用于确定碳氢化合物含量的方法、计算单元和计算机程序与流程

1.本发明涉及一种用于确定在稀燃内燃机的废气中的碳氢化合物含量的方法以及一种用于执行该方法的计算单元和一种用于执行该方法的计算机程序。


背景技术：

2.在内燃机中的空气-燃料混合物不完全燃烧的情况下，除了氮气(n2)、二氧化碳(co2)和水(h2o)之外，排放多种燃烧产物，这些燃烧产物中，碳氢化合物(hc)、一氧化碳(co)和氮氧化物(no
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)受到法律限制。通常只能使用催化排气后处理来遵守适用于机动车的废气极限值。为此所使用的催化转化器在工作温度状态下确保这些有害物质几乎完全转化。在此，在催化转化器中进行化学反应。这样，例如hc和co被氧化成co2和水。no
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被还原成n2。
3.为了使这些催化反应正常进行，催化转化器中的温度通常必须超过通常(在三元催化转化器的情况下，英文：three-way-catalyst twc)为300-400℃的所谓的起燃(light-off)温度。对于柴油氧化催化转化器(英文diesel oxidation catalyst doc)而言，起燃温度通常在140℃与300℃之间的范围内。一旦达到或超过该起燃温度，该催化转化器就几乎完全转化相关的有害物质。结合柴油发动机而言，也可以使用其它催化转化器类型，例如scr催化转化器，为了有效的废气净化，这些其它催化转化器类型也必须在相应的温度范围内运行。
4.为了尽可能快地达到该状态，可以应用所谓的发动机内催化转化器加热措施。在此，延迟点火角例如会降低内燃机的效率，并且这样会提高废气温度和进入催化转化器中的焓。通过经调整的喷射策略(例如多次喷射)，可以同时确保燃烧稳定性。
5.还可能的是：在内燃机之外也产生热量。例如，未燃烧的燃料可以在已经(至少部分地)有催化能力的催化转化器表面上在放热反应中被氧化。


技术实现要素：

6.按照本发明，提出了具有专利独立权利要求的特征的一种用于确定在稀燃内燃机的废气中的碳氢化合物含量的方法以及一种用于执行该方法的计算单元和一种用于执行该方法的计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。
7.具体而言，按照本发明的方法包括：在第一催化转化器温度下观察或执行内燃机的第一催化转化器加热运行模式，其中将具有主要是未燃烧部分的可预先确定的燃料量引入到内燃机的燃烧室中；确定在内燃机下游的氧化催化转化器下游的实际温度变化；而且基于该实际温度变化来确定在氧化催化转化器上游的废气中的碳氢化合物含量。由于未燃烧的燃料与在催化转化器材料上的氧气发生放热反应所引起的在氧化催化转化器下游的温度变化(也称为放热升温)是用于在催化转化器上游的废气中的未燃烧的燃料含量的良好指标。原则上，在催化转化器对于碳氢化合物来说具有高转化能力的情况下，可以认为在催化转化器上游的碳氢化合物的浓度与放热升温之间存在正比例关系。因而，在第一催化转化器加热模式期间的第一催化转化器温度有利地高到可以可靠地相信催化转化器的高
催化能力，即明显高于催化转化器的典型起燃温度。
8.有利地，该方法还包括：在考虑可预先确定的燃料量的情况下，计算在氧化催化转化器下游的预期温度变化；而且基于实际温度变化与预期温度变化之差，校正对预期温度变化的计算。由于燃料量原则上是从对燃料计量的控制中获知的，所以借助于预期温度变化可以检查该燃料计量的精度，并且与此相对应地，在预期放热升温与实际放热升温之间有偏差时可以校正或考虑该燃料计量的精度。尤其是，该方法还可包括：基于实际温度变化和/或预期温度变化，调整可预先确定的燃料量。这样，可以对燃料计量或者放热升温的计算进行校准。由此，可以使排气系统的控制更加精确并且得到改进。
