專利名稱：確定內(nèi)燃機排氣流中微粒排放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定內(nèi)燃機排氣流中微粒排放的方法。此外，本發(fā)明還涉及確定位于內(nèi)燃機排氣流中的微粒過濾器中的沉積微粒質(zhì)量的方法。本發(fā)明還涉及通過較佳的是基于特性圖的計算機模型來控制排氣處理裝置、尤其是微粒過濾器再生的方法，其中處理裝置分成至少兩個、且較佳的是五個単元，且通過沉積模型來建立每個單元的沉積負荷，且根據(jù)沉積負荷來啟動處理裝置的再生過程。
背景技術(shù)：
為了實現(xiàn)有效的微粒過濾器再生，必須盡可能精確地獲知微粒過濾器的沉積負荷 狀態(tài)或微粒排放狀態(tài)。例如DE19945372A1中描述了ー種怎樣啟動再生的方法(根據(jù)微粒過濾器的沉積負荷狀態(tài)和諸如時間或行進距離的其它參數(shù))。已知通過測量壓差來確定微粒過濾器的沉積負荷狀態(tài)。但是由于這種測量相當不精確，還已知除了壓差以外考慮累積在微粒過濾器中的微粒的估計質(zhì)量。為了該目的，已知從包括諸如內(nèi)燃機速度、扭矩等的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)的運行特性圖中估計微粒排放。還已知根據(jù)穩(wěn)態(tài)特性圖和另外測得的諸如入值或排氣再循環(huán)率之類的測量數(shù)據(jù)確定瞬時排放。這種類型的特性圖是基于理想發(fā)動機。不能考慮由于老化和/或部件公差引起的實際發(fā)動機排放與特性圖中存儲的理想發(fā)動機排放的偏差。已知連續(xù)監(jiān)測微粒排放的測量系統(tǒng)，但是它們昂貴且易于磨損和發(fā)生故障。例如DE10124235A1描述了用于全面表征和監(jiān)測排氣并用于發(fā)動機控制的方法和裝置，其中同時或有短暫延遲地檢測和表征固體和流體微粒。該方法基于單獨使用或組合使用激光感應(yīng)拉曼散射(Laser-induced Raman scattering)、激光感應(yīng)分解光譜法(laser-inducedBreakdown spectroscopy)、激光感應(yīng)電離法(laser-induced ionisationscopy)、激光感段原子滅光光譜法(laser-induced atomic fluorescence spectroscopy)、IR-/VIS-/UV 吸收光譜法(IR-/VIS-/UV_laser absorption spectroscopy)和激光感應(yīng)白熾技術(shù)(laser-induced in-candescence technology)。精確確定微粒排放所需的傳感和控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，使得該系統(tǒng)的批量生產(chǎn)應(yīng)用相對昂貴。因為沒有考慮氧化氮對炭煙微粒的氧化影響，已知的用于微粒過濾器的沉積負荷模型僅不充分地描述了真實情況炭畑。對微粒過濾器中的微粒質(zhì)量的估計僅根據(jù)排氣管內(nèi)存在的微粒而忽視氧化氮和它們的活性的積聚，會產(chǎn)生嚴重偏差。綜上所述，積聚在微粒過濾器中的微粒質(zhì)量會被估計過高，導(dǎo)致較高的過濾器再生循環(huán)數(shù)量并因此導(dǎo)致較高的油耗。位于內(nèi)燃機排氣流中的微粒過濾器，尤其是“壁流”型過濾器，如果負荷有很多易燃微粒就必須進行再生。為了實現(xiàn)有效的微粒過濾器再生，需要精確獲知沉積負荷狀態(tài)。例如DE19945372A1描述了ー種用于根據(jù)微粒過濾器沉積負荷狀態(tài)和諸如時間和行進距離之類的其它參數(shù)啟動再生的方法。已知通過測量壓差來確定微粒過濾器沉積負荷狀態(tài)。但由于這種測量相當不精確，眾所周知除了壓差之外還考慮累積在過濾器內(nèi)微粒的估計質(zhì)量。為此已知從包含諸如內(nèi)燃機速度、扭矩等的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)的操作特性圖中估計微粒排放。一些已知方法僅考慮了過濾器中累積的微粒質(zhì)量，而忽略了該質(zhì)量在過濾器內(nèi)側(cè)的分布。這樣的僅考慮了微粒質(zhì)量但不考慮其分布的方法可稱為微粒過濾器“零尺寸”模型。從DE10252732A1得知一種改進的方法，其中使用過濾器中微?？臻g分布的ー維模型來改進確定沉積負荷的精確性。該公開文本中所掲示的方法僅為了從受沉積負荷的微粒過濾器的流動阻カ的改進的確定中計算修正因子而采用微粒分布，不過該因子有助于更精確地確定微粒質(zhì)量。該修正因子用于修正通過壓カ和溫度傳感器得到的微粒過濾器的某些特征量，并因此最終提高所確定沉積負荷的精確性。因此引起再生啟動的沉積負荷通常由壓カ傳感器確定?！olger Hulser博士等人在MTZ 1/2003，卷64，第30-37頁的論文“能夠革新發(fā)動機發(fā)展的電子學(xué)，，(“Elektronikerm6glicht Innovationen in der Motorenentwicklung”)中提出了一種計算模型，其將排氣處理裝置細分成多個單元并通過沉積模型確定每個單元的沉積負荷狀態(tài)。