确定内燃机排气流中微粒排放的方法

专利名称：确定内燃机排气流中微粒排放的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定内燃机排气流中微粒排放的方法。此外，本发明还涉 及确定位于内燃机排气流中的微粒过滤器中的沉积微粒质量的方法。本发明 还涉及通过较佳的是基于特性图的计算机模型来控制排气处理装置、尤其是 微粒过滤器再生的方法，其中处理装置分成至少两个、且较佳的是五个单元， 且通过沉积模型来建立每个单元的沉积负荷，且根据沉积负荷来启动处理装 置的再生过程。
背景技术：
为了实现有效的微粒过滤器再生，必须尽可能精确地获知微粒过滤器的沉
积负荷状态或微粒排放状态。例如DE199 45 372 Al中描述了一种怎样启动 再生的方法(根据微粒过滤器的沉积负荷状态和诸如时间或行进距离的其它 参数)。
已知通过测量压差来确定微粒过滤器的沉积负荷状态。但是由于这种测量 相当不精确，还已知除了压差以外考虑累积在微粒过滤器中的微粒的估计质
为了该目的，己知从包括诸如内燃机速度、扭矩等的发动机运行数据的运 行特性图中估计微粒排放。还已知根据稳态特性图和另外测得的诸如M直或排 气再循环率之类的测量数据确定瞬时排放。这种类型的特性图是基于理想发
动机。不能考虑由于老化和/或部件公差引起的实际发动机排放与特性图中存 储的理想发动机排放的偏差。
已知连续监测微粒排放的测量系统，但是它们昂贵且易于磨损和发生故 障。例如DE101 24 235 Al描述了用于全面表征和监测排气并用于发动机控 制的方法和装置，其中同时或有短暂延迟地检测和表征固体和流体微粒。该 方法基于单独使用或组合使用激光感应拉曼散射(Laser-induced Raman scattering)'、激光感应分角军光谱法(laser-induced Breakdown spectroscopy)、激光感应电离法(laser-induced ionisationscopy)、激光感应原子荧光光谱法(laser-induced atomic fluorescence spectroscopy) 、 IR-/VIS-/UV吸收光谱法(IR-/VIS-/UV-laser absorption spectroscopy)和激光感应白炽技术(laser-induced in-candescence technology)。精确确定微粒排放所需的传感和控制系统非常复杂，使得该系统的批量生产应用相对昂贵。
因为没有考虑氧化氮对炭烟微粒的氧化影响，己知的用于微粒过滤器的沉积负荷模型仅不充分地描述了真实情况炭烟。对微粒过滤器中的微粒质量的估计仅根据排气管内存在的微粒而忽视氧化氮和它们的活性的积聚，会产生严重偏差。综上所述，积聚在微粒过滤器中的微粒质量会被估计过高，导致较高的过滤器再生循环数量并因此导致较高的油耗。
位于内燃机排气流中的微粒过滤器，尤其是"壁流"型过滤器，如果负荷有很多易燃微粒就必须进行再生。为了实现有效的微粒过滤器再生，需要精确获知沉积负荷状态。例如DE 199 45 372 Al描述了一种用于根据微粒过滤器沉积负荷状态和诸如时间和行进距离之类的其它参数启动再生的方法。
已知通过测量压差来确定微粒过滤器沉积负荷状态。但由于这种测量相当不精确，众所周知除了压差之外还考虑累积在过滤器内微粒的估计质量。为此已知从包含诸如内燃机速度、扭矩等的发动机运行数据的操作特性图中估计微粒排放。
一些已知方法仅考虑了过滤器中累积的微粒质量，而忽略了该质量在过滤器内侧的分布。这样的仅考虑了微粒质量但不考虑其分布的方法可称为微粒过滤器"零尺寸"模型。
从DE102 52 732 Al得知一种改进的方法，其中使用过滤器中微粒空间分布的一维模型来改进确定沉积负荷的精确性。该公开文本中所揭示的方法仅
为了从受沉积负荷的微粒过滤器的流动阻力的改进的确定中计算修正因子而采用微粒分布，不过该因子有助于更精确地确定微粒质量。该修正因子用于修正通过压力和温度传感器得到的微粒过滤器的某些特征量，并因此最终提高所确定沉积负荷的精确性。因此引起再生启动的沉积负荷通常由压力传感器确定。
Holger Hiilser博士等人在MTZ 1/2003,巻64，第30-37页的论文"能够革新发动机发展的电子学"("Elektronik erm6glicht Innovationen in derMotorenentwicklung")中提出了一种计算模型，其将排气处理装置细分成多个单元并通过沉积模型确定每个单元的沉积负荷状态。沉积负荷状态一旦确定，仅需在超过某些临界极限时才启动微粒过滤器的有效再生。与仅根据压力测量的微粒过滤器系统相比，该情况需要较少数量的再生循环。

发明内容
本发明的目的是避免这些缺点并提供一种以简单方式精确估计内燃机排气流中微粒排放的方法。本发明的另一目的是一种根据排气中存在的氧化氮的估计来改进对微粒过滤器中沉积微粒的估计。本发明的又另一目的是根据计算模型进一步改进微粒过滤器再生的管理
本发明可通过以下步骤实现这些目标
-根据发动机的运行特性图来准备排放模型；
-在固定或可变的测量区间内测量排气流中的实际微粒排放并在测量该区间内对微粒排放进行积分；
-通过排放模型计算测量区间内的理想微粒排放并在该测量区间内对理想微粒排放进行积分；
