專利名稱：控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求1前序部分中所述特征的控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的方法。
在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的空氣-燃油-混合物的燃燒過程中將產(chǎn)生其組分交替變化的氣體有害物質(zhì)，所述有害物質(zhì)一方面起著還原物的作用，另一方面起著氧化物的作用。在如下條件下將產(chǎn)生大量的諸如CO、HC或H2等還原物質(zhì)，即在氧與燃料的比低于或等于化學(xué)計(jì)算值(λ≤1；再生工作方式)的條件下。與此相反，當(dāng)氧在空氣-燃由-混合物中占極大比重時(shí)，則內(nèi)燃機(jī)處于貧工作方式(λ＞1)，并且尾氣中的還原物分量將減少。在內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)工作時(shí)大多數(shù)情況仍可以用氧對(duì)催化劑中的還原物質(zhì)充分地進(jìn)行氧化。
另外，在燃燒過程中還將產(chǎn)生諸如NOx和SOx等氧化物。這些物質(zhì)的數(shù)量將在存儲(chǔ)催化劑上以再生工作方式被還原物質(zhì)減少。在貧工作方式時(shí)，此點(diǎn)不再能充分地進(jìn)行，而且在該條件下氧化物將被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)催化劑中。其中在達(dá)到NOx解吸溫度或存儲(chǔ)催化劑的NOx的存儲(chǔ)容量被用盡之前，一直存在著NOx-吸收。因此在此時(shí)間點(diǎn)之前必須轉(zhuǎn)換到再生工作方式，以便減少NOx在存儲(chǔ)催化劑的下游的擴(kuò)散。
為此，已知的方式是根據(jù)平均催化劑溫度對(duì)工作模式進(jìn)行控制。其中，例如可以通過附加設(shè)置在尾氣通道中的傳感器對(duì)催化劑溫度進(jìn)行檢測(cè)，或者也可以以已知的方式采用相應(yīng)的模型計(jì)算出催化劑溫度。當(dāng)催化劑溫度超過一預(yù)定的閾值溫度時(shí)，則開始轉(zhuǎn)換到再生工作方式，以防止NOx-解吸，又不同時(shí)出現(xiàn)還原。另一方面，為了確保充分的NOx-存儲(chǔ)容量必須將存儲(chǔ)催化劑加熱到最低的工作溫度。已知在達(dá)到預(yù)定的最低溫度之前內(nèi)燃機(jī)必須以再生工作方式工作。其中，在該工作方式時(shí)的尾氣溫度通常高于在貧工作方式時(shí)的尾氣溫度。當(dāng)然對(duì)此必須以過量消耗燃料為代價(jià)。所以為降低油耗，必須盡可能縮短再生工作的時(shí)間長度。
另外，還已知視需要必須以一定的時(shí)間間隔對(duì)存儲(chǔ)催化劑進(jìn)行脫硫(SOx-再生)。為此要將內(nèi)燃機(jī)調(diào)整到再生工作方式。而且為了脫硫還需要很高的最低脫硫溫度。采用迄今的方法在此僅以最低脫硫溫度的平均值為基礎(chǔ)，從此平均最低脫硫溫度開始轉(zhuǎn)換到再生工作方式。必要時(shí)當(dāng)僅存儲(chǔ)催化劑的個(gè)別范圍超過最低脫硫溫度時(shí)，已經(jīng)開始脫硫也是必要的。
該目的根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1中所述特征的對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作模式控制的方法得以實(shí)現(xiàn)。通過(a)根據(jù)預(yù)定的矩陣將存儲(chǔ)催化劑劃分成一定數(shù)量的催化劑單元；(b)求出每個(gè)催化劑單元的單元溫度；和(c)根據(jù)至少一個(gè)預(yù)定的催化劑單元的單元溫度確定內(nèi)燃機(jī)的工作模式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的工作模式與實(shí)際催化劑狀況的適配。
