Способ основанного на модели определения распределения температуры блока нейтрализации отработавших газов - RU2584397C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к способу основанного на модели определения распределения температуры блока нейтрализации для отработавших газов, в частности катализатора, предпочтительно SCR катализатора (катализатора селективного каталитического восстановления) или фильтра частиц в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.

Такой способ известен, например, из DE 10 36 942 B4, и в его основу положена концепция того, что средняя температура, определенная по длине обтекания блока нейтрализации отработавших газов, например, катализатора, по крайней мере в динамическом режиме, а также связанное с этим неоднородное распределение температуры, не дает достаточного основания для того, чтобы систему двигатель-блок нейтрализации отработавших газов согласовывать таким образом, чтобы соблюдались жесткие требования к качеству отработавших газов при требуемой точности. Для этого должно быть достаточным, что на основе модели блок нейтрализации отработавших газов в осевом направлении разделяется на некоторое количество пластин и что температура каждой пластины определяется как функция от температуры газа, набегающего на пластину. Это имеет место при допуске того, что радиальное распределение температуры является постоянным, и происходит адиабатическая теплопередача между отработавшими газами и пластинами блока нейтрализации отработавших газов.

Эти допуски, в свою очередь, приводят к некоторым неточностям, в частности, из-за радиального градиента температуры, образующегося вопреки указанному допуску, в результате чего предусматривают приблизительное определение, а также учет этих потерь тепла.

Кроме того, в известном из DE 10 2009 046 771 A1 способе определения распределения температуры отработавших газов на основе модели сначала определяют профиль температуры в осевом направлении по меньшей мере на участках, и на основе этого, в свою очередь, по меньшей мере на участках вычисляют многомерную температурную характеристику на основе аналитического соотношения. В его основу могут быть положены различные краевые условия, например, уже известная температура и/или свойства блока нейтрализации отработавших газов, которые имеют важное значение для переноса тепла. На основе вычисленной температурной характеристики может быть определена позиционно-зависимая температура, за счет чего посредством профиля температуры в осевом направлении и температурной характеристики определяется по меньшей мере одна температура, имеющая место в любом положении внутри блока нейтрализации отработавших газов.

Из DE 10 2006 021 303 B4 известно, что на основе регистрации распределения температуры в блоке нейтрализации отработавших газов, определяют аксиальное распределение температуры с помощью динамической тепловой модели, и посредством кинематической модели определяют тепловой эффект реакции, генерируемый во время нейтрализации отработавших газов, который является результатом преобразования компонентов отработавших газов. Это необходимо для повышения качества определяемого распределения температуры при минимально возможных вычислительных затратах. За счет регистрации радиального распределения температуры, осуществляемого перпендикулярно основному течению, в этом случае также может достигаться дальнейшее улучшение качества, но это в свою очередь требует более высоких вычислительных затрат.

В DE 103 47 132 A1 описан способ оценки количества аммиака, накопленного в SCR-катализаторе на основе мочевины, на основе динамической модели катализатора, в котором генерируется оценка на основе измеренных и оцененных значений, причем для этого с помощью датчика оксидов азота (датчик NO_x) и датчика температуры, расположенных выше по потоку и ниже по потоку катализатора, предоставляются измеренные значения, которые по отношению к датчику оксидов азота, расположенному ниже по потоку катализатора, на основе поперечной чувствительности к аммиаку, также позволяют сделать вывод о содержании аммиака в отработавших газах ниже по потоку катализатора.

Аналогичным образом, в ЕР 2 025 388 A1 используются датчики для определения измеренных значений в блоке очистки отработавших газов, который работает с SCR-катализатором, который регулируется относительно добавок и накопления аммиака с учетом измеренных значений на основе модели.

Из DE 10 2007 045 263 A1 известен способ регулирования подачи восстановителя в системе нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с SCR-катализатором, SCR-моделью аккумулирования, блоком управления и дозирующим устройством, который должен обеспечить оптимизацию количества восстановителя, подаваемого на катализатор, независимо от измеряемых параметров, определяемых исключительно согласно реакции восстановления, и посредством которого, по отношению к SCR катализатору, обязательно должен предотвращаться проскок восстановителя. Для блока управления, в качестве входных параметров, определяются необработанные выбросы оксида азота, температура аккумулирования и уровень аккумулирования. На основании этого осуществляется вычисление максимально возможной скорости преобразования, а также вычисление аммиака, потребляемого в качестве восстановителя. На основании этого получают выходящее через катализатор количество оксидов азота и аммиака, а также выдают управляющий сигнал, обладающий обратной связью с SCR моделью аккумулирования, который влияет через модель аккумулирования на величину количества восстановителя, вводимого посредством дозирующего устройства, и который вместе с вводимым количеством, учитываемым в модели аккумулирования, учитывается посредством модели аккумулирования для уровня аккумулирования, который образует входной параметр для блока управления.

В DE 10 2010 025 382 A1 раскрывается SCR катализатор, в который вводится вверх по потоку восстановитель и тело катализатора которого, аналогично DE 10 36 942 B4, разделено на пластины поперек направлению потока. Это обеспечивает возможность определения существенных для функционирования катализатора параметров для каждой пластины, а также возможность использования для результата в целом существенных для результата в целом изменений в следующих друг за другом пластинах, в частности, в отношении их способности к накоплению восстановителя.

