CN116591811A - 用于确定流体的质量流的方法、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流体(121)的要引入内燃机的废气系统(170)中的质量流的方法，其中，求取在所述废气系统(170)中的内壁(176)的区域(184)的壁温度，在所述区域(184)，在质量流太高的情况下，可能形成由于所述流体(121)而引起的壁膜(182)，并且其中，在考虑所述壁温度的情况下，确定所述流体(121)的能引入所述废气系统(170)而在后来不形成固态的沉积物的质量流。

Description

用于确定流体的质量流的方法、计算单元和计算机程序
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体的可以最大限度地无沉积物地引入到内燃机的废气系统中的质量流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
在机动车中的废气的后处理中，可以使用所谓的SCR方法(英语：SelectiveCatalytic Reduction，选择性催化还原)来还原氮氧化物(NOx)。在此，将尿素水溶液(HWL)作为还原剂溶液导入通常富含氧气的废气中。为此，配量模块或者配量阀可以作为流体供给系统的组成部分使用，所述配量模块或者配量阀包括喷嘴，以便将尿素水溶液喷射或者引入到废气流中。在SCR催化器上游，尿素水溶液反应形成氨，所述氨接着在SCR催化器上与氮氧化物结合，由此产生水和氮气。
发明内容
根据本发明，提出根据本发明的用于确定流体的质量流的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。有利构型是优选实施方式和随后说明的内容。
本发明致力于机动车中的废气后处理并且在此尤其致力于流体、例如尿素水溶液到废气系统中的引入。在这里，典型地使用流体供给系统，以便将流体引入废气管路中，在所述废气管路中设置有例如SCR催化器。
所谓的SCR催化器将氨存储在催化器表面上。用于存储氨的存储器容量决定性地取决于催化器表面的基底温度并且随着温度的升高而下降。在催化器表面上的还原剂供应越大，也就是说，越多的氨结合在催化器上，则在SCR催化器中的NOx转化越成功。只要SCR催化器的存储器容量还没有被充分利用，就会存储过多地被引入或者说配入到废气系统中的还原剂；如果配量模块提供比对于当前存在于废气中的氮氧化物的转化可能会必要的更少的还原剂，则由于在催化器表面上继续发生的NOx转化而使氨降低。
例如，用于SCR系统的配量策略可以具有填充高调节，所述填充度调节在SCR催化器中设定呈用于氨填充度的应有值形式的工作点。该工作点可以这样选择，使得氨填充度足够高，以便不但确保高的NOx转化率而且也确保对于在SCR催化器前面短时间地出现的NOx峰值进行缓冲。在此，可以选择离最大存储量尽可能远的填充度，以避免在基底温度快速升高时的氨滑脱。
因此，好的NOx还原的前提是以氨进行充分的供给，所述供给应由好的还原剂蒸发和因此在热解和水解时的高转化率来确保。在此，除了优化温度之外，这也视还原剂在废气中的好的、均匀的分布而定。通常，这个要求可以仅通过注射时的优化雾化和接着的好的混合路段或混合器来满足。还原剂在废气中均匀分布的质量和因此可以被用于还原剂蒸发的废气函的比例可以例如通过所谓的“Load Index”或者说负载指数来说明。
因此，可以借助于负载指数、废气质量流和废气温度来定义还原剂质量流，所述还原剂质量流在当前可以在混合路段或者混合器中完全地蒸发。
为了设定所提到的、用于好的NOx还原的工作点，必需求取所期望的还原剂应有配量量，该求取例如在电子控制单元中进行。然后，例如用于运行和监控SCR系统的策略也存储在该电子控制单元中。
