用於控制內燃發動機的裝置的製作方法

2023-12-09 07:29:16

本發明涉及一種用於控制具有權利要求1的前序部分的特徵的內燃發動機的裝置。

背景技術：

現代內燃發動機中的排氣系統(尤其是在機動車輛中)通常具有各種用於排氣後處理的設備。這些設備不僅包括微粒過濾器，而且特別包括催化劑，其通過使諸如氮氧化物、一氧化碳等的有毒排氣分子分解來促進各種化學反應。然而，這些催化劑的作用通常與溫度相關，其中催化劑在環境溫度下幾乎沒有活性。僅當達到特定溫度時，才會產生可測活性，該溫度被稱為催化劑的活化溫度。然而，這取決於催化劑的類型，並且通常明顯高於100℃。因此，在相關發動機冷啟動之後的一段特定時間內，催化劑最初為無活性，直至其被來自發動機的熱排氣充分預熱。其他排氣後處理系統(即，排氣系統，例如排氣儲存系統、微粒過濾器或催化微粒過濾器等，其能夠在特定溫度下進行特定化學反應，並且在適當情況下加入添加劑)同樣表現出類似的預熱行為。

超速斷油(overruncutoff)(即，在未操作加速踏板且發動機的速度高於特定值時，發動機燃料供應的受控中斷)也用於現代車輛發動機中。這表示，儘管發動機繼續運行，但其將不再驅動車輛。相反，在該運行狀態下車輛超速，而內燃發動機作為制動器發揮作用。由於沒有燃料供應，吸入的環境空氣不經過燃燒過程就穿過發動機，並且因此加熱程度非常輕微(經過時與發動機接觸，並且可用時經過壓縮過程)。該相對較冷的空氣隨後穿過排氣系統至催化劑或催化劑和/或其他排氣後處理系統或排氣系統，並且導致其冷卻或對預熱造成相當大的影響。因此，超速斷油降低了排氣系統的效率，即(例如)，降低了催化劑，尤其是冷啟動後的催化劑效率，導致由於未受催化處理的排氣所造成的環境汙染增加。

jp2004-169646a描述了一種柴油發動機，其中在超速斷油進行時入口閥和/或出口閥關閉。其旨在防止富含氧氣的空氣進入位於排氣管中的催化劑區域，這可能會導致在高催化劑溫度下破壞催化劑。由此，一方面，存在當剛進行點火時出口閥關閉的風險，這導致回流進入進氣管。另一方面，如果入口閥也關閉，汽缸中可產生高壓，可能會導致損壞。為解決該問題，提出了在出口閥關閉前，首先將穿過排氣管的燃燒氣體排出。在該過程中，入口閥也可關閉。

jp2009-121433a示出了具有渦輪增壓器的柴油發動機，其中，發動機的進氣管和排氣管通過再循環管線連接。超速斷油時，為增加排氣再循環進行了準備。為使該過程更加高效，在渦輪增壓器的渦輪側上提供了多個可樞轉的翻板，通過該翻板進入渦輪的貫通開口可以打開到較大或較小的程度。如果發生超速斷油，該貫通開口減小，由此增加了排氣管上遊部分的壓力，並強化了再循環過程。因此，排氣冷卻較少並且布置在排氣管下遊的催化劑的冷卻延遲。

ep2792865a1公開了一種用於柴油發動機中的排氣淨化的方法。在該情況下，在排氣管中布置了儲存催化劑，所述催化劑可以已知方式在稀或富的大氣情況下交替工作。為了在富空氣時保持高發動機功率和低燃料消耗，規定了如果催化劑溫度高於特定最低溫度並且車輛減速超過特定速度時，進氣管將關閉並且再循環管線將開啟。然後，設置在催化劑下遊的節流閥關閉，並且將為催化劑供應還原劑。未設想關閉發動機的入口或出口閥。

鑑於所述現有技術，排氣後處理系統(即，例如催化劑)的預熱行為的優化仍然具有改善的空間，尤其是關於上述燃料供應中斷的問題。

技術實現要素：

因此，本發明的基本目標是改善排氣後處理系統(即，例如內燃發動機的排氣系統中的催化劑)的預熱行為。

根據本發明，該目標通過具有權利要求1所述特性的裝置實現，其中，從屬權利要求涉及本發明的有利實施例。

應當指出的是，以下說明書中單獨說明的特徵及測量可與任何技術上可行的方式相結合併且產生本發明的其他實施例。說明書描繪了本發明的額外的特徵並進行了詳細說明(尤其是與附圖相結合)。

