用于使颗粒过滤器再生的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于使内燃机的废气通道中的颗粒过滤器再生的方法以及装置。

背景技术：

当前和未来越来越严厉的废气立法对发动机的未处理排放和内燃机的废气再处理提出很高的要求。随着用于汽油机的废气标准EU6的引入对颗粒排放规定了极限值，因此对于汽油机也需要使用颗粒过滤器。颗粒过滤器在汽车的行驶运行中加载颗粒，其中废气背压在废气通道中随着加载而增加。颗粒过滤器的加载例如通过对废气通道中颗粒过滤器之前和之后的压力差测量确定、或者通过在内燃机的控制器中的建模确定。若废气背压水平没有过大程度地提升，颗粒过滤器必须连续地或者周期性地再生。为了利用氧气来热氧化颗粒过滤器上的炭黑颗粒，则需要足够的再生温度以及在废气中需要同时存在剩余氧气。颗粒过滤器中炭黑排放可以与颗粒过滤器的加载相对照地同样通过废气通道中的背压测量或者通过建模来描述。

由DE 42 30 180 A1已知一种用于颗粒过滤器过滤的方法，其中为了确定颗粒过滤器的加载状态测量压力值、通过颗粒过滤器的废气体积流量以及在确定废气体积流量时出现的内燃机转速。通过考虑这些测量值确定实际特征值并且与极限值对比，其中当实际特征值和极限值之间的差足够小时引入颗粒过滤器的再生。

由DE 199 45 372 A1已知一种用于控制颗粒过滤器的再生的方法，其中通过特征曲线或者模型实施颗粒过滤器的再生。模型包含颗粒过滤器的加载值，其中输入自从上次再生的行驶时间和行驶路程。由加载值得出状态特征值，当其被超过时实施再生。

尽管这些方法已经考虑到多个特征值，但是它们仍是以颗粒过滤器上的均匀的温度分布以及颗粒过滤器的均匀加载为基础。

由DE 103 49 134 A1已知一种用于颗粒过滤器再生的方法，其中表面温度的分布借助热成像相机确定并且结合当前的温度分布尝试：通过选择相应的发动机参数或者颗粒过滤器的相应流量实现在颗粒过滤器的横截面上的尽可能均匀的温度分布。

但是这种方法非常耗费和昂贵，因此对于特别适合用在实验台上，而不适合用在汽车中。此外由于废气中的炭黑会导致用于热成像相机的视窗被污染，因此这些影响必须被额外地补偿并且测量时长是有限的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于使颗粒过滤器再生的方法，其考虑到在颗粒过滤器上的径向和轴向的温度梯度以及由此导致的在颗粒过滤器的再生时不同的转换率，以便即使当运行条件不利时也能引入用于颗粒过滤器的有效的构件保护措施或者颗粒过滤器的主动的再生措施。

按照本发明的基础构思规定，颗粒过滤器的加载状态通过加载模型确定，其中，颗粒过滤器为了建模划分成至少两个过滤器元件，其中，为每个过滤器元件确定加载状态和/或温度分布。由于在颗粒过滤器上的径向和/或轴向的温度分布，可以通过由此导致的不同的转换率在颗粒过滤器部分再生之后，存在炭黑颗粒对颗粒过滤器的不同的单位加载量。因此对其精确的获知是需要的，以便在不利的运行条件下也能对颗粒过滤器采取有效的构件保护措施或者主动的再生措施。通过将颗粒过滤器划分为多个过滤器元件，在此可以将局部的加载模型化，由此能够确定对于颗粒过滤器的更精确的构件加载并且避免对颗粒过滤器的损伤。

