用于确定催化器状态的方法和计算单元与流程

1.本发明涉及一种用于确定催化器状态的方法，以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序。


背景技术：

2.现代的机动车经常装备有用于后处理内燃机的废气的催化器。在很多情况下，这些催化器被监测和/或被调节。
3.在汽油机中的空气燃料混合物未完全地燃烧的情况下，除了氮气（n2）、二氧化碳（co2）和水（h2o）之外还排出大量的燃烧产物，在它们中碳氢化合物（hc）、一氧化碳（co）和氮氧化物（no
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）在法律上被限制。根据当今的现有技术，仅仅能够利用催化的废气后处理来保持对于机动车的有效的废气限值。通过例如使用三元催化器能够转化所提到的有害物质组分。
4.在三元催化器的情况下，对于hc、co和no
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同时高的转化率仅仅能够在围绕化学计量的运行点（λ=1）的有限的λ范围中、即所谓的“催化器窗口”或者“转化窗口”中实现。
5.为了在转化窗口中运行所述三元催化器，在当今的马达控制系统中通常应用λ调节，所述λ调节基于布置在所述三元催化器前面和后面的λ探测器的信号。为了调节空气系数λ，在所述三元催化器前面的废气的氧气含量利用布置在那里的在入口侧的λ探测器来测量，所述空气系数是用于内燃机的燃料/空气比例的组成的参量。根据该测量值，所述调节例如修正以基值的形式由预控制功能预先给定的燃料量或者喷射持续时间。
6.在预控制的框架下，根据例如内燃机的转速和负荷来预先给定有待喷射的燃料量的基值。对于更精确的调节，在所述三元催化器的下游的废气的氧气浓度能够额外地利用另一λ探测器来检测。在出口侧的该λ探测器的信号能够被用于引导调节，所述引导调节与在所述三元催化器前面的基于在入口侧的λ探测器的信号的λ调节重叠。通常使用阶跃式λ探测器作为布置在所述三元催化器后面的λ探测器，所述阶跃式λ探测器在λ=1的情况下能够拥有非常陡峭的特性曲线，并且因此能够非常精确地指示出λ=1。
7.引导调节一般而言仅仅调整λ=1的较小的偏差并且被设计地相对较慢，除了引导调节外，能够根据λ=1的较大的偏差以λ预控制的形式为此设置另外的功能，以使得重新快速地达到转化窗口，这例如在带有滑行运行断开的阶段之后是重要的，在所述阶段中所述三元催化器被加载有氧气。加载有氧气对no
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转化产生不好的影响。
8.由于所述三元催化器的氧气存储能力，在所述三元催化器前面设定浓的或者稀的λ之后，在所述三元催化器后面在几秒的范围内仍然能够存在λ=1。利用所述三元催化器的暂时地存储氧气的这样的特性，以便补偿在所述三元催化器前面的λ=1的短时间的偏差。如果在所述三元催化器前面在更长的时间范围内存在λ不等于1，则一旦氧气填充水平在λ>1的情况下超过氧气存储能力（氧气过量），或者一旦在λ<1的情况下在所述三元催化器中不再存储氧气，则在所述三元催化器后面也设定相同的λ。
9.而后在该时间点，在所述三元催化器后面的阶跃式λ探测器也指示出转化窗口的
离开。然而在该时间点之前，在所述三元催化器后面的λ探测器的信号没有指明即将来临的喷发（durchbruch），并且因此基于该信号的引导调节经常反应地如此迟，以使得燃料配量不再能够及时地在喷发之前做出反应。作为结果，出现了提高的排放。因此，该调节方案具有下述缺点：借助于在所述三元催化器后面的阶跃式λ探测器的电压，所述调节方案较迟地才识别出转化窗口的离开。
10.由de 10 2016 222 418 a1已知一种基于模型的调节方案，在所述调节方案中，沿废气的流动方向在催化器的前面和后面分别布置λ传感器，并且催化器模型被用于在计算方面确定λ值，所述λ值在催化器后面被测量。如果实际地所测量的λ值与所计算的λ值不同，则适配所述催化器模型。特别地在此，所述催化器的在一种或者多种废气组分处的、尤其在氧气处的填充水平被模型化。
11.随着增加地老化，所述催化器能够比在新状态中更差地转化所述废气。因此，通常在法律上规定在行驶运行期间通过马达控制核查排气装备（车载诊断）。在此，催化器诊断具有下述任务：识别出并且通过控制灯（mil）指示出转化能力的不允许地剧烈的下降，所述下降导致了排放的不允许的提高。