本發明提出了一種用於控制內燃發動機的裝置。內燃發動機包括至少一個汽缸，其具有入口閥和出口閥。在多個汽缸的(通常)情況中，這表示每個汽缸都具有至少一個入口閥和至少一個出口閥。當然，也可提供多個入口閥和出口閥。特別地，這可以是機動車輛(例如，客車或重型貨車)的內燃發動機。例如，內燃發動機可為柴油發動機或火花點火式發動機。排氣後處理系統(即，例如用於排氣後處理的催化劑)布置在內燃發動機的下遊。在下文中，排氣後處理系統指催化劑，而其本意(當然)還包括排氣儲存系統、微粒過濾器和/或催化微粒過濾器。當然，可在排氣的流動方向上布置多個連續的排氣後處理系統，或者可選地，在排氣管中彼此平行。由此，催化劑布置在內燃發動機的下遊。如果是具有排氣再循環(egr)的內燃發動機，催化劑也設置在用於排氣再循環的管線中。當然，催化劑是內燃發動機的排氣系統的一部分，其中，存在的任何egr管線也可作為排氣系統的一部分。原則上，所涉及的催化劑可為適用於內燃發動機的排氣後處理的任何類型的催化劑，例如，氧化或還原催化劑。當然，也可提供多種催化劑。

該裝置包括控制單元。其可以通過硬體和/或軟體形式實施並且物理地可為單部分或多部分設計。特別地，所述控制單元可為發動機控制器的一部分或可集成到後者之中。在典型實施例中，機動車輛的發動機控制器作為控制單元發揮作用。

根據本發明，控制單元被設計成檢測催化劑的不足溫度水平，以及在不足溫度水平及超速斷油同時發生時，關閉且保持關閉每個汽缸的至少一個閥。也就是說，不足溫度水平和超速斷油的同時出現是關閉一個或多個閥的條件。當然，控制單元還被設計成在溫度水平已充分或超速斷油不再影響時重新打開至少一個閥。在此，「不足溫度水平」指催化劑的溫度低於最佳溫度範圍時的狀態。特別地，溫度可低至使催化劑失去活性或者無法有效工作。如將在以下清楚描述的，對催化劑自身的溫度進行測量不是絕對必要的。相反，還可以間接推斷催化劑的溫度，並且因此，原則上會具有特定的誤差空間，根據此結果控制單元可能會錯誤地進行檢測或者在個別情況下錯誤地無法檢測出不足溫度水平。因此，在本文中，不足溫度水平的「檢測」表示催化劑的狀態被評估為低於充分溫度水平。在此，「超速斷油」表示內燃發動機燃料供應的受控中斷。如果適當，超速斷油可由控制單元自身觸發。

在此，該裝置被設計成例如通過至少一個測量設備測量至少一個溫度，其中，控制單元被設計成與不足溫度水平的檢測相關地檢查測量的溫度是否低於預定的最低溫度。如下所述，測量的溫度尤其是可以為內燃發動機的與其相關的排氣系統的溫度或與部件相接觸的流體的溫度。在不同情況下，測量的溫度提供至少大約能夠表示催化劑的溫度的指示。最低溫度是預定的溫度值(通常在出廠前預定)，其被選擇為如果測量的溫度低於最低溫度則可假定催化劑未充分預熱。最低溫度存儲在裝置中，通常在控制單元自身內，並可由控制單元將其與測量的溫度進行比較。顯然，該裝置必須包括至少一個溫度傳感器，通過其測量所述溫度。在本文中，對溫度傳感器的類型沒有根本上的限制。特別地，如果適當，也可進行非接觸式測量。當然，也可具有多個溫度傳感器。在多個溫度傳感器在不同的點進行測量的情況中，可想而知要為每個溫度傳感器限定特定的最低溫度。如果控制單元確定測量的溫度低於最低溫度(與其相關)，其將據此認定催化劑的溫度水平是不足的。

