CN103775179A - 估计内燃机的稀NOx捕集器的NOx存储效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种评价内燃机(110)的排放系统(270)中稀NOx装置(281)的NOx存储效率的方法,其中NOx存储效率被计算为稀NOx捕集器温度(20)、稀NOx捕集器相对储存量(21)、权重硫因子(22′、22″、22″′)和空间速度(29)的函数。

Description

估计内燃机的稀NOx捕集器的NOx存储效率的方法
技术领域
本公开涉及一种估计内燃发动机中的稀NOx捕集器装置的NOx存储效率的方法。
背景技术
已知一种柴油发动机的排气后处理系统,其可设置有稀NOx捕集器(LNT)以及其他装置。
稀NOx捕集器设置用于捕集包含在排气中的二氧化氮,且位于排气线路中。
LNT是催化器装置,其包含诸如铑、铂、和钯的催化剂,诸如基于钡的元素的吸收剂,所述吸收剂可提供适用于键联包含在排气中的氮氧化物(NOx)的活性位置,以将它们捕集在装置自身中。
稀NOx捕集器经受周期性再生过程,其中该再生过程通常被提供用于将捕集的氮氧化物(NOx)从LNT脱开和还原。
LNT被周期性地操作,例如通过将发动机从稀燃操作切换至其中过量的燃料可用的操作,其称作富燃或再生阶段。在发动机的再生操作期间,NOx存储在催化表面上。当发动机切换至富燃操作时,存储在吸收剂位置的NOx和排气中的还原剂反映,且被吸收且转换成氮气和氨气,由此再生催化剂的吸收位置。
不幸地是,稀NOx捕集器的NOx存储效率不仅仅取决于催化器技术,但还受不同的参数影响。最重要的参数是催化器温度、排出发动机的NOx浓度和NOx存储能力、硫含量、空间速度和构件的老化状态。没有对NOx存储能力的精确估计时,LNT再生阶段的管理被不利地影响,且将不确保表现为NOx泄露的希望的系统效率。
因此存在对一种方法的需要,其可准确地估计在全部发动机操作状况中且优选地也在装置的寿命周期中LNT中的NOx存储效率。
发明内容
本发明的目标是提供一种估计内燃发动机的排气系统中的稀NOx捕集器装置的NOx存储效率的方法。该方法应将全部状况中的NOx捕集效率建模,该状况为不同的温度处的不同的催化器状态、不同的硫中毒水平、不同的空间速度、存储能力和入口浓度。
另一目标是提供一种允许进行上述方法的装置。
这些目的通过具有独立权利要求中陈述的特征的方法、装置、发动机、计算机程序和计算机程序产品、和电磁信号来实现。
从属权利要求划定优选和/或特别具有优势的方面。
本发明的实施例提供了一种评价内燃机的排气系统中的稀NOx捕集器装置的NOx存储效率的方法,其中NOx存储效率被计算为稀NOx捕集器温度、稀NOx捕集器相对储存量、权重硫因子和空间速度(29)的函数。
由此,公开了一种装置,用于评价机动车系统的内燃机的排气系统中的稀NOx捕集器的NOx存储效率,该装置包括用于将NOx效率计算为稀NOx捕集器温度、稀NOx捕集器相对储存量、权重硫因子和空间速度的函数的设备。
本实施例的优势是其提供一种估计稀NOx捕集器的NOx存储效率的方法,其基于影响存储效率的物理参数,这两者都和催化器(相对存储能力)以及操作状况(LNT温度、硫含量、空间速度)相连接。
根据另一实施例,所述权重硫因子被限定为低硫因子、中硫因子和高硫因子,低硫因子从预定低硫水平处的1线性表现至预定中硫水平处的0,中硫因子从低硫水平处的0线性到达中硫水平处的1且线性地到达预定高硫水平处的0,且高硫因子从中硫水平处的0线性地表现至高硫水平处的1。
本实施例的优势是简化了硫含量的评价,将三种不同的硫水平(低、中和高)计入考量。
根据本实施例的方面,其中对于每个硫水平,所述权重硫因子的和总等于1。
