用於廢氣淨化設備的溫度管理的方法和裝置的製作方法

2023-08-01 08:17:06

專利名稱：用於廢氣淨化設備的溫度管理的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在內燃機廢氣通道中的廢氣淨化設備的溫度管理的方法，其中在廢氣通道中或者在廢氣淨化設備上安裝至少一個熱電發電機。本發明還涉及相應的用於實施該方法的裝置。
背景技術：
在改善汽車燃料的能量利用範圍內致力於利用在熱廢氣中含有的能量。一種選擇是熱電發電機(TEG)，它們安裝在內燃機廢氣通道中的零部件上。熱電發電機利用由於塞貝克效應在半導體材料如Bi21Te^ PbTe, SiGe, BiSb, FeSi2上產生的電壓差，如果由這些半導體材料製成的物體的兩個部位具有不同的溫度的時候。在此對於規定的溫度差，電壓差取決於材料的塞貝克係數，它受到半導體材料摻雜的影響。為了達到實際可利用的電壓，在熱電發電機中串聯熱電元件。在此對於元件交替地使用P摻雜和η摻雜的材料，由此使電壓相加。在熱電元件上產生的電壓在很大程度上與其端部之間的溫度差成比例。另一方面已知，通過熱電材料通電可以產生熱量(珀耳帖效應)，由此可以實現熱泵運行。在專業雜誌MTZ (2009/4版)或ATZ (2010/4版)中描述了這種熱電發電機在汽車領域中的典型應用以及其用於廢氣通道的熱管理系統中的集成的初步可能。廢氣後處理的現有技術對於奧託發動機在均質的以λ =1運行的發動機中是三元催化器，並且在貧油(λ >1)運行的發動機中是NOx存儲催化器。而三元催化器從起燃溫度起連續工作並且根據安裝位置(靠近發動機或遠離發動機)必要時必須通過冷卻措施防止過熱，存儲催化器的特點在於不連續的工作方式(交替地存儲NOx和脫NOx和脫SOx再生)。 這種運行的不同階段對於其原理的或最佳的工作方式提出不同的熱需求。例如在貧油運行中以良好的效率只在約250至400°C的中等溫度範圍才存儲NOx，而兩個再生方式除了富油的混合條件以外也要求最低溫度。另一方面這個存儲催化器也經受熱老化，如果超過另一邊界溫度水平的時候。這要相應地避免。因為貧油運行比均質運行更加有利於消耗，因此在足夠的排放最小化時致力於通過存儲催化器擴大貧油運行範圍。在目前的柴油發動機中使用氧化催化器，它們在其要求方面與三元催化器類似， 並且在奧託發動機中使用上述的NOx存儲催化器。因為柴油發動機除了脫NOx/脫SOx再生以外有利地只能貧油運行，因此優化存儲範圍從排放觀點來看是有價值的目標。在柴油發動機中為了減少NOx排放替代NOx存儲催化器也使用SCR催化器 (SCR=Selektive Katalytische Reduktion (選擇性催化還原))。這需要配量還原劑、通常是尿素-水混合物到SCR催化器前面的排氣系中，由此同樣在確定的溫度範圍中仍然可以連續地還原在廢氣中含有的替代NOx。在此為了優化SCR運行附加地定義NO2與NO的比例是有利的，該比例仍然可以在上遊設置的氧化催化器中在相應的溫度下調整。在SCR系統中附加地由於在廢氣中尿素-水混合物製備的邊界條件還存在熱限制。由於在較低廢氣溫度時通過壁塗覆難以溶解的澱積物的隱患，只能從最低溫度起進行配量。同樣優選在確定的溫度範圍中開始去除澱積物。
