用于控制车辆的NOx捕集催化转化器的方法以及用于NOx捕集催化转化器的控制装置与流程

本发明涉及用于在具有内燃发动机的车辆的操作期间控制nox捕集催化转化器的方法。本发明还涉及用于控制nox捕集催化转化器的控制装置以及车辆。

背景技术：

内燃发动机通常在运行期间产生大量的氮氧化物(nox)。特别是在机动车辆中使用柴油和奥托循环发动机的情况下，排气气体中的氮氧化物的量通常高于允许的极限值，使得需要排气气体后处理过程以减少nox排放。在许多发动机中，氮氧化物的还原是在三元催化转化器的帮助下通过排气气体中所含的非氧化成分、特别是通过一氧化碳(co)和未燃烧的碳氢化合物(hc)来实现的。然而，特别是在柴油和贫燃奥托循环发动机的情况下，所述方法是不可用的，这是因为由于排气气体中的高氧分数，不会发生或者几乎不发生nox的还原。因此，特别是在柴油发动机的情况下，根据已广泛使用的方法，使用scr(选择性催化反应)催化转化器。所述scr催化转化器可以在被引入到排气道中的还原剂(例如，氨或尿素溶液)的帮助下将内燃发动机的排气气体中包含的氮氧化物转化成无害的物质(n2和h2o)。所述反应可以仅在一定的温度范围内在scr催化转化器中进行。

在用于达到nox转化的有效性指标的阈值的最小值处所需的scr催化转化器的最低温度的达到通常被专家称为“点火”。有效性指标“转化率”的阈值例如通常设定为99％的nox转化率。根据scr催化转化器的实施例，一般“点火”温度tlo位于200℃至250℃。根据这个方面，scr催化转化器在排气管中尽可能靠近内燃发动机的布置是有利的，以便可以尽可能快地到达tlo。然而，在大约500℃的温度以上，scr催化转化器的转化率显着降低。为了防止超过这样的温度，因此通常将scr催化转化器布置在内燃发动机的相对较远的下游，使得更难或更慢到达点火温度。

为了即使在存在低排气温度和/或在发动机启动后不久实现低nox排放，根据已广泛使用的方法，通常在内燃发动机与scr催化转化器之间使用nox捕集催化转化器(也称为“lnt”或“贫nox捕集器”)。所述nox捕集催化转化器可以甚至在大约200至300℃以下的低温积聚包含在内燃发动机的排气气体中的氮氧化物，特别是no。用于存储nox的给定的nox捕集催化转化器的容量尤其取决于其温度和通过其的排气体积流量。

在大约250℃至300℃以上的温度范围，nox捕集催化转化器通常解吸存储在其中的no。这个特征可以用于再生nox捕集催化转化器的目的，也就是说恢复nox捕集催化转化器的nox捕集容量。在大约250℃至300℃以上的所述温度范围内，如上所述，布置在下游的scr催化转化器可以将从nox捕获催化转化器释放的nox转化为无害的物质。这也可以被称为“热再生”。

根据实施例，nox捕集催化转化器可以具有用于nox，特别是no2的存储容量，甚至在大约300℃以上的相对高温下也是如此。已经在相对低的温度下积聚并且由于温度升高而解吸的no可以在相应的氧气可用性的情况下反应形成no2并且在相对高的温度的存在下积聚。

nox捕集催化转化器还可以通过内燃发动机的“富”操作(具有过量燃料的操作)来再生。为了通过“富”操作再生nox捕集催化转化器，内燃发动机由大量的燃料(λ<1)操作，其产生具有高co和hc含量的“富”排气气体。这里，积聚在nox捕集催化转化器中的nox通过包含在排气气体中的烃hc和一氧化碳co而转化成无害的二氧化碳co2、水h2o和氮气n2。对于通过富操作再生，通常要求超过200℃的排气气体温度的情况。通过内燃发动机的“富”运行再生的缺点在于，这种富运行导致额外的燃料消耗。

