CN101175552B - 用于从内燃机排气中去除氮氧化物的装置和用于向内燃机排气定量供给添加剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从主要以空气过量方式运行的内燃机的排气中去除氮氧化物的装置和方法。所述内燃机配设有带有包括两个分催化器(3，4)的氮氧化物还原催化器的排气系统，并且可确定所述分催化器的还原剂充填程度。按照本发明，根据第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)的还原剂充填程度向所述内燃机的排气中进行包含还原剂的添加剂的添加(14)。

Description

用于从内燃机排气中去除氮氧化物的装置和用于向内燃机排气定量供给添加剂的方法
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分的用于从主要以空气过量方式运行的内燃机的排气中去除氮氧化物的装置，以及一种按权利要求10前序部分的用于向主要以空气过量方式运行的内燃机的排气管定量供给包含还原剂的添加剂的方法。
背景技术
从DE10126456A1已知一种借助于包含氨的还原剂从以空气稀薄方式运行的内燃机的排气中去除氮氧化物的装置和方法，其中采用一分成至少两个相互分开的部分的氮氧化物-还原催化器。在每个分催化器的输出端设有一传感器，用于测量相应分催化器的氨泄漏/氨逸失。在测得的氨泄漏的基础上，有调节地进行还原剂的添加。用这种方法可进行整个催化器容积的微分判定，并且与同样大的催化器容积的积分测量相比可改善氮氧化物转化。但是其缺点是传感器成本高。此外，氨泄漏是一个仅仅间接表示催化器状态的量。另外，如果应该完全避免氨泄漏，那么根据泄漏进行调节的还原剂添加被证明是困难的。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种装置和方法，它们可以用简单的方法进一步改善对于主要以空气过量方式运行的内燃机的氮氧化物的减少。
这个目的通过具有权利要求1所述特征的装置及具有权利要求10所述特征的方法实现。
按照本发明，设置用于确定储存在第一分催化器和/或第二分催化器中的还原剂的还原剂充填程度的充填程度确定装置，添加剂的添加可根据由充填程度确定装置确定的第一分催化器和/或第二分催化器的还原剂充填程度来进行调整。优选地可调整与添加剂的质量或体积相关的供给速率。还原剂充填程度是对于评定催化器状态而言十分有说服力的量，并且决定性地确定氮氧化物转化和还原剂泄漏。第一和/或第二分催化器内还原剂充填程度的确定允许微分判定催化器状态，这使得可在氮氧化物转化和还原剂泄漏方面分别最佳地调整分催化器。总而言之，由此可以优化氮氧化物转化和还原剂泄漏。
首先考虑含氨的或适合于分解出氨的物质如尿素、氨基甲酸铵等作为排气的添加剂。添加剂能以纯净形态或作为水溶液和/或作为气溶胶形态的雾在一特别是设置在排气管内第一分催化器上游的添加部位添加到排气中。添加部位优选地设计成带一个或多个喷嘴孔的定量给料阀的形式。氮氧化物还原催化器优选地设计成典型的SCR催化器，特别是以氧化钨或五氧化二钒为基的或沸石型的催化器。已知这些类型的催化器可储存大量的氨，氨用作用于还原与排气一起输入的氮氧化物的反应组分。在这个意义上，还原剂充填程度是指储存在催化剂床内的还原剂量。优选地采用相对值作为还原剂充填程度，该相对值表示相对于在当前条件下可储存的最大还原剂量所储存的还原剂量。
充填程度确定装置例如可包括设置在催化剂床内的对还原剂敏感的传感器，该传感器能够测量所储存的还原剂量。但是优选地考虑，通过计算确定还原剂充填程度，使得可以不用这种充填程度传感器。因此充填程度确定装置优选地做成电子单元，该电子单元可存取所存储的数据，优选为特性曲线、特性曲线族和程序的形式。根据所述数据和附加的与氮氧化物还原催化器和排气的决定性状态值相关的输入信号以及内燃机的运行数据如温度、排气含氧量、排气质量流量、内燃机负荷和转速，在第一和/或第二分催化器内对还原剂充填程度进行基于模型的计算求解。此处如果充填程度确定装置可与一通常必须设置的内燃机电子控制装置通讯，使得可以存取所有与运行相关的参数，则是有利的。因此，充填程度确定装置在物理上可以是内燃机电子控制装置的一体组成部分。但是它同样可设计成定量给料单元的组成部分。
