CN103339354A - 用于监控和调整排气后处理系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于内燃机的排气后处理系统，其包括排气后处理装置（10）；传感器（22），所述排气后处理装置的形式为例如催化剂或过滤器，所述传感器适于确定与从所述后处理装置流出的废气中的氮氧化物（NOx）有关的参数的量级的测量信号，其中，检测通过传感器传送的测量信号的幅值。所述系统还包括喷射装置（12），所述喷射装置适于将还原剂添加至流入排气后处理装置的废气；和监控装置（40），所述监控装置包括处理构件（42）和存储器（44），所述处理构件适于接收来自传感器（22）的测量信号并且适于产生用于喷射装置的控制信号。所述监控装置（40）适于将控制信号传送至喷射装置，从而使得根据预定模式在一测量时段中改变所添加的还原剂的量，并且处理构件适于检测排气后处理装置下游的废气中的NOx量度改变，并且适于在存储器（44）中识别和存储当后处理装置下游的废气中的NOx量度满足用于所添加的量的最优调整的预定标准时所添加的还原剂的量的值。
Description
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的一种方法和一种系统。
背景技术
内燃机燃烧空气和燃料的混合物以便产生驱动力矩。燃烧过程产生废气，所述废气从发动机释放到大气中。废气包括氮氧化物（NOx）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和颗粒物。NOx是用于主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）组成的废气的复合术语。排气后处理系统处理排气排放物，以便在所述排气排放物释放到大气之前将其减少。在排气后处理系统的实施例中，计量给送系统在选择性催化还原催化剂（SCR催化剂）上游将还原剂（例如尿素）喷射到废气中。废气和还原剂的混合物在SCR催化剂中反应，并且从而降低排放到大气中的NOx量。
还原剂的实施例是以AdBlue
的形式在市场上可买到的液体尿素。这种液体是水中的无毒性尿素溶液，所述尿素溶液用于化学地还原氮氧化物（NOx）的排放物，尤其是用于柴油动力的重型车辆。
还原剂在SCR催化剂中与NOx反应以实现NOx还原。更具体地，还原剂被分解并且形成氨（NH3），所述氨随后与NOx反应以形成水和氮气（N2）。
为实现所描述的NOx还原，NH3必须被存储在SCR催化剂中。为使SCR催化剂高效地工作，所述存储必须处于适当水平。更详细地，NOx还原、即转化效率，取决于存储水平。在不同的操作状态中维持高转化效率取决于维持NH3的存储。然而，随着SCR催化剂的温度升高，NH3水平必须逐渐减少，以避免可能降低催化剂的转化效率的NH3排放物（即，过剩的NH3从SCR催化剂中释放）。
简言之，为满足更严格的环保要求，车辆制造商越来越多地使用SCR催化剂系统以便从柴油的废气中移除氮氧化物（NOx）。所述移除通过将氨溶液喷射到SCR催化剂中以便协助将NOx颗粒转化为氮气和水完成。由于环保和操作经济性的原因，排气清洁策略需要满足转化足够的NOx，同时试图不喷射过多的氨。
美国专利申请US-2008/0250778和瑞典专利SE-530435描述了在本领域中已知的装置。
US-2008/0250778涉及一种用于调整NH3量的方法，所述NH3存储在用于排气后处理系统的催化剂中，所述方法涉及基于计量给送剂的计量给送频率确定进入催化剂的NH3量，所述计量给送剂在催化剂上游喷射到排气流中，并且所述方法涉及确定离开催化剂的NH3量。催化剂中的NH3累计重量基于进入和离开催化剂的相应量计算，并且计量给送频率随后基于累计重量计算。
SE-530435涉及一种用于监控机动车辆的排气后处理系统的功能的方法。这种已知系统进行关于从例如催化剂流出的废气的参数的频率分析。与系统的功能有关的信息能够基于频率分析的结果获得。
使NOx的排放物最小化从而需要仔细调整还原剂（例如尿素）向催化剂的计量给送。目的是在不同温度下实现氨的最优存储量。然而，所存储的量不能直接地测量，其与在不同温度下功能非常不同的催化剂结合，使得调整非常困难。
