用于多相催化器的老化识别的方法、内燃机废气后处理系统和内燃机

摘要

本发明涉及一种用于多相的催化器（5）的老化识别的方法，具有如下步骤：在经过催化器（5）的介质流中检测催化器（5）下游的至少一个测量信号（17、19）；把随时间变化的输入信号（15）调制到介质流和/或催化器（5）上；根据随时间变化的输入信号（15）分析至少一个测量信号（17、19）的特性；获取催化器（5）的老化状态。

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1的用于多相催化器的老化识别的方法、一种根据权利要求11的内燃机废气后处理系统和一种根据权利要求15的内燃机。

多相催化器，即，其材料以一种相态或物态存在，该相态/物态不同于要借助催化器转化的介质的相态或物态，作为主要的工作原理，所述催化器吸收并蓄存至少一种组分，所述组分参与借助催化器进行的还原。吸收或蓄存能力受到老化，这种老化通常无法预测，或者无论如何都几乎无法预测。在此，有各种不同的机理促使催化器老化。例如会发生毒化，在这种情况下，并未参与所希望的反应的物质永久地滞留在催化器表面上，进而阻挡了参与反应的物质的化合位置。也可能发生热老化，其具体方式尤其为，固态催化器材料的表面区域烧结在一起成为较大的颗粒，从而减小了可供催化使用的表面积。催化器材料基架中的化学结构也会随着时间而改变，其中，表面上的化合能量发生改变。这会要么导致反应物以减小的规模化合在表面上，但也可能会导致化合能量明显地增多，从而一次性化合的反应物无法再释放出来而是保持化合。由此也占用了化合位置，这些化合位置无法再供后续催化使用。特别是由于多种多样的可能的老化机理和各种不同的过程，几乎无法预测具体催化器的实际老化。但已表明，对催化反应的建模需要蓄存能力作为输出参数。这种建模经过特殊的实施，以便使得内燃机能够在遵守法定排放极限值的情况下运行。在此，所述建模特别是用来调节内燃机的废气后处理系统，和/或用于调节内燃机本身。

按照用来对催化器的催化反应建模的已知方法，估算该催化器的蓄存能力并将其视为恒定。催化器的老化在此通常被算作为全局性的恶化因素，这种恶化因素有时用预先确定的时间关系来规定。由德国公开文献DE 10 2011 114 700 A1已知一种用于催化器的老化识别的方法，但其仅局限于催化器的全局性转化力下降。采用该方法无法直接探测蓄存能力。

本发明的目的因而在于，提出一种无所述缺点的方法，其中，特别是允许在催化器的老化识别过程中精确地且直接地检测蓄存能力。本发明的目的还在于，提出无所述缺点的废气后处理系统以及内燃机。

该目的的实现方式为，提出具有权利要求1的特征的方法。按照该方法，在经过催化器的介质流中检测催化器下游的至少一个测量信号。把随时间变化的输入信号调制到介质流和/或催化器上，根据随时间变化的输入信号分析至少一个测量信号的特性。通过这种方式获取催化器的老化状态。至少一个测量信号的特性在一定程度上被视为对随时间变化的输入信号的响应，所述特性在此直接与多相催化器的蓄存能力有关。因此，该蓄存能力进而还有催化器的老化状态可以直接由测量信号的特性简单地、稳妥地且可靠地识别出来。这里提出的方法因而提供了用来测量多相催化器的蓄存能力的直接的可行方案。

术语“随时间变化的输入信号”尤其系指一种随着时间的推移而具有—优选周期性的—变化的信号。该信号优选具有一定的波形，例如正弦形或矩形，或者也可以具有复杂的波形，这种复杂波形优选可作为一些简单波形的叠加而产生。输入信号优选具有固定的频率、幅度和/或相位。但这并不排除输入信号的至少一个参数、特别是前述参数之一在所述方法中发生变化。例如可行的是，在所述方法中改变输入信号的频率、幅度和/或相位。

特别是与时间相关地检测至少一个测量信号。在此，根据随时间变化的输入信号来分析所述测量信号的时间相关的特性。输入信号的频率和/或相位优选是已知的和/或预先给定，这明显简化了对测量信号特性的分析。特别是可以分析其频率，和/或分析输入信号的相位。

