专利名称：用于废气净化设备的温度管理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在内燃机废气通道中的废气净化设备的温度管理的方法，其中在废气通道中或者在废气净化设备上安装至少一个热电发电机。本发明还涉及相应的用于实施该方法的装置。
背景技术：
在改善汽车燃料的能量利用范围内致力于利用在热废气中含有的能量。一种选择是热电发电机(TEG)，它们安装在内燃机废气通道中的零部件上。热电发电机利用由于塞贝克效应在半导体材料如Bi21Te^ PbTe, SiGe, BiSb, FeSi2上产生的电压差，如果由这些半导体材料制成的物体的两个部位具有不同的温度的时候。在此对于规定的温度差，电压差取决于材料的塞贝克系数，它受到半导体材料掺杂的影响。为了达到实际可利用的电压，在热电发电机中串联热电元件。在此对于元件交替地使用P掺杂和η掺杂的材料，由此使电压相加。在热电元件上产生的电压在很大程度上与其端部之间的温度差成比例。另一方面已知，通过热电材料通电可以产生热量(珀耳帖效应)，由此可以实现热泵运行。在专业杂志MTZ (2009/4版)或ATZ (2010/4版)中描述了这种热电发电机在汽车领域中的典型应用以及其用于废气通道的热管理系统中的集成的初步可能。废气后处理的现有技术对于奥托发动机在均质的以λ =1运行的发动机中是三元催化器，并且在贫油(λ >1)运行的发动机中是NOx存储催化器。而三元催化器从起燃温度起连续工作并且根据安装位置(靠近发动机或远离发动机)必要时必须通过冷却措施防止过热，存储催化器的特点在于不连续的工作方式(交替地存储NOx和脱NOx和脱SOx再生)。 这种运行的不同阶段对于其原理的或最佳的工作方式提出不同的热需求。例如在贫油运行中以良好的效率只在约250至400°C的中等温度范围才存储NOx，而两个再生方式除了富油的混合条件以外也要求最低温度。另一方面这个存储催化器也经受热老化，如果超过另一边界温度水平的时候。这要相应地避免。因为贫油运行比均质运行更加有利于消耗，因此在足够的排放最小化时致力于通过存储催化器扩大贫油运行范围。在目前的柴油发动机中使用氧化催化器，它们在其要求方面与三元催化器类似， 并且在奥托发动机中使用上述的NOx存储催化器。因为柴油发动机除了脱NOx/脱SOx再生以外有利地只能贫油运行，因此优化存储范围从排放观点来看是有价值的目标。在柴油发动机中为了减少NOx排放替代NOx存储催化器也使用SCR催化器 (SCR=Selektive Katalytische Reduktion (选择性催化还原))。这需要配量还原剂、通常是尿素-水混合物到SCR催化器前面的排气系中，由此同样在确定的温度范围中仍然可以连续地还原在废气中含有的替代NOx。在此为了优化SCR运行附加地定义NO2与NO的比例是有利的，该比例仍然可以在上游设置的氧化催化器中在相应的温度下调整。在SCR系统中附加地由于在废气中尿素-水混合物制备的边界条件还存在热限制。由于在较低废气温度时通过壁涂覆难以溶解的淀积物的隐患，只能从最低温度起进行配量。同样优选在确定的温度范围中开始去除淀积物。
在许多汽车市场中柴油颗粒过滤器(DPF)自一段时间以来已经是标准并且同样具有不连续的工作方式(过滤/再生)，其中尤其在确定的热边界条件(用于燃烧炭黑和避免热损伤的最低温度)下进行再生。对于连续形式的再生在形成NO2的情况下与氧化催化器的共同作用是重要的，它同样优选在温度范围中运行。为了满足奥托发动机和柴油发动机在废气后处理上多层面的要求，在汽车应用中作为现有技术导入大量的发动机控制措施，用于形成混合物并且调整热的边界条件(冷却或加热)，例如(后)喷射策略、富油混合物、节流或废气回输(AGR)。部分加热措施也通过废气系统中的附加装置(燃烧器、电加热器)实现。但是现有技术根本未涉及使用热电发电机或者只不充分地包括到废气后处理的运行策略中。
发明内容