根据另一实施例,参照NOx效率对于所述低硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度和稀NOx捕集器相对储存量以及低参照NOx效率的函数;对于所述中硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度和稀NOx捕集器相对储存量以及中参照NOx效率的函数;对于所述高硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度和稀NOx捕集器相对存储以及高参照NOx效率的函数。
根据此外的另一实施例,上述低硫因子、中硫因子、高硫因子中的每一个被分别乘以上述的低NOx效率、中NOx效率和高NOx效率,且其中上述三个乘积被加和,以由此获得进一步的参照NOx效率。
这些实施例的优势是他们允许通过针对低、中和高硫负载的权重硫因子获取作为当前的硫水平的特性的参照NOx效率。
根据另一实施例,空间速度校正被通过使用针对一个参照空间速度的已知相对NOx效率,且采用下列公式进行:
η u = 1 - [ 1 - τ u τ 0 + τ u τ 0 ( 1 - η 0 ) 1 β ] β
该进一步实施例的优势是该NOx存储效率不仅关于催化剂技术计算,还将排气流量计入了考量。
根据另一实施例,该方法针对新的稀NOx捕集器和老化的稀NOx捕集器重复两次,且还包括通过可校准的老化因子插值新的稀NOx捕集器的参照NOx存储效率和老化的稀NOx捕集器的参照NOx存储效率的步骤。
该实施例的优势是其提供了稀NOx捕集器的NOx存储效率的估计,且将催化器的老化状态进入了考量。
根据此外的其他实施例,提供了一种控制稀NOx捕集器的再生过程的方法,这样的方法包括根据此前的实施例中的一个评价NOx存储效率的方法。
本发明的一个实施例是其提供控制稀NOx捕集器装置的再生过程的方法,其可正确地触发DeNOx事件,考虑到存储在催化器中的NOx的真实的量。
根据其方面中的一个的方法可在计算机程序的帮助下被实施,所述计算机程序包括用于实施所述方法的全部步骤的程序编码,且表现为包括所述计算机程序的计算机程序产品。
所述计算机程序产品可被实现为控制装置,用于内燃机,其包括发动机控制单元(ECU)、和ECU相关的数据载体、以及存储在所述数据载体中的计算机程序,从而控制装置以和方法相同的方式限定描述的实施例。在该情形中,当控制装置执行计算机程序时,上述的方法的全部步骤被执行。
根据另一方面的方法也可被实现为电磁信号,所述信号被调制以承载代表用于实施所述方法的全部步骤的计算机程序的数据位序列。
本公开的又一方面提供了专门用于执行所要求的方法的内燃机。。
附图说明
将通过示例的方式参照附图对各个实施例进行描述,其中
图1示出了机动车系统。
图2是附属于图1中的机动车系统的内燃发动机的部分。
图3示出了根据本发明的后处理系统的示意图。
图4是根据本发明的实施例估计硫因子的方法的流程图。
图5是示出了硫因子的表现的图。
图6是根据本发明的实施例估计空间速度校正量的方法的流程图。
图7是根据估计NOx存储效率的方法的流程图,其还将LNT老化状态计入考量。
图8是示出了在测量的和模拟的NOx存储效率曲线之间的比较的附图。
附图标记
20 块
21 块
22,22′,22″,22″′ 块
23,23′,23″,23″′ 块
24 块
25 块
26 块
27 块
28 块
29 块
30 块
31 块
32 块
33 块
40 数据载体
50–54NOx 效率曲线
100 机动车系统
110 内燃发动机
120 发动机缸体
125 气缸
130 汽缸盖
135 凸轮轴
140 活塞
145 曲轴
150 燃烧室
155 凸轮移相器
160 燃料喷射器
170 燃料轨道
180 燃料泵
190 燃料源
200 进气歧管
205 空气进气管道
210 进气口
215 阀门
220 口
225 排气歧管
230 涡轮增压器
240 压缩机
245 涡轮增压机轴
250 涡轮
260 中冷器
270 排气系统
275 排气管
280 后处理装置
281 稀NOx捕集器(LNT),新的催化器
281 稀NOx捕集器(LNT),老化的催化器
