CN102678240A - 用于氧化催化剂的车载性能监控的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定在发动机工作期间通过氧化催化剂转化的发动机排气流中NO至NO2的转化率的方法和系统，其基于喷射烃燃料至氧化催化剂上游的排气流中，测量氧化催化剂的上游和下游侧的排气流的温度，计算氧化催化剂的上游和下游侧之间的排气流温度的差值，并且基于氧化催化剂的上游和下游侧的温度与NO至NO2的转化率之间的预定相关曲线从排气流温度的差值确定氧化催化剂转化的NO至NO2的转化率。

Description

用于氧化催化剂的车载性能监控的设备和方法
技术领域
本发明示例性的实施方案涉及监控发动机排气系统，更具体地，涉及确定发动机排气流中氧化催化剂(DOC)的NO到NO2的转化效率的设备和方法。
背景技术
降低内燃机排气中的某些成分已经引起了广泛关注。近期，关注点放在了柴油发动机上。柴油发动机排气典型地包括气体排放物，诸如二氧化碳(“CO2”)、水蒸气(“H2O”)、未燃烧的烃(“HC”)、一氧化碳(“CO”)、包括NO和NO2的氮氧化物“NOX”以及固态和/或液态的凝聚相材料(称为颗粒物)。对于柴油发动机排气的处理可以包括多种具有一或多种布置在基底上用来减少柴油排气中某些成分水平的催化剂的催化剂装置。例如，柴油排气处理系统可以包括氧化催化剂，其也被称为柴油氧化催化剂(“DOC”)，以将HC和CO转化为CO2和水；还包括对NOX进行还原的催化剂，以及颗粒过滤器，其也被称为柴油颗粒过滤器(“DPF”)，用来除去颗粒。
对于柴油排气处理技术的一个特别关注点是使用选择性催化还原(“SCR”)催化剂用于还原NOX。该技术包括通过氨或者诸如脲的氨源将NOX催化促进还原为氮气和氧气。该还原反应的效率受进入到SCR反应器的排气流中的NO2∶NOX的比率的影响显著。该比率对于SCR效率的影响在较低的运行温度(例如，小于300℃)下尤其明显。对于典型的沸石基SCR催化剂，希望的NO2∶NOX比率大约为0.5，这是快速SCR反应所需要的。然而，从发动机中排出的排气的NO2∶NOX比率通常展现为小于理想NO2∶NOX比率的小于0.2。幸运的是，通常布置在柴油处理系统中的SCR反应器上游的DOC装置能够将NO转化为NO2，从而使进入到SCR反应器的排气中的NO2∶NOX的比率能更接近期望的比率。
但是，依靠DOC装置对于将NO转化为NO2以提高进入到SCR装置的排气流中的NO∶NO2比率存在一个问题，即DOC装置的NO到NO2转化效率因设备老化和/或工作条件而不同。因此期望能够在车辆上监控DOC排气处理装置的NO到NO2转化效率。然而，大部分NOX传感器不能区分NO和NO2，因此直接车载监测DOC的NO到NO2的转化效率是不可行的。因此，需要提供一种测量DOC排气处理装置的转化NO到NO2的效率的系统和方法。
发明内容
在一个本发明的示例性实施方案中，一种能够确定在柴油发动机运行期间通过氧化催化剂将发动机排气流中NO到NO2的转化率的排气处理系统，其包括：
布置于发动机排气流中的氧化催化剂；
布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器；
布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器；以及
控制器，其包括与布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器和布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器相连通的微处理器；以及包括用于使所述微处理器执行一种方法的指令的存储介质，所述方法包括：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
在本发明的另外一个示例性的实施方案中，一种确定在发动机运行期间通过氧化催化剂转化发动机排气流中NO到NO2的转化率的方法，包括如下步骤：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
尤其地，本发明还涉及到以下几个方面：
1.一种流体连接于内燃机的发动机排气处理系统，其包括：
布置于发动机排气流中的氧化催化剂；
布置于氧化催化剂上游的烃喷射器；
布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器；
布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器；以及
