CN108798840B - 用于处理包括内燃机的机动车辆中的排气的排放控制系统 - Google Patents

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Abstract

描述了用于包括内燃机的机动车辆的排放控制系统的技术方案。排放控制系统包括还原剂喷射器装置、选择性催化还原(SCR)装置和控制器。该控制器基于SCR装置的一个或多个操作条件来确定还原剂喷射器装置的还原剂激励时间。该控制器基于车载诊断信号来进一步计算还原剂激励时间的诊断适应因子。该控制器通过根据诊断适应因子调整还原剂喷射器装置的还原剂激励时间来进一步将一定量的还原剂输入到SCR装置中。

Description

用于处理包括内燃机的机动车辆中的排气的排放控制系统
背景技术
本公开涉及用于内燃机的排气系统，并且更具体地涉及使用选择性催化还原（SCR）单元进行排放控制的排气系统。
从内燃机、特别是柴油发动机中排放的排气是含有诸如一氧化碳 (“CO”)、未燃烃(“HC”)、氮氧化物(“NOx”)等气态排放物以及构成颗粒物质(“PM”)的凝聚相材料(液体和固体)的不均匀混合物。通常被设置在催化剂载体或基板上的催化剂组合物被设置在发动机排气系统中作为后处理系统的一部分，以将这些排气组分中的某些或全部转换为未经调节的排气成分。
排气处理系统通常包括选择性催化还原(SCR)装置。SCR装置包括其上设置有SCR催化剂的基板以减少排气中的NOx的量。典型的排气处理系统还包括喷射还原剂(诸如例如氨(NH3)、尿素(CO(NH2)2等))的还原剂输送系统。SCR装置利用NH3来还原NOx。例如，当在合适的条件下向SCR装置供应适量的NH3时，在SCR催化剂存在下NH3与NOx 反应以减少NOx排放。然而，如果还原反应速率太慢，或者如果排气中有过量的氨，则氨可能从SCR中泄露。另一方面，如果排气中的氨过少，则 SCR NOx转换效率将会降低。
发明内容
一个或多个实施例描述了一种用于包括内燃机的机动车辆的排放控制系统。排放控制系统包括还原剂喷射器装置、选择性催化还原(SCR) 装置和控制器。控制器基于SCR装置的一个或多个操作条件来确定还原剂喷射器装置的激励时间。控制器进一步基于车载诊断信号来计算要应用于还原剂激励时间的诊断适应因子。控制器进一步通过根据诊断适应因子调整还原剂喷射器装置的还原剂激励时间将一定量的还原剂输入到SCR装置中。
除了本文描述的一个或多个特征之外，控制器通过指示还原剂喷射器模块将一定量的还原剂输入到SCR装置中。在一个或多个示例中，诊断适应因子是进一步基于排气中的预测NOx值与排气中的测量NOx值之间的差值。例如，预测NOx值是基于SCR装置的化学模型。在一个或多个示例中，诊断适应因子独立于化学模型。
在一个或多个示例中，车载诊断信号包括多个诊断信号，并且诊断适应因子是依据多个诊断信号来计算。在一个或多个示例中，基于车载诊断信号的指数加权移动平均来计算诊断适应因子。
在一个或多个示例中，计算诊断适应因子包括基于车载诊断信号确定诊断因子，将诊断因子与预定阈值进行比较，并且响应于诊断因子大于预定阈值，将诊断适应因子计算为诊断因子和预定长期适应因子中的最大值。替代地，该方法包括响应于诊断因子不大于预定阈值而将诊断适应因子计算为诊断因子和预定长期适应因子中的最小值。另外，在一个或多个示例中，控制器将诊断适应因子设定为长期适应因子。
在其它示例性实施例中，描述了一种用于内燃机的排气系统，其执行排气的选择性催化还原(SCR)。排气系统包括控制器，其基于车载诊断信号来计算排气系统的SCR装置的诊断适应因子。控制器进一步通过根据诊断适应因子配置SCR装置将一定量的还原剂输入到SCR装置中。
在又其它示例性实施例中，描述了一种用于控制内燃机的排气系统的选择性催化还原(SCR)装置的计算机实施方法。该方法包括基于车载诊断信号来计算排气系统的SCR装置的诊断适应因子。该方法还包括通过根据诊断适应因子配置SCR装置将一定量的还原剂输入到SCR装置中。
从以下结合附图的详细描述中，本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。
附图说明
其它特征、优点和细节仅借助于示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：
图1描绘了根据一个或多个实施例的包括内燃机和排放控制系统的机动车辆；
图2说明了根据一个或多个实施例的排放控制系统的示例部件；
图3说明了根据一个或多个实施例的通过SCR装置的气体的示例流动；
图4说明了根据一个或多个实施例的还原剂输送系统的示例；
图5说明了根据一个或多个实施例的SCR装置配量不足的示例情况；
图6说明了根据一个或多个实施例的控制模块的示例部件；
图7说明了根据一个或多个实施例的用于控制喷射到SCR装置中的还原剂的量的示例方法的流程图；并且
图8说明了根据一个或多个实施例的用于控制喷射到SCR装置中的还原剂的量的示例方法的流程图。
具体实施方式
以下描述仅仅具有示例性本质并且不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标号指示相同或对应的部分和特征。如本文所使用，术语模块是指可包括执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器的处理电路、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其它合适部件。
根据示例性实施例的方面的机动车辆在图1中总体上用10指示。机动车辆10以皮卡车的形式示出。应当理解的是，机动车辆10可采用各种形式，包括汽车、商业运输工具、轮船等。机动车辆10包括具有发动机舱14、乘客舱15和载货车板17的车身12。发动机舱14容纳内燃机系统 24，其在所示的示例性实施例中可包括柴油发动机26。内燃机系统24包括流体连接到后处理或排放控制系统34的排气系统30。内燃机(ICE)系统24产生的排气通过排放控制系统34以减少可通过排气出口管36排放到环境的排放。