在許多汽車市場中柴油顆粒過濾器(DPF)自一段時間以來已經是標準並且同樣具有不連續的工作方式(過濾/再生)，其中尤其在確定的熱邊界條件(用於燃燒炭黑和避免熱損傷的最低溫度)下進行再生。對於連續形式的再生在形成NO2的情況下與氧化催化器的共同作用是重要的，它同樣優選在溫度範圍中運行。為了滿足奧託發動機和柴油發動機在廢氣後處理上多層面的要求，在汽車應用中作為現有技術導入大量的發動機控制措施，用於形成混合物並且調整熱的邊界條件(冷卻或加熱)，例如(後)噴射策略、富油混合物、節流或廢氣回輸(AGR)。部分加熱措施也通過廢氣系統中的附加裝置(燃燒器、電加熱器)實現。但是現有技術根本未涉及使用熱電發電機或者只不充分地包括到廢氣後處理的運行策略中。

發明內容
由此本發明的目的是，提供一種方法和裝置，通過它可以將熱電發電機完全包括到廢氣後處理設備的熱管理中。與方法相關的目的通過權利要求1至7的特徵得以實現。與裝置相關的發明目的由此實現，在內燃機的發動機控制器中或在單獨的控制器中可將熱電發電機(TEG)的運行方式包括到廢氣淨化設備的溫度管理中，其中在控制廢氣通道中的廢氣流時或者為了控制廢氣淨化設備可以分析熱電發電機的可達到的加熱或冷卻能力以及其附加部件的用於冷卻熱電發電機的冷卻能力，並且規定熱電發電機的以及其用於冷卻的附加部件的運行方式。按照本發明的方法規定，所述熱電發電機的運行方式包括到廢氣淨化設備的溫度管理中，其中在控制廢氣通道中的廢氣流時或為了控制廢氣淨化設備，考慮熱電發電機的可達到的加熱或冷卻能力以及其附加部件的用於冷卻熱電發電機的冷卻能力。通過按照本發明的方法並藉助於相應的裝置得到在廢氣淨化設備的整個系統構造方面的特殊的改善可能，其中可以實現熱電發電機相對於廢氣淨化設備部件的最佳安裝位置，並且在完全將熱電發電機的所有運行可能包括到所有的廢氣後處理部件的熱管理中。由此有利地得到，由於完全包括TEG運行方式在相同的廢氣淨化設備功能時實現更有效消耗或者說以最小排放為基礎提高廢氣後處理系統的能力。通過這種優化可以省去用於加熱/冷卻的可能的附加裝置。如果例如對於內燃機的確定運行方式在熱電發電機的發電機運行中熱電發電機的冷卻能力被有針對性地用於在廢氣通道中降低溫度或用於保持確定的最高許用的溫度水平，可以在發動機的確定運行方式中在相同的行駛條件下使廢氣溫度保持在比在沒有 TEG的系統中更低的水平。由此例如可以使NOx存儲催化器的存儲範圍擴大到更大的負載範圍，由此得到排放優點和消耗優點，通過排放優點在更大的範圍實現奧託發動機的可能的貧油運行。以類似的方式可以保證催化覆層的廢氣後處理部件免受熱損傷。對於奧託發動機可以減少或者完全省去用於冷卻的混合氣富油。由此得到消耗優點。間接地通過改善的熱保護得到在廢氣淨化設備使用壽命上的排放改善。另一方面也可以對於內燃機的確定運行方式在熱電發電機的熱泵運行中熱電發電機的加熱能力被有針對性地用於在廢氣通道中提高溫度或用於保持確定的最低的溫度水平，用於例如實現廢氣中的確定的最低溫度。
所述熱電發電機的發電機運行和熱泵運行的交替可以有利地用於控制再生運行方式，例如在顆粒過濾器或者在NOx存儲催化器中，並由此保持確定的溫度範圍。通過熱電發電機支持的熱管理部分可以與行駛運行無關地保持再生運行。更可靠的完全地實施再生提供了由於避免多次加熱廢氣設備在燃料消耗方面的優點和由於對於新的存儲階段連續工作的系統更早地做好運行準備方面的排放優點。已經在文獻中建議過，為了加熱廢氣後處理部件、例如三元催化器使TEG純熱泵運行，用於更快地達到起燃溫度。所建議的擴展的運行策略的優點是，形成用於備選的加熱措施和TEG的旁路運行的更多消耗的準則，由此可以根據運行狀況和其它邊界條件選擇最佳的策略。在旁路運行時作為熱電發電機的附加部件設有旁路閥，它與熱電發電機並聯地設置在廢氣通道中並且通過旁路閥在需要情況下使太熱的廢氣流繞過熱電發電機。