控制器，其与布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器、布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器以及烃喷射器相连通，该控制器配置用于：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
2.如第1项所述的系统，其中存储介质进一步包括氧化催化剂的上游侧和下游侧的排气流温度值与NO到NO2转化率的映射图。
3.如第2项所述的系统，其中存储介质进一步包括基于氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值之间的数学关系计算NO到NO2转化率数值的指令。
4.如第1项所述的系统，其中氧化催化剂上游侧和下游侧的温度与NO到NO2的转化率的预定关联关系是基于包括氧化催化剂的上游侧和下游侧的温度差的一或多个因素的预定关联关系。
5.如第4项所述的系统，其中存储介质进一步包括氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值与NO到NO2转化率的映射图。
6.如第4项所述的系统，其中存储介质进一步包括基于氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值之间的数学关系计算NO到NO2转化率数值的指令。
7.如第1项所述的系统，其中所述预定关联关系基于包括上下游侧的温度以及氧化催化剂的老化的因素。
8.如第1项所述的系统，进一步包括还原剂源、SCR催化剂和布置于氧化催化剂下游的颗粒过滤器。
9.如第1项所述的系统，其中烃喷射器与发动机下游和氧化催化剂上游的排气流流体连接布置。
10.如第1项所述的系统，其中内燃机包括具有所述烃喷射器布置于其中的燃烧汽缸，以及控制器进一步配置为修正燃料喷射的时机以在将燃料喷射入汽缸用于燃烧之外在燃烧汽缸排气冲程期间将燃料喷射到燃烧汽缸中。
11.一种确定在发动机运行期间由氧化催化剂处理的内燃机排气流中NO到NO2的转化的方法，其包括：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；以及
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
12.如第11项所述的方法，其中确定由氧化催化剂导致的NO到NO2转化率的步骤包括基于氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值与NO到NO2转化率的映射图来确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率值。
13.如第11项所述的方法，其中确定由氧化催化剂导致的NO到NO2转化率的步骤包括基于氧化催化剂的上游侧和下游侧的排气流温度值之间的数学关系计算出NO到NO2的转化率值。
14.如第11项所述的方法，其中氧化催化剂的上游侧和下游侧的温度与NO到NO2转化之间的预定关联关系是基于包括氧化催化剂上下游侧之间的温度的差值的一或多个因素的预定关联关系。
15.如第14项所述的方法，其中确定由氧化催化剂导致的NO到NO2转化率的步骤包括基于氧化催化剂的上游侧和下游侧的排气流温度值与NO到NO2转化率值的映射图确定NO到NO2的转化率值。
16.如第14项所述的方法，其中确定由氧化催化剂导致的NO到NO2转化率的步骤包括基于氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值之间的数学关系计算出NO到NO2的转化率值。
17.如第11项所述的方法，其中预定关联关系基于包括上游侧和下游侧的温度以及氧化催化剂的老化的因素。
18.如第11项所述的方法，进一步包括使用还原剂源、SCR催化剂和位于氧化催化剂下游的颗粒过滤器来处理排气流。
19.如第11项所述的方法，其中烃燃料通过烃喷射器喷射入排气流中，其中所述烃喷射器与发动机下游和氧化催化剂上游的排气流流体连通布置。
20.如第1项所述的方法，其中内燃机包括燃烧汽缸，烃燃料通过布置于所述燃烧汽缸中的烃燃料喷射器喷射入排气流中，所述方法进一步包括修正燃料喷射的时机以在将燃料喷射入汽缸用于燃烧之外在燃烧汽缸排气冲程期间将燃料喷射到燃烧汽缸中。
本发明的上述特征和优点以及其他的特征和优点通过本发明下面的详细说明以及所配附图是显而易见的。
附图说明
其它目的、特征、优点和细节在下文对实施方案的详细描述(仅是举例)中显现，该详细描述参考了附图，其中：