-比较测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放；
-根据测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放的差来确定修正因
子；
-在从排放模型确定理想微粒排放时考虑该修正因子。
根据本发明的方法提出了对积分微粒传感器测量期间从根据特性图的排放模型建立的排放进行积分并与测量值比较。如果有差值，则将根据特性图的模型确定的排放与因子相乘从而减小该差值。
在本发明的一简单变体中，对内燃机的所有运行点选择一个相同的修正因子。在最简单的情况下，修正因子可选择为理想对测量排放比的倒数。如果修正因子在各测量之间仅有小的变化以消除波动会尤其有利。
为此，可以这样目前的修正因子f一K用修正因子f_K_alt的先前值和实际测得的和计算的理想微粒排放之比soot_ratio通过如下公式计算
f—K = fl*f—K—alt + (l-fl)/soot—ratio
其中系数fl的值在0至1之间，且较佳的是在0.85至0.95之间。为了避
免由于错误测量而导致较大误差，仅在其在某一合理范围内才使用该修正是有利的。如果对不同的运行区域选择不同的修正因子可得到更精确的结果，不同的修正因子有利地根据修正特性图来确定。如果考虑内燃机运行状态的频率分布来确定修正因子是尤其有利的。随着发动机经过不同运行状态的路径记录某些扭矩和发动机转速区间的频率的柱状图形成确定修正因子的基础。
所希望的是，通过至少一个微粒传感器来进行测量，其测量并对一延长期间(例如几分钟)的微粒排放进行积分。这种类型的积分传感器是例如
WO03/006976 A2中已知的。
改进的内燃机的微粒排放的估计会允许改进的微粒过滤器沉积负荷的确定。改进的对微粒过滤器的沉积负荷的知晓又会允许更好针对目标的再生启动再生，这是因为可以减少防止在再生时受到热损害的过载过滤器的安全余量。因此，可显著降低由于柴油微粒过滤器的再生而导致的附加油耗。
因此本发明的方法会改进微粒排放的估计。为了能够根据需要再生排气处理系统、尤其是壁流式微粒过滤器，关于微粒排放的详细信息是很重要的。与用于微粒过滤器的适合沉积负荷模型结合会使再生频率显著地降低。本发明的该方法可作为发动机控制单元中的软件来实现。
微粒过滤器内沉积的微粒的改进估计尤其可通过以下步骤实现
-准备较佳的是根据特性图的微粒物质的排放模型；
-准备至少一个、较佳的是基于特性图的氧化氮排放模型；
-准备较佳的是根据温度的炭烟微粒被氧化氮氧化的模型；
-用所述微粒排放模型确定至少一个运行点的理论微粒质量和/或微粒浓
度；
-用所述氧化氮排放模型确定至少一个运行点的氧化氮；
-用所述炭烟微粒被氧化氮氧化的模型确定如何所述地确定的氧化氮的负的等效微粒质量和/或浓度；
-用所述微粒的排放模型和所述负的等效微粒质量和/或浓度确定有效微粒质量和/或浓度；以及
-在所述微粒过滤器模型中累计所述有效微粒质量和/或浓度。
本发明考虑到存在于排气中的炭烟微粒被排气管和/或微粒过滤器内同时存在的氧化氮氧化，并因此没有留在微粒过滤器的事实。氧化氮对微粒的氧化已知为CRT效应(连续再生套(Trap))并强烈地取决于微粒过滤器的温度。为了考虑到这一点，如果在至少一个位置测量微粒过滤器的温度是有利的，且负的相效微粒质量和/或负的相等微粒浓度根据微粒过滤器的温度来确定，该温度较佳的是通过测量较佳的一微粒过滤器上游的排气温度来确定。也有可考虑微粒过滤器的不同点的不同温度。
通过使用对于NO和N02排放分开的基于特性图的排放模型，并通过对至
少一个运行点确定NO和N02排放，并通过根据NO和N02排放确定有效微粒质量和/或浓度，可得到微粒沉积的更好的估计。这样就考虑了诸如NO或N02的不同氧化氮对炭烟微粒的氧化效果的不同。
如果在确定有效微粒质量时考虑了存在于排气流中的氧化氮会更多地氧化存在于排气流中的炭烟微粒而不是已经沉积在微粒过滤器内的那些，可实现对估计的进一步改进。
因为将负的相效微粒质量加到来自排放模型的炭烟微粒上，可获得用于有效微粒的负值。为了照顾到即便氧化氮相比微粒有大量的剩余，已经沉积在过滤器上的微粒也仅非常缓慢地被移除的事实，可规定有效微粒质量的值不能低于某一极限。
替代排气中成分的质量流量，也可使用排气的相应浓度或体积流量。
改进的内燃机的微粒排放的估计会允许改进的微粒过滤器沉积负荷的确定。改进的对微粒过滤器的沉积负荷的知晓又会允许更好地针对目标的再生启动再生，这是因为可以减少防止在再生时受到热损害的过载过滤器的安全余量。因此，可显著降低由于柴油微粒过滤器的再生而导致的附加油耗。
本发明的方法改进了微粒过滤器内沉积的炭烟微粒质量的估计。为了能够根据需要再生排气处理系统、尤其是壁流式微粒过滤器，关于沉积微粒质量的详细信息是很重要的。与用于启动微粒过滤器再生的适合算法结合会使再生频率显著地降低。本发明的该方法可作为发动机控制单元中的软件来实现。
为了实现微粒过滤器再生管理的进一步改进，提出对于每个单元限定用于最大允许沉积负荷的至少一个临界值，且在至少一个单元的沉积负荷超过相
关临界值时启动排气处理系统的再生过程。替代地或附加地，可根据至少一个单元的沉积负荷确定数字沉积状态指标，根据该沉积状态指标启动再生过程。