在具有几乎完全充满nox的nox捕集催化转化器的车辆在nox捕集催化转化器的再生已经发生之前关闭的情况下出现困难。随后，为了车辆的后续启动，可使用存储容量不足的nox捕集催化转化器以确保低nox排放。为了避免这种情况，有利的是，在车辆运行期间的所有时间，nox捕集催化器尽可能地保持在再生状态。然而，这将意味着执行了通过富发动机操作的多次再生，这是因为即使在存在相对低的排气气体温度的情况下，用于再生的这种可能性也可用作热再生。由于富发动机操作需要大量的燃料，因此这种再生策略将导致额外的燃料消耗。

us2005/0028518a1描述了一种由两个nox捕集催化转化器组成的装置，所述两个nox捕集催化转化器串联地布置在内燃发动机的排气气体流中。位置更接近发动机的nox捕集催化转化器用于积聚在内燃发动机启动之后由内燃发动机排放的nox。位置更接近发动机的nox捕集催化转化器配备有加热装置，该加热装置即使在内燃发动机停机的情况下也允许更接近发动机的nox捕集催化转化器的热再生。

de102008029877a1描述了一种用于确定当前存储在nox捕集催化转化器中的nox的量的方法。

de102008022106a1描述了一种用于操作具有下游nox捕集催化转化器的发动机的方法，其中，公开了在相对高和相对低的温度范围内的除气或再生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于控制排气气体后处理系统的方法，该方法可重复地且可靠地确保在存在低排气气体温度时，即使在车辆启动之后不久的低排气气体排放，并且有利地具有少附加燃料消耗。本发明的另一目的是提供一种用于控制nox捕集催化转化器的有利的控制装置。本发明的另一目的是提供一种有利的车辆。

上述目的通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求9的特征的控制装置以及具有权利要求13的特征的车辆来实现。从属权利要求涉及对方法的有利改进。

根据本发明，提供一种用于控制车辆的nox捕集催化转化器的方法。该车辆包括内燃发动机、nox捕集催化转化器和控制装置。在该方法中，在控制装置中基于下述模型描述了nox捕集催化转化器的捕集容量，在该模型中，将nox捕集催化转化器的捕集容量划分为低温nox捕集容量，即，例如在低温范围中捕集容量的利用率，以及高温nox捕集容量，即，在高温度范围中捕集容量的利用率。至少确定低温捕集容量的利用率。“低”温范围在这种情况下是位于例如在200℃或250℃的温度阈值以下的温度范围。因此，高温范围相应地位于该阈值以上。在此，低温范围包括位于scr催化转化器的功能的最低温度以下的温度范围。基于所确定的低温捕集容量的利用率，做出关于是否执行nox捕集催化转化器的再生的决定。

在根据本发明的用于确定低温nox捕集容量的方法中使用的nox捕集催化转化器的低温nox捕集器模型可以是0维或1维模型。此外，用于确定nox捕集催化转化器的低温nox捕集容量的低温nox捕集器模型可以作为基于特性图的模型或反应动力学模型来实施。

根据本发明的方法可以构造成使得为了作出关于是否执行nox捕集催化转化器的再生的决定，将确定的低温捕集容量的利用率与用于低温捕集容量的利用率阈值ε进行比较。如果在确定的低温捕集容量的利用率与利用率阈值ε的比较中确定超过利用率阈值ε，则启动再生。阈值ε可以例如位于nox捕集催化转化器的最大nox存储容量的50％，66％或75％处。所述阈值被定义成使得当其在车辆停止并且在排气系统冷却之后重新启动时被下调，可以避免不利地高nox排放。

商用车辆已经使用各种形式的行驶轮廓(drivingprofile)或驾驶员识别。例如，现代自动变速箱使其换档特性适应于驾驶员的驾驶风格。行驶轮廓识别也是混合动力车辆的操作和电池充电策略的一部分。一些车辆甚至使底盘的弹簧-阻尼器特性适应于驾驶员的驾驶风格或适用于所行驶的路线。

