CN117780527A - 用于调节内燃机的排气中催化器的氧气填充水平的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于调节内燃机的排气中催化器的氧气填充水平的方法，在该方法中，用催化器模型对催化器的实际氧气填充水平建模，其中，识别内燃机的状态，在该状态下出现了特别是几毫秒的短暂的贫气的燃烧，在能预定的第一时间间隔期间求出催化器的实际氧气填充水平，其中，当实际氧气填充水平在第一时间间隔内超过能预定的(氧气填充水平)阈值时，在第一时间间隔结束时储存所求出的实际氧气填充水平并且开始第二时间间隔，其中，随着第二时间间隔的开始连续地求出在催化器下游的第二信号，其中，由第二时间间隔中第二传感器的信号求出至少一个梯度，其中，当至少一个梯度超过能预定的梯度阈值时，开始对催化器的清理过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于调节内燃机的排气中催化器的氧气填充水平的方法、一种计算机程序、一种能机读的存储介质和一种电子的控制器。
背景技术
当汽油机中的空燃混合物未完全燃烧时，除了氮气(N2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)外还排出大量燃烧产物，这些燃烧产物中，碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)是受法律限制的。机动车的有效的排气极限值按照当前的现有技术仅能通过催化排气后处理遵守。通过使用三元催化器可以转化所述有害物质成分。对HC、CO和NOx的同时高的转化率在三元催化器中仅在一个围绕化学计量的运行点(λ＝1)的狭窄的λ范围内，即所谓的转化窗口中达到。
在例如在换挡或气缸封闭时出现的极为短暂的贫气阶段中存在的问题是，在催化器后方的排气传感器直接在贫气阶段之后由于从发动机的燃烧室到这个传感器的气体运行时间而还没能对贫气阶段作出反应，并且因此如果在贫气阶段之前已经这样做就表明了仍然浓的排气。
DE 10 2016 222 418 A1公开了一种用于调节在内燃机(10)的排气中催化器(26)的排气成分存储器的充气的方法，在该方法中，用第一催化器模型(100)求出了排气成分存储器的实际填充水平(θ)。所述方法的出色之处在于，形成了λ额定值(λ)，其中，预先确定的额定填充水平(θ)通过与第一催化器模型(100)相反的第二被控对象模型(104)换算成基础λ额定值，其中，求出实际填充水平(θ)与预先确定的额定填充水平(θ)的偏差并且通过填充水平调节(124)处理成λ额定值修正值，形成由基础λ额定值和λ额定值修正值构成的总和并且将这一总和用于形成修正值，用所述修正值来影响到内燃机(10)的至少一个燃烧室(20)的燃料计量。
发明内容
因此本发明的任务是，使得能改进短暂的贫气阶段之后的催化器清理。
本发明涉及一种按照独立权利要求所述的用于调节内燃机的排气中催化器的氧气填充水平的方法。此外，本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序设立用于，执行所述方法中的其中一种方法。
在第一个方面中，公开了一种用于调节内燃机的排气中催化器的氧气填充水平的方法，在该方法中，用催化器模型对催化器的实际氧气填充水平建模，其中，识别内燃机的一种状态，在该状态中出现了特别是几毫秒的短暂的贫气的燃烧，使得求出了能预定的第一时间间隔期间催化器的实际氧气填充水平，其中，当在第一时间间隔内的实际氧气填充水平超过能预定的氧气填充水平阈值时，在第一时间间隔结束时储存所求出的实际氧气填充水平并且开始第二时间间隔，其中，随着第二时间间隔的开始，连续地求出在催化器的下游的第二信号，其中，借助第二信号可以推断出与在第一时间间隔中求出的氧气加料相关的氧气击穿，其中，由在第二时间间隔中第二传感器的信号求出至少一个梯度，其中，当所述至少一个梯度超过能预定的梯度阈值时，开始催化器的清理过程，其中，在第一时间间隔结束时储存的实际氧气填充水平被设定为用于预控或调节燃料混合物的实际值，其中，执行燃料混合物的增浓(Anfettung)。