与运转微粒过滤器的已知方法相反，过滤器内微粒的空间不均匀分布不仅用于估计沉积微粒的总质量，还会直接影响微粒过滤器再生的启动。该再生启动的改进会使再生的次数减少，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积负荷下的区域局部过热而对微粒过滤器造成热损害。
根据本发明，确定微粒过滤器的至少两个单元的沉积负荷状态。微粒过滤 器的单元不一定与物理实现的单元一致，而是可假设地进行限定。为了描述 排气流流动方向和横向于气流方向的不同单元，微粒过滤器沉积负荷的计算 模型必需至少是一维的，即必需表示例如沿流动方向和/或横向于该方向的至 少一维长度。除了总微粒质量之外，还要考虑微粒过滤器不同区域的质量以 根据微粒过滤器的不同单元内微粒质量和它们的分布来启动微粒过滤器再 生。
在计算模型中微粒过滤器较佳的是分割成相同大小的单元。这可将计算减 到最少。原理上也有可使单元具有不同大小。
在一尤佳的变体中，提出了沉积模型将进入每个单元的微粒质量分成沉积 在单元内的部分和离开单元的部分。沉积在每个单元内的部分主要与沉积负 荷状态有关。
根据本发明，可设置成至少两个单元的相应临界值是不同的，上游单元的 临界值较佳的是小于下游单元的临界值。如果至少一个单元的沉积负荷超过 了相应临界值则启动再生程序。也有可以从多个单元的沉积负荷状态得出是 否进行再生的决定。可从微粒过滤器模型的单元内微粒分布得到关于沉积负 荷状态的信息。将该信息输入计算例程，该例程从沉积负荷状态和可能的其 它数据得到有关必需再生的陈述。该陈述可采用二进制请求(是/否)或表示 微粒过滤器再生的紧急性评估的数字沉积状态指标的形式。此外该再生请求 可在实际触发微粒过滤器再生前与诸如发动机或排气参数的其它信息相结合。
为了得到关于微粒过滤器的沉积负荷状态的精确陈述，如果至少对一组单 元限定至少两个临界值，较佳的是第一和第二临界值，以及如果根据这些值 超过临界值的频率来确定沉积状态指标，且超过较高的临界值较佳的是比超 过较低临界值对沉积状态指标的影响要大，则是有利的。
如果将微粒分类成可燃和不可燃微粒，对可燃和不可燃微粒分开地确定每 个单元的负荷，且微粒过滤器的再生仅在一个或多个单元由于可燃微粒的负 荷超过用于可燃微粒的临界值时才启动，则是尤其有利的。这又进一步提高 了再生的效率。
在本发明的又一变体中，提出在每个节段中作为存在于排气流中的氧化氮量的函数和/或作为微粒过滤器温度的函数来确定的沉积负荷状态。这将考虑 了尤其是微粒过滤器的温度很高和/或过滤器具有催化剂涂层时排气流中存在 的氧化氮可相当大地降低微粒过滤器中的微粒沉积的事实。此外还有可能考 虑氧化氮对已经沉积在微粒过滤器上的微粒质量的影响。根据从微粒排放模 型得到的微粒质量、从NOx排放模型得到的氧化氮质量、以及微粒过滤器的 温度，可确定由根据温度的氧化氮的影响而降低、沉积在微粒过滤器上的有 效微粒质量。
由于微粒因氧化氮的氧化取决于微粒过滤器的温度，所以必需考虑微粒过
滤器温度。温度低于约200。C将不会因Nox而发生氧化。在简单变体中，在 氧化氮排放模型中，氧化氮的质量被乘以取决于微粒过滤器的温度的因子， 且从微粒质量中减去该乘积，且相减的结果在下限受仅稍为负的值限制，从 而得出有效微粒质量。该因子在低温时是零且在高温下为定值，其考虑了氧 化氮和炭烟的不同(平均)分子量。


现将参照附图更详细地描述本发明。所示的是
图1是实施本发明方法的系统的构造；
图2是发动机控制单元中控制算法的有关细节；
图3是用于排放模型的简单修正程序；
图4是用于排放模型的改进修正程序；
图5是实施本发明方法的系统的构造的第二变体；
图6是确定微粒沉积负荷的简单方法；
图7是确定微粒沉积负荷的改进方法；
图8是实施本发明方法原理的系统的构造；
图9上微粒过滤器模型；
图IO是本发明变体的方法步骤；
图11是本发明第二变体的方法步骤；
图12是沿微粒过滤器流动方向的微粒分布；以及
图13是每个单元的累积微粒质量。
具体实施方式
图1示出了系统的基本构造内燃机1的排气管内设有微粒过滤器2。排 气管5内还设有微粒传感器3，较佳的是在微粒过滤器2前面。内燃机1由
电子控制单元ECU控制。微粒传感器2也连接到控制单元ECU。还可以有 例如压差传感器的更多传感器，但本发明的方法并不严格要求如此。
图2示出了内燃机控制单元4中控制算法的相关部分。根据诸如发动机速 度n、发动机扭矩M等的发动机的运行数据，常规排放模型EM提供发动机 排放的微粒质量的理想值m—soot(t)。将该值输入积分器I。除了用于微粒质 量的信号输入端口之外，积分器I还具控制输入端口。
此外还设有用于求微粒传感器积分的控制算法SP。这种积分微粒传感器 累积测量区间中传感器上的微粒。在测量区间终止时，确定传感器上微粒的 总质量m_S00t_real。通常积分微粒传感器必须被再生，且在再生期间不能用 于进一步的测量。因此如果积分微粒传感器的控制算法SP除了微粒质量的 输出m一soot一real之外还具有至少一个另外的信号输出，其指示微粒测量当前 是否运行(信号M—aktiv)。再生后，积分微粒传感器可用于进一步的测量。
信号M_aktiv应用于积分器I的控制输入端口。积分器设计成使得其对控 制输入端口处存在信号M—aktiv的时间段内的质量输入信号进行积分。当没 有信号M_aktiv时，将积分值存储在变量m一soot一ideal中并将积分器复位到 零。来自排放模型EM的排放m一sootjdeal的积分值现存在于积分器I的输 出端口。
