用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的方法和装置
阅读说明：本技术 用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的方法和装置 (Method and device for regenerating a coated particle filter in the exhaust gas system of a motor vehicle operated with gasoline ) 是由 F·克莱纳 E·阿克莱特纳 H·库尼亚万 G·哈夫特 S·科洛德齐吉 P·罗达茨 于 2020-03-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的方法,其中对被引导到所述废气系中的二次空气量进行调节,其中用于所述调节的实际值由布置在所述颗粒过滤器下游的传感器来提供,并且其中如此进行所述调节,使得在所述颗粒过滤器下游存在的空气系数围绕着化学计量的空气系数振荡。此外,本发明涉及一种用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的装置。(The invention relates to a method for regenerating a coated particle filter in an exhaust system of a motor vehicle operated with gasoline, wherein the amount of secondary air introduced into the exhaust system is regulated, wherein the actual value for the regulation is provided by a sensor arranged downstream of the particle filter, and wherein the regulation is carried out such that an air coefficient existing downstream of the particle filter oscillates around a stoichiometric air coefficient. The invention further relates to a device for regenerating a coated particle filter in the exhaust gas system of a motor vehicle operated with gasoline.)
技术领域
本发明涉及一种用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的方法和装置。
背景技术
越来越严格的法律上应该遵守的排放极限值对机动车的废气系统提出越来越高的要求。为了满足这些要求，必须同时运用不同的废气排放减少策略。这些不同的废气排放减少策略使用不同的组件，包括相应所属的传感装置。
除了减少燃料消耗并且因此减少CO2排放之外，借助于一个或多个废气催化器来减少气态排放CO、NOx和HC并且借助于颗粒过滤器来减少颗粒排放是重要的研发目标。
用于柴油内燃机的颗粒过滤器通常也被称为炭黑过滤器，这种炭黑过滤器已经被长期使用并且在实践中被证实是有效的。
此外已经知道的是，在用汽油运行的内燃机的废气系中，尤其在具有燃料直喷系统的内燃机中也产生颗粒，其中燃料用高压直接被加入到燃烧室中并且非常精细地被雾化。因此，立法者也提高用于用汽油运行的内燃机的颗粒排出的极限值，所述内燃机利用燃料直喷系统来运行。因此，随着有害物质标准Euro 6d的引入，必须遵守而后适用的、最大6x1011个颗粒/km的极限值。
为此所使用的颗粒过滤器基本上由壳体（所谓的罐体）和被装入到壳体中的整体结构（Monolith）构成。该颗粒过滤器将在燃烧时产生的颗粒、大多是炭黑颗粒大部分从废气中滤出。只要在颗粒过滤器中存在的条件、例如升高的温度、废气中的氧气不导致颗粒过滤器的再生，则所分离的颗粒就留在所述颗粒过滤器中。