沉積負荷狀態(tài)一旦確定，僅需在超過某些臨界極限時才啟動微粒過濾器的有效再生。與僅根據(jù)壓カ測量的微粒過濾器系統(tǒng)相比，該情況需要較少數(shù)量的再生循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是避免這些缺點并提供ー種以簡單方式精確估計內(nèi)燃機排氣流中微粒排放的方法。本發(fā)明的另ー目的是ー種根據(jù)排氣中存在的氧化氮的估計來改進對微粒過濾器中沉積微粒的估計。本發(fā)明的又另ー目的是根據(jù)計算模型進ー步改進微粒過濾器再生的管理本發(fā)明可通過以下步驟實現(xiàn)這些目標-根據(jù)發(fā)動機的運行特性圖來準備排放模型；-在固定或可變的測量區(qū)間內(nèi)測量排氣流中的實際微粒排放并在測量該區(qū)間內(nèi)對微粒排放進行積分；-通過排放模型計算測量區(qū)間內(nèi)的理想微粒排放并在該測量區(qū)間內(nèi)對理想微粒排放進行積分；-比較測得的實際微粒排放和計算得的理想微粒排放；-根據(jù)測得的實際微粒排放和計算得的理想微粒排放的差來確定修正因子；-在從排放模型確定理想微粒排放時考慮該修正因子。根據(jù)本發(fā)明的方法提出了對積分微粒傳感器測量期間從根據(jù)特性圖的排放模型建立的排放進行積分并與測量值比較。如果有差值，則將根據(jù)特性圖的模型確定的排放與因子相乘從而減小該差值。在本發(fā)明的一簡單變體中，對內(nèi)燃機的所有運行點選擇ー個相同的修正因子。在最簡單的情況下，修正因子可選擇為理想對測量排放比的倒數(shù)。如果修正因子在各測量之間僅有小的變化以消除波動會尤其有利。
為此，可以這樣目前的修正因子fj(用修正因子f_K_alt的先前值和實際測得的和計算的理想微粒排放之比soot_ratio通過如下公式計算f _K = fl*f_K_alt+(1-fI)/soot_ratio其中系數(shù)fl的值在0至I之間，且較佳的是在0.85至0.95之間。為了避免由于錯誤測量而導(dǎo)致較大誤差，僅在其在某一合理范圍內(nèi)才使用該修正是有利的。如果對不同的運行區(qū)域選擇不同的修正因子可得到更精確的結(jié)果，不同的修正因子有利地根據(jù)修正特性圖來確定。如果考慮內(nèi)燃機運行狀態(tài)的頻率分布來確定修正因子是尤其有利的。隨著發(fā)動機經(jīng)過不同運行狀態(tài)的路徑記錄某些扭矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)間的頻率的柱狀圖形成確定修正因子的基礎(chǔ)。所希望的是，通過至少一個微粒傳感器來進行測量，其測量并對一延長期間(例如幾分鐘)的微粒排放進行積分。這種類型的積分傳感器是例如W003/006976A2中已知的。
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改進的內(nèi)燃機的微粒排放的估計會允許改進的微粒過濾器沉積負荷的確定。改進的對微粒過濾器的沉積負荷的知曉又會允許更好針對目標的再生啟動再生，這是因為可以減少防止在再生時受到熱損害的過載過濾器的安全余量。因此，可顯著降低由于柴油微粒過濾器的再生而導(dǎo)致的附加油耗。因此本發(fā)明的方法會改進微粒排放的估計。為了能夠根據(jù)需要再生排氣處理系統(tǒng)、尤其是壁流式微粒過濾器，關(guān)于微粒排放的詳細信息是很重要的。與用于微粒過濾器的適合沉積負荷模型結(jié)合會使再生頻率顯著地降低。本發(fā)明的該方法可作為發(fā)動機控制單元中的軟件來實現(xiàn)。微粒過濾器內(nèi)沉積的微粒的改進估計尤其可通過以下步驟實現(xiàn)-準備較佳的是根據(jù)特性圖的微粒物質(zhì)的排放模型；-準備至少ー個、較佳的是基于特性圖的氧化氮排放模型；-準備較佳的是根據(jù)溫度的炭煙微粒被氧化氮氧化的模型；-用所述微粒排放模型確定至少ー個運行點的理論微粒質(zhì)量和/或微粒濃度；-用所述氧化氮排放模型確定至少ー個運行點的氧化氮；-用所述炭煙微粒被氧化氮氧化的模型確定如何所述地確定的氧化氮的負的等效微粒質(zhì)量和/或濃度；-用所述微粒的排放模型和所述負的等效微粒質(zhì)量和/或濃度確定有效微粒質(zhì)量和/或濃度；以及-在所述微粒過濾器模型中累計所述有效微粒質(zhì)量和/或濃度。本發(fā)明考慮到存在于排氣中的炭煙微粒被排氣管和/或微粒過濾器內(nèi)同時存在的氧化氮氧化，并因此沒有留在微粒過濾器的事實。氧化氮對微粒的氧化已知為CRT效應(yīng)(連續(xù)再生套(Trap))并強烈地取決于微粒過濾器的溫度。為了考慮到這一點，如果在至少ー個位置測量微粒過濾器的溫度是有利的，且負的相效微粒質(zhì)量和/或負的相等微粒濃度根據(jù)微粒過濾器的溫度來確定，該溫度較佳的是通過測量較佳的ー微粒過濾器上游的排氣溫度來確定。也有可考慮微粒過濾器的不同點的不同溫度。