现将该值以及通过积分微粒传感器在测量期间测得的实际积分微粒质量 m一soot一real输入比较器算法V。比较器V现在确定来自排放模型的积分排放 与微粒传感器测得的实际排放的比值soot—ratio
soot—ratio = m—soot—ideal/m_soot_real。
诸如计算相对差的描述实际排放与通过排放模型得到的理想排放的偏差的 其它数学运算也是可以的，并被本发明的方法所覆盖。
现将偏差值、即较佳为sootjatio输入用于修正排放模型EM的另一算反 MK。存在多种用于修正排放模型的可能性，将在下文中进一步描述它们。
图3表示用于修正MK的非常简单的程序。因子f一K得自偏差soot—ratio， 并与排放特性图的输出m一soot—roh(t)相乘。因此在时间t中的每点的修正的 估计微粒排放由下式给出
m—soot(t) = m_soot—roh(t)*f—K。在最简单情况下，修正因子由估计和测量排放之间的比值soot_ratio的倒 数值给出
f一K = 1/soot一ratio = m_soot_real/m—soot—ideal 。
但是如果基于soot—ratio的修正因子对于每个测量值仅稍微改变以消除波 动是尤为有利的。为此在变量f—K—alt中存储最后一个f_K的值，以及用于 由积分微粒传感器新测得的改变的sootjatio的新值f—K由以下等式确定
f一K = fl*f—K—alt + (l-fl)/soot_ratio, 其中f 1是0至1之间的因子，较佳的是在0.85至0.95之间。当每次信号M—aktiv 表示微粒测量循环终止时重新计算该修正因子。
此外，如果仅在soot一ratio位于某一似真性区间内才改变f—K的值以避免 由于错误测量产生的较大误差是有利的。似真性区间的极限取决于积分微粒 传感器的测量精确度，0.5和2的值是有利的。
图4示出了修正排放模型EM的改进方法。改进的方法基于排放特性图中 体现的理想发动机的排放与实际发动机的排放之间偏差可取决于运行状态、 即发动机运行点的假设。由于该原因，使用修正特性图KK取代用于所有运 行点的一个相同的因子，该图包含取决于特定运行点的修正因子。为了确定 微粒排放m—soot (t)，来自排放模型的值m—soot—roh(t)被乘以从修正特性图 KK得到的、用于给定运行点的修正因子。在该情况下，如果修正特性图KK 具有与排放模型EM相同的独立变量，例如发动机速度n和发动机扭矩M， 则会比较有利。但是，修正特性图以比排放特性图数量少的独立变量来限定 也是可以的。
现将解释根据运行点的修正因子的确定当积分微粒传感器进行测量(信 号M—aktW)时，从又另一特性图H ("柱状图")确定积分微粒传感器测 量期间发动机运行点的相对频率特性图，所述特性图H以与修正特性图KK 相同的独立变量来限定。在优选变体中，修正图KK和柱状图H以独立变量 发动机速度和扭矩来限定。轴线被细分为An的速度长度区间和Am的扭矩长 度区间，例如速度n的1 OOrpm区间和最大发动机扭矩M的5%宽度的扭矩 区间。修正图KK和柱状图H的方格数量并因此采样点数量相同。
在固定的时间区间At，例如每20ms，在积分微粒传感器的测量期间，确 定包含本发动机运行点的方格。相应方格的频率值H一abs(n,M)增加1。当积 分微粒传感器的测量期间已经终止时，通过将绝对频率值H一abs(n,M)除以以At为单位的测量期间的持续时间来计算出每个方格的相对频率值 H_rel(n,M)。
在测量期间终止后，从以下等式计算修正因子f一K:
f_K = l/soot_ratio = m—soot—real/m_soot_ideal 并且，对于柱状图H的相应方格内的值h一rel(n,M)超过h一re1—min的值(例如 0.02)的修正图KK的所有方格，修改修正图KK的修正因子。
如上所述，对于这些方格，修正图因子f一K(n,M)可用值f_K来替换。但 是和用于单一参数的上述程序类似，将修正特性图的所有方格的f—K(n,M)最 后值存储在现在包含值f—K—alt(n，M)的correction_map—old中，是尤为有利的。 在积分微粒过滤器测量终止后，确定柱状图的相应值h一rel(n，M)超过临界值 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 式计算
f—K(n,M) = fl*f—K_alt(n,M) + (l-fl)/soot—ratio
其中fl的值在0至1之间，较佳的是在0.85至0.95之间。 在修正图KK更新后，柱状图的值H—abs(n,M)复位到零。
可在发动机控制单元中实现该控制程序。作为替代形式也有可以在例如常 用于重型车辆的"车辆控制计算机"的外部控制装置中施行该控制程序。
如果使用的传感器可区别易燃和不易燃微粒，则可对两种微粒分别执行该 程序。
图5示出了该系统构造的第二变体微粒过滤器12位于内燃机11的排气 管15内。在该变体中，氧化催化转换器16位于微粒过滤器12前面，但不是 必需的。为了确定微粒过滤器12的温度，设置至少一个温度传感器13，其 可放置在微粒过滤器12前面或后面，还可以放置在氧化转换器16前面。