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的排气处理系统的示意图。
图2A示出了作为氧化催化剂的进出口温度之间的工作温度差的函数的氧化催化剂中NO到NO2的转化百分率；
图2B示出了作为氧化催化剂的进出口温度之间的工作温度差的函数的氧化催化剂中的烃转化率；
图3示出了根据本发明的示例性实施方案的确定氧化催化剂中NO到NO2转化率的方法的框图；
图4示出了根据本发明的示例性实施方案的确定在进行颗粒过滤器(DPF)再生的同时氧化催化剂中NO到NO2转化率的方法的框图。
具体实施方式
现在参照图1，本发明的示例性实施方案涉及一种用于降低来自诸如柴油机12的内燃机的发动机排气的受管制组分的排气处理系统10。该系统包括排气导管13，其收集来自柴油机12的排气并且将其传送到系统中的处理装置，例如氧化催化剂14，SCR催化剂16，以及颗粒过滤器18。温度传感器22通过测量在至氧化催化剂14的进口的排气流的温度而测量氧化催化剂入口温度。温度传感器24通过测量在氧化催化剂14的出口的排气流的温度而测量氧化催化剂出口温度。温度传感器26测量SCR催化剂16下游的排气流的温度并且温度传感器28测量颗粒过滤器18下游的排气流的温度。诸如附加的温度传感器，氧传感器，氨传感器等的其他的传感器(未示出)可以以现有技术中公知的方式合并在排气处理系统中的多个位置。
燃料源36连接到用于将燃料喷射到氧化催化剂14的上游的发动机排气流中的燃料喷射器38上。在该示例性实施方案中，燃料喷射器38显示成位于发动机12的下游的排气流中，其概念上代表燃料至排气流的喷射，又名″后喷射″。在本领域通常采用的其它的示例性实施方案中，后喷射可以使用喷射燃料至发动机汽缸用于燃烧的燃料喷射器执行，通过将燃料喷射的时机修改至在汽缸的排气冲程期间喷射燃料至发动机汽缸，因此消除了单独的下游燃料喷射器38的必要。
还原剂源34连接至还原剂喷射器32，该还原剂喷射器32用于喷射还原剂至SCR催化剂16的上游的发动机排气流中以提高SCR催化剂在减少NOX排放方面的效率。还原剂可以包括任意公知的还原剂，诸如氨或脲。脲通常被用作用于机动车排气SCR处理流程的还原剂，并且也被US EPA称为是柴油机排气流体(DEF)。
控制模块30接收来自温度传感器22，24，26，和28的输入并且将输出设置与燃料喷射器38和还原剂喷射器32连通。控制模块30还接收输入数据并且将输出设置与发动机12中的多个部件，以及其它车载车辆系统中的其它传感器和装置连通。控制模块30可以是任何公知类型的控制模块，诸如连接有包含用于控制系统10的数据和指令以及执行根据本发明示例性实施方案的方法的存储介质的微处理器。
根据本发明示例性实施方案，控制模块30诊断氧化催化剂14的NO至NO2的转化效率，其进而可以提供关于SCR在降低NOX排放中的效率的有用信息并且因此可以控制用于进行有效的排气预热和脲溶液(DEF)定量给料的发动机工作参数。在这种情况下，控制模块30取决于在高温工作期间的氧化催化剂的进口与出口的温差之间的关系。这样的氧化催化剂的高温工作可以在燃料至排气流的后喷射期间发生，例如在用于颗粒过滤器的再生循环期间。
氧化催化剂进口/出口温差(ΔT)之间的估计关系可以参考图2A和2B，其绘制出了作为氧化催化剂的出口温度的函数的NO至NO2的转化率以及烃转化率，该氧化催化剂已经进行了模拟的加速老化，通过氧化包含烃的供给流以模拟4000(4K)英里的再生循环，120,000(120K)英里的再生循环，以及阈值老化(在图2A和2B中称为＞120K英里)，其中催化剂已经进行的模拟老化足够使其不能满足性能规范。应当注意，对于相对恒定的进口温度，出口温度将与ΔT逆相关(例如，较高的出口温度意味着较小的ΔT，并且较低的出口温度意味着较大的ΔT)。图2A示出了在不同的模拟老化水平(因此影响NO2∶NOx比)下，作为出口温度的函数(并且因此作为ΔT的函数)的NO至NO2的转化效率。图2B示出了在不同的模拟老化水平下作为出口温度的函数的烃转化率，并且示出了对于给定量的烃转化率，ΔT将随着老化而下降，因此影响排气流中的NO2和NOx的整体水平。当然，在特定发动机和排气系统的工作期间，进口/出口温差之间的实际关系将取决于特定发动机和氧化催化剂的具体设计和工作参数，但其可以根据在发动机/排气系统上获得的试验数据很容易地确定并且转为预测模型。
