CN103069121B - 控制引入内燃机排气管线中的还原剂量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制还原剂注入内燃机（1）排气管线中的设备。所述设备包括：喷射系统（8-12），其适用于将还原剂注入排气管线（3）；第一催化剂（13）其适用于借由所供应的还原剂还原排气管线（3）中的废气中的氮氧化物量；以及第二催化剂（14），其在排气管线（3）中位于第一催化剂（13）下游，并使废气中的氨转变成氮气和一氧化二氮。所述设备包括：一氧化二氮传感器（17），其适用于在第二催化剂（14）下游位置处监测存在于排气管线（3）中一氧化二氮量；以及控制单元（10），其适用于控制喷射系统（8-12），以便于如果传感器（17）检测出一氧化二氮量的值不在需要范围（A）内，喷射系统（8-12）将调整被注入排气管线（3）的还原剂量（q）。

Description

控制引入内燃机排气管线中的还原剂量的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1和10的前序部分、用于控制被供应到内燃机排气管线的还原剂量的设备和方法。
背景技术
一种减少来自燃油发动机的氮氧化物的排放的方式是使用一种被称为SCR（选择性催化还原法）的技术。这包含呈尿素溶液形式的还原剂，其以特定剂量被供应给柴油发动机的排气管线中的废气。当尿素溶液被喷洒到排气管线中时，所产生的极细分散溶液通过接触热废气而被蒸发，并且形成氨。氨和废气的混合物然后被引导着经过SCR催化剂，在所述SCR催化剂中，废气中的氮氧化物中的氮与氨中的氮反应，以形成氮气。氮氧化物中氧的与氨中氢的反应，以形成水。废气中的氮氧化物因此在催化剂中被还原成氮气和水蒸汽。在尿素剂量正确的条件下，柴油发动机的氮氧化物的排放可被显著减少。
尿素溶液的剂量通常基于在SCR催化剂之前对氮氧化物NOx量的测量，但是氮氧化物传感器的测量精确性不是特别高。由氮氧化物传感器所测出的氮氧化物成分的值可能与真实值相差约10%。此外，氮氧化物传感器的测量精确性会随着时间变差。
特别地，当太大量的尿素溶液被添加时，有些氨将经过SCR催化剂却不与废气中的氮氧化物反应。为了除去这些氨，氨催化剂通常设在SCR催化剂下游。氨催化剂的功能是将氨转变成氮气。使用氨催化剂的一个问题在于除了氮气，氨催化剂也会使一氧化二氮（N2O）形成。一氧化二氮是比二氧化碳强约300倍的温室气体。因此，使排放的一氧化二氮被还原非常重要。尿素溶液剂量太高也会增加尿素结块形成在排气管线中的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设备和方法，在此还原剂量被如此添加，以至于排放的氮氧化物和一氧化二氮以基本最优的方式被还原。
本目的通过技术领域部分所述类型的设备实现，所述设备以权利要求1的特征部分所指出的特征为特点。第一催化剂可以是SCR催化剂，其借由所供应的还原剂降低排气管线中的废气中的氮氧化物量。第二催化剂可以是氨催化剂，其在SCR催化剂中使没有与氮氧化物反应的任何氨转变。过剩氨在氨催化剂中被转变成氮气和一氧化二氮。排气管线中的氨催化剂下游的一氧化二氮量与SCR催化剂中的过剩氨和被注入排气管线的还原剂量有关。根据本发明，一氧化二氮传感器被用于在氨催化剂下游位置处检测排气管线中的一氧化二氮量。这种传感器为控制单元提供有关被喷射的还原剂量是否正确的信息。当被喷射的还原剂量不正确时，控制单元调整被注入排气管线的还原剂量，直到所述传感器检测出一氧化二氮量在需要范围内。当一氧化二氮量在需要范围内时，被添加的还原剂量使得排放的氧化氮和一氧化二氮以基本最佳的方式被还原。
根据本发明的一个优选实施例，控制单元可适用于控制喷射系统，以便于当一氧化二氮量超过上限值时，喷射系统将减少被注入排气管线的还原剂量。可以适当地限定一氧化二氮不应超过的上限值。当传感器检测出一氧化二氮量超过上限值，控制单元将认为太多还原剂正被注入排气管线。控制单元将因此减少被注入排气管线的还原剂量。控制单元可适用于控制喷射系统，以便于喷射系统依据与一氧化二氮量超过上限值的程度有关的因素，来减少被注入排气管线的还原剂量。一氧化二氮量可因此被相对快速地减少成需要范围内的值。