内燃机由电子控制装置14控制。温度传感器13也连接到控制装置14。 也可以有例如压差传感器的更多传感器，但这不是本发明方法所必需的。
电子控制装置14还包含使用至少一个温度传感器的信号和其它量来计算 微粒过滤器12的至少一个平均温度的模型。也可以有计算微粒过滤器12的 多个位置(例如入口、中点、出口)温度的更复杂模型，但这不是严格必需 的。
图6示出了发动机控制装置14内的控制算法的相关部分。 一种己知的微 粒排放模型EMP提供发动机11排放的微粒质量m soot的值。另一排放模型EMNOx提供进入微粒过滤器12的排气流中所存在的氧化氮的质量m—NOx 的值。在简单情况下，量m—soot和/或m一NOx各赋予定值，在其它变体中， 其值从特性图中作为诸如发动机速度n和扭矩M之类的发动机运行数据的函 数来确定。也可以采样包括更多运行参数的更复杂模型。
在一特别变体中使用一排放模型，其为NO (—氧化氮)和N02 (二氧化 氮)提供两个分开的质量值，而不是为这些氧化氮提供的一个质量值。
控制算法还包含炭烟微粒被NOx氧化的模型CRT-M，其确定表示微粒过 滤器中氧化氮氧化存在于排气中的微粒的程度的因子f—CRT。该因子主要取 决于微粒过滤器12的温度。例如在200°C以下的温度，NOx不会进行氧化。
在一简单变体中，模型CRT-M包括对于微粒过滤器12温度的性能曲线， 其在低温时的值是零并在高温时接近定值。该定值考虑了氧化氮和炭烟的不 同(平均)分子量，并因此对应于试验确定的NOx-炭烟比的倒数值，即炭 烟微粒在其之上就不再沉积在微粒过滤器上的临界值。
模型CRT-M进一步的变体还扩展到考虑到微粒过滤器12在不同位置的 不同温度和/或将氧化氮分开成NO和N02。
模型CRT-M可用于不涂层微粒过滤器和具有催化剂涂层的微粒过滤器。 对于具有催化剂涂层的微粒过滤器12，因子f—CRT通常会比同样温度的不涂 层微粒过滤器的高。
通过将因子f—CRT与m一NOx、即通过NOx-排放模型EMNOx确定氧化 氮的质量相乘，确定负的微粒等效质量，其表示排气中可在微粒过滤器12的 给定温度下被NOx氧化的炭烟微粒的质量。
在另一计算步骤中，通过排放模型EMP估计的微粒质量m—soot和负的微 粒相效质量m_soot—neg相加，得出可沉积在微粒过滤器12上的有效微粒质 量m一soot一eff。
现将有效微粒质量m—soot_eff输入微粒过滤器的计算模型DPF-M。在一 简单版本中，该模型仅包括简单积分器，其累计沉积在顾虑器12上的微粒。 在其它变体中，可使用更复杂的微粒过滤器12模型，例如具有沿着排气流动 方向上多个单元的模型。
图7示出了根据本发明特别有利的变体这里还考虑到了，排气管15内 存在的氧化氮会更多地氧化排气中目前存在的炭烟微粒而不是已经沉积在微 粒过滤器12上的那些。根据以上给出的用于m_soot—eff的计算程序，如果排气中NOx对微粒的比非常高，该量甚至可能是负值。考虑到即使NOx相 对微粒高度过剩在排气中很普遍，已经沉积在微粒过滤器12上的微粒也仅会 十分缓慢地被移除，提供计算单元Be，其将进入过滤器沉积负荷的计算的有 效微粒质量限制到仅稍为负的值m—soot_eff_lim 。
尽管以上变体和图示出了排气成分的质量流量，但也可使用排气的相应浓 度或体积流量。
可在发动机控制单元中实现该控制程序。或者也能够在例如常用于重型车 辆的"车辆控制计算机"的外部控制装置中实现控制程序。 本发明的方法适于柴油机以及火花点火发动机。
图8大体地示出了系统的构造。微粒过滤器103设置在内燃机101的排气 管102中。氧化催化转化器(这里未示出)可设置在微粒过滤器103前面。
发动机控制单元表示为CPU。根据发动机控制单元CPU确定的运行点， 排放模型105计算原排放，诸如NOx、 HC、 CO和微粒排放等。计算排气 中微粒质量或浓度的估计值的微粒排放模型EMP是排放模型105的一部分。 提供微粒过滤器模型PF-M用于模拟微粒过滤器103上微粒的沉积。如果需 要，排放模型105、 EMP模型和微粒过滤器模型PF-M可通过传感器106、 107 和修正步骤108、 109来加以修正。微粒过滤器模型PF-M确定沉积负荷状态 并将再生要求传递到再生控制单元110，该单元通过发动机控制单元CPU启 动微粒过滤器103的下一次再生过程。标号111表示描述车辆状态和驱动情 况的数据，这些数据被输入发动机控制单元CPU。排放模型105、微粒排放 模型EMP和/或微粒过滤器模型PF-M可包含在发动机控制单元CPU内。但 是也可以在分开的控制单元或例如常用于重型车辆的"车辆控制计算机"的 外部控制装置内实现至少一个模型。
图9示出了发动机控制单元CPU内控制算法的相关部分。 一种已知的微 粒排放模型EMP提供排气中微粒质量m_S00t或浓度的值。EMP模型可利用 诸如发动机速度n或扭矩M发动机的运行变量和/或位于排气管中的传感器 106、 107提供的数据。排气的体积流由n^表示。
控制算法还包括微粒过滤器模型PF-M，其模拟微粒过滤器103上微粒的 沉积。确定沉积微粒总质量的模型是本技术领域已知的。本发明的方法采用 由n个假想单元Zl、 Z2、…Zn组成的模型，n为值l或更多，且较佳为4至 8。如果单元Z1、 Z2、…Zn沿排气的流动方向对齐，即如果使用微粒过滤器103的一维模型，则是尤其有利的。
