CN102691559A - 选择性催化还原系统下跌量的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种选择性催化还原系统下跌量的估算方法。描述了通过SCR确定NH₃泄漏和NOx泄漏的方法。在一个示例中，处理位于SCR上游和下游的NOx传感器的信号，并指示NH₃泄漏和NOx泄漏。至少在某些工况期间，NOx传感器提供的信息可使发动机减少排放。

Description

选择性催化还原系统下跌量的估算方法

【技术领域】

本发明涉及选择性催化还原系统下跌量的估算方法。

【背景技术】

车辆排气中可能存在氮氧化物(例如NOx)。当氮气(N₂)和氧气(O₂)遇到高温和高压时在汽缸中形成NOx。通过车辆排气系统中的选择性催化还原(SCR，selective reduction catalyst)将NOx处理为N₂和H₂O。当SCR内的温度足够时，SCR可和还原剂(例如氨(NH₃))配合以还原NOx。但是，如果SCR中存在的NH₃不足量时，比期望值高的NOx量会穿过SCR。另外，如果SCR中导入或存储了过量的NH₃，NH₃会穿过SCR而泄漏。所以，可能期望能给SCR提供一定量的NH₃，其还原发动机原料气中期望部分的NOx，但是足够小以防止NH₃穿过SCR泄漏。

给SCR提供NH₃的一种方式是建立发动机原料气排放的模型和SCR运转的模型。在基于模型的系统中，基于估算的SCR运转状态将NH₃释放至SCR(通过尿素喷射控制)。但是，出于很多原因，可能难于精确估算SCR中的化学反应、温度以及类似的工况。另一方面，代替模型，可将NOx传感器安装在SCR的下游用于确定是否有NOx穿过SCR。但是，NOx传感器具有感应NH₃的交叉感应能力(cross sensitivity)，这样无论NOx是否存在，当存在NH₃时NOx传感器都输出信号。所以，NOx传感器的输出使得难于区分SCR中存在NOx泄漏或者NH₃泄漏。

【发明内容】

本发明的发明人意识到上述缺陷并开发了一种指示气体浓度的方法，包括：从第一NOx传感器的输出和第二NOx传感器的输出提供气体的NH₃浓度，第一和第二NOx传感器具有对NOx和NH₃的交叉感应能力，第一NOx传感器位于第二NOx传感器的上游(沿着气体流动的方向)。

通过考虑推断两个NOx传感器信号之间的时变相位关系的恰当地设计的分布，有可能区分NOx和NH₃。这个分布的示范版本设计为同时保留短时傅里叶变换和相干函数的特性，由此同时保留短时间间隔窗口(short intervalwindows)内的频率关系和时间相位信息。

根据本发明的一个实施例，相互关系是高通滤波的NOx信号的卷积和高通滤波的第一NOx传感器输出的卷积。

根据本发明的一个实施例，仅当NOx信号减弱时，对卷积求值。

根据本发明的一个实施例，进一步包括强制干扰NOx信号和第一NOx传感器。

根据本发明的一个实施例，通过调整发动机EGR量、发动机燃料喷射正时、发动机空气量和发动机气门正时中的至少一个而强制干扰NOx信号和第一NOx传感器。

根据本发明的一个实施例，NH₃泄漏和NOx泄漏基于衡量标准值，当SCR效率小于零时调整衡量标准的增益或更新衡量标准。

根据本发明的一个实施例，当NOx传感器输出的穿越的数目在预定时间内越过预先确定数时、NOx传感器输出的变化比阈值量大、或者探测NOx信号和NOx传感器输出之间的相干性的相互关系，不考虑衡量标准，其中穿越定义为第一NOx传感器输出的持续或窗口平均值、第一NOx传感器较高饱和水平附近的预定边界或者NOx信号的持续或窗口运行平均值。

根据本发明的一个实施例，进一步包括响应于NOx浓度而调整供应至SCR的NH₃量。

根据本发明，提供一种发动机系统，包括：发动机；第一NOx传感器；第二NOx传感器；以及控制器，控制器包括用于提供发动机的气体输出的NH₃浓度和NOx浓度的气体浓度输出，NH₃浓度和NOx浓度根据第一NOx传感器的输出和第二NOx传感器的输出提供，第一NOx传感器位于第二NOx传感器的上游(沿气体流方向)。

根据本发明的一个实施例，进一步包括SCR，SCR位于发动机排气系统中第一NOx传感器和第二NOx传感器之间。

根据本发明的一个实施例，发动机是柴油发动机，控制器进一步包括响应于NH₃浓度或NOx浓度而调整供应给SCR的NH₃的指令。

本描述可提供数个优点。例如，本方法通过提供排出SCR的NOx和NH₃的反馈可减小发动机NOx和NH₃排放，以便于响应于使用而控制NH₃的传输。此外，本方法可降低系统成本，因为使用NOx传感器监测NOx和NH₃而无需NH₃传感器。本方法也可减小SCR内NH₃的使用量，因为感应到NH₃时可减小NH₃喷射。

单独或结合附图阅读下面的具体实施方式，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。

应理解，上述概要提供用于以简化形式引入一系列原理，其将在具体实施方式中进一步进行描述。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或实质特征，所要求保护的主题的范围仅由权利要求书确定。此外，所要求保护的主题并不局限于解决上文或本说明书中任意部分所提到的确定的实施方式。

