专利名称：具有在排气道中后置的废气传感器的微粒过滤器的再生方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监控和调节内燃机排气道中的微粒过滤器的再生的方法，其中， 微粒过滤器的再生是通过在再生阶段期间将微粒氧化燃烧而实现的。另外，本发明还涉及一种监控和调节内燃机排气道中的微粒过滤器的再生的装 置，其中，微粒过滤器的再生是通过在再生阶段期间将微粒氧化燃烧而实现的，并且其中， 对微粒过滤器的再生的控制是通过控制单元实现的。
背景技术：
为减少柴油发动机的微粒排放，也为了将来强化的时候减少汽油发动机(根据 2014起的ETO标准的极限值)的微粒排放，微粒过滤器被应用在内燃机的排气道中。废气 通过微粒过滤器输送，而微粒过滤器则将废气中的固体燃料微粒析出并阻挡在过滤器基底 中。由于贮存在过滤器基底中的炭黑量，微粒过滤器随着时间的推移不断地消耗，这会在排 气背压增大时对发动机功率产生负面的影响并使燃耗显著增加。由于这样的原因，贮存的 炭黑量需不时地运出。这种过滤器再生是在单独分开的再生阶段期间通过对微粒的氧化燃 烧实现的，作为放热反应，只要废气温度至少为580°C且废气中的氧气浓度足够高，这种氧 化燃烧即会自动进行。对于再生进程，可通过废气的成分及废气温度加以控制。内燃机的废气后处理除了微粒过滤器之外尚需其他组件。例如对于按均勻设计 (Homogenkonzept)驱动的汽油发动机，污染物碳氢化合物、一氧化碳以及氧化氮是通过三 通道催化净化器来转化的。而在稀燃设计(Magerkonz印t)时，通常需要后接一个用于氮氧 化合物的存储催化转换器。尽可能少的污染物排放是通过λ调节实现的，其中，根据废气 中存在的氧气浓度对输入到内燃机中的燃料空气混合物进行调节。废气中存有的氧气含量 由λ值表示，对于化学计量的燃烧，该λ值为1，而在氧气过剩时，该λ值大于1，在氧气 不足时，该λ值小于1。λ通过安置在排气道中的相应的λ传感器来测定。微粒过滤器的再生可在排气背压超过预定的限值之时起动。由于为了燃烧微粒， 在废气中必须要氧气过剩，因此在这一阶段期间，内燃机的混合物成分不能按照行驶状态 的要求自由选择。因此，为能够转换到正常的行驶状态，需要确定再生的终点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法，其能够可靠地调节微粒过滤器的再生，并能 够可靠地确定再生的终点，而且不会产生用于其他组件的成本。本发明的另一目的在于提供一种实施所述方法的相应装置。本发明之涉及方法的目的是这样实现，即，在微粒过滤器的再生阶段期间， 内燃机至少暂时地在稀燃运行阶段(Magerbetriebsphase)期间或者在混合物振动 (Gemischoszillation)期间在稀燃工况(in magerem Betriebspunkt)下运行，并且基于在 与沿排气方向安置在所述微粒过滤器之前的第一 λ传感器的第一信号或者由此导出的第一特征参数的时间曲线相比较的情况下沿排气方向安置在所述微粒过滤器之后的第二入 传感器的第二信号或者由此导出的第二特征参数的时间曲线来监控微粒过滤器的再生。