CN108571363A - 用于选择性催化还原系统泄漏和逃逸测定的预测控制 - Google Patents

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Abstract

公开了SCR预测控制系统，使用所述控制系统的方法以及具有使用预测控制的SCR的机动车辆。一种用于调节SCR系统的操作的方法包括接收指示SCR催化器下游的NOx输出的传感器信号以及指示SCR催化器上游的排气温度的传感器信号。该方法确定NOx输出信号是否已经发生了模型误差情形，并且响应于这样的发生，调节加料加注器输出至少一段校准的指定时间。在指定的时间段期满后，启动并命令加料加注器以根据调节的剂量值加注还原剂。在加料加注器加注调节的还原剂剂量值后，该方法基于从出口NOx含量传感器接收到的信号的响应形状来确定SCR系统是否处于剂量不足或过量。

Description

用于选择性催化还原系统泄漏和逃逸测定的预测控制
背景技术
本公开总体上涉及排放控制和排气后处理系统。更具体地，本公开的多个方面涉及用于内燃机(ICE)组件的后燃烧排放的后处理氮氧化物(NOx)还原的控制策略。
目前生产的机动车辆(例如现代汽车)原本装备有动力传动系，该动力传动系用于推动车辆并为车载电子装置供电。包括并且通常被错误分类为车辆传动系的动力传动系通常包括原动机，该原动机通过多速电力传输向车辆的最终传动系统(例如后差速器、车轴和车轮)传递驱动动力。汽车通常由往复式活塞式内燃机提供动力，因为其易于获得且成本相对低廉，重量轻且总体效率高。作为一些非限制性实例，这种发动机包括两冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火(SI)汽油机、六冲程体系结构和旋转式发动机。另一方面，混合动力车辆利用诸如电池和燃料电池驱动的电动马达的替代动力源来推进车辆，使对发动机的动力依赖性最小化，从而提高整体的燃料经济性。
典型的顶置阀内燃机包括具有一系列缸膛的发动机缸体，每个缸膛具有可在其中往复运动的活塞。与发动机缸体的顶部表面连接的是与活塞和缸膛配合形成可变容积燃烧室的汽缸盖。这些往复式活塞用于将由将燃烧室内压缩的燃料与空气混合物点燃所产生的压力转换成旋转力以驱动曲轴。汽缸盖制造有进气口，由进气歧管提供的空气通过该进气口选择性地引入每个燃烧室。在汽缸盖内还限定有排气口，排气和燃烧副产物通过该排气口选择性地从燃烧室排出到排气歧管。排气歧管又将用于再循环的排气收集并组合到进气歧管中，输送到涡轮驱动的涡轮增压器和/或经由排气系统从ICE排出。
在ICE组件的每个燃烧工作循环期间产生的排气可以包括颗粒物质和其它已知的燃烧副产物，例如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、挥发性有机化合物(VOC)和氮氧化物(NOx)。排气后处理系统操作用于将未燃烧烃和一氧化碳氧化成二氧化碳和水，并且在气体释放到大气前将氮氧化物的混合物还原成氮气和水。排气处理可以单独地或以任何组合方式并入氧化催化器(OC)、NOx吸收剂/吸附剂、排气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)系统、颗粒物质(PM)过滤器、催化转化器、和其它排放控制手段。选择性催化还原是先进的主动排放控制技术，其将例如无水或氨水(NH3)或汽车级尿素(也称为柴油机排气流体(DEF))的计量剂注入排气流中。该计量剂包括被吸收到SCR催化器表面上并与排气中的NOx反应的还原剂。然后SCR催化器可将NOx分解或还原成水蒸气(H2O)和氮气(N2)。
通常将计量剂注入到SCR催化器上游的气流中，使得液体还原剂在与通过SCR系统的夹带NOx的气体反应前被吸收到催化器上。当使用的还原剂是氨时，计量剂在被吸收到催化器上之前在SCR系统内热分解成氨。当SCR系统被适当给以还原剂时，在气体被释放到周围大气前，还原反应应当消除大部分(如果不是全部)NOx和氨。如果更多的氨被注入到系统中而不是被催化器吸收，则SCR系统被认为是“过量的”，并且氨可能会从排气系统无意中排出(通常称为“氨泄漏(ammonia slip)”)。相反，如果将不足量的氨注入并吸收到催化器上以与所有通过的NOx反应，则SCR系统被认为是“不足量的”，并且可使未处理的NOx从排气系统排出(通常称为“NOx逃逸(NOx breakthrough)”)。
发明内容
本文公开了用于调节排放控制系统的选择性催化还原(SCR)的多变量预测控制算法和控制系统，用于制造这种控制系统的方法和使用这种控制系统的方法，具有预测控制的SCR能力的内燃机(ICE)组件，以及配备这种发动机的机动车辆。作为实例而非限制，呈现了用于确定SCR系统是否处于还原剂过量状态(在本文中也被称为“泄露”)或还原剂剂量不足的状态(在本文中也被称为“逃逸”)的独特方法。例如，在稳定状态SCR系统运行情形期间，监控上游和下游NOx含量，以确定下游NOx传感器读数是否/何时比预定下游NOx模型值高出或低出系统校准值，或者被称为模型误差情形。响应于模型误差情形的发生，调节，减少或暂时中止SCR系统的定量剂加注装置(也称为“DEF加料器”)一段指定的时间段。这个指定的时间段可以基于所消耗的NH3、罐温度、当前的发动机排气状况、环境状况等来实时计算。
在指定的时间段期满后，在此期间可能消耗预定质量的NH3，DEF加料器输出恢复正常或以其它方式被激活。对于那些运行情形，调节DEF加料器以在命令的加注值的增加或减少的百分比(例如，大于或小于正常加注体积的100％)下按设定的时间段进行加料。这个百分比可以从当前的系统运行情形实时计算出来。当DEF加料器在该修改值下运行时，评估下游NOx传感器信号以确定系统是否泄漏或逃逸。在泄漏情形(过量状态)下，当DEF加料器输出恢复正常时，下游NOx信号不会显著变化。在逃逸情形(剂量不足状态)下，当DEF加料器输出恢复正常时，下游NOx信号将迅速下降。这种行为差异允许系统容易地确定SCR系统的状态，并且如果期望的话，调整一个或多个DEF加料器命令的加注值以减少未来泄漏和逃逸情形的可能性。
对于至少一些所公开的概念，服务员的益处包括减少的SCR系统指定的时间段，这又导致排气系统NOx尾气排放减少。公开的SCR控制逻辑和系统架构有助于提高在稳定状态情形下的泄漏/逃逸确定的准确性。对于高和低NOx入口情形(例如，由改变道路状况、操作员输入、系统需求等引起)而提供了更稳健的泄漏/逃逸确定。所公开的系统和方法还通过采用闭环反馈来系统地更新SCR工作参数来帮助最小化不期望的过量和剂量不足状态的再次发生。
本公开的方面针对用于商业和工业锅炉、燃气轮机和具有SCR功能的往复活塞式内燃机组件的SCR监控和控制系统架构。例如，公开了用于调节SCR排气后处理系统的操作的多变量预测控制系统。SCR系统通常由一个或多个SCR催化器，与SCR催化器流体连接的还原剂储罐以及可操作用于将还原剂选择性地加注到SCR催化器上以便化学地减少携带排气的氮氧化物排放的加料加注器组成。预测控制系统包括各种感测装置，例如检测SCR催化器下游的NOx输出(例如，NOx浓度)的NOx含量传感器以及检测SCR催化器上游的排气入口温度的SCR温度传感器。其它系统感测装置可以包括但不限于：用于检测SCR催化器上游的NOx输入的NOx含量传感器；用于检测SCR催化器下游的排气出口温度的SCR温度传感器；和/或用于检测SCR催化器的当前温度的SCR催化器温度传感器。
电子控制单元(ECU)可通信地连接到出口NOx含量传感器和入口SCR温度传感器。该ECU被配置为：从NOx含量传感器接收指示SCR催化器下游的NOx输出的一个或多个信号；从SCR温度传感器接收指示SCR催化器上游的排气入口温度的一个或多个信号；确定模型误差情形是否已经发生；响应于模型误差情形已经发生的确定，基于排气入口温度信号确定指定的缩短时间；命令加料加注器以调节输出至少指定的缩短时间；确定加料加注器的调节剂量值；在指定的时间段期满时，命令加料加注器激活并根据调节的剂量值加注还原剂一段指定的时间；并且当加料加注器加注经调节的还原剂剂量值时，基于从出口NOx含量传感器接收的信号的响应形状来确定SCR系统是否处于剂量不足或过量的状态。
本公开的其它方面涉及具有往复活塞式发动机和具有预测控制能力的SCR排气后处理系统的机动车辆。如本文所使用的“机动车辆”可以包括任何相关的车辆平台，例如乘客车辆(内燃机、混合电动、全电动、燃料电池、燃料电池混合动力、完全或部分自主的等)、商用车辆、工业车辆、履带车辆、越野和全地形车辆(ATV)、农场设备、船只、飞机、火车等。在一个实例中，提出了一种机动车辆，其包括具有发动机舱的车身，和存放在发动机舱内的内燃机(ICE)组件。ICE组件包括具有多个缸孔的发动机缸体，以及在每个缸孔内可往复运动的活塞。SCR排气后处理系统流体地连接到ICE组件。SCR系统包括例如经由流体导管和喷嘴流体连接到存储流体还原剂的储罐的一或多个SCR催化器。电子加料加注器可选择性地操作以将还原剂加注到通过SCR系统的携带NOx的排气流中。
出口NOx含量传感器检测SCR催化器下游的NOx输出，而入口SCR温度传感器检测SCR催化器上游的排气入口温度。通信地连接到各种系统传感器的机载或远程ECU被编程为接收指示SCR催化器下游的NOx输出的信号以及指示SCR催化器上游的排气入口温度的信号。然后ECU确定是否发生了所接收的NOx输出信号的模型误差情形，并且响应于这种情况，基于例如排气入口温度信号来确定指定的时间段。ECU将加料加注器输出调节至少一段指定的时间，并且例如在当前的SCR系统操作情形下确定加料加注器的调节剂量值。在指定的时间段期满后，ECU使加料加注器输出恢复正常，并命令加注器根据调节的剂量值加注还原剂。当加料加注器结束加注调节剂量值的还原剂时，ECU基于从出口NOx含量传感器接收的信号的响应形状来确定SCR系统是处于剂量不足状态还是过量状态。
本公开的另外方面涉及用于调节SCR排气后处理系统的操作的用于具有闭环功能的多变量预测控制的控制逻辑和算法。例如，公开了一种用于操作用于调节SCR系统的预测控制系统的方法。该方法以任何顺序并与任何所公开的特征以任何组合包括：经由控制器从出口NOx含量传感器接收指示SCR催化器下游的NOx输出的信号；经由控制器从入口SCR温度传感器接收指示SCR催化器上游的排气入口温度的信号；确定是否发生了NOx输出信号的模型误差情形；响应于确定模型误差情形已经发生，基于排气入口温度信号确定指定的时间段；将加料加注器输出调节至少一段指定的时间；确定加料加注器的调节剂量值；在指定的时间段期满时，启动并命令加料加注器根据调节的剂量值加注还原剂；以及当加料加注器加注经调节的还原剂剂量值时，基于从出口NOx含量传感器接收的信号的响应形状来确定SCR系统是处于剂量不足状态还是过量状态。
以上概述不旨在表示本公开的每个实施例或每个方面。相反，前面的概述仅提供了在此阐述的一些新颖方面和特征的例证。结合附图和所附权利要求，从以下对用于执行本公开的代表性实施例和代表性模式的详细描述中，本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。此外，本公开明确地包括上下文中呈现的元件和特征的任何和全部组合和子组合。
附图说明
图1是根据本公开的方面的含具有选择性催化还原(SCR)能力的代表性往复式活塞式内燃机(ICE)组件的插入示意图的代表性机动车辆的正面透视图。
图2是根据本公开的方面的用于SCR泄漏和逃逸确定的代表性控制方案或算法的流程图，其可以对应于机动车辆的机载或远程控制逻辑电路或其它基于计算机的设备执行的指令。
图3是根据本公开的方面的绘制了代表性SCR系统催化器的上游和下游测得的氮氧化物浓度(百万分率(ppm))对时间(秒(sec))的图，以说明剂量不足系统响应。
图4是绘制上游和下游NOx浓度对时间的另一个图，以说明图3的代表性SCR系统的过量响应。
本公开容许各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已经通过示例在附图中示出并且将在本文中进行详细描述。然而，应该理解的是，本公开的新颖方面不限于在附图中示出的特定形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、置换、分组和替代。
具体实施方式
本公开容许许多不同形式的实施例。在附图中示出并将在本文中详细描述本公开的代表性实施例，但应理解的是，这些代表性实施例将被认为是本公开的原理的示例，而并非旨在将本公开的广泛方面限制为所示的实施例。就此而言，例如在摘要、发明内容和具体实施方式部分中公开但未在权利要求中明确阐述的要素和限制不应该通过暗示，推断或以其它方式而单独或集体地并入到权利要求中。出于本具体实施方式的目的，除非明确放弃保护：单数包括复数，反之亦然；单词“和”以及“或”应该是连词和转折连词；单词“全部”意指“任何以及全部”；单词“任何”意指“任何以及全部”；而单词“包括”和“包含”以及“具有”意指“包括但不限于”。此外，例如“约”、“几乎”、“基本上”、“近似”等的近似词语可以在本文中以“接近或接近于”或“在3-5％之内”或其“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的方式使用。
现在参考附图，其中相同的附图标记在全部几个视图中指的是相同的特征，在图1中示出代表性汽车的透视图，其总体上用10表示并且在此被描述以为了作为四门轿车型客车讨论。安装在汽车10的前部(例如，前保险杠面板和格栅的后部以及乘客车厢的前部)是容纳在由发动机罩14覆盖的发动机舱内的内燃机(ICE)组件12。图示的汽车10(在本文中也简称为“机动车辆”或“车辆”)仅仅是可以实践本公开的新颖方面和特征的示例性应用。同样，将本发明概念实施为火花点火直喷式(SIDI)发动机配置也应理解为本文公开的新概念的示例性应用。这样，将理解为，本公开的方面和特征可以应用于其它发动机架构，向其它排气后处理系统实施，并且用于任何逻辑相关类型的机动车辆。同样，本公开的方面可以用于非基于车辆的应用，例如大型电力锅炉、工业级锅炉、过程加热器、燃气轮机等。最后，本文呈现的附图不一定按比例并纯粹是为了指导目的而提供的。因此，附图中所示的具体和相对尺寸不应被解释为限制性的。
在图1中示出多缸双顶置凸轮(DOHC)线上形式ICE组件12的实例。示出的ICE组件12是四冲程往复式活塞发动机构造，其操作以例如作为直喷式汽油发动机推进车辆10，包括柔性燃料车辆(FFV)和其混合动力车辆变型。ICE组件12可以任选地以包括均质充量压缩点火(HCCI)燃烧模式和其它压缩点火(CI)燃烧模式的各种可选择的燃烧模式中的任何一种模式进行操作。另外，ICE组件12可以以化学计量的空气/燃料比和/或以主要贫化学计量的空气/燃料比操作。该发动机12包括在发动机缸体13的缸膛15中可泄漏地移动的一系列往复活塞16。每个活塞16的顶表面与其相应的汽缸15的内周边以及汽缸盖25的凹入的腔室表面19配合以限定可变体积的燃烧室17。各活塞16与旋转的曲轴11连接，通过该旋转的曲轴11，活塞16的直线往复运动例如通过曲轴11以旋转运动输出到动力传递装置(未显示)。
进气系统通过进气歧管29将进气传送到汽缸15，进气歧管29例如经由汽缸盖25的进气流道引导和分配空气进入燃烧室17。发动机的进气系统具有气流管道和用于监控和控制进气的流量的各种电子设备。作为非限制性实例，进气装置可以包括用于监控质量空气流量(MAF)33和进气温度(IAT)35的质量空气流量传感器32。节流阀34响应于来自可编程电子控制单元(ECU)5的控制信号(ETC)120而控制流向ICE组件12的气流。可操作地连接到进气歧管29的压力传感器36监控例如歧管绝对压力(MAP)37和大气压力。任选的外部流动通道例如经由排气再循环(EGR)阀38性质的控制阀将排气从发动机排气再循环到进气歧管29。可编程的ECU 5通过经由EGR命令139调节EGR阀38的打开和关闭来控制排气到进气歧管29的质量流量。在图1中，连接ECU 5与ICE组件12的各种部件的箭头象征电子信号或其它通信交换，通过该交换，数据和/或控制命令从一个部件传输到另一个部件。
从进气歧管29到每个燃烧室17的气流由一个或多个专用进气发动机阀20控制。排气通过排气歧管39从燃烧室17排出到排气后处理系统(通常用150表示)由一个或多个专用排气发动机阀18控制。根据所公开的实施例中的至少一些，排气后处理系统150包括排气歧管39下游的选择性催化还原(SCR)排气后处理系统152。发动机阀18，20在文中被显示为弹簧偏置的提升阀；然而，可以采用其它已知类型的发动机阀。ICE组件12的阀机构系统被配备成控制和调节进气阀和排气阀20，18的打开和关闭。根据一个实例，进气阀和排气阀20，18的启动可以分别通过控制进气和排气可变凸轮相位/可变升程控制(VCP/VLC)装置22和24来调节。这两个VCP/VLC装置22，24被配置为分别控制和操作进气凸轮轴21和排气凸轮轴23。这些进气和排气凸轮轴21和23的旋转与曲轴11的旋转相关联和/或相索引，从而将进气阀和排气阀20，18的打开和关闭连接到曲轴11和活塞16的位置。
每个进气VCP/VLC装置22可以制造有可操作以响应于控制信号(IVV)125切换和控制进阀20的阀升程的机构，并且可变地调节和控制每个汽缸15的进气凸轮轴21响应于控制信号(iVCP)126的相位。同样，排气VCP/VLC装置24可以包括可操作以响应于控制信号(eVLC)123可变地切换和控制废阀18的阀升程，并且响应于控制信号(eVCP)124可变地调节和控制每个汽缸15的排气凸轮轴23的相位的机构。例如，响应于相应的控制信号eVLC 123、eVCP124、iVLC 125和iVCP126，VCP/VLC装置22，24可使用电液压、液压、电机械和电控制力中的任一个来启动。
继续参考图1的代表性构造，ICE组件12采用具有将燃料脉冲直接加注到燃烧室17中的多个高压燃料加注器28的汽油直接加注(GDI)燃料加注子系统。每个汽缸15设置有一个或多个燃料加注器28，其响应于来自ECU 5的加注器脉冲宽度命令(INJ_PW)112而启动。这些燃料加注器28由燃料分配系统(未显示)供应有加压燃料。一个或多个或全部燃料加注器28可以在被启动时可操作以每个工作循环将多个燃料脉冲(例如，燃料质量的连续第一、第二、第三等加注)加注到相应的ICE组件汽缸15中。ICE组件12采用火花点火子系统，通过该火花点火子系统，一般以突然放电性质的燃料燃烧启动能量经由火花塞26提供，用于响应于来自ECU5的火花命令(IGN)118点燃或协助点燃每个燃烧室17的汽缸充气。本公开的方面和特征可以类似地应用于压缩点火(CI)柴油发动机。
ICE组件12配备有用于监控发动机操作的各种感测装置，包括具有指示曲轴旋转位置(例如，曲柄角和/或速度(RPM)信号43)的输出的曲柄传感器42。温度传感器44可操作以监控例如一个或多个发动机相关温度(例如，冷却剂温度、燃料温度、排气温度等)，并输出指示其的信号45。缸内燃烧传感器30可操作以监控例如缸内燃烧压力、充气温度、燃料质量、空燃比等燃烧相关变量，并输出指示其的信号31。排气传感器40可操作以监控与排气有关的变量，例如实际空气/燃料比(AFR)、燃烧的气体分数等，并输出指示其的信号41。
燃烧压力和曲轴转速可以通过ECU 5监控，例如以确定每个汽缸15的每个工作燃烧循环的燃烧发生时间，即燃烧压力相对于曲轴11的曲柄转角的发生时间。应该认识到，燃烧发生时间可以通过其它方法来确定。燃烧压力可由ECU 5监控，以确定每个汽缸15的每个工作燃烧循环的指示平均有效压力(IMEP)。ICE组件12和ECU 5协作地监控并确定每个发动机汽缸15在每个汽缸点火事件期间的IMEP的状态。其它感测、监控和检测装置可用于监控本公开范围内的其它燃烧参数的状态，例如离子传感点火系统、EGR分数和非侵入式汽缸压力传感器。
控制模块、模块、控制、控制器、电子控制单元、处理器和类似的术语意指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器)以及执行一个或多个软件或固件程序或例程的相关联的存储器和存储(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓冲电路以及其它组件中一个或多个的任一个或多种组合以提供所描述的功能。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指任何控制器可执行的指令集，包括校准和查找表。ECU可以被设计为具有经执行以提供期望的功能的一组控制例程。控制例程例如由中央处理单元执行，并且可操作用于监控来自感测装置和其它联网的控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制装置和致动器的操作。例程可以在正在进行的发动机和车辆操作期间以规则间隔执行，例如，每100微秒、3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。或者，例程可以响应于事件的发生而执行。
在图1中也呈现了，代表性的多变量预测控制系统架构，其有助于调节SCR系统152的操作以更容易、有效且稳健地确定系统泄漏和逃逸，从而有助于最大化NOx转化效率并使氨泄漏最小化，同时减少尾气中的NOx排放。如图所示，代表性的SCR排气处理系统152由氧化催化器(OC)154、位于OC 154下游的SCR催化器158和介于OC 154与SCR催化器158之间的颗粒过滤器(PF)156组成。仅示出了SCR系统152的选择组件，并且将在下面进一步详细描述。然而，所公开的SCR系统架构可以包括许多附加的和替代的特征以及其它公知的外围组件，例如用于执行本文公开的各种功能和方法，而不背离本公开的预期范围。此外，尽管本身不受限制，但是SCR系统152被描绘为基于尿素的系统，其向单个SCR催化器实施尿素的分段均匀分布。然而，确实在本公开的范围内的是实施另外的SCR催化器并且采用通过任何相关的分配方法实施的其它已知或以后开发的剂量剂。
根据所述实例，可具有柴油氧化催化器(DOC)性质的OC 154有助于化学氧化一氧化碳(CO)、气相烃(HC)和/或通过SCR系统152的排气中的其它有机化合物(例如，柴油颗粒(SOF)的有机部分)。DOC的功能之一是将NO转化成NO2，NOX形式更容易被SCR催化器处理。相比之下，PF 156可以具有单次使用的主动式或被动式柴油机微粒过滤器(DPF)的性质，有助于在排空或再循环前从排气流中除去夹带的颗粒物质。SCR系统152采用经由加料加注器162(也称为“DEF加料器”)加注的还原剂以减少或以其它方式从排气中去除NOx。例如，DOC处理的排气被引导至SCR催化器158，SCR催化器158使用储存在还原剂储罐160中的含水尿素164(约32％尿素和约67％去离子水的混合物)或其它功能剂量剂作为反应物以将NOx还原成其它成分。加料加注器162可以具有螺线管驱动的H型或D型加注阀的性质，其可致动以将尿素164加注到SCR流体管线165中。
加注到排气流中的尿素水溶液164(例如柴油机排气流体(DEF))如果没有立即被SCR化学反应消耗，则分解成氨吸收到SCR催化器砖上。ECU 5调节加注到SCR催化器158上游的SCR流体管线165中的尿素的量(例如脉冲宽度和/或脉冲体积)，并且因此调节供应到SCR催化器158的NH3的量。如前所述，SCR催化器158吸附或以其它方式将NH3储存在催化器的蜂窝状砖结构上。由SCR催化器158储存的NH3的量在本文中可被称为“催化器NH3储存量”。储存在SCR催化器158中的NH3与通过SCR系统152的排气中的NOx反应，使得排放出水蒸气(H2O)和氮气(N2)而不是NOX。
为了提供SCR泄漏和逃逸确定，ECU 5与各种车载和/或车外传感装置进行通信，包括图1所示的那些以及上文和下文中描述的那些，以汇总用于排气后处理系统150的操作和优化的相关信息。如图1所示，SCR系统152采用第一(入口)NOx含量传感器166、第二(出口)NOx含量传感器168、第一(入口)SCR温度传感器170、第二(出口)SCR温度传感器172和SCR催化器温度传感器174。每个NOx含量传感器166，168可以具有固态电化学或安培NOx传感器的性质，例如灵敏度范围为约100-2000百万分率(ppm)的高温陶瓷金属氧化物NOx传感器)，监控SCR系统152的特定位置处的排气中的NOx的量并输出指示其的电子信号。如图所示，第一NOx含量传感器166位于加注器162的上游，并且可操作来系统地或随机地追踪，实时监控，或者以其它方式选择性地检测由SCR系统152接收的NOx输入的量或浓度。显示的第二NOx含量传感器168定位在SCR催化器158的下游，并且可操作以系统地或随机地追踪，实时监控或以其它方式选择性地检测离开SCR催化器158的NOx输出的量或浓度。这些入口和出口传感器也能够分别检测进入和离开SCR的NH3含量。替换地，ECU 5还可以与一个或多个离散NH3传感器通信，其中的每一个可以具有红外、化学吸附(MOS)、电化学或固态(SS)电荷载流子注入(CCI)传感器。
继续参考图1，SCR系统152采用三个温度传感器170、172和174来监控沿着SCR系统152流体路径的不同位置处的温度。排气温度传感器(EGTS)170，172中的每一个可能具有K型热电偶、高温计探头等性质，系统地或随机地追踪，实时监控，或以其它方式选择性地检测排气的温度并产生指示其的信号。ECU 5可以基于排气温度信号或基于从SCR催化器温度传感器174接收的信号来确定SCR催化器158的温度。虽然五个传感器被显示包装在图1的特定位置，但是SCR系统152可以包括更多或更少的感测装置，其具有与附图中所示的包装位置相似或不同的包装位置。
现在参考图2的流程图，例如，在机动车辆(例如图1的汽车10)的内燃机(例如图1的ICE组件12)的操作期间用于选择性催化还原的预测性控制的改进的方法或算法根据本公开的多个方面总体上在200处描述。图2可以代表对应于至少一些指令的算法，该指令例如可以存储在主存储器或辅助存储器中，并且例如由ECU、CPU、车载或远程车辆控制逻辑电路或其它设备来执行以进行与所公开的概念相关联的以上和/或以下描述的功能中的任一个或全部。
图2的方法200通过初始化SCR系统监控，反馈和控制在框201处开始。该步骤可以在发动机起动时初始化，由此方法200以连续循环运行直到ICE组件12关闭。替换地，方法200可以系统地、随机地或响应于某些发动机运行情形来初始化。继续到框203，方法200监控各种SCR系统参数的状态，例如排气温度、排气质量流量、NOx浓度、NOx质量流量、NH3浓度、NH3质量流量、罐转换效率、氨吸附和解吸、氨储存能力和/或排气流动空间速度，作为一些非限制性实例。如上所述，入口和出口NOx含量传感器166，168产生表示SCR催化器158上游的NOx输入浓度和SCR催化器158下游的NOx输出浓度的电子传感器信号，并将这些信号发送到ECU 5。ECU 5还可分别从入口和出口SCR温度传感器170，172接收表示SCR催化器158上游和下游的排气温度的电子传感器信号。
在判定框205处，方法200确定是否发生了从下游NOx传感器168接收到的NOx输出信号中的一个的模型误差情形。在框205之前或同时，方法200可以首先确定SCR系统152是否处于稳定状态情形。按照图1的代表性SCR系统152，例如，可以通过观察上游NOx传感器信号一段校准的时间来建立稳定状态。具有校准滤波器截止的高通信号滤波器可以应用于该上游信号；可以使用移动时间窗口(例如，5.2秒)来计算下游信号的均方根(RMS)值。将这个计算的RMS值与校准的RMS值比较，如果计算的RMS值小于校准的RMS值，则SCR系统被认为是“稳定状态”。相反，如果计算的RMS值不小于校准的RMS值，则SCR系统被视为“不稳定状态”，并且方法200可以循环回到框203或者可以继续跟踪上游NOx传感器信号的稳定状态情形。
响应于SCR系统被视为“稳定状态”，方法200确定模型误差情形是否已经发生。该分析可以包括从当前SCR系统操作状况的SCR化学模型识别模型值，并且通过系统校准值确定下游NOx输出信号是大于还是小于模型值。在一些实施例中，通信地连接到ECU 5的驻留或远程存储设备7存储针对正在评估的特定SCR系统校准的SCR化学模型。也存储在存储装置7内的可以是与所存储的模型值相关联的一系列系统校准值。作为非限制性实例，针对图1中呈示的特定内燃机组件12架构校准SCR化学模型。该模型通过在不同的运行情形下对SCR系统进行一系列测力计(dyno)测试，然后对模型进行校准而创建。例如，运行情形可以包括车辆速度(70mph)，环境温度(75F)和dyno系数。如果下游NOx传感器与NOx模型之间没有误差(框205＝否)，则方法200可以循环回到框203或者可以继续追踪下游NOx传感器信号的模型误差情形。
当下游NOx传感器与NOx模型之间存在模型误差时(框205＝是)时，方法200将响应地确定“指定时间段”，例如，期间在框207处减少或停止加料。指定的减少/停止时间段的确定可以至少部分地基于例如由入口SCR温度传感器170测量的SCR催化器上游的排气的入口温度。任选地，指定时间段可以进一步基于例如由入口NOx含量传感器166测量的上游NOx浓度和/或例如由出口SCR温度传感器172测量的排气出口温度。指定时间段可被设定为对应于某个NH3消耗量-基于从SCR催化器温度传感器接收的当前温度信号确定的校准的氨燃烧质量。在一个具体实例中，校准的氨燃烧质量基于当前的排气温度和NOx流量，ICE组件的尺寸以及SCR催化器的当前温度来设置。一旦确定，ECU 5将同时命令加料加注器162在框207处调节，减少或另外暂时停止其输出至少一段指定的时间。
继续参考图2，方法200在框209处确定加料加注器162的调节的剂量值。框209可进一步要求命令加料加注器输出恢复正常，并根据该调节的剂量值来加注还原剂。作为示例而非限制，ECU 5可以被编程为通过首先确定当前SCR系统运行情形的命令加注值，并且将该命令的加注值乘以加注校准值来计算调节的剂量值。在由于在稳定状态情形下的NOx模型误差而执行DEF情形后，例如在框207处，DEF加料加注器162输出恢复正常或以其它方式在框209处启动，并同时被指示以在计算的DEF剂量值的增加或减少百分比下加注尿素164。在正常运行情形期间，即无模型误差代码，SCR控制确定给定量的DEF，加料以实现NOX的SCR-以前被称为命令加注值。在设置了模型误差代码的异常运行情形下，SCR系统在指定的时间段后人为地修改该命令的加注值，以调查误差的来源，并有助于确保对泄漏或逃逸确定的更清晰的系统响应。对于至少一些应用，SCR系统可以默认为从标准命令的加注值放大的预设剂量值。
一旦DEF加料加注器162的输出恢复到正常并且在框209处实施调节的剂量值，则ECU 5被编程为在框211处评估下游NOx传感器168的响应以确定在框213处SCR系统152是否处于还原剂过量(泄漏)状态或还原剂剂量不足(逃逸)状态。一般而言，SCR系统剂量不足和过量可以通过在调节剂量加注器162的输出的同时和/或之后评估从下游NOx含量传感器168接收的信号的响应形状来确定，以加注调节的还原剂剂量值。如图3所示，并且在下文中进一步详细描述，可以设置剂量不足的“逃逸”代码，以响应从出口NOx含量传感器接收的具有明显较大变化的下游NOx浓度传感器信号的响应形状，例如，相当大的负斜率和/或开始值与结束值之间的相当大的相对(或绝对)变化。相反，可以设置过量“泄漏”代码，以响应从出口NOx含量传感器接收到的具有很小变化或没有变化的信号的响应形状，例如基本上为零的斜率和/或评估期间的开始与结束值之间的不显著的相对(或绝对)变化。在一些应用中，泄漏和逃逸可以通过评估每克(或其它单位质量)所消耗的NH3的下游NOx变化确定。
如果SCR系统152处于剂量不足的状态，则ECU 5可以通过增加加料加注器162的一个或多个命令的加注值来进行响应，例如从而弥补催化器NH3存储水平的任何不足。另一方面，如果SCR系统152处于过量的状态，则ECU 5可以通过减小加料加注器162的一个或多个命令的加注值来进行响应，例如从而弥补被注入到SCR流体管线165中的任何过量的剂量剂。图2的方法200进行到框215并完成预测控制过程的序列。如果期望连续循环，则框215可以包括自动循环回到框201以初始化SCR系统监控，反馈和控制。
图3示出了代表性SCR系统的剂量不足系统响应。在这个实例中，该图标绘了在SCR催化器的上游和下游测量的氮氧化物浓度(垂直轴上的百万分率(ppm))对时间(横轴上的秒(sec))。在加料停止和/或调节剂量期间，上游(入口)NOx含量传感器信号366与下游(出口)NOx含量传感器信号368并置。如图所示，在时间tMEC发生模型误差代码后的时间t1处，调节SCR系统DEF加注器输出。在预定时间段tD0期满后，DEF加注器输出在时间t2处恢复到正常，持续一段预定的编程时间tPP。从该图中可以看出，当以调节的剂量值对剂量进行标准化时，由出口NOx含量传感器读取的下游NOx浓度急剧下降。下游NOx含量传感器信号368具有非常明显的响应形状-以大的负斜率快速下降，并且NOx ppm值相应地大的变化-表明下游传感器正在看到足够的NOx以提示逃逸并且因此处于剂量不足状态。也可以看出，如果在10-15秒后加料器的输出恢复正常，则会出现相同的结果(即下游NOx信号明显下降)。通过实施较短的指定时间段(例如，约25-35秒)，尾管NOx排放减少。此外，外部影响触发系统中止操作或导致泄漏和逃逸确定的问题(例如踏板运动、风、山丘等)的时间较少。
图4说明了代表性SCR系统的过量系统响应。在加料停止和调节剂量期间，上游(入口)NOx含量传感器信号466与下游(出口)NOx含量传感器信号468并置。如图所示，在时间tMEC发生模型误差代码后的时间t1处，调节SCR系统DEF加注器输出。在预定时间段tD0期满后，在时间t2处将DEF加注器标准化一段预定的时间tPP。该图显示，当以调节值对剂量进行标准化时，由出口NOx含量传感器读取的下游NOx浓度没有显著变化。图中看出微小的下降，但斜率非常小。也可以看出，如果在10-15秒后加料器输出恢复正常，则会出现相同的结果(即，下游NOx信号很少或没有下降/小斜率)。
公开的预测控制系统和方法有助于增加稳定状态泄漏和逃逸确定的稳健性。公开的预测控制系统和方法有助于最小化SCR状态的错误“学习”，这有助于减少由于不必要的长时间的“侵入性稳定状态测试”导致的尾管NOx排放。另外，所公开的预测控制系统和方法有助于减少终止侵入性测试的可能性，减少影响计算的道路/环境/踏板输入情形的概率。另外，如果系统“错误地学习”，则系统可以“级联”，直到为适应误差设置代码。
在一些实施例中，本公开的各方面可以通过计算机可执行的指令程序来实现，例如程序模块，通常被称为软件应用或由车载计算机执行的应用程序。在非限制性实例中，软件可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。该软件可以形成一个接口，使计算机根据输入源做出反应。该软件还可以与其它代码段协作以响应于与接收到的数据的来源一起接收到的数据来发起各种任务。软件可以存储在各种存储介质中，例如CD-ROM、磁盘、气泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)。
此外，本公开的各方面可以用包括多处理器系统、基于微处理器或可编程消费者电子设备、小型计算机、大型计算机等的各种计算机系统和计算机网络配置来实施。另外，本公开的各方面可以在其中由通过通信网络链接的远程处理设备执行任务的分布式计算环境中实施。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。因此，可以在计算机系统或其它处理系统中结合各种硬件、软件或其组合来实施本公开的各方面。
本文中所描述的任何方法可以包括用于由(a)处理器、(b)控制器，和/或(c)任何其它合适的处理设备执行的机器可读指令。本文公开的任何算法、软件或方法可以以存储在有形介质(比如，例如，闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘(DVD)、或其它存储器设备)上的软件来实现，但是本领域的普通技术人员将容易地认识到，整个算法和/或其部分可以替代地由不同于控制器的设备来执行和/或以固件或专用硬件以熟知方式来实现(例如，其可以通过专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程逻辑设备(FPLD)、离散逻辑等来实施)。此外，虽然参照本文描绘的流程图描述了特定算法，但是本领域的普通技术人员将容易理解，可以替代地使用实施示例机器可读指令的许多其它方法。例如，框的执行顺序可以改变，和/或可以改变、消除或组合所描述的一些框。
虽然已经参考所示实施例详细描述了本公开的各方面，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可以对其进行许多修改。本公开不限于本文公开的精确构造和组合物；从前述描述中显而易见的任何和所有的修改、变化和修改都在所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。此外，本概念明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于调节选择性催化还原(SCR)系统的预测性控制系统，所述SCR系统包括SCR催化器，流体地连接至所述SCR催化器的还原剂储罐以及用于将还原剂加注至所述SCR催化器上以化学还原氮氧化物(NOx)排放的加料加注器，所述预测控制系统包括：
出口NOx含量传感器，其被配置成检测所述SCR催化器下游的NOx输出并输出指示其的信号；
进口SCR温度传感器，其被配置为检测所述SCR催化器上游的排气入口温度并输出指示其的信号；以及
电子控制单元(ECU)，其通信地连接到所述出口NOx含量传感器和所述入口SCR温度传感器，所述ECU被配置为：
从所述出口NOx含量传感器接收指示所述SCR催化器下游的所述NOx输出的信号；
从所述入口SCR温度传感器接收指示所述SCR催化器上游的所述排气入口温度的信号；
确定所述NOx输出信号是否发生了模型误差情形；
响应于确定所述模型误差情形已经发生，基于所述排气入口温度信号确定指定的时间段；
命令所述加料加注器以调节输出至少一段所述指定的时间；
确定所述加料加注器的调节剂量值；
在所述指定的时间段期满时，命令所述加料加注器根据所述调节的剂量值启动并加注还原剂；以及
基于在所述加料加注器被命令加注所述调节的还原剂剂量值后从所述出口NOx含量传感器接收到的信号的响应形状来确定所述SCR系统是处于剂量不足状态还是过量状态。
2.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中所述ECU被进一步配置为响应于确定所述SCR系统处于所述剂量不足状态，增加所述加料加注器的命令加注值。
3.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中所述ECU被进一步配置为响应于确定所述SCR系统处于所述过量状态，降低所述加料加注器的命令加注值。
4.根据权利要求1所述的预测控制系统，进一步包括：
入口NOx含量传感器，其被配置成检测所述SCR催化器上游的NOx输入并输出指示其的信号；
出口SCR温度传感器，其被配置成检测所述SCR催化器下游的排气出口温度并输出指示其的信号，
其中确定所述指定时间段进一步基于从所述入口NOx含量传感器接收的NOx输入信号和从所述出口SCR温度传感器接收的排气出口温度信号。
5.根据权利要求1所述的预测控制系统，进一步包括：
SCR催化器温度传感器，其被配置成检测所述SCR催化器的当前温度并输出指示其的信号；
其中确定指定时间段进一步基于基于从所述SCR催化器温度传感器接收的当前温度信号确定的校准氨燃烧质量。
6.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中确定所述SCR系统处于所述剂量不足状态包括从所述出口NOx含量传感器接收的所述信号的所述响应形状，所述信号包括基本上大的负斜率。
7.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中确定所述SCR系统处于所述剂量不足状态包括从所述出口NOx含量传感器接收到的所述信号的所述响应形状，所述信号包括开始值与结束值之间的相当大的相对变化。
8.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中确定所述SCR系统处于所述过量状态包括从所述出口NOx含量传感器接收的所述信号的所述响应形状，所述信号包括基本为零的斜率。
9.根据权利要求1所述的预测控制系统，其中所述ECU被进一步配置为确定所述SCR系统是否处于稳定状态情形，并且其中所述确定是否已经发生所述模型误差状态情形响应于确定所述SCR系统处于稳定状态情形。
10.根据权利要求9所述的预测控制系统，进一步包括：
入口NOx含量传感器，其被配置为检测所述SCR催化器上游的NOx输入并输出指示其的信号；
其中确定SCR系统是否处于稳定状态情形包括计算从所述入口NOx含量传感器接收的NOx输入信号的均方根。
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