CN103133108A - 一种用于运行内燃机的排气装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于运行内燃机（12）的排气装置（10）的方法，其中NOx通过SCR催化器（32）还原并且监测有待加入到排气装置（10）中的尿素水溶液（33）的还原能力，并且其中求得至少一个表征水中的氨含量的第一参量（52）并且由此推断出尿素水溶液（33）的陈化。

Description

一种用于运行内燃机的排气装置的方法
技术领域
本发明涉及按权利要求1的前序部分所述的一种方法，以及按并列的权利要求所述的一种计算机程序和一种开环和/或闭环控制装置。
背景技术
市场上已知内燃机，尤其是柴油发动机，它们借助于选择性催化还原（SCR，英语“selective catalytic reduction”）还原内燃机的废气中存在的氧化氮（NOx）。例如借助于氨（NH3）进行还原，所述氨加入废气中，更确切地说是加入SCR催化器中。所述专业领域中已公开的专利文献例如有DE 10 2009 029 107 A1。
发明内容
根据本发明的问题通过按权利要求1所述的一种方法，以及通过按并列的权利要求所述的一种计算机程序和一种开环和/或闭环控制装置解决。有利的进一步说明在从属权利要求中指出。此外对于本发明的重要特征位于后续的说明中和附图中，其中所述特征不仅在单独时而且在不同的组合时均对本发明是重要的，由此不必再次明确指出。
本发明的优点在于，可以求得用于还原内燃机的废气中的氧化氮的尿素水溶液的陈化。尤其尿素水溶液的还原能力可以由表征水中的氨含量的第一参量和表征尿素水溶液的成份的第二参量来求得。在此涉及一种即使不是根本的表征陈化的参量。借助于求得的还原能力尿素水溶液可以最优配量并且基本上不受尿素水溶液的质量和/或陈化影响地化学分解废气中的氧化氮。此外尿素水溶液的配量装置和/或输入装置的构件可以被预先保护不受化学腐蚀。
本发明涉及一种用于运行内燃机的排气装置的方法，其中NOx（氧化氮）通过SCR催化器（“选择性催化还原”）还原并且监测（并且由此求得）加入排气装置中的尿素水溶液的还原能力。所述还原能力表示借助于SCR催化器还原NOx的尿素水溶液的反应性。尿素水溶液在注射到排气装置中以后释放出氨（NH3），氨已知应用于化学还原氧化氮。所述尿素水溶液可能出于不同的原因与指定的特性偏离，由此SCR催化器中的氧化氮的还原会受到影响。这也许会导致所述内燃机和由此使相关的机动车在一定的时间间隔后借助于自动关闭而停止。除了驾驶员有意的操作例如有意的稀释，或者无意的在储备容器中错误加注，尿素水溶液的陈化也会导致降低还原能力。所述陈化描述了尿素水溶液的成份的变化并且会尤其在高温下较快速进行。
根据本发明求得至少一个表征水中的氨含量的第一参量。由求得的第一参量可以推断出尿素水溶液（溶液）的陈化，所述求得的参量也应用于监测还原能力。所述表征水中的氨含量的第一参量为陈化提供了确切的信息。在尿素水溶液的陈化时尿素分解，在此形成氨，氨很好地溶解在周围的水溶液中。溶于水的氨对于NOx还原具有与在尿素中化合的氨类似的还原能力。依赖于储存尿素水溶液的储备容器的特性，一定量的水和一定量的氨都会挥发。在尿素水溶液陈化时，还原能力基本上依赖于水的挥发和溶解了的氨的挥发而变化。各个挥发率可能不同并可能难以估计或求得。借助于根据本发明的方法则不再有问题。
此外，根据本发明的方法能够预先保护用于配量和喷射溶液到废气中的配量系统。氨在水溶液中强碱性反应，随着增加的氨含量（NH3浓度）尿素水溶液对配量系统的构件的影响相应地强烈。例如2％的氨含量可以相当于对构件的可能的损坏的临界阈值。通过求得表征氨含量的第一参量可以警示机动车驾驶员并且采取相应措施。由此来避免损坏或者减小损失。
此外根据本发明的方法规定，求得至少一个表征尿素水溶液的成份的第二参量，并且由第一和第二参量推断出尿素水溶液的还原能力。所述成份基本上是指在溶液中的尿素的浓度，也就是说尿素占总量的份额，以及未知的溶于水的氨的份额。但是这样求得的成份对于整个溶液的还原能力而言是不明确的，因为不能或者不能准确地检测到由于陈化溶于水的氨的份额。因此只求得第二参量仅可针对不陈化的溶液提供足够精确的结果。假如没有通过第一参量提供的额外的信息，在尿素水溶液的剧烈的陈化时，识别到对于NOx还原的目的不足够的质量。因此应求得表征水中的氨含量的第一参量和表征尿素水溶液的成份的第二参量。两个参量一起可以高精确性地推断出尿素水溶液的还原能力，也就是推断出对NOx还原有效的氨量。
一种本发明的方案规定，第一参量是尿素水溶液的导电能力。作为在水中离解的结果产生了在氨（NH3）和在水中形成的NH4＋离子之间的平衡。所述离子具有相对大的运动性并且有助于溶液的相应的传导能力。由求得的传导能力推断出NH4＋离子的份额，由NH4＋离子的份额推断出氨（NH3）的份额，并且由此再推断出尿素水溶液的陈化。导电能力因此特别好地表征了尿素水溶液的陈化。
