CN103225533A - 尿素喷射 - Google Patents

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Abstract

提供用于控制将尿素引入SCR催化转化器上游的排气通道中的各种系统和方法。在一个例子中，设定排气通道中尿素含量的设定点水平。然后，计算所述排气通道中所述尿素含量的实际水平。然后，如果所述实际水平低于所述设定点水平，则将尿素水溶液供应至所述排气通道中。

Description

尿素喷射
相关申请
本申请要求2012年1月26日提交的德国专利申请No.102012201128.5的优先权，其全部内容为所有目的包含在此以供参考。
技术领域
本发明涉及一种控制将尿素引入机动车辆的SCR催化转化器上游的排气通道的方法。
背景技术
SCR（选择性催化还原）催化转化器用于使用还原剂来还原燃烧发动机的排气中的氮氧化物。在一些方法中，使用水溶液中的尿素作为还原剂，并且将其喷射到SCR催化转化器上游的排气流中。为了获得高转化效率，期望高温以及含水尿素与排气的彻底混合。然而，在冷启动后，排气温度可能最初或在短距离驾驶周期的情况下也始终保持低温并且防止喷射的含水尿素蒸发。由于其构造，SCR催化转化器在低排气温度时具有一定的尿素存储能力。为了即使在低排气温度时也能在SCR系统中获得对氮氧化物的期望还原，寻求在SCR催化转化器中的高尿素含量。然而，过量尿素含量导致SCR催化转化器具有不良渗透性，这可导致排气通道中的排气积聚。因此，需要对尿素含量的可靠控制。
发明内容
提供用于控制将尿素引入SCR催化转化器上游的排气通道内的系统和方法。
在一个例子中，设定排气通道中尿素含量的设定点水平。然后计算排气通道中尿素含量的实际水平。然后，如果实际水平低于设定点水平，就将尿素水溶液供应到排气通道内。可基于尿素含量的尿素蒸发率和/或尿素供应速率比尿素含量来计算实际水平。
通过该方式，可实现低温下对氮氧化物的令人满意的还原，且同时避免在排气通道中积聚排气。
当单独或结合附图时，通过下文详细说明将易于明白本说明的上述优点和其他优点以及特征。
应理解，提供上文发明内容，以通过在具体实施方式中进一步描述的概念集合的简化形式介绍。无意确定所要求主旨的关键或必要特征，其范围由详细说明后的权利要求唯一限定。此外，所要求的主旨不限于解决上述任何缺点的或本公开任何部分中的实施方式。
附图说明
图1示出涡轮增压发动机的方框图。
图2示出一种用于控制图1中所示的发动机内的尿素喷射的方法的流程图。
具体实施方式
SCR（选择性催化还原）催化转化器用于还原燃烧发动机的排气中的氮氧化物（NOx）。例如，可使用水溶液中的尿素作为还原剂。在该方法中，期望高温以及含水尿素与排气的彻底混合。然而，在冷运行区域内，诸如在冷启动后，会阻止尿素蒸发，并且降低NOx转化效率。此外，SCR催化剂在低温时具有有限的尿素存储能力。过量尿素含量可能降低SCR催化剂的渗透性，并且导致排气通道中排气积聚。
提供各种系统和方法，用于控制将尿素引入SCR催化转化器上游的排气通道内。在一个实施例中，设定排气通道中的尿素含量的设定点水平。然后计算排气通道中尿素含量的实际水平。然后，如果实际水平低于设定点水平，就将尿素水溶液供应到排气通道内。图1示出包括废气门的涡轮增压发动机的方框图。图1的发动机也包括经构造以执行图2中所示方法的控制器。
图1示出例子发动机10的示意图，其可被包含在机动车辆的推进系统中。示出的发动机10具有四个汽缸30。然而，根据本公开，可使用其他数目的汽缸。发动机10至少部分由包括控制器12的控制系统和通过来自车辆操作者132的经输入装置130的输入来控制。在该例子中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的每个燃烧室（例如汽缸）30都可包括具有其中定位的活塞（未示出）的燃烧室壁。活塞可被联接至曲轴40，以便活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。曲轴40可被通过中间传动系统（未示出）联接至车辆的至少一个驱动轮。此外，起动器马达可通过飞轮被联接至曲轴40，以便能够开始发动机10的运行。
