CN101257963B - 运行内燃机的方法和执行此方法的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于运行内燃机(10)的方法和一种用于执行此方法的设备，其中，在内燃机的废气区域(13)内设置有至少一个SCR催化器(16)，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器(16)中有助于NOx转化。对标示在SCR催化器(16)之后下游出现的NOx浓度(NOx_nK)的至少一个数据(NOx_nK_mod)进行计算。设置在SCR催化器(16)之后下游的NOx传感器(18)提供废气传感器信号(S_nK)。该废气传感器信号至少相当于NOx浓度(NOx_nK)，以及必要时由于横向敏感性而相当于试剂漏损(ms_Rea_nK)。通过修正信号(d_ReaSP)根据所述差值(D)并根据标示SCR催化器(16)的温度(te_Kat)的数据来影响确定了试剂的剂量的试剂信号(S_Rea)。

Description

运行内燃机的方法和执行此方法的设备
技术领域
本发明涉及一种运行内燃机的方法。在内燃机的废气区域内设置SCR催化器，并且在SCR催化器之后下游设置NOx传感器，并且本发明还涉及一种所述类型的执行本方法的设备。
背景技术
在DE 19903439A1中描述了一种运行内燃机的方法和设备。在内燃机的废气区域内设置SCR(Selective-Catalytic-Reduction(选择性催化还原))催化器。该催化器用试剂(Reagenzmittel)将内燃机的废气中所包含的氧化氮还原成氮。优选地根据内燃机的运行特征参数，例如转速和喷入的燃料量确定试剂的剂量。此外还优选地根据废气的特征参数，例如废气温度或者SCR催化器的运行温度进行这种计量。
例如规定将还原剂氨用作试剂，其可从尿素水溶液中提取。必须细心地确定试剂或者试剂的原始材料的剂量。剂量过低的结果是SCR催化器中的氧化氮不再能得到完全的还原。剂量太多导致试剂漏损(Reagenzmittelschlupf)，它一方面导致不必要的试剂高消耗，并且另一方面由于试剂的特性所致会导致难闻的气味。
DE 19960731A1和DE 19962912A1分别描述了NOx传感器。这些传感器用于检测在废气流中存在的NOx浓度。这些NOx传感器包括多个腔室。这些腔室通过扩散栅彼此连接。这些已公开的多腔室的NOx传感器根据测量原理相对氨(NH3)具有横向敏感性。在废气中包含的氨例如作为一种试剂通过还原反应4NH3+502→4NO+6H2O使传感器信号失真。据此在上述已公开的措施中，会提高试剂剂量，当试剂存在超剂量或者正确的剂量时，由于出现的试剂漏损会使传感器信号升高，并且在存在低剂量时，由于NOx转化的增加会使传感器信号下降。相反地如果降低试剂剂量，则当试剂存在超剂量时由于试剂漏损的减小而使传感器信号下降，并且当剂量正确或者低剂量时由于NOx转化不再完全而使传感器信号升高。
DE 102004046640A1(未公开)描述了一种运行内燃机的方法和一种执行此方法的设备。其中在SCR催化器之后下游设置有相对于试剂具有横向敏感性的NOx传感器。在废气区域内设置有至少一个SCR催化器。给该SCR催化器提供试剂。这种试剂有助于SCR催化器中的NOx转化。其中计算出标示在SCR催化器之后下游出现的NOx浓度的至少一个数据。其使得在确定试剂剂量时提高精确性成为可能。
从计算出的标示NOx浓度的数据与测量出的标示NOx浓度和试剂浓度总和的数据之间的差值求出试剂漏损。考虑这样的事实，即无论是试剂漏损还是不足够的NOx还原反应，都会在同一方向引起计算出的标示NOx浓度的数据与测量出的标示NOx浓度和试剂浓度总和的数据之间引起偏差。根据方案，当有差值时首先减少试剂的剂量。当存在试剂漏损时，减小试剂的剂量会导致减小试剂漏损。在这种情况中，减小试剂的剂量表明是一种正确的措施。如果原来试剂的剂量太小时，则由于NOx转化较少会进一步地增大所求出的差值，这样可以从中得出结论，即减小试剂的剂量是错误的，而是应该提高剂量。
