测定废气组分在催化器中的填充水平的方法和计算单元与流程

1.本发明涉及一种用于测定废气组分在催化器中的填充水平的方法，以及涉及一种用于执行该方法的计算单元和计算机程序。


背景技术：

2.现代机动车经常装备有用于对内燃机的废气进行后处理的催化器。在许多情况下，监控和/或调节这些催化器。
3.在燃料/空气混合物在汽油发动机中不完全燃烧时，除了氮（n2）、二氧化碳（co2）和水（h2o）之外，还排出多种燃烧产物，在所述燃烧产物中，碳氢化合物（hc）、一氧化碳（co）和氮氧化物（no
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）在法律上受限。按照目前的现有技术，只能利用催化废气后处理来遵守适用的针对机动车的废气极限值。通过使用例如三元催化器，可以转换所提到的有害物质组分。
4.在三元催化器中，仅在围绕化学计量的工作点的窄的λ范围（λ=1）（所谓的“催化器窗口”或“转换窗口”）中，达到针对hc、co和no
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的同时高的转换率。
5.为了在转换窗口中运行三元催化器，在目前的发动机控制系统中典型地采用λ调节，所述λ调节基于布置在三元催化器之前和之后的λ探测器的信号。为了调节充气系数λ（该充气系数λ是内燃机的燃料/空气比的组成的量度），利用布置在那里的输入侧的λ探测器来测量在三元催化器之前的废气的氧含量。根据该测量值，该调节修正如下燃料量或者喷射持续时间：所述燃料量或者喷射持续时间例如呈预控制函数的基础值的形式来预先给定。
6.在预控制的范围中，根据例如内燃机的转速和负载，预先给定要喷射的燃料量的基础值。为了还更准确地调节，附加地可以利用其他λ探测器来检测废气在三元催化器下游的氧浓度。输出侧的λ探测器的信号可以被用于导向调节，所述导向调节在三元催化器之前叠加到基于输入侧的λ探测器的信号的λ调节。作为布置在三元催化器之后的λ探测器，一般使用阶跃
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λ探测器，所述阶跃
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λ探测器在λ=1时拥有非常陡的特性曲线，并且因此可以非常准确地指明λ=1。
7.除了通常仅校正和比较缓慢地校正与λ=1的小偏差的导向调节之外，为了又快速地达到转换窗口，可以呈λ预控制的形式按照与λ=1的大偏差来设置另外的功能，这例如在具有滑行断开（schiebebetriebsabschaltung）的阶段之后是重要的，在所述阶段中给三元催化器装载有氧。装载有氧妨碍no
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转换。
8.由于三元催化器的氧存储能力，在三元催化器之前已设定浓的或者稀的λ之后，在三元催化器之后还可能在好几秒期间存在λ=1。三元催化器的暂时存储氧的特性被充分利用，以便补偿在三元催化器之前短时偏离λ=1。如果在三元催化器之前在较长时间期间存在不等于1的λ，则氧填充水平在λ>1（氧过量）时一超过氧存储能力，或者在三元催化器中在λ<1时一不再存储有氧，就也在三元催化器之后将出现相同的λ。
9.在该时间点，那么在三元催化器之后的阶跃
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λ探测器指明离开转换窗口。然而直至该时间点，在三元催化器之后的λ探测器的信号没有表明即将来临的缺口，并且基于该信
号的导向调节因此常常才做出反应晚到使得，燃料计量不再能够在缺口之前及时做出反应。结果，出现提高的排放。这种调节方案因此具有如下缺点：所述调节方案依据在三元催化器之后的阶跃
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λ探测器的电压很晚才识别出转换窗口的离开。
