CN111094728A - 用于在再生期间保护排气管路中的颗粒过滤器的方法 - Google Patents

用于在再生期间保护排气管路中的颗粒过滤器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明本涉及一种用于保护排气管路中的颗粒过滤器的方法，以防止在过滤器再生期间过滤器的至少部分的熔化风险(Fus)，通过发动机中的燃料的喷射中断(CI)而获得启动再生所必需的过滤器中的温度的初始升高。对喷射中断(CI)进行计时(CdCoup)，并且根据过滤器的上游温度(T°amont)以及过滤器的估计的碳烟载量(CharSu)，对授权的最大中断时间(tmax)以及估计的过滤器熔化风险(Fus)的出现进行估计。当喷射中断(CI)的计时持续时间超过(tautD)该最大时间(tmax)，并且熔化风险(Fus)出现(LimF)时，实施对该喷射中断(CI)的禁止(DinCinj)。

Description

用于在再生期间保护排气管路中的颗粒过滤器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于保护热力发动机的排气管路中的颗粒过滤器的方法，以防止由于在颗粒过滤器的再生期间过高的温度而引起的劣化，该过高的温度引起该过滤器的至少部分的熔化的风险，该过滤器的碳烟载量过大。
本发明既适用于尤其是柴油机或以柴油运行的发动机的压燃式热力发动机，也适用于火花点火式热力发动机，尤其是使用汽油燃料、使用包含汽油的混合物、或者使用任意在发动机中燃烧时产生碳烟颗粒的燃料的发动机。
背景技术
即将来临的反污染标准，尤其是在欧洲随着接下来第二阶段欧6排放法规的应用，严格限制了缸内直喷式汽油机或火花点火式发动机、此外还有间接喷射式发动机所排放的颗粒需遵守的阈值。
遵守此类法规会要求在这些发动机的排气管路中使用颗粒过滤器。这种通常也称为GPF以代指英文名称“汽油机颗粒过滤器(Gasoline Particle Filter)”、即用于汽油燃料的颗粒过滤器、在下文中称为汽油机颗粒过滤器的这种用于汽油机的颗粒过滤器相对类似于用于柴油机的颗粒过滤器，但其特性经过了调整以不损坏使用汽油燃料的机动装置的性能或消耗。
汽油机的排气管路还包括三元催化器。三元催化剂用于处理一氧化碳或CO、碳氢化合物或HC、以及氮氧化物或NOx的排放。三元催化器通常设置在使用汽油燃料的热力发动机的排气歧管附近、或者在涡轮增压发动机的涡轮机的下游。
对于压燃式发动机或火花点火式发动机，排气管路的颗粒过滤器用于将碳烟保留在其内部。还原系统可以集成在颗粒过滤器中，这可以作为独立的还原系统的替代方案，也可以作为这样的系统的补充。因此，颗粒过滤器浸渍以RCS催化剂，以实施NOx的选择性催化还原。这不是限制性的，并且颗粒过滤器可以不被浸渍。由于汽油型热力发动机的排气管路未配备选择性催化还原系统，所以对于汽油机颗粒过滤器，上述情况是常见的。
排气管路包括废气的流通管道，该流通管道配备有例如在使用汽油燃料的热力发动机的出口处的废气的化学和/或物理处理部件。三元催化器和颗粒过滤器可以安装在按照英文名称也被称为“外壳装置(canning)”的金属外壳内，或者具有两个单独的金属外壳。
在经过一段时间或行驶过一定距离后，颗粒过滤器充满颗粒，尤其是碳烟。因此必须对颗粒过滤器进行清洗或再生。这种再生通过使该碳烟燃烧来进行。为了燃烧该碳烟，发动机可以进入用于使废气的温度升高到大约650℃的特定燃烧模式，以在存在或没有辅助碳烟燃烧的添加剂的情况下在颗粒过滤器中燃烧碳烟。因此，再生是在有氧气送入的情况下在高温下进行的。
