CN101936206A - 用于监测排气后处理系统中的氨存储的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监测排气后处理系统中的氨存储的方法。一种监测氨选择性催化还原装置的方法，包括：监测氨选择性催化还原装置上游的排气供应流的参数状态；将氨选择性催化还原装置分析地分为多个分立基底元件；按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

Description

用于监测排气后处理系统中的氨存储的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年6月29日提交的美国临时申请No.61/221,137的优先权，上述申请在此作为参考引入。

技术领域

本发明涉及用于内燃机的排气后处理系统。

背景技术

该部分的内容仅提供与本发明有关的背景信息，且可能不构成现有技术。

在内燃机中改进燃料经济性和降低燃料消耗的已知发动机控制方案包括以稀空气/燃料比操作。这包括配置成以压缩点火和稀燃火花点火燃烧模式操作的发动机的控制方案。以稀空气/燃料比操作的发动机可具有增加的局部燃烧温度，从而导致增加的NO_X排放物。

用于管理和还原NO_X排放物的已知排气后处理系统和控制方案包括尿素喷射控制系统和相关氨选择性催化还原装置。尿素喷射控制系统将还原剂(例如，尿素)喷射到氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中。喷射的尿素分解为氨，氨在存在催化剂的情况下与NO_X反应以产生氮气。一些量的氨可以存储在氨选择性催化还原装置上，从而允许在尿素喷射控制系统不能分配受控量的尿素时继续NO_X还原。已知控制系统包括以与发动机排出的NO_X排放物的浓度相对应的速率分配尿素，以在不使用过量的尿素的情况下(即，处于尿素/NO_X化学计量比)实现NO_X还原。

发明内容

一种氨选择性催化还原装置配置成处理内燃机的排气供应流。一种监测氨选择性催化还原装置的方法，包括：监测氨选择性催化还原装置上游的排气供应流的参数状态；将氨选择性催化还原装置分析地分为多个分立基底元件；按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

方案1.一种监测氨选择性催化还原装置的方法，所述氨选择性催化还原装置配置成处理内燃机的排气供应流，所述方法包括：

监测氨选择性催化还原装置上游的排气供应流的参数状态；

将氨选择性催化还原装置分析地分为多个分立基底元件；

按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及

基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

方案2.根据方案1所述的方法，其中，按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量、被解吸的氨量、被氧化的氨量、以及在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量。

方案3.根据方案2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量包括：

确定分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量；

确定与分立基底元件的NO、NO₂和NO_X消耗容量以及温度相对应的NO、NO₂和NO_X还原效率；以及

计算与NO、NO₂和NO_X还原效率、进入分立基底元件的排气中的进入NO_X量以及排气供应流中的NO₂和NO_X的比率相对应的在经过时间段期间在还原排气供应流中的NO_X时分立基底元件中消耗的氨量。

方案4.根据方案3所述的方法，其中，分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量根据氨存储浓度、氨存储容量以及排气在分立基底元件中的停留时间来确定。

方案5.根据方案2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量包括：

确定与分立基底元件的温度和吸附容量相关的吸附效率；以及

根据吸附效率、分立基底元件的入口处的氨浓度以及气体停留时间来计算被吸附的氨量。

方案6.根据方案5所述的方法，其中，确定分立基底元件的吸附容量包括根据分立基底元件的具体氨存储容量、当前氨存储浓度和气体停留时间来确定吸附容量。

方案7.根据方案2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被解吸的氨量包括基于当前氨存储浓度、分立基底元件的具体氨存储容量、气体停留时间和解吸效率项来计算被解吸的氨量。

方案8.根据方案1所述的方法，其中，基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度包括：

以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及

基于按顺序计算的所有分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

方案9.根据方案8所述的方法，其中，以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括动态地平衡每个分立基底元件中的吸附量、解吸量以及氨和NO_X的动力学反应速率。

方案10.根据方案1所述的方法，还包括：响应于氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度和排气供应流中的NO_X浓度来控制进入氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的氨的计量。

方案11.一种控制进入氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的氨的计量的方法，所述排气供应流源自于以稀于化学计量比操作的内燃机，所述方法包括：

确定氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的NO_X气体量；

将氨选择性催化还原装置的基底分为串联定向的多个分立基底元件；

计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；

基于所计算的所有分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的氨存储浓度；以及

响应于氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度和氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的NO_X气体量来控制进入氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的氨的计量。

