CN101981282B - 用于产生定量配给命令的装置和方法、及包括该装置的排气系统 - Google Patents

Abstract

一种引入还原剂至排气系统的装置，其包括控制器。该控制器产生最终定量配给命令。该命令用作一个指令以释放一定剂量还原剂至排气系统中。该控制器包括产生权重因子的反馈控制模块。该权重因子构造成用以应用至下限定量配给命令并构造成用以应用至上限定量配给命令，其中被该权重因子转化的该下和上限定量配给命令被该控制器使用以产生该最终定量配给命令。

Description

用于产生定量配给命令的装置和方法、及包括该装置的排气系统

优先权信息 

本申请正在以康明斯过滤IP公司的名义申请PCT国际专利申请，并请求主张于2008年1月23日申请的、名称为“选择性催化还原中的反馈控制”的美国专利申请第12/108583号的优先权，该在先申请以全文引用的方式结合于本案中。 

技术领域

在此揭示了一种控制，其可以优化用于选择性催化还原(selective catalyst reduction(SCR))装置(例如，在燃烧排气流中的SCR装置)的还原剂的性能和定量配给经济性。具体而言，在此揭示了一种反馈控制，该反馈控制构造成用以产生还原剂配给速率的命令，该命令至少满足系统NO_x脱除(deNO_x)目标，同时也被限制在由最大允许氨(NH₃)漏失确定的最大允许配给速率范围内。 

背景技术

选择性催化还原(se lective catalyst reduction，SCR)装置已为业界熟知并广泛使用，尤其是例如应用于柴油发动机的燃烧排气气流中。 

为了满足环保局(EPA)的规定，业界使用SCR装置引入一种还原剂以降低发动机排气系统中产生的NO_x。与SCR装置一起，感测和反馈控制装置一直被用于检测NO_x并根据检测到的NO_x引入一种还原剂。所引入的还原剂与NO_x反应以促使NO_x还原。反馈控制模组可以极大地改善NO_x还原或“NO_x脱除”性能。 

然而，由于现有的反馈控制模组中使用的传感器具有交叉敏感性，出现在系统中的NH₃(例如，氨)也被传感器当作NO_x(被称作“氨漏失”(NH₃slip))。氨漏失是因催化器能力有限而导致的令人讨厌的排放。当控制系统产生一定数量的氨漏失时，由于NO_x传感器对氨的双重敏感性，该NO_x传感器将氨漏失报告成NO_x。为了降低成本，这种SCR装置通常使用电化学传感器，并非使用昂贵得多的光传感器(例如，傅立叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)传感器)，已经知道传感器的这种交叉敏感性会发生。这种不正确的感测信息会引起错误的正反馈，导致引入系统的还原剂剂量过高，这可能导致系统不稳定以及还原剂浪费。 

因此，SCR装置(尤其是那些使用反馈控制的SCR装置)仍然存在改善的空间，这些改善可以是针对限制总体还原剂剂量。 

发明内容

下面的技术揭露书描述了一种改进的定量配给控制，其可以帮助优化降低发动机排气物质中的NO_x，同时限制引入排气系统中的还原剂，还可以满足定量配给规定(例如，EPA定量配给规定)。基本上，该定量配给控制构造成用以通过权重因子来产生最终定量配给命令，其中该权重因子被用来处理上(“限制”)和下(前馈)限定量配给命令以产生该最终定量配给命令。 

在一个实施例中，引入还原剂至排气系统的装置包括至少一个传感器和控制器。所述传感器构造成用以检测发动机燃烧过程中产生的NO_x，而所述控制器与所述传感器操作性地连接。所述控制器构造成用以接收所述传感器检测到的NO_x的输出。所述控制器构造成用以处理所述传感器的输出并产生最终定量配给命令。所述最终定量配给命令具有引入还原剂至该排气系统中的指令。所述最终定量配给命令是利用权重因子并根据下限定量配给命令(前馈定量配给命令)和上限定量配给命令(“限制”定量配给命令)而产生。所述下限定量配给命令是由排放规定或目标所确定。所述上限定量配给命令是由最大允许NH₃ 漏失所限制。所述权重因子构造成用以应用至所述下和上限定量配给命令，使得所述权重因子将所述下和上限定量配给命令处理成所述最终定量配给命令的端值。 

在一个实施例中，所述控制器包括反馈控制模块，构造成用以接收所述传感器的输出并产生所述权重因子。在另一个实施例中，所述反馈控制模块构造成只调整所述权重因子并应用所述权重因子至下和上限定量配给命令以对其进行处理。 

在一个实施例中，所述控制器构造成用以周期性地更新所述最终定量配给命令，其中所述传感器构造成用以周期性地检测产生的NO_x，所述控制器周期性地产生一个更新的最终定量配给命令。 

仅仅作为一个例子而言，在此描述的定量配给控制对于燃烧发动机排气系统的选择性催化还原装置是有益处的。例如，至少一个传感器操作性地连接至选择性催化还原装置的出口。定量配给器操作性地连接至所述控制器并连接至所述选择性催化还原装置。所述定量配给器构造成用以接收所述最终定量配给命令并构造成用以根据所述最终定量配给命令将还原剂从选择性催化还原装置的入口引入所述排气系统。引入的还原剂的剂量是根据从所述控制器接收的最终定量配给命令而定。 

在另一个实施例中，控制引入还原剂至排气系统的方法包括计算下限定量配给命令和计算上限定量配给命令。根据检测到的NO_x输出来计算排放水平，该排放水平与排放目标进行比较，从而产生排放误差。基于该排放误差，通过反馈控制器来产生一个权重因子。使用该下(前馈)和上(“限制”)限定量配给命令以及该权重因子一起来计算最终定量配给命令。 