12.一种用于所述催化器的主动的诊断的可行方案在于：确定所述催化器的氧气存储能力（osc），并且在过低的氧气存储能力时激活控制灯。这基于：随着下降的氧气存储能力，按照经验，所述催化器的转化能力也下降。在这种主动的诊断方法中，所述催化器例如首先通过浓的空气燃料混合物去除氧气。随后，通过稀的空气燃料混合物将氧气带入到催化器中，并且所述被带入的氧气量长时间地被积分，直到在所述催化器后面λ探测器指示出稀的混合物。所述被积分的氧气量对应于所述催化器的氧气存储能力。有必要时多次地重复所述方法，以便获得可靠的诊断结果。


技术实现要素：

13.在这样的背景下，按照本发明提出了一种带有独立权利要求的特征的用于确定催化器状态的方法以及用于执行所述方法的计算单元和计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求的以及以下说明的主题。
14.按照本发明的方法旨在一种自适应的催化器模型。在此，例如能够设置一种催化器模型，所述催化器模型实现多级的适应，利用所述适应，测量参量或者模型参量的不确定性和路段模型的不确定性被补偿，所述测量参量或者模型参量被包括到模型所基于的路段模型中。
15.这样的多级的适应例如组合了小的偏差的连续地工作的非常精确的适应和大的偏差的不连续的快速的修正。
16.在此，所述连续的适应和不连续的修正能够基于来自传感器的、尤其在催化器的下游的废气流中的和由此布置在出口侧的λ探测器的不同的信号范围的信号值，但是其中从该信号值中推导出两个根本不同的信息。这样的模型允许在废气组成方面和在催化器的填充水平方面考虑来自不同的信号范围的信号值的不同的效力。
17.此外，能够设置多个信号值范围，在所述信号值范围中连续的适应单独地、不连续的修正单独地或者两个一起是激活的。
18.在不连续的修正的情况下，例如当在出口侧的λ探测器的电压指示出在所述催化
器后面的浓的或者稀的废气喷发和因此过低的或者过高的实际的氧气填充水平时，才根据实际的填充水平修正模型化的填充水平。该修正不连续地进行，以便能够评估在所述催化器后面的λ探测器的电压的反应。因为该反应由于路段死时间和催化器的存储特性而进行延迟，所以能够尤其设置自适应的催化器模型，当布置在催化器的下游的λ探测器的信号的λ值允许推断出所述催化器的实际的氧气填充水平时，首先一次地执行修正。
19.在所提到的连续的适应的情况下，例如在所述催化器后面的阶跃式λ探测器的λ信号与在所述催化器后面的模型化的λ信号比较。从该比较能够推导出在所述催化器前面的λ值与在所述催化器后面的λ值之间的λ偏移。利用所述λ偏移修正例如通过预控制所构成的λ目标值。
20.原则上，所述催化器的填充水平的基于模型的调节拥有下述优点：能够比在引导调节的情况下更早地识别出催化器窗口的即将来临的离开，所述引导调节基于布置在催化器的下游的废气探测器的信号。由此，能够通过提前地和有针对性地修正空气燃料混合物来反作用于所述催化器窗口的离开。
21.本发明利用这样的事实：随着催化器的增加的老化，其氧气存储能力和/或转化能力下降，并且因此自适应的催化器模型必须越来越剧烈地或者频繁地被适应。出于增加的适应需求即能够推断出所述催化器的老化，并且更确切地说不仅在存储能力下降的情况下，也在其不是这种情况的情况下。特别地，在后者的情况下，催化器诊断的其他的方法经常失效。
22.例如在对不同的当前的催化器、尤其那些带有高的贵金属负载的催化器的观察中指明了：高的氧气存储能力虽然是必要的，但是对于催化器的高的转化能力而言不是足够的。因此观察催化器，所述催化器在催化器诊断的意义上是正常的（所述催化器即具有足够地高的存储能力），但是由于不再足够的转化能力，所述催化器导致了不允许的排放。
23.此外，除了氧气存储能力之外，还能够基于模型地监测用于其他的废气组成部分的存储能力，例如用于氮氧化物（no
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）的存储能力。本发明还能够有利地应用在这种类型的自适应的模型的结合中。
24.通过本发明能够实现催化器诊断，而不必调节在排放技术方面不利的运行参数。此外如已经提到的那样，利用按照本发明的诊断方法也不依赖于存储能力来评价实际的转化能力。
25.因此，本发明的基本构思在于：在例如几分钟、例如5分钟的更长的时间段范围内评估适应需求，所述适应需求例如通过已经阐述的连续的适应和/或不连续的修正来确定。特别地，适应需求或者适配需求是在催化器后面的所测量的λ值与在催化器后面的模型化的λ值之间的、或者一般地在至少一个测量值与至少一个借助于催化器模型确定的模型值之间的差的函数。