如果控制單元檢測到不足溫度水平或將催化劑的狀態評估為低於足夠的溫度並且同時出現超速斷油，則控制單元將關閉(除非各閥已經關閉)每個汽缸的至少一個閥(入口閥和/或出口閥)並保持其關閉。因此，不會有外部空氣經過汽缸進入排氣系統和催化劑。也就是說，催化劑不會被顯著冷卻，或者甚至能夠在超速斷油階段進一步預熱(如果來自超速斷油之前的一段時期的熱排氣保留在催化劑的區域中)。因此，可以確保使催化劑比現有技術更快速地脫離不足溫度水平的狀態。換言之，在不足溫度水平的情況中，控制單元確保在燃料持續供應到內燃發動機時催化劑正常加熱，並且在燃料供應中斷時不會出現明顯的冷卻。在此，如果適當，閥的關閉在不足溫度水平的檢測和超速斷油啟動後以特定的延遲發生。同樣可想而知，不同汽缸的閥將不會同時關閉而是以一定的時間間隔關閉。由於通過根據本發明的裝置將減小或最小化不足溫度水平的階段，因此催化劑以改善的效率運行並且有毒排氣的排放減少。

由於本發明的主要目標是防止相對較冷的空氣(其僅在發動機內部進行了微小的預熱)在超速斷油時進入催化劑的區域，因此原則上將每個汽缸的其中一個閥關閉就已經足夠。然而，由於汽缸中的活塞繼續運行，這可能在特定情況下會導致在汽缸的上遊和下遊的不必要的氣體移動。例如，排氣可能經過開啟的入口閥受壓返回到氣體供應源，導致電荷交換損失。為避免該效果，控制單元優選地被設計成關閉每個汽缸的兩個閥。因此，可在相當程度上降低發動機的阻力損失，並且例如在混合驅動的情況中，可通過曲柄機構回收更多能量。應當指出的是，在該情況下，每個汽缸的兩個閥的關閉不必同時進行。

根據優選的實施例，該裝置被設計成(例如，通過至少一個測量設備)測量催化劑的溫度。通過該方式，可直接並準確地確定(在測量精度範圍內)催化劑的溫度。這使得能夠對催化劑是否已充分預熱或是否存在不足溫度水平進行非常可靠的推斷。在該情況下，該溫度測量不需要在催化活性材料上直接進行，而是可以在(例如)應用了催化活性材料的支撐元件上進行。通常，可假設支撐元件的溫度和實際催化劑(在化學角度上)的溫度幾乎相同。

在此，優選地，最低溫度至少與催化劑的活化溫度對應。活化溫度指在該溫度以上催化劑以最佳的效率運行。至少在一些情況下，可允許活化溫度在預熱時比冷卻時更高，因此這是一種「遲滯現象」。由此，活化溫度取決於催化劑的類型。特別地，活化溫度可介於150℃到250℃之間。特別地，最低溫度可高於活化溫度，並且因此將形成安全限度，以便確保催化劑在所有情況下都有活性。一些催化劑僅在特定溫度範圍內以最佳方式運行。也就是說，在高於某一溫度(在本文中指過熱溫度)時，這些催化劑將不再以最佳方式運行。為此，特別地最低溫度可以如下方式選擇：使其在活化溫度和過熱溫度之間。當然，過熱溫度取決於催化劑的類型，並且自過熱開始不再與準確溫度對應，即，在超過特定溫度範圍後催化劑的有效性喪失。

在另一實施例中，裝置被設計成例如通過測量設備測量排氣溫度。在此，可測量排氣溫度，尤其是在催化劑的下遊的排氣溫度(也可在其他點進行測量)。在本文中，術語「排氣溫度」不僅指部分或主要包含來自內燃發動機的燃燒產物的氣體混合物，也指內燃發動機的排氣系統(即，一個或多個出口閥的下遊)中(包括egr管線，如有)的任何氣體。在超速斷油的情況中，其也可基本為穿過發動機而未經過燃燒過程的新鮮空氣。

根據另一實施例，裝置被設計成例如通過至少一個測量設備測量至少與催化劑間接地連接的排氣管的溫度。在此，術語「排氣管」包括將排氣從歧管輸送到排氣尾管的所有元件，以及可能存在的任何排氣再循環(egr)管線。優選地，測量在直接連接到催化劑的排氣管中進行，即，沒有其他部件的幹涉。在該情況下，特別地可以在與催化劑鄰接的排氣管的一部分上測量溫度。然而，在距離催化劑較遠的區域的溫度測量允許關於催化劑的溫度的某些推斷。因此，可在無需測量催化劑自身的溫度的情況下推斷不足溫度水平的存在。

催化劑的預熱和冷卻行為與內燃發動機的預熱和冷卻有一定程度的相關。根據本發明的另一實施例，由此，裝置被設計成例如通過至少一個測量設備測量內燃發動機的溫度。當然，內燃發動機的所有部分處於相同的溫度的情況是不常見的。由此，「內燃發動機的溫度」應該表示為內燃發動機的特定部分(在此處執行測量)的溫度。在此有利的是在發動機的儘可能靠近輸送排氣的部分處測量溫度。例如，這可以是汽缸的排氣管。