方案12.根据方案11所述的方法，其中，计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量、被解吸的氨量、被氧化的氨量、以及在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量。

方案13.根据方案12所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量包括：

确定分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量；

确定与分立基底元件的NO、NO₂和NO_X消耗容量以及温度相对应的NO、NO₂和NO_X还原效率；以及

计算与NO、NO₂和NO_X还原效率、进入分立基底元件的排气中的进入NO_X量以及排气供应流中的NO₂和NO_X的比率相对应的在经过时间段期间在还原排气供应流中的NO_X时在分立基底元件中消耗的氨量。

方案14.根据方案13所述的方法，其中，分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量根据氨存储浓度、氨存储容量以及排气在分立基底元件中的停留时间来确定。

方案15.根据方案12所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量包括：

确定与分立基底元件的温度和吸附容量相关的吸附效率；以及

根据吸附效率、分立基底元件的入口处的氨浓度以及气体停留时间来计算被吸附的氨量。

方案16.根据方案15所述的方法，其中，确定分立基底元件的吸附容量包括根据分立基底元件的具体氨存储容量、当前氨存储浓度和气体停留时间来确定吸附容量。

方案17.根据方案12所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被解吸的氨量包括基于当前氨存储浓度、分立基底元件的具体氨存储容量、气体停留时间和解吸效率项来计算被解吸的氨量。

方案18.根据方案11所述的方法，其中，基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度通过以下步骤完成：

以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及

基于按顺序计算的所有分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

方案19.根据方案18所述的方法，其中，以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括动态地平衡每个分立基底元件中的吸附量、解吸量以及氨和NO_X的动力学反应速率。

附图说明

现在将通过示例的方式参考附图来描述一个或多个实施例，在附图中：

图1是根据本发明的排气后处理系统的氨选择性催化反应器装置的二维示意图；

图2是根据本发明的氨选择性催化反应器装置的在经过时间段内以逐步的方式按顺序确定多个分立基底元件中的每个的氨存储量的算法流程图的示意图；和

图3是根据本发明用于确定优选尿素计量速率的算法流程图的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，其中，附图仅仅是为了图示某些示例性实施例而不是为了限制于此，图1示意性地示出了用于处理从内燃机(包括以稀于化学计量比操作的内燃机)输出的排气供应流的成分的排气后处理装置60。应当理解的是，内燃机可以包括配置成以压缩点火燃烧模式操作的发动机、配置成以稀燃火花点火燃烧模式操作的发动机、以及配置成以均质充气压缩点火燃烧模式操作的发动机。本文所述的排气后处理装置60是包括涂层基底52的氨选择性催化反应器装置(NH3-SCR装置)。

应当理解的是NH3-SCR装置60是可包括其它后处理装置的排气后处理系统的元件。在一个实施例中，排气后处理系统可以包括多个后处理装置，其每个包括采用具有处理排气供应流的组成成分的各种能力的技术的装置。处理排气供应流的组成成分可包括氧化、使用还原剂的选择性催化还原、颗粒过滤和其它处理。每个后处理装置的设计特征包括针对具体应用确定的总体积、空间速度、单元密度、涂层材料、催化剂材料的负载、以及车辆/发动机隔舱位置。在一个实施例中，第一后处理装置是位于NH3-SCR装置60上游的三效催化剂，NH3-SCR装置60位于第三后处理装置上游，第三后处理装置包括催化颗粒过滤器，但是本文所述的构思并不限于此。第一、第二和第三后处理装置使用已知管和连接器串联地流体连接。第一、第二和第三后处理装置可以组装到独立结构中，所述结构在发动机舱和车辆底部中流体连接和组装，一个或多个传感装置放置在它们之间。本领域技术人员可以设想其它组装配置。

使用二维示意性模型示出了示例性NH3-SCR装置60，排气供应流流经所述NH3-SCR装置60。在一个实施例中，在混合器装置的上游有尿素喷射装置20和相关尿素输送系统，混合器装置位于NH3-SCR装置60的上游。NH3-SCR装置60包括一个或多个陶瓷涂层基底52，优选由堇青石材料制成且具有多个流通通路，所述通路用涂层和催化剂材料涂覆以存储氨以便与排气供应流中存在的NO_X分子反应。应当理解的是，氨存储浓度(θ_NH3)可以沿涂层基底52的流动轴线不均匀地分布。

