用于加热排气系统的方法与流程

1.本发明涉及一种用于加热内燃机下游的排气系统的方法以及用于实施该方法的计算单元和计算机程序。


背景技术：

2.为了达到法律规定的排放极限值，可以使用三元催化转化器（英语：three way catalyst，twc），所述三元催化转化器使得能够将相关的气态有害物质nox、hc以及co转换成如n2、h2o和co2之类的无害产品。为了这些催化反应按规定进行，催化转化器中的温度通常必须超过典型300-400
°
c的所谓起燃温度。一旦达到或超过该起燃温度，催化转化器就几乎完全转换相关的有害物质（所谓的催化转化器窗）。
3.为了尽可能快地达到这种状态，可以应用所谓的发动机内催化转化器加热措施。在此，由于晚的点火角而降低快燃发动机的效率，并且从而增加废气温度和到催化转化器中的焓输入。同时，可以通过经适配的喷射策略（例如多次喷射）来确保燃烧稳定性。
4.现有废气极限值的持续加强和对附加有害物质组分（例如氨、nh3）的监督导致废气后处理系统的增加的复杂性，所述废气后处理系统通常由多个串联的催化转化器组成。在此，出于结构空间原因，除了靠近发动机布置的催化转化器外，也在底部中使用催化转化器。
5.除了所述发动机内催化转化器加热措施之外，还可以使用外部催化转化器加热措施，例如借助于可电加热的催化转化器或废气燃烧器。例如在de 41 32 814 a1和de 195 04 208 a1中描述了这种外部加热措施。所述外部加热措施特别适用于将排气系统的远离发动机安置的部件快速加热到所需要的工作温度，因为发动机内加热措施在这些点将不起作用或仅在长的时间后才起作用。