在本发明的意义上，定量给料单元可理解为控制单元，该控制单元以当前的关于第一和/或第二分催化器的还原剂充填程度的信息为基础进行添加剂添加量的调整或进行定量供给。此处为了调整添加量，定量给料单元控制相应的执行机构，如泵、阀等等。定量给料单元优选地设计成可以调节第一和/或第二分催化器的还原剂充填程度的调节器。在这个意义上，还原剂充填程度作为可由充填程度确定装置产生的输出量构成调节量，这些调节量根据添加剂的添加量作为调整量调整到规定值。此处添加量优选地是指每单位时间内输送给排气的添加剂的量，其中此处定量给料速率通过在一或多或少延长的时间间隔内的平均值得到，使得同一个定量给料速率既可通过脉冲式的接通断开也可通过在一连续的数值范围内可变的调整或通过在规定的时间段内由设备规定的添加量的调整得到。
优选地为每个分催化器设置一单独的调节回路，使得可以分开地调节第一和第二分催化器的还原剂充填程度。特别优选地为还原剂充填程度设置交互的横向关系，使得在调节一个分催化器的还原剂充填程度时考虑第二个分催化器的充填程度。在这种情况下，特别有利的是，只需要在第一分催化器的上游的单个添加部位即可实现本发明。
分催化器可以是整体式催化器的分开考察的组成部分。但是在本发明的方案中设想，第一和第二分催化器在空间上相互分开设置。此处分催化器相互离开比较远地设置在排气管内可能是有利的，使得在第一分催化器升温时在它们之间形成较大的通常为50℃或更大的自然温降。用这种方法可充分利用还原剂储存能力的强烈的温度依赖性。尤其是可通过第一和第二分催化器的不同的催化器材料特别有效地利用这种效果。其中如果在本发明的另一种方案中第一分催化器具有比第二分催化器大的容积，则特别有利。由于沿排气路径的温度下降，第二分催化器通常具有比第一分催化器低的温度。因此对于大致一样高的还原剂充填程度，第二分催化器可以做得比第一分催化器小。
在本发明的另一种结构方案中，相应分催化器的还原剂充填程度可通过至少对在相应分催化器内转化的还原剂的转化速率、由相应分催化器解吸的还原剂的解吸速率和随排气输入相应分催化器的还原剂的输入速率进行求和以及时间积分确定出。用这种方法可通过连续地对影响充填程度的量进行平衡来不断确定出当前的还原剂充填程度。为了进一步提高充填程度计算的精度，在平衡时可附加地考虑其它因素。特别是可以附加考虑由于副反应、例如还原剂的直接氧化而造成的还原剂损失。副反应的影响也可包含在还原剂转化速率内。
在本发明的又一种结构方案中，为转化速率和解吸速率设置特性曲线族组，在确定还原剂充填程度时充填程度确定装置可存取该曲线族。此处特性曲线族或特性曲线适于包含先前求出的相应催化器的数据。如果为了确定还原剂充填程度除了转化速率和解吸速率外还考虑其它影响因素，例如由于直接氧化造成的损失速率，那么为此可准备好单独的充填程度确定装置可存取的特性曲线族。但是副反应引起的损失也可以包含和考虑在转化速率的特性曲线族内。
在本发明的另一种方案中，为第一分催化器的还原剂充填程度可规定具有第一下阀值和第一上阈值的第一范围，为第二分催化器的还原剂充填程度可规定具有第二下阈值和第二上阈值的第二范围，并且定量给料单元和充填程度确定装置如此共同作用，使得可在相应的范围内调节第一分催化器和/或第二分催化器的还原剂充填程度。还原剂充填程度的这些范围适宜于这样事先规定，使得总体上在还原剂泄漏最小或可忽略不计的同时得到最佳的氮氧化物转化。通过适当的前期试验可求出这些范围。对于第一和第二分催化器，还原剂充填程度的范围可以是不同或相同的。
在本发明的另一种方案中，为氮氧化物还原催化器可确定出一老化因子，并可根据老化因子规定还原剂充填程度的第一和/或第二范围。用这种方法，使还原剂充填程度可在其中调节的范围与催化器随时间进程变化的性能相匹配。因此，随时间推移而产生的催化器老化可以被补偿，使得在长的运行时间内保证排气净化的高效率。如果第一分催化器经受较高的热负荷，那么可通过范围的匹配以有利的方式补偿其迅速降低的有效性。用这种方法对不同分催化器的分开考虑具有有利的效果。可以设想，仅仅考虑由热负荷引起的老化。在这种情况下，适宜于用在相应温度下加权的逗留时间来确定老化因子。
在本发明的又一种方案中，设置与未老化的氮氧化物还原催化器相匹配的第一特性曲线族和与定义的已老化的氮氧化物还原催化器相匹配的第二特性曲线族，其中第一特性曲线族配设有第一老化因子，第二特性曲线族配设有第二老化因子，并且在确定还原剂充填程度时充填程度确定装置可根据当前老化因子在第一特性曲线族和第二特性曲线族的数据之间进行内插值。这使得可用简单的方式适当地考虑第一和/或第二分催化器的当前老化状态，同时避免大的存储器空间需求和计算费用。老化因子优选地可定义在0到1或者说100％之间，其中100％的老化表示可允许的最大老化，而特性曲线族组对应于这些老化状态。