Благодаря изобретению, при учете распределения температуры по длине блока нейтрализации отработавших газов на основе модели, система двигатель-блок нейтрализации отработавших газов регулируется таким образом, что при приемлемых затратах как правило обеспечивается соблюдение заданных предельно допустимых концентраций отработавших газов, в частности, законодательно установленных предельно допустимых концентраций отработавших газов.

Это достигается признаками п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах раскрываются предпочтительные варианты осуществления изобретений. Другие детали изобретения раскрываются в описании и на чертежах.

В основу изобретения положена идея, что по отношению к блоку нейтрализации отработавших газов, предпочтительно катализатору, в частности, SCR катализатору, для определения распределения температуры на основе модели и связанной с этим способностью SCR катализатора к накоплению NH₃, блок нейтрализации отработавших газов разделяют в поперечном направлении, в частности, перпендикулярно направлению потока, на множество пластин. Для каждой из этих пластин, вычисляется температура и концентрация газа в модели, причем, по отношению к направлению потока, выходные значения соответствующей предшествующей пластины являются входными значениями для последующей пластины.

Для каждой из пластин известным способом выполняется количественный баланс. Результаты этих количественных балансов используются для того, чтобы по отношению к примеру SCR катализатора в качестве блока нейтрализации отработавших газов блока, определять уровень накопления NH₃и воздействовать на него. В принципе, посредством такой термической модели, объем SCR катализатора и накопленное в нем количество NH₃ может лучше использоваться и учитываться при дозировании восстановителя, следовательно, по отношению к SCR катализатору - количества NH₃, так что при оптимизированной скорости превращения возможно избегать проскоков NH₃.

Разделение на пластины позволяет, таким образом, по отношению к SCR катализатору, осуществлять виртуальное определение концентрации NH₃ и/или NO_x в пластинах, соответственно виртуальному датчику. За счет пространственного разрешения количества запаса NH₃, превращения ΝΟ_х и окисления NH₃, в соответствии с выполненным по модели разделением тела катализатора на пластины, в переходных условиях лучше используется объем запаса NH₃ и предотвращается проскок NH₃.

В соответствии с вычислением температуры в осевом направлении в пластинах и в соответствии с контролем посредством измерения входной и выходной температуры для блока нейтрализации отработавших газов, в частности SCR катализатора, моделируется радиальное распределение температуры пластины. С этой целью каждая пластина виртуально, соответственно разделению тела катализатора в осевом направлении на пластины, разделяется в радиальном направлении на сегменты, будь то концентричные друг другу кольца, прямоугольные параллелепипеды или иным образом сформированные, в частности, сформированные регулярным образом сегменты, которые дополняются до соответствующего тела в форме пластины. Метод вычисления для определения температуры соответствует методу вычисления, характерному в случае осевой модели пластин, причем, по отношению к уже измеренной температуре окружающей среды, учитываются тепловые потери, возникающие по периметру.

Для контроля и калибровки вычисленного радиального распределения температуры предпочтительно, наряду с измерением температуры, предусмотренным на входной и выходной стороне, в частности с помощью датчиков температуры, предусмотрено дополнительное измерение температуры с выходной стороны, с помощью которого температура регистрируется на участках, отстоящих радиально от периметра с выходной стороны, в частности благодаря тому, что по меньшей мере два датчика температуры расположены в различных радиальных положениях. Вместо такого дополнительного измерения температуры с выходной стороны, можно также применять только один датчик, если он посредством своего позиционирования по отношению к катализатору размещен в положении, в котором имеет место соответствующая средняя температура, например, на большем расстоянии в осевом направлении от катализатора.

За счет комбинированного радиального и осевого моделирования температуры достигается оптимальное использование соответствующего блока нейтрализации отработавших газов, так, например, в случае катализаторов - обеспечивается возможность уменьшения конструктивного пространства, а в случае фильтров твердых частиц с активной регенерацией посредством оптимизированного способа регенерации - обеспечивается также экономия топлива.

Осевое и радиальное вычисление температуры, по отношению к соответствующим пластинам разделенного согласно модели тела блока нейтрализации отработавших газов, осуществляется в соответствии с изобретением с учетом радиальной теплопередачи по периметру блока нейтрализации посредством сопротивления R_c теплопередачи и при вычислении передачи тепла от отработавшего газа к материалу блока нейтрализации отработавших газов, следовательно, к сегментам блока нейтрализации, с учетом коэффициента k теплопередачи.

Этот тип основанного на модели определения распределения температуры блока нейтрализации отработавших газов согласно настоящему изобретению имеет особое преимущество за счет основанного на модели определения распределения температуры, предусматривающей предоставление также выходных значений, которые в модели, в зависимости от того, изменяются ли температуры отработавших газов, измеренные перед блоком нейтрализации отработавших газов через заданные временные интервалы, по сравнению с временным средним значением, и различаются ли они между стационарным или нестационарным режимом работы.

В настоящем изобретении предполагается, что стационарный режим работы имеет место, когда температура отработавших газов, измеренная перед блоком нейтрализации отработавших газов, в частности, через регулярные временные интервалы, не проявляет больших, то есть лежащих выше заданного порогового значения, отклонений относительно временного среднего значения. Пороговое значение может быть переменным, то есть может устанавливаться в зависимости от других краевых условий, и предпочтительно составляет по меньшей мере, например, 1К, но может лежать внутри диапазона, кратного этой величине. Если по отношению к этому стационарному режиму работы для средней температуры, измеряемой после блока нейтрализации отработавших газов, возникают отличия от усредненной температуры модели после блока нейтрализации отработавших газов, лежащие ниже порогового значения, то осуществляется корректировка модели, а именно, таким образом, что сопротивление R_c теплопередачи изменяется, пока не будет достигнуто совпадение. В описанном стационарном режиме работы, таким образом, осуществляется корректировка модели к фактическому состоянию путем изменения сопротивления R_с теплопередачи.