在本发明的优选的技术方案中规定，颗粒过滤器为了建模沿轴向划分为多个过滤器平面。由此能够沿着经过颗粒过滤器的流动方向、亦即沿着颗粒过滤器的轴向对加载状态和/或温度建模，因此在颗粒过滤器的沿着废气经过颗粒过滤器的流动方向的不同位置上的颗粒输入或者颗粒排出可以被确定。特别优选的是，过滤器平面设计为盘状的。通过利用多个在废气经过颗粒过滤器的流动方向上相继布置的盘状的过滤器元件的建模，能够实现在轴向上的加载状态的特别简单的建模。所述过滤器元件优选从颗粒过滤器的中心轴线开始径向向外地延伸，并且分别具有相同的直径或者相同的半径。

按照所述方法的另一种有利的技术方案规定，颗粒过滤器为了建模沿径向划分为多个环。因此可以以简单的方式对径向温度差别和颗粒过滤器在径向上不同的加载状态建模，其中还可以考虑的是，颗粒过滤器的径向靠外的区域通常比颗粒过滤器的径向靠内的区域更冷。此外已显示的是，在颗粒过滤器的径向靠外的区域中的温度比颗粒过滤器的径向靠内的区域中的温度沿轴向下降得更快。与通过在颗粒过滤器上的背压测量的建模或者基于炭黑颗粒在炭黑颗粒过滤器上均匀分布的模型相比，通过温度分布的相应的建模可以对向颗粒过滤器的颗粒输入和/或从颗粒过滤器向外的颗粒排出进行明显更精确的建模。

若颗粒过滤器既沿轴向又沿径向划分为多个过滤器元件，则通过将颗粒过滤器径向划分成环并且将颗粒过滤器轴向划分成盘状能够实现颗粒过滤器的加载状态的特别精确的建模。这是本发明的优选的实施形式。

按照所述方法的扩展设计规定，对每个过滤器元件分别确定颗粒过滤器的构件温度。这同样通过建模或者局部温度测量、例如通过嵌入颗粒过滤器中的热学元件进行。通过确定颗粒过滤器的各个过滤器元件中的局部温度，可以更精确地预测向各个过滤器元件中的炭黑输入或者从各个过滤器元件向外的炭黑排出，由此进一步简化和改善建模。

备选地有利地规定，仅在所选择的过滤器元件上测量颗粒过滤器的构件温度，并且借助建模确定剩余的过滤器元件的温度。在最简单的情况下，通过沿测量元件的序列的温度分布的简单的内插法或外插法实现建模。由此可以改善向过滤器元件中的炭黑输入和/或从过滤器元件的炭黑排出的建模的精确度，并且由此进一步改进颗粒过滤器的加载模型的质量。

备选地，温度也可以通过合适的计算模型确定，而不需要在颗粒过滤器上或颗粒过滤器中的温度测量元件。这例如借助废气通道中的流体模拟、优选通过用于对内燃机中的燃烧温度建模的燃烧模型进行。备选地也可以测量废气通道中的与颗粒过滤器相间隔的位置处的温度，并且由此对颗粒过滤器上的温度分布进行建模。

按照所述方法的进一步改进规定，在确定了颗粒过滤器的不利的加载状态时，采取用于颗粒过滤器的构件保护的措施。由此可以阻止出现相对颗粒过滤器的局部的加载峰值，其会导致颗粒过滤器的损伤或损坏。在此特别有利的是，在识别到颗粒过滤器的不利的加载状态时，以化学计量的或者浓的混合物运行，因此不会有氧气到达废气通道。内燃机在车辆运行中的推进阶段(Schubphase)尤其在这种背景下是重要的，其中燃料喷入被调节，内燃机的气缸压缩空气并且空气被供给到废气通道中。当温度足够高时，这导致了在颗粒过滤器上出现不可控的炭黑燃烧，这会损伤或损坏颗粒过滤器。为了避免这种情况，为了保护构件也在这种推进阶段向内燃机的燃烧室中注入燃料，用于保护颗粒过滤器不承受不可控的炭黑燃耗。

