Способ калибровки регулирующего устройства, которое управляет или регулирует технический процесс, который описывается кинетическими уравнениями реакции, в частности для калибровки регулирующего устройства, управляющего или регулирующего нейтрализацию отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к способу калибровки регулирующего устройства, которое управляет и регулирует технический процесс, который описывается кинетическими уравнениями реакции, в частности для калибровки регулирующего устройства, управляющего и регулирующего нейтрализацию отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, согласно п. 1 ограничительной части формулы изобретения. Кроме того, данное изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания согласно п.6 формулы изобретения.

Применение реакционно-кинетических моделей катализаторов для калибровки регулирующего устройства или объектов регулирования, таких как устройства, применяемые в транспортных средствах, например в грузовых автомобилях, в рамках нейтрализации отработанного газа, в основном известно. С помощью таких имитационных моделей можно имитировать химические или физические процессы, одним из которых, например, является нейтрализация отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, которые можно представить на испытательном стенде только с очень высокими затратами. Например, такие имитационные модели с применением коммерчески доступного моделирующего программного обеспечения, например, GT-Power® производит Gamma Technologies Inc. С помощью таких, полученных с помощью моделирующего программного обеспечения, независимых от регулирующего устройства имитационных моделей можно некоторые, происходящие во время нейтрализации отработанного газа смещенные во времени и/или параллельно друг другу реакции, выразить в форме кинетических уравнений реакции, при этом речь идет о дифференциальных уравнениях. Переменные параметры уравнений отдельных кинетических уравнений реакции имитационной модели затем калибруют с помощью технически измеренных на испытательном стенде реальных значений для соответствующих параметров уравнений. С помощью такой имитационной модели можно достоверно моделировать реальные условия, однако такие имитационные модели для решения дифференциальных уравнений в зависимости от качества модели требуют относительно высоких вычислительных мощностей, что занимает много времени и является дорогостоящим. По этой причине также калибровка регулирующего устройства, управляющего и регулирующего нейтрализацию отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, относительно трудоемка и дорога.

Следующим недостатком такой имитационной модели является то, что в ней подобласти рабочей области нельзя калибровать без влияния на другие области.

Поэтому задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить способ калибровки регулирующего устройства, которое управляет или регулирует технический процесс, описываемый кинетическими уравнениями реакции, в частности способ калибровки регулирующего устройства, управляющего или регулирующего нейтрализацию отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, который требует относительно небольших вычислительных мощностей и с помощью которого можно калибровать подобласти рабочей области регулирующего устройства без влияния на другие области просто при практической эксплуатации.

Решить данную задачу можно с помощью отличительных признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются объектами зависимых пунктов формулы изобретения.

Согласно п.1 формулы изобретения предлагается способ калибровки регулирующего устройства, которое управляет или регулирует технический процесс, описываемый кинетическими уравнениями реакции, в частности для калибровки регулирующего устройства, управляющего нейтрализацией или регулирующего нейтрализацию отработанного газа (например, селективное каталитическое восстановление) в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, при котором несколько протекающих со смещением во времени и/или параллельно друг другу реакций, например, во время нейтрализации отработанного газа выражают в форме кинетических уравнений реакции в имитационной модели, при этом переменные параметры уравнений отдельных кинетических уравнений реакции или, соответственно, дифференциальных уравнений имитационной модели калибруют с помощью технически измеренных на испытательном стенде реальных значений для соответствующих параметров уравнений. Согласно данному изобретению предусмотрено, что для регулирующего устройства или в регулирующем устройстве получают независимую от имитационной модели и имеющую большое количество полей характеристик модель полей характеристик посредством того, что влияющие на кинетику реакций параметры реакции каждой отдельной (например, в рамках нейтрализации отработанного газа) происходящей реакции применяют в качестве параметров полей характеристик и заполняют по меньшей мере одно поле характеристик, при этом для параметризации поля характеристик определяют с помощью имитационной модели значения для влияющих на кинетику реакции параметров полей характеристик и передают модели полей характеристик. Затем для калибровки модели полей характеристик в реальных условиях эксплуатации, в частности в реальной эксплуатации транспортного средства и/или на испытательном стенде целенаправленно технически измеряют значение по меньшей мере одного параметра поля характеристик по меньшей мере одного поля характеристик модели полей характеристик, и затем с помощью устройства обработки данных определяют, отклоняется ли измеренное значение на определенную заданную величину от сохраненного в соответствующем поле характеристик значения рассматриваемого параметра поля характеристик. Если последнее верно, то сохраненное значение, а именно без (перекрестного) влияния на другие не затрагиваемые изменением поля характеристик модели полей характеристик, заменяется новым значением. В остальном сохраняются первоначальные установки.