对于火花点火式发动机、尤其是使用汽油燃料的火花点火式发动机，用于进行实际上几乎连续的被动再生的这些条件可以是自然存在的。因此，在额定模式下不触发再生。因此，对于使用汽油燃料的热力发动机，较大的发动机工作区域允许提供必要的热量，并且可以在抬脚或在换挡时通过中断喷射来提供氧气：这在过滤器中的碳烟载量相对较低、例如大约3克至10克的情况下为被动再生提供了条件。
因此，汽油机颗粒过滤器适合设置成尽可能靠近发动机，以在再生期间获得应当高于600℃的高温。三元催化器需也要同样的定位，并且优先于颗粒过滤器，由于三元催化器在管路的下游产生放热并因此有助于在该三元催化器的出口处提高排气管路中的温度，所以这并非不利于汽油机颗粒过滤器。
此外，需要监控颗粒过滤器中包含的碳烟量。这可以通过检验颗粒过滤器的端部处的压力差来完成，优选地同时对颗粒过滤器中的废气流量进行估计。重要的是，该测量在颗粒过滤器的端部进行，而不是在颗粒过滤器的上游某处与颗粒过滤器的下游某处之间进行。作为附加或作为补充，这可以通过对排气管路中的气体排放进行建模来实现，该建模用于对排气管路中释放并储存在该颗粒过滤器中的碳烟颗粒进行估计。
然而，存在颗粒过滤器熔化的风险，其取决于颗粒过滤器的碳烟载量以及颗粒过滤器上游的温度，颗粒过滤器的温度可以会升高到熔化极限温度。该风险主要在喷射中断期间通过在颗粒过滤器中积聚的碳烟的燃烧而产生。
在喷射中断期间，如果颗粒过滤器上游的温度高于燃烧阈值，则已存储在颗粒过滤器中的碳烟会发生燃烧。这种燃烧导致颗粒过滤器内部的温度升高。颗粒过滤器上游的温度越高且载量越大，颗粒过滤器的温度将越高。
超过载量并超过温度极限时，颗粒过滤器开始破裂，该温度极限根据颗粒过滤器的类型而不同。如果由于放热的碳烟燃烧而使温度进一步升高，则颗粒过滤器的通道的一部分会熔化，并且因此使该碳烟过滤器对碳烟的储存失效。
文献FR-A-2 949 815描述了一种用于保护配备至热力发电机的排气管路的颗粒过滤器的方法，在该方法中，通过确定代表强度的参数来确定在过滤器中发生的燃烧的强度。当燃烧强度大于或等于预定阈值时，在过滤器入口面的上游的排气管路中喷射一种制剂，该制剂适于至少部分地停止过滤器中的燃烧。该制剂可以是水、二氧化碳或尿素溶液。
用于确定燃烧强度的参数可以是过滤器中的温度、过滤器中的温度梯度或过滤器的上游和下游之间的氧气比率变化。
在该文献中，通过将制剂喷射到排气管路中来防止由颗粒过滤器的熔化引起的破裂。另一方面，在所考虑的参数中，未考虑颗粒过滤器的载量。然而，对于载量很高的颗粒过滤器，再生可以在对过滤器无危险的温度下开始，例如足以引发再生的温度，但由于过滤器中过高的碳烟载量的燃烧，所以该温度可能大幅升高，这可能导致过滤器的破裂。
发明内容
因此，针对包括热力发动机以及安装有颗粒过滤器的排气管路的动力总成，本发明所要解决的基本问题是，监测颗粒过滤器中的当前再生以便不出现颗粒过滤器熔化的风险。
为了实现该目的，根据本发明提出了一种用于保护热力发动机的排气管路中的颗粒过滤器以防止劣化的方法，该劣化是由于在过滤器再生期间达到了最大温度而导致的，该最大温度引起过滤器至少部分的熔化风险，通过发动机中的燃料的喷射中断而获得启动再生所需的过滤器中的温度的初始升高。其特征在于，实施对喷射中断的计时，并且根据颗粒过滤器的上游温度以及颗粒过滤器的估计的碳烟载量，对授权的最大中断时间进行估计并对颗粒过滤器的熔化风险的出现进行估计，并且当喷射中断的计时持续时间超过该最大中断时间，并且颗粒过滤器的熔化风险出现时，实施对该喷射中断的禁止。