单元Z1、 Z2、 ...Zn可模拟具有不同长度的微粒过滤器103节段，但如果 每个单元ZK Z2、…Zn模拟具有一个相同长度的微粒过滤器103节段，则 计算会尤其简单。
从微粒过滤器模型PF-M的单元Zl、 Z2、 ...Zn的微粒分布推断出关于沉 积负荷状态的信息BZ，如下文更详细解释的那样。将关于沉积负荷状态的信 息BZ输入计算例程R一ANF，其从BZ且可能从其它数据确定再生微粒过滤 器103的请求ANF。从文献中可知，请求ANF可能表示为二进制(是/否) 请求或表示微粒过滤器再生的紧急性评估的数字沉积状态指标。
如本技术领域还己知的那样，请求ANF可以在其实际触发微粒过滤器103 的再生之前在进一步的计算例程(这里未示出)中再生与其它信息相结合。
图IO示出了微粒过滤器103的模型PF-M。在n个单元Zl、 Z2、 ... Zn 中的单元i中，沉积有微粒质量m_i，即第一单元Zl中m—1，第二单元Z2 中m—2等。计算微粒在单元Zl、 Z2.,.Zn上分布的简单算法在到达模型PF-M的每个单元Zl、 Z2、 ... Zn的入口处的微粒质量mj_ein分成两个分量 m—i_par禾t] mj一trans。这里m—i_par是平行于排气的流动方向112移动的微 粒部分，而m_i—trans表示横向于排气流的方向112移动并沉积在微粒过滤器 103壁上的部分。对于每个单元Z1、 Z2、 ...Zn，适用以下等式
m—i—ein = m—i—trans + m—i_par。
另一方面，平行与排气管移出单元Zi的微粒质量m—i_par等于到达单元 Zl、 Z2、 ...Zn中下一单元i+1的入口处的微粒质量。因此 m—(i+l)一ein = m—i_par。
到达第一单元Z1入口处的总微粒质量
m_l—ein = m一soot。
此外，可以假设壁流微粒过滤器将几乎完全将微粒从排气中移除，即在最
后单元的出口处不再有平行与流动方向传送的微粒
m—n_par 0 。
通过将横向分量mj一trans对时间积分而得到沉积在每个单元Zl、 Z2、... Zn内的质量m_i。
有利的是由因子f_i描述了将m—i—ein分成两个分量m_i_par和m_i—trans 的划分，该因子对各单元不同<formula>formula see original document page 19</formula>
既然如上所述，在微粒过滤器末端不再流出微粒，则具有以下关系市
<formula>formula see original document page 19</formula>
从文献中可知，过滤器壁上的微粒沉积随着流动通过壁的局部速度 v—i_trans而增加。因此通过v—i_trans的二次表达式计算因子f一i是有利的 1 — f_i = f + g* v_i_trans + h*(v—i—trans)2 。
通过文献中已知的方法，可从微粒过滤器前排气流速和从抵抗流动通过每 个单元的壁的阻力得到速度v—i一trans，该阻力又取决于己经沉积在单元Zi的 微粒质量m一i。
应当理解也可以有更复杂的关系，但是为了清楚起见，在此不再详细讨论。
根据由每个单元Zi内沉积的微粒质量m_i表征的微粒过滤器103的沉积 负荷状态，计算例程R-ANF现可输出再生微粒过滤器103的请求。
在根据本发明方法的改进中，沉积在每个单元Zi内的微粒质量m—i被除 以微粒过滤器103分配到单元Zi的体积，以得到每个单元Zi的微粒负荷B—i。 如果单元Zi的微粒负荷超出临界值B—max,则请求再生。临界值B—max取 决于微粒过滤器103的材料和微粒过滤器装入排气管102的方式。对于由碳 化硅(SiC)制成的微粒过滤器103，最大负荷在2g/l至12g/l之间，较佳的 是在8g/l至10g/l之间是有利的。
在另一有利变体中，与B—max的对比不是用单个单元的负荷Bj进行的， 而是与多个单元、例如两个或三个单元的平均负荷进行的。
在另一变体中，对微粒过滤器103的不同部分采用不同的微粒负荷临界值 B一max。这里，如果临界值在微粒过滤器103的前部比在后部的值低，则是 尤为有利的，这是因为在微粒过滤器103的前部中其极度高负荷可能迅速地 引起微粒过滤器103的堵塞。
如果再生请求ANF不表示为二进制(是/否)值而是表示为微粒过滤器的 再生紧急性评估的数字沉积状态指标，则如果沉积状态指标取决于微粒过滤 器103中负荷Bj超过临界值B—max的单元Zi数量是有利的。
在该情况下，如果有第一临界值B一max—1和第二临界值B_max—2，较佳的是B—max一2大于B_max—1 ，则更加有利。在根据本发明的改进版本中， 沉积状态指标取决于其负荷B_i超过第一临界值B—max一l的单元的数量且其 负荷B_i也超过第二临界值B一max一2的单元的数量，其负荷B_i超过第一临 界值B—max一2的单元的数量比其负荷超过第一临界值B—max_l的单元Zi的 数量对沉积状态指标的影响更大。
此外，将微粒分为可燃的(炭烟)和不可燃的(灰)并分别计算可燃和不 可燃微粒在每个单元Zi上的负荷是有利的。
