CN110869597B - 机动车内燃机操作方法和颗粒过滤器在机动车排气设备中的布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车内燃机操作方法，其中内燃机排气被供给机动车的颗粒过滤器。在机动车滑行模式中，当颗粒过滤器内的排气温度高于预定的温度阈值时，阻止对内燃机的燃料供应的暂时中断，直到达到该颗粒过滤器的预定的过滤率(14)。本发明还涉及一种颗粒过滤器在机动车排气设备中的布置。

Description

机动车内燃机操作方法和颗粒过滤器在机动车排气设备中的 布置

本发明涉及一种机动车内燃机操作方法，在此，内燃机排气被供给机动车的颗粒过滤器。本发明还涉及一种颗粒过滤器在机动车排气设备中的布置。

DE 10 2014 006 692 A1描述了一种在根据压燃点火原理工作的机动车内燃机中的颗粒过滤器的再生策略。在此情况下，至少三个不同的再生策略被检查，并且挑选其中一个再生策略。再生策略包含滑行停喷(Schubabschaltung)。在此情况下，在机动车滑行阶段期间中断喷入以便在颗粒过滤器中有足以执行燃烧的氧。其前提是在颗粒过滤器内也存在足以让截留在颗粒过滤器中的炭黑/烟灰燃烧的温度。在滑行阶段中的颗粒过滤器再生导致颗粒过滤器的过滤率降低。

在内燃机运行中或在机动车运行中过滤率、即颗粒过滤器将给定比例的排气所含颗粒数量截留在颗粒过滤器中的能力升高。这一方面取决于颗粒过滤器装载/承载/容纳排气所含灰烬尤其是油灰。油灰是内燃机润滑所用机油所含的无机成分。但是，过滤率升高的作用也通过颗粒过滤器额外装载有炭黑颗粒而被加强。但是，不同于灰烬成分，位于颗粒过滤器上的炭黑成分可以在颗粒过滤器的再生期间被氧化。炭黑沉积在颗粒过滤器上所造成的过滤率增大因此是可逆的。

本发明的任务是提供前言所述类型的方法和布置，借此可以获得更高的颗粒过滤器过滤能力。

该任务通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求10的特征的布置来完成。在从属权利要求中说明了具有合适的本发明改进方案的有利设计。

在根据本发明的机动车内燃机操作方法中，内燃机排气被供给机动车的颗粒过滤器。在机动车滑行模式中阻止对内燃机燃料供应的暂时中断，直到达到颗粒过滤器的预定的过滤率。这种阻止在颗粒过滤器中的排气温度高于预定的温度阈值时进行。利用所述方法做到了如此提高颗粒过滤器的过滤率，即在颗粒过滤器上保持因内燃机运行而不可避免的颗粒排放。这是如此完成的：在机动车滑行模式中对内燃机的燃料供应的暂时中断被阻止，即滑行停喷被阻止。此时，当颗粒过滤器内的排气温度高于预定的阈值时，则不会采取滑行停喷。

因此，过通过有目的地避免(否则会以滑行停喷形式发生的)过滤器再生来获得滤率的提高以及进而过滤能力的提高。这基于以下认识：只有当排气或颗粒过滤器具有足够高的温度使得被颗粒过滤器截留的炭黑颗粒会被氧化时，颗粒过滤器的再生才会发生。

在滑行停喷中，通过被行进中的车辆质量牵引的内燃发动机或内燃机将大量含氧的排气供给颗粒过滤器。如果随后同时存在颗粒过滤器的高温，则这导致炭黑颗粒的燃烧。但在这里，当颗粒过滤器具有高于预定阈值的构件温度时，避免了给颗粒过滤器提供大量含氧的排气。因此，在颗粒过滤器上保持获得炭黑加载，直到达到颗粒过滤器的期望的或预定的过滤率。因此，该方法带来了在运行中颗粒过滤器的过滤效率提升的优点。

但是，沉积在颗粒过滤器上的灰烬、尤其是油灰的占比连续增大。因此，随着颗粒过滤器的工作时间增加或运行时间增加，颗粒过滤器上的占比越来越多的炭黑物质会被氧化，而没有出现颗粒过滤器的过滤率不理想地显著降低。

原则上可以想到，为了提高颗粒过滤器的过滤率而如此设计颗粒过滤器，它具有很低的壁多孔性。但伴随透气性的这种降低而来的是设置有颗粒过滤器的排气设备的反压的增高。但在这里可以获得过滤效率提升的优点而没有因颗粒过滤器的设计所引起的排气设备的反压基本升高的缺点。因此可以采用这样的颗粒过滤器，它在崭新状态下具有比较高的透气性。但还是可以在运行时间开始后较快地获得高的过滤率。

