CN105917092A - 控制多选择性催化还原系统的方法 - Google Patents

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Abstract

控制包括定位在第二催化单元的上游的第一催化单元的催化式排气系统的方法，包含：i）提供在第一催化单元的温度、存储在第二催化单元的NH3量和在第一单元中容许的NH3量的相应限制值之间的关系；ii）测量或估算在第二催化单元中的NH3量；iii）测量或估算第一催化单元的温度；iv）利用所述关系和步骤ii）和iii）的测量/估算得的参数来提供对将存储在所述第一催化单元中的NH3量的所述限制值；v）在所述系统的控制中利用来自iv）的所述参数。

Description

控制多选择性催化还原系统的方法
技术领域
本发明涉及车辆的选择性催化还原（SCR）结构/系统，并对控制有多于一个SCR单元的多SCR系统有特定的应用。
背景技术
多SCR催化剂结构被引入到现今的车辆排气系统中以取得比常规单个底板下置SCR更高的NOx转化效率。典型的多SCR结构包括紧耦合的过滤器上的SCR（SCRoF）单元，其下游定位有底板下置SCR（U/F SCR）单元。特别由于提供紧耦合SCRoF单元的较快起燃和较高温度，与底板下置位置中的额外体积相结合，该构造在NOx的性能上是有优势的。U/F SCR的较低操作温度对于管理热瞬态期间在SCRoF单元中较高的NH3覆盖率和NH3逸出SCRoF也是有益的。
这类多SCR系统的常规的前馈控制通常着眼于系统中的第一SCR单元（SCRoF），因为在第一催化单元中的氨（NH3）的填充水平（或覆盖率）对于取得整体高的NOx转化是决定性的。对于该种控制，底板下置SCR被用作被动的NH3捕集器/转化器。为确保在剧烈的热瞬态期间没有NH3从底板下置SCR中被放出，这类系统被校准以使在各种状况中从SCRoF中放出的NH3的量受限制。这种做法的不足在于，SCRoF和底板下置SCR都没有被最佳装载NH3，以防止在各种驾驶状况中的NH3逸出。相比于两个催化剂的全部潜能来说，用这类控制所取得的NOx转化会是有限的。
本发明的目标是克服前述问题。
发明内容
在一个方面，提供控制包括定位在第二催化单元上游的第一催化单元的催化式排气系统的方法，其包含：i）提供在第一催化单元的温度、存储在第二催化单元中的NH3 量和在第一单元中所容许的NH3量的相应限制值之间的关系；ii）测量或估算在第二催化单元中的NH3量；iii）测量或估算第一催化单元的温度；iv）使用所述关系和步骤ii）和iii）中测量/估算得的参数来提供将被存储在所述第一催化单元中的NH3量的限制值；v）在所述系统的控制中使用来自iv）的所述参数。
这些单元可以是选择性催化还原单元。单元可以是在过滤器上的选择性催化还原单元（SCRoF），并且所述第二单元，底板下置选择性催化还原单元（U/F SCR）。
在步骤ii）中，所述氨的量可由第二单元的模型提供以及/或者第一模型的温度由第一单元的模型提供。
所提供的限制值被与测量或估算得的实际值比较，且根据所述比较结果，控制喷射在所述第一单元上游的尿素的量。
来自步骤iv）的参数可被输入到SCR单元的模型中。
在另外的方面，提供控制包括定位在第二催化单元上游的第一催化单元的催化式排气系统的系统，其包含：用于提供在第一催化单元的温度、存储在第二催化单元中的NH3量和在第一催化单元中所容许的NH3量的相应限制值之间的关系的装置；用于测量或估算在第二催化单元中的NH3量的装置；用于测量或估算第一催化单元温度的装置；使用所述关系和测量/估算的参数来提供将被存储在所述第一催化单元中的NH3量的所述限制值的装置；在所述系统的控制中使用所述限制值参数的装置。
附图说明
图1显示包含多SCR单元的排气系统的一部分；
图2显示用于控制单个SCR单元的已知模型；
