專利名稱:確定廢氣溫度和催化器溫度的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及具有獨(dú)立權(quán)利要求所述技術(shù)特征的、在汽車內(nèi)燃機(jī)廢氣處理系統(tǒng)中確定廢氣溫度和催化器溫度的裝置和方法。
現(xiàn)代的內(nèi)燃機(jī)在其廢氣處理系統(tǒng)中具有象微粒過濾器或催化器這樣的組成部分,它們用于凈化內(nèi)燃機(jī)廢氣。為了使這些組成部分最佳地工作,還需要把廢氣溫度和/或催化器溫度控制在預(yù)定范圍內(nèi)。因而,已知催化器的轉(zhuǎn)化廢氣中有害物質(zhì)的催化活性主要取決于溫度。這意味著,必須超過催化器的最低溫度(起動(dòng)溫度),以便可以完全消除有害物質(zhì)的排放。例如,氧化催化器、三通催化器或NOX型催化器被考慮用作催化器。
人們還知道,在廢氣處理系統(tǒng)中設(shè)置所謂的吸收裝置,它們在內(nèi)燃機(jī)的一定工作狀態(tài)下儲(chǔ)存所選的有害物質(zhì)成分如HC或NOX。除了上述確保足夠高的催化器活性的起動(dòng)溫度外,一方面還要保證超過吸收所需的最低溫度,另一方面,要保證尚未達(dá)到其中出現(xiàn)所儲(chǔ)存的NOX脈動(dòng)釋放現(xiàn)象的解吸溫度。另外,為了使NOX存儲(chǔ)型催化器完美工作,必須間隔有規(guī)律地進(jìn)行SOX再生(脫硫),這一般需要明顯較高的溫度。因此,為了使廢氣處理系統(tǒng)最佳地工作,或許就必須采取加熱措施或冷卻措施。顯然,為此需要知道實(shí)際的廢氣溫度或催化器溫度。在廢氣處理系統(tǒng)的所考慮的全部區(qū)域內(nèi)借助已知的溫度探頭來直接測量通常在技術(shù)上是無法實(shí)現(xiàn)的并且這會(huì)與相當(dāng)高的成本費(fèi)用有關(guān)。
本發(fā)明的任務(wù)是提出一種裝置和一種方法,借助所述的裝置和方法,可以實(shí)現(xiàn)廢氣溫度和催化器溫度的精確模型化,從而可以避免采用昂貴的附加傳感器。
根據(jù)本發(fā)明,通過具有獨(dú)立權(quán)利要求所述技術(shù)特征的裝置和方法完成上述任務(wù)。此外,求助于原本例如在發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中提供的汽車及與之有關(guān)的裝置的工作參數(shù)。工作參數(shù)被讀入一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中并根據(jù)一個(gè)模型來計(jì)算,(a)在一個(gè)溫度探頭下游的且與廢氣通道內(nèi)的熱損失和廢氣通道的熱惰性有關(guān)的廢氣溫度和/或(b)與催化器的絕熱平均溫度、催化器中的熱損失、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響和先算出的至少一個(gè)催化器前的廢氣溫度有關(guān)的催化器溫度。所示方法的特點(diǎn)是,特別扎實(shí)可靠地確定控制廢氣處理系統(tǒng)工作所需的溫度。
控制裝置可以以獨(dú)立控制單元形式實(shí)現(xiàn)或者有利地被整合到已有的發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中并且具有在那里以數(shù)字形式存儲(chǔ)的且用于確定廢氣溫度和催化器溫度的模型。
事實(shí)證明,根據(jù)以下參數(shù)計(jì)算出從前管中的溫度探頭到催化器的的熱損失是有利的,如導(dǎo)熱性系數(shù)、由溫度探頭測定的溫度和環(huán)境溫度。此外,通過考慮在先前的計(jì)算回路中算出的催化器前的廢氣溫度,在假定流程穩(wěn)定的情況下,可以特別簡單且精確地將熱惰性的影響模型化。因此,與常見的非線性微分方程式相比,計(jì)算起來明顯省事。
此外,催化器的熱損失是根據(jù)通過實(shí)驗(yàn)而定的自由對流和強(qiáng)迫對流的部分以及在催化器中的輻射而確定的,這是有利的。為了計(jì)算有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響,首先如根據(jù)一個(gè)設(shè)置在催化器前的氣體傳感器的信號(hào)來確定各有害物質(zhì)的有害物質(zhì)物質(zhì)流,這也是有利的。隨后,把如此算出的有害物質(zhì)物質(zhì)流乘以有害物質(zhì)的熱值。
