CN105102781A - 控制催化单元中的氨水平的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制催化排气系统中的氨水平的系统，包括：为来自所述系统或所述系统的催化单元的氨逸出/氨输出提供目标值的装置；比较所述目标值与反馈值以根据所述比较提供指令值的第一比较装置，和用于根据所述指令值控制还原剂例如尿素到所述排气系统中的配给的装置；输入所述指令值给传递函数或模型以提供对来自所述催化单元/系统的氨逸出/氨输出的估计值的装置；测量来自所述单元/系统的实际氨逸出/氨输出的装置；比较所述实际值与所述估计值的第二比较装置；根据来自所述比较装置的输出提供所述反馈值的装置。

Description

控制催化单元中的氨水平的方法
技术领域
本发明涉及催化（还原）系统，例如选择性催化还原（SCR）系统，并且具体地但不是唯一地涉及还原剂（例如尿素）的配给的控制，以控制车辆排气的催化系统的催化单元中的氨水平。
背景技术
在控制选择性催化还原（SCR）催化单元的已知方法中，将正确量的还原剂（例如尿素）喷到SCR单元的上游，其然后转换成氨。SCR单元中需要足够的氨水平以提供最大的NOx转换效率；然而，保持从排气输出（逸出）的氨水平为低值也是非常重要的。
为了满足排放法规，SCR催化剂需要闭环控制以便修正由于催化剂老化、尿素喷射器偏移、尿素质量变化等等可能引起的偏差。NOx传感器被广泛地用于执行这个闭环控制。还已知的是，使用氨传感器代替常规的NOx传感器来控制SCR系统中的尿素配给，也利用闭环控制。
催化系统的闭环控制中目前使用的氨检测有两种主要方式。在一个中，利用氨传感器连同NOx传感器为氨测量做准备，从而排气成分能够被完全地表征。既对NOx又对氨敏感的NOx传感器通过氨传感器信号得以补偿。这个控制因此依赖于精确的NOx和氨测量以相应地适当调整尿素配给。
本发明的目的是提供一种有效的方法和系统以控制氨（逸出），其是精确且有效的。本发明的另一目的是提供这样的控制，其不需要相当大的处理能力，而且利用最少的传感器。
发明内容
在本发明的一个方面，提供一种控制催化排气系统中的氨水平的方法，包括：i）为从所述系统或所述系统的催化单元出来的氨逸出/氨输出提供目标值；ii）比较所述目标值与反馈值以根据所述比较提供指令值，所述指令值用来控制还原剂到所述排气系统中的配给；iii）输入所述指令值给传递函数或模型以提供对从所述催化单元/系统出来的氨逸出/氨输出的估计值；iv）测量从所述单元/系统出来的实际氨逸出/氨输出；v）比较来自iv）的所述实际值与来自步骤iii）的所述估计值；vi）根据v）中的所述比较提供ii）中的所述反馈值。
该传递函数优选为所述催化系统/单元的逸出模型。优选地，该传递函数是一阶滞后函数。该传递函数可包括下列参数中的一个或多个：测得或估计的排气流量、催化剂温度和所述催化系统/单元内的氨水平。
一阶滞后函数的时间常数可以是。
式中，mexh是测得或估计的排气流量。
反馈值可以通过应用另一传递函数到来自步骤v）的比较的差值来提供。该另一传递函数可以是一阶滞后滤波器。
该还原剂可以是尿素。该方法可包括将所述指令信号转换成用于尿素喷射/配给装置的信号。
该方法可包括用从开环控制提供的用于尿素喷射/配给装置的另一信号补充用于尿素喷射/配给装置的所述信号。该开环控制可以具有一个或多个输入参数，选自：从排气和/或发动机输出的NOx水平；排气质量流量；和催化剂温度。
在另一方面中，提供一种控制催化排气系统中的氨水平的系统，包括：为从所述系统或所述系统的催化单元出来的氨逸出/氨输出提供目标值的装置；比较所述目标值与反馈值以根据所述比较提供指令值的第一比较装置，和用于根据所述指令值控制还原剂到所述排气系统中的配给的装置；输入所述指令值给传递函数或模型以提供对从所述催化单元/系统出来的氨逸出/氨输出的估计值的装置；测量从所述单元/系统出来的实际氨逸出/氨输出的装置；比较所述实际值与所述估计值的第二比较装置；根据来自所述比较装置的输出提供所述反馈值的装置。