10.从de 10 2016 222 418 a1中，已知了一种基于模型的调节方案，其中在废气的流动方向上，在催化器之前和之后分别布置有λ传感器，并且催化器模型用于对催化器的在一种或者多种废气组分、尤其是氧处的填充水平进行建模。


技术实现要素：

11.根据本发明，建议了具有独立权利要求的特征的如下方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序：所述方法用于测定至少一个可存储在催化器中的废气组分在该催化器中的填充水平，所述废气组分在燃烧过程中被产生。有利的构建方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。
12.本发明利用措施，在确定废气组分在催化器中的填充水平（尤其是氧在三元催化器中的填充水平）时，不仅考虑催化器中的该组分的燃烧引起的改变，而且考虑在燃烧之外进行的扩散过程。尤其是，本发明为此利用对如下内容的建模：在立式内燃机的情况下，气态的氧到催化器中的扩散，和氧到催化器中的存入。
13.由此，可以还更准确地确定分别为瞬时的填充水平。通过考虑导致催化器中的氧填充水平改变的扩散过程，能够实现对催化器的进一步改进的基于模型的调节，利用所述调节及早地识别和尽可能阻止尤其是催化器窗口的离开，或利用所述调节，催化器在离开催化器窗口之后以尽可能小的排放又退还到催化器窗口中。例如在再采用燃烧时，对催化器填充水平的建模从一开始也更精确。经此，可以更可靠地阻止并且总体上减小有害物质排放，并且同时可以更有效地控制燃烧过程。
14.在有利的构建方案中，在此确定催化器的至少一个状态变量、尤其是温度和/或温度分布，并且根据至少一个状态变量来确定催化器填充水平的扩散引起的变化。这是有利的，因为温度和另外的影响参数对扩散过程有决定性的影响。
15.有利地，确定至少一个废气组分在催化器上游和/或下游的浓度，和依据由此测定的浓度梯度来计算至少一个废气组分的扩散方向和/或扩散速度，并且在计算催化器填充水平的扩散引起的变化中考虑所述扩散方向和/或扩散速度。经此，扩散方向和扩散速度可以更精确地被确定，这对填充水平模型产生正面影响。
16.有利地，在恢复燃烧之后，基于所测定的填充水平来调节至少一个废气组分的填充水平，也就是所测定的值作为实际值通过控制燃烧与额定值相适应。尤其是，这包括，燃烧过程被控制为使得，如果填充水平在额定值之下，则填充水平升高，而如果填充水平在额定值之上，则填充水平下降。经此，废气组分的扩散在燃烧过程没有运行的时间中可以在控制燃烧过程的随后的运行中予以考虑，以便总体上减少排放。
17.优选地，至少一个废气组分包括氧和/或碳氢化合物和/或一氧化碳和/或氮氧化物。它们对于废气催化器的控制是特别相关的。尤其是，氧到催化器中的扩散在降低总排放时起决定性的作用。
18.有利地，在内燃机的内部、尤其是在车辆中，执行燃烧过程。这些应用在极大程度上为到周围环境中的相对应的有害物质排放做出贡献，并且特别遭受法律限制，使得这里
存在特别的适配需求。
19.根据本发明的计算单元（例如机动车的控制设备）尤其是以编程技术设立为，执行根据本发明的方法。
20.根据本发明的方法的呈计算机程序或者计算机程序产品形式的实施方案也是有利的，所述计算机程序或者计算机程序产品具有用于执行所有方法步骤的程序代码，因为尤其是当进行实施的控制设备还被用于其他任务并且因而本来就存在时，这造成特别低的成本。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光的和电的存储器，如例如硬盘、闪存存储器、eeprom、dvd和更多。经由计算机网络（互联网、内部网等）下载程序也是可能的。
附图说明
21.本发明的其他优点和构建方案从本描述和附上的附图中得出。
22.依据附图中的实施例示意性地示出了本发明，并且在下文参照附图描述本发明。
23.图1以示意图示出了具有内燃机的装置，所述装置设立用于执行根据本发明的方法的有利的构建方案。
