用于排气系统NOx传感器的过滤器的诊断方法和诊断模块 |
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| 申请号 | CN201210186654.9 | 申请日 | 2012-06-07 | 公开(公告)号 | CN102817684B | 公开(公告)日 | 2016-09-07 |
| 申请人 | 福特环球技术公司; | 发明人 | M·巴莱诺维奇; Y·M·S·雅库伯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种用于具有SCR催化器（3）的排气系统（1）的NOx 传感器 （4）的 过滤器 （5）的诊断方法，该方法包含以下步骤：将该过滤器（5）的工作方式（11）考虑在内，计算（12）催化器（3）下游的一个NOx估算值；基于该NOx估算值，建立一个线性NOx模型（13）；将该NOx估算值与该线性NOx模型进行比较（15）；当该比较（15）的差值处于一个 阈值 之下时，停用（18，19）过滤器（5）。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于具有SCR催化器(3)的排气系统(1)的NOx传感器(4)的过滤器(5)的诊断方法，该方法具有以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于排气系统NOx传感器的过滤器的诊断方法和诊断模块技术领域背景技术[0002] 具有SCR（选择性催化还原）催化器的系统良好地适用于去除NOx排放物，尤其在柴油发动机排气时。在活性SCR系统中向SCR催化器中投料氨（NH3），在此氨吸附在催化剂上并且与来自排气的NO和NO2进行反应。NH3典型地不直接投料，而是在大多数情况下以一种尿素溶液的形式进行投料，该溶液在注入之后部分地转化为NH3。在被动/无源SCR系统中，没有在该催化器的上游主动/有源地注入NH3或尿素。取而代之的是，从该催化器的另一个上游组件产生NH3，例如在发动机处在富燃工作状态时的LNT（稀NOx捕集器）。 [0003] 当投料的、或在催化器中储存的NH3不充足时，或者当温度不适合于NOx的完全转化时，无法转化全部Nox并且通过催化器造成Nox泄露。然而如果投料的NH3过多、并且其被储存在催化器中，那么可能出现脱附。通常在快速升温之后（例如在发动机负载升高以后）出现NH3的脱附。但是在NH3投料过量时这也可能出现在恒定的温度下。 [0004] 为了精确地控制SCR催化器中的过程，关于下游的或催化器之后的NOx和NH3浓度的信息是有意义的。出于这个目的，存在两种类型的传感器，NH3传感器和NOx传感器。NH3传感器仅用于测量NH3的浓度或量，而NOx传感器对NOx以及NH3均是灵敏的。这导致在测量中困难，即无法简单地确定，该传感器刚刚检测到的是NOx值还是NH3值。 [0005] 在并行的申请DE 10 2011 077 246.4中所记载的一种过滤器和过滤方法确定了由NOx传感器检测到的信号是NOx测量值还是NH3测量值。为此，建立两个不同的模型或建模方法和/或对其进行匹配。一个模型描述了NOx在催化器中的转化率，而第二个模型描述了NH3通过催化器的泄露行为。 [0006] 该过滤器的准确度或效率取决于催化器上游的NOx水平或信号的特性。为了能够在NOx值和下游NOx信号中的NH3值之间进行区分，该催化器的上游的NOx信号必须具有一种已知的动态特性。 [0007] 在催化器中发生Nox泄露的情况下，NOx信号将动态地跟踪输入NOx信号，而NH3值典型地不这样做。因此，无法在催化器的上游（例如在恒定的行驶方式中）成功确定一个更恒定的NOx信号，并且所过滤的NOx/NH3信号不应当用于一种反馈性控制。 发明内容[0008] 本发明的基本目的在于，改进具有催化器的排气系统的工作方式。 [0010] 根据本发明的第一个方面，一种用于带有SCR催化器的排气系统NOx传感器的过滤器的诊断方法包括以下步骤： [0011] -运行该过滤器，包括计算催化器下游的NOx估算值； [0012] -基于该NOx估算值，建立一个线性NOx模型； [0013] -将NOx估算值与线性NOx模型进行比较； [0014] -当该比较的差值处于一个阈值之下时，停用该过滤器。 [0015] 这个方法使得用于NOx传感器的过滤器得以稳定，并且确定了该过滤器的决策何时可信。这种过滤器的一个实现方式为，连续地将两个不同的模型进行匹配并且将其准确性进行比较。一个模型代表NOx转化率的一个简化的动力学模型。另一个模型是一种简单的线性时间算法，该算法能够在限定的时间窗口内良好地描述NH3的滑动行为。在有些情况下，该过滤器不能在NOx和NH3之间进行区分。这典型地发生在例如静态工作的情况下，当NOx信号不具有足够的动态特性时。在这种情况下，催化器下游的NOx同样通过一个线性时间算法进行描述。通过所述条件的确定，可以避免该过滤器进行错误的假定或造成错误的决策。例如，如果这两个比较信号之间的绝对差值低于一个阈值，可以停用该过滤器、或者抛弃或不使用其决策。 [0016] 为了进行比较，可以在该NOx估算值与该线性NOx模型的一个线性NOx估算值之间进行误差计算。该误差计算的执行是简单的，并且提供了快速而可靠的结果。 [0017] 当比较的差值超过一个阈值时，可以将该过滤器开启。这个阈值可以与用于停用的那个阈值相对应，或者可能采用两个不同的阈值。开启或启用是指，使用该过滤器的决策。在停用时，该过滤器仍然在后台以已知方式同时运行，但是其结果不会被使用。可选地，可以将过滤器断开连接，并在开启时重新接通。 [0018] 在与阈值进行比较时，该过滤器可以在一个限定的时间域保持启动状态。这种工作模式可以被称为瞬态启动。在瞬态启动中所假定的是：如果已经在不久前做出了一个决策并且NOx传感器信号尚未移动到限定的界限之外，那么“旧的”过滤器决策，也就是说在开始时或限定的时间域之前，是仍然有效的。通常，催化器下游的NOx和NH3不会时刻改变，这样即使根据当前的数据无法做出决策，不久前所做出的决策仍可能是有效的。瞬态启动所假定的是，尚未做出新的决策、过滤器仍是开启的、并且使用其结果来进行反馈或进一步处理。瞬态启动在一个预定的时间段之后、或者当超过或低于一个预定的NOx传感器信号界限时将被停用。 [0019] 在过滤器停用的情况下，可以引入催化器下游的NOx值的变化。于是在这种情况下，当过滤器不能做出可靠的决策时，可以对于（来自发动机的）NOx扰动设定一个标识（Flag）或者一条信息，以便重新激活该过滤器的基础算法或者使其可靠地启动。当过滤器停用时，它不提供任何信号，无论是NOx还是NH3。在这种情况下，对催化器的投料或注入是在没有反馈的情况下进行的，也就是在一个开放的调节回路（Regelkreis）中进行的。只要NOx传感器信号仍然处于已知的、允许的界限内，这就是可接受的。然而，当越过这个界限时，可能希望的是，强制地确定或计算NOx传感器信号。这可以够通过针对性地扰动或改变排气中的、从发动机离开的NOx比例而实现，例如通过完全地或部分地接通和/或断开排气再循环阀（EGR）。这种情况可以例如在长期的静态工作方式中出现，例如通过一个速度调节装置（调速器）。一旦获得了这种工作方式并因此该NOx信号获得了一种已知的动态特性，则该过滤器就自动开始正常工作。 [0021] 这些步骤或计算可以针对多个采样时间点来实施，其具有优选为一秒的采样时间的。采样时间点的数量过小将不能获得一致的模型，而过大的数量将不必要地提高计算消耗。 [0022] 为了进行计算，这些步骤可以额外地采用在时间上回溯的采样点的值，优选是在二十秒的时间范围之内。这提高了该计算和确定的可靠性，其测量值是直接测得的。为了进行比较，可以在之后将两个信号之间的平均绝对差值用作判据。 [0023] 根据本发明的第二个方面，一种用于带有SCR催化器的排气系统NOx传感器的过滤器的诊断模块，其包括一个用于过滤器信号的信号输入端、一个用于执行上述诊断方法的计算单元、以及一个用于输出该诊断方法结果的信号输出端。上文所述的优点和修改同样有效。附图说明 [0024] 下面将借助附图对本发明进行更详细地描述，其中： [0025] 图1示出了一个排气系统的示意性框图，该排气系统带有根据本发明的诊断模块。 [0026] 图2示出了根据本发明用于一种过滤器的诊断方法的框图。 [0027] 图3和4分别为根据本发明的诊断方法的应用的图表。 [0028] 这些示图仅用于解释本发明而非对其进行限制。这些示图和各分立的部分不需要是按比例的。同样的参考标记代表相同或类似的部分。 具体实施方式[0029] 图1示出了用于内燃机2（例如机动车辆的柴油发动机）的一个排气后处理系统1的一部分。该排气后处理系统或排气系统1包括一个安置在发动机2下游的催化器3，例如一个SCR（选择性催化还原）催化器。 [0030] 催化器3的下游安置有一个NOx传感器4，用于测量排气中NOx的浓度或NOx的量。NOx传感器4不需要直接安置在催化器3之后，它还可以处于更下游处。 [0031] NOx传感器4的测量值传送到该NOx传感器4的一个过滤器或NH3过滤器5。过滤器5处理该测量值并使其能够辨认由NOx传感器4所测量的值是NOx值还是NH3值。过滤器5输出对应的信号，例如向一个发动机控制器或者排气后处理控制器进行输出。 [0032] 在催化器3的下游，除了由NOx传感器4提供的测量值之外，过滤器5还需要NOx浓度或NOx的量，所述的浓度或量由发动机2产生并在催化器3的方向上离开。要么在催化器3的下游存在一个额外的NOx传感器6，要么借助一个模型6来确定催化器3下游的NOx浓度，该模型确定了发动机2所产生的NOx量和/或浓度。 [0033] 在催化器3下游的、任选的NOx传感器6与催化器3之间，配置有同样任选的、用于尿素溶液或NH3的一个注入点7。NOx传感器6或该建模作用是安排在注入点7的下游的，以避免NH3的交叉敏感性（Querempfindlichkeit）。 [0034] 过滤器5的输出端5b与一个诊断模块8相连。诊断模块8可以是一个独立的单元，该单元带有一个用于过滤器5的信号的信号输入端8a、一个用于执行诊断方法的计算单元、以及一个用于输出该方法结果的信号输出端8b。诊断模块8也可以是一个控制器的组成部分，例如一个发动机控制器或一个排气后处理控制器、或者过滤器5的控制器。它可以以软件程序或软件模块的形式实现。信号输出端8b同样可以在软件中实现。通过信号输出端8b输出的结果可以是过滤器5的结果中一个独立的值或验证，和/或是过滤器5所释放的（freigegebene）或未释放的结果。 [0035] 现在借助图2对诊断模块8及该诊断方法的工作方式进行描述。该诊断方法从催化器3之后的NOx传感器4开始。 [0036] 图2中示意性所示的过程具有建立一个线性NOx模型的第一阶段或步骤10。在第一步骤或子步骤11中，运行该过滤器5，其中在第二步骤11中，将催化器3下游的估算NOx值NOxPostEstV确定为过滤器5的一个结果。 [0037] 为了进行NOx建模，在此采用了一个具有动力学第一级数的0DCSTR（连续搅拌槽反应器）模型。 [0038] [0039] 这些信号可以是标量（探测或者采样）或者是矢量（具有智能操作元素的时间窗口）。对于时间窗口而言，假定反应速率系数（kR）为常数。最优的反应速率系数可以按分析方法根据最小二乘降低法（Least-Squares-Abstiegsverfahren）来确定： [0040] [0041] 其中 [0042] [0043] 最优判据min(εTε) [0044] 使得： [0045] kR＝(θTθ)-1θTy [0046] 在接下来的步骤13中，基于这个NOx估算值NoxPostEstV来构建线性NOx模型。该线性NOx模型的一个结果是，在步骤14中催化器3下游的一个线性NOx估算值NoxLinPostEstV可供使用。 [0047] 用于基于NOx模型信号的线性NOx模型的线性时间算法（NoxPostEstV-N向量（例如二十个采样值））进行如下计算： [0048] NOxLinPostEstV＝an+b [0049] 其中a和b是适当的常数，并且n是从0到（时间水平线（Zeithorizont）-1）之间的采样数量。 [0050] 通过最小二乘数判据最小化来计算a和b： [0051] [0052] 其中 [0053] [0054] 最优判据min(εTε) [0055] 使得： [0056] [0057] 在第二阶段15中，将NOx估算值和线性NOx模型或线性NOx估算值互相比较。 [0058] 这是通过在步骤16中在NoxLinPostEstV和NoxPostEstV之间根据以下公式进行误差计算εNOxLin所获得的： [0059] [0060] 误差越小，NOx估算的线性越好，由此也就越难以确定该传感器4测量的是NOx还是NH3。 [0061] 在第四阶段17中，确认或确定了传感器4的NOx信号是NOx还是NH3值。为此，在步骤18中将误差信号εNOxLin与一个预先定义的界限或一个阈值εMin相比较。当误差信号εNOxLin小于该界限，则设定一个标志或信号，以使过滤器5的决策不能得以实施或考虑，或者换言之将过滤器5停用。因为对每个采样时间点计算一个新的误差信号，所以对于这个决策可能还考虑到误差信号εNOxLin的前一个或前几个值。 [0062] 如果误差信号εNOxLin大于该界限，则根据步骤19来运行或启动过滤器5。如果非这种情况，则可以根据步骤20，在所谓的瞬态启动状态下，使该过滤器5在一个已知的、预先限定的时间域中仍保持启动。在瞬态开启中所假定的是：如果已经在短时间内做出了一个决策并且NOx传感器信号尚未移动到限定的界限之外，那么“旧的”过滤器决策，也就是说在开始时或限定的时间域之前，仍是有效的。 [0063] 只要瞬态启动正在工作，就根据步骤19来启动过滤器5，也就是说考虑其结果。在一个预先确定的时间段之后、或当一个NOx传感器信号超过或低于预定的极限时，将瞬态启动解除并且跳转到步骤21。 [0064] 在步骤21中，将过滤器5停用，也就是说要么将其断开要么不考虑其结果。 [0065] 当过滤器5停用时，它不提供任何信号，无论是NOx还是NH3。在这种情况下，对催化器3的投料或注入是在没有反馈的情况下进行的，也就是在一个开放的调节回路中进行的。只要NOx传感器信号仍然处于已知的、允许的极限内，这就是可接受的。 [0066] 如果在步骤22中确定了NOx传感器信号处于已知的、允许的极限之外（这可以是正向或负向的偏差），则在步骤23中可以强制地确定或计算NOx传感器信号。这可以通过针对性地扰动或改变排气中的、从发动机离开的NOx比例而实现，例如通过完全地或部分地接通和/或断开排气再循环阀（EGR）。 [0067] 这种方法在诊断模块8中完成。通过这种方法，要么输出了一个有效的NOx或NH3值，要么输出了一个信号，该信号提供了过滤器5的可靠性。诊断模块8在信号链中连接在NOx传感器4、过滤器5与进一步处理的控制器（图中未示出）之间。与此相对应地，诊断模块8还可以集成在控制器或NOx传感器4及过滤器5中。 [0068] 图3和4示出了多个图表，这些图表显示了该方法或诊断模块8的工作方式。其中所显示的是，通过该诊断方法或该诊断模块8，排气系统1的或过滤器5的工作方式变得稳健。 [0069] 图3示出了一个动态的行驶循环，其中可以良好地对NOx和NH3值进行分离。线性NOx模型的εNOxLin误差在大多数时候仍然较高。表示过滤器5启动的信号“号过滤器_启用”（filter_enabled），在大多数时候是启动的。在图3的下方的两个图表中，显示出了所获得的催化器3下游的NOx和NH3值以及通过分立的测量仪器或传感器获得的实际值，并且可以看到这些值很好地彼此符合。也就是说，通过这种方法进行工作是可靠的。 [0070] 图4显示了一种更加静态的工作方式，其中该诊断方法确定了：无法做出可靠的决策并且将过滤器5停用。因此，在该图表的第二个时间区段上，信号“过滤器_启用”是未开启的或较低的。于是如上所述，停用了反馈，直到过滤器5被再次启动。 [0071] 能够确定的是，虽然线性NOx模型的误差εNOxLin较低，但过滤器5在开头的约260秒中是保持启动的。这造成了以下事实，即NOx传感器测量了非常低的值并且因此无论如何都对过滤器5的结果进行校准。 [0072] 该方法或诊断模块8可以在每个带有催化器、尤其是（被动/无源或主动/有源式）SCR催化器的排气系统中得到应用。 |
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