在具有混合驱动装置的机动车中对颗粒过滤器进行再生的方法和设备与流程

随着废气排放法规日趋严格，对车辆制造商提出了较高的要求，车辆制造商通过用于减少发动机的未处理排放的相应措施和相应的废气再处理解决。通过采用欧洲第六阶段排放法规eu6，针对汽油发动机或具有混合驱动装置的车辆预设了关于颗粒数量的限值，该限值在大多数情况下使颗粒过滤器需要被使用。在行驶中这种颗粒过滤器被加载碳黑。为了废气的反压不会多大地提升，这种颗粒过滤器必须持续地或周期性地被再生。为了通过氧气对阻拦在颗粒过滤器中的碳黑进行热学氧化，需要足够高的温度水平同时需要在内燃机的废气设备中存在氧气。因为现代的汽油发动机通常没有氧气过剩地以化学计量的燃烧空气比(λ＝1)运行，所以为此需要附加的措施。为了能够对颗粒过滤器进行再生，需要在内燃机的推力阶段中在废气通道内输入氧气，也就是在不喷入燃料并因此在废气中氧气过剩的阶段中。但是这种推力阶段对于内燃机并不是始终按计划出现，而是偶然地并且是不可控的，使得比原本更常需要再生阶段，以便避免颗粒过滤器过高负载的危险和由此由于不可控的碳黑燃烧导致的颗粒过滤器热学受损的危险。这种不可控的碳黑燃烧可能在最不利的情况下导致颗粒过滤器被烧毁并因此导致颗粒过滤器损毁。

由文献de10340934b4已知一种用于控制内燃机的方法，其中，区分内燃机的正常运行和再生运行，其中，在正常运行中通过废气循环阀和节气门控制输入内燃机的空气量，并且在再生运行中关闭废气循环阀，并且仅仅通过节气门控制输入内燃机的空气量。

由文献de102016101105a1已知一种在内燃机的推力运行中对颗粒过滤器进行再生的方法，其中，根据颗粒过滤器的温度控制推力阶段的持续时间，在推力阶段中不向内燃机的燃烧室中喷射燃料。

由文献wo2011/104459a1已知一种在混合动力车辆中对内燃机的颗粒过滤器进行再生的方法。在此，连续地测量在颗粒过滤器中的入口温度并且使该入口温度与第一极值相比较。在此，当在颗粒过滤器的入口上的温度位于第一极值时，禁止内燃机停机。在此，禁止内燃机停机，直至在颗粒过滤器的入口上的温度高于第二极限温度为止，在该第二极限温度以上允许内燃机停机。

由文献ep1197642a2已知一种在混合动力车辆中对颗粒过滤器进行再生的方法。在此，通过使内燃机除了驱动机动车外还对混合动力车辆的电动机充电，使内燃机的负载升高，由此废气的温度升高。

但是这些解决方法的缺点在于，必须等待内燃机的推力阶段，以便实施颗粒过滤器的再生并且颗粒过滤器比原本更常需要再生。

本发明所要解决的技术问题是，在具有由内燃机和电动机组成的混合驱动装置的混合驱动车辆中可以尽可能快地对颗粒过滤器进行再生，并且在成功对颗粒过滤器进行再生之后可以柔和地使内燃机重新燃烧。