在本发明的另一种方案中，在排气管中在第一分催化器和/或第二分催化器的下游设置对氮氧化物和/或还原剂敏感的排气传感器。该排气传感器优选地用于校准由充填程度确定装置进行的计算或用于校准计算模型。为此，例如可在计算出的和用传感器测出的还原剂解吸或氮氧化物浓度之间进行比较。这优选地在可预先规定的或规定的内燃机运行时刻或在催化器的一个确定状态下进行，例如在内燃机每次起动时或在定量给料之前。
根据本发明的方法的特征在于，确定出第一分催化器和第二分催化器的还原剂充填程度，并根据第一和/或第二分催化器的还原剂充填程度选择第一分催化器的还原剂充填程度或第二分催化器的还原剂充填程度作为用于调节添加剂添加量的调节量。通过第一和第二分催化器的还原剂充填程度的优选同时进行的计算，可这样进行添加量的调节，使得两个分催化器主要具有各自最佳的还原剂充填程度，该状态适宜地与流入的氮氧化物质量流量相匹配。这特别是可以这样实现，即，使添加剂添加量的调节二者择一地针对第一或第二分催化器的还原剂充填程度进行。根据需要，在第一或第二分催化器的还原剂充填程度之间进行切换作为添加量的当前调节量。其中还原剂充填程度的值是决定性的切换标准。它们可以灵活地预先规定或固定地规定。总之，用这种方法可在还原剂泄漏可忽略的同时达到最佳的氮氧化物转化。
在本方法的一种方案中，相应分催化器的还原剂充填程度通过至少对在相应分催化器中转化的还原剂的转化速率、由相应分催化器解吸的还原剂的解吸速率和与排气一起输入相应分催化器的还原剂的输入速率进行求和以及时间积分确定出。适宜于从特性曲线族中获取转化速率和解吸速率，这些特性曲线族对于内燃机和分催化器的相应的运行状态而言是可获得的。通过对这些确定相应充填程度的量进行求和与积分，可不断可靠地求出所述充填程度。
在本方法的另一种方案中，在确定转化速率时考虑储存在相应分催化器内的还原剂与包含在排气内的氮氧化物和氧气的反应。特别是由于附加地考虑所储存的还原剂与排气中存在的氧气的直接氧化，可以特别可靠地求出当前的还原剂转化速率。
在本方法的又一种方案中，在确定第二分催化器的输入速率时考虑第一分催化器的解吸速率。这使得可以特别可靠地确定第二分催化器的还原剂充填程度，因而同样可以非常可靠地确定出其效率或转化速率。
在本方法的另一种方案中，为第一分催化器的还原剂充填程度设置一特别的具有第一下阈值和第一上阈值的第一范围，并且如果第一分催化器的还原剂充填程度低于第一上阈值，便选择第一分催化器的还原剂充填程度作为用于调节添加剂添加量的调节量。在这个工作步骤中，为第一分催化器的还原剂充填程度设置一目标带。只要不超过这个目标带，在第一分催化器内便可通过继续储存还原剂进一步提高氮氧化物转化速率，而不出现程度高到不许可的还原剂泄漏。因此，在这种情况下如果选择第一分催化器的还原剂充填程度作为添加量的调节量，那么第一分催化器的还原剂充填程度可调节到其优选值或在其优选值范围内进行调节。
在本方法的又一种方案中，为第一分催化器的还原剂充填程度设置大于第一上阈值的上边界值，并且如果第一分催化器的还原剂充填程度位于第一上阈值和上边界值之间，便选择第二分催化器的还原剂充填程度作为调节添加剂添加量的调节量。在这个工作步骤中，如果超过第一分催化器还原剂充填程度的优选目标带，那么切换到第二分催化器的还原剂充填程度作为调节量。在这种条件下，一方面使得可以在第一分催化器内充分地转化氮氧化物，另一方面出现一相称的还原剂泄漏，该还原剂泄漏用于充填第二分催化器的还原剂充填程度。因此，在这种情况下如果选择第二分催化器的还原剂充填程度作为添加量的调节量，那么第二分催化器的还原剂充填程度也可调节到其优选值或优选值范围内。同时继续测量第一分催化器的还原剂充填程度，以便例如在继续急剧上升时可作出相应的反应。
在本方法的另一种方案中，为氮氧化物还原催化器确定出一反映氮氧化物还原催化器热负荷的老化因子。这使得可有利地使第一和/或第二分催化器的优选的还原剂充填程度与其相应的老化状态匹配。此处优选地为第一和第二分催化器分开确定热负荷和相应的老化因子。
因此，在本方法的又一种方案中，根据老化因子为第一分催化器的还原剂充填程度设置第一范围和/或上边界值和/或为第二分催化器的还原剂充填程度设置第二范围。因此，可对分催化器的不同程度的老化作出反应。
附图说明
在附图中示出本发明的优良实施形式，下面对其加以说明。其中不仅能以上述特征和下文待说明的特征进行所述的各种组合，也能以其它形式进行组合或单独地应用而不脱离本发明的范围。在附图中：