24.图2以极其简化的流程图的形式示出了根据本发明的方法的有利的构建方案。
具体实施方式
25.在图1中，以示意图示出了装置，并且总体用100标明该装置，该装置设立用于执行根据本发明的方法的有利的构建方案，并且该装置例如可以布置在车辆中。
26.该装置100包括：内燃机120，例如柴油发动机或者汽油发动机；燃料处理设备（kraftstoffaufbereitungsvorrichtung）110；废气催化器130，所述废气催化器130例如可以构造为三元催化器；计算单元140，例如发动机控制设备（ecu）；以及传感器145、147，所述传感器145、147例如以λ传感器、热电偶、压力传感器和/或针对浓度、温度、压力或者另外的物理或者化学变量的测量设备的形式来提供，所述另外的物理或者化学变量可以描述或者影响排气系统的状态。
27.尤其是，本发明利用对如下内容的建模：在立式内燃机120的情况下，气态的氧到催化器130中的扩散，和氧到催化器130中的存入。为此，可以设置，在立式内燃机中从具有运转的内燃机的阶段过渡到扩散阶段时，检测催化器的当前状态变量。这例如是：催化器中的填充水平、如氧填充水平或者油气组分的填充水平或填充水平分布，催化器的存储能力和催化器的平均温度或催化器中的温度分布。利用这些状态变量，初始化催化器的扩散模型，所述扩散模型描绘了实际催化器的氧填充水平在扩散阶段期间的时间演变。
28.在从扩散阶段过渡到具有运转的内燃机的阶段时，相反地检测扩散模型的状态变量，并且借助所述状态变量初始化催化器的如下模型：所述催化器的模型描绘了实际催化器的氧填充水平在运转的内燃机120的情况下的时间演变。
29.通过该行为方式，可以直接在扩散阶段之后实现催化器的所建模的状态变量和实际状态变量的较好的一致性。经此，又可以在内燃机启动之后较好地校准催化器的填充水平。排放经此又可以被减小。对于催化器而言，较严格的法律要求可以利用较低的成本来满足。
30.在图2中，以极其简化的流程图的形式示出了根据本发明的方法的构建方案，并且总体用200标明根据本发明的方法的构建方案。
31.该方法以初始化步骤210开始，在初始化步骤210中，例如向装置100的组件输出控制设备140的指令。
32.在步骤220中，确定通过内燃机120产生的废气的状态。为此，可以评估由传感器145、147中的一个或者多个传感器（例如由λ探测器145）检测到的信号，所述λ探测器145布置在废气催化器130上游。例如，在步骤220中，测定废气的质量流和氧浓度。从废气的所测定的状态中，在步骤230中确定废气催化器130的填充水平。例如，填充水平涉及在催化器130中存储的氧，与氧的最大或者当前可存储的最高量有关。为此，例如可以考虑基于催化器的工厂模型（streckenmodell）的模型计算，所述工厂模型例如利用在步骤220中检测到的传感器数据来参数化（bedatet）。控制设备140向内燃机120或燃料处理设备110输出或已输出的当前的和/或较早的控制参数也可以涌入到这种模型计算中。针对催化器中的氧填充水平的建模例如在lino guzzella、christopher h. onder的“introduction to modeling and control of internal combustion engine systems”（(isbn 978
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0)，第2.8.3节）中予以描述。
33.在步骤250中，监控废气催化器130的状态。例如，为此借助传感器145、147中的一个或者多个传感器，测定在催化器130之内的温度或者温度分布，测定一个或者多个废气组分在催化器130之内、上游和/或下游的浓度，和/或测定在催化器130上游、之内和/或下游的压力。