根据本发明的另一个优选实施例，控制单元适用于控制喷射系统，以便于当一氧化二氮量在下限值之下时，喷射系统将增加被注入排气管线的还原剂量。如果还原剂相对于废气中的氮氧化物量以化学上的精确剂量被供应，那么并非所有的氨分子都将在SCR催化剂中与氮氧化物分子相接触。为此可以适当地增加少量过剩的还原剂，以按最佳的方式降低氮氧化物量。因此，少量一氧化二氮量是可接受的。为此，可以适当地限定一氧化二氮量不应低于的下限值。如果一氧化二氮量太低，可以推测出正在被添加的还原剂量太少而使得所形成的氨不能以最佳的方式来还原废气中的氮氧化物。控制单元在这里可适用于控制喷射系统，以便于喷射系统依据与一氧化二氮量低于下限值的程度有关的因素，来增加被注入排气管线的还原剂量。一氧化二氮量可因此被相对快速地增加成需要范围内的值。
根据本发明的另一个优选实施例，控制单元适用于基于来自传感器的信息来估算将要被注入排气管线的还原剂量，所述传感器在第一催化剂上游位置处监测与排气管线中的氮氧化物量有关的参数。这种传感器导致对排气管线中的氮氧化物量的初始估算，以及对将要被注入排气管线的还原剂多少的估算。但是，检测氮氧化物量的传感器的测量精确性通常不是非常高。在初始估算量的还原剂已经被注入排气管线之后，控制单元接收有关排气管线中的一氧化二氮量的信息。如果一氧化二氮量太高或太低，控制单元可将被注入排气管线的还原剂量调整成需要范围内的值，在该值处，氧化氮和一氧化二氮都以有效的方式被还原。控制单元也有利地适用于基于有关排气管线中的废气流量的信息，来估算将要被注入排气管线的还原剂量。废气流量的大小也是影响将要被注入排气管线的还原剂多少的因素。可以根据有关流入内燃机的空气流量的信息来估算废气流量。
根据本发明的另一个优选实施例，控制单元适用于从温度传感器接收信息，所述温度传感器监测排气管线中的废气温度，以确定还原剂是否将要被注入排气管线。由于尿素溶液可能通过废气被蒸发，废气的温度必须至少高于还原剂的蒸发温度。也需要有足够的温差来使全部还原剂在到达SCR催化剂之前能够被蒸发和与废气相混合。还原剂因此仅在废气温度足够高时被注入排气管线。第一催化剂和第二催化剂可位于排气管线的一部分中，所述排气管线的一部分位于适用于从废气能量的涡轮的下游。增压式内燃机通常设有涡轮增压单元，所述涡轮增压单元压缩被引至发动机的空气。所述催化剂通常位于涡轮增压单元的涡轮的下游位置处。还原剂也通常在涡轮下游位置处被注入排气管线，虽然还原剂也可能在涡轮上游位置处被喷射。
以上指出的目的也通过技术领域部分所述类型的方法实现，所述方法以权利要求10的特征部分所指出的特征为特点。
附图说明
以下通过参考附图的示例描述了本发明的一个优选实施例，其中：
图1描述了根据本发明的一个实施例的设备，以及
图2展示了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1描述了呈柴油发动机1形式的增压式内燃机。发动机1可被用于为重型车辆提供动力。从发动机1汽缸的废气经由排气歧管2被引至排气管线3。排气管线包括延伸至涡轮增压单元的涡轮4的第一区段3a。废气的压力和温度在第一区段3a中相对较高。涡轮4被用于将排气管线3中的废气能量转变成将涡轮增压单元的压缩机5驱动的机械功。排气管线包括位于涡轮4之后的第二区段3b。第二区段3b中的废气的温度和压力比第一区段3a中的低很多。压缩机5被用于压缩空气，所述空气被吸入进气管线7并被引至发动机1的各个汽缸。
柴油发动机1根据被称为SCR（选择性催化还原）的方法设有催化废气净化的方式。这包含喷射系统，所述喷射系统将可能是尿素溶液的还原剂注入发动机的排气管线3。在该情况下，喷射系统包括用于储存尿素溶液的罐体8、在罐体8和排气管线3之间延伸的管线9、传送管线9中的尿素溶液并对其进行施压的泵11、以及喷射装置12。控制单元10适用于控制泵11的启动，以使得喷射装置12将尿素溶液按由控制单元10计算出的量注入排气管线3。喷射装置12被安装在排气管线的第二区段3b中。所供应的尿素溶液在被引至SCR催化剂13和氨催化剂14之前，将会在排气管线3中被蒸发并被转变成氨。SCR催化剂13和氨催化剂14可以位于共用容器或独立容器中。未展现的颗粒滤波器（particle filter）和未展现的氧化催化剂也可以位于排气管线3中。
