CN112739890A - 在后处理系统中对nox和氨的光学感测 - Google Patents

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Abstract

一种被配置为还原由发动机生成的废气的成分的后处理系统包括后处理部件和光学组件。光学组件包括被配置为将光发射到后处理部件的表面上的光学发射器以及被配置为检测从后处理部件的表面反射的光的光学检测器。控制器被配置为基于已经从后处理部件的表面反射的检测到的光的光学参数来确定以下中的至少一项：在后处理部件的表面上的NOX气体的量或氨的量。

Description

在后处理系统中对NOX和氨的光学感测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月21日提交的第62/734,460号美国临时申请的权益，该美国临时申请的全部公开内容据此通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及用于与内燃(IC)发动机一起使用的后处理系统。
背景
废气后处理系统用于接收并且处理IC发动机产生的废气。通常，废气后处理系统包括降低存在于废气中的有害废气排放物的水平的若干不同的部件中的任一个。例如，用于柴油动力IC发动机的某些废气后处理系统包括选择性催化还原(SCR)系统，该选择性催化还原(SCR)系统包括催化剂，催化剂被制备以在氨(NH3)存在的情况下将NOX(一定比例的NO和NO2)转换成无害的氮气(N2)和水蒸气(H2O)。通常，在这样的后处理系统中，废气还原剂(例如，柴油机废气处理液，诸如尿素溶液)被注入到SCR系统中以提供氨源，并与废气混合在一起以部分地还原NOX气体。废气的还原副产物然后流体地被传送到被包括在SCR系统中的催化剂，以使基本上所有NOX气体分解成相对无害的副产物，这些无害的副产物从后处理系统被排出。
为了将还原剂有效地添加(insert)到后处理系统中，期望测量废气中的NOX气体和/或氨的量。如果在催化剂下游测量氨浓度，则废气中氨的量可以分别指示还原剂在废气中分解的效率如何、氨容量或SCR催化剂或氨氧化(AMOX)催化剂的催化转化效率。类似地，测量吸附在SCR催化剂或AMOX催化剂的表面上的氨或NOX的浓度可以分别指示SCR催化剂的氨吸附能力或催化转化效率，或者指示AMOX催化剂的催化转化效率。这些参数可以被用于控制添加到后处理系统的还原剂的量，以减少还原剂消耗、提高催化转化效率、减少氨泄漏和/或被包括在系统诊断中以检测后处理系统在操作中的任何异常。
概述
本文描述的实施例总体上涉及用于光学感测在后处理部件的表面上和/或在流经后处理系统的废气中的氨和/或NOX的量的系统和方法。特别地，本文所述的系统和方法包括漫反射或镜面反射光学组件，该漫反射或镜面反射光学组件被配置成测量在催化剂的表面上的NOX或氨的量，或在流经后处理系统的废气中的氨的量。
在一个实施例中，被配置为还原由发动机生成的废气的成分的后处理系统包括后处理部件和光学组件。光学组件包括被配置为将光发射到后处理部件的表面上的光学发射器以及被配置为检测从后处理部件的表面反射的光的光学检测器。控制器被配置成基于已经从后处理部件的表面反射的检测到的光的光学参数来确定以下中的至少一项：后处理部件的表面上的NOX气体的量或氨的量。
在另一个实施例中，被配置为还原由发动机生成的废气的成分的后处理系统包括后处理部件和光学组件。光学组件包括被配置为发射穿过废气的光的光学发射器以及被配置为检测已经穿过废气的光的光学检测器。控制器被配置为基于已经穿过废气的检测到的光的光学参数来确定废气中氨的量。
应当认识到，前面的概念和下面更详细讨论的另外的概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)都被设想为本文公开的发明主题的一部分。特别是，本公开最终体现的要求保护的主题的所有组合都被设想为本文公开的发明主题的一部分。
附图简述
结合附图，根据下面的描述和所附权利要求，前述特征和其它特征将变得更充分明显。通过使用附图，将以附加的具体性和细节来描述本发明的实施例。然而，附图仅描绘了示例，并且不应被认为是对本发明范围的限制。
图1是根据实施例的后处理系统的示意图。
图2是根据实施例的可以包括图1的后处理系统的控制器的控制电路的示意性框图。
图3是根据另一个实施例的后处理系统的示意图。
图4是根据又一个实施例的后处理系统的示意图。
图5是根据又一个实施例的后处理系统的示意图。
图6是根据特定实施例的光学组件的示意图。
图7是根据又一个实施例的后处理系统的示意图。
图8是根据实施例的、用于基于流经后处理系统的废气中的氨的量或吸附在后处理系统的后处理部件的表面上的NOX气体或氨的量来控制添加到后处理系统的还原剂的量的方法的示意性流程图。
在整个下面的详细描述中，参考了附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的符号通常标识相似的部件。在详细描述、附图和权利要求中描述的说明性实施方式不意图是限制性的。可以利用其它实施方式，并且可以做出其他改变，而不偏离本文提出的主题的精神或范围。将容易理解的是，如在本文通常描述的以及在附图中示出的本公开的方面可以在各种各样的不同配置中被布置、替换、组合和设计，所有配置都被明确地设想并构成本公开的一部分。
详细描述
本文描述的实施例总体上涉及用于光学感测在后处理部件的表面上和/或在流经后处理系统的废气中的氨和/或NOX的量的系统和方法。特别地，本文所述的系统和方法包括漫反射或镜面反射光学组件，该漫反射或镜面反射光学组件被配置成测量在催化剂的表面上的NOX或氨的量，或在流经后处理系统的废气中的氨的量。
通常使用复杂算法间接地执行对吸附在SCR催化剂中的NOX或氨的测量，这可能分别与SCR催化剂的催化转化效率或氨储存容量相关。一些技术包括经由对添加到后处理中的还原剂的量、在流经SCR催化剂的废气中的NOX气体的量和/或催化剂的寿命的确定来估计SCR催化剂的NOX吸附或氨容量。类似地，在废气中的氨的量是基于向废气中添加的还原剂的量和在废气中的NOX的量间接测量的。这些间接测量容易出错，并增加了测量系统的复杂性。例如，对于低温应用，后处理系统的温度可能不会高到足以从SCR催化剂中去除所有氨并在基于计时器的再生过程中无法每100小时重置一次测量算法。一些常规系统使用氨传感器来测量在废气中的氨浓度。然而，这样的氨传感器对NOX交叉敏感，给后处理系统增加了显著的成本，并且仅在启动阶段之后才可靠地起作用。