微粒过滤器的再生是在再生阶段开始之后通过贮存的微粒的氧化燃烧而实现的， 作为放热反应，这种氧化燃烧只要在废气温度足够高并且废气中的氧气浓度足够高即会自 动进行。通过使内燃机在稀燃运行阶段期间或者在混合物振动期间至少暂时地在稀燃工 况下运行，具有对再生而言足够高的氧气浓度的废气被输入到微粒过滤器中。安置在微粒 过滤器之前的第一 λ传感器在所述稀燃运行阶段期间发出用于相应的稀燃的λ值的信 号。在混合物振动期间，第一 λ传感器指示出微粒过滤器之前的氧气浓度的时间曲线。通过在微粒过滤器中的微粒的氧化燃烧，消耗了废气中的氧气。因此，微粒过滤器 之后的废气的氧气浓度要比微粒过滤器之前的低。所以，跟第一 λ传感器相比，安置在微 粒过滤器之后的第二 λ传感器在稀燃运行阶段期间会发出一个用于富油的λ值的信号。 在混合物振动期间，第二 λ传感器示出了在稀燃期内的用于富油的λ值的信号。在稀燃运行阶段期间或者在混合物振动期间，微粒过滤器之前与之后的废气λ 值的差异有多大，并且由此导致的两个λ传感器的信号之间的差异有多大取决于微粒过 滤器的负荷。在废气温度足够时，高的微粒负荷会导致高的氧气需求，而在微粒负荷较低 时，则被转化的氧气较少。如果在微粒过滤器的再生开始时λ的差异还很大，那么随着再 生的进行，微粒过滤器之后的废气的λ将逐渐接近微粒过滤器之前的废气的λ。通过对安 置在微粒过滤器之后的第二 λ传感器的第二信号与安置在微粒过滤器之前的第一 λ传感 器的第一信号在稀燃运行阶段期间或者在混合物振动期间的时间曲线的比较，或者通过比 较由上述信号导出的特征参数，能够推导出微粒过滤器的再生曲线，并且能够相应地监控 再生并控制其曲线。本方法的有利之处在于它通过应用λ传感器而可使用现有的传感器设计。如果 在内燃机的排气道中已设置用于内燃机的λ调节的λ传感器，那么该λ传感器的信号可 同时用于控制及调节微粒过滤器的再生，由此可以低廉的成本实施本方法。如果微粒在最大程度上得以燃烧，那么在微粒过滤器中就不再有氧气被转换。这 样，在微粒过滤器之前和之后的氧气浓度以及两个λ传感器由此发出的信号几近相等。因 此可以这样设计如果在稀燃运行阶段期间或者混合物振动期间，第二 λ传感器的第二信 号在预定的公差之内与第一 λ传感器的第一信号相一致，或者由第二信号导出的第二特 征参数在预定的公差之内与由第一信号导出的第一特征参数相一致，那么就终止微粒过滤 器的再生阶段。根据本发明的一个特别优选的设计方案变例，可这样设计在内燃机的再生阶段 期间，输入的燃料_空气-混合物可由混合物振动周期性地改变，从而使富含氧气的废气出 现在微粒过滤器之前的废气中。而且可另外设计如下在内燃机的再生阶段期间，输入的燃料-空气-混合物可通 过混合物振动周期性地改变，从而使微粒过滤器之前的废气中的λ值在λ = 1的上下产 生周期性的变化。通过混合物振动，例如在λ = 1的上下在0. 98至1. 04之间变动，可将足够用于 再生的氧气量输入到微粒过滤器中。再生的时间曲线可以通过比较第二信号或由此导出的第二特征参数的时间曲线与第一信号或由此导出的第一特征参数的时间曲线来进行监控。 