CN101333954B - 确定NOx收集器中的NOx存储数量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于稀NOx收集器再生的控制模型。一种确定在发动机排气组件的NOx收集器中的氮氧化物(NOx)存储数量的方法包括确定进入NOx收集器的NOx质量流率；确定所述收集器中的NOx存储效率；和基于所确定的质量流率和确定的效率计算在NOx收集器中的NOx存储数量。所述方法还包括确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率；确定在所确定的还原剂的质量流率和从NOx收集器去除的NOx之间的关系；和基于所确定的质量流率和所确定的关系计算从NOx收集器去除的NOx数量。计算的NOx存储数量在整个车辆操作期间通过加上随后计算的NOx存储数量并减去随后从NOx收集器去除的NOx数量而调节。

Description

确定NOx收集器中的NOx存储数量的方法和系统

技术领域

本公开涉及发动机，且更具体地涉及确定在发动机排气系统的稀NOx收集器中的NOx存储数量的方法。

背景技术

这一部分的内容仅仅是提供与本公开相关的背景技术信息，并可以构成或可以不构成现有技术。

车辆包括发动机和排气系统，排气系统具有带有多个通道的稀NOx收集器(LNT)催化剂，发动机废气通过所述多个通道。所述通道的表面可以用例如钡盐和铂或其它贵金属浸渍。在车辆发动机的稀操作期间(空气-燃料比大于14.7)，催化剂从发动机废气吸收氮氧化物(NOx)。氮氧化物(通常为NO和NO₂)存储在催化剂表面上。催化剂周期性地暴露给浓燃料环境(空气-燃料比小于14.7)，在此期间催化剂可以转化(或再生)，即：所存储的NOx减少。具体而言，在废气流中有热、一氧化碳和碳氢化合物的情况下，氮氧化物可以转化为氮气、二氧化碳和水。

LNT催化剂在比它们可以有效地减少所存储的NOx的温度更低的温度时有效地存储NOx。在低温时，例如，小于大约300℃的温度时，LNT催化剂可以存储NOx有限的时间，即直到它充满NOx或饱和。饱和的催化剂可加热至超过低范围的温度，且受热的催化剂可以经历再生。

发明内容

因此，氮氧化物(NOx)监测系统可以提供用于发动机排气组件的NOx收集器。所述系统包括空气质量流量传感器、拉姆达传感器(过量空气系数传感器)、NOx传感器、和控制模块。空气质量流量传感器与发动机的空气供给连通且确定进入发动机的空气的数量。拉姆达传感器与排气系统连通且确定操作空气-燃料比和化学当量空气-燃料比之间的比。NOx传感器与排气系统连通且确定其中的NOx浓度。控制模块从空气质量流量传感器、拉姆达传感器和NOx传感器接收输入。控制模块基于所述输入计算在NOx收集器中的NOx存储数量。

一种确定存储在NOx收集器中的NOx数量的方法包括确定进入NOx收集器的NOx质量流率；确定所述收集器中的NOx存储效率；和基于所确定的质量流率和确定的效率计算存储在NOx收集器中的NOx数量。所述方法还包括确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率；确定在所确定的还原剂的质量流率和从NOx收集器去除的NOx数量之间的关系；和基于所确定的质量流率和所确定的关系计算从NOx收集器去除的NOx数量。计算的NOx存储数量在整个车辆操作期间通过加上随后计算的NOx存储数量并减去随后从NOx收集器去除的NOx数量而调节。

从在此提供的说明，可清楚本发明的进一步应用范围。应当理解，说明和具体示例仅用于图示说明而不限定本公开的范围。

附图说明

本文所示的附图仅仅是示意性目的，而不是以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的车辆的示意图；

图2是图1所示的控制模块的多个模块的功能方块图；和

图3是图示确定在图1的车辆排气系统中存储的NOx的流程图。

具体实施方式

下面的描述实质上仅仅是示意性的，而不是限制本公开、及其应用或使用。为了简单起见，在附图中使用相同的附图标记表示相同的元件。如在此使用的，术语“模块”指的是特定应用集成电路(ASIC)、电子电路、能够执行一个或更多软件或固件程序的处理器(共享、专用、或群组)和存储器、组合逻辑电路、或提供上述功能的其它合适部件。

