用于使颗粒过滤器再生的方法与流程

目前的和将来日益严格的废气排放法规对发动机未处理排放和内燃机废气后处理提出了很高的要求。随着对于汽油发动机的EU6排放标准的提出，规定了用于颗粒排放的极限值，从而在汽油发动机中也会产生使用颗粒过滤器的必要性。颗粒过滤器在汽车的行驶运行中被颗粒加载，其中，废气管道中的废气背压随着颗粒负载而增大。颗粒过滤器的负载可以例如通过在废气管道中颗粒过滤器之前和之后的压差测量或在内燃机的控制设备中的建模确定。为了不使废气背压水平过度增长，必须持续地或周期性地对颗粒过滤器再生。为了在颗粒过滤器上利用氧气实施烟尘颗粒的热氧化，充足的再生温度以及废气中同时存在剩余氧气是必要的。受颗粒过滤器的结构所限，在运行中必然在颗粒过滤器上形成径向的温度分布。由于壁部热量损耗和较低的流动速度，温度朝着边缘区域降低。造型的高度主要受到运行点和漏斗和入流的结构设计方案的影响。温度梯度可能在边缘区域中导致的是，存在于该处的温度不再足以实现烟尘的氧化。在由此形成的颗粒过滤器的一些区域中烟尘始终不断积聚，而颗粒过滤器的其他区域则被再生。这导致了再生能力方面的问题，并且导致颗粒过滤器的不利的背压特性。此外，在不可控再生的情况下还会导致颗粒过滤器的部件损伤。

由文献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，通过特征曲线或模型实施颗粒过滤器的再生。所述模型包含颗粒过滤器的负载值，在所述负载值中纳入自最后一次再生的行驶时间和行驶距离。由负载值确定一个状态特征参数，在超过该状态特征参数时实施再生。

即使当该方法已经考虑到多个特征值，所述方法仍旧是以在颗粒过滤器上均匀的温度分布以及颗粒过滤器的均匀负载为基础的。

由文献DE 103 49 134 A1已知一种用于使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，并且根据已存在的温度分布进行试验，通过选择相应的发动机参数或颗粒过滤器的相应的入流来实现在颗粒过滤器的横截面上尽可能均匀的温度分布。

然而该方法非常复杂且成本高昂，因此该方法通常适用于试验台，而不适合用于机动车中。此外，通过废气中的烟尘会导致的是，污染热成像相机的可视窗，从而必须进一步消除该影响并且必须限制测量时长。

由文献DE 10 2006 028 426 A1已知一种用于确定颗粒过滤器的负载状态的设备，在过滤体的多孔壁上已经进行了滤除，从而在此不需要试验法确定电极在颗粒过滤器的过滤体中或该过滤体上的布置，并且减少了为过滤所需的过滤面积。在此，布置在内燃机的废气通道中的由壳体和过滤体组成的颗粒过滤器包括两个电极，其中，第一电极布置在过滤体的与废气入口对应的端面上，而第二电极则布置在过滤体的面向废气出口的端面上，并且所述电极设计为本身闭合的环形栅格，其中，所述环形栅格具有多个栅格状布置的穿孔。

然而已知方法的弊端在于，在所述方法中尽管能够相对准确地确定颗粒过滤器的局部负载，然而即使废气温度从大约在用于氧化烟尘颗粒的再生温度以上的温度处升高，也不一定能在边缘区域中达到这些再生条件。这可能会导致在边缘区域中的烟尘积聚，并且由此导致在废气通道中提高的背压，烟尘积聚和更高的背压会导致内燃机的更高油耗。此外还存在的风险在于，所述烟尘积聚在以后达到再生温度以上的温度时会导致不可控的烟尘燃烧，并且会进而导致对颗粒过滤器的热损伤或损毁。

本发明当前所要解决的技术问题在于，避免在颗粒过滤器的边缘区域中的烟尘积聚，并且确保在颗粒过滤器的所有区域中的再生。

根据本发明，所述技术问题通过一种用于使废气通道中的颗粒过滤器再生的方法解决，所述方法包括以下步骤：

-通过负载模型或通过传感设备确定颗粒过滤器的负载状态，其中，

-颗粒过滤器为了建模而被划分为至少两个区，其中，

-针对颗粒过滤器的每个区单独地确定负载状态和/或温度，其中，

-在识别到颗粒过滤器的至少一个区的再生必要性时，提高温度，使得在颗粒过滤器的所有区中的温度都处于用于使捕获在颗粒过滤器中的烟尘氧化的再生温度以上。

通过根据本发明的方法，避免了由于在颗粒过滤器的相应区中未达到用于使捕获在颗粒过滤器中的烟尘氧化的再生温度所导致的烟尘积聚，因为再生温度提高到，使得在颗粒过滤器的特别剧烈冷却的区中也达到为使烟尘氧化所需的温度。由此可以保持废气背压较低，由此不会导致内燃机的效率的恶化和进而对燃料的更多消耗。此外，还使不可控的烟尘燃烧和由此带来的对颗粒过滤器的热损伤的风险最小化，因为即使在不利的负载顺序下、例如在长时间的城市道路运行之后接着在高速路上满负荷行驶，在满负荷行驶后接着推进阶段，也不会使局部地在颗粒过滤器中捕获的烟尘量大到随后的(不可控的)再生导致对颗粒过滤器的热损伤。