所述方法在此具有的特别优点是，基于模型检测第一时间间隔期间催化器的实际氧气填充水平并且在第一时间间隔结束时储存该实际氧气填充水平，并且紧接着通过在催化器的下游的排气传感器监控对第二时间间隔中到催化器中的贫气加料的反应。根据所述监控，可以快速地和符合需求地对第一时间间隔期间由于氧气加料造成的可能的氧气击穿作出反应并且可以例如通过催化器清理，这就是说通过燃烧的增浓，执行辅助措施。
所述方法还具有的优点是，可以通过这种监控避免在短暂的贫气阶段之后的不必要的催化器清理。由此生成了更少的CO、HC和NH3排放并且燃料消耗比在最小量的通常清理时更少。另一方面，所述方法相比在短暂的贫气阶段之后直接中断催化器清理具有的优点是，催化器从所储存的氧气填充水平起可以经预控地返回到其催化器窗口中，比当催化器实际上必须清理时仅用导引调节就能实现的要更为迅速和更为准确。
在短暂的贫气阶段之后的催化器清理因此可以更为有针对性地进行并且提高了催化器清理的稳健性。
在另一种设计方案中，执行随能预定的第一时间点开始并且随能预定的第二时间点结束的能预定的第一时间间隔，其中，根据已开始的气缸关停或已开始的换挡选择能预定的第一时间点，并且能预定的第二时间点对应气缸关停的结束或换挡的结束。
这样做的特殊的优点在于，因此可以稳健地在时间上限制短暂的贫气的燃烧。
在一种特殊的设计方案中，执行随能预定的第二时间点开始并且随能预定的第三时间点结束的能预定的第二时间间隔，其中，能预定的第三时间点根据气体运行时间或根据当前的排气质量流量和/或催化器的老化因素加以选择，其中，气体运行时间对应排气从发动机的燃烧室穿过催化器到第二排气传感器所经历的时间。
这样做的特殊的优点在于，可能的氧气击穿的时间段可以被限制为是对之前的短暂的贫气阶段的反应并且因此可以提高所述方法的稳健性。
此外，第一催化器模型尤其可以是反应动力学模型或积分模型，其中，借助催化器模型根据在催化器上游的第一空燃比和/或催化器的老化因素和/或催化器温度求出实际氧气填充水平。
在一种特别的设计方案中，第二排气传感器可以是第二λ探测器，其中，第二λ探测器求出了在催化器的下游的空燃比或电压信号。
在另一种设计方案中，第二排气传感器可以构造成NOx浓度传感器，其中，NOx浓度传感器求出了在催化器的下游的NOx浓度、空燃比或电压信号。
在一种有利的设计方案中，探测换挡期间或激活气缸封闭期间内燃机的发生了短暂的贫气的燃烧的状态，其中，短暂的贫气的燃烧优选持续在10至1000毫秒之间。
在另一些方面中，本发明涉及一种装置、特别是控制器和计算机程序，它们被设立、特别是被编程用于实施所述方法中的其中一种方法。在再另一个方面中，本发明涉及一种能机读的存储介质，在该存储介质上储存有计算机程序。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在接下来的说明书中更为详细地加以阐释。在此，不同的附图中的相同的附图标记分别指的是相同的或至少在其功能上相似的元件。
图1分别以示意性的形式示出了带有排气***的内燃机作为本发明的技术领域；
图2分别以示意性的形式示出了被控对象模型的功能方块图；并且
图3分别以示意性的形式示出了按本发明的方法的实施例的功能方块图。
具体实施方式
本发明接下来以三元催化器为例并且针对氧气作为有待储存的排气成分加以说明。但本发明从意义上来讲也能转用于其它的催化器类型和诸如氮氧化物与碳氢化合物之类的排气成分。下文中为简单起见以带有一个三元催化器的排气设备为出发点。本发明从意义上来讲也能转用于带有多个催化器的排气设备。接下来说明的前方的和后方的区在这种情况下可以延伸经过多个催化器或者处在不同的催化器中。
