CN101027465A - 修正吸附器再生的触发水平的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用于修正NOx吸附器(23)再生触发变量的方法。监测内燃机(20)工作状况，直到再生触发变量得到满足。该吸附器(23)被再生，且该吸附器的吸附效率随后被确定。修正再生触发变量以对应于吸附器效率的降低。可以使用根据经验的预定数值组或者通过使用一对氧气传感器(27，28)以确定传感器(27，28)上的氧气响应延迟，由此确定吸附器(23)效率。

Description

修正吸附器再生的触发水平的方法
相关申请的交叉引用
本申请主张申请日为2004年6月8日题为METHOD FOR MODIFYINGTRIGGER LEVEL FOR ADSORBER REGENERATION的美国临时专利申请No.60/578,015的权益。该临时专利申请通过参考在此引入。
有关联邦政府赞助研究或开发的声明
美国政府依据美国能源部授予的合同No.DE-FC05-97OR22533而享有本发明的特定权利。
背景
本发明通常涉及氮氧化合物(NOx)吸附器催化剂的再生。更具体地，本发明涉及通过基于内燃机工作状况而调整再生触发变量，由此控制NOx吸附器再生周期频率的方法。
对于环境的关注导致政府部门对内燃机排放进行越来越严格的规定。为了满足政府规定，减小内燃机尾气排放中的NOx变得越来越重要。政府规定将变得更严格的趋势将进一步继续，这是大家广泛的共识。
传统的气缸内排放降低技术例如废气再循环和喷油速率调节(injection rate shaping)本身无法获得期望的低排放水平。科学家和工程师意识到必须采用后处理技术，并必须进一步研发后处理技术以满足柴油机将来的低排放要求。使用催化技术可以消除机动车辆中的NOx，其中该催化技术使用还原剂如下方程所示将NOx物质转换为双原子氮气(N2)：
使用NOx吸附器催化剂除去NOx要求向催化剂提供碳氢化合物还原剂以转换NOx。通常，使用车载燃料(例如柴油燃料)作为还原剂。将燃料注入废气流中，在催化剂上与NOx反应。
因此需要用于内燃机的排放控制系统的进一步的技术改进。本发明旨在满足这一需求。
发明内容
本发明一方面提供了一种方法，包括：操作包括后处理系统的内燃机，该后处理系统具有NOx吸附器催化剂，该内燃机包括用于触发该NOx吸附器催化剂再生的内燃机工作状况阈值数值；确定该NOx吸附器催化剂的变化；以及基于所述确定动作而调整该内燃机工作状况阈值数值，以触发该NOx吸附器催化剂的再生。
本发明另一方面提供了一种方法，包括：操作包括后处理系统的柴油机，该后处理系统具有NOx吸附器催化剂；基于燃料消耗阈值数值触发NOx吸附器催化剂再生周期；确定在经过多个该NOx吸附器催化剂再生周期之后该NOx吸附器催化剂效率的减小；以及响应于所述确定动作修正该燃料消耗阈值数值。
本发明又一方面提供了一种系统，包括：消耗燃料并产生废气的柴油机；NOx吸附器，与该废气流体连通，用于吸附至少部分该废气；第一数值，用于触发所述NOx吸附器的第一再生周期；控制系统，用于确定所述NOx吸附器的吸附效率的降低并输出第二数值，该第二数值与所述NOx吸附器的吸附效率的降低相对应；以及控制器，基于所述第一数值和所述第二数值计算第三数值，所述第三数值触发所述NOx吸附器的第二再生周期，其中在每个所述再生周期内，还原剂被传送到所述NOx吸附器。
本发明再一方面提供了一种方法，包括：操作包括内燃机的车辆，该内燃机包括具有吸附器催化剂的后处理系统；确定该内燃机负载是否大于第一阈值；确定该内燃机是否参与攻击性驾驶(aggressivedriving)情形；以及只有当该内燃机不参与攻击性驾驶情形且负载不大于所述第一阈值时，再生该吸附器催化剂。
附图说明
图1为揭示了本发明一个实施方案的算法的流程图。
图2为包括本发明另一个实施方案的系统的示意性图示。
图3为示出了控制图2所示系统的算法的一个实施方案的流程图。
图4为包括本发明另一个实施方案的系统的示意性图示。
图5为示出了控制图4所示系统的算法的一个实施方案的流程图。
图6为示出了当内燃机工作状况非期望时防止再生的算法的一个
实施方案流程图。
发明详述