本揭露书的其他新颖性特征以及各种优点记载于下面的详细描述中。为更好的理解这些特征和优点，请参考附图及描述性内容，这些内容例示和描述了本创新概念的各种实施例。 

附图简要说明 

图1是与作为一种示意性例子的燃烧排气流系统一起使用的定量配给控制装置的示意图，其中该排气流系统包括SCR定量配给器驱动器/定量配给器装置。 

图2是图1中定量配给控制装置中的反馈控制模块的一个实施例的示意图。 

图3是图2中反馈控制模块的NO_x传感器值补偿元件的一个实施例的示意图。 

图4是描绘反应中NH₃与NO_x之比(ANR)和NO_x转化效率之间的关系的曲线图。 

图5是确定下限定量配给命令的程序的一个实施例的示意图，其中该下限定量配给命令用于产生最终定量配给命令。 

图6是在确定上限定量配给命令过程中计算催化器效率的程序的一个实施例的示意图，其中该上限定量配给命令用于产生最终定量配给命令。 

图7是描绘反应中NH₃与NO_x之比分别与deNO_x效率和deNH₃效率之间的关系的曲线图。 

图8A和8B是一组曲线图，描绘了在deNH₃效率计算中的分段线性化。 

图9是计算上限定量配给命令的程序的一个实施例的示意图。 

图10是已知的一般选择性催化还原排气系统的示意性代表图。 

具体实施方式

大体上，在此描述的定量配给控制包括一个用以通过权重因子产生最终定量配给命令的配置，其中该权重因子应用至上限和下限定量配给命令以产生该最终定量配给命令的端值。该控制可以对发动机排放物质中的NO_x提供经优化的还原，而不会过量引入还原剂至排气系统中，同时也仍然可以满足所需要的还原剂需求(例如满足EPA规定) 

在此提出了一种独特的控制方案，其中该定量配给命令产生包括前馈(feed-forward)命令(即，下限)产生和限制命令(即，上限)产生，这两种命令都利用上述权重因子进行处理。例如，在前馈命令产生中，是产生满足排放要求或目标(即，EPA要求)的必要配给量，而在限制命令产生中，是提供最大允许配给速率，其受最大允许NH₃漏失限制。该权重因子是为了调整最终定量配给命令使之位于在上述前馈命令产生和限制命令产生中所产生的配给速率值的范围内。如此，利用该权重因子，则可在最好的性能(限制命令产生)和最好的尿素配给经济性(前馈命令产生)之间取得平衡。 

作为一个例子，对位于SCR装置下游的NO_x传感器获取的NO_x漏失值加以筛选，然后对一个可信的NO_x漏失值加以评估，以此产生该权重因子。这种控制有助于避免系统不稳定，因为被更改的是一个权重因子，而不是该控制系统增益，而且在使用这个权重因子时，该最终定量配给命令的调整范围是被限制在前馈命令产生和限制命令产生所产生的定量配给命令的范围内。使用这种控制设计，不仅提供了必要的定量配给命令(即，EPA标准)，同时deNO_x性能和配给经济型也能得到优化。应当理解的是，在此描述的控制可被容易地调整使之可用于多个SCR构造和发动机。 

图1-9大体上例示了用于产生定量配给命令的装置的一个非限制性实施例，其中该定量配给命令用以将还原剂引入，例如，燃烧发动机排气系统中。作为一个特别的应用，在此描述的装置可用于引入一种还原剂来降低使用选择性催化装置的排气系统所产生的NO_x废气物。如图所示，图1是作为一个定量配给控制的该装置的一个实施例的示意图。在一个实施例中，所示的定量配给控制与选择性催化还原装置(定量配给器驱动器/定量配给器/SCR设备)103结合。该装置包括传感器S(101)，该传感器S(101)检测SCR装置出口处的NO_x并输出NO_x检测结果至定量配给控制器100。该控制器处理来自传感器S(101)的反馈值并计算一个权重因子(反馈定量配给命令计算(Feedback DosingCmd.Calc.))，其中定量配给命令产生模组104(定量配给命令产生(Dosing Cmd. Generation))使用该权重因子产生该最终定量配给命令。 

在一个实施例中，传感器S(101)及权重因子产生配置于反馈控制模块102(反馈定量配给命令计算)中，其中该选择性催化装置输出的NO_x水平输出值用于产生用以调整最终定量配给命令的权重因子。定量配给命令产生模块104(定量配给命令产生)使用该权重因子来处理模块105(“限制”定量配给命令计算(“Limit”Dosing Cmd.Calc.))产生的上限定量配给命令以及模块107(前馈命令计算(Feed Forward Cmd.Calc.))提供的下限定量配给命令。在一个实施例中，该上限定量配给命令是使用包括最大允许NH₃漏失(最大允许氨漏失(Max.Allowed NH₃ Slip))和选择性催化还原装置处的NO_x浓度(SCR入口处NO_x浓度)在内的输入值而产生的。在一个实施例中，该下限定量配给命令是使用包括选择性催化还原装置出口处的最大允许NO_x浓度(SCR出口处最大允许NO_x浓度(Max.Allowed NO_x Con.At SCR Outlet))和该选择性催化还原装置入口处的NO_x浓度(SCR入口处NO_x浓度)在内的输入值而产生的。 

进一步如图1所示，该定量配给控制也可以使用额外输入来产生最终定量配给命令。例如，这些输入可包括(但不限于)催化器NO_x转化效率(deNO_x效率)计算(模块106，效率计算(Eff.Calculation))，其中该效率计算可以作为用于产生每一该上限和下限定量配给命令的输入。在一个实施例中，该deNO_x效率计算依赖于各种参数。这些参数例如包括：(1)选择性催化还原装置的温度(催化器T)；(2)排气流速率/空间速度(排气流速(Exh.Flow))；(3)NO₂与NO在SCR入口处的成分比(split ratio)(SCR入口处NO₂/NO成分)。另外，在效率计算中也可以包括(4)NH3浓度或定量配给水平以及(5)选择性催化还原(SCR)装置入口处的总体NO_x水平或NO_x浓度等参数。催化器温度对SCR反应类型和反应速率两者都有影响，而排气流通过改变排放气体在催化器中驻留时间来改变SCR反应速率。在给定的催化器温度和排气流速下，尤其是在低温下，当NO₂/NO比例为1∶1时，SCR装置处于最高效率(快速-SCR(fast-SCR))。当NO成分占主要部分时，SCR装置通常工作在其标准效率下(标准-SCR (stard-SCR))。然而，如果NO₂比NO多，则SCR装置可能变得效率降低。已经知道这些因素会影响NO_x和NH₃脱除效率计算。 