282 柴油颗粒过滤器(DPF)
283 LNT上游NOx传感器
285 LNT温度传感器
290 VGT促动器
300 排气再循环系统
310 EGR冷却器
320 EGR阀
330 节流阀体
340 质量空气流动和温度传感器
350 歧管压力和温度传感器
360 燃烧压力传感器
380 冷却剂温度和水平传感器
385 润滑剂油温度和水平传感器
390 金属温度传感器
400 燃料轨道压力传感器
410 凸轮位置传感器
420 曲轴位置传感器
430 排气压力和温度传感器
440 EGR温度传感器
445 加速器位置传感器
446 加速器踏板
450 ECU
η=NOx存储效率
ζ=LNT温度和相对储存量的函数
τ=空间速度的函数
β=实验性指数
ηu=NOx存储效率
η0=参照空间速度处的NOx存储效率
τu=对应于实际空间速度的驻留时间
τ0=对应于参照空间速度的驻留时间
具体实施方式
一些实施例可包括机动车系统100,如图1和2所示,其包括内燃发动机(ICE)110,该发动机包括限定了至少一个具有联接以旋转曲轴145的活塞的气缸125的发动机缸体120。气缸盖130和活塞140协作以限定燃烧室150。燃料和空气混合物(未示出)被布置在燃烧时150中且点燃,导致热的膨胀的排气,其导致活塞140的往复运动。燃料由至少一个燃料喷射器160提供,而空气通过至少一个进气口210提供。燃料以高压从燃料轨道170提供至燃料喷射器160,燃料轨道170和高压燃料泵180流体连通,该高压燃料泵180增加从燃料源190处接收的燃料的压力。每一个气缸125都包括至少两个阀门215,其由正时地与曲轴145一起旋转的凸轮轴135促动。阀门215选择地允许空气从口210进入燃烧室150,并交替地地允许排气通过口220离开。在一些示例中,凸轮移相器155可选择地变动凸轮轴135和曲轴145之间的正时。
空气可通过进气歧管200配送至空气进气口(一个或多个)210。空气进气管道205可从周围环境提供空气至进气歧管200。在其他实施例中,可提供节流阀体330以调节进入歧管200中的空气流动。在此外的其他实施例中,可提供诸如涡轮增压器230的强制进气系统,其包括旋转地联接至涡轮250的压缩机240。压缩机240的旋转增加了管道205和歧管200中的空气的压力和温度。布置在管道205中的中冷器260可降低空气的温度。涡轮250通过从排气歧管225接收排气而旋转,其将排气从排气口220引导通过一系列叶片,继而通过涡轮250膨胀。排气离开涡轮250并被引导进入排气系统270中。该示例示出了可变形状涡轮(VGT),其具有布置为移动叶片以改变通过涡轮250的排气的流动的VGT促动器290。在其他实施例中,涡轮增压器230可为固定形状的和/或包括废气门。
排放系统270可包括排气管275,其具有一个或多个排气后处理装置280。后处理装置可为配置为改变排气成分的任意装置。后处理装置280的一些示例包括但不限于催化转换器(二元和三元的)、氧化催化器、稀NOx捕集器281、碳氢化合物吸收器、选择催化还原(SCR)系统、颗粒过滤器(DPF)或以上最后两个装置的组合,即,包括颗粒过滤器(SCRF)的选择催化还原系统。其他实施例可包括排气再循环(EGR)系统300,其联接在排气歧管225和进气歧管200之间。EGR系统300可包括EGR冷却器310,以降低EGR系统300中的排气的温度。EGR阀门320调节EGR系统300中的排气的流动。
机动车系统100还可包括电子控制单元(ECU)450,其和一个或多个与ICE110相关且装备有数据载体的装置和/或传感器连通。ECU450可从多个传感器处接收信号,传感器被配置为产生信号,该信号和与ICE110相关的各个物理参数成比例。传感器包括但不限于质量空气流动和温度传感器340、歧管压力和温度传感器350、燃烧压力传感器360、冷却剂和机油温度和水平传感器380、燃料轨道压力传感器400、凸轮位置传感器410、曲轴位置传感器420、排气压力和温度传感器430、EGR温度传感器440、和加速器踏板位置传感器445。此外,ECU可产生至各个控制装置的输出信号,该控制装置被配置为控制ICE110的运行,其包括但不限于,燃料喷射器160、节流阀体330、EGR阀320、VGT促动器290、和凸轮移相器155。注意,虚线用于指示ECU450和各个传感器和装置之间的连通,但一些出于清楚的目的被忽略。
