CN105089755A - 用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置的方法 - Google Patents

用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置，特别是用于校准控制或调节内燃机废气流中的废气后处理工艺的控制装置的方法，其使用模拟模型，在所述模拟模型中以反应动力学方程的形式模拟在废气后处理过程中特别在不同时间和/或互相并行发生的多个反应，其中随后在试验台上以测量技术获取的各方程参数的实际值校准所述模拟模型的各反应动力学方程的可变方程参数。

Description

用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置，特别是用于校准控制或调节内燃机废气流中的废气后处理工艺的控制装置的方法。此外，本发明涉及根据权利要求6的内燃机。
背景技术
在废气后处理的范围内，使用反应动力学催化转换器模型（Katalysatormodellen）校准如车辆，例如载货汽车中所用的控制装置或调节系统是公知的。借助这种模拟模型，可以模拟例如内燃机的废气后处理（仅举一例）的化学和/或物理过程，这些过程通常在试验台上只能以极高的费用呈现。例如，使用商购可得的模拟软件，例如来自Gamma Technologies Inc.的GT-Power®建立这种模拟模型。用借助模拟软件模拟的独立于控制装置的这种模拟模型，可以以反应动力学方程（它们是微分方程）的形式模拟在各自的废气后处理过程中在不同时间和/或互相并行发生的多个反应。随后借助通过测量技术在试验台上获取的各方程参数的实际值校准该模拟模型的各个反应动力学方程的可变方程参数。尽管借助这种模拟模型可以可靠地模拟实际情况，但这种模拟模型需要取决于模型质量的相对较高的计算能力，以解出这些微分方程，这是耗时并昂贵的。因此，控制或调节内燃机废气流中的废气后处理工艺的控制装置的校准也是相对复杂和昂贵的。
这种模拟模型的另一缺点在于，不可能在不影响其它范围的情况下重新校准该工作范围的子范围。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置的方法，特别是用于校准控制或调节内燃机废气流中的废气后处理工艺的控制装置的方法，所述方法需要相对低的计算复杂度并借此可以在实际运行过程中非常容易地重新校准该控制装置的工作范围的子范围而不影响其它范围。
借助独立专利权利要求的特征实现这一目的。据此的各从属权利要求的主题是其有利的实施方式。
根据权利要求1，提出用于校准可借助反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置，特别是用于校准内燃机废气流中的废气后处理（例如选择性催化还原）控制或调节的控制装置，其中在模拟模型中以反应动力学方程的形式模拟例如在各自的废气后处理过程中在不同时间和/或互相并行发生的多个反应，其中借助测量技术在试验台上获取的各方程参数的实际值校准该模拟模型的各个反应动力学方程或微分方程的可变方程参数。根据本发明提出，通过使用所发生的每个单独的反应（例如在废气后处理工艺的范围内）的影响反应动力学的反应参数作为特性曲线族参数并生成至少一个特性曲线族，制成控制装置的或在控制装置中的独立于模拟模型并具有多个特性曲线族的特性曲线族模型，其中为了向特性曲线族输入数据，借助模拟模型确定影响反应动力学的特性曲线族参数的值，并将所述值输入特性曲线族模型。随后，为了校准该特性曲线族模型，在实际工艺运行中，特别是在实际驾驶运行中和/或在试验台上有针对性地以测量技术获取该特性曲线族模型的至少一个特性曲线族的至少一个特性曲线族参数的值，并进一步借助评估装置确定获取的测量值是否在预先给定的范围内偏离了所观察的特性曲线族参数的储存在各自的特性曲线族中的值。如果是后者的情况，则将储存的值换成新值，更确切地说不（交叉）影响不受该变化影响的该特性曲线族模型的其它特性曲线族。否则，保持原始设定。