通过使用权重因子，最终定量配给命令的计算是基于该上限和下限定量配给命令(详述如下)。该最终定量配给命令然后作为一个指令发送给SCR装置，以使定量配给器和定量配给器驱动器可引入还原剂至该排气系统中。在一个实施例中，待引入的还原剂为尿素。然而，本领域技术人员应当理解的是，如何希望或必要，也可以使用其它已知的还原剂。 

作为额外输入的另一个例子(图1)，该控制可包括NH₃存储补偿(NH₃存储)模块108的一个值。该NH₃存储补偿值可包括例如SCR装置的温度(催化器T)、排气流(Exh.Flow)和SCR装置入口处的NO₂/NO比例或NO_x成分等输入。 

图2是图1描绘的定量配给控制中的反馈控制模块102的一个实施例的示意图。基本上，该反馈控制模块不直接控制该最终定量配给模块。而是，该反馈控制模块修改该权重因子使得该权重因子可被用于处理该上限和下限定量配给命令以产生该最终定量配给命令。 

该反馈控制模块包括单元201，其对NO_x传感器值提供补偿(NO_x传感器值补偿)。在一个实施例中，该补偿是为了解决交叉敏感性和压力的影响。作为一个例子，下列方程式(方程式1)代表了对NH₃和NO₂浓度的交叉敏感性： 

${\mathrm{NOx}}_{\mathrm{Act}}^P={\mathrm{NOx}}_{\mathrm{Sen}}^P-k_{\mathrm{NH}3}{\mathrm{NH}}_3+k_{\mathrm{NO}2}{\mathrm{NO}}_2$

其中， 

代表在压力P时的实际NO_x百万分比(ppm)浓度值； 

代表在压力P时的NO_x感测ppm值； 

k_NH3代表NH₃补偿系数； 

NH₃代表NH₃的ppm值； 

k_NO2代表NO₂补偿系数；以及 

NO₂代表NO₂的ppm值。 

在某些实施例中，作为举例而言，k_NH3＝0.9，k_NO2＝0.9。 

在执行NO_x传感器值补偿时，该反馈控制模块也可以构造成用以提供压力补偿。交叉敏感性补偿系数值和压力补偿公式是由该NO_x传感器的特性决定的。 

图3描绘了对尾管NO_x传感器(即，SCR装置出口)的感测值进行修正的示意性构造。该感测值修正包括交叉敏感性补偿(单元303)以及压力补偿(单元304)，其中交叉敏感性补偿的计算是分别基于单元301和单元302中估算的NH₃漏失量和NO₂漏失量，压力补偿是使用环境压力(P)信息进行的。 

NH₃漏失量是使用尿素定量配给命令(NH₃ Cmd.)和NH₃脱除效率(deNH₃Eff.)来进行估算的，其是在该上“限”定量配给命令产生中进行计算的。 

为了估算NO₂漏失量，使用下列假设对SCR反应进行简化： 

假设1，只考虑两种反应：快速-SCR反应和标准-SCR反应； 

假设2，至SCR的排气NO_x中只存在NO和NO₂； 

假设3，快速-SCR反应在这两种SCR反应中具有绝对优先权(即，只有当没有快速-SCR反应时才发生标准-SCR反应)。 

基于这些假设，NO₂漏失量使用下列方程式计算： 

当C_NH3eff_deNH3≤min(C_NO，C_NO2)eff_{fast_SCR}β， 

$C_{\mathrm{NO}2}^{\mathrm{slip}}=\min (C_{\mathrm{NO}},C_{\mathrm{NO}2})-C_{\mathrm{NH}3}{\mathrm{eff}}_{\mathrm{deNH}3}/\mathrm{\β};$

当C_NH3eff_deNH3＞C_NO2eff_{fast_SCR}β且C_NO2≤C_NO， 

$C_{\mathrm{NO}2}^{\mathrm{slip}}=C_{\mathrm{NO}2}(1-{\mathrm{eff}}_{\mathrm{fast}\_\mathrm{SCR}});$

当C_NH3eff_deNH3＞C_NOeff_{fast_SCR}βC_NO2＞C_NO， 

$C_{\mathrm{NO}2}^{\mathrm{slip}}=(C_{\mathrm{NO}2}-C_{\mathrm{NO}}{\mathrm{eff}}_{\mathrm{fast}\_\mathrm{SCR}})(1-{\mathrm{eff}}_{\mathrm{deNO}2}),$ 其中， 

eff_deNO2＝(C_NH3eff_deNH3/β-C_NOeff_{fast_SCR})/(C_NO2-C_NO). 

