CN101737132B - 低氮氧化物质量流率时的氨存储控制系统和方法 - Google Patents

低氮氧化物质量流率时的氨存储控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低氮氧化物质量流率时的氨存储控制系统和方法。具体地，提供了一种控制系统，包括：氨(NH3)存储水平确定模块，其确定排气系统中的NH3存储水平；期望的NH3存储水平确定模块，其基于废气温度确定期望的NH3存储水平；以及氮氧化物(NOx)质量流率控制模块，其基于所述NH3存储水平与所述期望NH3存储水平之间的差来控制NOx流率。还提供了一种方法，包括：确定排气系统中的氨(NH3)存储水平；基于废气温度确定期望的NH3存储水平；以及基于所述NH3存储水平与所述期望的NH3存储水平之间的差来控制NOx质量流率。

Description

低氮氧化物质量流率时的氨存储控制系统和方法
技术领域
本公开涉及排放控制系统和方法，尤其涉及在低氮氧化物(NOx)质量流率时的氨(NH3)存储控制系统和方法。
背景技术
这里提供的背景描述是为了总地示出本公开背景的目的。发明人的一部分工作在背景技术部分中被描述，这部分内容以及在提交申请时该描述中不另构成现有技术的方面，既不明确也不暗示地被承认是破坏本发明的现有技术。
内燃机燃烧空气和燃料混合物以产生驱动扭矩。燃烧过程产生从发动机排向大气的废气。废气含有氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氢化物(HC)和颗粒。排气系统处理废气以在该废气被释放到大气之前降低排放。
在示例性的排气系统中，定量给料系统(dosing system)在选择性催化还原(SCR)催化剂的上游将定量给料的药剂(例如，尿素)喷射进废气中。所述定量给料的药剂分解以形成存储在SCR催化剂中的氨(NH3)。存储在SCR催化剂中的NH3与NOx反应从而形成氮(N2)和水(H2O)，这降低了释放到大气的NOx水平。
发明内容
本公开提供了一种控制系统，包括：氨(NH3)存储水平确定模块，其确定排气系统中的NH3存储水平；期望的NH3存储水平确定模块，其基于废气温度确定期望的NH3存储水平；以及氮氧化物(NOx)质量流率控制模块，其基于所述NH3存储水平与所述期望的NH3存储水平之间的差来控制NOx质量流率。另外，本公开还提供了一种方法，包括：确定排气系统中的氨(NH3)存储水平；基于废气温度确定期望的NH3存储水平；以及基于所述NH3存储水平与所述期望的NH3存储水平之间的差来控制NOx质量流率。
从下文提供的详细描述可清楚本公开适用性的其它方面。应当理解，详细描述和具体实例仅仅是为了说明目的，而不是意图限制本公开的范围。
附图说明
从详细描述和附图可更加全面地理解本公开，附图中：
图1为包括了根据本公开的排放控制系统的车辆的示意图；
图2为图1中根据本公开的排放控制系统的控制模块的功能框图；
图3为示出了根据本公开的NH3存储控制方法的示例性步骤的流程图；以及
图4为示出了NH3存储水平与选择性催化还原(SCR)催化剂的温度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
实质上，下面的描述仅仅是示例性的，而绝不是意图限制本发明及其应用或使用。为清楚起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。如本文所使用的那样，措辞“A、B和C中至少之一”应当被认为是意味着使用了非排他性逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开原理的情况下，可以不同的顺序执行方法中的步骤。
如本文中所使用的那样，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。
当存储在SCR催化剂中的NH3的量被控制时，选择性催化还原(SCR)催化剂可有效降低NOx排放。例如，可在各种操作条件下保持NH3存储水平以最大化NOx转化效率。随着SCR催化剂的温度升高，可降低NH3存储水平以避免NH3泄漏(即，从SCR催化剂释放过量的NH3)。