26.在催化器前面的λ值与在催化器后面的λ值之间的λ偏移（例如由于在催化器前面的λ探测器的偏移错误或者在排气系统中的泄露）系统地导致了在更长的时间段的范围内保持相同的适应需求，也就是说，必须不断地在或多或少相同的范围内再校准所述模型。
27.相比之下，所述催化器的与所述催化器的氧气存储能力不相关的转化能力的下降导致了在时间上变化的适应需求。这在于：借助于反应动力学来计算所述催化器的模型化的状态参量（例如在所述催化器的不同的区域中的氧气填充水平或者在所述催化器的出口
处的λ值），所述反应动力学依赖于所述催化器的氧气存储容量。如果现在所述催化器的转化能力与氧气存储能力不相关，则于是模型化的反应动力学与实际的反应动力学不一致。同样地，所述催化器的模型化的状态参量与实际的催化器的状态参量不一致。特别地，在所述催化器的出口处的模型化的λ值与在所述催化器的出口处的借助于所述λ探测器所测量的λ值不一致。因为不仅用于与稀的废气组成部分反应的、还用于与浓的废气组成部分反应的模型化的动力学与实际的动力学不适配，这没有导致如在λ偏移情况下在所述催化器后面的λ值系统地偏离λ=1，而是不仅导致稀的废气喷发，还导致浓的废气喷发。为此这导致了：在这种情况下交替地确定沿浓的方向和沿稀的方向的适应需求或者至少一个适应需求，所述适应需求不会系统地、更剧烈地或者更频繁地变化。
28.在此，识别出这样的异常的适应需求，其方式为：观察所述催化器模型的适应需求或者修正需求的发展。
29.适宜的是：当运行条件使得期待可靠的适应结果或者诊断结果时，于是才仅仅进行观察。特别地，在所述催化器处在不能够足够精确地被催化器模型映射的运行状态的时间段中，变化的适应需求的观察被不加考虑或者被更少剧烈地加权。对此的实施例是：带有负荷要求的剧烈的变化、油箱通气的高的比率或者空气从内燃机的进气阀到排气阀高的穿流率的运行状态。还能够规定：在这样的时间段中甚至不观察所述适应需求，或者仅仅在这样的时间段中激活观察，在所述时间段中能够认为主要通过实际的催化器状态引起适应需求。为此也能够规定：分析内燃机的当前的运行状态，以便决定激活观察或者加权所观察的适应需求。如果在观察时间段期间确定所述适应需求的异常高的或者异常频繁的变化，那么这指明了：基于模型的状态参量与实际的状态参量不一致，并且所述催化器的转化能力不再足够高。
30.在此所检测的测量值以有利的方式是在所述催化器上游和/或下游的λ值。它们在很多情况下本来就被检测，从而不出现额外的测量耗费，并且以非常直接的方式与所述催化器的功能关联，以使得这有利于有效力的诊断。
31.优选地，所述催化器模型的适配的频率和/或程度与预先确定的废气量有关。换句话说，当大的废气量穿过所述催化器时，能够呈现更短的时间段，在所述时间段中考虑催化器模型的相应的适配，以用于确定催化器状态，而在低的废气体积流量的情况下延长观察时间段，以便确保保持相同的诊断质量。因此，所述诊断能够与当前的运行点或者负荷状态相适配。
32.优选地，当确定危急的催化器状态时，给出报警信号。由此能够例如满足合法的预设，并且能够及时地更换和/或维护缺陷的或者有故障的催化器，以便避免有害物质危害环境的和/或危害健康的排放。这样的报警信号能够尤其以操控报警灯、报警声音的形式和/或作为在机动车的车载计算机的故障存储器中的相应的故障信号被给出。
33.按照本发明的计算单元、例如机动车的控制器尤其在程序技术方面被设定用于执行按照本发明的方法。
34.以带有用于执行所有方法步骤的程序编码的计算机程序或者计算机程序产品的形式来执行按照本发明的方法也是有利的，因为这产生特别低的成本，尤其如果用于实施的控制器还被用于其他任务并且因此本来就存在的话。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁性的、光学的和电气的存储器，如例如硬盘、闪存、eeprom、dvd及其他等。也能
够通过计算机网络（互联网、内联网等）下载程序。
35.本发明在此和在下文中以三元催化器为例被说明，但是按照精神也能够转用到其他的催化器类型上。
附图说明
36.本发明的其他的优点和设计方案从说明书和附图得出。
37.本发明借助于实施例在附图中被示意性地示出并且在下文中参考附图被说明。其中：图1示出了车辆的示意性的视图，在所述车辆中能够应用按照本发明的方法；图2以流程图的形式示出了按照本发明的方法的有利的设计方案。
