CN103282627B - 具有排气后处理的内燃发动机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种操作内燃发动机的方法，该发动机包括具有DOC和DPF以及位于其下游的SCR催化剂的排气系统。ECU构造成允许在普通模式和加热模式中的至少一者中进行操作。基于热模型定期确定所述第二排气后处理器件的预测温度演变，所述热模型将排气系统的热惯性纳入考量，并且作为输入具有DOC/DPF和SCR的当前温度。SCR的预测温度演变表明了在操作模式的情况下SCR能够在模拟时间段内达到的温度。根据所述预测温度演变来改变发动机操作模式。

Description

具有排气后处理的内燃发动机及其操作方法

技术领域

本发明主要涉及配备有排气后处理装置的内燃发动机。本发明更具体地涉及对配备有氧化催化剂和NOx处理装置（比如SCR催化剂）的发动机的控制。

背景技术

当前的排放控制规程使得有必要使用排气后处理系统，以降低燃烧副产物和/或不完全燃烧的产物的浓度。

火花点火(即，汽油)发动机传统上使用三元催化转化器来满足排放规程。然而，压缩点火(即，柴油)发动机通常配备有二元催化转化器(也称为柴油氧化催化剂——DOC)，其可能不能有效地还原氧化氮(NOx)。因此，柴油发动机可以包括基于还原剂的选择性催化还原(SCR)装置，以寻求NOx的还原，NOx通常是排气中最丰富和污染的组分。另外，柴油发动机还可以包括用于颗粒物控制的柴油颗粒过滤器(DPF)。

基于尿素的SCR催化剂使用气态氨作为活性NOx还原剂。通常，尿素的水溶液(也称为碳酰二胺((NH₂)₂CO))被携带在车辆上，并且使用注射系统将它供给到进入SCR催化剂的排气流中，在SCR催化剂中，它分解成气态氨(NH₃)并被存储于催化剂中。被包含于进入催化剂的发动机排气中的NOx于是与所存储的氨反应，生成氮气和水。值得指出的是，为了获得实现排放限制所需的转化效率，SCR催化剂必须至少处于被称作起燃温度的预定温度。

在发动机的排气系统中，SCR催化剂通常放置在其它排气后处理器件（即催化转化器和可能的颗粒过滤器）的下游。

这种连续地安装排气后处理装置的排气管线中的挑战之一是其温度管理。在排气管线串联地包括氧化催化剂、颗粒过滤器和SCR催化剂的以上情况下，催化元素应该尽早达到它们相应的起燃温度。

但是SCR催化剂通常是排气管线中最后的处理部件，并且离发动机排气阀最远。另外，排气管线中的每个部件都具有热惯性，由此使得定位成远离发动机的部件的温度上升与发动机附近的那些部件相比是延迟的。排气管自身中的热损失也应被纳入考量。图1示出了柴油发动机中对于柴油氧化催化剂(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)和SCR催化剂中的每一个的典型温度轨迹。

如能够看出的，SCR催化剂的温度高度依赖于排气管线中其它部件的热行为。为了尽快地加热催化剂，通常通过作用于发动机控制参数来加热发动机放出气体的温度或者通过向排气管线中注入燃料(该燃料在DOC中烧掉)，来在加热模式中操作发动机。这种加热策略例如在US2009/0217645中有描述。

可以从发动机启动时触发加热模式。通常，于是通过监视SCR催化剂的当前温度来实施温度管理；一旦达到了催化剂中的目标温度(例如起燃温度)就停止加热模式。

不幸地，在这种控制条件下，DOC变得非常热，同时SCR由于排气管线中的部件的热惯性而仍然比较冷。如同样可以从图1中明白的，当在SCR催化剂中测得的例如250℃的起燃温度停止加热模式时，系统中的热惯性导致SCR温度过冲到300℃以上。这种高温不是NOx转化所必需的，因此反映了用于加热排气管线的燃料浪费。