所述技术问题按照本发明通过一种在机动车的废气通道中对颗粒过滤器进行再生的方法解决，所述机动车具有由电动机和内燃机组成的混合驱动装置，所述方法包含如下步骤：

-在混合动力运行模式下运行所述机动车，其中，在所述内燃机运行时将内燃机的废气导引穿过所述颗粒过滤器，

-确定所述颗粒过滤器的负载状态，

-当颗粒过滤器的负载状态达到设定的最大负载状态时，开始对所述颗粒过滤器进行再生，

-实施颗粒过滤器的再生过程，其中，所述内燃机和电动机在再生过程中耦连，并且所述电动机牵引所述内燃机，其中，

-所述内燃机向废气通道内输送空气，以便氧化阻拦在所述颗粒过滤器中的碳黑颗粒，并且其中，

-在对所述颗粒过滤器进行再生的过程中与驾驶员对混合驱动装置的扭矩需求无关地控制所述内燃机的空气供给装置的节气门。

由此可以实现内燃机的高效的推力阶段，该推力阶段通过电动机的扭矩可以主动地设置。由此不需要为了实施再生而等待取决于行驶状况的推力滑行阶段，使得需要对颗粒过滤器进行更少的再生过程。在具有混合驱动装置的机动车中则可以当颗粒过滤器达到定义的最大负载状态时实施颗粒过滤器的再生阶段。推力滑行阶段在上下文中应理解为一种运行状态，在该运行状态下不向内燃机的燃烧室内喷射燃料并且内燃机不对曲轴输出驱动力矩。内燃机的牵引在上下文中应理解为一种运行状态，在该运行状态下电动机必须施加用于使内燃机转动的扭矩。在此，内燃机以大于100转/分钟、优选至少600转/分钟的转速转动，并且优选完全阻止将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。因为在颗粒过滤器进行再生时通过电动机牵引内燃机，所以内燃机在再生时用于将为了颗粒过滤器的再生所需的氧气输入到废气通道中。通过与负载需求无关地控制节气门可以由此通过节气门向颗粒过滤器输入为了理想的再生所需的氧气量。通过进一步打开节气门，可以实现颗粒过滤器的快速的再生，其中，通过关闭节气门减少空气输入并且阻止在颗粒过滤器上发生不可控的碳黑燃烧，这种碳黑燃烧可能导致颗粒过滤器损毁。由此，相对于伴随节气门关闭的不可控的再生，可以实现颗粒过滤器的明显更快的且有效的再生，由此可以更短时地保持电动机的牵引阶段并且机动车可以快速地重新在正常运行模式下运行。

通过在从属权利要求中提供的措施可以有利地优化和改进在独立权利要求中提供的用于对颗粒过滤器进行再生的方法。

在所述方法的有利的实施方式中规定，在颗粒过滤器的再生结束时关闭节气门。通过在再生结束时关闭节气门，在内燃机的进气道中产生负压，使得在较低的功率输出下可以实现内燃机的重新起动。由此，可以实现内燃机的特别柔和的耦合，从而提高机动车的驾驶舒适度。

在本发明的优选的设计方案中规定，在颗粒过滤器的再生开始时将节气门置于设定的位置。为了开始颗粒过滤器的定义的再生过程，有利的是，在再生开始时将节气门置于设定的位置，也就是说，在再生开始时确定地预设节气门的打开角度。

在此尤其优选的是，节气门的打开角度在再生过程开始时在30°至70°之间。为了快速地对颗粒过滤器进行再生而没有不可控的碳黑燃烧的危险和颗粒过滤器受热损毁的危险，有利的是，以部分打开的节气门开始再生过程。在此，在30°至70°之间的打开角度证明是非常合理的，因为这个打开角度是在足够快速的再生和限制氧气输入颗粒过滤器之间很好的折中。

按照所述方法的有利的实施方式规定，在不连续的步骤中关闭节气门。实施按照本发明的方法的可能性在于，节气门在不连续的步骤中从至少部分关闭的初始状态过渡到基本上关闭的终端状态。在此，这些步骤可以根据颗粒过滤器的再生的推进或者根据在颗粒过滤器上主导的温度情况进行选择。

在本发明的另外有利的实施方式中规定，节气门的打开角度从再生过程开始至再生过程结束连续地且始终地减小。通过持续地关闭节气门，颗粒过滤器从再生开始首先被输入相对较大量的氧气，从而导致颗粒过滤器上碳黑的快速燃烧。在此，可以通过关闭节气门阻止不可控的温度上升超过临界温度。此外，通过在内燃机重新起动之前关闭节气门而在内燃机的进气道中产生负压，由此可以实现内燃机平顺地重新投入运行并且实现内燃机的驱动功率的相应功率耦合到混合动力车辆的传动系中。由此，阻止内燃机发生骤然的重新起动，从而提高了驾驶舒适性和传动系的工作寿命。

在此特别优选的是，在颗粒过滤器的再生过程中，根据所述颗粒过滤器的温度和/或负载状态实施节气门的关闭过程。通过根据颗粒过滤器的温度和/或负载状态改变节气门的打开角度，可以特别快速地对颗粒过滤器实施再生，而没有颗粒过滤器热学受损的危险。