附加或備選地作為其他附加部件可以規定，可以控制冷卻循環用於調節廢氣淨化設備的溫度，通過冷卻循環在需要時可以冷卻熱電發電機，用於優化其效率或其電功率。對於TEG現有的冷卻循環也可以選擇或附加地增加直接設置在廢氣流中的熱交換器，用於由此得到廢氣溫度管理的另一可能。關於熱電發電機和廢氣後處理的集成運行策略特別有利的是，廢氣淨化設備的至少一個部件要求最佳的溫度帶，該溫度帶在正常的汽車運行中可以被部分地低於和部分地超越，於是在最佳的運行策略中可以規定，對於廢氣淨化設備的溫度管理在熱電發電機的運行策略中利用至少一個下面的準則。它們可以是
-通過熱電發電機的發電機運行或熱泵運行獲取能量或消耗能量， -通過熱電發電機的發電機運行或熱泵運行減少或增加廢氣熱量， -通過利用冷卻循環的冷卻能力降低廢氣溫度， -根據溫度降低廢氣淨化設備的排放， -通過熱電發電機的熱泵運行(廢氣加熱)消耗更多燃料，
-通過備選的發動機內部的和/或附加的廢氣加熱措施(例如燃燒器)消耗更多燃料， -通過中斷不連續工作的廢氣淨化設備的再生運行方式消耗更多燃料， -通過加熱或冷卻措施擴大有利消耗的發動機運行方式來降低燃料消耗。在另一方法變化中也可以規定，對於多個廢氣淨化設備或者多個熱電發電機，單獨地檢測並分析用於廢氣淨化設備的和/或熱電發電機的不同部件和其附加部件的準則。 在這種情況下利用過程控制權衡這些準則並且以整個分析為基礎選擇熱電發電機和廢氣後處理部件的運行策略。因此在優選的裝置變化中規定，在發動機控制器或在單獨的控制器中實施過程控制，它包括作為部件的信號檢測單元、計算單元、分析單元、控制單元和調整信號輸出機構。 在此規定，利用信號檢測單元可以檢測安裝在氣缸組上的傳感器的、熱電發電機的以及其附加部件的以及安裝在廢氣淨化設備中的傳感器的測量信號並且通過調整信號輸出機構可以控制氣缸組中的、熱電發電機上的和其附加部件(冷卻迴路，旁路閥)上的以及廢氣淨化設備上的致動器。在此在計算單元內部計算運行準則，其中由傳感器信號並且在附加地利用用於計算預計的運行值、如排放、廢氣溫度和更多消耗燃料的模型的情況下可以形成上述的準則。在分析單元內部進行的分析可以包括發動機的和至少一個熱電發電機的和至少一個廢氣後處理部件的運行準則。可以根據其它邊界條件如行駛狀況、部件的老化狀態和電池充電狀態可以權衡準則和分析。用於熱電發電機、冷卻循環、旁路閥和廢氣後處理設備的控制策略(它在控制單元內部確定)可以由運行準則的加權的分析推導出來，並且目的是同時優化燃料消耗和排放。在此具有其上述功能單元的過程控制的功能性作為硬體和/ 或軟體可以在控制器或在上級的發動機控制器中實施。此外單個功能單元也可以組成複雜的單元。TEG在其發電機運行中在其熱電的材料上的溫度差越高具有越高的功率。因此在優選的裝置變化中規定，所述熱電發電機在廢氣通道中在廢氣的流動方向上設置在廢氣淨化設備前面，即靠近發動機。因此如果它安裝在廢氣系統的排放最小的部件前面，則發電機運行伴隨從廢氣提取熱量是雙重有利的，如果這個部件的排放最小化在汽車/發動機的運行範圍中或者其熱穩定性通過達到最大許用廢氣溫度限制或者排放有利的運行方式只能保持直到邊界溫度的時候。這在催化劑覆層時是這種情況，其從達到邊界溫度開始由於熔化經受催化有效表面損壞，例如在三元催化器、氧化和NOx存儲催化器中是這種情況。如果在貧油運行中在NOx存儲催化器中存儲時或者在富油運行中再生NOx存儲催化器時超過與覆層材料有關的最高溫度時，則必需結束這種運行方式。由此必須轉換到例如消耗不利的運行中。通過提前中斷並且後期再接受再生，產生更多消耗，或者廢氣系統在存儲催化器的不完全再生的情況下暫時不能全部用於排放最小化。