在上述方程式中，C_NO2是SCR入口处的NO₂浓度；C_NO是SCR入口处NO浓度；C_NH3是SCR入口处NH₃浓度(定量配给命令)；C_NO2 ^Slip是尾管NO₂漏失量；eff_{fast_SCR}是快速SCR反应的NO_x转化效率；eff_deNH3是NH₃转化效率；eff_deNO2是NO₂转化效率；β是NH₃与NO_x反应比。 

再参考图2，对NO_x传感器值进行补偿后，该反馈控制模块构造成用以在 单元202对NO_x感测值进行筛选(NO_x感测值筛选)。在一些实施例中，某些NO_x感测值被用于反馈控制模块。例如，处于稳定状态的NO_x感测值可能被用于反馈控制模块，在可信任的范围内的NO_x感测值可能被用于反馈控制模块，经过有效补偿的NO_x感测值可能被用于反馈控制模块，以及平均NO_x感测值可能被用于反馈控制模块。 

NO_x感测值的准确筛选依赖于各种条件。这些可能影响NO_x感测值筛选准确性的条件例如包括NO_x值变化率以及SCR床温度。当例如由于在估算NH₃漏失量和NO₂漏失量过程中的误差和不确定因素而造成SCR床温度过低或过高时，NO_x值补偿可能不准确，从而影响NO_x感测值准确性。而且，在SCR入口温度和SCR出口温度相差比较大(即，排气温度和床温度相差较大)的情况下，在估算催化器性能时可能产生不确定因素，而这可能影响NOx感测值的准确性。 

可能影响NO_x感测值准确性的其他条件包括排气流速。在排气流速过低的情况下，尿素分布可能不均匀，因此影响NO_x感测准确性。在排气流速过高的情况下，由于在排气流传感器中更高的不确定性，NH₃漏失量和NO₂漏失量的估算可能会受到影响，从而进一步降低NO_x感测准确性。 

可能对NO_x感测值准确性有影响的其他条件还包括NO_x浓度(NO_x感测值只可能在一定NO_x浓度范围内才是准确的)。同样，NO_x值的准确感测也可能依来于其他操作条件，例如环境压力以及NH₃漏失和NO₂漏失的出现。 

执行了NO_x感测值的筛选之后，该反馈控制模块构造成用以评估NO_x水平。在一些实施例中，NO_x水平的评估包括尾管处NO_x水平的评估(单元203，尾管NO_x水平评估)。SCR装置控制的一个目的是将尾管的NO_x水平限制在一个范围内，同时考虑定量配给经济性、性能以及对传感器不确定因素的敏感性。该反馈控制模块构造成用以在可标定的时间区间内通过计算尾管处的平均NO_x水平来评估NO_x水平。作为一个例子，尾管NO_x水平限制可包括一个范围，例如从1.6g/kwh至1.9g/kwh(例如，对于Euro 5排放标准而言)。应当理解的是， 该反馈控制模块以标定速率周期性地更新NO_x水平值。 

执行了NO_x水平评估之后，该反馈控制模块构造成用以在单元204中执行误差产生步骤(误差产生)。在执行误差产生时，该反馈控制模块可以将尾管的一个目标NO_x范围设定为该控制系统的一个命令。在一个实施例中，该目标NO_x范围包括上端值(尾管NO_x_Limit_Hi)以及下端值(尾管NO_x_Limit_Lo)。 

在一个实施例中，该反馈控制模块将上述公式中的NO_x水平或NO_x排放量与该目标NO_x范围值进行比较以产生误差。如果NO_x排放量高于该上端值(即，尾管NO_x_Limit_Hi)，则产生的误差为：尾管NO_x_Limit_Hi-NO_x_emission。否则，如果NO_x排放量低于NO_x_Limit_Lo，则该误差为零(即，目标值在范围内)。 

在一个实施例中，该反馈控制模块在控制器单元(FDBK控制器(P))205中包括一个比例积分微分(proportional integral derivative，PID)控制器。应当理解的是，该反馈控制模块并不限定于比例积分微分控制器，而是可以为任何用于工业控制系统中的适合的反馈控制环路机构。基本上，该反馈控制模块构造成用以通过计算并输出可相应调整处理过程的修正行为来修正测量到的处理参数与期望设定点之间的误差。 

PID控制器用于根据这些误差值计算控制信号，即该权重因子值。该PID控制器将误差值转化为控制值(权重因子值)。仅仅作为一个范例而言，如果期望0.2(无单位)的权重因子变化，当出现的误差为0.5g/kwh时，将需要0.4的增益来执行上述计算。在其他范例中，如果期望累积这些误差以进行调整，则可以使用积分器。 

该控制器单元205产生的结果值然后在单元206(权重因子产生)被进一步处理。在单元206中，该系统判断反馈控制中产生的该值能否用作权重因子。例如在传感器错误或长时间没有更新的情况下，此时反馈值是不可信的，该系统使用靠其他方式(例如使用查询表(lookup table))产生的值，而不是用该反馈控制器产生的值。该权重因子是使用上面介绍的反馈控制模块来产生，该定 量配给控制将该权重因子应用至该下(前馈)和上(“限制”)限定量配给命令以产生该最终定量配给命令。 

如上所述，定量配给控制构造成用以通过该反馈控制模块来定期更新该最终定量配给命令。在另一个实施例中，该定量配给控制可构造成必要时(例如当传感器失效时或该最终定量配给命令在一段时间内未被该反馈控制模块更新时)包括至少一个查询表，作为产生该权重因子的输入。一些范例性的查询表可包括，但不限于，发动机速度输入以及总加油量输入。 

作为其诸多优点之一，该反馈控制模块是一个“安全”控制，这是因为该最终定量配给命令只能被调整在排放规定所允许的范围内。反馈控制可用于适当地调整该最终定量配给命令，以克服SCR入口NO_x估算中的不确定因素以及由于环境变化和催化器老化所导致的系统参数变化。不同于现有的反馈控制设计，在此揭示的反馈控制不是通过直接使用感测到的NO_x来控制还原剂定量配给，而是，感测到的NO_x经过处理之后以估算排放水平。这些被处理的值用于产生权重因子，之后这些权重因子可被更新或修改以定期调整该最终定量配给命令。就是说，该定量配给控制的反馈控制模块可根据需要间接地修改定量配给，其中用于产生该命令的输入使用从该排气输出中获得的信息。 

现在介绍下和上限定量配给命令的产生，图4-9描绘了该定量配给控制可以使用的、用以产生该下(前馈)和上(“限制”)限定量配给命令的示范性配置。在一个实施例中，该下限定量配给的计算是基于例如针对排气系统的已知排放规定或目标，而上限定量配给命令的计算是基于最大允许氨漏失。 