固然，在确定的操作点时可能导致，所期望的还原剂或者说还原剂溶液的量比当前在废气系统中可能蒸发的量更高。尽管如此，如果还原剂或者说还原剂溶液的该提高的量被引入，则该提高的量在废气流中不会完全蒸发并且在废气系统中局部地形成由还原剂溶液引起的液态壁膜。特别是在温度低于160℃的情况下，如已被证实的那样，存在这样的风险：作为还原剂溶液组分的水部分比还原剂或者说尿素部分又更快地蒸发。因此，这导致还原剂浓缩，所述还原剂最终可以作为固体沉积在废气系统中的内壁(或者管壁)的各个部位上。如果一旦这些固态的沉积物产生，则存在这些固态沉积物变大并且废气系统的对于废气而言可用的横截面被减小。这导致可能的还原剂预处理和因此NOx还原的进一步减少。此外，在废气系统上的压力损失增加，这提高车辆的燃料消耗。在极端情况下，废气系统可能这样强烈地被耗尽，使得车辆完全地停止运转。
基于此，可以设置例如这样的功能：所述功能例如同样地在控制单元上运行并且限界所请求的配量量或者说质量流。这些限界或者说限制可以例如通过特性曲线或者计算公式例如基于负载指数来定义并且基本上直接地取决于废气温度和废气质量流。这样的限制的目的在于，在各个运行确保还原剂几乎完全地蒸发并且避免还原剂的沉积。
用于限制流体或者说还原剂溶液的质量流的功能基本上可以使用废气质量流和废气温度，以便估计，在当前运行点可以预处理多少还原剂或者说还原剂溶液。
这里，现在在本发明的框架下，有利地也考虑混合路段或者混合器的壁温度，也就是废气系统中的内壁的在配量量太高或质量流太大的情况下还原剂或者说还原剂溶液沉积(形成壁膜)在其中的区域的壁温度。在壁温度足够高的情况下，如被证实的那样，也可以引入提高的配量量，因为在废气系统的壁上产生的壁膜可以非常快速地再次蒸发。尤其是在壁温度超过160℃的情况下，不发生还原剂的浓缩和因此不发生固态沉积。由于还原剂或者说还原剂溶液在壁温度高的情况下的喷射的提高，可以给SCR催化器提供更多的氨以供使用，这可以改进该催化器的NOx还原。
在此背景下提出，在考虑废气系统中的这样的区域的壁温度的情况下确定被引入或要引入废气系统中的流体、例如还原剂溶液)的质量流(或者说配量量)：在所述区域中，在配量率太高或者说质量流太大的情况下流体可能会形成壁膜。尤其是，待确定的质量流是这样的极限(极限值)：当局部管壁温度低于160℃时，不应超过所述极限(极限值)、即最大值，以避免固态沉积。典型地，内壁的该区域是配量模块和催化器之间的区域。尤其是，壁温度可以基于模型来求取。
因此，所提出的方法提供这样的可能性：尤其给SCR催化器暂时地提供更高量的氨以供使用并且因此改进NOx还原，而不提高还原剂沉积的风险。同时，例如在冷起动时，只要壁温度太低，则可以更有效率地限界配量量，以避免沉积。
即，如果壁温度高于例如所提到的160℃的阈值，则将质量流可以提高到超过该提到的极限值；相反，如果壁温度低于该阈值，则质量流可以继续被限于该极限值。
机动车的根据本发明的计算单元、控制器、尤其是发动机控制器或者废气后处理控制器尤其是在程序技术方面设置为用于，执行根据本发明的方法。
根据本发明的方法以具有用于执行所有的方法步骤的程序代码的计算机程序或者计算机程序产品形式的实现也是有利的，因为这导致特别低的成本，尤其是当进行实施的控制器还被使用于另外的任务并且因此总会存在时。最终，设置一种机器可读的存储介质，该存储介质具有如以上所说明的、存储在其上的计算机程序。用于提供计算机程序的合适的存储介质或者数据载体尤其是磁性、光学的和用电的存储器，如例如硬盘、闪存、EEPROM、DVD以及其他等等。通过计算机网络(因特网，内联网等等)下载程序也是可能的。在此，这样的下载可以有线地或者电缆连接地或者无线地(例如，通过WLAN网络、3G连接、4G连接、5G连接或者6G连接等等)进行。
附图说明
从说明书和随附的绘图得出本发明的另外的优点和构型。
根据在绘图中的实施例示意性地示出并且以下参照绘图说明本发明。
图1示意性地示出一种流体供给系统，在所述流体供给系统中，可执行根据本发明的方法。
图2示意性地详细说明地示出来自图1的废气系统。
图3示意性地示出在一种优选的实施方式中的、根据本发明的方法的流程。
图4示出在在一种优选的实施方式中的根据本发明的方法的使用和不使用本发明之间的比较。
具体实施方式
图1示意性地示出流体供给系统100、尤其是呈SCR供给系统形式的流体供给系统，在所述流体供给系统中，可执行根据本发明的方法。SCR供给系统100具有构造为泵的、具有过滤器132的输送单元130。泵130设置为用于，将流体或者说还原剂121(例如尿素水溶液)从流体箱120通过压力管122输送至配量模块或者说配量阀140。然后，流体121借助于配量阀140被引入或喷射到内燃机的废气系统170或废气系中。
此外，设置压力传感器142(该压力传感器也可以集成在泵中)，所述压力传感器设置为用于，测量至少在压力管132中——和因此在流体中——的压力。例如呈废气后处理控制器或者发动机控制器形式的计算单元150与压力传感器142连接并且获得关于压力管122中的压力的信息。此外，计算单元150与泵130和配量阀140连接，以便控制或者运行SCR供给系统100。
此外，SCR供给系统100包括例如回流管160，流体可以通过所述回流管流回到流体箱120中。在该回流管160中布置有例如隔板或者节流部161，所述隔板或者节流部提供局部的流阻力。尤其是在泵具有主动地控制的阀的情况下，也可以省去这样的回流。
计算单元150设置为用于，使用例如从用于废气中的温度、压力和氮氧化物含量的传感器(例如传感器172)接收的相关数据，以便运行SCR供给系统100并且尤其是操控泵130和配量阀140，以便将尿素水溶液121(流体)供应给SCR催化器174前面的废气系统170。
在图2中更详细说明地示出来自图1的废气系统170。在这里，尤其示出具有废气管178的废气系统170的内壁176。流体121(还原剂溶液)的一部分在它到达内壁176之前已经在废气流180中混合并且蒸发。在流体质量流121较高的情况下，废气流中未被蒸发的流体量在区域184中到达内壁上并且可以形成壁膜182。因此，流体121可以在它到达催化器174之前在不同部位上蒸发。
在图3中示出在一种优选实施方式中的根据本发明的方法的流程，该流程尤其也应参照图2更详尽地解释。
在第一步骤中，确定还原剂溶液的可以被引入并且同时完全在废气流中蒸发而在此不到达内壁176(管壁)的那个质量流。因此，在这种质量流的情况下，不形成壁膜182。
该质量流可以被称为稳态极限因为在废气系统长时间地保持在运行点时该质量流也可以被引入，而不产生沉积物。例如，通过所提到的Load Index或者说负载指数LIstat来定义该质量流或者说稳态极限/>——即，这是极限值，其中，负载指数的值恰好这样低，使得在稳态运行时一定不发生壁膜形成。
负载指数描述了与内燃机运行点和所必需的还原剂溶液量(质量流)相关的(固态的)沉积物形成的风险。在此涉及在为了蒸发还原剂而必要的功率(单位时间的能量)与在极限温度以上的废气中的热流比例之间的无量纲的关系。例如，负载指数LIstat可以例如如下地定义：
在此，为还原剂溶液的质量流，hvap为还原剂溶液的蒸发焓，/>为废气质量流，cpA为废气的热容，T为废气温度，并且Tmin为用于充分蒸发的最小温度，即极限值。
此外，可以定义还原剂溶液的最大质量流，所述最大质量流在短期可以被允许并且因此应被称作动态极限——因此，这是一个另外的极限值。该质量流同样地可以通过Load Index或者说负载指数来定义，然而所述Load Index或者说负载指数的值更高。以下，作出这样的假设：以大于稳态极限/>的质量流喷射还原剂溶液才导致壁膜形成。因此，到达管壁上的还原剂溶液量或者说质量流的比例/>相当于稳态极限/>和在当前配入的还原剂的质量流/>之间的差，相应于以下公式：
该公式仅在的条件下适用，由此，对于以下的计算，该质量流也设有负号。