通过独立权利要求给出的技术特征，能够对在从属权利要求中给出的用于使颗粒过滤器再生的方法进行有利的改善和改进。

在本发明的一种优选的设计方式中规定，颗粒过滤器的横截面沿径向方向被划分成至少两个环。在此，每个环都构成一个区，所述区的负载状态和/或温度被单独地监控或建模。因为颗粒过滤器通常具有筒状的横截面，并且由于壁部热量损耗边缘区域具有比颗粒过滤器的中央区域更低的温度，因此合理的是，颗粒过滤器被划分成至少两个环，其中，外部的环包围相应内部的环。此外，当壁部热量损耗在相应扇区上不同时(例如可以由喷射水、环境空气更剧烈的入流或通过相邻的寒冷或温热构件造成这种情况)，所述外部的环又可以被划分成多个扇区、尤其两个至四个分别为180°、120°或90°的扇区。在此情况下，在实现对捕获在颗粒过滤器中的烟尘颗粒的氧化时，外部的环的相应最冷的扇区是决定性的。

在本发明的另一种优选的设计方式中规定，针对每个环单独地确定负载状态。所述确定可以要么通过颗粒过滤器的合适的负载模型完成，所述负载模型优选存储在内燃机的控制设备中。作为备选也可以通过相应的测量设备完成确定负载状态。通过确定在每个环中的负载状态可以确认是否出现局部的烟尘积聚。在此尤其有利的是，当在沿径向外部的环中超过允许负载的阈值时，则启动根据本发明对颗粒过滤器的再生。在此，只有当确认了在外部的边缘区中的局部烟尘积聚时，才必须相应地大幅度提高废气温度。否则颗粒过滤器的再生可以以更低的温度提升进行，由此实现更短的加热阶段并且能够节省燃料。

根据所述方法的另一种优选的实施方式规定，只有当识别出颗粒过滤器的不均匀负载时，才将颗粒过滤器的温度从第一阈值温度提高至第二阈值温度。在此，第一阈值温度处于能够实现颗粒过滤器的再生然而不确保满足所有运行条件的水平。第二阈值温度高于第一阈值温度，并且在满足所有运行条件下能够实现对颗粒过滤器的所有区的完全再生，从而即使颗粒过滤器的更剧烈冷却的边缘区也能达到为使烟尘氧化所需的再生温度。否则也可以以较低的温度进行再生，由此缩短加热阶段并且进而能够节约燃料。

在本发明的另一种有利的设计方式中规定，通过用于进入颗粒过滤器的颗粒进入量和从颗粒过滤器的各个环排出的颗粒排出量的计算模型来确定每个环的负载。通过相应的计算模型可以在不需额外硬件组件的情况下确定捕获在颗粒过滤器中的烟尘的不均匀分布，从而不会有废气通道中的额外部件提高流动阻力。即使对计算模型的这种调整导致(一次性)额外的程序成本，这种方案在正常批量的机动车制造中也是比具有用于测量负载状态的额外部件的方案更为经济。

根据所述方法的另一改进中规定，在确定颗粒过滤器的不利负载状态时，启动用于颗粒过滤器的部件保护措施。为了在临界负载和由此带来的内燃机的不利的运行条件下避免对颗粒过滤器的热损伤，在确定了不利的负载状态时调整燃烧空气比并且尤其朝浓混合气的方向移动。作为备选或补充，避免或抑制在这种负载状态下出现的推进阶段，以便避免在废气通道中同时存在较高温度和氧气过量。

根据本发明规定了一种内燃机，其带有废气通道和布置在内燃机的废气通道中的颗粒过滤器以及具有控制装置，所述控制装置具有用于实施根据本发明的方法的计算机可读程序算法以及必要时所需的特征曲线等。通过相应的控制装置可以通过简单的方法控制或调节内燃机，从而实现颗粒过滤器的完全再生，并且可以避免对颗粒过滤器的部件损伤、尤其对颗粒过滤器的热损伤。

