内燃机的废气后处理系统和用于控制废气后处理系统的方法与流程

本发明涉及用于处理来自内燃机的废气的废气后处理系统以及用于控制内燃机的废气后处理系统的方法。

背景技术

废气后处理系统特别用于采用内燃机的车辆以处理其废气，以减少内燃机的废气排放。因此，废气后处理系统包括诸如废气催化器（catalyst）之类的组件。废气催化器通过化学氧化还原来处理废气排放。废气催化器因此包括废气催化部分，废气流过该部分并在其中发生化学氧化还原。

废气催化部分所需的工作温度通常在200℃以上的区域内。为达到该温度，废气催化器通常使用废气本身的热量。这意味着在内燃机冷启动后的第一时间，废气催化器没有在所需温度水平下运行。如果废气催化器未在所需温度水平下运行，则无法根据需要减少内燃机的排放。尤其是内燃机冷启动后的初始排放由于现代内燃机具有更高的燃烧效率从而导致更低的废气温度而加剧。更低的废气温度意味着废气催化器需要更长的时间才能达到运行温度，因此这会导致更高的排放。

对于混合动力汽车来说这也是一个问题，因为由于其性质，内燃机会间歇运行，因此，即使在混合动力车辆的运行期间，这可能也不足以使废气催化器的温度上升到其运行温度。

为了应对这些问题，使用包括加热元件的废气催化器。加热元件被配置为在内燃机运行期间加热废气催化器的废气催化部分。通常从电压源向加热元件供应电功率。对加热元件进行加热所需的电功率可能在2kW至10kW之间。由于加热元件的高电功率需求，大部分所需电功率通常从车辆的交流发电机或启动发电机提供。

对电功率供应的控制通常通过通断控制开关来实现。在加热元件通过通断开关连接到供电网络的情况下，由于加热元件的高电功率需求，难以处理网络上的突发功率消耗。当加热元件通过通断开关突然从供电网络断开时，供电网络上可能会出现瞬态脉冲。

在加热元件突然连接到供电网络的情况下以及在加热元件突然从供电网络断开的情况下，可能会导致整个网络不稳定，或网络上可能出现高能脉冲，这很可能会损害电网的控制单元或其他部分或使之毁坏。

US 2010/212 981 A1公开了用于控制电加热催化器的系统和控制模块，其包括：远程启动模块，其生成远程启动信号；催化器控制模块，其基于远程启动信号来控制对催化器进行电加热；以及发动机控制模块，其在预加热后和/或当车辆要求满足定义的请求时启动发动机。

JP 2009-18 9921 A公开了用在由电流加热的催化器装置中的电流控制系统，其与由电流加热的催化器装置一起装配，该系统包括：催化器载体，通过电流引起的其温度升高来加热所承载的催化器，其特征在于，根据其温度变化改变电流电阻；第一和第二温度传感器，其部署在催化器载体上；以及控制器，其根据来自第一和第二温度传感器的信息来控制催化器载体的电流。

US 5,261,230 A公开了用于控制布置在发动机排气通道中的催化器的加热的装置。

技术实现要素：

本公开的目的是提供废气后处理系统和用于控制废气后处理系统的方法，可以用该方法来实现废气后处理系统的可靠且安全的运行。

该目的通过具有根据独立权利要求1的特征的废气后处理系统和具有独立权利要求6的特征的用于控制废气后处理系统的方法来实现。从属权利要求指出了有利的实施例和发展。

根据本公开，一种用于处理来自内燃机的废气的废气后处理系统包括：

- 废气催化器，其包括废气催化部分和加热元件，其中加热元件被配置为对废气催化部分进行加热，

- 电压源，其向加热元件供应电功率以便对加热元件进行加热，

- DC-DC转换器，其被配置为控制从电压源到加热元件的电功率供应，以及

- 控制单元，其被配置为基于对废气催化部分进行加热所需的电功率来控制DC-DC转换器。

废气催化器包括废气催化部分和加热元件。在废气催化部分中，发生催化作用以减少废气排放。加热元件被配置为对废气催化部分进行加热。根据一个实施例，加热元件被配置为在废气后处理系统的运行期间选择性地对废气催化部分进行加热。根据一个实施例，加热元件相对于废气流过内燃机的流动方向布置在废气催化部分的上游。根据另一实施例还可设想，加热元件在废气流动方向上布置在废气催化部分的下游。根据另一实施例，废气催化器包括两个加热元件，其中，两个加热元件中的一个在废气流动方向上布置在废气催化部分的上游，并且两个加热元件中的另一个在废气流动方向上布置在废气催化部分的下游。由电压源向加热元件供应电功率。电压源例如是电池或可再充电电池。仅在废气催化部分的温度低于充分废气后处理所需的阈值温度的情况下才通过加热元件将废气催化部分加热到预定温度。例如在内燃机冷启动之后即刻就是这种情况。因此，不必在内燃机的整个运行时间期间通过加热元件对废气催化部分进行加热。

根据一个实施例，加热元件包括蜂窝结构或矩阵结构。根据该实施例，电流从电压源流过蜂窝结构或矩阵结构。蜂窝结构或矩阵结构用作欧姆电阻。由此，蜂窝结构或矩阵结构被加热并向废气催化部分供应热量。因此，加热元件的温度直接取决于电压源供应的电功率。

DC-DC转换器是将直流源从一个电压水平转换为另一电压水平的电子电路或机电装置，因此可以使用DC-DC转换器来控制向用电装置供应电功率。DC-DC转换器的优点是可以安全地连接或断开需要高电功率的用电装置而不会损害供电网络。DC-DC转换器因此可以用于将加热元件与电压源连接或断开，并且采用DC-DC转换器，可以安全地控制供应给加热元件的输出电压。与传统的通断开关相比，DC-DC转换器具有高效率水平，因此可以减少不需要的热量产生。采用DC-DC转换器，可以安全可靠地控制从电压源到加热元件的电功率供应。当DC-DC转换器闭合电路时，加热元件的功率消耗使得能够安全可靠地控制从电压源到加热元件的电功率流动，而没有电网上的瞬态脉冲。采用控制从电压源到加热元件的电功率供应的DC-DC转换器，即使不断地在通断之间切换从电压源到加热元件的功率供应，也不会那么容易地导致废气后处理系统的电网不稳定。DC-DC转换器处理这样的突然连接或断开，而不会损害废气后处理系统的电网。

控制单元被配置为基于对废气催化部分进行加热所需的电功率来控制DC-DC转换器。换言之，如果加热元件应对废气催化部分进行加热，则控制单元控制DC-DC转换器以从电压源向加热元件供应电功率以对废气催化部分进行加热。此外，控制单元还被配置为控制DC-DC转换器从加热元件断开电压源，使得没有电功率从电压源流向加热元件。

根据本公开，控制单元通过DC-DC转换器来控制从电压源到加热元件的电功率供应，以控制废气催化部分的温度。通过控制单元与DC-DC转换器结合，能够以在连接或断开加热元件与电压源期间不损害废气后处理系统的电网的方式控制从电压源到加热元件的电功率供应。这使得整个废气后处理系统可靠且稳健。

根据一个实施例，DC-DC转换器是降压转换器。降压转换器是从其输入到其输出（通过逐步升高电流而）逐步减低电压的DC-DC转换器。采用降压转换器，可以有利地以如下方式控制从电压源到加热元件的电功率供应：如果加热元件通过降压转换器连接到电压源、或者如果加热元件通过降压转换器从电压源断开，则废气后处理系统的电网不会过载。此外，可以通过降压转换器减少当加热元件断开或连接到电压源时可能出现在电网上的能量脉冲。降压转换器使整个废气后处理系统更加可靠和稳健。

在一个实施例中，DC-DC转换器是多相降压转换器。多相降压转换器是包括多个组的DC-DC转换器，其中每个组包括具有相应电感的开关，其中这些组彼此并联连接。采用这种转换器，可以提高功率并调节无级电流。采用多相降压转换器，可以以如下方式控制从电压源到加热元件的电功率供应：在从电压源断开加热元件或将加热元件连接到电压源期间不损害电网、并且尤其是整个废气后处理系统。多相降压转换器可以根据加热元件的功率需求进行调整，使得尤其是在从电压源到加热元件的电功率供应的通断切换期间，电网不会面临瞬态能量脉冲。采用多相降压转换器，可以以非常可靠且稳健的方式实现从电压源到加热元件的电功率供应。

在一个实施例中，DC-DC转换器被配置为在从电压源到加热元件的电功率供应的斜升和/或斜降过程期间控制从电压源到加热元件的电功率供应。此外，废气后处理系统包括主开关元件，其被配置为在斜升过程之后和/或在斜降过程之前控制从电压源到加热元件的电功率供应。根据该实施例，控制单元被配置为基于对废气催化部分进行加热所需的电功率来控制DC-DC转换器和主开关元件。斜升过程是从电压源到加热元件的电功率供应从零负载提高到所需负载的过程或阶段。斜降过程是从电压源到加热元件的电功率供应从所需负载减小到零负载的过程或阶段。根据该实施例，DC-DC转换器用于在斜升和/或斜降过程期间控制从电压源到加热元件的电功率。这意味着控制单元控制DC-DC转换器以将从电压源供应给加热元件的电功率从零负载提高到所需负载，并且控制单元控制DC-DC转换器以将从电压源供应给加热元件的电功率从所需负载减小到零。