Модель температуры для блока нейтрализации отработавших газов представляется, в частности, как SCR модель температуры, тем самым, для вышеупомянутого стационарного режима работы как контур регулирования, который может настраиваться путем изменения сопротивления R_c теплопередачи для достижения устойчивого состояния. На практике, часто возникающие краткосрочные изменения соотношений перетока к блоку нейтрализации отработавших газов, в частности, к катализатору, по существу не влияют на модель.

Ситуация меняется, если, в частности, при изменениях нагрузки соответствующей величины, условия эксплуатации для блока нейтрализации отработавших газов - при необходимости, дополнительно, изменяются таким образом, что возникают отклонения температуры отработавших газов, измеренной перед блоком нейтрализации отработавших газов, следовательно, например, перед катализатором, относительно временного среднего значения. В этом случае предполагается, что более низкое по весу сопротивление R_c теплопередачи в течение относительно короткого переходного процесса остается таким же, но изменившиеся условия могут быть учтены посредством изменения коэффициента k теплопередачи, который зависит от скорости потока отработавшего газа и, таким образом, от нагрузки.

Направление, в котором должно изменяться значение k, то есть коэффициент теплопередачи, образуется из измеренных и вычисленных профилей температуры за время, определенное на основе средних температур после блока нейтрализации отработавших газов, и первых двух производных этого. В зависимости от относительного временного положения определенных максимумами и минимумами значений точек перегиба на кривой производной, значение k увеличивается или уменьшается.

Несмотря на то, что значение R_c сопротивления теплопередачи, учитывающее условия для окружающей среды блока нейтрализации отработавших газов, считается постоянным в нестационарном режиме, то есть для временного интервала, определенного в качестве нестационарного, измененная теплоотдача в окружающую среду учитывается также в нестационарном режиме, так как на основе изменения внутренних температур пластин получается измененный тепловой поток в радиальном направлении.

Получаемая после блока нейтрализации отработавших газов, особенно после катализатора, особенно SCR катализатора, усредненная температура модели определяется таким образом, что температуры, вычисленные для опорных поверхностей, например, колец, последней пластины усредняются в соответствии с их составляющими площади. Далее, предполагается, что коэффициент k теплопередачи по крайней мере для определенных уровней нагрузки и соответствующих режимов потока отработавших газов является известным, а также корректным, так чтобы для стационарного и нестационарного режима в связи с этим могли применяться те же условия, а для корректировки модели - в нестационарном режиме путем изменения значения k - имелась аналогичная база сопоставлений. В нестационарном режиме можно, помимо корректировки SCR модели, изменять подаваемое количество NH₃ и/или, при необходимости, также осуществлять регулирование двигателя внутреннего сгорания.

SCR катализатор в рамках изобретения предпочтительно включен в схему регулирования, которая функционирует в дополнение к SCR модели с устройством вспомогательного управления и регулятором, и которая при необходимости также используется для корректировки модели. В частности, схема регулирования используется для корректировки аккумулирующей емкости, определенной с помощью SCR модели, в случае изменения нагрузки при условии, что в SCR модели обеспечивается достаточная скорость превращения за счет корректировки аккумулирующей способности, и требуемая скорость превращения быстро согласуется с реальными условиями.

Изменение аккумулирующей способности SCR модели обычно требуется только при изменении нагрузки с большим изменением температуры. Для определения аккумулирующей способности непрерывно через определенные временные интервалы в SCR модели вычисляется соответствующая максимальная аккумулирующая способность и мгновенная загрузка пластины катализатора. Тем самым на основе SCR модели обеспечиваются основные данные для принятия решения, следует ли предпринять корректировку в отношении накопления путем повышения загрузки NH₃ или корректировку в отношении выгрузки путем уменьшения загрузки NH₃. Решение на основе этих основных данных и, следовательно, в зависимости от аккумулирующей способности, выносится в результате сравнения соответствующего заданного значения выбросов, в частности, заданного в качестве значения выбросов законодательно определенного предельно допустимого значения выбросов для NO_x и вычисленного по модели значения ΝΟ₃, вычисление которого выполняется в устройстве вспомогательного управления.

Так, например, при полученном из вычисления по модели значении NO_x, которое лежит выше заданного значения выбросов в качестве номинального значения, должна выполняться корректировка, так как в катализаторе происходит слишком незначительное превращение, и за счет увеличения дозируемого количества NH₃, то есть путем накопления NH₃должно достигаться заданное превращение, согласованное с заданным значением выбросов. Для накопления соответственно повышают количество NH₃,впрыскиваемое с помощью устройства вспомогательного управления.

Обычно посредством устройства вспомогательного управления впрыскиваемое количество NH₃ устанавливается таким образом, что соответственно соблюдается заданное значение выбросов, в частности, зачастую являющееся специфическим для каждой страны, законодательно установленное предельно допустимое значение выбросов для NO_x на уровне, например, 0,67 г/кВтч, причем значение NH_3, аккумулированное в SCR модели, увеличивается или уменьшается в соответствии с определенным отклонением значения NO_x, вычисленного по модели, от заданного значения выбросов. Так, например, при слишком большом превращении NO_x и вычисленном на его основе в устройстве вспомогательного управления значении ΝΟ₃, которое лежит ниже заданного значения выбросов, приостанавливается инжекция NH₃ посредствомустройства вспомогательного управления, т.е. недостаток подачи NH₃ покрывает потребление NH₃ посредством отвода NH₃.

