CN102767413A - 选择性催化还原催化器的效率确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及选择性催化还原催化器的效率确定。具体说，一种评估选择性催化还原催化器的总效率的方法，包括监视催化器的瞬时效率。该方法还包括，如果最新近瞬时效率值高于瞬时效率阈值，通过将由第一组系数加权的瞬时效率值求和来确定总效率。该方法还包括，如果最新近瞬时效率值等于或低于瞬时效率阈值，通过将由第二组系数加权的瞬时效率值求和来确定总效率。此外，该方法包括确定总效率是否已掉落在总效率阈值之下和报告总效率何时已掉落在总效率阈值之下。与第一组系数相比，第二组系数对最近新的瞬时效率值赋予比对之前的瞬时效率值更重的权重。还披露了一种系统和车辆。

Description

选择性催化还原催化器的效率确定

技术领域

本发明涉及用于确定选择性催化还原催化器的效率的系统和方法。

背景技术

选择性催化还原（selecitve catalytic reduction:SCR）是一种化学过程，其在催化剂的帮助下将氮氧化物（NO_X）转化为二价氮（N₂）和水（H₂O）。在现代机动车辆中，SCR常常用作内燃发动机的废气排放控制系统的一部分，以减少目标发动机的后燃烧NO_X向周围环境中的释放。汽油发动机、以及柴油发动机的排放物可以通过SCR处理。

在配备有SCR的车辆中，还原剂可以是尿素的水溶液，所述还原剂常常被喷射到发动机的废气流中。带有SCR的车辆常常在特别设计的贮存器中以车载方式承载其还原剂。还原剂在发动机运转期间与发动机的燃料消耗成比例地加入到发动机的废气流中。一旦处于废气流中，则还原剂被吸收在系统的SCR催化器上，NO_X的转化在发生在该催化器上。

发明内容

一种评估选择性催化还原（SCR）催化器的总运行效率的方法，包括监视SCR催化器的瞬时效率。该方法还包括，如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值高于瞬时效率阈值，则通过将由第一组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率。该方法还包括，如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值等于或低于瞬时效率阈值，则通过将由第二组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率。此外，该方法包括确定SCR催化器的总运行效率是否已掉落在总运行效率阈值之下和报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下。根据该方法，与第一组系数相比，第二组系数对最近新的瞬时效率值赋予比对之前的瞬时效率值更重的权重。

通过将由第二组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率针对预定数量的瞬时效率值来实现。

确定SCR催化器的总运行效率的行为可以包括采用指数加权移动平均（EWMA）过滤器。相应地，EWMA过滤器可以用于减少更新近瞬时效率值对总运行效率确定的影响。

SCR催化器可以用于减少来自内燃发动机的氮氧化物（NO_X）排放。发动机可以是柴油型的，SCR催化器可以采用柴油机废气处理液（DEF）作为还原剂，所述还原剂从贮存器供应用于减少NO_X排放。此外，可以在发动机的单个关键循环期间收集预定数量的瞬时效率值。

低于总运行效率阈值的SCR催化器的总运行效率代表SCR催化器已发生故障。

监视SCR催化器的瞬时效率、确定SCR催化器的总运行效率、确定SCR催化器的总运行效率是否已掉落在总运行效率阈值之下、和报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下，可以通过控制器来完成。

根据本方法，报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下可以通过产生对发动机的操作者的警告来实现。

还提供了一种用于评估SCR催化器的总运行效率的系统和采用这样的系统的车辆。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是车辆的示意图，该车辆具有连接到废气系统的发动机，所述废气系统具有选择性催化还原（SCR）催化器；和

图2是用于评估图1的SCR催化器的总运行效率的方法的流程图。

具体实施方式

选择性催化还原（SCR）是一种在催化剂的帮助下将氮氧化物（也称为NO_X）转化为二价氮（N₂）和水（H₂O）的方法。气体还原剂，典型地为无水氨、氨水或尿素，被添加到废气中并被吸收到催化器上。SCR常常用于减少内燃发动机的废气中的NO_X排放，所述内燃发动机用于为机动车辆提供动力。汽油发动机和柴油发动机两者的废气排放均可以通过SCR改善。通常的术语“柴油机废气处理液（diesel-exhaust-fluid）”或DEF用于描述在柴油发动机中被SCR采用的还原剂。

