取决于测得的排气温度并且取决于颗粒质量实际值的方式来设定或调节排气温度。电子发动机控制单元可以例如为发动机控制器的中央处理单元（CPU），其执行或控制或调节用于操作内燃机的所有重要功能。此外，内燃机的操作参数由该CPU以负载相关或工作点相关的方式设定、控制或调节。影响排气温度并因此可用于设定、控制或调节排气温度的操作参数例如为燃料喷射的量和时间、供应的新鲜空气质量流和点火时间，其可以单独地或组合地相应地变化。

在另一个有利的方式中，为了实现用于颗粒过滤器的再生的方法，使用静电颗粒质量传感器（ePM-S），该静电颗粒质量传感器具有彼此间隔开并形成电场的电极。一部分排气流通过电极之间的电场传导，所述流载有颗粒和硫化合物，其中来自颗粒和硫化合物的电荷在电极之间传输，这可以作为电信号测量，该电信号与排气流的颗粒质量和硫含量成比例。这里，优点在于可以使用静电颗粒传感器来监测用于检测排气流中的硫含量的过滤功能，该传感器可以在任何情况下设置在排气系统中，并且因此没有产生额外费用。此静电颗粒质量传感器的功能例如从文献US 8,713,991 B2中已知。令人惊讶的是，在这种情况下，此传感器也与排气流中的硫化合物反应，其方式几乎与它与其他颗粒（例如烟灰）反应的方式相同。

根据本发明的主题的实施例的特征和特征的组合（这些实施例在以上说明书中或下面的附图说明中详细说明），在它们不可替代地使用或不相互排斥的范围内，就可以在不脱离本发明的范围的情况下，在根据本发明的主题的改进中，就可以单独地、部分地或者完全地相互组合使用或相互补充。

附图说明

下面，将基于附图更详细地讨论本发明的特别有利的示例性实施例、细节或改进，即使本发明的主题不限于这些示例。

在附图中：

图1示出了用于执行根据本发明的方法的包括内燃机的排气系统的结构的简化示意图，

图2示出了用于说明根据本发明的方法的重要方法步骤的流程图，

图3示出了静电颗粒质量传感器（ePM-S）的简化示意剖视图。

具体实施方式

在整个附图中，相同功能和名称的项目由相同的附图标记表示。

图1示出了用于执行根据本发明的方法的排气系统的基本结构，包括内燃机1。内燃机通常为柴油发动机，但也可以为火花点火发动机或用气体运行的内燃机。内燃机1的排气流经由排气歧管2排放到排气管3中。沿排气流的流方向（由箭头示出）一个接一个地布置在排气管3中的首先是氧化催化转化器4，并且然后是颗粒过滤器5。通常，颗粒过滤器5将是与柴油发动机结合的烟灰颗粒过滤器。然而，在更严格的排气法规的框架内，在上述进一步的内燃机变型的情况下，使用颗粒过滤器的重要性也在增加，并且因此，根据本发明的方法也不限制与柴油发动机结合应用。为了测量排气温度的目的，在颗粒过滤器5上设置温度传感器6，并且在颗粒过滤器5下游的排气管中，在排气流中设置静电颗粒质量传感器（ePM-S）。温度传感器6和ePM-S均经由电信号线8连接到电子发动机控制单元（CPU）9，以用于传送对应的传感器信号的目的。电子发动机控制单元9又连接到内燃机1，以用于内燃机的负载相关或操作点相关的控制的目的。这通过预设操作参数和对应功能单元（诸如例如节流阀、喷射阀、高压燃料泵、排气再循环阀等）的对应致动来实现。这种电子发动机控制单元为现代内燃机系统的常规组成部分，并且也称为“中央处理单元”（CPU）。借助于CPU和存储在那里的对应程序序列，也可以实现根据本发明的方法。

所示的布置为高度简化的并且仅示出了基本部件。为清楚起见，这里未示出另外的部件，诸如例如涡轮增压器、排气再循环系统、还原剂喷射器和消音器等，其同样可以为这样的系统的一部分。

图2示出了用于说明根据本发明的方法的重要方法步骤的流程图。

在第一方法步骤11中，为了开始再生阶段的目的，借助于ePM-S测得的排气温度（Ag_T）从正常操作水平增加到高于解吸开始温度（Ds_St_T）的温度值（Ag_T>Ds_St_T）。这例如借助于由电子发动机控制单元的内燃机的操作参数的对应设置来实现。解吸开始温度为这样的温度，即，高于该温度，解吸（即颗粒过滤器中积聚的硫化合物的释放）就开始，并且在所有情况下该温度都高于300℃。在这里，首先可以将温度增加到300℃至500℃之间的解吸温度范围内的温度，或者增加至550℃至750℃之间的再生温度范围内的温度，以待致动。

同时，或者在下一个方法步骤11中，借助于布置在颗粒过滤器的下游的排气流中的静电颗粒质量传感器（ePM-S）来开始监测颗粒过滤器下游的排气流中所包含的颗粒质量，所述传感器生成颗粒质量实际值（PM_Iw），该值取决于颗粒质量并将其作为电信号提供给例如CPU或与其单独设置的处理单元。