根据本公开的排放控制系统和方法确定SRC催化剂中的氨(NH3)存储水平，并基于该NH3存储水平控制该SCR催化剂上游的氮氧化物(NOx)质量流率。所述NH3存储水平可基于在SCR催化剂上游被喷射的定量给料的药剂(例如，尿素)量和在该SCR催化剂中消耗的NH3量来确定。期望的NH3存储水平可基于废气温度来确定，以最大化NOx转化效率，同时避免NH3泄漏。当NH3存储水平超过期望的NH3存储水平时，可增大NOx质量流率，以将NH3存储水平降低到期望的NH3存储水平。
现在参考图1，其示出了车辆100的功能框图。车辆100包括柴油发动机102和排气系统104。柴油发动机102燃烧空气与柴油燃料的混合物以产生驱动扭矩，并释放废气到排气系统104中。排气系统104处理废气以降低释放到大气的排放。
空气可通过空气过滤器106并继续通过涡轮增压器108的进气侧进入柴油发动机102。涡轮增压器108使用由柴油发动机102的废气提供动力的涡轮(未示出)来压缩空气。被压缩的空气在通过进气节气门(ITV)112之前可通过空气冷却器110或其它调节装置。
控制模块114以各种角度定位ITV 112，以调节压缩空气的质量流率。当空气进入进气歧管118时，废气可通过废气再循环(EGR)阀116来再循环，以产生空气混合物。控制模块114控制EGR阀116的位置以调节再循环的废气量。
来自进气歧管118的空气混合物与来自燃料喷射器120的燃料在汽缸122中混合，作为结果的空气-燃料混合物被燃烧产生扭矩。虽然图1仅示出了四个汽缸，但是柴油发动机102可包括额外的或更少的汽缸122。废气通过排气歧管124排出汽缸122，并通过涡轮增压器108到排气系统104。
排气系统104可包括柴油氧化催化剂(DOC)126、选择性催化还原(SCR)催化剂128和颗粒过滤器130。DOC 126通过氧化减少废气中的颗粒物质、碳氢化物和一氧化碳。SCR催化剂128与废气中的NOx反应以降低NOx排放。颗粒过滤器130在废气被释放到大气之前从该废气中收集颗粒物质。
定量给料系统132可在DOC 126的下游将定量给料的药剂(例如，尿素)喷射到废气中。控制模块114通过阀134调节被喷射的定量给料的药剂的量。定量给料的药剂分解以形成存储在SCR催化剂128中的氨(NH3)。存储在SCR催化剂128中的NH3与废气中NOx反应形成氮(N2)和水(H2O)，这样就减少了NOx。
控制模块114与加速踏板传感器136和空气质量流量(MAF)传感器140通信。加速踏板传感器136产生表示了加速踏板138的位置的信号。MAF传感器140产生表示了通过空气过滤器106到进气歧管118的空气质量的信号。控制模块114使用踏板位置信号和MAF信号控制ITV 112、EGR阀116和燃料喷射器120。
排气系统104可包括NOx传感器142、温度传感器144、以及检测废气特性的其它传感器。NOx传感器142检测DOC 126上游的NOx浓度，并产生表示该NOx浓度的信号。温度传感器144检测SCR催化剂128上游的废气温度，并产生表示该废气温度的信号。控制模块114接收由NOx传感器142和温度传感器144所产生的信号。
现在参考图2，控制模块114包括NH3存储水平确定模块200、定量给料药剂控制模块202、期望的NH3存储水平确定模块204、以及NOx质量流率控制模块206。NH3存储水平确定模块200确定SCR催化剂128中的NH3存储水平。定量给料药剂控制模块202控制通过阀134被喷射的定料给料的药剂量，并将被喷射的所述定量给料的药剂量送至NH3存储水平确定模块200。NH3存储水平确定模块200可基于被喷射的该定量给料的药剂量和SCR催化剂128中消耗的NH3量来确定NH3存储水平，正如美国专利申请No.11/786,036中所公开的那样，该文献通过引用被并入于本文。
控制模块114可包括通过燃料喷射器120控制燃料喷射正时/量的燃料控制模块208。NH3存储水平确定模块200可接收来自MAF传感器140的MAF、来自NOx传感器142的NOx浓度、和来自燃料控制模块208的燃料喷射正时/量，并基于这些方面来确定消耗的NH3的量。更具体地，NH3存储水平确定模块200可基于MAF、燃料喷射正时/量、和/或NOx浓度来确定进入SCR催化剂128的NOx的量，并基于进入SCR催化剂128的NOx量和SCR催化剂128的预定转化效率来确定消耗的NH3的量。