因此，不同于之前使用的反应动力学模拟模型，在本发明的这种模型中向反应动力学方程几乎输入了在自身的特性曲线族中的每一个单独反应的数据。在此如传统反应动力学模拟模型中那样以时间离散和空间离散方式进行现实的建模。但是，本发明的方法程序的优点在于，根据本发明的特性曲线族模型能在同时低计算复杂度的情况下将反应动力学关系建模，并能借助反应动力学模拟模型容易地自动化输入数据，其中此外，可以在不影响其它范围的情况下重新校准该工作范围的子范围。由此，通过一方面反应动力学和另一方面特性曲线族的组合，将这两种方法的优点彼此结合，以致应用工程师尽管仍然如以前般使用反应动力学方法，但在适配各数据组方面保留了大的自由度。
因此，如果之前可以采用直接输入测量数据的基于特性曲线族的策略或可以仅使用反应动力学方法，根据本发明的解决方案因此能将反应动力学与基于特性曲线族的策略组合，以使这两种方法的优点可以彼此结合。
借助本发明的方法程序，因此在例如废气后处理的控制装置中制作并校准系统模型，借助所述系统模型，可以例如开发例如选择性催化还原（例如相对于Euro VI标准）的最佳计量策略。原则上，本发明的方法程序可用于可通过反应动力学方程描述的任何技术工艺，其中必须在模拟模型中例如数值求解反应动力学微分方程。但是，如一开始已经提到，特别优选的是借助控制装置控制废气后处理的方法程序。在此还特别优选的是该受控废气后处理是选择性催化还原的方法程序，在此过程中通过计量加入还原剂，例如脲的水溶液作为还原剂来还原废气流中的氮氧化物。至少部分在下列反应方程中描述的并在选择性催化还原过程中发生的反应被转换成一个或多个反应动力学方程或微分方程以产生使用反应动力学方法的独立于控制装置（steuergeräteunabhängig）的模拟模型：
(1) 热解: (NH2)2CO + H2O → NH3 + HNCO
(2) 水解: HNCO + H2O → NH3 + CO2
(3) 吸附: S+NH3 → SNH3
(4) 解吸: SNH3 → S+NH3/(3)的反向反应
(5) 标准SCR: SNH3 + NO + 0.25O2 → N2 + 1.5H2O + S
(6) 缓慢SCR: 4SNH3 + 3NO2 + 0.25O2 → 3.5N2 + 6H2O + 4S
(7) 快速SCR: 4SNH3 + 2NO+ 2NO2 → 4N2 + 6H2O + 4S
(8) NH3氧化: 4SNH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + 4S
(9) 形成笑气（不想要的副反应）:
2SNH3 + 2NO2 → N2O + N2 + 3 H2O + 2S
(10) NO氧化 + 反向反应:
NO + 0.5O2 → NO2
NO2 → NO+ 0.5O2
其中S: 自由催化表面 / NH3: 气相氨 / SNH3: 吸附在催化表面的氨 / (NH2)2CO: 脲 / HNCO: 异氰酸 / NO: 一氧化氮 / NO2: 二氧化氮 / O2: 氧气 / N2: 氮气 / H2O: 水 / N2O: 笑气.
