为了去除氨传感器而借助软件算法的动态的氨过量探测
阅读说明：本技术 为了去除氨传感器而借助软件算法的动态的氨过量探测 (Dynamic ammonia excess detection by means of software algorithms for removing ammonia sensors ) 是由 V·斯米特斯 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种内燃机,其包括废气后处理系统,其沿废气的流动方向以如下次序具有：用于将氨和/或易分解成氨的化合物作为还原剂计量到要净化的废气中的装置；一个或多个形成第一SCR单元的SCR催化器；一个或多个SCR催化器和/或至少一个氨氧化催化器和/或至少一个氨逃逸催化器(ASC),它们形成第二SCR单元；以及用于确定在废气末端管中的氮氧化物(NOx)的浓度的氮氧化物传感器(NOx传感器)；其中,在借助在废气末端管中的借助NOx传感器确定的氮氧化物浓度的情况下调节要计量到废气中的氨的量和/或易分解成氨的化合物的量,其特征在于,由NOx传感器的传感器信号借助对所述传感器信号的评估可以确定在NOx传感器的区域中的氨过量的出现或未出现。(The invention relates to an internal combustion engine comprising an exhaust gas aftertreatment system having, in the flow direction of the exhaust gas, in the following order: means for metering ammonia and/or compounds which readily decompose into ammonia as reducing agents into the exhaust gas to be purified; one or more SCR catalysts forming a first SCR unit; one or more SCR catalysts and/or at least one ammonia oxidation catalyst and/or at least one Ammonia Slip Catalyst (ASC) forming a second SCR unit; and a nitrogen oxide sensor (NOx sensor) for determining the concentration of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas end pipe; wherein the amount of ammonia to be metered into the exhaust gas and/or the amount of compounds which are readily decomposed into ammonia are adjusted with the aid of the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas end pipe determined with the aid of a NOx sensor, characterized in that the presence or absence of an excess of ammonia in the region of the NOx sensor can be determined from the sensor signal of the NOx sensor by means of an evaluation of said sensor signal.)
技术领域
