CN101377143B - 用于减少在scr催化剂中还原剂释放的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少在热瞬变期间从SCR催化剂的NH3释放的方法。一种控制系统，包括确定选择性催化还原(SCR)催化剂的温度模块；确定所述温度的导数模块；调节提供给所述SCR催化剂的还原剂的剂量以调节发动机排出NOx含量的定量进料模块。控制模块基于温度导数产生控制信号，其中该控制信号调节积聚在SCR催化剂内部的还原剂的量以减少还原剂在热瞬变期间从本SCR催化剂的释放。

Description

用于减少在SCR催化剂中还原剂释放的方法和控制系统
相关申请的交叉引用 
本申请要求在2007年8月30日提交的美国临时申请No.60/966,844的优先权。上述申请的公开内容在此被引入作为参考。 
技术领域
本公开内容涉及尾气处理系统，并且更具体地涉及减少在热瞬变(transient)期间从选择性催化还原催化剂的NH3释放。 
背景技术
在该部分的说明仅仅提供涉及本公开内容的背景技术并可能不构成现有技术。 
使用氨(NH3)作为还原剂的NOx的选择性催化还原(SCR)被充分地建立在固定源和汽车应用(如，柴油发动机)中用于NOx排放物减少。在SCR方法中，NOx与还原剂(如，纯无水氨，液氨或脲，它们通过定量给料系统被注入到烟道或尾气流中以被吸收到SCR催化剂上)反应。该注入的定量给料试剂(例如脲)分解以形成氨(NH3)，其是用于与NOx反应的还原剂。以下示例性的化学关系描述了NOx还原反应： 
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O 
4NH3+2NO+2NO→4N2+6H2O 
3NO2+4NH3→3.5N2+6H2O 
该SCR方法显著地还原了NOx，形成水蒸汽(H2O)和氮气(N2)。 
SCR催化剂的吸收NH3的能力是温度的函数，随着升高SCR催化剂温度储存容量下降。为了获得优良的SCR催化剂的NOx转化效率，尤其是在较低操作温度范围内，SCR催化剂必须被保持为具有过量的NH3储存在催化剂中。然而，随着SCR催化剂温度升高， 由于降低的储存容量，储存的NH3可能从催化剂释放出来。NH3的释放对SCR催化剂温度瞬变非常敏感，即快速的温度升高突然减少储存容量，并放出储存的NH3。如果NOx的输入速率不足以消耗在热瞬变期间放出的NH3，该放出的NH3在SCR催化剂的后部(rear of the SCR catalyst)被释放出。NH3的释放影响NOx的转化效率的计算，因为SCR催化剂下游的NOx传感器将释放的NH3作为NOx进行检测。而且，如果催化的柴油微粒过滤器存在于SCR催化剂下游并足够热时，NH3可能被氧化为NOx，由此增加了尾管NOx。 
发明内容
控制系统包括温度模块(其确定选择性催化还原(SCR)催化剂的温度)、导数模块(derivative module)(其确定温度的导函数)和定量给料(dosing)模块(其调节(regulate)提供给SCR催化剂的还原剂的剂量以调节发动机出口NOx含量)。控制模块基于温度导数产生控制信号，其中控制信号调节NH3和NOx进入SCR催化剂的量以减少还原剂在热瞬变期间从SCR催化剂的释放。 
适用性的进一步的范围从在本文中提供的说明将变得明显。应当理解的是说明和特定的实施例仅仅用于举例说明的目的而并不旨在限制本公开内容的范围。 
附图说明
在本文中描述的附图仅仅用于举例说明目的，而不旨在以任何方式限制本公开内容的范围。 
图1是包括含有选择性催化还原(SCR)催化剂的尾气处理系统的发动机系统的功能框图； 
图2是NH3释放控制系统的示例性模块的功能框图； 
图3是举例说明通过本发明的NH3释放控制系统实施的示例性步骤的流程图；和 
图4是举例说明SCR催化剂温度随时间变化对SCR催化剂NH3储存容量的影响的图。 
具体实施方式
以下说明本质上是仅仅示例性并不旨在限制本公开内容、应用或用途。应当理解的在所有附图中，相应的参考数字表示相似或相应的部分或特征。如在本文中使用，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用的、专用的或群处理器)和执行一个或多个软件或固件(firmware)程序的存储器、组合逻辑电路或其他合适的提供需要功能的组件。 