为了促进对本发明原理的理解，将参考附图所示实施方案并使用具体语言描述这些实施方案。然而将会理解，本发明的范围并不因此受到限制，且本发明相关领域技术人员通常将会想到所示装置的变更和调整以及此处所述本发明原理的另外应用。
本申请意识到通过周期性注入还原剂再生NOx吸附器催化剂的更复杂问题之一为催化剂的吸附效率随时间退化。当这种情况发生时，每个再生周期之后，被吸附的NOx的数量减少。注入计时和注入的还原剂数量很快将不会恰当地追踪吸附在催化剂上的NOx的数量。无法恰当追踪NOx吸附器催化剂的再生需要，这导致了由于NOx吸附器无法吸附而使NOx排放增加。此外，由于当还原剂在不需要时被释放，因此浪费了还原剂。本申请提供了当催化剂退化时维持系统性能的方法。
参考图1，示出了通常描述本发明一种方法的算法10。触发修正算法10开始于区块11，该区块确定内燃机工作状况。本发明优选地利用被消耗的燃料数量作为内燃机工作状况。然而，可以使用其他内燃机工作状况，包括内燃机周期数目或内燃机空气质量流量。在区块12，作出关于内燃机工作状况是否满足再生触发数值的决定。如果不满足再生触发数值，则该算法返回到在区块11中确定内燃机工作状况。如果内燃机工作状况已经达到再生触发数值，则在区块13指示吸附器的再生。
在吸附器再生之后，在区块14确定吸附器效率的退化。通过使用包括存储于控制器内的退化方案的开环经验数据表，或者使用一对传感器以提供对吸附器状况的闭环评估，由此可以确定吸附器效率的退化。在本发明的一种形式中，该对传感器为氧气传感器，然而在另一个形式中，该对传感器为NOx传感器。NOx传感器着眼于直接测量NOx。在区块15，将该吸附器效率与最小阈值数值比较。如果满足该最小阈值数值，则该算法结束。如果不满足，则该算法继续进行到区块16，其中基于吸附器退化的数量而修正再生触发数值。在返回到区块11该算法的开始时，该算法随后使用新的再生触发数值。
参考图2，示出了本发明一个实施方案的示意图。内燃机20连接到燃料源21，该燃料源提供将在内燃机20内部燃烧的燃料。所示的内燃机仅仅是示意性的，而非限于基于该图示的内燃机。该内燃机可以但不限于具有一个或多个气缸的直列式或者V内燃机，可以是电火花点火或者压缩点火内燃机。另外，该内燃机可以使用气相或液相燃料。废气通过废气出口22从内燃机排放，并在继续穿过废气管24到达环境气氛之前穿过废气管24到达NOx吸附器23。包括NOx吸附器23的外壳包括入口31和出口32。从还原剂供给源25施加还原剂，并将还原剂通过注入器26注入到废气管24内。在优选形式中，还原剂源为燃料源21，该还原剂源与注入器26流动连通。在本发明另一个形式中，由内燃机燃料注入系统将还原剂直接传送到气缸内。另外，本申请考虑使用本领域技术人员已知的方法将还原剂提供到NOx吸附器23的入口31。
入口氧气传感器27测量入口31废气的氧气含量，出口氧气传感器28测量出口32废气的氧气含量。控制器29从燃料源21接收与内燃机20所消耗的燃料数量相对应的输入。从燃料源21到控制器29的信号被用于确定被消耗的燃料数量。在本申请的一个形式中，计算所消耗的燃料数量。优选地但是并不限制本申请，所消耗的燃料数量为离散数值的总和。此外，第一氧气传感器27和第二氧气传感器28的输出被输入到控制器29。控制器29随后确定供给还原剂的时间以及通过注入器26供给到NOx吸附器入口31的还原剂数量。控制器29随后发送输出信号到还原剂供给源25。尽管已经参照两个氧气传感器描述了本申请，但是还可以考虑利用来自一对NOx传感器的输出。
还原剂供给源25可进一步包括泵，从而向注入器26提供压缩数量的还原剂。在一个形式中，该系统包括辅助的泵以压缩还原剂。如前在本发明另一个形式中所述，通过内燃机燃料注入系统将还原剂传送到气缸内。该还原剂供给源可以是燃料源21，该燃料源21置成与注入器26流体连通。另外，此处可考虑使用本领域技术人员已知的其他方法将还原剂供给到NOx吸附器。如果来自第一氧气传感器27和第二氧气传感器28的输入表明吸附器的效率已经降低到最小水平以下，则将输出信号发送到显示器30以表明催化剂已经失灵。失灵会导致进一步的活动，例如脱硫事件或者替换催化剂。