为了遵守适用于所谓非道路柴油机的欧洲、美国和中国排放法规，以废气净化系统装备柴油机是不可避免的。典型的废气净化系统除了用于一氧化碳和碳氢化合物的氧化去除的柴油氧化催化器和必要时在流出侧相对于此设置的柴油颗粒过滤器之外还包含氮氧化物还原单元。对于在商用车和非道路领域中的柴油机废气的氮氧化物还原，典型的是用于在使用所谓的SCR催化器(SCR：选择性催化还原)的情况下选择性催化还原氮氧化物的单元和用于将氨或易分解成氨的化合物作为还原剂计量到要净化的废气流中的装置。优选的还原剂是含水的尿素溶液或氨基甲酸铵溶液、特别优选尿素溶液。这样的SCR单元典型地相对于上游的柴油氧化催化器(DOC)和/或柴油颗粒过滤器(DPF)在流出侧设置。
背景技术
为了满足EU等级IV或者说Tier4f的排放标准，主要使用按照EP-B 1 054 722的系统或没有柴油颗粒过滤器(仅DOC+SCR)的系统。尤其是在最后提到的“开放的”系统中，必须在所有运行点中即使在较长运行时间之后也实现最大的SCR效率，因为在发动机(为了所述发动机的废气净化而使用没有柴油颗粒过滤器的系统)中的燃烧过程这样协调，使得总是出现尽可能少的颗粒排放。这造成显著提高的NOx未处理排放，从而在系统的整个运行时间的90％之上要求在SCR单元中的氮氧化物转换，以便达到法律上的排放界限值。
SCR系统的效率除了在SCR催化器上的温度和质量流之外通过在SCR催化器上游的NO2/NOx比例并且通过计量的还原剂的量确定。NO2/NOx比例通过上游的废气净化成套设备DOC和/或DPF调节，其中优选达到0.2至0.7、特别优选0.4至0.6的值。
还原剂的计量不足(例如[alpha]＝0.8，其中利用[alpha]表示在SCR催化器上游的要净化的废气中的NH3与NOx的摩尔比)导致根据还原剂可用性对理论上可能的氮氧化物转化率的限定(对于[alpha]＝0.8，亦即最大80％的氮氧化物转化率)。通过还原剂的过度计量([alpha]>1)，可以经由SCR催化器取得热力学可能的最大的氮氧化物转化率，所述氮氧化物转化率只还通过在相应运行条件(在SCR上游的废气质量流量、温度、NO2/NOx)下催化器的材料特性确定。
然而还原剂的过度计量会导致通过SCR催化器的氨缺口。因为氨按照EU危险物质标志是有毒的并且危害环境的气体，所以残余排放必须一定要避免。
按照现有技术的系统典型地模型支持地调节还原剂计量，即，在发动机控制器中存储的软件基于在未处理排放中的NOx含量和SCR催化器的之前实验确定的效率在每个可设想的运行点中计算还原剂的当量需求并且与此对应地控制要计量的尿素溶液的量(所谓的“预调量”)。该预调由于如下变得困难，即，尤其是SCR催化器基于利用过渡金属替换的沸石而具有显著的氨存储能力。可以加入催化器中的氨的量依赖于催化器的运行温度和老化状态。与此对应按照运行点，计量的还原剂量的一部分用于填充在催化器中的氨存储器。通过存储器，可以尤其是在动态运行中通过利用从存储器解吸的氨还原在废气中包含的氮氧化物而补偿短时出现的计量不足。所述氨存储器然后必须通过还原剂过度计量而再次填充。
催化器的该存储特性使预调模型的优化适配变得困难，因为在SCR催化器中的化学物理过程在其复杂性方面在数学上说难以描述。还原剂计量的模型支持的调节因此具有缺点：尤其是在发动机的瞬时运行中，SCR催化器的最大效率不是在所有运行点中没有氨缺口地得以确保。
由现有技术已知SCR系统，在其中，SCR催化器下游的氨缺口借助氨传感器识别。
WO 2010/062566公开氨传感器的构造和工作原理。
DE 10 2006 051 790公开用于净化内燃机废气的废气后处理系统，其沿废气的流动方向以以下次序具有第一氧化催化器、用于将燃料引入废气系中的装置、第二氧化催化器、柴油颗粒过滤器、用于注射在氮氧化物还原方面有效的还原剂的装置、SCR催化器和必要时具有氧化催化有效性的(氨)锁定催化器。相对于SCR催化器在下游可以设置用于改善还原剂添加的调节或用于诊断目的的氨传感器。
