CN110036183A

CN110036183A - 还原剂微滴喷雾动量和排气内喷雾分布的实时控制

Info

Publication number: CN110036183A
Application number: CN201780074672.9A
Authority: CN
Inventors: 塞缪尔·约翰逊; 纳西姆·卡勒德; P·C·汉德森
Original assignee: Comings Emission Treatment Co
Current assignee: Comings Emission Treatment Co; Cummins Emission Solutions Inc
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: US20240141815A1; CN113482747A; GB2571663B; GB2599822B; DE112017006178T5; GB2601448B; GB2599822A; US20200072106A1; US20210254526A1; GB2571663A; GB202202772D0; US11459928B2; US20220412240A1; CN113482747B; WO2018106812A1; CN110036183B; GB201907887D0; US11028754B2; GB2601448A; US11905874B2

Abstract

一种用于针对目标喷雾分布控制还原剂喷雾动量的系统包括：排气系统，该排气系统具有排气导管，其中排气流过该排气导管；还原剂喷射系统，该还原剂喷射系统用于基于一个或更多个喷射参数将还原剂喷射到流过排气系统的排气内；还原剂供应系统，该还原剂供应系统用于基于一个或更多个供应参数将还原剂供应到还原剂喷射系统；以及控制器。控制器被配置为访问当前车辆、发动机、排气或还原剂状况参数，基于控制模型和访问的当前车辆、发动机、排气或还原剂状况参数确定一个或更多个控制参数，以及修改一个或更多个喷射参数的值或一个或更多个供应参数的值，以控制还原剂喷雾。

Description

还原剂微滴喷雾动量和排气内喷雾分布的实时控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月7日提交的且题为“REAL-TIME CONTROL OF REDUCTANTDROPLET SPRAY MOMENTUM AND IN-EXHAUST SPRAY DISTRIBUTION”的第62/431,092号美国临时专利申请的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请大体上涉及用于内燃发动机的后处理系统(aftertreatment system)的领域。

背景

对于内燃发动机(诸如，柴油发动机)，氮氧化物(NO_x)化合物可能在排气中被排放。为了减少NO_x排放，可实施SCR过程以借助于催化剂和还原剂将NO_x化合物转换成更中性的化合物，诸如双原子氮(diatomic nitrogen)、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，例如车辆或动力生成单元的排气系统的催化剂室。还原剂(诸如无水氨或尿素)通常在到达催化剂室之前被引入到排气气体流内。为了将还原剂引入到排气气体流内以用于选择性催化还原(SCR)过程，SCR系统可以通过剂量器(doser)来投配、喷射或以其他方式引入还原剂，该剂量器将还原剂蒸发、喷射或雾化到排气系统的在催化剂室上游的排气管内。SCR系统可以包括一个或更多个传感器以监控在排气系统内的状况。

概述

本文描述的实施方式涉及用于基于使用当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数和/或当前还原剂状况参数实时修改还原剂喷射系统或还原剂供应系统的一个或更多个参数来针对目标喷雾分布控制还原剂喷雾的系统和方法。

一种实施方式涉及用于针对目标喷雾分布控制还原剂喷雾动量的系统，该系统包括：排气系统，该排气系统具有排气导管，其中排气流过该排气导管；还原剂喷射系统，该还原剂喷射系统用于基于一个或更多个喷射参数将还原剂喷射到流过该排气系统的排气内；还原剂供应系统，该还原剂供应系统用于基于一个或更多个供应参数将还原剂供应到还原剂喷射系统；以及控制器。控制器被配置成访问当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数，基于控制模型和访问的当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数确定一个或更多个控制参数，并且修改一个或更多个喷射参数或一个或更多个供应参数的值以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布来控制来自还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或者还原剂动量矢量。

在一些实施方式中，当前排气状况参数包括排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度(vorticity)中的至少一个。在一些实施方式中，当前还原剂状况参数包括还原剂温度、还原剂供应压力、基于排气或液体还原剂状况的所需喷射动量、还原剂密度、喷射频率或喷嘴几何形状中的至少一个。在一些实施方式中，控制模型是经验模型。拉丁超立方(Latin hypercube)研究可以被执行，以使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值来计算针对排气系统平台的经验模型的参数。在一些实施方式中，控制模型是基于物理学的模型。基于物理学的模型的参数可以通过使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值对排气系统平台执行拉丁超立方研究来获得。在一些实施方式中，当前车辆状况参数可以包括车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力中的至少一个。在一些实施方式中，当前发动机状况参数可以包括发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力中的至少一个。在一些实施方式中，控制器可以使用当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来确定还原剂喷雾动量，并且修改一个或更多个喷射参数以实现针对当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数的目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布。

另一个实施方式涉及一种方法，该方法包括：访问当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数；基于控制模型和访问的当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数确定一个或更多个控制参数；修改喷射参数的值或供应参数的值以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布来控制来自还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或者还原剂动量矢量；以及基于喷射参数命令还原剂喷射系统将还原剂喷射到排气内，或者基于供应参数命令还原剂供应系统将还原剂供应给还原剂喷射系统。

在一些实施方式中，当前排气状况参数可以包括排气压力、排气密度、排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度中的至少一个。当前还原剂状况参数可以包括还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂动量、还原剂密度、喷射频率、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角或喷嘴几何形状中的至少一个。当前车辆状况参数可以包括车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力中的至少一个。当前发动机状况参数包括发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力中的至少一个。当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数可以用于确定还原剂喷雾动量，并且修改喷射参数以实现针对当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数的目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布。

又一实施方式涉及一种系统，该系统包括还原剂喷射系统和控制器，该还原剂喷射系统用于基于喷射参数或供应参数将还原剂喷射到排气内。控制器被配置成访问当前排气状况参数或当前还原剂状况参数，基于控制模型和访问的当前排气状况参数或当前还原剂状况参数确定一个或更多个控制参数，并且修改喷射参数或供应参数的值以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布来控制来自还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或者还原剂动量矢量。

在一些实施方式中，当前排气状况参数包括排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度中的至少一个。在一些实施方式中，当前还原剂状况参数包括还原剂温度、还原剂供应压力、基于排气或液体还原剂状况的所需喷射动量、还原剂密度、喷射频率或喷嘴几何形状中的至少一个。在一些实施方式中，控制模型是基于拉丁超立方研究的，该拉丁超立方研究被执行以使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值来计算针对排气系统平台的经验模型的参数。

简要描述

在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据说明书、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是具有用于排气系统的示例还原剂输送系统的示例选择性催化还原系统的示意性框图；

图2是描绘排气矢量场中的微滴路径的图解图，其具有针对没有微滴控制的系统的微滴分布图；

图3是作为喷射压力的函数的微滴直径的分布的图解图；

图4是在具有均匀流速场的排气管中相同喷射速度下具有不同直径的微滴的颗粒飞行路径的一组图解图；

图5是在具有均匀流速场的排气管中不同喷射速度或动量下具有相同直径的微滴的颗粒飞行路径的一组图解图；

图6是描绘排气矢量场中的微滴路径的图解图，其具有针对有微滴控制的系统的微滴分布图；

图7是用于开发用于在排气系统中微滴控制的控制模型的过程图；以及

图8是用于实施控制模型以在排气系统中微滴控制的过程图。

将认识到，一些图或所有图是为了说明的目的的示意性表示。提供这些图是为了说明一个或更多个实施方式，并明确理解它们将不会用于限制权利要求的范围或含义。

详细描述

接着下面是涉及用于对还原剂喷射实时控制的方法、装置和系统的各种概念、以及用于对还原剂喷射实时控制的方法、装置和系统的实施方式的更详细描述。上文介绍的并且在下文更详细地讨论的各种概念可以以多种方式中的任一种方式来实施，因为所描述的概念不限于实施的任何具体的方式。主要为了说明性目的来提供特定的实施方式和应用的示例。

I.综述

在一些排气后处理系统中，还原剂喷射系统以单一的微滴动量运行，而不管环境状况(例如排气状况)如何。这可导致在不同排气状况下不受控的排气内喷雾分布和空间布局(即，在排气流的横截面区域中还原剂的量不均匀)。喷射的还原剂的有效性可能受到几个因素的影响，诸如还原剂喷雾质量、微滴直径(即，微滴质量)、微滴速度、微滴轨迹、锥角、排气内喷雾分布、动量、喷雾穿透长度(penetration length)、排气流中分解的还原剂的最终分布等。影响还原剂微滴动量和排气内分布的两个可控特性是微滴直径和微滴速度。喷嘴设计和供应压力都会影响微滴直径和微滴速度，从而影响微滴动量。如果还原剂微滴的直径和速度都是大的值，那么，在低排气流速下，微滴可穿透到排气流内很深的地方，冲击壁并产生沉积物，同时降低NO_x还原效率。如果还原剂微滴的直径和速度是小的值，那么，在较高的排气流速下，这些微滴倾向于“紧靠(hug)”邻近喷射器位置的排气管道壁，从而限制了NO_x还原效率。类似地，由于排气温度不能在催化剂之前充分分解还原剂，单次大剂量的还原剂可能不太有效，而多次较小剂量的还原剂可以通过可用的排气热能更有效地分解。因此，提供一种根据发动机运行状况基于微滴动量和喷射正时(即，每单位时间的剂量数)来改变微滴布局的系统可能有助于改善排气内喷雾分布和NO_x还原效率。

在一些实施方式中，实时还原剂输送系统可以基于所感测的排气和/或液体还原剂状况(诸如，排气压力、排气密度、排气温度、排气流速、还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂速度、还原剂密度等)来修改喷射供应压力、喷射频率和/或剂量器喷嘴几何形状，以控制还原剂喷雾动量。还原剂喷雾的这种实时修改可以增强还原剂输送系统的性能和鲁棒性。具体而言，通过修改还原剂喷雾动量，可以改善排气内喷雾分布，从而提高NO_x还原效率，并且可以减少还原剂沉积物。

还原剂输送系统可以包括用于将还原剂输送到柴油机排气气体的硬件、软件、电子器件和液压部件。还原剂输送系统可分为两个子系统——还原剂供应系统和还原剂喷射系统。还原剂供应系统可以包括存储还原剂的还原剂罐、泵和用于将还原剂从还原剂罐输送到泵和还原剂输送系统的液压管道。还原剂输送系统可以包括喷射器或剂量器。在一些实施方式中，还原剂输送系统可以是纯液体系统，其利用来自泵的压力将还原剂雾化到排气系统内。在其他实施方式中，还原剂输送系统可以是空气辅助系统，其包括空气供应源和用于将空气输送到还原剂喷射器或剂量器、喷射器或剂量器的上游和/或还原剂喷射点的液压管道，以帮助将还原剂雾化到排气系统内。

在一些实施方式中，对还原剂喷雾的控制可以通过还原剂输送系统的物理机构和/或对还原剂输送系统的部件的软件控制。例如，还原剂喷射供应压力可以基于泵速度命令的改变、机电阀的移动、关于还原剂喷射频率的信号或命令的修改、剂量器喷嘴几何形状的修改等。在一些情况下，还原剂喷射供应压力也可以被修改以控制微滴破碎，从而控制微滴直径和喷雾几何形状，以在排气管横截面中实现期望的喷雾穿透和/或分散。在一些实施方式中，由于在管内的喷雾展开计划(即，使喷雾物化成完全展开的流需要多长时间)，喷射频率可被修改以控制在管内撞击位置处的热传递以及喷雾几何形状。

通过控制喷射供应压力和/或喷射频率，可以控制喷雾几何形状和穿透，以供应分散良好的还原剂云以及布局良好的还原剂云，这两者均基于发动机运行状况而增加分布并减少形成尿素沉积物的壁撞击。因此，当流量、温度或其他排气状况的变化影响还原剂微滴的布局和NO_x还原性能以及沉积物的产生时，可以在瞬态发动机运行期间调节实时目标喷雾特性。

II.后处理系统的综述

图1描绘了后处理系统100，其具有用于排气系统190的示例还原剂输送系统110。后处理系统100包括颗粒过滤器(例如柴油机颗粒过滤器(DPF)102)、还原剂输送系统110、反应器管或分解室104、SCR催化器106以及传感器150。

DPF 102配置成从在排气系统190中流动的排气气体中去除颗粒物质，例如烟粒。DPF 102包括入口和出口，在入口处接收排气气体，在使颗粒物质大体上从排气气体中被过滤和/或将颗粒物质转化成二氧化碳之后排气气体在出口处离开。

分解室104被配置成将还原剂(诸如尿素、氨水或柴油机排气流体(DEF))转化成氨。分解室104包括具有剂量器112的还原剂输送系统110，该剂量器112被配置成将还原剂投配到分解室104内。在一些实施方式中，还原剂被喷射或以其他方式注入在SCR催化器106的上游。还原剂微滴然后经历蒸发、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包括入口和出口，入口与DPF 102流体连通以接收含有NO_x排放物的排气气体，出口用于排气气体、NO_x排放物、氨和/或剩余的还原剂流至SCR催化器106。

分解室104包括剂量器112，剂量器112安装到分解室104，使得剂量器112可以将还原剂投配到在排气系统190中流动的排气气体内。剂量器112可以包括隔离件114，隔离件114插在剂量器112的一部分和剂量器112所安装到的分解室104的一部分之间。剂量器112流体联接到一个或更多个还原剂源116。在一些实施方式中，泵118可用于对来自还原剂源116的还原剂加压以便输送到剂量器112。

剂量器112和泵118还电气或通信地联接到控制器120。控制器120被配置成控制剂量器112以将还原剂投配到分解室104内。控制器120还可以配置成控制泵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，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的、光学的、磁性的或任何其他存储或传输设备。存储器可包括存储器芯片、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)、闪存或任何其他适当的存储器，控制器120可从存储器读取指令。指令可以包括来自任何适当的编程语言的代码。

在某些实施方式中，控制器120被构造成执行某些操作，例如在本文关于图7-图8所述的那些操作。在某些实施方式中，控制器120形成处理子系统的一部分，所述处理子系统包括具有存储、处理和通信硬件的一个或更多个计算设备。控制器120可以是单个设备或分布式设备，且控制器120的功能可通过硬件和/或作为非暂时性计算机可读存储介质上的计算机指令执行。

在某些实施方式中，控制器120包括被构造成在功能上执行控制器120的操作的一个或更多个模块。在某些实施方式中，控制器120可包括用于执行参考图7-图8描述的操作的控制模型模块和/或投配控制模块。本文中包括模块的描述强调控制器120的各方面的结构独立性，并且说明了控制器120的操作和职责的一个分组。执行类似整体操作的其他分组被理解为在本申请的范围内。模块可以在硬件中和/或作为非暂时性计算机可读存储介质上的计算机指令来实现，并且模块可以跨各种硬件或基于计算机的部件分布。在参考图7-图8的章节中包括控制器操作的某些实施方式的更具体的描述。

示例性和非限制模块实施方式的元件包括：提供本文中所确定的任何值的传感器；提供作为本文所确定的值的前体的任何值的传感器；数据链路和/或网络硬件，包括通信芯片、振荡晶体、通信链路、电缆、双绞线布线、同轴布线、屏蔽布线、发射机、接收机和/或收发机；逻辑电路、硬连线逻辑电路、根据模块规范配置的处于特定非暂时性状态的可重构逻辑电路；至少包括电致动器、液压致动器或气动致动器的任何致动器；螺线管、运算放大器、模拟控制元件(弹簧、滤波器、积分器、加法器、除法器、增益元件)和/或数字控制元件。

SCR催化器106被配置成通过加速在氨和排气气体中的NO_x之间的NO_x还原过程来帮助将NO_x排放物还原成双原子氮、水和/或二氧化碳。SCR催化器106包括与分解室104流体连通的入口和与排气系统190的端部流体连通的出口，排气气体和还原剂从入口被接收。

排气系统190还可包括与排气系统190(例如SCR催化器106的下游或DPF 102的上游)流体连通的氧化催化器(例如，柴油氧化催化器(DOC))以氧化在排气气体中的碳氢化合物和一氧化碳。

在一些实施方式中，DPF 102可以定位于分解室或反应器管104的下游。例如，DPF102和SCR催化器106可以组合成单一的单元，诸如具有SCR涂层的DPF(SDPF)。在一些实施方式中，剂量器112可以替代地定位在涡轮增压器(turbocharger)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以检测流动通过排气系统190的排气气体的状况。在一些实施方式中，传感器150可以具有布置在排气系统190内的一部分，例如传感器150的尖端可以延伸到排气系统190的一部分内。在其他实施方式中，传感器150可以接收穿过另一导管(例如从排气系统190延伸出的样品管)的排气气体。虽然传感器150被描绘为定位于SCR催化器106的下游，但是应理解，传感器150可以定位于排气系统190的任何其他位置处，包括在DPF 102的上游、在DPF 102内、在DPF 102和分解室104之间、在分解室104内、在分解室104和SCR催化器106之间、在SCR催化器106内或在SCR催化器106的下游。此外，两个或更多个传感器150——例如两个、三个、四个、五个或六个传感器150——可以用于检测排气气体的状况，其中每个传感器150位于排气系统190的前述位置中的一个位置处。

III.还原剂微滴喷雾动量和排气内分布的实时控制

通过控制还原剂微滴直径和速度来实时或基本实时控制还原剂喷雾动量和/或排气内分布，可以提高排气后处理系统的NO_x还原效率。也就是说，通过改善邻近还原剂喷射点的排气内分布，还原剂与存在于排气气体中的NO_x的混合可以发生在更上游的地方，并且随着还原剂和NO_x的更均匀的混合物进入催化器，NO_x的还原将更有效地发生。在一些情况下，这可以通过减小分解反应器的长度和/或催化器的长度来缩短排气后处理系统的长度，还原剂和排气气体在分解反应器中混合。

如本文所述，控制器可以利用车辆属性(例如，车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力)、发动机属性(例如，发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力)、排气属性和/或还原剂属性(例如，流量、动量、蒸发、温度、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角和/或密度)、连同系统和部件特性(例如，剂量器喷嘴几何形状，诸如孔口直径)，以确定理想排气内喷雾分布和空间布局所需的还原剂喷射微滴和喷雾动量。控制器然后可以例如通过调节还原剂喷射供应压力、调节投配频率或剂量器喷嘴几何形状来针对排气内喷雾分布和空间布局控制还原剂喷射微滴尺寸和/或喷雾动量。因此，控制器可以控制单微滴或喷雾云(例如，所有单微滴的数学积分)。前述是传递期望的动量/分布的控制动作的说明性示例，但是除了前述之外或代替前述，也可以利用其他可能的机制来传递期望的动量/分布。通过控制还原剂喷射微滴动量以获得期望的排气内喷雾分布和空间布局，可以实现对排放物处理效率(例如，高分布和/或去氮氧化物(deNO_x)百分比)的优化和对低效(例如还原剂对内部管道几何形状(诸如壁、混合器、扩散器、导流器等)的冲击/撞击)的最小化。

图2描绘了均匀排气矢量流内投配的还原剂的飞行路径210的图解图200。以静态、预设的还原剂微滴动量从剂量器提供投配的还原剂。也就是说，不管排气流状况如何，基于还原剂喷射供应压力、还原剂喷射频率和静态剂量器喷嘴几何形状，以预设的还原剂微滴动量来提供投配的还原剂。如图200所示，示例微滴或微滴集的飞行路径210在位置上是线性的，从而导致基本上所有投配的还原剂定位在喷射位置处。这种静态、预设的还原剂喷射动量在排气流中保持在投配位置，然后需要排气流的湍流(turbulation)和/或一定长度的分解反应器管来从投配位置分散到排气流内。

图3描绘了示出作为还原剂喷射供应压力的函数的微滴颗粒尺寸分布的图解图300。如图300所示，还原剂微滴直径在低的喷射供应压力下较大，例如在还原剂喷射供应压力为6至8巴时还原剂微滴直径为35至50微米(μm)。还原剂微滴直径随着还原剂喷射供应压力的增加而减小，例如在还原剂喷射压力高于13巴时该微滴直径小于25μm。

图4描绘了在以恒定的还原剂喷射供应压力或喷射速度进入恒定均匀的排气流场的情况下以不同的还原剂微滴直径喷射到排气管内的还原剂微滴的几个飞行路径410、420、430、440。第一飞行路径410对应于直径为20μm的微滴，并显示该微滴进入排气流的穿透最小。第二飞行路径420对应于直径为40μm的微滴，并显示该微滴进入排气流的进一步改善的穿透。第三飞行路径430对应于直径为80μm的微滴，并显示该微滴进入排气流的进一步改善的穿透。第四飞行路径440对应于直径为100μm的微滴，并显示该微滴进入排气流的更进一步改善的穿透。如由具有不同直径的还原剂微滴的飞行路径410、420、430、440所示，对于以相同喷射供应压力或喷射速度喷射的还原剂，随着还原剂微滴直径的增加，穿透进入排气流的深度增加。

在低温下，由于化学动力学的限制，还原剂微滴的分解时间增加。因此，在较低温度下，确保小的还原剂微滴直径改善了排气流内的快速分解。另外，当还原剂微滴小时，穿透深度是有限的，这在排气流速低且因此阻力也低时的怠速或接近怠速状况下可以是优选的。

图5描绘了在以恒定的还原剂微滴直径进入恒定均匀的排气流场的情况下以不同还原剂喷射速度(其直接基于还原剂喷射供应压力)喷射到排气管内的直径为40μm的还原剂微滴的几个飞行路径510、520、530、540。第一飞行路径510对应于喷射速度为每秒20米(m/s)的微滴，并显示该微滴进入排气流的穿透最小。第二飞行路径520对应于喷射速度为40m/s的微滴，并显示该微滴进入排气流的进一步改善的穿透。第三飞行路径530对应于喷射速度为60m/s的微滴，并显示该微滴进入排气流的进一步改善的穿透。第四飞行路径540对应于喷射速度为120m/s的微滴，并显示该微滴进入排气流的更进一步改善的穿透。如由具有不同喷射速度(其与喷射供应压力直接相关)的还原剂微滴的飞行路径510、520、530、540所示，对于以相同还原剂微滴直径喷射的还原剂，随着喷射供应压力的增加，穿透进入排气流的深度增加。

图6均匀排气矢量流内投配的还原剂的飞行路径610的图解图600。以不同的还原剂微滴动量从剂量器提供投配的还原剂，使得与图2所示的飞行路径210相比，还原剂微滴在排气流内采取不同的路径，以提供更大的还原剂微滴分布。也就是说，基于排气流状况，投配的还原剂基于对还原剂喷射供应压力、还原剂喷射频率和/或可变剂量器喷嘴几何形状的变化而以不同的还原剂微滴动量提供。如图600所示，喷射微滴的飞行路径610穿透到排气流中的多个位置，从而导致更好的排气内分布。这种变化的还原剂喷射动量可以将还原剂投配到排气流中的多个位置，这可以减少或消除对排气流湍流的需求和/或对从投配位置到下游催化器表面的分解反应器管长度的减小的需求。

基于求解以下方程，可以确定喷射的还原剂动量：

P₁＝f(T₁，d₁)方程2

ρ₁＝f(T₁)方程3

V₁＝f(P₁)方程4

d₁＝f(T₁)方程5

P₂＝f(T_e，P_e，V_e)方程6

ρ₂＝f(T_e)方程7

V₂＝f(P_e，P₂，V_e)方程8

d₂＝f(T_e，T₁)方程9

其中：

T₁：在孔口上游流体的温度[℃]，

ρ₁：在孔口上游流体的密度[kg/m³]，

ρ₂：在孔口处流体的密度[kg/m³]，

T_e：排气气体温度[℃]，

ρ_e：排气气体的密度[kg/m³]，

P_e：排气气体压力[Pa]，

V_e：排气气体速度[m/s]。

图7描绘了用于开发用于在排气系统中微滴控制的控制模型的过程700的实施方式。控制模型可以是经验模型、分析模型或基于物理学的模型。过程700包括识别排气系统平台并建立拉丁超立方研究以进行微滴控制。对排气系统平台的识别可以是对排气系统的特定配置。拉丁超立方研究基于排气系统平台的几何数据以及可变排气和还原剂属性的范围。排气属性的范围可以包括排气气体密度、排气压力、排气流速、排气质量流量、排气温度、排气涡度等。还原剂属性的范围可以包括基于还原剂喷射供应压力的还原剂速度、还原剂微滴直径、可变喷嘴几何形状等。过程700还包括使用一个或更多个常微分方程、偏微分方程、线性微分方程或非线性微分方程的集合对微滴控制执行拉丁超立方研究，以针对排气属性和还原剂属性的范围的每个值求解所产生的流量分布和/或其他值。执行拉丁超立方研究，以使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值来计算排气系统平台的经验模型或基于物理学的模型的参数。过程700还包括确定拉丁超立方研究的结果是否高于预定的聚类密度，并执行回归分析，以开发用于具有排气系统平台的发动机的控制器的控制模型。过程700还包括例如通过将测试值输入到控制模型和常微分方程解中并将输出值之间的误差与预定阈值(诸如±5％)进行比较，来确定模型是否基本上符合一个或更多个常微分方程、偏微分方程、线性或非线性微分方程解的集合或与其一致。如果测试值在预定的误差阈值内，则控制模型可以在发动机的控制器内被实施。

图8描绘了用于实施图7的用于在排气系统中微滴控制的已开发的控制模型的过程800的实施方式。过程800包括访问当前车辆属性(例如，车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力)、当前发动机属性(例如，发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力)、当前排气气体属性和/或当前还原剂液体属性(例如，流量、动量、蒸发、温度、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角和/或密度)以及目标空间还原剂分布。在一些实施方式中，目标空间还原剂分布是排气系统中还原剂的均匀分布。在其他实施方式中，目标空间还原剂分布可以是不对称的或其他不均匀的还原剂分布，诸如管弯头的还原剂不对称分布。还原剂分布可以指颗粒光谱密度，它是对喷雾云中某个直径的微滴的百分比的统计度量。

当前车辆状况属性可以基于指示在车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力中的一个或更多个属性的感测的或虚拟的参数值。当前发动机状况属性可以基于指示在发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力中的一个或更多个属性的感测的或虚拟的参数值。当前排气气体属性可以基于指示通过排气系统的排气气体流的一个或更多个属性——诸如排气温度、排气密度、排气压力、排气流速、排气质量流量、排气涡度等——的感测的或虚拟的参数值。当前还原剂液体属性可以基于指示还原剂的一个或更多个属性(诸如还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂速度、还原剂密度、喷射频率、喷嘴几何形状、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角等)的感测的或虚拟的值。目标空间还原剂分布可以基于预设的还原剂分布和/或代表还原剂分布的标量值，例如分布为0.9表示还原剂分散贯穿90％的排气流。

过程800包括对于满足目标空间还原剂分布所需的还原剂喷雾动量的实时计算。在一些情况下，还原剂微滴动量、还原剂微滴喷雾动量或还原剂动量矢量可以除了还原剂喷雾动量外或代替还原剂喷雾动量而被使用。还原剂喷雾动量基于喷射供应压力、投配频率、喷嘴几何形状等。还原剂喷雾动量可以使用图7的控制模型来计算。控制参数或一组控制参数(例如，指示的泵流量值、喷嘴孔口直径、喷射频率等)被确定，以满足目标空间还原剂分布。在一些实施方式中，控制参数或一组控制参数基于确定的喷射供应压力、投配频率和喷嘴几何形状。在一些实施方式中，喷嘴孔口尺寸、喷嘴内角、喷嘴长度或剂量器喷嘴几何形状的其他物理属性可以响应于控制参数进行调节。过程800包括将确定的控制参数值或一组控制参数值与当前控制参数值进行比较，并且如果差值为零或低于预定阈值(例如，低于0.5％的差值)，则保持当前控制参数值。如果所确定的控制参数值不同或高于预定阈值，则过程800包括确定所确定的控制参数值是否在排气系统的参数值范围内。例如，确定的泵速度值可能在能够用于排气系统泵送的泵速度范围之外。在这种情况下，当前控制参数值被设置为最大值或最小值。如果确定的控制参数值在排气系统的参数值范围内，则当前控制参数值被更新为确定的控制参数值。因此，过程800允许控制器控制还原剂供应系统和/或还原剂投配系统的不同部件，以改变控制参数，从而获得期望的还原剂喷雾动量，以满足目标空间还原剂分布。

在一些实施方式中，控制参数值可以是存储在查找表中的值，控制器基于访问的当前排气气体属性、当前还原剂液体属性和目标空间还原剂分布来确定该值。在其他实施方式中，控制参数值可以基于控制器对一个或更多个常微分方程、偏微分方程、线性或非线性微分方程的集合的实时求解来确定，以使用当前排气气体属性、当前还原剂液体属性和目标空间还原剂分布来提供实时控制。

在一些实施方式中，还原剂供应系统可以具有可以修改的一个或更多个特性(例如，泵速度、阀位置等)，而还原剂喷射系统的特性恒定，使得只有还原剂供应系统的特性可以被修改。在其他实施方式中，还原剂喷射系统可以具有可以修改的一个或更多个特性(例如，空气供应压力、喷嘴几何形状、投配频率等)，而还原剂供应系统的特性恒定，使得只有还原剂喷射系统的特性可以被修改。在另外的实施方式中，还原剂喷射系统和还原剂供应系统都可以具有可以修改的一个或更多个特性(例如，泵速度、阀位置、空气供应压力、喷嘴几何形状、投配频率等)。

例如，在低的排气流量下，需要较低的动量来确保排气流中的目标喷雾分布。由于动量是质量和速度的函数，因此系统可以修改这些喷射特性中的一个或两个，以输送处于目标喷雾分布的投配的还原剂。在一种实施方式中，该系统可以修改还原剂供应系统的操作压力，同时保持还原剂喷射系统的恒定特性。在另一实施方式中，该系统可以修改还原剂喷射系统的操作孔口直径，同时保持还原剂供应系统的恒定特性。在另外的实施方式中，该系统可以修改还原剂供应系统的操作压力，同时修改还原剂喷射系统的操作孔口直径。前述控制动作中的每个动作都降低了微滴动量，以实现目标喷雾分布。

通过调整还原剂供应和/或喷射系统以控制还原剂喷雾动量，该系统可以减少沉积物的形成并增加还原剂的分布，以实现高性能的NO_x还原SCR系统。

术语“控制器”包括用于处理数据的所有类型的装置、设备和机器，举例来说包括可编程处理器、计算机、片上系统或多个前述项、编程处理器的一部分或前述项的组合。装置可包括专用逻辑电路，例如FPGA或ASIC。除了硬件以外，装置还可以包括为讨论中的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时间环境、虚拟机或它们中的一个或更多个的组合的代码。装置和执行环境可实现各种不同的计算模型基础设施，例如分布式计算和网格计算基础设施。

计算机程序(也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言——包括编译或解释语言、说明或过程语言——被编写，且它可在任何形式中——包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、对象或适合于用在计算环境中的其他单元——被使用。计算机程序可以但不需要对应于文件系统中的文件。程序可存储在保存其他程序或数据(例如存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的文件的一部分中、专用于讨论中的程序的单个文件中或多个协同文件(例如存储一个或更多个模块、子程序或代码的部分的文件)中。

虽然本说明书包含很多特定的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可被要求保护的内容的范围的限制，而是应被解释为对特定的实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中在独立的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实施方式中实施。相反，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适当的子组合的方式实施。此外，虽然特征在上面可被描述为以某些组合起作用且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，虽然在图中以特定的顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或以连续的顺序被执行或所有所示的操作被执行，以实现合乎需要的结果。在某些情况下，在上面所述的实施方式中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中需要这样的分离，并且应理解，所述部件和系统通常可以集成在单个产品中或封装到体现在有形介质上的多个产品中。

如本文所使用的，术语“近似”、“约”、“大体上”以及相似的术语旨在具有与本公开的主题所属领域中的普通技术人员普遍和所接受的用法相一致的广泛的意义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所陈述的本发明的范围内。此外，应注意，在术语“装置(means)”不在其中被使用的情况下，按照美国专利法，权利要求中的限制不应被解释为构成“装置加功能”的限制。

如在本文使用的术语“联接”及类似术语意指两个部件直接或间接地连接到彼此。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种连结可以通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件彼此一体地形成为单个整体(single unitary body)、或者通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件附接到彼此来实现。

如在本文使用的术语“流体联接(fluidly coupled)”、“流体连通(in fluidcommunication)”等意指两个部件或对象具有在这两个部件或对象之间形成的通路，流体例如水、空气、气态还原剂、气态氨等可在有介入部件或对象或者没有介入部件或对象的情况下在该通络中流动。用于实现流体连通的流体联接或构造的示例可以包括管道、通道或用于实现流体从一个部件或对象到另一部件或对象的流动的任何其他适当的部件。

重要的是，注意到在各种示例性实施方式中所示的系统的结构和布置在特性上仅仅是说明性的而不是限制性的。出现在所描述的实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改期望被保护。应理解，一些特征可能不是必要的，且缺少各种特征的实施方式可被设想为在本申请的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图是当词语例如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”或“至少一部分”被使用时，不存在将权利要求限制到仅仅一个项的意图，除非在权利要求中特别相反地规定。当语言“至少一部分”和/或“一部分”被使用时，该项可包括一部分和/或整个项，除非特别相反地规定。

Claims

1.一种用于针对目标喷雾分布控制还原剂喷雾动量的系统，包括：

排气系统，其具有排气导管，其中排气流过所述排气导管；

还原剂喷射系统，其用于基于一个或更多个喷射参数将还原剂喷射到流过所述排气系统的所述排气内；

还原剂供应系统，其用于基于一个或更多个供应参数将还原剂供应到所述还原剂喷射系统；和

控制器，其配置成：

访问当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数；

基于控制模型和访问的当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来确定一个或更多个控制参数；和

修改所述一个或更多个喷射参数的值或所述一个或更多个供应参数的值，以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布，控制来自所述还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或还原剂动量矢量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述当前排气状况参数包括排气压力、排气密度、排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述当前还原剂状况参数包括还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂动量、还原剂密度、喷射频率、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角或喷嘴几何形状中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模型是经验模型。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，拉丁超立方研究被执行，以使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值来计算针对排气系统平台的所述经验模型的参数。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模型是基于物理学的模型。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述基于物理学的模型的参数是通过使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值对排气系统平台执行拉丁超立方研究来获得的。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述当前车辆状况参数包括车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述当前发动机状况参数包括发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器使用当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来确定所述还原剂喷雾动量，并且修改一个或更多个喷射参数以针对所述当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来实现目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布。

11.一种方法，包括：

基于控制模型和访问的当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来确定一个或更多个控制参数；

修改喷射参数的值或供应参数的值，以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布，控制来自还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或还原剂动量矢量；以及

基于所述喷射参数命令还原剂喷射系统将还原剂喷射到排气内，或者基于所述供应参数命令还原剂供应系统将还原剂供应到所述还原剂喷射系统。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述当前排气状况参数包括排气压力、排气密度、排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度中的至少一个。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述当前还原剂状况参数包括还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂动量、还原剂密度、喷射频率、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角或喷嘴几何形状中的至少一个。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述当前车辆状况参数包括车速、车辆轮胎压力、车辆倾角、车辆驱动齿轮选择、车辆质量、车辆重量、车辆拖车重量或车辆空气管线压力中的至少一个。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述当前发动机状况参数包括发动机燃料流量、发动机空气流量、发动机增压压力、发动机进气压力、发动机负载、发动机转速、发动机气缸温度、发动机气缸压力或发动机燃料压力中的至少一个。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数被用于确定所述还原剂喷雾动量，并且修改所述喷射参数以针对所述当前车辆状况参数、当前发动机状况参数、当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来实现目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布。

17.一种系统，包括：

还原剂喷射系统，其用于基于喷射参数或供应参数将还原剂喷射到排气内；和

控制器，其配置成：

访问当前排气状况参数或当前还原剂状况参数；

基于控制模型和访问的当前排气状况参数或当前还原剂状况参数来确定一个或更多个控制参数；和

修改所述喷射参数的值或所述供应参数的值，以针对目标喷雾微滴分布或目标喷雾分布，控制来自所述还原剂喷射系统的还原剂喷雾动量、还原剂微滴动量、还原剂喷雾动量或还原剂动量矢量。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述当前排气状况参数包括排气压力、排气密度、排气温度、排气流速、排气质量流量或排气涡度中的至少一个。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述当前还原剂状况参数包括还原剂温度、基于喷射供应压力的还原剂动量、还原剂密度、喷射频率、还原剂空气供应压力、还原剂空气供应流量、还原剂喷雾锥角或喷嘴几何形状中的至少一个。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制模型是基于拉丁超立方研究的，所述拉丁超立方研究被执行以使用关于排气属性和还原剂属性的一定范围的值来计算针对排气系统平台的经验模型的参数。