При меньших отклонениях, как правило, в стационарном режиме работы, предполагается, что SCR модель корректно отрегулирована в отношении аккумулирующей способности пластин. В этом случае регулятор уравнивает фактическое значение, измеренное после SCR, к вычисленному заданному значению NO_x после катализатора путем поэтапной регулировки соответствующего дозируемого количества. Отклонения возникают, например, за счет неточностей дозирования.

Таким образом, посредством регулятора при меньших отклонениях значений NO_X, вычисленных в SCR модели, от измеренных значений NO_x после SCR катализатора при известных условиях осуществляют согласование вводимой массы ΝΟ₃ с наложением и независимо от установок устройства вспомогательного управления, чтобы обеспечить быстрое согласование в отношении соблюдения значений выбросов NO_x.

К входным параметрам, которые предоставляются SCR моделью и обрабатываются в устройстве вспомогательного управления, по меньшей мере, по существу относятся следующие: NO после SCR, ppm; NO₂ после SCR, ppm; максимально превращаемый NO, моль/с; максимально превращаемый NO₂, моль/с; NO превращенный, моль/с, NO₂ превращенный, моль/с; NH₃, максимальное количество, моль, аккумулируемый; NH₃, моль, аккумулированный.

В коррекции модели, интегрированной в схему регулирования, в определенные моменты времени определяется временной профиль разности между заданным значением выбросов NO_x и соответствующим значением NO_x, вычисленным по модели. Если эти значения совпадают, следовательно, также совпадают нанесенные по времени кривые NO_x этих значений, то модель по отношению к аккумулирующей способности NH₃ и скорости превращения NO_x отрегулирована корректным образом. Если кривые не совпадают, то площадь между кривыми является мерой ошибки модели. Если эта ошибка модели превышает пороговое значение, то модель изменяется в отношении аккумулирующей способности.

Поскольку аккумулирующая способность изменяется медленно по мере старения катализатора, то коррекцию модели предпочтительно осуществлять только при отводе, тем более что ошибка модели при отводе прослеживается более отчетливо, чем при накоплении. Если производится подгонка модели, то в SCR модели совместно определяется изменение аккумулирующей способности, обусловленное старением, так что в соответствии с изобретением может также обеспечиваться то, что, несмотря на вызванное дрейфом вследствие старения уменьшение максимальной аккумулирующей способности для NH₃, в течение периода эксплуатации обеспечивается достаточная максимальная скорость превращения.

В рамках изобретения в SCR модели согласно известным приведенным ниже основным реакциям определяются NO_x-реакции в качестве химических реакций для SCR-управления/регулирования по отношению к мочевине в качестве восстановителя.

1) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O,

как быстрая реакция

2) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

как стандартная реакция и

3) 6NO₂+8 NH₃→7N₂+12H₂O

как медленная реакция.

Характеристики для превращений, определенные на испытательном стенде для материала катализатора, и аккумулирующая способность NH₃ составляет важную основу для SCR модели и определяемых в ней процессов.

Исходя из этого, осуществляется определение общего превращения в оксиды азота, то есть полученного после катализатора значения NO_x, причем по отношению к отдельным пластинам катализатора, определяемым с помощью моделирования, скорость потока, температура, NO_x-концентрация и имеющиеся в пластине количества NH₃ учитываются в первую очередь.

Другие детали и признаки изобретения раскрываются в формуле изобретения, последующих пояснений и на чертежах, на которых показано:

Фиг. 1 - схематичное изображение виртуального, разделенного в осевом направлении на пластины SCR катализатора, в качестве примера также для других блоков нейтрализации отработавших газов, образованных катализаторами и/или фильтрами твердых частиц,

Фиг. 2 и 3 - поперечно направлению потока сегментированные в поперечном сечении пластины катализатора,

Фиг. 4 - схематичное представление термических процессов в SCR модели,

Фиг. 5 - схематичное и обобщенное представление соответствующей изобретению схемы регулирования на блок-схеме процесса,

Фиг. 6 - принципиальное представление динамической коррекции по отношению к термическим процессам в SCR модели,

Фиг. 7 - обзор схемы регулирования соответствующего изобретению катализатора, регулируемого на основе модели SCR, и

Фиг. 8 и 9 - представления для графического определения количества накопленного и отобранного NH₃ для накапливаемого или отбираемого количества NH₃, скорректированного за счет корректировки модели.

На практике известны и широко описаны в литературе, в частности в патентной литературе, системы приводов, работающие прежде всего с дизельными двигателями, в которых на выходе двигателя используются системы нейтрализации отработавших газов, с помощью которых определенные компоненты отработавших газов, в частности, содержащиеся в отработавших газах вредные вещества, должны по возможности полностью удаляться из отработавших газов или по меньшей мере должны делаться безвредными. Для уменьшения оксидов азота, содержащихся в обогащенных кислородом отработавших газах дизельного двигателя, используется, в частности, так называемая SCR-технология, согласно которой оксиды азота селективно восстанавливают до азота и воды с помощью аммиака или соответствующего вещества-предшественника, преобразуемого в аммиак.