9.在特别有利的设计方案中，该方法包括：在考虑对预期温度变化的计算的校正的情况下和/或在考虑对可预先确定的燃料量的调整的情况下，在明显低于所提及的第一催化转化器温度的第二催化转化器温度下，观察或执行内燃机的第二催化转化器加热运行模式；计算在第二催化转化器加热模式期间在氧化催化转化器下游的另一预期温度变化；确定在第二催化转化器加热模式期间在氧化催化转化器下游的另一实际温度变化；而且在催化转化器所具有的温度(第二催化转化器温度)例如仅略高于通常的起燃温度的运行阶段，基于该另一预期温度变化与该另一实际温度变化之差，评估催化转化器效率。这样，可以评估催化能力并且在发生与排放相关的完全失灵之前识别催化转化器的损坏或老化。
10.尤其是，该预期温度变化和/或该另一预期温度变化在使用第一计算规则的情况下并且在使用第二计算规则的情况下被确定，该第一计算规则在其中没有燃料在做功冲程后被引入到内燃机的燃烧室中的正常运行阶段的前提下计算在催化转化器下游的理论温度，该第二计算规则在考虑燃料量的未燃烧部分的情况下计算在催化转化器下游的理论温度。换言之，可以将在正常运行模式下计算该温度的第一温度模型与在考虑放热升温的情况下计算该温度的第二温度模型相结合。因此，第一温度模型可以被用作参考模型，而第二温度模型专门描绘催化转化器的放热行为。在此，只有第二温度模型取决于在催化转化器上游的燃料量，使得可以在催化转化器加热运行模式之外校准参考温度模型并且可以在该催化转化器加热运行模式期间根据催化转化器温度来校准燃料量(在肯定明显高于起燃温度的第一催化转化器温度下)或者可以评估催化转化器的催化能力(优选地已经校准燃料量和催化转化器温度略高于符合规范的催化转化器的起燃温度(例如高出1、2、3、4、5或者多达10℃)之后)。
11.有利地，具有高催化转化器温度的第一催化转化器加热模式被用于颗粒过滤器的再生。这是有利的，原因在于为了颗粒过滤器再生总归需要高废气温度，并且催化转化器因而肯定高于对于转化来说所需的最低温度。
12.有利地，基于确定废气中的碳氢化合物含量的置信因子和/或在废气中的碳氢化合物含量的变化与催化转化器下游的温度的变化之间的时间延迟来计算加权因子，并且在计算预期温度变化时考虑该加权因子。由此，在调整该计算时可以防止“摇摆不定(aufschaukeln)”。
13.在此，该加权因子优选地被计算为基于使用该置信因子计算的碳氢化合物含量所算出的温度变化与在不考虑该置信因子的情况下的预期温度变化之商。
14.按照本发明的计算单元、例如机动车的控制设备被设立为、尤其是以程序技术方式被设立为执行按照本发明的方法。
15.尤其是当执行的控制设备还被用于其它任务并且因而总归存在时，按照本发明的方法的以具有用于执行所有方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式的实现方案也是有利的，因为这引起了特别低的成本。最后，提供了一种机器可读存储介质，在其上存储有如上所述的计算机程序。尤其是，适合于提供该计算机程序的存储介质或数据载体是磁存储器、光存储器和电存储器，诸如硬盘、闪速存储器、eeprom、dvd以及其它等等。通过计算机网络(因特网、内联网等等)来下载程序也是可行的。在此，这种下载可以以有线方式或以线缆方式或者以无线方式(例如经由wlan网络，3g、4g、5g或6g连接，等等)实现。
16.本发明的其它优点和设计方案从说明书以及随附的附图中得出。
17.本发明依据实施例在附图中示意性示出并且在下文参考附图予以描述。
附图说明
18.图1示出了可在本发明的有利的设计方案中使用的排气系统的设计方案。
19.图2以非常简化的框图的形式示出了本发明的有利的设计方案。
20.图3示意性示出了与没有自适应因子的情况相比在应用自适应时的典型信号变化过程。
21.图4以示意性框图的形式示出了本发明的有利的设计方案。
22.图5以示意性框图的形式示出了可在本发明的在图4中示出的设计方案的框架内使用的加权函数。