附图说明
现在将以举例的方式描述本发明，参照附图，其中：
图1示意地示出车辆排气系统的选择性催化还原系统中使用的部件。
图2a示出用于控制还原剂配给的简单的现有技术系统。
图2b示出根据一个例子的用于控制还原剂配给的控制系统。
图3示出根据优选方面的逸出模型的例子，可用来提供控制系统的函数。
图4示出氨逸出和NOx输出如何随SCR单元中的氨水平而变。
图5示出根据一个例子，尿素配给的闭环控制如何能连同开环控制一起使用。
图6示出用于实施图5实施例的传感器的略图。
图7a和b示出本发明的实施例子的结果，分别针对过量配给和不足配给。
图1示意地示出选择性催化还原系统中使用的部件。示出了发动机1，其具有排气系统2，包括柴油机氧化催化剂（DOC）单元3、柴油机颗粒单元上的SCR催化剂（SCRF）4以及SCR催化单元5。配给喷射器6包括在DOC与SCRF单元之间，并且供自尿素输送模块7，其包括SCR罐8。尿素供应是通过电热进给管路9的。配给喷射器适合于喷射尿素到SCRF单元上游的排气系统里。因为配给喷射器邻近排气系统定位，为了冷却它，供应来自（例如发动机）冷却系统的水；冷却系统可包括热交换器/散热器10。配给喷射器由SCR驱动模块11控制，其进一步地由发动机电子控制单元（ECU）12控制。
当把尿素喷入排气中时，它转变成氨。在SCRF中，氨把NOx气体转变成氮和水。为了有效地起作用，SCRF单元需要操作成接近满的氨容量。然而，因为不希望通过排气散发氨，加入可选的SCR催化单元以分解氨。可以包含氨传感器13和控制器14；这些可以与ECU和SCR驱动模块通信。
具体实施方式
根据例子，单个氨传感器用来实施尿素配给/喷射的控制以提供所需水平的氨在SCRF或其它催化单元中。这个控制能被用于稳态和瞬态运转。SCR催化单元中的氨水平优选为保持在获得最优NOx转换效率的水平。氨逸出，也就是氨从SCRF单元出来，会存在并且优选为由氨传感器可测量；这将会是当氨存储位置几乎充满着氨时的情形。利用氨进行的NOx还原用储存的氨发生在催化剂表面。
在第一SCR下游增加第二催化剂（SCR或净化催化剂）能够防止氨从排气管逸出，同时进一步提高NOx转换效率。这样的系统也是符合所描述的发明。
图2a中示出传统的控制系统，用于与图2b示出的根据一个例子的控制系统作比较。在传统的系统中，设定氨目标水平，其可以由发动机控制单元设定或者被装载到发动机控制单元上。这个提供输入给实际（真实）系统15，尿素配给应据此而调整以便维持逸出中的期望氨水平。适当定位的氨传感器（例如，在催化/SCR单元的正下游）测量氨水平，并且在闭环控制中，反馈表征氨的信号，从而在20处比较氨水平的需求和实际值。根据这个比较适当地控制尿素配给以改变指令值，并且适当地控制尿素配给单元。
图2b示出根据一个例子的实施例，其包括另一闭环控制16，总体上用虚线表示。如前所述，设定目标氨水平并且输入到控制系统中。这又在20处与反馈水平作比较以提供指令水平（信号），其被输入实际系统。指令信号又被馈入传递函数P。该传递函数可以被看做模型或"逸出缓冲器"。本领域人员很清楚如何能够提供和实施这样的传递函数P。传递函数对尿素喷射/指令建模并将其与氨逸出关联；优选以计算有效方式进行建模。
逸出模型（或传递函数）P提供逸出中的氨水平的估计值。这然后在17与实际（测量值）作比较以提供反馈信号，其然后在20处与目标值作比较以调整尿素的控制，如所示。传递函数P优选为一阶滞后滤波器，具有与排气质量流量成反比的时间常数。
在所示例子中，反馈环路优选地包括另一传递函数F，其在优选例子中可以是一阶滞后滤波器。
在下面的控制结构中，F也优选为一阶滞后滤波器，具有固定的可标定时间常数从而确保控制稳定性和快速扰动抑制。因为传递函数P有效地嵌入催化系统/单元的动态模型，所以传递函数F的标定是直接了当的并且与已经实施在P中的系统的特性无关。
