CN103362614B - 柴油后处理系统的二氧化氮产生诊断 - Google Patents

Abstract

一种评价柴油发动机后处理(AT)系统中的二氧化氮（NO₂)产生效率的方法，该系统包括布置在发动机下游、产生NO₂的柴油氧化催化器（DOC）以及布置在DOC下游、在NO₂的辅助下转换NOx的选择性催化还原（SCR）催化器。发动机排气气流流入AT系统中，且还原剂被注入DOC和SCR催化器之间的气流中。SCR入口气流温度在瞬态发动机运行中被监测，且当SCR催化器入口气流温度在预定的范围中时检测DOC入口和SCR催化器出口NO_x浓度。SCR催化器NOx转换效率被使用检测到的DOC入口和SCR催化器出口的NO_x浓度确定。此外，通过将确定的NO_x转换效率和阈值NO_x转换效率比较而评价NO₂产生效率是否处于阈值效率或之上。

Description

柴油后处理系统的二氧化氮产生诊断

技术领域

本公开涉及用于评价柴油发动机后处理（AT）系统的二氧化氮(NO₂)产生效率的系统和方法。

背景技术

已经开发出各种排气后处理装置（诸如颗粒过滤器以及其他装置），以有效地限制来自内燃发动机的排气排放。在压缩点火或柴油发动机的情形中，持续花费了大量的努力以开发用于降低否则将存在于发动机的排气中的大量含碳颗粒物的排放的实用且高效的装置和方法。

一种用于现代柴油发动机排气的后处理（AT）系统通常包括柴油氧化物催化器（DOC）作为用于该目的的装置之一。DOC通常包含贵金属，诸如铂金和/或钯，其作为催化剂以氧化存在于排气流中的碳氢化物和一氧化碳成为二氧化碳和水。DOC可用于将在发动机气流中排放的一氧化氮（NO）转换成二氧化氮（NO₂）。

排气AT系统还可采用称作选择性催化还原（SCR）的化学工艺以在DOC产生的NO₂、催化剂、以及还原剂的辅助下将氮氧化物(NO_X)转换成双原子氮（N₂）和水（H₂O）。还原剂（其可为尿素的水溶液）通常在发动机的运行中和发动机的燃料的消耗成比例的注入发动机的排气气流中。一旦在排气气流中，则还原剂被吸收在系统的SCR催化器上，在该催化器上发生NO_x的转换。

发明内容

一种评价柴油发动机后处理(AT)系统中的二氧化氮（NO₂)产生效率的方法，该系统包括布置在发动机下游、且配置为产生NO₂的柴油氧化催化器（DOC）以及布置在DOC下游、且配置为在生成的NO₂的辅助下将氮氧化物（NO_x）转换成双原子氮（N₂)和水（H₂O)选择性催化还原（SCR）催化器。该方法包括使得来自发动机的排气气流进入AT系统中，在DOC下游且SCR催化器上游的AT系统中的位置处注入受控量的还原剂进入排气气流。

该方法还包括在瞬态发动机运行中监测SCR催化器入口处的排气气流的温度，以及在发动机继续瞬态运行且SCR催化器入口处的排气气流的温度处在预定范围中时检测SCR催化器的出口处的NO_x浓度以及DOC入口处的NO_x浓度。该方法还包括通过使用检测到的DOC入口处以及SCR催化器的出口处的NO_x的浓度来确定NO_x的SCR催化器转换效率。方法附加地包括通过将确定的NO_x转换效率和NO_x阈值转换效率进行比较而评价AT系统中的NO₂产生效率是否在阈值NO₂产生效率处或其之上。

发动机可包括配置为接收来自发动机的排气气流的排气歧管、连接至排气歧管且配置为使得来自排气歧管的排气气流流入AT系统的涡轮增压器。在这样的情形中，DOC可被紧联接至（close-coupled to）涡轮增压器。