Для того чтобы это достигалось с высокой скоростью преобразования для оксидов азота, в частности, следует учитывать температурно-зависимую способность катализатора накапливать NH₃, которая изменяется прежде всего в зависимости от условий эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, а также от условий окружающей среды и по длине обтекания катализатора. Эти изменения в реальных условиях, в частности при разумных затратах, невозможно определить. Поэтому параллельно с регистрацией температур путем измерения на стороне входа и на стороне выхода катализатора в нем виртуально на основе модели определяется распределение температуры, чтобы с учетом определенных в результате измерения значений температуры и виртуально определенных значений температуры получить наиболее точную картину распределения температуры, и в частности с учетом этого иметь возможность управлять и/или регулировать подачу восстановителя, то есть предпочтительно вещества, образующего аммиак, также в корреляции со способностью катализатора к накоплению.

На Фиг. 1 показано задаваемое в модели сегментирование тела катализатора путем разделения в осевом направлении на большее количество пластин с помощью представления трех пластин 1-3, расположенных друг за другом в направлении обтекания катализатора, и пунктирной линией 5 обозначена оболочка, окружающая тело катализатора. В соответствии с потоком отработавших газов, направляемым через катализатор, пластины 1-3 нагружаются массовым расходом

В соответствии с выбросами двигателя и инжекции восстановителя в поток отработавших газов, последний получает массовые доли m NO, NO₂ и NH₃, с которыми коррелируют соответствующие доли n количеств вещества, которые меняются в зависимости от соответствующих скоростей превращения при прохождении через пластины с 1 по 3. Согласно иллюстрации, выходные значения одной пластины, например, пластины 1, представляют входные значения следующей пластины, например, пластины 2. С учетом происходящих в пластинах в каждом случае реакций, для каждой из пластин получается соответствующая температура Т_{пластины}, а также накапливаемое в пластине соответствующее количество вещества nNH₃ в молях, причем температурный эффект из реакций в пластинах по сравнению с вкладом тепла из потока отработавших газов значительно меньше.

При уточнении определения температуры для пластин можно, что не показано, также определять теплопроводность между последовательными пластинами. Все накопленное в катализаторе количество вещества NH₃ соответствует сумме накопленных в пластины количеств nNH₃.

На фиг. 1 смоделирован профиль температуры в осевом направлении в катализаторе по пластинам, и сначала для каждой из пластин определяется соответствующая температура Т_{пластины}, но радиальное распределение температуры по каждой из пластин считается постоянным. Но и в радиальном направлении реально получается, теперь, соответственно, в пределах соответствующей пластины температурная стратификация со спадом температуры к оболочке 5, для которой температура окружающей среды обычно заметно ниже температуры катализатора.

Если, как в изобретении, для каждой из виртуальных пластин принять радиальное распределение температуры не постоянным, то это обуславливает для каждой из пластин 1-4 виртуальное подразделение на сегменты, как схематично показано на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 в этом отношении показаны виртуальные сегменты 6, которые окружают друг друга радиально, причем в этом представлении центральный сегмент окружен большим числом кольцевых сегментов.

Другой тип сегментирования проиллюстрирован на фиг. 3, причем в отличие от представления на фиг. 2, предусмотрена оболочка 5 не в форме кольца, а четырехугольная оболочка, соответственно которой поперечно направлению обтекания четырехугольного поперечного сечения пластины 1-4 виртуально сегментированы на параллелепипеды 7.

На фиг. 2 и 3, по отношению к соответственно сегментированному в модели телу катализатора, для определения температуры потока отработавших газов, заданной на стороне притока и на стороне оттока тела катализатора, показано размещение элементов определения температуры, в частности датчиков 8, 9.

На основе предусмотренного в модели радиального сегментирования и связанной с этим возможности определения радиального распределения температуры по соответствующей виртуальной пластине, на выходной стороне катализатора может реально осуществляться определение температуры в различных радиальных областях, таких, как показано на фиг. 3, с помощью двух датчиков 9 и 10, расположенных на выходной стороне в разных радиальных положениях. Усредненная температура на выходной стороне может определяться тем, что температуры, вычисленные для сегментов, определяются соответственно их составляющим площадей и усредняются. Альтернативой этому является сенсорное определение температуры отработавших газов на расстоянии от катализатора, на котором выходящие отработавшие газы уже перемешались, и имеет место средняя температура, которая должна определяться с помощью датчика.

Соответствующая изобретению возможность учета осевого (аксиального) и радиального распределения температуры показана на фиг. 4 и, в частности, обеспечивает особые преимущества также в отношении осуществления схемы регулирования на основе модели, которая будет рассмотрена ниже.

На фиг. 4 показана в основных чертах тепловая модель SCR катализатора, в которой в соответствии с фиг. 1 температура T перед KAT (перед катализатором) и массовый расход

От обтекающей газовой массы, зарегистрированной соответственно по отношению к пластине, происходит теплопередача в материал катализатора с учетом коэффициента k теплопередачи, причем материал катализатора соответствующей пластины символически обозначен как аккумулятор 19 и 20 тепла соответственно. Ориентируясь на реальный катализатор, для тела катализатора, символически обозначенного аккумуляторами 19, 20 тепла, по периметру катализатора, в соответствии с заданными разностями температур, возникает перепад температур. Согласно фиг. 4 и в соответствии с символически изображенной оболочкой 5, в направлении окружающей среды возникает сопротивление теплопередаче, символически на фиг. 4 как сопротивление R_c теплопередачи.

