CN103069120B - 用于减少机动车的排放气体中的NOx量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制减少机动车的排放气体中的NOx量的系统的方法。所述系统包括贮藏室（8），所述贮藏室含有污染物去除剂，并设置成使得其温度通过加热装置（9）控制。所述系统进一步包括供应模块（6），其设置成将污染物去除剂注射入排放气体，该供应模块（6）包括用于测量贮藏室（8）内部的压力或温度的装置（6a）和用于配比污染物去除剂的装置（6b）。所述控制方法包括，例如：限定预设的移动标准，特别是基于第一周期中的发动机扭矩；在对应于所述第一周期的过滤周期（T1）过滤移动标准；将过滤的移动标准与各种的阈值比较以确定移动类型；确定在第二周期（T2）中各个移动类型度过的时间以结合贯穿所述第二周期中表示移动状况的趋势；根据所述类型和表示过去移动状况的所述趋势计算设定压力或设定温度；将设定压力或设定温度与测量压力或温度的装置（6a）测量的温度或压力比较；以及如果后者内部的压力或温度低于设定压力或设定温度，则加热贮藏室（8）。

Description

用于减少机动车的排放气体中的NOx量的方法

技术领域

所提出的发明涉及汽车工业，更具体地，涉及用于控制旨在减少机动车排放气体中的NOx量的系统的方法。

背景技术

近三十年来与交通有关的污染物排放位于推动工业进步的前沿。对四种受管制污染物（CO、HC、NOx、颗粒）越来越严格的排放限制已经使空气质量显著改善，尤其在大城市中。

机动车使用的不断增加要求进一步减少这些污染物排放的不懈努力。因此，将氮氧化物（NOx）减少到预计在2015年欧6标准生效时更严格的欧洲阈值的范围仍然是复杂的问题。取得在所有驱动状况下可利用的高效去污技术仍然是交通工业的主要挑战。

其次，与CO₂排放直接相关联的燃料消耗已经成为了主要关注点。例如在2012年及以后将引入欧洲等级的有关客车CO₂排放的规定。从今以后人们要接收这种限制将在未来的几十年有规律地降低。因此使得整个交通工业明显需要减少CO₂。

减少当地的污染（NOx）和燃料消耗（CO₂）的这个双重问题增加了难度，特别是对柴油发动机，其稀燃燃烧伴随着排放NOx难以被处理。

允许由SCR触媒剂（选择性催化还原）通过贮藏在盐类例如碱土氯化物的贮藏材料中的氨来减少NOx量的装置已经存在。将氨注射入排放气体由用于加热贮藏材料的加热装置控制，以允许氨的可逆的吸收/解吸反应，因为此反应直接关系到贮藏材料内的温度。

发明内容

本发明的目的在于提出用于限制所述加热装置的能量消耗的同时确保在贮藏材料内充足的高压以允许与NOx排放相容的充分的注射率的方法。

根据本发明，此目的通过用于控制旨在减少机动车的排放气体中的NOx量的系统的方法来实现。在机动车车上的该系统包括含有污染物去除剂的贮藏室，设置的加热装置以控制贮藏室的温度，和设置的加料模块以将污染物去除剂注射入排放气体。加料模块包括用于测量贮藏室内部的压力或温度的装置和用于配比污染物去除剂的装置。本发明的方法包括如下步骤：