В противоположность применяемым до сих пор реакционно-кинетическим имитационным моделям в данной модели по изобретению кинетические уравнения реакции параметризуются практически для каждой отдельной реакции в собственном поле характеристик. При этом отображение реальности происходит, как в традиционных реакционно-кинетических имитационных моделях дискретно во времени и пространстве. Тем не менее преимущество проведения способа по изобретению состоит в том, что модель поля характеристик делает возможным отображение реакционно-кинетических зависимостей при одновременно небольших вычислительных мощностях, и с помощью реакционно-кинетических имитационных моделей можно просто осуществить автоматизированную параметризацию, при этом подобласти рабочей области можно калибровать без влияния на другие области. Благодаря комбинации кинетики реакции с одной стороны и полей характеристик с другой стороны соединяются вместе преимущества обоих методов, так что инженерам несмотря на применение реакционно-кинетических выражений по-прежнему остается большая свобода при подборе соответствующих групп данных.

Если до сих пор применяли либо основанные на полях характеристик стратегии, которые параметризуются непосредственно при измерении, либо альтернативно только реакционно-кинетические выражения, то решение по изобретению делает возможной комбинацию основанных на кинетике реакций и полях характеристик стратегий, так что можно соединить преимущества обоих способов друг с другом.

Таким образом, с помощью способа по изобретению можно разрабатывать и калибровать маршрутные модели в регулирующих устройствах, например, для нейтрализации отработанного газа, с помощью которых, например, можно разработать оптимальную стратегию дозирования для, например, селективного каталитического восстановления (например, принимая во внимание нормы Евро-VI). Принципиально способ по изобретению может найти применение для любых описываемых кинетическими уравнениями реакции технических процессов, при которых в имитационной модели необходимо решить кинетические дифференциальные уравнения реакции, например, численно. Однако особенно предпочтителен данный способ, как уже было упомянуто вначале, для управления с помощью регулирующего устройства нейтрализацией отработанного газа. При этом особенно предпочтительным является способ, при котором управляемая нейтрализация отработанного газа представляет собой селективное каталитическое восстановление, при котором монооксид азота в потоке отработанного газа восстанавливается с помощью добавления восстанавливающего средства, например, водного раствора мочевины в качестве восстанавливающего средства. По меньшей мере часть изображенных в виде нижеследующих уравнений реакций, происходящих при селективном каталитическом восстановлении реакций, для получения независимой от регулирующего устройства имитационной модели с применением реакционно-кинетических выражений, преобразуют в одно или несколько кинетических уравнений реакции или дифференциальных уравнений:

(1) Термолиз: (NH₂)₂CO+H₂О → NH₃+HNCO

(2) Гидролиз: HNCO+H₂О → NH₃+CО₂

(3) Адсорбция: S+NH₃ → SNH₃

(4) Десорбция: SNH₃ → S+NH₃/Обратная реакция к (3)

(5) Стандартное SCR: SNH₃+NO+0,25О₂ → N₂+1,5H₂О+S

(6) Медленное SCR: 4SNH₃+3NО₂+0,25О₂ → 3,5N₂+6H₂О+4S

(7) Быстрое SCR: 4SNH₃+2NO+2NО₂ → 4N₂+6H₂О+4S

(8) Окисление NH₃: 4SNH₃ +3О₂ → 2N₂+6H₂О+4S

(9) Образование закиси азота (нежелательная побочная реакция): 2SNH₃+2NО₂ → N₂О+N₂+3H₂О+2S

(10) Окисление NO+Обратная реакция:

NO+0,5О₂ → NО₂

NО₂ → NO+0,5О₂

где S: Свободная каталитическая поверхность/NH₃: Аммиак в газовой фазе/ SNH₃: адсорбированный на каталитической поверхности аммиак/(NH₂)₂CO: мочевина/HNCO: Изоциановая кислота/NO: монооксид азота/NО₂: диоксид азота/О₂: кислород/N₂: азот/H₂О: вода/N₂О: закись азота.