必要時在TEG與廢氣後處理部件之間的廢氣流中與接著的TEG的冷卻循環支持地布置熱交換器是有利的，如果TEG單獨在發電運行中的最大冷卻能力不足夠的時候。對於廢氣系統中的部件(其排放最小化在各排放測試中很大程度上取決於達到起燃溫度)有利的是，所述熱電發電機在廢氣通道中在廢氣的流動方向上設置在廢氣淨化設備後面，或者在布置在廢氣淨化設備前面時作為氣缸組與廢氣淨化設備之間的附加部件具有與熱電發電機並聯設置的可控的旁路閥。另一可能性是TEG作為熱泵在廢氣設備的加熱運行中運行。例子仍然是三元催化器(起燃溫度)或者在溫度範圍中NOx催化器的最佳的存儲效率。所述廢氣系統的許多排放最小化的部件對於其最佳運行不僅具有下溫度邊界而且具有上溫度邊界。在這種情況下為了優化TEG的利用和廢氣後處理，強制地需要TEG在這個部件前面的安裝位置、TEG的靈活運行策略(發電機和熱泵)和旁路控制。因此按照本發明的裝置特別適合於廢氣淨化設備，它們由顆粒過濾器、三元催化器或者NOx存儲催化器構成。如上所述，本發明與其方法變化的優選應用在奧託發動機或柴油發動機中。


下面藉助於在附圖中所示的實施例詳細解釋本發明。附圖中 圖1以示意圖示出在內燃機廢氣通道中的熱電發電機，
圖2示出熱電發電機在廢氣通道中的備選布置， 圖3示出具有附加的用於達到最佳的溫度範圍的部件的熱電發電機， 圖4以示意圖示出控制器，通過其主功能單元與內燃機部件的交互作用。
具體實施方式
圖1簡示出內燃機1，具有氣缸組10和設置在廢氣通道20中的廢氣淨化設備40。 在廢氣淨化設備40上沿廢氣流動方向在廢氣淨化設備40前面這樣安裝熱電發電機30，使得從熱廢氣一側加熱，而另一側對準外面並且具有更低的溫度。由此如上所述可以從在廢氣中含有的熱能檢測電能。這個布置是特別適合的，如果熱電發電機30以發電機運行運行並因此可以從廢氣中提取熱能的時候，使廢氣後處理設備40免受太高的溫度並由此免受可能的熱損傷。在圖2中同樣簡示出一種布置，其中熱電發電機30與圖1不同沿廢氣流動方向在廢氣通道20中設置在廢氣淨化設備40的後面。這個布置在廢氣淨化設備40的下邊界溫度(起燃溫度)的可達性方面是有利的，因為在發電機運行中提取熱量不影響廢氣淨化設備 40前面的廢氣溫度。在圖3中示出一種布置變化，其中如圖1所示熱電發電機30沿廢氣流動方向在廢氣通道20中設置在廢氣淨化設備40的前面，其中安裝附加的用於冷卻熱電發電機30的部件。附加部件是可控的旁路閥60，它在氣缸組10與廢氣淨化設備40之間與熱電發電機30 並聯地設置並且用於保護熱電發電機30。在溫度太高時旁路閥可以至少部分地打開，由此可以降低熱電發電機30的溫度負荷。另一用於保護熱電發電機30以及用於提高效率的部件是冷卻循環50。它一方面負責在發電機運行中更高的溫度差並由此負責更高的發電機電壓。另一方面通過其施加的冷卻功率也可以起到降低廢氣溫度的作用，這在廢氣淨化設備40的特定運行方式中可以起到積極的作用。但是為了提高廢氣淨化設備40前面的廢氣溫度也可以規定，或者打開旁路閥60 並且使熱電發電機30附加地作為熱泵工作，或者只打開旁路閥60。由此例如可以相當快速地達到最低溫度(起燃溫度)，如同其例如在顆粒過濾器(DPF)在再生運行中所需的那樣。為了控制這個複雜的運行模式，按照本發明設有控制器70，如同圖4結合在圖3中所述結構簡示的那樣。通過控制器70可以將熱電發電機30的運行方式包括到廢氣淨化設備的溫度管理中，其中在控制廢氣通道20中的廢氣流時或者為了控制廢氣淨化設備40，可以分析可達到的熱電發電機30的加熱或冷卻能力以及其用於冷卻熱電發電機30的附加部件的冷卻能力，並且規定熱電發電機30以及其用於冷卻的附加部件的運行方式。