CN110284951B - 选择性催化还原故障检测 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于排放控制系统或用于处理废气的排气系统中的选择性催化还原诊断的技术方案，诸如在包括内燃机的机动车中。示例性排放控制系统包括选择性催化还原(SCR)设备。排放控制系统还包括执行SCR故障诊断的控制器。SCR故障诊断包括计算SCR设备的SCR催化剂的多个估计的NH3存储容量值(Θ)。诊断还包括使用多个估计的NH3存储容量值来确定所述SCR设备的诊断参数。

Description

选择性催化还原故障检测
引言
本发明涉及用于内燃机的排气系统，并且更具体地涉及使用用于排放控制的选择性催化还原(SCR)单元的排气系统。
从内燃机(特别是柴油机)中排出的废气是多相混合物，其包含气体排放物，比如一氧化碳(“CO”)、未燃烧的碳氢化合物(“HC”)，和氮氧化物(“NOx”)，以及构成颗粒物质(“PM”)的冷凝相材料(液体和固体)。通常设置在催化剂载体或基底上的催化剂组合物作为后处理系统的一部分提供在发动机排气系统中，以将某些或所有这些废气成分转化成未调节的废气成分。
废气处理系统通常包括选择性催化还原(SCR)设备。SCR设备包括基底，该基底上设置有SCR催化剂以减少废气中的NOx的量。典型的废气处理系统还包括还原剂递送系统，该还原剂递送系统注入还原剂例如氨(NH3)，尿素(CO(NH2)2等)。SCR设备利用NH3来还原NOx。例如，当在适当条件下将适量的NH3供应到SCR设备时，NH3在SCR催化剂存在下与NOx反应以减少NOx排放物。如果还原反应速率太慢，或者如果在废气中存在过量的氨，则氨能够从SCR通过(“泄露”)。另一方面，如果废气中的氨太少，则SCR NOx转化效率将降低。
发明内容
根据一个或多个实施方案，描述了一种用于处理包括内燃机的机动车中的废气的排放控制系统。排放控制系统包括选择性催化还原(SCR)设备。排放控制系统还包括执行SCR故障诊断的控制器。SCR故障诊断包括计算SCR设备的SCR催化剂的多个估计的NH3存储容量值(Θ)。所述诊断还包括使用所述多个估计的NH3存储容量值来确定所述SCR设备的诊断参数。基于计算确定诊断参数：
Figure BDA0001987239140000024
和
在计算
Figure BDA0001987239140000021
时，其中Θnom是预定的校准值，favg是诊断参数，并且N是多个估计的NH3存储容量值中的多个值。
响应于诊断参数超过预定阈值，控制器确定存在SCR故障。此外，确定诊断参数还包括检查多个估计的NH3存储容量值(Θ)的至少预定百分比(V)是有效的。而且，响应于多个估计的NH3存储容量值的至少预定百分比(V)是有效的，计算诊断参数。如果多个估算的NH3存储容量值(Θ)中的至少预定百分比(V)无效，则诊断包括从多个估算的NH3存储容量值中去除预定数目的估算的NH3存储容量值的最旧集合，并使用附加的估算的NH3存储容量值将SCR故障诊断重复到多个估算的NH3存储容量值。
基于条件标志确定估计的NH3存储容量值的有效性。条件标志表示估计的NH3存储容量值的估计准确度的置信度。此外，响应于在计算估计的NH3存储容量值时SCR催化剂温度在预定范围内，执行SCR故障诊断。
根据一个或多个实施方案，描述了一种用于通过执行废气的选择性催化还原(SCR)来处理由内燃机排放的废气的排气系统。该系统包括执行SCR故障诊断的控制器。SCR故障诊断包括计算SCR设备的SCR催化剂的多个估计的NH3存储容量值。所述诊断还包括使用所述多个估计的NH3存储容量值来确定所述SCR设备的诊断参数。基于计算确定诊断参数：
Figure BDA0001987239140000022
在计算
Figure BDA0001987239140000023
时，其中Θnom是预定的校准值，favg是诊断参数，并且N是多个估计的NH3存储容量值中的多个值。
响应于诊断参数超过预定阈值，控制器确定存在SCR故障。此外，确定诊断参数还包括检查多个估计的NH3存储容量值Θ的至少预定百分比(V)是有效的。而且，响应于多个估计的NH3存储容量值的至少预定百分比(V)是有效的，计算诊断参数。如果多个估算的NH3存储容量值Θ中的至少预定百分比(V)无效，则诊断包括从多个估算的NH3存储容量值中去除预定数目的估算的NH3存储容量值的最旧集合，并使用附加的估算的NH3存储容量值将SCR故障诊断重复到多个估算的NH3存储容量值。
基于条件标志确定估计的NH3存储容量值的有效性。条件标志表示估计的NH3存储容量值的估计准确度的置信度。此外，响应于在计算估计的NH3存储容量值时SCR催化剂温度在预定范围内，执行SCR故障诊断。
根据一个或多个实施方案，一种用于诊断内燃发动机的排气系统的选择性催化还原(SCR)设备的计算机实现的方法。用于SCR诊断的方法包括计算SCR设备的SCR催化剂的多个估计的NH3存储容量值。该方法还包括使用多个估计的NH3存储容量值来确定SCR设备的诊断参数。基于计算确定诊断参数：