在本发明的一种优选的实施方式中规定，在废气通道上或废气通道中布置有用于确定在颗粒过滤器的不同区中的负载状态的传感设备。通过相应的传感设备可以按区区分地确定颗粒过滤器的负载状态，从而能够确定烟尘在颗粒过滤器上的负载状态和分布。由此尤其可以在颗粒过滤器的边缘区中出现烟尘颗粒的积聚时提升温度，从而即使在边缘区中也能达到为使被捕获的烟尘颗粒氧化所需的温度。

在此特别优选的是，传感设备具有射频传感器。通过射频传感器可以确定颗粒过滤器在多个区中的烟尘负载。在此，射频传感器比光学传感器明显更不易受干扰，所述光学传感器被相应的烟尘污染，并且由此需要规律的清洁。

在一种有利的改进方式中规定，内燃机是遵循奥托原理的外源点火内燃机。柴油发动机几乎在所有运行点上中都以超化学计量的燃烧空气比运行，并且始终存在为使颗粒过滤器再生所需的氧气，因此汽油发动机的再生要明显更为复杂，因为汽油发动机以经典的方式以化学计量的燃烧空气比运行，并且仅在推进阶段中或通过对喷入的燃料量的有目的的控制才提供为使颗粒过滤器再生所需的氧气。

只要未额外说明，在本申请中提到的本发明的不同实施例都能够有利地相互组合。

以下根据附图通过实施例对本发明进行阐述。在附图中：

图1示出具有废气通道和颗粒过滤器的内燃机，在所述颗粒过滤器中可以实施根据本发明的用于使颗粒过滤器再生的方法，

图2示出穿过颗粒过滤器的剖视图，在所述颗粒过滤器上实施根据本发明的方法，

图3示出在内燃机的废气通道中的颗粒过滤器，所述颗粒过滤器具有烟尘颗粒的不均匀的负载，以及示出在颗粒过滤器的横截面上的相应的温度曲线分布，和

图4示出在内燃机的废气通道中的另一颗粒过滤器，其中，温度通过根据本发明的方法提高，从而在颗粒过滤器的所有区中都达到为再生所需的温度，以及示出在颗粒过滤器的横截面上的与此有关的温度曲线分布。

图1示出内燃机10，其带有废气通道12和布置在所述废气通道12中的颗粒过滤器20。内燃机10优选构造为用于驱动机动车的内燃机、特别优选构造为汽油发动机。内燃机10具有优选燃料直喷系统，其中，燃料直接喷射进所述内燃机10的气缸中。在所述内燃机10中的燃烧过程通过控制设备16被控制或调节。内燃机10优选构造为增压式内燃机，通过涡轮增压器14或压缩机为所述内燃机供给空气。作为备选，所述内燃机10还可以构造为自然吸气式发动机或其他类型的燃烧发动机10。在所述内燃机10的所述废气通道12中优选布置有三元催化器18。

在内燃机10的运行中，颗粒过滤器20被从内燃机10的燃烧过程中排出的颗粒加载。该颗粒负载可以借助在控制设备16中的建模或通过测量、尤其通过经由颗粒过滤器20的差压测量被确定。为了不使内燃机10的废气背压水平过度增长，必须持续地或周期性地对颗粒过滤器20再生。颗粒过滤器20还可以具有发挥催化性能的涂层，例如发挥三元催化性能的涂层。为了实施捕获在颗粒过滤器20中的烟尘颗粒与氧气的热氧化，在存在剩余氧气的同时必须具有足够的温度水平。由颗粒过滤器20的烟尘输出同样可以借助在控制设备16中的建模确定。作为备选，还可以通过相应的传感设备28、例如通过发射无线电波的传感设备30来测量颗粒过滤器20的负载状态。

在图2中示出穿过颗粒过滤器20的主体36的横截面。如上所述，为使捕获在颗粒过滤器20中的烟尘颗粒再生的决定性因素在于氧气过量和流经颗粒过滤器20的废气的足够的温度。受到颗粒过滤器20的结构所限，在运行中必然会在颗粒过滤器20中形成径向的温度分布，其中，内部的、面向中轴线34的区22具有较之边缘区26更高的温度。区22、24、26在此布置为围绕颗粒过滤器20的中轴线34的同心圆布置。由于在颗粒过滤器20的壁上的热量损耗和热废气的较低穿流，温度朝颗粒过滤器20的壁部下降。温度下降的表现的程度关键受到颗粒运行点和颗粒过滤器20的孔口漏斗38的和主体36的入流的结构设计方案的影响。温度梯度可能在边缘区域中、尤其在第三区26中导致的是，存在于该处的温度不再足以实现烟尘的氧化。由此形成了颗粒过滤器20的这种区26，在所述区26中烟尘不断积聚，而其他更热的区22则被规律地再生。这导致了可再生性方面的问题和颗粒过滤器20的背压特性的问题。此外，在颗粒过滤器20的不可控再生的情况下还会导致颗粒过滤器20的热损伤。尤其能实现这一点的是，根据大量的短途行驶和由此带来的在颗粒过滤器20中的烟尘积聚来控制运行点，其中，从极高的废气温度变换至推进阶段。