优选对所分析的特性与至少一个特性曲线和/或至少一个特性曲线族相比较，由此获知催化器的老化状态，其中，特性曲线和/或特性曲线族具有催化器的指配于测量信号特性的老化状态。替代地或附加地可行的是，借助模型来求取催化器的老化状态，测量信号特性作为输入参数输入所述模型中。作为老化状态，优选直接求取催化器的蓄存能力。

所述方法的一种优选的实施方式的特点是，该方法被实施用于内燃机的废气后处理。在该方法中特别优选地获取在内燃机的废气后处理系统中使用的催化器的老化状态。该方法在此优选是对内燃机的控制或调节的一部分。采用该方法获取的老化状态，优选催化器的蓄存能力，特别是在对废气后处理系统和/或内燃机的控制或调节中参与到催化反应的建模中，其中，这种建模需要蓄存能力作为输出参数。该催化器优选可以是被设计用来对氧化氮进行有选择性的催化还原的催化器（SCR催化器），和/或是氧化催化器。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，在老化识别时考虑至少一个测量信号的幅度变化。因而已表明，测量信号的幅度与催化器的老化状态有关。替代地或附加地，在老化识别时优选考虑至少一个测量信号的相位—特别是所述测量信号相对于输入信号的相移。因而已表明，相位也与催化器的老化状态有关。按照所述方法的一种优选实施方式，随时间变化的输入信号的参数、特别是其频率和/或相位保持恒定。在此，在输入信号的参数保持恒定的情况下，测量信号的—特别是相对于输入信号的—幅度变化和/或相位变化，表明了催化器的老化状况。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，改变随时间变化的输入信号。特别优选地改变随时间变化的输入信号的至少一个参数、例如频率、相位和/或幅度。在老化识别时考虑至少一个测量信号对输入信号变化的响应。因而已表明，测量信号以独特的方式—与催化器的蓄存能力相关地—对输入信号的变化做出反应。测量信号的这种反应因而可以被考虑用来老化识别，特别是用于确定催化器的蓄存能力。在此优选观察测量信号对输入信号变化的动态响应或反应。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，改变随时间变化的输入信号，而催化器的其它条件保持恒定。这尤其意味着，优选仅仅改变随时间变化的输入信号，而催化器工作的全部其它边界条件都保持恒定。由此避免对测量信号的各种不同的影响串混或混合，且能以特别高的精度进行老化识别。特别优选地，仅仅改变随时间变化的输入信号的一个参数，例如仅改变频率，仅改变相位，或者仅改变幅度，而输入信号的全部其它参数都保持不变，优选催化器的全部其它运行条件也都保持不变。由此可以再次提高该方法的精确度，因为变化的条件的数量越少，测量信号的动态响应就越能表明催化器的蓄存能力。例如可行的是，作为催化器的条件，使得要催化转化的介质的经过该催化器的物质流保持恒定，例如使得内燃机的废气物质流保持恒定，和/或使得催化器区域中的温度保持恒定。

