專利名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)及廢氣后處理控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用SCR催化劑控制內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣組分的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)采用貧得多(leaner)的空燃比。進(jìn)入的氣體中更大的空氣量促進(jìn)了更充分的燃料燃燒和更高的燃料效率，因此較之汽油機(jī)降低了烴類和一氧化碳的排放。然而，在柴油機(jī)的較高壓力和溫度下，包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)(統(tǒng)稱為NOx)的氮氧化物排放趨于較高，這是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致進(jìn)入的空氣中的氧和氮結(jié)合為NOx。 NOx引起許多與環(huán)境有關(guān)的問題，如地面臭氧源或霧、酸雨、過度的水體營養(yǎng)物等，并可以與常見有機(jī)化學(xué)品甚至臭氧容易地反應(yīng)，形成許多種有毒產(chǎn)物。自從二十世紀(jì)七十年代以來,政府立法已經(jīng)要求廢氣排放中NOx逐漸減少。為遵守關(guān)于NOx排放的日益嚴(yán)格的政府法令，本行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出若干種NOx減少機(jī)制。兩種此類機(jī)制涉及操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性和實(shí)現(xiàn)后處理控制技術(shù)。通常，操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性以降低NOx排放可以通過降低進(jìn)氣溫度、減少動(dòng)力輸出、延遲噴油時(shí)機(jī)、降低冷卻劑溫度和/或降低燃燒溫度來實(shí)現(xiàn)。例如，冷卻的廢氣再循環(huán)(EGR)是一種降低燃燒室內(nèi)部峰值火焰溫度的公知方式，其中一定百分比的廢氣被引至或強(qiáng)制返回至進(jìn)氣中并與進(jìn)入燃燒室的新鮮空氣及燃料混合。進(jìn)入的空氣的稀釋通過降低燃燒過程中O2的濃度而減少了 NOx的形成。在較小的程度上，空氣也吸收一些熱,進(jìn)而冷卻該過程。然而，EGR的使用會(huì)增加燃料消耗。處理燃燒后廢氣的后處理控制技術(shù)包括選擇性催化還原(SCR)。SCR法利用催化劑和無水氨(NH3)或氨水或可轉(zhuǎn)化為NH3的前體(如脲)將NOx還原為雙原子氮(N2)和水。典型的SCR催化劑為蜂巢或板狀陶瓷載體(例如，氧化鈦)和賤金屬(例如釩和鎢)的氧化物、沸石和其他貴金屬。除NOx排放之外，柴油機(jī)的另一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生和排放廢氣顆粒物(PM)或煙粒(SOOt)，與汽油機(jī)相比其產(chǎn)生的量更大。PM是復(fù)合排放物，包含碳元素、來自燃料的重?zé)N、潤滑油和來自燃料硫的含水硫酸。柴油機(jī)PM包括直徑低于O. 4 μ m的小核形式的顆粒，及直徑達(dá)I μ m的其聚集體。當(dāng)不充足的空氣或低燃燒溫度阻止游離碳的完全燃燒時(shí)，就會(huì)形成PM。因此，PM是部分未燃燒的燃料或潤滑油，并且經(jīng)?？雌饋硎呛跓?。柴油機(jī)廢氣中構(gòu)成PM排放物的微粒可以滲入肺部深處，因而引起嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)，包括加劇的哮喘、肺損傷和其他嚴(yán)重的健康問題。柴油機(jī)的PM排放物也促進(jìn)了霧霾(haze)的形成，限制了能見度。由于其破壞作用，政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)強(qiáng)制實(shí)行針對PM排放物越來越嚴(yán)格的限制。一種用于減少或除去柴油機(jī)廢氣中的PM的后處理裝置是柴油機(jī)顆粒過濾器(DPF)。DPF系統(tǒng)通常包括封裝在位于柴油機(jī)廢氣流中的罐中的過濾器。過濾器被設(shè)計(jì)為在使廢氣通過它的時(shí)候收集PM。DPF的種類包括陶瓷和碳化硅材料、纖維纏繞盒、針織纖維二氧化硅盤管、絲網(wǎng)和燒結(jié)金屬。DPF已經(jīng)證實(shí)可以減少PM 90%以上。也可以將DPF與柴油氧化催化劑(DOC) —起使用，以減少柴油機(jī)廢氣中HC、CO和PM的可溶性有機(jī)部分(SOF)。雖然DPF可非常有效地從柴油機(jī)廢氣中除去PM，但是柴油機(jī)所產(chǎn)生的PM的體積卻足以在較短的時(shí)間內(nèi)填滿和堵塞DPF。因此，必須定期執(zhí)行清潔或置換DPF的工序，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。一種被稱為再生的DPF清潔工序燒掉或“氧化”已在過濾器中累積的PM。