在控制器70中實施過程控制，它包括作為部件的信號檢測單元71、計算單元72、 分析單元73、控制單元74和調整信號輸出機構75。通過信號檢測單元71可以檢測氣缸組 10、熱電發電機30以及其附加部件以及廢氣淨化設備40的測量信號。通過調整信號輸出機構75可以控制氣缸組10中的、熱電發電機30上的和其附加部件上的以及廢氣淨化設備 40上的致動器，由此可以實現熱電發電機30與廢氣後處理設備40的集成運行策略。過程控制的功能性可以作為軟體或硬體在控制器70中實施。此外可以規定，也可以在上級的發動機控制器或汽車控制器中實現過程控制的功能性。
權利要求
1.一種用於在內燃機(1)的廢氣通道(20)中的廢氣淨化設備(40)的溫度管理的方法， 其中在廢氣通道(20)中或者在廢氣淨化設備(40)上安裝至少一個熱電發電機(30)，其特徵在於，所述熱電發電機(30)的運行方式包括到廢氣淨化設備(40)的溫度管理中，其中在控制廢氣通道(20)中的廢氣流時或為了控制廢氣淨化設備(40)，考慮熱電發電機(30)的可達到的加熱或冷卻能力以及其附加部件的用於冷卻熱電發電機(30)的冷卻能力。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對於內燃機(1)的確定運行方式在熱電發電機(30)的發電機運行中熱電發電機(30)的冷卻能力被有針對性地用於在廢氣通道(20)中降低溫度或用於保持確定的最高許用的溫度水平。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對於內燃機(1)的確定運行方式在熱電發電機(30)的熱泵運行中熱電發電機(30)的加熱能力被有針對性地用於在廢氣通道(20)中提高溫度或用於保持確定的最低的溫度水平。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熱電發電機(30)的發電機運行和熱泵運行的交替用於控制再生運行方式並由此保持確定的溫度範圍。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，為了調節廢氣淨化設備(40) 溫度控制作為熱電發電機(30)的附加部件的旁路閥(60)和/或冷卻循環(50)，所述旁路閥與熱電發電機(30)並聯地設置在廢氣通道(20)中並且通過所述旁路閥在需要時使太熱的廢氣流繞過熱電發電機(30 )，通過所述冷卻循環在需要時冷卻熱電發電機(30 )。
6.如權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，對於廢氣淨化設備(40)的溫度管理，在熱電發電機(30)的運行策略中利用至少一個下面的準則-通過熱電發電機(30)的發電機運行或熱泵運行獲取能量或消耗能量， -通過熱電發電機(30)的發電機運行或熱泵運行減少或增加廢氣熱量， -通過利用冷卻循環(50)的冷卻能力降低廢氣溫度， -根據溫度降低廢氣淨化設備(40)的排放， -通過熱電發電機(30)的熱泵運行消耗更多燃料， -通過備選的發動機內部的和/或附加的廢氣加熱措施消耗更多燃料， -通過中斷不連續工作的廢氣淨化設備(40)的再生運行方式消耗更多燃料， -通過加熱或冷卻措施擴大有利消耗的發動機運行方式來降低燃料消耗。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，對於多個廢氣淨化設備(40)或者多個熱電發電機(30)，單獨地檢測並分析用於廢氣淨化設備(40)的和/或熱電發電機(30)的不同部件和其附加部件的準則。