Figure BDA0001987239140000031
和
在计算
Figure BDA0001987239140000032
时，其中Θnom是预定的校准值，favg是诊断参数，并且N是多个估计的NH3存储容量值中的一些值。
响应于诊断参数超过预定阈值，控制器确定存在SCR故障。此外，确定诊断参数还包括检查多个估计的NH3存储容量值(θ)的至少预定百分比(V)是有效的。而且，响应于多个估计的NH3存储容量值的至少预定百分比(V)是有效的，计算诊断参数。如果多个估算的NH3存储容量值(θ)中的至少预定百分比(V)无效，则诊断包括从多个估算的NH3存储容量值中去除预定数目的估算的NH3存储容量值的最旧集合，并使用附加的估算的NH3存储容量值将SCR故障诊断重复到多个估算的NH3存储容量值。
基于条件标志确定估计的NH3存储容量值的有效性。条件标志表示估计的NH3存储容量值的估计准确度的置信度。此外，响应于在计算估计的NH3存储容量值时SCR催化剂温度在预定范围内，执行SCR故障诊断。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点是显而易见的。
附图说明
其他特征，优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，在附图中：
图1描绘了根据一个或多个实施方案的包括内燃机和排放控制系统的机动车；
图2示出了根据一个或多个实施方案的排放控制系统的示例性部件；
图3示出了根据一个或多个实施方案的通过SCR设备的气体的示例性流动；
图4描绘了根据一个或多个实施方案的用于估计NH3存储容量并进一步计算SCR设备的诊断参数的示例性方法的流程图；和
图5描绘了根据一个或多个实施方案的用于计算诊断参数的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明及其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如这里所使用的，术语模块指的是处理电路，其可以包括专用集成电路(ASIC)，电子电路，处理器(共享的，专用的或成组的)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器模块，组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他合适的部件。
根据示范性实施方案的一个方面，机动车在图1中总体上以10指示。机动车10以轻型卡车的形式示出。应当理解，机动车10可以采取各种形式，包括汽车，商业运输工具，船舶等。机动车10包括具有发动机舱14，乘客舱15和货床17的车身12。发动机舱14容纳内燃机系统24，在所示的示例性实施方案中，内燃机系统24可包括柴油机24。内燃机系统24包括流体连接至后处理或排放控制系统34的排气系统30。由内燃机(ICE)系统24产生的废气通过排放控制系统34以减少可能通过废气出口管36排出到周围环境的排放物。
应当注意，在此描述的技术方案与ICE系统密切相关，该ICE系统可以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可以包括附接至曲轴的多个往复活塞，该曲轴可以可操作地附接至传动系(例如车辆传动系)以对车辆提供动力(例如，将牵引扭矩递送至传动系)。例如，ICE系统24可以是任何发动机构造或应用，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)。虽然可以在车辆环境中描述ICE(例如，产生扭矩)，但是其他非车辆应用也在本发明的范围内。因此，当参考车辆时，这种发明应当被解释为适用于ICE系统的任何应用。
此外，ICE通常可以代表能够产生包含气态物质物种(例如，NOx、O2)，含碳物质物种和/或颗粒物质物种的废气流的任何设备，并且因此在此的披露内容应被解释为适用于所有这些设备。如本文所用，“废气”是指可能需要处理的任何化学物种或化学物种的混合物，且包括气态物种，液态物种和固态物种。例如，废气流可以包含一种或多种NOx物种，一种或多种液态烃物种和一种或多种固体颗粒物种(例如，灰分)的混合物。应进一步理解，本文公开的实施方案可以适用于处理不包含含碳和/或颗粒物质物种的流出物流，并且在这种情况下，ICE24通常也可代表能够产生包含这种物种的流出物流的任何设备。废气颗粒物质通常包括含碳的煤烟，以及与ICE废气有密切关系的或在排放控制系统34内形成的其它固体和/或液体含碳物质。