在根据本发明的方法中，还可以用于分析行驶轮廓。随后，基于对行驶轮廓的分析，如果将要执行nox捕集催化转化器的再生，则设置和实施合适的再生方法。例如，驾驶员可以基于他或她的驾驶风格而被识别和分类，其中，驾驶风格由他或她的加速行为来体现。车辆的多媒体系统还可以用于例如通过他或她的移动电话或者他或她对车辆的访问授权来识别驾驶员。如果驾驶员对于车辆来说是“已知的”，则例如可以以一定概率预测车辆的发动机是否将在相对高的负载或相对低的负载下更多地操作。这对排气气体温度和通过nox捕集催化转化器的排气气体体积流量以及因此对nox捕集催化转化器的功能具有直接的影响。车辆还可以汇编驾驶员的行驶轮廓和/或车辆的行驶轮廓。因此，相应地考虑“已知的”行驶路线并且可能地评估关于交通状况的电子可用数据，车辆可以以一定概率预测发动机在限定的负载和发动机速度范围内的操作。

例如，如果可以从行驶轮廓预期仍然存在相对长的行驶持续时间、具有可能相对高的负载以及导致相对高的排气气体温度，则可以选择nox捕集催化转化器通过热解吸的再生。如果可以在进一步的行驶过程期间从行驶轮廓中预期行驶即将结束或者不存在相对高的负载，则可以选择nox捕集催化转化器通过内燃发动机的富操作的再生。

根据本发明的方法中的用于nox捕集催化转化器的再生方法的选择可以包括内燃发动机的“富”操作和通过热nox解吸的再生。“热nox解吸”方法在这种情况下也可以以不同的变型来实施。nox捕集催化转化器通过热解吸的再生可以通过被动热nox解吸来实现。也就是说，由于由驾驶操作引起的内燃发动机的操作状态，内燃发动机的排气气体在任何情况下均具有温度ta，该温度ta导致nox从nox捕集催化转化器的低温捕集器的解吸。该再生方法不产生任何附加的燃料消耗并且因此是特别有利的，但是该再生方法需要内燃发动机的相应的操作状态，其需要车辆的相应的驾驶状态。

还可以通过用于提高排气温度ta的措施来辅助热nox解吸。所述措施可以例如是内燃发动机的空气质量流量的后喷射或节流的实施。然而，这样的措施导致内燃发动机的效率的损害，并且因此导致车辆的额外的燃料消耗。此外，通过所述措施，即使仅由内燃发动机的操作状态产生的排气气体温度略低于热解吸所需的温度，也可以进行热解吸。

通过热nox解吸的再生可以通过内燃发动机同时发生的“富”操作来辅助。这种再生方法的组合允许nox捕集催化转化器特别快速的再生，但也导致特别严重的效率损害，特别是如果热nox解吸是通过用于提高排气气体温度ta和内燃发动机的富操作的措施来辅助的。

在根据本发明的方法中，如果在大于tmin的时间段内，nox捕集催化转化器的入口处的排气气体温度ta位于下阈值ta_min_fett以上并且位于上阈值ta_max_fett以下，则可以将仅通过内燃发动机的“富”操作的再生设定为再生方法，并且对行驶轮廓的分析将行驶的即将结束分类为可能。

本发明还包括一种用于控制车辆的nox捕集催化转化器的控制装置，其包括至少一个信号输入端。该信号输入接收以下输入信号：

-nox输入信号noxin，其表示引入到nox捕集催化转化器中的nox的量。

-λ信号λin，其表示供应至nox捕集催化转化器的排气气体的λ值。

-温度信号(tlnt)，其表示nox捕集催化转化器的温度，以及流量信号exflow，其表示排气气体体积流量。

该控制装置还包括nox捕集催化转化器的nox捕集器模型，该nox捕集器模型分成低温nox捕集器模型和高温nox捕集器模型。低温nox捕集器模型和高温nox捕集器模型都连接至信号输入端以用于接收输入信号。

低温nox捕集器模型设计成基于输入信号计算低温负载指标noxlowst。此外，评估装置包括评估模块，该评估模块连接至低温nox捕集器模型以用于接收低温负载指标noxlowst。该评估模块执行低温负荷指标noxlowst与用于低温捕集容量的利用率阈值ε的比较。所述评估模块设计成如果在比较中检测到低温负荷指标noxlowst位于利用率阈值ε以上，则开始nox捕集催化转化器的再生。