参考图3，示出了用于控制图2所示系统的触发器修正算法34的一个实施方案。算法34开始于区块35，确定内燃机目前的燃料消耗。在图3中使用符号Fn表示内燃机目前的燃料消耗数值。区块36随后确定是否已经执行了至少一个再生周期。在图3中使用符号b表示再生周期的数目。如果未执行至少一个再生周期，则该算法进行到区块37。在区块37，将目前的燃料消耗数值与再生触发燃料消耗数值比较。在图3中使用符号Ft表示再生触发燃料消耗数值。如果燃料消耗数值大于或者等于再生触发燃料消耗数值，则在区块38表明吸附器再生。如果目前的燃料消耗数值小于再生触发燃料消耗数值，则控制系统返回确定新的目前燃料消耗数值。
在区块38再生NOx吸附器23之后，来自第一氧气传感器27和第二氧气传感器28的输入允许控制器确定传感器上的第一特性。在本发明的一个形式中，第一特性为延迟时间，然而此处还可以考虑其他特性。这在区块39中使用符号Dn表示。算法随后进行到区块40，决定是否实际延迟时间小于或者等于使用符号D0表示的最小延迟时间阈值数值。如果实际延迟时间小于或者等于该最小延迟时间阈值数值，则如区块41所示开始脱硫事件。在区块41脱硫事件之后，该算法随后进行到区块42，并再次确定氧气传感器上的实际延迟时间。在区块43，该算法确定氧气传感器上的实际延迟时间是否仍然小于或者等于最小延迟时间阈值数值。如果上述判断结果为真，则在区块44表明催化剂失灵/失效信号。在产生失效信号之后，该算法结束。
相反，如果在区块40或43确定传感器上的延迟大于最小延迟时间阈值数值D0，则该算法进行到区块45以计算百分比差值。通过先将预定基数的延迟时间减去实际延迟时间，随后将该差值除以该预定基数的延迟时间，由此计算该百分比差值。随后将该数值乘以100以确定该百分比差值。该预定基数的延迟时间对应于新鲜NOx吸附器上的延迟时间。在区块46，该算法随后计算修正的燃料消耗触发数值。使用符号Fidea1表示该修正的燃料消耗触发数值。Fidea1为比例常数a1、再生触发燃料消耗数值Ft和该百分比差值的函数。通过经验推导各类型内燃机和各种具体吸附器的比例常数a1。
在区块46计算Fidea1之后，算法返回到区块35，并再次确定目前的燃料消耗。因为已经发生了一个再生周期，因此现在再生周期数目至少为1。因此，该算法进行到区块47，其中立即与目前的燃料消耗比较以确定是否大于或者等于修正的燃料消耗触发数值。这在区块47描述成Fn大于或者等于Fidea1。如果该比较结果为真，则表明吸附器再生，且该算法进行到区块38。如果该比较结果不是真，则该算法返回且在区块35再次确定燃料消耗数值。
参考图4，示出了本发明另一个实施方案的示意图。读者将会注意到，使用相同特征数字描述前述的特征。如前所述，还原剂也可以直接传送到气缸内。内燃机20产生包含例如NOx污染物的废气，该废气从内燃机出口22排出并穿过NOx吸附器23。还原剂供给源25提供将被注入废气管24的还原剂，以帮助再生NOx吸附器23内的NOx吸附器催化剂。
控制器56包括根据经验确定的常数表以基于已经执行的再生周期数目修正预定燃料触发数值。一旦控制器确定再生周期被指示，输出信号被发送到还原剂供给源25，从而通过使用注入器26将还原剂注入到废气管路24。如前所述，还原剂供给源可以是燃料源21，该燃料源21将置成与注入器26流体连通。如果控制器56确定所执行的再生周期的数目表明NOx吸附器23的效率可能已经降低到小于预定的最小阈值，则输出信号被发送到显示器30以指示NOx吸附器23的失效。
参考图5，示出了用于控制图4所示系统的触发器修正算法62的一个实施方案。算法62开始于区块63，确定内燃机的当前燃料消耗。使用Fn代表内燃机的当前燃料消耗。算法接着进行到区块64，确定是否已经执行了至少一个再生周期。在图5中使用b代表再生周期的数目。如果尚未执行至少一个再生周期，则算法进行到区块65，将目前燃料消耗数值与再生触发燃料消耗数值比较。在图5中使用Ft代表再生触发燃料消耗数值。如果目前燃料消耗数值满足再生触发燃料消耗数值，则在区块66指示吸附器再生。如果该条件不满足，则算法返回到区块63以确定目前燃料消耗数值。
