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CN101994556A - 用于控制选择性催化还原系统的系统和方法 - Google Patents

用于控制选择性催化还原系统的系统和方法 Download PDF

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CN101994556A CN2010102488384A CN201010248838A CN101994556A CN 101994556 A CN101994556 A CN 101994556A CN 2010102488384 A CN2010102488384 A CN 2010102488384A CN 201010248838 A CN201010248838 A CN 201010248838A CN 101994556 A CN101994556 A CN 101994556A
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Abstract

本发明涉及用于控制选择性催化还原系统的系统和方法。具体地，一种发动机系统包括时效因子发生模块、温度比较模块和模式控制模块。时效因子发生模块产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子。温度比较模块分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子。模式控制模块在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。

Description

用于控制选择性催化还原系统的系统和方法
技术领域
本发明涉及发动机排放控制系统，更具体地涉及用于柴油发动机的选择性催化还原(SCR)系统。
背景技术
本文所提供的背景技术描述目的在于从总体上呈现本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在本背景技术部分所描述的范围内以及在申请日时可能不作为现有技术的那些描述的方面，都既不明示也不暗示地确认为是相对本公开而言的现有技术。
柴油发动机使空气/燃料(A/F)混合物在汽缸内燃烧并驱动活塞，而活塞可旋转地驱动曲轴以产生驱动扭矩。A/F混合物的燃烧产生排气，排气包括氮氧化物(NOx)。因此，柴油发动机系统可包括排气后处理系统，排气后处理系统使排气中的NOx分解。例如，排气后处理系统可包括柴油氧化催化剂(DOC)，柴油微粒滤清器(DPF)和/或选择性催化还原(SCR)系统。
在SCR过程中，当配料系统将配料剂(dosing agent)喷入烟道或待吸收到SCR催化剂上的排气流中时，NOx与还原剂反应。例如，从配料剂而来的还原剂可以是氨(NH3)，而氨(NH3)可以是无水氨、含水氨或者尿素。换句话说，被喷射的配料剂(例如尿素)可分解以形成与NOx反应的氨(NH3)。下面的示例性化学关系可表示NOx的还原：
4NO+4NH3+O2→4N2+H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
SCR过程可显著降低NOx，生成水蒸汽(H2O)和氮气(N2)。
然而，SCR要求最小温度以有效工作(即最小有效温度)。换句话说，当SCR系统以低于最小有效温度的温度工作时，NOx的还原可能不充分。另外，当NOx还原不完全时，未反应的氨(NH3)可被释放到排气流中。这可被称为“氨泄漏”(ammonia slip)，并且可对排放具有负面影响。
发明内容
一种发动机系统包括时效因子发生模块、温度比较模块和模式控制模块。时效因子发生模块产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子。温度比较模块分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子。模式控制模块在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
一种方法，包括：产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子；分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子；并且在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
通过本文后面提供的详细描述将明了本公开进一步的应用领域。应当理解的是，这些详细描述和特定示例仅仅用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。
本发明还提供了如下方案：
1.一种发动机系统，包括：
时效因子发生模块，其产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子；
温度比较模块，其分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子；和
模式控制模块，其在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
2.如方案1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
预定入口温度发生模块，其基于对应于所述时效因子的第一多个预定入口温度来产生所述预定有效入口温度。
3.如方案2所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
预定出口温度发生模块，其基于对应于所述时效因子的第二多个预定温度来产生所述预定有效出口温度。
4.如方案3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度加上所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度减去所述时效因子。
5.如方案3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度乘以所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度除以所述时效因子。
