CN110088440A - 用于选择性催化还原系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

选择性催化还原(SCR)系统是已知的，并且通常包括在柴油发动机的排放系统中，以便处理这种发动机的排气。这种系统典型地涉及将柴油机排放流体(DEF)引入到在发动机的排放通道中流动的排气中。DEF定量配给系统受到在后处理系统表面上不形成沉积物的情况下可以输送的DEF量的影响。基于SCR系统的一组特征，以第一速率给冲击设备定量配给以DEF。基于一组标准(诸如，DEF的分解速率)，确定第二组特征(诸如，DEF的可用存储容量)。基于第二组特征，将DEF定量配给速率变为第二速率。在满足第二组标准(例如，DEF的可用存储的较低阈值)后，将定量配给速率恢复到第一速率。

Description

用于选择性催化还原系统的方法和设备

领域

本发明涉及用于处理排气的选择性催化还原(SCR)系统。特别地，本发明涉及提高SCR系统效率的方法。

背景

选择性催化还原(SCR)系统是已知的，并且通常包括在柴油发动机的排放系统中，以便处理这种发动机的排气。这种系统涉及将柴油机排放流体(DEF)引入到在发动机的排放通道中流动的排气中。DEF包含尿素，尿素在排放通道内经受水解和/或热解，从而产生氨。氨进入SCR催化器，在SCR催化器中氨与排气反应，其中在排气中存在的任何氮氧化物(NOx)在排气排出到大气中之前被转化为氮气和水。

已经提出了将DEF定量配给到排放通道的许多SCR系统。这种系统有时被称为“湿式喷射(wet spray)”系统，并将尿素溶液喷雾注射到排气中，在排气中尿素分解形成氨。这种系统的示例在US2008307967A1中示出。US’967公开了一种装置，其中DEF在主排放通道外部的供给通道中被水解。具体而言，将DEF定量配给到水解催化器上并水解成氨。氨向下游流到SCR催化器的入口，在那里氨起到还原NOx的作用。通常，当需要氨来还原NOx时，SCR系统(诸如，US’967中公开的SCR系统)所遵循的已知控制过程涉及给水解反应器定量配给DEF。

当将DEF定量配给到SCR系统中的冲击设备(impaction device)(例如，水解催化器)上时，在某些条件下，DEF充分冷却冲击设备，以减缓或有效防止尿素的热解和异氰酸的随后水解，以及氨和异氰酸的解吸。对氨释放的这种抑制造成冲击设备功能的滞后或延迟。这限制了可对SCR催化器中氨储存和NOx转化施加的控制量。此外，尿素缓慢的或被阻止的热解也可能导致在排放通道中形成尿素沉积物，并且未反应的尿素或氨在氨泄漏事件中(例如，出现排气入口温度升高)未经处理地流出排放通道。

为了防止沉积物形成，到冲击设备上的DEF定量配给速率通常被设定为等于或小于DEF在给定排放条件下的分解速率(也称为“稳定状态”、“安全”或“稳定”定量配给速率)。然而，使用“安全”定量配给速率并不能充分地利用冲击设备的DEF存储容量，从而实际上限制了氨的产量。

本公开的目的是至少解决上述问题中的一些。

概述

根据本发明的第一方面，提供了用于催化系统的方法，该催化系统包括水解催化器，该方法包括：

基于第一组特征，以第一速率给冲击设备定量配给柴油机排放流体(DEF)；

基于第一组标准，确定冲击设备的第二组特征；

基于第二组特征，将定量配给速率变为第二速率；以及

基于第二组标准，将定量配给速率恢复到第一速率。

根据本发明的第二方面，提供了用于处理排放通道中的排气的选择性催化还原系统，该系统包括：

冲击设备；

DEF定量配给单元，其被配置为将DEF注射到冲击设备上；以及

控制器，其被配置为执行如上所述的方法。

根据本发明的第三方面，提供了计算机程序产品，其包含用于执行如上所述的方法的机器可读指令的一个或更多个序列。

下面将参照附图详细地描述本发明的其他方面、特征和优点，以及本发明的各个实施例的结构和操作。注意，本发明不限于本文描述的具体实施例。本文给出的这些实施例仅仅是出于说明的目的。基于本文包含的教导，附加实施例对于相关领域的技术人员来说将是明显的。

