用于控制将还原剂喷射到废气流中的方法和系统
背景技术
内燃机排放的废气通常包括一氧化碳(CO)、烃类(HC)和氮氧化物(NOx)的不均匀混合物以及构成颗粒物的凝聚相材料(液体和固体)。废气后处理系统通常用于在将废气排放到周围环境中之前降低废气流中的CO、HC、NOx和颗粒物的含量。此类后处理系统通常包括将CO和HC氧化成二氧化碳(CO2)和水的氧化催化剂(OC)、将NOx还原成氮和水的选择性催化还原(SCR)设备以及捕获并由此去除废气流中的颗粒物的颗粒过滤器(PF)。可能需要不时再生颗粒过滤器，以去除在引擎操作期间积聚在过滤器上的颗粒物。在一些后处理系统中，SCR设备可与废气后处理系统中的颗粒过滤器组合，以形成选择性催化还原过滤器(SCRF)。
SCR设备通常包括其上设置有催化剂化合物的基板或载体，该催化剂化合物被配制成促进废气中的NOx还原成氮和水。在实施过程中，还原剂通常被喷涂或喷射到SCR设备上游的废气流中，并被吸附到SCR设备的催化剂上。当含有NOx的废气流穿过SCR设备时，吸附的还原剂在存在催化剂的情况下将NOx还原成氮和水。氨(NH3)通常用作废气后处理系统中的还原剂，并且一般通过将尿素水溶液喷射到废气流中而向其供应，其中尿素溶液在暴露于热废气时迅速分解成NH3。
当过量的尿素被喷射到废气流中时，过量的尿素可穿过SCR设备而不分解成NH3并且/或者在废气流中没有NH3与NOx反应。此外，在一些情况下，当过量的尿素喷射到废气流中时，过量的尿素可在后处理系统内和SCR设备内形成固体非活性沉积物，这可能会降低SCR设备的NOx转化效率。因此，希望控制喷射到废气后处理系统中的SCR设备上游的废气流中的尿素的量。
发明内容
在一种用于控制将还原剂喷射到选择性催化还原(SCR)设备上游的内燃机的废气流中的方法中，可确定将还原剂喷射到用于废气流的后处理(AT)系统中的最小允许喷射速率(最小INJ速率)和最大允许喷射速率(最大INJ速率)。最小INJ速率可基于废气流的操作参数以及将还原剂沉积在AT系统中所需的最小沉积速率(最小DEP速率)来确定。最大INJ速率可基于废气流的操作参数以及计算出的将还原剂沉积在AT系统中的最大允许沉积速率(最大DEP速率)来确定。将还原剂喷射到AT系统中的动态加权因子可基于AT系统的操作参数来计算。动态加权因子可应用于最小INJ速率和最大INJ速率以获得加权喷射速率(加权INJ速率)。加权INJ速率可与将还原剂喷射到AT系统中以实现计算出的最大NOx转化效率的最佳喷射速率(最佳INJ速率)进行比较。可在加权INJ速率和最佳INJ速率之间选择最低喷射速率。可以所选择的最低喷射速率发起将还原剂喷射到AT系统中。
动态加权因子基于AT系统的操作参数来相对于最大INJ速率平衡最小INJ速率。
AT系统可包括具有还原剂储存浓度的选择性催化还原(SCR)设备。在这种情况下，最大DEP速率可基于SCR设备的还原剂储存浓度。
最佳INJ速率可基于SCR设备上游的废气流中的NOx的量和SCR设备的还原剂储存浓度。
最小INJ速率可基于最小DEP速率、废气流的质量流速、废气流的温度以及喷射到AT系统中的还原剂的温度。
最大INJ速率可基于最大DEP速率、废气流的质量流速、废气流的温度以及喷射到AT系统中的还原剂的温度。
动态加权因子可基于计算出的AT系统的选择性催化还原(SCR)设备的实际NOx转化效率、估计的AT系统的颗粒过滤器(PF)设备的烟尘填塞以及AT系统中聚积的还原剂沉积物的总量。
所计算出的SCR设备的实际NOx转化效率可基于SCR设备上游的废气流中的NOx感测量和SCR设备下游的废气流中的NOx感测量。
估计的PF设备的烟尘填塞可基于PF设备上的测量压差、自PF设备的再生事件以来的时间或者自PF设备的再生事件以来引擎燃烧的燃料量。
AT系统中聚积的还原剂沉积物的总量可基于所选择的将还原剂喷射到AT系统中的最低喷射速率、自PF设备的再生事件以来的时间、废气流的质量流速、废气流的温度以及喷射到AT系统中的还原剂的温度。
动态加权因子可由0到1范围内的值组成。在这种情况下，动态加权因子可分别应用于最小INJ速率和最大INJ速率，以获得最小喷射速率分量(最小INJ速率分量)和最大喷射速率分量(最大INJ速率分量)。
可根据以下公式通过将动态加权因子(Kdwf)应用于最小INJ速率(INJmin)和最大INJ速率(INJmax)，获得最小INJ速率分量(INJcompA)和最大INJ速率分量(INJcompB)：
INJcompA＝INJmin*(1-Kdwf)
INJcompB＝INJmax*Kdwf。
加权INJ速率可计算为最小INJ速率分量和最大INJ速率分量之和。
当估计的PF设备的烟尘填塞大于或等于阈值量时，可发起再生事件。
一种用于内燃机的废气流的后处理(AT)系统可包括选择性催化还原(SCR)设备、颗粒过滤器(PF)设备、还原剂喷射系统和嵌入引擎控制模块中的还原剂喷射速率控制系统，该引擎控制模块包括耦合到存储器的处理器。还原剂喷射系统可包括还原剂供应源、控制阀和喷射器，该喷射器被配置为将还原剂喷射到SCR设备上游位置处的废气流中。还原剂喷射速率控制系统可被配置为确定将还原剂喷射到废气流中的最小允许喷射速率(最小INJ速率)和最大允许喷射速率(最大INJ速率)，计算将还原剂喷射到废气流中的动态加权因子，将动态加权因子应用于最小INJ速率和最大INJ速率以获得加权喷射速率(加权INJ速率)，将加权INJ速率与将还原剂喷射到废气流中以实现计算出的最大NOx转化效率的最佳喷射速率(最佳INJ速率)进行比较，在加权INJ速率和最佳INJ速率之间选择最低喷射速率，并且将所选择的最低喷射速率应用于还原剂喷射系统的控制阀以控制喷射器喷射到废气流中的还原剂的量。
废气质量流速传感器可包括在AT系统中，并且可被配置为向控制模块发送指示废气流的质量流速的输入信号。
废气温度传感器可包括在SCR设备上游的AT系统中，并且可被配置为向控制模块发送指示SCR设备上游位置处的废气流的温度的输入信号。
第一NOx/NH3传感器可包括在SCR设备上游的AT系统中，第二NOx/NH3传感器可包括在SCR设备下游的AT系统中。第一和第二NOx/NH3传感器各自可被配置为向控制模块发送指示废气流中的NOx和NH3的量的输入信号，第一NOx/NH3传感器指示进入SCR设备的废气流中的NOx和NH3的量，第二NOx/NH3传感器指示排出SCR设备的废气流中的NOx和NH3的量。
SCR基板温度传感器可包括在AT系统中，并且被配置为向控制模块发送指示SCR设备的催化剂基板的温度的输入信号。
还原剂温度传感器可包括在AT系统中，并且被配置为向控制模块发送指示还原剂供应源的温度的输入信号。
附图说明
图1为用于内燃机的废气后处理系统的功能框图，该废气后处理系统包括氧化催化剂设备、选择性催化还原设备、颗粒过滤器设备、还原剂喷射系统和引擎控制模块；并且
图2为示出喷射速率控制系统的数据流图，该喷射速率控制系统用于确定要施加到图1的还原剂喷射系统的还原剂喷射速率信号。
具体实施方式
图1以理想化的方式示出了用于还原和/或去除由(例如机动车辆(未示出)的)内燃机14产生的废气流12中存在的某些废气组分的废气后处理(AT)系统10。本文所述的AT系统10可与各种内燃机系统结合使用，这些内燃机系统包括但不限于柴油引擎系统、缸内直接喷射系统和均质充量压缩点火引擎系统。
AT系统10与内燃机14流体连通，并且包括废气管道16和多个串联布置的废气处理设备，这些废气处理设备包括氧化催化剂(OC)设备18、OC设备18下游的选择性催化还原(SCR)设备20和SCR设备20下游的颗粒过滤器(PF)设备22，但其它布置方式当然也是可以的。例如，在其它实施方案中，SCR设备20可与PF设备22组合，以形成选择性催化还原过滤器(未示出)。附加地或另选地，AT系统10中可包括其它废气处理设备(未示出)。本文所述的AT系统10不限于图1中所示的布置方式。废气管道16将废气流12从引擎14输送到AT系统10的各种废气处理设备。AT系统10也包括还原剂喷射系统24，该还原剂喷射系统被配置为将还原剂喷射到SCR设备20上游的废气流12中。引擎控制模块26与车辆相关联并且被配置(例如，编程并配备有硬件)为监测和控制引擎14、AT系统10的各种部件以及穿过其的废气流12。
OC设备18可被配置为通过氧化从废气流12中去除未燃烧的气态和非挥发性烃类(HC)以及一氧化碳(CO)，并且可包括流通式金属或陶瓷整体基板(未示出)，该整体基板被包装在壳或罐中，该壳或罐具有与废气管道16流体连通的入口和出口。