具体实施方式
38.在图1中以块图的形式示意性地示出了车辆100，在所述车辆中能够应用按照本发明的方法。所述车辆100优选设定用于执行按照图2的方法200，并且具有例如汽油机的内燃机120、催化器130以及计算单元140。此外，所述车辆100还能够包括例如以喷射泵、涡轮增压器等或者它们的组合的形式的燃料处理设备110。
39.此外，该车辆还具有（废气）传感器145、147、尤其λ探测器，它们布置在所述车辆100的排气系统中的所述催化器130的上游和下游。
40.所述计算单元首先控制所述内燃机120的运行、例如通过控制点火时间、阀开启时间以及由所述燃料处理设备110所提供的燃料空气混合物的组成、量和/或压力。
41.在所述内燃机120的运行中形成的废气被供应给所述催化器130。在所述催化器130的上游，借助于第一λ探测器145测量废气的空气系数λ，并且将该第一λ值传送到所述计算单元140处。通过所述催化器加速或者仅能够实现废气组成部分彼此之间反应，以使得有害的组成部分、如例如一氧化碳、氮氧化物和未完全燃烧的碳氢化合物被转换成相对无害的产物如水蒸汽、氮气和二氧化碳。在所述催化器130的下游，通过第二λ探测器147确定第二λ值，并且传送到所述计算单元140处。
42.所述第一和第二λ值能够暂时地或者持久地彼此不同，因为由于在所述催化器130中的反应，在所述催化器130的上游和下游的废气的组成彼此不同。此外，所述废气需要一定的时间，以便穿流所述催化器130（所谓的死时间）。该死时间尤其依赖于所述废气的当前的体积流量，即依赖于所述内燃机120的当前的运行状态。例如，在所述内燃机120在全负荷下的运行时比空转运行时产生更高的每个单位时间的废气量。因为所述催化器130的体积是恒定的，由此相应的死时间根据所述内燃机120的运行状态变化。
43.所述计算单元140以有利的方式被设定用于执行按照本发明的一种优选实施方式的在图2中示出的方法200。为此，在初始化步骤210之后，在第一步骤220中通过在所述催化器130上游的和下游的λ探测器145、147测量第一和第二λ值。
44.与此平行地在步骤230中，根据所述内燃机120的当前的运行状态和尤其所述第一λ值借助于路段模型来计算在所述催化器130下游的废气的λ值。
45.在另一步骤240中，所述计算单元140将所计算的λ值与由λ探测器147所测量的第二λ值比较。
46.如果所测量的值基本上与所计算的值相一致，则所述方法返回至步骤220和230，并且继续借助于路段模型的计算以及第一和第二λ值的测量。
47.然而，如果所述值彼此不一致，这尤其能够通过所计算的与所测量的值之间的差的值超过预先确定的阈值来表征，则在步骤250中适配或者适应所述路段模型（streckenmodell）。在所述路段模型的这样的适应之后，所述方法200返回至步骤230，并且借助于所适应的路段模型重新地计算在所述催化器130的下游的λ值。在此，所述路段模型的适应250优选在其程度中根据模型化的和所测量的λ值之间的偏差的值来进行。因此，在值方面高的偏差引起了剧烈的适应，低的偏差相应地引起了小的适配。特别地，适应需求是在所述催化器130的下游所测量的λ值与所计算的λ值之间的差的函数。
48.在步骤260中检测并且分析所述适应250的程度以及其频率，尤其标准化到所述废气的体积流量上。为此尤其确定：所述适应需求（不仅值而且还频率）是否在时间上或者在体积流量方面已经改变。
49.为了确定适应需求的异常高的或异常频繁的变化，例如在数量方面检测、求微分（尤其数字地）所述适应需求，并且在观察时间段期间对所述适应需求的导数的值求积分。而后，当所述适应需求在观察时间段期间不变化（即是恒定的）时，则所述适应需求的导数和因此还有导数的值的积分是0。所述适应需求变化地越频繁或者越剧烈，则所述积分具有越高的值。因此，当所述积分超过预先确定的阈值时，于是尤其能够认为所述催化器的转化能力的不允许的下降。
50.因此，在步骤270中与此相应地确定：所述适应需求的该变化是否超过预先确定的阈值。如果超过了所述阈值，则所述催化器130的状态在步骤280中被指示为危急的。为此，在步骤280中优选触发报警信号，例如以操控报警灯、给出报警声音或者给出语音信息或者文字信息的形式。
51.反之，如果在步骤270中确定：在所述适应需求的程度的或者频率的变化方面没有超过预先确定的阈值，则所述方法200返回至初始化步骤210或者相应的第一和第二λ值的测量220和模型化230。