在指示并执行吸附器再生之后，该算法在区块67确定根据经验推导的修正常数。使用a2代表根据经验推导的修正常数。从包括修正常数表的控制器56提供该根据经验推导的修正常数。该算法随后接着进行到区块68，确定修正的燃料消耗触发数值。在图5使用Fidea1代表修正的燃料消耗触发数值。Fidea1为根据经验推导的修正常数a2和再生触发燃料消耗数值Ft的函数。在计算该修正的燃料消耗触发数值之后，该算法进行到区块69，将修正的燃料消耗触发数值与最小燃料触发数值比较。使用F0代表该最小燃料触发数值。在一个形式中，该最小燃料触发数值为固定数值或者从查找表获得的数值。在优选形式中，该最小燃料触发数值是基于经验的数值并构成表。
当修正的燃料消耗触发数值小于或者等于最小燃料触发数值F0时，该算法进行到区块70。区块70指示开始除硫事件。在发生该除硫事件之后，该算法进行到区块72，再次执行修正的燃料消耗触发数值与最小燃料触发数值之间的比较。当区块72确定修正的燃料消耗触发数值仍小于最小燃料触发数值F0时，算法进行到区块73，发送催化剂失效信号至显示器30。备选地，当区块69或72指示Fidea1的数值大于最小燃料触发数值F0时，该算法返回到区块63以确定目前燃料消耗数值。
在返回到区块64时，再生周期的数目现在至少为一，该算法进行到区块74。在区块74，将目前燃料消耗数值与修正的燃料消耗触发数值Fidea1比较。如果目前燃料消耗数值大于或者等于修正的燃料消耗触发数值，则在区块66指示吸附器再生。如果不满足该条件，则该算法返回到区块63。
尽管上述描述给出了本发明的一些实施方案，但是这些实施方案并不被认为是说明本发明的所有可能实施方案。例如，NOx吸附器催化剂可包含各种碱金属和贵金属，并可包含某些氧气存储化学品例如二氧化铈。氧气传感器可以是化学配比附近的开关类型、大范围加热氧气传感器(HEGO、WEGO)或者具有氧气检测信号的NOx传感器。可以构想可以检测空气燃料比率变化的任何传感器。
参考图6，示出了一个算法的一个实施方案，该算法将吸附器再生延迟直到不期望的工作状况已经过去。不期望的工作状况可以是例如内燃机负载或攻击性驾驶动作。在区块77，累计监测器基于与相关物质成比例的信号持续地对质量求和，该相关物质优选地为燃料消耗。在一些实施方案中，根据催化剂退化水平修正该累计数值。当累计监测器到达阈值时，设定标记以确定再生是否清除(clearance)了不期望的内燃机工作状况。为了保证在攻击性驾驶情形中使燃料效率最大化，监测该内燃机负载。只有当内燃机负载低于预定数值时，区块78发送清除信号进行再生。此外，在区块79，算法核查攻击性驾驶情形，且只有当该攻击性驾驶情形受到抑制时才发送清除信号进行再生。区块78和79将无限返回，直到其各个条件得到满足。只有当区块78或79提供清除信号时，区块80将随后开始吸附器再生。
尽管已经在图示和前述描述中详细示出和描述了本发明，但是这些图示和描述被认为是阐述性质而非限制性质，应当理解，仅仅示出和描述了优选实施方案，且落在本发明的精神范围内的所有改变和调整都期望得到保护。应该理解，上述描述中使用的优选的、优选地词语表示所描述的特征是更为期望的，但是所描述的特征并非必须的，而且没有所述特征的实施方案也应落在本发明的范围内。此外，当使用“至少一部分”和/或“一部分”的语言时，该项可包括一部分和/或整项，除非具体地作出相反意思的陈述。

Claims (27)

1.一种方法，包括：
操作包括后处理系统的内燃机，该后处理系统具有NOx吸附器催化剂，该内燃机包括用于触发该NOx吸附器催化剂再生的内燃机工作状况阈值数值；
确定该NOx吸附器催化剂的变化；以及
基于所述确定而调整该内燃机工作状况阈值数值，以触发该NOx吸附器催化剂的再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定是基于该NOx吸附器催化剂的效率变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定是开环操作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述确定动作中，由经验数据表获得该NOx吸附器催化剂的变化；以及