本文描述的用于感测在后处理部件的表面上的NOX和/或氨的量或在废气中的氨的量的系统和方法的各种实施例可以提供一个或更多个益处，例如包括：(1)经由光学传感器提供对在后处理部件(例如SCR或AMOX催化剂)上的氨和/或NOX覆盖范围或在废气中氨的量的灵敏测量；(2)允许对在后处理部件的入口和/或出口处的氨和/或NOX覆盖范围进行测量；(3)通过基于对后处理部件的氨和/或NOX覆盖范围和/或在废气中氨的量的精确测量来调整添加到后处理系统中的还原剂的量，从而减少消耗的还原剂的量，同时提高催化转化效率；以及(4)允许在板载诊断系统中使用这些参数来检测后处理系统在操作中的任何异常。
图1是根据实施例的后处理系统100的示意图。后处理系统100耦合到发动机10(例如，柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机、生物柴油发动机、双燃料发动机、酒精发动机、E85或任何其它合适的内燃发动机)，并且被配置为从发动机10接收废气(例如，柴油机废气)。后处理系统100被配置为还原废气的成分，例如，诸如NOX气体(例如，NO、NO2、N2O、NO3等)、CO等。后处理系统100可包括还原剂储罐110、还原剂添加组件120、后处理部件140、上游后处理部件150、光学组件160和控制器170。
后处理系统100包括限定内部体积的壳体101。壳体101可由刚性、耐热和耐腐蚀材料形成，例如由不锈钢、铁、铝、金属、陶瓷、或任何其它合适的材料形成。壳体101可以具有任何合适的横截面，例如圆形的、正方形的、矩形的、卵形的、椭圆形的、多边形的、或任何其它合适的形状。
后处理部件140被定位在由壳体101限定的内部体积中。在一些实施例中，后处理部件140可以包括SCR催化剂，该SCR催化剂被制备为选择性地分解废气的成分。可以使用任何合适的催化剂(例如，诸如铑、铈、铁、锰、铜、钒基催化剂、任何其它合适的催化剂或它们的组合)。SCR催化剂可以被设置在合适的基底上，例如，诸如可以例如限定蜂窝状结构的陶瓷(例如，堇青石)或金属(例如，铬铝钴耐热钢(kanthal))单块芯体上。载体涂层(washcoat)也可以用作SCR催化剂的载体材料。这样的载体涂层材料可以包括例如氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、任何其它合适的载体涂层材料、或它们的组合。废气(例如，柴油机废气)可在SCR催化剂之上和/或周围流动，使得被包括在废气中的任何NOX气体被进一步还原以产生基本上没有NOX气体的废气。
在一些实施例中，如本文中所描述的，后处理部件140可以包括选择性催化还原过滤器(SCRF)系统或者被配置为在还原剂存在的情况下分解流经后处理系统100的废气的成分(例如，NOX气体，诸如这样的一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮等)的任何其它后处理部件。
在一些实施例中，上游后处理部件150可以被定位在壳体101的内部体积内的后处理部件140的上游。在一些实施例中，上游后处理部件150可以包括SCR催化剂。在这样的实施例中，后处理部件140还可以包括SCR催化剂、AMOX催化剂(例如，以分解在废气中任何未反应的氨以便减少氨泄漏)或它们的组合。
在一些实施例中，除了后处理部件140和上游后处理部件150之外，多个后处理部件可以被定位在由壳体101限定的内部体积内。例如，这样的后处理部件可以包括过滤器(例如，颗粒物质过滤器、催化过滤器等)、氧化催化剂(例如，一氧化碳和/或碳氢化合物催化剂)、混合器、挡板或任何其它合适的后处理部件。
入口导管102耦合到壳体101的入口，并且被构造成接收来自发动机10的废气并将废气传送到由壳体101限定的内部体积。此外，出口导管104可以耦合到壳体101的出口，并且被构造成将处理过的废气排放到环境中。第一传感器103可以被定位在入口导管102中。第一传感器103可以包括被配置为测量在废气中包括的NOX气体的量的NOX传感器，并且可以包括物理NOX传感器或虚拟NOX传感器。在其它实施例中，第一传感器103可包括温度传感器、压力传感器、氧传感器或被配置成测量一个或更多个废气参数(例如，温度、压力、流速、废气中的NOX的量等)的任何其它传感器。
第二传感器105可以被定位在出口导管104中。第二传感器105可以包括第二NOX传感器，该第二NOX传感器被配置为确定在流经后处理部件140(例如，SCR催化剂和/或AMOX催化剂)之后排放到环境中的废气中的NOX气体的量。在其它实施例中，第二传感器105可以包括颗粒物传感器。
还原剂端口156可以被定位在壳体101上，并且被构造为允许将还原剂添加到流经后处理系统100的废气的流动路径中。如图1所示，还原剂端口156被定位在壳体101上、位于上游后处理部件150的上游。在其它实施例中，还原剂端口156可以被设置在入口导管102上。在另外的其它实施例中，还原剂端口156可以被定位在后处理部件140或上游后处理部件150上方，以将还原剂分别直接输送到后处理部件140或上游后处理部件150上。
还原剂储罐110被构造成储存还原剂。还原剂被制备为促使废气的成分(例如，包含在废气中的NOX气体)的分解。可使用任何适当的还原剂。在一些实施例中，废气包括柴油机废气，并且还原剂包括柴油机废气处理液。例如，柴油机废气处理液可以包括尿素、尿素的水溶液、或包括氨、副产物的任何其它处理液、或如本领域中已知的任何其它柴油机废气处理液(例如，以
Figure BDA0002987236150000071
名称销售的柴油机废气处理液)。在特定实施例中，还原剂包括具有特定比率的尿素与水的尿素水溶液。例如，还原剂可以包括包含32.5％体积的尿素和67.5％体积的去离子水的尿素水溶液、或者包含40％体积的尿素和60％体积的去离子水的尿素水溶液。