本发明的目的

因此，有必要改进包括具有比如SCR催化剂等排气后处理装置的排气系统的内燃发动机的操作方法。

发明内容

本发明涉及用于操作包括排气系统的内燃发动机的方法。

排气系统包括第一排气后处理器件和位于其下游的第二排气后处理器件；并且发动机包括ECU，所述ECU构造成允许发动机在普通模式和加热模式中的至少一者中操作。

如本领域的技术人员应该明白的，普通模式和加热模式从对发动机燃烧的给定控制得到，以在排气系统中实现一定的效果。普通模式可以例如对应于设计成使排放和燃料消耗最优化的发动机设置。加热模式的目的是提高排气系统中的温度，从而提高排气后处理器件的温度，即用以进行排气管线的“温度管理”。当这些发动机燃烧模式(普通/加热)相对于第二排气后处理器件以协调方式受到控制时，它们可以被说成与之相关联。在加热模式中，可以采取任何适当的措施，其导致到达第二排气后处理器件的排气的温度上升(与普通模式相比)，即通过作用于发动机设置/控制参数来加热发动机放出气体的温度，或者通过向排气管线中注入燃料(该燃料在DOC中烧掉)。

根据本发明，基于热模型定期确定第二排气后处理器件的预测温度演变，所述热模型将排气系统的热惯性纳入考量，并且作为输入具有第一和第二排气后处理器件的当前温度。第二排气后处理器件的预测温度演变表明了在操作模式被改变的情况下第二排气后处理器件将在当前时间的前方的模拟时间段内达到的温度。该模拟时间段开始于当前时间，并且具有预定的模拟持续时间，优选地远大于进行模拟所需的时间。于是可以根据预测温度演变来改变操作模式(加热或者普通)。

本发明的方法因此将排气管线中的处理元件的热惯性和当前条件纳入考量，以预测将来的温度。然而，预测温度的这种模拟是在操作模式发生改变的假设上实施的。例如，如果发动机在加热模式中操作以提高第二排气后处理器件的温度，则热模型在假设加热模式被停止并且发动机在普通模式中操作的情况下确定预测温度演变。通过该方法，因此有可能尽快地停止消耗燃料的加热模式，并且同时保证第二后处理器件将在所需温度操作。

这样一来，可以将所获得的预测温度(即预测温度演变内的温度)与上限温度阈值进行比较，并且可以在判定预测温度已达到或者超过这种上限温度阈值时停止加热模式。

相似地，本方法可以用于确定普通模式中的操作应该在何时切换至“加热”模式以避免温度下降到预定温度以下。再次，这可以通过将所获得的预测温度与下限温度阈值进行比较来实施，并且可以在判定预测温度已达到或者低于这种下限温度阈值时，将发动机操作从普通切换至加热模式。

这种上限阈值温度和下限阈值温度可以通过校准(calibration)来确定。它们的选择暗示着在燃料消耗与转化效率之间的折衷，但是阈值应该优选确保足够的整体NOx转化效率；实际上这些阈值可以是不同的，但是比较接近起燃温度。如将明白的，这些上限和下限阈值允许理解SCR催化剂的加热速度行为。

优选地，热模型使用与每个操作模式相关联的、排气管线的相应的预定稳态温度。该稳态温度可以代表排气管线的一个部件的稳态温度，优选为第二排气后处理器件。该输入是在第二排气后处理器件的长期温度上的假设，并且是用于计算的一个限制条件。为了快速且容易的实施，一阶滞后过滤器模型(first-orderlagfiltermodels)是优选的。

本方法证明了对于发动机的排气系统的温度管理的特别兴趣，所述发动机的排气系统包括作为第一排气后处理器件的氧化催化剂和/或颗粒过滤器以及位于其下游的作为第二排气后处理器件的SCR催化剂。

这些以及其它优选实施例在文中列举。

根据另一方面，本发明还涉及包括具有排气后处理器件的排气系统的内燃发动机。该内燃发动机的优选变型在文中列举。

仍需指出的是，虽然本发明是以使发动机排气系统中的SCR催化剂的热控制最优化为目的而已开发出的，但是本发明可以应用于在排气管线中位于下游并受到排气系统的热惯性和在其上游产生的热量影响的其它类型的排气后处理装置的热控制。