根據(jù)先算出的催化器前的廢氣溫度來計(jì)算確定催化器溫度所需的催化器平均絕熱溫度。在這里,事實(shí)證明以下措施也是有利的,即與計(jì)算廢氣溫度時(shí)的方法相似地考慮在先前計(jì)算回路中算出的催化器溫度。
通過所提出的方法,可以將在已有溫度探頭下游的廢氣處理系統(tǒng)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的廢氣溫度模型化。另外,可以通過重復(fù)上述步驟而為在溫度探頭下游的且存在于廢氣處理系統(tǒng)中的每個(gè)催化器計(jì)算出催化器溫度。
從從屬權(quán)利要求所述的其余技術(shù)特征中得到了本發(fā)明的其它優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。
以下,在一個(gè)實(shí)施例中根據(jù)附圖來說明本發(fā)明,其中
圖1是具有廢氣處理系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的原理圖;圖2是確定廢氣溫度和催化器溫度的原理電路圖。
圖1表示一個(gè)具有一個(gè)廢氣處理系統(tǒng)12的內(nèi)燃機(jī)10。內(nèi)燃機(jī)10可以按照已知方式通過一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置14使其工作參數(shù)匹配于取決于行駛狀況的各項(xiàng)要求。對此,例如廢氣再循環(huán)裝置16的發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置14產(chǎn)生調(diào)節(jié)參數(shù)如節(jié)流閥18的節(jié)流閥角度αDr或廢氣再循環(huán)閥的開啟角度αEGR。為調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)10工作參數(shù)而確定和預(yù)先規(guī)定額定參數(shù)是眾所周知的并因而可以不在這里進(jìn)行詳細(xì)說明。
廢氣處理系統(tǒng)12包括設(shè)置在廢氣通道22中的組成部分如一個(gè)前置催化器24、一個(gè)主催化器26、一個(gè)溫度探頭28以及一個(gè)氣體傳感器30。還可以想象到的是,把其它組成部分如微粒過濾器或附加催化器設(shè)置在廢氣處理系統(tǒng)12中。所提出的方法實(shí)現(xiàn)了算出在溫度探頭28下游的所有區(qū)域內(nèi)的廢氣溫度以及所有設(shè)置在那里的催化器的溫度。
通過傳感器28、30測定的廢氣工作參數(shù)被讀入一個(gè)控制裝置32中。在控制裝置32中存儲(chǔ)一個(gè)用于按照本發(fā)明方法來確定廢氣溫度和催化器溫度的模型??刂蒲b置32可以被整合到該發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置14中,但它也可以象獨(dú)立單元那樣工作。
為了確定廢氣溫度和催化器溫度,可以這樣進(jìn)行(見圖2的原理電路圖)。
計(jì)算被分為五個(gè)步驟,即1、從溫度探頭28往下直到主催化器26(以下被稱為前管)地計(jì)算出廢氣處理系統(tǒng)12中的熱損失vrver(步驟S1);2、在考慮前管的熱惰性的情況下,計(jì)算出催化器26前的廢氣溫度Tab,vk(步驟S2);3、計(jì)算出催化器26中的絕熱平均溫度Tm,k(步驟S3);4、計(jì)算出催化器26中的熱損失kver(步驟S4);5、在考慮催化器26中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化kum的情況下,計(jì)算出催化器溫度Tk(步驟S5)。此外,步驟S4、S5按任意先后順序進(jìn)行。
