CN115680844A - 用于确定废气催化器的转化能力的方法、计算单元和计算机程序 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定内燃机(1)下游的一个或多个废气催化器(11，12，13)的转化能力的方法(200)，该方法包括在所述一个或多个催化器(11，12，13)内部的多个地点处分别求取(220)一个局部温度；基于所述局部温度针对所述一个或多个催化器(11，12，13)的部段或部分体积求取(230)局部转化能力；和基于所求取到的局部转化能力求取(240)所述一个或多个催化器(11，12，13)的全局转化能力。此外还提出一种计算单元(20)以及一种用于执行这种方法(200)的计算机程序。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定废气催化器的转化能力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。
背景技术
用于在汽油和柴油发动机的废气系统中将催化器用于转化气态有害物质(例如碳氢化合物HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOx)。这些催化器确保在运行温度状态下几乎完全地对这些有害物质进行转化。在此，在催化器中进行化学反应。从而HC和CO被氧化成CO2和水。NOx被还原为N2。
为使这些催化反应如期进行，催化器内的温度通常必须超过所谓的起燃温度，即典型地(在三元催化器——英文：Three-Way-Catalyst，TWC——的情况下)是300至400℃。一旦达到或超过这个温度，则催化器将相关的有害物质几乎完全地转化。在柴油机的情况下也可以使用其他的催化器类型，例如氧化催化器或SCR催化器，这些催化器为有效地进行废气净化而还必须在对应的温度范围内运行。
为了尽快达到这种状态，可以应用所谓的发动机内催化器加热措施。在此例如汽油发动机的效率由于延迟的点火角而降低，而因此提高废气温度和到催化器中的焓输入。通过匹配的喷射策略(例如多次喷射)能够同时确保燃烧稳定性。
除了这些发动机内催化器加热措施外，还可以使用外部的催化器加热措施，例如借助电加热催化器或废气燃烧器。例如在DE 41 32 814 A1和DE 195 04 208 A1中描述了这种外部的加热措施。
发明内容
根据本发明，提出一种用于确定内燃机下游的废气催化器的转化能力的方法，以及用于执行该方法的一种计算单元和一种计算机程序。该计算单元设置为用于执行该方法的所有方法步骤。当该计算机程序在计算单元上运行时，该计算机程序促使该计算单元该方法的所有方法步骤。有利构型能够通过在优选实施方式和以下描述中所列举的措施实现。
本发明提出一种用于确定用于对催化器系统的当前的转化有害物质的能力进行表征的特征的解决方案。然后，基于该特征能够相应地实施用于加温催化器或用于控制内燃机的措施。为此，本发明利用基于局部温度为催化器的部段或者说部分体积确定局部转化能力的措施，由此确定该催化器的或(具有多个单个催化器的)整体废气系统的全局转化能力或总转化能力。因为催化器具有一定的热容量，所以在内燃机起动后，并非整个催化器体积都同时跳跃式地进入热运行窗口。而是具有催化器的废气系统沿着从前到后的流动方向被贯流加温，因此能进行转化的催化器体积随着时间的推移而逐步提高。因此还能够相应于该进展逐渐地对催化器加热措施以及用于避免不被允许的排放的发动机限制进行匹配。
具体来说，根据本发明的用于确定内燃机下游的一个或多个废气催化器的转化能力的方法包括在所述一个或多个催化器内部的多个地点或者说部分体积处分别求取一个局部温度；基于这些局部温度针对所述一个或多个催化器的部段或者说部分体积求取局部转化能力；和基于所述局部转化能力求取所述一个或多个催化器的全局转化能力。由此得出与在基于一个或多个催化器的平均温度的常规系统中的情况相比更精确的对转化能力的评估。
所述多个地点或者说部分体积特别是可以在其相对于通过所述一个或多个催化器的主流动方向的轴向位置和/或径向位置方面彼此不同。这特别是考虑到所阐述的对一个或多个催化器的逐步加温。
对一个或多个催化器的全局转化能力的求取特别是可以包括对局部转化能力根据通过对应的部分体积对全局转化能力的最大可能的贡献进行加权。由此能够考虑到对一般转化能力产生影响的在局部上不同的条件，例如局部室密度或在局部上不同的催化器负载。