如本领域的技术人员还将清楚的，本方法可以对于第二排气后处理器件来说以多于两种的操作模式来实施，例如可以存在一种普通模式和两种加热模式，这两种加热模式对应于不同的加热策略(例如起燃加热模式和运行加热模式)。

附图说明

现在将参考附图通过示例方式来描述本发明，附图中：

图1是示出了在FTP75(或者EPAIII)排放周期中用于SCR系统的常规机械化的温度曲线(对时间)的图；

图2是在本方法的优选实施例中使用的热模型的框图；

图3是组合图，示出了从加热模式开始时的依据本方法的温度模拟原理；

图4是组合图，示出了从普通模式开始时的依据本方法的温度模拟原理；

图5是组合图，示出了依据本方法的优选实施例的当前和预测温度。

具体实施方式

如以上参见图1所说明的，对SCR催化剂加热模式的简单的基于温度的控制(其中当测量到SCR催化剂已达到其起燃温度时停止加热)不是最佳的，因为它通常导致温度过冲。该效果由于排气管线中的部件的热惯性而暗示着过多的燃料消耗，同时SCR催化剂的较高温度就NOx转化而言甚至是无用的。

本发明提供对排气后处理器件的最佳化的热控制，所述排气后处理器件比如为发动机排气管线中的SCR催化剂，其中SCR位于第一排气后处理器件的下游。

现在将相对于如应用于柴油内燃发动机的图2-5来描述本方法的优选实施例，所述柴油内燃发动机包括排气管线，所述排气管线具有：第一排气后处理器件，其包括与柴油颗粒过滤器(DPF)邻接的柴油氧化催化剂(DOC)；和进一步处于下游的第二排气后处理器件，其呈SCR催化剂的形式。

在这种排气管线中，SCR催化剂的温度高度依赖于排气管线中其它部件的热行为。由于重要的热惯性，热量通过排气流从DOC逐渐转移至SCR催化剂。

如以上已经描述过的，仅基于监视SCR催化剂的当前温度的控制会由于部件的热惯性而导致温度的过冲。事实上，在SCR加热模式中，在SCR实际上达到起燃温度(由图1中的T_LO表示)前，DOC和DPF已达到高温(从而蓄积热量)。延迟的热转移于是在SCR催化剂中引起温度过冲。

本发明人因此已观察到由于位于SCR催化剂上游的部件的这种热惯性，使得有可能在即使SCR仍是冷的某一时刻停止加热模式，前提是上游部件中蓄积的热量足以将SCR催化剂加热至其所需的操作温度(例如起燃)。

因此，本方法使用数学热模型通过在一定的时间点(优选接近模拟的结束时)停止加热模式来确定所产生并蓄积在排气管线中的热量是否足以达到SCR催化剂的所需操作温度。为此目的，发动机控制单元(ECU)包括所谓的“实时预测器”，该实时预测器设计成在加热模式被停止的情况下(或更一般地说在操作模式发生改变的情况下)推测SCR催化剂中在当前时间前方的预定长度的一段时间(称为模拟时间段)内的温度值。所得温度值于是可以用于SCR催化剂的热控制方案。实际上，SCR催化剂在今后一段时间内可能达到的温度的极值在该变型中是特别令人感兴趣的，如将在下面进一步说明的那样。