Как уже было упомянуто, с помощью решения задачи данного изобретения можно простым и надежным образом определить в частности оптимизированную стратегию дозирования для добавления восстанавливающего средства в рамках комплексного процесса нейтрализации отработанного газа, такого как селективное каталитическое восстановление (SCR).

В качестве кинетического выражения пригодно, например, уравнение Ленгмюра-Хиншельвуда, согласно которому предусмотрено, чтобы при абсорбции исходные компоненты хемосорбировались на активных центрах поверхности катализатора и затем из этого состояния реагировали друг с другом. Альтернативно также можно применять уравнение Или-Ридила (Eley-Rideal), согласно которому хемосорбированное исходное вещество реагирует с другим исходным веществом в газовой фазе.

Эти кинетические уравнения реакции в общем известны. С помощью изменения входных параметров, таких как, например, массовый расход отработанного газа, концентрация монооксида азота, температура и/или массовый расход NH₃, и/или с помощью изменения внутренних параметров системы, таких как, например, количество абсорбированного на каталитической поверхности NH₃, можно стимулировать отображаемые в имитационной модели кинетические дифференциальные уравнения реакции, при этом в результате происходит параметризация поля характеристик.

Заполняющие поля характеристик и влияющие на кинетику реакции параметры полей характеристик каждой отдельной реакции, в частности каждой отдельной происходящей в рамках нейтрализации отработанного газа реакции, таким образом, особенно предпочтительно могут быть образованы с одной стороны с помощью измеряемых параметров (например, в рамках нейтрализации отработанного газа, массовый расход отработанного газа и/или концентрация монооксида азота и/или температура и/или массовый расход NH₃), которые можно определить или измерить быстро, просто и надежно с помощью пригодных инструментов измерения в рамках реальной эксплуатации, например, в реальной эксплуатации транспортного средства, или на испытательном стенде. С другой стороны, заполняющие поля характеристик и влияющие на кинетику реакции параметры полей характеристик каждой отдельной реакции, в частности каждой отдельной происходящей в рамках нейтрализации отработанного газа реакции, принципиально также можно определять с помощью имеющейся имитационной модели, например, в случаях, когда данные параметры нельзя измерить рациональным способом или в реальных условиях, например, в случае количества абсорбированного на каталитической поверхности NH₃. Особое преимущество состоит в частности в том, что калибровка модели поля характеристик и вместе с этим регулирующего устройства не только происходит просто, быстро и достоверно, но и, как уже упоминалось, также без перекрестного влияния на отдельные параметры. Это значит, что для калибровки модели поля характеристик по меньшей мере большую часть параметров технически определяют просто в реальном процессе, или, соответственно, при эксплуатации транспортного средства и/или на испытательном стенде целенаправленно технически определяют значение для по меньшей мере одного параметра поля характеристик по меньшей мере одного поля характеристик и затем передают на устройство обработки данных.

Далее, предлагается согласно независимому п.6 формулы изобретения двигатель внутреннего сгорания, в частности для транспортных средств, например, для грузовых автомобилей, или кораблей, с калиброванным согласно способу по изобретению регулирующим устройством управления или регулирования нейтрализации отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение разъясняется подробнее с помощью приведенного ниже изображения.

На единственной фигуре схематически изображена технологическая схема с регулирующим устройством по изобретению или, соответственно моделью регулирующего устройства, которая включает модель полей характеристик, а также устройство обработки данных.