在一个优选实施例中，如所提及的，传递函数P是具有时间常数τ的一阶滞后滤波器，该常数与排气质量流量mexh成反比，见下文：
传递函数由现象逻辑物理模型产生，其中从存储位置释放的氨立刻积聚在所述逸出缓冲器中。这个逸出缓冲器然后逐渐地排空，排空速率与排气质量流量成比例并且与逸出缓冲器的水平（SlipBuff）成比例。下列方程式因此描述了根据一个例子如何能够用氨的参数建模催化单元：
NH3excess是由过量喷射产生的氨逸出速率；也就是，超过转变的氨流量的氨流量。在分隔的热瞬间，存储在SCR中的大量的氨能够逸出，但是在简单的例子中并没有考虑这个。当例如由于温度，氨大量地从SCR脱附时，所述控制可以暂时被禁用。
时间滞后常数可以与排气质量流量成反比。优选地，下面的方程式提供传递函数P，如所提到的，其优选地实施为时间常数τ的一阶滤波器：
使用这样的传递函数提供对氨释放的复杂瞬时行为的简单建模。这个控制因此依赖于内部模型控制结构，在此，传递函数P用来实施这个模型。图3示出这个模型的表示以及一阶传递函数如何实施这模型的特性。
目标氨逸出还可以作为催化剂温度的函数进行映射并且被标定仪获得NOx转换效率与氨逸出之间的最佳兼顾；见图4。闭环控制器有效地修正估计氨逸出与目标逸出之间的误差。
上面公开的闭环控制还能与开环控制一起使用以控制例如尿素的配给/喷射，如图5所示。图6示出传感器等的位置的略图，用于实施或测试这样的复合系统，并且这些部件包含与图1相似的附图标记。还可以包含NOx探针21用于测试。闭环控制单元16代表上面所述的闭环系统，具有氨逸出的目标和测量值，作为输入提供关于氨的指令值。这个值然后由变换器19转变成用于尿素配给单元的尿素流/喷射的值。排气质量流量的参数可以被输入并且也供变换器使用。能够使用任何适当的映射来实施这个。如所提到的，这用来控制尿素配给，并且本领域人员将知道如何实施控制方法来根据这个控制尿素。在图中，尿素配给的控制还取决于来自开环控制单元18的开环控制输入/信号。这个例子中给开环控制单元的输入是排气质量流量、催化剂温度、从发动机输出的NOx水平等等。输入不限于这些，并且能够由ECU测量和/或提供。
还注意到，这些输入的任一也可以被输入给闭环控制单元16，如虚线箭头所示（这是要给闭环控制内的模型提供附加参数，如所解释的）。
开环控制的输出是尿素流量需求信号。这增补了来自闭环控制的尿素流量控制（需求）信号，为催化单元上游的尿素喷射产生需求信号。
图6和图7示出图表，表明当类似于参照图5所述的复合控制方法被应用于紧耦合SCR涂覆过滤催化系统时的结果，从而在应用偏差给配给系统时维持稳定的排气管NOx排放量。EURO6是即将发布的欧洲排放法规（目前是EURO5）。这个法规规定了关于预定排放循环的HC、CO、NOx、微粒物质（PM）的最大排气管排放。
示出的NOx和氨排放都是在SCRF（过滤器上的SCR）催化剂下游测量的。图7a和7b分别示出不足配给和过量配给30%以及闭环如何使NOx排放量到标称排放（没有任何偏差）。这些图表还表明，当启用闭环时，氨逸出如何回到标称水平。
上面的描述仅仅是看做优选实施例。本领域技术人员和制造或使用本发明的人将想起本发明的改型。因此，要理解的是附图所示和上面描述的实施例仅仅是了示例的目的，并不意图限制本发明的范围，范围由下列权利要求限定，根据专利法的原则进行释义，包括等同原则。

Claims (23)

1.一种控制催化排气系统中的氨水平的方法，包括：
i）为来自所述系统或所述系统的催化单元的氨逸出/氨输出提供目标值；
ii）比较所述目标值与反馈值以根据所述比较提供指令值，所述指令值用来控制还原剂到所述排气系统中的配给；
iii）输入所述指令值给传递函数或模型以提供对来自所述催化单元/系统的氨逸出/氨输出的估计值；
iv）测量来自所述单元/系统的实际氨逸出/氨输出；
v）比较来自iv）的所述实际值与来自步骤iii）的所述估计值；