由此本发明的目的是，提供一种方法和装置，通过它可以将热电发电机完全包括到废气后处理设备的热管理中。与方法相关的目的通过权利要求1至7的特征得以实现。与装置相关的发明目的由此实现，在内燃机的发动机控制器中或在单独的控制器中可将热电发电机(TEG)的运行方式包括到废气净化设备的温度管理中，其中在控制废气通道中的废气流时或者为了控制废气净化设备可以分析热电发电机的可达到的加热或冷却能力以及其附加部件的用于冷却热电发电机的冷却能力，并且规定热电发电机的以及其用于冷却的附加部件的运行方式。按照本发明的方法规定，所述热电发电机的运行方式包括到废气净化设备的温度管理中，其中在控制废气通道中的废气流时或为了控制废气净化设备，考虑热电发电机的可达到的加热或冷却能力以及其附加部件的用于冷却热电发电机的冷却能力。通过按照本发明的方法并借助于相应的装置得到在废气净化设备的整个系统构造方面的特殊的改善可能，其中可以实现热电发电机相对于废气净化设备部件的最佳安装位置，并且在完全将热电发电机的所有运行可能包括到所有的废气后处理部件的热管理中。由此有利地得到，由于完全包括TEG运行方式在相同的废气净化设备功能时实现更有效消耗或者说以最小排放为基础提高废气后处理系统的能力。通过这种优化可以省去用于加热/冷却的可能的附加装置。如果例如对于内燃机的确定运行方式在热电发电机的发电机运行中热电发电机的冷却能力被有针对性地用于在废气通道中降低温度或用于保持确定的最高许用的温度水平，可以在发动机的确定运行方式中在相同的行驶条件下使废气温度保持在比在没有 TEG的系统中更低的水平。由此例如可以使NOx存储催化器的存储范围扩大到更大的负载范围，由此得到排放优点和消耗优点，通过排放优点在更大的范围实现奥托发动机的可能的贫油运行。以类似的方式可以保证催化覆层的废气后处理部件免受热损伤。对于奥托发动机可以减少或者完全省去用于冷却的混合气富油。由此得到消耗优点。间接地通过改善的热保护得到在废气净化设备使用寿命上的排放改善。另一方面也可以对于内燃机的确定运行方式在热电发电机的热泵运行中热电发电机的加热能力被有针对性地用于在废气通道中提高温度或用于保持确定的最低的温度水平，用于例如实现废气中的确定的最低温度。
所述热电发电机的发电机运行和热泵运行的交替可以有利地用于控制再生运行方式，例如在颗粒过滤器或者在NOx存储催化器中，并由此保持确定的温度范围。通过热电发电机支持的热管理部分可以与行驶运行无关地保持再生运行。更可靠的完全地实施再生提供了由于避免多次加热废气设备在燃料消耗方面的优点和由于对于新的存储阶段连续工作的系统更早地做好运行准备方面的排放优点。已经在文献中建议过，为了加热废气后处理部件、例如三元催化器使TEG纯热泵运行，用于更快地达到起燃温度。所建议的扩展的运行策略的优点是，形成用于备选的加热措施和TEG的旁路运行的更多消耗的准则，由此可以根据运行状况和其它边界条件选择最佳的策略。在旁路运行时作为热电发电机的附加部件设有旁路阀，它与热电发电机并联地设置在废气通道中并且通过旁路阀在需要情况下使太热的废气流绕过热电发电机。附加或备选地作为其他附加部件可以规定，可以控制冷却循环用于调节废气净化设备的温度，通过冷却循环在需要时可以冷却热电发电机，用于优化其效率或其电功率。对于TEG现有的冷却循环也可以选择或附加地增加直接设置在废气流中的热交换器，用于由此得到废气温度管理的另一可能。关于热电发电机和废气后处理的集成运行策略特别有利的是，废气净化设备的至少一个部件要求最佳的温度带，该温度带在正常的汽车运行中可以被部分地低于和部分地超越，于是在最佳的运行策略中可以规定，对于废气净化设备的温度管理在热电发电机的运行策略中利用至少一个下面的准则。它们可以是
-通过热电发电机的发电机运行或热泵运行获取能量或消耗能量， -通过热电发电机的发电机运行或热泵运行减少或增加废气热量， -通过利用冷却循环的冷却能力降低废气温度， -根据温度降低废气净化设备的排放， -通过热电发电机的热泵运行(废气加热)消耗更多燃料，
