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)所儲存的NOX脈動釋放現(xiàn)象的解吸溫度。另外，為了使NOX存儲型催化器完美工作，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)動機(jī)控制裝置中并且具有在那里以數(shù)字形式存儲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)動粘度地確定μab。廢氣平均速度Vab和廢氣運(yùn)動粘度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