CN101784332B - 具有过滤装置的scr系统的控制 - Google Patents

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Abstract

公开一种排放物控制系统(14)。排放物控制系统具有形成废气流的能量源(12)和接收废气流的过滤装置(24)。第一传感器(32)可定位在过滤装置处或其上游，第一传感器能够测量第一温度，并且SCR催化器(28)可定位在过滤装置的下游。排放物控制系统还可具有能够在具有SCR催化器的情况下将还原剂喷射到废气流中的喷射器(26)。排放物控制系统还可具有与第一传感器连通的控制器(30)。控制器能够使用测量到的第一温度的变化来预测SCR催化器的还原剂存储能力的变化，并且按照预测的SCR催化器的存储能力的变化来调节喷射器。

Description

具有过滤装置的SCR系统的控制
技术领域
本发明总体涉及一种用于SCR过程的控制系统，并且更特别是涉及一种根据过滤装置处或其上游测量的温度来控制喷射还原剂的量的控制系统。
背景技术
发动机废气排放对于发动机的制造商来说变得越来越重要。政府和管理机构正在针对许多类型的公路车辆和非公路车辆颁布更加严格的排放标准。从车辆发动机排放的废气流中污染物的含量必须根据发动机的类型、尺寸和/或等级来调节。制造商们必须开发新技术来满足这些标准，并同时为消费者提供高性能、成本有效的设备。
发动机制造商所采用的与废气流污染物规定相符合的一种方法是使用选择性催化还原(“SCR”)催化器，以便从发动机废气流中清除氮氧化物(“NOX”)。在具有催化器的情况下，通过将例如氨(“NH3”)的还原剂释放到发动机废气流中来使得SCR系统工作。NH3可存储在催化器的与废气流中的NOX反应以形成例如氮气(“N2”)和水(“H2O”)的有利于环境的产品的表面涂层内。SCR过程的化学反应可以通过如下反应式表示：
4NH3(ads)+4NO+O2→4N2+6H2O；           (2)
4NH3(ads)+2NO+2NO2→4N2+6H2O；         (3)
8NH3(ads)+6NO2→7N2+12H2O；            (4)
4NH3(ads)+3O2→2N2+6H2O.               (5)
反应式(1)描述氨从催化器吸附/解吸附，反应式(2)-(4)是描述在具有催化剂的情况下还原剂和NOX之间的反应的“脱NOX”反应，反应式(5)描述氨的氧化。
通常，制造商寻求使得废气流中的NOX最大量地转换成H2O和N2。为此，存储在催化器表面上的NH3的量会增加。然而，NH3也会从催化器解吸附，并且通过催化器下游的废气流承载到NH3释放到大气(即逃逸)的位置。NH3的逃逸是不希望的，这是由于未反应的NH3被释放到大气中并被浪费了。NH3的解吸附率主要取决于催化器的温度。随着催化器的温度增加，NH3从催化器表面的解吸附率呈指数增加。
不同于发动机或涡轮机通常以稳定状态条件操作的工业的或固定式SCR应用，用于公路车辆和非公路车辆的机动的SCR系统受到瞬时发动机速度和载荷影响。瞬时发动机速度和载荷造成随着时间变化的废气温度以及由此随着时间变化的催化器解吸附率。已经使用自动控制器来尝试处理废气温度的瞬时变化，同时保持很好的NOX转换并避免逃逸。
控制SCR过程的一种方法在2007年4月10日授予Gabrielsson等人的美国专利7200990(’990专利)中得以描述。具体地，’990专利披露了一种用于控制将还原剂喷射到来自内燃机的含有NOX的废气流中的方法。该方法的步骤1是对燃烧所产生的NOX量进行化学计算。该计算基于待燃烧空气的测量值、废气中的O2含量的测量值以及NOX含量的测量值。步骤2根据与步骤1相同的三个测量值加上催化器的废气入口和出口(即分别是催化器的上游和下游)的温度测量值来计算最大可能或希望的NOX转换率。来自于步骤1和2的结果被用于步骤3，以便在理论上获得某个时刻喷射的尿素溶液的量。
根据催化器入口的废气温度的测量值、空气流量的测量值、O2测量值并根据步骤2确定的废气流量，这种理论量在步骤4中在基于事件的过滤器中进一步调节，以便在瞬时情况下避免氨或NOX泄漏。催化器表面上吸附的氨的量特别随着废气流量和温度变化而变化。过滤器考虑了催化器的历史数据，以便预测催化器的NH3吸附/解吸附能力。如果催化器的情况使得可以出现大规模氨解吸附，那么将保留计算(步骤3)的尿素喷射的一部分，并将其存储在喷射算法的存储器内。另一方面，如果情况有利于NH3在催化器上吸附，那么可以增加实际尿素喷射，直到存储在存储器内的尿素量用完。
虽然’990专利描述了根据催化器的废气入口和出口的温度来控制还原剂喷射的方法，但该控制系统所产生的结果并未达到最佳。例如，发动机会产生有利的状况，因此造成控制系统存储较大量的尿素。然而，发动机载荷和/或速度的突然增加会造成废气温度的突然增加。这种废气温度的突然增加会加热催化器，并且显著增加存储的尿素的解吸附。由于被加热废气的快速运行速度以及喷射、吸附和解吸附过程所产生的时间滞后，即使在检测到催化器上游温度变化时立即调节喷射尿素的量也不足以防止已经存储的尿素的逃逸。
发明内容
本发明旨在克服上面提出的一个或多个问题。
在一个方面，本发明针对一种排放物控制系统。排放物控制系统可包括形成废气流的能量源以及接收废气流的过滤装置。第一传感器可定位在过滤装置处或其上游，第一传感器被构造成测量第一温度，并且SCR催化器可定位在过滤装置的下游。排放物控制系统还可包括被构造成在具有SCR催化器的情况下将还原剂喷射到废气流中的喷射器。排放物控制系统还可包括与第一传感器连通的控制器。控制器可被构造成使用测量到的第一温度的变化预测SCR催化器的还原剂存储能力的变化，并按照预测的SCR催化器的存储能力的变化来调节喷射器。
在另一方面，本发明针对一种控制SCR过程的方法。该方法可包括形成废气流并将废气流连通到过滤装置。该方法还可包括测量过滤装置处或其上游的第一温度，并且喷射还原剂以便在具有SCR催化器的情况下与废气流反应。SCR催化器可定位在过滤装置的下游。该方法还可包括使用测量到的第一温度的变化预测SCR催化器的还原剂存储能力的变化，并按照预测的SCR催化器的存储能力的变化来控制喷射还原剂。
附图说明
图1是示例性公开的流体系统的示意图；
图2是描述用于图1公开的控制系统中的控制器的示例性操作的控制流程图；
图3是在用于图1的流体系统的过滤装置和催化器处或上游测量的示例性温度的图表；以及
图4是在用于图1的流体系统的过滤装置和催化器处或上游测量的示例性温度的另一图表。
具体实施方式
图1表示流体系统10的示意图，流体系统10包括能量源12和排放物控制系统14。能量源12可以体现为内燃机，例如柴油发动机、汽油发动机、气态燃料供能发动机(例如天然气发动机)或者本领域普通技术人员公知的任何其它类型的内燃机。能量源12可具有多个将潜在化学能量(通常是可燃气体的形式)转换成有用机械功的燃烧室20。还考虑到能量源12可体现为锅炉或类似的非发动机装置。能量源12可经由通路16接收空气，并且可经由通路18输出废气流。
空气可经由感应阀15进入流体系统10。感应阀15可体现为蝶阀、闸阀、球阀、球形阀或本领域公知的任何其它类型的阀。感应阀15可以是电磁致动、液压致动、气压致动或以任何其它方式致动的。感应阀15可与通路16流体连通，以便经由吸气歧管(未示出)将空气引入能量源12。
排放物控制系统14可在燃烧过程之后减少从能量源12排放的有害气体和颗粒物质排放物。排放物控制系统14可包括过滤装置24、喷射器26、选择性催化还原(“SCR”)装置28、第一传感器32、第二传感器34和控制器30。设想到排放物控制系统14可包括其它装置，例如柴油氧化催化器、氨氧化催化器、附加喷射器和/或过滤器以及本领域公知的其它装置。
过滤装置24可以在废气流经由通路38释放到大气之前从废气流中过滤颗粒物质、烟灰和/或化学品。过滤装置24可例如体现为柴油颗粒过滤器、催化柴油颗粒过滤器、柴油氧化催化器、CRTTM或CCRTTM。过滤装置24可包含以蜂窝、网格和/或其它适当构造配置的过滤元件(未示出)。过滤装置24的过滤元件可以包括本领域公知的任何适当的过滤器材料，例如泡沫堇青石、烧结金属、纸张、陶瓷、碳化硅或其任意组合。
过滤装置24的过滤元件还可具有活性催化层，该活性催化层包括任何适当催化材料，例如铂、铝、钯、铑、钡、铈、碱金属、碱土金属、稀土金属或其任意组合。在废气流与催化剂相互作用时，碳氢化合物和/或废气流中的其它化学品可以被氧化。过滤装置24内的催化材料也可增加废气流中的NO2量，以改善被动再生能力和NOX还原效率。还考虑到，过滤装置24可以是被动或主动再生的，以便从过滤装置24的过滤元件去除颗粒物质。
设想到过滤装置24可具有产生热惯性的热性能(例如热能力/比热、密度和/或导热性)。过滤装置24的热惯性可足以至少暂时地使过滤装置24上游的废气流中的温度变化的整个幅度延迟到达SCR装置28。
SCR装置28可以是被构造成对废气NOX和还原剂之间的反应起到催化作用的流过式装置。SCR装置28可包括催化剂，或者具体地催化支持材料以及分布在催化支持材料内的金属促进剂。催化支持材料可包括氧化铝、沸石、磷酸铝、六铝酸盐、铝矽酸盐、锆酸盐、钛硅酸盐和钛酸盐中的至少一种。在一个实施方式中，催化支持材料可包括氧化铝和沸石中的至少一种，并且金属促进剂可包括银金属。可使用这些材料的组合，并且可根据所使用燃料的类型、所使用的乙醇添加剂、所希望的空气与燃料蒸气比率和/或与环境标准的符合性来选择催化材料。
喷射器26可喷射还原剂，以便施加在SCR装置28的表面上。喷射器26可定位在SCR装置28处或其上游，并且可体现为本领域公知的任何类型的流体喷射器。喷射器26可与还原剂供应罐(未示出)流体连通，从而反复地喷射还原剂。还原剂可例如是气态氨，水溶液形式的氨、液态尿素或来自于氨发生器(未示出)的氨。
第一传感器32和第二传感器34可以是被构造成测量流体系统10内的温度变化的装置。设想到第一传感器32和第二传感器34可以例如是热电偶、光纤装置、红外装置或本领域公知的任何其它类型的温度感测装置。第一传感器32可定位在过滤装置24处或其上游，并且可被构造成测量接近SCR装置28的温度变化。例如，第一传感器32可位于过滤装置24的入口处、位于沿着通路18的长度的位置处、或者位于能量源12的出口处。第二传感器34可定位在SCR装置28处或其上游，但是在过滤装置24的下游。第二传感器34可以被构造成测量SCR催化器的温度或者SCR催化器附近的废气流的温度。
控制器30可体现为包括用于控制喷射器26喷射的还原剂量的单个微型处理器或多个微型处理器。多种能够购买到的微型处理器可被构造成执行控制器30的功能。应该理解到，控制器30可容易体现为能够控制多种机器功能的通用机器微型处理器。另外，多种其它的电路可与控制器30相关，例如电源电路、信号调节电路、数据采集电路、信号输出电路、信号放大电路和本领域公知的其它类型的电路。控制器30可经由通信线40与能量源12连通，经由通信线41与第一传感器32连通，经由通信线42与喷射器26连通，并经由通信线43与第二传感器34连通。设想到控制器30可与其它机器传感器(未示出)连通，例如NOX传感器、NH3传感器、质量流速传感器和/或可提供有关排放物控制系统14的操作性能的信息的任何其它流体系统传感器。
如图2所示，控制器30可包括内部逻辑/编程，使其可以在给定一个或多个输入的情况下计算一个或多个输出。例如，控制器30可包括限定第一前馈控制结构46的编程。第一前馈控制结构46可以是基于模型的控制结构，例如具有比例增益50和SCR模型52的虚拟状态反馈控制器。SCR模型52可包括描述SCR过程的多个微分方程式(包括反应式(1)-(5))的求解方程。多个微分方程式可包括速率方程式、热能和质量输送方程式以及本领域公知的其它方程式。SCR模型52可输出θest。通常，催化器表面覆盖度θ可以是SCR催化器的被NH3分子覆盖的表面上的活性部位的比例。θest可与SCR催化器上存储的还原剂的估计量相对应。通过例如追踪喷射器26以前喷射的还原剂的量和/或通过计算与NOX反应的所需还原剂的量和/或已经与NOX反应的还原剂的量，SCR模型52可计算θest。设想到第一前馈控制结构46可具有一个或多个输入以及一个或多个输出。输入到第一前馈控制结构46的输入之一可以是希望的催化器表面覆盖率θdes，这可以从第二前馈控制结构44获得。第一前馈控制结构46的输出之一可以是第一喷射量m1。
控制器30还可包括限定第二前馈控制结构44的编程。第二前馈控制结构44可以是例如基于图表的控制结构。第二前馈控制结构44可以利用一个或多个存储在控制器30的存储器内的多维图表48。图表48可以从稳定状态模拟和/或经验数据产生，并且可包括与流体系统10的操作性能相关的方程式、图形和/或表格。例如，图表48可包括将SCR催化器温度(测量的或者预测的)与SCR催化器存储还原剂的能力相关的方程式、图形和/或表格。
图表48可具有多个输入，例如分别通过第一传感器32和第二传感器34测量的第一温度T1和第二温度T2。控制器30可使用T1和T2来识别接近SCR装置28的温度变化，并适当响应，以避免逃逸(例如控制器30可以在识别温度增加时减少喷射还原剂的量)。在一个实施例中，T1和T2可以组合，并且作为特征催化温度Tc输入到图表48中。例如通过使用权重平均值可以计算特征催化温度。设想到权重平均值可以通过以下方式预定：
Figure GPA00001027230000081
其中a是权重因数(a的数值可以小于1，由此分配总和为1的T1和T2分数权重因数)。如方程式(6)所示，在T1小于T2时，a的数值可以被设置为零。a的数值还可以被优化，以便在NH3逃逸控制和NOX转换之间获得最佳平衡。设想到可以使用其它的公式和权重方案，而且图表48可包括其它的输入，例如空间速度和SCR装置入口处的NO2/NOX比率。
图表48的输出可包括θdes和还原剂的第二喷射量m2。θdes可与SCR催化器存储还原剂的能力相对应。θdes可与θest比较，以便确定θerr(θerr可以是控制器30试图最小化的表面覆盖率的误差)。
第二喷射量m2可以与第一喷射量m1组合，以形成第三喷射量m3。换言之，m2可以是通过m1(m1可以是正数或负数)调整而得到m3的基本喷射量。控制器30可随后命令喷射器26喷射m3。设想到每次喷射量可以是时间的函数(即喷射率)。还可设想到代替第一前馈控制结构46和第二前馈控制结构44，或者除了第一前馈控制结构46和第二前馈控制结构44之外，控制器30可采用其它的控制结构和/或方法。
工业实用性
所公开的控制系统可适用于希望控制SCR过程的任何流体系统。具体地，所公开的控制系统可具有通过测量过滤装置处或其上游的温度来识别接近SCR装置的温度变化的控制器。所公开的控制系统可使用被识别的温度变化来预测SCR催化器存储还原剂的能力的变化，因此有助于限制废气流中污染物的量，同时还限制了逃逸。
参考图1，大气空气可经由感应阀15被吸入流体系统10，并经由通路16与能量源12连通。燃料可在进入燃烧室20之前与空气混合，并且燃料-空气混合物可通过能量源12燃烧，以便产生机械功和废气流。废气流会含有空气污染物和颗粒物质的复杂混合物。
废气流可经由通路18连通到过滤装置24。在一个实施例中，第一传感器32可定位在过滤装置24的入口处，并且可在此测量第一温度。而在过滤装置24内，废气流可经过一个或多个过滤元件，从而将颗粒物质从废气流去除。废气流还可经过过滤装置24的催化层，因此造成碳氢化合物和/或废气流中的其它化学品氧化。沉积在过滤装置24的过滤元件上的颗粒物质可以被动或主动再生。
离开过滤装置24的废气流可被连通到SCR装置28，以便还原废气流中的NOX。第二传感器34可以定位在SCR装置28处或其上游(但是在过滤装置24的下游)以便测量T2。控制器30可被构造成命令喷射器26将还原剂喷射到废气流中(在SCR装置28处或其上游)。控制器30可包括使其选择性地致动喷射器26的编程。
参考图2，在控制器30的操作过程中，第二前馈控制结构44可接收一个或多个输入，例如第一温度T1和第二温度T2(设想到可使用方程式(6)将第一和第二温度组合成单个输入)。第二前馈控制结构输入可以参考图表48，以获得θdes和m2。θdes接着被输入第一前馈控制结构46，其中θdes可与θest比较以获得θerr。θerr可以乘以比例增益50以获得m1。第一喷射量m1接着与m2相加以获得m3，即还原剂的第三喷射量。m3的数值可以经由通信线42连通到(参考图1)喷射器26，其中m3可以通过喷射器26施加。m3的数值还可被输入回到SCR模型52，从而可以计算θest的新数值，并且最终计算m3的新数值。
在还原剂通过喷射器26喷射之后，还原剂被存储在SCR催化器的表面上，其中还原剂可与废气流中的NOX反应。在还原剂是例如尿素的化合物时，还原剂会在存储在SCR催化器的表面之前经历水解过程。在水解过程中，尿素可分解成包括例如气态NH3和二氧化碳的副产品。
在排放物控制系统14的操作过程中，能量源12的速度和/或载荷会随着增加的整体趋势而增加或调整。能量源12的速度和/或载荷的增加会造成废气温度增加以及T1增加。废气会接着经过过滤装置24，其中如图3所示过滤装置24的热惯性会产生在T1增加和T2增加之间的延迟或滞后。换言之，废气中的热能会转移到过滤装置24，因此在废气连通到SCR装置28之前冷却废气。过滤装置24的热性能可以使得在过滤装置24和废气之间达到平衡温度之前(即在SCR装置28接收废气的整个幅度的温度变化之前)大量热能存储在过滤装置24中。单独地或者按照方程式(6)与T2相结合，T1的数值可通过控制器30使用，以预测SCR催化器存储还原剂的能力或能力的变化。控制器30可输出减小的θdes和/或m2数值，并通过减小θdes和/或m2，控制器30可在温度变化使得SCR催化器存储还原剂的能力减小到足以造成逃逸的程度之前减小m3。
在排放物控制系统14的操作过程中，能量源12的速度和/或载荷还可随着减小的整体趋势减小或调整。能量源12的速度和/或载荷的减小会造成废气温度的减小以及T1减小。类似于增加废气温度的情况，过滤装置24的热惯性会如图4所示造成T1减小和T2温度减小之间的延迟或滞后。然而，不同于增加废气温度的情况，控制器30会使用T2(例如按照方程式(6))来确定θdes和/或m2的数值，而不是利用T1和T2两者。因此，在减小温度情况下，控制器30会只在SCR催化器当前能够吸附还原剂而没有伴随逃逸的情况下为SCR催化器施加还原剂。
设想到过滤装置24的热惯性可以优化，以便平衡SCR装置28的冷启动性能，同时还可以形成延迟，这种延迟足够长，使得控制器30能够预测和解决接近温度变化。
可以实现所公开的控制系统的多种优点。特别是，所公开的控制系统可具有通过测量过滤装置处或其上游的温度来预测SCR催化器存储还原剂的能力的变化的控制器。所公开的控制系统可使用预测的SCR催化器存储还原剂的能力的变化而在温度的增加影响到SCR装置之前减小或停止还原剂的喷射。所公开的控制系统还可防止增加喷射还原剂，直到温度降低到达SCR装置。
本领域普通技术人员将明白可以对所公开的控制系统进行多种变型和改型。本领域的普通技术人员将从说明书的阅读以及实践中明白所公开的控制系统的其它实施方式。所打算的是所述说明书和实例只是示例性的，其真实范围通过随后的权利要求及其等同物来限定。

Claims (8)

1.一种排放物控制系统(14)，包括：
能量源(12)，形成废气流；
过滤装置(24)，接收所述废气流；
第一传感器(32)，定位在所述过滤装置处或其上游，所述第一传感器能够测量第一温度；
SCR催化器(28)，定位在所述过滤装置的下游；
喷射器(26)，能够在具有所述SCR催化器的情况下将还原剂喷射到所述废气流中；
第二传感器(34)，所述第二传感器定位在所述SCR催化器处或其上游，但是在所述过滤装置的下游，其中所述第二传感器测量第二温度，以及
控制器(30)，与所述第一传感器连通，所述控制器能够：
使用测量到的所述第一温度的变化，预测所述SCR催化器的还原剂存储能力的变化；以及
按照所述预测的所述SCR催化器的存储能力的变化来调节所述喷射器；
其中，所述控制器利用所述第一温度和所述第二温度来计算特征温度。
2.如权利要求1所述的排放物控制系统，其中所述控制器包括前馈控制结构。
3.一种控制SCR过程的方法，包括：
形成废气流；
将所述废气流连通到过滤装置；
测量所述过滤装置处或其上游的第一温度；
测量所述SCR催化器处或其上游、但是在所述过滤装置下游的第二温度；
喷射还原剂，以便在具有SCR催化器的情况下与所述废气流反应，其中所述SCR催化器定位在所述过滤装置的下游；以及
使用所述控制器利用所述第一温度和所述第二温度所计算的特征温度，预测所述SCR催化器的还原剂存储能力的变化；以及
按照所述预测的所述SCR催化器的存储能力的变化来控制还原剂的喷射。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述预测的SCR催化器的存储能力的所述变化用来计算在最小化还原剂逃逸的同时还原所述废气流中的NOX的还原剂的量。
5.如权利要求3所述的方法，其中控制还包括：
在温度的增加影响到所述SCR催化器之前，减小或停止所述还原剂的喷射；以及
防止增加喷射所述还原剂，直到温度的减小影响到所述SCR催化器。
6.如权利要求3所述的方法，还包括：
与所述第一温度相关的第一权重因数；以及
与所述第二温度相关的第二权重因数，通过将所述第一温度乘以所述第一权重因数并且将所述第二温度乘以所述第二权重因数来计算所述特征温度。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述废气流由能量源(12)形成，并且所述温度变化通过改变所述能量源的速度和载荷中的至少一种来形成。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述第一温度在所述过滤装置的入口处测量。
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