23.图6以随时间的图表的形式示意性图解说明了在应用本发明的有利的设计方案时在不同参量之间的时间偏移。
具体实施方式
24.在下文，以柴油发动机110作为稀燃内燃机为例来阐述本发明，该稀燃内燃机具有排气系统，该排气系统在图1中示意性示出并且整体上用100来表示。该排气系统包括氧化催化转化器(英文diesel oxidation catalyst，doc)120和以dpf构型(柴油颗粒过滤器)或者以scrf构型(英文selective catalytic reaction on filter(过滤器上的选择性催化反应))的后续颗粒过滤器130。通常，这种系统100配备有在催化转化器120上游的废气温度传感器115和在催化转化器120下游的废气温度传感器125。
25.颗粒过滤器120需要定期的再生阶段来烧尽积聚的烟灰块。该再生阶段需要将颗粒过滤器120加热到高于例如600℃的温度。为此，除了诸如通过节流发动机110或激活所附加的后喷射所引起的用于提高发动机出口温度的发动机内部加热之外，也可以使用所谓的“催化转化器加热”。在后一种情况下，通过激活延迟后喷射来有针对地增加发动机110的hc原始排放，这通过在催化转化器120上的碳氢化合物的放热氧化会引起在催化转化器120下游的废气温度的提高并且借此也会引起颗粒过滤器温度的提高。
26.在图2中，本发明的有利的设计方案、例如按照本发明的方法的实现方案以非常简化的框图的形式来示出并且整体上用200来表示。
27.该方法200基于在颗粒过滤器130的再生阶段期间的hc浓度的测量。这应该借助于催化转化器120的两个热力学模型来实现。第一模型210模拟功能齐全的催化转化器120的
热行为，并且为在催化转化器下游在所安装的温度传感器125的位置处的温度提供模型值t5_mdl。第二模型220模拟催化转化器120的无放热的行为，即没有hc供应，并且同样为温度传感器125的位置提供模型值t5_mdlref。除了在催化转化器120上游的例如可使用图1中示出的传感器115来确定的温度(图4中的t4)以及废气质量流量dmeg之外，用于t5_mdl的第一模型210的主要输入参量尤其还包括在催化转化器120上游的hc浓度、即发动机侧的hc原始排放浓度chc。通常没有用于hc浓度的传感装置，使得这里可以使用hc模型(图4中的chc_mdl)，该hc模型对温度模型或其输出值的影响在该方法200的框架内被校正。本领域技术人员已知对于本发明来说质量足够的温度模型(例如基于在具有基于数据的hc转化效率的催化转化器中的物理热流平衡)，使得这里可以省略详细描述。
28.在催化转化器120处于工作温度时，hc浓度引起在催化转化器120上的成比例的放热效应，即在催化转化器120下游的放热升温texo是在该催化转化器上游的废气10中的hc浓度的直接量度。在此，该放热升温可以被计算为温度t5_mdl与参考模型温度t5_mdlref之差。
29.chc～texo～(t5_mdl-t5_mdlref)(＝图4中的texo_mdl)。
30.通过使用借助于在催化转化器120下游的传感器125所确定的传感器温度t5_meas，可以确定所测量的放热升温texo_meas(未示出)，而在使用温度模型值t5_mdl的情况下可以确定经建模的放热升温texo_mdl，该经建模的放热升温对应于在hc完全转化时的预期值。
31.如果由于系统容差而发生真实hc浓度与hc原始排放模型的偏差，则直接通过所测量的放热升温与经建模的放热升温之比来再现hc模型的相对精度rhc_acc。
32.rhc_acc＝texo_meas/texo_mdl。
33.即，相对精度rhc_acc的值为0.9意味着：预期或经建模的放热效应的90％被实际测量，或存在为10％的相对偏差rhc_dvt，该相对偏差如图2所示可以根据经建模的温度和所测量的温度来被确定。
34.rhc_dvt＝(t5_mdl-t5_meas)/texo_mdl＝texo_dvt/texo_mdl。