图1是带有附属的排气系统的内燃机的示意性框图，
图2是用于表示氮氧化物还原催化器的还原剂储存能力的曲线图，
图3是用于表示还原剂储存能力与温度的关系的曲线图，
图4是用于表示氮氧化物转化和还原剂泄漏与氮氧化物还原催化器的还原剂充填程度的关系的曲线图，
图5是用于表示高温作用造成的催化器老化的曲线图，
图6是充填程度确定单元的优良实施形式的示意性框图，
图7a和图7b是用于表示还原剂充填程度的规定值的图表，
图8a至8c是用于说明所测出的还原剂充填程度的后续处理方式的流程图，
图9是以框图表示的本发明装置的优选实施形式的总示意图。
具体实施方式
图1例示出带有附属的排气净化系统的内燃机1的示意性框图。内燃机1优选地实现为空气压缩式内燃机，下面简称为柴油机。由柴油机1排出的排气被排气管2接收并流过排气催化器5，该催化器包括此处相互隔开一定距离设置的分催化器3和4。在分催化器3、4的输入端设有用于测量流入相应分催化器3、4的排气的排气流入温度的温度传感器6、7。在排气管2中在第一温度传感器6的上游设有用于向排气添加添加剂的定量给料阀14。定量给料阀14由容器12供给添加剂。不失一般性，下面认为添加剂是指含水尿素溶液。在高温排气内通过热解和/或水解释放出还原剂氨(NH3)，所述氨选择性地对包含在排气中的氮氧化物的还原起作用。因此催化器5设计成典型的以V2O5/WO3为基的或沸石型的SCR催化器。
温度传感器6、7及定量给料阀14通过控制线或信号线13与中央控制单元8连接。此外，控制单元8通过另一导线11与柴油机1连接。控制单元8通过这条导线11获得关于柴油机1的运行状态量的信息。这些信息例如可以是关于输出转矩或转速的信息。控制单元8优选地包括计算单元和存储单元以及未详细示出的输入输出单元。这样，控制单元8能够进行复杂的信号处理过程，以及测量和控制或调节柴油机1以及排气系统的运行状态。为此所需的特性曲线族优选地存储在存储单元中，其中也可考虑特性曲线族的自适应匹配。特性曲线族主要涉及排气的确定性状态量如质量流量、未处理排放和温度与柴油机1的运行状态量如负荷、转速、空燃比等的关系。此外，特性曲线族考虑催化器5的确定性状态量，如氮氧化物转化、氨储存能力等等。
为了特别是可调节地控制定量给料阀14和调整尿素溶液的添加量，设置一定量给料单元9，此处该单元例如是控制单元8的组成部分，但是也可做成独立的单元。对于主要用于确定储存在分催化器3、4内的氨的量的充填程度确定单元10也一样，对此下面还要作更详细的说明。
设想，在图1中以草图表示的设备具有或可具有此处为清楚起见而未示出的其它部件。对于柴油机1来说，此处例如可指增压单元、排气再循环单元或燃料喷射装置等。在排气管2中可包含其它部件，例如附加的氧化催化器、颗粒过滤器、排气传感器等。
下面参照图2至图4说明典型的SCR催化器的各个不同的特征量。其中，图2示出用于说明氨储存能力的图线。
图2的图线示出在SCR催化器加氨时氨浓度CNH3的典型时间历程CNH3(t)。此处从这种状态出发，即没有储存氨的SCR催化器在等温条件下在时刻t1通入规定的以及量和氨输入浓度不随时间变化的排气流，如由曲线20所示。根据其氨储存能力，在t1和t2之间的时间范围内SCR催化器接收随时间减小的氨量。因此在离开SCR催化器的排气流内的NH3浓度小于输入浓度，如由曲线21所示。在t2时刻SCR催化器饱和，因此它不能再储存更多的氨，曲线21并入曲线20。于是氨充填程度达到最大值100％。此处由SCR催化器所储存的表示在相应条件下氨储存能力的氨量由两条曲线20、21之间的面积22的大小来反映。
氨储存能力首先取决于温度，这由图3中所示的图线来表示。其中曲线30是与温度有关的氨储存能力SpNH3(T)的一典型曲线。由图3的图线可见，氨储存能力SpNH3(T)在低温T时比较大，在例如高于300℃的高温T时逐渐减小。此外，存在与未详细示出的气体流量之间的关系。
就此而论，下面从这样的状况出发，即SCR催化器的氨充填程度是指相对于在相应条件下按所示关系可储存的最大氨量所储存的氨量。
与典型的SCR催化器的性能相关的一个重要方面涉及氮氧化物转化与氨充填程度的关系。在图4中通过曲线40示意性地示出这种关系。与此相对比，曲线41表示氨泄漏SNH3与氨充填程度的关系。如图可见，随着充填程度F的增大，氮氧化物转化UNOx(F)以平缓的斜率连续增大到一最大值，该最大值主要由气体流量和温度确定。这意味着，从氨充填程度F的某个值开始，通过继续向催化器供给氨不能再提高氮氧化物转化UNOx。而是如曲线41所示，氨泄漏量SNH3加大。在调整氨充填程度F在相应条件下的最佳值时，考虑这个实际情况有特别重要的意义。在这种情况下，按本发明设想的可由两个依次设置的SCR分催化器分开调整氨充填程度的可能性意味着一个重要的优点。例如，对于第一分催化器可调整到一比较高的氨充填程度，而这时出现的氨泄漏可被设置在下游的第二分催化器捕获。
适宜于为所采用的SCR催化器事先确定出在图2至4中示意性示出的关系，并将其作为特性曲线或特性曲线族存储起来。控制单元8可存取这些曲线，从而可对每种运行状态全面地确定分催化器3、4的状态。此处按本发明设想，为未老化的新的状态设置一特性曲线族组，为尤其是与规定的极限老化相对应的确定的老化状态设置另一特性曲线族组。此处特别有利的是，为未老化状态设置一例如为0的第一老化因子，为极限老化状态设置一例如为1的第二老化因子。在柴油机1运行期间，不断确定分催化器3、4的当前老化程度，并为当前老化程度配设一位于0到1之间的当前老化因子AF。在存取特性曲线族数据时，根据当前老化因子AF在新状态的和极限老化状态的特性曲线族组的数据之间优选地进行线性内插值。
其中在求当前老化因子AF时优选地如下进行。为所要用的SCR催化器事先确定出一温度损坏特性曲线，该曲线考虑对于老化起主要决定作用的温度影响。
图5示出这样一条温度损坏特性曲线。温度损坏TS通常与温度T具有近似指数关系。在柴油机1运行时，根据所确定出的催化器温度T和在图5中示出并存储的特性曲线按照以下公式进行温度损坏值TS(T)的连续时间积分：
AF＝∫TS(T)*dt。
其中温度损坏TS(T)这样标定，使得对于极限损坏得到为1的老化因子AF。用这种方法可使分催化器3、4的热负荷定量化，并进行与相应分催化器3、4的老化程度相匹配的氨充填程度或尿素定量供给的调整。此外，可不断地诊测分催化器3、4，使得例如在到达极限老化时可发出相应的报警信号。
下面参照图6和7对确定和调整氨充填程度的优选工作步骤进行更详细的说明。
在图6中以框图示意性地示出充填程度确定单元10的一种有利结构。其中仅仅示出用于确定分催化器3、4的氨充填程度的部件。下面简称为催化器。充填程度确定单元10获得输入量E，输入量除了当前老化因子AF外还包括排气状态量，如排气温度、氮氧化物含量和排气质量流量。充填程度确定单元10具有用于与氮氧化物反应、与氧气直接反应和储存在催化器内的氨的解吸速率的特性曲线族组60、61、62。其中决定性的数据根据当前的输入量确定。用于与氮氧化物反应的值、与氧气直接反应的值和通过氨泄漏SNH3给定的解吸速率与氨输入速率Z一起输送给加法元件63，该环节对有关量按它们的正负号求和。用这种方法可对基本上确定储存在催化器内的氨量的参量进行平衡。累加的和值输送给积分元件64，其输出值是催化器当前的氨充填程度F。此外，由现有的数据确定出其它的输出值A。这些输出值主要是与从催化器流出的排气的氮氧化物含量、氨泄漏SNH3以及由于反应热或由于热损失而可能改变的排气温度有关的量。设想，对于分催化器3、4分开进行计算，其中第一分催化器的解吸速率或氨泄漏SNH3是第二分催化器4的氨输入速率Z。第一分催化器3的氨输入速率Z由通过定量给料阀14输出的尿素定量供给速率确定，其中设想，应该考虑由排气管2内的壁吸收或壁沉积以及不完全处理等所造成的损失。
从为第一分催化器3和/或第二分催化器4确定出的氨充填程度F确定是否应该进行尿素溶液的添加和计算定量供给速率。这优选地通过定量给料单元9的调节器进行，氨充填程度F可输送给此调节器作为调节参量。此处根据氨充填程度F数值的不同，将第一分催化器3或第二分催化器4的氨充填程度F用作调节参量。
为了选择，为氨充填程度设置特定的值，如图7a和7b的图线所示。
在图7a和7b的图示中分别在纵坐标上标注第一分催化器3和第二分催化器4的充填程度F3和F4。按本发明，设置充填程度范围，在该范围内调节分催化器3、4的充填程度。其中为第一分催化器3设置具有第一下阈值F31和第一上阈值F32的第一充填程度范围70。类似地，为第二分催化器4设置具有第二下阈值F41和第二上阈值F42的第二充填程度范围71。为第一分催化器3附加地设置一大于第一上阈值F32的上边界值F33。分催化器3、4的充填程度范围70、71可通过相同的阈值规定，但所述阈值优选地是不同的并且为第二分催化器4规定这样的第二充填程度范围71，其第二阈值F41、F42小于第一分催化器3的充填程度范围70的第一阈值F31、F32。设想，根据相应的分催化器3、4的温度规定阈值F31、F32、F41、F42，其中对于第一分催化器3的温度大大高于第二分催化器4的温度的情况，优选地规定阈值F41、F42高于阈值F31、F32。此外设想，使范围70、71在其阈值方面根据相应分催化器3、4的老化因子AF与老化程度相匹配。
现在优选地根据相应分催化器3、4的还原剂充填程度的分别现有的当前值按照图8a至8c所示的流程图对分催化器3、4的充填程度进行调整或调节。其中下面从进行尿素添加的简单的通断调节出发。当然同样可考虑其它方式的调节，例如以PID调节的形式。在流程图中示出的程序优选地在定量给料单元9中进行。
在图8a的流程图中示出在正常状态下连续进行的第一查询循环的流程。所述查询循环在确定至少第一分催化器3已作好准备后在方框800中开始。在查询方框801中，查询由充填程度确定单元10确定出的第一分催化器3的氨充填程度F3。如果该值小于第一上阈值F32，那么便跳到方框806(Kat1)内，第一分催化器3的充填程度对于尿素溶液的定量供给起决定性作用。在后面结合对图8b所示的第二流程图的描述再继续说明后续进行的其它工作步骤。
如果在查询方框801中确定第一分催化器3的氨充填程度F3大于第一上阈值F32(N)，那么在下一个查询方框802中便查询是否低于上边界值F33。如果是，那么便跳到方框805(Kat2)，第二分催化器4的充填程度对于尿素溶液的定量供给起决定性作用。在后面结合对图8c所示的第三流程图的描述再继续说明后续进行的其它工作步骤。
如果对方框802的查询以“否”回答，那么在方框803中再次查询充填程度是否小于第一上阈值F32。首先，如果不是这种情况，那么便到达方框804并停止尿素溶液的供给(定量供料“关断”)。因此第一分催化器3储存了足够的氨，其中充填程度通过由于与氮氧化物和/或氧气的反应而引起的损失以及通过解吸而随时间降低。这时如果充填程度下降到第一上阈值F32之下，那么，这由于反复回跳到查询方框803而被识别出，并跳回到查询循环的起点。
由在图8b中所示的第二流程图得到当第一分催化器3的充填程度F3对尿素的定量供给起决定性作用时的工作步骤。其中，首先在方框807中查询充填程度F3是否小于第一下阈值F31。如果是这种情况，那么便接通尿素溶液的定量供给(方框808)，并跳回到查询循环的起点。在另一种情况下，在方框809中查询充填程度F3是否小于第一上阈值F32。如果是这种情况，那么便跳回到查询循环起点而不改变定量给料状态。相反，如果超过第一上阈值F32(N)，那么便关断尿素溶液的定量供给(方框810)并跳回到查询循环起点。
由在图8c中所示的第三流程图得到当第二分催化器4的充填程度F4对尿素的定量供给起决定性作用时的工作步骤。此处，其工作步骤完全类似于结合图8b的第二流程图所说明的工作步骤，因而此处不再进行详细说明。总之，可实现的是，用这种方法可将两个分催化器3、4分别调整到优选的充填程度范围。强调指出，在运行图8b和8c的查询循环时图8a的查询循环仍不断起作用，因此可对充填程度的变化作出灵活的反应。
在图9中示出本发明装置的一种优选实施形式的框图，其中与图1至8c的部件和参量相对应的部件和参量具有相同的附图标记。
为了调整通过定量给料阀14向排气添加尿素的定量给料速率D，设置用于确定第一分催化器3的氨充填程度F3的第一充填程度确定单元10、用于确定第二分催化器4的氨充填程度F4的第二充填程度确定单元10’和定量给料单元9。它们的功能在前面基本上已说明，因此下面仅说明特殊性。
与在图1中所示的装置不同，按图9的装置具有两个附加地设置在排气管2内的排气传感器90和91。此处，排气传感器90、91做成氮氧化物传感器，它们提供相应部位的氮氧化物浓度的信号NOx，S1和NOx，S2。但是传感器90、91中的至少一个也可做成氨传感器。所述传感器的数据特别是用于补偿计算程序或用于适配所存储的特性曲线族和特性曲线，因此有时也可取消至少一个传感器90、91。
发动机控制器92传输关于发动机当前转速n、当前燃料喷射量K和当前排气质量流量A的数据以及其它数据W，作为信号处理和计算单元93的输入数据。信号处理和计算单元93由所述输入数据和当前尿素定量供给速率D为第一分催化器3计算出当前空间速度SV1、当前氮氧化物浓度NOx、氨输入速率Z以及其它数据W，并将这些数据作为输入数据输送给第一充填程度确定单元10。
如上所述，第一充填程度确定单元10由所述数据以及排气输入温度T1为第一分催化器3计算出充填程度F3、老化因子AF1、氨泄漏SNH3，1、氮氧化物输出浓度NOx，1和空间速度SV2。这些数据与排气温度T2和其它数据W一起用作第二充填程度确定单元10’和定量给料单元9的输入量。如图9所示，第二充填程度确定单元10’可从第一充填程度确定单元10作为计算值或从第二温度传感器7作为测量值得到对第二分催化器4起决定性作用的排气温度T2。此外，可用由第二温度传感器提供的测量值进行模型补偿。
如上所述，第二充填程度确定单元10’以类似的方法由提供给它的输入数据为第二分催化器4计算出充填程度F4、老化因子AF2、氨泄漏SNH3，2和氮氧化物输出浓度NOx，2及空间速度SV2。
定量给料单元9由提供给它的输入数据确定出适合用于调整第一和/或第二分催化器所期望的氨充填程度的尿素定量供给速率D，并相应地控制定量给料阀14。此外，定量给料单元9通过分析特别是老化因子AF1、AF2以及读入的氮氧化物浓度NOx，2、NOx，S1和NOx，S2可确定出分催化器3、4、温度传感器6、7、排气传感器90、91或尿素定量供给装置或定量给料阀14中某一个部件的功能故障并发出相应的故障警报。用这种方法可由定量给料装置或中央控制单元8完成OBD(在线诊断)功能。

Claims (16)

1.一种用于从主要以空气过量方式运行的内燃机(1)的排气中去除氮氧化物的装置，具有：
-排气管(2)，
-配设于所述排气管(2)的用于向所述排气中添加包含还原剂的添加剂的添加部位，
-设置在所述排气管(2)内位于所述添加部位下游的用于以所述还原剂还原包含在所述排气中的氮氧化物的氮氧化物还原催化器(5)，该氮氧化物还原催化器具有第一分催化器(3)和设置在该第一分催化器(3)下游并与该第一分催化器(3)在空间上相互分开地设置的第二分催化器(4)，其中所述氮氧化物还原催化器(5)设计成用于储存所述还原剂，和
-用于调整通过所述添加部位输送给所述排气的添加剂的添加量的定量给料单元(9)，
其特征在于，
-仅设有单个添加部位，该单个添加部位设置在所述第一分催化器(3)的上游，并且
-设有用于确定储存在所述第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)中的还原剂的还原剂充填程度(F3；F4)的充填程度确定装置(10，10’)，并且可根据由该充填程度确定装置(10，10’)确定出的所述第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)的还原剂充填程度来调整所述添加剂的添加量，其中使所述第二分催化器(4)的还原剂充填程度低于所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度。
2.按权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述第一分催化器(3)具有比所述第二分催化器(4)大的容积。
3.按权利要求1或2所述的装置，
其特征在于，
相应分催化器(3，4)的还原剂充填程度(F3；F4)可通过至少对
-在相应分催化器(3，4)内转化的还原剂的转化速率(UNOx)，
-由相应分催化器(3，4)解吸的还原剂的解吸速率，和
-与所述排气一起输送给相应分催化器(3，4)的还原剂的输入速率进行求和以及时间积分而确定出。
4.按权利要求3所述的装置，
其特征在于，
为所述转化速率和解吸速率设置特性曲线族，在确定还原剂充填程度时所述充填程度确定装置(10，10’)可存取该特性曲线族。
5.按权利要求1或2所述的装置，
其特征在于，
为所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)可规定具有第一下阈值(F31)和第一上阈值(F32)的第一范围(70)，为所述第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F4)可规定具有第二下阈值(F41)和第二上阈值(F42)的第二范围(71)，并且所述定量给料单元(9)与所述充填程度确定装置(10，10’)这样共同作用，使得可将所述第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F3；F4)调节到相应的范围(70；71)内。
6.按权利要求5所述的装置，
其特征在于，
为所述氮氧化物还原催化器(5)可确定出老化因子(AF)，所述还原剂充填程度(F3；F4)的第一和/或第二范围(70；71)可根据该老化因子(AF)规定。
7.按权利要求6所述的装置，
其特征在于，
设有与未老化的氮氧化物还原催化器(5)匹配的第一特性曲线族组和与定义的已老化的氮氧化物还原催化器(5)匹配的第二特性曲线族组，其中所述第一特性曲线族组配设有第一老化因子，所述第二特性曲线族组配设有第二老化因子，在确定所述还原剂充填程度(F3；F4)时所述充填程度确定装置(10，10’)可根据当前老化因子(AF)在所述第一特性曲线族组和第二特性曲线族组的数据之间进行内插值。
8.按权利要求1或2所述的装置，
其特征在于，
在所述排气管(2)内在所述第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)的下游设有对氮氧化物和/或所述还原剂敏感的排气传感器(90；91)。
9.一种用于向主要以空气过量方式运行的内燃机(1)的排气管(2)定量供给包含还原剂的添加剂的方法，具有
-用于向排气中添加所述添加剂的添加部位，
-设置在所述排气管(2)内位于所述添加部位下游的具有第一分催化器(3)和设置在该第一分催化器(3)下游的第二分催化器(4)的氮氧化物还原催化器(5)，和
-用于调节通过所述添加部位输送给所述排气的添加剂的添加量的定量给料单元(9)，
其特征在于，
确定出所述第一分催化器(3)和第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F3；F4)，并根据所述第一分催化器(3)和/或第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F3；F4)选择所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)或所述第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F4)作为调节所述添加剂的添加量的调节量。
10.按权利要求9所述的方法，
其特征在于，
相应分催化器(3，4)的还原剂充填程度(F3；F4)通过至少对
-在相应分催化器(3，4)内转化的还原剂的转化速率(UNOx)，
-由相应分催化器(3，4)解吸的还原剂的解吸速率，和
-与所述排气一起输送给相应分催化器(3，4)的还原剂的输入速率进行求和以及时间积分而确定出。
11.按权利要求10所述的方法，
其特征在于，
在确定所述转化速率(UNOx)时，考虑储存在相应分催化器(3，4)内的还原剂与包含在所述排气内的氮氧化物和氧气的反应。
12.按权利要求10或11所述的方法，
其特征在于，
在确定所述第二分催化器(4)的输入速率时，考虑所述第一分催化器(3)的解吸速率。
13.按权利要求9至11之任一项所述的方法，
其特征在于，
为所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)设置具有第一下阈值(F31)和第一上阈值(F32)的第一范围(70)，当所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)低于所述第一上阈值(F32)时，选择所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)作为用于调节所述添加剂的添加量的调节量。
14.按权利要求13所述的方法，
其特征在于，
为所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)设置大于所述第一上阈值(F32)的上边界值(F33)，并且在所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)位于所述第一上阈值(F32)和所述上边界值(F33)之间时，选择所述第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F4)作为用于调节所述添加剂的添加量的调节量。
15.按权利要求9至11之任一项所述的方法，
其特征在于，
为所述氮氧化物还原催化器(5)确定出反映所述氮氧化物还原催化器(5)的热负荷的老化因子(AF)。
16.按权利要求15所述的方法，
其特征在于，
根据所述老化因子(AF)，为所述第一分催化器(3)的还原剂充填程度(F3)规定所述第一范围(70)和/或所述上边界值(F33)，和/或为所述第二分催化器(4)的还原剂充填程度(F4)规定第二范围(71)。
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