控制模块10配置成监测和控制发动机操作并监测排气供应流。控制模块10监测或以其它方式确定排气供应流的参数状态。控制模块10控制尿素喷射装置20的操作。控制模块10包括虚拟传感器55，虚拟传感器55配置成在发动机的持续操作期间估计涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)。虚拟传感器55通过执行算法代码和多个预定标定阵列实现，其临时地确定存储在涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)。虚拟传感器55参考图2详细描述。氨存储浓度(θ_NH3)优选表示为所存储的氨与涂层基底52或其一部分的最大氨存储容量的比率，且可以是质量/质量、摩尔/摩尔或其它合适度量的形式。

控制模块10配置成监测或以其它方式确定流入NH3-SCR装置60的排气供应流的参数状态。排气供应流的优选参数包括排气供应流的入口温度、压力、质量流率、氧气浓度、NO_X浓度和其它参数，据此可以确定输入气体的浓度，包括一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮、氧气和氨，如本领域技术人员理解的那样。基底温度T_sub可以用温度传感器监测或者通过基于排气供应流的参数和涂层基底52的催化反应速率执行数学模型来确定。

如本文使用的，控制模块10、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的中央处理单元(优选为微处理器)和相关存储器和存储装置(只读、只读可编程、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路、以及提供所述功能的其他合适的部件中的一个或多个中的任何合适的一个或各种组合。控制模块10具有一组控制算法，所述控制算法包括存储在存储器中且被执行以提供期望功能的常驻软件程序指令和标定值。所述算法优选在预定环路循环期间被执行。算法例如由中央处理单元执行，并且可操作以监测来自传感装置和其它网络控制模块的输入并执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。在持续进行的发动机和车辆操作期间，环路循环可以规则间隔例如每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒被执行。替代性地，算法可响应于事件的发生而被执行。

涂层基底52沿排气供应流的流动轴线被分析地分为串联设置的多个分立元件52(i)，i＝1-n，或者块体。将涂层基底52分为多个分立元件为实施虚拟传感器55提供了分析框架，以在持续的发动机操作期间实时确定NH3-SCR装置60上的氨存储浓度(θ_NH3)。

图1A示出了单个分立基底元件52(i)。每个分立基底元件52(i)关于基底操作温度(T_sub)和氨存储浓度(θ_NH3)表征。通过每个分立基底元件52(i)的排气供应流关于输入气体和相应输出气体的浓度表征，输入气体包括一氧化氮[NO]in、二氧化氮[NO2]in、一氧化二氮[N2O]in、氧气[O2]in和氨[NH3]in，输出气体包括一氧化氮[NO]、二氧化氮[NO2]、一氧化二氮[N2O]、氧气[O2]和氨[NH3]。

图2以流程图的形式示意性地示出了被执行确定整个涂层基底52的氨存储浓度(θ_NH3)的虚拟传感器55的元件的过程100。虚拟传感器55的其它元件在本文描述。应当理解的是，虚拟传感器55可以缩减为算法代码且在持续的发动机操作期间在控制模块10中执行以实时确定整个涂层基底52的氨存储浓度(θ_NH3)。过程100包括在经过时间段内确定每个分立基底元件52(i)的氨存储量的变化，以及然后基于此确定在涂层基底52上的总计氨存储浓度(θ_NH3)。确定氨存储浓度(θ_NH3)的变化包括在经过时间段Δt内基于输入气体一氧化氮[NO]in、二氧化氮[NO2]in、一氧化二氮[N2O]in、氧气[O2]in和氨[NH3]in的浓度以及基底温度以逐步的方式按顺序确定每个分立基底元件52(i)(i＝1-n)的氨存储量的变化。这包括：对于每个经过时间段Δt(105)针对每个分立基底元件52(i)(110)，确定被吸附的氨量(115)、被解吸的氨量(120)、被氧化的氨量(125)、以及在还原排气供应流中的NO_X期间消耗的氨量(130)。被吸附的氨量(115)、被解吸的氨量(120)、被氧化的氨量(125)、以及在还原NO_X期间消耗的氨量(130)可以是任何合适的度量单位，包括例如质量、体积或摩尔。

