CN1252381C - 用于模拟氮氧化物存储催化器排除阶段的方法和模型 - Google Patents

用于模拟氮氧化物存储催化器排除阶段的方法和模型 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟特别是汽车的内燃机(1)的氮氧化物(NOx)存储催化器(12′)的排除阶段的方法和模型，其中，NOx存储催化器(12′)细分为一氧气(O2)存储器和一氮氧化物(NOx)存储器，并且对O2存储器和NOx存储器加载的还原剂流量(msrg)被求得。为了可靠、准确和以尽可能少的费用模拟NOx存储催化器(12′)的排除阶段，建议O2存储器通过一用于氧气(O2)的第一积分器被模拟，NOx存储器通过一用于氮氧化物(NOx)的第二积分器被模拟，第一积分器和第二积分器按照一分配因子(fatmsre)按比例地以还原剂流量(msrg)被加载，其中，分配因子(fatmsre)根据NOx存储催化器(12′)的O2存储含量(mo2sp)和NOx存储含量(mnosp)被求出。

Description

用于模拟氮氧化物存储催化器 排除阶段的方法和模型
技术领域
本发明涉及一种用于模拟特别是汽车的内燃机的氮氧化物(NOX)存储催化器的排除阶段的方法。其中NOX存储催化器细分为氧气(O2)存储器和氮氧化物(NOX)存储器。求出对O2存储器和NOX存储器加载的还原剂流量。
此外本发明还涉及一种用于模拟特别是汽车的内燃机的NOX-存储催化器的排除阶段的模型。该模型包括将NOX存储催化器细分成一O2存储器和一NOX存储器，以及一对O2存储器和NOX存储器加载的还原剂流量。
此外，本发明还涉及一种用于特别是汽车的带NOX存储催化器的内燃机的控制仪。该控制仪包括一用于模拟NOX存储催化器的排除阶段的，将NOX存储催化器细分为一O2存储器和一NOX存储器的模型。此外控制仪包括用于求出对O2存储器和NOX存储器加载的还原剂流量的第一装置。
最后本发明还涉及一种用于这种控制仪的控制元件，特别是只读存储器，随机存取存储器或闪存。在控制元件上储存一可在计算机上，特别是微处理器上，运行的程序。
背景技术
在可以用贫油燃料-空气混合物(λ＞1)运行的内燃机中采用NOX存储催化器，以便在贫油运行期间由内燃机给它供给排出的NOX废气。这时NOX存储催化器处于所谓的储入阶段。随着储入阶段时间的延长NOX存储催化器的效率越来越低，这导致在NOX存储催化器后面NOX排放量的增加。效率降低的原因是NOX存储催化器氮氧化物(NOX)装填量的增加。可以监控NOX装填量，在超过可预先规定的阈值时引入NOX存储催化器的排除阶段或再生阶段。为了求出NOX存储催化器的NOX装填量可以采用一氮氧化物(NOX)储入模型。现有技术普遍公开了NOX储入模型。在NOX储入模型中可以从描述内燃机运行点的参数(例如输入的燃料量或空气量、扭矩等等)中模拟出NOX装填量。
在排除期间给内燃机的废气输送还原剂，它使储入的氮氧化物还原成氮(N)和二氧化碳(CO2)。作为还原剂可以采用例如碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)，它们可以通过将燃料-空气混合物调整到富油状态在废气中(内燃机的均匀运行)被产生，HC、CO和H2也称为油气。作为另一种选择作为还原剂也可以给废气输入尿素。其中为了将氮氧化物还原成氮气和二氧化碳采用由尿素产生的氨气。氨气可以用水解的方法从尿素溶液中获得。
在排除阶段即将结束时储入的氮氧化物大部分得到还原，并且越来越少的还原剂遇到氮氧化物上，它可使氮氧化物还原成氮气和二氧化碳。其结果是在排除阶段即将结束时在NOX存储催化器后面废气内的还原剂成分越来越多，在NOX存储催化器后面废气内的氧气成分越来越少。通过由合适的废气传感器(例如O2传感器或NOX传感器)对NOX存储催化器后面的废气进行分析，当氮氧化物的大部分从NOX存储催化器中排除出去后，便可以结束排除阶段。此外公开的是，借助于一种排除模型确定NOX存储催化器的NOX装填量并从而模型辅助地确定排除阶段的结束。
必须尽可能精确地确定再生阶段的结束，因为再生阶段太短便不能完全排空NOX存储催化器，结果使NOX排放量上升。另一方面再生阶段太长导致还原剂的排放量(油气或尿素)增加。不管是NOX排放量增加还是还原剂排放量增加都是对环境有害的，因此应该减少到最小限度。
