用于求取在废气系统中的、内燃机的废气的在氨与氮氧化物份额方面的废气成分的方法与流程

1.本发明涉及一种用于求取内燃机的废气的废气成分的方法以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.借助氨(nh3)或裂解氨的试剂的选择催化还原(英语：selective catalytic reduction；scr)，是一种适合的用于减少富氧废气中的氮氧化物(no
x
)的方法。scr催化器的工作窗口或其效率(wirkungsgrad或effizienz)主要通过物理参量温度和空间温度来确定。所吸收的nh3对催化器的覆盖程度对该效率是决定性的。为了实现尽可能高的氮氧化物转化率，通常符合目的的是，在高的氨填充高度(f
ü
llstand)的情况下运行该scr系统。
3.如果被填充的scr催化器的温度由于内燃机的负载跃变而升高，则该scr催化器的氨存储能力下降，这可能导致氨溢出。scr催化器安装在马达附近，以便在马达启动之后早期地转化氮氧化物，所述scr催化器特别强烈地受动态特性温度梯度并且因此受这种类型的解吸事件所影响。因此，第二scr催化器在排气系(abgasstrang)中可以设置在第一scr催化器下游，以便从第一催化器的氨溢出中吸收氨并且随后转化氨。
4.随着对废气再处理的要求升高，越来越多地使用具有两个scr催化器的系统，所述scr催化器分别具有自己的、在相应的scr催化器上游的计量装置。为了调节和监控scr催化器，通常安装三个no
x
传感器(在第一催化器前方并且分别在两个催化器后方)。
5.典型地，no
x
传感器反映废气的经测量的no
x
浓度。然而，由测量原理决定的，no
x
传感器典型地具有相对于氨(nh3)的交叉灵敏度。在这样的情况下，no
x
传感器总是测量废气中的两个组分：no
x
和nh3。因此，不存在直接的关于测量值的nh3份额(anteil)(或者no
x
份额)的信息。


技术实现要素：

6.根据本发明，提出一种用于求取内燃机的废气的废气成分的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。有利的构型是下述描述的主题。
7.根据本发明的用于在具有至少一个scr催化器的废气系统中求取内燃机的废气的在氨份额和氮氧化物份额方面的废气成分的方法包括：尤其借助传感器检测第一信号，该第一信号在其高度方面取决于与在至少一个scr催化器上游的废气的氮氧化物份额；尤其借助传感器检测第二信号，该第二信号在其高度方面取决于在至少一个scr催化器下游的废气的氨份额和氮氧化物份额；存储至少在观察时间段期间的(
ü
ber einen beobachtungszeitraum hinweg)两个信号；借助计算规则求取在至少一个scr催化器下游的废气的氨份额并且可选地求取在至少一个scr催化器下游的废气的氮氧化物份额，所述计算规则将观察时间段期间的两个信号用作输入参量。在此，如此匹配计算规则的参数，使得借助计算规则所计算的和信号尽可能精确地相应于在观察时间段期间的检测的第二信
号。然后，优选地，由经匹配的参数求取氨份额和氮氧化物份额。由此，可以在无附加的成本密集的传感机构的情况下，通过至少一个催化器对氨溢出(ammoniakschlupf)进行量化，并且因此改进该废气系统的氨计量和排放性能。
8.尤其是，所述计算规则在氮氧化物还原方面假定至少一个scr催化器的在观察时间段内恒定的效率。这是借助相对少的开销来实现非常精确的结果的一种可能性，所述非常精确的结果能够实现相关的排放组成部分的有针对性的最小化。
9.尤其是，所述计算规则假定在至少一个scr催化器下游的废气的、在观察时间段内恒定的氨份额。这是一种简化得相对少的假定，因为氨份额仅具有低动态特性(dynamik)。同时，这样的假定显著地便于计算并且因此节省计算能力。