为了使得经涂层的颗粒过滤器再生，需要高于550-600℃的温度。温度越高，则炭黑的氧化就进行得越快。
已知的是，将颗粒过滤器布置在机动车的发动机附近或者底板中。在将颗粒过滤器布置在底板中时，所述颗粒过滤器与靠近发动机布置的颗粒过滤器相比例如在距发动机进一步远离大约800 mm的地方来布置。结果是，在将颗粒过滤器布置在底板中的情况下在所述颗粒过滤器中存在比在靠近发动机布置的颗粒过滤器中低了大约140℃的废气温度。
因此，迄今为止在存在颗粒过滤器的底板布置时，在废气系中没有加热措施的情况下，只能在WLPT（全球轻型车测试规程）的“极高阶段”中达到必需的颗粒过滤器再生温度，在所述“极高阶段中”存在较高的行驶速度。如果在低速范围内进行较长时间的行驶，那就不能达到必需的600℃的颗粒过滤器再生温度。
为了避免这些缺点，本申请人开发了一种系统，在该系统中二次空气在经涂层的颗粒过滤器的上游被吹入到废气系中并且通过富油的发动机运行由未燃烧的成分CO和HC来提供用于使得颗粒过滤器升温的能量。在此使用的算法根据在颗粒过滤器上游的废气温度来计算对颗粒过滤器的升温来说所必需的空气系数。如此调整二次空气源，使得所述颗粒过滤器下游的空气系数处于贫油的范围，以用于确保颗粒过滤器中的炭黑氧化。借助于这种系统，甚至在空载中也能够达到大约800℃的颗粒过滤器温度，这明显高于颗粒过滤器再生所必需的最低温度。
在远离发动机地布置颗粒过滤器并且废气系统的直至底板-颗粒过滤器的高的热惯性的情况下，能够在用于低速范围的较迟的点火时刻在没有舒适性损失的情况下达到对于颗粒过滤器的再生来说必需的温度。因为加热措施必须比为了快速达到发动机附近的颗粒过滤器的点燃温度（“点火温度”）有力得多，所以一个限制性的因素是发动机控制机构中的熄火识别。对于颗粒过滤器的底板布置来说，只有通过在高速范围内的加速才在没有加热措施的情况下达到所述颗粒过滤器再生温度。
由于通过亚化学计量的运行而需要能量用来使得颗粒过滤器升温，在所述颗粒过滤器的再生期间产生10%的燃料额外消耗。因为仅仅使得所述颗粒过滤器升温并且机动车的废气涡轮增压器的和靠近发动机的催化器的热惯量不起作用，所以在再生期间的燃料额外消耗被最小化。在为了使颗粒过滤器再生而通过点火时刻的延迟调节和稀燃运行（Magerbetrieb）来对催化器进行加热时，产生33%的额外消耗，而没有达到再生所必需的温度。此外，催化器的氮氧化物转换由于稀燃的发动机运行而被去激活，由此产生氮氧化物排放的巨大升高。
在具有二次空气加热机构的颗粒过滤器再生的情况下，出现氮氧化物排放的升高。在内燃机的亚化学计量的运行中，在Pt/Rh催化器中形成NH3，该NH3在Pt/Rh涂层的颗粒过滤器中在氧过量时又被氧化成氮氧化物，从而在再生期间出现氮氧化物的不受欢迎的升高。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种方法和一种装置，用该方法或该装置能够以可靠的方式执行内燃机的经涂层的颗粒过滤器的再生，而不会出现提高的有害物质排放。
该任务通过具有一种具有在权利要求1中所说明的特征的方法来解决。有利的设计方案和改进方案在从属权利要求2-16中得到说明。权利要求17的主题是一种用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的装置。
在具有在权利要求1中所说明的特征的方法中，为了使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生，而对被引导到废气系中的二次空气量进行调节，其中用于调节的实际值由布置在颗粒过滤器下游的传感器来提供，并且其中如此进行所述调节，使得在颗粒过滤器下游存在的空气系数围绕着化学计量的空气系数（λ＝1）振荡。
根据本发明的一种实施方式，所述实际值由布置在颗粒过滤器下游的氮氧化物传感器来提供。
根据本发明的另一种实施方式，所述实际值由布置在颗粒过滤器下游的λ传感器来提供。
根据本发明的另一种实施方式，所述实际值由布置在颗粒过滤器下游的氨传感器来提供。