替代地或附加地，该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，在老化识别时考虑至少一个测量信号与催化器的至少一个条件的关系，特别是考虑至少一个测量信号对催化器的至少一个变化的条件做出的反应。在此优选考虑测量信号的时间特性与催化器的至少一个边界条件的关系。例如可以将系统的抑制性作为催化器温度的函数存储为特性曲线，其中，根据抑制性相对于所存储的特性曲线的变化来确定出催化器的老化。根据输入信号对测量信号的分析在此按下述方式进行，考察也与随时间变化的输入信号有关的抑制性。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，检测在催化器下游的两个不同的测量信号，并与随时间变化的输入信号相关地分析所述测量信号的特性。在此可行的是，两个测量信号彼此分开地予以考察，其中，例如针对每个测量信号都幅度变化和/或相位变化。视边界条件而定，优选将一个或另一个测量信号考虑用于老化识别。替代地可行的是，共同地分析或考察两个测量信号，其中，例如把催化器的由这些测量信号算得的蓄存能力相互比较和/或计算，例如采用求平均值的方式进行所述计算。在此可行的是，借助不同的测量信号求取的蓄存能力在其计算时予以加权，其方式例如为，形成经加权的平均值。通过共同地分析或考察两个不同的测量信号，可以在所述方法中引入冗余，从而提高所述方法的精确度。而若彼此分开地考察这些信号，就始终都要根据所产生的其它条件来选择允许更精确的老化识别的测量信号。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，在老化识别时考虑第一和第二测量信号之间的相移。特别优选地考虑相移的变化，以用于老化识别。因而考察两个不同的测量信号的相对相位，其中，该相位和尤其是其变化表明了催化器的蓄存能力和老化状态的情况。可行的是，在随时间变化的输入信号的参数固定的情况下考察相移，从而该输入信号不变化。也可行的是，把相移作为对随时间变化的输入信号的变化的动态响应予以考察和分析。在此尤其是分析催化器对输入条件的规定的变化所做出的动态响应。已表明，催化器的老化，特别是催化器的蓄存能力的变化，导致了其动态特性的变化，进而特别是导致了测量信号对变化的输入条件做出的动态响应的变化。通过考察两个不同的测量信号之间的相移，可进行特别精确的老化识别。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，作为第一和/或第二测量信号，检测介质流中的要借助催化器予以转化的预先确定的物质的量。作为所述物质的量，优选考察其在介质流中的浓度或局部压力。该介质流优选是内燃机的废气。要借助催化器予以转化的物质可以是氧化氮。也可以将废气中的总体氧化氮浓度或者总体氧化氮局部压力用作测量信号。替代地或附加地，优选将废气中的还原剂的量考虑作为测量信号。在此，所述还原剂优选是氨，或者是氨-前身物质，例如是尿素-水-溶液。因此特别地，作为测量信号，优选测量催化器下游的氨泄漏。优选针对被构造成SCR催化器的催化器采用氧化氮浓度—其中，术语“浓度”在此是术语“局部压力”的同义词—和/或还原剂浓度。也可行的是，作为测量信号，考虑采用一氧化碳浓度和/或烃浓度。这些测量信号优选在催化器被用作氧化催化器时采用。也可以采用λ值作为测量信号。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，作为输入信号，采用在催化器上游要配给到介质流中的、待借助催化器转化的物质的配给信号。该配给信号在此优选用于控制配给机构，该配给机构用来将所述物质配给到介质流中。在此，配给信号的频率和/或相位是已知的和/或可预定的。特别地，配给信号的频率和/或相位优选可改变，从而可以改变随时间变化的输入信号的至少一个所述参数。在此，用于将还原剂配给到内燃机的废气流中的频率通常小于10Hz。作为要配给的物质，可以采用还原剂，特别是尿素-水-溶液或氨。优选在作为催化器采用SCR催化器时就是这种情况。作为要配给的物质，也可以采用燃料特别是烃。这在作为催化器采用氧化催化器时是特别优选的。

该方法的一种同样优选的实施方式的特点是，在催化器上游要配给到介质流中的、待借助催化器转化的物质的配给信号与所获取的老化状态相关地产生。配给信号因而适配于催化器的蓄存能力，进而适配于其老化。因而可以将催化系统的特别是废气后处理系统的参数精确地调节至催化器的老化状态。例如可以将SCR系统中的还原剂阀门的配给频率保持最小，从而能以这种方式使得还原剂阀门的服务时间最大化。在此尤其可以将催化器新用状态下的配给频率选择得较低，其中，该配给频率随着催化器的日益老化而提高。因而已表明，在新用状态下的具有高蓄存能力的催化器对测量信号的与输入信号有关的特性具有明显的抑制作用。因此，测量信号，即使当输入信号具有低频率时，测量信号的波动也并非很明显。而催化系统的惯性随着蓄存能力的减小而降低，从而该系统对输入信号的变化、特别是也对输入信号的时间变化做出更为剧烈的反应。抑制作用降低，从而测量信号与随时间变化的输入信号有关地出现更为剧烈的波动。在这种情况下有益的是，提高输入信号的频率，由此可以降低测量信号的时间波动。因而优选通过提高输入信号的频率对催化器的动态反应时间的缩短做出反应。

