测量废气后处理系统的氮氧化物和氨排放的方法和设备与流程

本发明涉及废气后处理系统，特别是用于诸如柴油发动机或汽油发动机的内燃机的废气后处理系统，并且特别涉及用于测量废气后处理系统的输出侧的氮氧化物和氨排放以控制或调节具有内燃机的发动机系统的方法。

背景技术：

1、由于法律规定，需要对具有内燃机的发动机系统(特别是在机动车辆中)的排放进行车载测量或车载监视。优选地应当使用业已存在的废气传感器来进行这种监视。由于传统的氮氧化物传感器已在机动车辆中用于废气后处理系统的输出侧，因此将这些氮氧化物传感器用于所需的监视。

2、在废气lambda值大于1的发动机运行情况下，可以很好地探测到排放的氮氧化物。然而，在内燃机的导致废气lambda值(燃烧废气的气体混合物的化学计量空气燃料比)小于1的运行类型中形成氨。此外，输出侧常用的氮氧化物传感器对形成的氨具有交叉灵敏度，从而在发动机系统的特定运行类型下无法准确确定氮氧化物排放，即燃烧废气中的氮氧化物浓度或氮氧化物质量流量。由于还必须监视氨排放，因此还希望也基于氮氧化物传感器的测量信号来测量氨排放，即燃烧废气中的氨浓度或氨质量流量。

3、目前，对应的氮氧化物传感器主要用于柴油发动机的废气后处理系统。然而，特别是废气lambda值小于1的运行类型主要出现在汽油发动机中，从而必须创建监视经过后处理的燃烧废气中的氨排放的可能性。

技术实现思路

1、因此，本发明的任务是使用布置在废气后处理系统的输出侧的氮氧化物传感器的测量信号，以确定具有汽油内燃机的发动机系统的燃烧废气中的氮氧化物和氨排放。

2、该任务通过根据权利要求1的用于确定具有内燃机的发动机系统的燃烧废气中的氮氧化物和氨排放的方法以及根据并列独立权利要求的对应设备和具有废气后处理系统的发动机系统来解决。

3、进一步的设计在从属权利要求中说明。

4、根据第一方面，设置了一种用于利用输出侧的对氨具有交叉灵敏度的氮氧化物传感器确定发动机系统的废气后处理系统的废气流中的氮氧化物排放和氨排放的方法，所述发动机系统具有特别是空气引导的(汽油)内燃机，所述方法具有以下步骤：

5、-检测所述氮氧化物传感器的测量信号；

6、-根据局部运行条件，借助于所提供的转换模型确定串联布置在废气流中的多个催化器片段中的每一个催化器片段的部分转换说明，所述转换模型将局部运行条件映射为所述部分转换说明；

7、-从多个部分转换说明中确定转换说明；

8、-根据所述测量信号和所述转换说明确定氮氧化物排放和氨排放。

9、可以规定，所述氮氧化物排放和氨排放被分别说明为燃烧废气中的氮氧化物和氨浓度、燃烧废气中的质量份额和/或氮氧化物和氨质量流量。

10、废气后处理系统(特别是具有诸如汽油发动机的内燃机的发动机系统)的输出侧的氮氧化物排放和氨排放的确定有助于运行发动机系统，使得达到涉及消耗和排放的总体最佳化。使用布置在废气后处理系统的输出侧的氮氧化物传感器既测量氮氧化物排放又测量氨排放使得能够紧凑地实现污染物排放监视。

11、上述方法规定，基于模型来确定经过后处理的废气质量流量的成分，并且对应地评估布置在废气后处理系统的输出侧的氮氧化物传感器的测量信号，以确定氮氧化物排放和氨排放。为此，基于模型连续计算当燃烧废气流过串联布置在废气后处理系统中的各个催化器片段时的氮氧化物数量减少，从而在最后一个催化器片段的输出侧从氮氧化物传感器产生的测量信号中获得关于氮氧化物排放和氨排放的贡献量的说明。

12、氮氧化物数量减少可以作为说明转换为氨的氮氧化物数量的转换说明来提供。所述转换说明可以被提供为说明氮氧化物排放和氨排放的贡献量的说明，并且可以以用于与测量信号一起考虑的划分因子或用于与输入侧的氮氧化物质量流量一起考虑的转换因子的形式来说明。

13、转换说明通过燃烧废气在穿过串联布置在废气后处理系统中的催化器片段(所谓的砖)时的传播来得出，其中向第一(最上游)催化器片段的输入侧仅输送氮氧化物(无氨，因为氨不是燃烧废气的组成部分)。根据各个催化器片段的运行范围，在输入侧流入的燃烧废气中的相应氮氧化物份额根据相应的运行范围被转换为氨和/或n2、co2和h2o。根据运行范围，所包含的氨份额也可以被转换为n2和h2o。

14、相应催化器片段的运行范围特别是可以由轴向方向和/或径向方向(相对于燃烧废气的流动方向)上的温度或温度变化过程、废气lambda值、存储的氧气和/或油气的数量以及必要时老化状态来确定。

15、可以借助于预给定的转换模型来进行转换说明的基于模型的确定。所述转换模型可以被构造为物理(数学)模型或特征曲线族模型。

16、可以规定，所述转换模型考虑以下变量中的至少一个作为运行条件：所涉及催化器片段的温度、存储的氧气数量、流过的氮氧化物的氮氧化物质量流量以及流过的燃烧废气的废气质量流量。