當(dāng)至少一個(gè)催化劑單元的單元溫度在預(yù)定的下限溫度和預(yù)定的上限溫度之間時(shí)，優(yōu)選調(diào)整到λ＞1的內(nèi)燃機(jī)貧工作方式。其中選擇的下限溫度應(yīng)高于最低工作溫度并應(yīng)存在存儲(chǔ)催化劑總體的充分的NOx-存儲(chǔ)容量。上限溫度應(yīng)低于NOx-解吸溫度。因此，當(dāng)催化劑平均溫度已經(jīng)超過上限溫度，但至少有一個(gè)催化劑單元的溫度低于預(yù)定的上限溫度時(shí)，仍可以保持內(nèi)燃機(jī)的貧工作方式，并且甚至在催化劑平均溫度低于最低工作溫度時(shí)，在至少一個(gè)催化劑單元內(nèi)超過最低工作溫度后，內(nèi)燃機(jī)仍被置于貧工作方式。
經(jīng)證實(shí)，宜根據(jù)NOx-和SOx-吸附狀況和單元溫度求出每個(gè)催化劑單元的NOx-存儲(chǔ)容量?？梢詫Ox-存儲(chǔ)容量作為保持貧工作方式的另一標(biāo)準(zhǔn)。為此一方面可以考慮預(yù)設(shè)定NOx-存儲(chǔ)容量的閾值并且在高于該閾值時(shí)將采取內(nèi)燃機(jī)再生工作方式。另一方面可以計(jì)算出預(yù)定的時(shí)域內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)累積的NOx-原擴(kuò)散以及在相同的時(shí)域內(nèi)的每個(gè)催化劑單元的NOx-解吸。接著根據(jù)NOx-存儲(chǔ)容量、NOx-解吸和每個(gè)催化劑單元的空間位置以及累積的NOx-原擴(kuò)散計(jì)算出存儲(chǔ)催化劑的下游的累積的NOx-擴(kuò)散。當(dāng)計(jì)算出的累積的NOx-擴(kuò)散高于預(yù)定的閾值時(shí)，則同樣可以將內(nèi)燃機(jī)調(diào)整到再生工作方式。
另外，當(dāng)至少在一個(gè)催化劑單元的單元溫度高于最低脫硫溫度時(shí)開始脫硫是有益的。當(dāng)然其中還根據(jù)對(duì)SOx-吸附狀況的預(yù)定的閾值進(jìn)行脫硫。采用此方式在超過平均最低溫度時(shí)就可以開始脫硫并因而可以縮短加熱階段。
其中可以根據(jù)在上游遠(yuǎn)端的催化劑單元的單元溫度計(jì)算出為達(dá)到在下游遠(yuǎn)端的催化劑單元中的最低脫硫溫度的加熱階段的時(shí)間長度，這是因?yàn)槊摿驎r(shí)，該最低脫硫溫度將把其多余的熱量(單元溫度與最低脫硫溫度之間的差)繼續(xù)向下游傳遞。因此可以縮短脫硫時(shí)間并減少因脫硫造成的能量的過量消耗。
經(jīng)證明，宜根據(jù)催化劑空間延伸、溫度變化特性、再生速度特性、NOx-存儲(chǔ)容量、NOx-、SOx-或O2-吸附狀況或前者結(jié)合的特性等的存儲(chǔ)催化劑模型確定出劃分存儲(chǔ)催化劑所需的矩陣。
從屬權(quán)利要求中所述的特征對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選的設(shè)計(jì)做了描述。
圖3為在NOx-再生時(shí)的λ值變化特性的示意圖；圖4為緊隨內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)后的加熱階段中的λ值變化特性的示意圖；圖5為控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的本發(fā)明的方法的實(shí)施例的流程圖和圖6為脫硫時(shí)控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的本發(fā)明的方法的實(shí)施例的流程圖。
在尾氣通道內(nèi)附加設(shè)置有傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑的實(shí)際狀況的判定，其中例如可以對(duì)尾氣中的氣體組分的含量或溫度進(jìn)行檢測(cè)。在該設(shè)置10中為此例如在存儲(chǔ)催化劑的下游設(shè)有一個(gè)氣體傳感器18和一個(gè)溫度傳感器20。傳感器18、20產(chǎn)生信號(hào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器22內(nèi)對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。另外，對(duì)內(nèi)燃機(jī)16配屬有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)24，所述機(jī)構(gòu)至少可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)16的至少一個(gè)工作參數(shù)至少暫時(shí)的影響。采用此方式可以改變尾氣溫度、內(nèi)燃機(jī)16的工作模式和/或尾氣中的具體氣體組分分量。這種對(duì)內(nèi)燃機(jī)16工作參數(shù)的影響是已知的，因而在此不再贅述。