实现所述目的的方式还有，提出一种具有权利要求11的特征的用于内燃机的废气后处理系统。该废气后处理系统具有多相催化器，以及具有输入信号产生机构，用于将随时间变化的输入信号调制到经过催化器的介质流上和/或调制到催化器上，其中，该输入信号产生机构优选设置在催化器的上游。设有至少一个传感器，用来检测至少一个测量信号。该传感器优选设置在催化器的下游。所述废气后处理系统的特点在于一种被设计用来实施根据前述实施方式中任一项的方法的控制器。因而与废气后处理系统相结合地实现了已结合所述方法介绍过的优点。

该控制器优选被设计用来实施所述方法，其方式为，该方法固定地实施在电子结构中，特别是实施在控制器的硬件中。替代地可行的是，将计算机程序产品装载到控制器中，其具有指令，当计算机程序产品在控制器上运行时，根据这些指令来实施所述方法。该控制器优选与输入信号产生机构作用连接，以及与用来检测至少一个测量信号的至少一个传感器作用连接，以便能够实施所述方法。

可行的是，按照所述方法采用一个唯一的传感器。在此可行的是，仅仅检测一个测量信号。替代地可行的是，这个传感器例如在交叉灵敏的意义下对两个不同的测量信号灵敏。因而例如可行的是，这个传感器既对氧化氮浓度灵敏，又对废气中的氨浓度灵敏。替代地可行的是，设置至少两个传感器，优选恰好设置两个传感器，这些传感器优选被设计用来检测至少两个不同的测量信号。在此，这些传感器优选也不同地构造。例如可行的是，第一传感器被构造成氧化氮传感器，其中，第二传感器被构造成氨传感器。

该废气后处理系统的一种优选的实施例的特点是，催化器被构造成SCR催化器。替代地可行的是，催化器被构造成氧化催化器。此外替代地可行的是，催化器被构造成颗粒过滤器，其具有催化活性涂层，特别是SCR涂层或氧化催化涂层。该方法在此针对这里提到的全部催化器都有利地可应用于老化识别。

该废气后处理系统的一种同样优选的实施例的特点是，输入信号产生机构被构造成在催化器上游要被配给到介质流中的、待借助催化器转化的物质的配给机构。在此优选可调节该配给机构的频率、相位和/或幅度。作为幅度，优选可调节配给机构的阀门的打开行程。该配给机构可以被构造用于配给还原剂特别是尿素-水-溶液或氨。也可行的是，配给机构被构造用于配给燃料、特别是烃。该废气后处理系统的一种同样优选的实施例的特点是，传感器被构造成氧化氮传感器、氨传感器、一氧化碳传感器、烃传感器和/或λ传感器。在此优选地，氧化氮传感器和/或氨传感器特别是结合以被构造成SCR催化器的催化器，或者结合以带有SCR涂层的颗粒过滤器。被构造成一氧化碳传感器、烃传感器和/或λ传感器的传感器优选结合以被构造成氧化催化器或被构造成带有氧化催化涂层的颗粒过滤器的催化器。可行的是，氧化氮传感器被构造成对氨交叉灵敏的传感器。通过这种方式可行的是，氧化氮浓度和氨浓度共同地利用唯一的传感器予以测量。替代地可行的是，一方面设有用于氧化氮浓度的单独的传感器，另一方面设有用于氨浓度的单独的传感器。

最后，实现所述目的的方式还有，提出一种具有权利要求15的特征的内燃机。该内燃机具有根据前述实施例中任一项的废气后处理系统。因而与内燃机结合地实现了已经结合所述方法和所述废气后处理系统介绍过的优点。

