用于内燃机的废气再处理的方法和设备与流程

废气排放法规的连续收紧对车辆制造商提出了高的要求，该高的要求通过相应的用于减小发动机原排放的措施和通过相应的废气再处理装置解决。随着下一法律阶段eu6的推广，对于汽油发动机也规定了针对微粒数量的极限值。这可以导致的是，在一些模型中，使用汽油微粒过滤器可能是必需的。在行驶运行中，这种汽油微粒过滤器加载有烟灰。为了使废气背压不太强地升高，汽油微粒过滤器必须连续或周期性地再生。为了利用氧气执行在汽油微粒过滤器中被阻挡的烟灰的热氧化，足够高的温度水平结合汽油发动机的废气设施中的同时存在的氧气是必需的。由此，在微粒过滤器中积存的烟灰可以被氧化。因为现代汽油发动机通常在没有氧气过剩的情况下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。氧气进入废气通道通常在内燃机的推进阶段中进行，在推进阶段中没有燃料喷入燃烧腔内。为此备选地，作为措施例如考虑到汽油发动机的有时的贫油燃烧调节或者将次级空气吹入废气设施中。优选地，迄今为止使用汽油发动机的贫油燃烧调节，因为该方法在没有附加的构件的情况下是合适的，并且在汽油发动机的大多运行点中可以提供足够的氧气量。此外，为了监控和控制再生需要昂贵的传感器件。然而在这种贫油燃烧调节中不利的是，刚好在低的部分负荷运转中和在短路程行驶中没有达到为了再生微粒过滤器需要的再生温度。此外，在发动机的贫油燃烧调节期间，氮氧化物不能够充分地通过三元催化器转化，因为不存在针对氮氧化物的还原剂。

由de102010044102a1已知一种用于内燃机的废气再处理的方法，其中，内燃机在微粒过滤器再生期间利用化学计量的燃烧空气运行，并且为了再生微粒过滤器将次级空气吹入废气通道中。在此，次级空气量通过被动的惯性阀引入废气通道中，从而次级空气量的定量的调节是不可能的。

由de102011002438a1已知一种用于确定内燃机的废气通道中的微粒过滤器的加载的方法，其中在具有很小的废气体积的内燃机的运行状态中，在微粒过滤器的上游将次级空气引入废气通道中，以便增大体积流，并且因此改善压力差测量的结果，从压力差测量计算出微粒过滤器的加载状态。

由de102013220899a1已知一种用于再生内燃机的废气通道中的微粒过滤器的方法，其中，通过内燃机的发动机措施实现微粒过滤器的加热，并且其中，为了氧化在其中被阻挡的烟灰微粒，微粒过滤器被供应内燃机的贫燃烧混合物的剩余氧气，其中，通过内燃机的λ的调节实现用于在微粒过滤器上氧化烟灰的剩余氧气量的调节。

现在，本发明所要解决的技术问题是提供一种方法和设备，利用其达到针对再生微粒过滤器的足够高的温度水平，并且在再生微粒过滤器期间使有害物质排放保持尽可能少，从而微粒过滤器的再生基本上可以排放中性地(emissionsneutral)实现。

该技术问题通过一种用于内燃机的废气再处理的方法解决，内燃机具有废气通道和布置在废气通道中的三元催化器和布置在三元催化器的下游的微粒过滤器，该方法包括如下步骤：

-以化学计量的燃烧空气比运行内燃机，其中，在燃烧时形成的烟灰微粒在微粒过滤器中被阻挡，

-确定微粒过滤器的加载状态，

-当在确定加载状态时识别出微粒过滤器的再生的必要性时，开始微粒过滤器的再生，

-通过内燃机以低于化学计量的富燃的燃烧空气比并且同时在微粒过滤器的上游将次级空气引入废气通道中的运行来提升废气温度，其中，未燃烧的燃料成分放热地在废气通道中或在微粒过滤器上利用次级空气转换，

-再生微粒过滤器，其中，内燃机以化学计量的燃烧空气比运行，并且次级空气引入废气通道中，其中，

-引入废气通道中的次级空气的量通过λ探针在针对次级空气的导入部位的下游和微粒过滤器的上游调节。

通过根据本发明的方法，也可以在低的部分负载中或在短路程运行中将微粒过滤器加热到再生温度，并且随后再生微粒过滤器。在此，可以通过λ调节防止太多氧气到进入废气通道并因此可能导致烟灰的不受控的烧尽，并且导致微粒过滤器的与之相关联的热损坏。替代压力传感器和/或温度传感器地使用λ探针具有如下优点：可以在废气通道中的微粒过滤器的上游直接评估混合物质量。