35.除了颗粒过滤器再生之外，延迟后喷射或催化转化器加热措施被用于在内燃机110冷起动之后对排气系统的预热。相比于再生运行，在该区域内存在更多的容差，尤其是催化转化器120的转化能力在加热运行时普遍存在的温度下受到容差的影响，这些容差使对喷射或hc模型的精度的确定变得不可能。此外，在该加热运行时执行催化转化器诊断，该催化转化器诊断的特征是转化率降低，该转化率降低在这种情况下无法与hc原始排放减少区分开。
36.因而，该方法200提供hc原始排放模型的自适应，该自适应旨在在催化转化器监控期间(在加热运行时)以——在颗粒过滤器再生期间所确定的——与精度因子rhc_acc相对应的自适应因子rhc_adapt来发挥作用。在一个替代的设计方案中，例如经由传递特性(transferkennlinie)从上述精度因子推导出实际自适应因子。在另一实施方案中，该自适应因子即使在控制和调节加热运行本身时也发挥作用。
37.rhc_adapt＝rhc_acc＝(1-rhc_dvt)
38.chc_mdladapt＝chc_mdl*rhc_adapt。
39.在下文旨在针对刚刚描述的hc模型自适应的原理提出两个实施方式。在第一实施
方式中，应该使用已经建立的在颗粒过滤器再生期间有效的催化转化器监控功能，以便确定自适应因子rhc_adapt。在第二实施方式中，应该使用独立的观察器结构，以便确定自适应因子rhc_adapt。
40.所提及的第一实施方案的在颗粒过滤器再生期间激活的催化转化器监控已经将所测量的放热与经建模的放热的比值rhc_acc确定为监控参量，如上所述。该参量在那里被用作催化转化器120的hc转化能力的量度。根据监控功能的应用，为每次颗粒过滤器再生确定放热比值rhc_acc的一个或多个值。在该实施例的框架内，使用一次或多次颗粒过滤器再生的放热比值rhc_acc的多个值，以便确定自适应因子rhc_adapt。为此，可以根据多个单独值来确定平均自适应值。对于平均算法来说可以考虑各种实施方案。这里应提到sma(简单移动平均(simple-moving-average))过滤器和ewma(指数加权移动平均(exponentially-weighted-moving-average))过滤器，作为示例。
41.在所提及的第二实施方式中，为了确定自适应因子而应该使用观察器结构，该观察器结构在颗粒过滤器再生期间被激活。该观察器结构在图2中示出并且用230来表示。为此，向观察器供应hc模型相对偏差rhc_dvt。
42.接着，观察器输出rhc_obsvr被用于hc模型值的自适应。最终，经过自适应的该hc模型值被反馈到温度模型t5_mdl的计算中，使得剩余偏差rhc_dvt长期来看趋于零。该工作原理在图3中示例性示出。在那里，在a)下方示出了没有自适应的情况，而在b)下方示出了在应用基于所观察到的偏差的对在催化转化器120上游的hc浓度的自适应的情况下的模型值和测量值的发展。在此，能明显看出：在没有自适应的情况下，模型与现实之间的偏差首先升高并且接着趋于稳定，而该偏差会通过自适应来被补偿。在该自适应结束时，在催化转化器120下游的温度的模型值和测量值基本上相符。
43.图4示出了对所描述的功能的更详细的图解说明。观察器230这里示例性地通过积分器元件来实现。该积分器元件的时间常数应该能够根据经过催化转化器120的热吞吐量的特征时间的倒数taurecdoc来被应用。taurecdoc的当前高的值意味着：当前观察到的放热偏差rhc_dvt具有更高的权重，原因在于存在更高的热流，即放热更快地通过催化转化器120或者由于在催化转化器中的放热反应所产生的热量更快地到达催化转化器120的下游。因而，应该使用热吞吐量时间的倒数taurecdoc(使用可应用因子facigovscale能进行缩放)作为积分器常数。值taurecdoc尤其是根据废气质量流量dmeg和应用参量m_doc(催化转化器120的质量)、cp_doc(催化转化器基底的比热容)和cp_eg(废气的比热容)来被计算。