В показанной на фиг. 4 тепловой модели предполагается, что в соответствии с условиями режима эксплуатации на практике имеются стационарные и нестационарные рабочие фазы и что между этими рабочими фазами может и должно проводиться различие по крайней мере в случае, когда температура отработавших газов, измеряемая через регулярные временные интервалы перед блоком нейтрализации отработавших газов, в частности перед катализатором, изменяется по отношению к временному среднему значению за соответствующие периоды времени. Если это не происходит, то предполагается стационарное или установившееся состояние, в ином случае - нестационарное состояние. Соответственно используются различные контуры регулирования.

В соответствии с, как правило, меньшим влиянием радиальной теплопередачи на температуру блока нейтрализации отработавших газов, выполненного, в частности, как катализатор, от тела блока нейтрализации, в частности, тела катализатора, в окружающую среду, в стационарном режиме происходит согласование за счет изменения сопротивления R_C теплопередачи через устройство 22 регулирования. Стационарный режим определяется в модели в соответствии с ранее охарактеризованными условиями посредством обнаружения стационарности, обозначенное в блоке 21. Устройство 22 регулирования учитывает разность температур Т на выходной стороне после блока нейтрализации отработавших газов, в отношении SCR катализатора, следовательно, после датчика Kat (измеренная) и T после модели (расчетная). Если происходят соответствующие отклонения от временного среднего значения температуры Т отработавших газов, измеренной на входной стороне, перед блоком нейтрализации отработавших газов, в частности перед катализатором, то коэффициент k теплопередачи изменяется. Это происходит потому, что коэффициент k теплопередачи изменяется в зависимости от скорости потока отработавших газов и, таким образом, в зависимости от нагрузки, и к тому же на теплосодержание соответствующей аккумулирующей пластины - а также на корпус блока нейтрализации отработавших газов, в частности катализатора в целом - гораздо большее влияние оказывает температура протекающих отработавших газов, чем теплопередача от соответствующей пластины в окружающую среду. Изменение коэффициента k теплопередачи осуществляется на основе блока 23 с учетом описанных динамических факторов.

На Фиг. 5 показан ранее охарактеризованный процесс в форме блок-схемы, причем вновь в качестве примера и для других блоков нейтрализации отработавших газов будут даваться отсылки на SCR катализатор, так что Т после КАТ или Т перед КАТ также используются для Т после блока нейтрализации отработавших газов или Т перед блоком нейтрализации отработавших газов, независимо от того, измерены ли они или вычислены. Согласно блоку 30, в вычислении по модели осуществляется динамическая коррекция температуры Т отработавших газов после датчика КАТ, измеренной на выходной стороне блока нейтрализации отработавших газов, вычисление температур газа и вычисление температуры в теле катализатора с поперечным распределением при определении теплопередачи в окружающую среду через сопротивление R_c теплопередачи и при определении теплопередачи от отработавших газов в тело катализатора через коэффициент k теплопередачи, причем расчет по модели осуществляется сверху вниз.

Измеренная температура отработавших газов на входной стороне, обозначенная как T перед КАТ, регистрируется в блоке 31 и после прохождения через блок 32 компенсации положения полюсов обрабатывается в вычислении по модели согласно блоку 30. Измеренная температура отработавших газов на выходной стороне, обозначаемая как Т после КАТ, согласно блоку 33 посредством компенсации положения полюсов согласно блоку 34 направляется в блок 35, в котором осуществляется коррекция измеренной температуры отработавших газов Т после КАТ датчика в соответствии с вычисленной температурой отработавших газов Т после КАТ модели. В отношении вычисленной температуры отработавших газов Т после КАТ модели, осуществляется, с учетом результатов согласно блоку 30, взвешенное формирование среднего значения в блоке 36, которое как результат подается через блок 37 в качестве вычисленной температуры отработавших газов Т после КАТ датчика в блок 35.

С учетом выполненной в блоке 35 коррекции измеренной выходной температуры Т после КАТ датчика и вычисленной выходной температуры Т после КАТ модели, осуществляется разграничение между стационарным и нестационарным режимом работы, причем посредством распознавания стационарности согласно блоку 38 и последующей коррекции сопротивления R_c теплопередачи (блок 40), значение R_c сопротивления теплопередачи в качестве параметра вводится в расчет по модели согласно блоку 30. При заданном распознавании нестационарности согласно блоку 39 посредством коррекции согласно блоку 35 между измеренной и вычисленной выходной температурой Т после КАТ, осуществляется коррекция коэффициента k теплопередачи в блоке 41 с последующим вводом в расчет по модели согласно блоку 30. В нем происходит учет температуры Т окружающей среды, предоставленной согласно блоку 42.

На Фиг. 6 наглядно показана учитываемая в блоке 30 динамическая коррекция температуры Т после КАТ датчика, измеренной с выходной стороны блока нейтрализации отработавших газов, следовательно, коррекция температурных значений, зарегистрированных датчиком и, тем самым, искаженных из-за инерционности датчика. Последние (представлены пунктиром) после символически обозначенной в блоке 45 компенсации положений полюсов, которая вычислительным образом компенсирует инерционность датчика, сглаживаются в фильтре нижних частот и наносятся на их временную характеристику и относящуюся к ней производную. Для одинакового временного интервала также соответствующим образом определяется полученная на основе модели - то есть вычисленная - температура Т после КАТ модели и представляется на диаграмме сплошной линией. При соответствующем смещении временного положения точек перегиба, соответствующих максимумам или минимумам кривых производных, существует потребность в коррекции, причем коррекция предполагает минимизацию данного временного смещения. Это осуществляется путем соответствующего изменения значений k путем уменьшения или увеличения в расчете по модели. Для коррекции значения k оно рациональным образом корректируется на одинаковый порядок величины, например, примерно на процент в плюс или в минус. Соответствующие производным числовые значения определяются в блоках 46 и 47 и наносятся на диаграмму.

