SCR催化剂中过量NHSUB3/SUB的存储控制.pdf

本发明涉及一种调整在排气后处理系统的催化剂中存储的NH3量的方法，其包括根据在催化剂的上游注入排气流的定量试剂的剂量率来确定输入催化剂中NH3的质量和确定催化剂输出的NH3质量。在催化剂中NH3的累积质量是根据输入催化剂中NH3的质量和催化剂输出的NH3质量来计算的。剂量率根据催化剂中NH3的累积质量来调整。

1、  一种调整在排气后处理系统的催化剂中存储的NH₃量的方法，该方法包括：
根据在催化剂的上游注入排气流的定量试剂的剂量率来确定输入催化剂中NH₃的质量；
确定催化剂输出的NH₃质量；
根据所述输入催化剂中NH₃的质量和催化剂中所述的NH₃的输出质量来计算在催化剂中NH₃的累积质量；和
根据催化剂中所述的NH₃的累积质量来调整剂量率。

2、  如权利要求1所述的方法，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据分别位于催化剂上游和下游的NO_X传感器产生的信号来确定。

3、  如权利要求1所述的方法，其中该方法进一步包括根据催化剂的温度来确定催化剂的转化效率，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据基准剂量率和转化效率来确定。

4、  如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
监测催化剂的温度；和
当所述催化剂的温度超过临界温度时，设置催化剂中所述的NH₃的累积质量等于零。

5、  如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括根据催化剂的温度来确定催化剂的最大NH₃存储质量，其中所述的剂量率根据所述的NH₃的最大存储质量来调整。

6、  如权利要求5所述的方法，该方法进一步包括根据催化剂中所述的NH₃的累积质量和所述的NH₃的最大存储质量来计算过量NH₃存储的比率，其中所述的剂量率根据所述过量NH₃存储的比率来调节。

7、  如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括根据所述的过量NH₃存储的比率来确定调整因素，其中所述的剂量率根据所述的调整因素来调节。

8、  如权利要求6所述的方法，其中调节所述的定量试剂以保持所述的过量NH₃存储的比率小于1。

9、  一种调整其催化剂中存储的NH₃量的排气后处理系统，该系统包括：
第一模块，用来根据在催化剂上游的注入排气流的定量试剂的剂量率来确定输入催化剂中NH₃的质量；
第二模块，用来确定催化剂输出的NH₃质量；
第三模块，用来根据催化剂中所述的NH₃的输入质量和催化剂中所述的NH₃的输出质量来计算在催化剂中NH₃的累积质量；和
第四模块，用来根据催化剂中所述的NH₃的累积质量来调整剂量率。

10、  如权利要求9所述的排气后处理系统，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据分别位于催化剂上游和下游的NO_X传感器产生的信号来确定。

11、  如权利要求9所述的排气后处理系统，该系统进一步包括第五模块，用来根据催化剂的温度来确定催化剂的转化效率，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据基准剂量率和转化效率来确定。

12、  如权利要求9所述的排气后处理系统，该系统进一步包括用来监测催化剂温度的温度传感器，其中，当所述催化剂的温度超过临界温度时，第四模块设置催化剂中所述的NH₃的累积质量等于零。

13、  如权利要求9所述的排气后处理系统，该系统进一步包括第五模块，用来根据催化剂的温度来确定催化剂的最大NH₃存储质量，其中根据所述的NH₃的最大存储质量来调整所述的剂量率。

14、  如权利要求13所述的排气后处理系统，该系统进一步包括第六模块，用来根据催化剂中所述的NH₃的累积质量和所述的NH₃的最大存储质量来计算过量NH₃存储的比率，其中所述的剂量率根据过量NH₃存储的比率来调节。

15、  如权利要求14所述的排气后处理系统，该系统进一步包括第七模块，用来根据所述的过量NH₃存储的比率来确定调整因素，其中根据所述的调整因素来调节所述的剂量率。

