CN101988422A - 用于对scr催化剂的工作进行检验的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对SCR催化剂的工作进行检验的方法和系统。具体地，提供了一种用于选择性催化还原(SCR)催化转化器和氨配给模块的方法和控制系统，其中氨配给模块在选择性催化还原(SCR)催化剂中存储氨并且通过中断配给或减少配给来耗减氨的水平。控制系统还包括SCR转化效率模块，其确定SCR效率。SCR效率比较模块将所述SCR效率与效率阈值进行比较，并且在所述SCR效率不在所述效率阈值以上时产生故障指示。

Description

用于对SCR催化剂的工作进行检验的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月30日提交的美国临时申请61/229,941的权益。将上述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及车辆排气系统，更具体地，涉及对选择性催化还原(SCR)催化转化器的工作进行检验。
背景技术
本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本发明的背景。当前提及的发明人的工作--以在此背景技术部分中所描述的为限--以及在提交时否则可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。
柴油发动机的工作涉及产生排气的燃烧。在燃烧期间，空气/燃料混合物通过进气门输送到汽缸并且在汽缸内燃烧。燃烧之后，活塞迫使汽缸内的排气进入排气系统。排气可包含诸如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)之类的排放物。
对于柴油机应用，正在添加越来越多的排气硬件技术以满足对排放物的要求。排气的后处理包括安装用于排气流的多种砖(brick)、混合器以及喷射器。针对氮氧化物的监管日益增加。因而，选择性催化还原催化转化器的性能必须被监控以满足要求。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于对选定的催化还原催化转化器的效率进行监控的系统和方法，以使监管要求可得到满足。
在本发明的一个方面中，一种用于选择性催化还原催化转化器(SCR)的控制模块包括氨配给模块，该氨配给模块在SCR中存储氨并且通过中断配给或降低配给来耗减氨的水平。控制系统还包括SCR转化效率模块，其确定SCR效率。SCR效率比较模块将所述SCR效率与效率阈值进行比较并且在所述SCR效率不在所述效率阈值以上时产生故障指示。
在本发明的另一个方面中，一种方法包括：在选择性催化还原(SCR)催化剂中存储氨；耗减或降低氨的水平；确定SCR效率；将所述SCR效率与效率阈值进行比较；并且响应于所述比较来产生故障指示。
本发明还涉及以下技术方案：
方案1.一种方法，包括：
在选择性催化还原催化剂中存储氨；
耗减所述选择性催化还原催化剂的氨水平；
确定选择性催化还原效率；
将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较；和
当所述选择性催化还原效率不在所述效率阈值以上时，响应于所述比较来产生故障指示。
方案2.如方案1所述的方法，其特征在于，耗减或降低氨水平包括：改变配给系统的工作。
方案3.如方案1所述的方法，其特征在于，确定选择性催化还原效率包括：基于上游氮氧化物的量来确定选择性催化还原效率。
方案4.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：在将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较之前，基于选择性催化还原温度确定所述效率阈值。
方案5.如方案1所述的方法，其特征在于，确定效率阈值包括：在将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较之前，基于选择性催化还原温度和上游氮氧化物量来确定所述效率阈值。
方案6.如方案1所述的方法，其特征在于，产生故障指示包括：当在预定量的氮氧化物之后所述选择性催化还原效率不在所述效率阈值以上时，产生故障指示。
方案7.如方案1所述的方法，其特征在于，将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较包括：将所述选择性催化还原效率与所述效率阈值进行比较直到在耗减或降低氨装载量水平后产生了预定量的氮氧化物时为止。
方案8.如方案1所述的方法，其特征在于，产生故障指示包括：产生故障标记。
方案9.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上时，产生非故障指示。
方案10.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上或以下时，使能配给系统。
方案11.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上时并且在产生了预定量的氮氧化物之后，产生非故障指示。