在这里，随着微粒过滤器的再生的进行，至少在稀燃运行阶段期间或者混合物振动期间， 第二 λ传感器的信号与第一 λ传感器的信号是相适应的。如果设计将安置在微粒过滤器之前的第一宽带λ传感器的第一 λ值用作第一信 号，并将安置在微粒过滤器之后的第二宽带λ传感器的第二 λ值用作第二信号，那么就可 以使用安置在排气道中的λ传感器。根据本发明的一个可选设计方案变例，可以设计将安置在微粒过滤器之前的第一 双位λ传感器(Zweipunkt-Lambdasonde)的第一传感器电压(Sondespannung)用作第一 信号，并将安置在微粒过滤器之后的第二双位λ传感器的第二传感器电压用作第二信号。 应用双位λ传感器使得本方法能够以低廉的成本实施。在混合物振动期间，λ值相应地 振动，第一双位λ传感器发出一个在200mV与600mV之间的周期性振动信号。只要在微粒 过滤器中发生微粒燃烧，第二双位λ传感器即发出600mV的信号。发生的燃烧之后，双位 λ传感器的信号也在200mV与600mV之间振动。同样也可以想到这样一种布置方式，S卩，在微粒过滤器之前安置双位λ传感器， 并在微粒过滤器之后安置宽带λ传感器，但是由于成本原因，这样的布置方式是不利的。本发明的涉及装置的目的是这样实现，S卩，在排气道中，沿着排气方向在所述微粒 过滤器之前安置第一 λ传感器，并沿着排气方向在所述微粒过滤器之后安置第二 λ传感 器，第一 λ传感器的第一信号与第二传感器的第二信号被供给控制单元，而且，在控制单 元中设置第一程序，所述第一程序用于在内燃机的在再生阶段中设置的稀燃运行阶段期间 或者在内燃机的混合物振动期间对第二信号或由该第二信号导出的第二特征参数与第一 信号或由该第一信号导出的第一特征参数进行比较。由于微粒的氧化燃烧，废气中的氧气在再生期间的微粒过滤器中被消耗了。在内 燃机处于在混合物振动期间也会出现的稀燃运行阶段时，根据微粒过滤器的实时微粒负 荷，相应地会在微粒过滤器之后出现比微粒过滤器之前更为富油的λ。通过比较安置在微 粒过滤器之后的第二 λ传感器的信号与安置在微粒过滤器之前的第一 λ传感器的信号， 可由此推导出微粒过滤器在再生期间的负荷状态，并相应地对再生过程进行监控。对λ传感器的信号的分析可这样实现，S卩，在控制单元中设置第二程序，以便在 再生阶段期间通过周期性地改变输入到内燃机中的燃料混合物而使混合物产生振动。通过 混合物振动，会导致微粒过滤器之前的第一 λ传感器上的λ产生周期性的、优选在λ = 1的上下的变化。在混合物振动的稀燃运行期间，第一 λ传感器指示出λ大于1。由于氧 气的消耗，与第一 λ传感器相比，第二 λ传感器指示出较小的λ值。通过对在连续的稀 燃运行期间中的第二 λ传感器的信号曲线与第一 λ传感器的信号曲线加以比较，可推导 出微粒过滤器的再生曲线。本方法或者本装置能够有利地应用于再生设置在柴油发动机或汽油发动机的排 气道中的微粒过滤器。
下面，借助于在附图中示出的实施例，对本发明进行详细解释。其中图1示出了一种具有安置在其排气道中的微粒过滤器以及后置的三通道催化净化器的内燃机；图2示出了在排气道中应用宽带λ传感器时微粒过滤器的再生期间的信号曲 线.