16、  如权利要求14所述的排气后处理系统，其中调节所述的定量试剂以保持所述的过量NH₃存储的比率小于1。

17、  一种调整在排气后处理系统的催化剂中存储的NH₃量的方法，该方法包括：
根据催化剂的上游注入排气流的定量试剂的剂量率来确定输入催化剂中NH₃的质量；
确定催化剂输出的NH₃质量；
根据所述的输入催化剂中NH₃的质量和所述的催化剂输出的NH₃质量来计算在催化剂中NH₃的累积质量；
确定催化剂的最大NH₃存储质量；
根据所述的NH₃的最大存储质量和所述的催化剂中NH₃的累积质量来计算过量NH₃存储的比率；和
根据所述的过量NH₃存储的比率来调节所述的剂量率，以保持所述的过量NH₃存储的比率小于1。

18、  如权利要求17所述的方法，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据分别位于催化剂上游和下游的NO_X传感器产生的信号来确定。

19、  如权利要求17所述的方法，该方法进一步包括根据催化剂的温度来确定催化剂的转化效率，其中所述的催化剂输出的NH₃质量根据基准剂量率和转化效率来确定。

20、  如权利要求17所述的方法，该方法进一步包括：
监测催化剂的温度；和
当所述催化剂的温度超过临界温度时，设置催化剂中所述的NH₃的累积质量等于零。

21、  如权利要求17所述的方法，该方法进一步根据催化剂的温度和催化剂的体积中的至少一个来确定所述的NH₃的最大存储质量。

22、  如权利要求21所述的方法，该方法进一步包括根据所述的过量NH₃存储的比率来确定调整因素，其中所述的剂量率根据所述的调整因素来调节。

SCR催化剂中过量NH₃的存储控制
技术领域
本发明公开涉及排气处理系统，并且更具体的是涉及一种含有选择性催化还原(SCR)催化剂(catalyst)的排气处理系统中的过量NH₃存储控制。
背景技术
这部分的内容只是提供有关当前公开的背景信息并不可能组成在先技术。
内燃机燃烧空气和燃料的混合物以产生传动力矩。燃烧过程产生的废气从发动机中排入大气。废气包括氮氧化物(NO_X)、二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)和颗粒。NO_X是用来描述主要由一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)组成的废气的术语。排气后处理系统处理废气以便在废气释放到大气之前降低其排放量。在示例的排气后处理系统中，计量系统将定量试剂(dosing agent)(如尿素)在选择性催化还原(SCR)催化剂的上游注入排气中注入。排气和定量试剂的混合物在SCR催化剂上反应以降低释放到大气的NO_X的量。
定量试剂与NO_X在SCR催化剂上反应以便实现NO_X的减少。更具体地，定量试剂分解形成氨(NH₃)，它是与NO_X反应中的还原剂。以下示例的化学关系式描述了NO_X的还原：
4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O
4NH₃+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O
3NO₂+4NH₃→3.5N₂+6H₂O
为了完成上述NO_X的还原，SCR催化剂要在其中存储NH₃。为了有效使用SCR催化剂，NH₃的存储水平必须保持在一个合理的水平。更具体地，NO_X的还原或转化效率都取决于NH₃的存储水平。为了在不同的操作条件下保持高的转化效率，必须要保持NH₃的存储。但是，当SCR催化剂的温度升高时，NH₃的水平必须降低以避免NH₃的流失(如从SCR催化剂中释放出过量的NH₃)，这样会降低催化剂的转化效率。
发明内容