以有利的方式根据一个或多个催化器的老化参数根据对局部转化能力和/或全局转化能力进行求取，因为随着催化器老化的增加，需要更高的运行温度用于实现同等的转化性能。
在此优选针对所述多个地点中的每个地点或者说每个部分体积来单独地确定老化参数和/或转化能力与温度的相关性。由此例如可以考虑在不同地点处的、可能由于不同的温度历史所决定的不同的老化速度。例如，催化器的在径向上的外侧区域通常比在径向上的内侧区域具有更低的平均温度，因为热量通过对应催化器的外表面散失，所以在外侧比在内侧受到更强的周围环境的冷却效果。关于在温度与转化能力之间的在局部上不同的相关性还可以考虑在催化器涂层和/或几何形状上的不同。例如，在径向外侧区域中的催化器可能比在径向内侧区域中的催化器具有更多的催化性活性物质。类似的不同在轴向上也可能是明显的。还可以在不同的催化器区域设置不同的催化性活性材料，以便对不同的反应进行催化或以便在废气中的不同有害物质成分浓度的情况下产生效果。
特别是可以根据转化率与局部温度在函数上的或经特征变化曲线定义的相关性来求取局部转化能力。例如，转化率可以具有关于催化器温度的基本上S形的(sigmoidal)变化曲线，从而若假定低温则在催化器上仅发生可忽略不计地少的转化反应，然而转化率在稳定在一个高值(最大转化率)上之前随着温度的增加而急剧上升。在此例如可以根据转化率关于温度的拐点或作为转化率达到阈值——该阈值例如相当于最大转化率的至少50％、75％、90％、95％或99％——时的温度来定义针对足够的转化能力的最小温度。换言之，可以由催化器的特有的起燃曲线来求取描述对应的催化器的转化能力的参数。
以有利的方式，局部温度分别借助传感器和/或借助计算规则基于一个或多个输入参量来求取，其中，所述一个或多个输入参量尤其包括内燃机的废气温度和/或废气成分和/或运行参数，特别是运行点、空气-燃料混合物成分、点火角和转速。基于传感器的温度在稳态运行中通常是非常精确的，然而其中，必须针对每个地点或者说每个部分体积设置单独的传感器，从而在此导致相对高的投资成本。基于模型的温度求取是成本较低的，其中组合方法也是可能的和有利的，因为在这种情况下，能够将基于传感器的测量的精确度利用于模型计算。相应的催化器模型在本领域是已知的。
在一种有利构型中，可以针对内燃机的废气系统的至少两个催化器执行该方法，并且该方法包括基于所述至少两个催化器中的每个催化器的所确定的全局转化能力来求取该废气系统的总转化能力。因此，该方法能够用于监测和/或控制整体的废气系统，这在排放性能方面带来相应的优点。
在一种有利构型中，该方法还包括根据局部转化能力和/或全局转化能力或总转化能力执行用于匹配催化器温度的措施，特别是来自发动机内加热措施组中的一个或多个措施，特别是点火角调节、推力禁止(Schubverbot)、λ分流、废气再循环和混合气富油；和外部加热措施，特别是废气燃烧器运行、电催化器加热和二次空气引入。因此能够有针对性地且根据需求地、特别是与地点有关地提高转化能力，这对加热措施的高效性和废气系统的排放性能产生积极影响。例如可以有针对性地加热催化器的具有低局部转化能力的区域，以便快速地将这些区域带入催化器窗口中，而催化器的已具有高局部转化能力的区域则不需被加热或仅需以更低的加热功率被加热。特别是可以选择加热措施来优先加热局部转化能力低的地点或部分体积。例如，电加热罩(Heizmantel)能够更快地加热处于径向上的外侧的区域，而发动机内加热措施对在径向上靠近催化器中心的区域和在轴向上靠近催化器入口的区域具产生更好的效果。
替代或附加地可以根据局部转化能力和/或全局转化能力或总转化能力对内燃机的允许运行范围进行根据需求的限制，该限制特别是包括减小可选择的转速范围和/或转速梯度范围和/或扭矩范围和/或扭矩梯度范围。由此能够在尚不能(完全地)进行转化的废气系统的情况下使内燃机的原始排放降低，以便避免未经转化的有害物质对环境造成过度污染。
一种根据本发明的计算单元、例如机动车的控制器，特别是设置为用于以编程技术的方式执行根据本发明的方法。