描述排气管线的热行为的适当模型的类型可以从下面的数学途径得到理解。

实际上，对于每个部件来说(即对于DOC、DPF和SCR来说)，都存在能量平衡方程，其可以表示为：

其中：

是排气流的质量流量；

cp_气是排气的比热；

T_出和T_入分别是部件的出口温度和入口温度；

m_壁是部件的壁的质量，cp_壁是其比热，而T_壁是其温度。

该方程式可以被解出来提供出口温度T_出，假定T_出=T_壁(完美的气-壁交换)。

这得到带有时间常数的T_入的一阶过滤器，其是排气流的函数：

其可以进一步表示为

，

其中τ代表热惯性时间常数。

理论上，最大预测SCR温度于是可以从数学上解出，但是这将导致具有3级微分方程的非常复杂的形式。

因此，所提出的方案是基于排气管线中的部件的当前温度(即模拟开始时的温度)，即DOC、DPF和SCR中每一个的当前/实际温度，来对SCR催化剂的温度建模。

另外，为了能够对于每个部件容易地使用一阶过滤器模型，向热模型的另一输入参数优选是预定温度，该预定温度通过假设被选择为用于SCR的稳态温度(以下注为T_SCR将来)，并与给定发动机操作模式(加热或者普通)相关联。该温度T_SCR将来是假设的温度，其是SCR催化剂在规则的、稳态的(或者长期)驾驶条件下将在“普通”或者“加热”模式中达到的温度。虽然叫做“假设的”，但是这种温度可以通过校准来确定；只是从驾驶条件最终可能导致不同值这个意义上来说是假设的。

因此，本发明人已找到了一种方法来通过与长期温度假设(T_SCR将来)一起使用一阶滞后过滤器模型来避免复杂的消耗资源的计算，这使得本实时预测器在工业规模上的使用成为可能(即使用常规的发动机计算资源)。该途径的原因是：因为永远不可能知道发动机在将来的行为(例如由于突然的驾驶员加速)，所以优选的是保持模型尽可能简单，这可以借助于长期SCR温度以及一阶滞后过滤器并对于有效的实施方式使用真实的主惯性时间常数来实现。

如以上提及的，长期温度值(T_SCR将来)可以通过校准来确定，例如通过使用FTP排放周期或者任何其它预定周期的平均稳态条件。替代地，可以从过去的平均驾驶条件来确定长期温度值，所述过去的平均驾驶条件因此将驾驶员的实际驾驶行为纳入考量。本领域的技术人员可以进一步设计确定适当的长期温度值的其它方法，所述适当的长期温度值在将来的稳态SCR温度上提供假设。

现在转到图2，方框10包含：

-用于DOC的一阶滞后过滤器模型，由12表示；

-用于DOC的一阶滞后过滤器模型，由14表示；

-用于SCR的一阶滞后过滤器模型，由16表示；

-和处于DPF与DOF之间用于排气管的简化热损失模型，由损失表示。

如所说明的，热模型10具有四个输入：每个部件的当前温度T_DOC反馈、T_DPF反馈和T_SCR反馈。这些温度可以通过常规方法来测量或者推测。模型所需的第四信号是SCR的长期温度，即T_SCR将来。如以上指出的，该温度取决于SCR催化剂的操作模式。例如，它可以在加热模式中是280℃，或者在普通模式中是220℃。

然而，虽然T_SCR将来是与操作模式(方框18)相关联的预定温度，但是方框10中的热模型以温度T_DOC将来开始。这样，由于DOC和DPF可以被认为处于相同温度，所以T_DOC将来可以被认为等于T_SCR将来加排气管中的热损失（Losses）(图2中“损失”)。

如最终模型16所计算出的所得温度被标注为T_SCR预测。

对于每个模拟阶段，每个子模型于是可以以被建模部件的测量温度来初始化，确保每个部件的存储能量被考虑到。这是有利的，因为DOC和/或DPF能够经由一氧化碳和碳氢化合物的催化燃烧内在地发热。

最后，监控器(方框20)实现调度功能，该功能取决于当前操作模式控制热模型10并开始模拟。在优选短短的一段时间(数秒)内实施模拟，以确定温度在一段预定时间段中的可能演变，这段预定时间段发生在模拟的起点以后，并在比较长的模拟时间段(例如模拟持续时间的50到100倍或更多)内延伸。因此，在模拟时段内，优选计算出多个预测温度，它们指示SCR在将来将采用的推测温度。然而，在一个优选实施例中，如将在以下说明的，只有极值被记住，以用于决策。

例如，可以在2秒内实施模拟，以便模拟出SCR催化剂在后续200秒内的温度演变。选择了被纳入考量来用于模拟的200秒的时间段，是因为对于汽车的标准内燃发动机(3-6缸)来说，该时间段被认为是适当的，已考虑到了热惯性的时间常数。

