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      控制和診斷一維三元催化劑模型的制作方法

      文檔序號:8470062閱讀:267來源:國知局
      控制和診斷一維三元催化劑模型的制作方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本公開涉及內(nèi)燃發(fā)動機中空燃比的反饋控制。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 利用催化劑實現(xiàn)汽油發(fā)動機中的排氣排放控制在催化劑原料氣空-燃比接近化 學(xué)計量比時是最有效的。在汽油發(fā)動機的現(xiàn)實世界操作期間,會出現(xiàn)偏離化學(xué)計量比的情 況。二氧化鈰通常被添加到催化劑中以用作氧存儲裝置的緩沖器,以幫助抑制排放物的泄 漏并增大關(guān)于化學(xué)計量比空-燃比的操作窗口。所存儲的氧可以基于催化劑監(jiān)控傳感器和 /或基于物理學(xué)的催化劑模型而被維持在期望的設(shè)定值。
      [0003] 控制和診斷排氣排放物的一種方法是利用基于物理學(xué)的模型確定催化劑中所存 儲氧的水平,該基于物理學(xué)的模型包括在一個或多個維度中具有多種排氣種類的多個偏微 分方程式。另一種方法利用軸向均化的基于物理學(xué)的零維度模型,該零維度模型包括可被 分組為氧化劑組和還原劑組的多種排氣種類。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 然而,本發(fā)明人已經(jīng)意識到以上方法的問題。利用在一個或多個維度中包括多個 偏微分方程式的模型確定所存儲氧的水平會難以實現(xiàn)并且通常比發(fā)動機控制器中可用的 處理能力需要更多的處理能力。進(jìn)一步地,利用零維度模型可能忽略參數(shù)并且由于所述模 型的降階而不會精確預(yù)測冷啟動期間的排放物。
      [0005] 因此,在一個示例中,以上問題可以通過用于發(fā)動機排氣系統(tǒng)的方法至少部分 地被解決。在一個實施例中,該方法包括基于催化劑的部分氧化狀態(tài)(a fractional oxidation state)調(diào)節(jié)燃料噴射量,所述部分氧化狀態(tài)基于排氣物種類在一維模型中的反 應(yīng)率,所述一維模型針對催化劑的流體相和涂層(washcoat)在時間和空間上被均化為質(zhì) 量平衡和能量平衡方程式。在橫向方向的梯度用于說明內(nèi)部和外部質(zhì)量傳遞系數(shù)。這可以 通過將所述化學(xué)排氣物種類分組為兩組或較少組來提高一維模型的計算時間,所述兩組或 較少組可以包括氧化劑組和還原劑組,其中單一擴散率值可以被使用。
      [0006] 例如,所述部分氧化狀態(tài)可以基于從精細(xì)的二維模型推導(dǎo)出的一維模型而被確 定。所述模型可以跟蹤穿過所述催化劑的兩種或更少種被分組的化學(xué)排氣種類的演變。進(jìn) 一步地,所述模型也在所述涂層內(nèi)說明擴散,通過使用有效的質(zhì)量傳遞概念在涂層中發(fā)生 反應(yīng)。因此,簡化的一維模型可以被用來預(yù)測所述催化劑的總儲氧容量和部分氧化狀態(tài)二 者。這些可以被使用在發(fā)動機空-燃比的反饋控制中,以便將所述催化劑的部分氧化狀態(tài) 維持在期望的量。進(jìn)一步地,如果催化劑活性或所述總儲氧量低于閾值,可以指示催化劑退 化。
      [0007] 本公開可以提供若干優(yōu)點。例如,可以減少投入到所述催化劑模型的處理資源。進(jìn) 一步地,排放物控制可以通過將所述催化劑維持在期望的部分氧化狀態(tài)而被改善。另外,在 冷啟動期間的排放物可被精確地預(yù)測用于實時加燃料控制。本方法的另一個優(yōu)點在于其提 供了用于控制和診斷的非侵入式催化劑監(jiān)控器,這較少地依賴傳感器位置并因此同樣適用 于局部和全體積催化劑系統(tǒng)兩者。
      [0008] 當(dāng)單獨或結(jié)合附圖時,根據(jù)下列【具體實施方式】將易于了解本說明書的上述優(yōu)點和 其他優(yōu)點以及特征。
      [0009] 應(yīng)該理解,提供上面的
      【發(fā)明內(nèi)容】
      是以簡化的形式介紹在【具體實施方式】中進(jìn)一步描 述的一些概念。這并不意味著確定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或基本特征,要求保護(hù)的主題的 范圍由所附【具體實施方式】的權(quán)利要求唯一地限定。此外,要求保護(hù)的主題不限于解決上述 或本公開中任何部分所提及的任何缺點的實施方式。