如上所述，借助本发明的解决方案，可以以简单和功能可靠的方式确定在复杂的废气后处理工艺（如其是选择性催化还原）范围内，计量添加还原剂的特别优化的计量添加策略。
合适的动力学方法是例如Langmuir和Hinshelwood方法，据此提出，在吸收过程中起始组分被化学吸收在催化剂表面的活性中心并随后相互反应以脱离这种状态（aus diesem Zustand heraus）。或者，也可以使用Eley-Rideal方法，据此被化学吸收的原材料与气相中的另一原材料反应。
这些反应动力学方法是公知的。通过改变输入变量，例如废气质量流量、氮氧化物浓度、温度和/或NH3质量流量和/或通过改变内部系统变量，例如吸收在催化表面的NH3，可以刺激在模拟模型中建模的反应动力学微分方程，由此可以用该结果向特性曲线族输入数据。
每一个单独反应，特别是每一个在废气后处理的范围内发生的单独反应的产生特性曲线族并影响反应动力学的特性曲线族参数因此可以特别有利地一方面通过可以以快速、简单和功能可靠的方式通过合适的测量仪器在实际工艺运行的范围内，例如在实际驾驶运行中或在试验台上获取或测得的可测量的数值（这些例如是在废气后处理的范围内的废气质量流量和/或氮氧化物浓度和/或温度和/或NH3质量流量）形成。但是，另一方面，这些每一个单独反应，特别是每一个在废气后处理的范围内发生的单独反应的产生特性曲线族并影响反应动力学的特性曲线族参数原则上也可通过该现有的模拟模型确定，例如在实际应用中无法测量或无法有意义地测量的情况下，如对于吸附在催化表面的NH3的量而言就是这种情况。此处特别的优点特别在于，特性曲线族模型和因此该控制装置的校准不仅可以以简单、快速和功能可靠的方式进行，还如上所述也可以在各参数不交叉影响的情况下进行。也就是说，为了校准特性曲线族模型，至少对大部分参数而言，可以最简单地在实际运行或驾驶运行中和/或在试验台上有针对性地以测量技术获取至少一个特性曲线族的至少一个特性曲线族参数的值，并随后输入评估装置。
此外，以独立专利权利要求6，提出一种内燃机，特别是用于机动车，例如载货汽车或船舶的内燃机，其具有根据本发明的方法校准的用于控制或调节内燃机废气流的废气后处理工艺的控制装置。如上文已指出，具有根据本发明的这种特性曲线族模型的控制装置可以容易地制造和校准。关于进一步优点，参考上文作出的陈述。
附图说明
下面参考附图更详细解释本发明。
唯一的附图显示具有根据本发明的控制装置或控制装置模型的流程图的示意图，在此其具有特性曲线族模型和评估装置。
给该控制装置分配有模拟模型和试验台和/或具有废气后处理的内燃机。
在第一个步骤中校准例如借助传统模拟工具，例如GT-Power®生成的模拟模型，其中以反应动力学方程（反应1，反应2等）的形式模拟在各自的废气后处理过程中在不同时间和/或互相并行发生的多个反应。具体而言，为此借助以测量技术在试验台上获取的各方程参数的实际值校准该模拟模型的各单独的反应动力学方程的可变方程参数（步骤1：校准）。
通过使用在废气后处理的范围内发生的每个单独的反应的影响反应动力学的反应参数作为特性曲线族参数，以产生各种特性曲线族，制成具有多个特性曲线族的特性曲线族模型。具体而言，为此每个反应产生一个或多个特性曲线族，所述特性曲线族各自形成特性曲线族集（步骤2：建模）。
为了向这些特性曲线族或特性曲线族集输入数据，随后借助模拟模型确定影响反应动力学的特性曲线族参数（参数1、参数2、参数3、参数4等）的值并输入特性曲线族模型中，从而产生各种特性曲线族（步骤3：输入数据）。如就参数1举例说明，也可以将单个参数输入不同的特性曲线族或特性曲线族集。
该特性曲线族模型，如在图1中的第4点（整合）所示，最终构成控制装置的一个组成部分，由此为了校准该特性曲线族模型，以测量技术在实际驾驶运行中和/或在试验台上有针对性地获取该特性曲线族模型的至少一个特性曲线族或特性曲线族集的至少一个特性曲线族参数的值并输入构成控制装置的组成部分的评估装置中。随后由评估装置确定获取的测量值是否在预先给定的范围内偏离了储存在各自的特性曲线族中的所涉特性曲线族参数的值，其中如果回答是肯定的，则随后将储存的值换成新值，更确切地说不影响不受该变化影响的该特性曲线族模型的其它特性曲线族（步骤5：应用）。
在输入数据或应用的范围内引起的特性曲线族模型的状态变化在该唯一的附图中标作状态变化1、状态变化2等，或标作状态变化1’、状态变化2’等。上撇号在此意味着模拟模型和特性曲线族模型的状态变化不同。
例如在选择性催化还原的计量添加策略的开发范围内，可以借助本发明的这种具体的方法程序实现上述优点。

Claims (6)