通过以使用汽油燃料、使用包含汽油的混合物、或者使用在燃烧期间释放碳烟颗粒的燃料的火花点火式发动机的颗粒过滤器的再生作为非限制性示例，一旦达到再生开始温度，就可以进行所谓的被动再生。在大多数情况下，颗粒过滤器具有低于其最大载量的适中载量，并且在再生期间过滤器的温度升高是有限的且不会达到可能损坏过颗粒过滤器尤其是使该颗粒过滤器破裂甚至熔化的温度。
相反地，某些行驶，例如相对短距离的市区行驶以及不产生或很少产生喷射中断的驾驶方式的行驶，非常不利于再生的持续。对于这些类型的行驶，当再生启动时，颗粒过滤器可能比某些其他类型的行驶填充得更满，非限制性地例如具有超过10克的碳烟，而不是针对中等填充的过滤器的大约5克的碳烟。
对于基本相等的再生开始温度，比起填充较少的颗粒过滤器，填充更多的颗粒过滤器将释放更多的热量。因此，对于不利于再生的这些行驶类型，由于过滤器的高载量，再生的持续具有更大的使颗粒过滤器熔化的风险。
对于充满碳烟的过滤器，由于碳烟的燃烧反应的放热性质，因此，喷射中断的持续时间越长，越多的氧气将被引入过滤器中，碳烟的燃烧反应将越大，并且过滤器的温度升得越高。对于少量碳烟填充的过滤器，即使大量送入氧气也不会导致过滤器温度非常强烈地升高，而只会导致中等程度的升高。
通过根据喷射中断的持续时间以及颗粒过滤器中的碳烟载量来监控过滤器的熔化风险，本发明正是想要避免过滤器中的温度的剧烈升高正是。如果喷射中断被延长且如果氧气被大量送入过滤器，则对填充的过滤器的温度过快升高的风险进行评估。因此，本发明提出禁止喷射中断、因此不再送入用于还原碳烟的氧气，从而减缓可能威胁过滤器的完整性的碳烟的燃烧以及颗粒过滤器的再生。
这仅通过监测再生开始的温度是无法预料到的。对于例如在600℃时的再生的开始，充满的过滤器在再生期间的温度将非常迅速地升高并达到临界温度，而少量填充的过滤器的温度则不会如此。本发明所考虑到的是，对于评估颗粒过滤器的损坏风险，颗粒过滤器的载量和喷射中断的持续时间、以及因此氧气的送入是至关重要的。
有利地，授权的最大中断时间是根据颗粒过滤器的上游温度和颗粒过滤器的估计的碳烟载量来估计的。该预定的最大时间形成了对颗粒过滤器的保护，以防止颗粒过滤器中的温度过高而损坏该过滤器。该预定的最大时间是通过实验确定的，具体取决于颗粒过滤器的特征，尤其是该过滤器的总载量、该过滤器内部碳烟存储容量以及该过滤器对暴露在高温下的耐受性。
有利地，熔化风险和/或授权的最大中断时间是根据各自的映射关系来估计的。
有利地，碳烟载量是根据在颗粒过滤器的端部测量的背压来估计的。这是颗粒过滤器碳烟载量的第一估计模式。该第一估计模式可以与其他模式组合或关联。
有利地，碳烟载量是根据基于排气管路中的气体排放量的碳烟颗粒的排放量来估计的，该排气管路中的气体排放量是根据在热力发动机出口处的废气的排放模型来估计的，该排放模型给出了保留在颗粒过滤器中的碳烟量。这代表了用于估计颗粒过滤器的碳烟载量的第二模式。该第二模式可以考虑已经至少部分清空了颗粒过滤器的先前的再生。
有利地，该模型在连续时间段内考虑了发动机转速和发动机扭矩。这两个参数主要影响排气管路中的气体排放量，并且因此影响排放的碳烟颗粒。
有利地，将大于1的预定安全乘数施加于估计的碳烟载量。这代表了第三模式，该模式高估了颗粒过滤器的碳烟载量，以更好地确保对颗粒过滤器的保护。
有利地，在禁止喷射中断之后，如果过滤器中的温度下降到低于引起出现熔化风险的最大温度的温度，同时又高于启动再生所需的过滤器中的温度，则重新授权喷射中断。
初始再生被启动，但由于可能会损坏过滤器的过强放热而被中断。部分碳烟量被燃烧。下一次再生可以在减少的碳烟载量的情况下开始，因而在再生期间产生的放热更小，并且因此对颗粒过滤器的危害更小。因此，在初始再生停止，过滤器温度下降后，可以重新允许喷射中断。可以在温度阈值上设置滞后，以避免启动过多的断开的连续再生。