通过在从属权利要求中提到的措施，可以有利地改进和改善独立权利要求中说明的用于再生微粒过滤器的方法。

在本发明的优选的设计方案中规定，在加热阶段中，通过次级空气引入，在三元催化器的下游和在微粒过滤器的上游调节废气通道中的化学计量的混合空气比。由此，可以将次级空气量调整为，使得在微粒过滤器的加热阶段期间，未燃烧的燃料成分完全在废气通道中和/或在微粒过滤器上利用来自次级空气供应装置的氧气转换，从而在加热阶段期间也没有导致一氧化碳(co)和未燃烧的碳氢化合物(hc)的排放恶化。

在该方法的优选的实施方式中规定，确定微粒过滤器的温度，并且在再生阶段中，将温度保持在微粒过滤器的再生温度以上。由此，微粒过滤器可以在连续的过程中再生，直到微粒过滤器的完全的烟灰加载被氧化为止。由此避免微粒过滤器的剩余加载，其导致更频繁的再生周期和与之相关联地导致内燃机的更多消耗。

在本发明的另外的优选的设计方案中规定，在达到微粒过滤器的上限温度时停止引入次级空气。通过停止引入次级空气来停止在微粒过滤器中被阻挡的烟灰微粒的放热的氧化，从而可以避免微粒过滤器的进一步的加热。因此，次级空气的λ调节可以有效地有助于微粒过滤器的构件保护。

在此特别优选的是，定量加料到废气通道中的次级空气量根据微粒过滤器的温度变化提高或减小。在此，在微粒过滤器温度升高时，在微粒过滤器的再生期间一直限制次级空气量，直到温度升高结束为止。在微粒过滤器的温度下降时，在再生期间提高次级空气量，以便通过微粒过滤器上的氧化提高烟灰转换，并且为了使微粒过滤器的温度在再生期间没有下降到再生温度以下并且不能够氧化另外的烟灰微粒，通过放热反应稳定或提高微粒过滤器的温度。

备选地或附加地规定，引入废气通道中的次级空气量随着微粒过滤器的再生的增大和微粒过滤器的加载程度的降低而提高。刚好在很强加载的微粒过滤器中和高的废气温度中存在如下危险，在废气通道中的过大的氧气浓度导致在微粒过滤器上的不受控的烟灰燃烧和微粒过滤器的与之相关联的热损害。微粒过滤器的加载越少，那么在微粒过滤器中被阻挡的烟灰微粒的进一步的氧化就越少。为了使反应速度在再生过程结束时不太强地下降并且微粒过滤器上的温度不下降到再生温度以下，氧气量可以通过附加的次级空气在再生期间提高。

备选地有利地规定，为了再生微粒过滤器，多次在加热阶段与再生阶段之间交替变更。因此可以确保的是，一方面在再生微粒过滤器期间不导致构件的过热和损害，并且再生过程每当温度下降到再生温度以下之后又开始，直到完全实现微粒过滤器的再生。

根据该方法的改进方案规定，温度在微粒过滤器的再生期间保持在再生温度与上限温度之间的温度区间内。在该温度区间内，在微粒过滤器中被阻挡的烟灰微粒的有效的和快速的氧化是可能的，其中，微粒过滤器的热稳定性没有下降并因此微粒过滤器的使用寿命缩短。

在此特别有利的是，温度区间在600℃至750℃的范围内。600℃以上的温度在现有的微粒过滤器中证实为对于烟灰微粒的氧化是高效的。在此，微粒过滤器持续承受最大750℃的温度，而不会导致对微粒过滤器的损害。

根据该方法的另外的改进方案规定，次级空气量调节为，使得在微粒过滤器再生期间形成在微粒过滤器的上游的1.05至1.4的混合空气比λm。因此，在没有不受控的烟灰燃烧的情况下在微粒过滤器中被阻挡的烟灰的氧化是可能的。特别有利的是1.1<λm<1.25的范围，因为在该范围内达到在烟灰氧化时的足够大的转换率，以便确保微粒过滤器的快速的再生。

在该方法的优选的进一步改进中规定，次级空气量调节为，使得在微粒过滤器的下游形成化学计量的废气。在此，通过次级空气引入提供对于烟灰颗粒的化学计量的氧化来说所需量的氧气。因此，烟灰颗粒的氧化基本上可以排放中性地执行，并且不形成附加的有害的通过微粒过滤器的再生导致的次级排放。

根据该方法的有利的实施方式规定，只有当微粒过滤器达到处于微粒过滤器的再生温度以上的至少30°，优选至少50°的温度时，才结束加热阶段。因此确保的是，在烟灰微粒的最初很少的放热的氧化的情况下也没有立即又下降到再生温度以下，并因此再生停止。