技术实现要素：

6.根据本发明，提出具有独立专利权利要求的特征的用于加热内燃机下游的排气系统的方法以及用于实施该方法的计算单元和计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求和以下描述的主题。
7.根据本发明的用于借助于电加热设备加热内燃机——例如快燃发动机或柴油发动机或其他燃烧发动机、诸如气体或h2燃烧器——下游的排气系统的方法包括：确定所述排气系统中的当前温度，基于所确定的当前温度和目标温度确定加热需求，根据所述加热需求和为了加热所述电加热设备需要的能量计算所需要的热量，以及控制所述电加热设备用于产生所计算的热量。
8.安装在排气系统中的电加热设备（以下在不限于加热设备的具体设计方案的情况下也称为加热盘）使得能够借助于来自电气系统的电能与发动机条件无关地并且尤其是已经在（仍）停住的发动机的情况下将热量引入到排气系统中，所述热量借助于发动机废气质量流或在使用外部所输送的输送空气的情况下被输送到排气系统的布置在（一个或多个）
加热盘下游的部件中。然而，电能量消耗导致车辆的电气系统以及电池的对应负载。根据本发明的方法使得能够使能量消耗最小化，其方式是尽可能目标精确地请求和提供所需量的热量或加热功率。
9.尤其是基于排气系统的温度模型实施当前温度的确定和/或所需要的热量的计算。
10.使用基于模型的（预）控制允许根据物理参数、例如加热盘之前和/或加热盘中的温度、质量流量、要加热的催化剂的质量、热容量等直接计算所需要的加热功率，以及在此考虑所有物理相关影响参数。可选地必要时存在的附加pid调节由此仅仍必须调整干扰参量。此外，可以定义最大允许温度，并且可以借助于温度模型监控对所述最大允许温度的遵守。由此可以保护排气系统的重要部件（例如加热盘、催化转化器、颗粒过滤器
……
）免受损坏性过热。
11.在温度模型中使用的用于确定加热盘温度的物理方程式可以被求逆，以便直接确定用于达到预先给定的目标温度所需的加热功率。
12.在此基本上可以考虑两个叠加的加热过程。一方面，这些是通过加热盘加热质量流。除了温差之外，要加热的气体的质量以及其热容量也与此相关。并且另一方面，加热加热盘本身。除了温差之外，加热盘的质量以及热容量与此相关：在此，表示加热盘的功率，表示通过加热盘的废气质量流量，表示废气质量流量的热容量，表示目标温度，表示加热盘上游的废气质量流的温度，表示加热盘的质量，表示加热盘的热容量，表示加热盘的当前温度以及表示加热过程的时间常数。
13.用时间常数定义加热过程的时间额定曲线（例如10秒）。因此，所述时间常数提供自由度，以便通过对应的功率要求来形成动态加热过程，并且可以根据加热盘的目标温度和当前温度之间的偏差以及必要时废气质量流量被改变以用于进一步地精细优化。
14.如例如对流传热之类的其他影响在温度模型中被考虑，并且可选地同样可以在预控制中被考虑。但是，由于所述其他影响已经隐含地包含在加热盘温度中，并且与用于加热质量流以及加热盘本身的加热功率相比仅是次要的，因此可以不需要明确的考虑。
15.有利地，该方法此外包括控制流体流用于将热量从加热设备输送到排气系统的要加热的部件，其中要加热的部件尤其是包括催化转化器和/或颗粒过滤器。在此，如果当加热设备达到可预定的最低温度时控制流体流用于从加热设备提取热量，则是特别有利的。由此实现加热设备的最大加热速度，使得非常快速地达到目标温度，并且仅在已经热的加热设备的情况下才将热量输送给要加热的部件。从而，加热的效率可以被最大化并且从而能量需求可以被最小化。
16.目标温度有利地根据排气系统的一个或多个运行参数被确定。在此，尤其是排气系统的一个或多个运行参数包括排气系统中的有害物质浓度和/或排气系统内的压力损失和/或排气系统中的排气质量流量和/或环境温度。由此可以分别适配于当前运行条件地设
定适当的温度。例如，颗粒过滤器在正常运行中的运行温度可能低于在颗粒过滤器再生期间的运行温度，其中必须将温度设定得如此高，以致于可以燃烧烟灰颗粒。
17.为了确定目标温度，例如也可以动用来自de 10 2021 208 258 a1的方法，其中公开一种用于确定表征催化转化器系统转换有害物质的当前能力的特征的方法。在此，基于局部温度确定催化转化器的区段或部分体积的局部转换能力，并且由此确定催化转化器或（具有多个各个催化转化器的）整个排气系统的整体或总转换能力。由于催化转化器具有一定的热容量，因此在启动内燃机之后，整个催化转化器容积不同时跃变地进入热运行窗。相反地，具有催化转化器的排气系统将在从前向后的流动方向上热透，并且因此可转换催化剂容积随着时间逐步增加。从而，加热盘的加热功率可以特别精确地被适配于实际需求。
18.如已经提到的，用于不仅加热加热盘本身而且加热所输送的废气质量流的所需要的加热功率可以通过对基础物理模型求逆直接被计算。由于直接考虑重要物理影响，因此可以大大简化并且必要时完全取消加热盘功率的pid调节，因为仅仍必须调整干扰参量。加热过程的动态形成可以通过相应地改变时间常数根据加热盘的目标温度和当前温度之间的偏差以及必要时废气质量流量来实现（例如，在与目标温度或高质量流量的大的差值的情况下小的时间常数和相应高的功率要求，以便动态地促进加热）。尤其是例如用于无或有输送空气质量流或静止/运转的发动机或冷态启动加热、温度保持、颗粒过滤器再生等的运行的运行切换因此可以取消，并且相应地大大简化功能操控逻辑。
19.同样可以直接使用物理建模的加热盘温度用于限制的最大可销售的加热功率（例如用于构件保护）。尤其是在以可变的边界条件实际运行中，这种行动使得能够以稳健的方式限制加热功率，并且在限制以下充分利用完全的潜力。关于在指定的时间间隔内以无限加热功率运行的制造商规范可以以物理方式实施，其方式是仅自当前建模的加热盘温度的滞后阈值起激活限制。例如在该阈值以下，例如仅以标称或根据制造商规范甚至略微增加的加热功率来限制，这使得能够最大限度地耗尽电加热盘的潜力。
20.根据本发明的计算单元、例如机动车辆的控制设备尤其是在程序技术上被设立用于实施根据本发明的方法。