主开关元件被配置为在斜升过程之后和/或在斜降过程之前控制从电压源到加热元件的电功率供应。这意味着控制单元控制主开关元件以在斜升过程之后和/或在斜降过程之前控制从电压源到加热元件的电功率供应。根据一个实施例，主开关元件相对于DC-DC转换器并联连接。例如，如果控制单元控制废气后处理系统以从电压源向加热元件供应电功率，则控制单元在斜升过程期间控制DC-DC转换器以从电压源向加热元件供应电功率，并且控制单元在斜升过程之后控制主开关元件以控制从电压源到加热元件的电功率供应。

根据一个实施例，一旦在斜升过程期间所需的电功率达到其所需负载的90％，就激活主开关元件。在从电压源到加热元件的电功率供应的斜升和/或斜降过程期间使用DC-DC转换器，可以精确地控制电功率供应。这确保了废气后处理系统的电网的稳定性。使用主开关元件在斜升过程之后和/或在斜降过程之前控制从电压源到加热元件的电功率供应提高了整个电路的效率。采用根据该实施例的配置，即使加热元件与电压源连接或断开，整个废气后处理系统并且尤其是电路/电网也非常可靠和稳健。

根据一个实施例，电压源向废气后处理系统供应至少36伏的电压，优选地供应48伏的电压。可设想到，混合动力车辆由内燃机和电机提供动力。电机由电压源供应电能。可设想到，为驱动混合动力车辆的电机供电的电压源也用于为废气催化器的加热元件供应电功率。如果是这种情况，则可以减少此类车辆中电压源的数量，这降低了车辆的总成本。被配置为向用于驱动车辆的电机供电的电压源通常为车辆供应至少36伏的电压，优选地48伏的电压。因此，废气后处理系统有利地被配置为处理至少36伏的电压，优选地48伏的电压。这有助于减少不同部件的数量，从而降低成本。

根据本公开，公开了一种用于控制内燃机的废气后处理系统的方法，其中废气后处理系统包括废气催化器，废气催化器包括废气催化部分和加热元件，并且其中废气后处理系统包括电压源，其中电压源向加热元件供应电功率以便对加热元件进行加热，提供DC-DC转换器和主开关元件，其中DC-DC转换器和主开关元件被配置为控制从电压源到加热元件的电功率供应，其中该方法包括以下步骤：

- 提供信号，其中该信号确定是否要由加热元件加热废气催化部分；

- 控制DC-DC转换器以基于该信号来控制从电压源到加热元件的电功率供应的斜升过程；

- 控制主开关元件以基于该信号在斜升过程之后和/或在斜降过程之前控制从电压源到加热元件的电功率供应；

- 控制DC-DC转换器以基于该信号来控制从电压源到加热元件的电功率供应的斜降过程。

如果例如废气后处理系统中的传感器或传感器装置检测到废气催化部分的温度低于预定阈值（例如在冷启动之后），控制单元被配置为例如通过传感器装置来检测废气催化部分的温度低于预定阈值，则控制单元可以据此来提供要对加热元件进行加热的信号。此后，控制DC-DC转换器以提高从电压源到加热元件的电功率。如果电功率已达到预定水平，例如所定义电负载的90％，则控制主开关元件以从电压源向加热元件供应电功率。如果例如同一传感器装置检测到废气催化部分的温度高于预定阈值，则控制主开关元件和DC-DC转换器以将电压源供应给加热元件的电功率从预定负载降低至例如最大负载的50%、例如最大负载的20%、或零负载。最大负载是加热元件所能承受的最大电负载。

在此斜降过程中也使用DC-DC转换器。采用根据本发明的方法，可以在斜升和斜降过程期间精确地控制从电压源到加热元件的电功率供应，此外还确保了电网稳定性。因此，用于控制废气后处理系统的方法非常可靠和稳健。

根据另一实施例，一种用于控制内燃机的废气后处理系统的装置包括控制单元，其被配置为控制前述方法。

根据另一实施例，一种计算机程序产品包括指令，当该程序由计算机执行时，所述指令使得计算机实现上述方法的步骤。

用于控制废气后处理系统的装置例如是发动机控制单元。还可设想到，该装置是发动机控制单元的一部分，或者该装置是布置在采用内燃机的车辆中的另外的控制单元。可设想到，计算机程序产品在发动机控制单元中执行。还可设想到，计算机程序产品由布置在采用内燃机的车辆中的另外的控制单元来执行。