Вычисление распределения температур на основе модели в модели блока нейтрализации отработавших газов, в частности, описанное выше вычисление на основе модели применяется в схеме регулирования для блока нейтрализации отработавших газов, в частности, в SCR катализаторе согласно Фиг. 7.

На фиг. 7, как уже ранее было отмечено для SCR катализатора в качестве примера для других блоков нейтрализации отработавших газов, ссылочными позициями обозначены: 50 - SCR катализатор, 51 - SCR модель, в частности, вышеописанного типа, 52 - устройство вспомогательного управления, 53 - регулятор и 54 - коррекция модели.

В SCR модели дополнительно, в частности, параллельно к моделируемому вычислению температуры, учитывается зависимая от температуры аккумулирующая способность NH₃ в зависимости от концентрации NH₃ в отработавших газах, в частности, в отношении характеристик на основе данных, определенных на испытательном стенде для соответствующего материала катализатора. При учете этого аккумулирующего свойства и далее воспроизведенных основных реакций определяется суммарное превращение NH₃, которое коррелировано с разницей доли NH₃ перед КАТ относительно доли после КАТ, и с помощью которого можно определить значение NH₃,установленное в качестве целевого значения, например, значение выбросов, которое необходимо соблюдать в соответствии с законодательными нормами.

К упомянутым основным реакциям относятся:

1) NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

как быстрая реакция

2) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

как стандартная реакция и

3) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

как медленная реакция.

Для расчета по модели можно в приближении исходить из того, что более быстрая реакция соответственно заканчивается, прежде чем начинается наиболее длительная реакция, так что с точки зрения техники вычислений может быть принято, что реакции протекают последовательно друг за другом. После соответственно более быстрой реакции превращенные количества NO и NO₂вычитаются из выходных количеств, и после каждой реакции определяется количество NH₃,содержащееся в объеме пластины.

В отношении схемы регулирования согласно фиг. 7 SCR модель 51 предоставляет, таким образом, наиболее точное отображение SCR катализатора 50 относительно обрабатываемых параметров, а также выходных значений, особенно значений NO_x.

В соответствии с этим входными параметрами для SCR модели по отношению к отработавшим газам, протекающим через SCR катализатор, являются следующие: NO, NO₂, масса отработавших газов, температура Т перед и после КАТ и NH₃. Со стороны выхода определяются: NO_x, NO/NO₂ превращенное, NO/NO₂ максимально превращенное, NH₃ аккумулированное и NH₃ максимальное и аккумулированное. В устройстве 52 вспомогательного управления осуществляется вычисление потребности превращения NH₃, а также подлежащее накоплению и отводу количество NH₃, подаваемые в SCR модель 51 и в SCR катализатор 50. Функция регулятора 53 по отношению к SCR катализатору 50 состоит в определении возможного дополнительного дозируемого количества, чтобы в отдельных случаях корректировать SCR катализатор 50 в соответствии с SCR моделью 51.

Исходя из того что посредством устройства вспомогательного управления на основе заданных величин SCR модели 51 вычисляется впрыскиваемое в качестве восстановителя количество NH_3,согласованное соответственно с заданным значением выбросов, следовательно, согласованное с NO_x после КАТ, и исходя из того, что соответствующее впрыскивание инициируется, посредством коррекции 54 модели осуществляется оценка в том отношении, имеется ли между SCR моделью 51 и SCR катализатором 50 большее отклонение, причем это характерно в случае, когда в устройстве вспомогательного управления «отведенное количество не равно нулю». Если это имеет место, то в модели выполняется изменение максимальной аккумулирующей способности и тем самым согласование устройства вспомогательного управления для последующего изменения нагрузки, так как устройство 52 вспомогательного управления, со своей стороны, работает на основе данных, предоставляемых SCR моделью 51. К ним относятся: NO после SCR-Кат, ppm; NO₂ после SCR-Кат, ppm; максимально превращаемый NO, моль/с; максимально превращаемый NO₂, моль/с; NO превращенный, моль/с; NO₂ превращенный, моль/с; NH₃, максимальное количество, моль, аккумулируемый; NH₃, моль, аккумулированный. В соответствии с тем, что коррекция модели производится только в случае, когда в устройстве вспомогательного управления имеет место условие: «отводимое количество не равно нулю», коррекция модели осуществляется только в фазе отвода.

В соответствии с данными, заданными SCR моделью, устройство вспомогательного управления регулирует инжектируемое количество NH₃ в том отношении, что сохраняется соответственно заданное значение выбросов, например, законодательно установленное значение выбросов. Для этого в устройстве вспомогательного управления непрерывно на основе данных, полученных от SCR модели, вычисляется выходное значение NO_x и сравнивается с заданным значением выбросов. Если получаются большие отклонения, то за счет изменения инжектируемого в SCR модели количества NH₃, измеряемого посредством устройства 52 вспомогательного управления, увеличивают или уменьшают подаваемое количество NH₃.