美国申请公开2006-0130458描述了基于来自上游NOx传感器的闭环控制来计算所需NH3定量给料的方法，该文件在此被引入作为参考。 
现在参考图1，其示意性举例说明了示例性交通工具系统10。交通工具系统10包括发动机系统12和尾气后处理系统14。发动机系统12包括，例如，具有气缸18的柴油发动机16，进气歧管20和尾气歧管22。空气通过节流阀24进入进气歧管20。空气与燃料混合并且该空气与燃料的混合物在气缸18中燃烧以驱动活塞(未显示)。虽然单个气缸18被举例说明，应当理解的是柴油发动机12可以包括其他气缸18。例如，具有2、3、4、5、6、8、10、12和16个气缸的发动机也是可预期的。燃料从燃料源26进行提供并使用喷射器28被喷射到空气流中。燃料液面传感器30响应于燃料源26中的燃料量。 
尾气通过燃烧过程产生并从气缸18排气到尾气歧管22中。尾气后处理系统14处理流动通过它的尾气以在被释放到大气前减少排放物。尾气后处理系统14包括定量给料系统32，柴油氧化催化剂(DOC)34，第一NOx传感器36，第二NOx传感器37和NH3选择性催化还原(SCR)催化剂38。 
相对于SCR催化剂38，第一NOx传感器36被视为上游NOx传感器而第二NOx传感器37被视为下游NOx传感器。NOx传感器36、37都对尾气的NOx含量作出响应并基于此产生各自的信号。 
温度传感器TA、TB和TC被设置在沿着排放路径的各个点。例如，温度传感器TA被设置在DOC 34的上游，温度传感器TB被设置在SCR催化剂38的上游和温度传感器TC被设置在SCR催化剂38的下游。DOC 34与尾气反应以降低尾气的排放含量。还可以预期的是柴油微粒过滤器(DPF)40被设置在SCR催化剂38的下游，其过滤柴油微粒以进一步减少排放物。 
定量给料系统32包括定量给料试剂喷射器42，定量给料试剂储存箱44和定量给料试剂液面传感器46。定量给料系统32选择性地将定量给料试剂(例如，脲)喷射入尾气流中以进一步减少排放物。更特别地，该定量给料试剂被喷射到尾气流中的速度基于由一个或多个在本文中描述的各种传感器进行确定。NOx传感器36、37用来确定NOx转化效率并确定通过给料试剂喷射器42施用的合适的脲给料量。尾气和定量给料试剂混合物在SCR催化剂38中反应以减少尾气NOx排放物。 
控制模块50监测SCR催化剂38温度并如在下面进一步描述地计算导数以产生倍增信号和偏置(offset)信号。该倍增信号通过定量给料系统32改变脲给料速率。该偏置信号调节质量空气流量速率(例如，基于偏置信号通过控制EGR系统(未显示))以调节可用于与积聚在SCR催化剂38中的NH3反应的NOx的量。倍增信号和偏置信号一起作用以减少在热瞬变期间从SCR催化剂38的NH3释放。 
虽然该倍增信号可以响应于温度瞬变来降低脲剂量速率，但由于在SCR催化剂38中的过量的NH3，将脲进料速率降低到0可能不足以防止NH3释放。为了进一步帮助减少储存的NH3，偏置信号增加与可用的储存NH3反应的可用的NOx的量。控制模块50还可以监测聚积在SCR催化剂38中的NH3含量。基于聚积的NH3的含量，控制模块50可以改变校正信号以进一步调节聚积在SCR催化剂38中的NH3，优化脲倍增和NOx偏置信号的绝对水平。换句话说，校正信号提供NH3“数量敏感性”剂量修改信号和偏置信号。 
现在参考图2，调节NH3在SCR催化剂38中的积聚含量来响应温度瞬变的示例性模块的原理框图，其是示意说明性的。控制模块50包括热瞬变NH3量和进料气体NOx控制系统(NH3控制)200，该控制系统包括监测SCR催化剂38的温度(TCat)温度模块202。该TCat可以通过进口温度的直接测量(用温度传感器TA)或进口和出口温度的平均值(如分别通过温度传感器TB和TC测定)进行确定。本领域的技术人员应当理解的是与其直接测量，倒不如可以对TCat进行估计或模拟。 
当TCat高于阈值温度(如通过比较模块203测量)时， 通过NH3控制系统200产生控制信号以减少由于温度瞬变的NH3释放。阈值温度对于每种单独SCR催化剂可以是不同的。阈值温度可以根据不同发动机操控模式和/或考虑在SCR催化剂温度迹线中的点进行设定，在上述点NH3的释放被减到最少(如通过在最大储存曲线中的斜率变化显示)。导数模块204产生TCat的导数(dTCat)。过滤器模块206提供过滤以避免导数信号(dTCat)由于噪音而形成尖峰。过滤器常数被选择为足以防止温度尖峰(即，噪音)产生虚假的高导数信号输出。本领域的技术人员可以从各种能够从导数信号中去掉尖峰的数字过滤器中进行选择。 