方案12.一种控制系统，包括：
氨配给模块，其在选择性催化还原催化剂中存储氨并且通过中断配给或降低配给量来耗减或降低氨的水平；
选择性催化还原转化效率模块，其确定选择性催化还原效率；和
选择性催化还原效率比较模块，其将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较并且响应于所述比较来产生故障指示。
方案13.如方案12所述的控制系统，其特征在于，所述选择性催化还原效率基于上游氮氧化物的量。
方案14.如方案12所述的控制系统，其特征在于，在将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较之前，基于选择性催化还原温度和选择性催化还原性能模型确定效率阈值。
方案15.如方案12所述的控制系统，其特征在于，所述效率阈值基于选择性催化还原温度。
方案16.如方案12所述的控制系统，其特征在于，当在预定量的氮氧化物之后所述选择性催化还原效率不在所述效率阈值以上时，所述选择性催化还原效率阈值比较模块产生故障指示。
方案17.如方案12所述的控制系统，其特征在于，所述选择性催化还原效率阈值比较模块将所述选择性催化还原效率与所述效率阈值进行比较，直到在开始耗减或降低所述氨水平后产生了预定量的氮氧化物时为止。
方案18.如方案12所述的控制系统，其特征在于，所述故障指示包括故障标记。
方案19.如方案12所述的控制系统，其特征在于，当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上或以下时，所述选择性催化还原效率阈值比较模块使能配给系统。
方案20.如方案12所述的控制系统，其特征在于，当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上直至测量到预定量的氮氧化物时，所述选择性催化还原效率阈值比较模块产生非故障指示。
通过本文提供的描述将明了进一步的应用领域。应当理解的是，这些描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本发明将得到更加全面的理解，附图中：
图1是根据本发明的发动机系统的功能框图，该发动机系统包括具有集成在催化剂中的温度传感器的排气处理系统；
图2是图1的SCR控制模块的功能框图；
图3A和图3B是用于控制该系统的方法的连续流程图；和
图4A和图4B是以类似方式工作的车辆的好SCR(图4A)和差SCR(图4B)效率的曲线。
具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是使用了非排他性逻辑“或”的逻辑(A或者B或者C)。应当理解的是，在不改变本发明原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。
如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器、或成组处理器)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适合部件。
尽管下面的公开内容是针对柴油发动机而描述的，但诸如汽油发动机(包括直喷发动机)的其他类型发动机也可从本文的教导受益。
根据本发明的诊断系统和方法利用了侵入式排气温度管理以便在正常驾驶时具有非常低的排气温度曲线(profile)的车辆上提供选择性催化还原(SCR)效率模块运行并评估SCR效率的窗口。某些车辆在正常驾驶期间无法在足够长的时段期间具有足够的SCR温度以便执行SCR效率监控。
SCR效率模块被要求周期性地运行。例如，SCR效率模块可被要求每次旅程运行一次。根据本发明，控制排气温度以便得到为SCR效率模块运行而可接受的条件。更具体地，SCR效率模块在估计效率之前使排气温度提高。在SCR效率模块完成对SCR效率的估计后，SCR效率模块回到正常控制并且不执行排气温度管理。
现在参见图1，示意性示出了柴油发动机系统10。柴油发动机系统10包括柴油发动机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和配给系统16。柴油发动机12包括汽缸18、进气歧管20、质量空气流量(MAF)传感器22和发动机速度传感器24。空气通过进气歧管20流入发动机12并且由MAF传感器22监测。空气被导引进入汽缸18并且与燃料一同燃烧以驱动活塞(未示出)。尽管示出的是单一汽缸18，但应当意识到的是，柴油发动机12可包括更多的汽缸18。例如，可以预想到具有2、3、4、5、6、8、10、12和16个汽缸的柴油发动机。
作为燃烧过程的结果，汽缸18内产生了排气。排气系统14在将排气释放到大气之前对排气进行处理。排气系统14包括排气歧管26和柴油氧化催化剂(DOC)28。排气歧管26将离开汽缸的排气导引向DOC28。排气在DOC 28内得到处理以降低排放。排气系统14进一步包括催化剂30、温度传感器31、入口温度传感器32、出口温度传感器34、和催化的柴油颗粒过滤器(CDPF)36，其中催化剂30优选地为选择性催化还原(SCR)催化剂。DOC 28在处理排气之前与排气发生反应以降低排气的排放物水平。在处理排气之后，催化剂30反应以进一步降低排放。
