CN110500220A - 用于在内燃机的冷起动的情形中降低颗粒排放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在内燃机的冷起动的情形中降低内燃机的颗粒排放的方法。在此，确定燃烧室温度和环境温度。如果燃烧室温度处在第一阈限温度之下且环境温度处在第二阈限温度之下，识别出冷起动条件。在该情况中，内燃机通过起动机牵引，其中，处在燃烧室中的空气压缩且加热。该热量被排出到燃烧室壁处，该燃烧室壁同样加热。在该运行情况中不实现到燃烧室中的燃料喷射且不实现点火，从而不产生在燃烧室中的燃烧且内燃机仅压缩新鲜空气。通过压缩功，燃烧室加热，从而实现燃料在燃烧室中的更好的气化。设置成，当燃烧室的燃烧室壁达到足够温度时，首先断开的到燃烧室中的燃料喷射被接通，从而由于未燃烧的燃料撞击到冷的燃烧室壁上的炭黑形成减少。

Description

用于在内燃机的冷起动的情形中降低颗粒排放的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在内燃机(Verbrennungsmotor，有时也称为燃烧发动机)的冷起动的情形中降低内燃机、尤其汽油发动机的颗粒排放的方法以及涉及一种用于执行这样的方法的控制器。

背景技术

废气法规的持续加强对车辆制造商提出了高的要求，所述要求通过用于降低发动机原始排放的相应措施且通过相应的废气后处理来解决。随着法规级别EU6的引入，对于汽油发动机而言规定了针对颗粒数量的极限值，其在许多情况中使得汽油颗粒过滤器的使用变得必要。这样的炭黑颗粒特别地在内燃机的冷起动之后由于不完全燃烧结合在冷起动之后的过化学计量的空燃比(Verbrennungsluftverhältnis)、冷的气缸壁以及在内燃机的燃烧室中的不均匀的混合物分布而形成。与柴油颗粒过滤器的负载相反，汽油颗粒过滤器的炭黑负载大致取决于燃烧室温度实现且随着增加的燃烧室温度而降低。因此，冷起动阶段对于遵循法规规定的颗粒极限值(不仅关于颗粒质量而且关于颗粒数量)而言是决定性的。在较冷的外界温度(Außentemperatur)的情形中、尤其在0℃之下的环境温度的情形中，在汽油发动机的情形中由于较少的混合物均质化和燃料的气化以及起动富集(Startanreicherung)而发出特别高的颗粒排放。此外，带有次化学计量的富空燃比的冷起动导致一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(HC)的更高的排放，因为由于冷的催化器尚不可实现到二氧化碳和水蒸气的转化。在行驶运行中，在带有汽油颗粒过滤器的机动车的情形中该汽油颗粒过滤器然后被进一步负载以炭黑。为了排气背压(Abgasgegendruck)不过强地上升，该汽油颗粒过滤器必须被连续地或周期性地再生。排气背压的上升可导致内燃机的额外消耗(Mehrverbrauch)、功率损失和平稳运行(Laufruhe)直至点火中断(Zündaussetzer)的损害。为了执行被保留在汽油颗粒过滤器中的炭黑以氧气的热氧化，足够高的温度水平结合在汽油发动机的排气设施中同时存在的氧气是必要的。因为现代的汽油发动机通常在不带有氧气过量的情况下以化学计量的空燃比(λ=1)来运行，对此额外的措施是必要的。为此作为措施例如考虑通过点火角度调节的温度提高、汽油发动机的暂时的稀燃调节(Magerverstellung)、二次空气到排气设施中的吹入或这些措施的组合。优选地，迄今在延迟方向上的点火角度调节结合汽油发动机的稀燃调节被应用，因为该方法在不带有额外构件的情形中也行且可在汽油发动机的大多数运行点中提供足够的氧气量。当在柴油发动机的情形中颗粒过滤器的炭黑负载大致连续地在运行中实现时，如此汽油发动机尤其在内燃机的冷起动阶段中发出炭黑颗粒，其中，炭黑形成随着下降的环境温度上升。在外源点火式内燃机的情形中炭黑原始排放的最高份额由于冷的内燃室壁和燃料的因此不足的气化而来自于在较低的环境温度的情形中、尤其在0℃之下的环境温度的情形中的冷起动阶段。

为了减少在外源点火式内燃机的冷起动阶段中的炭黑形成，例如起动富集的减少、多次点火的使用或用于避免燃烧室壁浸湿以及用于改善的混合物制备的多次喷射是已知的。然而，这些措施大多数仅可以以较高的耗费来实现且因此大多数是成本密集的。此外，备选的点火系统(如激光点火或电晕点火(Corona-Zündung))的可行性方案是已知的。