一入 ，图3示出了在排气道中应用双位λ传感器(Zwei Punkt-Lambdasonde)时微粒过 滤器的再生期间的信号曲线；图4示出了在内燃机处于稀燃运行阶段期间的微粒过滤器的再生期间的信号曲 线。
具体实施例方式图1示出了内燃机10，其具有进气管11和安置在排气道12中的微粒过滤器15以 及后置的三通道催化净化器17。内燃机10的废气在微粒过滤器15及三通道催化净化器17 中得到净化并通过废气排出口 18导出。紧接在内燃机10之后的排气道12中的废气的λ 值是利用第一 λ传感器13来确定的。在这一区域，首先利用温度传感器14确定废气的温 度。在内燃机10运转时，微粒被贮存在微粒过滤器中。这就提升了排气背压。因此在需要 时，必须对微粒过滤器15加以燃烧从而使其得以再生。再生只有在废气温度高于约580°C 时才能发生，所述废气温度可利用温度传感器来确定。此外，必须要有足够的用于燃烧的氧 气。这可利用第一 λ传感器13来确定。在微粒过滤器15之后的排气道12中安置有第二 λ传感器16。从第一 λ传感器13与第二 λ传感器16的输出信号的差异中可确定，微粒 过滤器15中的微粒的燃烧消耗了多少氧气。若确定信号之间没有差异，则燃烧已终止。第 一 λ传感器13与第二 λ传感器16的信号以及温度传感器14的输出信号被输入到控制 单元19中。在控制单元19中设置有用以比较信号以及控制再生的程序流程。图2示出了在第一 λ传感器13与第二 λ传感器16被实施为宽带λ传感器时， 在微粒过滤器15的再生期间的信号曲线图。信号沿着第一信号轴21和第一时间轴22描 绘。沿着第一时间轴22标记出了第一再生阶段23、第二再生阶段24以及第三再生阶段25， 这三个阶段是在微粒过滤器15的再生期间以在时间上分开的方式先后发生的。在示出的实施例中，在微粒过滤器15的再生期间，由于输入到内燃机中的燃 料-空气-比的混合物振动，导致λ值围绕λ = 1发生振动。在微粒过滤器15的再生开 始不久的第一再生阶段23中，第一压力信号段30中的排气背压仍相当地高，处在IOOmbar 的范围内。通过微粒的燃烧，第一压力信号段30中的排气背压稍有下降。第一 λ信号31 的第一段示出了在第一再生阶段23期间，在第一 λ传感器16的位置上由混合物振动导致 的氧气浓度的波动。第二 λ信号的第一段32示出了在第一再生阶段23期间，在串接在微 粒过滤器15之后的第二 λ传感器16位置上的氧气浓度的波动。由于在燃烧时消耗了氧 气，第一 λ信号的第一段31的振幅明显比第二 λ信号的第一段32的大。在再生的晚些时刻，在第二再生阶段24中，微粒过滤器15已被部分再生，第二压 力信号段33中的排气背压处在约40mBar的范围内。第一 λ信号的第二段34示出了在第 一 λ传感器13位置上的氧气浓度的波动，所述波动与第一 λ信号的第一段31的振幅相 比保持不变。第二 λ信号的第二段35示出了比第二 λ信号的第一段32更高的振幅，所 述振幅几乎接近第一 λ信号的第二段34的振幅。这意味着，微粒燃烧已减弱，而且不久就 可终止再生。
在第三再生阶段25中，微粒过滤器已被完全再生，在第三压力信号段36中的排气 背压处在约20mbar的范围内。第一 λ信号的第三段37示出了在第一 λ传感器13位置 上的氧气浓度的波动，所述波动与第一 λ信号的第一段31的振幅相比保持不变。第二 λ 信号的第三段38示出了比第二 λ信号的第一段32以及第二 λ信号的第二段35更高的 振幅，所述振幅实际上与第一 λ信号的第三段37的振幅相同。这意味着，微粒燃烧已不 再发生，再生可被终止。图3示出了在第一 λ传感器13与第二 λ传感器16被实施为双位λ传感器时， 在微粒过滤器15的再生期间的信号曲线图40。信号沿着第二信号轴41和第二时间轴42 描绘。沿着第二时间轴42标出了已引入在图1中的第一再生阶段23、第二再生阶段24以 及第三再生阶段25。在微粒过滤器15的再生过程开始不久的第一再生阶段23中，第四压力信号段区 50中的排气背压仍相当地高，处在IOOmbar的范围内。