CN108979814B - 发动机废气中的氮氧化物浓度的确定 - Google Patents

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Abstract

一种操作内燃机的方法，该内燃机具有用于对进气气流加压的涡轮增压器和后处理(AT)系统，该AT系统包括用于减少发动机废气中的氮氧化物(NOX)浓度的AT装置。该方法包括利用进气气流中的可变高压废气再循环(EGR)和低压EGR分流来操作发动机。该方法还包括确定废气中的NOX浓度并且确定进气气流中的当前高压EGR与低压EGR分流。该方法另外包括使用所确定的当前高压EGR与低压EGR分流来确定EGR校正因子，以及将所确定的EGR校正因子应用于所确定的NOX浓度以产生校正的NOX浓度。另外，该方法包括响应于所产生的校正NOX浓度而调节AT系统的操作以经由AT装置处理废气。

Description

发动机废气中的氮氧化物浓度的确定
引言
本公开涉及确定内燃机的废气中的氮氧化物(NOX)排放浓度。
现代内燃机通常采用包括微粒过滤器和其它装置的废气后处理(AT)系统以有效地限制内燃机的废气排放。在现代贫燃内燃机(诸如压燃式或柴油机式)中经常使用的一个排气后处理装置是选择性催化还原(SCR)催化剂。
SCR被配置为借助于由另一个排气后处理装置(通常为柴油氧化催化剂(DOC))产生的NO2将氮氧化物(NOX)转换为双原子氮(N2)和水(H2O)。为了有效地除去NOX，SCR转换过程另外需要预定量的氨(NH3)存在于废气流中。
当还原剂用于柴油发动机时，SCR转换过程可另外需要具有通用名“柴油-废气-流体”(DEF)的控制或计量的还原剂进入废气流。这种还原剂可为包括水和氨的尿素水溶液。
为了促进SCR转换过程并确保NOX排放的有效减少和/或除去，有效确定发动机排出气流中的NOX浓度可能是重要的。
发明内容
一种操作内燃机的方法，该内燃机具有被配置为对进气气流加压的涡轮增压器和排气后处理(AT)系统，该AT系统包括AT装置，该AT装置被配置为减小由发动机产生的废气中的氮氧化物(NOX)的浓度。发动机可为压燃式发动机。该方法包括利用进气气流中的可变高压废气再循环(EGR)和低压EGR分流来操作发动机。该方法还包括确定废气中的NOX浓度并且确定进气气流中的当前高压EGR与低压EGR分流。该方法另外包括使用所确定的当前高压EGR与低压EGR分流来确定EGR校正因子，以及将所确定的EGR校正因子应用于废气中的所确定的NOX浓度以产生NOX的校正浓度。另外，该方法包括调节AT系统的操作以响应于NOX的所产生的校正浓度而经由AT装置处理废气。
该方法可经由用至少一个数据查找表编程的电子控制器来执行。在这种情况下，确定废气中的NOx的浓度可包括访问至少一个数据查找表。
发动机可包括燃料喷射器，其经由喷射器轨供应有燃料并且被配置为将燃料喷射到发动机中。访问至少一个数据查找表可包括访问第一数据查找表。在这种情况下，该方法可进一步包括确定进气气流的温度。另外，该方法可包括确定用于操作发动机的燃料轨压力和燃料喷射器正时；确定燃料的喷射次数；确定进气-排气压力比；确定环境湿度；以及确定环境压力。该方法还可包括使用在第一数据查找表中的进气气流的所确定的温度、燃料轨压力、燃料喷射器正时、燃料喷射次数、进气-排气压力比、环境压力和环境湿度来确定NOX的浓度。
访问至少一个数据查找表可包括经由访问第二数据查找表来确定EGR校正因子。
访问至少一个数据查找表还可包括经由访问第三数据查找表来将所确定的EGR校正因子应用于废气中的所确定的NOX浓度，以产生NOX的校正浓度。
该方法可另外包括确定发动机的温度；使用所确定的发动机温度来确定发动机温度校正因子；以及将所确定的发动机温度校正因子应用于废气中的所确定的NOX浓度，以产生进一步校正的NOX浓度。该方法还可包括响应于所产生的进一步校正的NOX浓度而调节AT系统的操作以经由AT装置处理废气。
访问至少一个数据查找表可包括经由访问第四数据查找表来确定发动机温度校正因子。发动机温度校正因子的这种确定可基于实际发动机转速和发动机负载。
第一到第四数据查找表可为编程到控制器中的主数据查找表的子表。
确定发动机温度可包括经由传感器检测发动机的冷却剂温度。
AT装置可为选择性催化还原(SCR)催化剂。在这种情况下，AT系统的调节操作可包括将还原剂喷射到SCR催化剂上游的废气中。
还公开了一种用于由内燃机产生的废气的后处理(AT)系统，该内燃机采用被配置为执行上述方法的控制器。
还公开了采用上述AT系统的车辆。
上述特征和优点以及本公开的其它特征和优点从实施例的以下详述和用于执行结合附图和随附权利要求书取得的所述公开的最佳模式将容易地显而易见。
附图说明
图1是具有连接到排气系统的内燃机的车辆的示意平面图，该排气系统具有带有用于减少废气排放的多个后处理(AT)装置的AT系统。
图2是连接到具有图1中所示的AT的排气系统的内燃机的示意图。
图3是操作图1和图2中所示的发动机以及其AT系统的方法的流程图。
具体实施方式
参考附图，其中在几个视图中相同的附图标记指代相同的部件，图1示意地描绘了机动车辆10。车辆10包括被配置为经由从动轮14推进车辆的内燃机12。虽然内燃机12可为压燃式或柴油式的发动机。通常，当具体量的环境进气气流16与从燃料箱20供应的计量量的燃料18混合并且所得到的空气-燃料混合物在发动机汽缸13内被压缩时(如图2中所示)，柴油发动机12中发生内燃。
如所示，发动机12可包括被配置为从发动机汽缸13收集废气的排气歧管22。发动机还包括诸如经由排气歧管22与汽缸13流体连通的涡轮增压器24。在每次燃烧事件之后，涡轮增压器24由废气流激励或驱动，该废气流具体是由发动机12的单独汽缸13诸如通过排气歧管22释放的废气26。涡轮增压器24连接到接收废气26的排气系统28，并且最终将废气释放到环境中，通常释放在车辆10的侧面或尾部。涡轮增压器24还使用废气26流来对进气气流16加压。涡轮增压器24可被配置为可变几何涡轮增压器(VGT)。VGT通常被设计成允许涡轮增压器的有效纵横比(A:R)随着发动机转速而改变，并且因此促进提高发动机操作效率。
这种VGT的可变几何形状通常经由可变位置叶片机构(未示出)来实现。与火花点火或汽油发动机相比，VGT在压燃式或柴油发动机上更常见，因为柴油发动机的较低排气温度为VGT的可移动部件提供较不太极端的环境。虽然发动机12被描绘为具有附接到发动机结构的排气歧管22，但是发动机可包括诸如通常形成在排气歧管中的排气通道22A。在这种情况下，上述通道22A可结合到发动机结构中，诸如发动机的汽缸盖。
车辆10还包括发动机排气后处理(AT)系统30。AT系统30包括多个排气后处理装置，其被配置为有条理地从废气26中有效除去发动机燃烧的大量含碳微粒副产物和排放成分。如图1和2中所示，AT系统30作为排气系统28的一部分进行操作。AT系统30包括至少一个AT装置，诸如被布置在涡轮增压器24下游的第一AT装置32和被布置在第一AT装置下游的第二AT装置34。第一AT装置32可紧密联接到涡轮增压器24并且被布置在车辆10的发动机舱11内部紧靠发动机12。第一AT装置32与发动机12的这种紧密联接可提供紧凑的包装布置，其最小化AT系统30在发动机12的冷处理之后激活废气26的后处理(即，起燃)的时间。AT系统还可包括位于第一AT装置32和第二AT装置34下游的废气流中的附加AT装置(未示出)。
如所示，第一AT装置32可为柴油氧化催化剂(DOC)，而第二AT装置34可为选择性催化还原(SCR)催化剂。DOC的主要功能是减少一氧化碳(CO)和非甲烷碳氢化合物(NMHC)。当存在时，DOC另外被配置为产生二氧化氮(NO2)，其可由远离DOC下游布置并在下面更详细地描述的SCRF使用。DOC通常含有由贵金属(诸如铂和/或钯)构成的催化剂物质，该催化剂物质在其中起作用以实现上述目标。通常，关于NO2的产生，DOC被激活并在高温下达到操作效率。因此，如图1和2中所示，DOC可紧密联接到涡轮增压器24，以便在气体到达DOC之前减少来自废气26流的热能的损失。
SCR的主要功能是降低废气26中氮氧化物(NOX)的浓度35。例如，借助由被配置为DOC的第一AT装置32产生的NO2，通常经由NOX转换成双原子氮(N2)和水(H2O)来执行NOX的还原。SCR可被配置为过滤微粒物质或碳烟的单向过滤器，或双向过滤器，其包括催化清洗涂层，并且载有两种功能-过滤微粒物质并减少NOX。为了有效地除去NOX，SCR转换过程另外需要预定量的氨(NH3)存在于富含燃料的废气26中。SCR可紧密耦合到DOC并且进一步装入与其共同的壳体中，以在废气26从DOC流向SCR时减少热能的损失。
AT系统30还包括排气通道22A和排气通道36，该排气通道22A可为排气歧管22的一部分、被配置为将废气26的流动从发动机汽缸13载送到涡轮增压器24，该排气通道36被配置为将涡轮增压器24尾部的废气26的流动载送到第一AT装置32。进气气流16经由进气通道38供给到发动机12以与燃料18混合以产生燃烧，由此使发动机操作并且产生废气26的流动。发动机12可包括燃料喷射器40，其经由喷射器轨42被供应有燃料18并且被配置为将燃料喷射到发动机汽缸中。气流传感器44可被布置在进气通道38中并且被配置为检测在发动机12的操作期间被供应到发动机12的气流16的量。废气通道46被配置为接收第二AT装置34尾部的经处理的废气26A，并且使经处理的废气通过排气系统28的其余部分和AT系统30的其余部分。
AT系统30还包括第一废气再循环(EGR)通道48。第一EGR通道48被配置为将经处理的废气26A的一部分26A-1从废气通道46再循环到进气通道38，而经处理的废气的其余部分26-2被引导通过排气系统28的其余部分。而且，作为AT系统30的一部分，喷射器50可被配置为将还原剂52喷射到SCR催化剂上游的废气26中。在柴油机应用中，还原剂52通常含有氨(NH3)，诸如尿素水溶液(也称为柴油-废气-流体(DEF))。如图1中所示，喷射器50可从可再填充贮存器54接收还原剂52。因此，在这样的实施例中，第二AT装置34的SCR实施例被配置为使用喷射的还原剂52处理废气26。
如图2中所示，AT系统30还包括排气压力调节(EPM)阀58，其被配置为调节经处理的废气26A的部分26A-1通过第一EGR通道48。在这样的实施例中，EPM阀58调节第一EGR通道48以通过将经处理的废气从废气通道重新引导到涡轮增压器24而再循环经处理的废气26A的部分26A-1。为了提高涡轮增压器24的耐用性，经处理的废气26A的部分26A-1的流动再循环到涡轮增压器是经由EPM阀58作为低压废气再循环(LPEGR)来实现，即，被重新引导到涡轮增压器24上游的未加压进气气流16。
继续参考图2，AT系统30还包括第二EGR通道60，其被配置为将未处理废气26的一部分26-1从涡轮增压器24上游的排气歧管22/排气通道22A再循环回到发动机汽缸13。AT系统30另外包括被配置为调节未处理废气26的部分26-1通过第二EGR通道60的EGR阀62。未经处理的废气26的流动的部分26-1经由EGR阀62再循环被实现为高压废气再循环(HPEGR)，即，被重新引导到汽缸13上游的加压进气气流16中。
车辆10另外包括被配置为调节AT系统30的电子控制器64，并且因而控制器可为AT系统的一部分。控制器64可为独立单元，或者为调节发动机12的操作的电子控制单元(ECU)的一部分。控制器64被布置在车辆10上并且包括处理器和易于访问的非暂时性存储器。用于控制AT系统30的操作的指令被编程或记录在控制器64的存储器中，并且处理器被配置为在车辆10的操作期间执行来自存储器的指令。控制器64通常被编程为在发动机12的操作期间调节喷射器50以用于在SCR第二AT装置34的上游(即，在第一AT装置32与第二AT装置34之间)引入还原剂52。控制器64还被编程为确定第二AT装置34的操作效率并且降低废气26中NOX的浓度35而不使用专用的NOX传感器。
控制器64还被编程为通过进气气流16中的可变高压EGR和低压EGR分流来操作发动机12。控制器64还被编程为确定进气气流16中的当前高压EGR与低压EGR分流66。控制器64另外被编程为使用所确定的当前高压EGR与低压EGR分流66来确定EGR校正因子68。另外，控制器64被编程为将所确定的EGR校正因子68应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35，以产生NOx的校正浓度35A。另外，控制器64被编程以调节AT系统30的操作，以响应于NOX的所产生的校正浓度35A而经由第二AT装置34处理废气26。这样调节AT系统30可包括响应于NOX的校正浓度35A经由喷射器50引入还原剂52以及调节SCR第二AT装置34上游的喷射还原剂的量，由此减少废气26流中的NOX浓度。
控制器64可用总体上用数字70表示的至少一个数据查找表来编程。另外，控制器64被编程为经由访问主数据查找表来确定废气26中的NOx的浓度35，该主数据查找表可包括至少第一数据查找表70-1。参考图2，控制器64还可被编程为确定进气气流16的温度72。为了确定进气气流16的温度72，控制器64可与被配置为检测气流温度的传感器74进行电子通信。控制器64可另外被编程为确定喷射器轨42中的压力76和用于操作发动机12的燃料喷射器40的喷射正时78。控制器64还可被编程为确定每个发动机循环的燃料18的喷射次数80。
控制器64可另外被编程为确定进气-排气压力比82，该确定将包括诸如经由涡轮增压器24上游的专用传感器84进行的进气压力的确定检测以及诸如经由涡轮增压器24下游的相应传感器86进行的排气压力的确定。控制器64还可被编程为诸如经由与被配置为检测环境压力的具体传感器90(在图1中示出)进行通信来确定环境压力88。控制器64可另外被编程为诸如经由与被配置为检测环境湿度的具体传感器94(在图1中示出)进行通信来确定环境湿度92。另外，控制器64可被编程为经由访问第一数据查找表70-1中的进气气流16的确定温度72、燃料轨压力76、燃料喷射器正时78、燃料喷射次数80、进气-排气压力比82、环境压力88以及环境湿度92来确定NOX的浓度35。
AT系统30可进一步包括作为查找表70的一部分的第二数据查找表70-2。在AT系统30的这样的实施例中，控制器64可被编程为经由访问第二数据查找表70-2来确定EGR校正因子68。AT系统30可进一步包括第三数据查找表70-3。在AT系统30的这样的实施例中，控制器64可被编程为经由访问第三数据查找表70-3来将所确定的EGR校正因子68应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35以产生NOX的校正浓度35A。
控制器64可被另外编程以确定发动机12的温度96。发动机12的温度96可由如通过传感器98检测到的发动机冷却剂97的温度来表示。因此，控制器64可与传感器98进行电子通信并且被配置为从主传感器接收指示检测到的冷却剂温度96的信号。控制器64还可被编程为使用发动机12的确定的温度96来确定发动机温度校正因子100。控制器64可另外被编程为将确定的发动机温度校正因子100应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35，以产生NOX的进一步校正浓度35B。控制器64可进一步被编程为响应于NOX的所产生的进一步校正浓度35B而调节AT系统30的操作以经由第二AT装置34处理废气26。
数据查找表70还可包括第四数据查找表70-4。在这样的实施例中，控制器64可另外被编程为经由访问第四数据查找表70-4来确定发动机温度校正因子100。发动机温度校正因子100的这种确定可基于发动机12的所确定的速度和负载与第四数据查找表70-4中以经验导出的发动机转速和负载数据点相互参考或相关。第一到第四数据查找表(即，表70-1到70-4)可为被编程到控制器中的主数据查找表的子表，诸如通常指示的数据查找表70。
总体而言，如所描述的，AT系统30使用控制器64来连续监测发动机12和AT系统的操作。另外，控制器64被编程为确定第二AT装置34的操作效率并且降低废气26中NOX的浓度35而不使用专用NOX传感器。另外，控制器64可用一系列以经验导出的查找数据表70来编程，以确定废气26中的NOX的浓度35。另外，AT系统30使用控制器64以响应于所产生的校正浓度35A和/或NOX的进一步校正浓度35B而经由第二AT装置34处理废气26，以有效地降低废气中的NOX浓度。