总体而言，就排气设备的尽量低的反压而言有利的是保持尽量低的颗粒过滤器的炭黑装载/承载量/容纳量。但是，为了提高颗粒过滤器的尤其与颗粒数量有关的/基于颗粒数量的过滤率而有意义的是，尤其在构件寿命的初始阶段内，即在颗粒过滤器使用寿命开始时，在颗粒过滤器上获得可能的炭黑装载。

因此，尤其是在这里在要求滑行停喷、即要求在机动车滑行模式中对内燃机的燃料供应的暂时中断的情况下评估颗粒过滤器的当前温度。如果温度过高，则滑行停喷被阻止，取而代之，在机动车滑行模式中燃料被送入内燃机的各个气缸的燃烧室。

燃料供应的中断可以被如此阻止，即该内燃机以燃烧过量空气系数运行，在该燃烧过量空气系数情况下存在空气不足。利用这种λ<1的燃烧过量空气系数，可以很可靠地避免颗粒过滤器如此接受含氧排气，即在颗粒过滤器上出现炭黑的氧化。

或者，燃料供应的中断可被如此禁止，该内燃机以按化学计算的燃烧过量空气系数(λ＝1)运行。因此，也可以明显基本避免给颗粒过滤器供应含氧排气。另外，因此可以保持很少的机动车排放。

优选将至少475℃的值用作预定的温度阈值。其基于以下认识，在颗粒过滤器内的温度达到475℃之前，即便在颗粒过滤器接受含氧排气的情况下，颗粒过滤器内的炭黑也几乎不出现明显的燃烧。

尤其可将至少500℃的值用作预定的温度阈值。因为即便在颗粒过滤器温度低于500℃的情况下，最多出现颗粒过滤器中的炭黑颗粒因为颗粒过滤器接受含氧排气而轻微且因而可容忍的燃烧。但是，伴随至少500℃的温度阈值的使用而来的是很低的内燃机燃耗。因为可以更频繁地采取滑行停喷。

作为预定的颗粒过滤器过滤率，优选采用基于颗粒数量的至少90％的过滤率。

当作为颗粒过滤器的预定过滤率采用基于颗粒数量的约95％的过滤率时，可获得更高的过滤效率。随之而来的是燃耗更多。但因此也可在就颗粒排放而言不利的内燃机情况下尤其在真实行驶条件下更容易遵守极限值。

优选依据颗粒过滤器对灰烬和炭黑的装载来确定该过滤率。因为可以简单确定颗粒过滤器对灰烬和炭黑的装载，并且从所述装载可以简单推导出过滤率。例如可以在检测台根据针对各个颗粒过滤器的灰烬和炭黑的装载来确定出该过滤率。可以通过称重来确定颗粒过滤器的装载，并且可以通过测量在颗粒过滤器上游的和在颗粒过滤器下游的排气中的颗粒数量来确定过滤率。因此，可以简单建立在颗粒过滤器的相应的对灰烬和炭黑的装载与过滤率之间的关系。

优选地，考虑用该颗粒过滤器上的压差和排气体积流来确定颗粒过滤器的炭黑装载。可以简单获知压差、即在颗粒过滤器上游和在颗粒过滤器下游的排气压力之差。另一方面，可以容易地从排气质量流和气体密度或颗粒过滤器内的排气温度中确定排气体积流。可以通过测量技术来获知和/或依据模型来求出相应的参数比如像排气质量流和排气温度。与此相应，可以通过这种方式很简单地确定颗粒过滤器的炭黑装载。

在确定压差时最好考虑由尚未加载的颗粒过滤器的阻力造成的压差或压降的占比，以获得因颗粒过滤器对炭黑和灰烬的装载而造成的压力增高。尤其可借助模型依据内燃机燃耗和内燃机工作小时来累进获知归结于灰烬的装载占比。于是炭黑占比是相对于整个装载的剩余占比。

优选采用以下过滤器作为颗粒过滤器，其在崭新状态中具有基于颗粒数量的约70％的过滤率。即便颗粒过滤器中出现提高过滤率的灰烬沉积之后，这样的颗粒过滤器还是在颗粒过滤器的整个寿命期的很长期间内保持较低的由颗粒过滤器造成的排气设备的反压。