燃烧室30可通过进气通道42从进气歧管44接收进气空气，并且通过排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气歧管48能够选择性地通过相应进气门和排气门（未示出）与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
示出的燃料喷射器50被直接联接至燃烧室30，以用于在其中与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接喷射燃料。通过该方式，燃料喷射器50向燃烧室30提供所谓的直接燃料喷射。例如，燃料喷射器可安装在燃烧室的侧壁或者燃烧室的顶部中。可通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的燃料系统（未示出）将燃料传送至燃料喷射器50。在一些实施例中，燃烧室30可替换地或另外包括被布置在进气歧管44中的燃料喷射器，其被配置为每个燃烧室30上游的进气道提供所谓的进气道燃料喷射的构造。
进气通道42可包括节气门21和23，其分别具有节流板22和24。在该具体例子中，节流板22和24的位置可通过控制器12经由被提供给节气门21和23所包括的致动器的信号而变化。在一个例子中，致动器可以为电致动器（例如，电动马达），通常将该构造称为电子节气门控制（ETC）。通过该方式，节气门21和23可经操作，以改变提供给燃烧室30以及其他发动机汽缸的进气空气。可将节流板22和24的位置通过节气门位置信号TP提供给控制器12。进气通道42还包括用于向控制器12提供相应信号MAF（质量空气流量）和MAP（歧管空气压力）的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。
排气通道48可从汽缸30接收排气。示出的排气传感器128被联接至涡轮62和排放物控制装置78上游的排气通道48。传感器128可以从任何提供对排气空气/燃料比的指示的各种适当传感器中选择，诸如线性氧传感器或UEGO（通用或宽域排气氧）、双态氧传感器或EGO、NOx、HC或CO传感器。排放物控制装置78可以为SCR催化装置、三元催化装置（TWC）、NOx阱、各种其他的排放物控制装置或其组合。也示出第二质量空气流量传感器120被联接至排气通道48，以用于向控制器12提供附加的MAF信号。
可通过位于排气通道48中的一个或更多个温度传感器（未示出）测量排气温度。作为替换方式，可基于发动机工况，诸如速度、负荷、空气-燃料比（AFR）、火花延迟等等推断排气温度。
图1中示出控制器12为微型计算机，其包括微处理器单元（CPU）102、输入/输出端口（I/O）104、在该具体例子中示出为只读存储芯片（ROM）106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器（RAM）108、保活存储器（KAM）110和数据总线。除了上述那些信号以外，控制器12还可从被联接至发动机10的传感器接收各种信号，包括：来自质量空气流量传感器120的引入质量空气流量（MAF）的测量值；来自示意性示出在发动机10中的一个位置处的温度传感器112的发动机冷却剂温度（ECT）；来自被联接至曲轴40的霍尔效应传感器118（或其他类型）的表面点火感测信号（PIP）；如上讨论的来自节气门位置传感器的节气门位置（TP）；以及如上讨论的，来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP。可从信号PIP由控制器12产生发动机转速信号RPM。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供对进气歧管44中的真空或压力的指示。注意，可使用上述传感器的各种组合，诸如有MAF传感器而无MAP传感器，或者反之亦可。在按化学计量比运行期间，MAP传感器能够给出对发动机扭矩的指示。此外，该传感器与探测的发动机转速一起能够提供对引入汽缸内的充气（包括空气）的评估。在一个例子中，也可用作发动机转速传感器的传感器118可在曲轴40的每次旋转期间都产生预定数目的等距脉冲。在一些例子中，可能以计算机可读数据对存储介质只读存储器106编程，该数据代表处理器102可执行的指令，以用于执行下文所述的方法以及预期但是未特别列出的其他变体。