该过滤后的导数信号被传输到剂量修改模块208、偏置模块210和NH3储存校正模块212。该剂量修改模块208产生预定的作为温度改变速率的函数的倍增信号，例如通过用导数信号访问查找表(lookup table)214。该预定的倍增值表示对高储存含量的最大校正。该预定的倍增信号可以是0-1的值，例如，1值不提供修改，使脲定量进料速率(如通过定量进料系统32进行测定)保持不变。零的倍增信号提供完全修改，使没有脲通过配料试剂喷射器42本身被喷射。 
该NOx偏置模块210产生作为温度变化速率的预定的偏置信号，例如通过用导数信号访问查找表216。该预定的偏置信号修改空气流量设定值(其控制EGR并因此发动机排出NOx)，其是温度变化速率的函数。该预定的偏置信号可以是0-y的值，其中0值对空气流量设定值不提供修改，即，没有修改，和y值对空气流量设定值提供最大修改。例如，当SCR催化剂38温度升高时，为了帮助更快地消耗NH3，该EGR速率被减低以提供更多的NOx。该EGR速率由通过偏置信号提高空气流量设定值进行降低。 
基于NH3在SCR催化剂38中的测定量，NH3储存校正模块212产生校正信号。例如，倍增器校正信号可以是0-1的值，其作为储存在SCR催化剂38中的NH3的量的储存率进行确定。当NH3在SCR催化剂38中的量高于阈值时，0值对定量进料系统32提供最大校正。它保证最少的脲通过配料试剂喷射器42被喷射。当在SCR催化剂38中的NH3的量低于阈值时，1值对该预定的倍增信号不提供校正。0值对预定偏置信号不提供校正。 
基于预定的倍增信号和修改信号，倍增器内插模块220产 生修改后的倍增信号。例如，该校正信号用来在没有校正(1)和预定的倍增信号(最大校正表示高储存水平)之间内插预定的倍增信号。 
基于预定的偏置信号和校正信号，偏置内插模块222产生修改后的偏置信号。例如，校正信号用来在无校正(0)和预定的偏置信号的值(最大校正表示高储存水平)之间内插预定的偏置信号。 
通过倍增器内插模块220产生的修改的倍增信号将被传输到定量进料系统32以被用于调节脲定量进料量的控制信号。该由偏置内插模块222产生的修改的偏置信号将被传输到发动机模块并将被用于调整(adjust)与可用的NH3相匹配的NOx水平，以帮助防止NH3释放。本领域的技术人员将注意到，虽然在本公开内容中信号被倍增，替换的实施方案可以加合(sum)由控制模块50产生的控制信号和由定量进料系统32产生的控制信号。由控制模块50产生的控制信号还可以用于在发动机控制中的其他地方以修改脲定量进料量和空气流量设定。 
查找表214、216被校准为在温度跃变开始时SCR催化剂38的最大NH3储存。查找表可以通过运行各种速度-载荷跃变或瞬变循环(其中发生NH3释放)和通过修改表项目(table entries)以使NH3释放减到最少而进行校准。 
现在参考图3，其显示了举例说明调节包含在SCR催化剂38上的NH3的流程图。控制在步骤300开始。在步骤301，控制确定SCR催化剂38温度是否大于阈值温度值。如果SCR催化剂38温度小于或等于阈值温度，那么控制对步骤302进行并且使SCR催化剂38回到正常运转(如果已经不在正常运转时)。如果SCR催化剂38温度大于阈值温度，控制对步骤304进行。 
在步骤304中，控制确定存在于SCR催化剂38中的NH3当前量并对步骤306进行。 
在步骤306中，控制基于NH3的储存量确定校正值然后对步骤308进行。在步骤308中，控制确定SCR催化剂38温度的导数(提供温度变化的速率)然后继续到步骤310。 
在步骤310中，控制基于SCR催化剂38温度导数确定用于脲流量信号的倍增值，和继续到步骤312。 
在步骤312中，控制基于SCR催化剂38温度导数确定发 动机MAF信号的偏置然后继续到步骤314。 
在步骤314中，基于在步骤304、306确定的校正值，脲流量和MAF的最终的倍增值和偏置值通过在完全校正和无校正之间内插进行确定。 
在步骤316中，控制将校正后的倍增信号传输到定量给料系统32以修改定量给料试剂喷射器42控制信号。该校正后的偏置信号用来修改空气流量设定值。然后控制结束。然而可预期的是，在发动机运转时，上述示例性的控制将通过步骤300-316以预定的时间间隔或速率继续到回路。 