另一种本发明的方案规定，第二参量是尿素水溶液的浓度和/或折射率和/或声速和/或导热能力和/或介电常数。为了求得可以应用以前已知的方法和元素，由此可以节约成本。
此外根据本发明的方法规定，求得的第一和第二参量借助于至少一个特性曲线族和/或表格和/或数学公式彼此关联，以推断出尿素水溶液的还原能力。一般还原能力“R”可以表示为：
(1)  R=f(c_NH3_尿素＋c_NH3)，其中
c_NH3_尿素＝在尿素中化合的NH3浓度
c_NH3＝溶于水的NH3浓度
没有陈化的影响的还原能力“R_新”可以表示为：
(2)  R_新=f(c_NH3_尿素_新)，其中
c_NH3_尿素_新＝没有陈化的在尿素中化合的NH3浓度
陈化的过程可以表示为：
(3)  c_NH3_尿素＝c_NH3_尿素_新－f1(陈化)，其中
f1=描述在陈化时在尿素中化合的NH3浓度的变化的函数。
(4)  c_NH3＝f2(陈化)，其中
f2=描述由于陈化而溶于水的NH3浓度的函数。
由于未知的依赖于储备容器（“储罐系统”）的挥发，函数f1和f2或者其值，总的来看是不相等的。由此可表示为：
(5)  f1≠-f2，其中“≠”这个符号表示不相等的意思。
基本的质量测量可以表示为：
(6)  Q_测量_基本＝f(c_尿素，c_NH3)，其中
Q_测量_基本相当于溶液的密度或者折射率和由此相当于第二参量；
c_尿素＝溶液的尿素浓度。
等式（6）例如通过尿素水溶液的浓度或者折射率求得并且可以无选择性地描述尿素水溶液的还原能力。此外示范性的上述的“浓度测量”的措施是声速、导热能力或者介电常数。例如尿素水溶液的陈化使参量Q_测量_基本失真。等式（6）本身因此只对无陈化的溶液（c_NH3＝0）足够精确。针对陈化的求得，陈化测量参量A_测量可以表示为：
(7)  A_测量＝f(c_NH3)，其中
A_测量相当于溶液的导电能力和由此的第一参量。
由等式（7）可以选择性地求得尿素水溶液的陈化。针对总共产生的还原能力可以借助于等式（6）和（7）表示为：
(8)  R＝f(Q_测量_基本, A_测量)
因此尿素水溶液的还原能力可以作为根据等式（6）的基本测量参量Q_测量_基本和根据等式（7）的陈化测量参量A_测量的二元函数来表示。
借助于等式列式的关系可以优选在内燃机或者排气装置的开环和/或闭环控制装置中借助于一个或多个特性曲线族、表格和/或数学公式来描述。由此可以特别简单和精确地求得第一和第二参量和由此求得尿素水溶液的状态或还原能力。
所述方法的一种方案规定，补充地利用还原介质的容器的液位和/或容器加注的时刻和/或还原介质的温度，以求得所述还原能力。由此可能提高第一和第二参量的求得的精度或者验证结果的可信性。
当根据尿素水溶液的求得的还原能力确定有待加入到排气装置中的尿素水溶液的量时，本发明是特别有用的。由此即使尿素水溶液已经陈化时，也可以利用相应优化的氨量在SCR催化器中进行氧化氮的还原。在此以这样的方式影响用于配量尿素水溶液的预控制，即通过相应匹配的配量来补偿相应变化的还原能力。这实现了，在相对大的反应区域上利用尿素水溶液，无需更换溶液。由此节省消耗和成本并且使得排气设备的运行更加稳定。
根据本发明的方法可以特别简单和成本有利地借助于计算机程序来实施，该计算机程序例如能够在用于内燃机的开环和/或闭环控制装置上执行。
附图说明
下面借助于附图对本发明的实例的实施方式进行解释。附图示出：
图1是内燃机和排气装置的示意图；并且
图2是求得尿素水溶液的还原能力的流程图。
对所有图中作用相当的元素和参量，即使在不同的实施方式中，都应用相同的附图标记。
具体实施方式
图1在附图的下方区域示出了机动车的排气装置10的示意图。排气装置10的左上方象征性地示出了内燃机12，所述内燃机通过管连接14使废气流入到排气装置10中。开环和/或闭环控制装置16通过输入的和输出的电导线20和22与内燃机12连接以及通过输入的和输出的电导线24和26与排气装置10的构件连接。所述连接在附图中仅示意。此外开环和/或闭环控制装置16包括计算机程序18和一个或多个特性曲线族21。所述计算机程序18可以与所述特性曲线族21进行数据交换。
在排气装置10中废气基本上由左向右输送并处理。在此涉及柴油机动车的排气装置10。所述排气装置10为此沿废气的流向具有柴油氧化催化器28、柴油微粒滤清器30、用于尿素水溶液33的输入装置31和SCR催化器32（SCR即为“选择性催化还原”）。
在柴油氧化催化器28的上游在废气流中布置有λ传感器34。在SCR催化器32的上游和下游在废气流中各布置有一个NOx传感器36。此外在此排气装置10具有四个温度传感器38。温度传感器38、λ传感器34和NOx传感器36与开环和/或闭环控制装置16通过输入的和输出的电导线24和26连接。但这在图1的附图中没有单独示出。
图1的附图的右上方布置有储存容器40，所述储存容器包括尿素水溶液33并且通过液压管道41与输入装置31连接。在储存容器40的左侧示出了测量装置42，所述测量装置42可测得尿素水溶液33的物理参量。所述测量装置42通过电导线44和46与开环和/或闭环控制装置16电连接。温度传感器47测得储存容器40中的尿素水溶液33的温度。