以计算机程序或具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序产品的形式执行根据本发明的方法是有利的，因为这导致特别低的成本，特别是当执行控制器也用于其他任务而因此反正已存在时。最后，设置一种机器可读的存储介质，在该存储介质上存储有如上所述的计算机程序。适用于提供计算机程序的存储介质或数据载体特别是是磁存储器、光存储器和电存储器，例如硬盘驱动器、闪存、EEPROM、DVD等。也可以通过计算机网络(互联网、内联网等)下载程序。这种下载在此可以是导线连接的或线缆连接的或无线的(例如通过WLAN网络、3G、4G、5G或6G连接等)。
附图说明
以下参照附图，根据在附图中示意性示出的实施例对本发明进行描述。
图1以经简化的示意图如其能够在本发明的范畴内被使用的那样示出一种废气设备；
图2以高度简化的流程图的形式示出根据本发明的一种有利构型。
具体实施方式
在图1中示意性示出一种具有废气设备的装置，如其能够在本发明的范畴内被使用的那样，并在总体上被用100标记。
装置100包括内燃机1以及布置在内燃机1下游的废气系统120中的多个催化器11、12、13。在所示出的示例中，这些催化器11、12、13中的每个催化器分别配属有一个温度传感器17、18、19，其中，传感器17、18、19分别以传导数据的方式与计算单元20——例如包括该装置100的机动车辆的控制器——连接。
在所示出的示例中，计算单元20还与内燃机1以及废气系统120的外部设备14、15、16——例如二次空气馈入装置、废气燃烧器、还原剂计量单元、电加热元件等以传导数据的方式连接，其中，这些设备分别被配属给催化器11、12、13之一。特别是还可以将电加热元件直接布置在催化器中或催化器的壳体内部。
由内燃机1所产生的废气10被依次馈送到废气系统120的催化器11、12、13，以便在这些催化器中被净化或消毒。在此可以分别为所述催化器11、12、13中的每个催化器设置特定的消毒或为多个催化器设置同步的消毒。例如，可以靠近内燃机1地布置的第一催化器11(例如在汽油发动机的情况下)可以构造为三元催化器(英文：three way catalyst；TWC)，而第二催化器12和第三催化器13可包括其他催化器和/或净化部件如NOx存储催化器、SCR催化器、颗粒过滤器等。然而第二和第三催化器12、13也可以包括一个或多个另外的TWC。此外，第一催化器11还可以包括一个或多个其他净化部件而并非一定构型为TWC。
根据对应的催化器类型，所述催化器11、12、13中的每个催化器具有专门的热工作范围、亦称转化窗口。为实现高效的转化，在此必须达到可预确定的最小(运行)温度、亦称起燃温度。在起燃温度以上，各个有害物质以显著的规模发生向危害较少的物质的转化。然而必要时，如果对应的催化器在高于起燃温度的温度运行，仍能够达到有效性提升。即使在低于起燃温度的情况下，必要时也可能已发生了转化，然而通常比高于起燃温度的情况在规模上显著更少。转化率例如可以遵循关于温度的sigmoidal函数或与此类似的变化曲线。
因为每个催化器11、12、13具有一定的热容量，所以并非整个催化器体积都同时跳跃式地进入热运行窗口。而是，催化器11、12、13沿着从前向后的流动方向被贯流加温，因此能进行转化的催化器体积随着时间的推移而逐步提高。
在图2中，以经简化的流程图的形式示意性示出根据本发明的方法的一种有利的构型，并在整体上被用200标记。
方法200的所示出的示例是涉及基于模型的温度确定。在对方法200进行阐述的范畴内，在设备部件方面也尤其援引图1中的装置100。
在方法200的第一步骤210中，检测或接收用于温度测定的输入参量。这些输入参量例如可以包括内燃机1的当前运行点(例如转速和扭矩)、馈送给内燃机1的空气-燃料混合物的特别是各燃烧室独立的成分、内燃机1的点火角、内燃机1下游的废气质量流量，在内燃机1下游的废气系统120内部的一个或多个预确定的位置(例如温度传感器17、18、19)处的当前温度，以及另外的相关参数。
在计算步骤220中，基于输入参量针对一个或多个催化器11、12、13内的作为部段的多个部分体积或者说地点求取当前温度。这些部分体积例如可以表示在轴向上依次布置的盘。在该图中，是通过将步骤220(随后的步骤230也一样)进行四次来示例性地表明表示针对四个地点或者说部分体积的求取，即通过四个这样的盘将催化器模型化。为此特别是可以使用各个催化器11、12、13的物理模型，在该物理模型中特别是纳入了催化器11、12、13的流体机械特性，以及催化器11、12、13、内燃机1以及废气10的热特性如热容量、热传导率等。这些特性可以永久地存储在计算单元20的数据存储器中，例如呈一个或多个特征曲线族、查找表(所谓的Lookup-Tables)、参数组等形式。