根据本发明的一种实施方式，如果探测到λ值的朝富油方向的变化，那就提高二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，如果探测到所述废气中的氨含量的提高，则提高所述二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，如果在切断二次空气吹入的阶段的期间从所述颗粒过滤器中提取的所计算的负的氧气量低于预先给定的阈值，那就提高所述二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，如果探测到所述λ值的朝贫油方向的变化，那就降低所述二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，如果探测到氮氧化物排放的升高，那就降低所述二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，如果在主动的二次空气吹入的阶段的期间所计算的氧气量超过预先给定的阈值，那就降低所述二次空气量。
根据本发明的一种实施方式，相应必需的二次空气量由二次空气源来提供。
根据本发明的一种实施方式，所述二次空气源是空气泵。
根据本发明的一种实施方式，所述二次空气源是扫气泵。
根据本发明的一种实施方式，相应必需的二次空气量通过所述空气泵的转速的变化来调整。
根据本发明的一种实施方式，相应必需的二次空气量由e型压缩机来提供。
根据本发明的一种实施方式，相应必需的二次空气量通过二次空气阀的时钟控制或二次空气阀的可变的开口横截面来提供。
附图说明
本发明的优点尤其在于，本发明即使在低的行驶速度下也能够实现颗粒过滤器的再生，而不会出现可驾驶性损失。本发明的另一个优点在于，将出现的有害物质排放、尤其是将氮氧化物排放保持小的程度。本发明的其它有利的特性由借助于附图对其所作的以下示范性的解释中得出。其中示出：
图1示出了用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的装置的草图，
图2示出了用汽油运行的机动车的废气系的一部分的示意图，
图3示出了第一图表，该第一图表用于阐释用于使颗粒过滤器再生的方法，并且
图4示出了第二图表，该第二图表用于阐释使颗粒过滤器再生的方法。
具体实施方式
图1示出了用于使在用汽油运行的机动车的废气系中的经涂层的颗粒过滤器再生的装置的草图。
与燃料箱5连接的活性碳容器1属于在图1中所示出的装置。新鲜空气通过空气过滤器8被输送给这个活性碳容器1。此外，所述活性碳容器1通过扫气泵2被连接到油箱通风阀4上。压力传感器3被定位在扫气泵2与油箱通风阀4之间的管路中。
流过所述油箱通风阀4的质量流在压缩机10的上游被引导到机动车的空气路径9中并且在那里与有待压缩的新鲜空气混合，所述新鲜空气通过另一个空气过滤器7被输送给空气路径9。
所述压缩机10是废气涡轮增压器的组成部分，此外所述废气涡轮增压器还包括涡轮机17，该涡轮机通过以虚线勾画出的轴与压缩机10连接。
借助于压缩机10来压缩的质量流在空气路径9的进一步走势中经由增压空气冷却器11和节流阀13被输入机动车的曲轴箱15并且在那里与燃料一起被喷入到机动车的燃烧室中，其中通过所述空气过滤器7提供的新鲜空气流和流经油箱通风阀4的质量流属于前述质量流。
在增压空气冷却器11与节流阀13之间，在所述空气路径9中设置有压力传感器12。在节流阀13与曲轴箱15之间，在所述空气路径9中设置有另一个压力传感器14。在燃烧过程中形成的废气通过废气系16被输送给涡轮机17并且在涡轮机中被用于驱动涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮通过轴来驱动在压缩机中所设置的压缩机叶轮。由所述涡轮机17输出的废气通过三元催化器18和具有颗粒过滤器的四元催化器19而被输送给机动车的未示出的废气端管并且通过该废气端管被输出给环境。
为了控制燃烧过程，设置有发动机控制机构6，该发动机控制机构基于向其输送的输入信号20和所存储的工作软件来提供输出信号21。被输送给发动机控制机构6的输入信号20尤其是传感器信号和由上级的控制机构提供的数据信号。例如压力传感器信号、温度传感器信号和加速踏板位置信号属于传感器信号。尤其是用于喷射阀和油箱通风阀4的控制信号属于所述发动机控制机构6的输出信号21。