图4描绘了反应中NH₃和NO_x之比与NO_x转化效率的关系。图5是产生该下限定量配给命令的程序的一个实施例的示意图。在一个实施例中，该定量配给控制计算该下限定量配给命令，该命令被称为必要定量配给命令或前馈定量配给命令(图5中的FF定量配给命令)。基本上，该前馈定量配给命令是作为该系统能够满足还原剂剂量最低需求(即，EPA规定)的参考值。例如，该前馈定量配给命令是基于温度、排气流、业界已知的其他发动机操作条件(例如 发动机速度)。 

图4是描绘了反应中NH₃和NO_x之比与NO_x转化效率的关系图。在计算前馈定量配给命令的一个实施例中，该定量配给控制构造成考虑下列公式： 

(公式2) 

η＝(C_NH3/C_NOx)α/β 

其中 

β代表反应中NH₃和NO_x之比(β随NO₂/NO之比变化而变化)； 

C_NOx代表SCR装置入口处NO_x浓度； 

C_NH3代表SCR装置入口处NH₃浓度(该下限定量配给命令的计算是使用C_NH3)； 

α代表ANR(ANR：Ammonia to NO_x Ratio，氨与NO_x之比)等于β时的NO_x脱除(deNO_x)效率；以及 

η代表代表deNO_x效率。 

当NH₃/NO_x≤β，该定量配给控制也可以考虑下列公式3。 

(公式3) 

$C_{\mathrm{NOx}}\mathrm{\η}=C_{\mathrm{NOx}}-C_{\mathrm{Slip}}^{\mathrm{NOx}}$

其中 

C_NOxη代表在催化器中反应的NO_x； 

C_NOx代表SCR装置入口处NO_x；以及 

C_Slip ^NOx代表SCR装置出口处NO_x漏失(排放)。 

然而，在NH₃/NO_x＞β的情况下，则催化器能力不足，而该前馈命令等于限制命令，下面将参考图5对此进一步描述。 

根据公式(2)和(3)，NH₃浓度C_NH3为： 

(公式4) 

$C_{\mathrm{NH}3}=\mathrm{\β}(C_{\mathrm{NOx}}-C_{\mathrm{slip}}^{\mathrm{NOx}})/\mathrm{\α}$

再参考图5，其例示了定量配给控制产生该下(前馈)限定量配给命令的程序。先判断是否(NO_x_in-NO_x_target)/NO_x_in＞Max_deNO_xeff(α)。其中， “NO_x_in”是SCR入口处的NO_x流速，而“NO_x_target”是排放规定所确定的目标流速)。如果是(Y)，则催化器能力不足(NH₃/NO_x＞β)，且该前馈命令等于限制命令。如果否(N)，则公式(4)用于计算该下限或前馈定量配给命令。 

图6描绘了这种催化器效率计算的程序的一个范例，该催化器效率计算用于计算该上限定量配给命令。在图6中，Ta定义为定量配给的温度下限(T_min)。该下限Ta是空间速率(Sv)以及NO₂与NO之比的函数，即Ta＝f_a(Sv，NO₂/NO)，其中该空间速率的计算是基于排气流速和催化器体积(Sv＝Exhaust VolumetricFlow Rate/Catalyst Volume，Sv＝排气体积流速/催化器体积)。ANR为β且温度为Ta时的NOx转化效率为Ea，且Ea也是空间速率以及NOx与NO之比的函数，即Ea＝g_a(Sv，NO₂/NO)。图6中的起燃温度(lightoff temperature)为Tb，而Tb是空间速率和NO₂与NO之比的函数，即Tb＝f_b(Sv，NO₂/NO)。ANR为β且温度为Tb时的NO_x转化效率为Eb，类似于Ea，Eb＝g_b(Sv，NO₂/NO)。然后判断是否T≥Ta，其中T是催化器温度。如果否(N)，则停止催化器效率计算。如果是(Y)，则判断是否T≥Tb，如果否(N)，则使用线性方程式Eff.＝(T-Ta)(Eb-Ea)/(Tb-Ta)来执行该效率计算。 

当催化器温度太高时，由于NH3被氧化成NO_x，NO_x转化效率将降低。T1定义为deNO_x效率开始降低时的温度，T2代表定量配给的高温上限，与Ta和Tb一样，T1＝f₁(Sv，NO₂/NO)，T2＝f₂(Sv，NO₂/NO)。ANR为β且温度为T1时的deNO_x效率为E1，且E1＝g₁(Sv，NO₂/NO)。ANR为β且温度为T2时的deNO_x效率为E2，且E2＝g₂(Sv，NO₂/NO)。如图6进一步所示，如果温度T位于T1和Tb之间，则使用方程式Eff.＝1-exp(-K*T^1.5/Sv)来执行该效率计算，其中K是由Sv和NO_x/NO所确定的一个系数，即K＝h_k(Sv，NO₂/NO)。对于催化器温度高于T1但低于T2的情形，则使用线性方程式Eff.＝(T-T1)(E2-E1)/(T2-T1)来执行该效率计算。如果催化器温度高于T2，则禁止定量配给。 

应当理解的是，该效率计算结果可以是计算该下(前馈)和上(“限制”)限定量配给命令任一或两者的输入。此处未图示该效率计算结果作为计算该前 馈定量供给命令的实施方式，但本领域技术人员应当能够将效率计算结果作为一个输入以使用现有方法计算该前馈定量配给命令。在ANR为β时的该deNO_x效率基础之上，deNO_x效率和deNH₃效率两者都能够获得。图4描绘了ANR与deNO_x效率之间的关系，而图7描绘了反应中NH₃和NO_x之比与deNO_x效率(I)和deNH₃效率(II)两者之间的关系。作为一个范例性计算，下面的方程式5可以用于确定deNH₃效率。 