由文件DE 101 31 937 A1已知一种用于降低车辆排放的设备以及一种用于降低内燃机的冷起动排放的方法，在其中气门定时(Ventilsteuerzeit，有时也称为气门正时)、点火角和空燃比被匹配，以便于改善在冷起动阶段中的燃烧温度和燃烧效率且降低冷起动排放。

此外，已知在内燃机的情形中至少一个燃烧室、优选地至少两个燃烧室、尤其存在的燃烧室的一半的气缸断开(Zylinderabschaltung)，以便于在内燃机的较低的部分负荷和较弱的发动机负荷的情形中节省燃料。

由文件DE 10 2012 022 153 A1已知一种用于运行内燃机的方法，在其中内燃机的气缸断开被用于以如下方式提高内燃机的废气温度，即，未断开的气缸以次化学计量的混合物来运行，且次化学计量的混合物的未燃烧的燃料与穿过断开的气缸被输送到排气通道中的氧气在该处放热反应。

由文件DE 39 06 296 A1已知一种用于降低带有废气后处理装置的汽油发动机的废气排放的方法，其中，新鲜空气在进入到发动机的燃烧室之前被短期地集中地电加热。在此，1 KW或更高的电加热功率被带入到新鲜空气流中，以便于改善在冷起动的情形中燃料的混合物形成和点火特性。

然而，对于这样的解决方案不利的是，在较冷的外界温度的情形中车辆电池的性能(Leistungsfähigkeit)同样急剧下降且发动机部件的摩擦由于冷油的较高粘性而增加，从而刚好在这样的情况中可避免车辆电池的较强负载。

发明内容

本发明此时基于如下任务，即，降低在内燃机的冷起动阶段中的炭黑排放且克服由现有技术已知的缺点。

根据本发明，该任务通过一种用于在内燃机冷起动的情形中降低内燃机的颗粒排放的方法来实现，该方法包括如下步骤：

- 确定内燃机的燃烧室温度和环境温度，

- 通过起动机(Starter)牵引内燃机，当燃烧室温度处在第一阈限温度之下且环境温度处在第二阈限温度之下时，其中

- 处在燃烧室中的空气被压缩且加热，其中

- 热量被传递到内燃机的燃烧室的燃烧室壁上，且其中，燃料到内燃机的燃烧室中的喷射在该运行情况中被阻止，只要燃烧室温度处在第一阈限温度之下，且

- 当经过定义的时间间隔、达到确定数量的发动机旋转(Motorumdrehung)或燃烧室达到定义的最低温度时，接通燃料到经预热的燃烧室中的喷射。

在根据本发明的方法中，在较冷环境中的冷起动的情形中内燃机首先作为“空气泵”来运行，其中，没有燃料被喷射到燃烧室中，从而排除燃烧和与此相联系的炭黑形成。如果燃烧室壁通过空气的压缩相应地加热，燃料喷射被接通，从而燃料的气化被改善且燃料尤其不再撞击到冷的燃烧室壁上。在此，起动过程可以以燃料的较少富集(Anreicherung)实现且通过较热的燃烧室壁和改善的混合物均质化引起地获得炭黑减少。

通过在从属权利要求中所提及的特征可实现在独立权利要求中所提及的用于降低颗粒排放的方法的有利的改善和改进。

在该方法的一种优选的实施方式中作如下设置，即，在阻止燃料喷射的情形中点火火花到内燃机的燃烧室中的带入同时同样被阻止。因为在根据本发明的方法的情形中首先在燃烧室中不存在可点燃的燃烧空气混合物，在该运行阶段中同样可取消点火火花的带入。这降低了能量消耗且提高了火花塞的寿命。

在该方法的一种有利的实施方式中作如下设置，即，燃料喷射的断开取决于经确定的环境温度对于定义的时间段而言实现，且在该定义的时间段之后燃料被喷射到内燃机的燃烧室中。环境温度越冷且燃烧室温度越冷，则内燃机越长地作为空气泵运行，以便于实现燃烧室壁的相应的温度提高。通过时间段与经确定的环境温度的关系可确保如下，即，燃烧室壁充分加热，以便于降低炭黑颗粒形成。

在此如下是优选的，第二阈限温度小于或等于0℃。试验结果证实如下，即，在冷的内燃机和在0℃之下的环境温度的情形中在燃烧室中的炭黑形成明显增加。冷的内燃机就此而言应理解为其温度在起动之前仅不显著地区别于环境温度的内燃机。