在求取步骤230中，由这样求取到的局部温度借助适用于对应的地点或者说相应的部分体积的、转化率与局部温度的相关性(例如上述起燃曲线)来求取局部转化能力。这种相关性在此特别是与催化器11、12、13的类型以及与这些催化器的老化有关，因为针对不同的待催化的转化反应需要不同的温度，并且转化效率通常随着催化器老化的增加而降低。催化器11、12、13的老化例如可以在诊断功能的范畴内进行求取并且以老化参数的形式被考虑到。老化参数在此可以全局地适用于整个所涉及到的催化器11、12、13，或者同样可以与地点相关地被求取，因为例如在催化器的边缘区域中通常具有比在催化器11、12、13的核心区域中更低的温度，所以核心区域比边缘区域老化得更快。例如可以为不同的老化状态分别存储一个参数组或特征曲线族，其中，可以相应于所求取到的老化参数在这些数据组之间进行内插。替代地也可以在温度轴上将各个现有的起燃曲线以老化参数进行移位。保存在计算单元20中的转化率变化曲线例如可以从构件特征值(例如来自催化器制造商或涂装者)、模型、从测量或这些项的组合中来求取。
在一种构型中，求取步骤还可以包括将局部温度与局部最小温度(由上述相关性得出)进行比较，在该局部最小温度以上，在所涉及的催化器内部的各个位置处可以期望值得一提的催化效率。在此，如果例如催化器11、12、13在催化性活性物质方面并非在整个催化器体积上都均匀地具有相同的成分和/或密度，则最小温度也可能是与地点相关的。例如，如果存在高的催化性活性物质密度，则可以认为最小温度较低，因为催化反应通常是放热的并且因此即使在低转化率的情况下也已出现自强化效应，因为首先发生的反应进一步加热催化器，而该效应在具有高催化剂密度的区域中比在具有低催化剂密度的区域中更强。根据局部的比较结果，同样可以针对所述地点中的每个地点或者说每个部分体积求取催化器的转化能力。
转化能力可以获得例如被按1来归一化的数值，其中，可以将转化能力1配属给如下地点或者说部分体积：在那里，基于那里的当前温度可以预期最大可能的转化率，而可以将转化能力为0配属给如下地点或者说部分体积：在该地点或者说部分体积中，由于温度过低而不能够发生转化反应的催化作用。如开篇所提到的那样，转化率并非一定在可精确确定的温度下从0跳跃式地增加到最大，而是例如可能遵循关于温度的sigmoidal变化曲线，从而转化能力也可能具有在0与1之间的值，并且特别是可能在高于最小温度的温度范围内仍增加。
在步骤240中，由在步骤230中所获得的局部转化能力计算全局转化能力。为此例如可以确定催化器11、12、13的已超过对应的起燃温度的体积份额，或者可以从经归一化的转化能力求出平均值。为此，特别是根据对应的部分体积在总催化器体积中的份额或根据对应的部分体积基于其尺寸、涂层、室密度等对总的有害物质转化所能够贡献的份额来对单个信息进行加权。在方法200的一种有利构型中，还可以求取转化能力在对应催化器内部的地点分辨的分布作为全局转化能力。在步骤240中，还可以求取内燃机1下游的整个废气系统120的总转化能力，以获得整个装置100的排放性能指标。
在控制步骤250中，基于局部转化能力或全局转化能力执行一个或多个用于调节催化器11、12、13的温度的措施，其中，特别是选择这样的措施：这些措施将局部转化能力最低的地方的转化能力提高。例如，如果催化器11的边缘区域具有低局部转化能力，但催化器11的核心区域具有高局部转化能力，则可以激活加热催化器11外壳的电催化器加热器。另一方面，更有利的可以是，当边缘区域已具有高局部转化能力，但核心区域具有低局部转化能力时，采取发动机内的加热措施(例如点火角向后调节、λ分流(Lambdasplit)等)。
措施250特别是使得能够实现在内燃机1冷起动后快速建立转化能力。但替代或附加地也可以也可以在驾驶周期中的较晚的时间点使用该措施，例如当涉及防止反推工况(Schubbetrieb)中的冷却问题(所谓的催化器保温)时或当涉及催化器11、12、13的温度调节时。在这些状况下，还可以在必要时进行与各催化器独立的加热措施进行结合，如电加热催化器(E-Cat)或废气燃烧器，或在催化器上游注入再生空气。由此例如可以实现将废气系统120的第二催化器12保持在特定的优化温度窗口中，该温度窗口可能与系统120中的第一催化器11的优化温度窗口完全不同。
