CN108425729B - Scr原料气诊断的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了选择性催化还原(SCR)系统中用于原料气诊断的系统和方法。示例电子系统可以是柴油燃料车辆中的车载诊断(OBD)功能的一部分，并且可以包括用于定义和管理碳氢化合物配料的系统条件、在系统运行的同时调整到柴油机氧化催化剂(DOC)的配料，并且至少基于DOC的各种部件的放热性质定义诊断框架以使得DOC可以对于失效和/或使用寿命结束(EUL)而被监控的电路。该电子系统可以包括用于校准该诊断框架的调整电路。

Description

SCR原料气诊断的系统和方法
技术领域
本申请总体上涉及内燃机的后处理系统的领域。
背景技术
对于内燃机，例如柴油发动机，氮氧(NOx)化合物会在排气中排放。为了减少NOx的排放，可以实施选择性催化还原(SCR)过程，以借助于催化剂和还原剂将NOx化合物转化为更中性的化合物，例如双原子氮、水或二氧化碳。催化剂可以被包括在排气系统的催化剂室中，例如车辆或发电单元的催化剂室。还原剂，例如无水氨、氨水或尿素，通常可以在催化剂室之前被引入到排气流中。为了对于SCR过程将还原剂引入到排气流中，SCR系统可以通过配料模块(配料器)来配给或以其他方式引入还原剂，该配料模块将还原剂蒸发或喷射到催化剂室上游的排气系统的排气管中。SCR系统可以包括一个或多个传感器以监控排气系统内的条件。此外，SCR系统可以包括氧化催化剂，例如柴油氧化催化剂(DOC)，以氧化排气中的碳氢化合物和一氧化碳，和/或微粒过滤器，例如柴油微粒过滤器(DPF)，以从柴油发动机的排气中去除柴油机微粒物质或烟尘。
催化剂，例如包含有助于对烟尘、碳氢化合物和一氧化氮(NO)进行氧化的铂族金属(PGM)的DOC和DPF，也会改变进入下游SCR催化剂的一氧化氮和二氧化氮(NO2)的比例。对含PGM催化剂改变SCR原料气NO和NO2含量的能力进行诊断是有用的：为了使SCR在其上游运行良好，DOC需要将一部分NO氧化成NO2；因此，不能氧化足够NO的DOC，可能不能向SCR提供包含NO2的优质原料气，以减少NOx排放。
发明内容
本文所述的各实施方式涉及用于SCR原料气诊断的系统和方法。一个实施例涉及一种用于诊断排气后处理系统中氧化催化剂的原料气生成能力(capacity)的方法。该方法包括确定排气后处理系统中在氧化催化剂上游的第一位置处的第一温度值，其中氧化催化剂在选择性催化还原催化剂的上游。在排气后处理系统中氧化催化剂下游的第二位置处确定第二温度值。定义了碳氢化合物配料参数，该碳氢化合物配料参数指示运行原料气生成能力诊断的条件。至少基于碳氢化合物配料参数，将碳氢化合物侵入性地配给到氧化催化剂中。至少基于第一温度值和第二温度值，在氧化催化剂上确定使用中的温度特征(signature)。确定原料气生成故障条件，并提供包括原料气生成故障条件的故障状态指示。
在一些实施方式中，通过估计通过氧化催化剂的传热来计算氧化催化剂上的建模放热生成值。在一些实施方式中，使用中的温度特征包括在氧化催化剂上生成的实际放热，并且原料气生成故障条件基于将建模放热生成值与由使用中的温度特征指示的放热进行比较。在某些实施方式中，使用中的温度特征包括在氧化催化剂上生成的实际放热。该方法可以进一步包括计算侵入性配给的碳氢化合物的势能、至少基于在氧化催化剂上生成的实际放热和侵入性地配给的碳氢化合物的势能计算归一化效率值，并且评估归一化效率值以确定原料气生成故障条件。
在一些实施方式中，第二温度值是来自于在诊断循环期间生成的使用中的温度特征的在氧化催化剂出口处的最大温度值，并且至少基于将使用中的温度特征与估计的温度特征进行比较来确定原料气生成故障条件。在一些实施方式中，在侵入性地配给碳氢化合物之后，完成氧化循环。评估第二温度值与第一温度值之间的差值以生成温度增量。评估(evaluating)温度增量以确定原料气生成故障条件。在一些实施方式中，在诊断循环期间评估氧化催化剂内的环境温度，并且基于环境温度调整上述温度增量。在一些实施方式中，确定指示运行原料气生成能力诊断的条件的碳氢化合物配料参数包括评估氧化催化剂出口处的排气温度、排气流的空速和/或氧化催化剂的床温。在一些实施方式中，指示运行原料气生成能力诊断的条件的氧化催化剂入口处的排气温度在210至280摄氏度的范围内。在一些实施方式中，指示运行原料气生成能力诊断的条件的排气流的空速在4至40l/秒的范围内。在一些实施方式中，评估空速和DOC床温以确定碳氢化合物的配给量。
另一个实施例涉及一种排气后处理系统。排气后处理系统包括位于选择性催化还原催化剂上游的氧化催化剂、流体联接到氧化催化剂并且可通信地联接到诊断碳氢化合物配料开关的配料器，以及用于测量在氧化催化剂上游的第一位置处的排气的第一温度的第一传感器。诊断碳氢化合物配料开关响应于至少基于所述第一传感器的测量结果的使用中的诊断碳氢化合物配料命令而可运行，以至少基于第一温度开启诊断碳氢化合物在氧化催化剂中的插入。在一些实施方式中，该系统包括用于测量氧化催化剂下游的第二位置处的排气的第二温度的第二传感器。使用中的诊断碳氢化合物配料命令至少基于由第二传感器测量的第二温度。在一些实施方式中，配料器是外部燃料配料器。外部燃料配料器包括诊断碳氢化合物源并且被配置为将诊断碳氢化合物引入到后处理系统的排气流中。在其他实施方式中，配料器是缸内配料器。缸内配料器包括诊断碳氢化合物的源并且被配置为将诊断碳氢化合物引入到后处理系统的排气流中。
在一些实施例中，氧化催化剂是第一氧化催化剂，并且使用中的诊断碳氢化合物配料命令是第一使用中的诊断碳氢化合物配料命令。该系统可以包括位于选择性催化还原系统上游的第二氧化催化剂，该第二氧化催化剂具有超过10％的剩余运行能力，用于测量第二氧化催化剂上游的排气的第三温度的第三传感器，以及用于测量第二氧化催化剂下游的排气的第四温度的第四传感器。诊断碳氢化合物配料开关响应于第二使用中的诊断碳氢化合物配料命令而可运行以至少基于第三温度和第四温度开启诊断碳氢化合物在第二氧化催化剂中的插入。在一些实施方式中，在第一使用中的诊断碳氢化合物配料命令和第二使用中的诊断碳氢化合物配料命令两者都被执行之后，基于第一温度和第二温度计算第一温度增量，基于第三温度和第四温度计算第二温度增量，并且将第一温度增量与第二温度增量进行比较以确定第一氧化催化剂的原料气生成故障条件。
在一些实施方式中，床温传感器被配置为测量氧化催化剂的床温。床温传感器位于氧化催化剂内。当由床温传感器测量的床温在210到280摄氏度的范围内时，开关打开。在一些实施方式中，电子电路可运行以执行用于诊断氧化催化剂的原料气生成能力的指令：碳氢化合物从配料器被侵入性地配给到氧化催化剂中，以及评估(assess)氧化催化剂的使用中的放热，以确定氧化催化剂的故障条件。空速传感器被配置为确定引入到氧化催化剂中的试剂的空速值。电子电路可运行以建立包括至少一个空速值和至少一个床温值的二维集合，并且基于该至少一个空速值和该至少一个床温值来开启侵入性地碳氢化合物配料过程。
在一些实施方式中，该系统包括用于测量氧化催化剂下游的第二位置处的排气的第二温度的第二传感器。确定氧化催化剂的故障条件包括建立包括由第一传感器测量的至少一个入口温度值的第一集合并且确定该第一集合中的最大值，建立包括由第二传感器测量的至少一个出口温度值的第二集合并且确定该第二集合中的最大值，以及至少基于第一集合中的最大值和第二集合中的最大值之间的差值来确定氧化催化剂的故障条件。在一些实施方式中，氧化催化剂位于氧化催化剂外壳内，并且确定氧化催化剂的故障条件包括评估氧化催化剂外壳的表面积(surface area)以及调整由于空气在氧化催化剂外壳的表面积区域上移动而引起的热损失。在一些实施方式中，确定氧化催化剂的故障条件包括计算氧化催化剂的发射率
(emissivity)以调整由于热辐射而引起的热损失。
在一些实施方式中，在催化剂诊断之后进行催化剂清理，以去除在原料气生成能力诊断期间可能累积的任何未燃烧的碳氢化合物或其他污染物。此外，催化剂清理有助于避免层面堵塞(在DOC的前端聚积未燃尽的燃料而形成的沉积物)和催化剂组分上的碳氢化合物吸附。这些措施可以减少发动机故障停机时间和维护成本。催化剂清理包括修改发动机的运行参数，例如增加排气温度和/或减少发动机排出的烟尘和碳氢化合物。在一些实施方式中，确定氧化催化剂的故障条件包括由诊断电路通过评估DOC中污染物累积的水平来确定是否需要清理。
附图简要说明
在附图和以下描述中阐述一个或多个实施方式的细节。由说明书、附图和权利要求，本公开的其他特征、方面和优点将变得明显，其中：
图1是示例SCR系统的示意框图，该示例SCR系统包括用于排气系统的示例还原剂输送系统；
图2示出了示例排气后处理系统，其中DOC和DPF部件均被包括并单独示出；
图3是用于SCR中的原料气诊断的电子控制模型(ECM)部件的示例实施例的框图；
图4A是示出由用于SCR中的原料气诊断的ECM部件的监控电路执行的示例过程的流程图；
图4B是示出由用于SCR中原料气诊断的ECM部件的监控电路执行的子过程的图表，其用于确定预期提供最佳性能的输入参数的组合；
图5A是示出由用于SCR中的原料气诊断的ECM部件的配料电路执行的示例过程的流程图；
图5B是示出由用于SCR中的原料气诊断的ECM部件的配料电路执行的子过程的图，其用于协调请求；
图6A是示出由用于SCR中的原料气诊断的ECM部件的诊断电路执行的示例过程的流程图；
图6B是示出使用传热评估过程来检测故障的示例子过程的流程图；
图7是示出由用于SCR中的原料气诊断的ECM部件的调整电路执行的示例过程的流程图；
图8是示出由调整电路执行的示例校准过程的第一示例输出的图表；
图9是示出识别DOC生命周期中代表使用寿命结束(EUL)的点的示例过程的第二示例输出的图表，其示出了作为时间函数的DOC温度的变化；
图10是示出识别DOC生命周期中代表严重退化条件的点的示例过程的第三示例输出的图表，并且还示出了作为时间函数的DOC温度和碳氢化合物配料的变化；
图11是示出基于DOC的水热年龄，与碳氢化合物转化率和NO氧化等指标相关的DOC性能的图表；
图12是示出在示例实施例的DOC上进行的一系列测试中的排放数据结果的图表。
将认识到，为了说明的目的，一些或全部附图是示意性表示的。所提供的附图是用于说明一个或多个实施方式的目的，明确了解的是这些附图将不用于限制权利要求书的范围或含义。
具体实施方式
下面是关于SCR原料气诊断的方法、装置、组件和系统的各种概念和实施方式的更详细描述。上面介绍过并在下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任何一种来实现，所描述的概念不限于任何具体实施方式。提供具体实施方式和应用的示例主要用于说明目的。
1.概述
为了减少排放，可能需要提高后处理系统的耐久性和性能的系统和方法。例如，2010年，加利福尼亚州实施了一套监管规则，提出了针对重型发动机中机载诊断(OBD)系统的要求。根据加利福尼亚法规(13CCR§1971.1)的法令13，OBD系统被要求为了发动机的实际寿命而通过使用(多台)机载计算机来监控使用中的排放系统。这些实施方式中的OBD系统需要能够检测出所监控的排放系统的故障、使故障指示灯(MIL)照亮以通知车辆操作者检测到的故障，并存储识别检测到的故障的故障代码。
基于这些和类似的规则考虑因素，可以提供通过实施OBD以监控催化剂生成合适的原料气流到SCR的能力并检测催化剂失效来提高后处理系统的性能的方法、装置、组件和/或系统。例如，可以评估和优化NO(一氧化氮)氧化水平，以确保SCR功能特性。在相关的说明中，可以提供改进含SCR的DOC后处理系统中的碳氢化合物配料技术的系统和方法。
此外，根据加利福尼亚规则，例如，对于用于生成原料气成分以辅助SCR系统的催化剂(例如，增加SCR系统上游的NO2浓度)，OBD系统需要能够检测出故障，例如当催化剂不能产生必要的原料气成分，以便于适当的SCR系统运行。因此，作为检测失效的DOC催化剂的过程的一部分，可以建立检测故障的标准。
为了确定催化剂故障标准以作为在各自监控的催化剂中检测失效DOC的过程的一部分，可以使用对于故障标准来说劣化的催化剂，该故障标准使用表示在正常和故障发动机中所观测的运行条件下现实世界催化剂劣化的方法。在催化剂系统含有并行催化剂的情况下(例如，两排排气系统，其中每个排都有其自身的催化剂)，需要定义“并行”催化剂同样被劣化的故障标准。
为了确定催化剂故障标准，可以实施催化剂系统老化和监控计划。这样的计划可以包括，例如，每个部件的描述、排放控制目的和位置、每个部件和/或各部件组合的监控策略，以及确定包括劣化/老化过程的故障标准的方法。
此外，关于故障标准，可能需要优化以下内容的系统和方法：对于在正常和故障发动机运行条件下现实世界催化剂系统部件劣化来说老化的代表性；用于确定故障标准的方法的有效性；(多个)部件监控器查明故障的可能区域并确保正确部件在使用中被修复/替换的能力；以及(多个)部件监控器精确验证每个催化剂部件按设计运行的能力。
根据加利福尼亚规则，如果满足以下两个标准，则某些后处理系统可以免除OBD监控：(1)对于SULEV30和SULEV20车辆来说，催化剂的原料气生成能力的故障不会导致排放增加25％或更多，对于ULEV70和ULEV50车辆来说不会导致排放增加20％或更多，对于所有其他车辆来说不会导致排放增加15％或更多，其中百分比是基于从适用的排放测试周期测量的适用标准；以及(2)催化剂的原料气生成能力的故障无法导致排放超过从适用的排放测试周期测量的适用标准。因此，如果满足以下两个条件，则系统可以免除OBD监控：(1)最差情况下的排放水平低于FEL，以及(2)最差情况下的排放水平低于基线排放水平+.15*FEL，从而如果正常和故障条件之间的背靠背(back-to-back)测试序列的增长小于基线测试的15％，则结果表明正常情况。这里，家庭排放限制(FEL)是指发动机系列被验证的废气排放水平。因此，可能需要电子指定和评估OBD监控的参数的系统和方法。
SCR原料气诊断的常规技术包括用于DOC监控的非侵入性解决方案，其不够稳健。利用侵入性技术的诊断解决方案减少了不确定性和噪声因素，以提高了最终诊断确定的稳健性。
为了将碳氢化合物配料技术调整为该过程的一部分，可以提供内置的系统和方法以确定跨过DOC的合适的空速和温度交叉点。空速是指催化剂床体积除以试剂进入的体积流速的商，表示在单位时间内可以处理多少体积的原料气试剂。
如本文进一步阐述的示例实施方式被设计为使用传热模型来监控含PGM催化剂的放热，同时碳氢化合物被引入催化剂的上游。
2.后处理系统的概述
图1描绘了具有用于排气系统190的示例性还原剂输送系统110的后处理系统100。后处理系统100包括微粒过滤器(例如DPF 102)、还原剂输送系统110、分解室104或反应器管、SCR催化剂106和传感器150。
DPF 102被配置为从在排气系统190中流动的排气中去除微粒物质，例如烟尘。DPF102包括入口和出口192，在上述入口处，上述排气被接收，在上述出口192处，上述排气在微粒物质基本上从上述排气中过滤出来和/或将微粒物质转化成二氧化碳之后排出。
分解室104被配置为将还原剂，例如尿素或柴油排放流体(DEF)，转化成氨。分解室104包括还原剂输送系统110，该还原剂输送系统110具有被配置为将还原剂配给到分解室104的配料模块112。在一些实施方式中，还原剂被注入SCR催化剂106的上游。然后还原剂液滴经历蒸发、热解和水解的过程以在排气系统190内形成气态氨。分解室104包括入口和/或出口，上述入口与DPF 102流体连通以接收含有NOx排放的排气，上述出口用于使排气、NOx排放、氨，和/或剩余的还原剂流到SCR催化剂106。
分解室104包括安装到分解室104的配料模块112，使得配料模块112可以将还原剂配给到在排气系统190中流动的排气中。配料模块112可以包括置于配料模块112的一部分与安装配料模块112的分解室104的一部分之间的绝缘体114。配料模块112流体联接到一个或多个还原剂源116。在一些实施方式中，可以使用泵118对来自还原剂源116的还原剂加压以输送至配料模块112。
配料模块112和泵118还电联接或可通信地联接到控制器120。控制器120被配置为控制配料模块112以将还原剂配给到分解室104中。控制器120也可以被配置为控制泵118。控制器120可以包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等，或其组合。控制器120可以包括存储器，该存储器可以包括但不限于能够向处理器、ASIC、FPGA等提供程序指令的电子、光学、磁性或任何其他存储或传输设备。存储器可以包括存储芯片、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存或控制器120可以从其读取指令的任何其他合适的存储器。上述指令可以包括来自任何合适的编程语言的代码。
SCR催化剂106被配置为通过加速排气中的氨和NOx之间的NOx还原过程来协助将NOx排放物还原为双原子氮、水，和/或二氧化碳。SCR催化剂106包括入口和出口，上述入口与分解室104流体连通，排气和还原剂从该入口被接收，上述出口与排气系统190的端部流体连通。
排气系统190还可以包括氧化催化剂，例如DOC，上述氧化催化剂与排气系统190(例如，SCR催化剂106的下游或DPF 102的上游)流体连通以氧化排气中的碳氢化合物和一氧化碳。
在一些实施方式中，DPF 102可以定位在分解室104或反应器管的下游。例如，DPF102和SCR催化剂106可以被组合为单个单元，该单个单元常常被称为SDPF。在一些实施方式中，配料模块112可以替代地定位在涡轮增压器的下游或涡轮增压器的上游。
传感器150可以联接到排气系统190，以检测流过排气系统190的排气的条件。在一些实施方式中，传感器150可以具有设置在排气系统190内的一部分，例如传感器150的末端可以延伸到排气系统190的一部分中。在其他实施方式中，传感器150可以通过另一导管接收排气，例如从排气系统190延伸的样品管。虽然传感器150被描绘为定位在SCR催化剂106的下游，但是应当理解的是，传感器150可以定位在排气系统190的另一位置处，包括DPF102的上游、DPF 102内、DPF 102与分解室104之间、分解室104内、分解室104与SCR催化剂106之间、SCR催化剂106内、或SCR催化剂106的下游。另外，可以使用两个或更多个传感器150来检测上述排气的条件，例如两个、三个、四个、五个、或六个传感器150，其中每个传感器150位于排气系统190的前述位置之一处。
图2示出了示例排气后处理系统200，其中DOC和DPF部件均被包括并单独示出。如图所示，示例实施方式包括DOC 202和DPF 102。在一些实施方式中，DOC 202可以取代图1所示的SCR催化剂106(或者除了SCR催化剂106之外加上DOC 202)。
如图所示，DOC 202以端入端出结构定位在DPF 102的上游，使得排气通过位于系统200近端的进气口204流入。如图所示，处理后的排气(原料气)通过位于系统200远端的出口206流出。其他结构可以在不同实施例中实施，包括例如垂直端入端出、水平端入端出、垂直端入侧出、水平端入侧出、或水平侧入侧出。
在所示的示例结构中，排气以顺序方式进行处理，首先由DOC 202例如氧化碳氢化合物和一氧化碳，然后由DPF 102去除烟尘和微粒物质。在其他结构中，排气可以同时进行处理，使DOC 202和DPF 102相结合。在其他结构中，原料气可以由多个不同的DOC 202并行处理。如上所述，处理后的原料气经由出口206从该系统释放。在示例实施例中，原料气含有NO和NO2。
可以在后处理系统中侵入性地将碳氢化合物添加到排气流中以确定所添加的碳氢化合物量是否产生热量。可以依靠这个发现来确定SCR的各部分是否可以产生一氧化氮(NO2)。
本文给出的示例并不旨在是穷尽的。例如，DOC 202可以被配置为以各种方式处理原料气。适用于由DOC 202氧化的组分的示例包括目前未经调节的碳氢化合物衍生的排放物，例如醛。另外，DOC 202可以用于减少或消除柴油机排气的气味。
图3是用于SCR中的原料气诊断的电子控制模型(ECM)部件的示例实施例的框图。ECM部件可以作为电子控制器或电路来实施。如图所示，控制器300包括至少一个处理器310、存储器320、接口电路330、监控电路340、碳氢化合物配料电路350、诊断电路360和调整电路370。电路340至370中的一些或全部可以可操作地彼此联接。
这些电路中的一些或全部可以经由接口电路330接收来自后处理系统100的其他部件的电子信号和/或数据输入。这些输入的示例可以包括估计系统内的传热参数所需的数值和/或二进制值，例如排气流量(以kg/s测量)、DOC床温(以K测量)、上游温度(以K测量)、环境空气温度(以K测量)、环境空气速度(以m/s测量)、参照图5B的开关568进一步描述的按键开关状态(代表“开”或“关”状态的二进制值)，以及引入到排气流中的碳氢化合物流量(以g/s测量)。另外，如本文进一步描述的，输入可以包括计算氧化转化效率所需的值。
基于全部或部分上述输入，可以检测DOC和/或DPF是否可以生成适量的NO2。由于从碳氢化合物生成热量的相同催化剂材料(例如PGM)也将NO转化为NO2，因此可以侵入性地将碳氢化合物添加到排气流中并确定它们是否在DOC和/或DPF上生成热量。基于这些信息，可以得出上述各部分是否可以生成NO2并确定上述部分的状态(良好、EUL或失效)。
控制器300进一步参考图4A至图7所描述的那样配置。
图4A是示出由控制器300的监控电路340执行的示例过程400的流程图。过程400至少基于原料气诊断，能够定义和管理碳氢化合物配料的条件。
在图4A中所示的示例性实施例中并且如下所述，反馈碳氢化合物的量可以基于后处理过程中对DOC的目标温度升高的计算。因此，碳氢化合物可以被配给以达到目标温度范围(例如，100-150摄氏度)并产生目标温度特征。反馈碳氢化合物被定义为侵入性配给的碳氢化合物。如本文所用，“温度特征”是指在一段时间内DOC内的温度。
如图所示，控制器300在两个集合的交集中定义并识别(在402中)一个或多个二维区域，第一集合包含与空速有关的值，第二集合包含反映DOC 202的温度的值。这些集合可以由一个或多个传感器150检测到的信息构成。监控电路340可以使用与所观测的使用中的空速和温度相对应的二维区域来生成启用碳氢化合物配给条件的请求，其可以如参照图5B所讨论的那样进行处理。
在404中，控制器300获得碳氢化合物配给正在发生的信息。在一些实施例中，该信息可以以状态指示器的形式获得，例如由图5B中所示的开关568所发出的状态指示器(status indicator)。在其他实施例中，该信息可以经由传感器150获得。在一些实施例中，该信息可以，例如经由接口电路330，获得。
在406中，控制器300设置诊断运行的次数。在一些实施例中，可以在560中使用该值来设置图5B的命令限制器562的值，使得，作为示例，对失效的或EUL DOC 202的再生请求可以与其他系统管理任务进行协调，如参照图5A和5B所描述的。
图4B是示出由控制器300的监控电路340执行的子过程402的图，该子过程402用于确定预期提供最佳性能的输入参数的组合。如图所示，在402中，监控电路340识别区域450，在该区域450中DOC 202的空速和温度的组合可以有助于关于碳氢化合物转化率和/或NO氧化率区分正常和失效部分。
图5A是示出由控制器300的碳氢化合物配料电路350执行的示例过程500的流程图。过程500能够在排气后处理系统中侵入性地配给还原剂，例如碳氢化合物。在本文中，侵入性的配料被定义为协调的和可调整的接近实时的碳氢化合物流量的使用中的控制。有利的是，侵入性的碳氢化合物配料允许消除混淆传统的非侵入性的原料气诊断的某些噪声因素。这导致诊断决策更加稳健，不太容易出现错误的结论。
在502中，再生请求由系统300协调。在504中，基于自上次诊断以来的排气流量、温度和/或时间中的至少一个来确定适当的碳氢化合物量。参照图5B进一步描述系统300的这些特征。
图5B是示出由控制器300的碳氢化合物配料电路350执行的用于协调请求的子过程502和504的图。
在一个示例实施方式中，如图所示，DOC原料气诊断系统可以包括用于接收电子信号和/或数据输入(例如一个或多个输入550)的传感器或等同结构。输入550的示例包括DOC202的流入温度、DOC 202的流出温度、DPF 102的流出温度、排气流量和碳氢化合物配料。
如图5B所示，碳氢化合物配料电路350被配置为接收一个或多个输入550。这些输入可以由特征和判断逻辑电路554接收，特征和判断逻辑电路554在一些实施例中可以是碳氢化合物配料电路350的一部分。特征和判断逻辑电路554可以用来评估是否应该确定碳氢化合物量(504)。该评估至少是基于来自仲裁逻辑电路574的输入信号作出的，该仲裁逻辑电路574可以是碳氢化合物配料电路350的一部分，或者可替代地，可以位于后处理系统100中的其他地方。
仲裁逻辑电路574用于响应于下列请求中的至少一个，向特征和判断逻辑电路554发出输入信号：启用碳氢化合物配料条件的请求556、执行其他系统功能的请求570，例如DPF烟尘再生策略、或执行其他诊断功能的请求572，例如SCR催化剂NOx转化效率诊断策略。如参照图4A所描述的，通过监控电路340从DOC原料气诊断系统内发起请求556。请求570和572可以从DOC原料气诊断系统外部发起。
除上述之外，仲裁逻辑电路574用于向顶层发动机控制装置576发出输入信号，该输入信号表示对侵入性的碳氢化合物配料的请求的状态。
所示示例实施例中的另一组输入是一个或多个输入552。输入552包括评估的DOC流入温度和空速，如参照图4A的402所描述的那样。
基于上述输入值，设定温度目标558。温度目标可以被设定为通过配给碳氢化合物来实现DOC床的固定温度升高。在一些实施例中，温度目标可以由诊断电路360设定，诊断电路360被配置为基于DOC 202的估计放热来估计通过DOC 202的传热，如关于602所描述的那样。接在设定温度目标558之后，该系统被配置为发出发起侵入性的配料命令560，并设定命令限制器562以防止多个侵入性碳氢化合物事件的快速执行或防止多个侵入性诊断同时运行的发生。设置命令限制器有助于避免在系统中产生太多的热量，并且可以有助于节省燃料。
上述输入可以激活开关568，开关568可以向顶层发动机控制装置576发出碳氢化合物配料命令。在一些实施例中，开关568可以被配置为与非侵入性的配料命令限制器566一起接收非侵入性的配料命令564。
图6A是示出由控制器300的诊断电路360执行的示例过程600的流程图。过程600能够针对DOC 202和/或其部分进行基于模型的诊断确定，从而评估下面描述的某些部件的使用寿命(EUL)结束或故障。可以通过比较实际值和估计值来评估各部件。在一些实施例中，实际值由诊断电路360测量。在其他实施例中，实际值作为来自传感器(例如传感器150)的输入(例如输入550和/或552)被接收。在一些实施例中，在600中使用的模型由调整电路370提供，如参照图7所描述的那样。在一些实施例中，确定氧化催化剂的故障条件包括由诊断电路360通过评估DOC中污染物累积的水平来确定是否需要清理。
在602中，诊断电路360为可能接近其使用寿命结束的部分(EUL部分)定义DOC 202中的故障标准。在一些实施例中，故障标准可以通过基于预期(projected)的放热估计通过DOC 202的传热来定义。诊断电路360可以被可编程地配置为使用用于计算和/或确定热能传递的合适程序基于表示输入550和/或552的电子值来估计放热。这样计算的例子是：
Figure BDA0001565572010000121
DOC的入口气体温度(通常为K)，Cp-flow-out＝流出DOC的气体的热容量，和TDOCout＝流出DOC的气体的温度)；
Figure BDA0001565572010000122
(从DOC基底损失或获得的热功率或到DOC基底的热功率，其中mDOC＝DOC的质量(kg),Cp-DOC＝DOC基底的热容量，和
Figure BDA0001565572010000123
的基底温度的变化率)；
Figure BDA0001565572010000124
(对环境的辐射功率，其中TBedDOC＝DOC床温(基底温度)，Tambient＝后处理系统周围的环境空气的温度，surface_areaDOC＝DOC的外表面积，和emissivity是物体发射红外能量的能力的量度)；
[TBedDOC-Tambient]×f(vair)(对环境的对流(convection)功率，其中TBedDOC＝DOC床温(基底温度)和Tambien＝后处理系统周围的环境空气的温度)；
Figure BDA0001565572010000125
(来自碳氢化合物的放热能量，其中LHVDiesel＝
较低的热值，ηEUL(TDOCBed)＝EUL DOC效率，和
Figure BDA0001565572010000126
Figure BDA0001565572010000131
前面的示例列表并不旨在是穷尽的。602的一些示例实施方式参照图6B进一步讨论。
在604中，诊断电路360为可能失效的部分定义DOC 202中的故障标准。在一些实施例中，上述故障标准可以通过基于预期的放热估计通过DOC202的传热来定义。诊断电路360可以被可编程地配置为使用用于计算热能传递的合适公式基于表示输入550和/或552的电子值来估计放热，如上所述。
在606中，诊断电路360部分基于以上来确定所涉及的部分是否适合于进一步使用(良好、EUL或失效)。在一些实施例中，可以基于例如图9和/或10中所示的阈值和数据来做出该确定。
图6B是示出使用传热评估过程来检测DOC故障的示例子过程的流程图。在所示的实施例中，故障检测标准是预期传热结果和实际传热结果之间的相似程度，如通过将DOC的实际传热与代表EUL DOC、失效DOC和良好DOC的三个模型中的每个或一些模型相比较来进行评估。
在652中，定义了EUL部分。在一个示例实施例中，EUL部分被定义为具有5-10％剩余运行能力的部分。在654中，对EUL部分计算DOC上的预期热量增加。在656中，定义了失效部分。在一个示例实施例中，失效部分被定义为具有小于5％剩余运行能力的部分。在658中，对失效部分计算DOC上的预期热量增加。在660中，定义了良好部分。在一个示例性实施例中，良好部分被定义为具有大于10％运行能力的部分。在662中，对良好部分计算DOC上的预期热量增加。在664中，碳氢化合物被侵入性地配给到系统中。在667中，确定DOC上的温度增加。该温度增加可以通过，例如使用传感器(传感器150)来确定。在668中，对于热量损失来校正654、658、和/或662的估计值。在670中，可以将由于配给的碳氢化合物的燃烧所导致的DOC的预期温度升高与DOC上观测到的温度升高进行比较，从而校正对环境条件的热损失。可以根据更接近地匹配的模型来确定该部分的状态。
在确定所讨论的部分是否适合进一步使用的系统和方法的另一实施方式中，可以使用最小-最大方法：在侵入性地配给碳氢化合物后，等待完全氧化反应完成，然后分析DOC入口温度和DOC出口温度的最大值之间的差值。良好部分预期比失效部分具有更高的温度差值。在一些实施方式中，可以定义阈值，使得如果差值越过阈值范围，则温度差值指示失效部分。
在另一个实施方式中，可以使用放热方法：在侵入性地配给碳氢化合物后，可以计算配给的碳氢化合物的势能、DOC上产生的实际放热(热量)、和通过将实际放热除以配给的碳氢化合物的势能得到的归一化效率。在一些实施例中，基于DOC上的能量/放热计算来确定DOC上产生的放热。例如，本文上述的，用于执行评估的方法是通过配置控制器300的碳氢化合物配料电路350来实施的。在一些实施例中，归一化效率使用以下方程计算：归一化效率＝(产生的放热)/(基于配给的碳氢化合物的估计势能)。良好/令人满意部分预期比失效部分具有更高的效率值。在某些实施例中，定义阈值，并且如果归一化效率值超过阈值，则DOC被认为是良好。
在又一个实施方式中，可以使用增强的最小-最大方法。类似于最小-最大方法，可以计算最大DOC出口温度和DOC入口温度之间的差值。然后可以考虑系统内的环境温度来调整热损失。在一些实施例中，该评估基于例如，DOC入口处的温度、排气流量、反馈碳氢化合物配料、和/或其他帮助估计DOC出口处的温度的环境条件。在一些实施例中，将DOC出口处的估计温度与DOC出口处的实际温度进行比较，DOC出口处的实际温度可以通过温度传感器来测量。在一些实施方式中，阈值被定义，使得当DOC出口处的实际温度和估计温度之间的差小于阈值时，DOC被认为是良好部分。
在一些实施方式中，在催化剂诊断之后进行催化剂清理，以去除在原料气生成能力诊断期间可能累积的任何未燃烧的碳氢化合物或其他污染物。催化剂清理可以包括通过修改发动机运行参数提高排气温度，发动机运行参数例如轨道压力、燃料喷射定时、可变几何涡轮增压器(VGT)位置、排气再循环(EGR)阀门的位置、进气节流阀、和/或排气节流阀。在一些实施方式中，催化剂清理可以包括通过减少发动机排出的烟尘和碳氢化合物来修改发动机运行参数。
图7是示出由控制器300的调整电路370执行的示例过程的流程图。调整电路使得能够生成提供给诊断电路360的校准模型。
在702中，为物理参数和可调参数设定限制(上限和下限)。可设定限制的物理参数和可调参数的示例包括催化剂表面积、基底质量、基底材料的热容量(Cp)、DOC长度、由于空气在DOC外壳的表面上移动导致热损失的DOC外部对流项、和由于热辐射导致热损失的DOC的发射率。可以识别适于校准的附加参数。
在704中，生成校准模型。校准模型的一个示例实施例，其输出如图8所示，是使用MATLABTM生成的46,656个合理的参数值集合的拉丁超立方体集合。可以使用另一种合适的算法。
在706中，并行处理计算设备进行模拟。一个示例实施方式由包括多个计算机和可以从其提供模拟处理命令的客户端机器的集群组成。在一些实施例中，集群中的每个计算设备可以是独立的计算机。在其他实施例中，集群中的每个计算设备都是共享计算资源，如在基于云的实施方式中一样，只有一部分被分配给模拟处理。可以使用另一个合适的分布式计算环境。
在708中，对校准进行模拟。示例输出如图8、9和图10所示。在710中，在该集合中的顶部校准被识别，在一些实施例中，调整电路370可以被进一步配置为利用，例如MatlabTM功能或另一合适的计算，对这些顶部校准运行局部优化。
图8是示出由调整电路370执行的示例校准过程的第一示例输出的图表。如图所示，输出是拉丁超立方体模拟集合，对应于基于上面列举的物理参数和可调参数使用MatlabTM所生成的参数值的合理集合。
图9是示出示例校准过程的第二示例输出的图表，其识别DOC的生命周期中代表使用寿命(EUL)结束的点，示出了作为时间函数的DOC温度的变化。
图10是示出了示例校准过程的第三示例输出的图表，其识别DOC的生命周期中代表5％剩余能力的点，示出了作为时间函数的DOC温度和碳氢化合物反馈中的变化。这些变化表明DOC的严重恶化条件。在示例性实施例中，严重恶化条件被定义为小于5％剩余能力，在一些实施例中，剩余能力可以被定义为DOC上的PGM负载。碳氢化合物反馈表明在校准过程中在DOC上配给了多少碳氢化合物。
图11是示出基于DOC的水热年龄，与碳氢化合物转化率和NO氧化等指标相关的DOC性能的图表。水热年龄是指在水存在的情况下，通过将催化剂暴露在热量中而使催化剂老化的量。
在如图所示的示例实施例中，系统被配置成选择性地在210至280摄氏度的温度范围内对碳氢化合物进行配给。在这个范围内，可以微调健康与失效部分之间的区别。在一个实施方式中，可以通过确定转化率增加最快的温度范围和在转化率增加最快的温度范围内侵入性地对碳氢化合物进行配给来优化NO氧化率。在另一个实施方式中，可以通过确定NO氧化率最大化的温度范围和在NO氧化率最大化的温度范围内侵入性地对碳氢化合物进行配给来优化碳氢化合物转化率。类似地，在一个实施方式中，可以通过确定氧化率增加最快的温度范围和在氧化率增加最快的温度范围内侵入性地对碳氢化合物进行配给来优化NO氧化率。在另一个实施方式中，可以通过确定氧化率最大的温度范围和在氧化率最大的温度范围内侵入性地对碳氢化合物进行配给来优化NO氧化率。另外或可选地，DOC温度可以通过调整碳氢化合物配给来控制。
图12是示出在示例实施例的DOC上进行的一系列测试中的排放数据结果的图表。如图所示，在示例实施例中，排放数据结果帮助建立了恶化的原料气(x轴)与增加的系统NOx排放(y轴)之间的相关性。
虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为对可能要求保护范围的限制，而是作为对针对特定实施方式的特征的描述。在各单独实施方式的上下文中本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管各特征可以在上面被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自一个要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中被删除，并且该要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。
类似地，尽管在附图中以特定的顺序描述了操作，但是这不应该被理解为要求以所示出的特定顺序或按顺序执行这样的操作，或者要执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，上述实施方式中的各种系统部件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应该理解的是，所描述的部件和系统通常可以集成在单个产品中或者被封装到以有形介质体现的多个产品中。
术语“控制器”包括用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统或多个处理器、可编程处理器的一部分、或者前述的组合。该装置可以包括专用逻辑电路，例如FPGA或ASIC。除了硬件之外，该装置还可以包括创建用于所讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行环境、虚拟机、或它们中的一个或多个的组合的代码。该装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型架构，例如分布式计算和网格计算架构。
本文所使用的如术语“基本上”以及类似术语旨在具有与本公开的主题内容所属领域内的普通技术人员通常和可接受的用法一致的宽泛的含义。本领域的技术人员在阅读了本公开之后应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不是将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应该被解释为指示所描述和要求保护的主题内容的非实质性或无关紧要的修改或变化被认为落入本发明的如所附权利要求所述的范围。此外，应注意的是，在不使用术语“装置”的情况下，权利要求中的限制不应被解释为构成美国专利法下的“装置加功能”限制。
术语“联接”以及本文使用的类似术语意在表示两个部件相互直接或间接接合。这种接合可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如可移除的或可释放的)。这种接合可以由两个部件或两个部件和任意附加的中间部件相互整体形成单个整体来实现，或由这两个部件或这两个部件和任意附加的中间部件相互附接来实现。
术语“流体联接”、“流体连通”以及本文使用的类似术语意在表示两个部件或物体具有在两个部件或物体之间形成的通路，其中流体，例如水、空气、气体还原剂、气体氨等可以在有或没有中间部件或物体的情况下流动。用于实现流体连通的流体联接器或构造的实例可以包括用于使流体能够从一个部件或物体流动到另一个的管道、通道、或任何其他合适的部件。
重要的是注意，各种示例性实施方式中所示的系统的构造和布置在特征上仅仅是说明性的而不是限制性的。在所描述的各实施方式的精神和/或范围内的所有改变和修改都希望得到保护。应当理解，一些特征可能不是必需的，并且缺少各种特征的实施方式可以被预期在本申请的范围内，该范围由下面的权利要求限定。在阅读权利要求时，旨在是当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一个部分”的词语时，不意在将该权利要求限制为仅一个项目，除非在权利要求中特别地指出为相反。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非有相反的特别说明。

Claims (12)

1.一种排气后处理系统，其特征在于，包括：
氧化催化剂，位于选择性催化还原催化剂上游；
配料器，流体联接到所述氧化催化剂；
第一传感器，用于测量在所述氧化催化剂上游的第一位置处的排气的第一温度；以及
控制器，被编程为：
确定所述氧化催化剂中所述排气的空速值；
基于所述第一温度和所述空速值，确定所述氧化催化剂的估计放热值；
响应于使用中的诊断碳氢化合物配料命令，指示所述配料器将碳氢化合物插入所述氧化催化剂中；
在将所述碳氢化合物插入所述氧化催化剂中时，确定所述氧化催化剂的使用中的放热值；以及
基于所述估计放热值与所述使用中的放热值的比较，确定所述氧化催化剂的故障条件。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括第二传感器，所述第二传感器用于测量所述氧化催化剂下游的第二位置处的所述排气的第二温度，其中所述控制器被编程为进一步基于由所述第二传感器测量的所述第二温度确定所述估计放热值。
3.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述配料器是外部燃料配料器，所述外部燃料配料器包括用于插入到所述排气中的所述碳氢化合物的源。
4.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述配料器是缸内配料器，所述缸内配料器包括用于插入到所述排气中的所述碳氢化合物的源。
5.根据权利要求2所述的排气后处理系统，其特征在于，所述氧化催化剂是第一氧化催化剂并且所述使用中的诊断碳氢化合物配料命令是第一使用中的诊断碳氢化合物配料命令，所述系统进一步包括：
第二氧化催化剂，位于所述选择性催化还原系统上游；
第三传感器，用于测量所述第二氧化催化剂上游的所述排气的第三温度；以及
第四传感器，用于测量所述第二氧化催化剂下游的所述排气的第四温度；
其中，所述控制器被配置为响应于第二使用中的诊断碳氢化合物配料命令，指示所述配料器至少基于所述第三温度和所述第四温度将所述碳氢化合物插入所述第二氧化催化剂中。
6.根据权利要求5所述的排气后处理系统，其特征在于，在所述第一使用中的诊断碳氢化合物配料命令和所述第二使用中的诊断碳氢化合物配料命令两者都被执行之后，基于所述第一温度和所述第二温度计算第一温度增量，基于所述第三温度和所述第四温度计算第二温度增量，并且将所述第一温度增量与所述第二温度增量进行比较以确定所述第一氧化催化剂的原料气生成故障条件。
7.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括床温传感器，所述床温传感器被配置为测量所述氧化催化剂的床温，所述床温传感器位于所述氧化催化剂内。
8.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于，所述控制器进一步被编程为：
计算所述碳氢化合物的势能；
至少基于所述使用中的放热值和所述碳氢化合物的势能，计算归一化效率值；以及
评估所述归一化效率值，以确定所述氧化催化剂的故障条件。
9.根据权利要求7所述的排气后处理系统，其特征在于，所述控制器被编程为进一步基于所述氧化催化剂的床温指示所述配料器将所述碳氢化合物插入所述氧化催化剂中。
10.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其特征在于，进一步包括第二传感器，所述第二传感器用于测量所述氧化催化剂下游的第二位置处的所述排气的第二温度，其中，确定所述氧化催化剂的故障条件还包括：
建立包括由所述第一传感器测量的至少一个入口温度值的第一集合并且确定所述第一集合中的最大值；
建立包括由所述第二传感器测量的至少一个出口温度值的第二集合并且确定所述第二集合中的最大值；以及
至少基于所述第一集合中的所述最大值和所述第二集合中的所述最大值之间的差值来确定所述氧化催化剂的故障条件。
11.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其特征在于，所述氧化催化剂位于氧化催化剂外壳内，其中确定所述氧化催化剂的所述故障条件进一步包括:
评估所述氧化催化剂外壳的表面积；以及
对于因空气在所述氧化催化剂外壳的表面积上移动而引起的热损失进行调整。
12.根据权利要求8所述的排气后处理系统，其特征在于，确定所述氧化催化剂的所述故障条件进一步包括计算所述氧化催化剂的发射率以对于因热辐射而引起的热损失进行调整。
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