本公开总体上涉及使用用于车辆排放控制的LNT催化剂。现在参考图1，车辆10包括发动机组件12和催化转化器组件16。发动机组件12包括柴油发动机18、空气进气歧管20、排气歧管22、燃料喷射器24、燃料泵26、和控制模块28。空气通过空气进气歧管20输送给发动机18且废气通过排气歧管22排出发动机18。燃料从燃料泵26通过燃料喷射器24输送给发动机18。控制模块28可操作地连接到并控制燃料喷射器24和燃料泵26。

催化转换器组件16与排气歧管22连通且从排气歧管22接收废气。催化转换器组件16可以包括罐34，罐34具有在其中带有柴油机氧化催化剂(DOC)的第一部分38和在其中包括稀NOx收集器(LNT)的第二部分40。虽然罐34显示为单个罐，根据包装约束可以使用多个罐。

在发动机18的操作期间，发动机废气从排气歧管22传送且通过罐34。在操作期间，罐34内的LNT催化剂表面可以从通过其的废气存储或吸收氮氧化物(NOx)。可采用各种传感器来监测罐34中存储的NOx且提供信号给控制模块28。

更具体而言，车辆10包括空气质量流量(MAF)传感器42；温度传感器44、45；第一和第二NOx传感器46、48；以及第一和第二拉姆达(λ)传感器50、52。MAF传感器42设置在空气进气歧管20上游且提供表示进入发动机18的空气质量流量的信号给控制模块28。温度传感器44设置在罐34中LNT的中心部分处且提供表示LNT温度的信号给控制模块28。另一温度传感器45位于罐34中LNT上游且也可以与温度传感器44组合或单独使用以提供表示LNT温度的信号给控制模块28。

第一NOx传感器46和第一拉姆达传感器50设置在LNT上游，且第二NOx传感器48和第二拉姆达传感器52设置在LNT下游。更具体而言，如图1所示，第一NOx传感器46和第一拉姆达传感器50设置在罐34的第一和第二部分38、40之间，且因而在DOC和LNT之间。第二NOx传感器48和第二拉姆达传感器52设置在LNT的端部处。如图1所示，第二NOx传感器48和第二拉姆达传感器52设置在罐34的出口处。第一和第二NOx传感器46、48发送表示LNT进口和出口处的NOx浓度的信号给控制模块28。第一和第二拉姆达传感器50、52发送表示LNT上游和下游操作空气-燃料混合物的信号给控制模块28。更具体而言，由拉姆达传感器50、52提供的信号表示在给定位置处操作空气/燃料混合物和化学当量空气-燃料混合物之间的比。

控制模块28用于确定在罐34中LNT催化剂表面上的NOx存储数量，以及确定从LNT催化剂表面去除的NOx数量。存储的NOx通过暴露给排气流中的热、一氧化碳和碳氢化合物而转化(或再生)且从LNT去除，使得NOx转化为氮气、二氧化碳和水。

参考图2，控制模块28包括NOx存储量计算模块60、NOx转化量计算模块62、和总体NOx计算模块64。NOx存储量计算模块60确定在LNT中的NOx存储数量。NOx转化量计算模块62确定转化且因而从LNT去除的NOx数量。总体NOx计算模块64确定剩留在LNT中的总体NOx。

如图3所示，图示了确定NOx存储数量的方法100。控制方块102确定当前在LNT中的NOx存储数量。总体NOx存储质量设定为等于确定的值。在LNT中的当前NOx存储质量通过控制模块28提供。控制模块28具有来自方法100前一迭代过程的NOx先前存储数量。可替换地，方法100的第一次迭代使用mNOx_stored＝0作为初始值。方法100然后前进到判定方块104。

判定方块104确定NOx当前是否存储在LNT中。该确定包括评估LNT的操作温度以及确定发动机18的稀或浓燃料条件。可替换地，控制模块28可以改变发动机操作参数，从而控制NOx是存储还是由LNT转化。如果确定NOx存储在LNT中，方法100前进到控制方块106。

控制方块106确定跨过预定时间间隔的NOx存储数量。该确定包括计算NOx存储数量，表示如下：

$m{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{stored}}=\∫(\stackrel{\·}{m}N{\mathrm{Ox}}_{\mathrm{in}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{storage}}(T_{\mathrm{LNT}},\mathrm{mN}{\mathrm{Ox}}_{\mathrm{stored}}))\mathrm{dt}$