发动机10还可以包括压缩装置，诸如包括沿进气歧管44布置的至少一个压缩机60的涡轮增压器或机械增压器。对于涡轮增压器，压缩机60可以由涡轮62例如通过轴或其他联接设置来部分驱动。涡轮62可以沿排气通道48布置。可提供各种设置来驱动压缩机。对于机械增压器，压缩机60可以至少部分由发动机和/或电动机器驱动，并且可能不包括涡轮。因而，可通过控制器12改变经涡轮增压器或机械增压器提供给发动机的一个或更多个汽缸的压缩量。在一些情况下，例如，涡轮62可驱动发电机64，以通过涡轮驱动器68向电池66提供动力。然后，可使用来自电池66的动力来通过马达70驱动压缩机60。此外，可在进气歧管44中布置传感器123，以用于向控制器12提供BOOST信号（增压信号）。
此外，排气通道48可以包括使排气转离涡轮62的废气门26。在一些实施例中，废气门26可以为多级废气门，诸如二级废气门，其具有经构造以控制增压压力的第一级和经构造以提高到排放物控制装置78的热通量的第二级。可通过致动器150运行废气门26，该致动器150例如可以为包括永磁体的电动致动器。在一些实施例中，致动器150可以为电动马达。进气通道42可以包括压缩机旁路阀27，其经构造以使得进气空气绕过压缩机60。例如，当期望较低增压压力时，可由控制器12通过致动器（例如，致动器150）控制废气门26和/或压缩机旁路阀27以便打开。
进气通道42还可以包括充气空气冷却器（CAC）80（例如，中间冷却器），以降低经涡轮增压或机械增压的进气气体的温度。在一些实施例中，充气空气冷却器80可以为空气-空气热交换器。在其他实施例中，充气空气冷却器80可以为空气-液体热交换器。
此外，在公开的实施例中，排气再循环（EGR）系统可以将来自排气通道48的排气中的期望部分通过EGR通道140发送至进气通道42。可由控制器12通过EGR阀142改变提供给进气通道42的EGR量。此外，EGR传感器（未示出）可布置在EGR通道内，并且可提供对排气的压力、温度和浓度中的一者或更多者的指示。作为替换方式，可通过基于来自MAF传感器（上游）、MAP（进气歧管）、MAT（歧管气体温度）和曲柄速度传感器的信号的计算值来控制EGR。此外，可基于排气O2传感器和/或进气氧传感器（进气歧管）控制EGR。在一些情况下，可使用EGR系统以调节燃烧室内的空气和燃料混合物的温度。图1示出高压EGR系统，其中将来自涡轮增压器的涡轮上游的EGR引导至涡轮增压器压缩机下游。在其他实施例中，发动机可另外或可替换地包括低压EGR系统，其中将EGR从涡轮增压器涡轮下游的EGR引导至涡轮增压器的压缩机的上游。
现在参考图2，其中示出用于控制发动机（例如图1中所示的发动机10）内的尿素喷射的方法201的流程图。可通过适当的控制器或计算装置，例如图1中所示的控制器12，来执行方法201。控制器或计算装置可以包括逻辑子系统和保持可由逻辑子系统执行的指令的存储子系统。例如，控制器12可以包括逻辑子系统（例如，CPU 102）和存储子系统（例如，ROM 106、RAM 108和/或KAM 110）。
在方法201的步骤210，设定贮存在排气通道（例如，排气通道48）和SCR催化装置（例如，排放物控制装置78）中的尿素的设定点水平。该设定点水平可以被预定或者可以基于一种或更多种环境条件（诸如周围环境温度）而变化。在一些例子中，设定点水平可以随着周围环境温度下降而提高，这是因为排气温度可能随着周围环境温度下降而下降。此外，由于在冷启动后直接设定该设定点，所以可从其中排气温度足够高从而蒸发尿素水溶液的点处开始实现高的NOx还原效率。
在步骤220，测量一种或更多种工作参数。所述一种或更多种工作参数可以包括流经排气通道（例如，排气通道48）的排气的质量空气流量以及排气温度。这样的工作参数可以基本上确定尿素蒸发的程度，以及是否将尿素运走或使其消散在排气流中。这样的工作参数的测量可允许以更高精确度进行关于尿素含量对SCR催化装置和/或排气通道的存储能力的建模。