还原剂添加组件120流体耦合到还原剂储罐110。还原剂添加组件120被配置为通过还原剂端口156选择性地将还原剂添加到废气流动路径中。还原剂添加组件120可包括泵，该泵被配置为将预定量的还原剂泵送至废气的流动路径中。例如，泵可以是离心泵、抽吸泵(suction pump)、正排量泵、隔膜泵或任何其它合适的泵。
滤网、止回阀、脉动阻尼器或其他结构也可以被定位在泵的下游，以向废气提供还原剂。在多个实施例中，还原剂添加组件120还可以包括混合室，该混合室被构造成以可控速率从定位在泵下游的计量阀接收加压还原剂。混合室还可以被构造成例如从空气供应单元接收空气或任何其他惰性气体(例如，氮气)，以便通过还原剂端口156将空气和还原剂的组合流输送到废气中。在多个实施例中，喷嘴可被提供在还原剂端口156中，并被构造成将还原剂的流(stream)或射流(jet)输送到壳体101的内部体积内，以便将还原剂输送到废气中。
在多个实施例中，还原剂添加组件120还可以包括计量(dosing)阀，以用于将还原剂从还原剂添加组件120选择性地输送到废气流动路径中。计量阀可以包括任何合适的阀，例如蝶阀、闸阀、止回阀(例如，倾斜阀瓣止回阀(tilting disc check valve)、旋启式止回阀(swing check valve)、轴向止回阀等)、球阀、弹簧加载阀、空气辅助喷射器、电磁阀或任何其它合适的阀。
后处理系统100还包括光学组件160。光学组件160包括光学发射器162和光学检测器164，光学发射器162被配置为将光A发射到后处理部件140的表面上，光学检测器164被配置为检测从后处理部件140的表面反射的光B。例如，如图1所示，光学发射器162在第一位置处耦合到壳体101(例如穿过壳体101的壁被设置在后处理部件140和上游后处理部件150之间的第一位置)。光学发射器162可以包括漫射光源(例如发光二极管(LED))。在一些实施例中，发射的光可以具有红外(IR)范围内的波长。在其它实施例中，发射的光可以具有紫外可见(ultraviolet-visible，UV－wis)范围内的波长。
光学发射器162被配置为将光A发射到后处理部件140的入口表面141上的任何合适的位置(例如后处理部件140的入口表面141的任何径向位置和/或入口表面141的中点位置)。此外，光学检测器164耦合到壳体101的第二位置(例如，穿过壳体101的壁被设置在第二位置)。第二位置可以与第一位置相对，或者可以包括壳体101的任何其它合适的位置。光学检测器164可以是光电二极管、热电检测器、光子检测器、光电倍增管或任何其它合适的光学检测器。
光学检测器164被配置为检测从后处理部件140的入口表面141反射的光B。光被漫反射。换句话说，光学组件160根据漫反射原理进行操作。从后处理部件140的入口表面141反射的光B的光学参数(例如，强度、频率、波长等)对应于后处理部件140的表面上的NOX气体的量或氨的量。例如，吸附在入口表面141上的氨和/或NOX可以吸收发射的光A的一部分，导致反射的光B具有比发射的光A更低的强度，使得吸光度(即，发射的光的强度和反射的光的强度之差)对应于入口表面141上存在的氨和/或NOX气体的量。
进一步扩展，吸附在后处理部件140的入口表面141上的氨和NOX可以相对于吸附在入口表面141上的其它分子(例如，H2O、CO2、碳氢化合物等)或形成后处理部件141的材料(例如，催化剂材料、载体涂层材料或粘合剂材料)优先吸收发射光的特定波长(例如，特定的IR波长或特定的UV－vis波长)的光。因此，由光学检测器检测的吸收峰对应于吸附在入口表面141上的氨和/或NOX。以这种方式，光学组件160可以选择性地检测吸附在入口表面上的氨和/或NOX的量。
在后处理部件140包括SCR催化剂的一些实施例中，入口表面141上的氨的量可以对应于后处理部件140的氨储存水平(即，储存在SCR催化剂中的氨的量)。在其它实施例中，吸附在入口表面141上的NOX气体的量可以对应于后处理部件140的催化转化效率。在另外的其它实施例中，后处理部件140可以包括AMOX催化剂。在这样的实施例中，检测到的光的光学参数可以对应于吸附在后处理部件140的入口表面141上的氨的量，这可以对应于后处理部件140的催化转化效率。
后处理系统100还包括可操作地耦合到光学组件160的控制器170。例如，控制器170通信地耦合到光学发射器162，并被配置为向光学发射器162发送激活信号，从而使光学发射器162发射光。控制器170可以以任何合适的频率(例如，每1秒一次、每5秒一次、每10秒一次、每30秒一次、每1分钟一次、每2分钟一次、每5分钟一次或每10分钟一次，包括其间的所有范围和值)激活光发学射器162。在其它实施例中，控制器170可以被配置为当后处理系统100被激活时(例如当发动机10被启动时)激活(例如，启动)光学发射器162，并且当后处理系统100被停用时(例如当发动机10被关断时)停用(例如，关断)光学发射器162。换句话说，当发动机10被启动并且后处理系统100激活时，光学发射器162连续发射光，以便提供对氨和/或NOX的实时测量。
控制器170还通信地耦合到光学检测器164，并被配置为从光学检测器164接收检测器信号。检测器信号可以包括由光学检测器164产生的电信号(例如，电流或电压)，该电信号对应于已经从后处理部件140的入口表面141反射的检测到的光的光学参数(例如，强度)。控制器170被配置为基于光学参数确定吸附在后处理部件140的入口表面141上的氨和/或NOX气体的量。例如，控制器170可以被配置为基于从光学发射器162发射的光的参数(例如，第一强度)和已经从后处理部件140的入口表面141反射的检测到的光的参数之间的差异来确定在后处理部件140的入口表面141上的NOX和/或氨气(或其它任何化学物质)的量。例如，该差异可以等于在入口表面141上的NOX和/或氨对光的吸光度，以及对应于在入口表面141上吸附的NOX和/或氨的量。
虽然本文所述的光学组件160或任何其它感测组件被描述为被配置为检测吸附在后处理部件140(例如，SCR催化剂)的入口表面141上的氨和/或NOX气体，但是在其它实施例中，本文所述的光学组件160或任何其它光学组件可以被配置为测量吸附在后处理部件140的入口表面141上、在后处理部件140或上游后处理部件150的任何其它表面上的任何其它分子的量。例如，这样的分子可以包括CO、CO2、SOX气体等。