本发明的目的是提出一种调整还原剂的计量给送的改进形式，以便使催化剂运作最优化。
发明内容
以上目的通过由独立权利要求限定的本发明实现。
优选的实施方式由从属权利要求限定。
以简化的术语而言，所述目的通过以下方式实现，即分析排气后处理装置（例如SCR催化剂）下游的废气中的叠加NOx改变，以便确定存储在所述排气后处理装置中的氨。
催化剂的状态能够通过分析NOx含量的量度改变间接地测量。经过了催化剂之后的NO含量的量度取决于存储在其中的氨量。在上游以不同温度存储的量能够基于下游的NOx水平（每个频率）的量度被确定。
根据本发明的方法和系统提供数个潜在的优点，其中包括通过对于催化剂中的转化减弱的快速和强大的诊断，所述转化减弱可以例如与稀释的还原剂或老化的催化剂有关。
根据实施方式，还可以通过在特定操作点处添加还原剂来修改控制，以便实现所述还原剂的最优存储。
根据本发明的溶液还可以被推广，以便在操作点的宽范围中主动地识别催化剂的特征。这意味着在车辆中实施用于催化剂的动态的系统识别的功能。这种功能难以在运行中实施，因为其影响排放水平，但是所述功能可以用在改装中，或用作实验室支持以用于快速近似标定。应用根据本发明的方法和排气后处理系统导致更有效地控制所添加的还原剂的量，尤其在高温下。
所述方法还可以被用于快速标定在每个给定状态下的待添加的还原剂的量。
附图说明
图1是展示根据本发明的排气后处理系统的实施的示意性框图。
图2是根据本发明的流程图。
图3介绍了展示本发明的图表。
图4介绍了展示本发明的图表。
图5介绍了展示本发明的各种图表。
具体实施方式
本发明以下参考附图被详细描述。
图1示意性地描绘了具有相关的排气后处理系统4的内燃机2。发动机可以优选地定位在机动车辆中，但是本发明能够应用在使用内燃机的许多情形中，例如在工业中和用于船只。离开发动机2的废气被引导通过排气管线6并且经由排气出口8排放至周围环境。排气后处理装置10（优选地为催化剂）配置在排气管线6中，并且来自发动机2的废气在其经由排气出口8释放至周围环境之前经过催化剂10。
根据优选的实施方式，催化剂10是SCR催化剂。在这种情况下，还原剂借助于喷射装置12喷射至催化剂10上游的排气管线6中的废气中。喷射装置12包括以喷嘴等形式定位在排气管线6中的一个或多个喷射构件14，和连接至所述喷射构件的用于还原剂的存储容器16。喷射装置还包括连接至调整构件18的控制构件20。调整构件18通过控制构件20控制，所述控制构件基于发动机2和催化剂10的普遍操作状况并且响应来自处理构件42的控制信号确定向废气中注射多少还原剂。
还原剂可以是尿素（CO（NH2）2），氨（NH3）或碳氢化合物（燃料）。
排气后处理系统通常还包括柴油氧化催化剂（DOC）11，所述柴油氧化催化剂定位在催化剂10上游，并且在所述柴油氧化催化剂中发生降低废气排放水平的反应。柴油颗粒过滤器（DPF）（未在图中描绘）还可以配置在SCR催化剂的上游或下游，以便进一步降低排放水平。
传感器22配置在催化剂10下游的排气管线6中。在本实施例中，所述传感器是适于产生测量信号的NOx传感器，所述测量信号表示从催化剂流出的废气的NOx含量，即所述废气在催化剂出口处的NOx含量。第二NOx传感器通常配置在催化剂10上游（未在图中描绘）。测量信号可以是表示所测量到的参数中的持续变化（即对于参数的量级而言导致所测量到的值持续流动）的持续信号，但是所述测量信号通常被记录为以参数的量级的一系列连续离散测量值形式的离散时间信号。
排气后处理系统还包括监控装置40，所述监控装置包括处理构件42和存储器44。处理构件适于接收来自传感器22的用于催化剂10下游的废气中的NOx含量的量级的所测量到的测量信号。处理构件还适于接收通过多个温度传感器沿排出路径测量到的废气温度的一个或多个温度信号TA、TB和TC。例如，提供TA的传感器可以处于DOC上游，用于TB的传感器可以处于SCR催化剂上游但是处于DOC下游，并且用于TC的传感器可以处于SCR催化剂下游。此外，流动传感器通常配置在SCR催化剂上游，以便监视排气质量流量并且将所测量到的值FL传送至监控装置40。质量流量和温度值通过复合术语“参数值”涵盖并且适当地传达至监控装置40。其他的所测量到的值当然可以用作参数值。