本发明还涉及一种机动车辆的动力总成，该动力总成包括热力发动机、安装有颗粒过滤器的排气管路、负责热力发动机的运行的命令控制单元，其特征在于，所述动力总成包括用于实施该方法的装置，该命令控制单元包括：喷射中断的时间的计时器；用于对最大中断时间进行估计的装置，该最大中断时间根据分别由用于估计或测量过滤器的上游温度的装置和用于估计过滤器中的烟载量的装置给出的值而估计出；用于对过滤器的熔化风险进行评估的装置；用于将喷射中断时间与最大中断时间进行比较的装置；以及用于禁止喷射中断的装置。
有利地，排气管路在颗粒过滤器的端部包括压力差传感器。这允许实施用于估计颗粒过滤器的碳烟载量的第一模式。
附图说明
通过阅读下面的详细描述并参照作为非限制性示例给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将显现，在附图中：
-图1是涡轮增压热力发动机以及包括颗粒过滤器的排气管路的总成的示意图，这样的总成能够实施根据本发明的用于保护过滤器的方法；
-图2是根据本发明的用于保护热力发电机的排气管路中的颗粒过滤器以防止劣化的方法的流程图。
具体实施方式
应注意的是，附图作为示例给出而不限制本发明。附图形成有助于理解本发明的原理示意图，并且不一定是实际应用的比例。特别地，所示的各种元件的尺寸不代表实际。
在下文中，参照组合采用的所有附图。当参照特定的一个或多个附图时，该附图应与其他附图组合采用以识别指定的数字标记。
动力总成是指热力发动机及其所有辅助元件，例如排气管路、负责发动机运行并负责控制排气管路中去污染的命令控制单元，该动力总成可包括或不包括涡轮增压器。
通过特别参照图1，同时考虑该图缺少的图2中的附图标记，图1示出了可以实施根据本发明的方法的发动机1和排气管路8，尽管未示出发动机1和排气管路8的用于实施本发明的特定特征。
本发明涉及一种用于保护热力发动机1的排气管路8中的颗粒过滤器5以防止劣化的方法，该劣化是由于在过滤器5的再生期间达到最大温度而导致的，该最大温度引起过滤器5出现至少部分的熔化风险Fus。该温度可能取决于过滤器5的材料。通常将陶瓷用作过滤器5的材料。可以认为，最大温度高于900℃时，可能会出现部分熔化的风险。
至少通过测量过滤器5的端部的压力差、或者通过估计自上次再生以来排气管路8中的排放量并在必要的情况下考虑到已引起过滤器5中的碳烟燃烧的自发再生，测量或估计出过滤器5的碳烟载量。
图1还示出了用于三元催化器3和颗粒过滤器5的相应的金属壳体7，仅将用于三元催化器3的壳体标注为7。示出了颗粒过滤器5的端部处的压力差或背压传感器6、三元催化器3的上游氧气传感器4a、和颗粒过滤器5的下游氧气传感器4b。除了背压传感器6之外，所有新提及的元件对于本发明的实施不是必须的。
为了启动可以是自发再生或有序再生的再生，过滤器5中的温度的初始升高是必要的。该初始的温度升高是通过发动机1中的燃料的喷射中断CI来实现的。
根据本发明，实施对喷射中断CI的计时CdCoup，并且一方面对授权的最大中断时间tmax进行估计，而另一方面对颗粒过滤器5的熔化风险Fus的出现进行估计，该熔化风险Fus的出现是根据颗粒过滤器5上游处的上游温度T°amont和颗粒过滤器5的估计的碳烟载量CharSu来估计的。
当超过最大中断时间tmax时，这标记为tautD，表示喷射中断CI的计时持续时间，而颗粒过滤器5的熔化风险Fus出现，这标记为LimF，实施对喷射中断CI的禁止DinCinj，这两个条件tautD和LimF是必需的，这在图2中用“ET”标出。