在一些实施例中，控制器170可包括被配置为基于在入口表面141上的NOX和/或氨的量来确定后处理部件140的整个体积上吸附的NOX和/或氨的量的算法或查找表。例如，控制器170可被配置为确定后处理部件140的氨储存水平。在其它实施例中，控制器170还可以包括用于校准光学组件160从而考虑(account for)废气参数的变化(例如废气温度、压力或(例如，基于发动机速度和/或转矩确定的)流速和/或废气中的水量的变化)的算法、方程或查找表。废气参数可以根据从发动机10、第一传感器103和/或第二传感器105或虚拟传感器接收的废气参数信号来确定。
发射的光可以具有红外(IR)范围内的波长。IR光对温度敏感，因此控制器170可以被配置为基于一个或更多个废气参数(例如(例如，由第一传感器103确定的)废气温度、(例如，由发动机速度和/或转矩确定的)废气流速、(例如，由第一传感器103确定的)废气压力和/或废气中的水量)校准根据检测器信号确定的光学参数值，并精确地确定后处理部件140的入口表面141上的NOX气体或氨的量。在又一个实施例中，控制器170可以包括信号滤波器(例如，低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等)或任何其它合适的信号滤波器以对来自检测器信号的噪声进行滤波。
在一些实施例中，控制器170还可以通信地耦合到还原剂添加组件120。控制器170可被配置为基于在后处理部件140的入口表面141上的NOX气体和/或氨的量来激活还原剂添加组件120。以这种方式，控制器170可以减少还原剂消耗，增加后处理部件140(例如，SCR催化剂或AMOX催化剂)的催化转化效率和/或减少氨泄漏。
控制器170可以使用任何类型和任何数量的有线或无线连接可操作地耦合到光学组件160和/或还原剂添加组件120。例如，有线连接可以包括串行电缆、光纤电缆、CAT5电缆、或任何其它形式的有线连接。无线连接可以包括互联网、Wi-Fi、蜂窝、无线电、蓝牙、ZigBee等。在一个实施例中，控制器局域网(CAN)总线提供信号、信息和/或数据的交换。CAN总线包括任何数量的有线连接和无线连接。
在特定的实施例中，控制器170可以被包括在控制电路中。例如，图2是根据实施例的包括控制器170的控制电路171的示意性框图。控制器170包括处理器172、存储器174、或任何其它计算机可读介质、和通信接口176。此外，控制器170包括光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c。应理解，控制器170只示出控制器170的一个实施例，并且可以使用能够执行本文所描述的操作的任何其它控制器。
处理器172可以包括微处理器、可编程逻辑控制器(PLC)芯片、ASIC芯片、或任何其它适当的处理器。处理器172与存储器174通信并被配置成执行存储在存储器174中的指令、算法、命令、或另外的程序。
存储器174包括本文中讨论的存储器和/或储存部件中的任何一种。例如，存储器174可以包括处理器172的RAM和/或高速缓存。存储器174还可以包括相对于控制器170是本地的或远程的一个或更多个储存设备(例如，硬盘驱动器、闪存驱动器、计算机可读介质等)。存储器174被配置成存储查找表、算法、或指令。
在一个配置中，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c被体现为可由处理器(例如处理器172)执行的机器或计算机可读介质(例如，储存在存储器174中)。如本文中所描述的，除其它用途外，机器可读介质(例如，存储器174)有助于执行某些操作以实现数据的接收和传输。例如，机器可读介质可以提供例如用于获取数据的指令(例如，命令等)。在这方面，机器可读介质可以包括定义数据采集(或数据传输)的频率的可编程逻辑。因此，计算机可读介质可以包括代码，代码可以用任何编程语言编写，编程语言包括但不限于Java或类似语言和任何常规的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序代码可以在一个处理器或多个远程处理器上执行。在后一种情况下，远程处理器可以通过任何类型的网络(例如，CAN总线等)彼此连接。
在另一个配置中，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c被体现为硬件单元(例如电子控制单元)。这样，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c可以体现为一个或更多个电路部件(包括但不限于处理电路、网络接口、外围设备、输入设备、输出设备、传感器等)。
在一些实施例中，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c可以采取以下形式：一个或更多个模拟电路、电子电路(例如，集成电路(IC)、分立电路、片上系统(SOC)电路、微控制器等)、电信电路、混合电路以及任何其它类型的“电路”。在这方面，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c可以包括用于完成或促进实现本文所描述的操作的任何类型的部件。例如，如本文中描述的电路可以包括一个或更多个晶体管、逻辑门(例如，NAND、AND、NOR、OR、XOR、NOT、XNOR等)、电阻器、多路复用器、寄存器、电容器、电感器、二极管、布线等等。
因此，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c还可以包括可编程硬件设备(例如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等)。在这方面，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c可以包括一个或更多个存储器设备，该一个或更多个存储器设备用于存储可由光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c的处理器执行的指令。一个或更多个存储器设备和处理器可以具有与下面关于存储器174和处理器172提供的定义相同的定义。