因此，本发明公开提供了一种调整排气后处理系统的催化剂中NH₃的存储量的方法。该方法包括根据在催化剂的上游注入排气流的定量试剂的剂量率(dosing rate)来确定输入催化剂中NH₃的质量和确定催化剂输出的NH₃质量(即在催化剂中的消耗)。在催化剂中NH₃的累积质量是根据输入催化剂中NH₃的质量和催化剂输出的NH₃质量来计算的。根据催化剂中NH₃的累积质量来调整剂量率。
在一个特征中，催化剂输出的NH₃质量根据分别位于催化剂上游和下游的NO_X传感器产生的信号来确定。
在另一个特征中，该方法进一步包括根据催化剂的温度来确定催化剂的转化效率。催化剂输出的NH₃质量根据基准剂量率(base dosing rate)(如化学计量的)和转化效率来确定。
在另一特征中，该方法进一步包括监测催化剂的温度并且当催化剂的温度超过临界温度时设置催化剂中NH₃的累积质量等于零。在这样的方式中，说明了其中的催化剂不具有任何存储潜力的操作区域。
在其它的特征中，该方法进一步包括根据催化剂的温度确定催化剂的最大NH₃存储质量。剂量率根据NH₃的最大存储质量来调整。过量NH₃存储的比率根据催化剂中NH₃的累积质量和NH₃的最大存储质量来计算，其中剂量率根据过量NH₃存储的比率来调节。例如，调整因素(adjustment factor)根据过量NH₃存储的比率来确定，其中剂量率根据所述调整因素来调节。调节定量试剂以保持过量NH₃存储的比率小于1。
从这里的描述可以看出其进一步的适用范围。可以理解本发明的描述和具体实施例仅仅用来说明发明的目的，而并不限制本发明所公开的范围。
附图说明
这里描写的附图仅仅用来说明发明的目的，而并不限制本发明以任何方式所公开的范围。
图1是具有排气处理系统的发动机系统的功能框图，其中所述排气系统包括选择性催化还原(SCR)催化剂；
图2是说明本发明公开的过量NH₃存储控制所执行的示例步骤的流程图；
图3是过量NH₃的存储控制所执行的示例模块的功能框图；
图4是用来确定进入SCR催化剂中NH₃的累积值的示例模块的功能框图；
图5A是用来确定排出SCR催化剂中NH₃的累积值的示例模块的功能框图；
图5B是用来确定排出SCR催化剂中NH₃的累积值的示例的、可选的模块的功能框图；和
图6是依照本发明所公开的过量NH₃存储控制的用来确定过量NH₃的存储倍增器的示例模块功能框图。
发明详细描述
以下的说明仅仅是本质上的示例，而并不限制本发明的公开、应用或使用。为了清楚的目的，同样的参考号码在附图中用来表示同一元件。这里所使用的术语模块涉及特定功能集成电路(ASIC)、电子电路、执行一或多个软件或固件程序的处理机(共享的、专用的、或组)和存储器、组合逻辑电路、或其它提供所述功能的适合的元件。
现在参考图1，图表式地说明了一个示例的车辆系统10。车辆系统10包括发动机系统12和排气后处理系统14。发动机系统12包括具有汽缸18、进气歧管20和排气歧管22的发动机16。空气通过节流阀24流入进气歧管20。空气与燃料混合并且空气和燃料的混合物在汽缸18中燃烧以驱动活塞(未标出)。尽管图示了一个汽缸18，但是可以想到发动机12可以包括额外的汽缸18。例如，具有2、3、4、5、6、8、10、12和16个汽缸的发动机都是可预料的。从燃料源26中提供燃料并使用喷射器28注入到空气流中。燃料水平传感器30对于燃料源26中燃料的数量是很灵敏的。可以预料，本发明所公开的内容可以用于稀薄燃烧汽油发动机和柴油机。
通过燃烧过程产生废气并且废气从汽缸18中排出到排气歧管22中。排气后处理系统14处理流经的废气以便在其释放到大气之前降低排放量。排气后处理系统14包括计量系统32、柴油氧化催化剂(DOC)34、NO_X传感器36、NO_X传感器37和用来当作选择性催化还原(SCR)催化剂的催化剂(器)38。
相对于催化剂(器)38来说，NO_X传感器36作为上游NO_X传感器和NO_X传感器37作为下游NO_X传感器。NO_X传感器36、37都对于废气中NO_X的水平很敏感并且之后立即分别产生信号。上游NO_X的质量流率(mass flow rate)()根据NO_X传感器36产生的信号来确定。同样地，下游NO_X的质量流率()也根据NO_X传感器37产生的信号来确定。