DE 102004031624A1(未公开)描述了一种用于运行净化内燃机的废气所采用的SCR催化器的方法。在该方法中规定，将SCR催化器中的试剂料位控制或者调节到预定的存储额定值。这种有针对性地预定存储额定值，一方面保证当内燃机处于不稳定状态时有足够的试剂量，以供尽可能完全地清除内燃机的NOx未处理排放(NOx-Rohemission)时使用，并且另一方面避免试剂漏损。
借助催化器模型求出SCR催化器的试剂料位。该催化器模型考虑了流入SCR催化器的NOx质量流、离开SCR催化器的NOx质量流、催化器温度以及可能的试剂漏损。SCR催化器的可能最大的试剂料位特别是和SCR催化器的工作温度有关，其当运行温度较低时最高，并且随着工作温度的增加而下降到比较低的数值。SCR催化器的效率和催化活性有关，其在运行温度低时较小，随着温度的升高达到最大值，并且当运行温度进一步升高时又降低。
发明内容
本发明的任务是提供一种运行内燃机的方法，其中在内燃机的废气区域内设置SCR催化器，并且在SCR催化器之后下游设置NOx传感器。本发明还涉及一种用于执行此方法的设备，该设备在试剂漏损最小时使得废气净化结果尽可能地最佳。
所述任务通过一种运行内燃机的方法得以完成，在内燃机的废气区域内设置有至少一个SCR催化器，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器中有助于NOx转化，在所述方法中，既对标示在SCR催化器之后下游出现的NOx浓度的至少一个数据进行计算，又通过NOx传感器对该数据进行测量，并且在所述方法中，求出标示在SCR催化器之后下游出现的NOx浓度的上述计算出的数据和上述测量出的数据之间的差值，其中，根据上述差值并根据标示SCR催化器的温度的数据，通过修正信号来影响确定了试剂剂量的试剂信号。
此外所述任务还通过一种用于运行内燃机的设备来完成，在内燃机的废气区域内设置有至少一个SCR催化器，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器中有助于NOx转化，其中，设置至少一个用于执行所述方法的控制器。
根据本发明的运行内燃机的方法由此出发，即在内燃机的废气区域内设置有至少一个SCR催化器，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器中有助于NOx转化。在SCR催化器之后下游设置有NOx传感器，该NOx传感器提供的传感器信号反映了标示在SCR催化器之后下游的废气中的NOx浓度的至少一个数据。此外，还对标示在SCR催化器之后下游出现的NOx浓度的至少一个数据进行计算。求出计算出的标示NOx浓度的数据与测量出的NOx浓度之间的差值。不仅根据所求出的这个差值，而且还附加地根据标示SCR催化器的温度的数据通过修正信号来影响确定试剂剂量的试剂信号。
根据本发明的措施，在确定试剂的剂量时考虑了SCR催化器的温度，这个温度影响试剂在催化器中的存储能力。通过这一措施，使试剂信号在必要时需要的改变与试剂在SCR催化器中取决于温度的存储能力相适配。采用这一措施达到，不仅避免由于试剂信号的改变可能出现的试剂过剂量-这种过剂量会导致增大试剂漏损，而且也避免试剂的低剂量-这会导致增大环境的NOx负荷。
根据本发明的措施，可通过下述措施以简单并且因此成本有利的方式得以实现在SCR催化器之后下游只需设置一个NOx传感器。该NOx传感器有时具有本身所不希望的相对试剂的横向敏感性。在根据本发明的措施的方案的框架内，有针对性地充分利用这种横向敏感性。
一种方案规定，根据上述差值和标示SCR催化器的温度的数据将修正信号存储在特性曲线族中，特性曲线族提供选择出的修正信号。
一种方案规定，根据在SCR催化器中的试剂料位来确定试剂信号。这个方案的一种改进规定，间接地通过操控SCR催化器中的试剂料位来影响试剂信号。优选地将SCR催化器中的试剂料位调节到预定的试剂额定填充程度。
一种方案规定，在计算SCR催化器之后下游出现的NOx浓度时，除了内燃机的NOx未处理排放外，还考虑SCR催化器的温度和SCR催化器中的试剂料位和/或SCR催化器中废气的空间速度。通过这一措施达到高的精确度。
