用于操作内燃发动机的催化剂布置的方法和催化剂布置
技术领域
本发明涉及一种用于操作内燃发动机的催化剂布置的方法，并且涉及一种用于内燃发动机的催化剂布置。
背景技术
内燃发动机排放含有有毒或对环境不友好的成分的废气。因此，提供催化剂布置用于处理所述废气，以便至少部分减少废气中的所述有毒或对环境不友好的成分。此外，可以提供不同种类的废气传感器来检测废气的特性，以便控制催化布置。众所周知，在内燃发动机的排气系统中使用氮氧化物传感器、氧传感器、空燃比传感器和/或颗粒物传感器来检测废气的所述特性。
废气传感器可以包括在特定温度范围内操作的传感器元件，因此，该传感器元件必须至少部分地由例如加热装置加热。然而，当被加热时，由于水锤，所述传感器元件可能被包含在废气中的水损坏。水锤可能在传感器元件上施加热应力，这可能导致例如传感器元件中的裂纹。因此，应该确保当传感器元件被加热时，废气基本上不含水，即废气已经达到所谓的露点。因此，优选的是，传感器元件仅在达到露点之后才被加热到其传感器操作温度。
在现有技术的系统中，已经进行了若干努力来确定露点。例如，通过考虑内燃发动机的一些操作参数的模型，可以适当地估计达到露点的时间点。
US 2010/0132680 Al公开了一种废气传感器加热器控制设备。在发动机在极低温度状态下起动后，加热废气传感器的传感器元件的加热器不会立即通电。相反，当发动机冷却剂温度已经达到接近空燃比反馈控制起动水温的温度时，加热器被启动。
US 2017/0074147 Al涉及一种用于废气传感器的加热器控制装置。
从US 5 740 675 A中已知一种用于内燃发动机的排气系统环境温度检测系统。
US 8 479 494 B2公开了一种废气传感器控制系统和控制方法。
此外，从US 9 410 466 B2已知了一种废气湿度传感器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于操作催化剂布置的方法和一种催化剂布置，该催化剂布置能够降低由于废气中的水分而损坏废气传感器的传感器元件的风险，能够在能量消耗方面高效地操作催化剂，并且能够在废气传感器的安装位置方面提供自由。
所述目的可以通过独立权利要求1的方法和独立权利要求7的催化剂布置来实现。本发明的有利的和优选的发展和实施例在从属权利要求以及下面的描述和附图中进行了说明。
以下发明至少部分地基于这样的认识，即在包括催化剂和用于加热催化剂的催化剂加热装置的催化剂布置中布置诸如氮氧化物传感器的废气传感器可以提供以下优点：废气传感器的传感器加热装置可以根据催化剂的催化剂加热装置的温度而被启动。特别地，当催化剂的催化剂加热装置超过预定的催化剂操作温度阈值时，可以假设通过催化剂布置的废气已经达到露点，使得废气基本上不含任何水分。然后，废气传感器的传感器加热装置可以被启动，因为由于水锤而对敏感传感器元件造成任何损坏的风险能被显著降低。
根据本发明的第一方面，公开了一种用于操作内燃发动机的催化剂布置的方法。该催化剂布置包括：至少一个废气传感器，该废气传感器具有传感器元件和传感器加热装置，该传感器加热装置被配置成将传感器元件加热到预定的传感器操作温度阈值以上；和催化剂，该催化剂具有催化剂加热装置，该催化剂加热装置被配置成将催化剂加热到预定的催化剂操作温度阈值以上。传感器操作温度阈值显著大于催化剂操作温度阈值。根据本发明的第一方面的方法包括：确定催化剂的温度；当确定的催化剂温度低于预定的催化剂操作温度阈值时，启动催化剂加热装置以将催化剂加热到预定的催化剂操作温度阈值以上；以及当催化剂的温度超过预定的催化剂操作温度阈值时，启动传感器加热装置以将传感器元件加热到预定的传感器操作温度阈值以上。