在內(nèi)燃機(jī)16內(nèi)的空氣-燃料-混合物的燃燒過程中，將產(chǎn)生諸如CO、HC和H2等還原物質(zhì)和諸如NOx和SOx等氧化物質(zhì)的交替變化的分量。在λ≤1的工作模式時(shí)(富的或化學(xué)計(jì)算值的條件，再生工作方式)，燃料分量超過在空氣-燃油-混合物中的氧分量或這些分量是根據(jù)化學(xué)數(shù)量比例的。因此將產(chǎn)生大量的還原物。當(dāng)工作模式變換到λ＞1(貧條件，貧工作方式)時(shí)，則尾氣中的還原物的分量將減少。在NOx-存儲(chǔ)催化劑12中氧將對(duì)還原物進(jìn)行氧化。只要在NOx-存儲(chǔ)催化劑12中的氧濃度較高，則就可以充分地降低還原物的擴(kuò)散。
與此相反，在NOx-存儲(chǔ)催化劑12中氧化物被還原物所替換。此過程僅可在λ≤1的工作模式下充分地進(jìn)行。在貧條件下，NOx被作為硝酸鹽而SOx被作為硫酸鹽吸收，并且在達(dá)到NOx-的解吸溫度或NOx-的存儲(chǔ)容量被用盡之前，此過程一直進(jìn)行。在此時(shí)刻之前必須至少進(jìn)行NOx-再生。
由于SOx-解吸溫度較高，所以通常在NOx-再生時(shí)不會(huì)進(jìn)行SOx-再生?？傊槍?duì)再生(NOx-和SOx-再生)需要λ≤1的工作模式和再生溫度(取決于NOx-和SOx-解吸溫度)，兩者共同構(gòu)成再生參數(shù)?？梢砸砸阎姆绞酵ㄟ^對(duì)內(nèi)燃機(jī)16的工作參數(shù)施加影響實(shí)現(xiàn)對(duì)再生參數(shù)的調(diào)整。同時(shí)還已知可以對(duì)NOx-存儲(chǔ)催化劑12的再生必要性進(jìn)行確定。在此對(duì)有關(guān)內(nèi)容不再贅述。
圖2中以一預(yù)定的矩陣為例示意示出存儲(chǔ)催化劑12劃分成任意數(shù)量的催化劑單元?？梢愿鶕?jù)存儲(chǔ)催化劑模型確定用于將存儲(chǔ)催化劑12劃分成催化劑單元的矩陣。該模型例如可以包含存儲(chǔ)催化劑12的空間延伸、存儲(chǔ)催化劑12內(nèi)的溫度特性曲線或再生速度特性曲線。還可以使用NOx-存儲(chǔ)容量特性曲線和在存儲(chǔ)催化劑12內(nèi)的NOx、SOx或O2物質(zhì)的吸附狀況特性曲線。吸附狀況是一個(gè)催化劑單元內(nèi)吸收的NOx-、SOx-或O2物質(zhì)的量度。當(dāng)然也可以將所述參數(shù)代入矩陣計(jì)算式內(nèi)。在所述的例子中存儲(chǔ)催化劑12一共被劃分成六個(gè)催化劑單元Z1至Z6(區(qū))，其中單元Z1設(shè)置在面向內(nèi)燃機(jī)16的一側(cè)。
圖3示出存儲(chǔ)催化劑12再生時(shí)的λ值的曲線(虛線)。為加以說明在圖中還示出一根據(jù)通常的方法的λ值的曲線(實(shí)線)。其中內(nèi)燃機(jī)16首先在階段tm1處于貧工作方式。當(dāng)超過存儲(chǔ)催化劑12的平均催化劑溫度的一預(yù)定的閾值溫度后，在階段tf1’確切地說至少在重新低于閾值溫度之前，調(diào)整到再生工作方式。接著在階段tm2重新采取貧工作方式。
在本發(fā)明的方法中，λ值的曲線(虛線)有明顯的不同。所以可以在階段tf1’中再生工作一方面稍后恢復(fù)并且另一方面提前結(jié)束。雖然在貧階段tm1’和tm2’中平均催化劑溫度瞬時(shí)高于根據(jù)通常的方法預(yù)定的極限溫度，但在選定的催化劑單元的溫度(單元溫度)還可以充分的低，以便可以保證足夠的NOx-存儲(chǔ)容量。下面將對(duì)控制方式做進(jìn)一步的說明。
圖4中示出存儲(chǔ)催化劑12的加熱階段期間的λ值的曲線(虛線)。圖中同時(shí)還示出根據(jù)通常的方法的λ值的曲線(實(shí)線)。為了使內(nèi)燃機(jī)16啟動(dòng)后馬上使存儲(chǔ)催化劑12達(dá)到必要的工作溫度，首先在tf2階段對(duì)存儲(chǔ)催化劑12用富的或化學(xué)計(jì)算值的尾氣(λ≤1)進(jìn)行加載，因?yàn)檫@時(shí)尾氣的溫度明顯較高。在平均催化劑溫度超過最低溫度之前，一直保持再生工作方式。與此相反，在采用本發(fā)明的方法時(shí)縮短了階段tf2’，并且當(dāng)選定的催化劑單元超過最低溫度時(shí)，已經(jīng)可以采取貧工作方式。