然而，由于柴油機(jī)廢氣溫度通常不足以高至使累積的PM燃燒，因此使用了各種方法升高廢氣溫度或降低氧化溫度。再生可以通過向過濾器加入催化劑而被動(dòng)地完成。例如，涂覆于過濾器表面的賤金屬或貴金屬涂層能夠降低使累積的PM氧化所需的著火溫度?？梢栽贒PF的上游提供DOC以氧化NO從而生成NO2 (需要精確控制以維持發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中Ν0/ΡΜ的質(zhì)量比)，而后者又會(huì)氧化下游DPF中的PM。作為另外一種選擇，可以通過許多途徑，例如發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、燃料燃燒器、耐熱盤管或后燃料噴射等升高廢氣溫度，從而主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)再生。主動(dòng)系統(tǒng)利用后期 在燃燒循環(huán)中的柴油燃料的脈沖輸送而進(jìn)行經(jīng)過催化劑的氧化，由此加熱DPF和氧化所捕獲的PM。然而，在將廢氣系統(tǒng)中的背壓保持較低時(shí)過于頻繁地運(yùn)行該循環(huán)會(huì)導(dǎo)致過多的燃料使用。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM’ s)(也稱作發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU’ s))控制發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的其他功能。ECM’ s可以接收各種輸入，以確定如何控制發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的其他功能。關(guān)于NOx和PM消減，ECM可以操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如EGR和燃料噴射。ECM’s還可以控制廢氣后處理裝置(如基于脲的SCR系統(tǒng)、DOC系統(tǒng)或DPF系統(tǒng))的運(yùn)行參數(shù)。例如，ECM可以使脲溶液以由下述算法算得的速率計(jì)量進(jìn)入廢氣流中，所述算法將廢氣流中存在的NOx的量估作發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件(例如，廢氣流量、溫度和NOx濃度)的函數(shù)。作為另一個(gè)實(shí)例，ECM可以監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)測量背壓和/或溫度的傳感器，并且基于預(yù)先程序設(shè)定的點(diǎn)，ECM可以激活再生循環(huán)。除EGR之外,設(shè)計(jì)電子控制和改進(jìn)燃料噴射系統(tǒng)從而以噴射壓力、噴射時(shí)機(jī)和噴濺位置的最佳組合來輸送燃料可使發(fā)動(dòng)機(jī)高效燃燒燃料，而不會(huì)引起提高NOx排放的溫度峰值。例如，對燃料噴射至汽缸中的開始時(shí)機(jī)的控制會(huì)影響排放和燃料效率。使噴射開始提前，從而當(dāng)活塞進(jìn)一步遠(yuǎn)離上止點(diǎn)(TDC)時(shí)所噴射的燃料引起較高的汽缸內(nèi)壓力和較高的燃料效率，但是也引起較高的NOx排放。另一方面，延遲噴射的開始將延緩燃燒，但可降低NOx排放。由于該延緩的噴射，大部分燃料在較低的峰值溫度燃燒，減少了 NOx的形成。對于EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排放控制的關(guān)鍵組件之一是渦輪增壓器。采用EGR技術(shù)的大多數(shù)制造商已經(jīng)開發(fā)出了不同種類的可變幾何渦輪增壓器(VGT)，其被設(shè)計(jì)為可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)冷卻的廢氣空氣氣流回到燃燒室的流動(dòng)。必須被計(jì)量進(jìn)入進(jìn)氣歧管中的廢氣的精確量隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而變。在游弋和中等范圍的加速過程中，高EGR流量通常是必須的，這時(shí)燃燒溫度通常非常高。另一方面，在低速和輕負(fù)載條件下需要的是低EGR流量。在EGR會(huì)不利地影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率或車輛駕駛性的條件下，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)變熱、閑置或節(jié)氣門全開的過程中，不應(yīng)出現(xiàn)EGR流量。通過操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)減少NOx通常會(huì)降低燃料效率。較低NOx的排放目標(biāo)已經(jīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了減少的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放，為的是能夠滿足需服從的嚴(yán)格的尾管NOx排放水平。在這樣做時(shí)，如充油流量、EGR流量、噴射時(shí)機(jī)等許多手段已經(jīng)隨著減少NOx這一目的而改變，但是在相反方面其已經(jīng)降低了 BSFC。