在SCR催化剂13中，排气管线中的氨与氮氧化物NOx反应，从而形成氮气和水蒸汽。氮氧化物包括一氧化氮NO和二氧化氮NO2。在SCR催化剂13中未与废气中的氮氧化物反应的任何氨将在氨催化剂14中被转变成氮气和一氧化二氮。在排气管线3的第二区段3b中，氮氧化物传感器15适用于在SCR催化剂13上游位置处检测废气中的氮氧化物量。在排气管线的第二区段3b中，温度传感器16适用于在SCR催化剂13的上游位置处测量废气温度。在排气管线3的第二区段3b中，一氧化二氮传感器17适用于在氨催化剂14的下游位置处测量一氧化二氮量。流量传感器18适用于为控制单元10提供有关排气管线中的废气流量的信息。这些信息可通过流量传感器以下述方式获得：测量或以一些其它方式估算流入进气管线7中以用于发动机1的空气流量。控制单元10适用于从温度传感器16、氮氧化物传感器15、一氧化二氮传感器17以及流量传感器18基本持续地接收信息。
图2是流程图，其示出了一种用于操作图1中设备的方法。所述方法开始于步骤21。在步骤22中，控制单元10从温度传感器16接收信息，以确定废气温度T是否足够高到以使得所述废气能使尿素溶液在排气管线的第二区段3b中的常规压力下蒸发。如果废气温度T低于尿素溶液的蒸发温度T0，控制单元10将认为尿素溶液不能在废气中被蒸发，在该情况下，将没有尿素溶液被注入排气管线3。在车辆刚被起动或以低负载长期行驶一段时间的情况下，废气温度可能低于必需的蒸发温度T0。在该情况下，所述方法再次开始于步骤21。当控制单元10接收到废气温度T高于尿素溶液的蒸发温度T0的信息时，控制单元10将认为尿素溶液能被注入排气管线3。于是，在步骤23中，控制单元10将从氮氧化物传感器15接收有关废气中的氮氧化物NOx量的信息。控制单元10可同时从流量传感器18接收有关排气管线3中的废气流量的信息。基于这些信息，控制单元10在步骤24中估算出下述尿素溶液量q，所述尿素溶液量q需要被供应给废气，以使废气中的氮氧化物以最佳方式被还原。
控制单元10控制泵11，以使得在步骤24中，喷射装置12在SCR催化剂13的上游位置处将所计算出的尿素溶液量q注入排气管线的第二区段3b。由于废气温度将高于尿素溶液的蒸发温度T0，尿素溶液在被注入排气管线的第二区段3b之后，将被相对快速地蒸发。尿素溶液的蒸发导致气态氨的形成，所述气态氨与排气管线中的废气相混合。但是，氮氧化物传感器15的测量精确性并不是特别高。因此，在传统应用中通常是以过多的量来提供尿素溶液，以确保形成足够的氨来使得废气中的氮氧化物能够被确定无疑地除去。过剩的氨在氨催化剂14中被转变成氮气和一氧化二氮。一氧化二氮是强大的温室气体，应该尽可能防止其被释放到环境中。尿素溶液剂量过高的情况也会增加尿素结块形成在排气管线3中的风险。
在步骤25中，控制单元10从一氧化二氮传感器17接收信息，所述一氧化二氮传感器17在氨催化剂14下游测量废气中的一氧化二氮量。一氧化二氮量与在SCR催化剂13中未被利用的氨量有关。过剩氨本身与被注入排气管线3的尿素溶液量有关。一氧化二氮传感器17适用于将所测出的有关排气管线3中的一氧化二氮量的信号发送给控制单元10。一氧化二氮传感器17的测量精确性通常相对较高。这些信息为控制单元10提供了有关尿素溶液是否以正确的量被注入的准确反馈。控制单元10也从温度传感器16接收有关废气温度的信息。当废气的温度较低时，氨可以在SCR催化剂13中被储存较短的一段时间。在这里，控制单元10也会考虑在SCR催化剂13中的任何如此储存的氨。在步骤26中，控制单元10确定一氧化二氮量N2O的值是否在需要范围A内。这里不允许一氧化二氮量在上限值Amax之上，因为这将使得过多的一氧化二氮被释放。一氧化二氮量也不能在下限值Amin之下，因为在该情况下废气中的氮氧化物将不会被充分地除去。下限值Amin可以是相对较小但仍可接受的废气中的一氧化二氮量。如果一氧化二氮量的值在需要范围A内，控制单元10将认为尿素溶液量q不需要被调整。其后，再次开始步骤21的过程。