在步驟S1中,測量前管中的熱損失vrver。此外,模型包括這樣一個(gè)程序,其中流入了前管的熱流通系數(shù)kf、通過溫度探頭28測量的溫度Tab,sen和環(huán)境溫度Tumg??梢愿鶕?jù)前管的外表面和內(nèi)表面drohr,a和drohr,i以及所屬的傳熱系數(shù)αa和αi來計(jì)算熱流通系數(shù)kf。在這里,內(nèi)傳熱系數(shù)αi可以通過以下關(guān)系式確定,αi=Nu·λab/drohr,i(I)其中,Nu是努舍爾特?cái)U(kuò)散準(zhǔn)數(shù),λab是廢氣導(dǎo)熱性,drohr,i是排氣管內(nèi)徑。按照以下計(jì)算公式得到努舍爾特?cái)U(kuò)散準(zhǔn)數(shù)Nu,Nu=0.0214·(Re0.8-100)·Pr0.4·[1+(drohr,i/lrohr)0.667] (II)其中,Re表示雷諾數(shù),Pr表示普朗陀準(zhǔn)數(shù),lrohr表示前管長度,其中從以下關(guān)系式中得到雷諾數(shù)Re,Re=Vab·drohr,i/μab(III)其中,作為廢氣速度地確定Vab,作為廢氣運(yùn)動(dòng)粘度地確定μab。廢氣平均速度Vab和廢氣運(yùn)動(dòng)粘度μab可以按照以下公式并根據(jù)通過溫度探頭28測得的溫度Tab,sen或廢氣物質(zhì)流mab,s及廢氣平均密度ρa(bǔ)b和管內(nèi)徑drohr,I來確定,μab=(110+1.25Tab,sen)10-7(IV)Vab=mab,s/(ρa(bǔ)b·0.25π·drohr,i) (V)根據(jù)氣流mluft測量值和燃料流mkst得到mab,s。在確定上述值后,可以根據(jù)公式得到前管的導(dǎo)熱性rrohr并隨后得到熱流通系數(shù)kf,rrohr=In(drohr,i/drohr,a)/(2π·λrohr·lrohr)(VI)1/kf=1/(αa·αrohr,a)+rrohr+1/(αi·αrohr,i)(VII)隨后,可以通過以下關(guān)系式算出熱損失vrver并用于繼續(xù)計(jì)算,vrver=kf·(Tab,sen-Tumg) (VIII)為了計(jì)算出催化器26前的廢氣溫度Tab,vk(步驟S2),必須計(jì)算前管熱惰性,即它對能量平衡的質(zhì)的影響(vrtemp)。在已知前管質(zhì)量mvr和特定的前管熱容cprohr和廢氣熱容cpab的情況下,可以按照以下公式控制熱損失vrver和質(zhì)量影響的能量平衡,mab,s·cpab·Tab,vk=mab,s·cpab·Tab,sen-vrver-mvr·cprohr·(Tab,vk-Tab,vk1) (IX)在這種情況下,Tab,vk給出了最后計(jì)算回路的催化器26前的廢氣溫度。通過采取這樣的步驟,可以省略采用費(fèi)事的微分方程式和迭代計(jì)算法,從而明顯使計(jì)算更加簡單。因此,根據(jù)以下公式求出催化器26前的實(shí)際廢氣溫度Tab,vk,Tab,vk=(mab,s·cpab·Tab,sen+mvr·cprohr·Tab,vk1-vrver)/(mab,s·cpab+mvr·cprohr) (X)現(xiàn)在,前面算出的廢氣溫度Tab,vk又被帶入絕熱平均溫度Tm,k的計(jì)算中,其中考慮催化器質(zhì)量對溫度的影響。催化器溫度計(jì)算還可以很精確地通過以下簡化措施來進(jìn)行,-催化器26是理想的熱交換器,從而在催化器端上,廢氣溫度等于催化器溫度;-為一個(gè)絕熱催化器26進(jìn)行溫度計(jì)算;-催化器26中的熱損失Tm,k,ver與先算出的催化器溫度有關(guān);
-在催化器26處的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化同時(shí)發(fā)生在整個(gè)催化器長度范圍內(nèi)并且要加上修正熱損失的催化器溫度。
這樣的有限的模型的精度隨著溫度動(dòng)態(tài)曲線降低、有害物質(zhì)含量降低和廢氣物質(zhì)流增大而提高。