其中mNOx_stored为LNT中的NOx存储质量，

为流入LNT的NOx数量，且η_storage(T_LNT，mNOx_stored)为LNT的NOx存储效率。

流入LNT的NOx数量

从废气流量

和NOx传感器46、48之一或两者确定。废气流量通过测量MAF传感器42处的进气空气质量流量

并加上指令燃料流量

确定。LNT的NOx存储效率为对给定的LNT的预定函数或查询表，且可以为LNT温度和在其中的当前NOx存储质量的函数。LNT温度从温度传感器44、45中的任何一个或两者确定。方法100然后前进到控制方块108。

控制方块108确定在LNT中新的总体NOx存储数量。该确定包括将由控制方块106确定的跨过时间间隔的NOx加到先前的总体NOx存储数量。方法100然后前进到控制方块110，其中新的总体NOx存储量在控制模块28中存储以随后用于控制模块102。方法100然而再一次前进到判定方块104。

如果确定NOx在LNT中未存储而是转化，方法100前进到控制方块112。控制方块112确定跨过预定时间间隔转化的NOx数量。该确定包括计算转化的NOx数量，表示如下：

$m{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{converted}}=\∫({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{redctnt}}\·\mathrm{RED}2\mathrm{NOxRatio})\mathrm{dt}$

其中

为流入LNT的还原剂的质量流量，且RED2NOxRatio为存储的NOx和还原剂之间的经验推导比。更具体地：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{redctnt}}=(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-1)*{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{exh}}$

其中λ是操作空气-燃料混合物和化学当量空气-燃料混合物之间的比，且

是LNT中的废气质量流率。拉姆达(λ)从拉姆达传感器确定。更具体而言，λ从拉姆达传感器50确定。废气质量流率如上所述确定。RED2NOxRatio为LNT显度(T_LNT)、空间速度(SV)、和NOx存储质量(mNOx_stored)的函数。

RED2NOxRatio的确定可以用处于各种条件的LNT以实验确定。收集的结果可用于产生上文提到的查询表或函数。这种实验确定的示例包括以处于稳定状态的空LNT收集器开始，例如罐34中的LNT。发动机，如发动机18，操作在稀条件直到在LNT中收集预定数量的NOx。收集的NOx数量通过在稀操作之后在LNT中的NOx质量测量确定。发动机18然后以浓条件操作，以便在LNT中再生所述质量的NOx。在浓操作期间，还原剂质量使用拉姆达传感器监测，如第二拉姆达传感器52，且跨过浓操作时间积分。还原剂质量可以被积分直到在第二拉姆达传感器52处的还原剂测量中看到拐点。

在第二拉姆达传感器52处检测的拐点表示完成再生过程。一旦检测到再生过程完成，空间速度(SV)和LNT温度(T_LNT)的值可以确定。空间速度通过以下确定：

$\mathrm{SV}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{exh}}/\mathrm{AverageExhaustGasDensity}/\mathrm{CatalystVolume}$

其中

如上所述确定，AverageExhaustGasDensity为废气气体密度的已知值，且CatalystVolume为包含LNT的催化剂的体积。基于这些值，计算转化的NOx数量。方法100然后前进到控制方块114。

控制方块114确定在LNT中的新的总体NOx存储数量。该确定包括从控制方块102确定的先前的总体NOx存储数量减去控制方块112确定的跨过时间间隔转化的NOx。方法100然后前进到控制方块110，其中新的总体NOx存储量存储在控制模块28中以随后用于控制方块102。方法100然后再一次前进到判定方块104。

现在，本领域技术人员从前述说明可以理解，本公开的广泛教导可以各种形式实施。因而，虽然本公开已经结合其具体示例描述，本公开的真实范围并不如此限定，因为在研读附图、说明书和以下权利要求书之后其它变型对本领域技术人员来说显而易见。

Claims (26)