现在转到图3，示出了图解根据本发明的示例性实施方案的控制算法的部分的流程图100用于执行诊断以确定氧化催化剂的NO至NO2的转化效率。在该示例性的实施方案中，作为在车辆工作期间开始诊断的电子控制模块(″ECM″)的结果，执行控制算法100，在这样情况下，在步骤101中的算法检查是否存在条件使得诊断例程开始以确定氧化催化剂的NO至NO2的转化效率。这样的条件可以取决于发动机以及其排气系统的特定设计和工作参数而变化，并且可以包括，例如，经过的发动机工作的累积时间，合适的DOC进口温度，异常的传感器读数(诸如SCR催化剂的下游的排气流中的氨的料想不到的浓度)，或由本领域技术人员辨别的其它因素。
算法逻辑路径然后移动到决策点102，其中算法评定是否满足继续进行诊断的条件。如果条件不满足，则逻辑路径沿路径104循环返回至框101。如果条件满足，则逻辑路径沿路径106进行到框108，其用于启动后燃料喷射，并且还启动定时器和/或燃料流量监控仪。
从框108，逻辑路径进行至框110，其用于监控氧化催化剂的热响应曲线(即，进口和出口温度)以及确定氧化催化剂的NO至NO2转化效率所需的任意其它数据，包括但并不限于催化剂的老化信息(例如，工作累积时间和/或在后喷射期间的工作累积时间)，排气流速，以及后喷射燃料量。
从框110，逻辑路径进行至决策点112，其询问从定时器和/或燃料供给监控仪在框108中被启动后，是否经过充分的时间和/或是否进行了后喷射燃料供给，以满足模拟氧化催化剂的NO至NO2转化效率的预订阈值水平。如果所述阈值水平已经满足，则逻辑路径跟随路径114至框118，其中执行氧化催化剂的NO至NO2转化效率的模拟。正如以上的讨论，该模拟基于横跨氧化催化剂的温度的变化，但温度的变化如何转变成转化效率可以取决于其他因素，包括但不限于催化剂的老化，排气流速，后燃料喷射量或流速，氧化催化剂进口温度，和/或氧化催化剂出口温度。通过由微处理器参考数据映射图可以执行该转变，该数据映射图可以由多组温度变化与转化效率的查找表格构成，其中选择使用哪个查找表格是基于一个或多个上述参考数据组的(例如，催化剂老化，等)。在执行和汇报至氧化催化剂的NO至NO2转化效率的系统控制后，逻辑路径循环返回至框101以等待下次诊断的开始。
如果在决策点112不满足时间的阈值水平和/或后喷射燃料供给，则逻辑路径跟随路径116至决策点120，在此控制器检查是否接收到系统超控命令以终止NO2转化率诊断。这样的系统超控终止命令可以基于多个因素，诸如当车辆不移动时车辆超过发动机怠速的预定极限，其可以使接近排气系统元件的外部环境暴露于不希望的高温中。如果没有接收到系统超控终止命令，则逻辑路径沿路径124循环返回至框110，继续监控氧化催化剂的热响应曲线。如果已经接收到系统超控终止命令，则燃料后喷射与诊断程序终止并且逻辑路径沿路径122循环返回至框101以等待下次诊断开始。
在本发明的一个示例性实施方案中，NO至NO2转化效率诊断的开始可以与也使用了后燃料喷射以增加排气温度的颗粒过滤器(DPF)再生循环同步。现在转到图4，示出了图解根据本发明的示例性实施方案的控制算法的部分的流程图200，用于执行诊断以确定结合了颗粒过滤器再生循环的氧化催化剂的NO至NO2转化效率。在该示例性的实施方案中，作为在车辆工作期间开始颗粒过滤器再生的电子控制模块(″ECM″)的结果，执行控制算法200，在这样情况下，在步骤250中的算法检查是否存在条件使得颗粒过滤器再生开始。这样的条件可以取决于发动机以及其排气系统的特定设计和工作参数而变化，并且可以包括，例如，经过的发动机工作的累积时间的周期，异常的传感器读数(诸如温度或颗粒过滤器的下游的排气流)，或由本领域技术人员辨别的其它因素。
算法逻辑路径然后移动到决策点252，在此算法评定是否满足继续进行诊断的条件。如果条件不满足，则逻辑路径沿路径256循环返回至框250。如果条件满足，则逻辑路径沿路径254进行到框258，用于开始后燃料喷射，并且还启动定时器和/或燃料流量监控仪。
从框258，逻辑路径进行至框260，其用于监控氧化催化剂的热响应曲线(即，进口和出口温度)以及确定氧化催化剂的NO至NO2转化效率所需的任意其它数据，包括但并不限于催化剂的老化信息(例如，工作累积时间和/或在后喷射期间的工作累积时间)，排气流速，以及后喷射燃料量。
从框260，逻辑路径进行至决策点262，其查询是否已经接收到系统超控命令以终止颗粒过滤器再生循环。这样的系统超控终止命令可以基于多个因素，诸如当车辆不移动时车辆超过发动机怠速的预定极限，其可以使接近排气系统元件的外部外界环境暴露于不希望的高温中。