现在参考图4，试验图显示了在SCR催化剂38经受温度瞬变时，相对于SCR催化剂38温度的示例性的NH3储存量。水平轴T表示以摄氏度表示的温度。纵轴Q是以NH3的克数进行标度的。SCR催化剂NH3量迹线(QMax)表示催化剂依据温度可以存储的最大量的NH3。量迹线QA和QB表示相对于催化剂温度的NH3的示例性的可操作目标量。交点T1Q1和T2Q1显示催化剂温度从T1至T2的变化对SCR催化剂38的存储容量和可能地对产生的NH3释放的影响。图4举例说明了从T1至T2的热瞬变影响，使得NH3量迹线Q1从T1Q1到T1Q1，产生(Q1-Q2)的NH3释放，或者在SCR催化剂38的当前NH3量和新存储容量之间的差值。 
发动机载荷条件改变可能引起具有足够高的变化率的温度瞬变以致于可用的NH3的量将超过可用的NOx。如果没有足够可用的NOx，过剩量的NH3可能被释放。因此，提供给SCR催化剂38的NH3的当前剂量可以被降低和/或可用的NOx的量可以被提高，这取决于温度变化的速率和存在于SCR催化剂38上的NH3的当前量。 
本领域的技术人员现在从上面描述中可以理解，本公开内容的宽的教导可以以各种形式进行实施。因此，虽然本公开内容包括特定的实施例，本公开内容的真正范围不应该被限制于此，因为其他修改对于熟练的实施者通过研究附图、说明书及以下权利要求将变得明显的。 

Claims (11)

1.控制系统，包括：
温度模块，其确定选择性催化还原(SCR)催化剂的温度；
导数模块，其确定所述温度的导数；
定量进料模块，其调节提供给所述SCR催化剂的还原剂剂量；和
控制模块，其基于所述导数，产生控制信号以调整定量进料模块的操作来调节发动机排出NOx水平，
其中所述控制信号调节积聚在所述SCR催化剂内部的所述还原剂的量以减少还原剂在热瞬变期间从所述SCR催化剂的释放，
其中所述控制模块包括基于所述导数产生倍增信号的倍增器模块，其中所述倍增信号通过所述定量进料模块调整还原剂的定量进料量以调节积聚在所述SCR催化剂内的所述还原剂并减少所述还原剂的释放，
其中所述控制模块包括基于所述导数产生偏置信号的偏置模块，其中所述偏置信号调整空气流量设定值，提高NOx以匹配可用的还原剂，
其中所述控制模块包括基于在所述SCR催化剂内的所述还原剂的量产生校正信号的校正模块，其中所述校正信号响应于所述还原剂的所述量来修改所述倍增信号和所述偏置信号。
2.权利要求1的系统，其中所述SCR催化剂温度包括SCR催化剂入口温度和平均SCR催化剂温度之一，其中所述平均SCR催化剂温度是在所述SCR催化剂入口温度和SCR催化剂出口温度之间的平均值。
3.权利要求1的系统，其中所述SCR催化剂温度通过直接温度测量和估算的SCR催化剂温度测量中的一种进行确定。
4.权利要求1的系统，其中所述还原剂包括脲。
5.权利要求1的系统，其中所述导数用足以除去由于噪音而提高的导数的过滤器常数进行数字过滤。
6.权利要求1的系统，其中所述控制信号通过用所述导数访问多个查找表中的一个进行确定。
7.权利要求6的系统，其中，通过在多个温度确定还原剂释放和改变表项目以使还原剂释放减到最少，从而对所述多个查找表进行校准。
8.在热瞬变期间减少SCR催化剂中还原剂释放的方法，包括：
确定所述SCR催化剂的温度；
确定所述温度的导数；
基于所述导数产生控制信号；和
基于所述导数，调节提供给所述SCR催化剂的还原剂的剂量，
其进一步包括调节积聚在所述SCR催化剂内的所述还原剂以减少在热瞬变期间所述还原剂的释放，
其中所述基于所述导数产生控制信号包括基于所述导数产生倍增信号，其中所述倍增信号调整所述调节提供给所述SCR催化剂的还原剂的剂量，以调节积聚在所述SCR催化剂内的所述还原剂并减少所述还原剂的释放，
其中所述基于所述导数产生控制信号包括基于所述导数产生偏置信号，其中所述偏置信号调整空气流量设定值，并提高NOx量以匹配可用的还原剂，
其中所述产生控制信号包括基于在所述SCR催化剂内的所述还原剂的量产生校正信号，其中所述校正信号修改所述倍增信号和所述偏置信号以进一步调节在所述SCR催化剂内积聚的所述还原剂并减少所述还原剂的释放。
9.权利要求8的方法，其中所述还原剂包括脲。
10.权利要求8的方法，其中所述确定所述SCR催化剂的温度包括直接测量所述SCR催化剂温度和估算所述SCR催化剂温度测量值中的一种。
11.权利要求8的方法，进一步包括过滤所述温度的导数以除去由于噪音而提高的导数。
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