1.一种确定在发动机排气组件的NOx收集器中的NOx存储数量的方法，所述方法包括：

设定总体NOx存储数量；

判定NOx当前是存储在NOx收集器还是由NOx收集器转化；当确定NOx存储在NOx收集器时，

确定进入NOx收集器的NOx质量流率；

确定所述收集器中的NOx存储效率；

基于所确定的质量流率和确定的效率计算在NOx收集器中的NOx存储数量，和

将确定的NOx存储数量加到总体NOx存储数量以确定新的总体NOx存储数量；以及

当确定NOx在NOx收集器中未存储而是转化时，计算从NOx收集器去除的NOx数量，并从总体NOx存储数量减去所述去除的NOx数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算在NOx收集器中的NOx存储数量包括确定所确定的质量流率和确定的效率的乘积。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定质量流率和所述确定效率以预定时间步长进行，所述计算在NOx收集器中的NOx存储数量包括跨过所述时间步长积分所述乘积。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括存储所计算的在NOx收集器中的NOx存储数量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定效率包括基于NOx收集器的温度和存储的所计算的在NOx收集器中的NOx存储数量来参考基于经验的效率值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，NOx收集器的温度的确定包括感测NOx收集器进口处的温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定进入NOx收集器的NOx质量流率包括感测NOx收集器上游的NOx质量流率。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定质量流率、所述确定效率、和所述计算在NOx收集器中的NOx存储数量在发动机的稀操作期间进行。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括确定在发动机浓操作期间从NOx收集器去除的NOX质量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算在NOx收集器中的NOx存储数量包括从先前计算的NOx存储数量减去去除的NOx数量。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率；

确定在所确定的还原剂的质量流率和从NOx收集器去除的NOx数量之间的关系；和

基于所确定的还原剂的质量流率和所确定的关系计算从NOx收集器去除的NOx数量。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述计算从NOx收集器去除的NOx数量包括确定所确定的还原剂的质量流率和所确定的关系的乘积。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率和所述确定还原剂和从NOx收集器去除的NOx之间的关系以预定时间步长进行，所述计算从NOx收集器去除的NOx数量包括跨过所述时间步长积分所述乘积。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率包括确定从发动机进入NOx收集器的废气质量流率和确定操作空气-燃料比。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率包括确定操作空气-燃料比和化学当量空气-燃料比之间的比λ。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率包括确定(1/λ)-1和从发动机进入NOx收集器的废气质量流量的乘积。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述确定所述关系包括参考还原剂和从NOx收集器去除的NOx之间的预定的基于经验的比。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，确定基于经验的比包括以稀条件操作发动机；在所述稀操作期间测量NOx蓄积量；在所述稀操作之后以浓条件操作发动机；和在所述浓操作期间积分还原剂的质量直到在NOx收集器下游测量的还原剂质量中检测到拐点。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，确定基于经验的比包括在发动机以浓条件的所述操作期间确定空间速度和与NOx收集器有关的温度。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括在所述浓操作期间确定每单位去除的NOx质量的还原剂平均质量。

21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述确定质量流率和所述确定所述关系在发动机的浓操作期间进行。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括在发动机稀操作期间确定在NOx收集器中的NOx存储质量。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述计算从NOx收集器去除的NOx数量包括从先前确定的NOx存储数量减去去除的NOx数量。

24.一种用于发动机排气组件的NOx收集器的NOx监测系统，所述系统包括：

空气质量流量传感器，所述空气质量流量传感器与发动机的空气供给连通以确定进入发动机的空气数量；

拉姆达传感器，所述拉姆达传感器与排气系统连通以确定操作空气-燃料比和化学当量空气-燃料比之间的比；

NOx传感器，所述NOx传感器与排气系统连通以确定其中的NOx浓度；和

控制模块，所述控制模块从所述空气质量流量传感器、所述拉姆达传感器和所述NOx传感器接收输入，所述控制模块设置为基于所述输入计算在NOx收集器中的NOx存储数量；

其中所述控制模块包括NOx存储量计算模块和NOx转化量计算模块，所述NOx存储量计算模块设置为计算在NOx收集器中的NOx存储数量，所述NOx转化量计算模块设置为计算从NOx收集器去除的NOx数量；

其中控制模块判定NOx当前是存储在NOx收集器还是由NOx收集器转化，当确定NOx存储在NOx收集器时，NOx存储量计算模块计算在NOx收集器中的NOx存储数量；当确定NOx由NOx收集器转化时，NOx转化量计算模块计算从NOx收集器去除的NOx数量；

其中所述NOx存储量计算模块确定进入NOx收集器的NOx质量流率和在其中存储进入NOx收集器的NOx的效率。

25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述拉姆达传感器位于NOx收集器的进口处。

26.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述NOx转化量计算模块确定进入NOx收集器的还原剂的质量流率和进入NOx收集器的还原剂的质量流率与从NOx收集器去除的NOx数量之间的关系。

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