根据本发明的方法可以通过根据本发明的控制装置来执行，使得参照根据本发明的方法描述的特征和优点同样地通过根据本发明的控制装置来实现。

对于内燃发动机而言，可以存储指定所有操作点处的nox排放的特性图。如果通过集成来获取所述nox排放，则可以确定存储在nox捕集催化转化器中的nox的量。nox捕集催化转化器通过富操作的再生以及通过温度的nox的解吸也可以通过用于nox捕集催化转化器的nox负载的计算模型来表示。

根据本发明的控制装置可以设计成选择合适的再生方法。所述方法可以包括通过内燃发动机的富操作的再生以及通过热nox解吸的再生。

根据本发明的控制装置可以特别地设计成还选自用于热nox解吸的不同方法。它们是：

-通过被动热nox解吸再生，

-在执行后喷射的情况下、在内燃发动机的空气质量流量节流的情况下或者在用于提高排气气体温度ta的其它措施的情况下，通过热nox解吸再生，

-内燃发动机的“富”运行的同时通过热nox解吸再生。

根据本发明的控制装置还可以设计成分析车辆的行驶轮廓并且基于该行驶轮廓的分析选择合适的再生方法。

本发明还包括具有根据本发明的控制装置的车辆。

附图说明

其它特征和优点将从下面给出的本发明的示例性实施例的详细描述中显现。下面将基于附图更详细地讨论示例性实施例。在附图中：

图1示出了根据本发明的车辆；

图2示出了根据本发明的方法；以及

图3示出了根据本发明的控制装置。

附图标记列表:

1：nox捕集催化转化器

2：车辆

3：内燃发动机

4：scr催化转化器

5：排气气体

10：控制装置

11：低温nox捕集器模型

12：高温nox捕集器模型

13：nox捕集器模型

14：评估模块

15：信号输入

16：低温决策模块

17：高温决策模块

lin：空燃比

ε：用于低温负载指标nox^low的阈值

tlnt：排气气体温度

ta_min：用于通过富发动机操作再生的下排气气体温度阈值

ta_max：用于通过富发动机操作再生的上排气气体温度阈值

tmin：用于选择富发动机操作再生的低负载操作期间的最小时间段

ex.flow：排气气体体积流量

k：转换率

n：发动机转速

md：负载

nox^deslt：从低温捕集器中解吸的nox的量

nox^highst：高温负载指标

nox^out：离开nox捕集催化转化器的nox的量

noxin：引入到nox捕集催化转化器中的nox的量

nox^lowst：低温负载指标

n：发动机转速

具体实施方式

图1示例性地示出了根据本发明的车辆2。所述类型的车辆2至少包括内燃发动机3、nox捕集催化转化器1和根据本发明的控制装置10。在此示出的车辆还包括scr催化转化器4。

内燃发动机3可以是商购的柴油或奥托循环发动机。这些可以利用不同的燃烧和混合物制备方法构造并且利用不同的燃料操作。本发明特别适用于至少暂时地以贫燃模式(具有过量空气)并且利用由烃化合物构成的燃料操作的内燃发动机3。这种内燃发动机3排放包括nox的排气气体5。这些的实例是用于客运机动车辆和重型货车的商购柴油发动机。

在车辆中安装nox捕集催化转化器1，该nox捕集催化转化器1例如与商购的贫燃内燃发动机3结合。所述nox捕集催化转化器布置在内燃发动机3下游的排气道中并且因此由内燃发动机3排放的排气气体5流过。nox捕集催化转化器1还可以集成到用于排气气体后处理的其它部件中，例如颗粒过滤器中。除了在车辆中以外，nox捕获催化转化器例如也在能量产生设备和涉及燃烧过程的其它设备的排气道中出现。

车辆2可以是乘客机动车辆或重型货物车辆。然而，作为船舶(船或舰)或摩托车的实施例也是可以想到的。

scr催化转化器4同样被排气气体5流过并且布置在nox捕获催化转化器1的下游。scr催化转化器4还包括用于反应物例如尿素溶液的注射系统。因此，如果满足其他边界条件(例如温度)，则scr催化转化器4能够将流过的排气气体5中包含的nox转化为无害的氮气n2和水。