在步骤230，基于一种或更多种测量的工作参数来计算实际贮存的尿素。进一步将迄今发生的尿素溶液的喷射和这种尿素的运输和/或消散视为工作参数的函数。可使用各种合适的调节算法来执行计算。此外，可针对排气通道中的每个部件单独计算（并且独立控制）贮存的尿素量，所述部件诸如排气管、排气混合器和SCR催化装置或者SCR催化衬底的末端侧。例如，在一个实施例中，方法包括调节对发动机排气的含水尿素供应，以便将排气通道中的贮存尿素量和SCR催化装置中的贮存尿素量分别控制为相应的所需水平。可响应排气中的每个部件的单独的贮存尿素量来调节该供应，所述部件包括SCR催化装置上游的排气管和排气混合器结构以及SCR催化装置的末端侧。例如，本方法可包括评估排气通道（例如，其在SCR催化装置的上游且不包括SCR催化装置和混合器）中贮存的第一尿素量、混合器中贮存的第二尿素量和SCR催化装置中贮存的第三尿素量。基于第一、第二和第三量中的每一量，本方法可调节尿素喷射，以便实现贮存在SCR催化装置中的期望尿素量，且同时也考虑到贮存在通道和混合器中的量（第一和第二量）。如果第一和第二量中的任一量或两者变得高于相应阈值，则本方法就可不考虑基于贮存在SCR催化装置中的（实际和期望的）尿素量所确定的尿素喷射量，并且减少尿素供应（例如，即使贮存在SCR催化装置上的实际量小于期望/设定点水平也是如此）。同样地，例如类似方法能够解决混合器上的尿素贮存不足的问题。通过该方式，不仅可能为了提高SCR催化装置性能而控制尿素贮存，而且也解决了关于在排气通道的其他区域中贮存尿素过量（或不足）的问题，其中所述其他区域诸如排气管（例如，无催化装置和/或混合器或其他结构的管的空闲区域）和/或混合器。
在一个例子中，随着贮存在SCR催化装置中的期望尿素量变化，可调节贮存在排气管中或混合器上的最大和/或最小尿素量。例如，随着贮存在SCR催化装置中的期望尿素量提高，可成比例地提高贮存在排气管中或混合器上的最大和/或最小尿素量。作为另一例子，随着贮存在SCR催化装置中的实际和期望尿素量之间的差变化，可调节贮存在排气管中或混合器上的最大和/或最小尿素量。
注意，混合器可能包括各种形状，包括螺旋钻形混合结构。
还可基于尿素的蒸发速率计算贮存的实际尿素，其又被确定作为在220测量的运行参数的函数。贮存的实际尿素可作为尿素供应速率与尿素含量比的函数而增加。供应速率可作为测量的运行参数的函数被确定，并且通过确定尿素的供应量和供应后残留在排气通道中的供应量的部分被确定。如果排气温度超过阈值温度，还可将供应速率设定为最小。在阈值温度之上时，喷射的尿素水溶液可转化为气相，从而导致尿素与排气流混合并且被其运走。例如，阈值温度可以例如在150至170摄氏度之间。
在步骤240，确定实际贮存的尿素是否高于或等于设定点水平。如果实际贮存的尿素高于或等于设定点水平，则方法201返回到步骤220。如果实际贮存的尿素不高于或等于设定点水平，则方法201继续至步骤250。
在步骤250，将尿素引入排气通道（例如，排气通道48）。
在步骤260，如果尿素含量高于阈值贮存水平预定时间段和/或预定值，则可以可选地激活警告。可通过蒸发和在排气流中运走实现尿素含量降低。然而，该降低取决于排气流足够热，以蒸发贮存在排气通道中的大量尿素。在短距离行驶期间，可能存在这种情况，即排气温度始终保持太低，不能蒸发尿素，以致例如如果实际含量高于设定点含量，则不可能通过蒸发和运输来降低尿素含量。因为可能不期望执行能量密集型测量（诸如电加热和富燃料喷射）来加热排气流，所以如果尿素含量高于阈值贮存含量预定时间段和/或预定值，则可以替代性地执行警告功能。例如，可以通过警告功能来通知车辆操作者，以允许操作者将他或她的驾驶风格调适成适应当前情况。也可以提供布置在车辆的仪表板中的指示灯，以指示故障。在完成步骤260后，方法201随后可以终止，或者在其他实施例中，返回至步骤220并且继续。
通过该方式，可实现低温下氮氧化物的令人满意的还原，同时避免在排气通道中积聚排气。

Claims (20)

1.一种控制将尿素引入机动车辆的SCR催化转化器上游的排气通道内的方法，包括：
设定所述排气通道中的尿素含量的设定点水平；
计算所述排气通道中的所述尿素含量的实际水平；以及