此外，僅僅操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不會(huì)將NOx的量充分減少至法令所規(guī)定的水平。結(jié)果，也需要實(shí)現(xiàn)后處理系統(tǒng)，如利用如上所述的SCR、DOC和/或DPF元件的那些后處理系統(tǒng)。使用SCR系統(tǒng)可以使燃料效率提高3% 10%，這比操縱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)NOx減少更適于減少NOx，后者對于燃料效率具有負(fù)面影響?；陔宓腟CR系統(tǒng)可以根據(jù)四個(gè)主要的子系統(tǒng)來進(jìn)行審視將脲引入廢氣流中的噴射子系統(tǒng)，脲汽化和混合子系統(tǒng)，廢氣管子系統(tǒng)，和催化劑子系統(tǒng)。柴油機(jī)車輛必須載有用于SCR系統(tǒng)的補(bǔ)給脲溶液，其通常為32. 5重量％的脲的水溶液。脲溶液自箱罐泵出并通過噴霧嘴噴濺至廢氣氣流中。脲與廢氣的完全混合和均一流動(dòng)分布對于實(shí)現(xiàn)較高的NOx減少至關(guān)重要?；陔宓腟CR系統(tǒng)使用氣態(tài)氨來減少NOx。在熱解過程中，氣體的熱使得脲(CO(NH2)2)分解為氨(NH3)和氫氰酸(HCNO)。氨和HCNO之后遇到SCR催化劑，在該處，氨被吸收，而HCNO通過水解進(jìn)一步分解為氨。作為另外一種選擇,可以使用無水NH3或氨水作為SCR氨源。不管用于SCR系統(tǒng)的為何種NH3源，當(dāng)NH3被吸收時(shí)，其與NOx反應(yīng)產(chǎn)生水、 氧氣(O2)和氮?dú)?N2) ο噴射至廢氣流中的氨的量是一個(gè)關(guān)鍵的操作參數(shù)。氨與NOx的所要求的比例通常是化學(xué)計(jì)量的，并且必須保持以確保NOx的高水平減少。然而，由于不完美混合等原因，SCR系統(tǒng)永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)100%的NOx減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及利用實(shí)際的實(shí)時(shí)SCR催化劑效率與達(dá)到排放目標(biāo)所需要的目標(biāo)效率之差來改善內(nèi)燃機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性和/或性能。在根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，控制具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的方法包括實(shí)時(shí)監(jiān)視通過SCR由內(nèi)燃機(jī)輸出的廢氣流的NOx轉(zhuǎn)化效率。將所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較，確定其是否超出預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率。預(yù)定的目標(biāo)效率可以基于預(yù)定的NOx容許排放量。當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量時(shí)，以基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量來增加所述廢氣流中的NOx濃度。在根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，用于具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的控制器包括適于實(shí)時(shí)監(jiān)視通過SCR由內(nèi)燃機(jī)輸出的廢氣流的NOx轉(zhuǎn)化效率的監(jiān)視器模塊。控制器還包括適于利用與控制器相關(guān)的處理器確定所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率是否超出預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率的比較模塊。目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率系基于預(yù)定的NOx容許排放量?？刂破靼ㄟm于當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量時(shí)以基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量來增加所述廢氣流中的NOx濃度水平的控制模塊。通過增加廢氣中NOx質(zhì)量流(例如，通過降低EGR流量或其他發(fā)動(dòng)機(jī)管理措施來進(jìn)行)，制動(dòng)比燃料消耗可以得到改善。