21.以具有用于实施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实现根据本发明的方法也是有利的，因为尤其是当执行控制设备还被用于其他任务时并且因此原本存在时，这引起特别低的成本。最后，设置一种机器可读存储介质，具有其上存储的如上所述的计算机程序。用于提供计算机程序的合适的存储介质或数据载体尤其是磁、光学和电存储器，诸如硬盘、闪存、eeprom、dvd等。通过计算机网络（互联网、内联网等）下载程序也是可能的。在此，这种下载可以有线地或有电缆地或无线地（例如通过wlan网络、3g、4g、5g或6g连接等）进行。
22.本发明的其他优点和设计方案由说明书和所附附图得出。
23.本发明根据实施例在附图中示意性地示出并且在下面参照附图被描述。
附图说明
24.图1示出如本发明可以基于的具有内燃机和排气系统的装置。
25.图2以简化流程图的形式示意性地示出根据本发明的方法的设计方案。
具体实施方式
26.以下的描述示例性地根据具有在那里使用的三元催化转化器（twc）的快燃发动机的排气系统阐述本发明的一种实施方式。然而，应该指出的是，所提出的方法同样适用于柴油发动机或其他燃烧发动机、例如气体或h2燃烧器。在这里，于是代替twc，使用相应的燃烧器特定的催化转化器，例如氧化催化转化器、scr、颗粒过滤器、nsc等。
27.如可以在本发明的范围内使用的具有排气设备的装置、例如车辆示意性地在图1中示出并且总体上用100表示。
28.车辆100包括用于驱动车辆100的车轮140所使用的内燃机1以及具有布置在内燃机1下游的多个催化转化器11、12、13的排气系统120。在所示的示例中，传感器17、18分别布置在催化转化器11、12下游，所述传感器17、18分别以传导数据的方式与计算单元20、例如车辆100的控制设备连接。传感器可以检测排气系统120的运行参数，例如温度、废气组成、废气质量流量等等。当然，传感器17、18的所示的位置仅应被理解为示例性的。此外，传感器的数量也不限于所示的两个。相反地，也可以设置更多或者更少的传感器。
29.在所示的示例中，计算单元20此外以传导数据的方式与内燃机1以及外部电加热设备14、15连接，所述电加热设备分别分配给催化转化器11、12、13中的一个。尤其是，电加热设备14、15也可以直接布置在催化转化器中或布置在催化转化器的外壳内。在这里应该指出的是，在本发明的范围内需要至少一个电加热设备，然而如图1中所示的多个电加热设备当然可以并排地被使用并且例如分别彼此类似地被控制。尤其是在使用多个加热设备时，每个加热设备可以分别被运行为使得所述加热设备仅考虑直接布置在其下游和布置下一加热设备之前的部件的加热需求。
30.由内燃机1产生的废气10依次被输送给催化转化器11、12、13，以便在这些催化转换器中被净化或消毒。在此，催化转化器11、12、13中的每一个分别可以被设置用于一个特定的消毒或用于多个同时消毒。例如，可以靠近内燃机1布置的第一催化转化器11可以被构造为三元催化转化器（英语：three way catalyst；twc），而第二催化转化器12和第三催化转化器13可以包括其他催化转化器和/或净化部件、诸如nox存储催化转化器、scr催化转化器、颗粒过滤器等。然而，第二和第三催化转化器12、13同样可以包括一个或多个其他twc。此外，第一催化转化器11也可以包括一个或多个其他净化部件，并且不必强制性地被配置为twc。
31.根据相应的催化转化器类型，催化转化器11、12、13中的每一个具有特定的热工作范围，所述热工作范围也被称为转换窗。为了有效转换，在此必须达到可预定的最低温度，也称为起燃温度。在起燃温度之上发生相应的有害物质到不太有害的物质的转换。然而，如果相应的催化转化器在高于起燃温度的温度时被运行，则必要时仍然可以实现效率升高。在这种情况下，有利地预先给定针对相应的催化转化器11、12、13的额定温度。如开头所阐述的，通常也可以根据净化部件的热活性体积分量进行控制。然而，在这里应该根据具有基于温度的控制的示例来阐述本发明。
32.在图2中，根据本发明的方法的有利设计方案以简化流程图的形式示意性地示出并且总体上用200表示。为了简单起见，在这里仅描述单个电加热设备14的控制；如果存在多个加热设备，则每个加热设备分别可以以与在这里描述的行动类似的方式被运行。
33.方法200使用（一个或多个）催化转化器的温度t_cat、电加热设备上游的废气的温
度t_ehc^us和加热设备的温度t_ehc以及废气质量流量dm_exh作为输入参量。这些输入参量中分别可以基于传感器和/或基于模型被确定。
34.基于当前催化转化器温度t_cat，在步骤t_ehc^des中计算离开加热盘的废气的目标温度。在此，考虑在相应催化转化器中所需的最低工作温度（“起燃温度”）。
35.基于废气质量流量dm_exh、加热盘上游的废气温度t_ehc^us和加热盘的当前温度t_ehc，在步骤pwr^max中确定加热设备14的最大允许加热功率。
36.此外，基于在步骤pwr^max中使用的输入参量以及在步骤t_ehc^des中确定的目标温度，在步骤pwr^des中确定为了尽可能高效地达到目标温度所期望的加热功率。
37.在步骤min中，将期望的加热功率与最大允许加热功率进行比较。然后将两个加热功率中的在此确定的较小的加热功率作为加热功率要求输出，并且根据加热功率要求操控所述加热盘。为此，从车辆100的电气系统将对应的电功率输送给加热盘。
38.可选地，在实施比较步骤min之前可以借助于在步骤pi/pid中基于目标温度和加热盘的当前温度t_ehc之间的差（图2中的链接
“‑”
）确定的调节器值校正（图2中的链接“+”）如在步骤pwr^des中确定的期望的加热功率。然而，由于原本已经非常精确的和稳健的温度控制，这不是强制性需要的，因为在步骤pi/pid中，仅调整具有对加热盘14下游的最终废气温度的相对小的影响的干扰参量。
39.应该强调的是，方法200可以不仅仅利用废气作为传热流体被实施，而是也可以使用外部输送的流体，尤其是空气。这特别是在（还）无废气质量流量可供使用的情形下是有利的，例如在车辆100停住和/或内燃机1不被运行的情形下（例如在混合动力车辆情况下在驶离前、在电驱动行驶期间
……
）。