参考附图，其中在几幅图中相同的附图标记指向相同的构件。图1示意性地示出机动车辆10。机动车辆10包括内燃发动机12，所述内燃发动机配置为经由驱动车辆14推进车辆。尽管发动机12是如此处所示和所描述的压缩点火或柴油型的，但发动机还可以配置为火花点火或汽油型的。在一定定量的环境空气流16与从燃料箱20供应的经计量的量的燃料18混合时发生柴油发动机12中的内部燃烧，并且得到的空气-燃料混合物在发动机的汽缸（未示出）内部被压缩。

车辆10还包括系统22，该系统22配置为评估选择性催化还原（SCR）催化器的总运行效率，所述选择性催化还原催化器用于处理包含在发动机12的废气流24中的有毒排放物。废气流24从发动机12作为燃烧的副产品被排出，并通过废气系统26被移送到周围环境。废气系统26包括一系列废气后处理装置，示出的为柴油机氧化催化器30、SCR催化器32和柴油机颗粒过滤器34。相应地，废气系统26包括通道，该通道用于将废气流24从发动机12引导穿过一系列废气后处理装置。所示一系列的废气后处理装置30、32和34用于减少发动机12的各种废气排放物。特别地，柴油机氧化催化器30适用于从发动机12接收废气流24，以氧化和燃烧存在于废气中的碳氢化合物排放物。在柴油机氧化催化器30之后，废气流24被送至SCR催化器32，所述SCR催化器32用于减少NO_X的排放。

如图1所示，系统22包括贮存器36，所述贮存器36配置为将经计量量的DEF38供应到SCR催化器32上游的废气流24中。相应地，在废气流24流动通过SCR催化器时，DEF 38进入SCR催化器32。SCR催化器32的内表面包括载体涂层（wash coat）40。载体涂层40用于吸引DEF 38，以便将DEF沉积在SCR催化器32内，使得DEF可以与废气流24相互作用并产生产生化学反应，以减少来自发动机12的NO_X排放。在废气流24离开SCR催化器之后，但在其被允许传到大气之前，气流被传送穿过柴油机颗粒过滤器34，在这里发动机12发出的烟灰颗粒物质被收集并通过再生过程被处理。如所示的，尽管SCR催化器32被定位在柴油机颗粒过滤器30的上游，但SCR催化器还可以被定位在柴油机颗粒过滤器的下游，而不影响在废气流24的后处理中废气后处理装置30、32和34的效力。

SCR催化器32特征在于运行效率，所述运行效率由催化器在减少来自发动机12的NO_X排放的效力决定。载体涂层40的结构完整性是为SCR催化器32的运行效率负责的主要因素。载体涂层40可以由于废气流24产生的热应力而退化，使得载体涂层变得不能使DEF38保持在SCR催化器32的内表面上。相应地，当载体涂层40退化时，用于减少来自发动机12的NO_X排放所必需的化学反应将不能维持，且因此，SCR催化器32的运行效率也受损。

系统20还包括控制器42。控制器42可以是独立的单元，或是调节发动机12的运转的电子控制器的一部分。控制器42配置为，通过从探测器44接收信号来监视SCR催化器32的瞬时效率，所述信号代表在废气流已穿过SCR催化器之后仍留在废气流24中的NO_X排放物的量。控制器42被编程为以预定的速率从探测器44接收信号，所述预定的速率将足以检测在发动机12的运转期间SCR催化器32的运行效率的任何显著变化。系统22还可以包括上游探测器（未示出）。在这样的情况下，来自上游探测器的信号被控制器42用来与来自探测器44的信号进行比较，以检测SCR催化器32的运行效率的变化。

控制器42还配置为通过将探测器44传送的瞬时效率的值进行求和来确定SCR催化器32的总运行效率43。在求和之前，瞬时效率的每一个值通过具体系数加权，所述系数是预定的一组系数的一部分。瞬时效率还可以在具体样本量（sample size）上被确定，所述样本量可通过NO_X的累积质量和时间长度定义并随后被积分以达到具体值。相应地，瞬时效率可以是在评价窗口上采用的效率值的积分和。要用在任何情况下的特定组的系数取决于瞬时效率阈值46，该阈值46在发动机12之后的SCR催化器32的验证和测试期间被预先确定，并被编程到控制器42中。