與廢氣溫度計(jì)算相似地,為了確定催化器質(zhì)量mk的影響,就是說當(dāng)計(jì)算催化器26的平均絕熱溫度Tm,k時(shí),還要考慮在先前的計(jì)算回路中算出的溫度Tm,k1。當(dāng)已經(jīng)知道催化器質(zhì)量mk和特定的催化器26熱容cpk時(shí),可以按照以下公式確定絕熱溫度Tm,k,Tm,k=(mab,s·cpab·Tab,vk+mk·cpk·Tm,k)/(mab,s·cpab+mk·cpk) (XI)在步驟S4中,計(jì)算催化器26中的熱損失kver。此外,必須通過實(shí)驗(yàn)確定自由對流和輻射的兩個(gè)系數(shù)fk1、fk2以及在催化器26處的強(qiáng)迫對流。在已知初始速度vfzg的情況下,以下關(guān)系式適用于包括熱損失kver在內(nèi)的實(shí)際催化器溫度Tm,k,ver,Tm,k,ver=Tm,k-fk1·(Tm,k-Tumg)-fk1·vfzg·(Tm,k-Tumg) (XII)在步驟S5中,可以計(jì)算出有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化對催化器26溫度Tk的影響。為此,首先根據(jù)在內(nèi)燃機(jī)10后用氣體傳感器30測得的廢氣λ值λnm計(jì)算出燃燒后的重噴射量ME,ne的一部分。給如此獲得的燃燒損耗λbrenn分配有害物質(zhì)系數(shù)fHC,brenn和fCO,brenn,它們乘以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n地并且不影響重噴射地近似表示廢氣中的HC有害物質(zhì)物質(zhì)流mHC,brenn和CO有害物質(zhì)物質(zhì)流mCO,brenn。這種計(jì)算可以在考慮缸數(shù)nzy和重噴射的噴射開始SBne的情況下按已知方式進(jìn)行。還給有害物質(zhì)物質(zhì)流mHC,brenn和mCO,brenn加上燃燒后的重噴部分mHC,ne和mCO,ne。因此,適用以下關(guān)系式,mCO=mCO,brenn+mCO,nemHC=mHC,brenn+mHC,ne(XII)如果需要,這種方法可延及其它有害物質(zhì)如氫氣。
當(dāng)已經(jīng)知道前置催化器的溫度Tvk時(shí),可以計(jì)算出催化器24中的與有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化有關(guān)的催化活性。在這種情況下,近似出現(xiàn)了催化器26溫度Tvk等于溫度探頭28處的溫度Tab,sen。當(dāng)已經(jīng)知道催化器24和NOX儲(chǔ)存型催化器26的體積速度vkvo1、kvo1時(shí),可以按照通用特性曲線讀出催化器24的HC和CO的轉(zhuǎn)化量(konvk,HC和konvk,CO)并且用λnm來修正。沒有轉(zhuǎn)化的有害物質(zhì)物質(zhì)流mHC,k、mCO,k根據(jù)其熱值hu,HChu,CO在催化器26處被轉(zhuǎn)化并通過釋放出所含能量eHC,k、eCO,k來提高催化器溫度Tk。因此,適用以下關(guān)系式,Tk=Tm,k+(eHC,k+eCO,k)/(mab,s·cpab+mk·cpk)(XIV)。
權(quán)利要求
1.一種在汽車內(nèi)燃機(jī)廢氣處理系統(tǒng)中確定廢氣溫度和/或催化器溫度的方法,其中該廢氣處理系統(tǒng)包括一條具有至少一個(gè)催化器的廢氣通道并且汽車及與之有關(guān)的成套設(shè)備的工作參數(shù)被讀入一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中,以及根據(jù)一個(gè)模型來計(jì)算(a)在一個(gè)溫度探頭(28)下游的且與廢氣通道(22)的熱損失(vrver)和廢氣通道(22)的熱惰性有關(guān)的廢氣溫度(Tab)和/或(b)與催化器的絕熱平均溫度(Tm,k)、催化器中的熱損失(kver)、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化(kum)影響和先算出的催化器前的廢氣溫度(Tab,vk)有關(guān)的催化器溫度(Tk)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,通過以下關(guān)系式算出從溫度探頭(28)到催化器(26)(前管)的熱損失(vrver),vrver=kf·(Tab,sen-Tumg)(VIII)其中(kf)是導(dǎo)熱性系數(shù),(Tab,sen)是由溫度探頭(28)測定的溫度,(Tumg)是環(huán)境溫度。