圖5中示出控制內(nèi)燃機(jī)16工作模式的流程圖。首先在步驟S1中根據(jù)預(yù)定的矩陣將存儲(chǔ)催化劑劃分成一定數(shù)量的催化劑單元。接著在步驟S2中求出每個(gè)催化劑單元的單元溫度。可以對(duì)單元溫度直接測(cè)出，例如通過附加安裝的溫度傳感器，或者根據(jù)已知的模型計(jì)算出。
在步驟S3中求出，在由尾氣流量和λ和NOx原擴(kuò)散決定的數(shù)量的催化劑單元中選出的一個(gè)單元內(nèi)的單元溫度是否在預(yù)定的下限溫度G1和預(yù)定的上限溫度G2之間。其中下限溫度G1構(gòu)成存儲(chǔ)催化劑12的最低工作溫度，該最低工作溫度對(duì)保證足夠的NOx-的存儲(chǔ)容量是必要的。選擇的上限溫度G2應(yīng)使其低于NOx-解吸溫度，以便可以避免NOx在存儲(chǔ)催化劑12下游的擴(kuò)散。當(dāng)在選定的存儲(chǔ)催化劑單元中的單元溫度低于下限溫度G1時(shí)，必要時(shí)可以在步驟S4中啟用加熱措施，例如通過轉(zhuǎn)換到再生工作方式。當(dāng)選定的催化劑單元中的單元溫度高于上限溫度G2時(shí)，必要時(shí)可以以已知的方式通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)16的工作參數(shù)施加影響在步驟S4中采取冷卻措施。
在步驟S5中求出選定的催化劑單元的NOx-存儲(chǔ)容量。此點(diǎn)又可以根據(jù)已知的NOx-和SOx-或O2的吸附狀況的存儲(chǔ)催化劑模型進(jìn)行。當(dāng)NOx-存儲(chǔ)容量未達(dá)到預(yù)定的閾值S1(步驟S6)時(shí)，則在步驟S7中采取再生工作方式。
在步驟S8中，根據(jù)NOx-存儲(chǔ)容量、NOx-解吸和每個(gè)催化劑單元的空間位置以及在預(yù)定時(shí)域內(nèi)內(nèi)燃機(jī)16的原擴(kuò)散計(jì)算出存儲(chǔ)催化劑下游的累積的NOx-擴(kuò)散。這樣，在圖2中所示的設(shè)置在尾氣通道14內(nèi)下游遠(yuǎn)端的催化劑單元Z4至Z6必要時(shí)除了要容納內(nèi)燃機(jī)16產(chǎn)生的NOx-原擴(kuò)散，還要容納位于上游遠(yuǎn)端的催化劑單元(Z1至Z3)中通過NOx-解吸釋放出來的NOx。當(dāng)計(jì)算出的存儲(chǔ)催化劑12下游的累積的NOx-擴(kuò)散超過預(yù)定的閾值S2時(shí)，則重新采取再生工作方式(步驟S7)。如果不是此情況，則內(nèi)燃機(jī)仍然保持在貧工作方式或被調(diào)整到貧工作方式(步驟S10)。
圖6示出用于控制內(nèi)燃機(jī)16在脫硫時(shí)的工作模式的流程圖。在步驟S1和S2中，如上所述，首先將存儲(chǔ)催化劑12劃分成各個(gè)催化劑單元并對(duì)選定的催化劑單元的單元溫度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)選定的催化劑單元的單元溫度低于最低脫硫溫度時(shí)(步驟S11)，則不采取其它措施(步驟S12)。否則將在步驟S13中檢查，SOx-吸附狀況是否超過預(yù)定的閾值S3。必要時(shí)，在步驟S14中確定用于脫硫的加熱時(shí)間長度。達(dá)到位于下游遠(yuǎn)端的催化劑單元(例如圖2所示的催化劑單元Z4至Z6)的最低脫硫溫度的時(shí)間長度可根據(jù)位于上游遠(yuǎn)端的催化劑單元(例如圖2所示的催化劑單元Z1至Z3)加以確定。除了通過尾氣的熱流外在催化劑12內(nèi)的各個(gè)催化劑單元之間也存在熱流。通常位于上游遠(yuǎn)端的催化劑單元的單元溫度較高。采用此方式可以明顯地縮短脫硫時(shí)的再生時(shí)間長度。在步驟15中然后進(jìn)行脫硫。
權(quán)利要求