【附图说明】

图1显示了发动机的示意图；

图2A-2B显示了NOx探测衡量标准的预想工作特性；

图3A-3B显示了NH₃探测衡量标准的预想工作特性；

图4A-4B显示了替代的NOx探测衡量标准的预想数据；

图5显示了从NOx传感器的输出中区分NH₃和NOx的示例方法的流程图；

图6显示了在NOx传感器输出轻微改变期间确定指示存在NOx或NH₃的示例方法的流程图；以及

图7显示了使用确定的NOx和NH₃的排气浓度的示例方法的流程图。

【具体实施方式】

本描述涉及通过一个或多个NOx传感器在发动机排气中的NOx中区分出NH₃的存在。此外，本发明提供基于可区分的NOx传感器的输出而控制供应至SCR的NH₃量。图1显示了可应用图5和图6中的方法的增压直喷发动机的示例。图2A-3B显示了传感器信号和根据本描述确定的NH₃/NOx。图4A-4B显示了加速探测NH₃/NOx的一个示例的信号。图5和图6显示了根据本发明从传感器的输出中区分NH₃和NOx的方法的示例流程图。此外，图7显示了将确定的NH₃和NOx浓度运用至发动机系统的一个示例方法的流程图。

参考图1，包括多个汽缸(图1中显示了其中的一个汽缸)的内燃发动机10由电子发动机控制器12控制。发动机10包括带有位于其中并连接至曲轴40的活塞36的燃烧室30和汽缸壁32。燃烧室30显示为通过各自的进气门52、排气门54和进气歧管44、排气歧管48连通。各个进气门和排气门可由进气凸轮51和排气凸轮53操作。气凸轮传感器55可确定进气凸轮51的位置。排气凸轮传感器57可确定排气凸轮53的位置。

燃料喷射器66显示为设置以直接将燃料喷射到汽缸30内，本领域内技术人员称之为直接喷射(direct injection)。燃料喷射器66与来自控制器12的信号FPW的脉冲宽度成比例地传输液体燃料。燃料通过燃料系统(未显示)运送到燃料喷射器66，所述燃料喷射器包括燃料箱、燃料泵和燃料导轨(未显示)。可通过改变调节至燃料泵(未显示)的流量的位置阀调整通过燃料系统运送的燃料压力。此外，计量阀可位于燃料导轨中或附近用于关闭燃料环路控制。从响应于控制器12的驱动器68向燃料喷射器66提供运转电流。

进气歧管44显示为和可选的电子节气门62连通，所述电子节气门通过调整节流板64的位置来控制来自进气增压室46的空气流。压缩机162从空气进气道吸取空气提供给增压室46。排气驱动通过轴161和压缩机162相连的涡轮164。

当燃料随活塞接近上止点压缩冲程而自动点燃时，在燃料室30中开始燃烧。在一些示例中，通用或宽域排气氧(UEGO)传感器(未显示)可在NOx传感器126附近连接至排放装置70上游的排气歧管48。在其它示例中，可省略NOx传感器126并且在其位置安装氧传感器。在其它示例中，第二UEGO传感器可位于一个或多个排气后处理装置的下游。在当前的示例中，第二NOx传感器128设置在排放控制装置的下游。

排气装置70显示为设置在发动机排气系统中涡轮增压器涡轮164的下游。在一个示例中，排放装置70可包括微粒过滤器和氧化催化剂砖(oxidationcatalyst bricks)。可替代的，排放装置70可配置为SCR。如果排放装置70配置为SCR，NOx传感器128可移动至排放装置70和排放装置72之间。排放装置72显示为位于排放装置70的下游(沿排气流的方向)，并且当排放装置70配置为微粒过滤器或氧化催化剂时排放装置72配置为SCR。当排放装置72是SCR时，NOx传感器128显示为位于排放装置72的下游。在替代的示例中，排放装置70和72以及NOx传感器128可位于涡轮164的上游。NH3(尿素)喷射器75显示为位于排放控制装置72的上游。当排放控制装置70配置为SCR时，NH3喷射器128可位于排放控制装置70的上游。NH3喷射器通过泵和NH3存储箱(未显示)给排放装置72提供液态NH3。给排放装置72提供液态NH3使得促进NH3的汽化。

图1中控制器12显示为常见的微型计算机，包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、只读存储器106、随机存取存储器108、保活存储器110和常见的数据总线。控制器12显示为接收来自和发动机10相连的传感器的各种信号，除了上文讨论的那些信号，还包括：来自和冷却套筒114相连的温度传感器112的发动机冷却液温度(ECT)；和加速踏板130相连的用于感应通过脚132调整的加速踏板位置的位置传感器134的信号；来自和增压室46相连压力传感器122的增压压力测量值；来自和进气歧管44相连的压力传感器121的发动机歧管压力(MAP)测量值；来自和进气歧管44相连的压力传感器121的发动机歧管压力(MAP)测量值；来自感应曲轴40位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器信号；来自传感器120(例如热线式空气流量计)的进入发动机的空气质量的测量值；来自传感器58的节气门位置的测量值。也可感应大气压力(传感器未显示)用于由控制器12处理。在本发明的优选方面，发动机位置传感器118在曲轴每个旋转时产生预订数目的间隔相等的脉冲，根据其可确定发动机转速(RPM)。

在一些实施例中，在混合动力汽车上发动机可连接至电动马达/电池系统。混合动力汽车可包括并联结构、串联结构，或其变型或组合。

在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四行程循环：循环包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程。在进气行程中，通常排气门54关闭且进气门52打开。空气通过进气歧管44流入燃烧室30，并且活塞36移动到汽缸的底部以便增加燃烧室30内的容积。本领域技术人员通常将活塞36接近汽缸的底部并且在其行程的终点时(例如当燃烧室30处于最大容积时)所处的位置称为下止点(BDC)。在压缩行程中，进气门52和排气门54关闭。活塞36向汽缸的顶部运动以便压缩燃烧室30内的空气。本领域技术人员将活塞36处于其行程的终点并且接近汽缸的顶部时(例如当燃烧室30处于最小容积时)所处的位置称为上止点(TDC)。

在一些示例中，单个汽缸循环期间可向汽缸多次喷射燃料。在下文称为点火的过程中，通过压缩点火或其它已知的点火装置(例如火花塞，未显示)点燃喷射的燃料致使燃烧。在下文称为点火的过程中，通过压缩燃烧或已知的点火装置(例如火花塞，未显示)点燃喷射的燃料致使燃烧。在膨胀行程中，膨胀的气体将活塞36推回至下止点。曲轴40将活塞的运动转换为旋转轴的扭力矩。最后，在排气过程期间，排气门54打开以将燃烧过的空气燃料混合物释放至排气歧管48，并且活塞回到上止点。需要指出的是上文仅描述为实施例，并且进气门、排气门的打开和/或关闭时间可以改变，例如以提供气门正重叠或气门负重叠、推迟进气门关闭，或各种其它的实施例。此外，在一些示例中可使用二冲程循环而不是四冲程循环。

从而，图1的系统提供了一种发动机系统，包括；发动机；第一NOx传感器；第二NOx传感器；以及控制器，控制器包括提供发动机气体输出的NH₃浓度和NOx浓度的指令，从第一NOx传感器和第二NOx传感器的输出提供NH₃浓度和NOx浓度，第一NOx传感器位于第二NOx传感器的上游(沿气体流方向)。发动机系统进一步包括SCR，SCR位于发动机排气系统中第一NOx传感器和第二NOx传感器之间。根据该发动机系统的一个示例，发动机为柴油发动机，且控制器进一步包括响应于NH₃浓度或NOx浓度而调整给SCR供应的NH₃(尿素)的指令。

现在参考图2A，显示了NH₃探测衡量标准的预想工作特性。Y轴表示线202-206代表的信号的信号振幅。X轴表示时间(单位：秒)，并且时间从图表的左侧向右侧增加。

线202和206表示NOx传感器的输出信号。线206表示位于SCR上游(沿排气流方向)的NOx传感器的信号。线202表示位于SCR下游(沿排气流方向)的NOx传感器的信号。线204表示SCR的温度。

能够从图2A中观察出，位于SCR上游的NOx传感器的输出与位于SCR下游的NOx传感器相比输出振幅更大的信号。此外，来自下游NOx传感器的信号在图表开始处保持较低并且最终以低速率增加。这样的信号是NH₃泄漏的典型标志，并且其显示了NOx传感器对NH₃的交叉感应。在时间零点之后SCR温度显示为迅速上升。当SCR温度低时，NH₃初始穿过SCR而泄漏。SCR达到工况温度后，由于SCR内存储了过量的NH₃，SCR变为泄漏NH₃。NOx的泄漏归因于NH₃的低存储量，同时NH₃的泄漏归因于存储了过量的NH₃。

现在参考图2B，显示的信号和图2A中的信号同时发生。图2B显示了衡量标准线210和NH₃浓度线212。线212是位于SCR下游的NOx传感器的过滤信号(例如通过图5中的方法处理的信号)，且其指示了NH₃泄漏。当根据图5和图6中的方法通过上游和下游NOx传感器判断NH₃穿过SCR泄漏时，衡量标准线210是负数。衡量标准线210在大概600秒之后变为负数。在几乎相同的时间，过滤的NH₃线212开始增加。根据图5和图6中的方法提供线212中的过滤NH₃信号。此外，衡量标准线210用于区分SCR泄漏的是NOx还是NH₃。现在参考图3A，显示了NOx泄漏探测衡量标准的预想工作特性。Y轴表示线302-306的信号振幅。X轴表示时间(单位：秒)，时间从图表的左侧向右侧增加。

线302和306表示NOx传感器的输出信号。线306表示位于SCR上游(沿排气流方向)的NOx传感器信号。线302表示位于SCR下游(沿排气流方向)的NOx传感器信号。线304表示SCR的温度。

和图2A类似，从图3A中可观察到位于SCR上游的NOx传感器的输出与位于SCR下游的NOx传感器相比输出更大振幅的信号。此外，在图表开始处下游NOx传感器的信号维持在较低并最终增加。信号302是NOx穿过SCR而泄漏的典型标记。SCR的温度显示为在时间零点之后快速上升。这样，当SCR处于工况温度一段时间后，如第二NOx传感器的输出增加所指示，NOx开始穿过SCR而泄漏。NOx传感器的响应由NOx泄漏的典型间歇尖峰组成。

