专利名称：控制内燃机工作模式的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分中所述特征的控制内燃机工作模式的方法。
在内燃机内的空气-燃油-混合物的燃烧过程中将产生其组分交替变化的气体有害物质，所述有害物质一方面起着还原物的作用，另一方面起着氧化物的作用。在如下条件下将产生大量的诸如CO、HC或H2等还原物质，即在氧与燃料的比低于或等于化学计算值(λ≤1；再生工作方式)的条件下。与此相反，当氧在空气-燃由-混合物中占极大比重时，则内燃机处于贫工作方式(λ＞1)，并且尾气中的还原物分量将减少。在内燃机动态工作时大多数情况仍可以用氧对催化剂中的还原物质充分地进行氧化。
另外，在燃烧过程中还将产生诸如NOx和SOx等氧化物。这些物质的数量将在存储催化剂上以再生工作方式被还原物质减少。在贫工作方式时，此点不再能充分地进行，而且在该条件下氧化物将被存储在存储催化剂中。其中在达到NOx解吸温度或存储催化剂的NOx的存储容量被用尽之前，一直存在着NOx-吸收。因此在此时间点之前必须转换到再生工作方式，以便减少NOx在存储催化剂的下游的扩散。
为此，已知的方式是根据平均催化剂温度对工作模式进行控制。其中，例如可以通过附加设置在尾气通道中的传感器对催化剂温度进行检测，或者也可以以已知的方式采用相应的模型计算出催化剂温度。当催化剂温度超过一预定的阈值温度时，则开始转换到再生工作方式，以防止NOx-解吸，又不同时出现还原。另一方面，为了确保充分的NOx-存储容量必须将存储催化剂加热到最低的工作温度。已知在达到预定的最低温度之前内燃机必须以再生工作方式工作。其中，在该工作方式时的尾气温度通常高于在贫工作方式时的尾气温度。当然对此必须以过量消耗燃料为代价。所以为降低油耗，必须尽可能缩短再生工作的时间长度。
另外，还已知视需要必须以一定的时间间隔对存储催化剂进行脱硫(SOx-再生)。为此要将内燃机调整到再生工作方式。而且为了脱硫还需要很高的最低脱硫温度。采用迄今的方法在此仅以最低脱硫温度的平均值为基础，从此平均最低脱硫温度开始转换到再生工作方式。必要时当仅存储催化剂的个别范围超过最低脱硫温度时，已经开始脱硫也是必要的。
该目的根据本发明通过具有权利要求1中所述特征的对内燃机工作模式控制的方法得以实现。通过(a)根据预定的矩阵将存储催化剂划分成一定数量的催化剂单元；(b)求出每个催化剂单元的单元温度；和(c)根据至少一个预定的催化剂单元的单元温度确定内燃机的工作模式，实现内燃机的工作模式与实际催化剂状况的适配。
当至少一个催化剂单元的单元温度在预定的下限温度和预定的上限温度之间时，优选调整到λ＞1的内燃机贫工作方式。其中选择的下限温度应高于最低工作温度并应存在存储催化剂总体的充分的NOx-存储容量。上限温度应低于NOx-解吸温度。因此，当催化剂平均温度已经超过上限温度，但至少有一个催化剂单元的温度低于预定的上限温度时，仍可以保持内燃机的贫工作方式，并且甚至在催化剂平均温度低于最低工作温度时，在至少一个催化剂单元内超过最低工作温度后，内燃机仍被置于贫工作方式。
经证实，宜根据NOx-和SOx-吸附状况和单元温度求出每个催化剂单元的NOx-存储容量。可以将NOx-存储容量作为保持贫工作方式的另一标准。为此一方面可以考虑预设定NOx-存储容量的阈值并且在高于该阈值时将采取内燃机再生工作方式。另一方面可以计算出预定的时域内的内燃机累积的NOx-原扩散以及在相同的时域内的每个催化剂单元的NOx-解吸。接着根据NOx-存储容量、NOx-解吸和每个催化剂单元的空间位置以及累积的NOx-原扩散计算出存储催化剂的下游的累积的NOx-扩散。当计算出的累积的NOx-扩散高于预定的阈值时，则同样可以将内燃机调整到再生工作方式。
