CN1198796A - 用于向燃烧设备所排出的废气流中定量加入还原剂的方法及装置 - Google Patents

用于向燃烧设备所排出的废气流中定量加入还原剂的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种向燃烧设备、特别是内燃机(1)所排放出的废气流中定量加入还原剂(4)的方法及所属的装置。为降低有害物质,在此,利用一函数关系,从燃烧设备的、废气(6)的、必要时还有催化剂(2)的重要工作参数出发,对还原剂(4)加入量进行调节,在此,在燃烧设备工作期间,检查该函数关系并使之与燃烧设备的、废气(6)的、必要时还有催化剂(2)的当前状态及当前工作条件相匹配。

Description

用于向燃烧设备所排出的废气 流中定量加入还原剂 的方法及装置
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的方法，以及一种具有权利要求17前序部分特征的相应装置。
在DE 4315278 A1中，描述了一种向含有氮氧化合物的、由内燃机排出的废气中，定量加入还原剂的方法及相应的装置，其中，加入到废气流中的还原剂量通过一控制单元，根据重要的工作参数来进行调节。由此，预定好一最佳的还原剂分配量，使得氮氧化合物在催化剂上得以完全地催化转化，并避免出现还原剂短缺。
内燃机的重要工作参数，例如象调速器齿条行程、进气增压压力或发动机转速，在此由控制单元借助于一预先给定的、并以特性曲线组的形式存入控制单元的函数关系，换算成还原剂的加入量。催化剂的重要工作参数，如催化活性度或容量，同样存入控制单元，用于辅助计算还原剂加入量。考虑到催化剂的老化，相应于内燃机的工作时间，催化剂的重要工作参数也要根据在试验研究中得出的老化曲线进行变化。
在前面所提及的方法中，未考虑由于老化、磨损或工作条件改变而引发的内燃机的函数关系的变化。
在DE 3337793 C2中，也说明了一种向燃烧设备所排出的含有氮氧化合物的废气中定量加入还原剂的方法。此处会碰到为分解氮氧化合物而使用的催化剂的老化问题，表示氮氧化合物浓度与还原剂浓度之间关系的化学计算法曲线，为此应作相应地移动。
然而，当为确定重要的工作参数与所要定量的还原剂量之间的函数关系而引用的内燃机或燃烧设备(包括催化剂)的特性参数，发生了不可预见的变化时，这两种方法中还原剂量的定量并不是最佳的。
本发明的目的在于，提供一种定量加入还原剂的方法及相应的装置，使得即便在因老化或磨损，燃烧设备的特性参数发生了不可预见的变化时，也可以确保还原剂量的最佳定量，以分解有害物质。
有关本发明方法方面的目的通过权利要求1的特征部分与前序部分相结合来实现。本发明方法有利的实施形式通过从属权利要求2～16来实现。有关本发明装置方面的目的通过权利要求17的特征部分与前序部分相结合来实现。本发明装置一有利的实施形式接下来在权利要求18中得以说明。
与现有技术不同，按照本发明方法，在确定最佳的还原剂添加量时，测定并考虑了重要工作参数之外的其它参数。老化状况、磨损状况以及其它非常的工作条件等可被视作补充的参数。因此考虑到了下述情况，即为确定最佳的还原剂量而采用的重要工作参数与待定量的还原剂量之间的函数关系(例如为特性曲线或特性曲线组的形式)不可能静态地或事先在试验研究中得以确定，在燃烧设备的实际运作中它具有一个动态的、有待定期进行检验并重新确定的特性。
因此，本发明的方法是一种在燃烧设备实际的、长年的运作中，在很大程度上与当前的、实际的工作条件匹配的、为燃烧设备的运作而自动进行匹配的方法，由此，基于最佳的还原剂量，形成对还原剂的一个有利消耗和燃烧设备的一个最佳工作点。
对于函数关系的检验和匹配，现在一方面可以根据需要手工进行(例如在燃烧设备改装的情况下)，另一方面或者(周期性地)自动地通过组装在燃烧设备系统中的附加单元来进行。
通过除了考虑到通常的重要工作参数外，还考虑燃烧设备当前的状态参数和工作条件，使燃烧设备成为一个在确定最佳的还原剂添加量时，将所有对于燃烧设备工作应该考虑的因素考虑到的整体系统。
本发明的方法通过定期的检验对自身进行查询并自动匹配，因而并不坚持一个仅仅适用于某个共同的或根据燃烧设备的运行时间假定的假设状态的函数关系。