6.如方案3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，基于时效因子并且基于关于所述初始的预定有效入口和出口温度以及所述时效因子的预定函数。
7.如方案1所述的发动机系统，其特征在于，所述模式控制模块在所述入口和输出温度中的一个分别低于所述预定有效入口和出口温度时基于第二预定A/F比控制所述节气门和所述多个燃料喷射器中的至少一个。
8.如方案7所述的发动机系统，其特征在于，所述第一预定A/F比小于所述第二预定A/F比。
9.如方案1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
SCR系统，其中所述SCR系统在所述SCR系统的所述入口和出口温度高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时将配料剂喷入排气流中。
10.如方案1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
柴油氧化催化剂(DOC)，其与来自发动机的排气反应并且产生微粒，其中，所述DOC位于沿排气流相对于所述SCR系统的上游；和
柴油微粒滤清器(DPF)，其对所述DOC产生的所述微粒进行过滤，其中，所述DPF位于沿所述排气流相对于所述SCR系统的上游并且位于沿所述排气流相对于所述DOC的下游。
11.一种方法，包括：
产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子；
分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子；并且
在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
12.如方案11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
基于对应于所述时效因子的第一多个预定入口温度来产生所述预定有效入口温度。
13.如方案12所述的方法，其特征在于，进一步包括：
基于对应于所述时效因子的第二多个预定温度来产生所述预定有效出口温度。
14.如方案13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度加上所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度减去所述时效因子。
15.如方案13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度乘以所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度除以所述时效因子。
16.如方案13所述的方法，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，基于时效因子并且基于关于所述初始的预定有效入口和出口温度以及所述时效因子的预定函数。
17.如方案11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述入口和输出温度中的一个分别低于所述预定有效入口和出口温度时基于第二预定A/F比控制所述节气门和所述多个燃料喷射器中的至少一个。
18.如方案17所述的方法，其特征在于，所述第一预定A/F比小于所述第二预定A/F比。
19.如方案11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述SCR系统的所述入口和出口温度高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时利用所述SCR系统将配料剂喷入排气流中。
20.如方案11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
使柴油氧化催化剂(DOC)与来自发动机的排气反应并且产生微粒，其中，所述DOC位于沿排气流相对于所述SCR系统的上游；并且
利用柴油微粒滤清器(DPF)对所述DOC产生的所述微粒进行过滤，其中，所述DPF位于沿所述排气流相对于所述SCR系统的上游并且位于沿所述排气流相对于所述DOC的下游。
附图说明
根据详细描述和附图，本公开将得到更加全面的理解，附图中：
图1是曲线图，示出了从典型最小有效温度校准的能量损耗；
图2是根据本公开的发动机系统的功能方框图；
图3是根据本公开的控制模块的功能方框图；以及
图4是根据本公开操作发动机的方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不试图以任何方式限制本公开、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是逻辑“A或B或C”的含义，其中使用了非排他的逻辑或。应当理解的是，在不改变本公开原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。
如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适合部件。
现在参见图1，选择性催化还原(SCR)系统的最小有效温度在SCR系统的寿命期间可升高。换句话说，在SCR系统可用寿命末期所需要的最小有效温度可高于新的SCR系统所需要的最小有效温度。因此，SCR系统可包括校准系统以补偿SCR系统寿命期间最小有效温度的变化。
发动机系统通常使发动机以低效率模式(即SCR预热模式)工作，直到达到最小有效温度。例如，低效率模式可包括使发动机系统利用比普通所用的更富燃的A/F混合物工作。然而，为了排放目的，可利用对应于SCR系统全部可用寿命(即完全地被使用的SCR系统)的最小有效温度来校准典型的发动机控制系统。换句话说，最小有效温度可被校准为“最差情况”的温度。因此，由于SCR系统大部分寿命期间的过度加热，这种校准可导致能量浪费。
因此，本文给出了用于在SCR系统整个寿命期间动态校准SCR系统的最小有效温度的系统和方法。该用于动态校准SCR系统的最小有效温度的系统和方法可改善燃料经济性，减小噪音/振动/尖鸣(NVH)，降低排放和/或提高性能。