关于控制装置的测量输入和控制/调节输出和控制电子器件，根据本发明的控制装置设计成使得可以执行根据本发明的用于控制nox捕集催化转化器1的方法。为了这个目的，在这里所示的示例中，控制装置10尤其可以致动内燃发动机3和/或scr催化器4。控制装置10还可以将根据本发明的过程的结果传输至其他车辆系统，例如以便向驾驶员发信号以在工作间呼叫。控制装置10还可以集成到车辆2的另一控制装置中或包括车辆2的另一控制装置。

图2通过示例示出了根据本发明的用于控制车辆2的nox捕集催化转化器1的方法。根据本发明的方法可以例如包括步骤s1至s6。

在可选的方法步骤s1中，分析车辆2的行驶轮廓。驾驶员基于他或她的驾驶风格，例如基于他或她的加速行为而被识别并且被分配至他或她的先前确定的行驶轮廓。车辆2的多媒体系统还可以用于例如通过他或她的移动电话或者他或她对车辆2的访问授权(“无钥匙进入”)来确定和“识别”驾驶员。如果驾驶员对于车辆2来说是“已知的”，则可以分析分配给驾驶员的行驶轮廓。基于该分析，随后例如可以以一定的概率预测车辆的发动机是否将在相对高的负载或相对低的负载下更多地操作。这对经过nox捕集催化转化器1的排气气体5的温度和体积流量具有直接影响，并且因此对nox捕集催化转化器1的功能具有直接影响。

车辆2还可以汇编驾驶员和/或车辆2的行驶轮廓。车辆2因此可以“记住”经常行驶的路线并且在行驶期间识别这些路线。相应地考虑并且确定“已知的”行驶路线，可以以一定的概率预测发动机3在限定负载和发动机转速范围内的操作。通过结合关于交通状况的电子可用数据，可以提高所述预测的准确性。

在方法步骤s2中，至少确定低温负载指标noxlowst的值。所述值表示nox捕集催化转化器1的低温nox存储容量的利用率。例如，低温负载指标noxlowst值可以表示在低温范围内为占nox捕集催化转化器1的最大nox存储容量的百分数的nox负载。在本示例性实施例中，低温范围是高至200℃的温度范围。然而，根据scr催化转化器的点火温度，也可以是不同的温度范围，例如高至250℃的温度范围。在此，低温范围选择成包括使车辆的scr催化转化器4仍然低于其“点火”温度的温度范围。

通过具有如图3所示的nox捕集器模型13的控制装置10执行低温负载指标noxlowst值的确定。

图3示意性地示出了具有nox捕集催化转化器1的nox捕集器模型13的控制装置10的构造，该模型在存在高温和低温的情况下复制nox捕集催化转化器1的nox存储容量。为此目的，nox捕集器模型13包括低温nox捕集器模型11和高温nox捕集器模型12，其表示关于nox捕集催化转化器1在各个温度范围中的nox存储的行为。

低温nox捕集器模型11包括作为输入变量的引入到nox捕集催化转化器1中的nox量noxin、排气气体体积流量exflow、在nox捕集催化转化器1的入口处的排气气体温度ta以及空燃比λin。在示例性实施例中，用于确定低温负载指标noxlowst值的模型是1维模型。因此，可以复制nox捕获催化转化器1在排气气体5的流动方向上的结构长度上的温度和反应分布。然而，用于确定低温负荷指标noxlowst值的模型也可以呈0维“黑盒子”模型的形式。在这种情况下，该模型可以是基于特征图的模型或反应动力学模型。

在所示的实施例中，低温nox捕集器模型11还具有输出noxdeslt。所述变量表示从低温捕集器中解吸的nox的量。

变量noxdeslt是用于高温nox捕集器模型12的输入变量。除了被引入到nox捕集催化转化器1中的nox量noxin以外，noxdeslt表示“越过”到高温nox捕集器模型12中的nox的量。

此外，高温nox捕集器模型12还使用低温nox捕集器模型11的输入变量，也就是说，所引入的nox量noxin、排气气体体积流量ex.flow、nox捕集催化转化器1的入口处的排气气体温度tlnt以及空燃比λin。