为了在下一个步骤中确保，尽管用还原剂溶液暂时地形成壁膜不引起还原剂的结晶的(固态的)沉积，管壁在对应部位——和因此尤其是在区域184中的温度(壁温度)TW不应落在尤其是160℃的阈值Tmin(所提到的极限值)以下。因此，用于限制质量流的参量是管壁的该局部温度，所述局部温度被用于在稳态极限和动态极限/>之间的内插，以便计算质量流的当前限制/>——所述质量流可以最大限度地被引入，而不带来固态沉积物的风险。
此外，可以定义例如210℃的优化蒸发温度Topt，从该优化蒸发温度起，可以引入与动态极限相应的最大质量流。用于内插的这个因子F由公式得出
然而，对于所有以下的计算，该因子应被标准化为0至1之间的值。
接着，可以通过使用公式
执行所提到的内插，以便确定还原剂溶液的质量流的当前限制
为了计算管壁的必要局部温度TW，可以通过使用热力学第一定律的方式来定义平衡空间。平衡空间在局部管壁件或者混合器的组成部分、也就是说区域184周围作出，在所述区域上可以形成壁膜。因此，相应于公式
产生用于不稳定系统的已经简化的热力学第一定律。在此，这包括由于还原剂溶液的蒸发而引起的热量流以及从废气到壁中或从壁向周围环境的热量流。
在该公式中所作出的简化包括忽略所参与的物质质量流的动能或者势能的改变。能量流已经被称作热流并且在以下公式中更详尽地被定义。此外，没有任何机械功率被供入平衡区域。
在公式
中，进一步解析前面公式的非稳态项，所述非稳态项描述局部管壁段(该区域)在时间上的温度改变。温度改变的可能速度主要被可施加的局部管壁质量mW和特定热容cpW影响。这里所使用的标号1和2代表所考虑的时间间隔t2-t1的初始状态和最终状态。管壁在运行周期开始时的初始温度例如一次地通过由在SCR催化器前面的温度传感器提供以供使用的第一值来定义。
用公式
可以描述由于质量流在管壁上的蒸发而发生的热损失；在此，ΔhF表示焓的改变。相应于上面的公式(1)，估算在稳态极限/>和还原剂溶液的当前质量流/>之间的差，因为只有这个比例到达管壁。接着，将总质量流与蒸发焓相乘。在这种方法中认为：由还原剂溶液组成的壁膜立即又蒸发并且因此其大小在理论上保持为零。然而在现实中，发生短时间的壁膜形成，然而，所述壁膜形成又快速地被蒸发。
在下一个步骤中，可以通过公式
定义在废气质量流和局部管壁段之间的热传递。此外，这取决于传热系数αA/W，所述传热系数αA/W可以以简化方式通过与废气质量流有关的线性函数(因子αA/W,Fak和常数项αA/W,konst)自由地施加。此外，热传递被可施加的局部管壁面积AWand(也就是其中可能形成壁膜的区域的面积)和废气质量流和管壁段之间的当前温度差影响。
相应于公式
向周围环境的热损失构成最后的影响因素。该影响因素与管壁段和周围环境之间的温度差有关。同样地，标准在于，废气系统是否隔热。一旦存在隔热，该废气系统的厚度通过参数dW/Iso施加，同样情况适用于导热能力λW/Iso。在这种情况下，热损失非常小。然而，如果不应存在隔热，则记入管壁的厚度和导热能力，由此，热损失明显更高。在这种情况下，传热系数αW/U的影响也增加，所述传热系数为了简化同样地可以通过与车辆速度υFzg有关的线性函数(因子αW/U,Fak和常数项αW/U,konst)自由地施加。局部管壁段的面积AW也又进入计算中。
在图4中示出基于冷起动的机动车的还原剂溶液的质量流在一个运行周期上的模拟结果，更确切地说，在以一种优选实施方式中应用本发明方法和不应用本发明之间的比较示出。
示出与SCR催化器前面的温度Tkat、废气质量流和SCR催化器的当前填充度偏差(示出填充度L)有关的质量流限制相应曲线在图4中作为实线示出并且对于没有使用本发明的情形用虚线的参考标记示出并且在上方曲线图中在突出区域中说明SCR催化器的非常快速的填充度构建，尽管相应的被建模的壁膜温度Tw在下方曲线图中非常明显地低于在这里160℃的阈值Tmin。
同样在图4中示出的加点的线和非虚线的参考符号示出在一种优选实施方式中使用根据本发明方法时并且因此基于局部管壁温度对配量量的限制。