图2示出了根据一个或多个实施方案的排放控制系统34的示例性部件。应当注意的是，尽管在上述示例中内燃机系统24包括柴油机24，但是在此描述的排放控制系统34可以在各种发动机系统中实施。排放控制系统34有助于控制和监视NOx存储和/或处理材料，以控制由排气系统30排放的废气成分。例如，这里的技术方案提供了用于控制选择性催化还原(SCR)设备和附属的NOx传感器的方法，其中SCR设备被构造为接收来自诸如ICE24的废气源的废气流。如本文所用，“NOx”是指一种或多种氮氧化物。NOx物种可包括NyOx物种，其中y>0且x>0。氮氧化物的非限制性示例可以包括NO，NO2，N2O，N2O2，N2O3，N2O4和N2O5。SCR设备被构造为接收还原剂，诸如以如下所述的可变的剂量速率。
废气导管214可包括若干区段，将废气216从发动机24传输到排放控制系统34的各种废气处理设备。例如，如图所示，排放控制系统34包括SCR设备220。在一个或多个示例中，SCR设备220可以包括选择性催化还原过滤(SCRF)设备，该设备除了提供颗粒过滤能力之外还提供SCR的催化方面。或者，或另外，SCR催化剂也可以涂覆在流通基底上。可以理解，系统34可以包括各种附加处理设备，包括氧化催化剂(OC)设备218和颗粒过滤设备(未示出)等。
可以理解，OC设备218可以是本领域已知的各种流通式氧化催化剂设备中的一种。在各种实施方案中，OC设备218可以包括流通金属或陶瓷整体基底224。基底224可以被封装在不锈钢壳或罐中，该不锈钢壳或罐具有与废气导管214流体连通的入口和出口。基底224可以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以作为涂料施加，并且可以含有铂族金属，诸如铂(Pt)，钯(Pd)，铑(Rh)或其它合适的氧化催化剂，或它们的组合。OC设备218用于处理未燃烧的气态和非挥发性HC和CO，它们被氧化以形成二氧化碳和水。涂料层包括设置在整体基底或下面的涂料层表面上的组成上不同的材料层。催化剂可以含有一个或多个涂料层，并且每个涂料层可以具有独特的化学催化功能。
在SCR设备220中，用于SCR功能和NH3氧化功能的催化剂组合物可以存在于基底上的不连续涂料层中，或者，用于SCR和NH3氧化功能的组合物可以存在于基底上的不连续纵向区域中。SCR设备220可以设置在OC设备218的下游。在一个或多个示例中，SCR设备220包括过滤器部分222，该过滤器部分222可以是壁流式过滤器，该壁流式过滤器被构造成过滤或捕集废气216中的碳和其他颗粒物质。在至少一个示例性实施方案中，过滤器部分222形成为颗粒过滤器(PF)，诸如柴油机颗粒过滤器(DPF)。过滤器部分(即，PF)可以例如使用陶瓷壁流式整体废气过滤器基底来构造，该基底被包装在刚性耐热的外壳或罐中。过滤器部分222具有与废气导管214流体连通的入口和出口，并且可以在废气216流过时捕获颗粒物质。可以理解的是，陶瓷壁流式整体过滤器基底本质上仅仅是示例性的，并且过滤器部分222可以包括其它过滤器设备，诸如卷绕或填充纤维过滤器，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还可以执行再生过程，该再生过程通过烧掉捕集在过滤器基底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设备220以可变的剂量速率接收还原剂246。还原剂246可以由还原剂供应源234供应。在一个或多个示例中，使用注射器236或其他合适的递送方法将还原剂246在SCR设备220的上游位置处喷射到废气导管214中。还原剂246可以是气体，液体或水溶液的形式，诸如尿素水溶液。在一个或多个示例中，还原剂246可以在注射器236中与空气混合以帮助注入的喷雾分散。设置在过滤器部分222上的含催化剂的涂料层或流通式催化剂或壁流式过滤器可减少废气216中的NOx成分。SCR设备220利用诸如氨(NH3)的还原剂246来还原NOx。含有催化剂的涂料层可含有沸石和一种或多种碱金属组分，诸如铁(Fe)，钴(Co)，铜(Cu)或钒(V)，其可在NH3存在下有效地操作以转化废气216的NOx组分。
排放控制系统34还包括将还原剂246引入废气216的还原剂递送系统232。还原剂递送系统232包括还原剂供应器234和注射器236。还原剂供应器234存储还原剂246并与注射器236流体连通。还原剂246可以包括但不限于NH3-。因此，注射器236可将可选择量的还原剂246注入到废气导管214中，使得还原剂246被引入到废气216中。