在本发明的优选设计方案中规定，在再生过程之前实施加热过程，其中，将颗粒过滤器加热到为了对碳黑进行氧化所需的温度范围。因为推力滑行运转通常伴随着在废气通道内的温度下降，可能需要的是，在开始再生之前加热废气通道并且由此将颗粒过滤器加热到再生温度。因为为了颗粒过滤器的再生既需要足够高的温度水平，也需要在废气通道内氧气过剩，所以这种加热阶段是用于达到温度水平的简单且有效的手段。氧气过剩如所述地通过内燃机的牵引运行实现，其中，内燃机将空气输入到废气通道内。

在此特别优选的是，颗粒过滤器的再生在多个步骤中实施，其中，交替地在加热阶段和再生阶段之间转换。如果颗粒过滤器的完全再生不能在推力滑行阶段实现，尤其因为废气温度低于下限值，则进行颗粒过滤器的多级的再生，其中交替地在颗粒过滤器的加热阶段和再生阶段之间转换。在此，内燃机在加热阶段和再生阶段均与机动车的传动系相连。在加热阶段中内燃机由自身的驱动转动，而在再生阶段中内燃机通过电动机被牵引并且由此转动。由此在整个再生阶段阻止内燃机的停机和与电动机的脱耦。通过多个再生阶段可以实现颗粒过滤器的完全的再生。

根据本发明的有利的改进方案规定，内燃机在加热阶段中以化学计量的燃烧空气比例运行。在化学计量的燃烧空气比中，在安置于颗粒过滤器之前的三元催化器上可以实现污染物特别好的转化。此外，内燃机的化学计量的燃烧空气比特别适合于加热废气，因为贫燃烧空气比通常伴随着内燃机的功率的降低并且富燃烧空气比通常由于不燃烧的燃料而导致废气的冷却。

在本发明的优选的实施方式中规定，在加热阶段中推迟内燃机的负载点，使得内燃机由于对蓄电池的充电过程必须额外地施加更多的负载。由此，在加热阶段提升了负载，而驱动力矩却不是有效推进的。由此，废气和由此颗粒过滤器在其它方面(例如车辆速度、发动机转速)相同的条件下比仅仅使用内燃机且通过内燃机驱动的机动车被更快地加热。

在本发明的优选的设计方案中规定，当对混合驱动装置的负载需求超过了确定的限值、尤其电动机的额定功率时，即使颗粒过滤器当前在工作中、但没有完全地被再生，仍通过节气门进行节流并且将内燃机从牵引运行模式转变到驱动模式。如果在再生时需要处于电动机的额定负载以上的负载，则可以中断颗粒过滤器的再生过程，以便提供内燃机和电动机的最大系统功率。在此，一直中断颗粒过滤器的再生，直至系统功率重新位于极限值以下为止，并且需要的内燃机的驱动扭矩和牵引力矩可以通过电动机产生。通过颗粒过滤器的多级的再生，可以短时间内提供整个系统功率，而不会由于过载使颗粒过滤器受损并且不用担心随后发生不可控的碳黑燃烧。

在优选的实施方式中规定，在颗粒过滤器的再生过程中推迟电动机的负载点，使得电动机施加驾驶员所希望的扭矩并且附加地牵引内燃机。由此，在对颗粒过滤器进行再生时可以通过电动机提供附加的功率，从而在不限制行驶行为的情况下实现再生过程。

特别优选的是，颗粒过滤器的再生对于机动车的有效推进的驱动力矩是力矩中性的，也就是说，在对颗粒过滤器进行再生时，电动机提供正好满足内燃机的牵引需要量的额外扭矩。由此，再生阶段可以对于机动车的驾驶员特别舒适地且几乎未被察觉地实施。通过将未燃烧的内燃机的摩擦功率置于动力系中，便开始对前述牵引力矩完全补偿。