基于这些输入变量，高温nox捕集器模型12可以确定高温负载指标noxhighst的值。noxhighst描述nox捕集催化转化器1的高温nox储存容量的负载状态。

在所示的实施例中，高温nox捕集器模型12还包括输出noxout。变量noxout描述离开nox捕集催化转化器1的nox的量。于是，所述量noxout也是随排气气体5流入位于下游的scr催化转化器4中的nox的量。

控制装置10还包括低温决策模块16和高温决策模块17。低温决策模块16设计成执行根据本发明的方法以用于选择再生方法。在高温决策模块17中，还可以实施基于高温nox捕集器模型12的输出的其他方法，例如scr催化转化器4的致动。

对于内燃发动机3而言，可以存储特性图或模型，所述特性图或模型指定用于所有操作点的nox排放、排气气体温度和排气气体体积流量。空燃比在任何情况下都被认为是发动机控制器的参数。变量noxin可以从所述参数进行确定。如果nox排放是通过集成来获取的，则可以确定存储在nox捕集催化转化器1中的nox的量。nox捕集催化转化器通过富操作的再生以及通过温度的nox的解吸也可以通过用于确定nox捕集催化转换器1的低温负载指示值noxlowst值的计算模型来表示。

在方法步骤s3中，将低温负载指标noxlowst值与阈值ε进行比较。阈值ε例如可以位于nox捕集催化转化器1的最大nox存储容量的50％处。然而，其他阈值例如75％基本上也是可以的。阈值ε定义成使得当其在车辆2关闭并且在排气系统(包括nox捕集催化转化器1和scr催化转化器4)已经冷却之后重新启动的情况下下调时，可以避免不利地高nox排放。

如果已经超过阈值ε，则在方法步骤s4中确定再生的需求，并且该方法前进至方法步骤s5。如果没有超过阈值ε，则足够的nox存储容量可用于下一次发动机启动，并且该方法返回至方法步骤s1。

在方法步骤s5中，指定合适的再生方法，在本示例性实施例中，该再生方法是基于行驶轮廓执行的。例如，如果可以从行驶轮廓预期仍然存在相对长的行驶持续时间、具有可能相对高的负载以及导致相对高的排气气体温度，则可以指定nox捕集催化转化器1通过热解吸的再生。随后，定位在nox捕集催化转化器1下游的scr催化转化器4将从nox捕集催化转化器1解吸到排气气体中的nox转化为无害的物质。

如果可以在进一步的行驶过程期间从行驶轮廓中预期行驶即将结束或者不存在相对高的负载，则可以选择nox捕集催化转化器1通过内燃发动机3的富操作的再生。

通过发动机3的富操作来选择再生的先决条件可以例如是，在比最小时间段tmin长的时间段，在nox捕集催化转化器1的入口处的排气气体温度ta高于下阈值ta_min_fett并且低于上阈值ta_max，并且行驶轮廓的分析将行驶即将结束分类为可能。

用于在方法步骤s5中指定的另一再生方法也可以是通过随着排气气体温度ta的提高而热nox解吸的再生。这可以例如通过将要执行的后喷射、通过对内燃发动机3的空气质量流量进行节流或者通过用于提高排气气体温度ta的其它措施来实现。例如如果排气气体温度在没有增加措施的情况下仅略微低于通过热解吸的再生所需的最低温度时，这种方法是有利的。

所有所述再生方法的组合是用于方法步骤s5中的说明的可能的替代方案。例如，通过热nox解吸的再生可以通过内燃发动机3的同时的“富”操作来辅助。例如，如果预期的是在车辆2关闭之前仅覆盖短行驶距离，则这种方法是有利的。

最后，在方法步骤s6中执行在方法步骤s5中说明的方法，并且再生nox捕获催化转化器1。以这种方式，为了车辆2的下一次启动，在nox捕集催化转化器1中有足够的nox存储容量，以防止不利地高nox排放。

通过根据本发明的过程可以有利地执行对nox捕集催化转化器1的控制，使得可以避免在启动之后车辆2的不利的高nox排放。同时，通过根据需要规定再生过程，相对于用于控制nox捕集催化转化器1的常规过程实现了燃料消耗的有利降低。