通過使用對于NO和NO2排放分開的基于特性圖的排放模型，并通過對至少ー個運行點確定NO和NO2排放，并通過根據(jù)NO和NO2排放確定有效微粒質(zhì)量和/或濃度，可得到微粒沉積的更好的估計。這樣就考慮了諸如NO或NO2的不同氧化氮對炭煙微粒的氧化效果的不同。如果在確定有效微粒質(zhì)量時考慮了存在于排氣流中的氧化氮會更多地氧化存在于排氣流中的炭煙微粒而不是已經(jīng)沉積在微粒過濾器內(nèi)的那些，可實現(xiàn)對估計的進ー步改迸。因為將負的相效微粒質(zhì)量加到來自排放模型的炭煙微粒上，可獲得用于有效微粒的負值。為了照顧到即便氧化氮相比微粒有大量的剰余，已經(jīng)沉積在過濾器上的微粒也僅非常緩慢地被移除的事實，可規(guī)定有效微粒質(zhì)量的值不能低于某ー極限。替代排氣中成分的質(zhì)量流量，也可使用排氣的相應(yīng)濃度或體積流量。改進的內(nèi)燃機的微粒排放的估計會允許改進的微粒過濾器沉積負荷的確定。改進的對微粒過濾器的沉積負荷的知曉又會允許更好地針對目標的再生啟動再生，這是因為可以減少防止在再生時受到熱損害的過載過濾器的安全余量。因此，可顯著降低由于柴油微 粒過濾器的再生而導(dǎo)致的附加油耗。本發(fā)明的方法改進了微粒過濾器內(nèi)沉積的炭煙微粒質(zhì)量的估計。為了能夠根據(jù)需要再生排氣處理系統(tǒng)、尤其是壁流式微粒過濾器，關(guān)于沉積微粒質(zhì)量的詳細信息是很重要的。與用于啟動微粒過濾器再生的適合算法結(jié)合會使再生頻率顯著地降低。本發(fā)明的該方法可作為發(fā)動機控制單元中的軟件來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)微粒過濾器再生管理的進ー步改進，提出對于每個單元限定用于最大允許沉積負荷的至少ー個臨界值，且在至少ー個単元的沉積負荷超過相關(guān)臨界值時啟動排氣處理系統(tǒng)的再生過程。替代地或附加地，可根據(jù)至少一個單元的沉積負荷確定數(shù)字沉積狀態(tài)指標，根據(jù)該沉積狀態(tài)指標啟動再生過程。與運轉(zhuǎn)微粒過濾器的已知方法相反，過濾器內(nèi)微粒的空間不均勻分布不僅用于估計沉積微粒的總質(zhì)量，還會直接影響微粒過濾器再生的啟動。該再生啟動的改進會使再生的次數(shù)減少，因此也降低了附加油耗。尤其是可以避免由于在尤其大的沉積負荷下的區(qū)域局部過熱而對微粒過濾器造成熱損害。根據(jù)本發(fā)明，確定微粒過濾器的至少兩個単元的沉積負荷狀態(tài)。微粒過濾器的單元不一定與物理實現(xiàn)的単元一致，而是可假設(shè)地進行限定。為了描述排氣流流動方向和橫向于氣流方向的不同単元，微粒過濾器沉積負荷的計算模型必需至少是ー維的，即必需表示例如沿流動方向和/或橫向于該方向的至少ー維長度。除了總微粒質(zhì)量之外，還要考慮微粒過濾器不同區(qū)域的質(zhì)量以根據(jù)微粒過濾器的不同単元內(nèi)微粒質(zhì)量和它們的分布來啟動微粒過濾器再生。在計算模型中微粒過濾器較佳的是分割成相同大小的単元。這可將計算減到最少。原理上也有可使単元具有不同大小。在ー尤佳的變體中，提出了沉積模型將進入每個單元的微粒質(zhì)量分成沉積在單元內(nèi)的部分和離開單元的部分。沉積在每個單元內(nèi)的部分主要與沉積負荷狀態(tài)有夫。根據(jù)本發(fā)明，可設(shè)置成至少兩個単元的相應(yīng)臨界值是不同的，上游單元的臨界值較佳的是小于下游單元的臨界值。如果至少一個單元的沉積負荷超過了相應(yīng)臨界值則啟動再生程序。也有可以從多個單元的沉積負荷狀態(tài)得出是否進行再生的決定?？蓮奈⒘＿^濾器模型的単元內(nèi)微粒分布得到關(guān)于沉積負荷狀態(tài)的信息。將該信息輸入計算例程，該例程從沉積負荷狀態(tài)和可能的其它數(shù)據(jù)得到有關(guān)必需再生的陳述。該陳述可采用ニ進制請求(是/否)或表示微粒過濾器再生的緊急性評估的數(shù)字沉積狀態(tài)指標的形式。此外該再生請求可在實際觸發(fā)微粒過濾器再生前與諸如發(fā)動機或排氣參數(shù)的其它信息相結(jié)合。為了得到關(guān)于微粒過濾器的沉積負荷狀態(tài)的精確陳述，如果至少對ー組単元限定至少兩個臨界值，較佳的是第一和第二臨界值，以及如果根據(jù)這些值超過臨界值的頻率來確定沉積狀態(tài)指標，且超過較高的臨界值較佳的是比超過較低臨界值對沉積狀態(tài)指標的影響要大，則是有利的。如果將微粒分類成可燃和不可燃微粒，對可燃和不可燃微粒分開地確定每個単元的負荷，且微粒過濾器的再生僅在ー個或多個單元由于可燃微粒的負荷超過用于可燃微粒的臨界值時才啟動，則是尤其有利的。這又進一步提高了再生的效率。在本發(fā)明的又ー變體中，提出在每個節(jié)段中作為存在于排氣流中的氧化氮量的函數(shù)和/或作為微粒過濾器溫度的函數(shù)來確定的沉積負荷狀態(tài)。這將考慮了尤其是微粒過濾器的溫度很高和/或過濾器具有催化劑涂層時排氣流中存在的氧化氮可相當大地降低微 粒過濾器中的微粒沉積的事實。