-通过备选的发动机内部的和/或附加的废气加热措施(例如燃烧器)消耗更多燃料， -通过中断不连续工作的废气净化设备的再生运行方式消耗更多燃料， -通过加热或冷却措施扩大有利消耗的发动机运行方式来降低燃料消耗。在另一方法变化中也可以规定，对于多个废气净化设备或者多个热电发电机，单独地检测并分析用于废气净化设备的和/或热电发电机的不同部件和其附加部件的准则。 在这种情况下利用过程控制权衡这些准则并且以整个分析为基础选择热电发电机和废气后处理部件的运行策略。因此在优选的装置变化中规定，在发动机控制器或在单独的控制器中实施过程控制，它包括作为部件的信号检测单元、计算单元、分析单元、控制单元和调整信号输出机构。 在此规定，利用信号检测单元可以检测安装在气缸组上的传感器的、热电发电机的以及其附加部件的以及安装在废气净化设备中的传感器的测量信号并且通过调整信号输出机构可以控制气缸组中的、热电发电机上的和其附加部件(冷却回路，旁路阀)上的以及废气净化设备上的致动器。在此在计算单元内部计算运行准则，其中由传感器信号并且在附加地利用用于计算预计的运行值、如排放、废气温度和更多消耗燃料的模型的情况下可以形成上述的准则。在分析单元内部进行的分析可以包括发动机的和至少一个热电发电机的和至少一个废气后处理部件的运行准则。可以根据其它边界条件如行驶状况、部件的老化状态和电池充电状态可以权衡准则和分析。用于热电发电机、冷却循环、旁路阀和废气后处理设备的控制策略(它在控制单元内部确定)可以由运行准则的加权的分析推导出来，并且目的是同时优化燃料消耗和排放。在此具有其上述功能单元的过程控制的功能性作为硬件和/ 或软件可以在控制器或在上级的发动机控制器中实施。此外单个功能单元也可以组成复杂的单元。TEG在其发电机运行中在其热电的材料上的温度差越高具有越高的功率。因此在优选的装置变化中规定，所述热电发电机在废气通道中在废气的流动方向上设置在废气净化设备前面，即靠近发动机。因此如果它安装在废气系统的排放最小的部件前面，则发电机运行伴随从废气提取热量是双重有利的，如果这个部件的排放最小化在汽车/发动机的运行范围中或者其热稳定性通过达到最大许用废气温度限制或者排放有利的运行方式只能保持直到边界温度的时候。这在催化剂覆层时是这种情况，其从达到边界温度开始由于熔化经受催化有效表面损坏，例如在三元催化器、氧化和NOx存储催化器中是这种情况。如果在贫油运行中在NOx存储催化器中存储时或者在富油运行中再生NOx存储催化器时超过与覆层材料有关的最高温度时，则必需结束这种运行方式。由此必须转换到例如消耗不利的运行中。通过提前中断并且后期再接受再生，产生更多消耗，或者废气系统在存储催化器的不完全再生的情况下暂时不能全部用于排放最小化。必要时在TEG与废气后处理部件之间的废气流中与接着的TEG的冷却循环支持地布置热交换器是有利的，如果TEG单独在发电运行中的最大冷却能力不足够的时候。对于废气系统中的部件(其排放最小化在各排放测试中很大程度上取决于达到起燃温度)有利的是，所述热电发电机在废气通道中在废气的流动方向上设置在废气净化设备后面，或者在布置在废气净化设备前面时作为气缸组与废气净化设备之间的附加部件具有与热电发电机并联设置的可控的旁路阀。另一可能性是TEG作为热泵在废气设备的加热运行中运行。例子仍然是三元催化器(起燃温度)或者在温度范围中NOx催化器的最佳的存储效率。所述废气系统的许多排放最小化的部件对于其最佳运行不仅具有下温度边界而且具有上温度边界。在这种情况下为了优化TEG的利用和废气后处理，强制地需要TEG在这个部件前面的安装位置、TEG的灵活运行策略(发电机和热泵)和旁路控制。因此按照本发明的装置特别适合于废气净化设备，它们由颗粒过滤器、三元催化器或者NOx存储催化器构成。如上所述，本发明与其方法变化的优选应用在奥托发动机或柴油发动机中。
下面借助于在附图中所示的实施例详细解释本发明。附图中 图1以示意图示出在内燃机废气通道中的热电发电机，
图2示出热电发电机在废气通道中的备选布置， 图3示出具有附加的用于达到最佳的温度范围的部件的热电发电机， 图4以示意图示出控制器，通过其主功能单元与内燃机部件的交互作用。
具体实施方式
图1简示出内燃机1，具有气缸组10和设置在废气通道20中的废气净化设备40。 在废气净化设备40上沿废气流动方向在废气净化设备40前面这样安装热电发电机30，使得从热废气一侧加热，而另一侧对准外面并且具有更低的温度。由此如上所述可以从在废气中含有的热能检测电能。这个布置是特别适合的，如果热电发电机30以发电机运行运行并因此可以从废气中提取热能的时候，使废气后处理设备40免受太高的温度并由此免受可能的热损伤。在图2中同样简示出一种布置，其中热电发电机30与图1不同沿废气流动方向在废气通道20中设置在废气净化设备40的后面。这个布置在废气净化设备40的下边界温度(起燃温度)的可达性方面是有利的，因为在发电机运行中提取热量不影响废气净化设备 40前面的废气温度。