另一方案规定，将预定的试剂额定填充程度至少规定到最大值。这个最大值对应于完全充满试剂的SCR催化器。这个方案和如下方案相结合具有优点：该方案规定，NOx传感器相对于试剂具有横向敏感性。通过下述措施有针对性地充分利用这种横向敏感性，即当出现差值时，首先总是按照减小试剂剂量的原则对试剂信号施加影响，因为差值以高概率反映了试剂漏损。
根据本发明的用于运行内燃机的设备首先涉及一种控制器。该控制器是用于执行本方法而设置的。该控制器包含特别是差值计算器，该差值计算器求出由NOx传感器所提供的废气传感器信号与由NOx浓度检测装置计算出的在SCR催化器之后下游的NOx浓度之间的差值。此外规定，控制器包含特性曲线族。该特性曲线族提供用于影响试剂信号的修正信号。在该特性曲线族中，至少根据上述差值和根据标示SCR催化器的温度的数据来存储所述修正信号。
控制器优选包括至少一个电存储器。在存储器中将所述方法作为计算机程序进行存储。
从下述说明中可得到根据本发明的措施的其它有利的改进和方案。
附图说明
附图示出了根据本发明的方法所在运行的技术环境。
具体实施方式
该图示出内燃机10。在内燃机10的进气区域11内设置有空气检测装置12，并在内燃机10的废气区域13内设置有试剂计量装置14、第一NOx传感器15、SCR催化器16、配属于SCR催化器16的温度传感器17以及第二NOx传感器18。
在内燃机10之后下游出现废气流ms_abg以及NOx未处理浓度(NOx-Rohkonzentration)NOx_vK。在SCR催化器16之后下游出现NOx浓度NOx_nK以及试剂漏损ms_Rea_nK。
空气检测装置12给控制器20提供空气信号ms_L，内燃机10提供旋转信号n，第一NOx传感器15提供第一NOx信号NOx_vK_mess，温度传感器17提供标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据，并且第二NOx传感器18提供废气传感器信号S_nK以供使用。
控制器20给配属于内燃机10的燃料配量装置25提供燃料信号m_K，以及给试剂计量装置14和燃料配量装置25提供试剂信号S_Rea供使用。
控制器20包含扭矩检测装置30。给该扭矩检测装置30提供空气信号ms_L、旋转信号n以及扭距额定值MFa供使用，并且扭矩检测装置30检测出内燃机10的扭矩Md。
此外，控制器20还包括NOx未处理浓度检测装置31。给该NOx未处理浓度检测装置31提供空气信号ms_L、旋转信号n以及燃料信号m_K供使用，并且该NOx未处理浓度检测装置31求出NOx未处理浓度NOx_vK的计算出的数据NOx_vK_mod。
此外，控制器20还包含NOx浓度检测装置32。给该NOx浓度检测装置32提供标示NOx未处理浓度NOx_vK的计算出的数据NOx_vK_mod、标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据、空间速度RG以及SCR催化器16中的试剂料位ReaSP供使用，并且该NOx浓度检测装置32还求出标示SCR催化器16之后下游的NOx浓度NOx_nK的计算出的数据NOx_nK_mod。
将标示NOx浓度NOx_nK的计算出的数据NOx_nK_mod和废气传感器信号S_nK提供给第一差值计算器33使用。该差值计算器33求出差值D。将差值D以及标示温度te_Kat的数据提供给特性曲线族34供使用。特性曲线族34提供修正信号d_ReaSP。该修正信号被输送给第一加法器35。
第一加法器35从修正信号d_ReaSP和试剂料位ReaSP求出试剂实际料位ReaSP_Ist。将这个试剂实际料位提供给第二差值计算器36使用。该第二差值计算器36由试剂实际料位ReaSP_Ist和试剂额定填充程度ReaSP_Soll求出调节偏差37。
调节器38从调节偏差37求出调节参数39。将该调节参数39提供给第二加法器40供使用。该加法器40将试剂预控参数S_Rea_VS加到调节参数39上，并且该加法器40提供试剂信号S_Rea。
试剂预控参数S_Rea_VS是由预控参数检测装置41提供使用的。该预控参数检测装置41从扭矩Md和旋转信号n中求出试剂预控参数S_Rea_VS。