根据本发明，用于机动车辆的排气后处理系统4从而包括例如以催化剂或过滤器形式、并且更优选地以选择性催化还原催化剂（SCR催化剂）形式的排气后处理装置10，和适于确定与从所述排气后处理装置流出的废气中的NOx的参数的量级有关的测量信号的传感器，所述传感器具有检测通过传感器传送的测量信号的幅值的功能。
所述系统还包括喷射装置12和监控装置40，所述喷射装置适于将还原剂添加至流入排气后处理装置中的废气，所述监控装置包括处理构件42和存储器44，所述处理构件适于接收来自传感器22的测量信号并且适于产生用于喷射装置的控制信号。
监控装置40适于将控制信号传送至喷射装置，以使得所添加的还原剂的量在一测量时段期间根据预定模式改变，所述测量时段可以包括预定数量的计量给送时段，所述预定数量对于测量而言足够大以提供稳定的结果，但是没有大到使得环境因素（诸如质量流量和温度）可能如此大地变化以影响测量的程度。计量给送时段的通常数量可以在4-25范围内。
处理构件适于检测排气后处理装置下游废气中的NOx量度改变，并且适于在存储器44中识别和存储当排气后处理装置下游废气的NOx量度满足用于所添加的还原剂的量的最优调整的预定标准时所添加的还原剂的量的值。根据实施方式，用于最优调整的标准是NOx量度最小化。
图3和4提供了示出在催化剂之后所测量到的NOx水平（上方图表）和还原剂的计量给送（DOS）（下方图表）的图表。
由喷射装置12通过以计量给送频率F喷射添加还原剂，其中计量给送时间段L（L=l/F）被定义为两个连续喷射的开始之间的时间，所述喷射在所述计量给送时间段的可设定的计量给送时间t期间发生，从而使得0<t<L。从而可以通过改变喷射还原剂的计量给送频率和/或计量给送时间改变喷射至废气中的还原剂的量。
图3描绘了以恒定的计量给送频率F、即恒定的计量给送时间段L应用恒定的计量给送时间t的情况。当喷射还原剂时，NOx水平下降，随后所述NOx水平在催化剂中的还原剂基本已消耗时升高，在图表中体现为在计量给送时间段L结束处的上升。所述图表还示出阈值水平THl，当前NOx量度可以与所述阈值水平相比较。当然可以使用一个以上的阈值水平。图3中所展示的情况对于温度和流动而言相对稳定，因此NOx水平相对恒定。
图4展示了所添加的还原剂的量改变的情况，在这种情况下计量给送时间t逐渐增加，但是计量给送频率恒定。结果是，NOx量度在计量给送时段结束处的升高值减小，同时NOx降低。所述图示出了两个阈值水平TH2和TH3，当前NOx量度可以与所述两个阈值水平相比较。当然可以使用更多或更少的水平。在所展示的情况中，与第四次计量给送喷射相对应的减小量示出了以最低NOx量度形式的最有利结果。
图5提供了展示本发明的多个图表。顶部图表示出了在两种不同情况下在约6秒期间从NOx传感器所测量到的值，在一种情况下，以各喷射之间1秒的频率（标记为1Hz）添加尿素，在另一种情况下，以每秒四次喷射的频率（标记为4Hz）添加尿素。
下一个图表示出了在所述两种情况下催化剂中的存储水平。
底部两个图表示出了在所述两种情况下所传送的还原剂的剂量。
在所述两种情况下，计量给送频率在计量给送时间减少的情况下恒定，如通过例如比较112和117时刻相应的1Hz计量给送时间的最后一个图表所展示的。
在顶部图表中清晰地示出量度改变。
监控装置40将与所添加的还原剂的每个相关量的排气流有关的预定参数值存储在存储器44中。还识别并且存储当催化剂下游的废气中的NOx量度满足用于所添加的还原剂的量的最优调整的预定标准时所添加的还原剂的量的参数值和相关值。
预定标准包括例如将幅值与量度的一个或多个可设定的阈值相比较。
根据实施方式，如此调整以使得如果幅值超过预定阈值，那么更改还原剂至排气后处理系统的供给，例如通过增加计量给送频率并且减少计量给送时间。更常见的情况是，通过处理构件42调整所添加的还原剂的量以使得实现最优调整。
本发明还涉及一种方法，用于监控和调整机动车辆内燃机的排气后处理系统的功能。图2展示了所述方法最重要的步骤。