图1详细地示出了车辆的内燃机10，其带有空气输入***12、排气***14和控制器16。处在空气输入***12中的有空气质量测量仪18和节气门单元19的布置在空气质量测量仪18下游的节气门。通过空气输入***12流入到内燃机10中的空气在内燃机10的燃烧室20中与经由喷射阀22直接喷射到燃烧室20中的汽油混合。所产生的燃烧室充气用点火装置24、例如火花塞点燃并燃烧。转动角传感器25检测内燃机10的轴的转动角并且允许控制器16由此在轴的预先确定的角位置中触发点火。由燃烧产生的排气通过排气***14导出。
排气***14具有催化器26。催化器26例如是是三元催化器，其已知在三条反应路径上转化三种排气组分，即氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳并且具有储存氧气的作用。三元催化器26在所示例子中具有第一区26.1和第二区26.2。两个区被排气28穿流。前方的第一区26.1沿流动方向延伸经过三元催化器26的前方的区域。后方的第二区26.2在第一区26.1的下游延伸经过三元催化器26的后方的区域。当然，在前方的区26.1之前和在后方的区26.2之后以及在两个区之间可以有另外的区，针对这些区在必要时同样可以对相应的填充水平建模。
在三元催化器26的上游，直接在三元催化器26前布置有承受排气28的前方的排气传感器32。在三元催化器26的下游，直接在三元催化器26后方布置有同样承受排气28的后方的排气传感器34。第一排气传感器32优选是宽带λ探测器，其允许了超出宽泛的空气系数范围地测量第一空燃比λ1。
第一排气传感器32布置在内燃机10下游和三元催化器26上游。
第二排气传感器34因此在三元催化器26下游优选是所谓的阶跃式λ探测器，用该阶跃式λ探测器可以特别准确地测量空气系数λ＝1，因为这个排气传感器34的信号在那里阶跃地变化。参看博世的《汽车工程手册》，第23版，第524页。
第二排气传感器34求出了第二空燃比λ2。
在一种备选的设计方案中，第二排气传感器34也可以构造成NOx传感器，其求出在催化器26下游的NOx浓度NOx2、空燃比λ2或电压信号λU2。
在所示实施例中，承受排气28的温度传感器36可以与排气28热接触地布置在三元催化器26处，温度传感器检测三元催化器26的温度Tcat。
控制器16处理空气质量测量仪18的、转向角传感器25的、第一排气传感器32的、第二排气传感器34的和可选的温度传感器36的信号，并且由此形成了用于设定节气门的角位置、用于通过点火装置24触发点火和用于通过喷射阀22喷射燃料的驱控信号。控制器16备选地或补充地也处理其它的或另外的传感器的用于驱控所示执行机构或者也驱控另外的或其它的执行机构的信号，例如检测加速踏板位置的驾驶员意愿传感器40的信号。伴随燃料输入停止的滑行运行(Schiebebetrieb)例如通过松开加速踏板而触发。这个和进一步在下文中还要说明的功能通过在内燃机10的运行中在控制器16中运行的发动机控制程序16.1实施。此外，在控制器16上储存对燃料喷射或混合物制备的调节以及对气缸关停的控制。激活的气缸关停在控制器16用状态位储存。此外，在控制器16中也储存了，何时执行车辆的换挡
在气缸关停时以及也在换挡时也出现了燃烧的短暂的贫气阶段，因而氧气被引入到排气系中。在此涉及到持续几毫秒、特别是10ms至几百毫秒的相对极短的贫气阶段。在这个短暂的贫气阶段中，氧气被引入到催化器26中。
在本申请中，使用被控对象模型100、催化器模型102(反应动力学模型)来对催化器26的氧气填充水平建模。
备选取代反应动力学模型地也可以使用积分模型。