尤其是，内燃机以压燃点火式发动机的形式工作，而颗粒过滤器以压燃点火式颗粒过滤器的形式工作。因为尤其在压燃点火式颗粒过滤器情况下可以容易通过滑行停喷实现再生。因为在这里这种滑行停喷在颗粒过滤器的使用寿命开始时(即在达到预定过滤率之前)被阻止，故该方法在作为压燃点火式发动机工作的内燃机和作为压燃点火式颗粒过滤器工作的颗粒过滤器中是特别有利的。

在根据本发明的颗粒过滤器在机动车排气设备中的布置中，颗粒过滤器可接受机动车内燃机的排气。该布置包括控制装置，其设计用于：在机动车滑行模式中阻止对内燃机的燃料供应的暂时中断，直到达到该颗粒过滤器的预定的过滤率。该控制装置在此情况下被设计用于在颗粒过滤器内的排气温度高于预定的温度阈值时阻止燃料供应的中断。与此相应，该控制装置设计用于执行本发明的方法。借助所述布置，可以获得更高的颗粒过滤器过滤能力。

针对本发明方法所描述的优点和优选实施方式也适用于本发明的布置，反之亦然。

从以下对优选实施例的说明中以及结合附图得到本发明的其它优点、特征和细节。在之前说明中提到的特征和特征组合以及随后在附图说明中提到的和/或如图单独示出的特征和特征组合不仅可在各自所说明的组合中、也可在其它组合中或本身单独地使用，而没有超出本发明范围，其中：

图1示出曲线图，在此示出了颗粒过滤器在其工作时间开始时的不同工作方式，其中示出了两次再生对其中一个颗粒过滤器的过滤率的影响；

图2示出曲线图，在此示出了颗粒过滤器在其工作时间开始时的不同工作方式，其中示出了三次再生对其中一个颗粒过滤器的过滤率的影响；

图3举例示出与配备有颗粒过滤器的机动车的以公里计的行驶里程相关的颗粒过滤器的过滤率。

在图1中，在曲线图10的时间轴12上绘制出颗粒过滤器的使用寿命。颗粒过滤器最好是压燃点火式颗粒过滤器，即接受呈压燃点火式发动机形式的机动车内燃机的排气的颗粒过滤器。在曲线图10中在纵坐标上以％为单位说明了颗粒过滤器的过滤率14。过滤率14在此与借助设于机动车排气设备内的颗粒过滤器自内燃机排气中过滤出的颗粒数量相关。

在曲线图10中，第一曲线16表明在具有最初较高的透气性或壁多孔性的颗粒过滤器中的过滤率14的增大。可以看到，随着颗粒过滤器的使用寿命流逝，过滤率14首先比较剧烈且随后逐步缓慢地增大。根据曲线16的过滤率14增大由颗粒过滤器含排气所含油灰的装载决定。另一曲线18表示针对具有较低的透气性或较低的壁多孔性的颗粒过滤器的情况。与此相应，在此颗粒过滤器中的初始过滤率14已经高于由曲线16表示的颗粒过滤器中的情况。

颗粒过滤器的过滤率14也通过颗粒过滤器附加加载炭黑颗粒而被增强。但不同于灰烬成分，位于颗粒过滤器上的炭黑成分可以在再生期间被氧化。这在图1中由另一曲线20表示。因此，因装载炭黑颗粒，过滤率14首先剧烈增大。但在第一再生阶段t₁中发生颗粒过滤器的再生，其在这里由滑行停喷造成。在滑行停喷情况下，在配备有颗粒过滤器的机动车的滑行模式中暂时或短暂地中断对内燃机的燃料供应。这在颗粒过滤器的温度高到足以实现炭黑氧化时进行。因此该颗粒过滤器在此高温下接受含氧排气并且出现炭黑燃烧。这可以通过在第一再生阶段t₁中的曲线20的降低22而体现。在过滤率14再次提高之后，在第二再生阶段t₂出现曲线20的再次降低24。

依据如图1中的曲线图10所示的另一曲线26，应该说明如下方法，在这里，在颗粒过滤器的使用寿命开始时放弃借助滑行停喷的再生。借助该方法，因此可以在构件寿命开始时提高压燃点火式颗粒过滤器的过滤率14。

在此情况下要考虑在颗粒过滤器上保持获得在内燃机工作中不可避免的颗粒排放。根据曲线20的借助滑行停喷的颗粒过滤器再生在高于温度阈值情况下发生。现在，在此方法中考虑只有当颗粒过滤器具有高于此温度阈值的温度时才避免像在滑行停喷情况下发生的那样对颗粒过滤器提供含氧排气。因此，曲线26示出了过滤率14持续增大。因为当颗粒过滤器的温度高至可在滑行停喷情况下出现炭黑燃烧之时没有因滑行停喷而发生颗粒过滤器再生。

