求出内燃机排气中氮氧化物和/或氨含量的方法和排气系与流程

1.本发明涉及一种用于求出内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量的方法和一种排气系，特别是涉及一种用于就内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量评估在内燃机的排气系中布置在催化器的、优选三元催化器的下游的排气传感器的信号的方法。


背景技术：

2.催化器用于车辆中的排气后处理，以便转化空气有害物并且使其不排放到周围环境中。在借助三元催化器的排气后处理中将一氧化碳（co）、氮氧化物（nox）和未充分燃烧的碳氢化合物（hc）转化成二氧化碳（co2）、氮气（n2）和水（h2o）。
3.对用于内燃机的空燃混合物的控制或调节借助级联调节进行，级联调节由内部的调节回路和外部的调节回路构成，内部的调节回路调节在催化器上游的λ值，外部的调节回路则调节在催化器下游的λ值。催化器在此特别应当保持在最优的转化窗口中。为此值得期望的是，这样来控制或调节对催化器的、特别是三元催化器的氧气装载，使得催化器用约50%的氧气饱和或进行装载。因此可以确保充分的安全性以防止系统朝着稀的或浓的方向的可能的故障。


技术实现要素：

4.本发明的任务是，提供一种方法以及一种排气系，用它们能尽可能简单和准确地求出内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。
5.这个任务用按照权利要求1所述的方法和按照权利要求10所述的排气系解决。优选的设计方案在从属权利要求中说明。
6.本发明基本上基于这样的思想，即，在催化器中、特别是三元催化器中，在排气中缺氧时，这就是说在浓的排气中，产生了氨，但在排气中的氮氧化物在催化器中几乎完全被还原。在氧过剩时，这就是说在稀的排气中，催化器则可以仅不完全地还原排气中的氮氧化物。因此在λ值已知时可以求出催化器下游排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。此外，本发明还利用的是，排气传感器、例如氮氧化物传感器，基于其对氨的（横向）敏感度而显示氮氧化物含量和氨含量的和，并且通过求出内燃机的运行状态可以求出所述两个含量。当然，若内燃机的运行状态已知，这就是说，已知内燃机是稀运行还是浓运行，那么可以从排气传感器的信号求出排气中的氨含量和/或氮氧化物含量。
7.因此按照本发明的一个方面，公开了一种用于求出内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量的方法，内燃机具有布置在内燃机的排气系中的催化器、优选三元催化器和布置在催化器下游的排气传感器。按本发明的方法包括：求出内燃机的运行状态，运行状态可以显示是稀运行还是浓运行；借助排气传感器产生至少一个信号；和至少部分基于所求出的内燃机的运行状态和至少部分基于排气传感器的至少一个信号求出内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。
8.在了解了内燃机的运行状态的情况下，可以如已经在上文中提到的那样，由排气
传感器的信号求出氮氧化物含量和/或氨含量。若例如存在内燃机的浓运行，那么几乎所有的氮氧化物均在催化器中被还原。此外，在催化器中，由于缺氧而产生了氨并且排气传感器的信号因此几乎完全显示排气中的氨含量。此外，在考虑到内燃机的运行状态的同时可以评估排气传感器的信号以区分氮氧化物含量和氨含量。
9.在一种优选的设计方案中，按本发明的方法还具有：借助排气传感器求出λ值。在此，至少部分基于所求出的λ值求出内燃机的运行状态。特别可以由所求出的λ值确认内燃机的运行状态是涉及到稀运行还是涉及到浓运行，其中，由此又可以推导出，氨在催化器中、优选在三元催化器中以何种程度产生或者不产生氨。
10.当所求出的λ值大于λ阈值时，排气传感器的至少一个所产生的信号优选显示排气中的氮氧化物含量。此外，当所求出的λ值小于λ阈值时，排气传感器的至少一个所产生的信号显示排气中的氨含量。
11.这特别基于，在超过λ阈值时，在排气中存在稀的排气，这就是说，氧气过剩，并且排气传感器的信号因此显示排气中的氮氧化物含量。与此相反的是，在低于λ阈值时存在浓的排气，这就是说，在排气中缺氧，因此排气传感器的信号基本上显示排气中的氨含量。
12.在按本发明的方法的一种优选的设计方案中，λ阈值被预先确定为是固定的值，例如1.0或200 mv，或者基于排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积流量、排气速度和/或催化器老化状态动态地求出λ阈值并且因此根据内燃机的和/或排气系的运行参数可变地适配该λ阈值。