现在参考图3B，显示的信号和图3A的信号同时发生。图3B显示了衡量标准信号线312和NOx浓度线310。当根据图5和图6中的方法通过上游和下游NOx传感器判断NOx穿过SCR泄漏时，衡量标准信号线312是正数。衡量标准信号线312大概650秒后变为正数。当衡量标准信号线312变为正数时NOx传感器的输出是有效的，并且直接从NOx传感器的输出确定NOx。根据图5和图6中的方法提供NOx浓度线310。应指出，不同的SCR工况期间使用相同的算法(例如图5中的方法)提供图2B和图3B中的衡量标准信号。基于衡量标准信号是正数还是负数而区分NOx和NH₃。

现在参考图4A-4B，显示了替代的NOx探测衡量标准的预想数据。具体地，在某些NOx泄漏的确定性较高的工况期间，还提供了一种区分NOx和NH₃的替代方法以便在NOx急速大幅改变期间增加NOx探测的准确度。图4A-4B可用于图5-6中的方法，并且可通过图5中的方法提供图4B中的数据。

线402表示原料气NOx传感器的信号。线404表示当SCR内几乎不存在NH₃时柴油微粒过滤器(DPF，diesel particulate filter)再生后的后SCR NOx传感器(post SCR NOx sensor)的信号。后SCR NOx传感器信号输出的饱和值为450ppm。如果信号阈值建立在400ppm至435ppm的范围内并给后SCR NOx传感器越过阈值的次数计数，计数如图4B中的线406所示地前进。在一个示例中，400至435之间的范围确定了NOx泄漏信号的期待变化范围。这样，如图4B所示，从时间零点至1200秒大约有400个计数或400次越过阈值水平。可根据数据将越过的频率设置为0.33Hz，该值对于NH₃泄漏为较高水平，而泄漏峰值处于400至435ppm之间的阈值。这样，通过高NOx传感器输出和较高次数地越过合适的阈值NOx信号的组合，对于后SCR NOx传感器的输出反映NOx泄漏而不是NH₃泄漏可有更高程度的信心。以这种方式，阈值信号水平和传感器输出越过阈值信号水平的次数可用于区分NOx传感器的输出是否更倾于指示NOx。

现在参考图5，显示了从NOx传感器的输出中区分NH₃和NOx的示例方法的流程图。可通过存储在图1控制器12中的指令执行图5中的方法。

方法500提供了基于对原料气和排气管(例如上游和下游)NOx传感器信号的信号处理而对NOx泄漏和NH₃泄漏的估算。需要指出，如果原料气NOx传感器被它等效的模型所取代，该算法同样适用。该方法使用的衡量标准为排气管NOx信号的前向差分和适当地开窗口的原料气的NOx信号的卷积。其中前向差分定义为：

Δy＝y(k)-y(k-1)

其中y是样本值，k是样本数。在一个示例中，窗口为仅NOx瞬态信号的衰减部分用于估算NH₃泄漏和NOx泄漏。发明人已经意识到从排气管或下游NOx传感器的输出中NOx泄漏和NH₃泄漏之间两个响应的传感器信号带宽之间的差异以及继而发生的相互关系的唯一性。排气管或下游NOx传感器信号的输出可通过下面的方程式表示：

$Y_k^{\mathrm{TP}}=Y_k^{\mathrm{NOx}}+{\mathrm{\αY}}_k^{{\mathrm{NH}}_3}=(1-{\mathrm{\η}}_k)F_k+{\mathrm{\αY}}_k^{{\mathrm{NH}}_3}$

其中，Y_k ^TP是排气管NOx传感器在第k个时刻的输出信号；Y_k ^NOx是排气管NOx信号在第k个时刻的NOx成分；Y_k ^NH ₃是排气管NOx信号在第k个时刻的NH₃成分；α是凭经验确定的NOx传感器对NH₃的交叉感应系数；η是催化效率；F_k是例如从原料气或上游NOx传感器得到的原料气NOx浓度；k是第k个时刻。

在一个示例中，可假设对于标准系统后SCR位置处的排气是NOx或NH₃。此外，例如在再生事件期间，常常可能在泄漏状态之间发生变化。仅仅在以下情况中后SCR位置处同时存在NOx和NH₃：SCR恶化、在预点火关闭(pre-lightoff)工况下SCR中过量存储、以及高温工况下给予过量的尿素。在受到标准控制的后处理系统中不会发生所有的工况。因此，下游或排气管NOx传感器的输出可表达为：

$Y_k^{\mathrm{TP}}=Y_k^{\mathrm{NOx}}=(1-{\mathrm{\η}}_k)F_k$ (NO_X泄漏的情况)

$Y_k^{\mathrm{TP}}={\mathrm{\αY}}_k^{{\mathrm{NH}}_3}$ (NH₃泄漏的情况)

所以，对于NOx泄漏的情况，可显示出位于SCR下游位置的NOx传感器的信号内容是原料气NOx传感器信号的修订版，仅仅根据催化效率对大小作修改；但是频谱(frequency content)保持相似。这样，对于仅NOx泄漏的工况，原料气和排气管NOx信号的傅里叶变换将显示相同的频谱。另一方面，在NH₃泄漏工况期间，傅里叶变换输出可能完全不同。由于原料气喷射的影响，NH₃泄漏信号可描述为带有一些频率调制的缓慢变化的载波信号。由于NOx泄漏或NH₃泄漏而导致的后SCR NOx传感器信号和原料气NOx信号之间行为的差异用于创建衡量标准(下文中更为详细地描述了衡量标准M)，该衡量标准辅助确定建立泄漏的种类，并因此确定后SCR NOx传感器信号的平均值。

如果SCR泄漏NOx，那么排气管NOx信号和原料气NOx信号同相，即使排气管NOx信号可能受到等同于SCR效率的缩放系数的减弱。另一方面，如果SCR泄漏NH₃，那么排气管NOx和原料气信号相比会显示出相位和频率的差异。由于NH₃泄漏信号是缓慢变化的信号，相位和频率差异是主要的。相对于NOx泄漏，NH₃泄漏的原料气NOx信号和排气管NOx信号的差异行为可用于设计探测衡量标准。最后，也意识到如果在FG NOx衰减时的阶段进行评估，相互关系是清楚和准确的，定义为：

ΔF^-＝(ΔF＜0)

图5的方法提供了基于两个传感器的输出差异在NOx传感器的输出中区分NOx和NH₃。可替代地，当系统中只存在一个NOx传感器并且系统中的NOx(例如原料气NOx)通过模型估算时，方法也能区分NOx和NH₃。

在502中，方法500确定发动机工况。发动机工况可包括但不限于发动机温度、发动机转速、发动机空气量、发动机扭矩、位于在发动机排气系统中的NOx传感器的输出、和SCR温度。在一些示例中，可从发动机转速、发动机扭矩和发动机温度推导出原料气NOx。确定发动机工况后，方法500前进至504。

在504中，方法500判断是否存在从后SCR NOx传感器提供明确的NOx指示的工况。在一个示例中，DPF再生后不久的工况允许在NOx传感器的输出中区分NH₃和NOx。如果存在后SCR NOx传感器提供了明确的NOx泄漏指示的工况，方法500前进至506。否则，方法500前进至508。

在506中，提供了在后SCR NOx传感器的输出中区分NOx和NH₃的替代方法。在如图4A-4B中所描述的第一替代方法中，提供了传感器输出阈值，其反映了指示NOx泄漏的较高确定性。如果在预先确定的时间间隔内NOx传感器的输出超过阈值的次数比预先确定的次数高，可确定NOx传感器的输出反映了NOx穿过位于NOx传感器上游(根据排气流动的方向)的SCR泄漏。所以，可直接从位于SCR下游的NOx传感器的输出直接确定NOx泄漏。

在用于区分的第二替代方法中，在明确指示NOx泄漏的工况期间当NOx穿过SCR泄漏时，可通过信号能方法(signal energy method)确定NOx泄漏。具体地，NOx传感器信号的信号能可根据下面的方程式确定：

$E=\underset{t0}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}{\left(y\left(t\right)\right)}^2\mathrm{dt}$

其中，E是信号能并且y(t)是NOx传感器信号。可将信号能和阈值水平比较。如果NOx信号的能量超过阈值水平，则作为NOx水平而不是NH₃水平来处理NOx传感器的输出。在一些示例中，可通过考虑下游NOx传感器的高频能量部分而不是信号振幅来改善信号能方法。可通过下面的方程式确定NOx传感器的高频能量：

$E_{\mathrm{trans}}=\underset{t0}{\overset{\mathrm{tf}}{\∫}}{\left(\frac{\mathrm{dy}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2\mathrm{dt}$

其中，E_trans是高频信号能或瞬态信号能，并且y(t)是NOx传感器信号。类似的，可将信号高频能量部分和预先确定的信号能量的阈值水平相比较。如果高频能量部分比阈值高，为作为NOx水平而不是NH₃水平来处理NOx传感器的输出。

在用于区分的第三个替代方法中，在明确指示NOx泄漏的工况期间当NOx通过SCR泄漏时，可通过从位于SCR下游的NOx信号输出的连续标准偏差确定NOx泄漏。在这个方法中，可评估通过标准偏差与平均值的比例定义的NOx传感器信号的规范变化(normalized variance)。这样，大的衡量标准值指示变化较大且快速的信号，其可评估为由排气管信号中的主要的NOx成分所引起的。相应地，可认为位于SCR下游的NOx传感器的输出是NOx。

在用于区分的第四个替代方法中，在明确指示NOx泄漏的工况期间当NOx通过SCR泄漏时，可通过位于SCR上游的NOx传感器的输出和位于SCR下游的NOx传感器的相互关系估算NOx传感器的输出。在一个示例中，相互关系定义为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E\left[(x-\stackrel{\‾}{x})(y-\stackrel{\‾}{y})\right]}{{\mathrm{\σ}}_x{\mathrm{\σ}}_y}=\frac{1}{N-1}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[\left(\frac{x_k-\stackrel{\‾}{x}}{{\mathrm{\σ}}_x}\right)\left(\frac{y_k-\stackrel{\‾}{y}}{{\mathrm{\σ}}_y}\right)\right]$

其中，ρ_xy是衡量标准[-1≤ρ_xy≤1]；x是上游NOx传感器的输出，y是下游NOx传感器的输出；

分别是x和y的平均值；σ_x和σ_y分别是x和y的标准偏差，以及N是总共的样本计数。比预先确定的阈值+θ(0≤θ≤1)大的ρ_xy值是NOx泄漏的明确指示，因为它指示了NOx传感器信号之间的高相干度(degreeof coherence)。

使用上述一个方法确定位于SCR下游的NOx传感器输出是否明确指示了NOx后，方法500前进至510。应理解，在为了明确指示NOx泄漏的工况期间也可使用上述方法的组合用于估算NOx的泄漏。

在510中，方法500判断根据506中描述的一个或多个方法的结果是否指示NOx。如果指示NOx，方法500前进至516。否则，方法500前进至508。

在508中，方法500卷积来自位于SCR上游的NOx传感器和位于SCR下游的NOx传感器的信号或者与其相关的信号。在一个示例中，对上游和下游传感器的信号执行卷积ΔF^-*ΔTP。其中，ΔF^-是当NOx传感器的输出衰减时上游或原料气NOx传感器输出的前向差分，并且ΔTP是下游或排气管NOx传感器输出的前向差分。

在可替代的示例中，可通过基于卷积的衡量标准而确定NH₃或NOx的泄漏以提升NH₃或NOx预测准确度。衡量标准通过下面的方程式形成：

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}=(c_1{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{\ΔF}}\×\mathrm{\ΔTP})-(c_2\×|{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{\η}}\×\mathrm{\ΔTP}\left|\right)-c_{3}M$

其中，M是用于确定位于第一NOx传感器下游的NOx传感器输出是否表示NOx或NH₃的衡量标准；∏ΔF是原料气NOx衰减期间的单位阶跃函数(ΔF＜0)；∏η是SCR效率＜0期间内的单位阶跃函数；ΔTP是位于第一NOx传感器下游(例如SCR的下游)的TP NOx传感器输出的前向差分；c1是凭经验确定的校准系数，如果ΔF＜0并且SCR效率η＞0其大于零，否则c1等于零；c2是凭经验确定的校准系数，如果SCR效率η＜0其大于零，否则c2等于零；c3是凭经验确定的增益漂移，如果下游NOx传感器的输出小于下游NOx传感器的阈值水平并且M＜0，其大于零。

在一些示例中，系数c1可以是原料气NOx的增函数(例如dFGNOx/dt)，这样在较高负荷期间(例如车辆加速期间)可能性较高地确定NOx泄漏。可替代地，c1可以是增加的排气管NOx的函数。在其它示例中，c1可以是扭矩需求的导数的减函数，这样当驾驶员释放加速器踏板时c1增加。如果NOx泄漏，松开加速器踏板期间(例如释放加速器踏板)排气管NOx传感器的输出信号可迅速降低，这样可更加确定地估算NOx和NH₃。

上述算法使用确定的NH₃泄漏的情形(当排气管传感器读数大于原料气的值，η＜0时)来以较快速度(例如通过获取c2项)更新衡量标准，由此可确保汇集NH₃的泄漏状态。

最后，可能有NOx/NH₃泄漏状态从NH₃很快过渡为不存在泄漏的情况。在这样的情况中，可能没有机会纠正值M＜0的衡量标准(由于先前的NH₃泄漏)，因为ΔTP趋于0强迫0衡量标准更新率。对于这样的情况，引入通过漂移增益c3的纠正机制，其快速作用以将衡量标准值返回为0。在卷积原料气和排气管NOx信号之后，方法500前进至512。

在512中，方法500判断上述衡量标准M的值是否小于零。如果小于零，方法500前进至514。否则，方法500前进至516。

在514中，方法500通过下面的方程式推断出存在于下游传感器信号中的NH₃量：

$C_{{\mathrm{NH}}_3}=\frac{Y_{\mathrm{TP}}-(1-{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pred}})C_{\mathrm{NOx}}^{\mathrm{FG}}}{\mathrm{\α}}$

其中，C_NH3是下游NOx传感器处的NH₃预测浓度；Y_TP是测量的下游NOx传感器信号；C_NOx ^FG是来自上游NOx传感器或模型的原料气中的NOx浓度，α是NOx传感器对NH₃的交叉感应系数，以及η是估算的SCR效率。需要指出，可根据气体流速、进入SCR的NOx、SCR中的NH₃存储、以及SCR温度的函数对SCR效率建模。在确定下游NOx传感器处排气中的NH₃浓度后，方法500退出。

在516中，方法500直接从下游NOx传感器的输出确定下游NOx传感器处的NOx浓度，因为在504中确定泄漏状态仅为NOx。在一个示例中，方法500通过将电压和NOx浓度相关联的转换函数使来自NOx传感器的电压信号转变为NOx浓度。确定下游NOx传感器处的NOx浓度后，方法500退出。

现在参考图6，显示了NOx传感器的输出略微变化期间确定指示存在NOx和指示存在NH₃的示例方法的流程图。通过存储在图1中控制器12上的指令执行图6中的方法。

在602中，方法600确定发动机工况。发动机工况可包括但不限于发动机转速、发动机扭矩、发动机温度、SCR温度、SCR之前和SCR之后的NOx信号、节气门位置、燃料喷射参数(例如喷射正时和运送的喷射量)以及EGR量。确定发动机工况后，方法600前进至604。