温度传感器31可定位在发动机和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，下面将进一步描述。出口温度传感器34位于SCR催化剂之后以监测催化剂30出口处的温度变化。尽管排气处理系统13被示出为包括入口和出口温度传感器32、34并且入口和出口温度传感器32、34都处于催化剂30外部，但入口和出口温度传感器32、34也可位于催化剂内部以监测催化剂入口和出口处排气的温度变化。CDPF 36通过捕获排气中的柴油颗粒(即烟炱)来进一步降低排放。
配给系统16包括喷射流体源38和配给喷射器40，其中喷射流体源38可用于从罐中喷射尿素。配给系统16将诸如尿素的喷射流体喷入排气中。尿素与排气混合，并当排气/尿素混合物暴露于催化剂30时进一步降低排放。混合器41用于在排气进入催化剂之前将诸如尿素的喷射流体与排气混合。
控制模块42调节并且控制发动机系统10的工作，并且控制与监控配给系统16的工作。
排气流率传感器44可产生对应于排气系统中的排气流量的信号。尽管该传感器被示出为位于催化剂30和CDPF 36之间，但也可使用排气系统中的各种位置来进行测量，包括在排气歧管之后以及在催化剂30之前。
温度传感器46产生对应于测得的颗粒过滤器温度的颗粒过滤器温度传感器信号。温度传感器46可布置在柴油颗粒过滤器36上或内。温度传感器46也可相对于排气流位于柴油颗粒过滤器紧之后或紧之前。温度传感器46将测得的颗粒过滤器温度信号传送给控制模块42。
排气系统中的其他传感器可包括NOx传感器50，NOx传感器50产生对应于排气系统中氮氧化物量的信号。其可被称为NOx-In，因为该传感器位于催化剂的上游。NOx-Out传感器52可定位在下游(例如，在柴油颗粒过滤器之后)，用于产生对应于离开柴油颗粒过滤器的氮氧化物的信号。上游和下游的NOx也可位于SCR内。另外，氨(NH3)传感器54产生对应于排气流中氨的量的信号。氨传感器54是任选的，不过由于在NOx和NH3之间进行辨别的能力而可用于简化控制系统。
控制模块42可包括SCR效率模块60，SCR效率模块60用于确定SCR处的NOx转化效率。下面将提供控制模块42和SCR效率模块60的进一步细节。
现在参见图2，进一步详细示出了图1的SCR效率模块60。模块60从各种传感器接收输入，包括氮氧化物传感器50和52、温度传感器31、32和34、以及氨传感器54。
SCR效率模块60可包括SCR氨(NH3)装载量模块110。SCR氨装载量模块用于确定SCR氨装载量。氨装载量被提供到氨装载量比较模块112。氨装载量比较模块将氨的量与阈值进行比较。该阈值可由氨阈值模块114提供。当存储在SCR中的氨的量在阈值(该阈值用于耗减或降低的氨装载量测试)以上时，氨装载量比较模块112向氨配给模块116提供信号。氨配给模块116停用或改变配给系统并且开始进行耗减或降低的配给测试。SCR转化效率模块120接收配给系统信号，并且确定SCR效率。SCR转化效率模块120可从上游NOx模块122接收上游氮氧化物量或质量的信号。SCR转化效率模块120也可接收SCR温度信号，该SCR温度信号产生对应于SCR温度的信号。SCR温度模块123可提供瞬时温度或平均SCR温度。
自从已经开始进行耗减或降低的配给后，SCR转化效率模块120确定作为上游和下游NOx累积质量的函数的转化效率。SCR转化效率模块120产生SCR转化效率信号并且将SCR转化效率信号传送到SCR效率阈值比较模块124。SCR效率阈值比较模块124接收利用上游NOx和SCR温度确定的效率阈值。效率阈值模块126产生效率阈值信号并且将效率阈值信号传送到SCR效率阈值比较模块124。效率阈值可基于SCR性能模型和SCR温度。
SCR效率阈值比较模块124还可与NOx阈值模块130通信。NOx阈值模块提供上游NOx阈值。SCR效率阈值比较模块可基于SCR转化效率信号、效率阈值信号和NOx阈值信号来产生合格指示134或不合格指示136。例如，当同SCR上的NH3装载量相比在已经生成一定量的上游NOx后SCR效率在效率阈值之上时，产生合格指示134。当产生了一定量的上游NOx之后SCR效率不在校准的效率阈值之上时，可产生不合格指示136。
合格指示134和不合格指示136可以是合格标记或不合格标记，并且可用于在车载诊断系统中产生故障代码。合格指示134和不合格指示136也可与警告灯或警告蜂鸣器通信。
计时器模块140可用于对该过程进行计时。也就是说，计时器模块140可向SCR效率阈值比较模块124提供输入，该输入将在预定时间量之后中止侵入式测试。该预定时间量可对应于允许确定有故障SCR的时间量。累积的上游NOx质量是测试的基础。计时器可具有一定用途，但其不是用来确定有故障SCR将何时被确定的主要装置。因此，其将基于驱动循环而不仅仅是时间。
现在参见图3A和图3B，示出了用于确定SCR催化剂效率的方法。在步骤210中，该方法在开启点火时开始。
在步骤212中，确定该方法的进入条件是否已得到满足。在进入用于确定SCR催化剂效率的方法之前可能需要满足各种进入条件。这些进入条件可包括环境温度、海拔、还原剂罐的水平或其他条件。这些条件中的一些或全部可单独或组合起来用作进入条件。