此外還有可能考慮氧化氮對已經(jīng)沉積在微粒過濾器上的微粒質(zhì)量的影響。根據(jù)從微粒排放模型得到的微粒質(zhì)量、從NOx排放模型得到的氧化氮質(zhì)量、以及微粒過濾器的溫度，可確定由根據(jù)溫度的氧化氮的影響而降低、沉積在微粒過濾器上的有效微粒質(zhì)量。由于微粒因氧化氮的氧化取決于微粒過濾器的溫度，所以必需考慮微粒過濾器溫度。溫度低于約200°C將不會因Nox而發(fā)生氧化。在簡單變體中，在氧化氮排放模型中，氧化氮的質(zhì)量被乘以取決于微粒過濾器的溫度的因子，且從微粒質(zhì)量中減去該乘積，且相減的結(jié)果在下限受僅稍為負的值限制，從而得出有效微粒質(zhì)量。該因子在低溫時是零且在高溫下為定值，其考慮了氧化氮和炭煙的不同(平均)分子量。


現(xiàn)將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明。所示的是圖I是實施本發(fā)明方法的系統(tǒng)的構(gòu)造；圖2是發(fā)動機控制單元中控制算法的有關(guān)細節(jié)；圖3是用于排放模型的簡單修正程序；圖4是用于排放模型的改進修正程序；圖5是實施本發(fā)明方法的系統(tǒng)的構(gòu)造的第二變體；圖6是確定微粒沉積負荷的簡單方法；圖7是確定微粒沉積負荷的改進方法；圖8是實施本發(fā)明方法原理的系統(tǒng)的構(gòu)造；圖9上微粒過濾器模型；圖10是本發(fā)明變體的方法步驟；圖11是本發(fā)明第二變體的方法步驟；圖12是沿微粒過濾器流動方向的微粒分布；以及圖13是每個單元的累積微粒質(zhì)量。
具體實施方式
圖I示出了系統(tǒng)的基本構(gòu)造內(nèi)燃機I的排氣管內(nèi)設(shè)有微粒過濾器2。排氣管5內(nèi)還設(shè)有微粒傳感器3，較佳的是在微粒過濾器2前面。內(nèi)燃機I由電子控制単元ECU控制。微粒傳感器2也連接到控制單元ECU。還可以有例如壓差傳感器的更多傳感器，但本發(fā)明的方法并不嚴格要求如此。圖2示出了內(nèi)燃機控制單元4中控制算法的相關(guān)部分。根據(jù)諸如發(fā)動機速度n、發(fā)動機扭矩M等的發(fā)動機的運行數(shù)據(jù)，常規(guī)排放模型EM提供發(fā)動機排放的微粒質(zhì)量的理想值m_soot(t)0將該值輸入積分器I。除了用于微粒質(zhì)量的信號輸入端ロ之外，積分器I還具控制輸入端ロ。此外還設(shè)有用于求微粒傳感器積分的控制算法SP。這種積分微粒傳感器累積測量區(qū)間中傳感器上的微粒。在測量區(qū)間終止時，確定傳感器上微粒的總質(zhì)量m_S00t_real。通常積分微粒傳感器必須被再生，且在再生期間不能用于進ー步的測量。因此如果積分微粒傳感器的控制算法SP除了微粒質(zhì)量的輸出m_S00t_real之外還具有至少ー個另外的信號輸出，其指示微粒測量當前是否運行(信號M_aktiv)。再生后，積分微粒傳感器可用于進·一步的測量。信號M_aktiv應(yīng)用于積分器I的控制輸入端ロ。積分器設(shè)計成使得其對控制輸入端ロ處存在信號M_aktiv的時間段內(nèi)的質(zhì)量輸入信號進行積分。當沒有信號M_aktiv吋，將積分值存儲在變量m_S00t_ideal中并將積分器復(fù)位到零。來自排放模型EM的排放m_soot_ideal的積分值現(xiàn)存在于積分器I的輸出端ロ?，F(xiàn)將該值以及通過積分微粒傳感器在測量期間測得的實際積分微粒質(zhì)量m_S00t_real輸入比較器算法V。比較器V現(xiàn)在確定來自排放模型的積分排放與微粒傳感器測得的實際排放的比值soot_ratiosoot_ratio = m_soot_ideal/m_soot_real。諸如計算相對差的描述實際排放與通過排放模型得到的理想排放的偏差的其它數(shù)學(xué)運算也是可以的，并被本發(fā)明的方法所覆蓋?，F(xiàn)將偏差值、即較佳為S00t_rati0輸入用于修正排放模型EM的另ー算反MK。存在多種用于修正排放模型的可能性，將在下文中進ー步描述它們。圖3表示用于修正MK的非常簡單的程序。因子fj(得自偏差soot_ratio，并與排放特性圖的輸出m_soot_roh(t)相乘。因此在時間t中的每點的修正的估計微粒排放由下式給出m_soot(t) = m_soot_roh(t)*f_K。在最簡單情況下，修正因子由估計和測量排放之間的比值S00t_rati0的倒數(shù)值給出f_K = I/soot_ratio = m_soot_real/m_soot_ideal。但是如果基于S00t_rati0的修正因子對于每個測量值僅稍微改變以消除波動是尤為有利的。為此在變量f_K_alt中存儲最后ー個f_K的值，以及用于由積分微粒傳感器新測得的改變的soot_ratio的新值f_K由以下等式確定f_K = fl*f_K_alt+(1-fI)/soot_ratio,其中fl是0至I之間的因子，較佳的是在0.85至0.95之間。當每次信號M_aktiv表示微粒測量循環(huán)終止時重新計算該修正因子。