氨存储浓度(θ_NH3)的变化和其它化学物质的浓度使用前述步骤115、120、125和130针对每个分立基底元件52(i)以逐步的方式确定(140)，对于每个经过时间段Δt针对每个分立基底元件52(i)重复。确定分立基底元件52(i)的输出，包括输出气体一氧化氮[NO]、二氧化氮[NO2]、一氧化二氮[N2O]、氨[NH3]和氧气[O2]的相应浓度、以及累计氨存储浓度[θ_NH3]。控制模块10可以使用该信息来基于包括涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)(NH3_storage)的输入来控制图1的示例性动力系统的发动机燃料供应和空气/燃料比，如参考图3所述。

以下一组等式描述了在涂层基底52的每个分立基底元件52(i)中发生的化学反应。

4NH₃+4NO+O₂＝4N₂+6H₂O      (A)

2NH₃+NO+NO₂＝2N₂+3H₂O      (B)

8NH₃+6NO₂＝7N₂+12H₂O       (C)

4NH₃+3O₂＝2N₂+6H₂O         (D)

4NH₃+5O₂＝4NO+6H₂O         (E)

4NH₃+4NO+3O₂＝4N₂O+6H₂O    (F)

                                [1]

2NH₃+2NO₂＝N₂O+N₂+3H₂O     (G)

2NH₃+2O₂＝N₂O+3H₂O         (H)

在一个分立基底元件52(i)的催化剂表面上发生了动力学反应和氨吸附和解吸。氨存储量由吸附、解吸和动力学反应速率之间的动态平衡引起。对于每个分立基底元件52(i)，i＝1-n，入口参数值是相邻上游分立基底元件52(i-1)的出口参数值。动力学反应速率依赖于氨存储浓度(θ_NH3)和其它相关化学物浓度。

被吸附的氨量(115)可以确定如下：

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{adsorption}}=$

                     [2]

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{adsorption}}({\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{desorption}})$

其中，吸附效率项η_adsorption优选地选自以表格形式存储在控制模块10中的预定阵列F_{table_adsorp}(T_sub，ξ_adsorp)。吸附效率项η_adsorption的具体值与基底温度T_sub和吸附容量项ξ_adsorp相关，描述如下：

η_adsorption＝F_{table_adsorp}(_Tsub，ξ_adsorp)

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{adsorp}}=(1-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3})*\mathrm{\Ω}*\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}+1}---\left[3\right]$

其中，[NH3]_-Δt是先前时间步长时分立基底元件52(i)中的NH3浓度；

[NH3]_in是分立基底元件52(i)的入口处的NH3浓度；

T_sub是分立基底元件52(i)的基底温度；

Δt是经过的时间段；

θ_NH3是分立基底元件52(i)的氨存储浓度；

t_resident是气体停留时间，可以基于分立基底元件52(i)的体积和排气供应流的体积流率来确定；以及

Ω是分立基底元件52(i)的具体氨存储容量，其优选存储在控制模块10中且被认为是常数。具体氨存储容量可以是任何合适的度量单位，包括例如质量、体积或摩尔，且优选与氨存储容量的其它测量值和估计值一致。

借助于每个前述参数(即，[NH3]_in，[NH3]_-Δt，Δ[NH3]_desorption，T_sub，θ_NH3和t_resident)的已知状态，可以确定在分立基底元件52(i)中被吸附的氨量，即Δ[NH3]_adsorption。

被解吸的氨量(即，Δ[NH3]_desorption)(120)可以使用分立基底元件52(i)的具体氨存储容量Ω、停留时间t_resident、分立基底元件52(i)的氨存储浓度(θ_NH3)与预定解吸项F_{table_desorp}(T_sub，θ_NH3)相结合来确定，如下文等式4所述。预定解吸项F_{table_desorp}(T_sub，θ_NH3)选自存储在存储器查询表中的预定值阵列，且与分立基底元件52(i)的基底温度T_sub和氨存储浓度(θ_NH3)相关联。

Δ[NH3]_desorption＝F_{table_desorp}(T_sub，θ_NH3)*θ_NH3*Ω*t_resident    [4]

被氧化的氨量(即，Δ[NH3]_oxidation)(125)可以如下确定：

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxidation}}=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_N_2}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_\mathrm{NO}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_N_{2}O}---\left[5\right]$

等式5中的各项包括在形成氮气时氧化的氨量(即

)、在形成NO时氧化的氨量(即Δ[NH3]_{oxid_NO})、以及在形成N₂O时氧化的氨量(即

)，可以如下所述被确定。前述项包括选自优选以表格形式存储在控制模块10中的相应预定阵列的预定氧化项

、F_{table_oxid_NO}和

。每个预定氧化项的具体值与分立基底元件52(i)的基底温度T_sub和氨存储浓度(θ_NH3)相对应，如下：

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_N_2}=F_{\mathrm{table}\_\mathrm{oxid}\_N_2}(T_{\mathrm{sub}},{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3})*\left[O_2\right]*\mathrm{\Ω}*t_{\mathrm{resident}}---\left(A\right)$