通过微粒的燃烧，第四压力信号区 50中的排气背压稍有下降。即便在这一实施例中，内燃机10的燃料-空气-混合物的组分 也得到控制，从而使微粒过滤器15之前的废气的λ值在化学计算的组分1的上下周期性 地波动。第二 λ信号的第一段51示出了在第一再生阶段23期间，在第一 λ传感器13位 置上的氧气浓度的波动。第四λ信号的第一段52示出了在第一再生阶段23期间，在串接 在微粒过滤器15之后的第二 λ传感器16位置上的氧气浓度。由于在燃烧时消耗了氧气， 第二 λ传感器16的信号在第四λ信号的第一段52中处在富油区中。在再生的晚些时刻，在第二再生阶段24中，微粒过滤器15已被部分再生，第五压 力信号段53中的排气背压处在约40mBar的范围内。第三λ信号的第二段54示出了在第 一 λ传感器13位置上的氧气浓度的波动，所述波动与第三λ信号的第一段51的振幅相 比保持不变。第四λ信号的第二段55示出了比第四λ信号的第一段52更高的振幅，所 述信号整体上从富油区中下降。这意味着，微粒燃烧已减弱，而且不久就可终止再生。在第三再生阶段25中，微粒过滤器已被完全再生，在第六压力信号段56中的排气 背压处在约20mbar的范围内。第三λ信号的第三段57示出了在第一 λ传感器13位置 上的氧气浓度的波动，所述波动与第三λ信号的第一段51的振幅相比保持不变。第四λ 信号的第三段58示出了比第四λ信号的第一段52以及第二 λ信号的第二段55更高的 振幅，所述振幅实际上与第三λ信号的第三段57的振幅相同。这意味着，微粒燃烧已不再 发生，微粒过滤器15的再生可被终止。在图4的第三图表60中，沿着第三时间轴62和第三信号轴61绘出了图1所示的 第一 λ传感器13和第二 λ传感器16的输出信号，所述输出信号是所述λ传感器在内燃 机10运行在稀燃运行阶段期间，在微粒过滤器15的再生期间的第一再生阶段23和第三再 生阶段25中输出的。在这样的稀燃运行阶段期间，废气的λ值被调整为大于1，例如调整 到λ = 1.05。第五λ信号的第一段63描述的是第一 λ传感器13的输出信号在再生开 始时在λ值超过λ = 1的情况下，例如λ = 1. 05的第一再生阶段23中的位置。第六λ 信号的第一段64描绘的是第二 λ传感器16的输出信号的位置。在第一再生阶段23中， 由于炭黑微粒在微粒过滤器中燃烧，因而消耗了氧气，在第二 λ传感器16上的废气的λ 值处在低于λ = 1的富油区中。在第三再生阶段25中，在微粒过滤器15中的微粒燃烧停 止。由于内燃机的稀燃运转，安置在微粒过滤器15之前的第一 λ传感器13的第五λ信号的第二段65处在超过λ =1的稀燃区中。因为微粒已被燃烧完，在微粒过滤器15中不 再消耗氧气，因而安置在微粒过滤器15之后的第二 λ传感器16的信号也处在稀燃区中。 因此，作为第二 λ传感器16的输出信号的第六λ信号的第二段66处于超过λ = 1的区 域，并因而在公知的公差范围内与第五λ信号的第二段65全等。因此，在第二 λ传感器 16的输出信号与第一 λ传感器13的输出信号一致时就可确定终止再生。
总之，微粒燃烧可利用λ传感器来跟踪，并可以确定微粒燃烧的完成程度以及何 时能够终止再生阶段。本方法可利用公知的宽带λ传感器来实施，或者也可采用成本更为 低廉的双位λ传感器。在许多情况下，在内燃机10的排气道中已然使用了这样的传感器， 因而并不需要额外的费用。特别地，本方法及装置也适用于汽油发动机的废气净化。
权利要求
1.用于监控和调节在内燃机(10)的排气道(12)中的微粒过滤器(15)的再生的方 法，其中微粒过滤器(15)的再生是通过在再生阶段期间将微粒氧化燃烧而实现的，其特征 在于，在微粒过滤器(15)的再生阶段期间，内燃机(10)至少暂时地在稀燃运行阶段期间或 者在混合物振动期间在稀燃的工况下运行，并且基于在与沿排气方向安置在所述微粒过滤 器(15)之前的第一 \传感器(13)的第一信号或者由该第一信号导出的第一特征参数的 时间曲线相比较的情况下沿排气方向安置在所述微粒过滤器(15)之后的第二 \传感器 (16)的第二信号或者由该第二信号导出的第二特征参数的时间曲线来监控所述微粒过滤 器(15)的再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当在稀燃运行阶段期间或者在混合物振 动期间第二、传感器(16)的第二信号在预定的公差之内与第一 \传感器(13)的第一信 号一致的时候，或者当由所述第二信号导出的第二特征参数在预定的公差之内与由所述第 一信号导出的第一特征参数一致的时候，终止微粒过滤器(15)的再生阶段。