CN102628390A - 对还原剂进行计量的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于在一个SCR-催化器系统里，尤其是在汽车的SCR-催化器系统里调节还原剂计量量的方法中实施以下步骤：计算SCR-催化器的最大NH3-加载，通过将计量输入的氨的量乘以系数F，和/或加上偏置，以及减去SCR-催化器的氨的消耗计算SCR-催化器的NH3-极限加载，并给SCR-系统的控制单元指示出：氨排出至废气里的危险增高，直到NH3-极限加载大于或等于最大NH3-加载为止。一种带有程序码的用于实施这方法的计算机程序产品，可以毫无困难地使用于已有的内燃发动机上，而不必在SCR-催化器系统里装入其它部件。只需通过一种存储在计算机程序产品上的计算机程序的运行，例如在内燃发动机的一个控制仪里进行软件的匹配。

Description

对还原剂进行计量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在一个SCR-催化器系统里，尤其是在汽车的SCR-催化器系统里调节还原剂计量量的方法。本发明还涉及一种具有程序码的计算机程序产品，这产品存储在一种机器可阅读的载体上，用于实施按照发明的方法，以及一种SCR-催化器系统，它包括一个控制仪，在这控制仪上运行一个计算机程序，该程序实施按照发明的所有方法。
背景技术
已知有用于使内燃发动机运行的方法和装置，其中在废气部位里布置了一个SCR-催化器（选择催化还原），它可以在有还原剂的情况下使内燃发动机废气里所含的氮氧化物（NOx）还原成氮（N2）。这样的SCR-催化器例如使用在燃烧设备、垃圾燃烧设备、汽轮机和工业设备的废气存气处。然而尤其是众所周知，其使用于减小在汽车发动机废气里的氮氧化物含量。
通过SCR可以大大减小废气里的氮氧化物含量。对于还原过程来说需要氨（NH3），将它添加到废气里并与氮氧化物反应成氮和水。作为还原剂因此使用NH3或者说NH3-裂解药剂。在汽车范围里，这里一般按照DIN 70070 应用一种32.5%含水的尿素溶液（尿素-水-溶液；HWL），其商业牌号为AdBlue。这种溶液借助于一种在SCR-催化器前的喷入系统喷入废气管路里。在一个布置于SCR-催化器前面的水解催化器里由这种溶液形成起到还原剂作用的NH3。
SCR-催化器的效率取决于温度、室内速度（m3/h每m3催化器总体积的气体）和完全决定性地也取决于其NH3-加载或者说NH3的加入量。SCR-催化器通过吸收在其表面上沉积一定量的氨。因此除了直接计量送入的氨（作为HWL-溶液）之外，存储的氨也用于NOx-还原，从而相比于放空的SCR-催化器来说提高了效率。存储性能取决于催化器各自的运行温度。温度越低，NH3存储能力就越大。如果催化器已经达到了其最大的NH3-加载状态，那么在载荷检验时当然可能造成所谓的NH3-漏出，也就是说使氨排入废气里（外存储），尽管不再有还原剂被配送入。药剂漏出一方面可能引起不必要高的氨消耗，而另一方面引起不好的气味。如果要实现尽可能高的NOx-转化，那么不可避免地，在高的NH3加载时使SCR-催化器系统运行。即使在计量量设计很准确时，在非稳定的条件下也短时地引起NH3-漏出，但是这对于达到高的NOx转化目标来说是可以容许的。
因为必要的NH3-量的计算会有许多误差和偏差，例如由于发动机的未处理排放、催化器的转变化率和计量系统本身的不精确性，因此即使在一种新的，小心使用的系统中也会引起SCR-催化器中NH3-加载状态的错误计算。因此借助于一种NH3-横向敏感的NOx-传感器来适配于加载状态是绝对必要的。在有系统误差时（系统容差），可以通过一种直接对预控量干预的长时适配因素，减小必要的适配干预的频度。计量方法因此适配于各自的系统和持续较长的环境影响。
应用于这种适配的NOx-传感器测量一个由NOx和NH3组成的相加信号。SCR-模型动态地说明了按照SCR-催化器的NOx-排放。与测量的NOx-传感器值的偏差可能有三种原因：SCR-催化器模型的不准确性（<±50ppm）、催化器负载状态（NH3-加载）的低估和催化器负载状态（低转化）的高估。为了平衡这种偏差，可以使用不同的已知的方法来调节计量量。
在DE 199 03 439 A1里说明了一种使内燃发动机运行的方法，在这发动机的排气通道里布置了一个SCR-催化器，这个催化器将内燃发动机的废气里所含的氮氧化物用一种药剂还原成氮。药剂或者说药剂-前身的计量优先取决于内燃发动机的运行特性参数而进行，例如像转速和喷入的燃油量。计量还优先取决于至少一个废气特性参数，例如像废气温度或者SCR-催化器的温度。作为药剂设计用还原剂氨，它从一种药剂-前身，尤其是一种HWL-溶液获得。
在DE 10 2004 031 624 A1里说明了一种使药剂计量进入内燃发动机的废气通道里的方法，其中将SCR-催化器里的药剂装入量控制或者调节到一个规定的药剂装入量。有目的地设定药剂装入量一方面确保：在内燃发动机非稳定状态时有足够量的药剂可用于实现尽可能完全的NOx-还原，而且另一方面避免了向着下游在SCR-催化器之后发生药剂漏出。
在DE 10 2005 042 487 A1中说明了一种使药剂或者说药剂-前身计量进入内燃发动机的废气通道里的方法，这发动机同样也有一个SCR-催化器。SCR-催化器里的药剂装入量这里也被控制或者调节到一个规定的药剂装入量，但后者被规定为一个最大值，它对应于一个用药剂完全装满的SCR-催化器。当出现传感器信号变化时，总是可以推断出计量过多。SCR-催化器总是以最大可能的效率运行，在这种情况下出现最大可能的NOx-转化。
在DE 10 2005 042 489 A1里说明了一种使内燃发动机运行的方法，在发动机的废气通道里布置了至少一个SCR-催化器，这催化器加上药剂，这种药剂有助于NOx-转化。在SCR-催化器下游所出现的NOx-加载的大小既进行计算，也用一种NOx-传感器进行测量，这种传感器对于药剂具有横向敏感度。求出在SCR-催化器下游的NOx-加载计算值和测量值之间的差值，这个差值在规定药剂或者说药剂-前身的计量率时加以考虑。合理可行的是，将在规定时间里计量的药剂或者说药剂-前身的量与在SCR-催化器里转化的药剂量和/或转化的NOx-量相互进行比较。当有偏差时，提供一个校正信号，以改正计量信号。
在DE 10 2005 042 489 A1里所述方法的一种扩展改进设计在DE 10 2005 042 490 A1里进行说明，后者规定：求出时间顺序的差并将其存储。计量率取决于规定数量的和/或规定序列的差值评价结果来确定。从而实现计量率的长时适应。
在DE 10 2005 042 488 A1 中说明了一种使内燃发动机运行的方法，在发动机的废气通道里同样也布置了一个SCR-催化器，这催化器加上药剂或者说药剂-前身，这种药剂/药剂-前身有助于在SCR-催化器里的NOx-转化。对于SCR-催化器后面下游所出现的NOx-加载的大小进行计算。在SCR-催化器后面下游布置的一种NOx-传感器提供一个传感器信号，这信号至少对应于NOx-加载，并且由于NOx-传感器的横向敏感度而相当于药剂漏出。规定药剂计量率的一个药剂信号，取决于分别在SCR-催化器下游的NOx-加载计算值和测量值之间的差值，并且取决于SCR-催化器的温度数值，用一个校正信号加以影响。
DE 10 2008 040 377 A1说明了一种使药剂或者说药剂-前身计量进入内燃发动机的废气通道里的方法，这种方法对于在一个SCR-催化器里进行NOx的催化转化是必要的。分别求出在SCR-催化器下游，在计算的和测量的NOx-加载之间的差值，并将这差值与一个差值阈值进行比较。如果超出差值阈值，那么使计量率降低到一个降低的计量率，这个计量率大于零。所述方法的特征在于，在一个等候时间之后，对于分别在SCR-催化器后的下游，计算的与测量的NOx-加载进行对比，并且如果测量的NOx-加载超过计算的NOx-加载，那就提高计量率，而并且如果测量的NOx-加载低于计算的NOx-加载，那就降低计量率。
要是由于不同的情况然而出现NH3的过度计量，那么这些方法还从一种计量不足出发，这是因为NH3-横向敏感的NOx-传感器在存在有NH3-漏出时，将排入废气里的氨解释为NOx。为了限制这种误判的计量不足，提高还原剂-调节值，直至达到一个最大的调节估计。在达到这个估计之后，必须要重新使调节值起始化。在达到调节估计前的阶段中，因而可能不受欢迎地释放许多氨。与计量过度时调节值的重新起始化替换地，也可以应用一种适配器来接收调节器。在这适配时降低在合理可信化期间的NH3-加载状态，以便使对于氨横向敏感的NOx-传感器信号在SCR-催化器之后都只是归结于NOx。加载状态的降低当然可能导致SCR-催化器短时间的转化恶化。
因此本发明的任务通过使用一种释放的逻辑，来锁闭，并因此阻碍在NH3-风险增高阶段时的调节，从而达到最大的调节估计。
发明内容
这任务按照发明通过一种用于在一种SCR-催化器系统里，尤其是在汽车的SCR-催化器系统里，调节还原剂计量量的方法来解决，这方法包括以下步骤：
--计算SCR-催化器的最大NH3-加载mNH3LdMax;
--通过将计量输入的氨的量mNH3ln乘以一个系数F，和/或加上一个偏置O，以及减去SCR-催化器的氨的消耗mNH3 Verb,计算SCR-催化器的一个NH3-极限加载mNH3LdActMax;
--给SCR-系统的控制单元输出指示：氨排出至废气里的危险增高，直到满足条件：mNH3LdActMax≥mNH3LdMax为止。
本发明利用了SCR-催化器的物理性能，就是在达到某一个SCR-温度T时，催化器的NH3-加载状态不会高于最大的NH3-加载状态。如果SCR-催化器在随后的运行中又冷却，那么通过较高的NH3-存储能力即使在超计量时，也可以又低于最大的NH3-加载状态的特性曲线。NH3-漏出的风险则小或者说不再存在。
为了计算氨排出至废气里的危险提高的阶段，使SCR达到平衡，并将计量的NH3-量mNH3ln与耗用的NH3-量mNH3Verb进行对比。为了求出NH3-加载状态的“最坏情况”状态模拟一种过度计量。NH3-加载状态的这种“最坏情况”状态称之为NH3-极限加载mNH3LdActMax。这就是说，计量的NH3-量mNH3ln（计量一般作为HWL-溶液）通过校正值（偏移O和/或系数F）而放大。耗用的NH3-量对应于一个SCR-催化器模型。当应用偏移O和系数F时，按下式：
mNH3LdActMax=mNH3ln×F+O-mNH3Verb
如果只是应用一个偏移，那么：
mNH3LdActMax=mNH3ln+O-mNH3Verb
如果应用一个系数F，那么：
mNH3LdActMax=mNH3ln×F-mNH3Verb
在实施之后，校正值在最简单的情况下可以由一个应用值组成。校正值也可以备选地由SCR-系统的以前的调节-或者说适配性能和已经达到的NOx-转化的一种组合，从NOx-传感器和SCR-模型之间的比较而推导出。
优选在指示出氨排出至废气里的危险提高时，阻止还原剂计量量的调节。
此外优选：在指示出氨排出至废气里的危险提高时，通过从氨的极限加载mNH3LdActMax减去最大的NH3-加载mNH3LdMax，求出排出的氨的量mNH3Outl。SCR-催化器的温度T是用于求出最大氨加载mNH3LdMax的决定性的值，然而除此之外还少量地存在一种与室速度、NO/NO2之比和通过SCR-催化器的NOx-通过能力。
此外在指示出氨排出至废气里的危险提高时，计算排出的氨的量mNH3Outll，其方法是：
--用一个接于SCR-催化器后面的NOx-传感器，求出在离开SCR-催化器的废气里，由NOx份额和NH3-份额组成的和NOxOutSen；
--从这和NOxOutSen里，减去借助于一种SCR-模型计算出的，期待的在废气里的NOx份额NOxOutMod；
--将减法的结果在考虑到废气质量流量和摩尔质量比的情况下，转化成一个氨质量流量；和
--通过对氨质量流的积分，计算排出的氨的量mNH3Outll。
当应用SCR-催化器的一种附加的氨传感器时，可以在指示出氨排出至废气里的危险提高时，也计算排出的氨的量mNH3Outll，其方法是：
--用一个接于SCR-催化器后面的NH3-传感器，求出在离开SCR-催化器的废气里NH3的份额NH3Out；
--将废气里NH3的份额，在考虑到废气质量流量和摩尔质量比的情况下，转化成一个氨质量流量；和
--通过对氨质量流量的积分，计算排出的氨的量mNH3Outll。
在值mNH3Outl和mNH3Outll协调一致时，或者在值mNH3Outl和mNH3Outll之间存在有相关时，优选提示出：在SCR-系统的一个干扰单元上存在有还原剂的过度计量。
为了在考虑到废气质量流量和摩尔质量比的情况下，将废气里NH3份额（ppm）转化成一个氨质量流量（mg/s），将废气里NH3份额乘以氨的摩尔质量（17g/mol）,并除以所有废气组分的平均摩尔质量。对于所有废气组分的平均摩尔质量来说这里假定一个值29g/mol。将这结果乘以系数0.00027778（mgs-1）/ppm。
如果要借助于一种NH3-横向敏感的NOx-传感器的结果求出mNH3Outll，那么：
mNH3Outll=（NOxOutSen-NOxOutMod）×17mg/mol/29mg/mol×0.00027778（mg/s）/ppm
相反如果要在SCR-催化器之后应用一个附加的氨传感器时，求出mNH3Outll，那么：
mNH3Outll=NH3Out×17mg/mol/29mg/mol×0.00027778（mg/s）/ppm
在指示出存在有还原剂过度计量时，例如可以采取至少一种措施，这种措施由以下的措施组里选择：提高估计的SCR-催化器的NH3-加载；降低适配系数和活化事件计数器。
发明还包括一种计算机程序，它实施所述方法的所有步骤，如果它在一个计算设备或者一个控制仪上运行的话。这种计算机程序是以带有程序码的计算机程序产品出现的，它存储在一种机器可阅读的载体上，用于实施所述的方法，如果程序在在一个计算设备或者一个控制仪上执行的话，例如在SCR-催化器的一个控制仪上。用一种这样的计算机程序可以很有利地调节在一个SCR-催化器系统里还原剂的计量量。计算机程序的特别优点在于：按照发明的方法可以毫无困难地使用于已有的SCR-催化器系统，而不必在SCR-催化器系统里装入其它的部件。只是需要通过存储在计算机程序产品上的计算机程序的执行，使软件匹配于SCR-催化器系统的控制仪。
本发明最后还包括有一个SCR-催化器系统，它包含有一个控制仪，实施按照发明的方法中所有步骤的计算机程序在其上面运行。
以下的实施例与图1至3相结合表示了发明的其它优点和特征，而并不因此限制按照发明的方法。各自的特征可以分别单独地或者相互组合地实现。
附图说明
图1表示了在温度T变化时，SCR-催化器的名义氨加载mNH3LdNom和最大氨加载mNH3LdMax的变化。
图2表示了：在一个SCR-催化器的温度T变化时，随着时间t的推移，名义氨加载mNH3LdNom、最大氨加载mNH3LdMax和氨的极限加载mNH3LdActMax如何变化，和由此得出氨排出至废气里的何种定性的风险rNH3。
图3表示了值mNH3Outl和mNH3Outll的计算。
具体实施方式
图1表示了横坐标为SCR-催化器温度T的，SCR-催化器最大可能的NH3加载mNH3LdMax。随着温度的升高SCR-催化器可以存入较少的NH3-量。在正常行驶时持续交替的是：具有高的和低的SCR-催化器温度T的阶段。当SCR-温度T升高时，尤其是在一种过计量的系统中，可以快速达到NH3-存储能力极限mNH3LdMax。氨在SCR-催化器之后排出至废气里的风险很高。因此调节，尤其是在过计量时，在按照现有技术的SCR-催化器系统里在这个阶段里可能变得有问题，因为还原剂计量的调整量可能到错误的方向上。因此可以见到：在一种氨加载1时，此加载在给定的温度下对应于最大可能的氨加载mNH3LdMax，就存在有NH3-排出的高风险，如果温度T升高的话，从而达到最大的氨加载状态2。温度的降低又导致按照加载状态3的NH3-排出风险的减少。
图2详细表示了按照发明的释放条件的作用原理。开始表示了在低的SCR-催化器温度T时的一个稳定运行点。NH3-极限加载mNH3LdActMax的当前值慢慢地升高，因为所假定的在SCR-催化器里的NH3-计量量mNH3ln大于由SCR-催化器模型得出的，假定的瞬时消耗mNH3Verb。NH3-加载状态在名义值mNH3LdNom和物理最大值mNH3LdMax之间移动。
如果人们等待足够长，或者SCR-催化器发热，那么NH3-极限加载mNH3LdActMax就达到物理最大值mNH3LdMax。从这个时刻起氨在SCR-催化器之后排出至废气里的风险rNH3是高的，并且还原剂计量量的调节被阻止。这种状态一直持续，直到SCR-催化器温度T又减小。在冷却SCR-催化器之后，最大的氨加载状态mNH3LdMax升高比NH3-极限加载mNH3LdActMax更快，从而使氨转出的风险rNH3减小，并且使调节器又可以被释放。通过滞后阈值可以很好地应用这功能。在达到物理最大值mNH3LdMax之前，氨排出至废气里的风险是小的，而且风险又变小，如果又低于滞后阈值的话。所述释放条件可以简单地应用，调节器的坚固性大大提高。通常，假定的过度计量越大，没有氨转出风险的阶段变得越小，但是调节越是可靠。
有氨转出风险的阶段可以附带地应用于NH3-平衡，以便因此证实一种可能存在的过度计量，并且实施与之对应的措施。在图3中表示了在SCR-催化器发热时NH3-平衡的作用原理。如果NH3-极限加载mNH3LdActMax达到物理最大值mNH3LdMax，那么SCR-催化器的实际NH3-存储能力小于处于SCR-催化器里的氨的量。这个差值mNH3Outl作为氨从SCR-催化器里送出。
NH3-平衡的第二部分通过在SCR-催化器之后的NOx-传感器信号求出。由于NOx-传感器对于氨的横向敏感性，在SCR-催化器之后测量由NOx和氨组成的和NOxOutSen（ppm）的信号，这信号低于NOx-份额NOx-Roh，后者有被输入SCR-催化器的废气。NOx-份额NOx-Roh基本相当于从产生废气的内燃发动机来的NOx-原始排放，因为布置在SCR-催化器之前的催化器（例如一种氧化催化器）一般只是微小地减小废气中的NOx-份额。为了确定氨的份额，从和的信号里根据催化器模型，去除在SCR-催化器之后的所期待的NOx-信号值NOxOutMod。然后留下一个估计的氨份额（ppm），这份额可以借助于废气质量流量和摩尔质量比，用一种氨质量流量（mg/s）来转化。这种估计的氨质量流量现在在具有氨风险的阶段里进行积分，以便得到质量mNH3Outll，作为减法（dm）NOxOutSen-(dm) NOxOutMod的结果。在SCR-催化器后面应用一种附加的氨传感器时，相应地简化了计算，并使估计更加准确。
如果NOx-质量mNH3Outl和mNH3Outll的数值相互很好地对应一致，或者在数值之间的相关很好，那么这对于存在有事实上的过度计量是一个标记。如果已经了解到过度计量，那么可以实施通常的措施，如提高估计的NH3-装入量和或者说或者降低适配系数以及使事件计数器器活化。
按照本发明的方法的优点在于：可以在一个SCR-催化器系统里实现对还原剂的计量量的调节，而不必为此干预喷油过程。而只需通过一种计算机程序的运行，例如在一个控制仪里进行喷油系统软件的匹配。发明可以使用于内燃发动机、柴油-以及汽油发动机的废气后处理系统中。

Claims (10)

1.在SCR-催化器系统里，尤其是在汽车的SCR-催化器系统里调节还原剂计量量的方法，包括以下步骤：
--计算SCR-催化器的最大NH3-加载mNH3LdMax;
--通过将计量输入的氨的量mNH3ln乘以系数F和/或加上一个偏置O，以及减去SCR-催化器的氨的消耗mNH3 Verb,计算SCR-催化器的NH3-极限加载mNH3LdActMax;
--给SCR-系统的控制单元指示出：氨排出至废气里的危险增高，直到满足条件：mNH3LdActMax≥mNH3LdMax为止。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在指示出氨排出至废气里的危险提高时，阻止还原剂计量量的调节。
3.按权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，在指示出氨排出至废气里的危险提高时，通过从氨的极限加载mNH3LdActMax减去最大的NH3-加载mNH3LdMax，求出排出的氨的量mNH3Outl。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，最大的NH3-加载mNH3LdMax由SCR-催化器的温度T、室速度、废气的NO/NO2之比和SCR-催化器的NOx-通过能力计算得出。
5.按权利要求3或者4所述的方法，其特征在于，在指示出氨排出至废气里的危险提高时，计算排出的氨的量mNH3Outll，其方式是：
--用接于SCR-催化器后面的NOx-传感器，求出在离开SCR-催化器的废气里的由NOx份额和NH3-份额组成的和NOxOutSen；
--从这和NOxOutSen里，减去借助于SCR-模型计算出的，期待的在废气里的NOx份额mNOxOutMod；
--将减法的结果在考虑到废气质量流量和摩尔质量比的情况下，转化成氨质量流量；和
--通过对氨质量流的积分，计算排出的氨的量mNH3Outll。
6.按权利要求3或者4所述的方法，其特征在于，在指示出氨排出至废气里的危险提高时，计算排出的氨的量mNH3Outll，其方式是：
--用接于SCR-催化器后面的NH3-传感器求出在离开SCR-催化器的废气里NH3的份额NH3Out；
--将废气里NH3的份额，在考虑到废气质量流量和摩尔质量比的情况下，转化成氨质量流量；和
--通过对氨质量流量的积分，计算排出的氨的量mNH3Outll。
7.按权利要求5或者6所述的方法，其特征在于，在值mNH3Outl和mNH3Outll协调一致时，或者在值mNH3Outl和mNH3Outll之间存在相关时，SCR-系统的向控制单元提示出：存在有还原剂的过度计量。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，在指示出存在有还原剂过度计量时，采取至少一种措施，这种措施由以下的措施组里选择：提高估计的SCR-催化器的NH3-加载、降低适配系数和使事件计数器活化。
9.带有程序码的计算机程序产品，它存储在一种机器可阅读的载体上，用于实施按照权利要求1至8中之一所述的方法，如果程序在在计算设备或者控制仪上执行的话。
10.SCR-催化器系统，它包含有控制仪，实施按照权利要求1至8中之一所述方法中所有步骤的计算机程序在其上面运行。
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