如果一个单元或平均数量的单元Zi上可燃微粒的负荷超过可燃微粒临界 值B—brennbar—max就请求再生微粒过滤器103也是有利的。
图11示出了本发明的另一有利变体。这里允许排气流中存在的氧化氮(NOx) 可相当大地降低微粒过滤器103中的微粒沉积(所谓的CRT效应)，尤其是 微粒过滤器103的温度很高和/或过滤器具有催化剂涂层时。
由于该原因，提出除了微粒排放模型EMP之外还采用描述氧化氮排放的 进一步的模型EMNOx。这种模型提供排气流中氧化氮的质量或浓度值 m—NOx，该值可从例如具有发动机速度n、扭矩M或类似运行参数作为独立 变量的特性图得到。
此外还提供NOx-影响模型(NOx-MOD)，其考虑了氧化氮对沉积在微粒 过滤器103上微粒质量的影响。根据从微粒排放模型EMP得到的微粒质量 m—soot、从NOx排放模型EMNOx得到的氧化氮质量m—NOx、以及微粒过 滤器的温度T一PF，该模型确定了有效的微粒质量m—Soot_eff，其由于根据温 度的氧化氮的影响而减少并沉积在微粒过滤器103上。
由于NOx对微粒的氧化取决于微粒过滤器103的温度，所以考虑了温度 T一PF。温度低于约200。C， NOx不会进行氧化。
在简单实施例中，在模型NOx-MOD中，氧化氮的质量m—Nox被乘以因 子fJTemp，该因子取决于微粒过滤器的温度T—PF;从微粒质量m—soot中减 去该乘积，且相减的结果在下限限制到仅稍为负的值，得出最终的有效微粒 质量m_soot_eff。因子f—Temp在低温时是零且在高温下为定值，其考虑了氧 化氮和炭烟的不同(平均)分子量。
在图12中示出了负荷发生后沿流动方向相对于微粒过滤器内的位置的微 粒质量分布。曲线A是微粒的测得质量mp，曲线B是从沉积模型得到的微 粒过滤器内的微粒质量mp，微粒过滤器103已被分隔成四个单元。图13中示出了单元Zl、 Z2、 Z3、 Z4内微粒的累积质量mp。 A是测得的质量且 B是从沉积模型得到的质量。发现测得和计算值之间很一致。
已经用排气成分的质量流量解释了本发明的方法。也可使用排气的相应浓 度或体积流量来替代质量流量。
权利要求
1.用于确定内燃机排气流中微粒排放的方法，包括以下步骤-根据所述发动机的运行特性图来准备排放模型；-在固定或可变的测量区间内测量排气流中的实际微粒排放并在所述测量区间内对微粒排放进行积分；-通过所述排放模型计算所述测量区间内的理想微粒排放并在所述测量区间内对理想微粒排放进行积分；-比较测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放；-根据测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放的差来确定修正因子；-在从所述排放模型确定理想微粒排放时考虑所述修正因子。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述内燃机的所有运行点选 择统一的修正因子。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，对不同的运行区域选择不同的 修正因子。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据修正特性图来确定不同的 修正因子。
5. 如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，考虑所述内燃机运行点的 频率分布来确定不同的修正因子。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，新的修正因子f—K 从先前的修正因子f_K—alt和实际测得的与计算的理想微粒排放之间的比 soot—ratio、使用公式f—K = fl*f_K—alt + (l-fl)/soot—ratio来计算，在所述公式 中，系数fl的值在0至1之间，且较佳的是在0.85至0.95之间。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，仅在其值在似真 性区间内时进行所述修正。
8. 用于确定沉积在位于内燃机的排气管中的微粒过滤器内的微粒负荷的 方法，包括以下步骤-较佳的是根据运行特性图来准备微粒的排放模型； -准备至少一个、较佳的是基于特性图的氧化氮排放模型；-准备较佳的是取决于温度的炭烟微粒被氧化氮氧化的模型； -用所述微粒排放模型确定至少一个运行点的理论微粒质量和/或微粒浓度；-用所述氧化氮排放模型确定至少一个运行点的氧化氮的质量和/或浓度；-用所述炭烟微粒被氧化氮氧化的模型确定对于前述步骤中所确定的氧化 氮质量和/或浓度的负的等效微粒质量和/或浓度；-用所述微粒的排放模型和所述负的等效微粒质量和/或浓度确定有效微粒 质量和/或浓度；以及-在所述微粒过滤器模型中累计所述有效微粒质量和/或浓度。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，准备了用于NO和N02的分开 的基于特性图的排放模型，且对于至少一个运行点确定NO和N02排放，且 根据NO和N02排放确定有效微粒质量和/或浓度。
10. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在至少一点测量所述微 粒过滤器的温度且根据所述微粒过滤器的温度确定所述负的等效微粒质量和/ 或负的等效微粒浓度，所述微粒过滤器的温度较佳的是通过测量所述微粒过 滤器较佳的是上游的排气温度来确定。
11. 如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述 有效微粒质量，考虑了所述排气管内的氧化氮会更多地氧化存在于排气中的 炭烟微粒而不是已经沉积在所述微粒过滤器内的炭烟微粒。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述有效微粒质量的值受到 下限限制。
13. 用于借助于较佳的是基于特性图的计算模型来控制排气处理装置、尤 其是微粒过滤器再生的方法，特性图其中所述排气处理装置被分成至少两个 单元且较佳的是至少五个单元，且其中每个单元的沉积负荷状态通过沉积模 型来确定，且所述排气处理装置的再生过程根据所述沉积负荷状态而启动， 其特征在于，确定沉积状态指标，该指标根据至少一个单元的沉积负荷状态， 且所述再生过程根据所述沉积状态指标的值而启动。
14. 用于借助于较佳的是基于特性图的计算模型来控制排气处理装置、尤 其是微粒过滤器再生的方法，特性图其中所述排气处理装置被分成至少两个 单元且较佳的是至少五个单元，且其中每个单元的沉积负荷状态通过沉积模 型来确定，且所述排气处理装置的再生过程根据所述沉积负荷状态而启动，其特征在于，对每个单元限定最大允许沉积负荷状态的至少一个临界值，且 再生在至少一个单元的所述沉积负荷状态超过相应临界值时启动所述排气处 理装置的再生过程。
15. 如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在流动方向一个接一 个地限定至少两个单元。
16. 如权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述各单元 限定成至少大约相同的尺寸。
17. 如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，对每个单元 限定用于最大允许沉积负荷状态的至少一个临界值。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，至少两个单元的临界值限定 成具有不同的值，且将上游单元的临界值限定得小于下游单元的临界值。
19. 如权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个 单元的沉积负荷状态超过相应临界值时启动再生过程。
20. 如权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，在多个单元 的沉积负荷状态平均值超过相应临界值时启动再生过程。
21. 如权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，根据至少一 个单元的沉积负荷状态确定沉积状态指标，并根据该沉积状态指标启动再生 过程。
22. 如权利要求13或20所述的方法，其特征在于，至少对于一组单元各 限定两个临界值，较佳的是第一和第二临界值，并根据超过所述临界值的频 率来确定沉积状态指标，超过较高的临界值较佳的是比超过较低临界值对沉 积状态指标的影响要大。
23. 如权利要求13至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述排气处理装置的微粒负荷分成可燃和不可燃微粒，且对可燃和不可燃微粒分开地确 定每个单元的沉积负荷。
24. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，仅在一个或多个单元由于可 燃微粒的沉积负载超过用于可燃微粒的临界值时才启动排气处理装置的再 生。
25. 如权利要求13至24中任一项所述的方法，其特征在于，每个单元的 沉积负荷状态根据存在于排气流中的氧化氮和/或根据排气处理装置的温度来 确定。
26.如权利要求13至25所述的方法，其特征在于，所述沉积模型将进入每个单元的微粒质量分成沉积在所述单元内的部分和流出所述单元的部分。
全文摘要
确定进入设置在内燃机排气流中的微粒过滤器中微粒的方法，其能够通过考虑微粒和氧化氮排放来确定沉积微粒的质量。该包括以下步骤根据所述发动机的运行特性图来准备排放模型；在固定或可变的测量区间内测量排气流中的实际微粒排放并在所述测量区间内对微粒排放进行积分；通过所述排放模型计算所述测量区间内的理想微粒排放并在所述测量区间内对理想微粒排放进行积分；比较测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放；根据测得的实际微粒排放和计算得的理想微粒排放的差来确定修正因子；在从所述排放模型确定理想微粒排放时考虑所述修正因子。
文档编号F02D41/02GK101652552SQ200580040283
公开日2010年2月17日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年11月25日
发明者H·胡尔瑟, M·科睿克勒 申请人:Avl里斯脱有限公司