其中在所述确定中，由该NOx吸附器催化剂的效率变化确定该变化。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定动作是闭环操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述确定动作内使用一对传感器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中该对传感器为氧气传感器。
8.根据权利要求6所述的方法，其中该对传感器为NOx传感器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该内燃机工作状况阈值数值是基于该内燃机的燃料消耗。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该内燃机工作状况阈值数值是基于内燃机周期数目。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，当该内燃机工作状况阈值数值得到满足时，触发该NOx吸附器催化剂的再生，其中所述触发包括将还原剂传送到该NOx吸附器催化剂。
12.一种方法，包括：
操作包括后处理系统的柴油机，该后处理系统具有NOx吸附器催化剂；
基于燃料消耗阈值数值触发NOx吸附器催化剂再生周期；
确定在经过多个该NOx吸附器催化剂再生周期之后该NOx吸附器催化剂效率的减小；以及
响应于所述确定修正该燃料消耗阈值数值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述确定是开环操作。
14.根据权利要求12所述的方法，其中在所述确定动作中，使用经验数据表执行该NOx吸附器催化剂的效率减小。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述确定动作是闭环操作。
16.根据权利要求12所述的方法，其中在所述确定动作内使用一对传感器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中该对传感器为氧气传感器。
18.根据权利要求16所述的方法，其中该对传感器为NOx传感器。
19.一种系统，包括：
消耗燃料并产生废气的柴油机；
NOx吸附器，与该废气流体连通，用于吸附至少部分该废气；
第一数值，用于触发所述NOx吸附器的第一再生周期；
控制系统，用于确定所述NOx吸附器的吸附效率的降低并输出第二数值，该第二数值与所述NOx吸附器的吸附效率的降低相对应；以及
控制器，基于所述第一数值和所述第二数值计算第三数值，所述第三数值触发所述NOx吸附器的第二再生周期，其中在每个所述再生周期内，还原剂被传送到所述NOx吸附器。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一数值是基于燃料消耗数值。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述控制系统包括两个传感器。
22.根据权利要求19所述的系统，其中所述控制系统包括经验表。
23.根据权利要求19所述的系统，进一步包括用于在柴油机工作期间将燃料输送到该柴油机内的燃料注入系统，其中所述燃料注入系统在每个所述再生周期内将还原剂传递到气缸内，且其中所述还原剂由该燃料界定。
24.一种方法，包括：
操作包括内燃机的车辆，该内燃机包括具有吸附器催化剂的后处理系统；
确定该内燃机负载是否大于第一阈值；
确定该内燃机是否参与攻击性驾驶情形；以及
只有当该内燃机不参与攻击性驾驶情形且负载不大于所述第一阈值时，再生该吸附器催化剂。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括确定内燃机工作状况是否超过第二阈值；以及
其中只有在超过所述第二阈值之后才发生所述再生。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括基于该吸附器内催化剂退化的水平而修正该第二阈值。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述内燃机工作状况是基于燃料消耗。
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