在本发明的另外优选的设计方案中规定，所述方法在外源点火内燃机上实施。所建议的方法原则上在具有自燃式内燃机的混合动力车辆和外源点火内燃机中都可以实施。但是，根据柴油工艺的自燃式内燃机通常在相应的氧气过剩下运行，所以在柴油混合动力中提供用于颗粒过滤器再生的氧气挑战性很小。但在通常以化学定量的燃烧空气比运行的汽油混合驱动中，在此需要附加的措施用于向废气通道内引入氧气，以便对颗粒过滤器进行再生。因为外源点火内燃机不能在对功率、废气特性和/或舒适性没有限制地以贫燃烧空气比运行，所以所建议的方法提供的优点是，即使在中等的部分负载和较低的部分负载下也可以进行再生，例如在城市交通状况下运行时出现的情况。

按照本发明还建议一种用于机动车的控制设备，所述机动车具有混合驱动装置，通过所述控制设备实施所述方法。通过这种控制设备可以以简单的方式方法控制电动机和内燃机之间的功率分配，并且由此提供实施所述方法的前提。

按照本发明还建议一种机动车，具有混合驱动装置，所述混合驱动装置包括电动机和内燃机，其中，在所述内燃机的废气通道内布置有颗粒过滤器，并且所述机动车还具有用于控制内燃机和电动机的控制设备，其中，在对所述颗粒过滤器进行再生时，所述电动机牵引所述内燃机，并且所述内燃机将用于氧化阻拦在所述颗粒过滤器中的碳黑颗粒的空气输送到所述废气通道内。在这种内燃机中可以特别快速且高效地对颗粒过滤器进行再生，而这种再生不会使驾驶员感觉到并且不会导致舒适损失或功率损失。

本发明的另外优选的设计方案由其余的在从属权利要求中所述的技术特征获得。

在本申请中所述的本发明的不同的实施方式可以单独实施，也可以有利地相互组合。

以下在实施例中结合附图阐述本发明。在附图中：

图1示出按照本发明的机动车的第一实施例，所述机动车具有由内燃机和电动机组成的混合驱动装置；

图2示出按照本发明的具有混动驱动装置的机动车的另外的实施例；

图3示出按照本发明的用于在具有混合驱动装置的机动车中使颗粒过滤器再生的方法的流程图；和

图4示出按照本发明的用于在具有混合驱动装置的机动车中使颗粒过滤器再生的方法的另外的流程图。

图1示出具有混合驱动装置2的机动车1的示意图。所述混合驱动装置2包括内燃机10和电动机20，该内燃机10和电动机20通过传动系26可以使内燃机和电动机与共同的变速器46作用相连。内燃机10在进气端与空气供给装置30相连。在此，空气供给装置30沿新鲜空气的流动方向具有空气过滤器32、在空气过滤器32下游的空气流量计38、进一步位于下游的、涡轮增压器40的压缩机36和节气门34。内燃机10在排气端与废气通道12相连，在该废气通道中沿废气的流动方向布置有涡轮机18，所述涡轮机通过轴与涡轮增压器40的压缩机36相连。在涡轮机18的下游布置有催化器14和进一步位于下游的颗粒过滤器16。变速器46通过第一离合器48可以与内燃机10相连，并且通过第二离合器50可以与电动机20相连。在此，内燃机10和电动机20可以或者分别单独地、或者共同地驱动机动车1。为此，内燃机10通过变速器46与机动车1的第一驱动车桥相连，并且电动机20与机动车1的第二驱动车桥44相连。电动机20与蓄电池22连接，所述蓄电池为电动机20供电。电动机20和内燃机通过信号线路28与混合驱动装置2的控制设备10相连，控制设备将驾驶员的功率需求传递给两个驱动马达10、20。备选地，混合驱动装置2也可以设计有自吸式发动机，其中，在这种情况下省去具有压缩机36和涡轮机18的涡轮增压器40。

在图2中示出按照本发明的具有混合驱动装置2的机动车1的另外的实施例。内燃机10和电动机20在此优选横向于机动车1的行驶方向安置在机动车的前车厢中的发动机舱室内。备选地，内燃机10和电动机20也可以沿行驶方向布置。在内燃机10和变速器46之间布置有第一离合器48，内燃机10通过第一离合器可以与变速器46机械连接。该第一离合器48可以既设计为简单的换挡离合器，也可以设计为优选自动化的双离合器。在变速器46和电动机20之间设有另外的离合器50，该另外的离合器可以实现电动机20的耦连和脱耦。