附图简述

现在，将仅通过示例的方式并参照附图对本发明的实施例进行描述，在附图中相应的参考符号表示相应的部分，并且在附图中：

图1示出了选择性催化还原系统；

图2图示了根据本发明的实施例的方法；以及

图3示出了图2所图示的方法的示意图。

详细描述

在详细描述本发明的具体实施例之前，呈现可以实施本发明的实施例的示例性环境是有益的。

图1示出了示例性的选择性催化还原(SCR)系统10。该系统位于排放通道12中，该排放通道12将排气从交通工具的发动机(未示出)中输送出去。最初地，排气穿过已知类型的柴油机氧化催化器(DOC，未示出)，该催化器催化排气中碳氢化合物、一氧化氮和一氧化碳的氧化反应，以产生二氧化碳、二氧化氮和水。

柴油机排放流体(DEF)定量配给单元16位于DOC的下游，该定量配给单元16被配置成将DEF注射到冲击设备(例如，水解催化器)18上。DEF定量配给单元和冲击设备都是已知的类型。已知类型的SCR催化器20位于冲击设备的下游。应当认识到，系统10可以包括附加的部件，诸如氨泄露催化器。

该系统包括控制器26，该控制器26与DEF定量配给单元通信，并且被配置成控制DEF定量配给单元将DEF注射到水解催化器上的速率。

另外，该系统还包括与控制器通信的多个传感器。具体地，氮氧化物(NOx)传感器28和入口温度传感器30位于冲击设备的上游。出口温度传感器32和氨传感器34位于冲击设备和SCR催化器之间。应当认识到，上述传感器仅是示例性的，并且系统中可以包括附加的或可替代的传感器。各个传感器中的每一个都可以连接到设置在控制器上的一个或更多个输入端和/或输出端。在操作期间，控制器部分地基于从系统的各个传感器接收的测量数据来调节DEF定量配给速率。

应当注意，虽然催化系统被显示为仅具有单个控制器26，但是原则上同样可以使用多个互连的控制器。可替代地，控制器可以包括多个单独的子控制器26a、26b。每个子控制器可以执行特定的操作，例如，第一子控制器26a可以执行与SCR催化器20的性能相关的操作，而第二子控制器26b可以执行与水解催化器18的性能相关的操作。

在正常操作期间，DEF的定量配给速率被控制以满足一个或更多个要求。一种这样的要求通常是避免水解催化器被DEF饱和，因为这可能导致DEF沉积在催化器上，这是不希望的，因为这可能导致催化系统的功能和/或效率降低。因此，定量配给速率通常被选择成使得DEF在水解催化器表面上的有效驻留时间基本为零。有效驻留时间被定义为DEF在水解催化器表面的分解速率和定量配给速率之间的差。当有效驻留时间为零时，DEF的分解速率与定量配给速率相同。

DEF的分解速率取决于催化系统内的操作条件。催化系统内的操作条件又取决于催化系统所附接的发动机的操作条件(例如，发动机负载)。

在操作期间中，由于催化系统的动态操作条件，很难确定DEF的精确分解速率。因此，定量配给速率通常被选择为允许一定程度的不确定性。通常，选择“安全”定量配给速率(其也可称为“稳定状态”或“稳定”定量配给速率)，以确保定量配给时间小于任何给定时间的DEF的分解速率。然而，虽然这避免了水解催化器的饱和，但是使用这样的“安全”定量配给速率并没有充分地利用水解催化器的容量。

为了节省操作期间的计算要求，定量配给速率选择通常通过使用存储在控制器中的查找表来执行。查找表中的定量配给速率可以是任意数量的适合参数(例如，排气温度和排气流率)的函数。

在所公开的示例中，为了清楚和便于解释，仅假设发动机负载是恒定的，即“安全”定量配给速率是恒定的。应当认识到，这仅仅是出于示例性的目的，并且实际上，发动机上的负载在正常操作期间根据许多因素而变化。类似地，考虑到负载的改变，定量配给速率将会变化。

工业适用性

现在，将参照图2和图3讨论可以在图1所示的催化系统中实施的示例性方法。

应当认识到，该示例性方法可以在图1所示的任一个或两个控制器中实施。在冲击设备是水解催化器的示例中，示例性方法在水解催化器控制器中实施。在另一示例中，该示例性方法在SCR催化器控制器中实施。为了简明起见，下面将参考控制器。应当认识到，这可以指系统中包括的任何一个或几个控制器(例如但不限于，水解催化器控制器或SCR催化器控制器)。