于是可以通过将预测温度值与阈值进行比较，来在发动机ECU中进行SCR催化剂的热控制，以确定是否从一个操作模式切换至另一操作模式(从加热至普通或者反之亦然)。

图3是原理图，示出了依据本方法的模拟和决策。在相对时间t=0(也表示为“现在”)的左侧，当前操作模式是“加热”。在t=0时，依据图2的热模型开始模拟，该热模型模拟SCR催化剂在“模拟时间段”(这里例如为200秒)这一预定长度的时间段之内的温度。

仍然在图3中，短划线表示所谓的“最大”决定阈值(T_最大阈值)，该阈值用于确定是否可以结束加热模式，同时确保SCR将随后在所需温度范围中操作。在t=现在处，温度对应于每个部件(DOC、DPF和SCR)的当前的真实温度。在t=现在线的右侧，所有温度都是模拟的，假设发动机操作模式从“加热”切换到了“普通”，并且假定SCR将达到稳态温度T_SCR将来1(与普通模式相关联的长期温度)。

如能够看出的，该模拟显示了T_SCR将达到T_最大阈值。因此，发动机操作模式可以从该时刻起切换至普通。

现在将相对于图4说明相反的情形。在t=0(现在)时，发动机在当前以普通模式操作，并且当前温度是垂线上的点所表示的那些温度。在垂线t=现在的右侧，对于将来(模拟时间段)示出了模拟温度，假设的是切换至了“加热”模式并且长期温度T_SCR将来2。如能够看出的，如果在t=现在处进入加热模式，则SCR温度将持续下降至最小值，并朝稳态温度平整化。检测预测温度的最小值允许确定何时从普通切换至加热。对最小阈值的恰当选择将避免SCR催化剂的明显温度下降。在图4中，模拟的SCR温度下降至表示为T_最小阈值的最小阈值高度，以便再次将模式切换至“加热”。

示例：现在将参见图5描述本方法的一实际实施例。在本示例中，操作模式为“加热”，即ECU当前正在采取措施来在排气流中生成更多热量，以加速对SCR的加热。横轴表示当前时间(单位为秒)，而纵轴表示温度。SCR的当前(真实)温度(即在轴线上示出的时刻的)被表示为T_SCR反馈。

每隔两秒，监控器20触发模拟的开始，以确定在模式被切换至普通的情况下在模拟时间段(这里200秒)内的SCR的温度演变。如相对于图2所说明的，该模拟使用DOC、DPF和SCR的当前温度以及长期温度T_SCR将来(分别地T_DOC将来)。

在图5中，灰色窗口表示在t=138秒处开始并在t=140秒处结束的一个样本模拟。然而，在该窗口中画出的SCR的预测温度演变对应于200秒的模拟时间段(tp)。如能够看出的，预测温度在穿过最大值T₂的同时从当前温度(T₁)变化至大约为长期温度(T_SS)。

从该样本模拟，可以看出，在138秒处，考虑到部件的当前温度，如果SCR操作模式从加热切换至普通，作为该模拟步骤的结果(例如在140秒处)，SCR可以在下一个200秒内获得高达T₂的温度，即使SCR的当前温度是T₁也如此。在本示例中，最大SCR温度与当前SCR温度之间的差值高，因为DOC温度实际上也非常高，热能于是将从DOC转移至SCR。

因此，预测温度达到或者超过阈值(这里例如为T₂)这一事实允许确定从加热切换至普通模式，虽然SCR温度在模拟开始时仍是低的。

出于实际原因，在模拟时间范围(tp)内的预测温度的极值被取出，并命名为T_{SCR预测最大值}和T_{SCR预测最小值}。对于138到140秒之间的模拟步骤来说，T_{SCR预测最大值}=T₂，而T_{SCR预测最小值}=T₁。

当在SCR加热模式中操作时，用于从加热切换至普通模式的测试于是可以是T_{SCR预测最大值}是否达到或者超过预定阈值，这将表明考虑到排气管线中的当前温度，如果加热模式被停止，SCR将在未来获得该阈值温度。

最小值T_{SCR预测最小值}在另一情况(如相对于图4所说明的)下是令人感兴趣的，在该另一情况下，ECU在当前未采取任何加热措施来加速对SCR催化剂的加热，因此是在“普通”模式中操作。