在车尾部布置有用于内燃机10的油箱和用于电动机20的蓄电池22，以便实现机动车1的第一驱动车桥42、优选前桥与第二车桥、优选后桥之间的均匀的质量分布。备选地，油箱和/或蓄电池22也可以布置在机动车1的其它位置中。

内燃机10具有空气供给装置30，在空气供给装置中沿新鲜空气的流动方向布置有空气过滤器32和在空气过滤器32下游的空气流量计38。备选地，空气流量计38、尤其热膜空气流量计也可以集成在空气过滤器32中。在空气流量计38的下游布置有节气门34，通过节气门可以控制向内燃机10的燃烧室的空气输入。

电动机20和内燃机10可通过共同的传动系26相互连接，其中，通过离合器48和50可以建立或中断连接。通过闭合离合器48或50中的仅一个，机动车1能够可选地仅电气地通过电动机20或者仅通过内燃机10运行。如果两个离合器48和50闭合，则通过两个驱动机组10、20的助推运行可以实施回收、即对电动机20的蓄电池22充电或者实施电气的制动运行。变速器46与差速器相连，所述差速器通过驱动轴驱动第一驱动车桥42、尤其前车桥的车轮。

内燃机10具有废气通道12，在废气通道内布置有三元催化器14和颗粒过滤器16。为了控制内燃机10和电动机20设有控制设备24，所述控制设备通过第一信号线路28与内燃机10连接并且通过第二信号线路28与电动机20连接。

在正常运行时，机动车1以混合动力模式运行，在混合动力模式中驾驶员对特定的驱动马达10、20的希望扭矩通过控制设备24继续传递给内燃机10、电动机20或两个马达10、20。存储在控制设备24中的混合驱动装置2的运行策略规定，以何种方式方法满足驾驶员的意愿。在此通过在电动机20和内燃机10之间的分配，或者可以完全由电动机20提供驱动扭矩，或者完全由内燃机10提供。此外，在混合动力运行时，内燃机10可以产生比驱动机动车1所需的更多的扭矩，其中，额外的扭矩通过借助离合器50与电动机20的耦连被利用来对电动机20的蓄电池22充电。

当内燃机10激活时，内燃机的废气被导引经过废气通道12内的颗粒过滤器16。当混合动力驱动时，颗粒过滤器16被加载碳黑颗粒，直至达到颗粒过滤器16的最大允许的加载状态。

在图3中示出对颗粒过滤器16再生的流程图。在第一阶段i中，机动车以混合动力运行i，直至颗粒过滤器16到达最大允许的加载状态。在此，节气门34的打开角度α可以在0％至100％之间改变并且根据内燃机10的功率需求改变。最大允许的加载状态可以通过颗粒过滤器16上的压差测量或者通过碳黑输入和从颗粒过滤器16的碳黑输出的建模，借助存储在控制设备24中的计算模型得出。如果确定需要对颗粒过滤器16进行再生，则在第二阶段ii中将颗粒过滤器16加热到为再生所需的温度。在颗粒过滤器16的加热阶段ii之后是颗粒过滤器16的再生阶段iii。颗粒过滤器16的再生阶段iii可以如图4所示地在多个步骤iii1至iii5中实施，或者如图3所示地持续地实施。在图4中以五个再生步骤示出再生过程，但是也能够以更多或更少的再生步骤进行再生。此外，可以取消加热阶段ii，如果颗粒过滤器16在开始再生阶段iii时已经具有为氧化阻拦在颗粒过滤器16中的碳黑所需的温度。在加热阶段ii中内燃机10负载运行，直至到达上限温度tso。该上限温度例如是750℃，由此实现用于氧化阻拦在颗粒过滤器16内的碳黑的理想条件。加热阶段ii例如可以包括沿推迟的方向调整点火时间点和/或通过电动机10的发电机模式运行调整内燃机10的附加的载荷。在此，内燃机10优选以化学计量的燃烧空气比例运行。如果达到上限温度tso，则停止将燃料喷射到内燃机10的燃烧室内并且通过电动机20牵引内燃机10。在该再生阶段iii中，内燃机10通过电动机20被一同旋转，其中，内燃机10将空气输送到废气通道12中。再生阶段iii表示内燃机10的推力滑行阶段，当处于再生阶段iii时，氧化颗粒过滤器16中的碳黑，其中，由于在内燃机10的燃烧室中缺乏燃烧，废气温度下降。在此备选地，逐渐停止燃料向内燃机10的单个或所有气缸内的喷射。当处于再生阶段iii时内燃机10不提供驱动扭矩，从而所有的驱动扭矩必须由电动机20产生。在此，节气门34的打开角度α在开始颗粒过滤器16的再生时固定在一个固定值、例如50％，并且在颗粒过滤器16再生时进行节气门34连续的关闭，直至再生结束节气门34的打开角度α为0％，也就是说，实现新鲜空气量的最大的节流。保持再生阶段3，直至颗粒过滤器16上的温度达到约600℃的下限温度tsu。在温度以下不能再继续进行碳黑的氧化，从而必须重新开始加热过程ii。为了对颗粒过滤器16进行再生，可以交替地在加热阶段ii和再生阶段iii之间转换。在加热阶段ii和再生阶段iii之间的交替的转换一直重复，直至颗粒过滤器16可以看作已再生为止，这可以通过在颗粒过滤器16上的压差测量或者通过借助计算模型对加载状态的建模进行判断。通过在结束再生iii时关闭节气门34使得在内燃机10的废气通道内存在负压，该负压实现在内燃机10的燃烧室内非常柔和地复原燃烧。