技术特征：
1.一种用于借助于电加热设备（14、15）加热内燃机（1）下游的排气系统（120）的方法（200），所述方法包括：确定所述排气系统（120）中的当前温度（t_ehc、t_ehc^us、t_cat），基于所确定的当前温度（t_cat）和目标温度确定加热需求（t_ehc^des），根据所述加热需求和为了加热所述电加热设备（14、15）需要的能量计算所需要的热量（pwr^des），以及控制（pwr^req）所述电加热设备（14、15）用于产生所计算的热量。2.根据权利要求1所述的方法（200），其中基于所述排气系统（120）的温度模型来实施所述当前温度（t_ehc、t_ehc^us、t_cat）的确定和/或所需要的热量（pwr^des）的计算。3.根据权利要求1或2所述的方法（200），所述方法此外包括控制流体流（10）以将热从所述加热设备（14、15）输送到所述排气系统（120）的要加热的部件（11、12、13）。4.根据权利要求3所述的方法（200），其中所述要加热的部件（11、12、13）包括催化转化器和/或颗粒过滤器。5.根据权利要求3或4所述的方法（200），其中当所述加热设备（14、15）达到可预定的最低温度时，控制所述流体流（10）用于从所述加热设备（14、15）提取热量。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法（200），其中根据所述排气系统（120）的一个或多个运行参数确定所述目标温度。7.根据权利要求6所述的方法（200），其中所述排气系统（120）的一个或多个运行参数包括所述排气系统中的有害物质浓度和/或所述排气系统内的压力损失和/或所述排气系统中的废气质量流量（dm_exh）和/或环境温度。8.一种计算单元（20），所述计算单元被设立用于实施根据前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（20）上被执行时，所述计算机程序促使所述计算单元（20）实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法的所有方法步骤。10.一种机器可读存储介质，具有其上存储的根据权利要求9所述的计算机程序。

技术总结
用于加热排气系统的方法。本发明涉及一种用于借助于电加热设备（14、15）加热内燃机（1）下游的排气系统（120）的方法（200），所述方法包括：确定所述排气系统（120）中的当前温度（t_EHC、t_EHC^Us、t_Cat），基于所确定的当前温度（t_Cat）和目标温度确定加热需求（t_EHC^Des），根据所述加热需求和为了加热所述电加热设备（14、15）需要的能量计算所需要的热量（Pwr^Des），以及控制（Pwr^Req）所述电加热设备（14、15）用于产生所计算的热量。此外提出用于实施这种方法的计算单元（20）和计算机程序。这种方法的计算单元（20）和计算机程序。这种方法的计算单元（20）和计算机程序。


技术研发人员：M
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