在这种情况下，出现了以下问题，即应该何时再次进入“加热”模式，以避免SCR温度下降到对于NOx转化来说有效的温度(例如起燃)以下。关于这一点，本领域的技术人员应该明白的是，由于排气系统的热惯性，开始加热模式并不能阻止SCR催化剂跌到预定温度以下。这里，关键方面是避免SCR温度的过于重要的下降，如果进入加热模式过晚的话就会发生这种情况。

因此，由图2的热模型进行的模拟提供最小温度T_{SCR预测最小值}，该温度对应于将在当前时间前方的由200秒的时间段代表的模拟时间段内、在SCR操作模式在这时切换至“加热”的情况下达到的最小温度。再次，可以将T_{SCR预测最小值}与下限温度阈值进行比较，以便在T_{SCR预测最小值}达到或者低于该阈值时，触发加热模式。

Claims (14)

1.一种操作内燃发动机的方法，所述内燃发动机包括排气系统，所述排气系统具有第一排气后处理器件和位于其下游的第二排气后处理器件，所述发动机包括电子控制单元（ECU），所述电子控制单元构造成允许发动机在普通模式或加热模式中操作，其特征在于包括：

基于热模型确定所述第二排气后处理器件的预测温度演变，所述热模型将所述排气系统的热惯性纳入考量，并且具有所述第一排气后处理器件和第二排气后处理器件的当前温度作为输入，并且其中所述第二排气后处理器件的所述预测温度演变表明了在操作模式发生改变的情况下所述第二排气后处理器件在模拟时间段内能够达到的温度；

根据所述预测温度演变来改变操作模式。

2.如权利要求1所述的方法，其中，当预测温度超过或者低于预定温度阈值时，改变所述操作模式。

3.如权利要求2所述的方法，其中，将所述预测温度演变的极值与相应的预定温度阈值进行比较。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述模型进一步将所述排气系统中的热损失纳入考量。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述热模型使用与每个操作模式相关联的预定长期温度值。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述热模型包括至少一个一阶滞后过滤器模型。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一排气后处理器件包括氧化催化剂和/或颗粒过滤器。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述热模型接收表明选择性催化还原催化剂、氧化催化剂和颗粒过滤器的当前温度的输入信号。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述热模型包括用于所述氧化催化剂的热滞后模型、用于所述颗粒过滤器的热滞后模型、用于所述选择性催化还原催化剂的热滞后模型和管道系统损失模型。

10.一种内燃发动机，所述内燃发动机包括排气系统，所述排气系统具有第一排气后处理器件和位于其下游的第二排气后处理器件，所述内燃发动机包括电子控制单元（ECU），并且所述电子控制单元构造成允许发动机在普通模式或加热模式中操作，其特征在于，

所述电子控制单元构造成基于热模型确定所述第二排气后处理器件的预测温度演变，所述热模型将所述排气系统的热惯性纳入考量，并且具有所述第一排气后处理器件和第二排气后处理器件的当前温度作为输入，并且其中所述第二排气后处理器件的所述预测温度演变表明了在操作模式发生改变的情况下所述第二排气后处理器件在模拟时间段内能够达到的温度；并且构造成根据所述预测温度演变来改变操作模式。

11.如权利要求10所述的内燃发动机，其中，当预测温度达到或者超过预定的上限温度阈值时，所述电子控制单元将操作模式从加热切换至普通。

12.如权利要求10或11所述的内燃发动机，其中，当预测温度达到或者低于下限温度阈值时，所述电子控制单元将操作模式从普通切换至加热。

13.如权利要求10所述的内燃发动机，其中，

所述第一排气后处理器件包括氧化催化剂和/或颗粒过滤器；

所述第二排气后处理器件是选择性催化还原催化剂；

所述热模型包括用于所述氧化催化剂的热滞后模型、用于所述颗粒过滤器的热滞后模型、用于所述选择性催化还原催化剂的热滞后模型和管道系统损失模型；

热模型接收表明所述选择性催化还原催化剂、氧化催化剂和所述颗粒过滤器的当前温度的输入信号。

14.如权利要求13所述的内燃发动机，其中，所述热模型接收与所述第二排气后处理系统的每个操作模式相关联的预定长期温度值作为另一输入。