如上所述，将废气传感器集成到加热的催化剂中提供了这样的益处，即当催化剂温度高于预定的催化剂操作温度阈值时，可以假设废气基本上不含任何水分和/或水，使得用于加热传感器元件的传感器加热装置可以在由于例如水锤而对传感器元件造成任何损坏的风险显著降低的情况下被启动。此外，主要配置成加热催化剂的催化剂加热装置的热量可以进一步用于至少部分地预热废气传感器的传感器元件。因此，用于将传感器元件加热到其传感器操作温度的温度差可以显著降低，因为传感器元件需要从其开始加热直到超过预定的传感器操作温度阈值的起始温度比废气传感器布置在催化剂下游的布置中要高得多。因此，可以减少将传感器元件加热到其操作温度的时间和能量。
在本发明的有利实施例中，传感器加热装置包括温度相关电阻器。因此，确定废气的温度的步骤包括：确定传感器加热装置被停用；确定传感器加热装置的温度相关电阻器的实际电阻；以及基于传感器加热装置的所确定的实际电阻来估计催化剂的温度。由于传感器元件至少部分地集成到催化剂中，催化剂加热装置至少部分地加热传感器元件。因此，催化剂的温度可以至少部分地类似于传感器元件的温度，使得催化剂的温度可以至少部分地由传感器元件的温度确定或估计。
例如，传感器加热装置的电阻可以与传感器元件的相应温度相关联。例如，可以在催化剂布置的控制单元中提供查找表或图，每个查找表或图将传感器加热装置的电阻与传感器元件的对应温度相关联。因此，废气传感器可以用作检测或估计催化剂的温度的温度传感器，并且当催化剂温度超过预定的催化剂操作温度阈值时，废气传感器的传感器加热装置可以被启动。
根据本发明的另一优选实施例，该方法还包括：当所确定的催化剂温度高于催化剂操作温度阈值时，确定流过催化剂布置的废气基本上不含任何水分。优选地，催化剂操作温度阈值限定催化剂的起燃温度。特别地，在优选实施例中，催化剂操作温度阈值在约150℃至约500℃的范围内。
在本发明的另一优选实施例中，传感器操作温度阈值在从约300℃到约1000℃的范围内。特别地，废气传感器可以是氮氧化物传感器、氧传感器或颗粒物传感器，每个传感器包括配置成被加热到传感器操作温度阈值以上的传感器元件。例如，传感器元件可以由基板制成，在基板中集成和/或嵌入了可以被电致动的传感器加热装置。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于内燃发动机的催化剂布置。该催化剂布置包括：催化剂，其被配置成处理内燃发动机的废气；催化剂加热装置，其被配置成将催化剂加热到预定的催化剂操作温度阈值以上；至少一个废气传感器，其被安装到催化剂并具有配置成至少部分地突出到催化剂中的传感器元件和配置成将传感器元件加热到预定的传感器操作温度阈值以上的传感器加热装置；以及控制单元，其连接到催化剂加热装置和至少一个废气传感器，并被配置成执行根据本发明的方法。传感器操作温度阈值可以显著高于催化剂操作温度阈值。
优选地，至少一个废气传感器位于催化剂加热装置的下游。特别地，可能优选的是，至少一个废气传感器位于催化剂加热装置的最下游位置。这可以确保传感器检测的位置在传感器信号指示要由至少一个废气传感器检测的废气的参数的有效值的位置。
在根据本发明的催化剂布置的优选实施例中，催化剂加热装置是电加热装置。例如，催化剂加热装置是电阻加热装置。
替代地或附加地，至少一个废气传感器是氮氧化物传感器、空燃比传感器、氧传感器、氨(NH3)传感器或颗粒物传感器。
附图说明
通过研究和执行本公开的教导并通过考虑附图，本发明的另外的特征和方面对于本领域技术人员将变得显而易见，其中：
图1显示了本发明的示例性催化剂布置的示意图；
图2显示了示出图1和现有技术的催化剂布置的温度的几个时间进程的图；和
图3示出了操作图1的催化剂布置的方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图描述的实施例是本发明的优选实施例。然而，在所描述的实施例中，实施例的部件各自代表本发明的各个特征，这些特征应被认为彼此独立，并且每个特征也彼此独立地发展本发明，并且因此也被认为是以单独的方式或者以不同于所示组合的方式的本发明的部件。此外，所描述的实施例还可以由已经描述的本发明的另外的特征来补充。