图2示出了被控对象模型100的功能方块图。被控对象模型100由催化器模型102构成。催化器模型102具有输入端排放模型108和填充水平及输出端排放模型110。此外，催化器模型102还具有用于计算催化器26的平均的氧气填充水平的算法112。模型分别是这样一些算法，它们在控制器16中实施并且将也作用到用计算模型仿制的真实对象上的输入参量这样结合成输出参量，使得计算出的输出参量尽可能准确地对应真实对象的输出参量。
输入端排放模型108被设立用于，作为输入参量将布置在三元催化器26前的第一排气传感器32的信号λin,meas转化成接下来的填充水平模型110所需的输入参量win,mod。借助输入端排放模型108将λ换算成在三元催化器26之前的O2、CO、H2和HC的浓度例如是有利的。
用通过输入端排放模型108计算出的参量win,mod和必要时附加的输入参量、例如排气或催化器温度Tcat、排气质量流量和三元催化器26的当前的最大的氧气储存能力，在填充水平和输出端排放模型110中对三元催化器26的填充水平θmod建模。
为了能更为真实地描绘充气和排空过程，三元催化器26优选通过算法在想象中被划分成多个沿排气28的流动方向前后相继的区或分体积26.1、26.2，并且借助这些区26.1、26.2中的每一个区的反应动力求出各种排气组分的浓度。这些浓度又可以分别被换算成各个区26.1、26.2的填充水平，优选换算成标准化成当前的最大的氧气储存能力的氧气填充水平。
单个的或所有的区26.1、26.2的填充水平可以借助合适的加权概括成总填充水平，总填充水平反映了三元催化器26的状态。所有区26.1、26.2的填充水平在最简单的情况下例如可以全部被相同地加权并且因此求出了平均的填充水平。但用合适的加权也可以考虑到，对三元催化器26后方的瞬时的排气成分而言在三元催化器26的输出端处的小的区26.2中的填充水平是决定性的，对三元催化器26的输出端处的这个小的区26.2中的填充水平的发展而言，在处于其前的区26.1中的填充水平和其发展则是决定性。为简单起见，下文中假定了平均的氧气填充水平。
被控对象模型100因此一方面用于对催化器26的至少一个平均的氧气填充水平建模，该平均的氧气填充水平被调节到额定填充水平，在额定填充水平时，催化器26安全地处在催化器窗口内。
图3示出了用于调节排气设备中催化器的充气的按本发明的方法的示例性的流程。
在第一步骤200中，在控制器16中监控所述方法的开启条件。当控制器16确认了燃烧的状态，此时执行短暂的贫气的燃烧时，开启所述方法。短暂的贫气的燃烧处在10毫秒至几百毫秒之间的时间范围内。在此，短暂的贫气的燃烧导致，较少的氧气加料被导入到排气系中并且因此导入到催化器26中。本发明具有的任务是，使得能改进短暂的贫气阶段之后的催化器清理以及使得能更好地判断催化器的清理的在此有待设定的强度。
在当前，当例如要求或激活内燃机10的气缸关停时，存在内燃机10的短暂的贫气的燃烧过程。气缸关停的开始优选通过保存在控制器16中的状态位表明。状态位在此可以占据状态0和1。在状态0中，气缸关停是不活跃的，并且在状态1中气缸关停是活跃的，并且因此执行短暂的贫气的燃烧过程。若状态位再次切换到状态0，就结束气缸关停并且不再存在短暂的贫气的燃烧。
控制器16现在连续地监控状态位，并且当执行气缸关停时，即状态位切换到状态1时，开启所述方法并且在步骤210中继续所述方法。
在一种备选的设计方案中，根据换挡识别短暂的贫气的燃烧。在此，同样使用在控制器16中的状态位用于识别。在针对状态位的状态0时，挂入挡位，并且在状态1时，当前并没有挂入挡位，因此执行换挡，并且在换挡期间存在短暂的贫气的燃烧。
若求出了状态位通过控制器16从状态0切换到了状态1，那么授权开启所述方法并且在步骤210中继续所述方法。
在步骤210中，在时间点t1上开始第一时间间隔Δt12并且连续地求出催化器26的实际氧气填充水平为此使用在图2中说明的带有算法112的催化器模型102，以便对实际氧气填充水平/>建模。