3.如權(quán)利要求1或2之一所述的方法,其特征在于,通過以下關(guān)系式算出熱惰性對廢氣溫度(Tab,vk)的影響,Tab,vk=(mab,s·cpab·Tab,sen+mvr·cprohr·Tab,vk1-vrver)/(mab,s·cpab+mvr·cprohr)(X)其中(mab,s)是廢氣物質(zhì)流,(cpab)和(cprohr)是前管和廢氣的特定熱容,(mvr)是前管質(zhì)量,(Tab,vk1)是最后計(jì)算的催化器前(26)的廢氣溫度。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的方法,其特征在于,催化器(26)的熱損失(kver)是根據(jù)通過實(shí)驗(yàn)確定的自由對流和強(qiáng)迫對流的部分以及在催化器(26)處的輻射而確定的。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的方法,其特征在于,為計(jì)算有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化(kum)的影響,首先根據(jù)一個(gè)設(shè)置在催化器(26)前的氣體傳感器(30)的信號(hào)來確定各有害物質(zhì)的有害物質(zhì)物質(zhì)流(mHC,mCO)并且將其乘以有害物質(zhì)的熱值(hu,HC,hu,CO)。
6.如前述權(quán)利要求之一所述的方法,其特征在于,根據(jù)催化器前(26)的廢氣溫度(Tab,vk)計(jì)算出催化器(26)的平均絕熱溫度(Tm,k)。
7.一種在汽車內(nèi)燃機(jī)廢氣處理系統(tǒng)中確定廢氣溫度和催化器溫度的裝置,其中該廢氣處理系統(tǒng)包括一條具有至少一個(gè)催化器的廢氣通道并且設(shè)有這樣的機(jī)構(gòu),即借助該機(jī)構(gòu)把汽車及與之有關(guān)的成套設(shè)備的工作參數(shù)讀入一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中以及根據(jù)一個(gè)模型來計(jì)算(a)在一個(gè)溫度探頭(28)下游的且與廢氣通道(22)內(nèi)的熱損失(vrver)和廢氣通道(22)的熱惰性有關(guān)的廢氣溫度(Tab)和/或(b)與催化器的絕熱平均溫度(Tm,k)、催化器中的熱損失(kver)、有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化(kum)影響和先算出的催化器前的廢氣溫度(Tab,vk)有關(guān)的催化器溫度(Tk)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置,其特征在于,該機(jī)構(gòu)包括一個(gè)控制裝置(32),在該控制裝置中存儲(chǔ)用于計(jì)算廢氣溫度和催化器溫度的模型。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置,其特征在于,該控制裝置(32)被整合到發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置(14)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在汽車內(nèi)燃機(jī)廢氣處理系統(tǒng)中確定廢氣溫度和催化器溫度的方法及裝置,其中廢氣處理系統(tǒng)包括一條具有至少一個(gè)催化器的廢氣通道并且汽車及與之有關(guān)的成套設(shè)備的工作參數(shù)被讀入一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置中以及根據(jù)一個(gè)模型來計(jì)算(a)在一個(gè)溫度探頭(28)下游的且與廢氣通道(22)內(nèi)的熱損失(vr
文檔編號(hào)F01N13/02GK1409801SQ00816890
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者E·波特 申請人:大眾汽車有限公司