此外，在图1中示出的装置具有如下二次空气路径29，该二次空气路径从扫气泵2出发经过在四元催化器19上游的二次空气阀24通到废气系中。因此，在这种实施例中，扫气泵用作二次空气源。在所述涡轮机17的下游，在废气系中设置有多个传感器。压差传感器22属于这些传感器，其中所述压差传感器的其中一个接头在四元催化器的上游并且所述压差传感器的另一个接头在四元催化器的下游被连接到废气系上。此外，调节传感器25属于所提到的传感器，该调节传感器在四元催化器19的下游布置在废气系16中。所提到的传感器的输出信号作为输入信号20被输送给所述发动机控制机构6。所述发动机控制机构6根据所存储的算法来计算其输出信号21，这些输出信号作为控制信号被输送给所示出的装置的执行器。
此外，这些执行器尤其包括扫气泵2和二次空气阀24，由发动机控制机构6向所述扫气泵2和二次空气阀24加载相应的控制信号，借助于所述控制信号对被引导到废气系16中的二次空气进行调节。
尤其在使得布置在废气系中的、作为四元催化器19的组成部分的、经涂层的颗粒过滤器再生时，对被引导到废气系16中的二次空气进行调节。为了执行所述颗粒过滤器的这种再生，在发动机控制机构6中存储有如下调节算法，该调节算法通过对布置在四元催化器19的下游的调节传感器25的、形成用于调节的实际值的输出信号进行分析这种方式来如此进行调节，使得在四元催化器的下游以及由此在颗粒过滤器的下游存在的空气系数λ围绕着化学计量的空气系数λ＝1振荡。
布置在颗粒过滤器的下游的调节传感器25能够是氮氧化物传感器、λ传感器或氨传感器，其中这些传感器中的每一个也能够是组合传感器，所述组合传感器例如不仅施加氮氧化物传感器的功能而且施加氨传感器的功能，或者不仅施加λ传感器的功能而且施加氨传感器的功能。
为了实现空气系数的围绕着其化学计量值1的所提到的振荡，例如当探测到λ值的朝富油方向的变化时或者当探测到废气中的氨含量的提高时，提高二次空气量。作为替代方案，也存在以下可行方案，即：当在切断二次空气吹入或者降低二次空气量的阶段的期间从所述颗粒过滤器中提取的、所计算的负的氧气量低于预先给定的阈值时，提高所述二次空气量。
为了实现空气系数的围绕着其化学计量值1的所提到的振荡，当探测到λ值的朝贫油方向的变化或探测到氮氧化物排放的升高或在主动的二次空气吹入的阶段的期间存在的所计算的氧气量超过预先给定的阈值时，降低所述二次空气量。
在根据图1所描述的实施例中，作为二次空气源而使用扫气泵2。因此，该扫气泵施加双重功能。一方面它支持燃料箱5的通风过程。另一方面，在颗粒过滤器再生时，它用作二次空气源。
作为图1所示的实施例的替代方案，也能够将用电运行的空气泵用作二次空气源。
通过对于所述空气泵的转速的适当的调整或者改变并且/或者通过对于所述二次空气阀24的通流横截面的相应适当的调整或改变，能够将相应必需的二次空气量导入到废气系中。
一种作为替代方案的可行方案在于，在使用e型压缩机的情况下提供相应必需的二次空气量。
图2示出了用汽油运行的内燃机的废气系的一部分的示意图，由该示意图可以看出本发明的原则上的工作原理。由该图示可以得知，在机动车的废气系16中布置了三元催化器18并且在这个三元催化器18的下游布置了四元催化器19，其中这个四元催化器包含一个拥有三元催化器涂层的经涂层的颗粒过滤器。此外，由图2可以得知，借助于二次空气源28提供的二次空气通过在其中布置有二次空气阀23的二次空气路径29被引导到废气系16中，并且更确切地说被引导到三元催化器18与四元催化器19之间的区域中、即颗粒过滤器的上游。最后由图2可以看出，在所述四元催化器19的下游并且因此在所述颗粒过滤器的下游布置有调节传感器25。这个调节传感器25的输出信号用作用于空气系数λ的调节的实际值，如此进行所述调节，使得在所述颗粒过滤器下游存在的空气系数λ围绕着化学计量的空气系数λ＝1振荡。
所述四元催化器是具有三元催化器涂层的经涂层的颗粒过滤器，所述四元催化器中的温度通过模型来控制，其中如此计算所述四元催化器上游的燃料添加（Anfettung），从而达到用于颗粒过滤器再生的额定温度。