在所示出的示例中，控制器170包括处理器172和存储器174。处理器172和存储器174可以被构造或被配置为执行或实现本文关于光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c描述的指令、命令和/或控制过程。因此，所描绘的配置表示前述布置，其中光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c被体现为机器或计算机可读介质。然而，如上所述，由于本公开设想了例如前述实施例的其它实施例(其中光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c、或光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c中的至少一个电路被配置为硬件单元)，所以这个说明并不旨在是限制性的。所有这些组合和变化均旨在落入本公开的范围内。
处理器172可以被实现为一个或更多个通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、一组处理部件、或其它合适的电子处理部件。在一些实施例中，一个或更多个处理器可以由多个电路共享(例如，光学组件控制电路174a、氨和NOX的量确定电路174b和还原剂添加控制电路174c)可以包括或以其它方式共享同一处理器，该同一处理器在一些示例实施例中可以执行经由存储器的不同区域储存或以其它方式被存取的指令)。可选地或附加地，一个或更多个处理器可以被构造成独立于一个或更多个协处理器来执行或以其他方式执行某些操作。在其它示例实施例中，两个或更多个处理器可以经由总线耦合，以实现独立的、并行的、流水线式的、或多线程的指令执行。所有这样的变型均旨在落入本公开的范围内。存储器174(例如RAM、ROM、闪存、硬盘储存器等)可以储存数据和/或计算机代码，以促进本文所描述的各种过程。存储器174可以可通信地连接至处理器172以为处理器172提供计算机代码或指令，以用于执行本文中所描述的过程中的至少一些过程。此外，存储器174可以是或包括有形的、非临时易失性存储器或非易失性存储器。因此，存储器174可以包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件、或用于支持本文描述的各种活动和信息结构的任何其它类型的信息结构。
通信接口176可以包括无线接口(例如，插孔、天线、发射器、接收器、通信接口、有线终端等)以用于与各种系统、设备、或网络进行数据通信。例如，通信接口176可以包括用于经由基于以太网的通信网络发送和接收数据的以太网卡和端口和/或用于与发动机10、第一传感器103、第二传感器105、光学组件160、还原剂添加组件120或另外的控制器(例如，发动机控制单元)进行通信的Wi-Fi通信接口。通信接口176可以被构造成经由局域网或广域网(例如，互联网等)通信并且可以使用各种通信协议(例如，IP、LON、蓝牙、ZigBee、无线电、蜂窝、近场通信等)。
光学组件控制电路174a被配置为产生被配置为激活光学发射器162的激活信号。例如，如本文前面所述，光学组件控制电路174a可被配置为连续激活光学发射器162(例如，在后处理系统100激活的整个期间)或者以预定频率激活光学发射器162。光学组件控制电路174a还被配置为从光学检测器164接收检测器信号(例如，诸如电流或电压的电信号)。检测器信号对应于检测到的光的光学参数(例如，强度、频率、波长、飞行时间等)。
氨和NOX的量确定电路174b被配置为解释检测器信号并确定吸附在后处理部件140的入口表面141上的NOX和/或氨的量。例如，氨和NOX的量确定电路174b可以包括被配置为将检测到的光的光学参数(例如，强度或吸光度)的值与在入口表面141上的氨和/或NOX的量相关联的算法或查找表。
在一些实施例中，氨和NOX的量确定电路174b还可以被配置为接收例如来自发动机10、第一传感器103和/或第二传感器105的一个或更多个废气参数信号，并确定一个或更多个废气参数(例如，废气温度、流速、压力、在废气中的NOX气体的量等)。如本文前面所述，氨和NOX的量确定电路174b可以被配置为基于一个或更多个废气参数来校准或调整检测器信号。此外，氨和NOX的量确定电路174b还可以包括一个或更多个滤波器(例如，低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等)来降低噪声并提高信噪比。
还原剂添加控制电路174c被配置为基于在催化剂表面141上或在废气中的NOX气体和/或氨气的量产生还原剂添加信号。还原剂添加信号被配置为激活还原剂添加组件120，以用于将预定量的还原剂添加到后处理系统100中。
例如，响应于氨和NOX的量确定电路174b确定后处理部件140(例如，SCR催化剂)的氨储存水平低于如根据吸附在入口表面141上的氨的量确定的预定的氨储存阈值，还原剂添加控制电路174c可以激活还原剂添加组件120。换句话说，响应于氨和NOX的量确定电路174b确定在后处理部件140(例如，SCR催化剂)的整个体积上吸附的氨的量低于氨储存阈值，控制器170的还原剂添加控制电路174c可以被配置为指示(instruct)还原剂添加组件120将还原剂添加到废气中。这导致还原剂被添加到废气中，该还原剂在废气中分解以生成氨。氨被后处理部件140吸附，使后处理部件140中储存的氨的量朝向氨储存阈值增加。
在其它实施例中，氨和NOX的量确定电路174b可以确定在入口表面141上的NOX的量高于预定的NOX阈值，这可以指示后处理部件140(例如，SCR催化剂)以低于最佳催化转化效率的催化转化效率操作。在这样的情况下，还原剂添加控制电路174c可以激活还原剂添加组件120，例如指示还原剂添加组件120将还原剂添加到废气中以增加废气中氨的量，以便增加催化转化效率。
在后处理部件140包括AMOX催化剂的另外的其它实施例中，氨和NOX的量确定电路174b可以确定后处理部件140中吸附的氨的量高于预定的氨阈值，这可以对应于后处理部件140以低于最佳催化转化效率的催化转化效率操作，导致在后处理部件140下游的氨泄漏。在这样的情况下，还原剂添加控制电路174c可以停用还原剂添加组件120以减少在废气中的氨的量，以便减少在后处理部件140下游的氨泄漏。换句话说，响应于氨和NOX的量确定电路174b确定在后处理部件的整个体积上吸附的氨的量高于氨阈值，还原剂添加控制电路174c可以指示还原剂添加组件120停止将还原剂添加到废气中。
虽然光学组件160被示出为被配置为测量在后处理部件140的入口表面141上的氨和/或NOX的量，但是在其它实施例中，光学发射器162可以被配置为将发射的光A引导朝向上游后处理部件150的出口表面153。例如，上游后处理部件150可以包括SCR催化剂，并且光学组件160可以被配置为感测在上游后处理部件150的出口表面153上的氨和/或NOX气体的量。该信息可以被用于确定例如上游后处理部件150(例如，SCR催化剂)的氨储存水平、上游后处理部件150的催化转化效率或通过上游后处理部件150的氨泄漏。
在一些实施例中，光学组件160可以被配置为测量在后处理部件140的出口表面143上的氨和/或NOX的量。例如，图3是根据另一个实施例的后处理系统200的示意图。后处理系统200与后处理系统100基本相似，但有以下区别。光学组件160在后处理部件140下游被定位在壳体101中。光学发射器162被配置为将发射的光A引导朝向后处理部件140的出口表面143。光学检测器164可以位于与光学发射器162相对的位置，并且检测从后处理部件140的出口表面143反射的光B。如本文前面所述，控制器170然后可以被配置为基于反射的光B的光学参数来确定在后处理部件140的出口表面143上的氨和/或NOX气体的量。以这种方式，光学组件160可以被配置为检测后处理部件140(例如，SCR催化剂)的氨储存水平、后处理部件140(例如，AMOX催化剂)的催化转化效率或后处理部件140下游的氨泄漏。
在一些实施例中，光学组件160可以被配置为测量在上游后处理部件150的入口表面151上的氨或NOX气体的量。例如，图4是根据又一个实施例的后处理系统300的示意图。后处理系统300与后处理系统100基本相似，不同之处在于光学组件160被设置在上游后处理部件150(例如上游SCR催化剂)的上游。如图4所示，光学发射器162被配置成将发射的光A引导到上游后处理部件150的入口表面151上。此外，光学检测器164位于与光学发射器162相对的位置，并被配置为检测从上游后处理部件150的入口表面151反射的光B。在这样的实施例中，控制器170可以被配置为基于反射的光B的光学参数来确定在上游后处理部件150的入口表面151上的氨和/或NOX的量，并且由此确定例如上游后处理部件150的氨储存水平或NOX转化效率。此外，确定在上游后处理部件150的入口表面151上的氨的量还可以用于确定在废气中还原剂的均匀度指数(UI)和/或流量分布指数(FDI)。
在一些实施例中，后处理系统可以包括光学组件，该光学组件被配置为检测流经后处理系统的废气中的氨的量。例如，图5是根据实施例的后处理系统400的示意图。后处理系统400与后处理系统100基本相似，但有以下区别。光学组件260被定位在后处理部件140和上游后处理部件150之间。光学组件260包括光学发射器262和光学检测器264。光学发射器262被配置为发射穿过废气的光A，以及光学检测器264被配置为检测已经穿过废气的光B。控制器170可以(例如，经由被包括在容纳光学发射器262和光学检测器264的光学探头269中的电耦合器)通信地耦合到光学发射器262和光学检测器264，并且如本文前面关于光学组件160所述，基于已经穿过废气的检测到的光B的光学参数来确定在废气中的氨的量。虽然被描述为被配置为检测氨，但是光学组件260可以被配置为检测废气的任何成分(例如，CO、NOX气体、SOX气体等)。
如图5所示，光学发射器262和光学检测器264都位于壳体101的第一位置(例如，在壳体101的壁上的第一位置彼此相邻设置)。在特定实施例中，光学发射器262和光学检测器264可以集成在光学探头269中。第一反射镜266被设置在壳体101的第二位置处并且耦合到壳体101。第二位置可以与第一位置相对，并且在第一位置的视线内。第一反射镜266可以包括凹面镜，该凹面镜被配置为朝向光学检测器264反射光B，该光B被光学检测器264检测。例如，光学发射器262可以包括镜面光发射器(例如，IR激光设备、UV－vis激光设备或发光二极管(LED))。光学发射器262发射穿过废气朝向第一反射镜266的光A(例如，镜面光线)。第一反射镜266朝向光学检测器264反射已经穿过废气的光B，该光B然后被光学检测器264检测到。
在一些实施例中，第二反射镜268可以围绕光学发射器262和光学检测器264定位在第一位置处。例如，可以在第二反射镜268中限定开口，光学发射器262和光学检测器264可以通过该开口被定位。在其它实施例中，可以在第二反射镜268中限定单个开口(例如在第二反射镜268(例如，凹面镜)的中点处)，并且容纳光学发射器262和光学检测器264的光学探头269可以在此被添加。第二反射镜268将从第一反射镜266反射的光的至少一部分反射回第一反射镜266。光可以在被光学检测器264检测之前在反射镜266和反射镜268之间来回反射。因此，有效路径长度可以显著大于壳体101的横截面。例如，壳体101可以具有10英寸-20英寸的横截面(例如，直径)，而光的有效路径长度可以高达3米。增加路径长度导致光多次穿过废气。这增加了氨测量的灵敏度，以及增加了光到达光学检测器264的可能性。
在其它实施例中，光学检测器264可以被定位在与第一位置相对的第二位置处，使得反射镜266和反射镜268可以被包括。在这样的实施例中，发射的光可以具有足够的强度，并且光学检测器264可以具有足够的灵敏度来检测在仅穿过废气一次之后的废气的光学参数的变化。