此外按照本发明提供一种用于使内燃机的废气通道中的颗粒过滤器再生的装置，其具有控制设备、尤其是控制器(发动机控制器)，所述控制设备具有用于控制按照本发明的方法的计算机可读的程序算法，并且其适用于实施按照本发明的方法。控制设备必要时还可以具有需要的综合特征曲线和类似参数。通过相应的控制设备可以以简单的方式这样控制或调节内燃机，使得颗粒过滤器的再生被实施，并且颗粒过滤器的构件损伤、尤其颗粒过滤器的热损伤被避免。

本发明其他有利的技术方案由其余的在从属权利要求中描述的特征得出。

本发明在该申请中描述的不同的实施形式只要没在个别情况做相反的说明都可以有利地相互组合。

附图说明

以下在实施例中结合附图阐述本发明。在附图中：

图1示出具有废气通道和颗粒过滤器的内燃机，其中能够实施按照本发明的用于使颗粒过滤器再生的方法，

图2示出用于确定颗粒过滤器的加载状态的简单的加载模型的图解，

图3示出颗粒过滤器中的轴向和径向温度平面的分布的示意图，

图4示出在颗粒过滤器上的轴向和径向温度分布的图表，

图5示出颗粒过滤器的加载和再生的示意图，

图6示出颗粒过滤器按照本发明划分为过滤器元件，用于建立颗粒过滤器的颗粒加载的模型。

具体实施方式

图1示出具有废气通道12和布置在废气通道12中的颗粒过滤器20的内燃机10。内燃机10优选设计为用于驱动汽车的内燃机，特别优选是汽油机。内燃机优选具有燃料直喷装置，其中燃料被直接喷注到内燃机的气缸中。内燃机10中的燃烧过程通过控制器16控制或调节。内燃机10优选设计为增压的内燃机，其通过涡轮增压器14或者压缩机提供空气。备选地内燃机也可以设计为吸入式发动机或者其他种类的内燃机10。在内燃机10的废气通道12中优选设置三元催化器18。

在内燃机10的运行中，颗粒过滤器10被来自内燃机10燃烧过程中的颗粒加载。所述加载借助控制器16中的建模来确定。若内燃机10的废气背压水平没有过大地升高，则颗粒过滤器20必须连续或周期性地再生。颗粒过滤器20附加地具有催化有效的涂层，例如三元催化有效的涂层或者用于选择性催化还原氮氧化物的涂层。为了借助氧气对在颗粒过滤器20中拦截的炭黑颗粒进行热氧化，在废气中存在剩余氧气的同时需要足够的温度水平。从颗粒过滤器20的炭黑排出量同样借助控制器16中的建模确定。

在图2中示出颗粒过滤器20的加载状态的简单的建模。当前在颗粒过滤器20上的加载通过向颗粒过滤器20中的颗粒输入和从颗粒过滤器20向外的颗粒排出的积分或加和构成。颗粒输入再次例如通过内燃机10的未处理排放模型计算，该模型存储在内燃机10的控制器16中。

炭黑排出的决定性因素是颗粒过滤器20的温度。在假设温度分布为均匀的情况下，则在颗粒过滤器20的所有区域上的炭黑转换是均匀的。但是在实际条件下，在以颗粒过滤器的中心轴线30为起点的径向上、以及在轴向上都会出现温度梯度，所述温度梯度导致了在颗粒过滤器20中拦截的炭黑的不均匀的转换率。这种径向和轴向上的温度梯度尤其在较大的颗粒过滤器中(例如在大排量的轿车发动机或者载货车的发动机中)会导致：在颗粒过滤器20的不充分再生时在颗粒过滤器20的各个区域中出现不均匀的炭黑加载。颗粒过滤器20的这种不均匀的加载在图5中示出。