13.在另一种优选的设计方案中，按本发明的方法还包括：求出排气质量流量。在此，当所求出的排气质量流量大于预先确定的质量流量阈值时，还至少部分基于质量流量因子求出内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。
14.特别是尽管在浓的排气条件下，但在排气质量流量很大时仍然可能由于排气在催化器中不充分的停留时间而导致氮氧化物的不完全转化。因此在这种状态下，在催化器下游在排气中可能同时既存在氮氧化物也存在氨。因此在本发明的这种优选的设计方案中规定，在超过预先确定的排气质量流量阈值时考虑到了质量流量因子，然后由该质量流量因子又可以从排气传感器的信号同时确定排气中的氨含量和氮氧化物含量。质量流量因子特别构造用于，将排气传感器的信号分成显示氮氧化物含量的氮氧化物信号和显示氨含量的氨信号。
15.优选基于排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积流量、排气速度和/或催化器老化状态求出质量流量因子。质量流量因子因此可以是与内燃机的和/或排气系的运行参数动态地适配的因子。
16.在另一种有利的设计方案中，按发明的方法还具有：求出排气传感器对氨的敏感度，其中，在求出内燃机的排气中的氨含量时，考虑到了所求出的排气传感器对氨的敏感度。敏感度例如可以是之前确定的值或者可以在运行期间根据排气传感器的老化状态进行适配。
17.按本发明的方法优选还包括：至少部分基于所求出的内燃机的排气中的氨含量和至少部分基于一氧化碳相关因子求出内燃机的排气中的一氧化碳含量和/或至少部分基于所求出的内燃机的排气中的氨含量和至少部分基于碳氢化合物相关因子求出内燃机的排气中的碳氢化合物含量。
18.在此优选的是，基于排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积流量、排气速度和/或催化器老化状态求出一氧化碳相关因子和/或碳氢化合物相关因子。
19.在此特别利用的是，氨含量可以是催化器下游、优选三元催化器下游排气中的一氧化碳和碳氢化合物的含量的合适的指示器。通过利用一氧化碳相关因子或碳氢化合物相关因子可以基于氨含量求出排气中相应的一氧化碳含量或碳氢化合物含量。
20.按照本发明的另一个方面，公开了一种用于内燃机的排气系，该排气系具有：用于后处理内燃机的排气的催化器；布置在催化器下游的排气传感器，该排气传感器构造用于产生显示了排气中氮氧化物的和/或氨的含量的信号；和控制单元，该控制单元接收排气传感器的信号并且构造用于实施按照前述权利要求中任一项所述的方法。
附图说明
21.本领域技术人员通过实施当前的教导并且观察附图可知本发明的其它的任务和特征，附图中：图1示出了带有催化器和排气传感器的内燃机的排气系；并且图2示出了用于求出图1的排气系的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量的按本发明的方法的一种示例性的设计方案的流程图。
具体实施方式
22.在本公开的范畴内，术语“稀的排气”描述了伴随氧气过剩的排气，而术语“浓的排气”则描述了伴随缺氧和部分未充分燃烧的燃料过剩的排气。
23.此外，在本公开的范畴内，术语“线性的λ信号”描述了显示燃烧的空燃比的无量纲的λ值的走向变化。与此相反的是，在本公开的范畴内，术语“二元的λ信号”则描述了λ值（带有单位[mv]）作为排气传感器的信号的走向变化。
[0024]
图1示出了示例性的催化器100，催化器可以使用在内燃机的（未示出）、优选汽油机的排气系10中，以便转化排气中的空气有害物。催化器100优选是用于将一氧化碳（co）、氮氧化物（nox）和未充分燃烧的碳氢化合物（hc）转化成二氧化碳（co2）、氮气（n2）和水（h20）的三元催化器。
[0025]
对本领域技术人员来说，不言而喻的是，排气系10中可以存在另外的单元或装置，例如颗粒过滤器或消声器。
[0026]
在催化器100的下游布置着排气传感器110，该排气传感器构造用于，求出催化器100下游排气中的氮氧化物的和/或氨的含量。对氮氧化物和/或氨敏感的排气传感器110例如是带有混合电势电极和/或参考电极的混合电势传感器。排气传感器110优选是氮氧化物传感器，其对氨横向敏感。
[0027]
内燃机此外还配设有控制单元120，该控制单元与排气传感器110进行通信连接并且构造用于，检测、评估排气传感器的信号并且控制内燃机的运行。因此控制单元120构造用于，接收由排气传感器110发射的传感器信号并且由此求出催化器100下游排气中的氮氧化物的和/或氨的含量，这在下文中参考图2还将更为准确地阐释。
[0028]
参考图2示出了用于求出在图1的催化器100的下游排气中的氮氧化物含量和/或氨含量的按本发明的方法的示例性的流程图。
[0029]
图2的方法在步骤200中开始并且然后到达步骤210，在该步骤中求出内燃机的运行状态。内燃机的运行状态特别显示了内燃机的稀运行或浓运行。内燃机的浓运行的特征在于，与所有的燃料和氧均充分燃烧的氧和燃料的化学计量比相比，存在燃料过剩并且因此存在伴随未充分燃烧的燃料过剩和缺氧的排气。因此这是浓的排气。与此相反的是，内燃机的稀运行描述了伴随着相对燃料来说氧过剩的运行。这导致了排气中的氧过剩，因此这是稀的排气。
[0030]
特别可以为了在步骤210中求出内燃机的运行状态而借助排气传感器110求出λ值。排气传感器除了产生显示氮氧化物含量和/或氨含量的主信号外，还产生了线性的和/或二元的λ信号，由该信号又可以求出表征内燃机的运行状态的λ值。
[0031]
在另外的步骤220中，借助排气传感器110产生了至少一个（主）信号，该信号显示在催化器100下游内燃机的排气中的氮氧化物的和氨的含量总和。
[0032]
在接下来的步骤230中，至少部分基于所求出的内燃机的运行状态和至少部分基于排气传感器110的至少一个（主）信号求出在内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。
[0033]
在步骤230中特别可能优选的是，当所求出的λ值大于λ阈值时，排气传感器110的至少一个所产生的信号显示了排气中的氮氧化物含量。当所求出的λ值小于λ阈值时，排气传感器110的至少一个所产生的信号备选显示了排气中的氨含量。当基于排气传感器110的二元的λ信号求出了所求出的λ值时，那么这尤为优选。
[0034]
在此，特别利用的是，在浓的排气中，三元催化器100产生氨并且在三元催化器100中的氮氧化物几乎完全被还原。这就是说，在存在浓的排气的内燃机的这种运行状态下，在催化器100下游几乎只存在氨，而不存在氮氧化物。出于这个原因，排气传感器110的信号可以解释为完全显示氨含量，其中氮氧化物含量为零。
[0035]
λ阈值可以是固定的值，例如200 mv。λ阈值备选可以在运行期间根据内燃机的和/或排气系10的运行参数动态地调设。例如可以基于排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积流量、排气速度和/或催化器老化状态求出λ阈值并且动态地适配该λ阈值。
[0036]
在步骤230中还可能有利的是，求出排气质量流量。排气质量流量例如可以从布置在内燃机的进气道中的压力传感器的或质量流量传感器的信号推导出和/或通过内燃机的运行参数求出。
[0037]
当所求出的排气质量流量大于预先确定的排气质量流量阈值时，还至少部分基于质量流量因子求出在内燃机的排气中的氮氧化物含量和/或氨含量。特别是在排气质量流量值很大时（尽管在浓的排气下）可由于在催化器100中不充分的停留时间而导致氮氧化物的不完全转化，因而在这个状态下在催化器100的下游可同时既存在氮氧化物也存在氨。出于这个原因，优选的是，当所求出的排气质量流量大于预先确定的排气质量流量阈值时，在求出氮氧化物含量和/或氨含量时考虑到了质量流量因子。质量流量因子在此特别构造用于，将排气传感器110的信号分成了显示氮氧化物含量的氮氧化物信号和显示氨含量的氨信号，其中，由氮氧化物含量信号可以求出内燃机的排气中的氮氧化物含量并且由氨含量信号可以求出在内燃机的排气中的氨含量。
[0038]
质量流量因子也可以是预先确定的因子或者可以动态地根据内燃机的和/或排气系的运行参数动态地加以调设。在此，排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积
流量、排气速度和/或催化器老化状态可以引用为运行参数。
[0039]
此外，在步骤230中还优选的是，在求出内燃机的排气中的氨含量时还考虑到了排气传感器对氨的（横向）敏感度。排气传感器110的主信号特别可以显示氮氧化物和氨的总和，其中在氨含量中储存有敏感因子。这个敏感因子可以根据排气传感器110的老化加以适配。敏感因子备选可以由工厂作为预先确定的值加以确定。因此可能优选的是，在步骤230中，还求出或利用并且在求出内燃机的排气中的氨含量时考虑到了排气传感器100的当前的横向敏感度。
[0040]
敏感因子也可以是预先确定的因子或者可以动态地根据内燃机的和/或排气系的运行参数加以调设。在此，排气的温度、催化器的温度、排气质量流量、排气体积流量、排气速度和/或催化器老化状态均可以引用为运行参数。
[0041]
此外，本发明还利用的是，氨含量可以是催化器100下游的内燃机的排气中的一氧化碳的和碳氢化合物的含量的合适的指示器。特别可以由所求出的内燃机的排气中的氨含量至少部分基于一氧化碳相关因子求出内燃机的排气中的一氧化碳含量。备选或附加地可以由所求出的内燃机的排气中的氨含量也至少部分基于碳氢化合物相关因子求出内燃机的排气中的碳氢化合物含量。
[0042]
因此可以借助排气传感器100不仅求出在催化器100下游内燃机的排气中的氮氧化物含量、氨含量、一氧化碳含量还能求出碳氢化合物含量。