因此，尤其在颗粒过滤器的使用寿命开始时在颗粒过滤器上获得全部炭黑物质。因为在颗粒过滤器上的油灰占比也连续增大，故随着构件或颗粒过滤器的使用寿命提高，颗粒过滤器上的占比更多的炭黑物质可被氧化。因此，曲线26示出了在如下颗粒过滤器中的逐渐增大的过滤率14，该颗粒过滤器在初始状态中的透气性对应于由曲线16表示的颗粒过滤器。但在这种过滤器中借助避免炭黑氧化进行干预，这种炭黑氧化在颗粒过滤器中根据曲线20由滑行停喷造成。

依据图2，应该在另一曲线图28中再次示出所述方法，其中在这里避免了总共三个具有被动炭黑氧化的再生阶段。在曲线图28中又示出了时间轴12以及绘制在纵坐标上的过滤率14。此外，曲线30再次示出了过滤率14在压燃点火式颗粒过滤器的使用寿命内增大，该过滤器在初始状态中具有较高的透气性。另一曲线32示出了具有较低透气性的压燃点火式颗粒过滤器在运行时间内的过滤率14。

两个颗粒过滤器的过滤率14在使用寿命内因为不可再生的油灰持续进入而增大。经过颗粒过滤器的整个使用寿命达到了约100％的过滤率14。但由曲线30表示的颗粒过滤器比由曲线32所示的在崭新状态中已具有较低的壁多孔性的过滤器更迟地达到例如所选的80％的过滤率。

但是，过滤率14的提高并不是只因为随着颗粒过滤器的运行时间增加而堆积无机油灰来出现。相反，颗粒过滤器所截留的炭黑物质也导致过滤率14的提高。这对于图2中的由曲线30表示的颗粒过滤器来说通过另一曲线34来示出。但如果在颗粒过滤器具有高于阈值的温度时不阻止在颗粒过滤器处获得可供使用的氧，则得到如下的曲线变化过程，其由曲线34表示。例如因为在三个各自再生阶段t₁、t₂、t₃内执行的炭黑氧化而出现过滤率14的相应的减小36、38、40，在所述再生阶段内该内燃机以惯性滑行方式工作。在过滤率14达到例如90％的值之前，相应持续较长的时间。

但通过按时间计划避免颗粒过滤器上的炭黑的氧化，可以做到在颗粒过滤器上保持获得炭黑。这通过曲线图28中的另一曲线42来表示。颗粒过滤器的再生只能在高于温度阈值时发生。在曲线42表示的颗粒过滤器工作方式的情况下，避免了对颗粒过滤器提供含氧排气。但这只适用于颗粒过滤器的温度高于温度阈值之时，超出阈值会造成有氧情况下的炭黑氧化。因此，在达到期望的过滤率14(例如过滤率14为90％)之前，在由曲线42表示的颗粒过滤器上保持获得自内燃机初次起动后所产生的全部炭黑物质。

为了获知颗粒过滤器对炭黑和灰烬的装载，例如可在颗粒过滤器上完成压差测量。另外，为了确定颗粒过滤器的装载最好考虑排气的体积流。

但是，在颗粒过滤器上的不可再生的油灰量连续增加。因此，可伴随构件使用寿命的提高在颗粒过滤器上释放出更多的炭黑含量以用于氧化。但因为通过前述方法避免了氧在颗粒过滤器上可供使用，故得到由曲线42表示的过滤率14变化过程。因而从某个运行时间起，由曲线42表示的颗粒过滤器例如获得了期望的或预定的90％的过滤率14。但由曲线42表示的颗粒过滤器没有由曲线32表示的颗粒过滤器的与排气反压相关的缺点。

因此在这里，在要求滑行停喷情况下评估颗粒过滤器的能被测定或可通过模型获得的当前温度。其它的输入参数是颗粒过滤器的炭黑装载(量)和灰烬装载(量)。如果颗粒过滤器的温度或者颗粒过滤器内的排气温度过高，即高于预定阈值，则避免滑行停喷并且内燃机最好以按化学计算的燃烧过量空气系数来运行。

不同于为了保护颗粒过滤器而在颗粒过滤器的炭黑过量情况下禁止滑行停喷的方法，在这里，颗粒过滤器对炭黑和灰烬的装载被考虑进来。这样做是为了防止颗粒过滤器对炭黑和灰烬的过低装载导致颗粒过滤器的过滤率14降低。自达到颗粒过滤器对灰烬的某个最低装载之时起，不再阻止炭黑氧化。