图3示出了第一图表，该第一图表用于阐释上面所描述的根据本发明的用于使颗粒过滤器再生的方法。在该图表中，向右绘出了以s为单位的时间并且向上绘出了以mg/km为单位的氮氧化物排放NOx的变化曲线、以℃为单位的温度T的变化曲线、以g/km为单位的二氧化碳排放CO2的变化曲线以及以km/h为单位的车辆速度v的变化曲线，并且更确切地说这针对以贫油的空气系数λ和延迟的点火时刻进行颗粒过滤器的再生的情况（变化曲线a）、用二次空气的吹入进行颗粒过滤器的传统的再生的情况（变化曲线b）、用二次空气的吹入进行颗粒过滤器的根据本发明的再生的情况（变化曲线C）以及不进行颗粒过滤器的再生的情况（变化曲线d）而绘出。特别是由所示出的变化曲线可以看出，在颗粒过滤器的根据本发明的再生中在较短的时间之后就已经达到对再生来说所必需的高温，尽管行驶速度相对较低仍达到该高温，并且与用二次空气的吹入进行的传统的再生相比，氮氧化物排放显著降低。
图4示出了第二图表，该第二图表用于阐释上面所描述的根据本发明的用于使颗粒过滤器再生的方法。在该图表中，向右绘出了以s为单位的时间，并且向上绘出了Iλ TWC（这是用线性的λ传感器测量的空气系数，必须用该空气系数来运行内燃机，以用于达到四元催化器中的再生温度）、Iλ GPF（这是在所述四元催化器之后的NOx传感器或额外地布置的线性λ传感器的、线性的λ传感器信号）、bλ GPF（这是在所述四元催化器之后的NOx传感器或二进制的λ传感器的二进制信号）以及以l/min为单位的Fl（Fl是在所述四元催化器之前吹入的二次空气量）的变化曲线，并且更确切地说这针对用二次空气的吹入进行的传统的再生（变化曲线b）和用二次空气的吹入进行的根据本发明的再生（变化曲线c）而绘出。由这些变化曲线尤其可以看出，在根据本发明的再生中出现空气系数λ的振荡。
在本发明中，如从前面的描述中可以看出的一样，在将布置在所述颗粒过滤器下游的调节传感器的输出信号用作实际值的情况下查明所述二次空气量。作为实际值，尤其能够使用氮氧化物传感器、二进制λ传感器、线性的λ传感器或者氨传感器的输出信号。
二次空气吹入的接通能够可变地借助于下列标准中的一个或多个来进行：
- 二进制的λ信号的朝富油方向的变化；
- 线性的λ信号的朝富油方向的变化；
- 氨排放的升高；
- 所计算的负的氧气量，当所述负的氧气量低于预先给定的阈值时，在切断二次空气吹入的阶段的期间从所述颗粒过滤器中提取所述负的氧气量。
二次空气吹入的切断或者所述二次空气量的减小能够可变地借助于下列标准中的一个或多个来进行：
- 二进制的λ信号的朝贫油方向的变化；
- 所述线性的λ信号的朝贫油方向的变化；
- 氨排放的升高；
- 所计算的氧气量，当所述氧气量超过预先给定的阈值时，在主动的二次空气吹入的阶段的期间向所述颗粒过滤器输送所述氧气量。
相应必需的二次空气量能够通过用作二次空气源的扫气泵的转速变化来调整。这对低的一氧化碳及氨排放起到积极的影响。
作为替代方案，必需的二次空气量能够通过二次空气阀的时钟控制来提供，也就是说，通过所述二次空气阀的打开和关闭来提供，由扫气泵提供的二次空气如此被输送给所述二次空气阀，从而在所述颗粒过滤器的下游存在围绕着化学计量的空气系数振荡的空气系数。然而，在此必须忍受的缺点是，与借助于扫气泵的转速变化或二次空气阀的横截面的变化来调节二次空气量的做法相比，出现更高的一氧化碳及氨排放。
在上面所描述的发明中，尽管如此，对用于经涂层的颗粒过滤器的空气系数进行调节，其中在使用布置在颗粒过滤器下游的调节传感器的情况下对被吹到废气系中的二次空气量进行调节，并且不像在对用于三元催化器的空气系数进行传统的调节时所进行的那样对燃料量进行调节。
所述燃料量（内燃机的λ）被用作用于颗粒过滤器的温度模型的调节参量。
附图标记列表
1活性碳容器
2扫气泵
3压力传感器
4油箱通风阀
5燃料箱
6发动机控制机构
7空气过滤器
8空气过滤器
9空气路径
10压缩机
11增压空气冷却器
12压力传感器
13节流阀
14压力传感器
15曲轴箱
16废气系
17涡轮机
18三元催化器
19颗粒过滤器
20输入信号
21输出信号
22压差传感器
23二次空气阀
24二次空气阀
25调节传感器
26阀
27压力和温度传感器
28二次空气源
29二次空气路径。
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