此外，如果僅在S00t_rati0位于某ー似真性區(qū)間內(nèi)才改變f_K的值以避免由于錯誤測量產(chǎn)生的較大誤差是有利的。似真性區(qū)間的極限取決于積分微粒傳感器的測量精確度，0.5和2的值是有利的。圖4示出了修正排放模型EM的改進方法。改進的方法基于排放特性圖中體現(xiàn)的理想發(fā)動機的排放與實際發(fā)動機的排放之間偏差可取決于運行狀態(tài)、即發(fā)動機運行點的假設(shè)。由于該原因，使用修正特性圖KK取代用于所有運行點的一個相同的因子，該圖包含取決于特定運行點的修正因子。為了確定微粒排放m_soot (t),來自排放模型的值m_soot_roh(t)被乘以從修正特性圖KK得到的、用于給定運行點的修正因子。在該情況下，如果修正特性圖KK具有與排放模型EM相同的獨立變量，例如發(fā)動機速度n和發(fā)動機扭矩M，則會比較有利。但是，修正特性圖以比排放特性圖數(shù)量少的獨立變量來限定也是可以的?，F(xiàn)將解釋根據(jù)運行點的修正因子的確定當積分微粒傳感器進行測量(信號M_aktiv)吋，從又另一特性圖H(“柱狀圖”)確定積分微粒傳感器測量期間發(fā)動機運行點的相對頻率特性圖，所述特性圖H以與修正特性圖KK相同的獨立變量來限定。在優(yōu)選變體中，修正圖KK和柱狀圖H以獨立變量發(fā)動機速度和扭矩來限定。軸線被細分為An的速度長·度區(qū)間和Am的扭矩長度區(qū)間，例如速度n的IOOrpm區(qū)間和最大發(fā)動機扭矩M的5%寬度的扭矩區(qū)間。修正圖KK和柱狀圖H的方格數(shù)量并因此采樣點數(shù)量相同。在固定的時間區(qū)間At，例如每20ms，在積分微粒傳感器的測量期間，確定包含本發(fā)動機運行點的方格。相應(yīng)方格的頻率值H_abs(n，M)增加I。當積分微粒傳感器的測量期間已經(jīng)終止時，通過將絕對頻率值11_&1^(11，10除以以At為單位的測量期間的持續(xù)時間來計算出每個方格的相對頻率值H_rel (n，M)。在測量期間終止后，從以下等式計算修正因子f_K f_K = I/soot_ratio = m_soot_real/m_soot_ideal并且，對于柱狀圖H的相應(yīng)方格內(nèi)的值h_rel (n, M)超過h_rel_min的值(例如
0.02)的修正圖KK的所有方格，修改修正圖KK的修正因子。如上所述，對于這些方格，修正圖因子f_K(n，M)可用值fj(來替換。但是和用于單ー參數(shù)的上述程序類似，將修正特性圖的所有方格的f_K(n，M)最后值存儲在現(xiàn)在包含值f_K_alt(n, M)的correction_map_old中，是尤為有利的。在積分微粒過濾器測量終止后，確定柱狀圖的相應(yīng)值h_rel(n，M)超過臨界值h_rel_min (例如0. 02)的所有方格的修正因子值。新的修正因子使用以下等式計算f_K (n, M) =(n, M) + (1-f I) /soot_ratio其中fl的值在0至I之間，較佳的是在0. 85至0. 95之間。在修正圖KK更新后，柱狀圖的值H_abs (n，M)復(fù)位到零?？稍诎l(fā)動機控制單元中實現(xiàn)該控制程序。作為替代形式也有可以在例如常用于重型車輛的“車輛控制計算機”的外部控制裝置中施行該控制程序。如果使用的傳感器可區(qū)別易燃和不易燃微粒，則可對兩種微粒分別執(zhí)行該程序。圖5示出了該系統(tǒng)構(gòu)造的第二變體微粒過濾器12位于內(nèi)燃機11的排氣管15內(nèi)。在該變體中，氧化催化轉(zhuǎn)換器16位于微粒過濾器12前面，但不是必需的。為了確定微粒過濾器12的溫度，設(shè)置至少ー個溫度傳感器13，其可放置在微粒過濾器12前面或后面，還可以放置在氧化轉(zhuǎn)換器16前面。
內(nèi)燃機由電子控制裝置14控制。溫度傳感器13也連接到控制裝置14。也可以有例如壓差傳感器的更多傳感器，但這不是本發(fā)明方法所必需的。電子控制裝置14還包含使用至少ー個溫度傳感器的信號和其它量來計算微粒過濾器12的至少ー個平均溫度的模型。也可以有計算微粒過濾器12的多個位置(例如入口、中點、出口)溫度的更復(fù)雜模型，但這不是嚴格必需的。圖6示出了發(fā)動機控制裝置14內(nèi)的控制算法的相關(guān)部分。ー種已知的微粒排放模型EMP提供發(fā)動機11排放的微粒質(zhì)量m_S00t的值。另ー排放模型EMNOx提供進入微粒過濾器12的排氣流中所存在的氧化氮的質(zhì)量m_N0x的值。在簡單情況下，量m_soot和/或m_N0x各賦予定值，在其它變體中，其值從特性圖中作為諸如發(fā)動機速度n和扭矩M之類的發(fā)動機運行數(shù)據(jù)的函數(shù)來確定。也可以采樣包括更多運行參數(shù)的更復(fù)雜模型。在一特別變體中使用ー排放模型,其為NO (—氧化氮)和NO2 (ニ氧化氮)提供兩個分開的質(zhì)量值，而不是為這些氧化氮提供的ー個質(zhì)量值。 控制算法還包含炭煙微粒被NOx氧化的模型CRT-M，其確定表示微粒過濾器中氧化氮氧化存在于排氣中的微粒的程度的因子f_CRT。該因子主要取決于微粒過濾器12的溫度。