将试剂信号S_Rea提供给催化器模型42使用。此外，该催化器模型42还通过输送得到NOx未处理浓度NOx_vK、NOx浓度NOx_nK、标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据和试剂漏损ms_Rea_nK。催化器模型42提供试剂料位ReaSP。
根据本发明的方法按照下述方式工作：
布置在控制器20中的扭矩检测装置30至少根据预定的扭矩额定值MFa检测出应由内燃机10输出的扭矩Md，上述预定的扭矩额定值MFa例如是由未详细示出的、内燃机10作为驱动发动机设置在其中的汽车的加速踏板所提供的。扭矩Md至少近似地是标示内燃机10的负载的数据。此外，在计算扭矩Md时可考虑旋转信号n和/或由空气检测装置12提供的空气信号ms_L。
控制器20将特别是借助于扭矩Md确定的燃料信号m_K提供给燃料配量装置25。燃料信号m_K确定了例如燃料喷射时间点以及燃料喷射量。
在内燃机10中燃烧的燃料产生废气流ms_abg。废气流ms_abg根据内燃机10的工作点可能包含着或多或少的所不希望的NOx未处理浓度NOx_vK。
为了尽可能地消除NOx未处理浓度NOx_vK，在内燃机10的废气区域13中至少设置SCR催化器16。除了SCR催化器16以外还可设置其它的催化器和/或颗粒过滤器。SCR催化器16用一种试剂支持NOx的还原反应。所述试剂是通过试剂计量装置14配给到废气区域13中，和/或在必要时由马达内提供的。代替试剂也可设置一种原始材料。在使用试剂氨时，代替氨例如可将尿素水溶液或者例如碳酸铵设置为原始材料。通过提供给试剂计量装置14的试剂信号S_Rea来确定剂量。代替或者附加地，当由马达内部提供试剂时，也可用试剂信号S_Rea对燃料信号m_K进行修改，使得由马达内部实现所需的试剂。
在根据本发明的方法开始以后，将试剂额定填充程度ReaSP_Soll确定成预定的试剂额定填充程度ReaSP_Soll。当应尽可能在所有运行状态下都要避免试剂漏损ms_Rea_nK时，例如可将上述试剂额定填充程度ReaSP_Soll确定在这样的数值，即该数值低于SCR催化器16中的可能最大的试剂料位。有利的方案相反地预定，所预定的试剂额定填充程度ReaSP_Soll应该至少和SCR催化器16中的可能最大的试剂料位相当，这种可能最大的试剂料位取决于SCR催化器16中的温度te_Kat。关于这方面在前面已提到的文献DE 102004031624A1中有详细描述，在这方面可全部地参考该文献内容。
也可将试剂额定填充程度ReaSP_Soll确定成比最大值更高的值，这样，在这种情况中，必须始终估计到至少少量的试剂漏损ms_Rea_nK。将试剂额定填充程度ReaSP_Soll至少确定成最大值或者确定成仅仅作为计算参数存在的较高值，其主要优点在于：SCR催化器16始终在它的最大效率范围中运行。在这个范围中出现尽可能最高的NOx转化。无论是在内燃机10还是在SCR催化器16的所有运行状态中，以及在废气区域13中的废气的所有特性参数的情况下，都保证NOx浓度NOx_nK具有可能最小的数值。必须忍受至少偶然出现的试剂漏损ms_Rea_nK。只要将试剂额定填充程度ReaSP_Soll确定为比最大值更高的数值，就始终会出现少量的试剂漏损ms_Rea_nK。
可将SCR催化器16中的试剂料位ReaSP控制到预定的试剂额定填充程度ReaSP_Soll。优选设置调节到预定的试剂额定填充程度ReaSP_Soll的调节。在第二差值计算器36中将试剂额定填充程度ReaSP_Soll和试剂实际料位ReaSP_Ist进行比较。第二差值计算器36形成差值，将该差值作为调节偏差37输送到调节器38。该调节器38从调节偏差37中求出调节参数39。在第二加法器40中，该调节参数39被加到优选地已存在的试剂预控参数S_Rea_VS中。
试剂预控参数S_Rea_VS可根据内燃机10的运行特性参数例如预先规定待计量试剂的基本量。在预控参数检测装置41中，例如考虑扭矩Md以及旋转信号n。这种措施使得比较简单的应用成为可能。
试剂信号S_Rea由有时与已有的试剂预控参数S_Rea_VS相关的调节参数39来确定。上述试剂信号S_Rea被输送到试剂计量装置15和/或燃料配量装置25。试剂信号S_Rea释放例如阀门的开口横截面。这个开口横截面和预定的试剂流量相当。此外，试剂流量还取决于试剂压力。