Δ[NH3]_{oxid_NO}＝F_{table_oxid_NO}(T_sub，θ_NH3)*[O₂]*Ω*t_resident    (B)

                                                                                              [6]

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_N_{2}O}=F_{\mathrm{table}\_\mathrm{oxid}\_N_{2}O}(T_{\mathrm{sub}},{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3})*\left[O_2\right]*\mathrm{\Ω}*t_{\mathrm{resident}}---\left(C\right)$

其中，[O₂]是氧气浓度，

t_resident是分立基底元件52(i)中的气体停留时间，

θ_NH3是氨存储浓度，以及

Ω是分立基底元件52(i)的具体氨存储容量。

等式6中所述的三个氧化反应分别对应于与等式1中的(A)Δ[NH3]_{oxid_N2}和(B)Δ[NH3]_{oxid_NO}有关的氧化速率，以描述由此消耗的氨量。

还原NO_X所消耗的氨量(130)可以确定如下。

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{NOx}\_\mathrm{conversion}}=$

$\{{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_\mathrm{NO}}\}x$

$\left\{(1-R_{{\mathrm{NO}}_2})\right[1-(1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x})(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{NO}})]+---\left(A\right)[7]$

$\frac{4}{3}[R_{{\mathrm{NO}}_2}-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x}(1-R_{{\mathrm{NO}}_2})]{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_2}+---\left(B\right)$

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x}(1-R_{{\mathrm{NO}}_2})\}---\left(C\right)$

等式7中所述的项包括还原效率项η_NO、

和η_NOx，分别表示与在还原NO、NO₂和NO_X时消耗氨相关的效率。前述效率项如下确定：η_NO＝F_{table_NO}(T_sub，ζ_NO)

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{NO}}=f_{\mathrm{table}\_O2\_\mathrm{NO}}\left(\right[O_2\left]\right)f_{\mathrm{table}\_\mathrm{\θabl}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3}\right)*\mathrm{\Ω}*t_{\mathrm{resident}}/(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})$

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_2}=F_{\mathrm{table}\_{\mathrm{NO}}_2}({\mathrm{aT}}_{\mathrm{sub}},{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{NO}2})$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{NO}2}=f_{\mathrm{table}\_\mathrm{\θabl}2}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3}\right)*\mathrm{\Ω}*t_{\mathrm{resident}}/(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{NOx}}=F_{\mathrm{table}\_\mathrm{NOx}}({\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_{x\_2}},R_{{\mathrm{NO}}_2})$

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_{x\_2}}=f_{\mathrm{table}\_{\mathrm{NO}}_{x\_2}}({\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_{x\_1}},{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{aver}}*(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{NO}})*(1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_2}))$

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_{x\_1}}=f_{\mathrm{table}\_{\mathrm{NO}}_{x\_1}}(T_{\mathrm{sub}},{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{NOx}})$

${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{NOx}}=f_{\mathrm{table}\_\mathrm{\θablx}}\left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3}\right){\mathrm{\Ωt}}_{\mathrm{resident}}/(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}):$

其中：

${\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{aver}}=\frac{{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{aver}}({\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxidNO}})}{(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})}$

$R_{{\mathrm{NO}}_2}=\frac{({\left[{\mathrm{NO}}_2\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_2\right]}_{-\mathrm{\Δt}})}{({\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxidNO}})}$

[NO_x]_in＝[NO]_in+[NO₂]_in

[NO_x]_-Δt＝[NO]_-Δt+[NO₂]_-Δt

项R_NO2表示在进入的气体供应流中NO₂/NOX的比率。还原效率项η_NO、

和η_NOx分别随基底温度T_sub和与NO、NO₂和NO_X相关的基底元件52的消耗容量(分别表示为项ζ_NO、ζ_NO2和ζ_NOx)而变化。与分立基底元件52(i)相关的每个消耗容量项(即，ζ_NO、ζ_NO2和ζ_NOx)根据停留时间t_resident、具体氨存储容量Ω、以及相关标度项(即，f_{table_θ_NO2}(θ_NH3)、f_{table_θ_NOx}(θ_NH3)、f_{table_θ_NO}(θ_NH3)和f_{table_O2_NO}([O₂])，其每个根据氨存储浓度(θ_NH3)或氧气浓度(O₂)而定)计算。可以理解，基底元件52的消耗容量基于氨存储浓度(θ_NH3)、氨存储容量Ω、以及排气在分立基底元件52(i)中的停留时间t_resident之间的关系。与NO、NO₂和NO_X相关的基底元件52的消耗容量(即，分别为ζ_NO、ζ_NO2和ζ_NOx)优选被预先确定且以表格形式作为阵列存储在控制模块10中。