现在转向ECU450,该装置可包括和存储器系统以及接口总线连通的数字中央处理器(CPU)。CPU被配置为执行作为程序存储在存储器系统中的指令,并发送信号至接口总线以及从接口总线接收信号。存储器系统可包括多种存储器类型,包括光存储器、磁存储器、固态存储器、以及其他非易失性存储器。接口总线可被配置为发送、接收、和调制模拟和/或数字信号至/从各个传感器和控制装置。程序可实现此处公开的方法,允许CPU执行该方法步骤并控制ICE110。
转回至排气系统270,本发明在于评价稀NOx捕集器后处理装置281(图3)的NOx存储效率的方法。优势地,后处理系统还可包括颗粒过滤器(DPF)282,以在柴油发动机的情形中捕集排出的颗粒。可提供上游LNT NOx传感器283,还可提供NOx温度传感器285。
优选地,LNT281可布置为尽可能地靠近涡轮增压器230的出口,以利用对其有利的高温状况。
LNT在稀燃操作状况期间以高效率还原排气组分(CO和HC),且存储NOx。在富燃操作状况中,即,LNT再生阶段中,NOx被释放且转换。
恰当地管理再生阶段对于获知LNT NOx存储效率而言是重要的,且该发明涉及一种方法,其估计所述效率。
NOx存储效率测量根据催化剂和气体流动状况的稀NOx捕集器吸收排出发动机的NOx的流经LNT的特定部分的能力。若干参数可影响NOx存储效率。实际上,其和催化器中的硫载荷、LNT温度、LNT老化和NOx严格相关,且也和沿催化器的轴向方向的气体类的速度相关。此外,其可取决于排气管中的NOx的浓度(ppm),且取决于NO2/NOx的比值。在本发明中,上述提及的输入以及NOx存储能力被视作已知的。
第一实验结果已经表明进入的NOx浓度和NO2/NOx比值可被视作是可忽略的。由此,这两个参数已经不再在提出的新的方法中被考虑。如下文中很快将使出的,该方法将会将NOx存储效率作为稀NOx捕集器温度、稀NOx捕集器相对储存量、硫水平和空间速度的函数进行评价。
为了在确定存储效率时将硫含量(参见图4)计入考量,已经将层结构布置在位:使用了3层参照NOx效率23′,23″,23″′,其每一个和特定的硫载荷水平相关(分别是,低、中和高硫载荷)。这三个图是相对储存量21和LNT温度20的函数。在这三个图之间的插值取决于当前的硫载荷水平,且通过三个权重硫因子22′、22″和22″′(分别是,低、中和高硫载荷)。在图5中,所述硫因子的表现示出为:低硫因子22′从低硫水平处的1线性表现至中硫水平处的0;中硫因子22″从低硫水平处的0线性到达中硫水平处的1且线性地到达高硫水平处的0;最后,高硫因子22″′从中硫水平处的0线性地表现至高硫水平处的1。所述权重因子和每一个图的输出相乘26。相乘的输出继而被求和27,以获取作为当前的硫水平的特性的参照NOx效率23。如已经描述的,硫因子表现在0和1之间,且三个因子的和需要为1。
进一步模拟存储效率,分析相对NOx储存量、LNT温度和空间速度的影响。假设在LNT中存储NOx的能力是由于:
-活性和可用的钡位置的量,这取决于温度(其控制钡位置的激活以及NOx-Ba化合物的稳定性,该化合物通过存储现象产生);以及相对NOx储存量(限定为可用的活性位置的数量和全部活性位置的数量之间的比值);
-包含在气体流中的NOx需要和钡位置结合的时间;
由于这两个方面中的一个更和化学/统计相关,而另一个更和物理相关,可通过使用两个函数来完成存储效率的因子化,ζ是LNT温度和相对储存量的函数,且τ是空间速度的函数。如所知的,为了将方法因子化以求解在数字和一串相互相乘的因子之间的等式,得出了数字(或公式)。最佳地符合我们的示例的公式如下:
1-η=(1-ζτ)β
其中:
η=NOx存储效率
ζ=LNT温度和相对储存量的函数
τ=空间速度的函数
β=实验性指数
通过使用该因子化方式,能够将不同空间速度处的全部曲线分组,所述全部曲线具有沿相对储存量在相同的LNT温度处的相同的ζ分布。函数τ可限定为催化器中流的驻留时间,其等于空间速度的倒数。在获知一个参照空间速度的相对NOx效率23之后,可通过下列公式获取由实际空间速度造成的校正24:
η u = 1 - [ 1 - τ u τ 0 + τ u τ 0 ( 1 - η 0 ) 1 β ] β
其中:
ηu=NOx存储效率
η0=参照空间速度处的NOx存储效率
τu=对应于实际空间速度的驻留时间
τ0=对应于参照空间速度的驻留时间
将空间速度校正概括(参见图6)被如下地计算:
-确定28参照空间速度和29实际空间速度;
-计算30驻留时间比值,其是比值τu0
上述方法已经在催化器测试平台上进行了测试。为了排除NOx存储能力的影响,以恒定的容量(100mg)进行了模拟。在针对空间速度25k 1/h和100k 1/h的测得曲线50、51和模拟的曲线52、53之间的比较(从参照速度空间速度50k l/h 54起)已经被关于效率分布进行了评价(图8),且看上去非常符合。
已经对硫含量和空间速度两者的影响进行了模拟,最终可得出整个方法。参见图7中的流程图,评价稀NOx捕集器装置的NOx存储效率、获取关于稀NOx捕集器温度20的信息以及关于稀NOx捕集器相关存储21的其他信息的方法首先计算硫权重因子,优选地根据相关的得出的模型,其限定了低硫因子22′、中硫因子22″和高硫因子22″′。继而,参照NOx效率23′、23″、23″′对于所述低硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度20和稀NOx捕集器相对储存量21以及低参照NOx效率23′的函数;对于所述中硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度20和稀NOx捕集器相对储存量21以及中参照NOx效率23″的函数;对于所述高硫水平被在参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度20和稀NOx捕集器相对储存量21以及高参照NOx效率23″′的函数。
此外,通过使用此前的信息(LNT温度、相对储存量和硫因子),通过将上述的低硫因子22′、中硫因子22″和高硫因子22″′分别和上述的低参照NOx效率(23′)、中参照NOx效率(23″)和高参照NOx效率(23″′)相乘,且将上述三个乘积求和27计算出参照NOx效率23。此后很快,参照NOx效率23由空间速度校正校正24,其可从相关的划出的模型获取,即,通过使用针对参照空间速度的相对NOx效率23,且采用已经提出的下列公式:
η u = 1 - [ 1 - τ u τ 0 + τ u τ 0 ( 1 - η 0 ) 1 β ] β
根据此外的实施例,其也将催化剂的老化状态计入考量,已经建立其针对新的催化器和老化的催化器的两个专用的结构。逻辑和算法完全相同,如图7所示。这样的结构的输出将为针对新的LNT281的参照NOx效率,以及针对老化的LNT281′的参照NOx效率33。将通过可校准的老化因子32将该两个值插值,且在空间速度校准24之后,将提供NOx存储效率25,其也由催化器老化状态确定。
尽管在前述的概述以及详细描述中示出了至少一个示例性实施例,应理解存在很多数量的变动之处。应理解所述一个或多个示例性实施例仅为实力,而不意图以任何方式限定范围、用途或配置。而是,上述概述和详细描述将为本领域技术人员提供用于实施至少一个示例性实施例的方便的说明,被理解的是可对示例性实施例中描述的元件的功能和布置进行各种变动,而不背离如在所附的权利要求书以及其法律意义上的等价物中阐明的范围。