根据本发明的方法实施计时CdCoup，其表示喷射中断所持续的时间。根据模型化的颗粒过滤器5的载量CharSu和上游温度T° amont，可以在请求禁止DinCinj之前授权喷射中断CI的特定时间或最大时间tmax。根据本发明的方法，根据颗粒过滤器5的载量CharSu和上游温度T° amont对可达到的颗粒过滤器5的最大温度进行建模，超过该温度时，过滤器5的熔化风险Fus出现。当通过上述两个参数得出的该最大温度被估计出超过固定限值时，实施对喷射中断CI的禁止DinCinj。
授权的最大中断时间tmax是根据颗粒过滤器5的上游温度T° amont和颗粒过滤器5的估计的碳烟载量CharSu来估计的。实际上，已经通过实验确定了在碳烟燃烧期间过滤器5中的温度，该温度分别对应碳烟载量和喷射中断时间的不同数值对。
如图2所示，熔化风险Fus和/或最大授权中断时间tmax可以根据相应的映射关系进行估计。
可以在本发明的优选范围内实施对碳烟的估计的多个实施模式。可以同时或交替地实施至少三种碳烟估计模式。
在第一模式中，可以根据在颗粒过滤器5的端部测量的背压对碳烟载量CharSu进行估计，该测量通过图1中所示的传感器6来实施。
在第二模式中，可以在考虑了自上次再生以来碳烟的自然燃烧的估计值的情况下，根据自上次再生以来对发动机1的排放量的估计值来对碳烟载量CharSu进行估计。
在第三种模式中，根据施加以大于1的预定安全乘数的独立获得的发动机1的排放量的估计值，可以对碳烟载量CharSu进行估计。
实际上，通过压力差得出的最可靠的第一估计并不总是可用，并且因此被其他估计中的一个代替。另外，由于位于颗粒过滤器5附近的元件进行的测量的离差和干扰过多，该第一估计有时会得出错误的测量结果。
这允许这些估计模式相对于彼此得到修正，由于基于排气管路8中的废气排放量而较不准确的第二估计至少相对于第一估计，并且在必要的情况下相对于第三估计得到修正，该第三估计代表了对颗粒过滤器5的安全保护。
该模型可以考虑连续时间段内的发动机转速和发动机1的扭矩。
在喷射中断CI的禁止DinCinj之后，如果过滤器5中的温度下降到低于引起熔化风险Fus的最大温度的温度，同时又高于过滤器5中用于启动再生所需的温度，则重新授权喷射中断CI。
新的再生在先前的再生期间过滤器5中的未燃烧碳烟的剩余物上发生。为了避免用于禁止DinCinj中断的请求反复出现，可以在温度阈值上实施滞后。
本发明还涉及一种机动车辆的动力总成，该动力总成包括热力发动机1、排气管路8、负责热力发动机1的运行的命令控制单元，该命令控制单元包括用于实现如上所述的方法的装置。
根据本发明，该命令控制单元包括喷射中断CI的计时器、用于存储最大中断时间tmax的存储装置，该最大中断时间tmax根据分别由用于估计或测量过滤器5的上游温度T°amont的装置以及用于估计过滤器5中的碳烟载量CharSu的装置给出的值来进行估计。
命令控制单元包括用于评估过滤器5的熔化风险Fus的装置，该熔化风险Fus有利地根据分别由用于估计或测量过滤器5的上游温度T° amont的装置给出的值来进行估计。命令控制单元包括用于估计碳烟载量CharSu的装置、用于将喷射中断CI的时间与最大中断时间tmax进行比较的装置、以及用于禁止DinCinj喷射中断CI的装置。
排气管路8可以在颗粒过滤器5的端部包括用于实施碳烟载量的第一估计模式的压力差传感器6。

Claims (10)