在该方法的另一改善方案中作如下设置，即，在执行该方法的情形中在内燃机的进气通道中的节流阀片被完全打开。通过打开节流阀片，尽可能多的新鲜空气可流入到内燃机的燃烧室中。由此，在压缩新鲜空气的情形中的峰值压力可被提高，由此燃烧室相比在新鲜空气的节流的流入的情形中更快速地加热。

在该方法的一种有利的改进方案中作如下设置，即，燃料泵被驱动用于在断开的燃料喷射的情形中燃料喷射阀的燃料供给，以便于在至燃料喷射阀的燃料流入管(Kraftstoffzuleitung)中构建燃料压力。通过压力构建，燃料可在接通燃料喷射之后以较高压力被喷射到燃烧室中，由此可实现燃料的更好的雾化且与此相联系地实现较少的炭黑形成。

此外有利地作如下设置，即，取决于环境温度喷射压力在接通燃料喷射之后相对于不带有燃料喷射的断开的类似运行点被提高。在冷起动阶段中的喷射压力的提升除了上述措施之外导致如下，即，燃料被更细地雾化且形成在燃烧室中的更均匀的燃烧混合物。这降低了内燃机的炭黑排放。

根据本发明提出了一种用于内燃机的控制器，其中，控制器被如此设立，使得当可机器读取的程序编码通过该控制器被实施时，根据本发明的方法被实施。通过根据本发明的控制器，在带有燃料直喷的内燃机的情形中可以以简单的且成本适宜的形式和方式实现本发明的用于降低冷起动排放、尤其颗粒排放的方法。在此，该解决方案可纯软件技术上实现，从而额外的硬件不是必要的。因此，该方法可大致成本中性地在带有燃料直喷的内燃机处实现。

此外，根据本发明提出了一种机动车，其具有带有至少一个燃烧室、优选地带有至少三个燃烧室的内燃机、控制器以及带有在其中布置有至少一个颗粒过滤器或四元催化器的排气设施。所提出的方法不仅在柴油发动机处而且在汽油发动机处可简单且成本适宜地通过在内燃机的控制器上的软件程序来实现。但是因为柴油发动机大致连续地发出炭黑且同样在内燃机的正常运行中、尤其在较强的加速过程的情形中发出炭黑，所以该方法的效率对于柴油发动机而言被限制。原则上，所提出的方法然而在所有内燃机的情形中导致冷起动排放、尤其在内燃机冷起动的情形中的颗粒排放的降低。

在机动车的一种优选的实施方式中作如下设置，即，该内燃机是借助于火花塞被外源点火的汽油发动机且至少一个颗粒过滤器是汽油颗粒过滤器或四元催化器。在汽油发动机的情形中，如开头所提及的那样，尤其在内燃机的冷起动阶段中炭黑颗粒被发出。因此，所提出的用于降低冷起动排放的方法在汽油发动机的情形中是特别有利的，因为首先燃烧室的燃烧室壁被加热，在燃料被喷射到燃烧室中之前。在燃料喷射和点火的较晚接通的情形中，燃料此时撞击到经预热的燃烧室壁上，其有助于燃料的气化且降低颗粒排放。在此，对于燃烧室的预热而言不需要额外的构件如预热塞(Glühkerze)。此外，根据本发明的方法与另外的由现有技术已知的用于降低在外源点火式内燃机的情形中的冷起动排放的措施(如例如多次点火)、喷射压力的提高、多次喷射或起动富集的降低相组合。由此可实现冷起动排放、尤其颗粒排放的进一步降低。

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所提及的特征得出。

本发明的不同的在该申请中所提及的实施方式只要在个别情况中未另外实施可有利地彼此组合。

附图说明

随后在实施例中根据附图对本发明进行阐释。其中：

图1显示了带有空气供给装置、燃料喷射系统、点火系统和排气设施的内燃机，在其处可执行根据本发明的用于降低冷起动排放的方法；且

图2显示了用于执行根据本发明的用于降低外源点火式内燃机的冷起动排放的方法的流程图。

附图标记列表

10 内燃机

12 燃烧室

14 燃烧室壁

16 火花塞

18 燃料喷射阀

20 排气设施

22 颗粒过滤器

24 第一三元催化器

26 第二三元催化器

28 四元催化器

30 废气涡轮增压器

32 涡轮

34 第一氧传感器(Lambdasonde)