vi）根据v）中的所述比较提供ii）中的所述反馈值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述传递函数是所述催化系统/单元的逸出模型。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述传递函数是一阶滞后函数。
4.如权利要求1至3所述的方法，其中，所述传递函数包括下列参数中的一个或多个：测得或估计排气流量、催化剂温度和所述催化系统/单元内的氨水平。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，一阶滞后函数的时间常数是
式中，mexh是测得或估计排气流量。
6.如在前任一权利要求所述的方法，其中，所述反馈值是通过应用另一传递函数到来自步骤v）的比较的差值来提供。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述另一传递函数是一阶滞后滤波器。
8.如在前任一权利要求所述的方法，其中，所述还原剂是尿素。
9.如在前任一权利要求所述的方法，包括将所述指令信号转换成用于尿素喷射/配给装置的信号。
10.如在前任一权利要求所述的方法，包括用从开环控制提供的用于尿素喷射/配给装置的另一信号补充用于尿素喷射/配给装置的所述信号。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述开环控制具有一个或多个输入参数，选自：从排气和/或发动机输出的NOx水平；排气质量流量；和催化剂温度。
12.一种控制催化排气系统中的氨水平的系统，包括：
为来自所述系统或所述系统的催化单元的氨逸出/氨输出提供目标值的装置；
比较所述目标值与反馈值以根据所述比较提供指令值的第一比较装置，和用于根据所述指令值控制还原剂到所述排气系统中的配给的装置；
输入所述指令值给传递函数或模型以提供对来自所述催化单元/系统的氨逸出/氨输出的估计值的装置；
测量来自所述单元/系统的实际氨逸出/氨输出的装置；
比较所述实际值与所述估计值的第二比较装置；
根据来自所述比较装置的输出提供所述反馈值的装置。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述传递函数是所述催化系统/单元的逸出模型。
14.如权利要求12或13所述的系统，其中，所述传递函数是一阶滞后函数。
15.如权利要求12至14所述的系统，其中，所述传递函数包括下列参数中的一个或多个：测得或估计排气流量、催化剂温度和所述催化系统/单元内的氨水平。
16.如权利要求14或15所述的系统，其中，一阶滞后函数的时间常数是
式中，mexh是测得或估计排气流量。
17.如权利要求12至16任一所述的系统，具有提供所述反馈值的装置，利用装置来应用另一传递函数到来自第二比较装置的输出。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述另一传递函数是一阶滞后滤波器。
19.如权利要求12至18任一所述的系统，其中，所述还原剂是尿素。
20.如权利要求12至19所述的系统，包括将所述指令信号转换成用于尿素喷射/配给装置的信号的装置。
21.如权利要求12至20所述的系统，包括用于用从开环控制提供的用于尿素喷射/配给装置的另一信号补充用于尿素喷射/配给装置的所述信号的装置。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述开环控制具有一个或多个输入参数，选自：从排气和/或发动机输出的NOx水平；排气质量流量；和催化剂温度。
23.一种计算机可读介质或处理器，包含适合于执行权利要求1至11任一方法的计算机程序或代码。
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