CN108119210A - 用于控制废气处理系统的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制废气处理系统的方法。废气处理系统包括由废气源供应至选择性催化还原装置的废气流以及利用容积泵的还原剂供应源。废气源可包括内燃机(ICE)，诸如汽油或柴油ICE。用于控制废气处理系统的方法包括命令还原剂定量供给量、确定容积泵激励时间、确定激励时间校正以及激励该泵。该容积泵可包括泵逻辑，且可由该泵逻辑来确定容积泵激励时间。可使用校准表来确定激励时间校正。该校准表可基于当前泵压力和所命令的定量供给量来规定激励时间校正。

Description

用于控制废气处理系统的方法
引言
在内燃机(ICE)的燃烧循环期间，将空气/燃料混合物提供给ICE的气缸。空气/燃料混合物被压缩和/或点火并且燃烧以提供输出转矩。在燃烧之后，ICE的活塞强制气缸中的废气排出排气阀开口并进入排气系统中。从ICE、具体柴油发动机中排出的废气是不均质混合物，其含有诸如一氧化碳(CO)、未燃烧烃和氮氧化物(NOx)的气态排放物以及构成颗粒物质的凝相材料(液体和固体)。含有过多氧气的排气进料流中的NOX排放物发生还原对于车辆制造商而言是具有挑战性的。
废气处理系统可以在一个或多个部件中采用催化剂，该一个或多个部件配置为用于实现诸如还原NOx以产生氮气(N2)和水(H2O)的更可容忍排气组分的后处理过程。用于还原NOx排放物的一种类型的排气处理技术是选择性催化还原(SCR)装置，其通常包括上面设置有催化剂化合物的基底或载体。排气流经催化剂转化期望化合物中的某些或所有排气组分，诸如未调节的废气成分。还原剂通常被喷射至SCR上游的热废气中、分解成氨，并且被SCR装置吸收。然后在SCR催化剂存在下，氨将NOx还原成氮气。对还原剂输送至SCR装置的精确控制仍然存在挑战。
发明内容
根据示例性实施例的一个方面，提供了一种用于控制废气处理系统的方法。废气处理系统可包括由废气源供应至选择性催化还原装置的废气流以及利用容积泵的还原剂供应源。另外地或替代地，废气处理系统包括由废气源供应至选择性催化还原过滤器装置的废气流。废气源可包括ICE，诸如汽油或柴油ICE。用于控制废气处理系统的方法包括命令还原剂定量供给量、确定容积泵激励时间、确定激励时间校正以及激励该泵。该容积泵可包括泵逻辑，且可由该泵逻辑来确定容积泵激励时间。可使用校准表来确定激励时间校正。该校准表可基于当前泵压力和所命令的定量供给量来规定激励时间校正。
虽然本文将许多实施例与用于废气处理系统的容积泵相联系而加以描述，但是本文实施例通常适于控制其它应用中的容积泵。
从示例性实施例和附图的以下详细描述中，示例性实施例的其它目的、优点和新颖特征将变得更显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的废气处理系统的示意图；
图2A说明了根据一个或多个实施例的利用容积泵的还原剂供应源；以及
图2B说明了根据一个或多个实施例的利用连续泵的还原剂供应源；以及
图3说明了根据一个或多个实施例的用于校正容积泵激励时间的方法。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开实施例仅仅是示例且其它实施例可呈现各种形式和替代性形式。图式不一定按比例绘制；某些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制，而仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域一般技术人员将理解的是，参考任何一个图式说明并描述的各个特征可结合一个或多个其它图式中说明的特征以产生未明确说明或描述的实施例。所说明的特征组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，针对特定应用或实施方案，与本公开的教导一致的特征的各个组合和修改是可以期待的。
选择性催化还原(SCR)装置通常用于处理由ICE供电的车辆的废气，并且依赖于将还原剂输送至废气以实现废气的处理和SCR装置的正确催化操作。容积泵通常用于将期望的还原剂剂量输送至废气处理系统，但是容积泵的泵逻辑和操作特性通常导致定量供给不准确。本文提供的方法允许通过减少浪费的还原剂和NH3泄漏在排气处理系统(诸如下文所述的系统10)中有效地利用任何容积泵。另外，更高的还原剂定量供给精度将允许SCR催化剂模型(例如NH3存储、NH3泄漏、还原剂定量供给适应)更准确地执行。
以下描述本质上仅仅是示例性的，并且不意图限制本公开、其应用或用途。如本文所使用，术语模块是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能性的其它合适部件。
现在参考图1，示例性实施例涉及用于还原废气源、ICE12的废气组分的废气处理系统10。本文所述的废气处理系统10可在各种发动机系统中实施，该发动机系统可包括但不限于柴油发动机系统、汽油直喷系统和均质充气压燃发动机系统。本文中，发动机将被描述成用于生成用于车辆的转矩，但是其它非车辆应用也在本公开的范围内。因此，当提及车辆时，本公开内容应被解释为适用于ICE的任何应用。另外，ICE12通常可表示能够生成包括NOx物种的废气流15的任何装置，且因此本文的公开内容应当解释为适用于所有这样的装置。应当进一步理解的是，本文公开的实施例可适用于处理不包括NOx物种的流出物流，且在这种情况下，ICE12也可通常表示能够生成不包括NOx物种的流出物流的任何装置。
废气处理系统10通常包括一个或多个废气导管14和一个或多个排气处理装置。可包括若干段的废气导管14将废气15从ICE12输送至废气处理系统10的各种排气处理装置。在某些示例性实施例中，废气15可包括NOx物种。如本文所使用，“NOx”是指一种或多种氮氧化物。NOx物种可包括NyOx物种，其中y>0且x>0。氮氧化物的非限制性示例可包括NO、NO2、N2O、N2O2、N2O3、N2O4和N2O5。
在所说明的实施例中，废气处理系统10的装置包括SCR装置26和可选颗粒过滤器(PF)装置30。所示的实施方案将PF装置30和SCR催化剂124设置在公共壳体中，但是此实施方案是可选的，且为SCR催化剂124和PF装置30提供分立壳体的实施方案是合适的。另外，在许多实施例中，PF装置30可设置在SCR装置26上游。可明白的是，本公开的废气处理系统10可包括图1中所示的一个或多个排气处理装置的各种组合和/或其它排气处理装置(未示出)，并且不限于本示例。例如，废气处理系统10可选地包括氧化催化剂(OC)装置(未示出)、吸收剂颗粒的溢流容器(未示出)、电加热催化剂(EHC)装置(未示出)以及其组合。废气处理系统10可进一步包括控制模块50，其经由许多传感器可操作地连接以监控发动机12和/或废气处理系统10。
SCR装置26可设置在ICE12的下游。在某些实施例中，SCR装置26可设置在可选EHC装置、吸收剂颗粒的可选溢流容器、可选OC装置以及其组合的下游。一般而言，SCR装置26包括利用还原剂36和催化剂将NO和NO2转化为无害成分的所有装置。SCR装置26可包括(例如)可包装在不锈钢外壳或罐中的溢流陶瓷或金属单块基底，该不锈钢外壳或罐具有与废气导管14流体连通的入口和出口。基底可包括施用至其上的SCR催化剂组合物。SCR装置催化剂组合物通常是多孔和高表面积材料，其可在还原剂36(诸如氨)的存在下操作来转化率废气15中的NOx组分。例如，催化剂组合物可含有沸石和一种或多种贱金属成分，诸如铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)或钒(V)、钠(Na)、钡(Ba)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)以及其组合。在某些实施例中，沸石可为β-型沸石、Y型沸石、ZM5沸石或任何其它结晶沸石结构，诸如菱沸石或USY(超稳定Y型)沸石。当与PF装置30串联使用时，合适的SCR催化剂组合物可具有高热结构稳定性，该SCR催化剂组合物经由高温排气烟尘燃烧而再生。
SCR催化剂组合物可在基底主体上施用修补基面涂层，该基底主体容置在与废气导管14和可选的其它排气处理装置流体连通的罐内。基底主体可(例如)为陶瓷砖、板结构或任何其它合适的结构(诸如单块蜂窝结构，其包括每平方英寸数百至数千个平行的溢流孔)，但是其它配置也是合适的。每个溢流孔可由壁表面限定，在壁表面上可对SCR催化剂组合物施用修补基面涂层。基底主体可由能够承受与废气15相关联的温度和化学环境的材料形成。可使用的材料的某些具体示例包括陶瓷，诸如经挤压堇青石、α-氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅-氧化镁、硅酸锆、硅线石、石榴石或耐热和耐腐蚀金属(诸如钛或不锈钢)。
如所示，PF装置30可设置在SCR装置26的下游，或可设置在SCR装置26的上游。在某些实施例中，排气处理系统10可包括选择性催化还原过滤器(SCRF)装置。SCRF装置通常将SCR装置和PF装置两者的多个方面结合至单个装置中。在某些实施例中，排气处理系统10可包括SCRF装置，其作为SCR装置26和PF装置30的替代或作为SCR装置26和PF装置30的补充。为了本公开的目的，SCRF装置将被认为是一种SCR装置。因此，本文公开的方法可单独地或组合地用于SCR装置和SCRF装置两者。
图1说明了控制模块50，其可操作地连接至发动机12和还原剂供应源40。控制模块50可进一步操作地连接至上述可选排气处理装置。如所示，控制模块50可选地与位于废气导管14中的两个温度传感器52和54通信。第一温度传感器52位于SCR装置26的上游，且第二温度传感器54位于SCR装置26的下游。温度传感器52和54向控制模块50发送电信号，每个电信号指示废气导管14在具体位置的温度。另外如所示，控制模块50可选地与两个NOx传感器60和62通信，这两个NOx传感器与废气导管14流体连通。具体地，第一上游NOx传感器60位于ICE12的下游和SCR装置26的上游以检测NOx浓度水平。第二下游NOx传感器62位于SCR装置26的下游，以检测废气导管14在具体位置的NOx浓度水平。在所有这样的实施例中，SCR装置26可包括SCRF装置40。
SCR装置26通常使用还原剂36将NOx物种(例如NO和NO2)还原成无害成分。无害成分包括(例如)并非NOx物种的物种(诸如双原子氮)、含氮惰性物种或被认为是可接受的排放物的物种中的一种或多种。还原剂36可为氨(NH3)(诸如无水氨或氨水)或由氮和富氢物质(诸如尿素(CO(NH2)2)生成。另外或替代地，还原剂36可为能够在废气15存在下分解或反应以形成氨的任何化合物。反应式(1)至(5)为涉及氨的NOx还原提供了示例性的化学反应。
6NO+4NH3→5N2+6H2O (1)
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (2)
6NO2+8NH3→7N2+12H2O (3)
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O (4)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (5)
应当明白的是，反应式(1)至(5)仅仅是说明性的，并且不意味着将SCR装置26限制为特定的NOx还原机制或多种机制，也不排除其它机制的操作。SCR装置26可配置为执行上述NOx还原反应中的任一种、上述NOx还原反应的组合以及其它NOx还原反应。
在各种实施方案中，还原剂36可用水稀释。在用水稀释还原剂36的实施方案中，热量(例如，来自排气)将水蒸发，且向SCR装置26供应氨。根据需要，非氨还原剂可用作氨的全部或部分替代物。在还原剂36包括尿素的实施方案中，尿素与废气发生反应以产生氨，且向SCR装置26供应氨。SCR装置26可存储(即，吸收和/或吸附)由还原剂36供应的氨以与废气15相互作用。下面的反应式(6)提供经由尿素分解的氨产生的示例性化学反应。
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2 (6)
应当明白的是，反应式(6)仅仅是说明性的，并且不意味着将尿素或其它还原剂36的分解限制为特定的单个机制，也不排除其它机制的操作。
可从还原剂供应源40供应还原剂36并且使用喷射器46或将还原剂36输送至废气15的其它合适方法在SCR装置26的上游位置处将还原剂喷射至废气导管14中。还原剂36可为气体、液体或水溶液(诸如尿素水溶液)的形式。还原剂36可与喷射器46中的空气混合以帮助已喷射的喷雾的分散。混合器或湍流器48也可设置在排气导管14内紧靠喷射器46以进一步帮助还原剂36与废气15的充分混合和/或甚至分布在整个SCR装置26中。
还原剂36喷射质量的精确量对于将具体是NOx、排放物的废气15维持在可接受水平起到重要作用。如果喷射太少还原剂36，那么NOx排放可能达到不可接受的水平。相反，喷射太多还原剂36可能是浪费的，并且导致“氨泄漏”，其中氨未反应地通过SCR装置26。可通过诸如SCR装置26上游的NOx浓度(例如，如由上游NOx传感器60测得)、SCR装置26下游的NOx浓度(例如，如由下游NOx传感器62测得)、下游氨浓度、下游温度、发动机12的转矩输出、排气流量、排气压力、发动机12转速(例如rpm)、发动机12的进气速率等一个或多个标准、其它合适的标准以及其组合来确定还原剂36的喷射定量供给量。还原剂36的定量供给量可包括某个量(例如，1.2mg)或某个速率(例如，1.2mg/s)。
如图2A至2B中所说明，还原剂供应源40可包括适于存储还原剂36的贮存器41。泵将还原剂36经由供应管线44输送至喷射器46以喷射至排气处理系统10中。例如，泵可从模块50接收定量供给命令，并且将还原剂36从贮存器41输送至喷射器46。如图2A中所示，泵包括容积泵42，其在没有任何泄压或回流管线的情况下将还原剂36经由供应管线44从贮存器41直接泵送至喷射器46。如图2B中所示，泵包括连续泵43，其包括能够将供应管线44中的还原剂返回输送至贮存器41的回流管线45。
在排气处理系统10的操作期间，模块50可经由上述一个或多个标准确定还原剂36的喷射定量供给量，并且将定量供给量传达给泵。泵利用其特定的泵逻辑将模块50定量供给量命令转化为激励时间，并且随后激励还原剂36并将还原剂输送至排气处理系统持续所确定的约定时间。例如，泵逻辑可利用诸如规定的定量供给量、电池或电源电压以及当前泵压力等标准以便确定激励时间。
例如，容积泵42可以一种模式操作以将流体输送至供应管线44，并且以第二模式操作以从供应管线44中排出流体。容积泵42通常通过激励(即，泵送流体)来实现操作压力(例如，最大操作压力)，随后去激励。当通过泵输出管线(例如，喷射器46)的流体流或寄生压力损失降低管线压力时，容积泵42将再次激励。因此，容积泵42的操作压力分布是由重复的激励事件表示，这些事件包括陡峭或即时的压力增加，然后是后续压力下降。此压力分布可能导致还原剂36的喷射不准确。另一方面，由于回流管线45，连续泵43能够维持供应管线44内的恒定压力，而不管通过泵输出管线(例如，喷射器46)的流体流或寄生压力损失。另外，容积泵42可与喷射器46或供应管线44配对，这进一步加剧了还原剂36的喷射不准确性。
在许多废气处理系统中，还原剂供应源包括容积泵，且需要对这样的泵进行更精确的控制。因此，提供了一种用于校正容积泵42的定量供给精度的方法。图3说明了用于校正容积泵激励时间的方法100，其包括命令110还原剂36的定量供给量、使用泵逻辑确定120容积泵激励时间、确定130激励时间校正以及激励140泵。方法100适于应用于利用SCR装置的任何系统，诸如排气处理系统10。命令110还原剂剂量可包括使用各种操作标准确定还原剂剂量。操作标准的非限制性列表可包括SCR装置26上游的废气流NOx浓度、SCR装置26下游的废气流NOx浓度、SCR装置下游的氨浓度、SCR装置下游的温度、提供用于在SCR中处理的废气的发动机的转矩输出、废气流量、废气压力、发动机转速(例如，rpm)以及发动机进气速率中的一种或多种。诸如模块50等控制模块可确定还原剂剂量。命令110还原剂剂量可包括将所确定的还原剂剂量传输至包括容积泵的还原剂供应系统。诸如模块50等控制模块可将所确定的还原剂剂量传输至容积泵。
使用容积泵所特有的泵逻辑来确定120容积泵激励时间。在某些实施例中，例如，泵逻辑伴随着泵被供应给车辆制造商。在这样的情况下且在许多其它情况下，泵逻辑不能被操纵或改变。泵逻辑可配置为从模块接收还原剂定量供给量命令(例如，定量供给量命令)，并且将命令转化激励时间。激励时间可基于诸如所命令110的还原剂定量供给量、对泵供电的电池或电源的电压、当前泵压力以及其组合等因素来确定。逻辑可能依赖于附加或替代因素是切实可行的。
确定130激励时间校正包括纠正由被激励持续所确定120的激励时间的泵输送至排气系统的还原剂剂量与所命令110的还原剂定量供给量之间的差异。在某些实施例中，激励校正包括增加所确定120的激励时间(即，正激励时间校正)。通过理论和/或经验可实现确定130激励时间校正。在某些实施例中，可使用校准表来确定130激励时间校正。例如，表1提供了校准表，其规定给定泵压力(以巴为单位)和所命令的还原剂定量供给量下的激励时间校正(以秒为单位)：
表1：泵激励时间校正表：
校准表可利用命令110的还原剂定量供给量来确定130激励时间校正。校准表可利用废气流(例如，容积流和/或质量流)来确定130激励时间校正。校准表可利用其它标准来确定130激励时间校正，这些标准包括SCR装置26上游的废气流NOx浓度、SCR装置26下游的废气流NOx浓度、SCR装置下游的氨浓度、SCR装置下游的温度、提供用于在SCR中处理的废气的发动机的转矩输出、废气流量、废气压力、发动机转速(例如，rpm)以及发动机进气速率中的一种或多种。
激励140容积泵可包括利用所确定130的激励时间校正来修改所确定120的激励时间。例如，激励140容积泵可包括将从校准表确定130的激励时间校正加至由容积泵逻辑确定的激励时间120。激励140然后进一步包括激励容积泵140持续等于修改的激励时间的持续时间。这种方法允许容积泵(诸如容积泵42)和其它排气处理系统部件(诸如喷射器46)配合利用，而不管初始校准缺陷中的缺陷。特别是考虑到由激励持续所确定120的激励时间的容积泵输送至排气系统的还原剂量与所命令110的还原剂定量供给量之间的定量供给差异通常为非线性的情况下，针对具体容积泵以经验确定的校准表可提供精确的还原剂定量供给。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不希望这些实施例描述由权利要求书涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词汇是描述性词汇，而不是限制性的词汇，且应当理解，可以进行各种变化而并不脱离本公开的精神和范围。如先前所述，各种实施例的特征可组合成形成可以不明确描述或说明的本发明的进一步实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望特性而言可能已经描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方案，但是本领域一般技术人员认识到，可牺牲一个或多个特征或特性以实现取决于具体应用和实施方案的期望整体系统属性。这些属性可包括(但不限于)成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场适销性、外观、包装、大小、服务能力、重量、可制造性、便于组装等。因而，就一个或多个特性而言，描述为期望性不及其它实施例或现有技术实施方案的实施例不在本公开的范围之外并且对于特定应用可以是所期望的。

Claims (10)

1.一种用于控制废气处理系统的方法，所述废气处理系统包括由废气源供应至选择性催化还原(SCR)装置的废气流以及利用容积泵的还原剂供应源，所述方法包括：命令还原剂定量供给量、确定容积泵激励时间、确定激励时间校正以及激励所述泵，其中使用校准表来确定所述激励时间校正，所述校准表基于所述SCR装置上游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的氨浓度、SCR装置下游的温度、废气流量以及废气压力中的一个或多个来规定激励时间校正。
2.一种用于控制废气处理系统的方法，所述废气处理系统包括由废气源供应至选择性催化还原(SCR)装置的废气流以及利用容积泵的还原剂供应源，所述方法包括：命令还原剂定量供给量、确定容积泵激励时间、确定激励时间校正以及激励所述泵。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中命令还原剂剂量包括使用所述SCR装置上游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的氨浓度、SCR装置下游的温度、废气流量、废气压力中的一个或多个来确定还原剂剂量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述废气源包括内燃机，且命令还原剂剂量包括使用所述内燃机的转矩输出、所述内燃机的每分钟转速以及内燃机进气量中的一个或多个来确定还原剂剂量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述容积泵激励时间是基于所命令的还原剂定量供给量、对所述容积泵供电的电池或电源的电压以及当前泵压力中的一个或多个来确定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定激励校正包括增加所确定的激励时间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用校准表确定所述激励时间校正，其中所述校准表基于当前泵压力和所命令的定量供给量、所命令的定量供给量或当前废气流量中的一个或多个来规定激励时间校正。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述校准表基于所述SCR装置上游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的废气流NOx浓度、所述SCR装置下游的氨浓度、SCR装置下游的温度、废气流量以及废气压力中的一个或多个来规定激励时间校正。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述废气源包括内燃机，所述校准表基于所述内燃机的转矩输出、所述内燃机的每分钟转速以及内燃机进气量中的一个或多个来规定激励时间校正。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中激励所述容积泵包括利用所确定的激励时间校正来修改所确定的激励时间，以及激励所述容积泵持续等于所修改的激励时间的持续时间。
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