催化器模型42借助于试剂信号S_Rea，在考虑NOx未处理浓度NOx_vK、NOx浓度NOx_nK以及标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据的情况下，求出试剂料位ReaSP。在必要时附加地考虑试剂漏损ms_Rea_nK。催化器模型42在已提到的现有技术中已有说明。关于这点请再次参阅现有技术。
求出标示NOx浓度NOx_nK的计算出的数据NOx_nK_mod。借助于标示NOx未处理浓度NOx_vK的计算出的数据NOx_vK_mod，在NOx浓度检测装置32中进行上述计算。上述NOx未处理浓度NOx_vK由NOx未处理浓度检测装置31借助于例如扭矩Md和/或旋转信号n来提供。NOx浓度检测装置32借助于标示由温度传感器17所提供的温度te_Kat的数据求出SCR催化器16的效率。所述温度传感器17可以设置在催化器16的之前上游、之中或者之后下游，这样由温度传感器17提供的传感器信号至少近似地是标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据。代替温度测量装置，也可预定SCR催化器16的温度te_Kat的估计值。
此外在NOx浓度检测装置32中优选考虑废气空间速度RG。这个废气空间速度可以由SCR催化器16的已知的几何参数和废气流ms_abg求出。附加地考虑SCR催化器16中的试剂料位ReaSP，因为效率也特别取决于试剂料位ReaSP。
在第一差值计算器33中，从废气传感器信号S_nK中减去由NOx浓度检测装置32计算出的标示NOx浓度NOx_nK的数据NOx_nK_mod，以得到差值D。所出现的差值D可在剂量策略中加以考虑，并且相应地影响试剂信号S_Rea。
此外，在提供修正信号d_ReaSP时，除了这个差值D以外，还考虑标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据。至少根据这个差值D并根据标示SCR催化器16的温度te_Kat的数据，将所要求的修正信号d_ReaSP存储在特性曲线族34中。根据至少上述两个参数寻址特性曲线族34，并且根据所存储的数值输出修正信号d_ReaSP。在应用的框架内给特性曲线族34至少配设数值对，其中在差值D恒定的情况下，在温度te_Kat较高时试剂的剂量比在温度te_Kat较低时有较小幅度的降低。相应地，在差值D恒定的情况下，在温度te_Kat较高时试剂料位ReaSP比在温度te_Kat较低时有较小幅度的提高。
可将修正信号d_ReaSP直接用于影响试剂信号S_Rea。在所示实施方式中，试剂信号S_Rea间接地通过介入到试剂料位ReaSP中而受到影响，其中，修正信号d_ReaSP操控SCR催化器16中的试剂实际料位ReaSP_Ist。给由催化器模型42计算出的试剂料位ReaSP提供修正信号d_ReaSP，这样，试剂实际料位ReaSP得到修正。只要相应于试剂漏损ms_Rea_nK的差值D出现，就例如提高试剂实际料位ReaSP_Ist。由于调节回路已关闭，这种提高其结果是减弱试剂信号S_Rea。
原则上讲可用NOx传感器检测SCR催化器16之后的NOx浓度NOx_nK，可用试剂传感器检测试剂漏损ms_Rea_nK。然而特别有利的是，充分地利用第二NOx传感器18相对于试剂的已存在的横向敏感性，或者有针对性地形成这种横向敏感性。在这种情况中，废气传感器信号S_nK反映了试剂漏损ms_Rea_nK和NOx浓度NOx_nK的总和。因此，所出现的差值D可能意味着：或者是出现试剂漏损ms_Rea_nK，或者是出现高的NOx浓度NOx_nK。在这种运行状态中不可能进行区分。当根据有利的方案，将SCR催化器16中的试剂额定填充程度ReaSP_Soll确定到可能最大的数值时，其原因可能是存在试剂过剂量，这相当于一种试剂漏损ms_Rea_nK。在所示实施中设置了一种调节过程，即试剂漏损ms_Rea_nK或者只是短时间地出现，或者是当试剂持续地过剂量时，将试剂漏损ms_Rea_nK限制到较小的程度。

Claims (12)