通过传感器提供的测量信号传达参数的量级，所述参数与从排气后处理装置流出的废气中的NOx有关，所述排气后处理装置的形式为例如催化剂（例如SCR催化剂）或过滤器，并且是排气后处理系统的一部分，其中，在特定测量时段中检测通过传感器传送的测量信号的幅值，并且向流入排气后处理装置中的废气添加还原剂。
所述方法还包括：
-在一测量时段中根据预定模式改变所添加的还原剂的量，
-检测排气后处理装置下游的废气中的NOx量度改变，和
-识别并且存储当排气后处理装置下游的废气中的NOx量度改变满足用于所添加的量的最优调整的预定标准时所添加的还原剂的量的值。
根据优选的实施方式，用于最优调整的标准是NOx量度最小化。
所述方法优选地还包括：
-存储预定参数值，所述预定参数值与所添加的还原剂的每个相关量的排气流有关，
-识别并且存储当催化剂下游的废气中的NOx量度满足用于所添加的量的最优调整的所述预定标准时所添加的还原剂的量的参数值和相关值。
随后调整所添加的还原剂的量以便实现最优调整。所述调整通过产生控制信号的处理器构件44完成，所述控制信号被传达至喷射装置12中的控制构件20。
为识别是否满足预定标准，所检测到的幅值例如与一个或多个可设定的阈值相比较。
所述比较的结果例如可以示出，超过给定阈值的幅值可能是由于催化剂的转化尿素能力下降所导致。补救行动的实施例继而可以是更改计量给送频率和计量给送时间，以使得以较小剂量但更频繁地喷射尿素。这在催化作用迅速发生的高温情况下可以导致更好的转化。
通常可以通过改变喷射还原剂的计量给送频率和/或计量给送时间改变还原剂的量。所述改变可以通过增加计量给送频率和/或计量给送时间完成。
还可以通过更改计量给送压力（即在喷射期间施加在还原剂上的压力）改变所添加的还原剂的量。这当然可以通过与改变计量给送频率和/或计量给送时间相结合完成。
根据本发明的另一实施方式，处理构件适于基于所识别出的最优参数值（即对于还原剂的每个具体剂量而言的相关温度和质量流量的值）识别排气后处理装置的动力学模型。
本发明不被限制到以上所描述优选的实施方式。各种替代例、改型和等同方案可以被使用。因此，以上实施方式将不被视作限制本发明的保护范围，所述保护范围通过所附权利要求限定。
Claims (23)
1.一种方法，用于基于测量信号监控和调整内燃机排气后处理系统的功能，所述测量信号来自用于获取与从排气后处理装置流出的废气中的氮氧化物（NOx）有关的参数的量级的传感器，所述排气后处理装置的形式为例如催化剂或过滤器，且形成排气后处理系统的一部分，其中，在特定测量时段中检测通过传感器传送的测量信号的幅值，并且向流入排气后处理装置中的废气添加还原剂，
其特征在于，所述方法还包括
-根据预定模式在一测量时段中改变所添加的还原剂的量，
-检测排气后处理装置下游的废气中的NOx量度改变，和
-识别并且存储在排气后处理装置下游的废气中检测到的NOx量度改变满足用于所添加的量的最优调整的预定标准的情况下所添加的还原剂的量的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用于最优调整的标准是NOx量度最小化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括
-存储与所添加的还原剂的每个相关量的排气流有关的预定参数值，
-识别并且存储在催化剂下游的废气中的NOx量度满足所述用于所添加的量的最优调整的预定标准的情况下所添加的还原剂的量的参数值和相关值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中调整所述所添加的还原剂的量以使得实现最优调整。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述预定标准包括所述幅值与可设定的阈值相比较。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述参数值是进入排气后处理装置的废气的质量流量和排气流的一个或多个温度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述排气后处理装置是选择性催化还原催化剂（SCR催化剂）。