在这种情况下，在颗粒过滤器使用寿命开始时不采取对发动机燃烧的主动干预以进一步提高内燃机炭黑排放。但只要此时可做到遵守法定排放极限值，就可以规定这种燃烧的改变。由此可以做到使过滤率14更快速地达到期望水平。

因为颗粒过滤器装载有炭黑，故颗粒过滤器的过滤率14比较急速地升高。这应该结合图3被示出。

在图3中，在横轴44上绘制出配备有内燃机和颗粒过滤器的机动车的行驶里程(以公里计)。各柱状条46、48、50、52、54、56示出了在各自行驶里程下的过滤率14。与此相应地可以看到，大致在约50公里行驶里程后，或至少在约100公里的行驶里程后，颗粒过滤器载有如此多的炭黑，以致在此期间不再需要阻止滑行停喷。

例如在44公里行驶里程下，确定超过90％的过滤率14(柱状条52)，在55公里行驶里程下确定大致超过91％的过滤率14(柱状条54)。根据柱状条56，在设定情况下，过滤率14在超过14000公里行驶里程下为高于95％。但是，在0公里行驶里程下，过滤率14已经大致高于76％(柱状条46)。并且在33公里行驶里程下，颗粒过滤器的过滤率14已经大致超过89％(柱状条50)，而在22公里行驶里程下，颗粒过滤器的过滤率14大致超过86％(柱状条48)。

颗粒过滤器的过滤效率的提升在于炭黑装载和灰烬装载的组合。但是，因灰烬进入颗粒过滤器、尤其是压燃点火式颗粒过滤器而导致的过滤效率的提升是长期作用，在100公里后无法观察到。随着颗粒过滤器、尤其是压燃点火式颗粒过滤器的运行时间提高而增大的过滤效率带来了自具有颗粒过滤器的机动车排气设备流出的排气所含每公里颗粒数量的下降。因此，压燃点火式颗粒过滤器的过滤效率尤其在大约首30000公里行驶里程中比较快速地增大，并且在50000公里时约为100％。同时，在大约首30000公里内的每公里颗粒数量下降超过一个数量级。

附图标记列表

10 曲线图

12 时间轴

14 过滤率

16 曲线

18 曲线

20 曲线

22 降低

24 降低

26 曲线

28 曲线图

30 曲线

32 曲线

34 曲线

36 减小

38 减小

40 减小

42 曲线

44 横轴

46 柱状条

48 柱状条

50 柱状条

52 柱状条

54 柱状条

56 柱状条

Claims (8)

1.一种机动车内燃机操作方法，包括以下步骤：

将排气从内燃机供给至机动车的颗粒过滤器，

通过对颗粒过滤器称重来确定颗粒过滤器的灰烬和炭黑的装载，

通过测量在颗粒过滤器上游的和在颗粒过滤器下游的排气中的颗粒数量来确定过滤率；

建立在颗粒过滤器的对灰烬和炭黑的装载与过滤率之间的关系；

在机动车滑行模式中，当该颗粒过滤器内的排气温度高于预定的温度阈值时，阻止对内燃机的燃料供应的暂时中断，直到达到该颗粒过滤器将给定比例的排气所含颗粒截留，该给定比例在检测台上确定以及从灰烬和炭黑的装载推导出；

如果颗粒过滤器将给定比例的颗粒截留，在颗粒过滤器中的排气的温度高于所述预定的温度阈值时，进行燃料供应的暂时中断。

2.根据权利要求1的方法，其特征是，如此阻止燃料供应的中断，即，该内燃机以存在空气不足时的燃烧过量空气系数或者以按化学计算的燃烧过量空气系数来运行。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征是，采用至少475℃的值作为预定的温度阈值。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征是，采用至少500℃的值作为预定的温度阈值。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征是，采用基于颗粒数量的至少90％的过滤率(14)作为该颗粒过滤器的预定过滤率(14)。

6.根据权利要求1或2的方法，其特征是，在该颗粒过滤器上的压差和排气体积流被考虑用于确定该颗粒过滤器对炭黑的装载。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征是，采用在崭新状态下具有基于颗粒数量的约70％的过滤率(14)的过滤器作为颗粒过滤器。

8.一种颗粒过滤器在机动车排气设备中的布置，其中，该颗粒过滤器能接收机动车内燃机的排气，其特征是，所述布置包括控制装置，该控制装置被设计用于实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

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