图3显示具有SCRoF单元和U/F SCR单元的多SCR系统的简化模型，并且包括依照本发明的例子的前馈控制。
图4显示在图3例子的前馈控制例子中使用的参数之间的有用关系；
图5显示了概述用来提供图4的数据的模拟的例子；以及
图6显示来自本发明的实现的测试结果。
具体实施方式
图1显示排气系统的一部分的示意图，示有DOC单元，该DOC单元的下游定位有第一SCRoF和定位在底板下的第二（U/F）SCR。尿素被喷射在第一SCR单元的上游；通过废气的热量该尿素被转化为氨，上述氨在下游单元中被用作催化剂。
结合底板下置SCR的SCRoF催化剂的一个主要优势是，系统的快速起燃提供早期将取得的高的NOx转化。SCRoF应装载NH3以在U/F SCR仍太冷以致不能转化任何NOx的状况下确保好的总NOx转化效率。另一方面，由于有限的SCRoF体积，该单元独自可能不足以达到尾气排放目标，尤其对于在非周期状况中所见的高流动状况来说。因此，一些NOx转化必须在U/F SCR中执行。为了将NH3存储在U/F SCR中，应有一定程度的NH3从SCRoF逸出到U/F SCR。因此，为了取得关于满足排放目标以及防止氨从废气逸出的最佳操作，SCRoF应总是在尽可能接近它最大容量的高的NH3存储水平下来操作。然而，如果太多的NH3被存储在系统中，温度瞬态会引起来自底板下置SCR的NH3逸出高于容许限度。本发明提供使存储在SCRoF中的NH3最大化同时在任何驾驶状况下维持排气管的NH3逸出低于必要限度的控制策略。
单个SCR控制背景
在该部分中，将参照一些现有技术的方法体系来描述单个SCR单元可怎样被控制。
现有技术的方法体系出于控制策略的目的尝试利用技术来对例如SRC单元建模。图2显示用于单个SCR的这类模型，其显示了相关的输入和输出参数以及模型的元素。控制器的核心经常指的是“NH3覆盖率观测器”。它由现象学的化学模型构成，解释影响NOx转化的主要参数和所得NH3覆盖率：空间速度、催化剂温度，模拟的进气中的NO2/NOx比，NH3存储容量，NH3覆盖率等。NH3覆盖率观测器需要若干输入，例如进气中的NO2/NOx比。该比值也可基于空间速度、温度和累积在微粒过滤器中的碳烟质量来建模。发动机排出的NOx可通过NOx传感器测量或由也内置的模型进行估算。如在图2中所示，控制调整尿素定量以使模拟的NH3覆盖率匹配目标NH3覆盖率。目标NH3覆盖率被校准以优化在NOx转化和控制器SCR下游的NH3逸出之间的折衷。图1描述基于闭环控制的NOx传感器的原理。由于信号处理能够从原始的传感器信号中提取NOx和NH3两者，因此控制器能够修正SCR催化剂模型（NH3覆盖率观测器）或直接地修正尿素需求量（尿素喷射控制器）。
本发明的方面的具体描述
对多SCR结构采取纯建模方法的问题是，对于多SCR催化剂系统，例如结合底板下置SCR的紧耦合SCRoF，影响NOx转化效率和排气管NH3逸出的所有参数的广泛测试将是必需的，而这将耗费时间和资源。多层一维（1D）化学模型被开发来评估每个参数在多SCR催化剂控制策略中的重要性。
实质上，在本发明的一个方面，通过提供用于SCRoF和U/F SCR的串联连接的模型从而模拟完整的SCR排气管，提供控制。尤其，在本发明的一个方面中关注前馈控制器的使用，其提供在a）SCRoF温度，b）存储在U/F SCR中的NH3和c）存储在SCRoF中的最大NH3之间的关系，其中c）存储在SCRoF中的最大NH3可被认为是给出最优效率同时保持排放要求，因此可被认为是存储在SCRoF中的NH3的目标或限制值。该参数随后可被用在适当的控制中。下文在权利要求中该值将被称为限制值。
图3显示具有SCRoF和U/F SCR的多SCR系统的简化模型，并且包括依照本发明的一个方面的、联系以上参数的前馈控制器。该前馈控制器是核心特征，并提供在SCRoF温度、U/F SCR中存储的NH3和理想/优化条件下存储在SCRoF中的最大/目标（即限制值）NH3之间的这样的关系。关系能够以三维图的方式被可视化，如在图4中所更加详细显示的。关系可被存储作，例如三维查找表，及用在控制策略或控制模型中以优化性能的数据（存储在第一单元中的NH3的目标/限制参数）。
技术人员将清楚怎样可提供这类被用在前馈控制器（例如被提供在查找表中）中的数据；通过执行必要的测试或模拟。然而为了更加详细地说明此，接着解释怎样可提供这类数据以在各种状况下提供最优效率而无过多NH3逸出。
由于SCR催化剂的容量随温度下降，最糟糕的案例情况（其可引起过多的排气管NH3逸出）是，例如由于突然的驾驶员加速，废气的快速温升。已知的模型被用于该情况中来提供模拟以理解在多SCR系统的控制中需要考虑的参数以避免过多NH3逸出。确定的是，最高温度瞬态发生在加速期间，其中SCRoF床温达到400℃；伴随在26g/s的排气流量的220ppm的发动机排出的NOx。为复制该情况，从当前温度到400℃的温阶被应用在DOC的入口处。利用已知的温度模型模拟沿着排气管的温度演变。利用以上所描述的SCR模型模拟NH3逸出。
图5显示以SCRoF在170℃和U/F SCR在140℃作为初始条件的温阶的例子。两个催化剂具有预先限定水平的存储NH3。该温阶引起超过200ppm的尾管NH3逸出峰值。相同类型的模拟被执行用于SCRoF温度和NH3填充水平以及U/F SCR温度和NH3填充水平的所有组合。大概1000次的模拟在系统上被执行以识别影响参数从而限制尾管NH3逸出。关于所有这些测试，最大尾管NH3逸出被记录。如之前所描述的，忽略NH3的排放，双单元SCR系统的最佳控制通过最大化第一SCR中的存储NH3取得。然而，如早先说明的，万一温度突然变化这可能引起高的尾管NH3逸出。选择带有低于目标限制值（这里设置到30ppm）的最大NH3逸出的所有点。模型随后被建立，其输出作为SCRoF温度和U/F SCR中的存储质量的函数的存储在SCRoF中的最大可接受NH3。U/F SCR的初始温度对模型仅具有非常微小的影响，因此，模型可被缩减为SCRoF温度和U/F SCR中的存储质量的3D映射函数以输出在SCRoF中的最大存储质量，对于阶梯测试来说在该最大存储质量之下30ppm的限制逸出值不会被超过。
如果存储在SCRoF中的NH3持续保持低于或等于由图4给出的值，则尾管NH3逸出不应超过30ppm，甚至在考虑的最坏情况的温度瞬态下。可以从该表中看到，当U/F SCR中的存储NH3量超过300mg，SCRoF应通过停止尿素喷射被清空。因此，作为一般性评论来说，U/F SCR的覆盖率必须被保持在相对低的值以确保在尾管处没有过多的NH3逸出；这是我们将明确给UF中存储的NH3的目标。此外，对于第二SCR催化剂中固定的存储质量，当温度增加时，SCRoF必须被清空。
因此本质上在一个方面中本发明提供了装置，该装置提供应被存储在多SCR系统的第一SCR单元中的最大容许NH3量的非常有用的参数，用于最优效率和性能。通过预先存储对于最优性能状况的该参数和第二单元中氨水平的关键参数，以及在第一SCRoF单元中的温度之间的关系，提供该参数。因此，该目标参数可被确定，例如通过存储在查找表中，并且其被用在控制策略或控制模型中。
因此比如这样的查找表可被例如，整合到图1所示的控制中用以计算SCRoF的“NH3的覆盖率限制”。由于U/F SCR的NH3覆盖率是用来驱动SCRoF覆盖率目标的输入，因此利用与图1中呈现的用于U/F SCR的控制中所用相似的SCR模型，它被估算。进入第二催化剂的NH3流量或者对于纯开环控制由SCRoF模型估算或者也可通过传感器测量。因此，关系数据（从模拟中获得的）可被用于设计控制结构，其随后可被应用于真实的组合的SCRoF与U/F SCR系统以评估这类组合控制的性能。来自图3的SCRoF的NH3限制表因而可被用作校准参数。