此外，在所述催化器11、12、13中的一个催化器的全局转化能力低或废气系统120的总转化能力低的情况下，可以例如通过减少或者说限制最大可选择的扭矩或转速也或者是减少或限制转速梯度或扭矩梯度来限制内燃机1的允许运行范围，以便在废气系统120不具有转化能力或仅具有有限转化能力的情况下限制内燃机1的原始排放。
可以理解的是，在此描述的方法200并非必须以所示出的形式构型为分步骤的方法200。而是也可以是也可以相互平行地、同步地和/或基本上连续地执行某些“步骤”。分步骤的顺序仅仅是为了对阐述进行更好的理解而选择出的而不应理解为受限于该顺序。
Claims (11)
1.一种用于确定内燃机(1)下游的一个或多个废气催化器(11，12，13)的转化能力的方法(200)，所述方法包括：
在所述一个或多个催化器(11，12，13)内部的多个地点处分别求取(220)局部温度；
基于所述局部温度针对所述一个或多个催化器(11，12，13)的部段或部分体积求取(230)局部转化能力；和
基于所求取到的局部转化能力求取(240)所述一个或多个催化器(11，12，13)的全局转化能力。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，对所述一个或多个催化器的全局转化能力的所述求取包括对所述局部转化能力根据通过对应的部分体积对全局转化能力的最大可能的贡献进行加权。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述局部温度分别借助传感器(17，18，19)和/或借助计算规则基于一个或多个输入参量来求取(220)，其中，所述一个或多个输入参量尤其包括所述内燃机的废气温度和/或废气成分和/或运行参数，特别是运行点、空气-燃料混合物成分、点火角和转速。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，所述多个地点在其相对于通过所述一个或多个催化器(11，12，13)的主流动方向的轴向位置和/或径向位置方面彼此不同。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，根据所述一个或多个催化器(11，12，13)的老化参数对所述局部转化能力和/或所述全局转化能力进行所述求取。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，针对内燃机(1)的废气系统(120)的至少两个催化器(11，12，13)执行所述方法(200)，所述方法包括基于所述至少两个催化器(11，12，13)中的每个催化器的所确定的全局转化能力来求取所述废气系统(120)的总转化能力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，所述方法包括根据所述局部转化能力和/或全局转化能力和/或根据权利要求6所述的总转化能力执行用于匹配催化器温度的措施(250)，特别是，执行来自发动机内的加热措施组中的一个或多个措施，特别是点火角调节、推力禁止、λ分流、废气再循环和混合物富油，和外部加热措施(14，15，16)，特别是废气燃烧器运行、电催化器加热和二次空气引入。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括根据所述全局转化能力和/或根据权利要求6所述的总转化能力来限制所述内燃机的允许运行范围，其中，所述限制特别是包括减小可选择的转速范围和/或转速梯度范围和/或扭矩范围和/或扭矩梯度范围。
9.一种计算单元(20)，所述计算单元设置为用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)的所有方法步骤。
10.一种计算机程序，当在计算单元(20)上运行所述计算机程序时，所述计算机程序促使所述计算单元执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(200)的所有方法步骤。
11.一种机器可读的存储介质，在所述存储介质上存储有根据权利要求10所述的计算机程序。
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