36 第二氧传感器

38 温度传感器

40 燃料喷射系统

42 燃料泵

44 燃料管路

46 燃料箱

48 燃料过滤器

50 控制器

52 信号线路

54 温度传感器

56 燃料

58 进气管路

60 空气供给系统

62 空气过滤器

64 空气质量仪表

66 压缩机

68 节流阀片

80 机动车

λ_E 空燃比

T 温度

T_min 最低温度

T_S 阈限温度

T_UMG 环境温度。

具体实施方式

图1显示了用于机动车80的外源点火式内燃机10，带有排气设施20，在其中在内燃机10的废气穿过排气设施的流动方向上布置有靠近发动机的三元催化器24，在靠近发动机的三元催化器24下游布置有颗粒过滤器22且进一步在下游布置有另外的三元催化器26。在一种简化的实施方式中同样可取消第二三元催化器26。除了三元催化器24和颗粒过滤器22之外，在排气设施中可布置有另外的催化器和废气后处理装置，尤其NOx存储催化器(Speicherkatalysator)。颗粒过滤器22可具有三元催化作用的涂层(Beschichtung)，且构造成所谓的四元催化器28，其中，颗粒过滤器22在该情况中将三元催化器24和颗粒过滤器22的功能结合在一个构件中。内燃机10经由空气供给系统60被供以新鲜空气。在此，在内燃机10的进气通道58中布置有空气过滤器62和空气质量仪表(Luftmassenmasser)64。新鲜空气可借助于压缩机和/或废气涡轮增压器30被压缩，其中，在排气设施20中布置有涡轮32，其驱动在内燃机10的空气供给系统60中的压缩机66。以该形式和方式，供应给内燃机10的燃烧室12的新鲜空气被压缩。为了控制被供应给燃烧室12的新鲜空气量，在进气道(Ansaugtrakt)58中布置有节流阀片68。此外，内燃机10具有燃料供给系统，在其中燃料56从燃料箱46中借助于燃料泵42通过燃料管路44被供应给燃料喷射系统40且根据需求被喷射到进气道58中或到内燃机10的燃烧室12中。优选地，燃料56通过布置在燃烧室12处的燃料喷射阀18被喷射到内燃机10的相应的燃烧室12中。在燃料管路44中，在燃料箱46与燃料泵42之间设置有燃料过滤器48，以便于将污染物(Verunreinigung)从燃料56中移除且因此保护燃料泵42以及燃料喷射系统40免受由于被污染的燃料56引起的损伤。此外，内燃机10具有点火分电器(Zündverteiler)，经由其可操控在燃烧室12处的火花塞16且分别将一个或多个点火火花发射到燃烧室12中。因此，在燃烧室12中的燃烧空气混合物可被点燃。在内燃机10的排气设施20中，在内燃机10的废气穿过排气设施20的流动方向上在三元催化器24上游和在三元催化器24下游布置有氧传感器34,36，以其可调节内燃机10的空燃比λ。为此，氧传感器34,36、燃料喷射系统40和点火分电器经由信号线路52与内燃机10的控制器50相连接，经由其控制空燃比λ、燃料量和在其处火花塞16分别发射点火脉冲的点火时刻。此外，在排气设施20中可设置有温度传感器38，经由其废气温度TEG可被确定且可被用于控制内燃机10。

颗粒过滤器22或可替代三元催化器24和颗粒过滤器22的四元催化器28具有如下任务，即，使废气免除颗粒。在此，颗粒在过滤器中被分离且废气被净化。通过该分离机构，颗粒过滤器22或四元催化器28被负载以炭黑。由于该负载可能出现负面效应、如功率损失、更高的燃料消耗或还有点火中断。为了避免这些负面效应，颗粒过滤器22或四元催化器28必须循环地且/或取决于负载地被再生。在柴油发动机的情形中颗粒过滤器22,28的负载在一定程度上连续实现且尤其在较强加速或全负荷的情形中是一个问题，而汽油发动机尤其在内燃机10的冷起动阶段中发出颗粒。在较低外界温度的情形中、尤其在0℃之下的外界温度的情形中，在汽油发动机的情形中由于较小的混合物均质化和燃料的较少气化以及起动富集而发出非常高的颗粒排放。炭黑排放的最高份额来自如下，即，燃料56在燃烧室12的冷的燃烧室壁14的情形中仅不充分地气化。由于在冷起动阶段中的较高的炭黑排放，颗粒过滤器22或四元催化器28被快速负载以炭黑，从而颗粒过滤器22或四元催化器28的经常再生是必要的。颗粒过滤器22或四元催化器28的再生尤其可通过内燃机10的过化学计量的运行或通过将二次空气带入到排气设施20中实现。在内燃机10的过化学计量的运行的情形中，此外产生氮氧化物排放的上升，因为该氮氧化物排放不再可通过三元催化器22,26中的一个或四元催化器28被转换成无毒的废气组分。