除了發動機溫度的測量之外，裝置也可被設計成例如通過至少一個測量設備例如測量冷卻液的溫度。這也允許至少在有限的程度中對發動機的溫度和催化劑的溫度進行推斷。

在測量的溫度不是催化劑自身的溫度而是其他一些部件或排氣的溫度的實施例中，優選地，預定的最低溫度被選擇為高於催化劑的活化溫度。特別地，在大多數情況下發動機的溫度將高於催化劑的溫度，因此相應的最低溫度應高於催化劑的活化溫度。如果排氣來自發動機的正常運行階段(沒有超速)，則排氣的溫度也高於催化劑的溫度。同樣在該情況下，最低溫度應高於催化劑的活化溫度。如果測量了排氣管的溫度，最低溫度可能更接近活化溫度，對催化劑進行更接近的溫度測量。也就是說，如果在接近(即，靠近)催化劑的排氣管的一部分進行測量，最低溫度基本可與活化溫度對應，而在較遠的部分進行測量時，為安全起見，應選擇較高的最低溫度。

如果適當，上述所有溫度測量可彼此結合。在這種情況下，可結合兩種或兩種以上的測量。這尤其適用於無法直接測量催化劑溫度的情況。

除溫度測量之外，原則上也可以通過此前的發動機運行來推斷催化劑當前是否已充分預熱。因此，明確可知例如在發動機冷啟動之後的短暫期間內，催化劑尚未充分預熱。當然，催化劑的實際溫度取決於各種因素，例如，環境溫度、長度以及發動機和催化劑之間的排氣管的其它方面的實施方式等。然而，至少可由內燃發動機之前時間間隔(例如，前十五分鐘)內的運行數據大約估算溫度。因此，根據另一實施例，裝置被設計成例如通過單獨的存儲單元獲得並存儲內燃發動機的運行數據，其中，存儲單元被設計成通過存儲的操作數據檢測不足溫度水平。存儲單元也可集成到控制單元中。特別地，運行數據可包括驅動階段的持續時間和起始、燃料供應量以及與超速斷油相關階段的持續時間和起始的數據。相應數據進行存儲(如果適當，由控制單元自身存儲)，使得它們在不同情況下被調用用於前一時間間隔的數據。控制單元調用相應的數據，並至少由此大致確定催化劑已經充分預熱或者仍然處於不足溫度水平。在該情況下，運行數據也可與其他數據相結合，例如，如果合適與環境溫度相結合。

附圖說明

本發明的其他優點的細節和效果將在以下通過單張附圖所示的示例性實施例進行詳細說明。

圖1示出了根據本發明的裝置、以及內燃發動機和排氣系統的示意圖。

參考符號列表：

1裝置

10發動機

11汽缸

12活塞

13進氣管

14入口管

15出口管

16入口閥

17出口閥

18噴射閥

20排氣系統

21、22排氣管

23催化劑

30控制單元

31-34測量設備/溫度傳感器

35傳感器線

36控制線

具體實施方式

圖1以示意圖示出了機動車輛的內燃發動機10，其中，通過簡化的方式，僅示出了一個汽缸11，其具有入口管14、出口管15、入口閥16和出口閥17。顯然，內燃發動機10通常可包括多個汽缸11，每個汽缸上都具有入口和出口閥。入口管14連接到進氣管13，以獲得新鮮空氣。排氣系統20與出口管15鄰接，其在此類似的大幅簡化示出。除排氣管21、22外，排氣系統20具有排氣後處理設備，例如，內置的催化劑23，其用於對來自內燃發動機10的排氣進行催化處理。以下，排氣後處理設備指代催化劑23，而其本意是將微粒過濾器等包括在本發明之中。其可以為任何類型的催化劑，例如，氧化催化劑。在所有情況下，催化劑23具有典型的預熱行為(behavior)，其中，所述催化劑僅在高於活化溫度(明顯高於環境溫度)時具有活性。

還可看到控制單元30，所述控制單元屬於裝置1並用於與測量設備(例如，溫度傳感器31-34)一起控制發動機10。控制單元30連接到多個控制線36。其通過控制線36控制噴射閥18，以便控制內燃發動機10的燃料供應。在常規運行中，即，例如操縱加速踏板(未示出)時，燃料經過噴射閥18注入，內燃發動機10通過進氣管13和入口管14吸入新鮮空氣，使用其燃燒燃料並通過出口管15將排氣排入排氣系統20。在該過程期間，閥16、17以已知方式交替開啟和關閉。當然，內燃發動機10也可實施為渦輪增壓發動機，並且因此，本發明旨在並非僅包括自然吸氣式發動機。

如果未操縱加速踏板並且內燃發動機10的速度超過了特定值，則控制單元30將中斷燃料供應，即，發生超速斷油。在該情況下，內燃發動機10在不產生驅動力的情況下繼續運動。然而，活塞12也繼續在汽缸11中運動。如果入口和出口閥16、17如常規運行時一樣繼續開啟和關閉，新鮮空氣將繼續通過入口管14吸入，並且會在未進行顯著加熱的情況下通過出口管15排入排氣系統20。這會導致催化劑23的冷卻(或加熱延遲)。這在催化劑23的溫度低於活化溫度時尤為不利。

為避免該情況，控制單元30由多個傳感器線35中的一個連接到第一溫度傳感器31，其設置在催化劑23上並測量其第一溫度。在控制單元30中存儲第一最低溫度，所測得的第一溫度與其進行比較。在此，第一最低溫度至少與催化劑23的活化溫度對應，並且尤其是，其還可以更高從而與催化劑23以最佳方式運行的溫度範圍相對應。如果控制單元30確定測得的第一溫度低於第一最低溫度，會將其評估為催化劑23的不足溫度水平。如果在超速斷油的同時檢測到不足溫度水平，控制單元30將以如下方式驅動所有汽缸11的入口閥16和出口閥17：使得它們關閉並保持關閉直至超速斷油終止或者不再存在不足溫度水平。在該情況下，入口和出口閥16、17可同時關閉或相繼關閉。一方面，在不足溫度水平檢測和超速斷油之間可具有特定的延遲，另一方面，閥16、17的關閉也可具有特定延遲。閥16、17的關閉具有使新鮮空氣無法經過內燃發動機10進入排氣系統20的效果。由此，以有效的方式抵消了催化劑23的冷卻。如果合適，催化劑23甚至可以在超速斷油期間通過排氣系統20中的熱排氣進一步預熱。因此，催化劑23可更快地達到使其效率更加顯著地運行的溫度(例如，在冷啟動之後)。

所示出的直接在催化劑23處進行的溫度測量通常表示檢測不足溫度水平的優選方法。然而，也有其他可能性。因此，例如，可在內燃發動機10上布置第二溫度傳感器32，以便測量第二溫度。例如，第二溫度傳感器32可布置在出口管15的區域中。在該處所測得的第二溫度提供了催化劑23的溫度的一些信息。因此，可將第二溫度與存儲在控制單元30中的第二最低溫度進行比較，以便檢測催化劑23的不足溫度水平。一方面，考慮到內燃發動機10通常比催化劑23更熱的事實，並且另一方面，遠離催化劑23的溫度測量會引起某些不確定性，所選的第二最低溫度可明顯高於第一最低溫度。

另一可能性是通過第三溫度傳感器33的方式測量排氣系統20中的第三溫度。例如，第三溫度傳感器33可直接布置在排氣管21上，位於催化劑23的上遊並與其鄰接。該區域的溫度通常僅與催化劑23的溫度有微小的差異，因此，可選擇相對類似於第一最低溫度的相應第三最低溫度。

可替代地或額外地，可通過第四溫度傳感器34的方式測量排氣的第四溫度，該第四溫度傳感器直接位於排氣管22內在催化劑23的下遊。這也能夠至少大約獲得催化劑23的當前溫度。反之，也可選擇用於比較的第四最低溫度，從而使其明顯高於第一最低溫度以允許安全限度。

在此示出的溫度傳感器31、34通常並非全部同時使用；尤其是，在於催化劑23處進行溫度測量時，通常可以免去第二、第三和第四溫度傳感器32、33、34。

除溫度測量外，還可以根據內燃發動機10的運行數據得出催化劑23的溫度。為此，控制單元30可存儲關於燃料供應的時間、持續期間和量，以及關於超速斷油階段的時間和持續期間的數據，或者可從單獨的存儲單元請求這些數據。如果適當的與所確定的環境溫度相結合，即可根據該數據估算催化劑23的溫度是否充分。在該情況下，當然不需要無限期存儲數據；將刪除與無法影響催化劑23的溫度的時間間隔相關的較老數據。

無論使用上述哪種方法用於檢測不足溫度水平，通過裝置1的方式都能確保催化劑23的更加顯著的高效運行以及由此減少有毒排氣成分。