17、因此，各个催化器片段中氨的形成取决于每个催化器片段中的局部条件。在划分因子作为转换说明的情况下，该划分因子说明如果对应的氮氧化物传感器分别位于所涉及催化器片段的输出侧，则必须如何划分传感器信号。因此，在每个催化器片段之后适用的转换说明分别由所涉及催化器片段的输入侧的废气成分(即氮氧化物含量和氨含量)、所涉及催化器片段的温度或轴向温度变化过程、废气lambda值和必要时所涉及催化器片段的老化状态得出。

18、在此可以借助于本身已知的废气温度模型来确定催化器片段的温度或轴向温度变化过程。

19、此外，所涉及催化器片段中存储的氧气含量确定了氮氧化物和氨之间的转换。氧气含量可以根据催化器片段的输入侧和输出侧的lambda传感器的信息来确定，或者可以从o2路径模型(例如用于相应催化器片段的基于模型的o2填充水平调节)获得。根据存储的氧气数量，一部分氨可以再次分解。然后，转换说明朝着输出侧燃烧废气中更高的氮氧化物份额和更低的氨份额的方向变化。

20、从在催化转换器单元的输入侧输送的燃烧废气中已知的氮氧化物排放开始，现在可以借助于基于模型确定的转换说明和氮氧化物传感器的测量信号来确定氮氧化物排放和氨排放，所述测量信号通常以测量电压或测量电流的形式存在。排放可以分别被说明为氮氧化物或氨的质量流量，或者燃烧废气中氮氧化物或氨的浓度。

21、氮氧化物传感器测量取决于传感器位置处的氮氧化物和氨浓度的总和信号。基于传感器特征曲线将该总和信号转换为氮氧化物浓度。氮氧化物排放和氨排放的确定可以基于氮氧化物传感器对于氮氧化物或氨的测量灵敏度来进行。对应地为了基于为使用的氮氧化物传感器预给定的传感器特征曲线来测量氮氧化物排放，根据传感器信号来换算测量灵敏度。该换算可以按照以下方式进行，好像测量信号的100％是由氮氧化物引起的。如果在氮氧化物传感器那里对于探测到的氮氧化物排放和氨排放存在不同的测量灵敏度，则可以根据氮氧化物传感器的氮氧化物和氨的测量灵敏度比率来校正所确定的氨排放。

22、因此，为了确定氨排放，可以考虑氮氧化物传感器在氨的探测方面的传感器灵敏度的差异。

23、对于所有方案，测量信号值与传感器位置处计算的氮氧化物排放之间的差是由于氨的存在而造成的。借助于交叉灵敏度校正，由此可以确定废气中经过校正的氨浓度。

24、借助于前面确定的转换说明，计算废气后处理系统的输出侧的燃烧废气中的氮氧化物浓度。nox原始排放(即存在于废气系统的输入侧)和反应后的氮氧化物(根据转换说明)之间的差产生了传感器位置处(即废气后处理系统的输出侧)的物理氮氧化物排放。

25、传感器测量值(“100％_nox当量”)与输出侧氮氧化物传感器的传感器位置处的计算的nox排放之间的差是由于nh3的存在而造成的。

26、此外，根据氨的摩尔质量与整个燃烧废气的摩尔质量的比率，可以确定废气质量流量中的氨质量份额。然后可以使用整个废气质量流量将该氨质量份额换算为氨质量流量。类似地，根据氮氧化物的摩尔质量与燃烧废气的摩尔质量的比率，可以确定燃烧废气中的氮氧化物质量份额，并且可以借助于总废气质量流量来计算氮氧化物质量流量。

27、转换说明可以被说明为划分因子，该划分因子说明将测量信号划分为燃烧废气的氮氧化物含量和氨含量的贡献量。

28、为了确定划分因子作为可能的转换说明，首先假设在输入侧划分因子为1，该划分因子向燃烧废气分配100％的氮氧化物排放。内燃机的原始排放不包含氨。在催化器片段中的特定运行条件下形成氨，所述特定运行条件取决于催化器片段的温度范围或其轴向温度变化过程、输入侧的废气lambda值、存储的氧气和/或油气的数量等等。氨的形成和氨的分解取决于每个单独的催化器片段中的局部条件，并且可以借助于预给定的转换模型以基于模型的方式来加以确定。因此，通过催化器片段的串联布置，可以通过相乘或可选的相加来逐步改变划分因子，使得在该催化器片段串联中的最后一个催化器片段的输出侧存在待考虑的划分因子，可以利用该划分因子对氮氧化物传感器的测量信号进行划分。

29、替代地可以规定，所述转换说明被说明为一个或多个转换因子，所述转换因子说明流经相应催化器片段的燃烧废气中被化学转换的氮氧化物的份额。

30、替代方案在于，观察废气后处理系统的输入侧的氮氧化物质量流量，并确定在通过废气后处理系统的途中在每个催化器片段中多少数量的氮氧化物分别反应来作为转换说明。为此，初始的氮氧化物原始排放可以借助于传感器或模型来加以确定。在此，当废气lambda值小于1时，氮氧化物排放在催化器片段中或者基于第一转换因子转换为氨，或者在与油气co和hc的反应中基于第二转换因子转换为co2、n2和h2o。转换因子说明关于体积份额的转换程度。氮氧化物原始排放与催化器片段中反应的氮氧化物之间的差导致废气后处理系统的输出侧(即位于输出侧氮氧化物传感器的传感器位置处)的氮氧化物排放。

31、可以规定，所述转换模型考虑以下变量中的至少一个作为运行条件：所涉及催化器片段的温度、存储的氧气数量、流过的氮氧化物的氮氧化物质量流量以及流过的燃烧废气的废气质量流量。

32、氮氧化物排放和氨排放可以用于控制发动机系统的运行，特别是用于控制或调节空气燃料比，特别是使得氮氧化物排放和氨排放最小化。