图3描绘了采用除其它元件之外还具有例如被配置为选择性催化还原(SCR)催化剂的第二后处理(AT)装置34的后处理(AT)系统30来操作发动机12的方法200，如上面关于图1和2所述。该方法200可经由用至少一个数据查找表70编程的电子控制器64来执行。方法200在框202中起始，其中以进气气流16中的可变高压和低压EGR分流来操作发动机12。在整个方法中，并且从框202开始，该方法通常包括将预定量的气流16和燃料18供应到发动机12。在框202之后，该方法进行到框204，其中该方法包括确定废气26中的NOX的浓度35。
在框204中，确定废气26中的NOx的浓度35可包括经由控制器64访问数据查找表70。另外，在框204中，确定废气26中的NOx的浓度35可包括确定(诸如经由传感器74检测)进气气流16的温度72；确定用于操作发动机12的燃料轨42压力76和燃料喷射器40的正时78；确定每个发动机循环的燃料18的喷射次数80；确定由涡轮增压器24的操作产生的进气-排气压力比82；确定(诸如经由传感器90检测)环境压力88；以及确定(诸如经由传感器94检测)环境湿度92。另外，在框204中，该方法还可包括经由控制器64使用第一数据查找表70-1中的进气气流16的确定温度72、燃料轨压力76、燃料喷射器正时78、燃料18的喷射次数80、进气-排气压力比82、环境压力88和环境湿度92来确定NOx的浓度35。
在框204之后，该方法前进到框206。在框206中，该方法包括确定进气气流16中的当前高压EGR与低压EGR分流66。在框206之后，该方法进行到框208，其中该方法包括使用所确定的当前高压EGR与低压EGR分流66来确定EGR校正因子68。在框208中，该方法还可包括经由控制器64访问第二数据查找表70-2以确定EGR校正因子68。在框208之后，该方法前进到框210。在框210中，该方法包括将所确定的EGR校正因子68应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35，以产生NOx的校正浓度35A。
在框210中，该方法还可包括经由控制器64访问第三数据查找表70-3，以将所确定的EGR校正因子68应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35，以产生NOX的校正浓度35A。在框210之后，该方法转到框212。在框212中，该方法包括响应于至少NOX的所产生的校正浓度35B而调节AT系统30的操作以经由第二AT装置34处理废气26。经由第二AT装置34对废气26进行的上述处理旨在降低废气流中的NOX浓度，而不使用专用NOX传感器来检测NOX的浓度。
在框212之后，该方法可前进到框214。在框214中，该方法可包括诸如通过经由传感器98检测发动机冷却剂97的温度来确定发动机12的温度96；使用发动机12的所确定的温度96来确定发动机温度校正因子100；以及将确定的发动机温度校正因子100应用于废气26中的NOX的所确定的浓度35，以产生NOX的进一步校正浓度35B。发动机温度校正因子100的确定可经由控制器64通过将发动机12的以经验确定的速度和负载与发动机温度校正因子100相关而访问第四数据查找表70-4来完成。另外，在框214中，该方法可包括控制器64响应于NOX的所产生的进一步校正浓度35B而调节AT系统30的操作以经由第二AT装置34处理废气26。
在框212或214之后，该方法可循环回到框204以继续确定废气26中的NOX的浓度35。因此，控制器64可被编程为连续地监测发动机12和AT系统30的操作，以响应于此而确定NOx的校正浓度35A和调节第二AT装置34。另外，至少废气26中的校正35ANOX浓度的这种确定使得方法200能够监测第二AT装置34的操作效率并且有效地降低废气26中的NOX浓度，而不使用专用NOX传感器来物理地检测NOX浓度。
详述和图式或图支持并且描述本公开，但是本公开的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于执行所述公开的某些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本公开的各种替代设计和实施例。另外，图式中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个示例中描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考图式描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。

Claims (10)

1.一种操作内燃机的方法，所述内燃机具有被配置为对进气气流加压的涡轮增压器和排气后处理系统，所述后处理系统包括后处理装置，所述后处理装置被配置为减小由所述内燃机产生的废气中的氮氧化物的浓度，所述方法包括： 利用所述进气气流中的可变高压废气再循环和低压废气再循环分流来操作所述内燃机； 确定所述废气中的氮氧化物的所述浓度； 确定所述进气气流中的当前高压废气再循环与低压废气再循环分流； 使用所确定的当前高压废气再循环与低压废气再循环分流来确定废气再循环校正因子； 将确定的废气再循环校正因子应用于所述废气中的氮氧化物的所确定的浓度，以产生氮氧化物的校正浓度；以及 响应于氮氧化物的所产生校正浓度而调节所述后处理系统的操作以经由所述后处理装置处理所述废气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是经由用至少一个数据查找表编程的电子控制器来执行，并且其中确定所述废气中的氮氧化物的所述浓度包括访问所述至少一个数据查找表。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述内燃机包括燃料喷射器，所述燃料喷射器经由喷射器轨被供应有燃料并且被配置为将所述燃料喷射到所述内燃机中，其中访问所述至少一个数据查找表包括访问第一数据查找表，所述方法进一步包括： 确定所述进气气流的温度； 确定用于操作所述内燃机的燃料轨压力和燃料喷射器正时； 确定每个内燃机循环的燃料的喷射次数； 确定进气-排气压力比； 确定环境压力； 确定环境湿度；以及 使用第一数据查找表中的进气气流的确定温度、燃料轨压力、燃料喷射器正时、燃料的喷射次数、进气-排气压力比、环境压力和环境湿度来确定氮氧化物的所述浓度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中访问所述至少一个数据查找表包括经由访问第二数据查找表来确定所述废气再循环校正因子。
5.根据权利要求4所述的方法，其中访问所述至少一个数据查找表包括经由访问第三数据查找表来将所确定的废气再循环校正因子应用于所述废气中的所确定的氮氧化物浓度，以产生氮氧化物的所述校正浓度。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括： 确定所述内燃机的温度； 使用所述内燃机的所确定的温度来确定内燃机温度校正因子； 将确定的内燃机温度校正因子应用于所述废气中的氮氧化物的所确定的浓度，以产生氮氧化物的进一步校正浓度；以及 响应于氮氧化物的所产生的进一步校正浓度而调节所述后处理系统的操作以经由所述后处理装置处理所述废气。
7.根据权利要求6所述的方法，其中访问所述至少一个数据查找表包括经由访问第四数据查找表来确定所述内燃机温度校正因子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中第一至第四数据查找表是主数据查找表的子表。
9.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述内燃机的所述温度包括经由传感器检测所述内燃机的冷却剂温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述后处理装置是选择性催化还原催化剂，并且其中调节所述后处理系统的操作包括将还原剂喷射到所述选择性催化还原催化剂上游的废气中。
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