a）当机动车在操作中，并对于预设的驱动周期，根据有关所述车辆在此周期内的驱动类型的机动车的一个或多个参数计算贮藏室（8）中的设定压力或设定温度；

b）在机动车的操作中，在所述驱动周期之后，将设定压力或设定温度与通过压力或温度测量装置（6a）测量的压力或温度比较；以及

c）如果贮藏室（8）内的压力或温度低于设定压力或设定温度，加热贮藏室（8）。

为了在预设的驱动周期中确定贮藏室中的设定压力或设定温度，步骤a）优选地包括如下操作：

d）在所述车辆的操作的第一周期（T1）中限定车辆驱动标准随机动车的不同参数而变化，所述第一周期显著地比所述预设的驱动周期更短；

e）确定机动车的第一操作周期（T1）中的驱动标准的平均值，

f）将该平均驱动标准与不同阈值比较以从若干驱动类型中确定在第一周期（T1）中的机动车的驱动的当前类型；

g）分配设定压力或设定温度，涉及驱动的当前类型和/或涉及表示过去驱动状况的模式，所述过去驱动状况的模式由额外的操作确定，包括在对应于所述预设的驱动周期的机动车的第二操作周期（T2）中确定机动车在各种驱动类型上度过的时间。

根据本发明的一个优选的实施方案，将在机动车的第一操作周期（T1）中的平均驱动标准与至少三个，优选的五个不同的阈值比较，从而可以分别确定至少三种，优选的五种驱动类型。另外，根据该优选的实施方案，确定三个驱动模式用于机动车的第二操作周期（T2），分别对应城市、乡村道路和高速公路驱动。在该第二周期（T2）中没有占优势的驱动类型时，能够添加任选的所谓的混合模式。最终，系统适于使得设定压力可以变化，优选地从1到15巴，以引起氨的流量在0.5mg/s到50mg/s的范围内变化。

附图说明

通过参照示意图阅读对该优选的实施方案的描述，本发明的特征将变得更明显，优选的实施方案仅以无限定作用的实例形式给出，在示意图中：

-图1显示氨贮藏和加料系统的结构性构造；

-图2显示氨贮藏和加料系统的功能性构造；

-图3给出在三种碱土金属氯化物类的盐中的氨的吸收/解吸平衡曲线；

-图4是显示用于改变系统压力的配比装置的控制的图；

-图5显示用于计算机计算驱动标准的原理；

-图6显示用于计算机计算驱动模式标准的原理；

-图7显示根据驱动类型和典型的驱动模式绘制设定压力。

具体实施方式

根据本发明此优选的实施方案，控制方法适用于选择性催化还原（SCR）从车辆的热机的排放气体排放的NOx的装置。

根据图2，该系统包括并设置含有污染物去除剂的贮藏室8，使得其温度由加热装置9控制。该系统还包括设置的加料模块6以将污染物去除剂注射入排放气体，该加料模块6包括用于测量贮藏室8内部的压力或温度的装置6a和用于配比污染物去除剂的装置6b。本发明的该控制方法例如包括：限定确定的驱动标准，特别地涉及第一周期中的发动机扭矩；在对应于第一周期的过滤周期T1过滤驱动标准（图5）；将过滤的驱动标准与不同的阈值比较以确定驱动类型；确定在第二周期T2中各个驱动类型上度过的时间以结合在此第二周期中表示驱动状况的模式（图6）；计算设定压力或设定温度，涉及驱动类型和表示过去驱动状况的模式；将设定压力或设定温度与用于测量压力或温度的装置6a测量的温度或压力比较；如果其中的压力或温度低于设定压力或设定温度，则加热贮藏室8。

更具体地，根据图1，发动机1由电子计算机11控制。在来自发动机的输出处，排放气体12被导向可以由氧化催化剂或三效催化剂和任选的颗粒过滤器形成的第一污染物去除元件2。

通过注射模块3将氨16注射入第一污染物去除元件2的排放下游，并与排放气体混合。氨/排放气体混合物13随后经过允许通过氨还原NOx的SCR触媒剂4。可以在SCR触媒剂之后设置各种额外的后续处理元件5，例如颗粒过滤器或者氧化催化剂。去污的排放气体14随后被导向排放出口。

为了确保氨16的加料和配比，氨贮藏室8包括贮藏材料7，并被设置成使得其温度能够通过加热装置9控制，该加热装置可以是电阻或者提供有例如发动机冷却液的液体载热剂的热交换器的形式。根据本发明，将氨优选地贮藏在碱土金属氯化物类的盐（MgCl₂、SrCl₂、CaCl₂、BaCl₂等）中。