34.在步骤240中，确定内燃机当前是否在运行中。如果情况如此，则在步骤280中，基于确定的催化器填充水平和必要时另外的参数、如例如当前的负载要求、有关所期望的或者所需的废气组分的预给定、当前的废气温度等等，调节内燃机120的运行。为此，从控制设备140侧，可以对燃料处理设备110发生影响。例如，可以设定被计量的燃料的量，或者影响燃烧供气的节气阀的位置。内燃机120的影响也可以直接进行，例如以这样的方式进行：预先给定点火时间点。
35.紧接着，方法200回转至初始化步骤210。
36.而如果在步骤240中查明内燃机120停止运行，则在步骤260中，在考虑在步骤250中测定的催化器状态的情况下，确定至少一个废气组分（尤其是氧）到废气催化器中或者从废气催化器或在废气催化器之内的扩散。例如，为此考虑催化器的温度，使得在高温下的扩散速度大于在低温下的扩散速度。再者，可以设置温度阈值，在该温度阈值之下或在该温度阈值之上没有确定有扩散，因为例如催化器在这样的温度下不能存储废气组分。
37.在确定废气组分的扩散时，此外有利的是，考虑该废气组分在催化器130的环境之内或环境中的不同部位处的浓度，因为扩散朝着浓度梯度的方向进行。因此，扩散方向取决于废气组分在相互处于流体传导的连接的地点处的相对浓度。在此，适宜地考虑在催化器的周围环境中的氧源和氧汇点（senken）。优选地，以空间分辨的方式（ortsaufgeloest）例如借助扩散方程（第二菲克定律），描述在催化器之内和在催化器的周围环境中的气态氧的浓度的变化。类似可能的是，也描述在多个相继安置的催化器中的浓度变化。
38.如果存在尚未占据的存储位置并且催化器的温度足够高，则输入到催化器中的气态氧可以被存入在催化器中。存入的与温度有关的动力学优选地通过阿伦尼乌斯
（arrhenius）法来建模。尚未占据的存储位置的数目通过对如下内容进行结算来测定：总共可用的存储位置、已经用氧占据的存储位置和用另外的废气组分占据的存储位置。氧的存入也优选地以空间分辨的方式予以描述，例如通过对多个轴向片（scheiben）进行建模来描述。替选地，尽管较不准确，但是氧填充水平在扩散阶段期间的变化也可以基于数据地予以描述，例如通过与扩散阶段的持续时间和（多个）催化器温度有关的特性曲线族来描述。
39.在步骤270中，利用在步骤230中最后确定的或者在初始化步骤210中预先给定的催化器填充水平，抵消所测定的扩散并且这样测定催化器的经过更新的填充水平。
40.该方法200紧接着回转至步骤240，或回转至初始化步骤210。
41.该方法200的这里所示的线性完全出于可理解性。在不同的构建方案中，步骤210至280中的多个步骤可以同时地或者以另外的顺序来执行，而总体上不干扰该方法200。例如，废气浓度的测量基本上可以连续地被执行，并且并不取决于填充水平的计算是否已经结束。温度也可以基本上连续地被检测。而如果恰好没有产生新鲜废气，那就是说内燃机停止运行，那么对废气组分的扩散的确定尤其是有意义的。而如果内燃机120在运行中，则经此产生的废气经过催化器130的流动速度一般高到使得，废气组分的扩散最多可能将可忽略得小的影响施加到在催化器中进行的运输过程上。
42.催化器130的填充水平因而在内燃机120在运行中的时间中被如下结算主导：所述结算是来自被内燃机输入到催化器130中的废气组分和从催化器130朝向大气散布的废气组分的结算。而如果内燃机停止运行，则根据催化器130和其环境的分别当前的状态，至少针对废气组分的部分，必要时可以得出相反的流动方向，使得例如氧可以从尾管的方向被输入到催化器中。利用所描述的方法200考虑该状况，使得总体相对于存储在其中的废气组分可以提供催化器130的更确切的填充水平，并且可以与此相应地更精确地和以经过排放优化的方式执行对内燃机的控制。催化器填充水平的测定尤其是可以用于，尤其是针对填充水平调节，在恢复燃烧时可使用尽可能准确的实际值，并且这样从开始适当地控制燃烧过程。
43.尤其是针对装备有启停系统的车辆，或者针对混合动力车辆，因此极大的排放优化潜力可供使用。
44.对于超然机动化移动性之外的应用，也可以实现相对应的优点，其中相对应的燃烧过程越频繁被投入运行和停止运行，所述优点就表现得越强烈。