采用一个合适的用于分析NOX存储催化器后面的废气并用于确定再生阶段结束的废气传感器是比较复杂和昂贵的。在已知的模型辅助的、用于确定再生阶段结束的方法中由燃料空气混合物成分λ(或称过量空气系数)和输送给内燃机进行燃烧的空气量确定一还原剂流量。它通过一与温度有关的因子换算成流量，根据流量算出在内燃机贫油运行期间储入在NOX存储催化器内的NOX的减少。
这种模拟有这样的缺点，即它比较不准确和仅仅有条件地适合于用来确定再生阶段的结束。其原因特别是在于，在再生阶段期间还原剂不仅减少储存的NOX，同时还减少储存的O2。储入的气体，NOX还是O2，在再生阶段期间的某个确定时刻便实际上减少，这取决于NOX存储催化器的结构形式。也就是说从由现有技术公开的排除模型中不能确定，哪种气体在再生期间的哪个时刻减少多少。
因此本发明的目的是，可靠、准确和以尽可能少的费用模拟NOX存储催化器的排除阶段。
为了实现这个目的本发明从开头所述类型的方法出发，建议O2存储器通过一用于氧气(O2)的第一积分器被模拟，并且NOX存储器通过一用于氮氧化物(NOX)的第二积分器被模拟，并且给第一积分器和第二积分器按照一分配因子按比例地以还原剂流加载，其中分配因子根据NOX存储催化器的O2存储含量和NOX存储含量算出。
也就是说按照本发明，通过引入分配因子考虑这样的一个事实，即根据NOX存储催化器的结构形式的不同在再生阶段期间的不同时刻，储存的不同气体-NOX和/或O2-可能减少不同的数量。用于O2的第一积分器和用于NOX的第二积分器根据分配因子按比例地以还原剂流加载。其中分配因子由当时待还原的组分(O2存储含量和NOX存储含量)的状态，即根据用于O2的第一积分器的积分值和用于NOX的第二积分器的积分值算出。也说是说积分值被反馈，以计算分配因子。
按照本发明的方法还原剂流分配给各个待还原组分，以便可以准确地描述NOX存储含量。由于本方法的模拟精确性高在排放和燃料消耗方面可以实现对再生阶段的最佳控制或调节。NOX排除的模拟方法可以用于催化器的控制和/或调节或诊断。但是本方法也可以用于对传感器信号，例如废气传感器的信号，进行合理性检验或修正，这些传感器信号用来分析在NOX存储催化器后面流出的废气和确定再生阶段的终止。
还原剂流量可以用任意的方式求得，例如可以借助于一合适的传感器测量。但是按照本发明的一个优选的实施形式，建议还原剂流量从燃料空气混合物的组成成分(或称过量空气系数)和输送给内燃机以供燃烧的空气流量中求出。
按照本发明一个优选的实施形式，建议内燃机的废气流量从输送给内燃机以供燃烧的空气流量中求出，还原剂流量从燃料空气混合物的组成成分(或称过量空气系数)和废气流量中求出。然后可以从废气流量通过乘以(1.0/λ-1.0)求出整个还原剂流量。
按照本发明另一优选的实施形式，建议引入一个效率，用它对从组成成分中求出的还原剂流量加权。求出的总的还原剂流量用效率相乘，得到有效的还原剂流量，此流量实际上参与储存的组分(NOX，O2)的转化。还原剂的流失量，也就是在NOX存储催化器内没有与NOX或O2相遇并在后面从催化器中重新分离出去的还原剂份量，通过引入效率被求出，并提高按本发明的模拟方法的精确性。效率有利地借助于一特性曲线或特性场根据废气流量被求出。
按照本发明另一优选的实施形式，建议在求得O2存储器的O2存储含量时考虑NOX存储催化器内的温度。本发明按这种实施形式的方法使得在排放量和燃料消耗方面最佳地控制或调节再生阶段成为可能，因为考虑了还原剂中的对于排空O2存储器所必需的，与温度有关的还原剂份量。
作为实施本发明目的的另一个方案，从开头所述类型的模型出发，建议模型具有一用于氧气(O2)的第一积分器作为O2存储器和一用于氮氧化物(NOX)的第二积分器作为NOX存储器，此外模型具有一取决于NOX存储催化器的O2存储含量和NOX存储含量的分配因子，其中第一积分器和第二积分器按照分配因子可按比例地以还原剂流加载。
最后为了实现本发明的目的，从开头所述的控制器出发，建议控制器具有一用于氧气(O2)的第一积分器作为O2存储器和一用于氮氧化物(NOX)的第二积分器作为NOX存储器，此外控制器具有用于根据NOX存储催化器的O2存储含量和NOX存储含量求出分配因子的第二装置，其中第一积分器和第二积分器可按照分配因子按比例地以还原剂流加载。