在一个或多个示例中，排放控制系统34还包括经由多个传感器可操作地连接以监测发动机24和/或废气处理系统34的控制模块238。如这里所使用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(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的部件。例如，如下所述，模块238可以执行SCR化学模型。如图所示，传感器可包括设置在SCR设备220的下游的上游NOx传感器242和下游NOx传感器243，上游NOx传感器242和下游NOx传感器243中的每一个与废气导管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ICE24的下游和SCR设备220及注射器236的上游。上游NOx传感器242和下游NOx传感器243检测靠近它们在废气导管214内的位置的NOx水平，并产生对应于NOx水平的NOx信号。在一些实施方案中，NOx水平可以包括浓度，质量流量或体积流量。例如，由NOx传感器产生的NOx信号可以由控制模块238解释。控制模块238可以任选地与被设置在SCR设备220上游的一个或多个温度传感器(诸如上游温度传感器244)连通。在一个或多个示例中，在OC218和SCR设备220之间添加NOx传感器245。
排放控制系统34的传感器还可以包括至少一个压力传感器230(例如，Δ压力传感器)。Δ压力传感器230可以确定SCR设备220中的压差(即，Δp)。尽管示出了单个Δ压力传感器230，但是应当理解，可以使用多个压力传感器来确定SCR设备220的压差。例如，第一压力传感器可设置在SCR设备220的入口处，并且第二压力传感器可设置在SCR设备220的出口处。因此，由第二Δ压力传感器检测到的压力与由第一Δ压力传感器检测到的压力之间的差可以指示SCR设备220中的压差。应注意，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，额外的或较少的传感器。
在一个或多个示例中，SCR设备220包括利用还原剂246和催化剂从废气216中转化NO和NO2的一个或多个部件。SCR设备220可以包括例如流通陶瓷或金属整体基底，该基底可以被封装在壳体或罐中，该壳体或罐具有与废气导管214和任选的其他排气处理设备流体连通的入口和出口。
基底本体例如可以是陶瓷砖，板结构或任何其它合适的结构，诸如每平方英寸包括几百至几千个平行流通池的整体蜂窝结构，尽管其它构造也是合适的。每个流通池可以由壁表面限定，SCR催化剂组合物可以被涂覆在该壁表面上。基底本体可以由能够承受与废气216相关的温度和化学环境的材料形成。可以使用的材料的一些具体示例包括陶瓷，诸如挤出的堇青石，α-氧化铝，碳化硅，氮化硅，氧化锆，富铝红柱石，锂辉石，氧化铝-氧化硅-氧化镁，硅酸锆，硅线石，花瓣石，或者耐热和耐腐蚀的金属，诸如钛或不锈钢。基底可以包括例如非硫酸化TiO2材料。在一个或多个示例中，基底本体可以是PF器件。
SCR催化剂组合物通常为多孔且高表面积的材料，其可在还原剂246(诸如氨)的存在下有效地操作以转化废气216中的NOx组分。例如，催化剂组合物可以含有用一种或多种碱金属组分诸如铁(Fe)，钴(Co)，铜(Cu)，钒(V)，钠(Na)，钡(Ba)，钛(Ti)，钨(W)及其组合浸渍的沸石。在一个具体实施方案中，催化剂组合物可以含有用铜，铁或钒中的一种或多种浸渍的沸石。在一些实施方案中，沸石可以是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Y型)沸石。在一个具体实施方案中，沸石包括菱沸石。在一个具体实施方案中，沸石包含SSZ。合适的SCR催化剂组合物可以具有高的热结构稳定性，特别是当与颗粒过滤器(PF)设备一起使用时或当结合到SCRF设备中时，其通过高温排气烟灰燃烧技术再生。
SCR催化剂组合物可以任选地还包括一种或多种碱金属氧化物作为促进剂以进一步减少SO3的形成并且延长催化剂寿命。在一些实施方案中，一种或多种碱金属氧化物可以包括WO3，Al2O3和MoO3。在一个实施方案中，WO3，Al2O3和MoO3可以与V2O5组合使用。
SCR催化剂通常使用还原剂246将NOx物种(例如NO和NO2)还原为未调节的组分。未调节的组分包括一种或多种不是NOx物种的物种，诸如双原子氮，含氮惰性物种，或被认为是可接受的排放物的物种。还原剂246可以是氨(NH3)，如无水氨或氨水，或由富含氮和氢的物质诸如尿素(CO(NH2)2)产生。另外地或替代地，还原剂246可以是能够在废气216的存在下分解或反应和/或加热以形成氨的任何化合物。等式(1)-(9)提供了涉及氨的NOx还原的示例性化学反应。
4NH3+4NO→4N2+6H2O (1)
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O (2)
8NH3+6NO2→7N2+12H2O (3)
4NH3+3O2→2N2+6H2O (4)
4NH3+5O2→2N2+3H2O (5)
4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O (6)
2NH3+2NO2→N2O+N2+3H2O (7)
2NH3+2O2→N2O+3H2O (8)
NH3+θfree→NH* 3 (9)