在提出的系统中，氨的贮藏是基于可逆固-气反应类型：

<固体A>=（气体）<固体B>

氨与碱土氯化物形成配位络合物，也被称为氨合物。该现象是已知的，并大量记载于文献中。

例如，氨与氯化锶的反应为：

以及氨与氯化钡的单反应：

吸收体SrCl₂和BaCl₂对氨配体的化学吸收引起电子在固体和气体之间的迁移，转化成NH₃与SrCl₂和BaCl₂的原子的外层之间的化学键。气体进入固体结构通过扩散过程出现在其整体质量中。该反应是完全可逆的，吸收放热，解吸吸热。

在该反应中，固体对气体的固定伴随着体积增加，随后八-氨合物占的体积比纯盐的体积大得多（上至4到5倍的比例）。盐体积增加不只是因为其晶格膨胀，还因为其分馏而在Sr(NH₃)₈Cl₂和Ba(NH₃)₈Cl₂的微晶之间留下自由空间。

大多数盐解吸氨分阶段地随着其配位点变化。对于氯化锶，最初七分子氨被解吸，而在第二阶段解吸最后的氨分子。盐的氨吸收/解吸平衡曲线通过克劳修斯-克拉珀龙方程（Clausius-Clapeyronequation）被限定为温度和压力的函数：

$\ln P_{\mathrm{NH}3}=\frac{-\mathrm{\&Delta;Hr}}{\mathrm{RT}}+\frac{\mathrm{\&Delta;Sr}}{R}$

其中ΔHr表示焓，ΔSr表示形成氨/盐络合物的熵，用于考虑化学计量法。

下表给出从科学文献中得到的MgCl₂、SrCl₂和BaCl₂的焓和熵的形成值。

盐	平衡	焓（J/mol）	熵（J/mol.K）
				NH3	(L/G)	23 336	193
MgCl2	(6/2)	55 660	231
					(2/1)	74 911	230
	(1/0)	87 048	231
				SrCl2	(8/1)	41 431	229
	(1/0)	48 123	230
				BaCl2	(8/0)	37 665	227

这三种盐的氨吸收/解吸平衡曲线显示在图3中。这些吸收和解吸现象是完全可逆的。因而可以在这些盐中贮藏氨用于SCR应用。氨在盐的解吸后被注射入排放气体用于去污，该解吸是通过控制贮藏室8内的温度和/或压力来引导的。

根据图2，将该贮藏室8连接到加料和配比装置6。该装置6可以由电子控制器10驱动，电子控制器10连接到发动机11的电子计算机。在另一构造中，根据本发明的原理，加料和配比装置6能被发动机计算机1直接控制。

根据图2，氨贮藏室8包括允许确保贮藏室8和加料模块6之间安全连接的接口8a。这是由压力传感器6a和氨配比装置6b组成的。

根据本发明，控制氨配比装置6b，涉及一定数量的得自发动机计算机11与数据组合使用的发动机和车辆参数以允许优化的加热装置9的控制。

术语“系统压力”将被用于指示在包括贮藏室8、连接接口8a、压力传感器6a和氨配比装置6b的贮藏和加料系统内部的操作中主要的压力。该系统压力通过上文限定的克劳修斯-克拉珀龙方程直接关联到贮藏室8内部的温度。

操作时系统的压力可以随外部温度和/或对贮藏室加热的变化在1到15巴的压力范围之间变化。

为了限制加热装置的能量消耗，要求尽可能的限制系统压力。另一方面，系统压力必须足够高以允许与热机的NOx排放相容的充足的注射率。

在本发明中，设定压力是被动态确定的，涉及一定数量的发动机和车辆参数，例如在任意一时间（能被测量和/或被建模的大小）排放的NOx浓度、发动机润滑剂的温度、发动机冷却剂的温度、车辆速度、发动机速度、发动机载荷或这些参数的组合。