EP-A 2 317 091公开一种废气净化系统，其沿废气的流动方向以以下次序具有氧化催化器、包括用于尿素溶液的计量装置的废气管和SCR催化器。在SCR催化器中集成温度传感器。相对于SCR催化器在流出侧设置用于探测在SCR催化器下游的废气中的氨浓度的氨传感器。相对于氨传感器在流出侧可以设置氨氧化催化器。在EP-A 2 317 091中公开的系统中，待计量的尿素溶液量(预调量)依赖于发动机转速和转矩而确定和计量。同时由在计量开始和开始氨逃逸之间的时间延迟计算SCR催化器的氨存储容量。如果通过在SCR催化器下游的氨传感器显示氨逃逸，则实际上要计量的量的尿素溶液相对于预调量减少。如果SCR催化器的氨存储容量的计算产生的值小于在控制软件中存储的参考值，则尿素溶液的实际上要计量的量相对于预调量提高。
EP-A 2 317 090公开一种用于运行SCR系统的方法，其中当氨基于运行条件可预期通过SCR催化器的缺口时，进行计量的还原剂量的预备撤回。运行条件的这样的改变特别是具有废气质量流量的改变和/或废气温度的升高。EP-A 2 317 090此外公开一种用于借助在两个SCR催化器之间设置的氨传感器来识别氨逃逸危险的方法。如果在第一流入侧的SCR催化器下游超过预先确定的氨逃逸，则断开还原剂计量。
DE 10 2008 043 141公开一种用于柴油内燃机的废气净化系统，其沿废气的流动方向以以下次序具有柴油氧化催化器、用于计量到废气系中的氨的装置、SCR催化器、用于探测在废气中的氮氧化物的NOx传感器、氨氧化催化器、用于计量在废气系中的水的装置和氨传感器。如果在氨氧化催化器下游借助氨传感器探测到废气中超过预先确定的值的氨浓度，则在氨氧化催化器的流出侧，将水计量到废气系中，以便“捕获”在废气末端管上存在的氨并且因此避免氨排出到大气中。
US 2009/0272099和US 2010/0242440公开废气后处理系统，其沿废气流动方向以以下次序具有氧化催化器、柴油颗粒过滤器、用于计量还原剂、例如氨或尿素溶液的装置、SCR催化器和氨氧化催化器。氨传感器可以相对于氨氧化催化器在流出侧、相对于SCR在流入侧和/或相对于氨氧化催化器在流入侧设置。这通过用于检测相对于柴油氧化催化器在流入侧、相对于SCR在流出侧和/或相对于氨氧化催化器在流出侧的废气中的氮氧化物含量的NOx传感器补充。借助该传感器信号这样适配实际的还原剂计量率，使得纠正通过在预调模型中的误差或不一致(例如建模误差、由于催化器老化或传感器老化而在实际效率中的偏差、在还原剂浓度中的偏差、喷射延迟)出现的次优的还原剂计量量。
WO 2011/139971公开一种用于运行SCR系统的方法，所述SCR系统具有两个沿废气流动方向依次设置的SCR催化器以及在两个SCR催化器之间的氨传感器和相对于沿流动方向下游的第二SCR催化器在流出侧的NOx传感器。所述方法的特征在于，用于废气中的在两个SCR催化器之间主导的氨浓度的借助氨传感器确定的预定值依赖于借助NOx传感器确定的在第二SCR催化器下游的废气中的NOx浓度改变或适配。
发明内容
本发明的任务是，提供用于借助选择性催化还原来还原来自柴油机废气的氮氧化物的方法，其通过氨和/或易分解成氨的化合物作为还原剂的最大可能提供来确保SCR催化器的理论可能的效率最大利用，其中，系统地避免通过SCR系统的氨缺口并且同时其突出之处在于尽可能小的应用花费和日剂量花费。
所述任务通过用于借助废气后处理系统还原来自柴油机废气的氮氧化物的方法解决，所述废气后处理系统沿废气流动方向以以下次序具有：
-用于将氨和/或易分解成氨的化合物作为还原剂计量到要净化的废气中的装置，
-形成第一SCR单元的一个或多个SCR催化器，
-形成第二SCR单元的一个或多个SCR催化器和/或氨氧化催化器，
-以及用于确定在废气末端管中的氮氧化物(NOx)浓度的氮氧化物传感器(NOx传感器)。
附图说明
借助附图示例性地解释本发明。示出：
图1示意性示出用于实施按照本发明方法的废气后处理系统的构造以及SCR调节的概观；
图2示出用于以过化学当量计量的NRTC的氨过量探测的比较；
