CN102713180B - 用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平进行控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平进行控制的方法，该排气后处理装置能够连接在内燃机的下游，所述方法包括如下步骤：在所述排气后处理装置上游执行第一量的第一还原剂喷射；在所述排气后处理装置上游执行第二量的第二还原剂喷射，所述第二量不同于所述第一量；在所述排气后处理装置下游评估由于所述第一还原剂喷射和所述第二还原剂喷射引起的NOx转化率，以获得第一结果和第二结果；根据从所述第一NOx转化率评估和所述第二NOx转化率评估中获得的所述第一结果和第二结果来控制另外的还原剂喷射。

Description

用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平进行控制的方法

技术领域

本发明涉及用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平(reductant buffer level)进行控制的方法。

背景技术

汽车市场上的现有法规条件导致不断地要求提高当前车辆中的燃料经济性并减少排放。这些法规条件必须与消费者对车辆的高性能和快速反应的要求相平衡。

柴油机具有最大约52％的效率，因此是化石能源最好的转换器。NOx排放浓度取决于局部氧原子浓度和局部温度。然而，所述的高效率仅在升高的燃烧温度下是可能的，但在此温度下，高的NOx水平不可避免。此外，通过内部手段(空燃比)对NOx形成的抑制倾向于导致微粒增加，这已知为NOx-微粒折衷方案。此外，柴油机的排气中的过量的氧妨碍了如汽油发动机轿车中从80年代后期使用的、利用化学计量比的三元催化剂技术来降低NOx。降低柴油机排气中的氮氧化物(NOx)和微粒物(PM)在环境保护和节约有限的化石能源方面已经成为非常重要的问题。

装配有柴油机或其他稀燃发动机的车辆提供了提高的燃料经济性的益处，然而在这种系统中，难于通过常规装置进行NOx排放的催化还原，因为排气中存在高的氧含量。在此方面，已知存在有选择性催化还原(SCR)催化剂，其中，通过将还原剂主动喷射到进入催化剂内的排气混合物中来连续去除NOx，以实现高的NOx转化效率。基于尿素的SCR催化剂使用气态氨作为活性NOx还原剂。典型地，车载携带有尿素的水溶液，并使用喷射系统将所述尿素的水溶液供给到进入SCR催化剂内的排气流中，在此处，尿素的水溶液分解为氢氰酸(NHCO)和气态氨(NH3)，所述气态氨(NH3)则用于转化NOx。然而，在此系统中，必须非常精确地控制尿素的喷射水平。尿素的喷射不足可能导致次最优的NOx转化，而尿素的过量喷射可能导致尾管中的氨泄露(ammonia slip)。在典型的基于尿素的SCR催化剂系统中，所喷射的尿素量与排气中的NOx浓度成比例，这代表了最大NOx转化率和最小的氨泄露之间的折中关系。

当存在被吸附的氨时，SCR催化剂的NOx转化效率得以提高。然而，不需要使所有催化剂存储空间都被氨占用以实现最优的NOx转化效率。另一方面，如果过多的氨存储在催化剂内，在一定的运行条件下(例如在高温度下)，催化剂内吸附的氨中的某些氨可能脱附并从催化剂中泄露或被氧化为NOx，因此降低了总的NOx转化效率。

存储还原剂的催化剂的问题是如何控制存储在所述催化剂内的还原剂的量，因为不能进行直接测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平进行控制的方法，该方法使系统排出的NOx水平保持在低水平。

在本发明的第一方面，提供了一种用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器水平进行控制的方法，该排气后处理装置能够连接在内燃机的下游。所述方法包括如下步骤：在所述排气后处理装置上游执行第一量的第一还原剂喷射；在所述排气后处理装置上游执行第二量的第二还原剂喷射，所述第二量不同于所述第一量。所述方法还包括如下步骤：在所述排气后处理装置下游评估由于所述第一还原剂喷射和所述第二还原剂喷射引起的NOx转化率，以获得第一结果和第二结果；根据从所述第一NOx转化率评估和所述第二NOx转化率评估中获得的第一结果和第二结果来控制另外的还原剂喷射。

本发明的此示例性实施例的优点是：形成开环实验的上述评估步骤和控制步骤可添加到用于对排气后处理系统中的缓冲器水平进行控制的、任何当前的控制方法中。

本发明的此示例性实施例的另一个优点是：在进行上述开环实验的同时，NOx转化率可保持为最小。

在本发明的另一个示例性实施例中，假设所述第二喷射的喷射量高于所述第一喷射的喷射量，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果高于或低于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射相比，可以增加或减少在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

在本发明的又一个示例性实施例中，假设所述第二喷射的喷射量低于所述第一喷射的喷射量，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果高于或低于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射相比，可减少或增加在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

这些实施例的优点是：所喷射的还原剂的微小改变会立即导致NOx还原剂水平的改变，而这又给出了排气后处理系统内的还原剂缓冲器“是空还是满”的指示。

在本发明的又一个示例性实施例中，所述方法还包括如下步骤：继续进行增加或减少了喷射量的、所述另外的喷射，直至达到预定的NOx转化水平。

此实施例的优点是：现有的缓冲器管理方法可通过与之独立的另外的方法步骤而得到改进。

此实施例的另一优点是：能够使缓冲器水平保持在最优水平，而与起始条件无关。

本发明的又一个优点是：所述开环实验可以在每次需要时初始化。

附图说明

从以下对本发明实施例的详细描述中，可以最好地理解本发明以及上述及其他目的和优点，但本发明不限于这些实施例，其中，各图示意性地示出：

图1和图2示出了现有技术的排气后处理系统。

图3示出了本发明的用于排气后处理系统的控制方法的流程图。

图4描绘了作为还原剂的存储量的函数的NOx转化率。

具体实施方式

在附图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。这些附图仅是示意性表示，并非旨在展示本发明的具体参数。此外，这些附图仅旨在描绘本发明的典型实施例，因此不应视为限制本发明的范围。

图1示意性地描绘了现有技术的排气后处理系统100。所述排气后处理系统100包括第一NOx传感器102、第二NOx传感器104、SCR催化剂106。第一NOx传感器102设置在所述SCR催化剂106的上游。第二NOx传感器104设置在所述SCR催化剂106的下游。所述SCR催化剂106设有入口110和出口112。还原剂可设置在通向所述SCR催化剂106的入口110内，或者直接提供到出口112之前的所述SCR催化剂106中。该还原剂可以为氨或尿素的形式。

在本领域中，SCR催化剂的功能是众所周知的，因此在本文中不需要进一步阐明。

图2示意性地描绘了现有技术的排气后处理系统200的另一个示例。所述排气后处理系统200包括第一NOx传感器202、第二NOx传感器204、SCR催化剂206和净化催化剂208。第一NOx传感器202设置在所述SCR催化剂206的上游。第二NOx传感器204设置在所述净化催化剂208的下游。所述SCR催化剂206设置在所述净化催化剂208的上游。排气后处理系统200设置有入口210和出口212。还原剂可设置在通向所述SCR催化剂206的入口210内，或直接提供到所述净化催化剂208之前的所述SCR催化剂206中。该还原剂可以为氨或尿素的形式。该净化催化剂208可用于中和任何过量的氨(氨泄露)。该净化催化剂208可根据如下方程、利用所存储的氧或排气中残余的氧来氧化未使用的还原剂和未被吸附的NH3：

图3图示了根据本发明的、用于排气后处理系统的控制方法的流程图。在正常运行步骤310中，可以在排气后处理系统100、200的上游将标称量的还原剂喷射到内燃机的排气混合物中。所喷射的还原剂的标称量可从第一查找表中查出。从第一查找表中查出的实际数据(所喷射的还原剂的标称量)可以是如下多个运行参数的函数，例如：催化剂温度、发动机转速、发动机负荷、EGR水平、所述排气后处理系统上游和下游的NOx浓度。从第一查找表中查出的实际数据(所喷射的还原剂的标称量)可以由控制单元形成。

所述控制单元包括喷射还原剂模型，该模型根据特定的排气后处理系统100、200的试验数据来建立。

在第二查找表中存储有针对每一种情形的、所期望的NOx转化水平的值，该值可以由所喷射的还原剂的标称量和如下参数的至少一个来决定：催化剂温度、发动机转速、发动机负荷、EGR水平。

如果所期望的NOx转化水平与实际测量到的NOx转化水平之间存在偏差，则该方法从由310表示的正常运行步骤转到由320表示的还原剂喷射开环实验。

在该开环实验320的第一示例性实施例中，假设所述排气后处理系统100、200内的还原剂缓冲器是空的或几乎为空。

在假设排气后处理系统100、200内的还原剂缓冲器是空的或几乎为空之后，该开环实验中的第一步骤是进行两次还原剂喷射。第一还原剂喷射可以喷射标称量的还原剂。第二还原剂喷射可以是比第一还原剂喷射的喷射量增加了Δ的还原剂喷射。

在该开环实验的下一个步骤中，执行由330表示的实验结果评估步骤。

通过使第二还原剂喷射中的还原剂喷射量比第一还原剂喷射中增加了Δ，如果测量到的NOx转化水平提高了，这就意味着该实验开始时的假设是正确的，即：还原剂缓冲器实际上是空的或几乎为空。此情况对应于图4中的曲线400的上升沿，即图4中的峰部402的左侧。

如果该假设是正确的，则所述开环实验继续进行到由340表示的填充步骤。在该填充步骤中，对至少一次另外的还原剂喷射进行控制。

在第一示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过如下方式执行的：即，在所述开环实验中，持续以所述Δ的增加量进行喷射，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在另一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过如下方式执行的：即，在所述开环实验中，使用比所述Δ高的增加量进行喷射，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用增加的喷射量进行喷射而执行的：即，开始时以Δ的增加量进行喷射，然后，对于此后的每次喷射，线性地或呈指数地增加喷射量，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用增加的喷射量进行喷射而执行的，该增加值等于所述Δ或者大于或小于所述Δ，该喷射可以持续一段预定时间。在所述预定时间内，可以执行一次或多次喷射。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用增加的喷射量进行喷射而执行的，该增加值等于所述Δ或者大于或小于所述Δ，该喷射持续进行直至达到预定的喷射次数。所述喷射次数可以是一次喷射或多次喷射。

所述Δ的值可以从第一查找表中查出。

所述Δ可以是占所述标称的还原剂喷射量的1％至25％的增加值。

当达到预定的NOx转化水平时或经过了所述预定时间或者已进行了所述预定的喷射次数时，该开环实验结束并返回到正常运行步骤310，这由填充步骤340和正常运行步骤310之间的箭头表示。

在实验结果评估步骤330中，如果通过将第二还原剂喷射的喷射量比第一还原剂喷射的喷射量增加Δ而使NOx转化水平降低了，则意味着该实验开始时的假设是不正确的，即：还原剂缓冲器实际上是满的。此情况对应于图4中的曲线400的下降沿，即图4中的峰部402的右侧。

在发现该第一假设不正确的情况下，则可进行“还原剂缓冲器为满”的新假设，并且，该开环实验继续进行到由350表示的排空步骤。

在该排空步骤350中，对至少一次另外的还原剂喷射进行控制。

在第一示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过如下方式执行的：即，在所述开环实验中，以所述Δ的减少量进行喷射，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在另一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过如下方式执行的：即，在所述开环实验中，使用比所述Δ大的减少量进行喷射，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用减少的喷射量进行喷射而执行的：即，开始时以Δ的减少量进行喷射，然后，对于此后的每次喷射，线性地或呈指数地减少喷射量，直至达到预定的NOx转化水平。这可以进行一次或多次喷射，直至满足所述水平。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用减少的喷射量进行喷射而执行的，该减少值等于所述Δ或者大于或小于所述Δ，该喷射可以持续一段预定时间。在所述预定时间内，可以执行一次或多次喷射。

在又一个示例性实施例中，对所述至少一次另外的还原剂喷射的所述控制是通过使用减少的喷射量进行喷射而执行的，该减少值等于所述Δ或者大于或小于所述Δ，该喷射持续进行直至达到预定的喷射次数。所述喷射次数可以是一次喷射或多次喷射。

当达到预定的NOx转化水平时，该开环实验结束并返回到正常运行步骤310，这由排空步骤350和正常运行步骤310之间的箭头表示。

在上述示例性实施例中，该开环实验开始时的初始假设是：测量到的NOx转化率与根据第二查找表的期望的NOx转化率之间的、所检测到的偏差是由于还原剂缓冲器为空而导致的。然而，在该开环实验的第二示例性实施例中，可以假设还原剂缓冲器是满的而非为空。如果假设该缓冲器是满的而非为空，则所有上述内容仍然成立，不同之处仅在于：当在上述开环实验中增加还原剂喷射量且NOx转化率也增加时，表明所述假设是错误的，即缓冲器实际是空的；而当增加所述还原剂喷射量时、NOx转化率却降低时，则关于“缓冲器过满”的所述假设是正确的，且应将喷射量减少适当的预定值。

另一方面，如果开始时假设缓冲器是满的且以Δ的减少量来减少还原剂喷射量将导致NOx转化率提高，则意味着“缓冲器为满”的假设是正确的。然而，如果开始时假设缓冲器是满的且以Δ的减少量来减少喷射量将导致NOx转化率降低，则意味着该假设是不正确的，即缓冲器是空的。

“缓冲器为空”的假设通常可能导致选择以增加的喷射量来进行喷射，从而填满上述缓冲器。“缓冲器为满”的假设通常可能导致选择以减少的喷射量来进行喷射，从而排空上述缓冲器。然而，这种假设可能从开始就不正确，假设为满的缓冲器实际上可能是空的，而假设为空的缓冲器实际上可能是满的。所有这些情况都可以从上述开环实验中的还原剂喷射的NOx转化结果的评估中看到。

在另一个示例性实施例中，在所述评估步骤之前、在该开环实验中执行的还原剂喷射(可称为第一喷射(标称喷射)和第二喷射(以Δ的增加量/减少量进行的喷射))可以是与所述实验关联的特定喷射，即与由第一查找表给出的正常喷射序列相比是另外的喷射序列，即：它们具有不同的喷射正时和不同的喷射量。

在以上详细描述的示例性实施例中，所述喷射(可称为第一喷射(标称喷射)和第二喷射(以Δ的增加量/减少量进行的喷射))内置在所述正常喷射序列中。所述第一喷射的喷射量可以是该开环实验开始时存在的还原剂喷射量。所述第一(标称)还原剂喷射的喷射量根据所述控制单元中的模型以及在特定时刻给出的情形(催化剂温度、发动机转速、发动机负荷、EGR水平、所述排气后处理系统上游和下游的NOx浓度)来决定。

所述第二还原剂喷射的喷射量可以是所述第一喷射的喷射量加上预定的量Δ。在另一个示例性实施例中，所述第二还原剂喷射的喷射量是在正要执行所述第二喷射的时刻由所述模型给出的值。这意味着，所述第二还原剂喷射的喷射量根据所述控制单元中的模型以及在特定时刻给出的情形催化剂温度、发动机转速、发动机负荷、EGR水平、所述排气后处理系统上游和下游的NOx浓度)来决定。所述第一喷射和第二喷射在由存储在所述控制单元中的所述喷射模型给出的时间上分开。在所述开环实验中，所述第二还原剂喷射能够以Δ的增加量/减少量进行。

该开环实验以增加或减少的喷射量继续进行(取决于所述缓冲器水平的实际情况)，直至NOx转化水平等于预定值，或者当已执行了预定的喷射次数，或已经过了一段预定时间。

该喷射模型由新催化剂的测量结果中得到。当将该开环实验添加到此喷射模型时(这可以在检测到所期望的NOx转化率和实际测量到的NOx转化率之间存在偏差时进行)，有效地应对了催化剂的老化。存储容量和NOx转化率可能随着催化剂的老化而改变，因此，对于新催化剂可能完全有效的喷射模型对于老化的催化剂来说可能不那么良好。可以仅使用单个喷射模型和上述开环实验，而不是根据催化剂的老化情况而采用不同的喷射模型。单个喷射模型与上述开环实验的这种结合将在催化剂的整个寿命时间内实现良好的NOx转化，同时存在低的尿素泄露(urea slip)。

在所述排气后处理装置下游进行的用于获得第一结果和第二结果的、对由于所述第一还原剂喷射和所述第二还原剂喷射引起的NOx转化率进行评估的结果可以是对催化剂老化程度的指示或估算。测量到的NOx转化率的结果与存储在所述第二查找表内的估算出的NOx转化率之间的偏差越大，则所述催化剂就越老化。

在所述排气后处理装置下游进行的用于获得第一结果和第二结果的、对所述第一还原剂喷射和所述第二还原剂喷射引起的NOx转化率进行评估的结果可用于调节由所述第一查找表中的喷射量给出的标称喷射。这意味着：来自上述开环实验的结果可用于在上述闭环的实验中适应性地调节还原剂喷射的标称喷射。

用于确定催化剂的缓冲器水平或其老化程度的该开环实验可以与还原剂标称喷射的任何标准闭环控制相结合使用。

图4示出了作为还原剂的存储量/缓冲量的函数的NOx转化率。该NOx转化率以百分比的形式给出，这意味着：100％相当于完全的NOx转化，而0％相当于根本没有NOx转化。通常，在NH3的存储量为最大存储容量的大约20％至80％时，能够获得良好的NOx转化率。良好的NOx转化可以是指NOx转化率高于50％时。

还原剂的量例如以克或厘升为单位给出。即使很低的还原剂存储量也足以提高NOx转化率。当超过还原剂的最大存储量、该NOx转化率开始降低的原因是：过量的还原剂中的一部分可能在排气后处理系统内转化为NOx。

计算机程序可包括程序代码，以用于在所述程序在计算机上运行时至少执行上述开环实验。

计算机程序产品可包括存储在计算机可读介质上的程序代码，以在所述程序在计算机上运行时至少执行上述开环实验。

不应认为本发明局限于上述实施例，而是，在本发明的范围内，可构思多个另外的变型和修改。

Claims (17)

1.一种用于对排气后处理装置中的还原剂缓冲器的填充水平进行控制的方法，所述排气后处理装置能够连接在内燃机的下游，所述方法包括如下步骤：

a.对所述还原剂缓冲器的填充水平进行假设；

b.在所述排气后处理装置上游执行第一量的第一还原剂喷射；

c.在所述排气后处理装置上游执行第二量的第二还原剂喷射，所述第二量不同于所述第一量，

其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

d.在所述排气后处理装置下游评估由于所述第一还原剂喷射和所述第二还原剂喷射引起的第一NOx转化率和第二NOx转化率，以获得第一结果和第二结果；

e.根据从所述第一NOx转化率评估和第二NOx转化率评估中获得的所述第一结果和第二结果来确定对所述还原剂缓冲器的填充水平的假设是否正确；

f.基于对所述还原剂缓冲器的填充水平的假设是否正确来控制至少一个另外的还原剂喷射。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一还原剂喷射的喷射量小于所述第二还原剂喷射的喷射量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果高于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射或标称喷射相比，增加在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果基本等于或低于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射或标称喷射相比，减少在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一还原剂喷射相当于根据喷射模型进行的标称喷射。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，对NOx转化率的所述评估包括如下步骤：

-利用设置在所述排气后处理装置上游的第一NOx传感器测量所述排气的NOx含量；

-利用设置在所述排气后处理装置下游的第二NOx传感器测量所述排气的NOx含量；

-把来自所述第一NOx传感器的测量值与来自所述第二NOx传感器的测量值进行比较。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：将所述还原剂直接喷射到所述排气后处理装置中。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述还原剂是尿素。

9.根据权利要求3或4所述的方法，还包括如下步骤：

-继续进行增加或减少了喷射量的、所述另外的还原剂喷射，直至满足如下参数中的至少一个：达到预定的NOx转化水平，执行了预定的喷射次数，或经过了一段预定时间。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

-把检测到的NOx转化水平与估算出的NOx转化水平进行比较；

-如果所述检测到的NOx转化水平与所述估算出的NOx转化水平之间存在偏差，则启动权利要求1中的步骤a。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一还原剂喷射的喷射量大于所述第二还原剂喷射的喷射量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果高于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射或标称喷射相比，减少在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，如果从所述第二NOx转化率评估中获得的所述第二结果基本等于或低于从所述第一NOx转化率评估中获得的所述第一结果，则与所述第一喷射或标称喷射相比，增加在所述评估步骤之后进行的所述另外的喷射的喷射量。

14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括如下步骤：

-继续进行增加或减少了喷射量的、所述另外的喷射，直至满足如下参数中的至少一个：达到预定的NOx转化水平，执行了预定的喷射次数，或经过了一段预定时间。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

-根据从所述第一NOx转化率评估和第二NOx转化率评估中获得的所述第一结果和第二结果来估计所述排气后处理装置的老化程度。

16.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：

-根据从所述第一NOx转化率评估和第二NOx转化率评估中获得的所述第一结果和第二结果，以闭环的方式来调节所述还原剂的标称喷射。

17.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

-将所述步骤a至f与还原剂标称喷射的闭环控制相结合。