特别重要的是以一个控制元件的形式来实现本发明的方法，该控制元件用于特别是汽车内燃机的控制器。其中在控制元件上存储一个程序，它可以在计算机，特别是微处理器上运行，并适合于实施本发明的方法。也就是说在这种情况下本发明通过一储存在该控制元件上的程序来实现，因此该设有程序的控制元件以和通过其程序相应地得以实施的方法一样表示本发明。特别是可以采用电子存储介质，例如只读存储器，随机存取存储器或可擦写存储器，作为控制元件。
本发明其它特征/应用可能性和优点由对于在附图中表示的本发明的实施例的以下说明中得到。其中所有被描述的或表示的特征本身或其任意的组合均构成本发明的主题，不管它们是否综合在权利要求书中或其引用中，也不管它们是阐述在说明书中还是或表示在附图中。
附图表示：
图1按一个优选的实施形式的本发明的内燃机的示意方框图；
图2一个优选的实施形式的本发明的模型的示意结构的第一部分；和
图3一个优选的实施形式的本发明的模型的示意结构的第二部分。
图1中示出了一汽车的直接喷射式内燃机1，其中活塞2可在一汽缸3内往复运动。汽缸3设有一燃烧室4，该燃烧室4通过活塞2、一进气阀5和一排气阀6限定。一吸气管7与进气阀5连接，一排气管8与排气阀6连接。
在进气阀5和排气阀6的区域内一燃烧喷射阀9和一火花塞10伸入燃烧室4。燃料可以通过喷射阀9喷入燃烧室4。燃烧室4内的燃料可以用火花塞10点燃。
在吸气管7内安装一可旋转的节流阀11，通过它可将空气输送给吸气管7。输入的空气流量msl取决于节流阀11的角度位置。空气流量msl可以借助于空气流量传感器(未画出)或根据节流阀11的位置被确定。在排气管8内安装一催化器12，它净化由燃料燃烧形成的废气。催化器12是一氮氧化物(NOX)存储催化器12′，它与一作为氧气存储器的三元催化器12″连接。但是作为另一种选择催化器12也可以仅仅包含一个NOX存储催化器12′。
控制器15输入表示借助于传感器测量的内燃机1的运行参数的输入信号16。控制器15产生输出信号17，用它们可以通过促动器或执行器影响内燃机1的特性。其中控制器15用来控制和/或调节内燃机1的运行参数。为此，控制器15设有一微处理器18，它在一控制元件19中储存一个适合于实行所述控制和/或调节的程序。控制元件19最好为一电子存储介质，特别是为一可擦写存储器结构。
在内燃机1的第一种运行方式，即所谓的均匀运行时节流阀11根据所希望的扭矩部分打开或关闭。燃料由喷射阀9在由活塞2引起的吸气阶段期间喷入燃烧室4。通过与此同时经过节流阀11吸入的空气使喷入的燃料产生涡流，从而基本上均匀地分布在燃烧室4内。然后燃料空气混合物在压缩阶段内被压缩，以便被火花塞10点燃。通过点燃的燃料的膨胀推动活塞2。其中在均匀运行时产生的扭矩取决于节流阀11的位置。鉴于为了减少有害物质排放燃料空气混合物尽可能调整到λ＝1。
在第二种运行方式，即内燃机1的所谓的分层运行时节流阀11完全打开，即大的空气流量msl输入燃烧室4，进行燃烧。燃料由喷射阀9在由活塞2引起的压缩阶段期间喷入燃烧室4，而且在地点方面在紧靠火花塞10的周围，在时间方面在点火时刻之前适当的时刻内，然后借助于火花塞10点燃燃料，使活塞2通过点燃的燃料的膨胀被推动到下一个工作阶段。在分层运行时产生的扭矩完全取决于喷入的燃料的数量。分层运行主要用于内燃机1的空运转或部分载荷运行。在分层运行时通常λ＞1。
在NOX存储催化器12′的储入阶段内内燃机1以分层运行方式运行，存储催化器12′装载氮氧化物和氧气。在再生阶段或排除阶段内NOX存储催化器12′重新卸载，使它可以在下一次分层运行时接受新的氮氧化物(NOX)和氧气(O2)。在再生阶段期间在催化器12之前将还原剂输入废气内。作为还原剂例如可以采用碳氢化物(HC)、一氧化碳(CO)或尿素。碳氢化合物和一氧化碳通过富油混合物调整(内燃机以均匀运行方式运行)在废气内产生。尿素可以由一贮存容器受控制地定量输送给废气。
在催化器12的再生阶段内按以下程序运行：还原剂将储存的氮氧化物还原成氮气(N)和二氧化碳(CO2)。这些物质从催化器12中排出，因此在再生阶段内在催化器12之后形成氧气过剩，尽管内燃机1的富油燃料空气混合物(少氧)运行。