根据优选的实施方式规定，在次级空气线路上布置有次级空气泵。通过次级空气泵，即使在很低的发动机加载的情况下也可以产生足够大的压力降，以便将空气相对废气背压输送到废气通道中。备选地，在内燃机中，可以利用电动驱动的压缩机将次级空气也从压缩机下游的进气管道中提取，并且导入废气通道中。因此，在充电的发动机中可以省掉附加的压力产生器，例如次级空气泵，并且从内燃机的抽吸管路提取次级空气。

根据本发明建议了一种用于内燃机的废气再处理的设备，设备具有废气通道、布置在废气通道中的三元催化器、在废气通道中在三元催化器的下游布置的微粒过滤器以及次级空气供应装置，其中，在三元催化器与微粒过滤器之间设置有针对来自次级空气供应装置的次级空气的导入部位，以及设备具有布置在三元催化器的上游的第一λ探针和布置在导入部位的下游和微粒过滤器的上游的第二λ探针，其中，该设备设置用于执行根据本发明的方法。

本发明的另外的优选的设计方案由其余的在从属权利要求中提到的特征得到。

如果在某些情况下没有另行说明，则本发明的不同的在本申请中提到的实施方式可有利地相互组合。

本发明随后在实施例中借助附图阐述。其中：

图1示出了内燃机，其具有三元催化器和在三元催化器下游布置的微粒过滤器和用于执行根据本发明的方法的次级空气供应装置，

图2示出了内燃机的废气通道和用于控制根据本发明的方法的λ传感器件，和

图3示出了根据本发明的用于产生微粒过滤器的方法的流程图。

图1示出了形式为装载有涡轮增压机32的汽油发动机的内燃机10，其具有进气通道26和废气通道12。在进气通道12中布置有压缩机28、节流阀34和增压空气冷却器36。在废气通道12中，沿内燃机10的废气的流动方向布置有涡轮增压机32的涡轮38，该涡轮38通过驱动轴40驱动涡轮增压机32的压缩机28。备选地，压缩机28也可以构造为机械驱动的压缩器或电动压缩机。

沿内燃机10的废气通过废气通道12的流动方向，在涡轮38的下游，三元催化器14布置在废气通道12中。在此，三元催化器14优选靠近发动机地布置，以便能够实现将三元催化器14快速加热到点火温度，并且因此能够实现有害物质的高效的转化。靠近发动机的布置在此理解为在内燃机10的出口后具有最多50cm，尤其是最多30cm的平均废气运行路径的布置。在三元催化器14的下游设置了用于将次级空气引入废气通道12中的导入部位20。在导入部位20上连接有次级空气供应装置18，该次级空气供应装置18包括次级空气阀42和次级空气线路44，其中，次级空气线路44将压缩机28的上游的进气通道26的区段与废气通道12连接。在此，在次级空气线路44上设置有次级空气泵48，利用该次级空气泵可以产生相对于废气通道12中的压力提高的压力。备选地，次级空气线路44也可以连接周围环境与废气通道12。在此，次级空气线路44在次级空气阀42上或导入部位20上，在三元催化器14的下游和微粒过滤器16的上游通入废气通道12中。沿内燃机10的废气通过废气通道12的流动方向，在三元催化器14的上游设置有第一λ探针22，利用该第一λ探针22调节内燃机10的燃烧空气比λe。在导入部位20的下游和微粒过滤器16的上游设置有第二λ探针24，利用该第二λ探针24可以通过次级空气阀42控制引入废气通道12中的次级空气量。在此，第一λ探针22、第二λ探针24和次级空气阀42通过信号线路46与内燃机10的控制装置30连接，以便能够实现吹入废气通道12中的次级空气量的调节。

在图2中再次简化地示出具有废气通道12的内燃机10。在废气通道12中，在内燃机10的下游和三元催化器14的上游布置有用于控制内燃机10中的燃烧空气比的第一λ探针22。在三元催化器下游存在用于将次级空气引入废气通道12中的调节电路，其中，调节电路包括至少一个次级空气供应装置18和在次级空气供应装置18的导入部位20的下游并且在微粒过滤器16的上游布置的第二λ探针24。

