控制和诊断一维三元催化剂模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及内燃发动机中空燃比的反馈控制。
【背景技术】
[0002] 利用催化剂实现汽油发动机中的排气排放控制在催化剂原料气空-燃比接近化 学计量比时是最有效的。在汽油发动机的现实世界操作期间，会出现偏离化学计量比的情 况。二氧化铈通常被添加到催化剂中以用作氧存储装置的缓冲器，以帮助抑制排放物的泄 漏并增大关于化学计量比空-燃比的操作窗口。所存储的氧可以基于催化剂监控传感器和 /或基于物理学的催化剂模型而被维持在期望的设定值。
[0003] 控制和诊断排气排放物的一种方法是利用基于物理学的模型确定催化剂中所存 储氧的水平，该基于物理学的模型包括在一个或多个维度中具有多种排气种类的多个偏微 分方程式。另一种方法利用轴向均化的基于物理学的零维度模型，该零维度模型包括可被 分组为氧化剂组和还原剂组的多种排气种类。
【发明内容】
[0004] 然而，本发明人已经意识到以上方法的问题。利用在一个或多个维度中包括多个 偏微分方程式的模型确定所存储氧的水平会难以实现并且通常比发动机控制器中可用的 处理能力需要更多的处理能力。进一步地，利用零维度模型可能忽略参数并且由于所述模 型的降阶而不会精确预测冷启动期间的排放物。
[0005] 因此，在一个示例中，以上问题可以通过用于发动机排气系统的方法至少部分 地被解决。在一个实施例中，该方法包括基于催化剂的部分氧化状态（a fractional oxidation state)调节燃料喷射量，所述部分氧化状态基于排气物种类在一维模型中的反 应率，所述一维模型针对催化剂的流体相和涂层（washcoat)在时间和空间上被均化为质 量平衡和能量平衡方程式。在横向方向的梯度用于说明内部和外部质量传递系数。这可以 通过将所述化学排气物种类分组为两组或较少组来提高一维模型的计算时间，所述两组或 较少组可以包括氧化剂组和还原剂组，其中单一扩散率值可以被使用。
[0006] 例如，所述部分氧化状态可以基于从精细的二维模型推导出的一维模型而被确 定。所述模型可以跟踪穿过所述催化剂的两种或更少种被分组的化学排气种类的演变。进 一步地，所述模型也在所述涂层内说明扩散，通过使用有效的质量传递概念在涂层中发生 反应。因此，简化的一维模型可以被用来预测所述催化剂的总储氧容量和部分氧化状态二 者。这些可以被使用在发动机空-燃比的反馈控制中，以便将所述催化剂的部分氧化状态 维持在期望的量。进一步地，如果催化剂活性或所述总储氧量低于阈值，可以指示催化剂退 化。
[0007] 本公开可以提供若干优点。例如，可以减少投入到所述催化剂模型的处理资源。进 一步地，排放物控制可以通过将所述催化剂维持在期望的部分氧化状态而被改善。另外，在 冷启动期间的排放物可被精确地预测用于实时加燃料控制。本方法的另一个优点在于其提 供了用于控制和诊断的非侵入式催化剂监控器，这较少地依赖传感器位置并因此同样适用 于局部和全体积催化剂系统两者。
[0008] 当单独或结合附图时，根据下列【具体实施方式】将易于了解本说明书的上述优点和 其他优点以及特征。
[0009] 应该理解，提供上面的
【发明内容】
是以简化的形式介绍在【具体实施方式】中进一步描 述的一些概念。这并不意味着确定要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的 范围由所附【具体实施方式】的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决上述 或本公开中任何部分所提及的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0010] 图1简要示出示例车辆系统。