1.一种用于保护热力发动机(1)的排气管路(8)中的颗粒过滤器(5)以防止劣化的方法，所述劣化是由于在所述过滤器(5)的再生期间达到最大温度而导致的，所述最高温度引起所述过滤器(5)出现至少部分的融化风险(Fus)，通过所述发动机(1)中的燃料的喷射中断(CI)而获得启动所述再生所需的所述过滤器(5)中的温度的初始升高，其特征在于，实施对所述喷射中断(CI)的计时(CdCoup)，并且根据所述过滤器(5)的上游温度(T°amont)以及所述过滤器(5)的估计的碳烟载量(CharSu)，对授权的最大中断时间(tmax)进行估计并对所述过滤器(5)的熔化风险(Fus)的出现进行估计，并且当所述喷射中断(CI)的计时持续时间超过(tautD)所述最大中断时间(tmax)且所述颗粒过滤器(5)的熔化风险(Fus)出现(LimF)时，实施对所述喷射中断(CI)的禁止(DinCinj)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述授权的最大中断时间(tmax)是根据所述颗粒过滤器(5)的上游温度(T°amont)和所述过滤器(5)的估计的碳烟载量(CharSu)来估计的。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述熔化风险(Fus)和/或所述授权的最大中断时间(tmax)是根据各自的映射关系来估计的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述碳烟载量(CharSu)是根据在所述颗粒过滤器(5)的端部测量的背压来估计的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述碳烟载量(CharSu)是根据基于所述排气管路(8)中的气体排放量的碳烟颗粒的排放量来估计的，所述排气管路中的所述气体排放量是根据在所述热力发动机(1)的出口处的废气的排放模型来估计的，所述排放模型给出了保留在所述颗粒过滤器中(5)的碳烟量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述模型在连续的时间段内考虑了所述发动机(1)的发动机转速和扭矩。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将大于1的预定安全乘数施加于所述估计的碳烟载量(CharSu)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在禁止(DinCinj)所述喷射中断(CI)之后，如果所述过滤器(5)中的温度下降至低于引起所述熔化风险(Fus)的所述最大温度的温度，同时高于启动再生所必需的所述过滤器(5)中的温度，则重新授权所述喷射中断(CI)。
9.一种机动车辆的动力总成，其包括热力发电机(1)、安装有颗粒过滤器(5)的排气管路(8)、负责热力发电机(1)的运行的命令控制单元，其特征在于，所述动力总成包括用于实现根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置，所述命令控制单元包括：喷射中断(CI)的时间的计时器；用于估计最大中断时间(tmax)的装置，所述最大中断时间根据分别由用于估计或测量所述过滤器(5)的上游温度(T°amont)的装置以及用于估计所述过滤器(5)中的碳烟载量(CharSu)的装置给出的值而估计出；用于对所述过滤器(5)的熔化风险(Fus)进行评估的装置；用于将所述喷射中断(CI)时间与所述最大中断时间(tmax)进行比较的装置；以及用于禁止(DinCinj)所述喷射中断(CI)的装置。
10.根据前项权利要求所述的动力总成，其中，所述排气管路(8)在所述颗粒过滤器(5)的端部包括压力差传感器(6)。
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