44.对自适应因子rhc_adapt的计算通过释放状态来被释放，该释放状态尤其是仅在正在进行颗粒过滤器再生期间被设置。在再生以外，自适应因子rhc_adapt保持被冻结。在下一次再生时，从所存储的自适应因子rhc_adapt的值开始继续进行计算。在所示出的示例中，从自适应因子rhc_adapt的初始值为1开始。
45.第二实施方案包含对加权因子facwghtexo的可选的计算240。借此，旨在开启根据hc模型的条件来对到自适应因子的计算中的放热的当前输入进行加权的可能性。由于自适应因子rhc_adapt旨在被用于在发动机冷起动或后加热运行期间的催化转化器监控，所以该自适应应该特别考虑具有对于发动机冷起动加热或后加热运行的阶段来说典型的hc模型条件(例如后喷射量水平、负载点集体)的这种放热阶段。另一方面，具有在发动机冷起动加热或后加热运行期间对于hc模型来说相当不典型的条件的自适应阶段应该在该自适应
中较小地被加权。
46.在图5中示出了对加权因子facwghtexo的示例性计算。该计算在输入侧包含一些可应用的加权因子，例如取决于后喷射量qpoi1的因子facpoi1wght和取决于发动机负载点(转速neng和扭矩trqeng)的因子facengpopwght。这里，应用值为1意味着：相应区域完全包含在该自适应中，而为0的值意味着该自适应完全消隐。
47.这些加权因子被组合成chc计算的置信因子facwghthc并且最终被乘以hc模型浓度chc。借助于催化转化器温度模型，获得在考虑该置信因子的情况下建模的在催化转化器下游的温度，并且在减去参考模型温度t5_mdlref之后获得在考虑该置信因子的情况下建模的放热升温，该放热升温然后利用(在没有置信因子的情况下)建模的放热升温来被加权，以便确定基于放热的加权因子facwghtexo。通过这种换算来考虑hc浓度变化与温度变化之间的可变的延迟时间，原因在于该自适应本身是基于放热的。
48.所得到的加权因子facwghtexo最终被乘以积分器输入值rhc_dvt，如图4所示。
49.图6依据图表示例性示出了加权因子的作用，这些图表分别示出了彼此相关的重要参量的取决于时间(t)的变化过程。在此，在所示出的各个参量之间的时间偏移变得明显。
50.在一个替代的设计方案中，自适应因子rhc_adapt或其变化、即在上一次颗粒过滤器再生期间的调整在催化转化器诊断的释放条件(release(释放))中被考虑。这样可以确保：只有当自适应因子rhc_adapt已足够精确地被学习或被确定时，才进行该诊断。

技术特征：
1.一种用于确定在稀燃内燃机(110)下游的废气(10)中的碳氢化合物含量的方法(200)，所述方法包括：在第一催化转化器温度下观察所述内燃机(110)的第一催化转化器加热运行模式，其中将具有主要是未燃烧部分的可预先确定的燃料量引入到所述内燃机(110)的燃烧室中；确定在所述第一催化转化器加热运行模式期间在所述内燃机(110)下游的氧化催化转化器(120)下游的实际温度变化；而且基于所述实际温度变化，确定在所述氧化催化转化器(120)上游的所述废气(10)中的碳氢化合物含量(chc)。2.根据权利要求1所述的方法(200)，所述方法包括：在考虑所述可预先确定的燃料量的情况下，计算在所述氧化催化转化器(120)下游的预期温度变化(texo_mdl)；而且基于所述实际温度变化与所述预期温度变化(texo_mdl)之差(texo_dvt)，校正(rhc_adapt)对所述预期温度变化的计算。3.根据权利要求1或2所述的方法(200)，所述方法包括：基于所述实际温度变化和/或所述预期温度变化，调整所述可预先确定的燃料量。4.