在图3中示出颗粒过滤器20中径向和轴向的温度分布的示意图。为此颗粒过滤器20被划分为不同的过滤器平面22、24、26、28，其中沿废气流动方向通过废气通道的第一过滤器平面22具有比沿流动方向位于第一过滤器平面22下游的其他过滤器平面24、26、28更高的温度。如图4所示，位于径向外部的区域r1和r2中的沿轴向的温度减小大于沿颗粒过滤器20的中心轴线r0、30的沿轴向的温度减小。此外由图3可以看出，在从中心轴线r0、30出发的径向上的温度沿径向下降，因此在边缘区域r2上出现比在离心区域r1中更小的温度，并且在两个区域r1、r2中的温度小于在颗粒过滤器20的中心轴线r0、30的区域中的温度。通过在建模时将颗粒过滤器20划分成径向环和沿轴向的圆盘，可以确定颗粒过滤器20的加载状态和/或在颗粒过滤器20上的温度分布的精确的建模。

在图5中示出在颗粒过滤器20的圆盘上的具体的炭黑加载。在颗粒过滤器20装入之后或者在颗粒过滤器20完全再生之后，颗粒过滤器20是未加载的。在颗粒过滤器20的加载的建模中基于的理论在于，废气在废气通道12中优选流过颗粒过滤器20的过滤器元件32、34、36、38，它们具有最小的单位加载量，因为在那流动阻力和废气背压是最小的。因此在新鲜的颗粒过滤器20中，来自内燃机的废气中的炭黑颗粒首先对颗粒过滤器20进行均匀的加载。若颗粒过滤器20被再生，则颗粒过滤器20中的局部的温度分布对颗粒过滤器20的颗粒排出产生显著影响。由于这种事实，即沿着中心轴线r0、30存在比颗粒过滤器20的边缘区域r2更高的温度。各个圆盘的中央区域r0比各个盘的边缘区域r2更快地再生。这会导致颗粒过滤器20的不充分的再生，其中在颗粒过滤器20再次加载时，在边缘区域r2保留了还未氧化的炭黑颗粒，而中央区域r0已经被完全氧化。在颗粒过滤器20的再次加载时，中央区域r0由于较小的流动阻力能够更快地被废气中的颗粒加载，直至基本上在横截面上实现颗粒过滤器20的炭黑加载的相同分布，自从该时刻起重新进行颗粒过滤器20的均匀加载。当边缘区域r2中的过滤器元件实现了中央区域r0中过滤器元件的单位加载量，则它们被纳入到当前加载计算中，因为它们被当作具有最小加载的过滤器元件32、34、36的组。所述过程持续这样长的时间，直至再次出现颗粒过滤器20中均匀的炭黑分布。当超过该时间点、另有炭黑被输入到颗粒过滤器20中时，该炭黑均匀地分布在所有过滤器元件32、34、36、38上。若器件再次导入再生阶段，则炭黑排出量再次对于各个过滤器元件32、34、36、38单独地根据其当前的加载状态和在各个区域中存在的温度被计算。

所述单位加载量尤其对于炭黑颗粒过滤器20的构件加载是决定性的，因为在炭黑从颗粒过滤器20排出时由于在颗粒过滤器20上的炭黑颗粒的氧化的放热反应能够导致很高的局部温度峰值。在精确的炭黑分布的获知下，可以在不利的运行条件和/或颗粒过滤器20的不利的加载状态中进行所需的构件保护措施，用于保护颗粒过滤器20，尤其用于抵御热损伤或损坏。此外可以对内燃机10采取主动措施用于再生颗粒过滤器20。

在图6中示出按照本发明的颗粒过滤器20划分为多个过滤器元件32、34、36、38，其中颗粒过滤器20沿轴向划分为圆盘并且沿径向划分为圆环。备选地也可以考虑其他的划分，例如划分为腔室或蜂窝，其中对于每个颗粒过滤器20的每个腔室或蜂窝相应地确定加载状态或者温度。

附图标记清单

10 内燃机

12 废气通道

14 涡轮增压机

16 控制器

18 三元催化器

20 颗粒过滤器

22 第一过滤器平面

24 第二过滤器平面

26 第三过滤器平面

28 第n过滤器平面

30 中心轴线

32 第一过滤器元件

34 第二过滤器元件

36 第三过滤器元件

38 第四过滤器元件

r0 中心轴线

r1 与中心轴线的第一间距

r2 与中心轴线的第二间距