在图3中示出一种布置变化，其中如图1所示热电发电机30沿废气流动方向在废气通道20中设置在废气净化设备40的前面，其中安装附加的用于冷却热电发电机30的部件。附加部件是可控的旁路阀60，它在气缸组10与废气净化设备40之间与热电发电机30 并联地设置并且用于保护热电发电机30。在温度太高时旁路阀可以至少部分地打开，由此可以降低热电发电机30的温度负荷。另一用于保护热电发电机30以及用于提高效率的部件是冷却循环50。它一方面负责在发电机运行中更高的温度差并由此负责更高的发电机电压。另一方面通过其施加的冷却功率也可以起到降低废气温度的作用，这在废气净化设备40的特定运行方式中可以起到积极的作用。但是为了提高废气净化设备40前面的废气温度也可以规定，或者打开旁路阀60 并且使热电发电机30附加地作为热泵工作，或者只打开旁路阀60。由此例如可以相当快速地达到最低温度(起燃温度)，如同其例如在颗粒过滤器(DPF)在再生运行中所需的那样。为了控制这个复杂的运行模式，按照本发明设有控制器70，如同图4结合在图3中所述结构简示的那样。通过控制器70可以将热电发电机30的运行方式包括到废气净化设备的温度管理中，其中在控制废气通道20中的废气流时或者为了控制废气净化设备40，可以分析可达到的热电发电机30的加热或冷却能力以及其用于冷却热电发电机30的附加部件的冷却能力，并且规定热电发电机30以及其用于冷却的附加部件的运行方式。在控制器70中实施过程控制，它包括作为部件的信号检测单元71、计算单元72、 分析单元73、控制单元74和调整信号输出机构75。通过信号检测单元71可以检测气缸组 10、热电发电机30以及其附加部件以及废气净化设备40的测量信号。通过调整信号输出机构75可以控制气缸组10中的、热电发电机30上的和其附加部件上的以及废气净化设备 40上的致动器，由此可以实现热电发电机30与废气后处理设备40的集成运行策略。过程控制的功能性可以作为软件或硬件在控制器70中实施。此外可以规定，也可以在上级的发动机控制器或汽车控制器中实现过程控制的功能性。
权利要求
1.一种用于在内燃机(1)的废气通道(20)中的废气净化设备(40)的温度管理的方法， 其中在废气通道(20)中或者在废气净化设备(40)上安装至少一个热电发电机(30)，其特征在于，所述热电发电机(30)的运行方式包括到废气净化设备(40)的温度管理中，其中在控制废气通道(20)中的废气流时或为了控制废气净化设备(40)，考虑热电发电机(30)的可达到的加热或冷却能力以及其附加部件的用于冷却热电发电机(30)的冷却能力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于内燃机(1)的确定运行方式在热电发电机(30)的发电机运行中热电发电机(30)的冷却能力被有针对性地用于在废气通道(20)中降低温度或用于保持确定的最高许用的温度水平。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于内燃机(1)的确定运行方式在热电发电机(30)的热泵运行中热电发电机(30)的加热能力被有针对性地用于在废气通道(20)中提高温度或用于保持确定的最低的温度水平。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电发电机(30)的发电机运行和热泵运行的交替用于控制再生运行方式并由此保持确定的温度范围。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，为了调节废气净化设备(40) 温度控制作为热电发电机(30)的附加部件的旁路阀(60)和/或冷却循环(50)，所述旁路阀与热电发电机(30)并联地设置在废气通道(20)中并且通过所述旁路阀在需要时使太热的废气流绕过热电发电机(30 )，通过所述冷却循环在需要时冷却热电发电机(30 )。