如果已经接收到系统超控终止命令，则燃料后喷射与诊断程序一起终止并且逻辑路径沿路径264进行至决策点268，其中控制器查询从定时器和/或燃料供给监控仪在框258中已经启动后，是否经过充分的时间和/或后燃料喷射供给是否发生以满足预订阈值水平以模拟氧化催化剂的NO至NO2转化效率。如果没有接收到系统超控终止命令，则维持燃料后喷射并且逻辑路径沿路径266进行至决策点276，其中控制器查询从定时器和/或燃料供给监控仪在框258中启动后，是否经过充分的时间和/或后燃料喷射供给是否发生以满足预订阈值水平以模拟氧化催化剂的NO至NO2转化效率。
如果在决策点268没有满足阈值水平，则逻辑路径沿路径272循环返回至框250以等候下次颗粒过滤器再生循环的开始。如果在决策点276没有满足阈值水平，则逻辑路径沿路径280循环返回以继续监控氧化催化剂热响应曲线。
如果在任一决策点268或276已经满足阈值水平，则逻辑路径跟随路径270或路径278至框274，其中执行氧化催化剂的NO至NO2转化效率的模拟。正如以上的讨论，该模拟基于横跨氧化催化剂的温度的变化，但温度的变化如何转变成转化效率可以取决于其他因素，包括但不限于催化剂的老化，排气流速，后燃料喷射量或流速，氧化催化剂进口温度，和/或氧化催化剂出口温度。通过由微处理器参考数据映射图可以执行该转变，数据映射图可以由多组温度变化与转化效率的查找表格构成，其中选择使用哪个查找表格是基于一个或多个上述参考数据组的(例如，催化剂老化，等)。在执行和汇报至氧化催化剂的NO至NO2转化效率的系统控制后，逻辑路径循环返回至框250以等待下次颗粒过滤器再生的开始。
尽管参照示例性实施方案已经描述了本发明，但本领域技术人员将要理解在不背离本发明的范围的情况下可以做出各种变化并且等同形式可以替换其要素。此外，在不背离其实质范围的情况下可以做出各种修改，以将特定情况或材料用于本发明的教导。因此，本发明不限于公开的特定实施方案，而是将包含落在本申请的范围内的全部实施方案。

Claims (10)

1.一种流体连接到内燃机上的发动机排气处理系统，其包括：
布置于发动机排气流中的氧化催化剂；
布置于氧化催化剂上游的烃喷射器；
布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器；
布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器；以及
控制器，其与布置于排气流中在氧化催化剂上游的温度传感器、布置于排气流中在氧化催化剂下游的温度传感器以及烃喷射器相连通，该控制器配置用于：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
2.如权利要求1所述的系统，其中存储介质进一步包括氧化催化剂的上游侧和下游侧的排气流温度值与NO到NO2转化率的映射图。
3.如权利要求1所述的系统，其中存储介质进一步包括基于氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流温度值之间的数学关系计算NO到NO2转化率数值的指令。
4.如权利要求1所述的系统，其中氧化催化剂上游侧和下游侧的温度与NO到NO2的转化率的预定关联关系是基于包括氧化催化剂的上游侧和下游侧的温度差的一或多个因素的预定关联关系。
5.如权利要求1所述的系统，其中还包括还原剂源，SCR催化剂，以及布置在氧化催化剂下游的颗粒过滤器
6.如权利要求1所述的系统，其中烃喷射器与发动机下游和氧化催化剂上游的排气流流体连通布置。
7.如权利要求1所述的系统，其中内燃机包括具有所述烃喷射器布置于其中的燃烧汽缸，以及控制器进一步配置为修正燃料喷射的时机以在将燃料喷射入汽缸用于燃烧之外在燃烧汽缸排气冲程期间将燃料喷射到燃烧汽缸中。
8.一种确定在发动机运行期间在内燃发动机排气流中经氧化催化剂处理的NO到NO2的转化率的方法，其包括：
将碳化氢化合物燃料喷射入氧化催化剂上游的排气流；
测量氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度；
计算氧化催化剂上游侧和下游侧的排气流的温度差；以及
基于氧化催化剂的上游侧和下游侧温度与NO到NO2的转化率之间的预定关联关系通过前述排气流的温度差确定由氧化催化剂转化的NO到NO2的转化率。
9.如权利要求8所述的方法，其中烃燃料通过烃喷射器喷射入排气流中，其中所述烃喷射器与发动机下游和氧化催化剂上游的排气流流体连通布置。
10.如权利要求1所述的方法，其中内燃机包括燃烧汽缸，并且烃燃料通过布置在所述燃烧汽缸中的烃燃料喷射器喷射到排气流中，所述方法还包括修正燃料喷射的时机以在将燃料喷射入汽缸用于燃烧之外在燃烧汽缸排气冲程期间将燃料喷射到燃烧汽缸中。
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