在图2中示出了用于在内燃机10的冷起动的情形中降低颗粒排放的根据本发明的方法的流程图。在此，在第一方法步骤<100>中检查，燃烧室温度T_BR是否处在第一阈限温度T_S1之下且环境温度T_UMG是否处在第二阈限温度T_S2之下。在此，作为第二阈限温度T_S2尤其设置有0℃或更低的温度。在第二方法步骤<110>中，内燃机10被起动，其中，当冷起动被识别出时，至少内燃机10通过起动机牵引。当不仅燃烧室温度T_BR而且环境温度T_UMG处在相应的阈限温度T_S1,T_S2之下时，则冷起动被识别出。通过牵引内燃机10，新鲜空气在方法步骤<120>中在燃烧室12中被压缩且加热。在此，经压缩的空气的热量被传递到燃烧室12的燃烧室壁14上，该燃烧室壁同样加热。在此，在该牵引运行中没有燃料56被喷射到燃烧室12中，从而在该运行状态中不产生燃烧。在图1中示出的实施例中，内燃机10实施成4缸直列发动机(Reihenmotor)，其中，到四个燃烧室12中的燃料喷射在冷起动阶段中被阻止。并行地，在方法步骤<130>中燃料喷射泵42被运行，以便于构建燃料压力。额外地，在方法步骤<140>中在进气通道58中的节流阀片68被打开，以便于将尽可能多的新鲜空气导引到燃烧室12中且可在该处压缩。如果燃烧室壁达到定义的最低温度T_min或内燃机10达到确定数量的旋转(Umdrehung)，在方法步骤<150>中燃料喷射和点火被激活。通过先前的压力构建，被喷射到燃烧室12中的燃料56的喷射压力可被提高，以便于获得燃料56的更好的雾化且因此形成更细的微滴，从而未燃烧的液态燃料56撞击到燃烧室12的冷的燃烧室壁14上的危险被降低。

总之应理解如下，即，通过根据本发明的方法可以以简单的且成本适宜的形式和方式降低在内燃机10的冷起动阶段中的炭黑排放，其中，在内燃机10处的额外构件或其他变化不是必要的。

Claims (10)

1.一种用于在所述内燃机(10)的冷起动的情形中降低内燃机(10)的颗粒排放的方法，包括如下步骤：

- 确定所述内燃机(10)的燃烧室温度(T_BR)和环境温度(T_UMG)，

- 当所述燃烧室温度(T_BR)处在第一阈限温度(T_S1)之下且所述环境温度(T_UMG)处在第二阈限温度(T_S2)下方时，通过起动机牵引所述内燃机(10)，其中，

- 处在所述燃烧室(12)中的空气被压缩且加热，其中，

- 所述热量被传递到所述内燃机(10)的燃烧室(12)的燃烧室壁(14)上，且其中，

- 只要所述燃烧室温度(T_BR)处在所述第一阈限温度(T_S1)下方，燃料到所述内燃机(10)的燃烧室(12)中的喷射在该运行情况中被阻止，且

- 接通燃料到经预热的燃烧室(12)中的喷射，当经过定义的时间间隔、达到确定数量的发动机旋转或所述燃烧室(12)已达到定义的最低温度(T_min)时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在阻止所述燃料喷射的情形中点火火花到所述内燃机(10)的燃烧室(12)中的带入同时同样被阻止。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，额外地所述燃料喷射的断开取决于经确定的环境温度(T_UMG)对于定义的时间段而言实现，且在该定义的时间段之后燃料(56)被喷射到所述内燃机(10)的燃烧室(12)中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二阈限温度(T_S2)小于或等于0℃。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在执行所述方法的情形中在所述内燃机(10)的进气通道(58)中的节流阀片(68)被完全打开。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，用于燃料供给的燃料泵(42)由燃料喷射阀(18)在断开的燃料喷射的情形中驱动，以便于在至所述燃料喷射阀(18)的燃料输入管中构建燃料压力。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，取决于所述环境温度(T_UMG)所述喷射压力在接通所述燃料喷射之后相对于不带有所述燃料喷射的断开的类似工作点被提高。

8.一种用于内燃机(10)的控制器(50)，其中，所述控制器(50)如此设立，使得当可机器读取的程序编码通过所述控制器(50)实施时，实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种机动车(80)，其带有具有至少一个燃烧室(12)的内燃机(10)、根据权利要求8所述的控制器(50)以及在其中布置有至少一个颗粒过滤器(22)或四元催化器(24)的排气设施(20)。

10.根据权利要求9所述的机动车(80)，其特征在于，所述内燃机(10)是外源点火式汽油发动机且所述至少一个颗粒过滤器(22)是汽油颗粒过滤器或四元催化器(28)。