附图说明

通过结合附图对示例性实施例的详细描述，本公开的其他有利实施例将变得显而易见。图中：

图1示出了根据第一示例性实施例的废气后处理系统的示意性电路，

图2示出了根据第一示例性实施例的电路的工作周期的第一图示，

图3示出了根据第二示例性实施例的废气后处理系统的电路的示意图，

图4示出了根据第二示例性实施例的电路的工作周期的第二图示，

图5示出了第二示例性实施例的电路的工作周期的第三图示。

具体实施方式

图1首先以示意性方式示出了废气后处理系统100的电路。废气后处理系统100包括废气催化器110，其中废气催化器110包括加热元件120和废气催化部分。加热元件120被配置为对废气催化部分进行加热。废气后处理系统100还包括电压源140。电压源140被配置为向加热元件120供应电功率。根据该实施例，废气后处理系统100还包括冗余开关元件160。根据该实施例，冗余开关元件160被布置为提供另外的关断路径。

废气后处理系统100还包括DC-DC转换器170。DC-DC转换器170被配置为控制从电压源140到加热元件120的电功率供应。根据该实施例，废气后处理系统100还包括电容器180。电容器180被布置为平滑纹波电流和平滑DC电压变化。

废气后处理系统100还包括控制单元200和通信单元210。控制单元200被配置为基于对废气催化器110的废气催化部分进行加热所需的电功率来控制DC-DC转换器170。如果废气后处理系统布置在车辆中，则通信单元210被配置为与车辆的其他部分通信。根据该示例性实施例，DC-DC转换器170是三相（tree phase）降压转换器。DC-DC转换器170的三个相位由控制单元200来控制。这在图1中通过从控制单元200去往DC-DC转换器170的三个箭头示意性地示出。在从电压源140到加热元件120的电功率供应的斜升过程期间、在从电压源140到加热元件120的稳态功率供应期间以及在从电压源140到加热元件120的电功率供应的斜降过程期间使用DC-DC转换器170。根据该实施例，整个功率供应由DC-DC转换器来控制。根据该实施例，电压源140、电容器180、DC-DC转换器和加热元件120连接到发动机接地130。

上述实施例的工作周期可以在图2中看到。图2示意性地示出了第一图示300，其示出了随着时间310从电压源140流到加热元件120的电流330。在第一时间段内，从电压源140到加热元件120的电流为零，直到斜升过程开始。控制单元200相应地控制DC-DC转换器170以开始功率供应。这可以在第一图示300中看到，其中，在第一时间段内，从电压源140到加热元件120的电流进程332随时间310从零电流增大到所需电流。当斜升过程完成时，电流330以稳态模式或阶段从电压源140流向加热元件120。这可以在第一图示300中看到，其中，电流进程332在第二时间段内随时间310保持恒定。在第二时间段之后的第三时间段内，从电压源140到加热元件120的电功率供应减小到零。这可以在第一图示300中在电流进程332中看到，其中，从电压源140供应到加热元件120的电流330减小到零。该第三时间段是斜降过程。整个工作周期由控制单元200通过DC-DC转换器170来控制。

图3以示意性方式示出了废气后处理系统100的电路的第二示例性实施例。第二示例性实施例与第一示例性实施例的不同之处在于，废气后处理设备100还包括主开关元件190。主开关元件190被配置为在斜升过程之后和/或在斜降过程之前、尤其是在从电压源140到加热元件120的稳态功率供应期间控制从电压源140到加热元件120的电功率供应。因此，废气后处理系统100的第二示例性实施例的控制单元200此外还被配置为控制主开关元件190。

图4在第二图示301中示出了在工作周期期间流过废气后处理系统100的第二示例性实施例的DC-DC转换器170的电流。

图5在第三图示302中示出了在工作周期期间流过废气后处理系统100的第二示例性实施例的主开关元件190的电流。

如图4和图5中可以看到的，在斜升过程期间使用DC-DC转换器170来增大从电压源140到加热元件120的功率供应，并且在斜降过程期间减小从电压源140到加热元件120的能量供应。如图5中可以看到的，主开关元件用于在斜升过程之后并在斜降过程之前、因此在功率供应的稳态期间控制从电压源140到主开关元件120的功率供应。

废气后处理系统100的第二示例性实施例的控制单元200被配置为：在斜升过程期间通过DC-DC转换器170来控制从电压源140到加热元件120的功率供应，并在斜升过程之后或在斜升过程的预定义部分之后、例如斜升过程的90％或75％之后，从DC-DC转换器170切换为主开关元件190。控制单元200还被配置为通过主开关元件190控制从电压源140到加热元件120的电功率供应。控制单元200还被配置为在斜降过程期间将电功率供应从主开关元件190改为DC-DC转换器170。使得从电压源140到加热元件120的电功率供应的斜降过程由DC-DC转换器170来控制。