应当注意的是，本文描述的技术方案与ICE系统密切相关，这些ICE 系统可包括但不限于柴油发动机系统和汽油发动机系统。ICE系统24可包括附连到曲轴的多个往复运动活塞，该曲轴可操作地附接到传动系(诸如车辆传动系)以对车辆提供动力(例如，将牵引转矩输送到传动系)。例如，ICE系统24可为任何发动机配置或应用，包括各种车辆应用(例如汽车、船舶等)以及各种非车辆应用(例如，泵、发电机等)。虽然可在车辆背景下(例如，产生转矩)描述ICE，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，本公开应当被解释为适用于ICE系统的任何应用。
另外，ICE通常可表示能够产生包括气态(例如NOx、O2)、含碳和/ 或颗粒物质的排气流的任何装置，并且本文的公开因此应当被解释为适用于所有这样的装置。如本文所使用，“排气”是指可能需要处理的任何化学物质或化学物质的混合物，并且包括气态、液态和固态物质。例如，排气流可包含一种或多种NOx物质、一种或多种液态烃物质和一种或多种固体颗粒物质(例如，灰)的混合物。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含碳和/或颗粒物质的流出物流，并且在这种情况下，ICE 26通常也可表示能够产生包括这种物质的流出物流的任何装置。排气颗粒物通常包括含碳烟尘，以及与ICE排气密切相关或形成在排放控制系统34内的其它固体和/或液体含碳物质。
图2说明了根据一个或多个实施例的排放控制系统34的示例部件。应当注意的是，虽然在上述示例中内燃机系统24包括柴油发动机26，但是本文描述的排放控制系统34可在各种发动机系统中实施。排放控制系统34促进控制和监测NOx存储和/或处理材料，以控制由内燃机系统24 产生的排气。例如，本文的技术方案提供了用于控制选择性催化还原(SCR) 装置和附属的NOx传感器的方法，其中SCR装置被配置为从排气源接收排气流。如本文所使用，“NOx”是指一种或多种氮氧化物。NOx物质可包括NyOx物质，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。SCR装置被配置为接收还原剂，诸如以下将描述的可变配量速率。
可包括若干节段的排气管道214将来自发动机26的排气216输送到排放控制系统34的各种排气处理装置。例如，如所说明，排放控制系统 34包括SCR装置220。在一个或多个示例中，SCR装置220可包括选择性催化过滤器(SCRF)装置，其除了颗粒过滤能力之外还提供SCR的催化方面。替代地或另外，SCR装置220也可被涂覆在溢流基板上。如可明白的是，系统34可包括各种附加处理装置，包括氧化催化剂(OC)装置 218和颗粒过滤器装置(未示出)等。
如可明白的，OC装置218可为本领域中已知的各种溢流氧化催化剂装置。在各种实施例中，OC装置218可包括溢流金属或陶瓷块体基板224。基板224可包装在具有与排气管道214流体连通的入口和出口的不锈钢壳体或罐中。基板224可包括设置在其上的氧化催化剂化合物。氧化催化剂化合物可作为修补基面涂层施加，并且可含有铂族金属，诸如铂(Pt)、钯 (Pd)、铑(Rh)或其它合适的氧化催化剂或其组合。OC装置218用于处理未燃烧的气态和非挥发性HC和CO，它们被氧化形成二氧化碳和水。修补基面涂层包括被设置在块体基板或下面的修补基面涂层表面上的组成不同的材料层。催化剂可含有一个或多个修补基面涂层，并且每个修补基面涂层可具有独特的化学催化功能。在SCR装置中，用于SCR功能和 NH3氧化功能的催化剂组合物可驻留在基板上的不连续的修补基面涂层中，或者用于SCR和NH3氧化功能的组合物可驻留在基板上的不连续的纵向区域中。
SCR装置220可被设置在OC装置218的下游。在一个或多个示例中， SCR装置220包括可为壁流式过滤器的过滤器部分222，其被配置为从排气216中除去碳和其它颗粒物质。在至少一个示例性实施例中，过滤器部分222形成为颗粒过滤器(PF)，诸如柴油颗粒过滤器(DPF)。过滤器部分(即，PF)可例如使用陶瓷壁流式块体排气过滤器基板来构造，该过滤器部分被包装在刚性耐热壳体或罐中。过滤器部分222具有与排气管道214 流体连通的入口和出口，并且可随着排气216流过其中而捕获颗粒物质。应当明白的是，陶瓷壁流块体基板本质上仅仅是示例性的，并且过滤器部分222可包括其它过滤器装置，诸如卷绕或包装式纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属纤维等。在一个或多个示例中，排放控制系统34还可执行再生过程，该再生过程通过燃烧被捕获在过滤器基板中的颗粒物质来再生过滤器部分222。
在一个或多个示例中，SCR装置220诸如以可变配量速率接收还原剂。还原剂246可从还原剂供应源(未示出)供应并且使用喷射器236或其它合适的输送方法在SCR装置220上游的位置喷射到排气管道214中。还原剂246可为气体、液体或水溶液(诸如尿素水溶液)的形式。在一个或多个示例中，还原剂246可与喷射器236中的空气混合以帮助喷射的喷雾的扩散。被设置在过滤器部分222上的含修补基面涂层的催化剂或溢流催化剂或壁流式过滤器可减少排气216中的NOx成分。SCR装置220可利用诸如氨(NH3)等还原剂246来还原NOx。含修补基面涂层的催化剂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)，其可在存在NH3的情况下有效地操作以转换排气216的NOx成分。在一个或多个示例中，湍流器(即，混合器)(未示出)也可被设置在排气管道214内紧邻喷射器236和/或SCR装置220，以进一步帮助还原剂 246与排气216完全混合和/或均匀分布在整个SCR装置220中。
排放控制系统34进一步包括将还原剂引入排气216的还原剂输送系统232。还原剂输送系统232包括还原剂供应器234、喷射器236。还原剂供应器234存储还原剂246并且与喷射器236流体连通。还原剂246可包括但不限于NH3。因此，喷射器236可将可选择量的还原剂246喷射到排气管道214中，使得还原剂246在SCR装置220上游的位置处被引入到排气216。
在一个或多个示例中，排放控制系统34进一步包括控制模块238，其经由多个传感器可操作地连接以监测发动机26和/或排气处理系统34。如本文所使用，术语模块是指执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其它合适部件。例如，模块238可执行SCR化学模型，如下所述。控制模块238可操作地连接到ICE系统24、 SCR装置220和/或一个或多个传感器。如所示，传感器240可包括被设置在SCR装置220下游的上游NOx传感器242和下游NOx传感器242’，其中每一个均与排气管道214流体连通。在一个或多个示例中，上游NOx传感器242被设置在ICE 26的下游以及SCR装置220和喷射器236两者的上游。上游NOx传感器242和下游NOx传感器242’检测在排气管道214 内邻近它们的位置的NOx水平，并且产生对应于NOx水平的NOx信号。在一些实施例中，NOx水平可包括浓度、质量流量或体积流量。例如，由 NOx传感器产生的NOx信号可由控制模块238解译。控制模块238可选地与被设置在SCR装置220上游的一个或多个温度传感器(诸如上游温度传感器244)通信。
排放控制系统34的传感器可进一步包括至少一个压力传感器230(例如，增量压力传感器)。增量压力传感器230可确定SCR装置220两端的压力差(即，Δp)。虽然说明了单个增量压力传感器230，但是应当明白的是，可使用多个压力传感器来确定SCR装置220的压力差。例如，第一压力传感器可被设置在SCR装置220的入口处并且第二压力传感器可被设置在SCR 220的出口处。因此，由第二增量压力传感器检测到的压力与由第一增量压力传感器检测到的压力之间的差值可指示SCR 220两端的压力差。应当注意的是，在其它示例中，传感器可包括与本文所说明/描述的传感器不同的、附加的或更少的传感器。
在一个或多个示例中，SCR装置220包括利用还原剂246和催化剂来变换来自排气216的NO和NO2的一个或多个部件。SCR装置220可包括例如可包装在壳体或罐中的溢流陶瓷或金属块体基板，该壳体或罐具有与排气管道214和可选地其它排气处理装置流体连通的入口和出口。壳体或罐理想地可包括相对于排气成分的大致惰性材料(诸如不锈钢)。基板可包括应用到其上的SCR催化剂组合物。
基板主体可(例如)为陶瓷砖、板结构或任何其它合适的结构(诸如块体蜂窝结构，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催化剂组合物进行修补基面涂敷。基板主体可由能够承受与排气216相关联的温度和化学环境的材料形成。可使用的材料的一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)。基板可包括例如非硫酸化TiO2材料。基板主体可为如下面将讨论的PF装置。
SCR催化剂组合物通常是多孔和高表面积材料，其可在还原剂246(诸如氨)的存在下有效地操作以转换排气216中的NOx成分。例如，催化剂组合物可含有浸渍有诸如铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、钒(V)、钠(Na)、钡(Ba)、钛(Ti)、钨(W)和其组合等一种或多种碱金属组分的沸石。在特定实施例中，催化剂组合物可含有浸渍有铜、铁或钒中的一种或多种的沸石。在一些实施例中，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。在特定实施例中，沸石包括菱沸石。在特定实施例中，沸石包括SSZ。特别是当与颗粒过滤器(PF)装置串联使用时，或当被结合到经由高温排气烟尘燃烧技术再生的SCRF装置中时，合适的SCR催化剂组合物可具有高热结构稳定性。
SCR催化剂组合物可选地进一步包括一种或多种碱金属氧化物作为促进剂以进一步降低SO3形成并延长催化剂寿命。在一些实施例中，一种或多种碱金属氧化物可包括WO3、Al2O3和MoO3。在一个实施例中，WO3、 Al2O3和MoO3可与V2O5组合使用。
SCR装置通常使用还原剂246将NOx物质(例如，NO和NO2)还原成无害组分。无害组分包括并非NOx物质中的一种或多种，诸如双原子氮、含氮惰性物质或被认为是可接受的排放物的物质。还原剂246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) 产生。另外或替代地，还原剂246可为能够在排气216和/或热量存在下分解或反应以形成氨的任何化合物。等式(1)到(5)提供了用于涉及氨的 NOx还原的示例性化学反应。
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)
应当理解的是，方程(1)到(5)仅仅是说明性的，并不意味着将SCR 装置220限制为特定的NOx还原机制或多个NOx还原机制，也不排除其它机制的操作。SCR装置220可被配置为执行任何一种上述NOx还原反应、上述NOx还原反应的组合以及其它NOx还原反应。
还原剂246可在各种实施方案中用水稀释。在还原剂246被水稀释的实施方案中，热量(例如，来自排气)使水蒸发，并且将氨供应到SCR装置220。根据需要，非氨还原剂可用作氨的完全或部分替代物。在还原剂 245包括尿素的实施方案中，尿素与排气反应以产生氨，并且将氨供应到 SCR装置220。下面的反应(6)提供了经由尿素分解产生氨的示例性化学反应。
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2(6)
应当明白的是，等式(6)仅仅是说明性的，并不意味着将尿素或其它还原剂246分解限制为特定的单一机制，也不排除其它机制的操作。
SCR催化剂可存储(即，吸收和/或吸附)与排气216相互作用的还原剂。例如，还原剂246可作为氨存储在SCR装置220或催化剂内。给定的 SCR装置220具有还原剂容量或其能够存储的还原剂或还原剂衍生物的量。相对于SCR催化剂容量，存储在SCR装置220内的还原剂的量可被称为SCR“还原剂装载量”，并且在一些情况下可被指示为％装载量(例如， 90％还原剂装载量)。在SCR装置220的操作期间，喷射的还原剂246存储在SCR催化剂中并且在与NOx物质的还原反应期间消耗，并且必须连续补充。确定要喷射的还原剂246的精确量对于保持排气排放处于可接受的水平是至关重要的：系统34内(例如，SCR装置220内)的还原剂水平不足可能导致(例如，经由车辆尾管)来自该系统的非期望NOx物质排放(“NOx漏过”)，而过量的还原剂246喷射可导致非期望量的还原剂246 未反应地通过SCR装置220或者作为非期望反应产物(“还原剂泄漏”)离开SCR装置220。当SCR催化剂低于“起燃”温度时，还可能发生还原剂泄漏和NOx漏过。例如，SCR配量逻辑可用于命令还原剂246配量和其调整，并且可由模块238实施。
可通过SCR化学模型确定还原剂喷射配量速率(例如，每秒克数)，该SCR化学模型基于来自一个或多个还原剂246喷射的信号(例如，来自喷射器236的反馈)和上游NOx(例如，来自上游NOx传感器242的NOx 信号)来预测存储在SCR装置220中的还原剂246的量。SCR化学模型进一步预测从SCR 220排出的排气216的NOx水平。SCR化学模型可由模块238实施。例如，SCR化学模型可随时间由一个或多个过程值更新。诸如由模块238控制的配量管理器(未示出)监测由SCR化学模型预测的还原剂存储水平，并将其与期望的还原剂存储水平进行比较。可连续监测预测的还原剂存储水平与期望的还原剂存储水平之间的偏差，并且可触发配量适应以增加或减少还原剂剂量以消除或减少偏差。例如，还原剂配量速率可适应于在SCR装置220下游的排气216中实现期望的NOx浓度或流量，或实现期望的NOx转换速率。期望的转换速率可通过许多因子来确定，诸如SCR催化剂类型的特性和/或系统的操作条件(例如，ICE 26操作参数)。
随着时间推移，SCR化学模型的不准确性可能会加剧模型化SCR还原剂装载量与实际装载量之间的明显误差。因此，可连续校正SCR化学模型以最小化或消除误差。用于校正SCR化学模型的一种方法包括将模型化 SCR排放排气NOx水平与实际NOx水平(例如，如由下游NOx传感器 242’测量的)进行比较以确定差异，并且随后校正该模型以消除或减少差异。因为NOx传感器(例如，下游NOx传感器242’)对还原剂(例如， NH3)和NOx交叉敏感，所以区分还原剂信号和NOx信号是至关重要的，因为还原剂泄漏可能与不充分的NOx转换混淆。
在一个或多个示例中，用于区分还原剂信号和NOx信号的被动分析技术是相关方法，其包括将上游NOx浓度(例如，诸如由上游NOx传感器 242测量)移动与下游NOx浓度(例如，诸如由下游NOx传感器242’测量)进行比较，其中发散浓度方向可指示还原剂泄漏的增加或减少。例如，如果上游NOx浓度下降并且下游NOx浓度增加，则可将还原剂泄漏识别为增加。类似地，如果上游NOx浓度增加并且下游NOx浓度下降，则可将还原剂泄漏识别为下降。替代地或另外，用于区分还原剂信号和NOx 信号的第二种被动分析技术是频率分析。由于在瞬态条件期间NOx和还原剂浓度的变化，由NOx传感器产生的NOx信号可包括多个频率分量(例如，高频和低频)。高频信号通常只与NOx浓度有关，而低频信号通常与 NOx浓度和还原剂浓度这两者有关。上游NOx和下游NOx的高频信号被隔离并用于计算SCR NOx转换率，然后将该转换率应用到隔离的低通上游NOx信号以确定低频下游NOx信号。然后将计算的低频下游NOx信号与实际隔离的低频下游NOx信号进行比较，其中这两个值之间的偏差可指示还原剂泄漏。
诸如上述相关方法和频率方法等被动分析技术的缺点在于它们依赖于两个NOx传感器的正确操作。例如，有故障的上游NOx传感器(例如，上游NOx传感器242)可产生低于邻近上游NOx传感器的实际NOx水平的NOx信号，从而导致SCR化学模型预测比实际存储更高的还原剂存储。因此，NOx漏过将被错误地识别为还原剂泄漏，并且将命令还原剂配量，使得将加剧NOx漏过(即，还原剂配量将减少)。另外，SCR化学模型将使用不准确的上游NOx测量值进行更新，并且NOx漏过将持续加剧。另外或替代地，以类似方式，NH3泄漏可能被错误地解译为NOx漏过。
相关和频率被动分析技术的另一个缺点在于，当SCR处于稳定状态时，它们不能被实施。例如，通过在移动时间帧上对SCR装置220上游的 NOx信号(例如，诸如由上游NOx传感器242测量)取均方根值的均方根值来确定“稳定状态”；足够小的值指示上游NOx浓度的最小变化，并且 SCR可被认为处于稳定状态。例如，稳定状态条件可包括小于预定值，诸如约30ppm、小于约20ppm或小于约10ppm的上游NOx浓度的均方根值。SCR稳定状态条件可通常与ICE 26的稳定状态条件(例如，通常一致的RPM、燃料喷射、温度等)相关。侵入测试可用于区分还原剂信号和 NOx信号，这些侵入测试包括停止全部或大部分还原剂配量一段时间。虽然侵入测试可在稳定状态条件下执行，但是在某些情况下，它们可能在测试期间产生非期望的排气排放，诸如NOx浓度增加的排放。
图3说明了根据一个或多个实施例的通过SCR装置220的排气的示例流动。控制模块238测量气体体积的流量(F)和气体的浓度C。例如， SCR 220将NOx 310的输入流量确定为FCNOx,in，其中F是输入气体216 的体积，并且CNOx,in是输入气体216中NOX的入口浓度。类似地，FCNH3,in是输入气体216中的NH3 315的流量的体积，CNH3,in是NH3的入口浓度。另外，补偿吸附量322和脱附量324以及在催化剂表面上反应的量，控制模块238可将CNH3确定为NH3的SCR浓度，并且将CNOx确定为NOx的 SCR浓度。
因此，FCNOx是通过SCR装置220的出口的NOx的NOx出口体积流量320。在一个或多个示例中，控制模块238可将WNOxFCNOx确定为NOx 的质量流量，其中WNOx是NOx的分子量。类似地，对于NH3，出口体积流量325是FCNH3，其中NH3的质量流量是WNH3FCNH3。
如前所述，控制模块238精确地控制还原剂喷射速率；诸如氨生产尿素水溶液喷射速率。喷射不足可能会导致不可接受的低NOx转换。喷射速率过高会导致氨释放到大气中。来自SCR系统的这些氨排放被称为氨泄漏。
因此，返回参考图2，控制模块238基于化学模型和期望的NH3存储设定点来控制喷射器236的操作，以确定如本文所述的待喷射的还原剂246 的量。控制模块238可基于监测一个或多个传感器来确定与还原剂存储对应的校正系数，并且可更精确地控制由喷射器236提供的喷射的还原剂的量。例如，控制模块238确定还原剂喷射器激励时间校正系数，以进一步减少或消除化学模型与实际SCR出口NOx排放之间的差异。替代地或另外，控制模块238确定NH3设定点校正以减少或消除化学模型与实际SCR 出口NOx排放之间的差异。因此，可更有效地利用还原剂246的供应。例如，喷射到排气216中的还原剂在喷射到排气216中时可形成NH3。因此，控制模块238控制被供应给SCR装置220的NH3的量。SCR催化剂吸附 (即，存储)NH3。由SCR装置220存储的NH3的量在下文中可被称为“NH3存储水平”。控制模块238可控制被供应给SCR装置220的NH3的量以调节NH3存储水平。存储在SCR装置220中的NH3与通过其中的排气216 中的NOx反应。
在一个或多个示例中，从进入SCR装置220的排气216中除去的NOx 的百分比可被称为SCR装置220的转换效率。控制模块238可基于分别由第一(上游)NOx传感器242和第二(下游)NOx传感器242’产生的NOxin和NOxout信号来确定SCR装置220的转换效率。例如，控制模块238可基于以下等式来确定SCR装置220的转换效率：
SCReff＝(NOxin–NOxout)/NOxin(7)
由于SCR催化剂220的温度升高，也可能导致NH3泄漏。例如，当 NH3存储水平接近最大NH3存储水平时，当温度升高时，NH3可从SCR催化剂220脱附。由于排放控制系统34中的误差(例如，存储水平估计误差)或有故障的部件(例如，有故障的喷射器)也可能发生NH3泄漏。
通常，控制模块238基于化学模型来估计SCR装置220的NH3存储水平。在一个或多个示例中，NH3存储设定点(“设定点”)是可校准的。控制模块238使用化学模型来估计SCR装置220中的NH3的当前存储水平，并且存储水平管理器向喷射控制提供反馈以根据化学模型确定喷射速率以提供用于反应的NH3，并且保持目标存储水平。设定点可指示给定操作条件(例如，SCR催化剂220的温度)的目标存储水平。因此，设定点可指示SCR装置220的存储水平(S)和温度(T)。设定点可标示为(S,T)。控制模块238控制还原剂喷射器236以管理喷射到排气216中的还原剂的量，以将SCR装置220的存储水平调整到设定点。例如，控制模块238 命令喷射器236在确定新的设定点时增加或减少存储水平以达到设定点。另外，控制模块238命令还原剂喷射器236增加或减少存储水平以在达到设定点时保持设定点。
本文描述的技术特征促进控制模块238通过基于关于来自车辆10的一个或多个模块的诊断信息确定校正因子来确定并保持SCR装置220的存储水平S以优化性能。因此，技术特征促进排放控制系统34按照可根据环境法规设定的一个或多个排放阈值进行操作。本文的技术特征通过促进控制模块238动态地确定诊断适应因子以改进控制模块的操作来改进SCR 装置220的操作。在一个或多个示例中，诊断适应因子作为喷射器激励时间的乘数直接应用于还原剂喷射器控制，或者作为NH3存储设定点的乘数直接应用于存储设定点控制。本文的技术特征将SCR动力学模型与动态确定的校正因子耦合，以即使在故障条件下也满足排放阈值。本文的技术特征因此促进排放控制系统34以在故障条件下调整SCR 220来满足排放阈值。
在一个或多个示例中，控制模块238使用SCR催化剂的化学模型来预测进入SCR装置220的排气216中的NOx浓度。另外，基于预测的NOx 浓度，控制模块238确定用于对排气216进行配量以满足排放阈值的NH3的量。控制模块238通常实施自适应闭环/半闭环控制策略以根据化学模型保持SCR性能，其中控制模块根据机动车辆10的持续性能持续地获悉与化学模型相关联的一个或多个参数。然而，在机动车辆10的一个或多个子系统的性能下降的情况下，自适应控制策略可能以错误的方向获悉一个或多个参数。
例如，自适应控制策略不适用于NOx传感器故障或其它系统故障，因为故障会影响传感器信号响应，并且因此影响使用传感器进行泄漏与漏过确定的能力。在存在这些故障的许多情况下，以方向的错误进行适应获悉，或者没有获悉足够高的值来在定义的准备循环内达到排放阈值。而且，对于一些应用来说，足够长时间地不满足适应启用条件来提供足够的适应性。因此，控制模块238基于来自车辆10中的一个或多个诊断模块的结果来计算诊断适应因子，其作为喷射器激励时间的乘数和/或作为存储设定点的乘数应用于还原剂喷射器控制。
排气系统在存在诊断故障的情况下使用自适应控制策略的技术挑战在于，在NOx传感器有故障的情况下，来自NOx传感器的信号受到影响，这使得泄漏与NOx漏过测定不可靠。技术挑战进一步包括控制器模块238 的调整在存在故障时具有基于监管要求的有限时间量(例如，少于1小时)。典型的自适应策略可在这样的有限时间要求的情况下使自适应控制具有侵略性，这进而对非故障条件下的自适应控制产生负面影响。本文的技术解决方案将无故障状态使用的适应与适应分离以恢复故障状态下的性能。
图4说明了根据一个或多个实施例的还原剂输送系统的示例。控制模块238指示还原剂喷射器236喷射具体量的还原剂(诸如尿素)以改变NH3存储水平S，进而降低排气216中的NOx浓度。控制模块238基于从诊断模块接收到的输入来确定校正因子以调整要喷射的还原剂的量。
例如，本文的技术特征促进控制模块238根据从机动车辆10的一个或多个诊断模块410接收的输入来修改基于SCR催化剂的化学模型进行的预测。诊断模块410可为监测车辆10的一个或多个子系统的性能的车载诊断(OBD)模块。
在一个或多个示例中，向控制模块238提供对应子系统性能信息的诊断模块410仅包括监测排放控制系统34的诊断模块410。替代地或另外，诊断模块410选择性地仅将与排放控制系统34相关联的性能信息发送给控制模块238。例如，排放控制系统34可能处于故障条件，诸如故障喷射器236或任何其它部件。替代地或另外地，故障条件可能由还原剂喷射器、输送系统、故障的NOx传感器或任何其它部件故障引起。
一个或多个上述故障条件可能导致控制模块238以错误的方向调整还原剂喷射，或者在一个或多个示例中未获悉足够高的值来满足用于调整动力学模型的参数的预定义数量的准备循环内的排放阈值。例如，控制模块 238响应于可能导致在错误方向上调整的错误的泄漏检测决定而修改还原剂喷射。替代地或另外，控制模块238响应于至少在预定持续时间内满足一个或多个适应启用条件而调整用于预测DEF喷射量的模型的参数。例如，启用条件可包括排气流量、排气温度、发动机和后处理稳定性标准等。另外，如果至少在预定持续时间(诸如100微秒、2秒、5秒等)内满足一个或多个启用条件，则控制模块238调整动力学模型的参数。
图5说明了根据一个或多个实施例的SCR装置220配量不足的示例情况。在示例情况中，上游NOx预测值是实际NOx传感器读数的30％。如所说明，预测值导致配量不足。配量不足可能会导致NOx漏过，这可能会误解为导致NH3泄漏检测标志为真。这进一步导致控制模块238错误地调整存储水平S来补偿NH3泄漏，因此防止控制模块238调整来防止错误检测到的NOx漏过。
本文的技术特征通过确定用于喷射还原剂的NH3存储设定点的可校准长期适应因子或乘数来解决上述技术难题。因此，依赖于在短时间段中的具体测试循环上调整控制模块238之外，控制模块38使用NH3存储水平S 的适应因子来指示还原剂喷射器236要在排气216中喷射的还原剂的量。
图6说明了根据一个或多个实施例的控制模块238的示例部件。这些部件促进确定还原剂喷射器激励时间的缩放因子。替代地或另外，控制模块238使用设定点中的NH3存储水平S的缩放因子。还原剂喷射器激励时间确定喷射器236向SCR装置220供应还原剂246的时间量。如果喷射器 236具有预定流量，则通过控制喷射器236的激励持续时间，控制模块238 控制由喷射器236喷射的还原剂246的量。所说明的部件可使用电子电路 (例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等)来实施。替代地或另外，这些部件可被实施为由控制模块238和/或任何其它处理单元执行的计算机可执行指令。
控制模块238从一个或多个诊断模块410接收输入信号602。在一个或多个示例中，输入信号602指示车辆10的对应子系统和/或排放控制系统34的性能状态。例如，输入信号602可指示诸如喷射器236或NOx传感器等子系统正以低于指示故障的预定阈值操作，和/或提供关于对应子系统的其它这样的性能信息。应当注意的是，上述子系统是示例，并且诊断输入信号602可指示车辆10的任何其它部件/子系统的状态。
在一个或多个示例中，控制模块238包括接收输入信号602的一个或多个适配器605。例如，控制模块238可包括与控制模块238接收到的诊断输入信号602的数量一样多的适配器模块605。替代地，控制模块238 包括接收多个诊断输入信号602的单个适配器模块605。适配器模块605 产生对应于每个诊断输入信号602的一个或多个诊断因子607。
例如，适配器模块605可基于诸如指数移动平均(EMA)或指数加权移动平均(EWMA)等移动平均来产生诊断因子607，以便随着由输入信号602指示的子系统的故障水平增加而连续地降低存储水平S。例如，接收输入信号602A的第一适应模块605A将接收到的输入与分别指示WPA (可接受的最差性能)阈值和BPU(不可接受的最佳性能)阈值的预定阈值进行比较。基于与阈值的比较结果，适配器模块605A确定诊断因子 607A。在一个或多个示例中，适配器模块605A包括用于提供诊断因子 607A的查找表。例如，表1说明了包括对应于用于输入信号602A的不同EWMA值的诊断适应因子的示例查找表。
表1
Figure BDA0001640198250000171
替代地或另外，适配器模块605可根据基于模型的预测值与基于传感器的观测值之间的差值来产生诊断因子607。例如，表格2说明了诊断因子607A的不同值，其可基于排气216中的预测NOx值与根据NOx传感器240的观测NOx值之间的差值。
表2
Figure BDA0001640198250000172
例如，如果诊断信号602A指示NOx模型与NOx传感器值之间的差值，则适配器模块605A根据诸如表2等查找表来确定诊断因子607A。替代地或另外，适配器模块605A通过动态地计算作为诊断信号602A的函数的适应因子607A来确定诊断因子607A。应当注意的是，在其它示例中，适配器模块605A可类似地使用对应的参考模型来确定用于任何其它诊断模块602A的诊断因子607A，并且本文描述的NOx传感器诊断仅仅是一个示例。
控制模块238可进一步包括计算校正因子612的聚合器模块610。在一个或多个示例中，聚合器模块610与比较器620结合确定所有诊断因子 607和LTA因子609中的最大值(如果>1)或最小值(如果<1)并且使用该最大/最小值作为存储设定点S或还原剂喷射器激励时间缩放因子。例如，聚合器模块610基于诊断因子607来计算校正因子612。在一个或多个示例中，诊断适应因子607被对应的适配器模块605标准化为预定范围，诸如[0,1]。