Claims (13)

1.一种评价内燃机(110)的排放系统(270)中稀NOx捕集器装置(281)的NOx存储效率的方法,其中NOx存储效率被计算为稀NOx捕集器温度(20)、稀NOx捕集器相对储存量(21)、权重硫因子(22′、22″、22″′)和空间速度(29)的函数。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述权重硫因子是低硫因子(22′)、中硫因子(22″)和高硫因子(22″′),低硫因子从预定低硫水平处的1线性表现至预定中硫水平处的0,中硫因子从低硫水平处的0线性到达中硫水平处的1且线性地到达预定高硫水平处的0,且高硫因子从中硫水平处的0线性地表现至高硫水平处的1。
3.如权利要求2所述的方法,其中对于每个硫水平,所述权重硫因子的和总等于1。
4.如权利要求2或3所述的方法,其中参照NOx效率(23′、23″、23″′)对于所述低硫水平被在一参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度(20)和稀NOx捕集器相对储存量(21)以及低参照NOx效率(23′)的函数;对于所述中硫水平被在一参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度(20)和稀NOx捕集器相对储存量(21)以及中参照NOx效率(23″)的函数;对于所述高硫水平被在一参照空间速度处映射为所述稀NOx捕集器温度(20)和稀NOx捕集器相对储存量(21)以及高参照NOx效率(23″′)的函数。
5.如权利要求2至4中任意一项所述的方法,其中上述低硫因子(22′)、中硫因子(22″)、高硫因子(22″′)中的每一个被分别乘以上述的低NOx效率(23′)、中NOx效率(23″)和高NOx效率(23″′),且其中上述三个乘积被加和(27),以由此获得进一步的参照NOx效率(23)。
6.如前述任意一项权利要求所述的方法,其中空间速度校正被通过使用针对一个参照空间速度的已知相对NOx效率且采用下列公式进行:
η u = 1 - [ 1 - τ u τ 0 + τ u τ 0 ( 1 - η 0 ) 1 β ] β
其中
ηu是待计算的NOx存储效率,η0是参照空间速度处的NOx存储效率,τu是对应于实际空间速度的驻留时间,τ0是对应于参照空间速度的驻留时间,且β是实验性指数。
7.如前述任意一项权利要求所述的方法,其中所述方法针对新的稀NOx捕集器(281)和老化的稀NOx捕集器(281′)重复两次,且还包括通过可校准的老化因子插值(31)新的稀NOx捕集器(281)的参照NOx存储效率和老化的稀NOx捕集器(281′)的参照NOx存储效率。
8.一种控制稀NOx捕集器的再生过程的方法,其使用根据前述任意一项权利要求评价NOx存储效率的方法。
9.一种机动车系统(100)的内燃机(110),其装备有排气系统(270),该排气系统至少包括后处理装置(280),该后处理装置为稀NOx捕集器(281,281′),该机动车系统(100)包括配置为执行根据权利要求1至8的方法的电子控制单元(450)。
10.一种计算机程序,包括适于实施根据权利要求1-8中的任意一项的方法的计算机编码。
11.一种计算机程序产品,其上存储有根据权利要求10的计算机程序。
12.一种用于内燃发动机的控制装置,其包括电子控制单元(450)、和该电子控制单元相关的数据载体(40)以及存储在所述数据载体(40)中的如权利要求10所述的计算机程序。
13.一种电磁信号,调制成为代表根据权利要求10的计算机程序的一系列数据位的载体。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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