      【附圖說明】
      [0010] 圖1簡要示出示例車輛系統(tǒng)。
      [0011] 圖2示出用于估計催化劑增益的控制操作。
      [0012] 圖3A-圖3C簡要示出內(nèi)環(huán)控制策略和外環(huán)控制策略的示例圖。
      [0013] 圖4是示出根據(jù)本公開的實施例用于監(jiān)控催化劑的示例方法的流程圖。
      [0014] 圖5是示出根據(jù)本公開的實施例用于確定催化劑的氧化狀態(tài)的示例方法的流程 圖。
      【具體實施方式】
      [0015] 為了減少排放物的泄漏,催化劑可以利用氧存儲材料(例如以氧化鈰形式的二氧 化鈰)在富偏離或稀偏離期間為氧提供緩沖。進(jìn)入催化劑的空-燃比可以被控制,使得催 化劑的氧化狀態(tài)被維持在期望的水平。在本公開的一個示例模型中,在催化劑入口處通過 出口的各種排氣物種類(例如H 2、CO、NOx、HC和02)的濃度可以使用簡化的一維模型被建 模,該簡化的一維模型將各種排氣物種類分組為兩組或更少組的互相排斥組。所述模型用 于說明復(fù)雜的催化劑動態(tài)特性(比如在涂層中的擴散限制和反應(yīng)以及內(nèi)部質(zhì)量傳遞系數(shù) 和外部質(zhì)量傳遞系數(shù)所說明的催化劑老化和梯度),并且通過將化學(xué)種類歸并為只有兩組 或較少組利用其減少的數(shù)量而在空間和時間上將該動態(tài)特性簡化為被均化的一組方程式。 所述模型方程式跟蹤僅兩組或較少組的排氣物種類在所述催化劑的流體相中和在涂層中 的平衡。所述模型能夠精確預(yù)測在冷啟動期間的排放物,并減少在發(fā)動機操作期間用于實 時控制燃料噴射的計算要求。進(jìn)一步地,所述模型補償在催化劑的流體相和涂層中的總體 能量平衡。
      [0016] 具體地,所述模型可跟蹤兩組排氣物種類(例如氧化劑組和還原劑組)的濃度變 化,以便確定所述催化劑的部分氧化狀態(tài),這可以用來控制發(fā)動機的空-燃比。所述化學(xué) 排氣物種類被分組為氧化劑組和還原劑組的分組進(jìn)一步減少實時加燃料控制,因為該兩組 能夠被選擇以具有幾乎相似的分子質(zhì)量并且允許使用單一擴散率值。進(jìn)一步地,催化劑增 益可以被確定并被應(yīng)用于所述模型以跟蹤總儲氧容量的變化,其可指示所述催化劑是否退 化。圖1示出包括催化劑和控制系統(tǒng)的示例發(fā)動機。圖2到圖5示出可由圖1的發(fā)動機執(zhí) 行的各種控制程序。
      [0017] 圖1示出車輛系統(tǒng)6的示意圖。車輛系統(tǒng)6包括具有多個氣缸30的發(fā)動機10。 發(fā)動機10包括進(jìn)氣裝置23和排氣裝置25。進(jìn)氣裝置25包括經(jīng)由進(jìn)氣通道42流體耦接到 發(fā)動機進(jìn)氣歧管44的節(jié)氣門62。排氣裝置25包括通向至排氣通道35的排氣歧管48,所 述排氣通道35將排氣傳送到大氣。排氣裝置25可包括一個或多個排放控制裝置70,排放 控制裝置可被安裝在排氣裝置中的緊湊式位置中。一個或多個排放控制裝置可包括三元催 化劑、稀NOx捕集器、柴油或汽油微粒過濾器、氧化催化劑等。應(yīng)當(dāng)理解,其他部件可被包括 在所述發(fā)動機中,諸如各種閥和傳感器。
      [0018] 發(fā)動機10可接收來自燃料系統(tǒng)(未示出)的燃料,該燃料系統(tǒng)包括燃料箱和用于 加壓輸送到發(fā)動機10的噴射器66的燃料的一個或多個泵。雖然僅不出單個噴射器66,但 是每個汽缸可以提供另外的噴射器。應(yīng)當(dāng)理解,所述燃料系統(tǒng)可以是無回流燃料系統(tǒng)、回 流燃料系統(tǒng)或各種其他類型的燃料系統(tǒng)。所述燃料箱可以保存多種燃料混合物,包括具有 一系列酒精濃度的燃料(比如包括E10、E85、汽油等以及它們組合的各種汽油-乙醇混合 物)。
      [0019] 車輛系統(tǒng)6進(jìn)一步可以包括控制系統(tǒng)14??刂葡到y(tǒng)14被示出接收來自多種傳感 器16 (其各種示例將在本文中描述)的信息并且向多種致動器81 (其各種示例將在本文中 描述)發(fā)送控制信號。作為一個示例,傳感器16可以包括位于排放控制裝置上游的排氣 傳感器126 (比如線性UEG0傳感器)、溫度傳感器128和下游排氣傳感器129 (比如二進(jìn)制 HEG0傳感器)。如本文更詳細(xì)所討論的,其他傳感器(比如壓力、溫度和成分傳感器)可被 耦接到車輛系統(tǒng)6中的各個位置。在一個示例中,例如,致動器可包括"消息中心",所述消 息中心包括操
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