Например, вычисленное посредством устройства 52 вспомогательного управления значение NO_x, равное 0,5 г/кВтч, может привести к большому превращению NO_x по отношению к значению выбросов, например, законодательно установленному значению выбросов 0,67 г/кВтч. В соответствии с этим устройство 52 вспомогательного управления приостанавливает инжекцию NH₃. Если превращение NO_x меньше, чем заданное значение выбросов, то устройство 52 вспомогательного управления инициирует увеличение инжектируемого количества NH₃. Аккумулирование NH₃ осуществляется таким образом, что опасность проскока исключается.

Посредством коррекции 54 модели, к определенным моментам времени определяется временной профиль между реально установившимся NO_x после КАТ и NO_x, вычисленным по модели. Если между этими значениями получается разность, и если на диаграмме эти значения наносятся как значения NO_x по времени на кривых, то площадь между кривыми является мерой для ошибки модели. Если эта ошибка модели превышает пороговое значение, то аккумулирующая способность в модели изменяется. Такие изменения предпринимаются в соответствии с изобретением предпочтительно только во время фазы отвода, так как аккумулирующая способность в результате старения катализатора изменяется медленно, и к тому же по сравнению с фазой аккумулирования ошибка модели более заметна. Во взаимосвязи с такой коррекцией, осуществляемой посредством коррекции 54 модели, также предпочтительно автоматически учитывается старение катализатора.

Должна ли SCR модель при соответствующих условиях корректироваться также в отношении ее максимальной аккумулирующей способности, то есть, требуется ли повышение или снижение аккумулирующей способности, зависит от определяемых датчиком, следовательно, измеренных значений NO_x. Справедливо соотношение: NO_x-модель - NO_x реальное >0: аккумулирующую способность модели повысить, <0: аккумулирующую способность модели снизить.

В стационарном режиме при малых отклонениях значений NO_x, вычисленных в SCR модели 51, от измеренных значений NO_x после SCR катализатора 50 регулятор 53, при известных условиях, осуществляет функцию согласования впрыскиваемой массы NH₃ с наложением на и независимо от установок устройства 52 вспомогательного управления, чтобы обеспечить быстрое согласование в отношении соблюдения значений выбросов NH₃.

Это согласование предпочтительно осуществляется за счет того, что превращение NO_x или превращение NH₃ определяется через аккумулирующую загрузку, и отклонения фактической загрузки от загрузки, соответствующей заданному превращению, определяются в качестве меры того, в каком количестве следует осуществлять аккумулирование или отведение. В случае аккумулирования аккумулируемое количество соответствует разности между фактической загрузкой и соответствующей заданному превращению, по отношению к линейной интерполяции кривой загрузки между фактическим значением загрузки и максимальной загрузкой. В случае отведения, отводимое количество соответствует разности фактической загрузки и линейной интерполяции кривой загрузки между фактической загрузкой и ее переходом через точку пересечения осей, как показано на Фиг. 8 и 9.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 пластина

2 пластина

3 пластина

4 пластина

5 оболочка

6 сегмент

7 параллелепипед

8 датчик

9 датчик

10 датчик

15 компенсация положения полюсов

16 газовая масса аккумулятора тепла

17 газовая масса аккумулятора тепла

18 блок

19 аккумулятор тепла

20 аккумулятор тепла

21 блок обнаружения стационарности

22 устройство регулирования

23 блок - динамика согласно фиг. 6

Блоки

31 Т перед КАТ (измеренная температура)

32 компенсация положения полюсов

33 Т после КАТ (измеренная температура)

34 компенсация положений полюсов

35 коррекция температур

Т после КАТ измеренная/Т после КАТ вычисленная

36 формирование среднего значения

37 блок

38 распознавание стационарности

39 распознавание нестационарности

40 коррекция R_c

41 коррекция k

42 температура окружающей среды

45 компенсация положений полюсов

46 числовые значения

47 числовые значения

m массовая доля

n доли количества вещества

Tgas

n NO [г/моль]

n NO₂ [г/моль]

n NH₃ [г/моль]

n NH₃ пластины [г/моль]

R_c сопротивление теплопередачи

Т после КАТ датчика (измеренная)

Т после КАТ датчика (вычисленная)

Т перед SCR (измеренная)

k коэффициент теплопередачи

Реферат

Изобретение относится к способу определения распределения температуры блока нейтрализатора для отработавших газов. Способ основан на модели определения распределения температуры блока нейтрализации для отработавших газов, в частности катализатора, также в качестве SCR катализатора, или фильтра частиц, с аксиально-обтекаемыми отработавшими газами и в модели блока нейтрализации по меньшей мере аксиально-сегментированным выполнением, аксиальной теплопередачей между сегментами по меньшей мере преимущественно через отработавший газ, а также с радиальной теплопередачей от периметра блока нейтрализации в окружающую среду. В модели, в зависимости от того, изменяются ли температуры отработавших газов, измеренные перед блоком нейтрализации через заданные, в частности равные временные интервалы, по отношению к временному среднему значению, различают стационарный и нестационарный режим работы, а также осуществляют вычисление радиальной теплопередачи по периметру блока нейтрализации с учетом значения (R) сопротивления теплопередачи и вычисление теплопередачи от отработавшего газа к сегментам блока с учетом коэффициента (k) теплопередачи. Учитывают отклонения температуры, вычисленной по модели, после блока нейтрализации от усредненной температуры, измеренной после блока нейтрализации, в стационарном режиме работы посредством согласования значения (R) сопротивления теплопередачи, а в нестационарном режиме работы посредством согласования коэффициента (k) теплопередачи. Техническим результатом изобретения является обеспечение соблюдения предельно допустимых концентраций отработавшего газа. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула