CN101845979A - Dpf再生前scr催化剂的氨负载控制 - Google Patents

Dpf再生前scr催化剂的氨负载控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及DPF再生前SCR催化剂的氨负载控制。一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器和柴油颗粒过滤器(DPF)的方法和控制系统，包括DPF控制模块，该模块确定DPF的颗粒物(PM)负载进度并根据该PM负载进度来产生DPF再生请求。该控制系统还包括SCR控制模块，其根据SCR催化转化器的存储容量和PM负载进度来在DPF再生前选择性地调整SCR催化转化器的氨负载。

Description

DPF再生前SCR催化剂的氨负载控制
技术领域
本发明涉及车辆排气系统，更具体地涉及在排气处理系统再生前的氨控制。
背景技术
本文所提供的背景技术描述是为了总体上展现本发明的背景。发明人的某些工作(就在此背景技术部分中描述的程度)以及说明书中某些在本发明申请日时尚未成为现有技术的内容，无论是以明确或隐含的方式均不被视为相对于本发明的现有技术。
柴油机运作中包含的燃烧过程会产生废气。在燃烧过程中，空气/燃料混合物经由进气阀导入汽缸然后在其中进行燃烧。燃烧完成后，活塞将汽缸中的废气推向排气系统。废气中可能含有排放物如氮氧化物(NOX)和一氧化碳(CO)。
越来越多的排气硬件技术被加入以达到柴油机应用中的排放要求。排气的后处理包括为废气流安装多个砖形物、混合器和喷射器。柴油颗粒过滤器周期性地再生以降低废气中所含的碳烟含量。在此过程中，氨沉积在选择性催化还原催化剂上。在再生过程中，若选择性催化还原催化剂上的氨负载过高，再生过程则会将氨释放到废气流中。为防止这种情况的发生，通常会引入延迟，以使得当柴油颗粒过滤器再生触发时，已等待一段时间并且计量流体喷射已经终止。这段过程通常持续30-60分钟。碳烟负载率可造成柴油颗粒过滤器变得过载或过滤器堵塞。
发明内容
因此，本发明提供一种减小再生触发和开始实际再生过程之间的时间长度的系统和方法。
在本发明的一方面中，选择性催化还原(SCR)催化转化器的控制模块包括存储调整模块，其根据柴油颗粒过滤器(DPF)的颗粒物(PM)负载进度来确定存储标量。该控制模块还包括剂量模块，其根据SCR催化剂的存储容量和存储标量来确定氨剂量。
在本发明的另一方面中，选择性催化还原(SCR)催化转化器和柴油颗粒过滤器(DPF)的控制系统包括DPF控制模块，其确定DPF的颗粒物(PM)负载进度并根据该PM负载进度来产生DPF再生请求。该控制系统还包括SCR控制模块，其根据SCR催化转化器的存储容量和PM负载进度来在再生前选择性地调整SCR催化转化器的氨负载。
在本发明的又一方面中，一种方法包括：对应于DPF的负载进度产生颗粒物(PM)负载进度信号；根据PM负载进度来产生DPF再生请求；以及根据SCR催化转化器的存储容量和PM负载进度来在产生DPF再生请求之前选择性地调整SCR催化转化器的氨负载。
本发明还提供了以下技术方案：
方案1.一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器的控制模块，包括：存储调整模块，其根据柴油颗粒过滤器(DPF)的颗粒物(PM)负载进度来确定存储标量；以及剂量模块，其根据SCR催化剂的存储容量和所述存储标量来确定氨剂量。
方案2.如方案1所述的控制模块，其中所述存储调整模块进一步地根据所述PM负载进度率来确定存储标量。
方案3.如方案1所述的控制模块，其中所述氨剂量降低在所述SCR催化剂中存储的氨。
方案4.如方案3所述的控制模块进一步包括DPF再生模块，该DPF再生模块在所述氨剂量降低后开始DPF再生。
方案5.如方案4所述的控制模块进一步包括SCR控制模块，该SCR控制模块根据所述SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度来在DPF再生之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
方案6.如方案5所述的控制模块，其中所述SCR控制模块根据所述PM负载进度和进度阈值的比较来选择性地调整所述SCR催化转化器的所述氨负载。
方案7.如方案4所述的控制模块，其中所述SCR控制模块在所述PM负载进度大于或等于所述进度阈值时，将所述氨负载朝着目标负载调整，其中所述目标负载相应于在所述DPF再生期间的所述SCR催化转化器的估计存储容量。
方案8.如方案7所述的控制模块，其中所述目标负载相应于再生期间的氨保留水平。
方案9.一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器和柴油颗粒过滤器(DPF)的控制系统，包括：DPF控制模块，其确定所述DPF的颗粒物(PM)负载进度并根据所述PM负载进度来产生DPF再生请求；以及SCR控制模块，其根据所述SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度来在DPF再生之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
方案10.如方案9所述的控制系统，其中所述SCR控制模块根据所述PM负载进度和进度阈值的比较来选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
方案11.如方案10所述的控制系统，其中所述SCR控制模块在所述PM负载进度大于或等于所述进度阈值时，将所述氨负载朝着目标负载调整，其中所述目标负载相应于在所述DPF再生期间的所述SCR催化转化器的估计存储容量。
方案12.如方案11所述的控制系统，其中所述目标负载相应于再生期间的氨保留水平。
方案13.如方案9所述的控制系统，其中所述颗粒物(PM)负载进度包括颗粒物(PM)负载进度率，并且所述DPF控制模块根据所述PM负载进度率产生DPF再生请求。
方案14.如方案9所述的控制系统，其中所述颗粒物(PM)负载进度包括颗粒物(PM)负载进度率，并且所述DPF控制模块根据所述PM负载进度率和PM负载进度来产生DPF再生请求。
方案15.一种方法包括：
产生与DPF负载进度相应的颗粒物(PM)负载进度信号；
根据所述PM负载进度产生DPF再生请求；和
根据SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度在产生DPF再生请求之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
方案16.如方案15所述的方法，其中产生颗粒物(PM)负载进度信号包括产生颗粒物(PM)负载率信号。
方案17.如方案15所述的方法，其中产生颗粒物(PM)负载进度信号包括根据所述颗粒物(PM)负载进度信号产生存储标量。
方案18.如方案15所述的方法，其中选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载包括选择性地将所述SCR催化转化器的氨负载调整到预定的氨水平。
方案19.如方案15所述的方法进一步包括再生柴油颗粒过滤器，以及响应于再生而提高SCR催化剂的温度并同时保持其中的氨。
方案20.如方案15所述的方法进一步包括根据废气温度来确定存储容量。
通过本文提供的描述，本发明进一步的适用范围将是显而易见的。应理解的是，本文的描述和实例其目的仅仅是为了说明，而非限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，将能够更彻底地理解本发明。其中：
图1为依照本发明的发动机系统的原理框图，其中该系统包括将温度传感器整合于催化剂内部的排气处理系统；
图2为图1所示控制器的原理框图；
图3为图2所示SCR控制模块的原理框图；
图4为图3所示计量管理模块的原理框图；
图5为一种控制计量系统的方法的流程图；以及
图6为柴油颗粒过滤器负载进度信号、SCR温度信号、氨容量信号和氨存储量信号的曲线图。
具体实施方式
以下描述的本质仅仅是作为示例而绝非对本发明、其应用或使用作出限制。为清晰起见，图中相同的参考数字用于指代类似的元件。本文中，措辞“A、B和C至少其中之一”应被解释为使用非排他性的逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应理解的是，在不改变本发明所述原则的前提下，各方法内的步骤可以不同的顺序来执行。
本文中，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用、专用或集群)和内存、组合逻辑电路，和/或其它可提供所述功能性的适当部件。
尽管下述内容是针对柴油机的，但其它类型的发动机如汽油机，包括直喷式发动机，都可受益于本文的教导。
现参照图1，图中示意性地示出了柴油机系统10。柴油机系统10包括柴油机12和排气处理系统13。排气处理系统13进一步包括排气系统14和计量系统16。柴油机12包括汽缸18、进气歧管20、空气质量流量(MAF)传感器22和发动机转速传感器24。空气经过进气歧管20流入发动机12并受到MAF传感器22的监测。空气被导入汽缸18然后与燃料混合燃烧以驱动活塞(未示出)。尽管图中仅示出了一个汽缸18，应意识到的是，柴油机12可包括额外的汽缸18。例如，可预期具有2、3、4、5、6、8、10、12和16个汽缸的柴油机。
燃烧过程会在汽缸18内产生废气。废气在释放至大气之前由排气系统14进行处理。排气系统14包括排气歧管26和柴油机氧化型催化剂(DOC)28。排气歧管26将从汽缸中排出的废气引导向DOC28。废气在DOC28中进行处理以减少排放。排气系统14进一步包括催化剂30——其优选地为选择性催化还原(SCR)催化剂、温度传感器31、入口温度传感器32、出口温度传感器34和催化型柴油颗粒过滤器(CDPF)36。DOC28在排气处理之前与废气进行反应，以降低废气的排放水平。催化剂30在排气处理之后与废气进行反应，以进一步减少排放。
温度传感器31可位于发动机和DOC 18之间。入口温度传感器32位于催化剂30之前，以监测催化剂30入口处的温度变化，下文将进一步讨论。出口温度传感器34位于催化剂之后，以监测催化剂30出口处的温度变化，下文将进一步讨论。尽管所示的排气处理系统13包括的入口和出口温度传感器32、34位于催化剂30的外部，但入口和出口温度传感器32、34可位于催化剂的内部来监测催化剂入口和出口处废气的温度变化。CDPF36通过捕集废气中的柴油颗粒(即碳烟)来进一步降低排放。
计量系统16包括可用于从储箱中取得喷射用尿素的喷射流体供给源38和计量喷射器40。计量系统16将喷射流体如尿素喷射到废气中。尿素与废气进行混合，并且废气/尿素混合物暴露于催化剂30时可进一步降低排放。混合器41用于在废气进入催化剂之前，将喷射流体如尿素同废气进行混合。
控制模块42调节和控制发动机系统10的操作，以及监测计量系统16的操作。
废气流量传感器44可产生与排气系统中的废气流相应的信号。尽管所示的传感器位于催化剂30和CDPF36之间，但排气系统中的多个不同位置可用于测量，如排气歧管之后和催化剂30之前。
温度传感器46产生与测得颗粒过滤器温度相应的颗粒过滤器温度传感器信号。该温度传感器46可置于柴油颗粒过滤器36上或内部。温度传感器46亦可恰位于柴油颗粒过滤器相对废气流的后方或前方。温度传感器46将测得颗粒过滤器温度信号传递给控制模块42。
排放系统中的其他传感器可包括NOX(氮氧化物)传感器50，其产生与排放系统中氮氧化物的含量相应的信号。由于此传感器在催化剂的上游，可称其为NOX-入(NOX-In)。NOX-出(NOX-Out)传感器52可位于下游如柴油颗粒过滤器之后，产生与离开柴油颗粒过滤器的氮氧化物相应的信号。此外，氨(NH3)传感器54产生与废气流中的氨含量相应的信号。
控制模块20可包括用于控制排气状态和柴油颗粒过滤器再生的排气控制模块60。对控制模块42和排气控制模块60的进一步详细描述如下。
现参照图2，图中示出了图1所示排气控制模块60进一步的细节。排气控制模块60接收包括氮氧化物传感器50、52，温度传感器31、32和34，氧气传感器56和氨传感器54在内的多个传感器传来的输入。
排气控制模块60可包括柴油颗粒控制模块70，SCR控制模块72，喷射器驱动模块74。排气控制模块60内还可包括柴油机氧气催化剂控制模块76。柴油颗粒过滤器控制模块70可产生信号，包括柴油颗粒过滤器负载进度信号、柴油颗粒过滤器负载进度率信号和柴油颗粒过滤器再生请求信号。柴油颗粒过滤器负载进度率信号可通过对柴油颗粒过滤器负载进度信号求导数或斜率来得到。
柴油颗粒过滤器负载进度信号、柴油颗粒过滤器负载进度率信号和柴油颗粒过滤器再生请求信号均可传递给SCR控制模块72。SCR控制模块72可生成SCR就绪信号和配料数量输入信号(DAin)。配料数量输入信号可传递给喷射器驱动模块74。喷射器驱动模块74控制计量流体喷射器40。SCR控制模块72亦可以SCR-就绪信号的形式给DPF控制模块70提供反馈。如上所述，随着柴油颗粒过滤器再生的接近，通过喷射器驱动模块74所提供的计量流体量将减少，以降低SCR中累积的氨含量。
现参照图3，图中示出了SCR控制模块72进一步的细节。SCR控制模块72可包括用于在预设条件下启动计量系统的计量启动模块110。计量启动模块110产生启动信号并将启动信号传递给计量管理模块112。计量管理模块也可接收柴油颗粒过滤器负载率信号和负载信号。计量管理模块的输出可以是上述的配料数量输入信号和SCR-就绪信号。
SCR分析模块114接收包括一氧化氮输入传感器、SCR温度传感器、氧气输入传感器、废气流量传感器、废气压力传感器的多个传感器和比率确定模块116传来的输入。比率确定模块116可生成氮或二氧化氮相对氮氧化物输入的比率。比率确定模块116可接收从一氧化氮传感器的信号、上游温度传感器传来的温度信号、废气流量传感器和废气压力传感器传来的信号。根据不同的输入，SCR的氨存储量和氨容量被提供给计量管理模块112。
SCR温度模块118可根据多个温度传感器如上游传感器31、中游温度传感器32和下游温度传感器34的输入来产生SCR温度信号。当然，SCR温度模块118中可使用不同数目的温度传感器，以及多种不同位置的传感器。
计量管理模块112可使用氨容量、氨存储量以及柴油颗粒过滤器的状态来决定何时停止对废气流提供计量流体，以降低柴油颗粒过滤器再生前系统中的氨含量。
现参照图4，图中示出了计量管理模块112进一步的细节。计量管理模块112可包括比率调节模块210，其产生与柴油颗粒过滤器的负载进度率相应的负载率标量。负载调节模块212产生与柴油颗粒过滤器的进度相应的负载进度信号。负载调节模块212可产生负载标量。目标存储模块214根据氨存储量和SCR温度来产生预计的氨信号。预计氨信号、负载标量信号和负载率标量信号被传递给存储控制模块216。存储控制模块216产生调整后的氨信号并将调整后的氨信号传递给剂量确定模块218和再生预备模块220。再生预备模块产生SCR就绪信号，并且剂量确定模块218产生配料数量输入信号。
现参照图5，图中阐述了系统的操作方法。在步骤310中，系统起动。在步骤312中，确定是否达到启动条件。可设定各种启动条件，如发动机运行经过一段预设时间以使各部件都能达到预设的温度等。在步骤314中，确定SCR的氨存储容量。在步骤316中，可确定柴油颗粒过滤器负载进度。在步骤318中，可确定柴油颗粒过滤器负载进度率。负载进度率可对负载进度信号求导或求斜率来确定。在步骤320中，根据柴油颗粒过滤器的负载进度、负载率或负载进度和负载进度率来确定氨存储标量。当DPF达到阈值，则降低期望的氨存储。其可被称为目标负载。
在步骤322中，根据氨存储容量和存储标量来确定期望的氨存储。根据存储容量确定了氨存储量后，柴油颗粒过滤器进入步骤324中的再生。优选地，在柴油颗粒过滤器再生前应留出足够的时间以使得存储量降低至一个期望值。在步骤324之后，步骤326使系统返回开始。
现参照图6，图中示出了在不同时间上包括负载进度信号、SCR温度信号、氨容量信号和氨存储量信号的各信号的曲线图。柴油颗粒过滤器负载进度率由数字的或柴油机微粒过滤器负载进度信号上的箭头来表示。在时间周期t1的开始，达到柴油颗粒过滤器负载阈值。该阈值表明柴油颗粒过滤器的负载在增大并且即将进入再生。在时间周期t1的结束时，柴油颗粒过滤器的负载达到100％。在时间周期t1的开始，注入SCR的氨量降低。可以看出，在时间周期t1内，氨存储量从第一级降至第二级。系统在时间周期t2内进入准备周期，准备进入柴油颗粒过滤器再生。在时间周期t3内，进行柴油机微粒过滤器再生操作。在该时间周期内，氨容量降低，但氨存储量保持不变。这表明没有氨在再生过程中损失。这是本发明的一个优点，因为释放氨就有可能将不想要的氮氧化物释放到废气流中。
本发明广泛的教导可以多种形式来实现。因此，尽管本发明包括多个具体实例，但本发明真正的范围不应受其限制，因通过学习附图、说明书和所附权利要求，本领域的熟练从业者应能显而易见得到其它各种修改形式。

Claims (9)

1.一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器的控制模块，包括：
存储调整模块，其根据柴油颗粒过滤器(DPF)的颗粒物(PM)负载进度来确定存储标量；以及
剂量模块，其根据SCR催化剂的存储容量和所述存储标量来确定氨剂量。
2.如权利要求1所述的控制模块，其中所述存储调整模块进一步地根据所述PM负载进度率来确定存储标量。
3.如权利要求1所述的控制模块，其中所述氨剂量降低在所述SCR催化剂中存储的氨。
4.如权利要求3所述的控制模块，进一步包括DPF再生模块，该DPF再生模块在所述氨剂量降低后开始DPF再生。
5.如权利要求4所述的控制模块，进一步包括SCR控制模块，该SCR控制模块根据所述SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度来在DPF再生之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
6.如权利要求5所述的控制模块，其中所述SCR控制模块根据所述PM负载进度和进度阈值的比较来选择性地调整所述SCR催化转化器的所述氨负载。
7.如权利要求4所述的控制模块，其中所述SCR控制模块在所述PM负载进度大于或等于所述进度阈值时，将所述氨负载朝着目标负载调整，其中所述目标负载相应于在所述DPF再生期间的所述SCR催化转化器的估计存储容量。
8如权利要求7所述的控制模块，其中所述目标负载相应于再生期间的氨保留水平。
9.一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器和柴油颗粒过滤器(DPF)的控制系统，包括：
DPF控制模块，其确定所述DPF的颗粒物(PM)负载进度并根据所述PM负载进度来产生DPF再生请求；以及
SCR控制模块，其根据所述SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度来在DPF再生之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
10.一种方法，包括：
产生与DPF负载进度相应的颗粒物(PM)负载进度信号；
根据所述PM负载进度产生DPF再生请求；和
根据SCR催化转化器的存储容量和所述PM负载进度在产生DPF再生请求之前选择性地调整所述SCR催化转化器的氨负载。
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