例如在200°C以下的溫度，NOx不會進行氧化。在一簡單變體中，模型CRT-M包括對于微粒過濾器12溫度的性能曲線，其在低溫時的值是零并在高溫時接近定值。該定值考慮了氧化氮和炭煙的不同(平均)分子量，并因此對應(yīng)于試驗確定的NOx-炭煙比的倒數(shù)值，即炭煙微粒在其之上就不再沉積在微粒過濾器上的臨界值。模型CRT-M進ー步的變體還擴展到考慮到微粒過濾器12在不同位置的不同溫度和/或?qū)⒀趸珠_成NO和NO2。模型CRT-M可用于不涂層微粒過濾器和具有催化劑涂層的微粒過濾器。對于具有催化劑涂層的微粒過濾器12，因子f_CRT通常會比同樣溫度的不涂層微粒過濾器的高。通過將因子f_CRT與m_N0x、即通過NOx-排放模型EMNOx確定氧化氮的質(zhì)量相乘，確定負的微粒等效質(zhì)量，其表示排氣中可在微粒過濾器12的給定溫度下被NOx氧化的炭煙微粒的質(zhì)量。在另ー計算步驟中，通過排放模型EMP估計的微粒質(zhì)量m_soot和負的微粒相效質(zhì)量m_soot_neg相加，得出可沉積在微粒過濾器12上的有效微粒質(zhì)量m_soot_eff?，F(xiàn)將有效微粒質(zhì)量m_soot_eff輸入微粒過濾器的計算模型DPF-M。在ー簡單版本中，該模型僅包括簡單積分器，其累計沉積在顧慮器12上的微粒。在其它變體中，可使用更復(fù)雜的微粒過濾器12模型，例如具有沿著排氣流動方向上多個單元的模型。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明特別有利的變體這里還考慮到了，排氣管15內(nèi)存在的氧化氮會更多地氧化排氣中目前存在的炭煙微粒而不是已經(jīng)沉積在微粒過濾器12上的那些。根據(jù)以上給出的用〒m_S00t_eff的計算程序，如果排氣中NOx對微粒的比非常高，該量甚至可能是負值?？紤]到即使NOx相對微粒高度過剩在排氣中很普遍，已經(jīng)沉積在微粒過濾器12上的微粒也僅會十分緩慢地被移除，提供計算單元Be，其將進入過濾器沉積負荷的計算的有效微粒質(zhì)量限制到僅稍為負的值m_sooim。盡管以上變體和圖示出了排氣成分的質(zhì)量流量，但也可使用排氣的相應(yīng)濃度或體積流量。
可在發(fā)動機控制單元中實現(xiàn)該控制程序。或者也能夠在例如常用于重型車輛的“車輛控制計算機”的外部控制裝置中實現(xiàn)控制程序。本發(fā)明的方法適于柴油機以及火花點火發(fā)動機。圖8大體地示出了系統(tǒng)的構(gòu)造。微粒過濾器103設(shè)置在內(nèi)燃機101的排氣管102中。氧化催化轉(zhuǎn)化器(這里未示出)可設(shè)置在微粒過濾器103前面。發(fā)動機控制單元表示為CPU。根據(jù)發(fā)動機控制單元CPU確定的運行點，排放模型105計算原排放，諸如NOx、HC、CO和微粒排放等。計算排氣中微粒質(zhì)量或濃度的估計值的微粒排放模型EMP是排放模型105的一部分。提供微粒過濾器模型PF-M用于模擬微粒過濾器103上微粒的沉積。如果需要，排放模型105、EMP模型和微粒過濾器模型PF-M可通過傳感器106、107和修正步驟108、109來加以修正。微粒過濾器模型PF-M確定沉積負荷狀態(tài)并將再生要求傳遞到再生控制單元110,該單元通過發(fā)動機控制單元CPU啟動微粒過濾器103的下一次再生過程。標號111表示描述車輛狀態(tài)和驅(qū)動情況的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被輸入發(fā)動機控制單元CPU。排放模型105、微粒排放模型EMP和/或微粒過濾器模型PF-M可包·含在發(fā)動機控制單元CPU內(nèi)。但是也可以在分開的控制単元或例如常用于重型車輛的“車輛控制計算機”的外部控制裝置內(nèi)實現(xiàn)至少ー個模型。圖9示出了發(fā)動機控制單元CPU內(nèi)控制算法的相關(guān)部分。ー種已知的微粒排放模型EMP提供排氣中微粒質(zhì)量m_S00t或濃度的值。EMP模型可利用諸如發(fā)動機速度n或扭矩M發(fā)動機的運行變量和/或位于排氣管中的傳感器106、107提供的數(shù)據(jù)。排氣的體積流由
mA表不?？刂扑惴ㄟ€包括微粒過濾器模型PF-M，其模擬微粒過濾器103上微粒的沉積。確定沉積微?？傎|(zhì)量的模型是本技術(shù)領(lǐng)域已知的。本發(fā)明的方法采用由n個假想?yún)g元Z1、Z2、. . . Zn組成的模型，n為值I或更多，且較佳為4至8。如果單元Z1、Z2、. . . Zn沿排氣的流動方向?qū)R，即如果使用微粒過濾器103的ー維模型，則是尤其有利的。単元Zl、Z2、. . . Zn可模擬具有不同長度的微粒過濾器103節(jié)段，但如果每個單元Zl、Z2、. . . Zn模擬具有ー個相同長度的微粒過濾器103節(jié)段，則計算會尤其簡単。從微粒過濾器模型PF-M的單元Zl、Z2、. . . Zn的微粒分布推斷出關(guān)于沉積負荷狀態(tài)的信息BZ，如下文更詳細解釋的那樣。