SCR设备20被配置为经由将NOx(例如，NO、NO2、N2O等)还原成氮和水而从废气流12中去除氮氧化物(NOx)。与OC设备18类似，SCR设备20也可包括流通式陶瓷或金属整体基板28，该整体基板被包装在壳或罐中，该壳或罐具有与废气管道16流体连通的入口和出口。SCR设备20的整体基板28可涂覆有催化剂组合物，该催化剂组合物被配制成在存在还原剂的情况下，例如在存在氨(NH3)的情况下，促进从废气流12中还原和去除NOx。
还原剂喷射系统24包括还原剂供应源30、控制阀32和喷射器34，并且被配置为周期性地或连续地向SCR设备20供应一定计量的还原剂，其方式例如，经由在SCR设备20上游的位置处的喷射器34将还原剂(或其前体)喷射到废气流12中。还原剂储存在供应源30内并且可以为气体或液体的形式。在一种形式中，还原剂可包括尿素(CO(NH2)2)水溶液，该尿素水溶液被配制成在暴露于热废气流12时分解成NH3，例如在高于约250℃的温度下。在将还原剂喷射到废气流12中之后，还原剂与废气流12一起进入SCR设备20，并且被吸附到SCR设备20的整体基板28上。当废气流12穿过SCR设备20时，还原剂从基板28解吸并且在基板28上涂覆有催化剂的情况下，通过将NOx还原成氮和水而与废气流12中的NOx反应。
为了在不使用过量还原剂的情况下从废气流12中有效地去除NOx，通常需要控制喷射到废气流12中的还原剂的量，使得还原剂的浓度和废气流12中的NOx的浓度为化学计量的。如果基板28的还原剂(例如，NNH3)储存浓度(例如，储存在基板28上的NH3的量，表示为基板28的总体NH3储存容量的百分比)小于100％，则喷射到废气流12中的过量的还原剂可储存在基板28上，直到达到基板28的NH3储存容量。当达到基板28的NH3储存容量时，喷射到废气流12中的任何过量的还原剂可从AT系统10释放，这种现象通常称为“NH3逃逸”。在一些情况下，当还原剂在相对较低的温度(例如，低于250℃)下或过量地喷射到废气流12中时，固体尿素沉积物可形成并聚积在AT系统10中，例如在管道16的内部表面上以及在SCR设备20内，这可能会降低SCR设备20的长期催化性能(并因此降低NOx转化效率)。
PF设备22被配置为从废气流12中去除颗粒物，例如烟尘，并且可包括具有多孔壁的陶瓷整体基板36，这些多孔壁限定了多个堵塞通道。堵塞通道迫使废气流12流过基板36的多孔壁，使得废气流12中的颗粒物被捕获在PF设备22中并且收集在基板36的壁上，这个过程通常称为“烟尘填塞”。一旦收集在PF设备22的基板36上的颗粒物的量达到阈值量，通常通过将PF设备22加热至足以燃烧所收集的颗粒物的温度来再生PF设备22，从而将颗粒物转化成二氧化碳。已经发现，当通过引导高温废气流12(例如，在高于450℃的温度下)穿过AT系统10来再生PF设备22时，高温废气流12不仅烧尽收集在PF设备22内的颗粒物，还具有蒸发和/或烧尽AT系统10内任何聚积的还原剂沉积物的益处。
引擎控制模块26可操作地连接到多个传感器以及与引擎14和AT系统10相关联的多个致动器。传感器向控制模块26提供与引擎14、废气流12和AT系统10的各种操作参数相关的输入信号。可操作控制模块26以监测和解释从传感器接收的输入信号，合成和/或计算相关信息(例如，使用校准查找表)，以及执行算法来控制致动器以实现某些控制目标，诸如车辆性能、燃料经济性、减少排放和保护硬件部件，诸如AT系统10的硬件部件。
如图1中所示，控制模块26可以能够操作地耦合到废气质量流速传感器38、SCR设备20上游的废气温度传感器40、SCR设备20上游的第一NOx/NH3传感器42、SCR基板温度传感器44、SCR设备20下游的第二NOx/NH3传感器46和还原剂温度传感器48，并从这些传感器接收输入信号。第一和第二NOx/NH3传感器42、46分别位于SCR设备20的上游和下游，并且各自被配置为向控制模块26发送指示废气流12中的NOx和NH3的量的输入信号，第一NOx/NH3传感器42指示进入SCR设备20的废气流12中的NOx和NH3的量，第二NOx/NH3传感器46指示排出SCR设备20的废气流12中的NOx和NH3的量。在实施过程中，控制模块26可以能够操作地耦合到图1中未示出的多个附加传感器中的一个，例如分别位于PF设备22的上游和下游的一对第一和第二压力传感器。基于从传感器38、40、42、44、46和/或48接收的输入信号以及其它输入信号，控制模块26输出还原剂喷射速率信号50，该信号被施加到阀32以控制由喷射器34喷射到流经管道16的废气流12中的还原剂的量。还原剂喷射速率信号50还充当到控制模块26的反馈输入信号。
图2示出了还原剂喷射速率控制系统的数据流图，该还原剂喷射速率控制系统可嵌入引擎控制模块26中并用于确定要施加到阀32的还原剂喷射速率信号50。喷射速率控制系统可包括嵌入控制模块26内的任何数量的子模块。除了从传感器38、40、42、44、46和/或48接收的输入信号外，喷射速率控制系统接收的输入信号还可从其它传感器、其它控制模块(未示出)和/或控制模块26内的其它子模块(未示出)接收。例如，喷射速率控制系统可从PF再生模块和/或车辆操作模块接收输入信号，该输入信号可指示聚积在PF设备22的基板36上的烟尘量、自PF设备22的上次再生事件以来的时间、自PF设备22的上次再生事件以来车辆行驶的距离和/或自PF设备22的上次再生事件以来引擎14燃烧的燃料量。
嵌入控制模块26中的喷射速率控制系统被配置为输出还原剂(例如尿素)喷射速率信号50，该还原剂喷射速率信号在实现SCR设备20内的最大NOx转化效率同时也限制AT系统10内聚积的还原剂沉积物的量这两者之间达到平衡，以避免对SCR设备20的NOx转化效率造成长期的负面影响。本文所公开的喷射速率控制系统不需要发起附加的再生事件来控制AT系统10内聚积的还原剂沉积物的量。也就是说，除了在引擎14操作期间由于烟尘在PF设备22的基板36上正常聚积而正常发生的再生事件以外，本文所公开的喷射速率控制系统不会增加PF设备22的再生事件的数量，其中PF设备22的再生仅在收集在PF设备22的基板36上的颗粒物的量达到阈值量时发起。
为了实现上述目标，当(i)SCR设备20的基板28的NH3储存浓度较低，(ii)SCR设备20的NOx转化效率保持较高，(iii)AT系统10内的尿素沉积物的估计总量较低，以及/或者(iv)PF设备22的基板36上的烟尘填塞接近100％时，喷射速率控制系统通常允许尿素沉积物在AT系统10内连续形成和积聚，这意味着PF设备22的再生事件将很快发生并且将具有消除AT系统10内任何聚积的尿素沉积物的效果。同时，当(i)SCR设备20的基板28的NH3储存浓度较高，(ii)AT系统10内的尿素沉积物的估计总量较高，(iii)SCR设备20的NOx转化效率降低，以及/或者(iv)PF设备22的基板36上的烟尘填塞较低时，喷射速率控制系统通常抑制或阻止尿素沉积物在AT系统10内连续形成和积聚，这意味着近期预计不会发生PF设备22的再生事件。基于上述参数，紧接在PF设备22的主动再生事件之后，控制模块26输出的喷射速率信号50可相对高，并且可允许相对高的尿素喷射速率，以在SCR设备20内实现最大NOx转化效率，而不会导致NH3逃逸。随着尿素沉积物的量在AT系统10中积聚，控制模块26输出的喷射速率信号50将逐渐降低，直到PF设备22的另一主动再生事件发生，或者直到AT系统10中的尿素沉积物的估计量由于AT系统10内的被动条件(例如，废气温度升高)而降低。
如图2中所示，嵌入控制模块26中的喷射速率控制系统可包括初始最小/最大喷射速率模块(最小/最大INJ速率模块)52、动态加权因子模块54、调整模块56和限制模块58。
最小/最大INJ速率模块52经由校准查找表确定基于输入信号64、66和68以及(任选地)70将还原剂(例如尿素)喷射到废气流12中的最小允许喷射速率(最小INJ速率)60和最大允许喷射速率(最大INJ速率)62(例如，以毫克/秒为单位，mg/s)。最小INJ速率60和最大INJ速率62表示初始最小和最大喷射速率，这些喷射速率的值将基于AT系统10的操作条件被分配不同的权重，并且随后用于确定控制模块26输出的最终喷射速率信号50。