在另一方法步骤12中，然后将由ePM-S生成的颗粒质量实际值（PM_Iw）与预定的颗粒质量阈值（PM_Sw）进行比较，在该值之上可以预期形成白烟。

在下一个方法步骤13中，根据从方法步骤12的比较结果实现方法序列的分支。

如果颗粒质量实际值（PM_Iw）大于预定颗粒质量阈值（PM_Sw），也就是说PM_Iw超过PM_Sw，则朝向方法步骤14实现所述分支，在该步骤中，排气温度（PM_Iw）被设定为用于释放颗粒过滤器中积聚的硫化合物的解吸温度（Ds_T）。通过方法步骤12、13和14的重复通过，解吸温度（Ds_T）保持设定直到PM_Iw下降到PM_Sw以下。

作为上述方法步骤14中的过程的替代方案，可以以取决于由静电颗粒质量传感器（ePM_S）测量的颗粒质量实际值（PM_Iw）的方式调节排气温度（Ag_T），使得颗粒质量实际值（PM_Iw）保持低于颗粒质量阈值（PM_Sw）但高于颗粒质量下限值（PM_Gw），这确保不会形成白烟。

该替代的“解吸调节”在图2中通过方法步骤11和14之间的虚线连接以及在方法步骤14中的括号中添加的附加条件PM_Gw<PM-Iw<PM_Sw来示出。

优选地，将颗粒质量实际值调节到位于由颗粒质量阈值和颗粒质量限制值跨越的范围的上三分之一的值，即接近颗粒质量阈值。这具有的优点在于：解吸率接近白烟形成的极限，并因此可以缩短解吸的持续时间。

如果方法步骤12中的比较显示PM-Iw下降到低于或不超过PM_Sw，则这表明颗粒过滤器不再有任何显着的含硫化合物负载（或者在所述方法开始时已经没有这样的负载），并且可以实现颗粒过滤器的实际再生。因此实现了朝向方法步骤15的分支，其中排气温度（Ag_T）被设定为用于在预定的时间段内燃尽颗粒过滤器的颗粒负载的再生温度（Rg_T）。在这里，预确定时间段使得完全除去颗粒过滤器的颗粒负载。

在经过预定时间段之后，在方法步骤16中，再生阶段然后通过排气温度（Ag_T）降低到正常操作水平。

在图3中，可以看到静电颗粒质量传感器7（ePM-S）的简化示意剖视图。ePM-S 7在传感器壳体71中具有电极72，电极72彼此间隔开并形成电场。载有颗粒和硫化合物的排气流AGS（由箭头所示）的一部分通过电极72之间的所述电场传导。在该过程中，电荷在电极72之间传输，这可以作为电信号来测量，该电信号与排气流AGS的颗粒质量和硫含量成比例。

Claims (8)

1.一种用于在操作期间在内燃机的排气系统中再生颗粒过滤器的方法，所述方法具有以下步骤：

- 为了开始再生阶段的目的，将测得的排气温度从正常操作水平增加到高于解吸开始温度的温度值，高于所述温度值，开始所述颗粒过滤器中积聚的硫化合物的释放，

- 借助于布置在所述颗粒过滤器下游的排气流中的静电颗粒质量传感器（ePM-S）来监测包含在所述颗粒过滤器下游的所述排气流中的颗粒质量，并且生成取决于所述颗粒质量的颗粒质量实际值，

- 将所述生成的颗粒质量实际值与预定义的颗粒质量阈值进行比较，高于所述颗粒质量阈值可以预期白烟形成，

- 如果超过所述颗粒质量阈值，则将所述排气温度设定到解吸温度以用于释放所述颗粒过滤器中积聚的硫化合物，直到所述颗粒质量实际值低于所述颗粒质量阈值，

- 如果降至所述颗粒质量阈值以下，则将所述排气温度设定到再生温度，以用于在预定的时间段内烧尽所述颗粒过滤器的颗粒负载，

- 在经过所述预定时间段之后，通过将所述排气温度降低到正常操作水平来结束所述再生阶段。

2.根据权利要求1所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，为了开始所述再生阶段，将所述排气温度升高到所述解吸温度。

3.根据权利要求1所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，为了开始所述再生阶段，将所述排气温度升高到所述再生温度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，所述解吸温度处于300℃至500℃的温度范围内。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，所述再生温度处于550℃至750℃的温度范围内。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，如果超过所述颗粒质量阈值，则以取决于所述颗粒质量实际值的方式调节所述排气温度，使得所述颗粒质量实际值保持低于所述颗粒质量阈值但高于颗粒质量下限值，这确保实现所述解吸但不形成白烟。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，通过以取决于测得的排气温度并且取决于所述颗粒质量实际值的方式适当设定所述内燃机的操作参数，借助于电子发动机控制单元设定或调节所述排气温度。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的再生颗粒过滤器的方法，其特征在于，所述静电颗粒质量传感器（ePM-S）具有电极，所述电极彼此间隔开并通过所述电极形成电场，所述排气流的一部分通过所述电场传导，所述排气流载有颗粒和硫化合物，其中，电荷在所述电极之间传递，这可以作为电信号进行测量，所述电信号与所述排气流的所述颗粒质量和硫含量成比例。

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