在排气管8内、在催化器12之前设置一氧气(O2)传感器13并在催化器12之后设置一氮氧化物(NOX)传感器14。在切换到缺氧状态(内燃机1以富油混合物运行)后在催化器12之前在再生阶段开始时O2传感器13实际上毫不延迟地作出反应，由于在分层运行期间(贫油燃料空气混合物)废气内氧气过剩，催化器12的氧气存储位置在起初几乎全部被占满。在切换到缺氧状态(富油燃料空气混合物)后在再生阶段开始时氧气存储位置逐渐被氧气释放，然后从催化器12中排出氧气，因此在催化器12之后在切换到再生阶段后起先仍然是氧气过剩，在一取决于NOX存储催化器12′的存储能力的时间间隔以后储存在存储催化器12′内的全部氮氧化物(NOX)都被还原，储存的全部氧气被去除，使得在催化器12之后也出现缺氧。通过用适当的废气传感器分析NOX存储催化器12′后面的废气，在大部分氮氧化物(NOX)从NOX存储催化器12′中排除出的情况下，再生阶段便可以结束。
按照本发明推荐一种在图2和3中所示的排除模型，通过这种模型，NOX存储催化器12′的再生阶段可以特别可靠和准确地被模拟。为了模拟排除阶段，例如在内燃机1的控制器15中实施一种模拟方法。为此在控制元件19内储存一可在微处理器18上运行并适合于实现按本发明的模拟方法的程序。
模拟的结果可以用来例如控制和/或调节或诊断(识别老化或中毒)催化器12，但是也可以用于对传感器信号，例如NOX传感器14的信号进行合理性检验或校正，这些信号用于确定再生阶段的结束。
在图2和3中示出了按本发明的排除模型，下面借助于这些图2和3作详细的说明。在一第一功能模块20中求出总的还原剂流量msrg，它们在再生阶段期间输送给NOX存储催化器12′。总的还原剂流量msrg由以下方程得到：
msrg＝msab·(1.0/λ-1.0)，
其中msab是废气流量，λ是燃料空气混合物的组成成分(或称过量空气系数)。
废气流量msab从输送给内燃机1用以燃烧的空气流量msl中求出。废气流量msab是时间滞后的和一在此与温度密切有关地一经过密度校正的空气流量msl。
在功能模块21中确定效率etared，它在后面的进程中与总的还原剂流量msrg相乘，变成有效还原剂流量msre，它实际上参与储存的组分(NOX，O2)的转化。通过效率etared可以考虑这样的事实，即在再生阶段内不是全部还原剂流量msrg在NOX存储催化器12′内与待还原的NOX或待还原的O2相遇，而是总还原剂流量msrg的一部分不与NOX或O2反应便离开催化器12。效率etared从废气流量msab中借助于一应用的特性曲线ETARED求出。特性曲线ETARED可以在模拟的前期根据经验求出。
有效的还原剂流量msre在一功能模块22中与分配因子fatmsre相乘，成为有效还原剂流量的一个分量msnospa，它在催化器12内与NOX反应。同样，有效还原剂流量msre在一功能模块23中与1.0和分配因子fatmsre之差相乘，成为有效原剂流量的一个分量mso2spa，它在催化器12内与O2反应。也就是说有效还原剂流量通过分配因子fatmsre分配给NOX存储器和O2存储器。分配因子fatmsre取决于NOX和O2存储器的装载状态。分配因子是按本发明的模型的重要部分。分配因子fatmsre的求出表示在图3中，下面将继续加以详细的说明。
在按本发明的排除模块中NOX存储器和O2存储器分别通过一合适的积分器代表，在功能模块24中有效还原剂流量的分量msnospa输送给NOX积分器，以确定NOX存储含量mnosp。同样，有效还原剂流量的分量mso2spa在功能模块25中输送给O2积分器，以确定O2存储含量mo2sp。因为催化器12的O2存储能力与温度有密切的关系，在计算O2存储含量时还考虑催化器12后面的温度tkihkm。
在图3中，NOX存储含量mnosp和O2存储含量mo2sp被用于求出分配因子fatmsre。如果O2存储含量等于零(0.0)，也就是说如果O2存储器已经完全排空，则选择分配因子fatmsfe等于1(1.0)。然后在图3中求出的分配因子fatmsre在图2中输送给功能模块22和23。这意味着，总的有效还原剂流量msre经过功能模块22在功能模块24内到达NOX存储器，并在那里参与NOX的还原。