瞬时效率阈值46代表一边界，该边界用于在任何具体情况下经验地将SCR催化器32的“正常”或基本有效运转与SCR催化器的“异常”或退化运行划分开。相应地，两种情形常常被考虑——SCR催化器32的瞬时效率高于瞬时效率阈值46的情形和SCR催化器32的瞬时效率等于或低于瞬时效率阈值46的情形。而且，响应于这两个情形的两个分立过程的动作被编程到控制器42中。

在第一情形中，其中SCR催化器32的瞬时效率的最新近检测值高于瞬时效率阈值46，第一组系数48用于为瞬时效率的每一个值加权。在第二情形中，其中SCR催化器32的瞬时效率的最新近检测值等于或低于瞬时效率阈值46，第二组系数50用于为瞬时效率的每一个值加权。与第一组系数48相比，第二组系数50对最近新的瞬时效率值赋予比之前的瞬时效率值更重的权重。

控制器42还配置为确定SCR催化器32的总运行效率43是否已掉落在总运行效率阈值52之下。当SCR催化器32的总运行效率43已掉落在总运行效率阈值52之下时的状态可以被识别为SCR催化器的故障，该故障需要催化器的维修或更换。总运行效率阈值52可以基于在车辆10的各种操纵期间SCR催化器32的最少所需NO_X转化和发动机12的相应运转而被经验地建立，如由法令规定的排放物测试所限定的。

第一和第二组系数48、50可以用作在指数加权移动平均（exponentially-weighted moving average：EWMA）过滤器中对SCR催化器32的总运行效率进行确定的一部分，所述指数加权移动平均过滤器被编程到控制器42中。EWMA过滤器是一种无限响应过滤器，该过滤器应用到呈指数减少的加权系数的分离数据点或值。每一个旧数据点的权重呈指数下降，但从不到达零。因此，EWMA过滤器操作为减少更新近瞬时效率值对总运行效率43的确定的影响，以便阻止做出SCR催化器32已经发生故障的过早评估。更新近瞬时效率值对总运行效率43的影响的这种减少有益于应对车辆10的通常运转条件，所述条件可以导致在SCR效率确定中显著增加的变化性。车辆10的可以导致SCR效率确定中变化性增加的通常运转条件例如可以包括：当车辆10正在爬升长陡坡或正在拖动重负载时的情形。SCR本身的非稳定态运转还可以影响SCR效率确定中变化性增加。

如上所述，与第一组系数48相比，第二组系数50对最近新的瞬时效率值赋予比之前的瞬时效率值更重的权重。第二组系数50因此用于加速SCR催化器32的总运行效率43的确定。例如，在计算SCR催化器32的总运行效率43过程中，第一组系数48可以将最新近瞬时效率值加权为所有瞬时效率值之和的20%。相比之下，在计算SCR催化器32的总运行效率43过程中，第二组系数50可以将最新近瞬时效率值加权为所有瞬时效率值之和的60%。

如上所述，一旦催化器的瞬时效率已掉落到瞬时效率阈值46，该SCR催化器32的总运行效率43的加速确定由控制器发起。因此，通过使用第二组系数50做出的SCR催化器32的总运行效率43的这种加速确定允许SCR催化器快速确定是否已经发生故障。此外，第二组系数50的具体权重可以被选择，使得可以在发动机12的单个关键循环期间所收集的预定数量的瞬时效率数据点或值内实现SCR催化器32是否已发生故障的评估。在发动机12的单个关键循环期间收集的用于实现所述评估的瞬时效率数据点的实际数量可以取决于法令规定，诸如美国环境保护局（US EPA）OBDII，其需要一定的数量。

控制器42还配置为报告SCR催化器32的总运行效率43何时已掉落到总运行效率阈值52之下。为了获得这样的报告，控制器42可以产生传感信号54，所述感知信号54代表SCR催化器32的总运行效率43低于总运行效率阈值52。这样的感知信号54可以作为视觉警告被显示在车辆10的仪表板56上，以便通知车辆的操作者可能需要SCR催化器32的维修或替换。