[0011] 图2示出用于估计催化剂增益的控制操作。
[0012] 图3A-图3C简要示出内环控制策略和外环控制策略的示例图。
[0013] 图4是示出根据本公开的实施例用于监控催化剂的示例方法的流程图。
[0014] 图5是示出根据本公开的实施例用于确定催化剂的氧化状态的示例方法的流程 图。
【具体实施方式】
[0015] 为了减少排放物的泄漏，催化剂可以利用氧存储材料（例如以氧化铈形式的二氧 化铈）在富偏离或稀偏离期间为氧提供缓冲。进入催化剂的空-燃比可以被控制，使得催 化剂的氧化状态被维持在期望的水平。在本公开的一个示例模型中，在催化剂入口处通过 出口的各种排气物种类（例如H 2、CO、NOx、HC和02)的浓度可以使用简化的一维模型被建 模，该简化的一维模型将各种排气物种类分组为两组或更少组的互相排斥组。所述模型用 于说明复杂的催化剂动态特性（比如在涂层中的扩散限制和反应以及内部质量传递系数 和外部质量传递系数所说明的催化剂老化和梯度），并且通过将化学种类归并为只有两组 或较少组利用其减少的数量而在空间和时间上将该动态特性简化为被均化的一组方程式。 所述模型方程式跟踪仅两组或较少组的排气物种类在所述催化剂的流体相中和在涂层中 的平衡。所述模型能够精确预测在冷启动期间的排放物，并减少在发动机操作期间用于实 时控制燃料喷射的计算要求。进一步地，所述模型补偿在催化剂的流体相和涂层中的总体 能量平衡。
[0016] 具体地，所述模型可跟踪两组排气物种类（例如氧化剂组和还原剂组）的浓度变 化，以便确定所述催化剂的部分氧化状态，这可以用来控制发动机的空-燃比。所述化学 排气物种类被分组为氧化剂组和还原剂组的分组进一步减少实时加燃料控制，因为该两组 能够被选择以具有几乎相似的分子质量并且允许使用单一扩散率值。进一步地，催化剂增 益可以被确定并被应用于所述模型以跟踪总储氧容量的变化，其可指示所述催化剂是否退 化。图1示出包括催化剂和控制系统的示例发动机。图2到图5示出可由图1的发动机执 行的各种控制程序。
[0017] 图1示出车辆系统6的示意图。车辆系统6包括具有多个气缸30的发动机10。 发动机10包括进气装置23和排气装置25。进气装置25包括经由进气通道42流体耦接到 发动机进气歧管44的节气门62。排气装置25包括通向至排气通道35的排气歧管48,所 述排气通道35将排气传送到大气。排气装置25可包括一个或多个排放控制装置70,排放 控制装置可被安装在排气装置中的紧凑式位置中。一个或多个排放控制装置可包括三元催 化剂、稀NOx捕集器、柴油或汽油微粒过滤器、氧化催化剂等。应当理解，其他部件可被包括 在所述发动机中，诸如各种阀和传感器。
[0018] 发动机10可接收来自燃料系统（未示出）的燃料，该燃料系统包括燃料箱和用于 加压输送到发动机10的喷射器66的燃料的一个或多个泵。虽然仅不出单个喷射器66,但 是每个汽缸可以提供另外的喷射器。应当理解，所述燃料系统可以是无回流燃料系统、回 流燃料系统或各种其他类型的燃料系统。所述燃料箱可以保存多种燃料混合物，包括具有 一系列酒精浓度的燃料（比如包括E10、E85、汽油等以及它们组合的各种汽油-乙醇混合 物）。
[0019] 车辆系统6进一步可以包括控制系统14。控制系统14被示出接收来自多种传感 器16 (其各种示例将在本文中描述）的信息并且向多种致动器81 (其各种示例将在本文中 描述）发送控制信号。作为一个示例，传感器16可以包括位于排放控制装置上游的排气 传感器126 (比如线性UEG0传感器）、温度传感器128和下游排气传感器129 (比如二进制 HEG0传感器）。如本文更详细所讨论的，其他传感器（比如压力、温度和成分传感器）可被 耦接到车辆系统6中的各个位置。在一个示例中，例如，致动器可包括"消息中心"，所述消 息中心包括操