(方程式5) 

deNH₃_效率＝deNO_x_效率(η)*β/ANR 

现在具体介绍该上(“限制”)限定量配给命令，该定量配给控制设计计算该上限定量配给命令，该上限定量配给命令也称为“限制”定量配给命令。基本上，该“限制”定量配给命令是作为允许向该系统中加入的最大还原剂剂量的参考值。 

如计算deNO_x和deNH₃效率的方程式中所示，该计算需要ANR值。然而，在“限制”定量配给命令产生中，ANR(定量配给水平)中的NH3浓度是一个使用deNO_x或deNH₃效率来确定的项目。因此，该计算过程中存在一个“环”，从而形成一个需要被解开才能获得该“限制”定量配给命令的方程式。为了避免在SCR控制中解非线性方程，可以使用分段线性化(piece-wise linearization)方法。图8A和图8B是一组显示在deNH₃效率计算中分别使用ANR和NAR的分段线性化的曲线图。在图8A中，β、β₁以及β₂是折点(breakpoint)；e_a、e_a1和e_a2分别是在β、β₁以及β₂处的deNH₃效率。在图8B中，NAR为NO_x与氨之比，即NAR＝1/ANR；γ、γ₁和γ₂是与β、β₁以及β₂对应的折点(γ＝1/β，γ₁＝1/β₁，γ₂＝1/β₂)。使用NAR进行线性化避免了在计算“限制”定量配给命令时解二次方程，且能够提供更准确的催化器效率计算。 

如图9所示，该定量配给控制设计可以使用下列方程式来产生该“限制”定量配给命令以及结合作为确定催化器效率的基础的deNH₃效率。 

例如，当NAR≤γ(即ANR≥β)时，该deNO_x效率近似恒定为α。该“限制”定量配给命令可使用方程式6来计算。 

$C_{\mathrm{NH}3}=C_{\mathrm{Slip}}^{\mathrm{NH}3}+\mathrm{\α\β}{C}_{\mathrm{NH}3},$

其中C_slip ^NH3是SCR出口处NH₃漏失。 

当NAR＞γ，更具体而言，当γ＜NAR≤γ₁时，该deNH₃效率是下列方程式7中的θ： 

(方程式7)θ＝k₁(NAR)+b₁

其中在方程式7中，该系数k₁和参数b₁分别使用方程式8和方程式9来计算： 

(方程式8)k₁＝(e_a-e_a1)/(γ-γ₁) 

(方程式9)b₁＝e_a1-k₁γ₁； 

当γ₁＜NAR≤γ₂时，该deNH₃效率是下列方程式10中的θ： 

(方程式10)θ＝k₂(NAR)+b₂

其中，在方程式10中，该系数k₂和参数b₂使用方程式11和方程式12来计算： 

(方程式11)k₂＝(e_a1-e_a2)/(γ₁-γ₂) 

(方程式12)b₂＝e_a2-k₂γ₂； 

当NAR＞γ₂时，该deNH₃效率为下列方程式13中的θ： 

(方程式13)θ＝e_a2。 

该限制定量配给命令可以使用下列方程式14来计算： 

(方程式14) $C_{\mathrm{NH}3}=C_{\mathrm{Slip}}^{\mathrm{NH}3}+\mathrm{\θ}{C}_{\mathrm{NH}3}$

在以上介绍中，K1、K2、b1和b2是使用方程式7-12计算得到的结果。例如，K1和K2在函数上是deNH₃效率的线性拟合方程式中的斜率，b1和b2在函数上是偏移值，即deNH₃效率＝k*(NO_x/NH₃)+b。 

进一步参考图9，其为计算该“限制”定量配给命令的程序的一个范例的示 意图。正如已经讨论过的，该定量配给控制通过一系列计算和值判断来产生该“限制”定量配给命令(见图1)。在一个实施例中，先计算e_a、e_a1以及e_a2。然后计算定量配给命令C_i1、C_i2、C_i3和C_i4，其中 

C_i1是根据方程式6计算得到的NH₃定量配给水平C_NH3； 

C_i2是根据方程式7、8、9和14计算得到的NH₃定量配给水平C_NH3； 

C_i3是根据方程式10、11、12和14计算得到的NH₃定量配给水平C_NH3，C_i4是根据方程式13和14计算得到的NH₃定量配给水平C_NH3。 

计算这些定量配给命令之后，执行下列判断步骤以从C_i1、C_i2、C_i3和C_i4中选择一个有效值。判断是否C_NOx/C_i1(NAR)小于或等于伽玛(γ)。如果是(Y)，则C_i1是有效的，C_i1值用于产生该“限制”定量配给命令C_i。如果否(N)，则判断C_NOx/C_i2是否高于伽玛(γ)但低于或等于伽玛1(γ₁)。如果在这个判断中判断结果为是(Y)，则C_i2值用于计算该上“限”定量配给命令C_i。如果在这个判断中判断结果为否(N)，则判断C_NOx/C_i3是否高于伽玛1(γ₁)但低于或等于伽玛2(γ₂)。如果在这个判断中判断结果为是(Y)，则C_i3值被选中。如果否(N)，则判断C_NOx/C_i4是否高于伽玛2(γ₂)。如果在这个判断中判断结果为是(Y)，则C_i4值被选中。如果结果为否(N)，则“限制”定量配给命令产生的结果值C_i是C_i1、C_i2、C_i3和C_i4中最小的一个。 

如上所述，该上限定量配给命令是使用至少一个ANR区间的线性方程来产生的。而且，在进行这些线性计算时，使用一种结果检查过程(其检查这些线性计算的假设前提是否有效)来选择有效的线性计算结果作为该上限定量配给命令。 

应当理解的是，当NAR＞γ或ANR≤β(正常定量配给范围)时，deNH₃效率对ANR或NAR变化并不敏感(图7和图8)。因此，该“限制”定量配给命令对SCR入口处NO_x感测值中的不确定因素不敏感。这样，可在定量配给经济性(“限制”定量配给命令高于“前馈”定量配给命令)与免受SCR入口处NO_x估算中的不确定因素干扰的系统稳健性(“限制”控制对SCR入口处NO_x估算中 的不确定因素的敏感性降低了)之间取得平衡。 