用于当前驱动状况（驱动类型标准）和过去驱动状况（驱动模式标准）的这种分析的优选的实施方案在下面描述，该分析允许精确分解车辆的不同生命时期并提供用于设定压力的限定的广泛的自由度。

在第一阶段，驱动标准由如下等式限定：

驱动标准=车辆速度x（1+KxCMI）

其中CMI是平均发动机扭矩，K是允许集合重量/功率比，考虑具有手动变速箱或自动变速箱的车辆之间的不同，并由此最好地表征每种驱动类型（能校准每个应用的参数）的发动机扭矩的校正系数。

如图5所示，未处理的驱动标准随后用第一可校准周期T1过滤以获得用于周期T1的平均驱动标准。因此T1每秒收集关联到将对于T1秒仍然有效的驱动标准的新值。

随后通过如下方式比较过滤的驱动标准与可校准的阈值来限定驱动类型：

如果过滤的驱动标准（t）<标准阈值1

驱动类型=1（城市，剧烈）

如果标准阈值1≤过滤的驱动标准（t）<标准阈值2

驱动类型=2（城市，普通）

如果标准阈值2≤过滤的驱动标准（t）<标准阈值3

驱动类型=3（乡村道路）

如果标准阈值3≤过滤的驱动标准（t）<标准阈值4

驱动类型=4（山地）

如果标准阈值4≤过滤的驱动标准（t）

驱动类型=5（高速公路）

随后计算出在第二周期T2中驱动状况的每种类型上度过的时间比周期T1长5倍。这给出了总和为100的五个值X1到X5的矢量（图6）。

在时间t的驱动状况的类型的分布的基础上，结合表示过去的驱动状况的模式。限定模式的数量到3（城市、乡村道路和高速公路），并在没有占优势的驱动类型时添加“混合”模式。确定模式的规则如下：

如果X1+X2>城市模式阈值

驱动模式=1（城市）

如果X3+X4+X5>快速模式阈值

如果X3+X4>乡村道路模式阈值

驱动模式=2（乡村道路）

否则

驱动模式=3（高速公路）

否则

驱动模式=0（混合）

出于一致性的原因，应用如下规则：

-城市模式阈值>50%

-快速模式阈值>50%

-乡村道路模式阈值<快速模式阈值

发动机一停止，驱动模式就重新初始化。在T2的第一秒中没有驱动类型的分布，系统地初始化驱动模式在2（乡村道路）。

在本发明中，提出确定设定压力随着当前和过去驱动状况的这种分析而变化。因此，通过绘制计算设定压力，涉及驱动类型和驱动模式的标准，如图7所示。因此，在给出的系统压力下，由装置6a测量的所需的氨流转化成涉及这种绘制的配比装置的工作周期。

当前和过去驱动状况的分析允许精确分解车辆的不同的生命时期，并很好地适用于计算氨压力。例如，对于过去和当前状况是“剧烈城市”的车辆，确保高系统压力有较小优势，用于处理排放的NOx所需的NH₃的流量在这些驱动状况下比较低。另一方面，对于过去是“城市”当前是“乡村道路”的车辆，增加系统压力以提供在这些驱动状况下所需的高NH₃流量显示出优势。

应当注意，驱动类型和驱动模式的标准（T1、T2、X1、X2…）的计算的校准允许对设定压力随时间的控制的优化，即尽可能准确地减小系统加热的能量消耗。应当注意，该校准也必须考虑系统的响应时间，即在增加设定系统压力和到达该系统压力之间的响应时间。

在本发明中，ΔP_eq限定为使用上述方法确定的设定压力P_set和通过压力传感器6a测量的压力P_system之间的压力差：

ΔP_eq=P_set–P_system

-当ΔP_eq<0时：不需要加热

-当ΔP_eq>0时：需要启动加热系统

在本发明中，加热系统的功率由根据系统压力P_system和压力差ΔP_eq的绘制来控制。该绘制有待校准，用于系统使用并用于所需的响应时间。以此方式绘制来确定“升高氨贮藏和加料系统的温度”。