图6显示组合控制的性能。在尾管处的最大逸出保持低于30ppm，整个系统的NOx转化效率是在92％。如预期的，NOx的主要部分在SCRoF中被转化，其转化效率在78％。尾管NH3逸出，接近目标限度，表明U/F SCR以最优的效率被运行来在SCRoF之后转化剩余的NOx。
阐明本发明的方面的另一方法是，根据用于UF SCR的目标NH3填充，前馈控制需要更多尿素。这抵消了逸出SCRoF的NH3从而确保了足够的NH3被送到UF SCR。依照本发明的方面的该套方法限制SCRoF的覆盖率目标以防止尾管逸出及控制UF覆盖率达到目标，如同对于单个SCR控制。由于双SCR系统的复杂性，该UF不能在该目标处被精确控制。这是为什么有引入对SCRoF存储的限制从而防止尾管逸出的特征。UF也被控制到预先限定的目标覆盖率，并且可通过相同于单个SCR系统所用的方法完成。SCRoF覆盖率限制的特征能够补充现有的前馈控制器。

Claims (10)

1.一种控制包括定位在第二催化单元的上游的第一催化单元的催化式排气系统的方法，包含：
i) 提供在所述第一催化单元的温度、存储在所述第二催化单元中的NH3的量和在所述第一单元中容许的NH3量的相应限制值之间的关系；
ii) 测量或估算在所述第二催化单元中的NH3的量；
iii) 测量或估算所述第一催化单元的温度；
iv) 利用所述关系和步骤ii）和iii）的测量/估算的参数来提供对将被存储在所述第一催化单元中的NH3的量的限制值；
v) 在所述系统的控制中使用来自iv）的所述参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述单元是选择性催化还原单元。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一单元是过滤器上的选择性催化还原单元（SCRoF），所述第二单元是底板下置选择性催化还原单元（U/F SCR）。
4.如权利要求1到3所述的方法，其中在步骤ii）中，所述氨的量通过所述第二单元的模型提供并且/或者所述第一模型的温度通过所述第一单元的模型提供。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所提供的限制值被与测量或估算的实际值比较，并且根据所述比较的结果，控制在所述第一单元上游喷射的尿素的量。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其中来自步骤iv）的所述参数被输入到SCR单元的模型中。
7.一种控制包括定位在第二催化单元的上游的第一催化单元的催化式排气系统的系统，包含：
用于提供在所述第一催化单元的温度、存储在所述第二催化单元中的NH3量和在所述第一单元中容许的NH3量的相应限制值之间的关系的装置；
用于测量或估算在所述第二催化单元中的NH3量的装置；
用于测量或估算所述第一催化单元的温度的装置；
使用所述关系和测量/估算的参数来提供对将存储在所述第一催化单元中的NH3量的所述限制（目标）值的装置；
在所述系统的控制中使用所述限制值参数的装置。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述单元是选择性催化还原单元。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第一单元是过滤器上的选择性催化还原单元（SCRoF），所述第二单元是底板下置选择性催化还原单元（U/F SCR）。
10.如权利要求7到9所述的系统，其具有用于比较所述限制值与测量或估算的实际值的装置，并且根据所述比较的结果，控制在所述第一单元上游喷射的尿素的量。
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