期望的NH3存储水平确定模块204从温度传感器144接收废气温度，并基于该废气温度确定期望的NH3存储水平。期望的NH3存储水平确定模块204可使用废气温度与期望的NH3存储水平之间最大化了SCR催化剂128中的NOx转化效率同时避免NH3泄漏(即，从SCR催化剂128中释放过量的NH3)的预定关系来确定期望的NH3存储水平。
另外，期望的NH3存储水平确定模块204可从NH3存储水平确定模块200接收MAF和燃料喷射正时/量，并基于此确定期望的NH3存储水平。更具体地，期望的NH3存储水平确定模块204可基于废气温度、MAF、燃料喷射正时/量与期望的NH3存储水平之间的预定关系来确定期望的NH3存储水平。该预定关系最大化了SCR催化剂128中的NOx转化效率，同时避免了NH3泄漏。
NOx质量流率控制模块206接收包括了来自NH3存储水平确定模块200的NH3存储水平和来自期望的NH3存储水平确定模块204的期望的NH3存储水平的输入。定量给料药剂控制模块202从NOx质量流率控制模块206接收输入，该输入包括NH3存储水平和期望的NH3存储水平。定量给料药剂控制模块202控制被喷射的定量给料药剂量，NOx质量流率控制模块206基于接收的输入来控制在SCR催化剂128上游的NOx质量流率。
更具体地，当NH3存储水平大于期望的NH3存储水平时，NOx质量流率控制模块206增大NOx质量流率以将NH3存储水平降低至期望的NH3存储水平。当NH3存储水平小于或等于期望的NH3存储水平时，定量给料药剂控制模块202增大被喷射的定量给料药剂的量，以将NH3存储水平增大至期望的NH3存储水平。
NOx质量流率控制模块206可通过调节EGR阀116来控制NOx质量流率。关闭EGR阀116会降低再循环的废气量，从而允许更多的空气进入进气歧管118，并且增大了汽缸122中的空气/燃料(A/F)比。增大A/F比会引起柴油发动机102产生更多的NOx排放。NOx质量流率控制模块206可基于MAF传感器140的MAF与期望的NOx质量流率之间的预定关系，通过EGR阀116来控制NOx质量流率。
另外，NOx质量流率控制模块206可通过调节燃料喷射器120的喷射正时来控制NOx质量流率。提前的喷射正时会升高汽缸122中的燃烧温度。升高燃烧温度会引起柴油发动机102产生更多的NOx排放。NOx质量流率控制模块206可通过燃料控制模块208来调节燃料喷射器120的喷射正时。
现在参考图3，流程图示出了根据本公开原理的NH3存储控制方法的示例性步骤。在步骤300中，控制确定SCR催化剂128中的NH3存储水平。如上所述，控制可基于通过阀134喷射的定量给料药剂量和SCR催化剂128中消耗的NH3量来确定NH3存储水平。
在步骤302中，控制基于废气温度(Texhaust)来确定期望的NH3存储水平。控制可使用废气温度与期望的NH3存储水平之间的最大化了SCR催化剂128中的NOx转化效率且同时避免了NH3泄漏的预定关系来确定期望的NH3存储水平。
在步骤304中，控制确定NH3存储水平是否大于期望的NH3存储水平。当NH3存储水平大于期望的NH3存储水平时，控制于步骤306中增大NOx质量流率以降低NH3存储水平。当NH3存储水平小于或等于期望的NH3存储水平时，控制可于步骤308中增大喷射的定量给料药剂量以提高NH3存储水平。
控制可使用比例、比例-积分或比例-积分-微分控制方法来增大NOx质量流率。另外，控制可基于NOx质量流率与NH3存储水平之间的预定关系来增大NOx质量流率。例如，所述预定关系可为模型计算或参考表。
现在参考图4，示出了NH3存储水平(SCR NH3 Load)与SCR催化剂128的温度或SCR温度(SCR Temp)之间的关系。设定点的NH3存储(SpNH3Ld)为最大化了SCR催化剂128中的NOx转化效率且同时避免了NH3泄漏的NH3存储水平。期望的NH3存储轨迹通常追踪设定点的NH3存储。
NH3存储水平可通过减少从定量给料系统132喷射的定量给料药剂量来降低。但是，随着SCR温度增高，SCR催化剂128的NH3存储容量(Max NH3Ld)降低。因此，当SCR催化剂128上游的NOx质量流率(NOx原料气流率)低而SCR温度快速升高时，虽然阀134关闭以防止定量给料药剂进入废气，但是仍可能会发生NH3泄漏。为了避免NH3泄漏，可以和实际NH3存储与期望的NH3存储之间的差(NH3存储误差)成比例地方式来调节NOx质量流率，以消耗SCR催化剂128中存储的过量NH3。这样，当NOx原料气流率低并且SCR温度快速升高时，可最大化SCR催化剂128中被消耗的NOx同时避免NH3泄漏。