应当注意，也可以通过T_system和ΔT_eq绘制来控制装置的功率，这2个的大小可以使用克劳修斯-克拉珀龙方程从系统压力（P_system）和压力差（ΔP_eq）的值直接计算出。

还应当注意，该压力（或者温度）绘制能在所使用的系统上被实验性地确定，因为其取决于大量参数：系统中的热损失（隔热贮藏室的优势）、加热系统（电、液体载热剂），石墨/盐复合材料基质（盐的种类、粘合剂密度、电导率和渗透性等）。

Claims (12)

1.用于控制旨在减少机动车的排放气体中的NOx量的系统的方法，机动车车上的所述系统包括：

-含有污染物去除剂的贮藏室(8)；

-加热装置(9)，其设置成控制所述贮藏室(8)的温度；

-加料模块(6)，其设置成将污染物去除剂注射入排放气体，并包括：

-压力或温度测量装置(6a)，其在贮藏室(8)的内部；和

-配比污染物去除剂装置(6b)；

所述方法包括如下步骤：

a)所述机动车在操作中时，并对于预设的驱动周期，根据随着在此周期内所述机动车的驱动类型变化的所述机动车的一个或多个参数计算贮藏室(8)内部的设定压力或设定温度；

b)在机动车的操作中，在所述驱动周期之后，将所述设定压力或所述设定温度与由所述压力或温度测量装置(6a)测量的压力或温度比较；以及

c)如果所述贮藏室(8)中的压力或温度低于所述设定压力或所述设定温度，则加热所述贮藏室(8)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述预设的驱动周期中在所述贮藏室(8)中确定所述设定压力或所述设定温度的步骤a)包括如下操作：

d)在所述机动车的第一操作周期(T1)中限定所述机动车的驱动标准随着所述机动车的不同参数变化，所述第一操作周期比所述预设的驱动周期显著地更短；

e)确定所述机动车的所述第一操作周期(T1)中的平均驱动标准；

f)将所述平均驱动标准与不同阈值比较以从若干驱动类型中确定在所述第一操作周期(T1)中的所述机动车的驱动类型；以及

g)随着所述确定的驱动类型和/或表示过去驱动状况的模式的变化分配设定压力或设定温度，过去驱动状况的所述模式由额外的操作确定，所述额外的操作包括在对应于所述预设的驱动周期的所述机动车的第二操作周期(T2)中确定所述机动车在各种驱动类型上度过的时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述驱动标准随着从发动机扭矩、所述机动车的重量/功率比和变速箱的种类中选择的至少两个参数变化。

4.根据权利要求2所述的方法，其中将所述平均驱动标准与至少三个不同的阈值比较从而可以确定三种驱动类型。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述平均驱动标准与五个不同的阈值比较从而可以确定五种驱动类型。

6.根据权利要求2所述的方法，其中存在三个所述模式，其分别对应城市、乡村道路和高速公路驱动。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述机动车的所述第二操作周期(T2)中没有占优势的驱动类型时，添加混合模式。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述污染物去除剂是氨。

9.根据权利要求中1所述的方法，其中所述设定压力可以在1和15巴之间改变，以在0.5mg/s到50mg/s的范围内改变氨的流量。

10.根据权利要求1所述的方法，其中随着排放气体中的NOx的浓度的变化确定所述设定压力或设定温度。

11.根据权利要求1所述的方法，其中随着在所述预设的驱动周期中车辆速度和/或发动机载荷和/或发动机速度的变化确定所述设定压力或设定温度。

12.根据权利要求1所述的方法，其中随着在所述预设的驱动周期中发动机润滑剂的温度和/或发动机冷却剂的温度的变化确定所述设定压力或设定温度。