图2描述了评估SCR催化器32的运行效率的方法60，如相对于图1所描述的。相应地，该方法开始于图框62，在这里该方法包括监视SCR催化器32的瞬时效率。从图框62，该方法前进到图框64，在这里该方法确定SCR催化器的瞬时效率的最新近值是否高于瞬时效率阈值、或等于或低于该瞬时效率阈值。如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值高于瞬时效率阈值46，则该方法行进至图框66。在图框66，该方法包括通过将由第一组系数48加权的瞬时效率的值进行求和从而确定SCR催化器32的总运行效率43。如上关于系统22所述，每一个瞬时效率值可以是具体数据点或在具体样本量上被确定，所述样本量可被NO_X的累积质量和时间长度定义并随后被积分以达到具体值。

在另一方面，如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值等于或低于瞬时效率阈值46，则该方法行进至图框68。在图框68，该方法包括通过将由第二组系数50加权的瞬时效率的值进行求和从而确定SCR催化器32的总运行效率43。如针对图1所述的，第一和第二组系数48、50可以用作在EWMA过滤器中对SCR催化器32的总运行效率进行确定的过程的一部分，所述指数加权移动平均过滤器被编程到控制器42中。相应地，SCR催化器32的由指EWMA过滤器产生的加权瞬时效率值的总和代表在时间上的任何特定时刻下SCR催化器的总运行效率43。

在图框66或68中确定SCR催化器32的总运行效率43之后，该方法继续前进到图框70。在图框70，该方法还包括确定SCR催化器32的总运行效率43是否已掉落在总运行效率阈值52之下。从图框70，该方法行进至图框72。在图框72，该方法还包括报告SCR催化器32的总运行效率43何时已掉落在总运行效率阈值52之下。如针对图1描述的，感知信号54可以作为视觉警告被传送到仪表板56并显示在其上，以实现这样的报告。根据该方法，SCR催化器32的总运行效率低于总运行效率阈值52可以代表SCR催化器已发生故障。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种评估选择性催化还原（SCR）催化器的总运行效率的方法，该方法包括：

监视SCR催化器的瞬时效率；

如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值高于瞬时效率阈值，则通过将由第一组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率；

如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值等于或低于瞬时效率阈值，则通过将由第二组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率；

确定SCR催化器的总运行效率是否已掉落在总运行效率阈值之下；和

报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下；

其中，与第一组系数相比，第二组系数对最近新的瞬时效率值赋予比对之前的瞬时效率值更重的权重。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述通过将由第二组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率针对预定数量的瞬时效率值来实现。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述确定SCR催化器的总运行效率包括采用指数加权移动平均（EWMA）过滤器来减少更新近瞬时效率值对总运行效率确定的影响。

4.如权利要求2所述的方法，其中，SCR催化器用于减少来自内燃发动机的氮氧化物（NO_X）排放。

5.如权利要求4所述的方法，其中，发动机是柴油型的，SCR催化器采用柴油机废气处理液（DEF）作为还原剂，所述还原剂从贮存器供应用于减少NO_X排放。

6.如权利要求4所述的方法，其中，在发动机的单个关键循环期间收集预定数量的瞬时效率值。

7.如权利要求1所述的方法，其中，低于总运行效率阈值的SCR催化器的总运行效率代表SCR催化器已发生故障。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述监视SCR催化器的瞬时效率、确定SCR催化器的总运行效率、确定SCR催化器的总运行效率是否已掉落在总运行效率阈值之下、和报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下中的每一个通过控制器来完成。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下通过产生对发动机的操作者的警告来实现。

10.一种用于评估选择性催化还原（SCR）催化器的总运行效率的系统，所述选择性催化还原催化器用于处理来自内燃发动机的废气排放，所述系统包括：

通道，配置为将废气流从发动机引导到SCR催化器；

贮存器，配置为将还原剂供应通过所述通道并进入到SCR催化器中，用于减少废气流中的氮氧化物（NO_X）；

控制器，配置为：

监视SCR催化器的瞬时效率；

如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值高于瞬时效率阈值，则通过将由第一组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率；

如果SCR催化器的瞬时效率的最新近值等于或低于瞬时效率阈值，则通过将由第二组系数加权的瞬时效率的值求和来确定SCR催化器的总运行效率；

确定SCR催化器的总运行效率是否已掉落在总运行效率阈值之下；和

报告SCR催化器的总运行效率何时已掉落在总运行效率阈值之下；

其中，与第一组系数相比，第二组系数对最近新的瞬时效率值赋予比对之前的瞬时效率值更重的权重。

Images