在604中，方法600判断原料气NOx传感器和排气管NOx传感器的信号是否持续受激(例如振幅随时间稳定变化)。确定信号持续受激一种方法是利用上文描述的基于能量的技术。在一个示例中，方法中将当前取样的NOx传感器信号和先前取样的NOx传感器信号(例如在较早时间取样的)比较。如果在延伸的时间窗口内NOx传感器信号改变小于阈值量，可确定NOx传感器的输出不是持续的改变。当然，在一些示例中，方法600可确定一段时间内(例如10秒)NOx传感器输出的改变量。例如，如果在该时间间隔内一个或多个信号的标准偏差小于阈值量，可确定信号不是持续受激。如果原料气NOx传感器和排气管NOx传感器的输出持续受激，方法600前进至606。否则，方法600前进至608。

在606中，方法600使用图5中的方法并确定下游(例如排气管NOx传感器)存在的NOx量和/或NH₃量。具体地，方法600根据衡量标准M确定NOx量和/NH₃量。执行图5中的方法后，方法600退出。

在608中，方法600判断来自上游(例如原料气)NOx传感器的信号是否持续受激。如果方法判断原料气NOx传感器的信号是持续受激并且排气管NOx传感器的信号不是持续受激，方法600前进至610。否则，方法600前进至612，因为两个信号都持续受激。

在610中，方法600判断来自排气管NOx传感器的信号是否比预先确定值大。例如，可在测功试验期间凭经验确定预先确定值。如果方法600中确定排气管NOx传感器的信号不比预先确定值大，方法600前进至618。否则方法600前进至614以确定存在NH₃泄漏。

在612中，方法600判断排气管NOx传感器是否持续受激。如果方法600确定排气管NOx传感器持续受激，方法600前进至614。否则方法600前进至620，因为原料气传感器和排气管NOx传感器的输出都不持续受激。

在620中，方法600干扰NOx传感器的信号。在一个示例中，方法600通过调节燃料喷射正时而干扰NOx传感器的信号。在另外一个示例中，方法600通过改变EGR阀的位置而干扰NOx传感器的信号。这样，方法600改变发动机产生的NOx量以激发NOx传感器的信号，以便于传感器输出之间的相位差可用于在排气管NOx传感器输出中区分NOx和NH₃。可根据预先确定的随发动机工况而改变的函数来改变执行器(例如EGR阀)，这样每个NOx传感器的输出改变受限量。这样，可限制发动机给传感器提供的NOx。干扰原料气NOx后，方法600退出。

在614中，方法600基于上游NOx传感器和下游NOx传感器输出的特性而确定存在NH₃泄漏。具体地，下游NOx传感器的输出比上游NOx传感器的输出高得多，或者下游NOx传感器输出持续受激而上游NOx传感器的输出并未持续受激。确定NH₃泄漏后，方法600前进至616。

在616中，方法600从排气管NOx传感器的信号中推断出NH₃量。具体地，如图5的514中所描述，从排气管NOx传感器的信号中推断出NH₃。从排气管NOx传感器的信号中推断出NH₃的量后，方法600退出。

现在参考图7，显示了使用确定的NOx浓度和NH₃浓度的示例方法的流程图。可通过图1中的控制器12的指令执行图7中的方法。此外，图7中的方法可运用于图1中说明的系统。

在702中，方法700确定车辆排气系统中SCR下游位置处车辆排气中的NOx浓度和NH₃浓度。在一个示例中，方法700通过上游NOx传感器或模型和下游NOx传感器根据图5中的方法确定排气中的NOx浓度和NH₃浓度。确定NOx浓度和NH₃浓度后，方法700前进至704。

在704中，方法700判断排气中是否探测到NH₃。如果探测到，方法700前进至706。否则，方法700前进至708。在其它示例中，当探测到高于阈值浓度的NH₃时，方法700可前进至706。

在706中，方法700与排气系统中SCR下游位置处确定的NH₃浓度成比例地减少喷射至车辆排气系统的NH₃(尿素)量。

在一个示例中，可通过减少NH₃(尿素)喷射器的运转时间减少给排气系统喷射的NH₃量。减少给排气系统喷射的NH₃量后，方法700退出。

在708中，方法700判断车辆排气系统中SCR下游位置的NOx是否高于阈值水平。如果高于阈值水平，方法700前进至710。否则，方法700前进至712。

在710中，方法700与在SCR下游探测的NOx浓度成比例地增加喷射至车辆排气系统的NH₃量。可通过增加NH₃喷射器的运转时间而增加NH₃量。在一些示例中，还可通过例如调整发动机的节流来增加SCR的温度。调整喷射至车辆排气系统的NH₃量之后，方法700退出。

在712中，方法700保持喷射至车辆排气系统的NH₃当前水平。在一个示例中，喷射至发动机排气系统的NH₃量可基于发动机转速和发动机负荷。执行712之后，方法700退出。

所以，图5-7的方法提供了用于指示气体浓度的方法，包括：根据NOx信号和第一NOx传感器的输出提供气体的NH₃浓度，第一NOx传感器具备对NOx和NH₃的交叉感应能力，NOx信号代表位于第一NOx传感器上游(沿气体流向)的排气通道中的NOx；以及响应于NH₃浓度调整发动机执行器。这样，无需设置单独的NH₃传感器来探测NH₃。该方法中，通过模型或第二NOx传感器提供NOx信号，并且NOx信号代表发动机排气系统中SCR上游的NOx，第一NOx传感器位于发动机排气系统中SCR的下游位置，发动机执行器是尿素喷射器。方法进一步包括根据NOx信号和第一NOx传感器的输出提供气体的NOx浓度，并根据衡量标准值表征NH₃泄漏状态和NOx泄漏状态，衡量标准为SCR性能的灵敏度的诠释。该方法中，NH₃浓度基于NOx信号和第一NOx传感器输出的相互关系。所要求保护的方法中，响应于驾驶员的扭矩请求而调整所述相互关系。该方法中，响应于驾驶员扭矩请求的变动率而调整所述相互关系。