10.该计算规则可以有利地根据第一信号的动态特性求取在至少一个scr催化器下游的氮氧化物份额，因为该信号的动态特性基本上取决于氮氧化物份额；氨份额典型地具有非常低的动态特性。
11.在此，有利地，通过使误差平方和最小化、由所计算的和信号和所检测的信号实现尽可能精确的对应(entsprechung)。这是一种经过证明的用于可靠的优化的方法。
12.尤其是，此外可以求取判定系数(bestimmtheitsmaβe)r2，该判定系数说明，能够在何种程度上借助经检测的信号的离散度(streuung)来解释所计算的和信号的离散度，并且可以根据该判定系数求取所述参数的匹配是否是成功的。在此，所述和信号上的氨份额尤其可以假定为零，并且当判定系数r2大于能够预确定的阈值时，该假定被评估为是正确的。由此，该计算可能显著地被简化，并且仍然可以提供有用信息(例如呈如下二元陈述的形式：是否出现氨溢出)。如果氨份额被假定为不等于零，则在足够高的r2的情况下，可以直接从经匹配的参数获知氨份额。
13.根据本发明的计算单元、例如机动车的控制器，尤其在程序技术方面，设置用于执行根据本发明的方法。
14.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者计算机程序产品的形式实现根据本发明的方法，是有利的，因为这产生特别少的成本，尤其是当进行实施的控制器还用于另外的任务并且因此本来就存在时。最后，设置有机器可读的存储介质，该机器可读的存储介质具有存储在其上的、如上所述的计算机程序。适合的用于提供计算机程序的存储介质或数据载体尤其是磁存储器、光学存储器和电存储器，例如硬盘、闪存、eeprom、dvd等。通过计算机网络(因特网、内联网等)下载计算机程序是可能的。在此，这样的下载可以有线地或有线缆地或者无线地(例如经由wlan网络、3g、4g、5g或6g连接等)进行。
15.由说明书和所附附图得出本发明的其他优点和构型。
16.根据一个实施例在附图中示意性示出本发明，并且在下文参考附图详细地描述本发明。
附图说明
17.图1在简化示意图中示出可以在本发明的范畴中使用的废气设施；
18.图2以大幅简化的流程图的形式示出根据本发明的方法的一种有利的构型；
19.图3示出说明根据本发明的方法的一种有利的构型的曲线图。
具体实施方式
20.在图1中示意性示出可以在本发明的范畴中使用的、具有废气设施的组件，该组件整体上用100来表示。
21.组件100包括内燃机1以及布置在内燃机1下游的多个催化器11、12、13。在示例中，设置有多个传感器17、18、19，尤其是如下传感器：所述传感器设置用于求取废气系统中的废气的成分。传感器17、18、19分别与计算单元20以传导数据的方式连接，该计算单元例如是包括该组件100的机动车的控制器。
22.在所示示例中，计算单元20还与内燃机1以及外部设备14、15、16连接，所述外部设备例如是次级空气输入管线、废气燃烧器、还原剂计量单元、电加热元件或者类似物，所述外部设备分别分配给催化器11、12、13中的一个催化器。尤其是电加热元件也可以直接布置在催化器中或催化器的壳体内。
23.由内燃机1产生的废气10被依次提供给催化器11、12、13，以便在这些催化器中对该废气进行净化或解毒。在此，催化器11、12、13中的每个催化器可以分别设置用于确定的解毒(entgiftung)或者用于多个同时进行的解毒。例如，可以布置在内燃机1附近的第一催化器11可以构造为三元催化器(英语：three way catalyst；twc)，而第二催化器12和第三催化器13可以包括别的催化器和/或净化部件，例如no
x
存储催化器、scr催化器、颗粒过滤器或者类似物。然而，第二和第三催化器12、13可以同样包括一个或者多个另外的twc。此外，第一催化器11也可以包括一个或者多个别的净化部件，不一定必须构型为twc。
24.应当理解，相应经匹配的催化器可以用于柴油马达的废气系统，尤其是氧化催化器、贫nox捕集器(英语：lean-nox-trap，lnt)、scr催化器、颗粒过滤器和类似物。为了更好的可读性，在此根据具有作为内燃机1的汽油马达的一个示例更详细地阐述本发明。