根据本发明，函数关系的匹配通过校正系数来进行。在最简单的特征在于特性曲线具有某个输入参数和所述输出参数还原剂量的情况下，通过引入校正系数，使分配给各输入参数的原始值普通升高或降低一个校正系数。
在复杂的函数关系中，特性曲线的函数等式的单个参数和加权，也可以单独或累积变化。在特征曲线组匹配时，采用类似的方法使整个公式系统中与单个输入参数相关联的关系式或函数组成部分单独地或累积地匹配。
在最简单的函数关系仅包含一个输入参数的情况下，例如可以通过引入一或加或减的附加修正系数，使表征函数关系的特性曲线发生移动。
根据本发明进一步建议，函数关系的匹配借助数字方法来进行。在特征曲线包括唯一一个输入参数的最简单情况下，可例如将特征曲线例如抛物线形状区域的起点和终点用于一新的校正特征曲线，而在原始特征曲线的起始区域和终止区域之间对新的函数中间值(例如通过插值法)进行计算，在多维特性曲线(组)的情况下，以类似的方法可采用适合的数字法或多次内插法。
另外，为了函数关系的匹配，按照本发明的方法，更有利的是采用多种数学方法(例如数字法与简单的修正系数确定法的组合)。
函数关系通过本发明方法的匹配，在第一种变型方案中可有利地从测量燃烧设备所排出的废气流中有害物质浓度开始。之后通过传感器来确定，有害物质的浓度是否位于或超出了有害物质排放容差范围。如果超出或低出有害物质排放容差范围，加入的还原剂量通过一定的修正系数自动地增加或减少。例如为避免有害物质浓度过高，可将还原剂量提高1.1倍。
这个具体的修正系数现在也用于函数关系的匹配，以确定有待加入的还原剂量，从而消除引发有害物质浓度过高的、函数关系的偏差。
最后，再次确定废气流中有害物质的浓度，当有害物质的值再次出现升高或降低时，通过一新的修正系数，再次对还原剂添加量进行修正，这个修正系数再次用于函数关系的匹配。
所表述的方法自相容地反复进行，直至废气流中有害物质的浓度处在允许的有害物质容差范围内为止。为此，所描述的函数关系连续不断的匹配要应用一次或多次修正系数。
这样就得出了最佳的还原剂添加量，以及一个新的与实际情况相应的函数关系的匹配情况。
在本发明方法的第二种变型中，所加入的还原剂量超过了还原剂的实际需求，由此会发生一定的还原剂滑脱(也就是还原剂过量)现象，这通过适当的传感器元件，例如一NH3传感器来测量并加以控制。
基于还原剂滑脱的状况，通过利用还原剂滑脱参数、当前的状态参数和重要的工作参数，可计算得到燃烧设备的一个最佳工作点。如果这个计算出的工作点与燃烧设备实际的工作点(在产生还原剂滑脱之前)有偏差，就对函数关系进行匹配，以便在消除产生的还原剂滑脱之后，使燃烧设备达到最佳的工作点。
函数关系的匹配可以不依照本发明方法的建议方案，而如所述那样通过不同的方法或方法的组合来进行。
一般来讲有利的是，函数关系的匹配通过对燃烧设备总体运行性能的保护和监控函数伴有保护和监控作用，以便即使在匹配时也保证燃烧设备有一个稳定和受控的运行状态。
如已叙述过的那样，本发明方法除了测量当前的状态参数(例如老化或磨损)或当前的运行条件(例如非常的负载状况)外，还测量传统的重要工作参数。例如要考虑到空气质量流量、油门位置、增压压力和发动机转速等内燃机的重要工作参数。
有关废气的重要工作参数，有它的温度、压力、质量流量和有害物质浓度。用于减少有害物质的催化剂的重要工作参数，为其温度、催化活性度、催化活性块的重量、几何尺寸、热传导和取决于温度的用于还原剂输入的比存储容量。
为在带有催化剂的燃烧设备开动之前形成一定的原始状态，最好通过引入低温燃烧(Blaubrenner)的废气，用还原剂清洗一下催化剂。
用来向燃烧设备的废气流中定量加入还原剂的，主要用于实施本发明方法的本发明设备，因传感器元件而出众，该传感器元件(除通常确定重要工作参数外)还用来确定整个燃烧设备的、尤其是内燃机的、废气的和催化剂的当前状况以及当前的工作条件。
另外，本发明设备具有一中央处理机，该中央处理机与传感器元件相联，并且通过其计算可借助于函数关系来确定还原剂的添加量。通过该中央处理机并根据由传感器元件测得的测量值，还尤其可对函数关系进行匹配和检验，从而以所述方式方法考虑到由传感器元件提供的磨损参数或老化参数。
另外，有利的是，中央处理机还用来对内燃机、催化剂、还原剂添加以及其它从属于燃烧设备的装置进行总体控制和监控，它包含有即使在对函数关系进行匹配时也必须重视的保护和监控函数。
下面借助于附图所示实施例对本发明作进一步的说明，附图中：
图1为本发明设备的总体示意图；
图2为说明本发明方法的第一种变型的简图；
图3为通过移动进行特性曲线匹配的示例；
图4为用于本发明方法的第二种变型的示例；
图5为通过内插法进行特性曲线匹配的示例。
图1示出一个带有一内燃机1的燃烧设备的总体系统，内燃机的废气6被导入一个净化用的催化剂2中。另外，贮存在还原剂箱3内的还原剂4，以及当需要时低温燃烧设备5的废气，被导入该催化剂2中。布置在整个设备不同位置处的传感器元件S1～S5，不仅用来确定重要的工作参数，而且还用来确定整个装置当前的状况和工作条件，函数关系的匹配通过中央处理机7来进行，该中央处理机为进行控制与所有系统组元相联系，此外测量并处理由传感器元件S1～S5获得的测量值。
现在，借助于图2，介绍一下本发明方法的第一种变型。从简单而模型化地确定有害物质浓度20出发，利用唯一的横坐标参数21，首先来确定有害物质浓度20的浓度值K。若首先确定出的浓度值K1位于有害物质容许范围的容差区8之上，则因此可以确定，加入的还原剂太少了。
本方法接下来的步骤是，还原剂量22变换一个修正系数(例如为1.2)，并因而得到提高(参见图3)。与所选择的修正系数相关，特性曲线也发生移动，以获得最佳的还原剂量22，使得根据图3-基于用虚线示出的原始特性曲线9-获得了相应于修正系数移动适配后的特性曲线10。
接下来，再测量有害物质的浓度20，并确定浓度值K2位于容差区8之内，燃烧设备将来的运作将根据图3中所匹配的特性曲线10来进行。
在图2和图3中简单示出的本发明方法的第一种变型，是根据由唯一的参数构成的、简单的特性曲线来进行的。所述利用修正系数的匹配过程可类似地应用于多维特性曲线(组)。
图4和图5中示出了本发明方法的第二种变型。首先，根据图4，燃烧设备在工作点A1工作。
通过在相宜的传感器元件(例如NH3传感器)的监控下增大还原剂量22并且在有害物质的浓度20下降的同时产生还原剂滑脱23，来测定工作点As。从这个工作点As出发，借助于当前的还原剂滑脱23、重要的工作参数、当前的状态参数和当前的工作条件来进行计算，得出最佳的还原剂量，并因而得出用于在校正之前运行状态的最佳工作点A2。
在最简单的情况中，滑脱状态下存在的还原剂量22以一个经验系数来进行修正，由此，确定出用于在校正之前运行状态的最佳的还原剂量22，这是建立在还原剂量22稍微过量的假设之下的。
在现在的情况中，最佳工作点A2与原来的工作点A1不同，因而这就需要，将用于在原始工作点A1下运行而采用的特征曲线9′按图5所示来匹配，这在图5的情况下，是通过采用原始特征曲线9′的起始点11和终止点12并计算一新的，经过工作点A2的匹配特征曲线10′来实现的(例如利用内插值法来计算在起点11，工作点A2和终点12之间的中间值)。
在进一步的运行过程中，燃烧设备在工作点A2运行并根据匹配的特性曲线10′确定还原剂量，该曲线也考虑到了燃烧设备当前的状态参数和当前的工作参数。

Claims (18)

1.一种用于向一燃烧设备，特别是一内燃机(1)所排放出的废气流中定量加入还原剂(4)的方法，其中还原剂添加量借助于一函数关系，尤其是借助于一特性曲线或一特性曲线组，从燃烧设备的、废气(6)的、必要时还有为减少有害物质而采用的催化剂(2)的重要工作参数出发进行调节，其特征在于，在运行期间，检查所述函数关系并使之与燃烧设备的、废气(6)的、必要时还有催化剂(2)的当前的状况以及当前的工作条件匹配。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，根据需要对函数关系进行检查和匹配。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，函数关系的检验与匹配自动进行。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，对函数关系进行自动的、周期的检验与匹配。，
5按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，函数关系的匹配利用一修正系数来进行。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述修正系数是一用于重要工作参数的或加或减的附加值。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，函数关系的匹配借助于数字方法来实现。
8按照权利要求7所述的方法，其特征在于，函数关系的匹配利用内插法来实现。
9按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：
a)测量废气流中有害物质的浓度，
b)确定是否位于有害物质的容差范围内，
c)当高出或低出有害物质的容差范围时，使还原剂的输入量提高或降低一个修正系数，
d)为获得当时有待输入的还原剂量，用该修正系数来使函数关系匹配，
e)重复步骤a)～d)，直至确定所测得的有害物质的浓度测量值位于有害物质容差范围之内为止。
10.按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：
a)提高所输入的还原剂量并产生一定的还原剂滑脱，
b)通过利用一定的还原剂滑脱、当前的状态参数和重要的工作参数，计算燃烧设备的工作点，
c)如果计算出的工作点，偏离由原来的特性曲线或特性曲线组所确定的瞬态工作点，则对用以确定有待输入的还原剂量的函数关系进行匹配。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，还原剂滑脱利用一传感器元件，特别是一NH3传感器来探测和监控。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，利用保护和/或监控函数，进行或停止函数关系的匹配。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，燃烧设备为一内燃机(1)，并且空气质量流量和/或油门位置和/或增压压力和/或发动机转速为内燃机(1)的重要工作参数。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，废气(6)的温度和/或压力和/或质量流量和/或有害物质的浓度为其重要的工作参数。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于，催化剂(2)的温度和/或催化剂活性度和/或催化活性块的重量和/或几何尺寸和/或热传导性，和/或用于还原剂(4)的比存储容量，为其重要的工作参数。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于，在燃烧设备起动之前，催化剂(2)通过低温燃烧(Blaubrennen)由还原剂(4)来进行清洗。
17一种用于向一燃烧设备，特别是一内燃机(1)所排放的废气流中定量加入还原剂(4)的设备，其中借助一函数关系，尤其是借助一特性曲线或特性曲线组，从燃烧设备的、废气(6)的、必要时还有可用来减少有害物质的催化剂(2)的重要工作参数出发，对还原剂(4)的加入量进行调节，其特征在于，设有用来测定燃烧设备(1)的、废气(6)的、必要时还有催化剂(2)的当前状态以及当前工作条件的传感器元件(S)和一个与这些传感器元件(S)相联的中央处理机(7)，在此，中央处理机(7)借助于函数关系用来确定还原剂(4)的加入量，并根据由传感器元件(S)测得的测量值，对函数关系进行检验，使之与当前的工作条件及当前的状态进行匹配。
18.按照权利要求17所述的设备，其特征在于，所述中央处理机(7)用于燃烧设备的、催化剂(2)的、还原剂输入的以及从属于燃烧设备的其它装置的总体控制与监控。
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