如果在步骤26中，控制单元10从一氧化二氮传感器17接收到一氧化二氮量N2O在上限值Amax之上的信息，控制单元10将认为所供应的尿素溶液量q太大。在该情况下，所述过程将回到步骤24，并且控制单元10将基于所测出的一氧化二氮量N2O估算出新的被减少的尿素溶液量q。由一氧化二氮传感器17所测出的一氧化二氮量越大，越多的尿素溶液量q将被减少。控制单元10控制泵11，以使得泵11经由管线9将新的被减少的尿素溶液量q从罐体8传送至喷射装置12，所述喷射装置12将尿素溶液注入排气管线3。其后，在步骤25中，控制单元10又从一氧化二氮传感器17接收有关在氨催化剂14下游的排气管线中的一氧化二氮量的信息。然后，如果一氧化二氮量在需要范围A内，控制单元10将认为所供应的被减少的尿素溶液量q是可接受的。然后，所述过程再次开始于步骤21。在相反的情况下，所述过程回到步骤24，以继续调整被注入排气管线3的尿素溶液量，直到一氧化二氮传感器17检测到一氧化二氮量的值在需要范围A内。
相反地，在步骤26中，如果控制单元10从一氧化二氮传感器17接收到一氧化二氮量N2O在下限值Amin之下的信息，控制单元10将认为所供应的尿素溶液量q太小，在该情况下，所述过程回到步骤24。于是，控制单元10将基于所测出的一氧化二氮量N2O估算出新的被增加的尿素溶液量q。一氧化二氮传感器17所测出的一氧化二氮量越小，越多的尿素溶液量q将被增加。控制单元10控制泵11，以使得泵11经由管线9将被增加的尿素溶液量q从罐体8传送至喷射装置12，所述喷射装置12将尿素溶液注入排气管线3。其后，在步骤25中，控制单元10又从一氧化二氮传感器17接收有关在氨催化剂14下游处排气管线中的一氧化二氮量的信息。如果一氧化二氮量在需要范围A内，控制单元10将认为所供应的被减少的尿素溶液量q是可接受的。然后，所述过程又开始于步骤21。在这种相反的情况下，所述过程回到步骤24，以继续调整被注入排气管线3的尿素溶液量，直到一氧化二氮传感器17检测到一氧化二氮量的值在需要范围A内。
在步骤23中，当控制单元10基于来自传感器15、18的有关所测出的氮氧化物值和废气流量值的信息，来估算将要被注入的尿素溶液量时，可使用来自先前调整过程的储存信息。氮氧化物传感器15的任何已知的测量误差可因此被立即更正，从而更加快速地获得正确的尿素剂量。
本发明并不限于上述实施例，但可在权利要求范围内被自由地改变。

Claims (18)

1.一种基于内燃机(1)排气管线中的一氧化二氮量控制还原剂注入内燃机(1)排气管线的设备，所述设备包括：喷射系统(8-12)，其适用于将还原剂注入排气管线(3)；第一催化剂(13)，其适用于借由所供应的还原剂降低排气管线(3)中的废气中的氮氧化物量；以及第二催化剂(14)，其在排气管线(3)中位于第一催化剂(13)的下游，并使废气中的氨转变成氮气和一氧化二氮，其特征在于，所述设备包括：一氧化二氮传感器(17)，其适用于在第二催化剂(14)下游位置处监测存在于排气管线(3)中的一氧化二氮量；以及控制单元(10)，其适用于控制喷射系统(8-12)，以便于如果传感器(17)检测出一氧化二氮量的值不在需要范围(A)内，喷射系统(8-12)将调整被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于以下述方式控制喷射系统(8-12)，即当检测到的一氧化二氮量超过上限值(Amax)时，喷射系统(8-12)将减少被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于以下述方式控制喷射系统(8-12)，即喷射系统(8-12)依据与检测到的一氧化二氮量超过上限值(Amax)的程度有关的因素，来减少被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
4.根据权利要求1-3中任一所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于以下述方式控制喷射系统(8-12)，即当检测到的一氧化二氮量在下限值(Amin)之下时，喷射系统(8-12)将增加被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于以下述方式控制喷射系统(8-12)，即喷射系统(8-12)依据与检测到的一氧化二氮量低于下限值(Amin)的程度有关的因素，来增加被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