8.在奧託發動機或柴油發動機中如權利要求1至7中任一項所述的方法的應用。
9.用於在內燃機(1)的廢氣通道(20)中的廢氣淨化設備(40)的溫度管理的裝置，其中在廢氣通道(20)中或者在廢氣淨化設備(40)上安裝至少一個熱電發電機(30)，其中利用傳感器在發動機控制器中能分析內燃機(1)和廢氣淨化設備(40 )的運行狀態數據，並且為了調節廢氣溫度可以導入發動機內部的措施或附加措施，其特徵在於，在發動機控制器中或在單獨的控制器(70 )中能將熱電發電機(30 )的運行方式包括到廢氣淨化設備(40 )的溫度管理中，其中在控制廢氣通道(20)中的廢氣流時或者為了控制廢氣淨化設備(40)可以分析熱電發電機(30)的可達到的加熱或冷卻能力以及其附加部件的用於冷卻熱電發電機(30)的冷卻能力，並且能規定熱電發電機(30)以及其用於冷卻的附加部件的運行方式。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，在發動機控制器或在所述單獨的控制器 (70)中實施過程控制，它包括作為部件的信號檢測單元(71)、計算單元(72)、分析單元 (73)、控制單元(74)和調整信號輸出機構(75)，其中利用信號檢測單元(71)可以檢測氣缸組(10)的、熱電發電機(30)以及其附加部件的以及廢氣淨化設備(40)的測量信號，並且通過調整信號輸出機構(75)可以控制氣缸組(10)中的、熱電發電機(30)上的和其附加部件上的以及廢氣淨化設備(40)上的致動器。
11.如權利要求9或10所述的裝置，其特徵在於，所述熱電發電機(30)在廢氣通道 (20)中在廢氣的流動方向上設置在廢氣淨化設備(40)前面。
12.如權利要求9或10所述的裝置，其特徵在於，所述熱電發電機(30)在廢氣通道 (20)中在廢氣的流動方向上設置在廢氣淨化設備(40)後面，或者在布置在廢氣淨化設備 (40)前面時作為氣缸組(10)與廢氣淨化設備(40)之間的附加部件具有與熱電發電機(30) 並聯設置的可控的旁路閥(60 )。
13.如權利要求9至12中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述廢氣淨化設備(40)作為顆粒過濾器、三元催化器、SCR催化器或者作為氮氧化物存儲催化器構成。
全文摘要
用於廢氣淨化設備的溫度管理的方法和裝置。本發明涉及一種用於在內燃機廢氣通道中的廢氣淨化設備的溫度管理的方法，其中在廢氣通道中或者在廢氣淨化設備上安裝至少一個熱電發電機。所述熱電發電機的運行方式包括到廢氣淨化設備的溫度管理中，在控制廢氣通道中的廢氣流時或為了控制廢氣淨化設備，考慮熱電發電機的可達到的加熱或冷卻能力以及其附加部件的用於冷卻熱電發電機的冷卻能力。本發明還涉及相應的用於在內燃機的廢氣通道中的廢氣淨化設備的溫度管理的裝置。通過完全將熱電發電機的冷卻或加熱能力包括到廢氣淨化設備的運行方式中，改善廢氣淨化設備的效率，並且改善溫度管理和降低燃料消耗，這尤其可以有利地在奧託發動機或柴油發動機中使用。
文檔編號F01N3/02GK102444456SQ201110304378
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月10日 優先權日2010年10月11日
發明者達米茨 J. 申請人:羅伯特·博世有限公司