25.在本发明的范畴中，催化器11、12、13中的至少一个催化器构造为scr催化器，借助还原剂计量单元(外部设备14、15、16中的一个外部设备)向该scr催化器供应氨或产生氨的还原剂，该还原剂尤其是尿素溶液。如开头已经提到的那样，借助如此供应的、可以至少部分地也存储在scr催化器中的还原剂，将包含在向废气系统120供应的废气中的氮氧化物还原成氮气和水。为了更好的可读性，下面假设：第一催化器11构型为柴油氧化催化器(doc)，第二催化器12构型为scr催化器，第三催化剂同样构型为scr催化器。在这样的情况下，传感器17、18、19分别构造为nox传感器，所述nox传感器输出如下信号：该信号的强度(例如信号电压的高度)取决于所分析的废气中的非元素氮化合物的浓度。典型地，这种类型的传感机构对于氮氧化物没有选择性，而是对别的氮化合物、尤其是对氨具有交叉灵敏度(querempfindlichkeit)。分别布置在scr催化器上游的外部设备15、16在此被视为用于氨或尿素溶液的计量设备。
26.在图2中，根据本发明的方法的一种有利的构型示意性地以简化流程图的形式示出，并且整体上用200表示。
27.如果在对方法200的描述中援引设备部件，则这些设备部件尤其涉及结合图1讨论的部件。为简单起见且为了避免重复，参考第一scr催化器12描述方法200，然而也可以针对第二scr催化器13或者为两个scr催化器12、13执行该方法。
28.在图3中示出说明根据本发明的方法(例如图2中的方法200)的一种有利的构型的应用的曲线图，该曲线图整体上用300表示。在曲线图300的横坐标上绘制时间t，而纵坐标
代表传感器17、18、19的信号的高度。
29.在此描述的方法200基于对于预给定的时间段(也被称为记录器(register))传感器17、18的所存储的测量数据，该预给定的时间段是过去的分析处理的时间点、即映射历史。基于该历史，优化scr催化器12的简单模型的参数，并且由经优化的参数求取在催化器12下游的废气中的氮氧化物和氨的份额。在图3中示出的曲线走向和是用于这种类型的、存储在记录器中的历史的示例。
30.所提到的时间段可以例如是3s，其中，例如每100ms存储一个值。对于信号例如(＝在scr催化器12前方或上游的经测量的nox浓度)，在该示例中得出31个测量值。在scr催化器12前方的经测量的nox浓度以及在scr催化器12后方的经测量的nox浓度作为测量通道存储在所描述的记录器中。
31.在当前时间点，对于如此存储的输入数据和输出数据计算简单模型，该简单模型基于输入值映射输出值
[0032][0033]
其具有参数：
[0034]
k：1-催化器效率，即用于nox溢出的系数(在观察时间段期间恒定)
[0035]
δt：气体传播时间(在观察时间段期间恒定)
[0036]
在scr催化器下游的经建模的nh3浓度(在观察时间段期间恒定)和输出值：
[0037]
在每个时间点在scr催化器12后方在nox传感器的位置上的经建模的值。
[0038]
用于所述参数的所述值在每个分析处理时间点基于所存储的数据借助优化方法来确定。该优化方法的目标是，找到如下参数：借助所述参数，误差平方和(sse：sum of squared errors)是最小的。
[0039][0040]
为此，可以使用已知的优化方法，例如梯度法。由于这是大幅简化的用于短的观察时间段的模型，因此可能的是，尽管资源有限也在控制器上在足够短的时间中找到优化的参数。当优化标准(sse)将不再充分地改善(δsse《阈值)或者已执行最大数量的迭代时，到达该优化的终点(如在梯度法的情况下常见的那样)。应当理解，也可以使用别的优化算法。
[0041]
借助下述等式(3)也能够求取δ(t)的变化或其优化方向，以便快速得到用于气体传播时间的匹配的值。
[0042][0043]