现在参见图2，示出了发动机系统10。发动机系统10包括柴油发动机12和排气处理系统14。发动机12包括多个汽缸16、进气歧管(IM)18和排气歧管(EM)20。
空气通过节气门22流入进气歧管18。空气与燃料混合并且空气和燃料(A/F)混合物在汽缸16内燃烧以驱动活塞(未示出)。尽管示出了六个汽缸16，但发动机12也可包括2、3、4、5、8、10、12或16个汽缸。燃料可从燃料轨24提供并且可利用燃料喷射器26被喷入空气流中。
燃烧过程(例如压缩点燃)产生排气，并且排气从汽缸16被排放到排气歧管20中。发动机系统10可包括排气再循环(EGR)系统28，排气再循环系统28使排气循环回到进气歧管18。在排气被释放到大气中之前，排气处理系统14对排气进行处理以降低排放。
排气处理系统14可包括配料系统30、柴油氧化催化剂(DOC)32、第一NOx传感器34、选择性催化还原(SCR)催化剂36、第二NOx传感器38和柴油微粒滤清器(DPF)40。DOC 32与排气反应以降低排气的排放水平。DPF 40对柴油微粒进行过滤以进一步降低排放。
另外，排气处理系统14可包括温度传感器TA42、TB44、TC46和TD48(共同称为温度传感器42-48)，这些传感器位于沿排放路径的各个点。例如，温度传感器TA42可位于DOC 32的上游，温度传感器TB44可位于SCR催化剂36的上游，温度传感器TC46可位于SCR催化剂36的下游(即，DPF 40的上游)，而温度传感器TD48可位于DPF 40的下游。例如，温度传感器42-48可用于排气处理系统14的基于反馈的控制。
配料系统30包括配料剂喷射器50、配料剂存储罐(DA)52和配料剂供应传感器54。配料系统30将配料剂(例如尿素)选择性地喷入排气流以进一步降低排放。可基于来自一个或多个本文描述的各种传感器的反馈来控制将配料剂喷入排气流的喷射速率。例如，NOx传感器34、38可用于确定NOx转化效率，从而确定配料剂喷射器50将要施加的配料剂量。然后，排气和配料剂混合物可在SCR催化剂36中反应以进一步降低排气排放。
在发动机启动之后，控制模块60可使发动机系统10以特殊工作模式(即SCR预热模式)工作，而后切换到正常的工作模式(即正常工作模式)。更特别地，SCR预热模式可以是用于快速加热SCR催化剂36的低效工作模式。例如，SCR预热模式可包括比对应于正常工作模式的A/F混合物更富燃的A/F混合物。
在SCR预热模式期间，控制模块60监视SCR催化剂36的输入和输出温度(分别为TB44和TC46)。控制模块60可确定何时输入温度TB44和输出温度TC46均高于预定的最小有效温度阈值，下面将进一步描述。当上述条件为真时，控制模块60可将发动机系统10的工作转换到正常工作模式。正常工作模式可包括预定的A/F比以优化燃料经济性、排放和/或性能。
现在参见图3，更详细地示出了控制模块60。控制模块60可包括时效因子发生模块70、温度比较模块80和模式控制模块90。温度比较模块80可进一步包括最小入口温度发生模块82和最小出口温度发生模块84。
时效因子发生模块70基于SCR催化剂36的时效产生时效因子。例如，SCR催化剂36的时效可对应于SCR催化剂36的退化量。换句话说，由于温度变化、过度温度、暴露于尿素中等，SCR催化剂36可随时间变化。
温度比较模块80从时效因子模块70接收时效因子。温度比较模块80还接收分别对应于SCR催化剂36的入口温度和出口温度的温度信号TB44和TC46。
温度比较模块80基于时效因子产生SCR催化剂36的最小有效入口和出口温度。更特别地，最小入口温度发生模块82可基于时效因子产生最小有效入口温度。另外，最小出口温度发生模块84可基于时效因子产生最小有效出口温度。在一个实施例中，最小入口温度发生模块82和最小出口温度发生模块84可包括查找表，该查找表包括对应于不同时效因子的预定温度阈值。
然后，温度比较模块80将所产生的最小有效入口温度TMEI与温度信号TB44进行比较，并且将所产生的最小有效出口温度TMEO与温度信号TC46进行比较。当两个温度信号TB44、TC46均大于或等于对应的温度阈值时，温度比较模块80可产生正常工作模式使能信号。更特别地：
TB≥TMEI且TC≥TMEO，则进入正常模式
否则进入SCR预热模式
模式控制模块90从温度比较模块80接收正常工作模式使能信号。当正常工作模式使能信号处于第一状态时，模式控制模块90可继续使发动机系统10以SCR预热模式工作。例如，第一状态可以是低信号(即0)。当正常工作模式使能信号处于第二状态时，模式控制模块90可使发动机系统10开始以正常工作模式工作。例如，第二状态可以是高信号(即1)。
SCR预热模式可包括对应于低效发动机工作和SCR催化剂36的较快加热的第一预定A/F比。正常工作模式可包括对应于优化性能和/或效率的第二预定A/F比。例如，第一预定A/F比可小于第二预定A/F比(即第一预定A/F比可为更富燃的A/F混合物)。
现在参见图4，流程图示出了控制模块60所执行的步骤在步骤100中开始。在步骤102中，控制模块60确定发动机12是否已经启动。如果否，则控制方法可返回到步骤102。如果是，则控制方法可前进到步骤104。
在步骤104中，控制模块60开始使发动机系统10以SCR预热模式工作。在步骤106中，控制模块60基于SCR催化剂36的时效(即退化)产生时效因子。在步骤108中，控制模块60基于时效因子产生最小有效入口温度和最小有效出口温度(分别为TEMI和TEMO)。
在步骤110中，控制模块60将SCR催化剂36的入口和出口温度(分别为TB44和TC46)与所产生的最小有效入口温度和出口温度(分别为TEMI和TEMO)进行比较。如果两个温度TB44和TC46均大于或等于最小有效入口和出口温度(分别为TEMI和TEMO)，则控制方法可前进到步骤112。否则，控制方法可返回到步骤110。
在步骤112中，控制模块60可对发动机系统10的工作模式进行切换。换句话说，控制模块60可将工作模式从SCR预热模式切换到正常工作模式，并且控制方法可在步骤114中结束。
本领域技术人员现在从前面的描述能够意识到本公开的广泛教导可按照多种形式实施。因此，尽管本公开包括了具体示例，但本公开的真实范围却不应当限于这些具体示例，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明白其他的修改。