在内燃机运行时形成的烟灰通过微粒过滤器16阻挡，其中，微粒过滤器16加载有内燃机10的烟灰微粒。如果探测到微粒过滤器16的烟灰加载的确定的阈值，这例如可以通过在微粒过滤器16之前和之后的压力差测量或通过基于模型的计算实现，那么就开始微粒过滤器16的再生过程。为此，首先在进入微粒过滤器16之前将内燃机10的废气温度提高到至少600℃的再生温度tr。优选地，微粒过滤器16具有催化涂层，以便使未燃烧的碳氢化合物、一氧化碳和/或氢放热地在微粒过滤器16的表面上氧化。首先检验微粒过滤器16是否具有所谓的例如大约350℃的“点火温度”。由此确保的是，燃料的来自内燃机10的废气的未燃烧的组成部分可以在微粒过滤器16上放热地氧化。如果存在微粒过滤器16的点火温度，那么微粒过滤器16进一步加热到至少达到再生温度tr。为此，内燃机10利用富燃料混合物运行，该富燃料混合物优选具有大约0.9的燃烧空气比λe。混合物的未燃烧的组成部分，尤其是一氧化碳、碳氢化合物和氢与燃烧产物一起导入废气设施12中。通过在压缩机28的下游在进气通道26中截取空气并且将该空气通过次级空气线路44和次级空气阀42导入废气通道12中，燃料的未燃烧的组成部分可以在下游微粒过滤器16上放热地转换。通过经由次级空气供应装置18外部输送空气和富燃的发动机运行，大量废气焓可以引入微粒过滤器16中。为了监控或调节废气焓需要昂贵的传感器件，该传感器件包括压力传感器、温度传感器和第二λ探针24。内燃机10的燃烧空气比λe可以预控制地调节，从而形成期望的目标温度。同时，由内燃机10的燃烧空气比和引入的次级空气构成的混合空气比λm通过在导入部位20下游和微粒过滤器16的上游的第二λ探针24测量。在微粒过滤器16的加热阶段期间，混合空气比调节为λm＝1，从而在微粒过滤器16的催化涂层上的排放可以转换，并且微粒过滤器可以实现其最佳的废气清洁作用。

如果加热阶段结束并且达到微粒过滤器18的再生温度tr以上的温度，那么就转变为再生阶段。为此，内燃机10又以化学计量的燃烧空气比λe＝1运行。由此，内燃机10的废气的所有有害物质可以在再生阶段期间在三元催化器14上完全转换。为了提供用于再生微粒过滤器16的氧气，此外将次级空气吹入废气通道12中。期望的混合空气比，例如λm＝1.1可以通过经由次级空气阀42相应调节次级空气来调节。由此例如确保的是，在微粒过滤器16中被阻挡的烟灰的转换率不太高，这在其他情况下可以导致微粒过滤器16的热损害。如果在进入微粒过滤器16中的入口处的温度在再生期间下降，那么次级空气的量提高，以便提高在微粒过滤器上被阻挡的烟灰的转换率，并且因此提高废气温度teg。微粒过滤器16的这种根据本发明的再生在图3中示出。微粒过滤器16的再生一直维持，直到微粒过滤器16完全再生为止，这可以通过压力差测量或同样通过用于烟灰进入和烟灰排出的计算模型确定。在微粒过滤器16的完全再生后，次级空气供应装置18在微粒过滤器16的重新的加载阶段中被关断，并且发动机和整个废气系统又加载有化学计量的燃烧空气混合物λe＝1。

在第一阶段i中，内燃机10以化学计量的燃烧空气比λe＝1运行，并且烟灰微粒在微粒过滤器16中被阻挡。在此，次级空气供应装置18被关断，并且没有另外的氧气引入内燃机10的废气通道12中。在也被称为加热阶段的第二阶段ii中，外部的空气输送通过次级空气供应装置18激活，并且内燃机10以低于化学计量的富燃的燃烧空气比λe<1运行，从而在导入部位20的下游形成化学计量的混合空气比λm＝1。

在也被称为再生阶段的第三阶段iii中，内燃机10以化学计量的燃烧空气比λe＝1运行，并且次级空气引入连续提高，直到微粒过滤器16完全再生为止。在此，在废气通道12中，在导入部位20的下游形成高于化学计量的贫燃的混合空气比λm>1。如果微粒过滤器16完全再生，那么次级空气供应装置18又被关断，并且内燃机10在新的加载阶段1中又以化学计量的燃烧空气比λe＝1运行。燃烧空气比λe在图3中利用实线示出，在导入部位20的下游的混合空气比λm利用点线示出，并且通过次级空气供应装置18引入的次级空气利用虚线示出。

附图标记清单

10内燃机

12废气通道

14三元催化器

16微粒过滤器

18次级空气供应装置

20导入部位

22第一λ探针

24第二λ探针

26进气通道

28压缩机

30控制装置

32涡轮增压机

34节流阀

36增压空气冷却器

38涡轮

40驱动轴

42次级空气阀

44次级空气线路

46信号线路

48次级空气泵

λe内燃机的燃烧空气比

λm在次级空气引入的下游的废气通道中的混合空气比

teg废气温度

tpf微粒过滤器的温度

tr微粒过滤器的再生温度

tso上限温度

δtpf微粒过滤器在再生期间的温度变化