如果AT系统中的NO₂产生效率低于阈值NO₂产生效率，则可确定DOC已经失效。根据本方法，还可产生标示DOC已经失效的信号。

根据本方法，注入还原剂至排气气流中、确定SCR催化器的NO_X转换效率、评价AT系统中的NO₂产生效率是否处于或高于阈值NO₂产生效率、和产生DOC已经失效的动作中的每一个都可由控制器完成。

检测DOC入口处的NO_X的浓度的动作可经由布置为与控制器电通信的第一NO_x传感器完成。此外，检测SCR出口处的NO_x的浓度的动作可经由布置为与控制器电通信的第二NO_x传感器完成。

评价AT系统中的NO₂产生效率是否在阈值NO₂产生效率或之上的动作可包括由控制器干涉地改动发动机的运行。这样的发动机运行的强制改动可通过管控排气再循环气流（EGR）以及还原剂的量中的至少一个而完成。

还原剂可为注入配置为引导排气气流从DOC至SCR催化器的通道中的尿素。

确定SCR催化器NO_x的转换效率的动作可通过将检测到的NO_x的浓度平均而完成。

SCR催化器处的排气气流的温度可在约190-215摄氏度的范围中。

还提供了用于评价AT系统中的二氧化氮(NO₂)产生效率的系统，以及采用该系统的车辆。

当结合附图时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势从下文中用于实施本发明的最佳模式的详尽描述中是轻易地明显的。

附图说明

图1是车辆的示意性平面视图，该车辆具有连接至排气系统的柴油发动机，该系统具有用于降低排气排放的后处理（AT）系统。

图2是用于评价图1中的AT系统中的二氧化氮(NO₂)产生效率的方法的流程图。

具体实施方式

参见附图，其中相同的附图标记指向相同的构件，图1示意性地示出了机动车辆10。车辆10包括压缩点火或柴油内燃发动机12，其配置为经由驱动轮14推动车辆。柴油发动机12中的内部燃烧在特定量的环境空气流16和由燃料箱20供应的计量量的燃料18混合、且产生的空气-燃料混合物在发动机的汽缸（未示出）内压缩时发生。

如所示，发动机12包括排气歧管22和涡轮增压器24。涡轮增压器24被由发动机12的各个汽缸在每一次燃烧事件后通过排气歧管22排出的排气气流26供能。涡轮增压器24连接至接收排气气流26并最终将气流释放至周围环境（通常在车辆10的侧部或后部）的排气系统28。尽管发动机12被描述为具有附连至发动机结构的排气歧管22，发动机可包括诸如大致形成在排气歧管中的排气通道（未示出）。在这样的情形中，上述通道可并入发动机结构中，诸如发动机的（一个或多个）汽缸盖。此外，尽管示出了涡轮增压器24，发动机12仍然可以配置且操作为不具有功率放大装置。

车辆10还包括柴油发动机后处理（AT）系统30。AT系统30包括多个排气后处理装置，其配置为从排气气流26中系统地移除大部分发动机燃烧的含碳颗粒副产品、并减少这样的颗粒进入大气。如所示，AT系统30作为排气系统28的一部分运行，且包括柴油氧化催化器（DOC）32。DOC32配置为产生二氧化氮（NO₂），其为布置在DOC32下游的选择性催化还原（SCR）催化器34所需要。总体地，关于NO₂的产生，DOC32在升高的温度上被激活且达到运行效率。因此，如图1所示，DOC32可被紧密联接至涡轮增压器24，以在气体到达DOC之前降低来自排气气流26的热能的损耗。

另一方面，SCR催化器34配置为在由DOC32产生的NO₂的辅助下将氮氧化物（NO_X）转换成双原子氮（N₂）以及水（H₂O)。SCR转换过程当在柴油发动机中采用还原剂时附加地需要受控量或计量量的还原剂，其通用的名称为“柴油-排气-流体”（DEF）35。DEF35可为包括水和氨（NH₃）的尿素的水溶液。DEF35被经由喷射器36从位于AT系统30中DOC32下游且SCR催化器34上游的贮液箱37注入排气气流26中。因此，DEF35在排气气流26流动通过SCR催化器时接近SCR催化器34。SCR催化器34的内表面包括用于吸引DEF的涂层，使得DEF可在NO₂存在的情况下和排气气流26相互反应，并产生化学反应，以还原来自发动机12的NO_X排放物。为了SCR催化器34中NO_x的有效转换，对于每1克NO_x约2.0-2.5克尿素通常被注入排气气流中。

SCR催化器34中的涂层的结构完整性是对于SCR催化器的运行效率负责的主要因素。涂层可由于由排气气流26产生的热应力而劣化，使得涂层变得不能将DEF35保持在SCR催化器34的内表面上。因此，当涂层变得劣化时，对于还原来自发动机12的NO_x排放物必须的化学反应不能被维持，且由此，SCR催化器34的运行效率受到影响。

在SCR催化器34之后，排气气流26前进至与柴油颗粒过滤器（DPF）40串联地布置且位于其上游的第二柴油氧化催化器（DOC）38。DOC38和DPF40收纳在箱体42中。DOC38配置为将存在于排气气流26中的碳氢化物和一氧化碳氧化成二氧化碳（CO₂）和水。DPF40配置为在排气气流26被排放至大气之前采集和处理由发动机12排放的排烟颗粒物。因此，典型的DPF40用作用于将颗粒物从排气流中移除的阱，该颗粒物特别地为非甲烷碳氢化物（NMHC）。DOC38和DPF40中的每一个通常包括诸如铂和/或钯的贵金属，其用作目标装置中的催化剂，以实现其相应的目的。在通过箱体42中的DOC38和DPF40之后，排气气流26被认为被充分其去除了有害颗粒物，且可继而被允许被排出排气系统28至大气。

AT系统还包括配置为感知至DOC32的入口处的NO_x的量的第一NO_x传感器44以及配置为感知SCR催化器34的出口处的NO_x的量的第二NO_x传感器46。AT系统还包括配置为将DEF与排气系统28中的排气气流26混合的至少一个DEF混合器48。AT系统30还包括配置为感知DOC32的入口温度的第一温度探针50以及配置为感知DOC32的出口温度的第二温度探针52。此外，AT系统30包括控制器54。控制器54可为独立单元，或可为管控发动机12的运行的电子控制器的一部分。此外，控制器54被编程为管控发动机12的运行，以及排气后处理装置（即DOC32、SCR催化器、DOC38和DPF40）的运行。喷射器36、第一和第二NOx传感器44、46、以及第一和第二温度探针50、52的每一个都与控制器54电通信，以便于通过控制器的AT系统30的管控。

车辆10还包括配置为评价和诊断DOC32中的NO₂产生效率的状态的系统56。系统56包括DOC32、SCR催化器34、喷射器36、第一和第二NO_x传感器44、46、第一和第二温度探针50、52、至少一个DEF混合器48、以及控制器54。系统52还包括通道58，其为排气系统28的一部分，且配置为承载混有至SCR催化器34的排气气流26的DEF35。作为控制器54在系统56的运行中起的作用的一部分，控制器被附加地编程，以进行AT系统30中(特别是DOC32中)的NO₂产生效率的诊断。作为进行诊断的一部分，控制器54管控喷射器36的运行，以将DEF35引入排气气流26中。控制器54还经由第一温度探针50在发动机12的瞬态运行期间监测SCR催化器34的入口处的排气气流26的温度，以验证SCR催化器34的入口温度在预定的范围59中。

通常，在瞬态发动机运行中，排气气流26的温度通常低于稳态发动机运行的大部分时刻中的温度，诸如当发动机被请求加速车辆时。内燃发动机（不论是柴油或汽油发动机）的瞬态运行通常定义为目标发动机中每一个燃烧循环过程，峰值汽缸温度和压力，以及瞬态动作自身的频率和持续时间变动时的非稳定发动机运行。瞬态发动机运行通常在发动机上的需要从加速主车辆切换至保持稳定车速或切换至车辆滑行减速和制动时发生。总体地，瞬态发动机运行可在发动机速度和功率上的需求和/或发动机运行条件被降低或以其他方式变动时发生。