第一时间点t1在此对应从步骤200起开启的时间点。
控制器16现在连续地监控状态位的状态。若状态位的状态从状态1变回到状态0，那么结束短暂的贫气的燃烧。这个时间点在控制器16中被作为时间点t2储存并且额外储存所求出的实际氧气填充水平
紧接着通过控制器16将实际氧气填充水平与能预定的氧气填充水平阈值S1进行比较。
若所求出的实际氧气填充水平超出了能预定的氧气填充水平阈值S1，那么在步骤220中继续所述方法。
若所求出的实际氧气填充水平没有超过能预定的氧气填充水平阈值S1，那么再次在步骤200中从头开始所述方法。
在步骤220中现在开始第二时间间隔Δt23。这个第二时间间隔随第二时间点t2开始并且在第三时间点t3上结束。
随着第二时间点t2的开始，现在连续地求出第二排气传感器34的信号并且额外对当前的排气质量流量积分。
在一种优选的设计方案中，第二排气传感器34的信号是空燃比λ2。
第二排气传感器34的信号备选可以是电压信号λU2和/或NOx浓度NOx2。
第二时间间隔Δt23在此被这样设计，使得在这个时间间隔内，当催化器26不应有能力完全储存氧气时，在催化器26下游的第二排气传感器34能对引入到催化器26中的氧气作出反应。
在此规定，根据气体运行时间求出所求出的持续时间，即第三时间点t3。
气体运行时间在此是排气在内燃机10的燃烧室通过催化器26直到第二排气传感器34所经过的时间。在内燃机10的燃烧室和催化器26下游的第二排气传感器34之间的典型的气体运行时间为几十ms到几百ms。
气体运行时间决定性地取决于所使用的催化器26的特性，例如催化器26的长度和体积、催化器26所使用的材料、催化器26的氧气储存能力、催化器26的老化和在内燃机10、催化器26和催化器26下游的第二排气传感器24之间的排气布局。排气布局优选指的是这些提到的部件之间的间距。
因此在控制器16上在应用阶段中根据不同的排气质量流量求出气体运行时间并将之储存在第一特性场K1中。
若在时间点t2上连续求积分的排气质量流量超出了排气质量流量阈值/>那么就确定了第三时间点t3。
同时随着第二时间间隔Δt23的开始，从第二排气传感器34的信号求出至少一个梯度λGrad并且将其与能预定的梯度阈值SGrad相比较。
至少一个梯度λGrad由第二排气传感器34在两个不同的时间点上的信号求出。尤其可以使用第二时间点t2上和第三时间点t3上的测量值。
在一种特别的设计方案中，也可以从第二排气传感器34在不同的时间点上的信号的测量值求出多个梯度，并且紧接着概括成一个平均值。
因此例如针对作为第二排气传感器34的信号的空燃比λ2的信号来说明所述方法。在此，求出在能预定的时间间隔Δt23内在不同的时间点上的空燃比λ2的信号并且由此求出至少一个梯度λGrad。
若至少一个梯度λGrad超过了能预定的梯度阈值SGrad，那么存在由于短暂的贫气的燃烧过程造成的通过催化器26的氧气击穿。
在此，这样来选择梯度阈值SGrad，使得该梯度阈值允许探测作为对在第一时间间隔t12中的短暂的贫气的燃烧的反应的通过催化器26的氧气击穿。
优选求出在针对相应的第二排气传感器34的应用阶段中的梯度阈值SGrad，其中，这样来选择梯度阈值SGrad，使得可以稳健地求出排气中的氧气或氧气份额的变化。
紧接着在步骤230中继续所述方法。
若至少一个梯度λGrad没有超过能预定的梯度阈值SGrad，那么可以从头在步骤200中开始或结束所述方法。
在步骤230中，现在将在时间点t2上求出的实际氧气填充水平设定为用于燃料喷射或混合物制备的预控或调节的实际值。实际氧气填充水平/>与催化器26的能预定的额定氧气填充水平/>的偏差通过所述预控或调节加以补偿并且导致了催化器26的清理过程，这就是说，要求内燃机10的富氧的燃烧。紧接着可以从头在步骤200中开始或结束所述方法。
Claims (10)