如果所述实际水平低于所述设定点水平，则将尿素水溶液供应到所述排气通道中。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括测量一个或更多个运行参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述一个或更多个运行参数包括排气温度，并且所述实际水平基于所述一个或更多个运行参数。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述一个或更多个运行参数包括流经所述排气通道的排气流的质量空气流量，并且所述实际水平基于所述一个或更多个运行参数。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述实际水平是基于所述尿素含量的尿素蒸发速率被计算的，基于所测量的运行参数确定所述蒸发速率。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述实际水平是基于所述尿素供应速率比所述尿素含量被计算的，基于所测量的运行参数确定所述供应速率，所述实际水平作为所确定的供应速率的函数而增大。
7.根据权利要求6所述的方法，其中如果所述排气温度超过阈值温度，则将所述供应速率降低至最小值。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括如果所述尿素含量高于阈值贮存含量预定时间段和/或预定值，则激活警告功能。
9.一种内燃发动机，其包括：
排放物控制装置；
排气歧管，其被流体联接至所述排气通道；
一个或更多个汽缸；以及
控制器，其包括：
逻辑子系统；以及
存储子系统，其保持由所述逻辑子系统可执行的指令，以便：
设定在所述排气通道和所述排放物控制装置中的尿素含量的设定点水平；
计算在所述排气通道和所述排放物控制装置中的所述尿素含量的实际水平；以及
如果所述实际水平低于所述设定点水平，则将尿素水溶液供应至所述排气通道中。
10.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中所述排放物控制装置为SCR催化装置。
11.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以测量一个或更多个运行参数。
12.根据权利要求11所述的内燃发动机，其中所述一个或更多个运行参数包括排气温度和流经所述排气通道的排气流的质量空气流量。
13.根据权利要求12所述的内燃发动机，其中所述实际水平基于下列一个或更多个参数计算的：所述排气温度、流经所述排气通道的所述排气的所述质量空气流量、所述尿素含量的蒸发速率和所述尿素含量的供应速率。
14.根据权利要求13所述的内燃发动机，其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以便如果所述排气温度超过阈值温度，则将尿素水溶液的所述供应速率降低至最小值。
15.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以便如果所述尿素含量高于阈值贮存含量预定时间段和/或预定值，则激活警告功能。
16.根据权利要求15所述的内燃发动机，其中所述警告功能包括被布置在仪表板中的指示灯。
17.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以便如果所述尿素含量高于阈值贮存含量预定时间段和/或预定值，则执行富燃料喷射。
18.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以便如果所述尿素含量高于阈值贮存含量预定时间段和/或预定值，则电加热所述排气通道和/或所述排放物控制装置，并且其中所述指令还可由所述逻辑子系统执行，以便随着周围环境温度下降而提高所述设定点水平。
19.一种方法，其包括：
调节对发动机排气的含水尿素的供应，以将排气通道中的贮存尿素量和SCR催化装置中的贮存尿素量分别控制为相应的期望水平。
20.根据权利要求19所述的方法，其中响应排气中的每个部件的单独贮存的尿素量来调节所述供应，所述部件包括所述SCR催化装置上游的排气管和排气混合器结构以及所述SCR催化装置的末端侧。
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