在一些实施例中，光学组件还可以包括采样构件，以在废气流的多个位置对废气进行采样。发射的光穿过废气的采样部分，使得可以获得废气中氨的量的更好的表示。例如，图6是光学组件360的示意图。光学组件360与光学组件260基本相似，并且包括相似的部件。此外，采样管280从第二反射镜268延伸到第一反射镜266。采样管280可以包括具有圆形横截面的中空管。多个孔282被限定穿过采样管280的壁，并且被配置为允许废气的一部分穿过中空采样管280。采样管280可以具有对应于壳体101的横截面(例如，直径)的长度。采样管280可以在其相应的轴向端耦合到反射镜266和反射镜268，使得光学组件360形成集成的氨检测探头，该集成的氨检测探头可以被添加到壳体101中以被定位在废气流路径内。
如本文先前所述，由光学发射器262发射的光通过中空采样管280被引导朝向第一反射镜266，并从第一反射镜266反射朝向光学检测器264。此外，以远离光学检测器264的角度从第一反射镜266反射的任何光被采样管280的内表面281反射回光学检测器264。在一些实施例中，采样管280的内表面281可以涂覆有反射材料(例如，银/氯化银)以促进反射。
图6示出了如包括圆柱形采样管280的光学组件360。在其它实施例中，光学组件360可以包括任何其它采样结构。例如，在一些实施例中，光学组件360可以包括废气采样轮，该废气采样轮被构造成定位在废气流路径内以用于对废气的部分进行采样。在一些实施例中，废气采样轮可以包括圆形挡板状结构。在其它实施例中，废气采样轮可以包括十字形结构，该十字形结构具有穿过十字形结构的每个臂限定的多个孔。应当理解，这些实施例只是示例，并且在其它实施例中，采样结构可以具有任何其它合适的形状(例如椭圆形、三角形、多边形、星形等)。
在一些实施例中，光学组件260可以被定位在后处理系统中，以便测量在后处理部件下游的废气中的氨的量。例如，图7是根据另一个实施例的后处理系统500的示意图。后处理系统500与后处理系统400基本相似，不同之处在于光学组件260被定位在后处理部件140的下游。光学组件260因此测量在后处理部件140下游的废气中的氨的量，该废气中的氨的量可以对应于后处理部件140的氨泄漏(例如，在后处理部件140包括SCR催化剂的实施例中)或后处理部件140的催化转化效率(例如，在后处理部件140包括AMOX催化剂的实施例中)。
图8是用于使用光学组件(例如，光学组件160、260、360)确定在后处理系统(例如，后处理系统100、200、300、400、500)中包括的后处理部件(例如，后处理部件140、150)的表面上的NOX和/或氨的量或者在流经后处理系统的废气中的氨的量的示例方法600的示意性流程图。
方法600包括在602将光发射到后处理部件的至少一个面上或者穿过废气。例如，光学发射器162可以将光A发射到后处理部件140的入口表面141或出口表面143上、或者上游后处理部件150的入口表面151或出口表面153上。可替代地或附加地，光学发射器262可以发射穿过流经后处理系统400、500的废气的光A。
在604，检测从后处理部件的表面反射的光或穿过废气后的光中的至少一者。例如，光学检测器164可以检测从后处理部件140、150的相对应的表面反射的光B和/或光学检测器264可以检测穿过废气后的光B。
在一些实施例中，在606，可以确定废气参数。例如，氨和NOX的量确定电路174b可以被配置为从发动机10、第一传感器103或第二传感器105接收一个或更多个废气参数信号，并且确定废气参数(例如，废气温度、压力、流速、其中的NOX气体的量等)。在608，确定在后处理部件的相应表面上的氨和/或NOX的量、和/或在废气中的氨的量。例如，氨和NOX的量确定电路174b可以被配置为解释从光学检测器164、264接收的检测器信号，并且基于检测到的光的光学参数(例如，强度)确定在后处理部件140、150的相对应的表面上的氨和/或NOX的量、和/或在废气中的氨的量。在一些实施例中，基于从光学发射器162、262发射的光的参数(例如，第一强度)和已经从后处理部件140、150的相对应的表面反射或已经穿过废气的检测到的光的参数(例如，第二强度)之间的差异，(例如，通过氨和NOX的量确定电路174b)确定在废气中的氨的量。在一些实施例中，该差异可以对应于吸光度，该吸光度对应于氨和/或NOX的量。
在一些实施例中，废气参数可以用于校准检测到的光的光学参数。例如，各种废气参数(例如温度)可能影响光学测量。可以从检测器信号中减去归因于废气参数的变化的光学参数部分，或者可以使用一个或更多个废气参数值来归一化光学参数值。
在610，调整添加到废气中的还原剂的量。例如，还原剂添加控制电路174c可以基于在后处理部件140、150的相对应的表面上的氨和/或NOX气体的量、或者流经后处理系统100、200、300、400、500的废气中的氨的量选择性地激活还原剂添加组件120，以调整添加到废气中的还原剂的量。
应注意的是，本文用于描述各种实施例的术语“示例”旨在指示这样的实施例是可能的实施例的可能的示例、表示、和/或说明(并且这样的术语并不意图暗示这样的实施例必须是特别的或最好的示例)。
如在本文使用的术语“耦合”和类似术语意指两个构件直接或间接联接到彼此。这样的联接可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的联接可以通过两个构件或两个构件和任何附加的中间构件彼此一体地形成为单个整体或者通过两个构件或两个构件和任何附加的中间构件附接至彼此来实现。
如本文中所使用的，术语“约”通常意指加或减所述值的10％。例如，约0.5将包括0.45和0.55，约10将包括9至11，约1000将包括900至1100。
重要的是要注意到，各种示例性实施例的结构和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几个实施例，但审阅本公开的本领域技术人员将容易认识到，很多修改(例如，在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等上的变化)是可能的，而实质上不偏离本文所描述的主题的新颖性教导和优点。此外，应理解的是，如本领域中的普通技术人员应理解的，来自本文公开的一个实施例的特征可与本文公开的其它实施例的特征组合。也可在各种示例性实施例的设计、操作状况和布置上做出其他替代、修改、变化和省略，而不偏离本发明的范围。