图1示出了根据本发明的示例性催化剂布置100的示意图。图1的催化剂布置100包括设置在内燃发动机(未示出)的废气系统10中的催化剂110(在图1中以虚线示出)。内燃发动机的废气在图1的箭头的方向上流过废气系统10，并因此流过催化剂110。催化剂110可以是用于处理内燃发动机的废气的任何合适的催化剂，例如三元催化剂、选择性还原催化剂、氮氧化物储存转化器或氧化催化剂。
催化剂布置100还包括配置成加热催化剂110的催化剂加热装置120。催化剂加热装置120是电加热装置，并且例如作为电阻加热器被提供，用于将催化剂110加热到其催化剂操作温度范围。催化剂操作温度范围可以在从约150℃到约500℃的范围内。
图1的催化剂布置100还包括废气传感器130，该废气传感器130安装到催化剂110并具有配置成至少部分地突出到催化剂110中的传感器元件132。废气传感器130还包括传感器加热装置134，该传感器加热装置134被配置成将传感器元件132加热到预定的传感器操作温度阈值以上。传感器加热装置134例如集成或嵌入由例如基片制成的传感器元件132中。具体地，废气传感器130被配置成检测流过催化剂110的废气的预定参数。例如，废气传感器130是氮氧化物传感器、空燃比传感器、氧传感器或颗粒物传感器。
图1的催化剂布置100还包括连接到催化剂加热装置120和废气传感器130两者的控制单元140。特别地，控制单元140被配置成接收信号并将其提供给催化剂加热装置120和废气传感器130，用于至少部分地控制这两个装置。例如，控制单元140经由CAN总线连接到催化剂加热装置120和废气传感器130。虽然在图1中没有明确示出，但是催化剂加热装置控制器可以在控制单元140和催化剂加热装置120之间互连，并且传感器控制单元可以在控制单元140和废气传感器130之间互连。
如在图1中可以进一步看到的，废气传感器130位于催化剂110的最下游位置，使得废气传感器130的信号尽可能显著。然而，在替代实施例中，废气传感器130设置在催化剂110内的任何合适位置。
现在参考图2，显示了示出图1和现有技术的催化剂布置的温度的几个时间进程的图。线Tin指示在催化剂110的入口处的废气温度的时间进程。线Ts指示在催化剂110内的废气传感器130(参见图1)的位置处的废气温度的时间进程。线Th指示在催化剂加热装置120(参见图1)的位置处的废气温度的时间进程。
当内燃发动机在t0冷起动时，催化剂110的入口处的废气温度Tin在环境温度Ta开始，然后随着发动机温度升高而持续升高。在相同的时间t0，催化剂加热装置120被启动以加热催化剂110。因此，也在环境温度Ta开始的线Th位于线Tin上方。由于废气传感器130可以至少部分地被同样由催化剂加热装置120加热的废气预热，也在环境温度Ta开始的线Ts位于线Tin上方，但是在线Th下方。
从图2中可以看出和得出，催化剂加热装置120在发动机起动后立即被启动，以尽可能快地将催化剂110加热到其催化剂操作温度范围。因此，催化剂加热装置120处的废气温度的线Th以大的倾斜度上升，然后，在达到预定的催化剂操作温度阈值Tcot之后，线Th的倾斜度变小。图2的温度Tdp指的是所谓的露点温度，其中可以假设流过催化剂110的废气基本上不含任何水分。
废气传感器130，特别是传感器元件132，可以通过由设置在废气传感器130上游的催化剂加热装置120预热的废气加热。因此，传感器元件132处的废气温度Ts的时间进程基本上跟随催化剂加热装置120处的废气温度Th的时间进程。
在废气传感器没有集成到催化剂110中的现有技术系统中(参见图2中的线200)，废气传感器130的传感器加热装置134可以仅在催化剂入口处的废气温度Tin在t2达到露点Tdp时被启动。在该启动时间t2，由于废气中的水分，仍可能存在损坏传感器元件132的一定风险。