图5-7的方法也提供了指示气体浓度的方法，包括：使气体从发动机流入排气后处理装置；根据NOx信号和第一NOx传感器的输出提供气体的NH₃浓度，第一NOx传感器对NOx和NH₃交叉感应，NOx信号基于发动机原料气中的NOx，第一NOx传感器位于排气后处理装置系统中SCR的下游位置(沿气体流动的方向)，NH₃浓度基于衡量标准；根据NOx信号和第一NOx传感器的输出提供气体的NOx浓度；并且响应于NH₃浓度调整发动机执行器。该方法中，通过模型或第二NOx传感器提供NOx信号，并且衡量标准基于NOx信号和第一NOx传感器输出的相互关系。该方法中，所述相互关系是NOx信号的导数和第一NOx传感输出的导数的卷积，或者是NOx信号的前向差分和第一NOx传感器输出的前向差分的卷积。该方法中，仅在NOx信号减弱时求值卷积。该方法中，所述相互关系是高通过滤的NOx信号和高通过滤的第一NOx传感器输出的卷积。该方法中，仅当NOx信号减弱时求值卷积。在另外一个示例中，方法进一步包括强制干扰NOx信号或第一NOx传感器。该方法中，通过调整发动机EGR量、发动机燃料喷射时间、发动机空气量以及发动机气门正时中的至少一个而强制干扰NOx信号或第一NOx传感器。此外，该方法中，NH₃泄漏和NOx泄漏基于衡量标准值，当SCR效率小于零时调整衡量标准的增益或对衡量标准进行更新。该方法中，进一步包括当NOx传感器输出的穿越(level crossings)的数目在预定时间内越过预先确定数、NOx传感器输出变化比阈值量大、或者探测NOx信号和NOx传感器输出之间的相干性的相互关系时，不考虑衡量标准，其中穿越定义为第一NOx传感器输出的持续或窗口平均值、第一NOx传感器较高饱和水平(saturation level)附近的预定边界或者NOx信号的持续或窗口运行平均值。最后，方法进一步包括响应于NOx浓度而调整供应给SCR的NH₃量。

如本领域内的一个普通技术人员所理解的，图5、6以及7中描述的方法代表任意数量处理策略中的一个或多个，比如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所描述的各个步骤和功能可以描述的顺序、并行执行，或在某些情况下有所省略。同样，由于便于说明和描述，处理顺序并非达到本文描述的目标、功能和优点所必需的，而提供用于说明和描述的方便。即使没有明确地描述，本领域内的普通技术人员可理解根据使用的特定策略可反复执行一个或多个描述的步骤、方法或功能。

总而言之，本领域技术人员阅读本说明书之后，可想到多种替代和变型而不背离描述的实质和范围。例如，可用天然气、汽油、柴油或替代燃料配置运转的单缸、I2，I3，I4，I5，V6，V8，V10，V12和V16发动机可使用本发明来优化。

Claims (10)

1.一种用于指示气体浓度的方法，包括：根据NOx信号和第一NOx传感器输出提供气体的NH₃浓度，所述第一NOx传感器具备对NOx和NH₃的交叉感应能力，所述NOx信号表示沿气体流方向位于所述第一NOx传感器上游的排气通道中的NOx；以及响应于所述NH₃浓度调整发动机执行器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NOx信号通过模型或第二NOx传感器提供，并且所述NOx信号表示发动机排气系统中SCR上游位置处的NOx，所述第一NOx传感器位于所述发动机排气系统中所述SCR的下游，所述发动机执行器是尿素喷射器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据所述NOx信号和所述第一NOx传感器输出提供气体的NOx浓度，并且基于衡量标准值表征NH₃泄漏状态和NOx泄漏状态，所述衡量标准为对SCR性能的灵敏度的诠释。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NH₃浓度基于所述NOx信号和所述第一NOx传感器输出的相互关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，响应于驾驶员的扭矩请求调整所述相互关系。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，响应于驾驶员扭矩请求的变动率调整所述相互关系。

7.一种用于指示气体浓度的方法，包括：

使气体从发动机流向排气后处理装置；

根据NOx信号和第一NOx传感器输出提供气体的NH₃浓度，所述第一NOx传感器对NOx和NH₃交叉感应，所述NOx信号基于发动机原料气的NOx，所述第一NOx传感器沿气体流方向位于所述排气后处理装置中SCR下游的位置，基于衡量标准确定所述NH₃浓度；

根据所述NOx信号和所述第一NOx传感器输出提供所述气体的NOx浓度；以及响应于所述NH₃浓度而调整发动机执行器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过模型或第二NOx传感器提供所述NOx信号，并且所述衡量标准基于所述NOx信号和所述第一NOx传感器输出的相互关系。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相互关系是所述NOx信号的导数和所述第一NOx传感器输出的导数的卷积，或者是所述NOx信号的前向差分和所述第一NOx传感器输出的前向差分的卷积。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，仅当所述NOx信号减弱时，对所述卷积求值。

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