应当理解，方程式(1)-(9)仅仅是说明性的，并不意味着将SCR设备220限制在特定的一个或多个NOx还原机构中，也不排除其它机构的操作。SCR设备220可以被构造成执行以上NOx还原反应，以上NOx还原反应的组合以及其他NOx还原反应中的任何一种。
在各种实现方式中，还原剂246可以用水稀释。在用水稀释还原剂246的实现方式中，热量(例如来自排气)使水蒸发，并且将氨供应至SCR设备220。非氨还原剂可根据需要用作氨的全部或部分替代物。在还原剂246包括尿素的实现方式中，尿素与排气反应以产生氨，并且氨被供应到SCR设备220。下面的反应(10)提供了经由尿素分解的氨生产的示例性化学反应。
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2 (10)
应当理解，方程式(10)仅仅是说明性的，并不意味着将尿素或其它还原剂246的分解限制为特定的单一机理，也不排除其它机理的操作。
SCR催化剂可以存储(即，吸收和/或吸附)用于与废气216相互作用的还原剂。例如，还原剂246可以作为氨存储在SCR设备220内或催化剂内。给定的SCR设备220具有还原剂存储容量(θ)，或其能够存储的还原剂或还原剂衍生物的量。存储在SCR设备220内的还原剂的量相对于SCR催化剂容量可以被称为SCR“还原剂负载”，并且在一些情况下可以被指示为％负载(例如，90％还原剂负载)。在SCR设备220的操作期间，注入的还原剂246被存储在SCR催化剂中并且在与NOx物种的还原反应期间被消耗，并且必须被持续地补充。确定要注入的还原剂246的精确量对于将废气排放保持在可接受的水平是关键的：系统34内(例如，SCR设备220内)的还原剂水平不足会导致不希望的NOx物种排放(“NOx穿透”)。从系统(例如，经由车辆尾管)喷射过量的还原剂246可能导致不希望的量的还原剂246未反应地穿过SCR设备220或作为不希望的反应产物(“还原剂泄露”)离开SCR设备220。当SCR催化剂低于“起燃(light-off)”温度时，例如如果SCR设备220被NH3饱和(即不再有存储位置)，也可能发生还原剂滑落和NOx穿透。可利用SCR定量给料逻辑来命令还原剂246定量给料及其调整，且可由例如模块238来实施。
还原剂喷射定量给料速率(例如，克/秒)可以通过SCR化学模型来确定，该SCR化学模型基于来自还原剂246喷射(例如，来自注射器236的反馈)和上游NOx(例如，来自上游NOx传感器242的NOx信号)中的一个或多个的信号来预测存储在SCR设备220中的还原剂246的量。SCR化学模型进一步预测从SCR设备220排出的废气216的NOx水平。SCR化学模型可以由控制模块238实现。例如，SCR化学模型可以随时间更新一个或多个过程值。定量给药调节器(未示出)，诸如由模块238控制的定量给药调节器，监测SCR设备220下游的NOx比率(由传感器243测量)和基于模型确定的NH3泄露(等式1-9)。可以连续地监测预测比率和期望比率之间的偏差，并且可以触发剂量调整以增加或减少还原剂剂量，从而消除或减少偏差。此外，在一个或多个示例中，还原剂剂量速率可以适于在SCR设备220下游的废气216中实现期望的NOx浓度或流速，或者实现期望的NOx转化率。期望的转化率可以由许多因素确定，诸如SCR催化剂类型的特性和/或系统的操作条件(例如，ICE24操作参数)。所需的比率是预定的可校准值，表示下游NOx和NH3泄露之间的权衡。
随着时间的过去，SCR化学模型的不准确性可能导致建模的SCR还原剂存储水平与实际存储水平之间的明显误差。因此，可以连续地校正SCR化学模型以最小化或消除误差。此外，随着时间和重复使用，还原剂存储容量(θ)变化，通常减少。因此，精确地模拟SCR设备220中的化学过程以便注入适当量的还原剂246是技术挑战。还原剂存储容量的改变可导致SCR故障状况，该SCR故障状况导致基于当SCR设备220投入使用时在原始还原剂存储容量处校准的模型而注入不适当量的还原剂246。
在此描述的技术方案解决了这些技术挑战并且提供了鲁棒的SCR/SCRF故障检测以确保来自排气系统26的排放物符合排放调节。该技术方案通过使用动态地估计还原剂存储容量并且不依赖于原始校准值的模型来检测这种SCR/SCRF故障来解决这些技术挑战。此外，本文所述的技术方案便于计算诊断参数以增加SCR设备220的诊断鲁棒性和诊断频率响应。此外，在此描述的技术方案便于使用与外部物理条件和估计准确度的置信度相关的一个或多个标志来选择用于还原剂存储容量的动态估计的信息。
图3示出了根据一个或多个实施方案的通过SCR设备220的废气的示例性流动。控制模块238测量气体体积的流速(F)和气体的浓度C。例如，控制模块238将NOx310的输入流率确定为排气管的面积*NOx的速度。类似地，NH3315的输入流速被确定为排气管的面积*NH3的速度。此外，补偿吸附322的量和解吸324的量，以及在催化剂表面上反应的量，控制模块238可以将CNH3确定为NH3的SCR浓度，并且将CNOx确定为NOx的SCR浓度。