根据本发明(参见图2中的线210)，废气传感器130的传感器加热装置134可以在t1时被启动，即当废气传感器130处的废气温度Ts超过露点温度Tdp时。由于催化剂110的入口处的废气温度Tin不受催化剂加热装置120的影响，因此t1比t1早得多。因此，废气传感器130可以比现有技术系统中更早达到其传感器操作温度。
总之，由于废气传感器130集成到由催化剂加热装置120加热的催化剂110中，废气传感器130在加热的环境中操作。一旦废气传感器130处的废气温度Ts在t1超过露点温度Tdp，这可以导致传感器加热装置134的启动。由于废气在到达废气传感器130时已经经过催化剂加热装置120，废气传感器130处的废气温度Ts高于现有技术系统中的温度。因此，t1比t2早得多。
此外，由催化剂加热装置120预热的废气可以至少部分地预热传感器元件132，使得在达到露点温度Tdp之后，利用传感器加热装置134将传感器元件132加热到高于传感器操作温度阈值的温度差可以更小，因为传感器元件132的起始温度由于其被废气预热而更高。这可以导致废气传感器130的电能消耗更少，并且导致传感器元件132达到其传感器操作温度的时间更短。
此外，由于传感器元件132损坏的风险可以显著降低，对传感器安装角度的限制也显著降低，因为在启动传感器加热装置134时，基本上没有水将存在于废气中。具体地，在现有技术的装置中，在达到露点之前，由于废气管线中水或水分的存在，存在传感器元件破裂的风险。因此，需要以预定的安装角度将废气传感器130安装到废气管线10中，以防止潜在的水或水分直接撞击废气传感器130的传感器元件132。然而，在本发明中，传感器元件132安装在加热的催化剂布置100的位置处，在该位置，环境(即废气)可能不包括任何水或水分，使得传感器元件破裂的风险降低，或者优选地得以消除。
现在参考图3，示出了用于操作图1的催化剂布置100的方法的示例性流程图。
该方法从步骤300开始，并进行到步骤302，在步骤302中，确定内燃发动机是否已经起动。在步骤302，如果确定内燃发动机尚未起动，则该方法保持在步骤302。
在步骤302，如果确定内燃发动机已经起动，则该方法进行到步骤304，在步骤304，催化剂加热装置120被启动。同时，在步骤304，确定传感器元件温度。此时，传感器加热装置134仍然被停用(关闭状态)。传感器元件温度的确定可以通过将传感器加热装置134的电阻器的温度相关电阻与对应的传感器元件温度相关联来完成。
此外，在步骤304，可以假设传感器元件温度基本上对应于废气传感器130处的废气温度Ts。另外，考虑到图2的线Ts和Th，可以基于传感器元件温度来确定催化剂加热装置120处的废气温度Th，因为可以假设Ts和Th基本上相同。在步骤304处的主要过程是确定催化剂110的温度，该温度又基本上对应于催化剂加热装置120处的废气温度Th。此外，可以考虑基于上述温度进行系统校准。
然后，在步骤306，确定催化剂温度(对应于催化剂加热装置120处的废气温度Th)是否超过露点温度Tdp。如果没有，该方法进行到步骤307，在步骤307，催化剂加热装置120保持在启动状态，用于进一步加热催化剂110。随后，该方法返回到步骤304，然后，再次进行到步骤306。
在步骤306，如果确定催化剂温度超过露点温度Tdp，则该方法进行到步骤308，在步骤308，传感器加热装置134被启动，以用于将传感器元件134加热到其传感器操作温度阈值以上。随后，该方法在步骤310结束。
在传感器元件132被停用，即传感器元件132没有被传感器加热装置132加热的情况下，温度Ts可以基于传感器加热装置134的电阻值来确定。所述温度Ts可以用于催化剂加热装置120的反馈控制。因此，这种反馈控制可以实现高效的能量消耗以及安全的加热管理。