在步骤214中，确定载入SCR的氨(NH3)的量。氨的量可通过测量质量来确定。在步骤216中，可确定基于在步骤214中确定的氨的量的测试时间段。正如下面将要描述的，测试时间段可对应于“累积的上游NOx量”对“用于确定不合格SCR的氨的估计量”。
在步骤218中，氨配给系统被关闭或减少。在步骤220中，来自SCR的氨发生耗减。存储在SCR中的氨的耗减与由发动机产生的氮氧化物结合发生。氮氧化物将消耗存储在SCR中的氨。在步骤222中，在耗减开始之后可等待延迟时间段，以便系统稳定。
在步骤224中，可确定上游氮氧化物的质量。上游氮氧化物的量可由图1所示NOx传感器50感测得到。在步骤226中，还可确定平均SCR温度。可利用图1所示的位于SCR内或邻近SCR的传感器34来确定平均SCR温度。
在步骤228中，确定基于上游NOx量和SCR温度的效率阈值。在步骤230中，如果SCR转化效率不大于效率阈值，则可在步骤232中产生不合格指示或不合格标记。在步骤230中，如果SCR转化效率大于效率阈值，则步骤234确定上游NOx量。上游NOx量可对应于在系统将退出该方法之前需要穿过系统的NOx量。上游NOx量也可对应于时间段，该时间段对应于允许一定量NOx穿过系统的时间量。所述时间段以及上游NOx量均基于来自在步骤214中确定的SCR装载量的NOx量。
在步骤236中，如果上游NOx量不大于上游NOx阈值，则再次执行步骤234。当上游NOx量大于上游NOx阈值时，可执行步骤238。在步骤238中，将SCR转化效率与效率阈值进行比较。如果SCR转化效率不大于转化阈值，则可在步骤232中设置不合格标记。在步骤238中，如果SCR转化效率大于效率阈值，则步骤240可产生非不合格标记或合格标记。也可在步骤242中产生其他类型的指示来指示“SCR效率在预定水平以上”。在步骤242中，结束侵入式测试。在步骤244中，利用配给系统来恢复配给。
现在参见图4A，示出了具有好SCR的SCR效率的图。图4B示出了差SCR效率的图。每幅图中的曲线均示出了用来基于所期望的氨装载量关闭或减少配给以便开始侵入式测试的共同时间。可以看出，好SCR效率的SCR在图顶部上维持接近百分之百的效率长达约1000秒。差SCR效率在约650秒处较早地降低，这是因为无法在退化的SCR中存储需要存储的氨的量。还示出了每幅图的估计的NH3装载量。
本发明的广泛教导可按照多种形式实施。因此，尽管本发明包括了具体示例，但本发明的真实范围却不应当限于这些具体示例，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明白其他的修改。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
在选择性催化还原催化剂中存储氨；
耗减所述选择性催化还原催化剂的氨水平；
确定选择性催化还原效率；
将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较；和
当所述选择性催化还原效率不在所述效率阈值以上时，响应于所述比较来产生故障指示。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，耗减或降低氨水平包括：改变配给系统的工作。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定选择性催化还原效率包括：基于上游氮氧化物的量来确定选择性催化还原效率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较之前，基于选择性催化还原温度确定所述效率阈值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定效率阈值包括：在将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较之前，基于选择性催化还原温度和上游氮氧化物量来确定所述效率阈值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生故障指示包括：当在预定量的氮氧化物之后所述选择性催化还原效率不在所述效率阈值以上时，产生故障指示。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较包括：将所述选择性催化还原效率与所述效率阈值进行比较直到在耗减或降低氨装载量水平后产生了预定量的氮氧化物时为止。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生故障指示包括：产生故障标记。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述选择性催化还原效率在所述效率阈值以上时，产生非故障指示。
10.一种控制系统，包括：
氨配给模块，其在选择性催化还原催化剂中存储氨并且通过中断配给或降低配给量来耗减或降低氨的水平；
选择性催化还原转化效率模块，其确定选择性催化还原效率；和
选择性催化还原效率比较模块，其将所述选择性催化还原效率与效率阈值进行比较并且响应于所述比较来产生故障指示。
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