8.根据权利要求3或6所述的方法，其中基于所述参数值识别所述排气后处理装置的动态。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中通过以计量给送频率F喷射添加所述还原剂，其中计量给送时间段L（L=l/F）定义为两个连续喷射之间的时间，所述喷射在所述计量给送时间段的可设定计量给送时间t期间发生，从而使得0<t<L。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过改变用于还原剂喷射的计量给送频率和/或计量给送时间改变还原剂的量。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中通过增加或减少计量给送频率改变所添加的还原剂的量。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中通过增加或减少计量给送时间改变所添加的还原剂的量。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中所述测量时段包括预定数量的计量给送时段。
14.一种用于内燃机的排气后处理系统，其包括例如以催化剂或过滤器形式的排气后处理装置（10），
传感器（22），所述传感器适于确定与从所述后处理装置流出的废气中的氮氧化物（NOx）有关的参数的量级的测量信号，其中所测量到的测量信号的幅值通过传感器传送，
喷射装置（12），所述喷射装置适于将还原剂添加至流入排气后处理装置的废气，
监控装置（40），所述监控装置包括处理构件（42）和存储器（44），所述处理构件适于接收来自传感器（22）的测量信号并且适于产生用于喷射装置的控制信号，
其特征在于，所述监控装置（40）适于将控制信号传送至喷射装置，以使得根据预定模式在一测量时段中改变所添加的还原剂的量，并且，处理构件适于检测排气后处理装置下游的废气中的NOx量度改变，并且适于在存储器（44）中识别和存储在后处理装置下游的废气中的NOx量度满足用于所添加的量的最优调整的预定标准的情况下所添加的还原剂的量的值。
15.根据权利要求14所述的排气后处理系统，其中用于最优调整的标准是NOx量度最小化。
16.根据权利要求14或15所述的排气后处理系统，其中所述监控装置（40）适于将与所添加的还原剂的每个相关量的排气流有关的预定参数值存储在存储器（44）中，并且适于在存储器（44）中识别和存储在催化剂下游的废气中的NOx量度满足用于所添加的量的最优调整的所述预定标准的情况下所添加的还原剂的量的参数值和相关值。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的排气后处理系统，其中通过处理构件（42）调整所添加的还原剂的量以使得实现最优调整。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的排气后处理系统，其中所述预定标准包括所述幅值与可设定的阈值相比较。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的排气后处理系统，其中所述参数值是进入排气后处理装置的废气的质量流量和排气流的一个或多个温度，并且所述参数值适于被传达至监控装置（40）。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的排气后处理系统，其中所述排气后处理装置是选择性催化还原催化剂（SCR催化剂）。
21.根据权利要求14-20中任一项所述的排气后处理系统，其中通过以计量给送频率F喷射由所述喷射装置（12）添加还原剂，其中计量给送时间段L（L=l/F）被定义为两个连续喷射之间的时间，所述喷射在所述计量给送时间段的计量给送时间t期间发生，从而使得0<t<L。
22.根据权利要求21所述的排气后处理系统，其中通过改变还原剂喷射的计量给送频率和/或计量给送时间改变还原剂的量。
23.根据权利要求21和22中任一项所述的排气后处理系统，其中所述测量时段包括预定数量的计量给送时段。
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