在根据本发明的方法中，颗粒过滤器20的再生温度根据在颗粒过滤器20的主体36的区22、24、26中的烟尘分布被控制。如果识别到在各个单独的区22、24、26中的不均匀的烟尘分布，再生温度Treg则通过发动机系统管理提高，从而即使在边缘区26也能达到为使烟尘氧化必要的温度。

在图3中示出颗粒过滤器20，如当前广泛在具有内燃机10的机动车中所应用的。颗粒过滤器20具有孔口漏斗38、主体36以及收集漏斗40，在此，设置有过滤材料42的主体36的直径D2大于废气通道20在颗粒过滤器20上游和下游的直径D1。沿中轴线34构造有第一中央区22，所述第一中央区22比在颗粒过滤器20的边缘区域中的第二区24更热。在过滤体36的直径D2上的温度分布在图3中示出。在此示出，在第二区24中并未达到用于烟尘氧化的温度，而在第一区中的温度T则提高到高于再生温度Treg的第一阈值温度TS1。在此，通过已知的流体动力学和热动力学的定律在中央的区22中设置更高的流动速度和更低的热量损耗，而外部的区24被较缓慢地流经，并且此外由于颗粒过滤器20的外壁而具有更高的热量损耗。如图3所示，这可以导致的是，在外部的区24中烟尘积聚，而在内部的区22中进行颗粒过滤器20的部分再生。在此，烟尘环在外部的区24中沉积，所述烟尘环仅能通过废气温度的提高被再生。在此必须确保的是，所述颗粒过滤器20的外部区域24、26位于颗粒过滤器20的再生温度Treg以上。如果带着这种烟尘环启动具有极高废气温度的高负载点，就可能在颗粒过滤器2上出现构件损伤的状态。例如可能造成这一点的是，在大量城市内行驶之后进行高负载的高速路行驶，在高速路行驶后接着是推进阶段，在所述推进阶段中大量新鲜空气进入废气通道12并且由此进入颗粒过滤器20中。

为了确定颗粒过滤器20的负载状态，可以在所述颗粒过滤器20上设置相应的传感设备28、尤其射频传感设备30，以便确定颗粒过滤器20的各个区的负载状态。作为备选，也可以通过存储在控制设备16中的负载模型完成。此外，在收集漏斗40中布置至少一个温度传感器32，以便确定颗粒过滤器20的下游的废气温度，并且根据被确定的(多个)温度对在颗粒过滤器20的横截面上的温度分布进行模型化。作为备选，还可以通过内燃机10的相应的参数和相应的、存储在控制模型16中的计算模型进行建模。

根据本发明，如图4示出颗粒过滤器的再生。如果识别到在颗粒过滤器20的多个区22、24、26上的不均匀的烟尘分布，则通过存储在控制设备16中的发动机系统管理请求提高的废气温度Ts2，所述提高的废气温度被选择为，对于颗粒过滤器20的当前运行状态、也即对于经过颗粒过滤器20的废气质量流量以及对于烟尘负载来说，在外部的区24、26中的温度也足够高到能够使该处捕获的烟尘氧化。如果完成了颗粒过滤器20在外部的区24、26中的再生(通过传感设备28或相应的负载模型识别出)，则颗粒过滤器20的再生结束。由此能够确保之后的烟尘负载的均匀分布。

由此确保的是，颗粒过滤器20的每个有效再生都仅以必要的废气温度TS1、TS2实施，这实现油耗节约。颗粒过滤器20的再生温度在此可以根据负载状态并且根据运行点可变化地被影响。利用所述方法可以避免颗粒过滤器20始终、也即在每次再生时都以更高的再生温度TS2再生，而是只有在外部的区24、26的相应负载需要更高的再生温度TS2时才以该更高的再生温度TS2再生。

附图标记清单

10 内燃机

12 废气通道

14 涡轮增压器

16 控制设备

18 三元催化器

20 颗粒过滤器

22 第一区/第一环

24 第二区/第二环

26 第三区/第三环

28 传感设备

30 射频传感器

32 温度传感器

34 中轴线

36 颗粒过滤器的主体

38 孔口漏斗

40 收集漏斗

42 过滤材料

D1 废气通道的直径

D2 颗粒过滤器的直径

T 温度

TS1 第一阈值温度

TS2 第二阈值温度

Treg 再生温度