另外，当至少在一个催化剂单元的单元温度高于最低脱硫温度时开始脱硫是有益的。当然其中还根据对SOx-吸附状况的预定的阈值进行脱硫。采用此方式在超过平均最低温度时就可以开始脱硫并因而可以缩短加热阶段。
其中可以根据在上游远端的催化剂单元的单元温度计算出为达到在下游远端的催化剂单元中的最低脱硫温度的加热阶段的时间长度，这是因为脱硫时，该最低脱硫温度将把其多余的热量(单元温度与最低脱硫温度之间的差)继续向下游传递。因此可以缩短脱硫时间并减少因脱硫造成的能量的过量消耗。
经证明，宜根据催化剂空间延伸、温度变化特性、再生速度特性、NOx-存储容量、NOx-、SOx-或O2-吸附状况或前者结合的特性等的存储催化剂模型确定出划分存储催化剂所需的矩阵。
从属权利要求中所述的特征对本发明的进一步优选的设计做了描述。
图3为在NOx-再生时的λ值变化特性的示意图；图4为紧随内燃机启动后的加热阶段中的λ值变化特性的示意图；图5为控制内燃机工作模式的本发明的方法的实施例的流程图和图6为脱硫时控制内燃机工作模式的本发明的方法的实施例的流程图。
在尾气通道内附加设置有传感器，该传感器可以实现对催化剂的实际状况的判定，其中例如可以对尾气中的气体组分的含量或温度进行检测。在该设置10中为此例如在存储催化剂的下游设有一个气体传感器18和一个温度传感器20。传感器18、20产生信号，在发动机控制器22内对所述信号进行计算。另外，对内燃机16配属有相应的机构24，所述机构至少可以实现对内燃机16的至少一个工作参数至少暂时的影响。采用此方式可以改变尾气温度、内燃机16的工作模式和/或尾气中的具体气体组分分量。这种对内燃机16工作参数的影响是已知的，因而在此不再赘述。
在内燃机16内的空气-燃料-混合物的燃烧过程中，将产生诸如CO、HC和H2等还原物质和诸如NOx和SOx等氧化物质的交替变化的分量。在λ≤1的工作模式时(富的或化学计算值的条件，再生工作方式)，燃料分量超过在空气-燃油-混合物中的氧分量或这些分量是根据化学数量比例的。因此将产生大量的还原物。当工作模式变换到λ＞1(贫条件，贫工作方式)时，则尾气中的还原物的分量将减少。在NOx-存储催化剂12中氧将对还原物进行氧化。只要在NOx-存储催化剂12中的氧浓度较高，则就可以充分地降低还原物的扩散。
与此相反，在NOx-存储催化剂12中氧化物被还原物所替换。此过程仅可在λ≤1的工作模式下充分地进行。在贫条件下，NOx被作为硝酸盐而SOx被作为硫酸盐吸收，并且在达到NOx-的解吸温度或NOx-的存储容量被用尽之前，此过程一直进行。在此时刻之前必须至少进行NOx-再生。
由于SOx-解吸温度较高，所以通常在NOx-再生时不会进行SOx-再生。总之针对再生(NOx-和SOx-再生)需要λ≤1的工作模式和再生温度(取决于NOx-和SOx-解吸温度)，两者共同构成再生参数。可以以已知的方式通过对内燃机16的工作参数施加影响实现对再生参数的调整。同时还已知可以对NOx-存储催化剂12的再生必要性进行确定。在此对有关内容不再赘述。
图2中以一预定的矩阵为例示意示出存储催化剂12划分成任意数量的催化剂单元。可以根据存储催化剂模型确定用于将存储催化剂12划分成催化剂单元的矩阵。该模型例如可以包含存储催化剂12的空间延伸、存储催化剂12内的温度特性曲线或再生速度特性曲线。还可以使用NOx-存储容量特性曲线和在存储催化剂12内的NOx、SOx或O2物质的吸附状况特性曲线。吸附状况是一个催化剂单元内吸收的NOx-、SOx-或O2物质的量度。当然也可以将所述参数代入矩阵计算式内。在所述的例子中存储催化剂12一共被划分成六个催化剂单元Z1至Z6(区)，其中单元Z1设置在面向内燃机16的一侧。
图3示出存储催化剂12再生时的λ值的曲线(虚线)。为加以说明在图中还示出一根据通常的方法的λ值的曲线(实线)。其中内燃机16首先在阶段tm1处于贫工作方式。当超过存储催化剂12的平均催化剂温度的一预定的阈值温度后，在阶段tf1’确切地说至少在重新低于阈值温度之前，调整到再生工作方式。接着在阶段tm2重新采取贫工作方式。
在本发明的方法中，λ值的曲线(虚线)有明显的不同。所以可以在阶段tf1’中再生工作一方面稍后恢复并且另一方面提前结束。虽然在贫阶段tm1’和tm2’中平均催化剂温度瞬时高于根据通常的方法预定的极限温度，但在选定的催化剂单元的温度(单元温度)还可以充分的低，以便可以保证足够的NOx-存储容量。下面将对控制方式做进一步的说明。
图4中示出存储催化剂12的加热阶段期间的λ值的曲线(虚线)。图中同时还示出根据通常的方法的λ值的曲线(实线)。为了使内燃机16启动后马上使存储催化剂12达到必要的工作温度，首先在tf2阶段对存储催化剂12用富的或化学计算值的尾气(λ≤1)进行加载，因为这时尾气的温度明显较高。在平均催化剂温度超过最低温度之前，一直保持再生工作方式。与此相反，在采用本发明的方法时缩短了阶段tf2’，并且当选定的催化剂单元超过最低温度时，已经可以采取贫工作方式。
图5中示出控制内燃机16工作模式的流程图。首先在步骤S1中根据预定的矩阵将存储催化剂划分成一定数量的催化剂单元。接着在步骤S2中求出每个催化剂单元的单元温度。可以对单元温度直接测出，例如通过附加安装的温度传感器，或者根据已知的模型计算出。
在步骤S3中求出，在由尾气流量和λ和NOx原扩散决定的数量的催化剂单元中选出的一个单元内的单元温度是否在预定的下限温度G1和预定的上限温度G2之间。其中下限温度G1构成存储催化剂12的最低工作温度，该最低工作温度对保证足够的NOx-的存储容量是必要的。选择的上限温度G2应使其低于NOx-解吸温度，以便可以避免NOx在存储催化剂12下游的扩散。当在选定的存储催化剂单元中的单元温度低于下限温度G1时，必要时可以在步骤S4中启用加热措施，例如通过转换到再生工作方式。当选定的催化剂单元中的单元温度高于上限温度G2时，必要时可以以已知的方式通过对内燃机16的工作参数施加影响在步骤S4中采取冷却措施。
在步骤S5中求出选定的催化剂单元的NOx-存储容量。此点又可以根据已知的NOx-和SOx-或O2的吸附状况的存储催化剂模型进行。当NOx-存储容量未达到预定的阈值S1(步骤S6)时，则在步骤S7中采取再生工作方式。
在步骤S8中，根据NOx-存储容量、NOx-解吸和每个催化剂单元的空间位置以及在预定时域内内燃机16的原扩散计算出存储催化剂下游的累积的NOx-扩散。这样，在图2中所示的设置在尾气通道14内下游远端的催化剂单元Z4至Z6必要时除了要容纳内燃机16产生的NOx-原扩散，还要容纳位于上游远端的催化剂单元(Z1至Z3)中通过NOx-解吸释放出来的NOx。当计算出的存储催化剂12下游的累积的NOx-扩散超过预定的阈值S2时，则重新采取再生工作方式(步骤S7)。如果不是此情况，则内燃机仍然保持在贫工作方式或被调整到贫工作方式(步骤S10)。
图6示出用于控制内燃机16在脱硫时的工作模式的流程图。在步骤S1和S2中，如上所述，首先将存储催化剂12划分成各个催化剂单元并对选定的催化剂单元的单元温度进行检测。当选定的催化剂单元的单元温度低于最低脱硫温度时(步骤S11)，则不采取其它措施(步骤S12)。否则将在步骤S13中检查，SOx-吸附状况是否超过预定的阈值S3。必要时，在步骤S14中确定用于脱硫的加热时间长度。达到位于下游远端的催化剂单元(例如图2所示的催化剂单元Z4至Z6)的最低脱硫温度的时间长度可根据位于上游远端的催化剂单元(例如图2所示的催化剂单元Z1至Z3)加以确定。除了通过尾气的热流外在催化剂12内的各个催化剂单元之间也存在热流。通常位于上游远端的催化剂单元的单元温度较高。采用此方式可以明显地缩短脱硫时的再生时间长度。在步骤15中然后进行脱硫。
权利要求
1.控制内燃机工作模式的方法，其中对内燃机配属有相应的机构，所述机构根据计算出的或测出的一至少设置在尾气通道中的存储催化剂的催化剂温度至少暂时对至少一个内燃机工作参数施加影响，以便调整内燃机工作模式，其特征在于，(a)根据预定的矩阵将存储催化剂(12)划分成一定数量的催化剂单元；(b)求出每个催化剂单元的单元温度；和(c)根据至少一个预给定的催化剂单元的单元温度确定内燃机(16)的工作模式。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，当至少一个催化剂单元的单元温度在预给定的下限温度(G2)和预给定的上限温度(G1)之间时，优选调整到λ＞1的内燃机(16)贫工作方式。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，(a)根据NOx-和SOx-吸附状况和单元温度求出每个催化剂单元的NOx-存储容量；(b)预定NOx-存储容量的阈值(S1)；和(c)当超过阈值(S1)时将内燃机(16)调整到λ≤1的再生工作方式。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，(a)根据NOx-和SOx-吸附状况和单元温度求出每个催化剂单元的NOx-存储容量；(b)计算出预定时域内内燃机(16)NOx-原扩散和选出的催化剂单元的NOx-吸附状况的变化；(c)根据NOx-存储容量、NOx-吸附状况和选出的催化剂单元的空间位置以及累积的NOx-原扩散计算出存储催化剂(12)下游的累积的NOx-扩散；(d)预定累积NOx-扩散的阈值(S2)；和(e)当超过阈值(S2)时将内燃机(16)调整到再生工作方式。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，当至少一个催化剂单元的单元温度超过最低脱硫温度时开始脱硫。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，根据为SOx-吸附状况预定的阈值(S3)开始脱硫。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于，根据在上游远端的催化剂单元的单元温度确定为达到在下游远端的催化剂单元中的最低脱硫温度的加热阶段的时间长度。
8.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据存储催化剂的空间延伸、温度变化特性、再生速度特性、NOx-存储容量变化特性、NOx-、SOx-或O2-吸附状况或前者的结合的存储催化剂模型确定出对存储催化剂(12)进行划分的矩阵。
全文摘要
本发明涉及一种控制内燃机工作模式的方法,其中对内燃机配属有相应的机构,所述机构根据计算出的或测出的一至少设置在尾气通道中的存储催化剂的催化剂温度至少暂时对内燃机的至少一个工作参数施加影响,以便调整内燃机的工作模式,其中:(a)根据预定的矩阵将存储催化剂(12)划分成一定数量的催化剂单元;(b)求出每个催化剂单元的单元温度;和(c)根据至少一个预给定的催化剂单元的单元温度确定内燃机的工作模式。
文档编号F01N3/20GK1358254SQ00809409
公开日2002年7月10日 申请日期2000年5月31日 优先权日1999年6月25日
发明者埃克哈德·波特 申请人:大众汽车股份公司