再来讨论该权重因子，已经产生了该下和上限定量配给命令之后，该权重因子被应用至该下(前馈)限定量配给命令和上(“限制”)限定量配给命令以产生该最终定量配给命令。在一个实施例中，该权重因子可按照下列公式，以该上限定量配给命令(limit cmd)与该权重因子相乘的形式应用至该上限定量配给命令： 

limit cmd*factor。 

对于该下限定量配给命令，该权重因子可按照下列公式，以该下限定量配给命令(feed-forward cmd)与1和该权重因子的差(1-factor)相乘的形式应用至该下限定量配给命令： 

feed-forward cmd*(1-factor)。 

该最终定量配给命令是这两个值的和： 

最终定量配给命令＝feed-forward cmd*(1-factor)+limit cmd*factor。 

由于该前馈定量配给命令总是等于或低于该“限制”命令，因此上述公式将该最终定量配给命令调整至由该下(前馈)和上(“限制”)限命令确定的范围内。因此，发送给该定量配给器的该最终定量配给命令(或实际定量配给指令)是一个在该下和上限范围内的具体配给速率值，且从存储于该控制器内的该下和上限命令确定的范围中得到。 

参考图10，其描绘了现有的一般选择性催化还原装置的示意图，但其整合了根据上述介绍的创新概念的定量配给控制。在这种装置的一个实施例中，发动机(本图中未示)产生的排气流经NO_x催化器30以降低NO_x排放。NO_x传感器20(或NO_x估算，a.k.a虚拟传感器)设置在SCR催化器30上游用以检测SCR入口处NO_x水平(NOx_in)。温度传感器25用于测量SCR入口处排气温度(T_in)。在SCR催化器30下游安装有NO_x传感器45用以感测在该反馈控制中使用的尾气NO_x漏失。另一个位于SCR催化器30下游的温度传感器40与该SCR入口温度传感器25一起使用以更好地估算SCR催化器温度。所有传 感器(温度传感器25和40，NO_x传感器20和45)连接至发动机控制模块(ECM)，而该定量配给控制器在该ECM内运行。根据该感测信息，该ECM产生一个最终定量配给命令并发送该指令至喷射系统15，而该喷射系统15从尿素罐10喷射还原剂(即，尿素)至该SCR催化器30。 

如上所述，该定量配给控制是用于引入还原剂以还原NO_x排气物质，例如使用选择性催化还原装置的排气系统产生的排气物质。在该定量配给控制的一个实施例中，NO_x传感器(例如NO_x传感器45)设置在SCR装置的下游。这个传感器操作性地连接至控制器。应当理解的是，该控制器可运行于一个构造成用以执行所描述的控制功能的中央处理单元(例如ECM 35)内，并可构造成手动或自动启动，这种设计是本领域技术人员可以完成的。如上所述，该控制器接收这些传感器的输出，并相应地产生一个用于处理该下(前馈)限和上(“限制”)限定量配给命令的权重因子。作为一个例子，该SCR出口NO_x传感器和权重因子产生配置在该定量配给控制的反馈控制模块内，其中该选择性催化装置的NO_x水平输出用于产生该权重因子，以调整该最终定量配给命令。该最终定量配给命令然后作为一个指令发送至该SCR装置，其中该控制器传送该指令至喷射系统(例如定量配给器和定量配给器驱动器)，使得该定量配给器和定量配给器驱动器可引入还原剂至该排气系统中。 

在一个实施例中，待引入的还原剂是尿素。但应当理解的是，如果希望或必要，也可以使用其他还原剂。还应当理解的是，所描述的定量配给控制可被容易地调整使之可用于多个SCR构造和发动机。 

如上所述，NH₃漏失是令人讨厌的排气。这是因为，作为SCR反应的副产物，过多的NH₃漏失会形成不好的味道(例如，在高于25ppm的浓度)。而且，配给过量的还原剂会造成配给效率低，而且由于NOx传感器的交叉敏感性，这还可能造成错误的正反馈。因此，最大配给命令可能变得饱和(太多还原剂被释放)。然而，在此描述的定量配给控制配置成使得该最终定量配给命令的上限定量配给命令取决于最大允许NH₃漏失(即，限制命令)，从而避免这种不想 要的后果。例如，该NH₃漏失可维持在大约25ppm或更低浓度。 

作为其诸多优点之一，该反馈控制模块是一个“安全”控制，这是因为该最终定量配给命令只能被调整在排放规定所允许的范围内并进一步被该权重因子所限制。反馈控制可用于适当地调整该最终定量配给命令，以克服SCR入口NO_x估算中的不确定因素以及由于环境变化和催化器老化所导致的系统参数变化。不同于现有的反馈控制设计，在此揭示的反馈控制不是通过直接使用感测到的NO_x来控制还原剂定量配给，而是，感测到的NO_x经过处理以估算排放水平。这些被处理的值用于产生权重因子，之后该权重因子可被更新或修改以定期调整该最终定量配给命令。就是说，该定量配给控制的反馈控制模块可根据需要间接地修改定量配给，其中用于产生该命令的输入使用从该排气输出中获得的信息。在此揭示的反馈控制，如图所示，例如在计算该上端(“限制”)定量配给命令时，进一步使用一种线性方法，无须进行解方程的迭代过程(iterativeprocess)。 

在此揭示的创新概念在不偏离本发明精神和新颖特性的情况下可以实施成其它形式。本申请中揭示的实施例应被视为例示性而不是限制性的。本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据前面的说明进行确定。在权利要求的字面意义及等同物范围内的任何改变都被该权利要求所涵盖。 

Claims (24)