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在再生阶段期间，供给内燃机(10)的 燃料-空气-混合物通过混合物振动而周期性地改变，从而使微粒过滤器(15)之前的废气 中出现富含氧气的废气。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在再生阶段期间，供给内燃机 (10)的燃料-空气-混合物通过混合物振动而周期性地改变，从而使微粒过滤器(15)之前 的废气中的X值在X = 1的上下产生周期性的变化。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，将安置在微粒过滤器(15)之前 的第一宽带、传感器的第一、值用作第一信号，并将安置在微粒过滤器(15)之后的第二 宽带、传感器或第二双位、传感器的第二、值用作第二信号。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，将安置在微粒过滤器(15)之前 的第一双位、传感器的第一传感器电压用作第一信号，并将安置在微粒过滤器(15)之后 的第二双位X传感器的第二传感器电压用作第二信号。
7.用于监控和调节在内燃机(10)的排气道(12)中的微粒过滤器(15)的再生的装置， 其中微粒过滤器(15)的再生是通过在再生阶段期间将微粒氧化燃烧而实现的，并且其中， 对微粒过滤器(15)的再生的控制是通过控制单元(19)实现的，其特征在于，在排气道(12) 中沿着排气方向在所述微粒过滤器(15)之前安置第一 \传感器(13)且沿着排气方向在 所述微粒过滤器(15)之后安置第二 \传感器(16)，第一 \传感器(13)的第一信号与第 二入传感器(16)的第二信号被供给控制单元(19)，而且，在控制单元(19)中设置了第一 程序，所述第一程序用于在内燃机(10)的在再生阶段中设置的稀燃运行阶段期间或者在 内燃机(10)的混合物振动期间对第二信号或由该第二信号导出的第二特征参数与第一信 号或由该第一信号导出的第一特征参数进行比较。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在控制单元(19)中设置了第二程序，以便 在再生阶段期间通过周期性地改变供给内燃机(10)的燃料混合物而实现混合物振动。
9.根据前述权利要求之一所述的方法或装置的用途，所述用途是使设置在柴油发动机 或汽油发动机的排气道中的微粒过滤器(15)再生。
全文摘要
本发明涉及具有在排气道中后置的废气传感器的微粒过滤器的再生方法及装置。在监控和调节内燃机排气道中的微粒过滤器的再生的方法中，微粒过滤器的再生是通过在再生阶段期间将微粒氧化燃烧而实现的。根据本发明，在微粒过滤器的再生阶段期间，内燃机至少暂时地在稀燃运行阶段期间或者在混合物振动期间在稀燃的工况下运行，并且基于在与沿排气方向安置在微粒过滤器之前的第一λ传感器的第一信号或由此导出的第一特征参数的时间曲线相比较的情况下沿排气方向安置在微粒过滤器之后的第二λ传感器的第二信号或者由此导出的第二特征参数的时间曲线来监控微粒过滤器的再生。本发明还涉及相应的装置。
文档编号F01N3/023GK101994560SQ20101024660
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月4日 优先权日2009年8月5日
发明者D·斯塔夫里亚诺斯, E·韦斯 申请人:罗伯特.博世有限公司