在上方曲线图中在运行周期开始时的被突出区域中，发生SCR催化器的明显更慢的填装。在该区域中，在下方曲线图中所示出的内插因子F在两种情况下都为零，这意味着，允许的质量流由稳态限制/>给出，以便防止：还原剂到达管壁上。然而，在没有使用本发明的限制中，不使用这种内插或者说限制。由此原因，在不使用本发明的情况下非常可能构建大的壁膜；该壁膜由于低的壁温度而仅非常缓慢地蒸发。
此外，来自还原剂溶液的水比还原剂(尿素)明显更快速地蒸发，并且由此导致的还原剂比例增加有利于固态沉积物的产生。SCR催化器的填充之后，两种模拟的填充度变化曲线是一致的。因此，在一种优选实施方式中的根据本发明的方法非常好地适合于，一方面防止沉积物在冷起动阶段期间积累和另一方面当废气系统被预热时提供足够的还原剂质量流。

Claims (11)

1.用于确定流体(121)的质量流的方法，所述质量流要被引入到内燃机的废气系统(170)中，该方法包括：
求取在废气系统(170)中的内壁(176)的这样的区域(184)的壁温度(TW)：在该区域(184)中在质量流太大的情况下可能通过所述流体(121)形成壁膜(182)，并且
确定所述流体(121)的这样的质量流在考虑所述壁温度(TW)的情况下所述质量流能被引入到所述废气系统(170)中而在后来不形成固态沉积物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于模型求取所述壁温度(TWand)，其中，在该模型中，考虑对于冲击到所述内壁(176)上的流体所必要的蒸发热和在内壁、废气和周围环境之间的热流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当所述壁温度(TW)低于预给定的阈值(Tmin)时，将所述流体(121)的能引入到所述废气系统(170)中而在后来不形成固态沉积物的质量流限于极限值/>内，并且，其中，当所述壁温度(TW)高于所述预给定的阈值(Tmin)时，确定所述流体的高于所述极限值/>的质量流/>
4.根据权利要求3所述的方法，其中，这样选择所述极限值(Tmin)，使得在所述废气系统(170)中不形成流体(121)的壁膜(182)，或者壁膜(182)立即被蒸发，而不会由于所述流体(121)的组分的超比例蒸发而发生所述流体(121)的离解，和/或其中，所述极限值(Tmin)选择在150℃和170℃之间、尤其是160℃。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，当所述壁温度(TW)高于所述预给定的阈值(Tmin)时，将另外的极限值确定为所述流体(121)的这样的质量流/>所述质量流能被引入到所述废气系统(170)中而在后来不形成固态沉积物。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相应于优化蒸发温度(Topt)地选择所述另外的极限值所述优化蒸发温度尤其在200℃和220℃之间选择，优选为210℃。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，操控流体供给系统(100)，以便最多地将所述流体的所确定的质量流引入到所述废气系统中。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述流体(121)是或者具有尿素水溶液。
9.计算单元(150)，所述计算单元设置为用于，执行根据以上权利要求中任一项所述的方法的所有方法步骤。
10.计算机程序，当在所述计算单元(150)上实施所述计算机程序时，该计算机程序安排所述计算单元(150)执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的所有方法步骤。
11.机器可读的存储介质，所述存储介质具有存储在其上的根据权利要求10所述的计算机程序。
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