Claims (10)

1.一种发动机系统，包括：
时效因子发生模块，其产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子；
温度比较模块，其分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子；和
模式控制模块，其在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
2.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
预定入口温度发生模块，其基于对应于所述时效因子的第一多个预定入口温度来产生所述预定有效入口温度。
3.如权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
预定出口温度发生模块，其基于对应于所述时效因子的第二多个预定温度来产生所述预定有效出口温度。
4.如权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度加上所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度减去所述时效因子。
5.如权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，并且基于下面两种方式中的一种：将所述初始的预定有效入口和出口温度乘以所述时效因子以及将所述初始的预定有效入口和出口温度除以所述时效因子。
6.如权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，所述第一和第二多个预定温度分别基于初始的预定有效入口温度和初始的预定有效出口温度，基于时效因子并且基于关于所述初始的预定有效入口和出口温度以及所述时效因子的预定函数。
7.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，所述模式控制模块在所述入口和输出温度中的一个分别低于所述预定有效入口和出口温度时基于第二预定A/F比控制所述节气门和所述多个燃料喷射器中的至少一个。
8.如权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，所述第一预定A/F比小于所述第二预定A/F比。
9.如权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括：
SCR系统，其中所述SCR系统在所述SCR系统的所述入口和出口温度高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时将配料剂喷入排气流中。
10.一种方法，包括：
产生指示了选择性催化还原(SCR)系统中催化剂退化的时效因子；
分别将所述SCR系统的入口和出口温度与所述SCR系统的预定有效入口和出口温度进行比较，其中，所述预定有效入口和出口温度基于所述时效因子；并且
在所述SCR系统的所述入口和出口温度分别高于所述SCR系统的所述预定有效入口和出口温度时基于第一预定空气/燃料(A/F)比控制节气门和多个燃料喷射器中的至少一个。
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