在对颗粒过滤器16成功再生之后，机动车重新以混合动力模式i运行，并且颗粒过滤器16再次被加载碳黑颗粒。

在图4中示出对颗粒过滤器16进行再生的另外示图。在与图3基本上相同的流程中，节气门34在此在不连续的步骤中关闭，例如每个步骤分别关闭10％。在此，在开始颗粒过滤器16的再生iii1时以定义的、确定的打开角度α、例如60％打开节气门34，其中，在每个继续的步骤iii2至iii5中，节气门34继续关闭定义的比例，直至在结束颗粒过滤器16的再生时至少基本上关闭节气门，并且具有10％的最大剩余打开量。

如果在颗粒过滤器16再生时出现混合驱动装置2的超出电动机20的功率的负载需求，则关闭节气门34，以便使内燃机10容易投入运行。在此，一直中断颗粒过滤器16的再生阶段iii，直至存在用于颗粒过滤器16重新开始再生的条件为止。

通过按照本发明的方法实现用于在颗粒过滤器16上燃尽碳黑颗粒的特别高效的机构。通过借助电动机20实现的内燃机10的牵引运行，可以尽可能地与混合驱动装置2的负载点无关地控制向废气通道12内的氧气输入。为了牵引内燃机10所需的扭矩通过电动机20产生，使得颗粒过滤器16的再生对于机动车1的驾驶员是不可感知的并且是特别舒适的。

为了优化再生可以如所述地(尤其在加热阶段ii)推迟内燃机10的负载点并且在推力阶段推迟电动机20的负载点。在此，内燃机10在再生时不会通过机动车1的传动系与混合驱动装置2脱耦。由此实现针对颗粒过滤器16的特别简单的再生可行性。

附图标记列表

1机动车

2混合驱动装置

10内燃机

12排气通道

14催化器

16颗粒过滤器

18涡轮机

20电动机

22蓄电池

24控制设备

26传动系

28信号线路

30空气供给装置

32空气过滤器

34节气门

36压缩机

38空气流量计

40涡轮增压器

42第一驱动车桥

44第二驱动车桥

46变速器

48第一离合器

50第二离合器

s颗粒过滤器的碳黑负载

p颗粒过滤器再生的进度

t时间

α节气门的打开角度

αfix当通过方法实施再生时预设的打开角度

i混合动力运行

ii颗粒过滤器的加热过程

iii颗粒过滤器的再生过程

iii1再生的第一步骤

iii2再生的第二步骤

iii3再生的第三步骤

iii4再生的第四步骤

iii5再生的第五步骤