К регулирующему устройству присоединены имитационная модель, а также испытательный стенд и/или двигатель внутреннего сгорания с нейтрализацией отработанного газа.

Например, с помощью традиционного средства имитационного моделирования, например, GT-Power®, полученную имитационную модель, в которой отображены некоторые происходящие во время нейтрализации отработанного газа со смещением во времени и/или параллельно друг к другу реакции в форме кинетических уравнений реакции (Реакция 1, Реакция 2 и т.д.), калибруют на первом этапе.

Для этого конкретные переменные параметры уравнений отдельных кинетических уравнений реакции имитационной модели с помощью технически определенных на испытательном стенде реальных значений калибруют для соответствующих параметров уравнений (Этап 1: Калибровка).

Имеющую большое количество полей характеристик модель полей характеристик получают таким образом, что влияющие на кинетику реакции параметры реакции каждой отдельной происходящей в рамках нейтрализации отработанного газа реакции применяют в качестве параметров для полей характеристик для того чтобы заполнить разные поля характеристик. Для этого на каждую реакцию заполняют одно или несколько полей характеристик, которые образуют набор полей характеристик (Этап 2: Моделирование).

Для параметризации данных полей характеристик или соответственно наборов полей характеристик затем с помощью имитационной модели определяют значения влияющих на кинетику реакции параметров полей характеристик (Параметр 1, Параметр 2, Параметр 3, Параметр 4, и т.д.) и передают модели полей характеристик, вследствие чего заполняются различные поля характеристик (Этап 3: Параметризация). Так же, как представлено на примере параметра 1, можно передавать отдельные параметры различным полям характеристик или наборам полей характеристик.

Модель полей характеристик представлена на фигуре 1 с помощью этапа 4 (Интегрирование), как конечный компонент регулирующего устройства, так что для калибровки модели полей характеристик в реальной эксплуатации транспортного средства и/или на испытательном стенде целенаправленно технически определяют значение по меньшей мере одного параметра поля характеристик по меньшей мере одного поля характеристик или, соответственно набора полей характеристик модели полей характеристик и передают на являющееся компонентом регулирующего устройства устройство обработки данных. Затем устройство обработки данных определяет, отклоняется ли измеренное значение на определенную заданную величину от сохраненного в поле характеристик значения рассматриваемого параметра поля характеристик, при этом в случае утвердительного ответа сохраненное значение заменяется новым значением, а именно без влияния на другие не затронутые изменением поля характеристик модели полей характеристик (Этап 5: Внесение).

В рамках параметризации или внесения вызванные изменения состояния модели полей характеристик на единственной фигуре обозначены как изменение состояния 1, изменение состояния 2, и т.д. или, соответственно, как изменение состояния 1', изменение состояния 2', и т.д. При этом верхний штрих обозначает, что изменение состояния в имитационной модели и в модели полей характеристик не идентичны.

С помощью данного конкретного способа по изобретению, например, в рамках разработки стратегии дозирования для селективного каталитического восстановления, можно достичь упомянутых выше преимуществ.

1. Способ калибровки регулирующего устройства, которое управляет или регулирует технический процесс, описываемый кинетическими уравнениями реакции, в частности для калибровки регулирующего устройства управляющего или регулирующего нейтрализацию отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, с помощью имитационной модели, в которой несколько протекающих, в частности во время нейтрализации отработанного газа, со смещением во времени и/или параллельно друг другу реакций отображаются в форме кинетических уравнений реакции, при этом переменные параметры отдельных кинетических уравнений реакции имитационной модели калибруются с помощью технически измеренных на испытательном стенде реальных значений соответствующих параметров уравнений,

отличающийся тем,

что для регулирующего устройства или в регулирующем устройстве формируют модель полей характеристик, независимую от имитационной модели и имеющую большое количество полей характеристик, таким образом, что влияющие на кинетику реакции параметры реакций каждой отдельной происходящей реакции, в частности в рамках нейтрализации отработанного газа, применяют в качестве параметров полей характеристик, и данными параметрами заполняют по меньшей мере одно поле характеристик, при этом для параметризации полей характеристик с помощью имитационной модели определяют значения влияющих на кинетику реакции параметров полей характеристик и передают их в модель полей характеристик, и