1.控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的方法，其中對(duì)內(nèi)燃機(jī)配屬有相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)根據(jù)計(jì)算出的或測(cè)出的一至少設(shè)置在尾氣通道中的存儲(chǔ)催化劑的催化劑溫度至少暫時(shí)對(duì)至少一個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作參數(shù)施加影響，以便調(diào)整內(nèi)燃機(jī)工作模式，其特征在于，(a)根據(jù)預(yù)定的矩陣將存儲(chǔ)催化劑(12)劃分成一定數(shù)量的催化劑單元；(b)求出每個(gè)催化劑單元的單元溫度；和(c)根據(jù)至少一個(gè)預(yù)給定的催化劑單元的單元溫度確定內(nèi)燃機(jī)(16)的工作模式。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)至少一個(gè)催化劑單元的單元溫度在預(yù)給定的下限溫度(G2)和預(yù)給定的上限溫度(G1)之間時(shí)，優(yōu)選調(diào)整到λ＞1的內(nèi)燃機(jī)(16)貧工作方式。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，(a)根據(jù)NOx-和SOx-吸附狀況和單元溫度求出每個(gè)催化劑單元的NOx-存儲(chǔ)容量；(b)預(yù)定NOx-存儲(chǔ)容量的閾值(S1)；和(c)當(dāng)超過閾值(S1)時(shí)將內(nèi)燃機(jī)(16)調(diào)整到λ≤1的再生工作方式。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，(a)根據(jù)NOx-和SOx-吸附狀況和單元溫度求出每個(gè)催化劑單元的NOx-存儲(chǔ)容量；(b)計(jì)算出預(yù)定時(shí)域內(nèi)內(nèi)燃機(jī)(16)NOx-原擴(kuò)散和選出的催化劑單元的NOx-吸附狀況的變化；(c)根據(jù)NOx-存儲(chǔ)容量、NOx-吸附狀況和選出的催化劑單元的空間位置以及累積的NOx-原擴(kuò)散計(jì)算出存儲(chǔ)催化劑(12)下游的累積的NOx-擴(kuò)散；(d)預(yù)定累積NOx-擴(kuò)散的閾值(S2)；和(e)當(dāng)超過閾值(S2)時(shí)將內(nèi)燃機(jī)(16)調(diào)整到再生工作方式。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)至少一個(gè)催化劑單元的單元溫度超過最低脫硫溫度時(shí)開始脫硫。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，根據(jù)為SOx-吸附狀況預(yù)定的閾值(S3)開始脫硫。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，根據(jù)在上游遠(yuǎn)端的催化劑單元的單元溫度確定為達(dá)到在下游遠(yuǎn)端的催化劑單元中的最低脫硫溫度的加熱階段的時(shí)間長度。
8.按照上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)存儲(chǔ)催化劑的空間延伸、溫度變化特性、再生速度特性、NOx-存儲(chǔ)容量變化特性、NOx-、SOx-或O2-吸附狀況或前者的結(jié)合的存儲(chǔ)催化劑模型確定出對(duì)存儲(chǔ)催化劑(12)進(jìn)行劃分的矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制內(nèi)燃機(jī)工作模式的方法,其中對(duì)內(nèi)燃機(jī)配屬有相應(yīng)的機(jī)構(gòu),所述機(jī)構(gòu)根據(jù)計(jì)算出的或測(cè)出的一至少設(shè)置在尾氣通道中的存儲(chǔ)催化劑的催化劑溫度至少暫時(shí)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的至少一個(gè)工作參數(shù)施加影響,以便調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的工作模式,其中:(a)根據(jù)預(yù)定的矩陣將存儲(chǔ)催化劑(12)劃分成一定數(shù)量的催化劑單元;(b)求出每個(gè)催化劑單元的單元溫度;和(c)根據(jù)至少一個(gè)預(yù)給定的催化劑單元的單元溫度確定內(nèi)燃機(jī)的工作模式。
文檔編號(hào)F01N3/20GK1358254SQ00809409
公開日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2000年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者埃克哈德·波特 申請(qǐng)人:大眾汽車股份公司