在第一步骤201中，基于第一组特征，以第一速率给冲击设备定量配给DEF。这在图3中进一步图示，图3示出了定量配给速率302的示例性曲线图和作为冲击设备的全部存储容量312的一部分的冲击设备上的可用存储容量304的示例性曲线图。定量配给速率和可用存储容量都显示为时间(由X轴306表示)的函数。

如上所述，冲击设备的任何合适的特征可以用于确定第一速率(由水平线308图示)。在示例中，第一组特征包括表示排放系统状态的一个或更多个参数(例如，排气温度或排气流率)。在另一示例中，第一组特征包括DEF在冲击设备表面上的有效驻留时间(即，DEF定量配给速率和DEF分解时间之间的差)。

在特定示例中，选择第一速率308以确保DEF在冲击设备表面上的有效驻留时间基本为零。换句话说，定量配给速率被设定在与DEF在催化器系统所附接的发动机正常操作期间的分解速率基本相同的水平。如上面更详细地解释的，通过将有效驻留时间保持在基本为零，防止了DEF沉积物的形成。由于有效驻留时间基本为零，冲击设备将具有基本恒定的可用存储容量的量310。在其他示例中，第一速率可以选择成确保它低于DEF的分解速率。

应当认识到，尽管定量配给速率和有价值的存储量在图3中显示为恒定的，但这仅是出于示例性的目的，并且用于说明本方法的原理。明显的是，在(诸如，例如在重型货运交通工具上发现的)发动机的正常操作期间，它将受到操作条件的动态变化的影响。因此，定量配给速率实际上可以变化。

第一组特征可以以任何合适的方式实施。在一些示例中，第一组特征可以实施为嵌入在控制器中的查找表。基于一个或几个特定因素(例如，来自位于排放系统中的一个或更多个传感器的传感器输入)，可以选择查找表中的特定条目。在其他示例中，第一组特征可以由控制器导出。第一组特征可以连续地或以设定的间隔导出。

在第二步骤202中，基于第一组标准，确定冲击设备的第二组特征。第二组特征可以在任何合适的时间或以任何合适的次数被确定。在一些示例中，第二组特征被连续地确定。在其他示例中，考虑到控制器硬件的限制，第二组特征以可行的特定间隔确定。

第二组特征可以表示冲击设备的任何合适的一个或多个特征。在一个示例中，第二组特征包括用于在冲击设备表面上存储DEF的可用存储容量。由于通常选择第一定量配给速率以避免冲击设备饱和，所以在正常情况下，将有非零数量的可用存储容量。

第二组特征可以基于任何合适数量的标准，以任何合适的方式确定。在一个示例中，第一组标准包括DEF在排放系统的特定状态下的分解速率和冲击设备的初始存储容量。典型地，初始存储容量等于冲击设备的全部存储容量312，即冲击设备不使用时的存储容量。应当认识到，第一组标准仅是示例性的，并且原则上，第一组标准可以包括附加的或可替代的特定标准。在一些示例中，第一组标准附加地或可替代地包括但不限于以下项中的一项或更多项：DEF定量配给速率；估计的内部温度；或者冲击设备的瞬时存储容量(例如，可以基于第一组特征，连续地评估)。

DEF的分解速率可以以任何合适的方式确定。例如，DEF的分解速率可以以类似于上面关于第一组特征所描述的方式在控制器中实施为查找表。可替代地，在系统操作期间，可以动态地或以特定的间隔确定特定的分解速率。

初始存储容量可以以合适的方式确定。在一个示例中，初始存储容量可以作为预定参数存储在控制器的存储器中。在一些特定示例中，初始存储容量在催化系统的试验或测试期间被确定，并随后存储在控制器的存储器中。

在第三步骤203中，基于第二组特征，将定量配给速率变为第二速率314。在一些示例中，基于确定第二特征组中的至少一个满足特定要求，改变定量配给速率(例如，当达到可用存储的阈值时，将定量配给速率变为第二速率)。

第二速率可以具有任何合适的值，并且可以以任何合适的方式选择。在一些示例中，第二速率可以具有预定值，例如系统的最大可能定量配给速率或最大可能定量配给速率的固定百分比。在其他示例中，可以以合适的方式确定第二速率的值。在一个示例中，改变定量配给速率的步骤包括基于第一组标准确定第二速率的值。