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对于废气净化设备(40)的温度管理，在热电发电机(30)的运行策略中利用至少一个下面的准则-通过热电发电机(30)的发电机运行或热泵运行获取能量或消耗能量， -通过热电发电机(30)的发电机运行或热泵运行减少或增加废气热量， -通过利用冷却循环(50)的冷却能力降低废气温度， -根据温度降低废气净化设备(40)的排放， -通过热电发电机(30)的热泵运行消耗更多燃料， -通过备选的发动机内部的和/或附加的废气加热措施消耗更多燃料， -通过中断不连续工作的废气净化设备(40)的再生运行方式消耗更多燃料， -通过加热或冷却措施扩大有利消耗的发动机运行方式来降低燃料消耗。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对于多个废气净化设备(40)或者多个热电发电机(30)，单独地检测并分析用于废气净化设备(40)的和/或热电发电机(30)的不同部件和其附加部件的准则。
8.在奥托发动机或柴油发动机中如权利要求1至7中任一项所述的方法的应用。
9.用于在内燃机(1)的废气通道(20)中的废气净化设备(40)的温度管理的装置，其中在废气通道(20)中或者在废气净化设备(40)上安装至少一个热电发电机(30)，其中利用传感器在发动机控制器中能分析内燃机(1)和废气净化设备(40 )的运行状态数据，并且为了调节废气温度可以导入发动机内部的措施或附加措施，其特征在于，在发动机控制器中或在单独的控制器(70 )中能将热电发电机(30 )的运行方式包括到废气净化设备(40 )的温度管理中，其中在控制废气通道(20)中的废气流时或者为了控制废气净化设备(40)可以分析热电发电机(30)的可达到的加热或冷却能力以及其附加部件的用于冷却热电发电机(30)的冷却能力，并且能规定热电发电机(30)以及其用于冷却的附加部件的运行方式。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，在发动机控制器或在所述单独的控制器 (70)中实施过程控制，它包括作为部件的信号检测单元(71)、计算单元(72)、分析单元 (73)、控制单元(74)和调整信号输出机构(75)，其中利用信号检测单元(71)可以检测气缸组(10)的、热电发电机(30)以及其附加部件的以及废气净化设备(40)的测量信号，并且通过调整信号输出机构(75)可以控制气缸组(10)中的、热电发电机(30)上的和其附加部件上的以及废气净化设备(40)上的致动器。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述热电发电机(30)在废气通道 (20)中在废气的流动方向上设置在废气净化设备(40)前面。
12.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述热电发电机(30)在废气通道 (20)中在废气的流动方向上设置在废气净化设备(40)后面，或者在布置在废气净化设备 (40)前面时作为气缸组(10)与废气净化设备(40)之间的附加部件具有与热电发电机(30) 并联设置的可控的旁路阀(60 )。
13.如权利要求9至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述废气净化设备(40)作为颗粒过滤器、三元催化器、SCR催化器或者作为氮氧化物存储催化器构成。
全文摘要
用于废气净化设备的温度管理的方法和装置。本发明涉及一种用于在内燃机废气通道中的废气净化设备的温度管理的方法，其中在废气通道中或者在废气净化设备上安装至少一个热电发电机。所述热电发电机的运行方式包括到废气净化设备的温度管理中，在控制废气通道中的废气流时或为了控制废气净化设备，考虑热电发电机的可达到的加热或冷却能力以及其附加部件的用于冷却热电发电机的冷却能力。本发明还涉及相应的用于在内燃机的废气通道中的废气净化设备的温度管理的装置。通过完全将热电发电机的冷却或加热能力包括到废气净化设备的运行方式中，改善废气净化设备的效率，并且改善温度管理和降低燃料消耗，这尤其可以有利地在奥托发动机或柴油发动机中使用。
文档编号F01N3/02GK102444456SQ201110304378
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年10月11日
发明者达米茨 J. 申请人:罗伯特·博世有限公司