瞬态发动机运行结合排气气流26的减低的温度能够允许DOC32中NO₂产生效率的更有效的诊断。允许通过控制器54的更有效的诊断，这是因为在这些运行条件处，DEF35相较于其他至排气气流26的NO₂的贡献源对通过SCR催化器34的NO_x的转换效率有最显著的影响。换句话说，在更低温度上，SCR催化器34中的NO_x转换更取决于由DOC32产生的恰当量的NO₂。根据上文，瞬态发动机运行中SCR催化器34处的排气气流26的预定的温度范围59可为约250摄氏度或以下，且更具体地约190-215摄氏度。

控制器54被附加地编程以经由第一NO_x传感器44在DOC32的入口处检测NO_x的浓度（通常以排气气流26的百万份体积（PPM）表示）。控制器54附加地经由第二NO_x传感器46检测SCR催化器34的出口处的NO_x浓度。随着发动机12在SCR催化器34处的排气气流26的温度被经由第一温度探针50感知到处在预定的范围59中时继续瞬态运行，经由第一和第二NOx传感器44、46对每一个NO_x的浓度进行检测。控制器54还被编程为使用经由第一和第二NO_x传感器44、46检测到的NO_x浓度确定通过SCR催化器34的NO_x转换效率。此外，控制器54还被编程以通过将确定的NO_x转换效率和NO_x阈值转换效率60进行比较而评价AT系统30中的NO₂产生效率是否在阈值NO2产生效率或其之上。如果DOC32确定为运行在阈值NO₂产生效率或之上，则DOC38被认为是正常运行的，且不需要更换。

SCR催化器34的NO_x的阈值转换效率60可通过测试供应有恰当量的NO₂的经验证的SCR催化器34的高效率示例、且继而将该值编程进入控制器54而经验地建立。此外，SCR催化器34的NO_x的阈值转换效率60可和建立的DOC32的NO₂产生效率的阈值经验地相关。

控制器54还可被编程为通知维护人员和/或车辆10的操作者DOC32的运行效率的状态。因此，在控制器54确定NO_x的实际SCR34催化器转换效率小于NOx的阈值转换效率时，DOC32可被识别为已经失效。在这样的情形中，控制器54可附加地产生传感信号62，例如经由用于维护人员和/或车辆10的操作者、标示DOC38已经失效的预定的数字编码，或视觉或听觉的显示。

图2描述了评价AT系统30中的二氧化氮(NO₂)产生效率的方法70，如上关于图1所示。因此，方法在框72中开始，在该处其包括将来自发动机12的排气气流26进入AT系统30中。从框72开始，方法前进至框74，在该处方法包括经由可受控制器54管控的喷射器36将还原剂注入位于DOC32下游且SCR催化器34上游的排气气流26中。方法从框74前进至框76。在框76中，该方法包括经由控制器54在瞬态发动机运行中监测SCR催化器34处的排气气流的温度。

在框76之后，方法前进至框78，在该处方法经由控制器54检测DOC32的入口处的NO_x的浓度以及SCR催化器34的出口处的NO_x的浓度。如上所述，在发动机继续瞬态运行且SCR催化器入口处的排气气流26的温度处在预定范围中时完成SCR催化器34的入口和出口处的NO_x的浓度的检测。在框78之后，方法前进至框80，在该处方法包括经由控制器54使用检测到的DOC32的入口处的NO_x的浓度和SCR催化器34的出口处的NO_x的浓度确定通过SCR催化器34的NO_x转换效率。