根据权利要求2或3所述的方法(200)，所述方法包括：在考虑对所述预期温度变化(texo_mdl)的计算的校正(rhc_adapt)的情况下和/或在考虑对所述可预先确定的燃料量的调整的情况下，执行所述内燃机(110)的第二催化转化器加热模式；计算在第二富气运行阶段期间在所述氧化催化转化器(120)下游的另一预期温度变化；确定在所述第二富气运行阶段期间在所述氧化催化转化器(120)下游的另一实际温度变化；而且基于所述另一预期温度变化与所述另一实际温度变化之差(texo_dvt)，评估催化转化器效率，其中所述第二催化转化器加热运行模式被执行为使得在所述内燃机(110)下游出现与所述第一催化转化器加热运行模式相比更低的温度(t5_meas)。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法(200)，其中所述预期温度变化和/或所述另一预期温度变化(texo_mdl)在使用第一计算规则(220)的情况下并且在使用第二计算规则(210)的情况下被确定，所述第一计算规则在其中没有未燃烧的燃料被引入到所述内燃机(110)的燃烧室中的正常运行阶段的前提下计算在所述催化转化器(120)下游的理论温度(t5_mdlref)，所述第二计算规则在考虑所述可预先确定的燃料量的未燃烧部分的情况下计算在所述催化转化器(120)下游的理论温度(t5_mdl)。6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中基于确定所述废气(10)中的碳氢化合物含量(chc)的置信因子(facwghthc)和/或在所述废气(10)中的碳氢化合物含量(chc)的变化与所述催化转化器(120)下游的温度(t5_mdl)的变化之间的时间延迟来计算(240)加权因子(facwghtexo)，并且在计算所述预期温度变化(texo_mdl)时考虑所述加权因子。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述加权因子(facwghtexo)被计算为基于使用所述置信因子(facwghthc)计算的碳氢化合物含量(chc)所算出的温度变化与在不考虑所述置信因子(facwghthc)的情况下的预期温度变化(texo_mdl)之商。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中在所述催化转化器(120)下游设置颗粒过滤器(130)，而且其中在所述内燃机(110)的所述第一催化转化器加热运行模式期间使所述颗粒过滤器(130)再生。9.一种计算单元(140)，所述计算单元被设立为执行根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)的所有方法步骤。10.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算单元(140)上被执行时，所述计算机程序促使所述计算单元(140)执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法(200)的所有方法步骤。11.一种机器可读存储介质，其具有被存储在其上的根据权利要求10所述的计算机程序。

技术总结
用于确定碳氢化合物含量的方法、计算单元和计算机程序。本发明涉及一种用于确定在稀燃内燃机(110)下游的废气(10)中的碳氢化合物含量的方法(200)，所述方法包括：在高催化转化器温度下观察所述内燃机(110)的第一催化转化器加热运行模式，其中将具有主要是未燃烧部分的可预先确定的燃料量引入到所述内燃机(110)的燃烧室中；确定在所述第一催化转化器加热运行模式期间在所述内燃机(110)下游的氧化催化转化器(120)下游的实际温度变化；而且基于所述实际温度变化，确定在所述氧化催化转化器(120)上游的所述废气(10)中的碳氢化合物含量(cHC)。还提出了一种用于执行这种方法(200)的计算单元(140)和计算机程序。计算单元(140)和计算机程序。计算单元(140)和计算机程序。


技术研发人员：H
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/8/24