1.用于调节内燃机(10)的排气中催化器(26)的氧气填充水平的方法，在所述方法中，用催化器模型(102)对催化器(26)的实际氧气填充水平建模，其特征在于，
识别内燃机(10)的状态，在所述状态下出现了特别是几毫秒的短暂的贫气的燃烧，
在能预定的第一时间间隔(Δt12)期间求出催化器(26)的实际氧气填充水平
其中，当实际氧气填充水平在第一时间间隔(Δt12)内超过能预定的(氧气填充水平)阈值(c)时，在第一时间间隔(Δt12)结束时储存所求出的实际氧气填充水平/>并且开始第二时间间隔(Δt23)，
其中，随着第二时间间隔(Δt23)的开始连续地求出在催化器(26)下游的第二信号，其中，借助第二信号可以推断出与在第一时间间隔(Δt12)中求出的氧气加料相关的氧气击穿，
其中，由第二时间间隔(Δt23)中第二传感器的信号求出至少一个梯度(λGrad)，
其中，当至少一个梯度(λGrad)超过能预定的梯度阈值(SGrad)时，开始对催化器(26)的清理过程，其中，将在第一时间间隔(Δt12)结束时储存的实际氧气填充水平设定为用于预控或调节燃料混合物的实际值，其中，执行燃料混合物的增浓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行随能预定的第一时间点(t1)开始并且随能预定的第二时间点(t2)结束的能预定的第一时间间隔(Δt12)，其中，根据已开始的气缸关停或已开始的换挡来选择能预定的第一时间点(t1)并且能预定的第二时间点(t2)对应气缸关停的结束或换挡的结束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，执行随能预定的第二时间点(t2)开始和随能预定的第三时间点(t3)结束的第二时间间隔(Δt23)，其中，根据气体运行时间或者根据当前的排气质量流量和/或所述催化器(26)的老化因素选择能预定的第三时间点(t3)，其中，气体运行时间对应排气从发动机的内燃机穿过所述催化器(26)直至第二排气传感器所经过的时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一催化器模型(102)是反应动力学模型或积分模型，其中，根据在所述催化器(26)上游的第一空燃比(λin,meas)和/或所述催化器(26)的老化因素和/或催化器温度(TCat)求出所述催化器(26)的实际氧气填充水平
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二排气传感器是第二λ探测器(34)，其中，第二λ探测器(34)求出了所述催化器(26)下游的空燃比(λ2)或电压信号(λU2)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二排气传感器(34)是NOx浓度传感器，其中，NOx浓度传感器求出了所述催化器(26)下游的NOx浓度(NOx2)和/或空燃比(λ2)和/或电压信号(λU2)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机(10)的发生了短暂的贫气的燃烧的状态对应换挡的持续时间或者激活的气缸封闭，其中，短暂的贫气的燃烧优选持续10至1000毫秒之间。
8.计算机程序，其设立成执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的每个步骤。
9.能机读的存储介质，其上储存有根据权利要求8所述的计算机程序。
10.电子的控制器，其设立成执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的每个步骤。
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