与NO、NO₂和NO_X相关的还原效率项(即，分别为η_NO、

和η_NOx)选自优选以表格形式存储在控制模块10中的预定阵列。预定阵列可关于基底温度T_sub和基底的相应消耗容量(即，ζ_No、ζ_NO2和ζ_NOx之一)检索。

因而，氨存储浓度(θ_NH3)可以确定如下(140)：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3,t}=$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NH}3,t-\mathrm{\Δt}}+(\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{adsorption}}-\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{desorption}}-\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxidation}}-$

$\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{NOxconversion}})\left(\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{resident}}}\right)---[8]$

其中，Δ[NH3]_adsorption包括通过分立基底元件52(i)的每单位体积气体被吸附到催化剂表面中的氨量，

Δ[NH3]_desorption包括通过分立基底元件52(i)的每单位体积气体从催化剂表面解吸的氨量，

Δ[NH3]_oxidation包括通过分立基底元件52(i)的每单位体积气体被氧化的氨量，和

Δ[NH3]_{NOx_conversion}包括通过分立基底元件52(i)的每单位体积气体被消耗用于还原NO_X的氨量。

分立基底元件52(i)的化学物质浓度可以针对NO、NO₂、氨和N₂O浓度确定如下：

$\left[\mathrm{NO}\right]=$

$\frac{(1-R_{{\mathrm{NO}}_2})(1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x})(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{NO}})({\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}\_\mathrm{NO}})}{(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})}---\left[9\right]$

$\left[{\mathrm{NO}}_2\right]=\frac{[R_{{\mathrm{NO}}_2}-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x}(1-R_{{\mathrm{NO}}_2})](1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_2})({\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[{\mathrm{NO}}_x\right]}_{-\mathrm{\Δt}})}{(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})}---\left[10\right]$

$\left[\mathrm{NH}3\right]=\frac{(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{adsorption}})({\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{desorption}})}{(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})}---\left[11\right]$

$\left[N_{2}O\right]\frac{({\left[N_{2}O\right]}_{\mathrm{in}}+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}}{\left[N_{2}O\right]}_{-\mathrm{\Δt}}+\mathrm{\Δ}[N_{2}O\left]\right)}{(1+\frac{t_{\mathrm{resident}}}{\mathrm{\Δt}})}---\left[12\right]$

其中，[NO]_-Δt、[NO₂]_-Δt、[N₂O]_-Δt和[NH3]_-Δt是对NO、NO₂、和N₂O在先前时间步长限定的分立基底元件52(i)中的浓度值。

$\mathrm{\Δ}\left[N_{2}O\right]=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NH}3\right]}_{\mathrm{oxid}{N}_{2}O}+\mathrm{\Δ}{\left[N_{2}O\right]}_{{\mathrm{NO}}_2}+\mathrm{\Δ}{\left[N_{2}O\right]}_{\mathrm{NO}}---\left[13\right]$

$\mathrm{\Δ}{\left[N_{2}O\right]}_{\mathrm{NO}}=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{NO}\right]}_{\mathrm{in}}(1-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x}){\mathrm{\η}}_{\mathrm{NO}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{table}\_\mathrm{NO}\_N_{2}O}\left(T_{\mathrm{sub}}\right)---\left[14\right]$

$\mathrm{\Δ}[N_{2}O{]}_{N{O}_2}=({\left[{\mathrm{NO}}_2\right]}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_x}{\left[\mathrm{NO}\right]}_{\mathrm{in}}){\mathrm{\η}}_{{\mathrm{NO}}_2}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{table}\_{\mathrm{NO}}_2\_N_{2}O}\left(T_{\mathrm{sub}}\right)---[15]$