现在，本领域的技术人员从前面的描述能够认识到，本发明广泛的教导可以多种形式实施。因此，尽管本公开包括了特定的实例，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当被这样限制。

Claims (20)

1.一种用于排气系统的控制系统，包括：
氨存储水平确定模块，其确定排气系统中的氨存储水平；
期望的氨存储水平确定模块，其基于废气温度确定期望的氨存储水平；以及
氮氧化物质量流率控制模块，其基于所述氨存储水平与所述期望的氨存储水平之间的差来控制所述氮氧化物质量流率。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述氨存储水平确定模块基于定量给料药剂喷射量和氨消耗量来确定所述氨存储水平。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块以与所述氨存储水平与所述期望的氨存储水平之间的所述差成比例地来调节所述氮氧化物质量流率。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中，当所述氨存储水平大于所述期望的氨存储水平时，所述氮氧化物质量流率控制模块增大所述氮氧化物质量流率。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块通过调节发动机中的空气/燃料比来控制所述氮氧化物质量流率。
6.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块通过调节废气再循环阀来控制所述氮氧化物质量流率。
7.如权利要求6所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块基于空气质量流量与期望的氮氧化物质量流率之间的预定关系来调节所述废气再循环阀。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块朝着关闭位置调节所述废气再循环阀以增大所述空气质量流量。
9.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块通过调节燃料喷射器的喷射正时来控制所述氮氧化物质量流率。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中，所述氮氧化物质量流率控制模块提前所述喷射正时以增大所述氮氧化物质量流率。
11.一种用于排气系统的方法，包括：
确定排气系统中的氨存储水平；
基于废气温度确定期望的氨存储水平；以及
基于所述氨存储水平与所述期望的氨存储水平之间的差来控制氮氧化物质量流率。
12.如权利要求11所述的方法，还包括，基于定量给料药剂的喷射量和氨消耗量来确定所述氨存储水平。
13.如权利要求11所述的方法，还包括，以和所述氨存储水平与所述期望的氨存储水平之间的所述差成比例地来调节所述氮氧化物质量流率。
14.如权利要求11所述的方法，还包括，当所述氨存储水平大于所述期望的氨存储水平时增大所述氮氧化物质量流率。
15.如权利要求11所述的方法，还包括，通过调节发动机中的空气/燃料比来控制所述氮氧化物质量流率。
16.如权利要求11所述的方法，还包括，通过调节废气再循环阀来控制所述氮氧化物质量流率。
17.如权利要求16所述的方法，还包括，基于空气质量流量与期望的氮氧化物质量流率之间的预定关系来调节所述废气再循环阀。
18.如权利要求17所述的方法，还包括，朝着关闭位置调节所述废气再循环阀以增大所述空气质量流量。
19.如权利要求11所述的方法，还包括，通过调节燃料喷射器的喷射正时来控制所述氮氧化物质量流率。
20.如权利要求19所述的方法，还包括，提前所述喷射正时以增大所述氮氧化物质量流率。
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