另外，增加的NOx流量可以通過促進(jìn)PM的氧化來減少顆粒過濾器中顆粒物(PM)的量，這也可以改善燃料經(jīng)濟(jì)性。在根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，控制具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的方法包括跟蹤存儲(chǔ)在SCR的催化劑上的氨的量，所述跟蹤基于對依照發(fā)動(dòng)機(jī)排放NOx質(zhì)量流而噴射的脲和依照溫度的SCR催化劑的還原效率而進(jìn)行的前饋計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)以富含NOx的模式運(yùn)行，其中基于所存儲(chǔ)的氨的跟蹤量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入所述內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣的EGR氣體的量，由此減少存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨。
在根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，用于具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的控制器包括適于跟蹤存儲(chǔ)在SCR的催化劑上的氨的量的跟蹤模塊，所述跟蹤基于對依照發(fā)動(dòng)機(jī)排放NOx質(zhì)量流而噴射的脲和依照溫度的SCR催化劑的還原效率而進(jìn)行的前饋計(jì)算?？刂破鬟€包括適于以富含NOx模式運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)的控制模塊，其中，基于所存儲(chǔ)的氨的跟蹤量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣中的EGR氣體的量，并由此減少存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨。進(jìn)入富含NOx的運(yùn)行模式使得可以獲得更好性能和/或顆粒過濾器再生，而不會(huì)產(chǎn)生伴隨主動(dòng)再生事件的燃料損失。參照附圖通過對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的以下詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的其他特征、元件、特性和優(yōu)點(diǎn)更為顯而易見。


圖I是顯示公路上卡車的實(shí)際SCRNOx轉(zhuǎn)化效率的實(shí)例的圖。圖2是示例性實(shí)施方式的自適應(yīng)控制模塊(ACM)的圖表。圖3是關(guān)于控制發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)的工藝流程圖，其基于示例性實(shí)施方式的實(shí)時(shí)和預(yù)定目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率確定的實(shí)際的SCR轉(zhuǎn)化率之差進(jìn)行控制。圖4是描繪與各種催化劑材料的NOx轉(zhuǎn)化效率的溫度依賴性有關(guān)的特性的圖。圖5是描繪與各種SCR催化劑材料的氨存儲(chǔ)有關(guān)的特性的圖。圖6是關(guān)于控制發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)的工藝流程圖，其基于示例性實(shí)施方式的對存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨的量的跟蹤進(jìn)行控制。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在某些運(yùn)行條件下，如道路行駛負(fù)荷循環(huán)(例如重負(fù)載、長途運(yùn)輸、娛樂車(RV)等)，通過SCR的廢氣和流量水平可使轉(zhuǎn)化效率超過滿足排放目標(biāo)所需的轉(zhuǎn)化效率，因此噴射的氨存儲(chǔ)在SCR催化劑的表面上，并且可被NOx消耗。例如，在此類運(yùn)行條件下，SCR轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到約95%，但是當(dāng)前法定的排放目標(biāo)僅要求約75%的循環(huán)轉(zhuǎn)化效率。在這些條件下，存在可為改善性能而進(jìn)行平衡(trade off)的效率的邊際(margin)或“儲(chǔ)備”量。圖I顯示的是公路上的卡車的SCR性能的實(shí)例。轉(zhuǎn)化效率以曲線10顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)速度(RPM)以曲線12顯示，并且SCR入口溫度以曲線14顯示?？梢钥闯?，卡車實(shí)現(xiàn)了平均為97%的NOx轉(zhuǎn)化效率，而目標(biāo)NOx僅要求71%的轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的實(shí)施方式，通過切換為可以提高制動(dòng)比燃料消耗率(BSFC)的運(yùn)行模式，將高SCR效率所允許的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)化為更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和/或性能，其涉及控制以下任一項(xiàng)或其組合降低EGR流量、提前時(shí)機(jī)、增加軌道壓力、脲(DEF)給料量，和操縱和/或后期加燃料量?？梢孕薷倪@些參數(shù)和其他發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以提高BSFC，但這也會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放。儲(chǔ)備中所存在的SCR的附加性能可以用于降低所增加的NOx以確保排放合法。圖2顯示的是自適應(yīng)控制模塊(ACM) 16的示例性實(shí)施方式，其可以在ECM/E⑶中實(shí)現(xiàn)，或者作為單獨(dú)的模塊，從而實(shí)時(shí)監(jiān)視示意性地顯示為由所繪制的ACM 16的左側(cè)進(jìn)入的各種輸入18，和離開所繪制的ACM 16的右側(cè)的經(jīng)修改的輸出20。對于“實(shí)時(shí)”，足以實(shí)現(xiàn)燃料經(jīng)濟(jì)性和/或性能的可接受的改善的采樣率可以小至IHz以下，但是圖2的感知條件中的一項(xiàng)或多項(xiàng)的更大的采樣率可以在多次迅速改變條件的過程中提供更高的效率。ACM可以包含一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行代碼的微處理器，所述微處理器執(zhí)行在其中所容納的內(nèi)存中存儲(chǔ)的指令或者執(zhí)行在一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存裝置中存儲(chǔ)的指令，所述內(nèi)存裝置存儲(chǔ)可為ACM 16訪問的數(shù)據(jù)和程序指令。ACM 16通常接收來自整個(gè)車輛的各種傳感器的輸入信號(hào)以及接收可能的來自終端用戶的外部輸入數(shù)據(jù)。為實(shí)時(shí)進(jìn)行此處所述的監(jiān)視和計(jì)算，信號(hào)采樣速度必須足以提供存儲(chǔ)的氨的數(shù)據(jù)和用于轉(zhuǎn)化效率計(jì)算的數(shù)據(jù)。ACM 16隨后讀取程序指令并執(zhí)行指令，以進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和根據(jù)輸入信號(hào)控制功能。ACM 16將控制數(shù)據(jù)發(fā)送至ACM 16的輸出端口，該輸出端口將輸出信號(hào)分送至控制發(fā)動(dòng)機(jī)或SCR系統(tǒng)的多個(gè)執(zhí)行器。SCR轉(zhuǎn)化效率(即，“SCR NOx轉(zhuǎn)化率”)被“實(shí)時(shí)”監(jiān)視，以通過監(jiān)視/測量SCR入口 /出口 NOx來獲得SCR催化劑中的存儲(chǔ)的NH3量。這可以使用測量跨越SCR的轉(zhuǎn)化效率的兩個(gè)NOx傳感器來實(shí)施，不過也可以使用另一種測量存儲(chǔ)的NH3的方法，如在SCR的出口處提供NH3傳感器。
在實(shí)施方式中，控制特征提供了一種利用性能余量的方法，所述性能余量系通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)條件以提高或最大化燃料經(jīng)濟(jì)性，從而在某些運(yùn)行條件下因提高的SCR轉(zhuǎn)化效率而獲得。除提供改善燃料經(jīng)濟(jì)性的方法之外，實(shí)施方式還能利用適機(jī)的被動(dòng)DPF再生，所述再生利用發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。通過使發(fā)動(dòng)機(jī)在減少或切斷EGR的模式(例如，Chi4模式)下運(yùn)行和通過檢測存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨的量，可以實(shí)現(xiàn)較高的NOx，需要所述SCR催化劑來消耗氨并避免NOx損失。在某些條件下噴射的NH3存儲(chǔ)在SCR表面上，并可以用于被NOx消耗。然而，NOx在高溫也可以由SCR催化劑表面釋放。該釋放應(yīng)該利用閉環(huán)控制策略而得到避免或最小化，所述策略平衡增壓空氣中的EGR部分以改變發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放，使得存在足夠高的NOx濃度來消耗SCR中存儲(chǔ)的NH3并清潔DPF。根據(jù)請求保護(hù)的本發(fā)明的實(shí)施方式可以提供切換至改善BSFC的模式(例如，通過較低的EGR流量，提前的時(shí)機(jī)，軌道壓力)的益處，同時(shí)也不增加尾管NOx排放，這是因?yàn)镾CR運(yùn)行更有效。這也可以幫助降低發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放，并且增加的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放可以幫助煙粒氧化，由此保持DPF清潔。因此，脫煙粒間隔可以延長，從而增加了可改善燃料經(jīng)濟(jì)性的另一因素。圖3顯示的是示例性實(shí)施方式的工藝流程圖，所述實(shí)施方式基于實(shí)際NOx轉(zhuǎn)化效率與滿足尾管NOx目標(biāo)(如排放要求)所需的轉(zhuǎn)化效率之間存在的效率之差來控制內(nèi)燃機(jī)。由工序50開始，監(jiān)視通過SCR元件的實(shí)時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率。接下來，工序52將所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較。例如，預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率可以是查閱表中的值或者是基于最大可接受尾管排放水平的計(jì)算值。在工序54中，當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量時(shí)，以基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量來增加發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流中的NOx濃度水平。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，利用發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放通過適機(jī)的DPF再生改善燃料經(jīng)濟(jì)性的閉環(huán)控制策略實(shí)時(shí)跟蹤存儲(chǔ)在SCR催化劑上的NH3和DPF中捕獲的煙粒。這可以通過對依照發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放而噴射的脲和依照溫度的SCR催化劑的還原效率的前饋計(jì)算來進(jìn)行。前饋計(jì)算可以例如基于反應(yīng)器數(shù)據(jù)利用模型來進(jìn)行，所述反應(yīng)器數(shù)據(jù)使用時(shí)間、溫度、廢氣流量、給料的脲、SCR入口 NOx濃度和催化劑性質(zhì)的輸入來確定NH3的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和釋放。圖4以氧化釩(Vanadia)、FeZ和Cuz SCR催化劑為例顯示了關(guān)于NOx轉(zhuǎn)化效率對溫度的依賴特性。可以看出，與CuZ或氧化釩類催化劑相比，F(xiàn)eZ通常給出較高的溫度相關(guān)性能，而CuZ可以給出比較好的低溫性能。CuZ還對入口 N02/N0X較不敏感，并允許脲在ANR (氨與NOx之比)>1時(shí)給料以獲得改善的高溫效率，甚至可以獲得高于FeZ的高溫效率。圖5顯示的是NH3存儲(chǔ)通常隨著催化劑溫度的升高而降低。如圖5所示，與氧化釩類催化劑相比，沸石催化劑可以在低溫存儲(chǔ)更多NH3。在低溫負(fù)荷循環(huán)中，在SCR催化劑上存儲(chǔ)的NH3的量足以還原一些NOx而不需進(jìn)行脲(或其他NH3源)給料。利用這些特性數(shù)據(jù)，可以為前饋計(jì)算創(chuàng)建精確的模型。利用發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放通過適機(jī)的DPF再生來改善燃料經(jīng)濟(jì)性的控制環(huán)起到兩個(gè)作用(I)改變EGR部分指令(即，EGR閉環(huán)控 制系統(tǒng)的參考值)和提供富含NOx的廢氣來清潔存儲(chǔ)氨的SCR和維持逃脫SCR并進(jìn)入大氣的NH3為法定限制，和(2)進(jìn)入Chi4模式(即，EGR閥關(guān)閉-高NOx)以提供條件使得當(dāng)該條件存在時(shí)DPF再生(即，檢測到的負(fù)載的過濾器+在SCR上的高NH3存儲(chǔ))。例如，如果在SCR催化劑上有足夠的存儲(chǔ)的氨并且跨越DPF所傳感到的△壓力表明捕獲的顆粒物需要從過濾器清潔下來，則EGR閥可以關(guān)閉以將發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量增加至正常值的約3倍。較高的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放可以在運(yùn)行約20分鐘 30分鐘內(nèi)容易地清理煙粒阻塞的DPF，同時(shí)保持排放合法，這是因?yàn)樵赟CR中存儲(chǔ)的氨可以降低NOx的升高，由此清除存儲(chǔ)在SCR催化劑中的過量的NH3。因此，增加的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放降低或消除了在短暫的過量氨存儲(chǔ)條件下的潛在的NH3逃脫。