如果在图3中O2存储含量mo2sp不等于零(0.0)，则检验NOX存储含量mnosp是否等于零(0.0)，即NOX存储器是否已经完全排空。如果是，则选择分配因子fatmsre等于零(0.0)。这意味着，整个有效还原剂流量msre经过功能模块23在功能模块25内到达O2存储器，并在那里参与O2的排除。
如果在图3中NOX存储含量mnosp不等于零(0.0)。那么分配因子fatmsre被选择为零到1之间的任意一个参数。此参数可以在模拟的前期通过模拟或在内燃机1运行时按经验求出。该参数可以根据NOX和O2存储器的装载状态变化。它可以随装载状态线性地或以任意其它的方式变化。

Claims (9)

1.用于模拟特别是汽车用的内燃机(1)的氮氧化物(NOX)存储催化器(12′)的排除阶段的方法，其中NOX存储催化器(12′)分为一氧气(O2)存储器和一氮氧化物(NOX)存储器，并求出给O2存储器和NOX存储器加载的还原剂流量(msrg)，其特征为：氧气存储器通过一用于氧气(O2)的第一积分器被模拟，NOX存储器通过一用于氮氧化物(NOX)的第二积分器被模拟，第一积分器和第二积分器按照一分配因子(fatmsre)按比例地以还原剂流加载，其中，根据NOX存储催化器(12′)的O2存储含量(mo2sp)和NOX存储含量(mnosp)求出分配因子(fatmsre)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征为：还原剂流量(msrg)从燃料空气混合物的组成成分(λ)和输送给内燃机(1)以供燃烧的空气流量(msl)中被求出。
3.按权利要求2所述的方法，其特征为：内燃机(1)的废气流量(msab)从输送给内燃机(1)以供燃烧的空气流量(msl)中被求出，还原剂流量(msrg)从燃料空气混合物的组成成分(λ)和废气流量(msab)中被求出。
4.按权利要求2所述的方法，其特征为：引入一效率(etared)，用它对由组成成分(λ)求出的还原剂流量(msrg)加权。
5.按权利要求4所述的方法，其特征为：效率(etared)借助于特征曲线(ETARED)或特征场根据废气流量(msab)被求出。
6.按权利要求1至5之任一项所述的方法，其特征为，在求出O2存储器的O2存储含量时考虑NOX存储催化器(12′)内的温度(tkihkm)。
7.按权利要求3所述的方法，其特征为：引入一效率(etared)，用它对由组成成分(λ)求出的还原剂流量(msrg)加权。
8.用于模拟特别是汽车的内燃机的氮氧化物(NOX)存储催化器的排除阶段的模型，其中，该模型包括将NOX存储催化器(12′)分为一氧气(O2)存储器和一氮氧化物(NOX)存储器和一还原剂流量(msrg)，此还原剂流量给O2存储器和NOX存储器加载，其特征为：该模型具有一用于氧气(O2)的作为O2存储器的第一积分器和一用于氮氧化物(NOX)的作为NOX存储器的第二积分器，此外该模型具有一取决于NOX存储催化器(12′)的O2存储含量(mo2sp)和NOX存储含量(mnosp)的分配因子(fatmsre)，其中第一积分器和第二积分器是可按照分配因子(fatmsre)按比例地以还原剂流量(msrg)加载的。
9.用于特别是汽车的带一氮氧化物(NOX)存储催化器(12′)的内燃机(1)的控制器(15)，其中，控制器(15)包括一用于模拟NOX存储催化器(12′)的排除阶段的、将NOX存储催化器(12′)细分成一氧气(O2)存储器和一氮氧化物(NOX)存储器的模型和用来求出给O2存储器和NOX存储器加载的还原剂流量(msrg)的第一装置，其特征为：该控制器(15)具有一用于氧气(O2)的、作为O2存储器的第一积分器和一用于氮氧化物(NOX)的、作为NOX存储器的第二积分器，此外控制器(15)还具有用于根据NOX存储催化器(12′)的O2存储含量(mo2sp)和NOX存储含量(mnosp)求出分配因子(fatmsre)的第二装置，其中，第一积分器和第二积分器是可按照分配因子(fatmsre)按比例地以还原剂流量(msrg)加载的。
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