在一个或多个示例中，如果所有诊断因子607均具有大于或等于1的值(或预定标准化范围的最大值)，则比较器620触发最大值模块634以确定诊断因子607和LTA 609中的最大值。如果所有诊断因子607均具有小于1的值(或预定标准化范围的最大值)，则比较器620触发最小值模块632以计算诊断因子607和LTA 609中的最小值。输出的最大/最小值用作诊断适应因子。
替代地，在一个或多个示例中，如果任一个诊断因子607具有大于或等于1的值(或预定标准化范围的最大值)，则比较器620触发最大值模块634以确定诊断因子607和LTA609中的最大值。如果任一个诊断因子 607具有小于1的值(或预定标准化范围的最大值)，则比较器620触发最小值模块632以计算诊断因子607和LTA 609中的最小值。输出的最大/最小值用作诊断适应因子。
来自最大值模块634或最小值模块632的结果用作诊断适应因子。在一个或多个示例中，诊断适应因子用作喷射器激励时间或NH3存储设定点 S的缩放因子。例如，缩放因子可用于将设定点计算为Snew＝缩放因子* Smodel，其中Smodel是根据SCR催化剂220的化学模型的设定点。替代地或另外，缩放因子用于指示喷射器236将还原剂246喷射SCR装置220中持续Tnew秒。例如，Tnew＝缩放因子*Tmodel，其中Tmodel是根据化学模型的喷射器激励时间。替代地，在一个或多个示例中，诊断适应因子直接用作NH3存储设定点S或喷射器激励时间。
在一个或多个示例中，LTA因子609是在校正因子的上述确定期间由控制模块238使用的预定值。例如，LTA因子609是根据经验值设定的预配置值。LTA因子609被动态更新为所确定的缩放因子。例如，LTA因子 609可被初始化为与聚合器模块610所使用的预定阈值相同的值。LTA因子609可在每次迭代之后被更新以被设定为所确定的缩放因子。LTA因子609用作分别由最大值模块634和最小值模块632确定最大值和最小值的一个值。
应当注意的是，虽然以上示例使用查找表来确定诊断因子607，但是在一个或多个示例中，可实时或接近实时地基于输入信号602动态地计算因数607。
图7说明了根据一个或多个实施例的用于控制喷射到SCR装置220 中的还原剂的量的示例方法的流程图。该方法可由控制模块238和/或排放控制系统34中的任何其它处理单元来实施。该方法包括由控制模块238 接收诊断输入信号602A，如710处所示。诊断输入信号602A可从诊断模块接收，该诊断模块检查诸如还原剂喷射器236、NOx传感器或车辆10的任何其它子系统等子系统的操作。诊断输入信号602A可指示由诊断模块监测的子系统的性能信息和/或故障。
如720处所示，控制模块238基于诊断输入信号602A进一步确定校正因子612。例如，确定校正因子612包括基于诊断输入信号602A确定诊断因子607A。例如，控制模块238A可使用查找表来确定诊断因子607A。替代地或另外，控制模块238可基于实时计算来确定诊断因子607A。在一个或多个示例中，基于诊断因子607A进一步计算校正因子612。例如，诊断输入信号包括多个信号。诊断信号可从车载诊断系统或车辆的多个诊断模块接收。依据所接收的多个诊断信号来计算校正因子612。在一个或多个示例中，校正因子612指示所有诊断因子607是否具有大于或等于1的值，其中1是诊断因子607被标准化到的范围的最大值。替代地，在一个或多个示例中，校正因子612指示任一个诊断因子607是否具有大于或等于1的值，其中1是诊断因子607被标准化到的范围的最大值。例如，校正因子612可为二进制值(0、1)。
如730处所示，控制模块238进一步将校正因子612与诸如1等预定阈值(T)进行比较。如果校正因子612大于或等于预定阈值，则控制模块238将诊断适应因子确定为诊断因子607和LTA因子609中的最大值，如734处所示。如果校正因子612不大于预定阈值，则控制模块238将诊断适应因子确定为诊断因子607和LTA因子609中的最小值，如732处所示。在一个或多个示例中，LTA因子609是预定值。
另外，控制模块238根据SCR 220的化学模型来确定喷射器激励时间，如740处所示。控制模块238使用诊断适应因子调整喷射器激励时间，如 750处所示。例如，控制模块238使用诊断适应因子(例如通过如本文所述对其进行缩放)来调整喷射器激励时间。替代地，诊断适应因子直接用作喷射器激励时间。控制模块238进一步使用喷射器激励时间来确定要喷射到SCR 220中的还原剂的量，如760处所示。因此，控制模块238命令喷射器模块236喷射确定量的还原剂246。另外，在一个或多个示例中，控制模块238将诊断适应因子设定为用于下一次迭代的LTA因子609，如 770处所示。替代地，在一个或多个示例中，控制模块238将LTA因子609 设定为预定值。
图8说明了根据一个或多个实施例的用于控制喷射到SCR装置220 中的还原剂的量的示例方法的流程图。该方法可由控制模块238和/或排放控制系统34中的任何其它处理单元来实施。该方法包括由控制模块238 接收诊断输入信号602A，如810处所示。诊断输入信号602A可从诊断模块接收，该诊断模块检查诸如还原剂喷射器236、NOx传感器或车辆10的任何其它子系统等子系统的操作。诊断输入信号602A可指示由诊断模块监测的子系统的性能信息和/或故障。
如820处所示，控制模块238基于诊断输入信号602A进一步确定校正因子612。例如，确定校正因子612包括基于诊断输入信号602A确定诊断因子607A。例如，控制模块238A可使用查找表来确定诊断因子607A。替代地或另外，控制模块238可基于实时计算来确定诊断因子607A。在一个或多个示例中，基于诊断因子607A进一步计算校正因子612。例如，诊断输入信号包括多个信号。诊断信号可从车载诊断系统或车辆的多个诊断模块接收。依据所接收的多个诊断信号来计算校正因子612。在一个或多个示例中，校正因子612指示所有诊断因子607是否均具有大于或等于1 的值，其中1是诊断因子607被标准化到的范围的最大值。替代地，在一个或多个示例中，校正因子612指示任一个诊断因子607是否均具有大于或等于1的值，其中1是诊断因子607被标准化到的范围的最大值。例如，校正因子612可为二进制值(0、1)。
如830处所示，控制模块238进一步将校正因子612与诸如1等预定阈值(T)进行比较。如果校正因子612大于或等于预定阈值，则控制模块238将诊断适应因子确定为诊断因子607和LTA因子609中的最大值，如834处所示。如果校正因子612不大于预定阈值，则控制模块238将诊断适应因子确定为诊断因子607和LTA因子609中的最小值，如832处所示。在一个或多个示例中，LTA因子609是预定值。
另外，控制模块238根据SCR 220的化学模型来确定NH3设定点S，如840处所示。控制模块238使用诊断适应因子调整设定点S，如850处所示。例如，控制模块238使用诊断适应因子来确定Snew，如本文所述。替代地，控制模块238使用诊断适应因子作为NH3设定点Snew。因此，如 860处所示，控制模块238使用Snew来确定要喷射到SCR 220中的还原剂的量。因此，控制模块238命令喷射器模块236基于调整的设定点来喷射确定量的还原剂246。另外，在一个或多个示例中，控制模块238将诊断适应因子设定为用于下一次迭代的LTA因子609，如870处所示。替代地，在一个或多个示例中，控制模块238将LTA因子609设定为预定值。
本文所述的技术方案促进改进用于内燃机的排放控制系统，诸如用于车辆的那些排放控制系统。例如，这些技术解决方案提高了监测器的4/2 西格玛分离度/鲁棒性，这需要进行配量干预以满足排放阈值。另外，通过在故障起作用时提供更好的排放性能，技术方案促进解决在内燃机的操作期间可能检测到的诊断缺陷。该技术解决方案还促进消除对准备循环定义的依赖性以确定要喷射的还原剂的量，并且进一步降低故障条件下对适应性的依赖性以满足排放阈值。因此，这些技术解决方案促进排放控制系统校准适应性以对车辆中的一个或多个子系统的错误操作较不敏感。
虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，希望本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种用于处理包括内燃机的机动车辆中的排气的排放控制系统，所述排放控制系统包括：
还原剂喷射器装置；
选择性催化还原装置；以及
控制器，其被配置为：
基于所述选择性催化还原装置的一个或多个操作条件来确定所述还原剂喷射器装置的还原剂激励时间；
基于车载诊断信号来计算所述还原剂激励时间的诊断适应因子，所述诊断适应因子作为喷射器激励时间的乘数直接应用于还原剂喷射器控制，或者作为NH3存储设定点的乘数直接应用于存储设定点控制；并且通过根据所述诊断适应因子调整所述还原剂喷射器装置的还原剂激励时间将一定量的还原剂输入到所述选择性催化还原装置中，
其中计算所述诊断适应因子包括：
基于所述车载诊断信号确定诊断因子；
将所述诊断因子与预定阈值进行比较；以及
响应于所述诊断因子大于所述预定阈值而将所述诊断适应因子计算为所述诊断因子和预定长期适应因子中的最大值，并且
响应于所述诊断因子不大于所述预定阈值而将所述诊断适应因子计算为所述诊断因子和所述预定长期适应因子中的最小值。
2.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述控制器通过指示所述还原剂喷射器装置将所述量的还原剂输入到所述选择性催化还原装置中。
3.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述诊断适应因子是进一步基于排气中的预测NOx值与所述排气中的测量NOx值之间的差值。
4.根据权利要求3所述的排放控制系统，其中所述预测NOx值是基于所述选择性催化还原装置的化学模型。
5.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述车载诊断信号包括多个诊断信号，并且所述诊断适应因子是依据所述多个诊断信号来计算。
6.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中基于所述车载诊断信号的指数加权移动平均来计算所述诊断适应因子。
7.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中所述控制器进一步被配置为将所述诊断适应因子设定为所述长期适应因子。
8.一种用于处理由内燃机排出的排气的排气系统，所述排气系统被配置为执行排气的选择性催化还原，所述排气系统包括：
控制器，其被配置为：
基于车载诊断信号来计算所述排气系统的选择性催化还原装置的诊断适应因子，所述诊断适应因子作为喷射器激励时间的乘数直接应用于还原剂喷射器控制，或者作为NH3存储设定点的乘数直接应用于存储设定点控制；并且
通过根据所述诊断适应因子配置所述排气系统将一定量的还原剂输入到所述选择性催化还原装置中，
其中计算所述诊断适应因子包括：
基于所述车载诊断信号确定诊断因子；
将所述诊断因子与预定阈值进行比较；以及
响应于所述诊断因子大于所述预定阈值而将所述诊断适应因子计算为所述诊断因子和预定长期适应因子中的最大值，并且
响应于所述诊断因子不大于所述预定阈值而将所述诊断适应因子计算为所述诊断因子和所述预定长期适应因子中的最小值。
9.根据权利要求8所述的排气系统，其中所述诊断适应因子是基于所述排气中的预测NOx值与所述排气中的测量NOx值之间的差值。
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