虽然本说明书包含很多特定的实施细节，但这些不应被解译为对任何发明的范围或可被要求保护的内容的限制，而是作为特定发明的特定实现方式所特有的特征的描述。在本说明书中在单独的实现方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实现方式中实现。相反，在单个实现方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合在多个实现方式中实现。此外，尽管在上面特征可以被描述为以某些组合起作用，并且甚至最初被要求如此保护，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以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。

Claims (20)

1.一种被配置为还原由发动机生成的废气的成分的后处理系统，所述后处理系统包括：
后处理部件；
光学组件，所述光学组件包括：
光学发射器，所述光学发射器被配置为将光发射到所述后处理部件的表面上，和
光学检测器，所述光学检测器被配置为检测从所述后处理部件的表面反射的光；和
控制器，所述控制器被配置为基于已经从所述后处理部件的表面反射的检测到的光的光学参数来确定以下中的至少一项：在所述后处理部件的表面上的NOX气体的量或氨的量。
2.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述控制器被配置为基于从所述光学发射器发射的光的参数和已经从所述后处理部件的表面反射的所述检测到的光的参数之间的差异来确定以下中的至少一项：在所述后处理部件的表面上的NOX气体的量或氨的量。
3.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所发射的光具有在红外(IR)范围内的波长。
4.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所发射的光具有在紫外可见(UV-vis)范围内的波长。
5.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述后处理部件的表面是以下中的一个：被构造成接收所述废气的入口表面或被构造成排出废气的出口表面。
6.根据权利要求5所述的后处理系统，其中，所述后处理部件包括选择性催化还原催化剂。
7.根据权利要求1所述的后处理系统，还包括：
上游后处理部件，所述上游后处理部件被设置在所述后处理部件的上游，
其中，所述后处理部件包括氨氧化催化剂，并且所述上游后处理部件包括选择性催化还原催化剂。
8.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述光学发射器被设置在所述后处理系统的第一位置处，并且所述光学检测器被设置在所述后处理系统的与所述第一位置相对的第二位置处。
9.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述控制器还被配置为基于所确定的在所述后处理部件的表面上的NOX气体和/或氨的量来确定在所述后处理部件的整个体积上吸附的NOX气体的量和/或氨的量。
10.根据权利要求9所述的后处理系统，还包括：
还原剂添加组件，所述还原剂添加组件被配置为将还原剂添加到流经所述后处理系统的所述废气中，
其中，所述后处理部件包括选择性催化还原系统，以及
其中，所述控制器能够操作地耦合到所述还原剂添加组件，所述控制器还被配置为响应于确定在所述后处理部件的整个体积上吸附的氨的量低于氨储存阈值，指示所述还原剂添加组件将还原剂添加到所述废气中。
11.根据权利要求10所述的后处理系统，其中，所述控制器还被配置为响应于确定在所述后处理部件的表面上的NOX的量高于NOX阈值，指示所述还原剂添加组件将还原剂添加到所述废气中。
12.根据权利要求9所述的后处理系统，还包括：
还原剂添加组件，所述还原剂添加组件被配置为将还原剂添加到流经所述后处理系统的所述废气中，
其中，所述后处理部件包括氨氧化催化剂，以及其中，所述控制器能够操作地耦合到所述还原剂添加组件，所述控制器还被配置为响应于确定在所述后处理部件的整个体积上吸附的氨的量高于氨阈值，指示所述还原剂添加组件停止将还原剂添加到所述废气中。
13.根据权利要求1所述的后处理系统，其中，所述控制器还被配置为基于废气温度、废气流速、废气压力或所述废气中的水量中的至少一项来校准由所述光学检测器确定的光学参数值。
14.一种被配置为还原由发动机生成的废气的成分的后处理系统，所述后处理系统包括：
后处理部件；
光学组件，所述光学组件包括：
光学发射器，所述光学发射器被配置为发射穿过所述废气的光，和
光学检测器，所述光学检测器被配置为检测已经穿过所述废气的光；和
控制器，所述控制器被配置为基于已经穿过所述废气的检测到的光的光学参数来确定在所述废气中的氨的量。
15.根据权利要求14所述的后处理系统，其中，所述控制器被配置为基于从所述光学发射器发射的光的参数和已经穿过所述废气的所述检测到的光的参数之间的差异来确定在所述废气中的氨的量。
16.根据权利要求15所述的后处理系统，其中，所发射的光具有在红外(IR)范围内的波长。
17.根据权利要求15所述的后处理系统，其中，所发射的光具有在紫外可见(UV-vis)范围内的波长。
18.根据权利要求14所述的后处理系统，其中，所述光学发射器和所述光学检测器被设置在所述后处理系统的第一位置处，并且其中，所述光学组件还包括被设置在所述壳体的与所述第一位置相对的第二位置处的第一反射镜，所述第一反射镜被配置为将从所述光学发射器接收的光朝向所述光学检测器接收。
19.根据权利要求18所述的后处理系统，其中，所述光学组件还包括围绕所述光学发射器和所述光学检测器设置在所述第一位置处的第二反射镜，所述第二反射镜被配置为将从所述第一反射镜接收的光的至少一部分朝向所述第一反射镜反射。
20.根据权利要求19所述的后处理系统，还包括从所述第一反射镜延伸到所述第二反射镜的采样管，多个孔被限定穿过所述采样管的壁并且被配置为允许所述废气的一部分穿过所述采样管。
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