内燃机优选被构造成活塞式发动机。按照一种优选的实施例，该内燃机用于驱动特别是重型陆上或水上交通工具，例如采矿车、火车或者船只，其中，内燃机安装在火车头或机动车中。该内燃机也可以用来驱动用于护卫的交通工具例如坦克车。内燃机的一个实施例优选也固定不动地使用，例如用于在紧急发电工作中固定地供电、持久负荷运行或尖峰负荷运行，其中，内燃机在这种情况下优选驱动发电机。内燃机的固定式应用也可以用来驱动辅助设备例如钻井平台上的灭火泵。此外，内燃机可以应用在化石原生物质特别是燃料例如石油和/或天然气的输送领域中。内燃机也可以应用在工业领域中，或者应用在建造领域中，例如应用在建造机械或建筑机械中，比如应用在吊车或挖掘机中。内燃机优选被构造成柴油发动机、汽油发动机、靠天然气、生物气、特殊气体或另一种合适的气体工作的燃气发动机。特别是当内燃机被构造成燃气发动机时，它适合于应用在中央热电站中固定地产生能量。

对所述方法的说明和对废气后处理系统以及内燃机的说明应彼此互补地予以理解。废气后处理系统的或内燃机的、明确地或者隐含地结合所述方法介绍过的那些特征，优选是废气后处理系统的或内燃机的实施例的优选各自的或相互组合的特征。明确地或者隐含地结合废气后处理系统或内燃机介绍过的那些方法步骤优选是所述方法的优选实施方式的个别的或相互组合的方法步骤。该方法的特点优选是由废气后处理系统的或内燃机的至少一个特征引起的至少一个方法步骤。废气后处理系统的或内燃机的特点优选是由所述方法的至少一个方法步骤引起的至少一个特征。

下面参照附图详述本发明。在此：

图1为带有废气后处理系统的内燃机的实施例的示意图；

图2为在所述方法的实施方式中测量信号的与输入信号相关的变化情况的示意性的曲线图。

图1所示为内燃机1的实施例的示意图，其具有废气后处理系统3。该废气后处理系统3具有多相的催化器5，该催化器设置在内燃机1的废气道7上。废气作为介质流可沿着废气道7引导，该介质流经过催化器5，其中，废气所包含的至少一定的物质借助催化器5被转化。

在催化器5的上游设有输入信号产生机构9，其被设计用来把随时间改变的输入信号调制到在废气道7中流动的介质流上。这里在催化器5的下游设有第一传感器11和第二传感器12，这些传感器被设计用来检测在经过废气道7引导的介质流中的、因而在内燃机1的废气中的两种不同的测量信号。为了实施所述方法，设有控制器13，该控制器一方面与输入信号产生机构9作用连接，另一方面与传感器11、12作用连接。在此，控制器13被设计用来实施前述方法的实施方式。

按照内燃机1的和废气后处理系统3的一个优选实施例，催化器5被构造成氧化催化器。在这种情况下，输入信号产生机构9优选被设计成配给机构，用来将燃料、特别是烃配给到废气流中，其中，所述燃料借助氧化催化器5被转化。这例如可以用来提高废气的温度。在这种情况下，传感器11、12优选被构造成一氧化碳传感器、烃传感器和/或λ传感器。

按照内燃机1的和废气后处理系统3的另一个实施例，催化器5优选被构造成SCR催化器，用来对在催化器5上游的废气所包含的氧化氮予以选择性的催化还原。在此，输入信号产生机构9优选被构造成配给机构，用来配给还原剂、特别是尿素-水-溶液或氨。在这种情况下，传感器11、12优选被构造成氧化氮传感器和氨传感器，后者用来用于检测氨泄漏。替代于两个传感器11和12，也可行的是，设置一个单独的传感器，借助于该传感器既可测量废气中的氧化氮浓度，又可以测量其中的氨浓度。该传感器可以是对氨交叉灵敏的氧化氮传感器。

将参照图2介绍所述方法的优选实施方式。该方法在此被实施用来在内燃机1的废气后处理系统3中对SCR催化器予以老化识别，其中，采用了输入信号产生机构9，其被构造成用于尿素-水-溶液或氨的配给机构，其中，作为两种不同的测量信号，采用了氧化氮传感器的测量信号和氨传感器的测量信号。也可行的是，氧化氮浓度和氨浓度由同一个传感器测量，例如由对氨具有交叉灵敏性的氧化氮传感器予以测量。氨泄漏也会在使用尿素-水-溶液作为还原剂时出现，因为废气中的尿素通常在SCR催化器的上游被转化为氨和水，其中，在SCR催化器中氨用作还原剂。