將關(guān)于沉積負荷狀態(tài)的信息BZ輸入計算例程R_ANF，其從BZ且可能從其它數(shù)據(jù)確定再生微粒過濾器103的請求ANF。從文獻中可知，請求ANF可能表示為ニ進制(是/否)請求或表示微粒過濾器再生的緊急性評估的數(shù)字沉積狀態(tài)指標。如本技術(shù)領(lǐng)域還已知的那樣，請求ANF可以在其實際觸發(fā)微粒過濾器103的再生之前在進ー步的計算例程(這里未示出)中再生與其它信息相結(jié)合。圖10示出了微粒過濾器103的模型PF-M。在n個單元Zl、Z2、...Zn中的單元i中，沉積有微粒質(zhì)量m_i,即第一單元Zl中m_l,第二單元Z2中m_2等。計算微粒在單元Z1、Z2. . . Zn上分布的簡單算法在到達模型PF-M的每個單元Z1、Z2、. . . Zn的入口處的微粒質(zhì)量m_i_ein分成兩個分量m_i_par和m_i_trans。這里m_i_par是平行于排氣的流動方向112移動的微粒部分,而m_i_trans表不橫向于排氣流的方向112移動并沉積在微粒過濾器103壁上的部分。對于每個單元21、22、...211，適用以下等式m_i_ein = m—i—trans+m—i—par。
另ー方面，平行與排氣管移出単元Zi的微粒質(zhì)量m_i_par等于到達単元Z1、Z2、... Zn中下一単元i+1的入口處的微粒質(zhì)量。因此m_(i+l)_ein = m_i_par。到達第一単元Zl入口處的總微粒質(zhì)量m_l_ _ein = m_soot o此外，可以假設(shè)壁流微粒過濾器將幾乎完全將微粒從排氣中移除，即在最后単元的出ロ處不再有平行與流動方向傳送的微粒m_n_par O。通過將橫向分量m_i_trans對時間積分而得到沉積在姆個單元Z1、Z2、. . . Zn內(nèi) 的質(zhì)量m_i。有利的是由因子;f_i描述了將m_i_ein分成兩個分量m_i_par和m_i_trans的劃分，該因子對各單元不同m_i_par = f_i*m_i_ein且m_i_trans = (l_f_i) *m_i_ein。既然如上所述，在微粒過濾器末端不再流出微粒，則具有以下關(guān)系市*f_n O。從文獻中可知，過濾器壁上的微粒沉積隨著流動通過壁的局部速度v_i_trans而増加。因此通過v_i_trans的二次表達式計算因子f_i是有利的l-f_i = f+g*v_i_trans+h*(v_i_trans)2。通過文獻中已知的方法，可從微粒過濾器前排氣流速和從抵抗流動通過每個單元的壁的阻力得到速度v_i_trans，該阻カ又取決于已經(jīng)沉積在単元Zi的微粒質(zhì)量m_i。應(yīng)當理解也可以有更復(fù)雜的關(guān)系，但是為了清楚起見，在此不再詳細討論。根據(jù)由每個單元Zi內(nèi)沉積的微粒質(zhì)量m_i表征的微粒過濾器103的沉積負荷狀態(tài)，計算例程R-ANF現(xiàn)可輸出再生微粒過濾器103的請求。在根據(jù)本發(fā)明方法的改進中，沉積在每個單元Zi內(nèi)的微粒質(zhì)量m_i被除以微粒過濾器103分配到単元Zi的體積，以得到每個單元Zi的微粒負荷B_i。如果單元Zi的微粒負荷超出臨界值B_max,則請求再生。臨界值B_max取決于微粒過濾器103的材料和微粒過濾器裝入排氣管102的方式。對于由碳化娃(SiC)制成的微粒過濾器103,最大負荷在2g/I至12g/l之間，較佳的是在8g/l至IOg/1之間是有利的。在另一有利變體中，與B_max的對比不是用單個單元的負荷B_i進行的，而是與多個單元、例如兩個或三個單元的平均負荷進行的。在另ー變體中，對微粒過濾器103的不同部分采用不同的微粒負荷臨界值B_max。這里，如果臨界值在微粒過濾器103的前部比在后部的值低，則是尤為有利的，這是因為在微粒過濾器103的前部中其極度高負荷可能迅速地引起微粒過濾器103的堵塞。如果再生請求ANF不表示為ニ進制(是/否)值而是表示為微粒過濾器的再生緊急性評估的數(shù)字沉積狀態(tài)指標，則如果沉積狀態(tài)指標取決于微粒過濾器103中負荷B_i超過臨界值B_max的単元Zi數(shù)量是有利的。在該情況下，如果有第一臨界值B_max_l和第二臨界值B_max_2,較佳的是B_max_2大于B_max_l，則更加有利。在根據(jù)本發(fā)明的改進版本中，沉積狀態(tài)指標取決于其負荷B_i超過第一臨界值B_max_l的單元的數(shù)量且其負荷B_i也超過第二臨界值B_max_2的単元的數(shù)量，其負荷B_i超過第一臨界值B_max_2的単元的數(shù)量比其負荷超過第一臨界值B_max_l的單元Zi的數(shù)量對沉積狀態(tài)指標的影響更大。此外，將微粒分為可燃的(炭煙)和不可燃的(灰)井分別計算可燃和不可燃微粒在每個單元Zi上的負荷是有利的。如果ー個單元或平均數(shù)量的單元Zi上可燃微粒的負荷超過可燃微粒臨界值B_brennbar_max就請求再生微粒過濾器103也是有利的。圖11示出了本發(fā)明的另一有利變體。這里允許排氣流中存在的氧化氮(NOx)可相當大地降低微粒過濾器103中的微粒沉積(所謂的CRT效應(yīng))，尤其是微粒過濾器103的溫度很高和/或過濾器具有催化劑涂層吋。由于該原因，提出除了微粒排放模型EMP之外還采用描述氧化氮排放的進ー步的·模型EMNOx。這種模型提供排氣流中氧化氮的質(zhì)量或濃度值m_N0x，該值可從例如具有發(fā)動機速度n、扭矩M或類似運行參數(shù)作為獨立變量的特性圖得到。此外還提供NOx-影響模型(NOx-MOD)，其考慮了氧化氮對沉積在微粒過濾器103上微粒質(zhì)量的影響。根據(jù)從微粒排放模型EMP得到的微粒質(zhì)量m_soot、從NOx排放模型EMNOx得到的氧化氮質(zhì)量m_N0x、以及微粒過濾器的溫度T_PF，該模型確定了有效的微粒質(zhì)量m_soot_eff,其由于根據(jù)溫度的氧化氮的影響而減少并沉積在微粒過濾器103上。由于NOx對微粒的氧化取決于微粒過濾器103的溫度，所以考慮了溫度T_PF。溫度低于約200°C, NOx不會進行氧化。在簡單實施例中，在模型NOx-MOD中，氧化氮的質(zhì)量m_Nox被乘以因子f_Temp，該因子取決于微粒過濾器的溫度T_PF ;從微粒質(zhì)量m_S00t中減去該乘積，且相減的結(jié)果在下限限制到僅稍為負的值，得出最終的有效微粒質(zhì)量m_S00t_eff。因子f_Temp在低溫時是零且在高溫下為定值，其考慮了氧化氮和炭煙的不同(平均)分子量。在圖12中示出了負荷發(fā)生后沿流動方向相對于微粒過濾器內(nèi)的位置的微粒質(zhì)量分布。曲線A是微粒的測得質(zhì)量mp，曲線B是從沉積模型得到的微粒過濾器內(nèi)的微粒質(zhì)量mp，微粒過濾器103已被分隔成四個單元。圖13中示出了単元Z1、Z2、Z3、Z4內(nèi)微粒的累積質(zhì)量mp。A是測得的質(zhì)量且B是從沉積模型得到的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)測得和計算值之間很一致。已經(jīng)用排氣成分的質(zhì)量流量解釋了本發(fā)明的方法。也可使用排氣的相應(yīng)濃度或體積流量來替代質(zhì)量流量。
權(quán)利要求
1.用于確定沉積在位于內(nèi)燃機的排氣管中的微粒過濾器內(nèi)的微粒負荷的方法，包括以下步驟 -較佳的是根據(jù)運行特性圖來準備微粒的排放模型； -準備至少一個、較佳的是基于特性圖的氧化氮排放模型； -準備較佳的是取決于溫度的炭煙微粒被氧化氮氧化的模型； -用所述微粒排放模型確定至少一個運行點的理論微粒質(zhì)量和/或微粒濃度； -用所述氧化氮排放模型確定至少一個運行點的氧化氮的質(zhì)量和/或濃度； -用所述炭煙微粒被氧化氮氧化的模型確定對于前述步驟中所確定的氧化氮質(zhì)量和/或濃度的負的等效微粒質(zhì)量和/或濃度； -用所述微粒的排放模型和所述負的等效微粒質(zhì)量和/或濃度確定有效微粒質(zhì)量和/或濃度；以及 -在所述微粒過濾器模型中累計所述有效微粒質(zhì)量和/或濃度。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，準備了用于NO和NO2的分開的基于特性圖的排放模型，且對于至少一個運行點確定NO和NO2排放,且根據(jù)NO和NO2排放確定有效微粒質(zhì)量和/或濃度。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在至少一點測量所述微粒過濾器的溫度且根據(jù)所述微粒過濾器的溫度確定所述負的等效微粒質(zhì)量和/或負的等效微粒濃度，所述微粒過濾器的溫度較佳的是通過測量所述微粒過濾器較佳的是上游的排氣溫度來確定。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，為了確定所述有效微粒質(zhì)量，考慮了所述排氣管內(nèi)的氧化氮會更多地氧化存在于排氣中的炭煙微粒而不是已經(jīng)沉積在所述微粒過濾器內(nèi)的炭煙微粒。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述有效微粒質(zhì)量的值受到下限限制。
全文摘要
確定進入設(shè)置在內(nèi)燃機排氣流中的微粒過濾器中微粒的方法，其能夠通過考慮微粒和氧化氮排放來確定沉積微粒的質(zhì)量。該包括以下步驟根據(jù)所述發(fā)動機的運行特性圖來準備排放模型；在固定或可變的測量區(qū)間內(nèi)測量排氣流中的實際微粒排放并在所述測量區(qū)間內(nèi)對微粒排放進行積分；通過所述排放模型計算所述測量區(qū)間內(nèi)的理想微粒排放并在所述測量區(qū)間內(nèi)對理想微粒排放進行積分；比較測得的實際微粒排放和計算得的理想微粒排放；根據(jù)測得的實際微粒排放和計算得的理想微粒排放的差來確定修正因子；在從所述排放模型確定理想微粒排放時考慮所述修正因子。
文檔編號F01N3/023GK102787890SQ20121011008
公開日2012年11月21日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者H·胡爾瑟, M·科?？死?申請人:Avl里斯脫有限公司