温度传感器T_A、T_B和T_C都位于沿着排放通道上不同的点。例如，温度传感器T_A位于DOC34的上游，温度传感器T_B位于催化剂38的上游和温度传感器T_C位于催化剂38的下游。DOC34与废气反应以降低废气的排放量。也可以预料到柴油颗粒过滤器(DPF)40可以位于催化剂30的下游过滤柴油颗粒以进一步降低排放量。颠倒SCR催化剂和DPF的顺序也是可以预料的。
计量系统(dosing system)32包括定量试剂喷射器42、定量试剂存储槽44和定量试剂供应传感器46。计量系统32将定量试剂(如尿素)选择性地注入排气流以进一步降低排放量。更具体地，注入到排气流中定量试剂的速度()通过这里描述的一或多个不同的传感器产生的信号来确定。废气和定量试剂的混合物在催化剂38中反应以进一步降低废气的排放量。
控制模块50通过本发明公开的过量NH₃的存储控制来调节定量试剂的流速。过量NH₃的存储控制器会保持监控输入(m_NH3IN)和输出(m_NH3OUT)催化剂38的NH₃的质量。此外，过量NH₃的存储控制器根据计算的存储量根据催化剂38的最大NH₃存储能力(m_NH3MAX)作出校正。
m_NH3IN基于定量试剂或还原剂(如尿素)的输入质量流率(即)来确定。是已知的并且通过上游NO_X传感器36产生的信号来确定。m_NH3IN进一步通过排气流速来确定，排气流速通过MAF、已知燃料的流速和其他常数来计算。m_NH3OUT是在催化剂38中与NO_X反应的NH₃量，并且该量通过和时间增量(dt)之间的差分来计算。常数的设定用来将这种差分转化成催化剂38的NH₃输出质量(m_NH3OUT)(即消耗的NH₃)。m_NH3IN和m_NH3OUT的差分(Δm_NH3)作为在催化剂38中存储的NH₃质量。
存储的NH₃(Δm_NH3)与m_NH3MAX相比较，其中m_NH3MAX根据催化剂38的温度(T_CAT)来确定。调节m_NH3IN以保持Δm_NH3在m_NH3MAX的期望百分比。在一个实施例中，采用单一比率(i_EXCESNH3)。在另一个实施例中，闭环控制选点作为m_NH3MAX的一部分。这样，由热瞬变引起的从催化剂38中NH₃的释放可以被降低。
根据，以g/hour来计，定量试剂的浓度(DA_CONC)，定量试剂的分子量(DA_MW)(如在尿素的存在下，60.06g/mol)，NH₃的分子量(NH3_MW)(如17.031g/mol)和关于NH₃的定量试剂的分解系数(k_DEC)来计算NH₃输入催化剂38的质量流率()(如g/s)。DA_CONC以定量试剂占定量试剂溶液的百分比(如32.5％表示1份的定量试剂溶液中含有0.325份的定量试剂)来确定。k_DEC以每摩尔定量试剂中NH₃的摩尔数来规定(如，以尿素为例，1mol的尿素分解成2mol的NH₃；k_DEC＝2)。根据下面的关系式来计算：
m·NH3IN(g/s)m·DA·DACONC·kDEC·NH3MW3600·DAMW---(1)]]>
其中3600是每小时到秒的时间转化系数(k_TIME)。
(如，以g/s来计)是在催化剂38中消耗的NH₃的质量流率并且根据以g/s来计的、以g/s来计的、NO_X的分子量(NO_XMW)和NH3_MW(如17.031g/mol)来计算。NO_XMW是变量，但是任意的NO_XMW都可以使用(如NO₂＝46.055g/mol)，因为它可以在这里描述的关系式中相互抵消。
根据下面的关系式来计算：
m·NH3OUT=[m·NOXUS-m·NOXDS]NH3MW·XmolNH3NOxMW·1moleNOx---(2)]]>
X根据NO₂的上游百分比从1到1.333变化。和都根据下面的关系式来计算：
m·NOXUS,DS=NOx(1ppm)·10-6(molNOx/molEhaust)·NOxMW·m·EXHEXHMW---(3)]]>