在此，催化器5对于氨具有蓄存能力，这种蓄存能力随着催化器5的日益老化而减小。这可以按照所述方法被识别出来。

为了介绍所述方法，图2示出了各种不同的曲线图，其中，左边的标有字母a的曲线相应于新用状态下的催化器，其中，右边的标有字母b的附图相应于老化的催化器。上面的标有数字（1）的曲线指配于具有第一较低频率的输入信号，其中，下面的标有数字（2）的曲线指配于具有第二较高的预先确定的频率的输入信号。在图2所示的全部曲线中，输入信号15被示为实线。该输入信号在此是矩形波信号，用来控制用于尿素-水-溶液或者用于氨的配给机构。在标有数字（1）的曲线的情况下，输入信号15的频率优选约为1Hz。在标有数字（2）的曲线的情况下，输入信号的频率优选约为4Hz。此外，在所示出的全部曲线图中，氧化氮浓度[NO_x]关于时间t的走势作为第一测量信号17以虚线曲线被示出。在全部曲线图中，氨浓度[NH₃]>

已表明：参照图2a（1）示出，在催化器5的新用状态下，输入信号15、第一测量信号17和第二测量信号19具有一定的相位位置，特别是彼此相对间具有一定的相移。此外，测量信号17、19具有一定的幅度。

如果输入信号15的频率提高，这就会—如图2a（2）中所示—导致测量信号17、19严重衰减，然后这些测量信号在一定程度上恒定。这要归因于新催化器5的高的蓄存能力，其中，配给的还原剂量的波动直截了当地通过蓄存在催化器中的还原剂的缓存作用被消除，进而使得信号17、19拉平或者严重衰减。因而对输入信号15的频率变化特别是产生了规定的系统动态响应。

参照图2b（1）显然的是，在催化器5老化时，无论测量信号17、19的幅度还是其相位都发生变化。特别是第二测量信号19因而氨浓度与输入信号15之间的相移发生改变。同时，第二测量信号19与第一测量信号17之间的相移也明显改变。这种相移改变要归因于催化器5的减小的蓄存能力，进而表明了该减小的蓄存能力。同时，催化器5由于蓄存能力变小而尚仅能低效地用作还原剂的缓存器，从而信号17、19的幅度及其关于输入信号15的波动明显增大。这种现象也表明了催化器5的老化。

图2b（2）表明，如果催化器5老化，进而具有降低的蓄存能力，则系统对输入信号15的频率增大做出的动态响应明显不同于在新用状态下的动态响应。在这种情况下，与在催化器的新用状态下相比，系统基本上反应得更为剧烈，测量信号17、19因而以小很多的程度衰减。衰减程度的减小或者系统动态性的增大表明了催化器5的老化状态。

图2b（1）还表明，测量信号17、19之一—必要时相对于输入信号15的—幅度变化和/或相位变化可以本身单独地被考虑用于老化识别。但也可行的是，将这些信息组合起来考察。

此外可行的是，在输入信号15保持相同的情况下，在老化识别时考虑特别是两个测量信号17、19之间的相移变化。替代地或附加地可行的是，改变输入信号15的参数，特别是改变其频率，其中，在老化识别时考虑至少一个测量信号17、19的、优选两个测量信号17、19的动态变化。在此可行的是，考虑测量信号17、19的幅度和/或相位变化。

优选将各种不同的做法相互组合起来。这样就能提高该方法的精确度。

优选可行的是，以预先确定的时间间隔例如改变输入信号15的频率，以便研究系统对这种变化做出的动态响应。附加地或替代地，可以按预先确定的时间间隔或者也可以持久地监视测量信号17、19的幅度和/或相位变化。

总之已表明，借助于所述方法、废气后处理系统和内燃机，可以实现简单地、成本低廉地且精确地、直接地探测催化器5的蓄存能力，从而能够以高的精确度将所述蓄存能力特别是用作对催化反应予以建模的输入参数。