在排气装置10的运行中通过输入装置31将尿素水溶液33配量地喷射到排气装置10中。借助于NOx传感器36以及借助于温度传感器38控制和监测在废气中包含的氧化氮在SCR催化器32中进行的还原。测量装置42连续地或者间或地求得尿素水溶液33的导电能力48和密度50。作为可替代方案，测量装置42也可测得尿素水溶液33的折射率。
求得的导电能力48和求得的密度50或折射率传输给开环和/或闭环控制装置16。计算机程序18由导电能力48求得第一参量52，所述参量表征了尿素水溶液33的水中的氨含量（NH3含量）。此外计算机程序18由密度50求得第二参量54，所述第二参量表征了尿素水溶液33的成份。可以补充地在考虑由温度传感器47提供的尿素水溶液33的温度的情况下求得第一和第二参量52和54。
然后由第一参量52和第二参量54推断出尿素水溶液33的还原能力。为此特性曲线族21一方面包括第一和第二参量52和54之间的函数关系，另一方面包括还原能力的函数关系。所述针对还原能力的函数关系一般来说依赖于相应的浓度。
R=f[f(c_尿素，c_NH3)，f(c_NH3)]，其中
c_尿素＝尿素的浓度；
c_NH3＝溶解于水的NH3浓度。
图2示出了用于运行内燃机12的排气装置10的流程图。尤其是求得还原能力和由此修正的尿素水溶液33的配量。图2所示的流程开始于开始方框58。
在一个方框60中求得尿素水溶液33的导电能力48。在下面的方框62中由导电能力48求得第一参量52，所述第一参量表征了水中的氨含量。
在另一个方框64中求得尿素水溶液33的密度50。在下面的方框66中由密度50求得第二参量54，所述第二参量表征了尿素水溶液33的成份。
在另一个方框68中求得尿素水溶液33的温度。补充地求得储存容器40的液位和/或最后加注的时刻并用于验证后续操作的可信性。所述温度以及第一和第二参量52和54借助于特性曲线族21和在应用数学公式的情况下彼此关联，并且由此求得用于尿素水溶液33的还原能力的尺度。还原能力若小于给定的阈值，则可以补充地在诊断内存中设置误差位和/或在机动车的仪表盘上表示信息。
在另一个方框70中依赖于求得的还原能力的尺度求得尿素水溶液33的配量。所述配量可以在排气装置10的运行中应用于：将尿素水溶液33的相应量借助于输入装置31喷射到排气装置10中。借此按照求得的还原能力可以优化配量，以给SCR催化器32供应既不少也不多的量的氨。在下面的结束方框72中图2所示的流程结束。

Claims (9)

1.一种用于运行内燃机（12）的排气装置（10）的方法，其中NOx通过SCR催化器（32）还原并且监测有待加入到排气装置（10）中的尿素水溶液（33）的还原能力，其特征在于，求得至少一个表征水中的氨含量的第一参量（52）并且在监测尿素水溶液（33）的还原能力时对所述第一参量加以考虑。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，求得至少一个表征尿素水溶液（33）的成份的第二参量（54），并且从第一和第二参量（52,54）推断出尿素水溶液（33）的还原能力。
3.按前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，第一参量（52）是尿素水溶液（33）的导电能力（48）。
4.按前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，第二参量（54）是尿素水溶液（33）的密度（50）和/或折射率和/或声速和/或导热能力和/或介电常数。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，求得的第一和第二参量（52,54）通过至少一个特性曲线族（21）和/或表格和/或数学公式彼此关联，以推断出尿素水溶液（33）的还原能力。
6.按前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，补充地利用还原介质的容器（40）的液位和/或容器（40）加注的时刻和/或还原介质的温度，以求得所述还原能力。
7.按前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，依据尿素水溶液（33）的求得的还原能力求得有待加入到排气装置（10）中的尿素水溶液（33）的量。
8.一种计算机程序（18），其特征在于，所述计算机程序被编写用于实施按前述权利要求中至少一项所述的方法。
9.一种用于内燃机（12）的开环和/或闭环控制装置（16），其特征在于，在所述开环和/或闭环控制装置上可以运行按权利要求8所述的计算机程序（18）。
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