在示例中，第二速率大于第一速率，并且大于DEF的分解速率。因此，当冲击设备以第二速率被定量配给时，可用存储容量的量降低316。

在某些示例中，除了第二速率之外，还确定冲击设备以第二速率被定量配给的定量配给时间段。在一个示例中，将定量配给速率变为第二速率的步骤还包括确定用于以第二速率定量配给冲击设备的定量配给时间段。

应当认识到，第二定量配给速率和定量配给时间段是相互关联的，并且用于任何给定情况的具体值取决于环境因素。例如，在某些情况下，在尽可能短的时间内充满冲击设备可能是有益的。在这种情况下，第二定量配给速率被选择为尽可能高，并且定量配给时间段尽可能短。在其他情况下，可以接受或优选较长的定量配给时间段，并使用较低的第二定量配给速率。

在第四步骤204中，在满足第二组标准之后，定量配给速率恢复到第一速率。第二组标准可以以任何合适的方式定义。在一个示例中，第二组标准包括冲击设备表面上的DEF的可用存储的下限阈值。当达到下限阈值时，定量配给速率返回到第一速率。在特定的示例中，下限阈值被设置为零可用存储。在其他示例中，下限阈值可以设置为1％、5％、10％或20％。应当认识到，上述特定值仅是示例性的，并且可以选择任何合适的值。在另一示例中，第二组标准包括定量配给时间段，在该定量配给时间段内冲击设备以第二定量配给速率被定量配给。在定量配给时间段期满后，定量配给速率恢复到第一速率。

一旦定量配给速率恢复到第一速率，可用存储容量的第二量318开始于定量配给时间段结束时达到的水平，其中冲击设备以第二速率被定量配给。在一些示例中，可用存储容量的第二量318可以保持在恒定水平。在其他示例中，一旦定量配给速率恢复到第一速率，可用存储容量的第二量318就改变。在一些示例中，可用存储容量的量会增加。在特定示例中，可用存储容量的第二量318增加，直到其达到与冲击设备以第二速率被定量配给之前的可用存储容量的量310相近或相同的水平。应当认识到，可用存储容量的第二量取决于许多因素，包括(但不限于)：第一定量配给速率；可用存储容量的量；可用存储容量的第二量；或者环境因素。

上文的以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。因此，对于本领域技术人员将明显的是，在不背离以下陈述的权利要求的范围的情况下，可以对所描述的本发明进行修改。

Claims (15)

1.一种用于催化系统的方法，所述催化系统包括冲击设备，所述方法包括：

基于第一组特征，以第一速率给冲击设备定量配给柴油机排放流体(DEF)；

基于第一组标准，确定所述冲击设备的第二组特征；

基于所述第二组特征，将所述定量配给速率变为第二速率；以及

基于第二组标准，将所述定量配给速率恢复到所述第一速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组特征包括所述冲击设备的可用存储容量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，当达到可用存储的阈值时，将所述定量配给速率变为所述第二速率。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的方法，其中，所述第一组标准包括所述冲击设备的初始存储容量和所述冲击设备的表面上的DEF分解速率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述DEF分解速率是基于所述排放系统的状态导出的。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二速率大于所述第一速率。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述定量配给速率变为第二速率的步骤还包括基于所述第一组标准确定所述第二速率的值。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述定量配给速率变为第二速率的步骤还包括确定用于以所述第二速率定量配给所述冲击设备的定量配给时间段。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二组标准包括所述冲击设备的表面上的DEF的可用存储的下限阈值。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一组特征包括DEF在所述冲击设备的表面上的有效驻留时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一速率被设置成使得DEF的所述有效驻留时间基本为零。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一组特征包括以下项中的至少一项：所述冲击设备的表面上的DEF的分解速率；排气的温度；和排气的流率。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述冲击设备是水解催化器。

14.一种用于处理排放通道中的排气的选择性催化还原系统，所述系统包括：

冲击设备；

DEF定量配给单元，其被配置为将DEF注射到所述冲击设备上；以及

控制器，其被配置成执行权利要求1至13中任一项所述的方法。

15.一种计算机程序产品，包含用于执行权利要求1至13中的任一项所述的方法的机器可读指令的一个或更多个序列。