1.用于校准可通过反应动力学方程描述的技术工艺控制或调节的控制装置的方法，特别是用于校准控制或调节内燃机废气流中的废气后处理的控制装置的方法，其使用模拟模型，在所述模拟模型中以反应动力学方程的形式模拟特别在废气后处理过程中在不同时间和/或互相并行发生的多个反应，其中随后借助以测量技术在试验台上获取的各方程参数的实际值校准所述模拟模型的各个反应动力学方程的可变方程参数，
其特征在于，
通过使用所发生的每个单独的，特别是在废气后处理的范围内的反应的影响反应动力学的反应参数作为特性曲线族参数并生成至少一个特性曲线族，制成控制装置的或在控制装置中的独立于模拟模型并具有多个特性曲线族的特性曲线族模型，其中为了向特性曲线族输入数据，借助模拟模型确定影响反应动力学的特性曲线族参数的值，并将所述值输入特性曲线族模型中，
随后，为了校准该特性曲线族模型，在实际工艺运行中和/或在试验台上有针对性地以测量技术获取该特性曲线族模型的至少一个特性曲线族的至少一个特性曲线族参数的值，随后借助评估装置确定获取的测量值是否在预先给定的范围内偏离了所观察的特性曲线族参数的储存在各自的特性曲线族中的值，其中如果回答是肯定的，则将储存的值换成新值，而不影响不受所述变化影响的所述特性曲线族模型的其它特性曲线族。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，借助所述控制装置控制的废气后处理是选择性催化还原，在此过程中通过计量加入还原剂，特别是脲的水溶液作为还原剂来还原废气流中的氮氧化物，且
将下列反应方程中描述的并在选择性催化还原过程中发生的反应被转换成一个或多个反应动力学方程以产生使用反应动力学方法，特别是Langmuir-Hinshelwood方法或Eley-Rideal方法的独立于控制装置（steuergeräteunabhängig）的模拟模型：
(1) 热解: (NH2)2CO + H2O → NH3 + HNCO
(2) 水解: HNCO + H2O → NH3 + CO2
(3) 吸附: S+NH3 → SNH3
(4) 解吸: SNH3 → S+NH3/(3)的反向反应
(5) 标准SCR: SNH3 + NO + 0.25O2 → N2 + 1.5H2O + S
(6) 缓慢SCR: 4SNH3 + 3NO2 + 0.25O2 → 3.5N2 + 6H2O + 4S
(7) 快速SCR: 4SNH3 + 2NO+ 2NO2 → 4N2 + 6H2O + 4S
(8) NH3氧化: 4SNH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + 4S
(9) 形成笑气（不想要的副反应）:
2SNH3 + 2NO2 → N2O + N2 + 3 H2O + 2S
(10) NO氧化 + 反向反应:
NO + 0.5O2 → NO2
NO2 → NO+ 0.5O2
其中S: 自由催化表面 / NH3: 气相氨 / SNH3: 吸附在催化表面的氨 / (NH2)2CO: 脲 / HNCO: 异氰酸 / NO: 一氧化氮 / NO2: 二氧化氮 / O2: 氧气 / N2: 氮气 / H2O: 水 / N2O: 笑气。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，各单独的反应，特别是在废气后处理的范围内发生的各单独的反应的产生特性曲线族并影响反应动力学的特性曲线族参数通过输入变量和/或通过内部系统变量形成，
为了向特性曲线族输入数据，借助模拟模型确定这些特性曲线族参数的值并输入所述特性曲线族模型中，且
为了校准所述特性曲线族模型，在实际工艺运行中，特别是在实际驾驶运行中和/或在试验台上有针对性地以测量技术获取至少一个特性曲线族的至少一个特性曲线族参数的值并随后输入评估装置中。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，在废气后处理过程中的所述至少一个输入变量是废气质量流量和/或氮氧化物浓度和/或温度和/或NH3质量流量。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于，在废气后处理过程中的所述至少一个内部系统变量是吸附在催化表面的NH3的量。
6.内燃机，特别是用于车辆或船舶的内燃机，其具有根据前述权利要求之一的方法校准的用于控制或调节内燃机废气流的废气后处理的控制装置。
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