1.一种用于产生定量配给命令的装置，产生所述定量配给命令是用以引入还原剂至排气系统中，所述装置包括：

至少一个传感器，构造成用以检测发动机燃烧过程中产生的NO_x；

控制器，与所述至少一个传感器操作性地连接，所述控制器构造成用以接收基于所述至少一个传感器检测到的NO_x的所述至少一个传感器的输出，所述控制器构造成用以处理所述至少一个传感器的输出并产生最终定量配给命令，所述最终定量配给命令具有引入还原剂至该排气系统中的指令，所述最终定量配给命令包括下限定量配给命令、上限定量配给命令以及权重因子，所述权重因子构造成用以在一个计算中应用至所述下和上限定量配给命令以提供所述最终定量配给命令，使得所述最终定量配给命令是一个位于所述下和上限定量配给命令的端值范围内的值。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个传感器操作性地连接至所述排气系统的出口。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括反馈控制模块，所述反馈控制模块构造成用以接收来自所述至少一个传感器的所述输出并产生所述权重因子。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述反馈控制模块构造成只调整所述权重因子及应用所述权重因子至所述下和上限定量配给命令。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述反馈控制模块是比例积分微分控制器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器构造成用以周期性地更新所述最终定量配给命令。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步包括至少一个查询表，当所述至少一个传感器失效或所述最终定量配给命令一段时间未更新时， 所述查询表作为用以产生所述权重因子的输入。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述查询表包括发动机速度输入和总加油量输入。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述权重因子的值在0和1的范围内变化，所述权重因子应用至所述上限定量配给命令包括，按照公式：上限定量配给命令×权重因子，所述上限定量配给命令与所述权重因子相乘，所述权重因子应用至所述下限定量配给命令包括，按照公式：下限定量配给命令×(1-权重因子)，所述下限定量配给命令与1和所述权重因子的差相乘。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述下限定量配给命令的计算包括一个基于所述排气系统的排放目标的计算，而所述上限定量配给命令的计算包括一个基于最大允许氨漏失的计算。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述最大允许氨漏失是小于等于25ppm。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述上限定量配给命令是根据至少一个氨与NO_x的比例的线性计算而产生的。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述上限定量配给命令是根据结果检查过程而产生的，所述结果检查过程构造成用以检查所述线性计算是否有效并选择有效的线性计算结果作为所述上限定量配给命令。

14.一种用于产生定量配给命令的方法，产生所述定量配给命令是用以引入还原剂至排气系统中，所述方法包括：

用传感器检测发动机燃烧过程中产生的NO_x；

用控制器接收由所述传感器检测到的NO_x的输出；

通过所述控制器处理所述输出以产生定量配给命令包括：

通过所述控制器计算下限定量配给命令，所述下限定量配给命令的计算包括一个基于所述排气系统的最大允许NO_x排放的计算；

通过所述控制器计算上限定量配给命令，所述上限定量配给命令的计算包 括一个基于最大允许氨漏失的计算；

通过所述控制器产生权重因子，所述权重因子的计算包括一个基于检测到的NO_x输出的计算；

通过所述控制器使用所述权重因子来处理所述下限和上限定量配给命令；

以及

根据所述处理过的下限和上限定量配给命令的计算通过所述控制器产生最终定量配给命令，所述最终定量配给命令是一个位于所述下和上限定量配给命令的端值范围内的值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中产生所述权重因子包括使用反馈控制模块接收传感器的输出，使用所述传感器的输出来计算所述权重因子，并传送所述权重因子至所述控制器以使用所述权重因子处理所述下限和上限定量配给命令。

16.根据权利要求14所述的方法，其中产生所述最终定量配给命令包括周期性地更新所述最终定量配给命令。

17.根据权利要求14所述的方法，其中产生所述最终定量配给命令包括，当所述传感器失效或所述最终定量配给命令在一段时间内未更新时，使用至少一个查询表作为输入来产生所述权重因子。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述查询表包括发动机速度输入和总加油量输入。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述下限定量配给命令的计算包括一个基于所述排气系统的排放目标的计算，而所述上限定量配给命令的计算包括一个基于最大允许氨漏失的计算。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述最大允许氨漏失是小于等于25ppm。

21.如权利要求14所述的方法，其中计算所述上限定量配给命令进一步包括执行至少一个氨与NO_x的比例的线性计算。 

22.如权利要求21所述的方法，进一步包括检查所述线性计算的假设前提的有效性，并选择有效线性计算结果作为所述上限定量配给命令。

23.一种选择性催化还原排气系统，包括：

选择性催化还原装置，包括入口和出口；

至少一个传感器，操作性地连接至所述选择性催化还原装置的出口，所述至少一个传感器构造成用以检测发动机燃烧过程中产生的NO_x；

控制器，与所述至少一个传感器操作性地连接，所述控制器构造成用以接收基于所述至少一个传感器检测到的NO_x的所述至少一个传感器的输出，所述控制器构造成用以处理所述至少一个传感器的输出并产生最终定量配给命令，所述最终定量配给命令具有引入还原剂至所述排气系统中的指令，所述最终定量配给命令包括下限定量配给命令、上限定量配给命令以及权重因子，所述权重因子构造成用以应用至所述下和上限定量配给命令，所述权重因子构造成用以将所述下和上限定量配给命令转换成所述最终定量配给命令的端值；以及

定量配给器，操作性地连接至所述控制器并连接至所述选择性催化还原装置，所述定量配给器构造成用以接收所述最终定量配给命令并构造成用以根据所述最终定量配给命令将所述还原剂从所述选择性催化还原装置的入口引入所述排气系统。

24.一种包括权利要求1所述的装置的排气系统，其包括：

选择性催化还原装置，其包括入口和出口；其中，所述至少一个传感器连接至所述出口；以及

定量配给器，操作性地连接至所述控制器并连接至所述选择性催化还原装置，所述定量配给器构造成用以接收所述最终定量配给命令并构造成用以根据所述最终定量配给命令将所述还原剂引入到所述选择性催化还原装置的入口。 

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