тем, что затем для калибровки модели полей характеристик в реальном процессе эксплуатации и/или на испытательном стенде целенаправленно технически измеряют значение по меньшей мере одного параметра поля характеристик для по меньшей мере одного поля характеристик в модели полей характеристик и затем с помощью устройства обработки данных определяют, отклоняется ли измеренное значение на определенную заданную величину от сохраненного в соответствующем поле характеристик значения рассматриваемого параметра поля характеристик, при этом в случае положительного ответа сохраненное значение без влияния на другие, не затронутые изменением поля характеристик модели полей характеристик, заменяется новым значением.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируемая с помощью регулирующего устройства нейтрализация отработанного газа представляет собой селективное каталитическое восстановление, при котором оксиды азота в потоке отработанного газа восстанавливают с помощью добавления восстанавливающего средства, в частности водного раствора мочевины в качестве восстанавливающего средства, и тем, что по меньшей мере часть выраженных с помощью нижеследующих уравнений реакций и протекающих при селективном каталитическом восстановлении реакций преобразуют для изготовления независимой от регулирующего устройства имитационной модели с осуществлением построения кинетических уравнений реакции, в частности уравнений Ленгмюра-Хиншельвуда или уравнений Или-Ридила, в одно или несколько кинетических уравнений реакции:

(1) Термолиз: (NH₂)₂CO+H₂О→NH₃+HNCO

(2) Гидролиз: HNCO+H₂О→NH₃+CО₂

(3) Адсорбция: S+NH₃→SNH₃

(4) Десорбция: SNH₃→S+NH₃/Обратная реакция к (3)

(5) Стандартное SCR: SNH₃+NO+0,25О₂→N₂+1,5H₂О+S

(6) Медленное SCR: 4SNH₃+3NО₂+0,25О₂→3,5N₂+6H₂О+4S

(7) Быстрое SCR: 4SNH₃+2NO+2NО₂→4N₂+6H₂О+4S

(8) Окисление NH₃: 4SNH₃+3О₂→2N₂+6H₂О+4S

(9) Образование закиси азота (нежелательная побочная реакция): 2SNH₃+2NО₂→N₂О+N₂+3H₂О+2S

(10) Окисление NO+Обратная реакция:

NO+0,5О₂→NО₂

NО₂→NO+0,5О₂

где S: Свободная каталитическая поверхность/NH₃: Аммиак в газовой фазе/ SNH₃: адсорбированный на каталитической поверхности аммиак/(NH₂)₂CO: мочевина/HNCO: Изоциановая кислота/NO: монооксид азота/NО₂: диоксид азота/О₂: кислород/N₂: азот/H₂О: вода/N₂О: закись азота.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что заполняющие поля характеристик и влияющие на кинетику реакций параметры полей характеристик каждой отдельной реакции, в частности каждой отдельной происходящей в рамках нейтрализации отработанного газа реакции, образуются с помощью входных параметров и/или с помощью внутренних системных параметров,

что для параметризации полей характеристик с помощью имитационной модели определяют значения параметров полей характеристик и передают в модель полей характеристик, и

что для калибровки модели полей характеристик в реальном процессе эксплуатации, в частности в реальной эксплуатации транспортного средства, и/или на испытательном стенде целенаправленно технически измеряют значение по меньшей мере одного параметра поля характеристик для по меньшей мере одного поля характеристик и затем передают устройству обработки данных.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один входной параметр при нейтрализации отработанного газа представляет собой массовый расход отработанного газа, и/или концентрацию оксидов азота, и/или температуру, и/или массовый расход NH₃.

5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один внутренний системный параметр при нейтрализации отработанного газа представляет собой количество абсорбированного на каталитической поверхности NH₃.

6. Двигатель внутреннего сгорания, в частности для транспортного средства или судна, с откалиброванным с помощью способа согласно одному из предшествующих пунктов регулирующим устройством для управления или регулирования нейтрализации отработанного газа в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания.