用於獲取過濾顆粒的組件的負荷的方法和廢氣後處理設備與流程

2023-06-13 05:31:46

本發明涉及用於獲取廢氣後處理設備的過濾顆粒的組件的負荷的方法以及相應的廢氣後處理設備，所述廢氣後處理設備配屬於機動車中的內燃機，其中將所述內燃機的轉速考慮在內。

背景技術：

在對機動車中的柴油馬達進行廢氣後處理時，近年來使用顆粒過濾器，以便能夠遵循在顆粒排放方面的極限值。由於進一步收緊的極限值將來可能必要的是，即使在奧託馬達中廢氣後處理系統也要設有顆粒過濾器。因為尤其在具有直接噴射、即內部的混合物形成的奧託馬達中，不僅結構方面的措施而且應用方面的措施都碰觸到其極限。從系統觀點來看，使用顆粒過濾器（作為分開的組件又或者集成到三元催化器中作為四元催化器）在用於遵循將來的顆粒排放極限值的廢氣後處理中經常構成一種有吸引力的選擇。

在運行期間，所述顆粒過濾器被加載有炭黑顆粒並且必須在達到一定的極限負荷時自由燃燒。這例如通過介入到馬達的燃燒過程來實現，其中例如通過引入附加的燃料（由柴油應用方案已知）或者通過調遲點火來提升廢氣溫度並且由此燒掉所述顆粒。

為了識別所述極限負荷，通常考慮排氣系中的壓力、例如跨越所述顆粒過濾器的壓力差並且有時候考慮其他參數。如此例如由de430311b4公開了一種用於對顆粒過濾器系統進行革新的方法，所述顆粒過濾器系統用於柴油內燃機的廢氣，其中至少根據所述柴油內燃機的所檢測的轉速和在所述顆粒過濾器系統中所檢測的並且在時間上取平均的壓力來計算用於所述顆粒過濾器的負荷的量度。負荷度在此能夠由所檢測的測量參量（所述柴油內燃機的做功點、轉速、壓力、轉矩和其他測量參量）直接計算出，其中也就是總是將所述壓力作為重要的參量考慮在內。

但是，利用這種處理方式在奧託馬達中精確地確定顆粒過濾器的負荷狀態已經被證明為困難。

技術實現要素：

現在本發明的任務在於，提供開頭所提及的類型的方法以及廢氣後處理設備，利用所述方法或者說在所述廢氣後處理設備中即使與奧託馬達相關也能夠可靠地並且以高的精度來獲取過濾顆粒的組件的負荷。

該任務針對所述方法利用權利要求1所述的特徵得以解決並且針對所述廢氣後處理設備利用權利要求10所述的特徵得以解決。在所述方法中規定，基於由所述內燃機的轉速所推導出的運行參量來獲取所述負荷狀態。

在所述廢氣後處理設備中規定，控制裝置構造用於基於由所述內燃機的轉速所推導出的運行參量來獲取所述負荷狀態。

所述方法和所述廢氣後處理設備的方案特徵基於由發明人獲得的認識：在奧託馬達中出現下述問題，不能以足夠的精度來確定來自排氣系的重要的壓力值以可靠地確認用於燒掉的極限負荷，因為與柴油馬達相比，結果是在所述顆粒過濾器處的壓力差顯著更低。這尤其由下述原因引起：與在柴油馬達中相比，在奧託馬達中大多產生顯著更低的廢氣質量流，從而得出低得多的壓力損失並且由此得出所述顆粒過濾器處的低得多的壓力差，其中所述奧託馬達大約在λ=1的情況下運行。在奧託馬達中還出現顯著更低的顆粒排放，並且更高的溫度（由於在大約λ=1的情況下的運行，相比於通常稀薄運行的柴油馬達）有利於顆粒在正常運行期間已經被二次氧化。因此承受負荷的四元催化器相對於未承受負荷的狀態的壓力差直到吸氣全負荷（例如，根據機組，pme~10bar）例如能夠為小於10mbar，並且在更低的負荷下結果還更低。因此，尤其在經常的部分負荷運行、例如市內行駛的情況下，由所述壓力差不能提早地識別所述負荷狀態。

為了推導出所述運行參量，能夠例如由所述轉速計算出所述運行參量並且/或者基於模型分析出所述運行參量，其中也能夠將其他參數考慮在內。作為轉速，例如考慮來自轉速傳感器的測量值。作為過濾顆粒的組件，使用例如四元催化器或者與（三元）催化器分開的顆粒過濾器。

在一種特別優選的設計變型方案中規定，在不考慮壓力、尤其壓力差或者說壓力梯度的情況下在所述廢氣後處理設備中獲取所述負荷狀態。通過這種方式能夠捨棄所測量的和/或所計算出的或者說所建模的壓力、例如壓力差或者排氣背壓，由此能夠實現所述方法的高的精度。通過這種方式，所述方法特別適合在奧託馬達中的廢氣後處理設備中使用。當然也能夠設想與柴油馬達相關的用途。

如果以高於2%、優選高於1.5%、例如大約1%的精度來獲取所述運行參量（也就是說所述運行參量與在標準條件下所確定的最優值的偏差小於這些百分數指標），那麼所述方法能夠有利地在奧託馬達中應用。發明人已經發現，這種精度尤其能夠在使用下述方法的情況下達到，在該方法中通過對轉速信號基於模型進行分析來獲取所述運行參量。在de102012203669a1中所描述的方法的特定的步驟尤其已經被證明為特別適合。如果由在de102012203669a1所給出的替代方案考慮例如將基於對所述轉速信號的分析的、用於機械功的特徵用於獲取所述運行參量，以替代燃燒室中的壓力，能夠捨棄燃燒室壓力傳感器的值並且達到更高的精度。

所述方法的高的精度能夠以下述方式實現：獲取施加在曲軸上的轉矩、例如所述內燃機的最大程度能夠達到的轉矩和/或與所述轉矩相關的參量作為運行參量。在此能夠如在de102012203669a1中所描述的那樣來獲取適合的運行參量。已經被證明為適合的運行參量是：例如在工作循環期間在曲軸位置的特定的角度範圍（例如-180°kw到0°kw，又或者更小）中的轉矩的最大量值（表示力矩最大值）又或者在所述角度範圍內的平均的（積分的）轉矩。此外能夠有利地考慮由齒時間（zahnzeit）所獲取的角速度，所述角速度例如在特定的角度下和/或在所述工作循環的特定的角度範圍（例如-180°kw到0°kw）的開始和結束時被獲取，並且將所述角速度相互進行比較、例如通過構成差值。此外能夠設想的是，將例如在特定的角度處和/或在特定的角度範圍的開始和結束時所獲取的角加速度考慮作為運行參量。相對於其他在de102012203669a1中所描述的參量、如例如排氣壓力，所提及的運行參量具有下述優點：所述運行參量能夠以所需要的高的精度來獲取。在確定所述其他參量時通常要有其他參量/因子/模型起作用，所述其他參量/因子/模型將更大的不可靠性帶入到所述其他參量的確定中。與此相反，所述運行參量通常不會被附加的因子（除了所述過濾顆粒的組件的負荷）以下述方式影響：使得沒有達到所需要的精度。能夠利用根據本發明的方法例如像下面進一步給出的那樣消除所述過濾顆粒的組件和/或所述內燃機或者可能產生影響的類似結構的老化效應。與例如在所測量的轉矩的情況下和/或通過由現有技術已知的、通常具有大約5%的精度的力矩模型相比，通過這種方式還能夠達到更高的精度。

要注意的是，在de102012203669a1中所描述的方法尤其對於1到2缸的馬達而言被指明為適合的。但已經被證明的是，即使例如針對4到6缸的馬達，至少就上面所給出的運行參量而言，也能夠達到所需要的精度。在此能夠有利的是，以下述方式限制在工作循環期間所述曲軸的為了獲取所述運行參量所考慮的角度範圍：實現汽缸的角度範圍的最小疊加並且由此實現儘可能小的相互間的影響。

優選的是，尤其在馬達試驗臺上在至少一個規定的轉速的情況下在所述過濾顆粒的組件的未承受負荷的狀態和至少一個以規定的方式承受負荷的狀態下獲取所述運行參量。由此能夠在運行參量與所述負荷狀態之間建立規定的關聯。如果在至少兩個不同的轉速的情況下獲取所述運行參量，那麼有助於所述方法的更高的可靠性。但也能夠設想在僅一個所確定的適合的轉速的情況下進行獲取。有利的是，所述轉速能夠確定為校準點。哪個轉速是適合的在此尤其依賴於機組和排氣系統。尤其更高的轉速是有利的，因為在所述更高的轉速的情況下得出所述運行參量（例如轉矩）在未承受負荷的狀態與負荷的狀態之間的更高的差值，這又提高了根據本發明的方法的精度。因此，例如下述轉速是適合的，所述轉速等於或者高於下述這樣的轉速，從該轉速起出現所述馬達的最大轉矩的下降，尤其額定轉速也是適合的。

如果所述獲取在全負荷的情況下實現，那麼能夠由此有利地得出所述運行參量的足夠大的差值，所述足夠大的差值提高了所述方法的精度。但是當所述運行參量中的差值足夠大時也能夠設想在部分負荷下進行獲取。優選同樣規定負荷點，因為所述運行參量還依賴於所述負荷。規定的承受負荷的狀態應當有利地包括至少在所述過濾顆粒的組件中的顆粒的極限負荷，其中也能夠設想特性曲線基於極限負荷的外推法。如果此外還有其他負荷狀態（例如在所述極限負荷之下）被獲取，那麼能夠在較遲的運行期間更簡單地理解所述顆粒過濾器的負荷隨時間的變化。

優選的是，在此將在未承受負荷的狀態和/或在承受負荷的狀態下的運行參量依據轉速存儲在特性曲線族中。替代上述方案或者作為附加方案能夠將由在承受負荷的狀態和未承受負荷的狀態下的運行參量所推導出的比較參量依據轉速存儲在特性曲線族中。在未承受負荷的狀態下的運行參量能夠用作參考參量。由在承受負荷的狀態和未承受負荷的狀態下的運行參量所推導出的比較參量能夠例如是差值和/或因子或者類似參量。在所述特性曲線族中所存儲的參量能夠配屬於規定的負荷，從而能夠由所述參量隨後（以絕對的方式和/或以相對的方式）推斷出所述過濾顆粒的組件的負荷狀態。

此外，在所述方法的一種優選的設計變型方案中規定，在行駛運行中在規定的轉速的情況下並且優選在規定的負荷點、尤其全負荷的情況下獲取所述運行參量，並且將所述運行參量和/或所獲取的比較參量與在所述特性曲線族中在相應的轉速的情況下所存儲的運行參量和/或比較參量進行比較。

在達到表徵著所述過濾顆粒的組件的極限負荷的運行參量或者比較參量時，優選引入對所述過濾顆粒的組件的革新（regeneration）。

此外能夠有利地規定，在對所述過濾顆粒的組件進行革新之後，在所述規定的轉速的情況下在所述過濾顆粒的組件的未承受負荷的狀態下獲取所述運行參量，並且將所述運行參量與在所述特性曲線族中在相應的轉速的情況下所存儲的、在未承受負荷的狀態下的運行參量進行比較。如果重新獲取的、在未承受負荷的狀態下的運行參量偏差超出有待確定的公差範圍，那麼能夠將新的運行參量存儲在所述特性曲線族中並且必要時考慮將所述新的運行參量作為新的基礎。通過這種方式能夠消除緩慢的變化、尤其由於老化效應而引起的緩慢的變化。通過所述方法的這種持續的重新校準實現了在使用壽命期間正確地識別所述負荷狀態。附加地，還能夠將在未承受負荷的狀態下的運行參量與來自一個或者多個進一步位於前面的革新過程的運行參量進行比較。從而能夠例如建立在未承受負荷的狀態下的運行參量的變化隨時間的變化曲線。這種變化曲線允許了對在未承受負荷的狀態下的運行參量在下述時間範圍內的變化的可信度測試：所述時間例如能夠歸因於所述過濾顆粒的組件的老化效應。因為老化效應在所述過濾顆粒的組件的使用壽命期間引起了所述運行參量的相對緩慢的變化，所以能夠通過隨時間的變化來對所述效應進行可信度測試。

附圖說明

下文將參照附圖對本發明作進一步闡述。其中：

圖1示出了具有內燃機的機動車中的空氣及廢氣導引部的示意圖，在所述內燃機中能夠使用根據本發明的方法；

圖2示出了馬達負荷-排氣背壓-曲線圖，其具有在具有汽油直噴部的奧託馬達中排氣背壓關於馬達負荷的不同變化曲線；

圖3示出了轉速-轉矩-曲線圖，其具有在具有汽油直噴部的奧託馬達中相對全負荷轉矩關於轉速的不同變化曲線；並且

圖4示出了根據本發明的方法的示例性的流程圖。

具體實施方式

圖1示例性地示出了具有內燃機10的機動車環境中的空氣及廢氣導引部的簡化的示意圖，在所述內燃機中能夠應用根據本發明的方法。在供應空氣流21經由渦輪增壓器23的壓縮級24和所述內燃機10的節氣門25被輸送之前，所述供應空氣流21通過空氣輸送通道20首先經過空氣品質傳感器22。在所述內燃機10中，空氣與所輸送的燃料（在此未示出）一起以放熱的方式被轉化。所產生的廢氣能夠部分通過廢氣再循環部26被重新輸送給供應空氣流21。剩餘的廢氣流32經由排氣道30首先經由所述渦輪增壓器23的廢氣渦輪機31引導並且隨後進入到廢氣後處理設備40中。在所述廢氣後處理設備40中布置有四元催化器41，所述四元催化器不僅作為三元催化器起作用而且作為顆粒過濾器起作用。作為替代方案，也能夠將三元催化器和顆粒過濾器作為兩個分開的組件來布置，並且/或者能夠布置其他的/另外的組件。配屬於所述廢氣後處理設備40的傳感裝置、像例如λ探測器和/或溫度傳感器或者其他探測器或者說組件以及控制裝置未被示出。

圖2示出了馬達負荷-排氣背壓-曲線圖50，其中描繪了以[mbar]（毫巴）來表示的排氣背壓51關於以[bar]（巴）來表示的馬達負荷52的情況。在此示出了變化曲線53、54、55，詳細來說關於布置在所述廢氣後處理設備40中的三元催化器（沒有過濾顆粒的組件）（53），替代上述情況關於在未承受負荷的狀態下的四元催化器（54）和在承受負荷的狀態下的四元催化器（55）。為了解釋清楚，此外還描繪了未承受負荷的與承受負荷的四元催化器之間的排氣背壓的壓力差56。可以看出，所出現的排氣背壓依賴於馬達的負荷狀態，更確切地說隨著所述負荷狀態上升。在當前情況下，所述壓力差56直到吸氣全負荷（從所述吸氣全負荷起出現吸氣運行中最大可能的有效轉矩，在此處於馬達負荷為大約10bar的情況下）都能夠小於10mbar。在更高的負荷的情況下，除了絕對排氣背壓以外所述壓力差56也提高。但是，所述壓力差仍然還是相對較低，因此由所述壓力差56可靠地推斷出所述過濾顆粒的組件（四元催化器或者單獨的顆粒過濾器）的負荷狀態是困難的。因此，在根據本發明的、用於獲取過濾顆粒的組件的負荷狀態的方法中，以有利的方式不動用所述排氣背壓或者所述廢氣後處理設備40的另外的壓力值，而是動用下述這樣的運行參量，所述運行參量基於所述內燃機10的轉速被推導出來。作為適合的運行參量，在此尤其已經被證明的是施加在曲軸上的轉矩，又或者是與所述轉矩相關的參量、如在所述內燃機10的曲軸的特定的角度位置處的角速度或者角加速度。

為了解釋清楚所述過濾顆粒的組件的負荷是如何反映到所述轉矩上的，在圖3中示例性地示出了轉速-轉矩-曲線圖60。得出的變化曲線是機動車專有的並且尤其依賴於所述內燃機和排氣系統。在所述曲線圖60中描繪了在全負荷61的情況下相對於在使用沒有過濾顆粒的組件的三元催化器的情況下最大程度能夠達到的轉矩以[%]（百分數）來表示的轉矩關於以[1/min]（每分鐘轉數）來表示的轉速62的情況，更確切地說針對具有三元催化器（沒有過濾顆粒的組件）（63）、具有在未承受負荷的狀態下的四元催化器（64）和在承受負荷的狀態下的四元催化器（65）的廢氣後處理設備40。在變化曲線63中，在全負荷的情況下的最大轉矩（100%）大約針對2000到40001/min的轉速出現。就高達大約20001/min的低轉速而言，所述最大轉矩幾乎也利用四元催化器來實現。在轉速變得更大的情況下，出現相對於最大能夠達到的轉矩的差值隨著所述轉速62增大的情況。對於確定所述負荷狀態而言決定性的是：在四元催化器未承受負荷的情況下的變化曲線64與在四元催化器承受負荷的情況下的變化曲線65之間的差值，所述差值同樣隨著提高的轉速62而增大。在下述轉速62的情況下所述差值相對較大：所述轉速62等於或者大於下述這樣的轉速，從該轉速起發生所述馬達的最大轉矩的下降。如果藉助所述轉矩或者相關的參量作為運行參量來獲取所述過濾顆粒的組件的負荷狀態，那麼在此提議：考慮在該轉速範圍內的所述差值或者相應的參量，以便實現所述方法的儘可能高的精度。在此優選的是，將至少一個轉速62又或者多個轉速規定為校準點。此外，轉矩（或者說相關的參量）之間的最大差值在全負荷的情況下出現，從而使得優選在全負荷的情況下獲取所述運行參量。但是，就足夠大的差值而言，為了確保所要求的高於2%的精度，也能夠設想在部分負荷運行的情況下進行獲取。

圖4示例性地示出了根據本發明的方法的方法圖70。在第一方法步驟71中，在馬達試驗臺上在至少一個規定的轉速的情況下在所述過濾顆粒的組件的未承受負荷的狀態和至少一個以規定的方式承受負荷的狀態下獲取所述運行參量（尤其所述轉矩或者說相關的參量）。在此優選使用來自de102012203669a1中所給出的方法的步驟，其中例如藉助飛輪處的轉速傳感器來考慮轉速信號。所述規定的轉速在圖3中的示例中優選處於大於40001/min的轉速範圍中並且優選在全負荷的情況下被獲取。由所獲取的、在承受負荷的狀態和未承受負荷的狀態下的運行參量能夠推導出比較參量、例如所述差值或者因子或者類似參量。

在第二步驟72中，將比較參量和/或在承受負荷的狀態下的運行參量，以及在該示例中還有在未承受負荷狀態下的運行參量，依據轉速並且必要時依據負荷（如果沒有按照標準在全負荷的情況下獲取的話）存儲在特性曲線族中。所述比較參量和/或在承受負荷的狀態下的運行參量在此優選配屬於所述過濾顆粒的組件的規定的負荷狀態，其中所述負荷狀態能夠以絕對的方式、例如以克來給出，又或者以相對的方式、例如以百分數來給出。

在第三步驟73中，在行駛運行中在到達校準點（也就是說規定的轉速和必要時規定的負荷）時，相應地獲取所述運行參量並且將所述運行參量輸送給與在所述特性曲線族中在相應的轉速的情況下所存儲的運行參量的比較（第四步驟74）。在所述比較中確認：是否達到所述過濾顆粒的組件的極限負荷。所述比較能夠以不同的適合的方式來實施。例如，能夠將在行駛運行中所獲取的運行參量直接與對應於所述極限負荷和/或另外的負荷的運行參量進行比較。但是，也能夠首先將在行駛運行中所獲取的運行參量和在未承受負荷的狀態下的運行參量（參考運行參量）所形成的差值和/或因子或者類似參量構成為比較參量，並且對所述比較參量相應地進行比較。也能夠設想其他適合的可行方案。如果所述負荷狀態處於所述極限負荷之下，那麼在相應的條件下在較遲的時刻重新執行步驟73。

如果達到所述極限負荷，那麼在步驟75中導入對所述過濾顆粒的組件的革新處理，在此不再進一步探討在該位置處的革新。在所述方法的第六步驟76中，現在能夠獲取在所述過濾顆粒的組件的未承受負荷的狀態下的運行參量。在所述方法的第七步驟77中，現在將該運行參量輸送給與之前在所述特性曲線族中在相應的校準點時所存儲的、在未承受負荷的狀態下的運行參量的比較。如果在所述比較中顯示出：在未承受負荷的狀態下的運行參量之間的偏差超出特定的公差範圍，那麼能夠將重新獲取的運行參量替代（或者附加於）之前的運行參量存儲在所述特性曲線族中。通過這種重新校準能夠有利地補償在系統的使用壽命期間的老化效應（例如由馬達驅動方面的改變、磨損、所述過濾顆粒的組件的灰化等引起），這實現了在使用壽命期間對所述負荷狀態的正確識別。此外能夠設想的是，規定一定的可信度測試方案。從而例如在未承受負荷的狀態下的運行參量之間的突然的、非常大的偏差能夠指明其他方面的故障。在這種情況下，通常還會跳出其他診斷方法。還能夠考慮其他的、依賴於時間的影響或者說變化，以便儘可能精確地分開和確定所述負荷狀態。

在根據本發明的方法中，優選以帶有小於2%、優選約1%的偏差的高精度來獲取所述運行參量。這允許：即使在奧託馬達中也可以可靠地預報所述過濾顆粒的組件的負荷狀態，在所述奧拓馬達（ottomotor）中預報條件比例如在柴油馬達中更具挑戰性，因為在所述廢氣後處理設備中出現更小的壓力差。