其中，
[0044]
视运行状况而定且根据所记录的测量数据，可以或多或少地好地解决优化任务。为了在优化结束时确定该优化是否足够好，可以检查优化标准(sse)的阈值(sse《sse-阈值
＝》优化足够好)。在3s观察时间的情况下，值500例如大约相应于4ppm的平均偏差，并且是好的优化值。
[0045]
替代地，也可以根据公式(4)计算和使用判定系数(bestimmtheitsmaβ)：
[0046][0047]
其中，是在scr之后的传感器值的平均值。
[0048]
判定系数r2说明，能够在何种程度上借助传感器值的离散度来解释nox模型值的离散度。如果是100％的情况，即所述信号非常强烈地相关联，则该值是1。该模型对现实的映射越差，则r2所采用的值越小。如果判定系数在优化之后高于阈值(例如0.5)，则可以认为，该优化是足够好的并且相应的参数以高概率非常接近真实的nox值和nh3值。nh3值在此可以直接读出nox份额可以由项nox份额可以由项计算。
[0049]
由原理决定地，只有当两个信号分量(nox和nh3)具有不同的特征或动态特性时，所描述的方法才可以正常运行。由于假设nh3信号在短的观察时间段中不发生变化，因此，nox信号(如果》0)必须具有确定的动态特性。对这一点进行检查，其方式是，在所存储的时间段中确定在催化器前方的nox传感器信号的梯度(即差商(参见公式5))。将所述梯度与阈值(例如25ppm/s)进行比较。如果高于该阈值的梯度值的份额高于阈值(例如80％)，则输入信号的动态特性足够大，使得如果scr催化器使nox通过，则输出信号同样具有足够大以区分nh3的动态特性。
[0050][0051]
其中，i是通过所存储的记录器的回路(schleife)的索引，dt是采样率。
[0052]
由于在非常小的nox传感器值的情况下，nox传感器的公差产生非常强烈的影响，因此，优化和信号评估可以限制为高于阈值(例如10ppm)的值。在这种情况下有意义的是，只有当存在足够高份额(例如至少70％)的、高于阈值的nox传感器值时，才启动所述评估。
[0053]
在一种替代的构型中，在没有偏移、即的情况下，执行该方法。在该变型中，只有当主要涉及nox、且nh3份额非常小时，该优化才是成功的。在此，该成功能够从判定系数(参见公式4)读出。即，如果该判定系数高于阈值(例如0.8)，则该信号主要是nox。如果该判定系数低于阈值，则有高概率存在较大的nh3份额。即，与先前描述的方法不同，该构型产生二元陈述。该信息也可以是对于计量策略有用的。
[0054]
如上所述，待确定的参数可以通过优化来确定。替代于或者附加于“确定用于优化的起始值”地，可以根据所存储的测量数据来计算所述参数(参见图3)：
[0055]
延迟时间δt：该延迟时间根据scr催化器前方的和scr催化器后方的nox传感器信号的高点或低点的时间间距(和)来计算。为了识别所记录的测量数据中高点或
低点，确定梯度/差商的符号改变的时间点(正梯度之后是负梯度＝》高点，反之亦然)。基于所述时间点，可以为每个高点和每个低点单独地计算延迟时间。这是如图2所示的方法200的步骤201。
[0056]
对于后续的优化，基于求取出的延迟时间，在步骤202中针对所述计算确定多个气体传播时间，例如三个不同的、彼此略微不同的气体传播时间δt1、δt2、δt3。
[0057]
在步骤203中，为继续进行的计算选择在步骤202中确定的气体传播时间中的一个气体传播时间。
[0058]
效率系数k：该效率系数可以基于信号(和)在观察时间段中的最大变化来计算。这在步骤204中发生。
[0059][0060]
其中，并且如图3所示。
[0061]
基于所计算的延迟时间δt和所确定的效率系数k，可以将优化的偏移确定为传感器值与经建模的nox份额的所有差的平均值。这在所示示例中同样在步骤204中进行。
[0062][0063]
其中，是在scr催化器前方的以δt移位的nox信号
[0064]
如此确定的值可以直接在模型中使用或者用作用于后续的优化的初始化值。在相应于图2所示示例的后一种情况下，此外在步骤204中基于初始化值计算误差平方和sse。
[0065]
在步骤205中，对于在不同方向上以相同的小量值与效率系数k的初始值偏差的两个值k
pos
和k
neg
，计算相关的偏移r
nh3pos
和r
nh3neg
以及相应的sse
pos
或sse
neg
。
[0066]
进而在步骤206中，确定用于效率系数k的另外的优化的符号，其方式是，选择如下符号：在该符号的情况下，在步骤205中得出较小的误差平方和由sse
pos
和sse
neg
。此外，在步骤206中，基于误差平方和的变化δsse与效率系数的变化δk的比例确定效率系数k的另外的变化δk的幅度。
[0067]
在步骤207中，实现效率系数k的该变化，并且又计算偏移r
nh3
和sse。
[0068]
进而在步骤208中检查，sse是否又增加和/或是否达到最大数量的迭代步骤。如果两者都不是，则输出“n”，该方法200返回至步骤206，其中，最后所计算的sse定义为新基准(步骤209)。相反，如果在步骤208中确定sse又增加和/或达到了最大数量的迭代，则输出“y”，在步骤210中辨认求取出的误差平方和sse中的最低的误差平方和并且存储所分配的值δt、k和r
nh3
作为(暂时的)优化值。
[0069]
然后，在步骤211中检查在步骤202中定义的所有气体传播时间是否都已经用作用于计算的初始值(步骤204)。如果是这种情况，则输出“y”，该方法在步骤212中结束(并且输出求取出的优化值)。否则，输出“n”，该方法返回至步骤203，并且对于另外的计算选择多个气体传播时间中的尚未使用的另外的气体传播时间。
[0070]
如上所述，存在特别适合的运行条件(尤其是在scr催化器前方的高动态特性)，在该运行条件下，对nox份额/nh3份额的确定特别好地正常起作用。同时，不总是保证该模型是足够准确的(sse《阈值或判定系数》阈值)。由此得出，只能够暂时计算有效的nh3模型信号和nox模型信号。根据应用可能有意义的是，在未计算出新的信号的时间中冻结nh3信号(即假定是恒定的)并且根据nox传感器与所冻结的nh3值之间的差计算nox值。在此，所冻结的值最大可以与当前的传感器值一样高(因为可能从未存在比由在scr催化器后方的nox传感器显示的信号更多的nh3)。因此，如果传感器值低于到目前为止所冻结的值，则所冻结的值随着传感器值下降而下降。只有当新的有效的值可供使用时，才采用该值。
[0071]
替代地，可以在冻结之前对偏移进行过滤。尤其是，已知的ewma(英语：exponentially weighted moving average，指数加权移动平均)适合用于此，但是也可以使用别的滤波器。
[0072]
在另一种构型中，替代简单的用于观察时间段的模型，计算较复杂的、例如动力学的模型。在这种情况下，起始填充高度(startf
ü
llstand)可以用作可变参数。要么仅一并计算nox份额(并且nh3份额继续保持恒定)，要么也计算nh3份额。如果该优化是成功的，则在这种情况下该填充高度可以直接通过更多的或者更少的计量数量来纠正。
[0073]
在另一种构型中，以在先的优化进程的值来启动优化器。作为用于δt的另外的替代的初始化值，也可以由几何形状、质量流、压力和温度来计算废气的体积流并且可以由此计算理论延迟。该参量在许多催化器模型中作为气体传播时间存在。
[0074]
应当理解，方法200的所提到的步骤中的一些步骤也可以以别的、例如相反的顺序来执行。此外，该方法不一定局限于逐步执行，使得方法200的所描述的“步骤”可能也可以部分地或者完全地彼此并行地或连续同时进行地执行。

技术特征：
1.一种用于求取在废气系统(120)中的、内燃机(1)的废气(10)的在氨份额与氮氧化物份额方面的废气成分的方法(200)，所述废气系统具有至少一个scr催化器(12，13)，所述方法包括：借助传感器(17，18)检测第一信号所述第一信号在其高度方面取决于在所述至少一个scr催化器(12，13)上游的废气的氮氧化物份额，借助传感器(18，19)检测第二信号所述第二信号在其高度方面取决于在所述至少一个scr催化器(12，13)下游的废气的氨份额和氮氧化物份额，存储至少在观察时间段期间的两个信号借助计算规则求取在所述至少一个scr催化器(12，13)下游的废气的氨份额并且可选地求取在所述至少一个scr催化器(12，13)下游的废气的氮氧化物份额，所述计算规则将所述观察时间段期间的两个信号述观察时间段期间的两个信号用作输入参量，其中，如此匹配所述计算规则的参数，使得借助所述计算规则所计算的和信号尽可能精确地相应于在所述观察时间段期间的、所检测的第二信号其中，由经匹配的参数求取所述氨份额和氮氧化物份额。2.根据权利要求1所述的方法(200)，其中，所述计算规则在氮氧化物还原方面假定所述至少一个scr催化器(12，13)的、在所述观察时间段期间恒定的效率。3.根据权利要求1或2所述的方法(200)，其中，所述计算规则根据所述第一信号的动态特性求取在所述至少一个scr催化器(12，13)下游的氮氧化物份额。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(200)，其中，所述计算规则假定在所述至少一个scr催化器(12，13)下游的废气的、在所述观察时间段期间恒定的氨份额。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，通过误差平方和的最小化，由所计算的和信号和所检测的信号实现尽可能精确的对应，所述方法尤其包括：基于经最小化的误差平方和求取所述参数的匹配是否是成功的。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，所述方法此外包括求取判定系数r2，所述判定系数说明，能够在何种程度上借助所检测的信号的离散度来解释所计算的和信号的离散度，并且所述方法包括：根据所述判定系数求取所述参数的匹配是否是成功的。7.根据权利要求6所述的方法(200)，其中，所述氨份额(r
nh3
)假定为零，并且当所述判定系数r2大于能够预确定的阈值时和/或当根据权利要求5经最小化的误差平方和小于能够预确定的阈值时，所述假定被评估为是正确的。8.一种计算单元(20)，所述计算单元设置用于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。9.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上实施时，所述计算机程序促使计算单元(20)执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。10.一种机器可读的存储介质，所述机器可读的存储介质具有存储在其上的、根据权利
要求9所述的计算机程序。

技术总结
一种用于在具有至少一个SCR催化器的废气系统中求取内燃机的废气的在氨份额和氮氧化物份额方面的废气成分的方法，包括：借助传感器检测第一信号，其在其高度方面取决于在至少一个SCR催化器上游的废气的氮氧化物份额，借助传感器检测第二信号，其在其高度方面取决于在至少一个SCR催化器下游的废气的氨份额和氮氧化物份额，存储至少在观察时间段期间的两个信号，借助计算规则求取在至少一个SCR催化器下游的废气的氨份额以及可选氮氧化物份额，计算规则将观察时间段期间的两个信号用作输入参量，如此匹配计算规则的参数，使得借助计算规则计算的和信号尽可能精确地相应于在观察时间段期间的检测的第二信号，由经匹配的参数求取氨份额和氮氧化物份额。求取氨份额和氮氧化物份额。求取氨份额和氮氧化物份额。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/5/18