CN114294083A - 用于运行内燃机的方法、计算单元和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行带有排气后处理系统的内燃机的方法，排气后处理系统具有排气催化器和至少两个排气传感器，其中，至少一个第一排气传感器布置在排气催化器的上游并且至少一个第二排气传感器布置在排气催化器的下游，该方法包括：在使用理论上的催化器模型的情况下确定排气催化器中至少一种能存储在该排气催化器中的排气成分的填充度，第一排气传感器的作为第一信号的至少一个信号作为输入参量进入到该理论上的催化器模型中；检测在排气催化器的下游的第二排气传感器的作为第二信号的信号；求取第二信号与额定信号的偏差；当第二信号与额定信号的偏差超过了预先确定的阈值时，重新初始化催化器模型。

Description

用于运行内燃机的方法、计算单元和计算机程序

技术领域

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。

背景技术

在机动车的内燃机中、例如柴油马达、汽油马达或旋转活塞式马达中，在空燃混合物未完全燃烧的情况下，除了氮（N₂）、二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）之外还排出大量燃烧产物，这些燃烧产物中，至少碳氢化物（HC）、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO_X）是受法律限制的。按照当前的现有技术，仅通过催化的排气后处理就能遵守针对机动车的有效的排气极限值。通过使用例如三元催化器，可以将所述有害物质成分转化成相对无害的排气成分，如二氧化碳、氮和水。

在三元催化器中，仅在围绕化学计量运行点（λ=1）、即所谓的“催化器窗口”的狭窄的λ范围内才达到针对HC、CO和NO_X的同时高的转化率。为了催化器在催化器窗口中运行而典型地使用λ调节，λ调节基于在催化器前方和后方的氧传感器的信号。为了调节在催化器前方的λ值，用氧传感器来测量催化器前方的排气的氧含量。根据这个测量值来修正输送给内燃机的燃料量的调节。为了更为准确的调节，额外用另外的氧传感器来分析在催化器后方的排气。这个信号用于导向调节，导向调节与催化器前方的λ调节重叠。通常使用阶跃式氧传感器作为催化器后方的氧传感器，其在λ=1时具有极陡的特征线并且因此可以极为准确地表明λ=1。

除了通常仅调节与λ=1的很小的偏差并且设计得较为缓慢的导向调节外，在当前的马达控制系统中通常还存在一种功能，其按照与λ=1的大的偏差以λ预控的形式负责快速地再次达到催化器窗口。

许多当前的调节方案具有的缺点是，它们借助催化器后方的阶跃式氧传感器的电压才滞后地识别到离开催化器窗口。

用于基于催化器后方的氧传感器的信号来调节三元催化器的一种备选方案是调节催化器的平均的氧填充度。因为这个平均的填充度是无法测量的，所以它仅借助路段模型模型化。这种类型的调节可以及时识别危险的突破（Durchbruch）并且在其真正发生之前对此作出反应。在DE 10 2016 222 418 A1中说明了基于在催化器中进行的最为重要的反应的动力学情况和氧存储能力对三元催化器的填充度进行相应的基于模型的调节。所存储的若干组模型参数也可以流入到这种基于模型的催化器调节。催化器的存储能力的取决于当前的运行点的适配性也是可能的。这种方法例如由DE 10 2018 216 980 A1和DE 102018 251 720 A1已知。

发明内容

按照本发明，建议了带有独立权利要求特征的一种用于运行内燃机的方法以及用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及接下来的说明的主题。

提出了一种按本发明的用于控制带有排气后处理系统的内燃机的方法，排气后处理系统具有排气催化器和至少两个排气传感器，其中，至少一个第一排气传感器布置在排气催化器上游并且至少一个第二排气传感器布置在排气催化器下游，所述方法包括：在使用理论上的催化器模型的情况下确定排气催化器中至少一种能存储在该催化器中的排气成分的填充度，第一排气传感器的作为第一信号的至少一个信号作为输入参量进入到该理论上的催化器模型中；检测在排气催化器下游的第二排气传感器的作为第二信号的信号；求取第二信号与额定信号的偏差，其中，额定信号对应在特定的填充度下预期的信号；当第二信号与额定信号的偏差超过了预先确定的阈值时，重新初始化催化器模型，因而特定的填充度在重新初始化之后应当促成对应所检测到的第二信号的额定信号；通过调整输送给内燃机的空燃混合物根据额定填充度在特定的填充度的基础上调节所述填充度；求取在催化器模型重新初始化之后和填充度调节到额定填充度之后在第一信号和第二信号之间的偏差；和借助根据第一信号和第二信号之间的偏差求取的修正值来修正第一信号，因而偏差减小。