其中是排气的质量流率和EXH_MW是排气的分子量(如用g排气/mol排气来计)。
和都乘以时间增量(dt)(如1秒)以分别提供m_NH3IN和m_NH3OUT，它们都用克计。Δm_NH3以m_NH3IN和m_NH3OUT的差来确定并且认为Δm_NH3是存储在催化剂38中过量的NH₃。对Δm_NH3(如，在计算Δm_NH3之前或者m_NH3IN和m_NH3OUT)积分以提供随着时间的累积值(Δm_NH3CUM)。Δm_NH3CUM乘以m_NH3MAX得到i_EXCSNH3。
i_EXCSNH3用作查询表的输入以查取过量存储的累积值(k_EXCSSTORE)，该值反馈到控制模块50调整。查询表在存储器中储存并且用这样的方式校准以使在NH3_STOREMAX的某期望存储比率(i_DSR)下k_EXCSSTORE等于1。例如，如果i_EXCSNH3比i_DSR低，那么设置的k_EXCSSTORE要大于1并且反之亦然。在一个实施例中，这个功能是用反馈控制系统(如PID控制模块)来实现的。
控制i_DSR完全低于1以便避免发生NH₃的流失。为了降低累积误差，在没有产生大量的NH₃存储的高温催化操作中(即当T_CAT大于临界温度(T_THR))，Δm_NH3CUM将重新设置。催化温度(T_CAT)根据温度传感信号(如从一个或多个温度传感器T_A，T_B，T_C和/或与催化剂一体化的温度传感器(图中未标出))来确定。因为T_CAT增加NH3_STOREMAX降低，因此使得i_EXCSNH3升高。这会导致较少的定量试剂计量到催化剂38中并且因此减少了的NH₃。过重新设置Δm_NH3CUM，可以减少从催化剂38所释放的NH₃。
如上文所述，NH3_STOREMAX是在给定的T_CAT下最大可能存储的NH₃。下文描述的是确定NH3_STOREMAX的方法。催化剂38，和它的排气后处理系统，在恒温下稳定并且催化剂用所有存储的NH₃清洗(即通过在催化剂中不提供定量试剂，和因此无输入的NH₃)。这样，Δm_NH3CUM重新设置到0g。在某一时间(t₀)，根据过量NH₃与NO_X的摩尔比率来阻止定量试剂的供应从而阻止NH₃的供应。下游NO_X传感器37和上游NO_X传感器36的转化效率在最大值稳定并且在某较后的时间(t₁)将会开始降低(即当下游NO_X传感器37检测NH₃时)。此时，读出Δm_NH3CUM以提供大致的NH3_STOREMAX的值。转化效率根据下面的关系式来计算：
%CONV=[NOxUS-NOxDSNOxUS]·100%---(4)]]>
参考图2，将详细描述由过量NH₃控制器实现的示例步骤。在步骤200中，控制器确定T_CAT是否大于T_THR。如果T_CAT大于T_THR，在步骤202中控制器设置Δm_NH3CUM等于0并且回送到步骤200中。如果T_CAT低于T_THR，在步骤204中控制器确定m_NH3IN。在步骤206中，控制器确定m_NH3OUT。在步骤208中，控制器确定Δm_NH3CUM。在步骤210中，控制器确定m_NH3MAX。
在步骤212中，控制器根据m_NH3MAX和Δm_NH3CUM来计算i_EXCSNH3。在步骤214中，控制器根据i_EXCSNH3来确定k_EXCSSTORE。在步骤216中控制器根据k_EXCSSTORE来调整并且控制器停止。但是，可以预料，当发动机运行时，上文描述的示例控制器将会在预定时间间隔和速率下继续通过步骤200循环到216中。
参考图3，将详细描述执行过量NH₃控制器的示例模块。示例模块包括m_NH3IN模块300、m_NH3OUT模块302、求和模块304、定量试剂控制模块306和比较模块308。如上文描述的，m_NH3IN模块300根据来确定m_NH3IN。如上文描述的以及下文关于图5A的详细描述，m_NH3OUT模块302根据的和来确定m_NH3OUT。可选地，如下文关于图5B的进一步详细描述，m_NH3OUT模块302根据的来确定m_NH3OUT。是化学计量的NH₃的量。