图3示出用于以过化学当量计量的“单位行驶周期”的氨过量探测的比较。
具体实施方式
废气净化系统的构件在大多情况中形成选择性催化还原(SCR)。SCR废气后处理用于还原氮氧化物。还原通过尿素溶液(例如柴油机尾气处理液Adblue或尿素/DEF)的计量取得，所述尿素溶液之后反应成氨(NH3)。
在SCR催化器中，废气的氮氧化物与氨在最佳效率时主要反应成氮和水。SCR系统的效率除了依赖于温度、质量流和NO2/NOx比例也强烈依赖于计量的尿素量。在计量不足(λ<1)时，SCR催化器不能转换氮氧化物，这导致较高的氮氧化物排放。在还原剂的过度计量(λ>1)时当然出现氨过量，所述氨过量从催化器中排出。基于氨的有毒并且对环境有害的特性，氨喷出的量也被规定并且一定要避免。氨过量的部分虽然可以通过使用氨逃逸催化器(ASC)再次转变为一氧化氮(NO)，然而转换率不总是足以将氨过量完整地转变为一氧化氮。为了探测在ASC下游的其余保持的氨过量，至今的解决方案是，安装Delphi公司的NH3传感器(参见图1)。通过监控在ASC下游的氨过量，可以最佳地利用SCR系统关于计量量的效率，而没有过量的氨过量的危险，因为在基于通过SCR调节的过度计量对氨探测的情况中，使用传感器值来校正SCR调节的调整参数。
新的解决方案是借助软件算法对氨过量的识别。新的解决方法相对于以前的解决方案的优点是节省NH3传感器的购买和装配费用以及如下可能性，即，通过在SCR下游的过量的氨同样识别一氧化氮形成。
软件算法基于例如大陆(Continental)公司的氮氧化物传感器的分析来识别氨过量，所述氮氧化物传感器安装在SCR催化器下游。所述分析利用氮氧化物传感器关于氨的横向灵敏度并且通过快速傅立叶变换(FFT，Radix-2 Decimation Time、即基二时域抽取FFT)和通过标准化来确定标准化幅值谱。快速傅立叶变换(英语：fast Fourier transform，因此通常简称为FFT)是用于离散的傅立叶变换(DFT)的高效计算的算法。利用其，可以将数字信号分解成频率份额并且然后对所述频率份额分析。
类似地，对于离散反傅立叶变换给出反快速傅立叶变换(IFFT)。在IFFT中出现相同的算法，但使用共轭系数。
FFT具有在工程科学、自然科学和应用数学的领域中的大量应用。此外其在移动无线电技术如UMTS和LTE中并且在无线数据传输中使用，例如在WLAN无线电网络技术中。Cooley和Tukey(Radix 2)的算法是传统的部分和核心方法。其应用的前提是，控制点或扫描点的数量是2的幂。然而因为这样的点的数量在测量方法的范围中通常可以自由地选择，所以在此不涉及加重的限制。
所述算法基于如下观察，即，量值2n的DFT的计算可分解成两个量值n的DFT的计算(通过具有偶数或奇数索引的记录的矢量)，其中两个部分结果在变换之后再次组合成量值2n的傅立叶变换。
因为一半长度的DFT的计算只需要原始DFT的复杂乘法和加法的四分之一，并且按照输出矢量的长度，该规则可多次相继地使用，所以该基本思想的递归的应用最后允许实时的计算；在数学和信息学中使用兰道记号，以便说明函数和序列的渐近特性。在信息学中，其在算法分析中使用并且依赖于输入变量的量值给出用于基本步骤或存储单元的数量的程度。复杂性理论对其使用，以便如下比较不同的问题，即，其多“困难”或耗费地可解决。人说，“困难的问题”随Instanz成指数或较快速地增长并且对于“容易的问题”存在算法，所述算法的运行时间增加能够通过多项式的增长而限制。人称其(非)多项式可解。为了节省三角计算操作，可以在FFT中附加地利用来自傅里叶矩阵的单位根的特性。在这里使用的数值范围处于区间[0，1]中。所述区间[0，1]涉及幅值谱的以后的标准化。对于标准化幅值谱随后确定商数，所述商数确定高频和低频份额之间的比。这对于两个频率范围借助辛卜生法则以在标准化幅值谱上的积分形式发生。辛卜生法则或辛卜生公式(按照ThomasSimpson)、有时也称为开普勒桶规则(按照Johannes Kepler)是数值积分的方法，在其中计算函数f(x)在区间[a，b]中的积分近似，其方式为将难以积分的函数f(x)通过精确可积分的抛物线P(x)近似。
抛物线P(x)作为插值多项式通过在位置a，b，m＝(a+b)/2上的函数值放置。然后通过对抛物线的积分来近似所述积分。辛卜生法则借此是所谓的封闭的牛顿柯特斯公式。对于的近似S(f)然后产生：
当商数qint处于确定的阈值之上，则软件算法示出氨过量。
此外通过高通滤波连同在SCR催化器上游的氮氧化物传感器的氮氧化物信号的随后的绝对值形成和取平均值而实现动态识别。利用来自动态识别的值，一方面释放通过快速傅立叶变换的分析并且另一方面适配与商数qint比较的阈值的值。
所述适配根据在SCR催化器上游的氮氧化物信号的当前动态通过逐段线性插值进行。用于分成两个频率范围(低频和高频份额)的参数、用于释放FFT分析的阈值qdyn以及用于适配用于与商数qint比较的阈值的参数利用遗传算法(GA)借助典型的客户周期来优化。遗传算法(GA)属于进化算法(EA)的类别。EA是启发式的搜索算法，其基于进化的进化论原理(变化、复制和选择)并且在技术层面上模仿该原理，以便重复地解决优化问题。
为此从一定数量的个体来构造或初始化群体。每个个体代表一个可能的解决方案。接着按照质量函数来确定每个个体的适用性亦或进化的适应性。如果达到中断准则，则停止所述算法。中断准则的示例是达到质量函数的目标值或所述算法的迭代数量。如果不满足中断准则，则构建用于下一个迭代的新群体，其在进化关系中也称为代。
在这里现在发生与进化的进化论原理的类比的主要部分。从存在的群体中选择用于新群体的具有最好适应性的个体并且用于重组。所述重组在此利用选择的也称为“父母”的个体的组成部分(基因)用于产生新的个体。新的个体在进化算法的关系中也称为后代或小孩。为了构建新的群体，此外所述个体可以在重组之后也随后还突变。所述突变例如可以这样进行，使得选择随机的个体并且这些个体的各个基因再次改变。现在确定并且随后选择新个体的适应性，所述个体关于其进化的适应性参与下一代。在产生新的群体之后，再次检查中断准则并且以所述算法继续，直至满足中断准则。
接着再次简短概括基本的过程：
1.初始化群体
2.评价群体
3.检查中断准则：
满足→停止算法
不满足→进入下一个步骤
4.构建用于下一代的新群体
选择用于重组的候选人
重组
突变
评价新的个体
选择以便确定用于下一代的新群体
5.进入步骤3
用于优化NH3探测的适配函数由在虚拟的NH3传感器的探测与在试验台上测量的氨的比较之间的协调一致的总和产生。换句话说，如果在评估的测量窗口内的NH3平均在10ppm之上，则所述参考示出逻辑1并且否则示出0。NH3传感器的虚拟的参数化现在因此由GA设计，使得其尽可能经常地与参考协调一致。
两个接着的图(图2和图3)一方面示出“单位行驶周期”，其包括5个客户周期，并且另一方面示出非道路瞬态循环(英语：Non-road Transient Cycle、NRTC)。对于两个图，软件解决方案的探测结果与Delphi公司的氨传感器的探测结果分别在图的最下面的图表中比较。在此当所述传感器平均在100s上测量出10ppm的氨值时，则传感器示出氨过量。
在这里示出的NRTC以λ＝2.6的过化学当量计量进行。软件解决方案的探测以大的程度与传感器的探测协调一致并且识别所有氨过量情况和所有如下情况，在这些情况中，平均不存在多于10ppm的氨过量。在“单位行驶周期”的开始，已选择对于λ＝2的规定，以便模拟强烈的过度计量。所述计量接着逐步返回到λ＝1。这在图3中在所述周期从3000s的第二部分中可看出。不仅传感器而且软件算法识别强烈的过度计量和化学当量计量的区域。
概括地能够说，软件解决方案关于是否存在氨过量的定性报告提供如NH3传感器的类似结果并且因此适合应用于在用于识别氨过量的SCR催化器的总调节策略中。
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