6.根据权利要求1-3中任一所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于基于来自传感器(15)的信息，估算出将要被注入排气管线的还原剂量(q)，所述传感器(15)在第一催化剂(13)上游位置处监测与排气管线(3)中的氮氧化物量有关的参数。
7.根据权利要求1-3中任一所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于基于有关排气管线(3)中的废气流量的信息，估算出将要被注入排气管线中的还原剂量(q)。
8.根据权利要求1-3中任一所述的设备，其特征在于，控制单元(10)适用于从监测排气管线(3)中的废气温度的温度传感器(16)接收信息，以确定还原剂是否将要被注入排气管线(3)。
9.根据权利要求1-3中任一所述的设备，其特征在于，第一催化剂(13)和第二催化剂(14)位于排气管线(3b)的一部分中，该部分在适用于从废气中提取能量的涡轮(4)的下游。
10.一种基于内燃机(1)排气管线中的一氧化二氮量控制还原剂注入内燃机(1)排气管线(3)的方法，所述内燃机(1)包括：喷射系统(8-12)，其适用于将还原剂注入排气管线(3)；第一催化剂(13)，其适用于借由所供应的还原剂来降低排气管线(3)中的废气中的氮氧化物量；以及第二催化剂(14)，其在排气管线(3)中位于第一催化剂(13)下游，并将废气中的氨转变成氮气和一氧化二氮，所述方法的特征在于下述步骤，借由在第二催化剂(14)下游位置处的一氧化二氮传感器(17)来监测排气管线(3)中一氧化二氮量，以及，如果检测到的一氧化二氮量的值不在需要范围(A)内，控制喷射系统(8-12)以使得喷射系统(8-12)调整被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于下述步骤，控制喷射系统(8-12)，以便于当检测到的一氧化二氮量超过上限值(Amax)时，喷射系统(8-12)将减少被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于下述步骤，控制喷射系统(8-12)，以便于喷射系统(8-12)依据与检测到的一氧化二氮量超过上限值(Amax)的程度有关的因素，来减少被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
13.根据权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于下述步骤，控制喷射系统(8-12)，以便于当检测到的一氧化二氮量在下限值(Amin)之下时，喷射系统(8-12)将增加被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于下述步骤，控制喷射系统(8-12)，以便于喷射系统(8-12)依据与检测到的一氧化二氮量低于下限值(Amin)的程度有关的因素，来增加被注入排气管线(3)的还原剂量(q)。
15.根据权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于下述步骤，基于来自传感器(15)的信息，估算将要被注入排气管线的还原剂量(q)，所述传感器(15)在第一催化剂(13)上游位置处监测与排气管线(3)中的氮氧化物量有关的参数。
16.根据权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于下述步骤，基于有关排气管线(3)中的废气流量的信息，估算将要被注入排气管线的还原剂量(q)。
17.根据权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于下述步骤：基于来自监测排气管线(3)中的废气温度的温度传感器(16)的信息，确定还原剂是否将要被注入排气管线(3)。
18.根据权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于，第一催化剂(13)和第二催化剂(14)在排气管线(3b)的一部分中，该部分位于适用于从废气提取能量的涡轮(4)的下游。
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