其中，

和

是选自以表格形式存储在控制模块10中的预定阵列的反应速率项。每个反应速率项的具体值可根据基底温度T_sub检索。

因而，通过在经过时间段内针对每个分立基底元件52(i)，i＝1-n以逐步的方式按顺序确定每个分立基底元件的氨存储量的变化以及确定与分立基底元件52(i)的氨存储量的变化相对应的在氨选择性催化还原装置上的氨存储浓度(θ_NH3)，虚拟传感器55可用于确定整个涂层基底52的氨存储浓度(θ_NH3)。

图3示出了用于使用虚拟传感器55来确定示例性内燃机的优选氨计量速率(Desired_NH3_dosing_rate)的控制方案。排气供应流的参数(包括例如，氧气浓度、NO_X浓度、质量流率、压力、以及入口气体温度(SCR_inlet_gas)、基底温度(SCR_substrate_T)、和当前氨计量速率(SCR_inlet_NH3_rate))被输入给虚拟传感器55。虚拟传感器55基于此估计涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)。涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)(NH3_storage)、最大尿素计量速率(Max_allowed_NH3_dosing_rate)、期望氨存储量(Desired_NH3_storage)和最大氨逃逸速率(NH3_slip_limit)作为输入提供给虚拟传感器65的逆模型，据此可以确定优选尿素计量速率(Desired_NH3_dosing_rate)。

优选尿素计量速率(Desired_NH3_storage)是足以有效地还原涂层基底52上的排气供应流中的NO_X的尿素计量速率，被限制不超过最大尿素计量速率或最大氨逃逸速率。最大尿素计量速率和最大氨逃逸速率可以是常数，或者可以是与涂层基底52的温度相关的阈值。控制系统基于涂层基底52上的氨存储浓度(θ_NH3)和涂层基底52上的期望氨存储浓度来控制氨计量速率，从而通过使用已知控制技术增加或减少计量速率来控制尿素计量速率。

本发明已经描述某些优选实施例及其变型。在阅读和理解说明书之后，可以想到进一步的变型和修改。因而，本发明并不旨在限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种监测氨选择性催化还原装置的方法，所述氨选择性催化还原装置配置成处理内燃机的排气供应流，所述方法包括：

监测氨选择性催化还原装置上游的排气供应流的参数状态；

将氨选择性催化还原装置分析地分为多个分立基底元件；

按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及

基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量、被解吸的氨量、被氧化的氨量、以及在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定在还原排气供应流中的NO_X时消耗的氨量包括：

确定分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量；

确定与分立基底元件的NO、NO₂和NO_X消耗容量以及温度相对应的NO、NO₂和NO_X还原效率；以及

计算与NO、NO₂和NO_X还原效率、进入分立基底元件的排气中的进入NO_X量以及排气供应流中的NO₂和NO_X的比率相对应的在经过时间段期间在还原排气供应流中的NO_X时分立基底元件中消耗的氨量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，分立基底元件中的NO、NO₂和NO_X消耗容量根据氨存储浓度、氨存储容量以及排气在分立基底元件中的停留时间来确定。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被吸附的氨量包括：

确定与分立基底元件的温度和吸附容量相关的吸附效率；以及

根据吸附效率、分立基底元件的入口处的氨浓度以及气体停留时间来计算被吸附的氨量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定分立基底元件的吸附容量包括根据分立基底元件的具体氨存储容量、当前氨存储浓度和气体停留时间来确定吸附容量。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，针对每个分立基底元件确定被解吸的氨量包括基于当前氨存储浓度、分立基底元件的具体氨存储容量、气体停留时间和解吸效率项来计算被解吸的氨量。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，基于按顺序计算的每个分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度包括：

以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；以及

基于按顺序计算的所有分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，以逐步的方式按顺序计算每个分立基底元件的氨存储量的变化包括动态地平衡每个分立基底元件中的吸附量、解吸量以及氨和NO_X的动力学反应速率。

10.一种控制进入氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的氨的计量的方法，所述排气供应流源自于以稀于化学计量比操作的内燃机，所述方法包括：

确定氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的NO_X气体量；

将氨选择性催化还原装置的基底分为串联定向的多个分立基底元件；

计算每个分立基底元件的氨存储量的变化；

基于所计算的所有分立基底元件的氨存储量的变化来确定氨选择性催化还原装置上的氨存储浓度；以及

响应于氨选择性催化还原装置上的总计氨存储浓度和氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的NO_X气体量来控制进入氨选择性催化还原装置上游的排气供应流中的氨的计量。

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