1.运行内燃机(10)的方法，在内燃机的废气区域(13)内设置有至少一个SCR催化器(16)，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器(16)中有助于NOx转化，在所述方法中，既对标示在SCR催化器(16)之后下游出现的NOx浓度(NOx_nK)的至少一个数据(NOx_nK_mod)进行计算，又通过NOx传感器(18)对该数据进行测量，并且在所述方法中，求出标示在SCR催化器(16)之后下游出现的NOx浓度(NOx_nK)的上述计算出的数据(NOx_nK_mod)和上述测量出的数据之间的差值(D)，其特征在于，根据上述差值(D)并根据标示SCR催化器(16)的温度(te_Kat)的数据，通过修正信号(d_ReaSP)来影响确定了试剂剂量的试剂信号(S_Rea)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，根据上述差值(D)并根据标示SCR催化器(16)的温度(te_Kat)的数据，将修正信号(d_ReaSP)存储在特性曲线族(34)中。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，根据SCR催化器(16)中的试剂料位(ReaSP)来确定试剂信号(S_Rea)。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，间接地通过操控SCR催化器(16)中的试剂料位(ReaSP)来影响试剂信号(S_Rea)。
5.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于，将SCR催化器(16)中的试剂料位调节到预定的试剂额定填充程度(ReaSP_Soll)。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对在SCR催化器(16)之后下游出现的NOx浓度(NOx_nK)的计算除了内燃机(10)的NOx未处理排放(NOx_vK)外还以标示SCR催化器(16)的温度(te_Kat)的数据以及SCR催化器(16)中的试剂料位(ReaSP)和/或SCR催化器(16)中废气的空间速度(RG)为基础。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，将预定的试剂额定填充程度(ReaSP_Soll)至少确定成最大值，该最大值对应于完全充满试剂的SCR催化器(16)。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，NOx传感器(18)相对试剂具有被有针对性地充分利用的横向敏感性。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在出现差值(D)时，首先按照减小试剂的剂量的原则对试剂信号(S_Rea)施加影响。
10.用于运行内燃机(10)的设备，在内燃机的废气区域(13)内设置有至少一个SCR催化器(16)，给该SCR催化器提供有试剂，这种试剂在SCR催化器(16)中有助于NOx转化，其特征在于，设置至少一个用于执行如权利要求1至9中任一项所述方法的控制器(20)。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于，控制器(20)包括差值计算器(33)，该差值计算器求出由相对于试剂横向敏感的NOx传感器(18)所提供的废气传感器信号(S_nK)和由NOx浓度检测装置(32)所计算出的在SCR催化器(16)之后下游的NOx浓度(NOx_nK_mod)之间的差值(D)。
12.按照权利要求11所述的设备，其特征在于，控制器(20)包含特性曲线族(34)，该特性曲线族提供用于影响试剂信号(S_Rea)的修正信号(d_ReaSP)，在所述特性曲线族中，至少根据所述差值(D)并根据标示SCR催化器(16)的温度(te_Kat)的数据来存储所述修正信号(d_ReaSP)。
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