输入信号64和66分别表示将还原剂沉积在管道16的内部表面上和/或SCR设备20的基板28上所需的最小沉积速率(最小DEP速率)和最大允许沉积(最大DEP速率)(例如，以mg/s为单位)。最小DEP速率64可为预设值并且可基于引擎14和/或AT系统10的物理参数和/或操作参数来选择。最大DEP速率66可通过嵌入控制模块26中的最大DEP速率模块72来计算，并且可基于SCR设备20的基板28的NH3储存浓度74。NH3储存浓度74可基于分别从第一和第二NOx/NH3传感器42、46、废气质量流速传感器38、废气温度传感器40和/或SCR基板温度传感器44接收的输入信号82、84来计算(例如，以百分比表示)。输入信号68表示废气流12的能量(例如，以焦耳/秒，J/s)，并且可由嵌入控制模块26中的废气能量模块76计算并且可基于废气质量流速信号78(从传感器38接收)和废气温度信号80(从传感器40接收)。可选的输入信号70表示从还原剂温度传感器48接收的还原剂供应源30的温度。
动态加权因子模块54基于输入信号84、86和88计算值在0到1范围内的无量纲动态加权因子82。输入信号84表示计算出的SCR设备20的实际NOx转化效率，该转化效率可基于分别从第一和第二NOx/NH3传感器42、46接收的输入信号82、84计算为百分比。输入信号86表示相比于会触发再生事件的烟尘填塞的阈值量在PF设备22的基板36上的估计烟尘填塞，并且可基于从PF再生模块和/或车辆操作模块接收的输入信号计算为百分比，其中输入信号可指示PF设备22的基板36上的测量压差、自PF设备22的上次再生事件以来的时间、自PF设备22的上次再生事件以来车辆行驶的距离和/或自PF设备22的上次再生事件以来引擎14燃烧的燃料量。输入信号88表示AT系统10中聚积的还原剂沉积物的总量(例如，以克g为单位)，并且可基于废气质量流速信号78(从传感器38接收)、废气温度信号80(从传感器40接收)、实际还原剂喷射速率信号50和/或还原剂温度信号70(从还原剂温度传感器48接收)来计算。
调整模块56基于从最小/最大INJ速率模块52接收的最小INJ速率60和最大INJ速率62以及从动态加权因子模块54接收的无量纲动态加权因子82来计算将还原剂喷射到废气流12中的加权喷射速率(加权INJ速率)90(例如，以mg/s为单位)。
动态加权因子82表示基于输入信号84、86和88在AT系统10的当前操作条件下最小INJ速率60和最大INJ速率62的相对重要性。动态加权因子82应用于调整模块56的子模块92中的最小INJ速率60并单独应用于最大INJ速率62，以分别获得最小喷射速率分量(最小INJ速率分量)94和最大喷射速率分量(最大INJ速率分量)96。动态加权因子82可根据以下公式分别应用于最小INJ速率60和最大INJ速率62：
INJcompA＝INJmin*(1-Kdwf)(1)
INJcompB＝INJmax*Kdwf(2)
其中INJcompA为最小INJ速率分量94，INJcompB为最大INJ速率分量96，Kdwf为动态加权因子82，INJmin为最小INJ速率60，INJmax为最大INJ速率62。最小INJ速率分量94和最大INJ速率分量96在调整模块56的求和点98处加在一起，以获得加权INJ速率90。
限制模块58通过比较从调整模块56接收的加权INJ速率90和最佳喷射速率(最佳INJ速率)100，然后在速率90和速率100之间选择最低喷射速率作为还原剂喷射速率信号50，从而确定要施加到喷射器32的还原剂喷射速率信号50。最佳INJ速率100指示喷射到废气流12中以在SCR设备20的基板28上实现最大NOx转化效率而不导致NH3逃逸(或不导致NH3逃逸量大于阈值量)的还原剂的最佳量。最佳INJ速率100可基于进入SCR设备20的废气流12中的NOx的量(即从第一NOx/NH3传感器42接收的输入信号82)和SCR设备20的基板28的NH3储存浓度74来计算。
以上对优选示例性实施方案、方面和具体示例的描述本质上仅为描述性的；它们并非旨在限制以下权利要求书的范围。除非在说明书中另有具体、明确的陈述，否则所附权利要求书中使用的每个术语均应被给出普通和惯用的含义。