在一个或多个示例中，控制模块238可以将NOx的质量流量320确定为WNOx*NOx的流量，其中WNOx是NOx的分子量。类似地，对于NH3，NH3的质量流量325是WNH3*NH3的流量。应当注意，在其他示例中，使用与在此描述的技术不同的技术来确定流率和/或质量流率。
因此，返回参考图2，控制模块238基于化学模型和期望的NH3存储设定点来控制注入器236的操作，以确定如本文所述的待注入的还原剂246的量。例如，注入到废气216中的还原剂可以在注入到废气216中时形成NH3。因此，控制模块238控制供应到SCR设备220的NH3的量。SCR催化剂吸附(即存储)NH3。由SCR设备220储存的NH3的量在下文中可称为“NH3储存水平”，其通常基于SCR催化剂的还原剂储存容量。控制模块238可以控制供应到SCR设备220的NH3的量以调节NH3存储水平。
在一个或多个示例中，从进入SCR设备220的废气216中去除的NOx的百分比可以被称为SCR设备220的转化效率。控制模块238可以基于分别由第一(上游)NOx传感器242和第二(下游)NOx传感器243产生的NOxin和NOxout信号来确定SCR设备220的转换效率。例如，控制模块238可以基于以下等式来确定SCR设备220的转换效率：
SCReff＝(NOxin–NOxout)/NOxin(11)
由于SCR催化剂的温度升高，也可能导致NH3泄露。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催化剂解吸。由于排放控制系统34中的误差(例如，存储水平估计误差)或故障部件(例如，故障注射器)也可能发生NH3泄露。
通常，控制模块238基于化学模型估计SCR设备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设备220中的NH3的当前存储水平，并且存储水平调节器向注入控制提供反馈，以确定根据化学模型为反应提供NH3的注入速率，并维持下游NOx和NH3泄露之间的期望权衡。可校准设定点可指示对于给定操作条件(例如，SCR催化剂的温度，SCR催化剂的存储容量)的权衡。控制模块238控制还原剂注射器236，以管理喷射到废气216中的还原剂的量，从而将下游NOx和NH3泄露的比率调节到设定点。例如，控制模块238命令注射器236增加或减少被注入到废气216中的还原剂的量。另外，当已经达到设定点时，控制模块238命令还原剂注射器236增大或减小存储水平以维持设定点。因此，精确的化学模型有助于精确的还原剂喷射以检测和/或防止诸如NH3泄露，NOx穿透等故障。
图4描绘了根据一个或多个实施方案的用于估计NH3存储容量并进一步计算SCR设备的诊断参数的示例方法的流程图。在一个或多个示例中，方法400由控制器238实现。或者，方法400由一个或多个电路实现。在一个或多个示例中，方法400通过可以以计算机可读和/或可执行指令的形式提供或存储的逻辑的执行来实现。
方法400包括在410处接收来自上游传感器242和下游传感器243的NOx测量值。该方法还包括在420计算在SCR催化剂中的估计的NH3储存水平。在一个或多个示例中，只有当在估计时满足使用SCR设备220的温度值确定的启用条件时，才执行估计。例如，当正在执行存储容量的估计时，如果SCR设备温度(T)在预定范围内，则执行估计，并且如果温度在预定范围之外，则不执行估计。如果不执行估计，则中止方法400的当前迭代(未示出)，并且该方法继续在循环中操作。在其他实施方案中，启用条件可以使用不同于SCR设备温度的因素。
使用以下等式执行估计计算：
Figure BDA0001987239140000141
在上述等式(12)中，x(k)表示离散时间间隔k处的NH3存储水平。TS表示采样时间。MNH3表示NH3的摩尔重量(17.031g/mol)。计算NH3存储水平包括在422处计算NH3的出口浓度(y2)。在一个或多个示例中，y2如下计算：
Figure BDA0001987239140000142
这里，u(k)是以间隔k注入的还原剂246的量，θ是催化剂NH3存储容量，并且a4是基于校准参数随时间变化的模型参数，并且
Figure BDA0001987239140000143
是使用基于校准参数随时间变化的模型参数a3基于废气216的总流速计算的流速参数。例如，使用温度T(k)和校准参数K4和K8来计算模型参数a4，两者都是与化学反应速率的指数因子相关的可校准参数，如：
Figure BDA0001987239140000144
此外，返回参考等式(2)，基于SCR入口处的废气216的流率F计算流率参数为：
Figure BDA0001987239140000145
这里，a3是基于校准参数K3的模型参数。在一个或多个示例中，a3＝K3。
此外，在等式(13)中，基于间隔k的SCR催化剂的存储容量计算NH3的出口浓度。在424，计算NH3存储容量。基于时变模型参数a5估计存储容量如下：
Figure BDA0001987239140000151
这里，基于校准参数K5计算a5，并且在一个或多个示例中，a5＝K5。
返回参考等式(12)，MNOx表示NOx的分子量(约30g/mol)。此外，计算估计的NH3存储水平还包括在426处计算NOx的出口浓度(y1)。在一个或多个示例中，y1计算如下：
Figure BDA0001987239140000152
这里，F(k)是废气流量，CNOx,in表示SCR设备220的入口处的NOx浓度，而a2是基于校准参数随时间变化的模型参数。在一个或多个示例中，使用温度T(k)以及校准参数K2和K7来计算a2，这些参数与化学反应速率的指数因子相关，如：
Figure BDA0001987239140000153
此外，使用温度T(k)和与化学反应速率的指数因子相关的校准参数K1和K6来计算来自等式(12)的模型参数a1，如：
Figure BDA0001987239140000154
上述模型基于在间隔计算的SCR催化剂的NH3存储容量的估计，提供了在该间隔对SCR催化剂中的NH3存储容量的估计。控制器模块238基于SCR设备220下游的NOx和NH3之间的权衡来确定要注入的还原剂246的量。随着时间的推移和SCR设备220的使用，SCR催化剂的NH3存储容量发生变化，并且上述模型解释了这种变化，从而提供了对NH3存储水平的改进的和更准确的估计。
参考图4的流程图，方法400还包括在430确定估计的NH3存储水平值的观测器收敛。观测器收敛结果可以是二进制值，表示估计值是有效的(收敛的)还是无效的(不收敛的)。使用一种或多种已知技术来实现观测器收敛，以便执行确保建立局部渐近收敛的充分条件的计算。
方法400还包括在440计算用于确定SCR设备220是否的诊断参数。诊断参数确定SCR设备220是否经历故障并需要调整以校正诸如NH3泄露，NOx穿透等条件。基于先前计算的NH3存储容量估计值和相应的收敛结果的集合来计算诊断参数。该集合包括预定数量的P次计算，诸如50、100或任何其它整数。在一个或多个示例中，该集合包括在预定时间窗口(持续时间)(Twindow)(例如，最后10分钟、最后15分钟等)上的多个计算。可替代地或另外地，自车辆10被启动以后，该集合包括多个计算。可替换地，或另外地，该集合包括所有的计算，因为SCR设备220已经被调试和使用。计算诊断参数包括收集P计算的集合，包括NH3存储容量的P个估计值和相应的P个观测器收敛值。
计算诊断参数还包括在442从该P计算的集合中选择N个存储容量估计值和相应收敛值的子集，该子集包括有效计算。使用收敛值来确定计算的有效性。如果收敛值指示数据无效，则在进一步的计算中不使用相应的存储容量估计值，否则，如果收敛值指示有效，则使用该估计值来计算诊断参数。在步骤444，计算诊断参数还包括对所选择的存储容量估计值使用二次函数。
在450，将诊断参数与预定阈值进行比较。如果诊断参数超过可校准的预定阈值，则在452处，认为SCR设备220发生故障，例如替换SCRF或一些其它校正。在一个或多个示例中，在检测到故障的情况下，控制模块238向车辆10的ECU发送控制信号，用于向操作员产生相应的通知。在一个或多个示例中，该通知可以包括排气系统26，特别是SCR设备220将被进一步诊断的指示。该通知还可以包括预定的错误代码。在自动化车辆的案例下，该通知可以包括将车辆10导航到排气系统26的维修站的命令。如果诊断参数不超过阈值，并且在可校准的预定操作范围内，则不采取进一步的动作。可替代地或另外地，在一个或多个示例中，提供指示排气系统26和/或SCR设备220正在无故障地运行的通知。
在一个或多个示例中，方法400在循环中操作，并且可以由控制模块238根据预定的周期性间隔重复执行。
图5描绘了根据一个或多个实施方案的用于计算诊断参数的示例性方法440的流程图。方法440是图4中的流程图的一部分，并且如前所述包括使用所选数据的数据选择和诊断参数计算。方法440包括在510接收计算出的NH3存储容量估计值和相应的收敛值。方法440还包括在520检查是否已经收集了计算的预定数量的样本。如前所述，这可以基于多个计算或时间窗口或两者来确定。循环方法440，直到收集到预定的计算集合。
一旦收集了样本(估计值和收敛值)，方法440包括在530检查至少预定比例的所收集样本是否有效。基于每个样本中的收敛值来检查有效性。因此，方法440包括检查与估计准确度的置信度有关的一个或多个条件标志，以确定数据样本的有效性。
预定比例可以是所收集样品的百分比，诸如至少V％，例如60％、80％等。如果所收集的N个样本中的至少V％无效，则方法440包括重新开始样本的收集。重新开始包括在540从收集的那些样本中去除预定样本。例如，去除预定比例(诸如10％或25％等)的最旧收集的样本，并且恢复样本的收集，剩余收集的样本仍被考虑用于下一次迭代。
如果所收集的样本至少包括V％有效数据，则方法440进行到在444处计算诊断参数。在一个或多个示例中，使用非线性函数来计算诊断参数，以便增加诊断鲁棒性和诊断频率响应。该计算可以在一个或多个示例中使用满足启动条件的SCR催化剂的NH3存储容量θi(k))的N个估计来执行，并且对于该N个估计，在所考虑的时间窗口中可以获得估计算法收敛。该计算使用标称值θnom，其是表示平均分量的预定可校准值。
在一个或多个示例中，该方法包括将二次函数应用于以下形式的估计值θi(k)：
Figure BDA0001987239140000171
上述示例确保了远离θnom估计被映射为比那些接近θnom的更大的值的θi(k)。应当注意，上述是用于确定诊断参数的函数的一个示例，并且在其它实施方案中，可以使用不同的示例，诸如缩放上述函数，或任何其它修改。
此外，将诊断参数计算为：
Figure BDA0001987239140000181
在上文中，N是所收集的样本的数量，至少V％是有效的。
在此描述的技术方案促进了对那些用于诸如车辆中使用的内燃机的排放控制系统的改进。例如，该技术方案提供了用于动态执行的NH3存储容量估计的模型。该模型可以进一步用于诊断目的，以确定SCR设备是否正在经历故障状况。该模型便于使用与NH3存储能力相关的参数进行故障检测。在此描述的技术方案便于该模型考虑在SCR设备的部件寿命期间NH3存储容量的时间变化。
尽管已经参照示例性实施方案描述了上述发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物代替其元件。因此，本发明并不限于所公开的特定实施方案，而是包括落入本发明范围内的所有实施方案。

Claims (10)

1.一种用于处理包括内燃机的机动车中的废气的排放控制系统，该排放控制系统包括：
选择性催化还原SCR设备；和
控制器，其被构造为执行选择性催化还原故障诊断，所述选择性催化还原故障诊断包括：
计算选择性催化还原设备的选择性催化还原催化剂的多个估计的NH3存储容量值Θ；和
使用所述多个估计的NH3存储容量值来确定所述选择性催化还原设备的诊断参数，所述确定包括：
计算
Figure FDA0003143916600000011
和
计算
Figure FDA0003143916600000012
其中Θnom是预定校准值，favg是诊断参数，Θi是NH3存储容量，fi是计算诊断参数的函数，并且N是多个估计的NH3存储容量值中的个数。
2.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中，所述控制器还被构造成响应于所述诊断参数超过预定阈值而确定选择性催化还原故障。
3.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中，确定所述诊断参数还包括：
检查多个估计的NH3存储容量值Θ中的至少预定百分比V是有效的；和
响应于多个估计的NH3存储容量值的至少预定百分比V是有效的，计算诊断参数。
4.根据权利要求3所述的排放控制系统，其中，响应于所述多个估计的NH3存储容量值的至少所述预定百分比V是无效的：
从所述多个估计的NH3存储容量值中去除预定数目的估计的NH3存储容量值的最旧集合；和
使用附加的估计的NH3存储容量值对所述多个估计的NH3存储容量值重复所述选择性催化还原故障诊断。
5.根据权利要求3所述的排放控制系统，其中，基于条件标志确定估计的NH3存储容量值的有效性。
6.根据权利要求5所述的排放控制系统，其中，所述条件标志表示估计的NH3存储容量值的估计准确度的置信度。
7.根据权利要求1所述的排放控制系统，其中，响应于在计算估计的NH3存储容量值时选择性催化还原催化剂温度在预定范围内，执行选择性催化还原故障诊断。
8.一种用于通过执行废气的选择性催化还原SCR来处理由内燃机排放的废气的排气系统，该排气系统包括：
被构造为执行选择性催化还原诊断的控制器，所述控制器包括：
计算排气系统的选择性催化还原催化剂的多个估计的NH3存储容量值Θ；和
使用所述多个估计的NH3存储容量值来确定诊断参数，所述确定包括：
计算
Figure FDA0003143916600000021
和
计算
Figure FDA0003143916600000022
其中Θnom是预定校准值，favg是诊断参数，Θi是NH3存储容量，fi是计算诊断参数的函数，并且N是多个估计的NH3存储容量值中的个数。
9.根据权利要求8所述的排气系统，其中，所述控制器还被构造成响应于所述诊断参数超过预定阈值来确定选择性催化还原故障。
10.根据权利要求8所述的排气系统，其中，确定所述诊断参数还包括：
检查多个估计的NH3存储容量值Θ中的至少预定百分比V是有效的；和
响应于多个估计的NH3存储容量值的至少预定百分比V是有效的，计算诊断参数。
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