求和模块304确定m_NH3IN和m_NH3OUT的差量Δm_NH3。定量试剂控制模块306监测Δm_NH3CUM并且在此基础上调整。如上文所述的，定量试剂控制模块306也可以根据对比模块308的信号选择重新设置Δm_NH3CUM。更特别地，对比模块308将T_CAT与T_THR进行对比。如果T_CAT高于T_THR，对比模块308的信号会显示需要重新设置Δm_NH3CUM。如果T_CAT低于T_THR，对比模块308的信号会显示不需要重新设置Δm_NH3CUM。
参考图4，将详细描述用来计算m_NH3IN的示例模块。示例模块包括第一乘法模块400，第一除法模块402，第二和第三单独的乘法模块404、406，第二除法模块408、第四乘法模块410和加法模块412。如上文所述，模块400、402、404、406、408根据关系式1处理、DA_CONC、DA_MW、k_DEC、NH3_MW和k_TIME以提供。第四乘法模块410用dt乘以以提供m_NH3IN。可任选地，加法模块412累积m_NH3IN的值以提供累积的m_NH3IN(m_NH3INCUM)。
参考图5A，将详细描述用来计算m_NH3OUT的示例模块。示例模块包括求和模块500，除法模块502，第一、第二和第三乘法模块单独的504、505、506，和加法模块508。模块500、502、504、505处理、NOx_MW和NH3_MW以提供。第三乘法模块506用dt乘以以提供m_NH3OUT。可任选地，加法模块508累积m_NH3OUT的值以提供累积的m_NH3OUT(m_NH3CUM)。我们再次指出，NO_X和NH₃之间的摩尔比率X根据上游NO₂的％在1到1.333之间变化。
关于图5B，将详细描述用来计算m_NH3OUT的可选的示例模块。正如下文进一步描述的一样，示例模块最初根据和催化剂的转化效率(CE(％))来计算。CE(％)根据包括，但不限于T_CAT、空速和NO₂比率的很多因素来确定。
示例模块包括第一乘法模块510，第一除法模块512，第二、第三和第四乘法模块单独的514、516、517，第二除法模块518、第五乘法模块520、第三除法模块522、第六乘法模块524和加法模块526。如上文所述的，模块510、512、514、516、517、518根据关系式1处理、DA_CONC、DA_MW、k_DEC、NH3_MW和k_TIME以提供。第三除法模块用CE(％)除以100以提供转化效率的小数值，然后它在第五乘法模块520中乘以以提供。第六乘法模块524用dt乘以以提供m_NH3OUT。可任选地，加法模块526累积m_NH3OUT的值以提供m_NH3OUTCUM。再次，NO_X和NH₃之间的摩尔比率X根据上游NO₂的％在1到1.333之间变化。
参考图6，将详细描述用来计算k_EXCSSTORE的示例模块。示例模块包括m_NH3MAX模块600，加法模块602，除法模块604和k_EXCSSTORE模块606。如上文所述的，m_NH3MAX模块600根据T_CAT和V_CAT来确定m_NH3MAX。加法模块602累积Δm_NH3的值以提供Δm_NH3CUM。但是，因为加法模块412和508、526根据m_NH3INCUM和m_NH3OUTCUM将会提供Δm_NH3CUM，所以，如果包括图4和5A、5B中的加法模块412和508、526，加法模块602可以放弃。如果没有提供加法模块412和508、526，那么就要提供加法模块602。除法模块604以Δm_NH3CUM和m_NH3MAX的比率来确定i_EXCSNH3。如上文所述的，k_EXCSSTORE模块606确定k_EXCSSTORE。
本领域技术人员由前面描述可以理解，本发明的主要的教导可以以各种方式实施。因此，，当用其中的具体实施例来描述本发明时，本发明的真实范围并不能限制在其范围内，因为本领域技术人员在研究附图、说明书和以下权利要求的基础上得到其它改变是非常明显的。