控制器可通过在检测到的样本的数量上将在特定时间框中积累的NO_x的全部检测到的瞬时浓度平均而确定通过SCR催化器34的NO_x的转换效率。在通过SCR催化器34的NOx的转换效率已经在框80中被确定之后，方法前进至框82。在框82中，方法包括通过将确定的NO_x转换效率和NO_x阈值转换效率60进行比较而评价AT系统30中的NO₂产生效率是否在阈值NO₂产生效率或其之上。

作为评价AT系统30中NO₂产生效率的一部分，方法70可附加地干涉地控制发动机12的运行，即，通过由控制器54实际改动发动机运行和性能。这样的发动机12的强制控制可经由管控排气再循环气流（EGR）和DEF35的量中的至少一个而完成，以确保发动机12以可预测的方式运行，该方式对于AT系统30中NO₂产生效率的有效评价而言是有利的。在本文中使用时，术语“干涉地”指的是该动作仅出于诊断目的进行，即，仅出于实施方法70的目的，且不是用于响应于操作者的请求而控制发动机运行或发动机排放。

附加地，在框82之后，方法可前进至框84，在该处如果AT系统30中的产生效率低于阈值NO₂产生效率，则控制器54产生标示DOC32已经失效的传感信号62。

该详尽的描述和附图或图表仅用于支持和描述本发明，但本发明的范围应仅有权利要求书限定。尽管已经描述了用于执行所公开的发明的最佳模式以及其他是私立，存在有各种可替换设计和实施例用于实施由所附的权利要求书限定的本发明。

Claims (8)

1.一种评价柴油发动机后处理(AT)系统中的二氧化氮(NO₂)产生效率的方法，该方法包括：

使得排气气流从发动机进入AT系统中，其中AT系统包括布置在发动机下游、且配置为产生NO₂的柴油氧化催化器(DOC)以及布置在DOC下游且配置为在生成的NO₂的辅助下将氮氧化物(NO_x)转换成双原子氮(N₂)和水(H₂O)的选择性催化还原(SCR)催化器；

在DOC下游且在SCR催化器上游的AT系统中的一位置处注入还原剂进入排气气流中；

在瞬态发动机运行中监测SCR催化器入口处的排气气流的温度；

在发动机继续瞬态运行且SCR催化器入口处的排气气流的温度处在预定范围中时检测SCR催化器的出口处的NO_x浓度以及DOC入口处的NO_x浓度；

通过使用检测到的DOC入口处以及SCR催化器的出口处的NO_x的浓度来确定NO_x的转换效率；和

通过将确定的NO_x转换效率与NO_x的阈值转换效率进行比较而评价AT系统中的NO₂产生效率是否在阈值NO₂产生效率处或其之上。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述发动机包括配置为接收来自发动机的排气气流的排气歧管、连接至排气歧管且配置为使得来自排气歧管的排气气流进入AT系统的涡轮增压器，且其中DOC被紧联接至涡轮增压器。

3.如权利要求1所述的方法，其中如果AT系统中的NO₂产生效率低于阈值NO₂产生效率，则确定DOC已经失效，该方法还包括产生标示DOC已经失效的信号。

4.如权利要求3所述的方法，其中注入还原剂进入排气气流、确定通过SCR催化器的NO_x的转换效率、评价AT系统中的NO₂产生效率是否处在阈值NO₂产生效率处或之上、以及产生DOC已经失效的信号中的每一操作都由控制器完成。

5.如权利要求4所述的方法，其中检测DOC入口处的NO_x的浓度是经由布置为与控制器电通信的第一NO_x传感器完成的，且检测SCR催化器的出口处的NO_x的浓度经由布置为与控制器电通信的第二NO_x传感器完成。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述评价AT系统中的NO₂产生效率是否在阈值NO₂产生效率处或之上包括由控制器干涉地改动发动机的运行。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述还原剂为注入配置为引导排气气流从DOC流至SCR催化器的通道中的尿素。

8.如权利要求1所述的方法，其中确定通过SCR催化器的NO_x的转换效率是通过将检测到的NO_x的浓度平均而完成的。