按本发明的调节方案具有的基本优点是，借助模型化的填充度可以及时识别到离开催化器窗口并且因此总体上有助于更少的有害物质排放或更为有效的排气净化。

在本发明的范畴内，重新初始化指的是这样一个方法步骤，在该方法步骤中，所测得的值（特别是第二信号）用于，这样来改变（理论上的催化器模型的）计算规则的参数，使得在计算规则中处理输入参量时这样获得催化器填充度，即，使所测得的信号与模型化的填充度匹配。

在此，第一排气传感器有利地是宽带氧传感器和/或第二排气传感器是阶跃式氧传感器和/或第一信号和/或第二信号包括内燃机的排气的λ值。宽带氧传感器特别适合使用在排气催化器上游，因为在此处在内燃机运行期间可以行进经过宽的值域，而在催化器下游，阶跃式氧传感器在窄的值域内的高精度则有助于可靠地监控排气净化。由此以如下方式降低催化器模型中的不确定性，即，基于（在λ=1的范围内具有特别陡的特征线的阶跃式氧传感器的）特别可靠的信号适配（具有明显更扁平的特征线和随之而来更大的测量准确度的宽带氧传感器的）有较大不确定性的信号。但其它的排气传感器也能结合本发明使用，特别是那些测量或确定排气成分的浓度的排气传感器，如氮氧化物传感器。

至少一种排气成分尤其包括氧。氧尤其对排气催化器的工作能力、特别是转化能力至关重要。

修正值优选作为第一和第二信号之间的偏差与衰减因子（Abschwaechungsfaktor）的乘积加以计算，衰减因子尤其从0和1之间的值域中选出。由此可以避免过度补偿并且因此避免修正的“骤然增加（Aufschwingen）”。

在此，衰减因子优选选择得越小，那么在第二信号与额定信号之间的间距就越大。因此考虑到了这样的事实，即，在催化器后方的氧传感器在围绕1的λ值情况下（即在正常运行模式中在额定信号附近）提供特别可靠的值，而随着λ值与1的距离渐远（即更远离正常的额定信号），所测得的值则越来越不稳健（belastbar）。

优选通过修正值与第一信号的相加来修正第一信号。当两个信号已经包括一个λ值或者在所述信号和相关的λ值之间存在线性相关性时，就尤其产生了特别节约计算的修正。

接下来以三元催化器为例说明本发明。实施方式按意义也能套用到其它催化器类型上并且本发明并不限于三元催化器的使用。原则上可以使用所有能想到的能够存储至少一种排气成分的排气催化器类型。

本发明的核心是，先通过基于在催化器后方的氧传感器的信号的重新初始化将催化器的模型化的填充度带入到一种限定的状态，在该限定的状态中，真实的催化器的填充度和模型化的填充度至少近似一致。紧接着这种重新初始化的是调节填充度，在该填充度下人们预计在催化器后方有最小的排放和λ=1。在调节这个填充度之后，检测借助实际上在催化器后方的氧传感器测得的λ与1的偏差。这个偏差对应在催化器前方的λ和催化器后方的λ之间的已存在的偏移量。通过对氧传感器信号的低通滤波和衰减因子考虑到了动态的行驶运行中在催化器后方的λ的波动和在催化器后方的氧传感器的公差，所述衰减因子促使，仅按比例接收或适配所求取的偏移量。由此提高了所述方法的稳健性并且避免了对偏移量的过度补偿。可以多次直接前后相继地执行所述方法，直至实际上在催化器后方测得的λ值与1的偏差足够小。因此可以在短时间内逐步完全适配存在的偏移量。

对催化器的基于模型的调节具有的优点是，可以基于在催化器后方的排气传感器的信号比在导向调节时更早地识别到即将离开催化器窗口，因而可以通过及时有针对性地修正空燃混合物对抗催化器窗口的离开（在其真正发生之前）。通过围绕按本发明的快速的λ偏移量-适配来扩大对测量和模型不确定性的补偿，可以进一步改进基于模型的调节的稳健性。尤其可以同时更为快速和更为稳健地适配数值上较大的λ偏移量。由此进一步减少了真实行驶运行中的排放。可以用较小的催化器成本满足更为严格的法律要求。

在此以一种排气设备为例说明本发明，该排气设备沿流动方向前后相继地包括宽带氧传感器、三元催化器和阶跃式氧传感器。但也可以设置另外的或其它的催化器、传感器和附加的部件、如颗粒过滤器，它们至少不会对所述方法的应用产生负面影响。

本发明以一种自适配催化器模型为出发点。在此例如可以设置一种催化器模型，其实现了多级的适配，用所述多级的适配来补偿进入到基于所述模型的路段模型（Streckenmodell）的测量参量或模型参量的不确定性和路段模型的不确定性。

这种多级的适配例如结合了对较小偏差的连续工作的、极为准确的适配和对较大偏差的非连续的快速修正。

连续的适配和非连续的修正在此可以基于来自传感器的不同的信号值域的、特别是布置在催化器下游的排气流中的并且布置在输出端侧的氧传感器的信号值，不过此时由这些信号值推导出了两个有根本区别的信息。这种模型允许考虑到来自不同的信号值域的信号值在涉及到排气成分和涉及到催化器中至少一种排气成分的填充度时的不同的说服力。

此外，可以设置多个信号值域，在所述信号值域中，单只有连续的适配是激活的、单只有非连续的修正是激活的或者两者均是激活的。

在非连续的修正中，例如当输出端侧的氧传感器的电压表明了催化器后方的浓的或稀薄的排气的突破并且因此表明了过低的或者过高的实际上的（氧）填充度时，例如对应实际的填充度来修正模型化的填充度。这种修正非连续地进行，以便能评估催化器后方的氧传感器的电压的反应。因为这种反应基于路段静止时间（Streckentotzeit）和催化器的存储性能延迟发生，所以尤其可以设置适配的催化器模型，其在布置在催化器下游的氧传感器的信号的λ值允许推断出催化器中实际上的（氧）填充度时才执行一次修正。

本发明构建在这种非连续的修正之上并且为这种非连续的修正补充了λ-偏移量适配，因为已经识别到，正好在对模型化的填充度的这种修正之后的一个状态中，存在一种特别良好地定义的状态，该状态使得能借助在催化器下游的氧传感器的信号尽可能精确地求取在催化器上游的氧传感器的偏移量。

在所述的连续的适配中，例如将在催化器后方的阶跃式氧传感器的λ信号与在催化器后方的模型化的λ信号相比较。由这个比较可以推导出在催化器前方的λ值和催化器后方的λ值之间的λ偏移量。用所述λ偏移量例如修正由预控形成的λ额定值。但这种连续的适配比刚才说明的非连续的修正工作得明显更慢并且因此不适合消除大的偏移量，因为由此会强烈延迟催化器窗口的到达。本发明在催化器上游的氧传感器的偏移量很大的情况下正好以特别有利的方式缩小差距（Luecke schliessen）。

按本发明的计算单元、例如机动车的控制器，尤其在编程技术上设置用于执行按本发明的方法。

形式为用于执行所有方法步骤的计算机程序或带程序代码的计算机程序产品的按本发明的方法的实施也是有利的，因为这引起特别小的成本，特别是当运行的控制器还用于另外的任务并且因此本来就存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电气的存储器，如硬盘、闪存、EEPROM、DVD等。也可以通过计算机网络（因特网、以太网等）下载程序。

由说明书和附图得出了本发明的另外的优点和设计方案。

附图说明

本发明借助实施例在附图中示意性示出并且接下来参考附图加以说明：

图1示出了车辆的示意图，按本发明的方法可以使用在该车辆中；

图2以流程图的形式示出了按本发明的方法的有利的设计方案。

具体实施方式

在图1中示意性地作为方块图示出了车辆100，按本发明的方法可以使用在该车辆中。车辆100优选设置用于执行按图2的方法200并且具有诸如汽油马达之类的内燃机120、催化器130以及计算单元140。此外，车辆100还可以包括例如形式为喷射泵、涡轮增压器等或它们的组合的燃料处理装置110。

此外，这种车辆还具有（排气）传感器145、147、特别是氧传感器，它们在车辆100的排气系统中布置在催化器130的上游和下游。

计算单元还例如通过控制点火时间点、阀打开时间以及由燃料处理装置110提供的空燃混合物的成分、量和/或压力来控制内燃机120的运行。

计算单元140有利地设置用于，还执行在图2中阐明的、按照本发明的一种优选的实施方式所述的方法200。

内燃机120运行时产生的排气输送给了催化器130。在所述方法200的第一个步骤210中，借助第一氧传感器145在催化器130上游测量排气的空气数λ并且将该第一λ值传达给计算单元140。

在步骤220中，根据在步骤210中求取的在催化器130上游的λ值计算催化器130中至少一种排气成分的填充度。这例如涉及到氧填充度，但也可以针对其它的排气成分、如氮氧化物求取在催化器130中的相应的填充度。

通过催化器加快了或者才实现了排气组分彼此间的反应，从而将诸如一氧化碳、氮氧化物和未完全燃烧的碳氢化物之类的有害组分转化成诸如水蒸气、氮和二氧化碳之类的相对无害的产物。在步骤230中，在催化器130的下游通过第二氧传感器147求取第二λ值并且将该第二λ值传达给计算单元140。

第一和第二λ值可以暂时或持久地彼此不同，因为通过在催化器130中的反应，在催化器130的上游和下游的排气的成分彼此不同。此外，排气需要一定的时间来穿流催化器130（所谓的静止时间）。这个静止时间尤其取决于排气的当前的体积流量，即取决于内燃机120的当前的运行状态。在内燃机120在全负荷下运行时，每时间单位例如产生比在空转运行中更高的排气量。相应的静止时间因此根据内燃机120的运行状态变化，因为催化器130的体积是恒定不变的。

在这些解释中，分别例如简化地以λ值为1时的排放最小值为出发点。但当用于达到最小排放的额定填充度对应不同于λ=1的λ额定值时，同样能使用本发明。

如所述那样，本发明基于在催化器130下游的排气传感器147的信号。本发明在此尤其用于，当在催化器130后方的氧传感器147明确表明了高或低的电压时，将电压信号与催化器130中的当前的（氧）填充度关联起来。当传感器电压没有对应在1范围内的λ时，尤其是这样的情况。在这种情况下，催化器130不含氧或者用氧填充，使得浓的或稀薄的排气穿过。按照本发明，当在催化器130后方的氧传感器147出现明确很高或很低的电压时，这用于重新初始化一个或多个模型化的填充度，例如在催化器130的多个轴向区域中的模型化的氧填充度。

与此对应，在步骤240中，求取在步骤230中求取的在催化器130下游的氧传感器147的传感器信号与对应基于在步骤220中求取的催化器填充度预期的信号的额定信号的偏差。额定信号在内燃机120的静态的运行状态下、即在有恒定不变的负荷要求的运行状态下，可以尤其对应为1的λ值或在1附近的λ值。

在步骤250中，将在步骤240中求取的在催化器130下游的实际的λ值与预期的值的偏差和阈值作比较。若所述偏差小于阈值，那么方法200回到步骤210。反之，若所述偏差达到阈值或超过这个阈值，那么方法200随步骤260继续，在该步骤中基于在催化器130下游求取的传感器信号重新初始化催化器模型。通过这种重新初始化260将催化器130的模型化的填充度带到限定的状态中，在该状态中，模型化的填充度与真实的催化器130的相应的填充度至少近似良好地一致。

模型化的填充度的这种非连续的修正或重新初始化260导致了模型化的平均填充度与预定的额定值的偏差。接下来在步骤270中调节这个偏差。所述偏差导致了空燃混合物沿填充度调节的额定值的方向的调整并且将催化器130极快速地带向催化器窗口的方向。这个偏差因此直接导致了排放的改善并且同时将催化器130带入到限定的状态中，在该限定的状态中在催化器130后方应当按照预期出现λ=1（或处在1附近的λ额定值）。但仅当催化器130之前的氧传感器145的信号（经调节的氧填充度的模型化基于该信号）不具有偏移量时，才真正到达催化器窗口并且才在催化器130后方真正出现了λ=1。但若是这样的情况，那么在催化器130后方没有出现λ=1，而是出现了与λ=1偏差了这个偏移量的λ值。

一旦在重新初始化（步骤260中）后调节氧填充度，那么在步骤280中借助布置在催化器130后方的氧传感器147检测在催化器130后方的实际上的λ值与λ=1（或与λ额定值）的偏差。基于这种偏差求取修正值285，接下来在求取催化器130上游的λ值时考虑到了该修正值。这个修正值285尤其是这样一个数，其与在步骤210中测得的在催化器130上游的λ值相加。不言而喻的是，仅当在催化器130后方的氧传感器147的信号是值得信任的并且这个传感器147尤其是准备好运行时，对所述偏差的检测才有意义。可选也能设置等待时间或最小排气量，在检测所述偏差之前必须预估或实施所述等待时间或最小排气量。由此可以特别是考虑到已经提到的静止时间。

在步骤280之后，所述方法200回到步骤210，其中，在重新的步骤210中考虑到了在求取催化器130上游的λ值时所求取的修正值285。

因为在动态的行驶运行中可以以此为出发点，即，在催化器130后方的λ值不是恒定不变的，而是可能围绕平均值波动，所以在催化器130后方的氧传感器147的信号优选被低通滤波。这就是说，检测在催化器130后方的传感器147的经低通滤波的λ信号与λ=1的偏差并且将其解释为是在催化器130前方的λ值与在催化器130后方的λ值之间的偏移量。

此外，因为在催化器130后方的阶跃式氧传感器（Sprung-Lambdasonde）147的信号离开λ=1的λ值准确度可能受到温度效应、横向敏感度和电压-λ特征线的扁平的特性的限制，所以还规定，所求取的偏移量借助衰减因子仅按份额作为修正值285加以接收，例如仅50%。衰减优选在更远离λ=1时增强，并且所测得的氧传感器信号越是紧挨λ=1，衰减减少得就越多，因为在那里λ准确度最高。偏移量-修正的稳健性由于按份额的接收提升，因为由此可靠地避免了可能导致偏移量适配骤然增加和排放增加的偏移量的过度补偿。

这样求取的修正值285优选用于适配和修正在催化器130前方的氧传感器145的信号。在假设衰减因子为50%时，在第一适配步骤之后还存在的在催化器130前方的λ值和在催化器130后方的λ值之间的偏移量仅还是最初的一半那么大。

当在催化器130后方的氧传感器147的电压重新表明了明确很高或很低的电压时，重复所述方法200，必要时重复多次。当在催化器130后方的氧传感器147的信号朝一个方向（该方向与基于重新初始化预计的方向不相对应）运行，例如当传感器电压在很低的传感器电压下重新初始化之后先沿较高的传感器电压的方向运行，但然后又再次朝低氧传感器电压的方向运行时，那么可选也可以重复所述方法200。因为衰减因子减小得越强烈，在催化器130后方的氧传感器147的所测得的信号就越是紧挨λ=1，所以伴随每一个步骤均按份额适配更多的偏移量。以这种方式也可以通过多个连续相继的重新初始化步骤和适配步骤快速且稳健地完全适配数值较大的λ偏移量。

Claims (9)

1.用于运行带有排气后处理系统的内燃机（120）的方法（200），排气后处理系统具有排气催化器（130）和至少两个排气传感器（145、147），其中，至少一个第一排气传感器（145）布置在排气催化器（130）的上游并且至少一个第二排气传感器（147）布置在排气催化器（130）的下游，该方法包括：

在使用理论上的催化器模型的情况下确定（220）排气催化器（130）中至少一种能存储在该排气催化器（130）中的排气成分的填充度，第一排气传感器（145）的作为第一信号的至少一个信号作为输入参量进入到该理论上的催化器模型中，

检测（230）在排气催化器（130）的下游的第二排气传感器（147）的作为第二信号的信号，

求取（240）第二信号与额定信号的偏差，其中，额定信号对应在排气催化器（130）中的特定的填充度下预期的信号，

当第二信号与额定信号的偏差超过了预先确定的阈值时，重新初始化（260）催化器模型，因而特定的填充度在重新初始化（260）之后应当促成对应所检测到的第二信号的额定信号，

通过调整输送给内燃机（120）的空燃混合物根据额定填充度在特定的填充度的基础上调节（270）在排气催化器（130）中的填充度，

在催化器模型重新初始化（260）之后并且在根据额定填充度调节（270）填充度之后求取（280）在第一信号和第二信号之间的偏差，和

借助根据第一信号和第二信号之间的偏差求取的修正值（285）来修正第一信号，因而在第一信号和第二信号之间的偏差减小。

2.按照权利要求1所述的方法（200），其中，所述第一排气传感器（145）是宽带氧传感器和/或所述第二排气传感器（147）是阶跃式氧传感器和/或所述第一信号和/或所述第二信号包括λ值。

3.按照权利要求1或2所述的方法（200），其中，所述至少一种排气成分包括氧。

4.按照前述权利要求中任一项所述的方法（200），其中，所述修正值（285）作为第一信号和第二信号之间的偏差与衰减因子的乘积加以计算，衰减因子特别是从0和1之间的值域选择。

5.按照权利要求4所述的方法（200），其中，所述衰减因子选择得越小，所述第二信号与所述额定信号之间的间距就越大。

6.按照前述权利要求中任一项所述的方法（200），其中，通过将所述修正值（285）与所述第一信号相加来修正所述第一信号。

7.计算单元（140），其设置用于，执行按照前述权利要求中任一项所述的方法（200）的所有方法步骤。

8.计算机程序，当该计算机程序在计算单元（140）上实施时，该计算机程序促使计算单元（140）执行按照权利要求1至6中任一项所述的方法（200）的所有方法步骤。

9.能机读的存储介质，带有按照权利要求8所述的存储于其上的计算机程序。

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