該策略的實(shí)施方式改善了燃料經(jīng)濟(jì)性，并利用被動(dòng)DPF再生的機(jī)會(huì)避免了變?yōu)橹鲃?dòng)再生的燃料損失。結(jié)果，可以避免涉及給柴油機(jī)燃料的主動(dòng)再生，例如直接將燃料噴濺至廢氣流中或?qū)⑵渥鳛轭~外的燃料噴射至發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中以提高廢氣溫度。該策略在時(shí)停時(shí)進(jìn)行的負(fù)荷循環(huán)中特別有利，其中廢氣溫度和流量防止了周期性的主動(dòng)再生。實(shí)施方式可以包括在數(shù)次再生過程中降低的EGR(例如，Chi4模式)和在另外的適機(jī)時(shí)的運(yùn)行“最小EGR”?！白钚GR”是產(chǎn)生下述水平的NOx的EGR量，在所述水平的NOx可以被存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨吸附，并且不超過尾管排放的閾值。實(shí)施富含NOx廢氣清潔DPF的實(shí)施方式可以包括ACM模塊，例如圖2的ACM模塊16，其具有確定是否應(yīng)清理DPF的增添的輸入功能(例如，高于預(yù)定的閾值的測得的△壓力值)，并可以以比以上所述的少或多的功能性來得到實(shí)施。圖6顯示的是示例性實(shí)施方式的工藝流程圖，所述實(shí)施方式基于存儲(chǔ)在SCR催化劑中的氨的量來控制內(nèi)燃機(jī)。開始于工序60，基于對依照發(fā)動(dòng)機(jī)NOx質(zhì)量流排放而噴射的脲和依照SCR催化劑的溫度的SCR催化劑的還原效率的前饋計(jì)算，對存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨的量進(jìn)行跟蹤。在工序62中，發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)以富含NOx的模式運(yùn)行，其中基于所存儲(chǔ)的氨的跟蹤量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣的EGR氣體的量，由此減少存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨。雖然此處只描述了數(shù)量有限的實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)容易地認(rèn)識(shí)到，所有這些實(shí)施方式都可以進(jìn)行變化，并且那些變化在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以對本文所描述的發(fā)動(dòng)機(jī)及廢氣后處理控制進(jìn)行改變和修改，而不會(huì)背離所附權(quán)利要求及其等同物的范圍。
權(quán)利要求
1.一種控制具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括 實(shí)時(shí)監(jiān)視由所述內(nèi)燃機(jī)輸出的通過所述SCR的廢氣流的NOx轉(zhuǎn)化效率； 利用處理器確定所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率是否超出預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率，所述目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率基于預(yù)定的NOx容許排放量；和 當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量吋，使所述廢氣流中的NOx濃度水平増加基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與所述預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，監(jiān)視所述NOx轉(zhuǎn)化效率包括測量所述廢氣流的特性的步驟，所述廢氣流的特性指示存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨的量。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，增加NOx濃度涉及控制以下各項(xiàng)中的ー項(xiàng)或多項(xiàng)降低EGR流量、提前時(shí)機(jī)、増加軌道壓力、調(diào)整氨源給料量、和調(diào)整操縱器和/或后期加燃料量。
4.一種控制具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括 對基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放NOx質(zhì)量流的所噴射的脲和基于所述SCR催化劑溫度的所述SCR催化劑的還原效率進(jìn)行前饋計(jì)算，從而跟蹤存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨的量；和 以富含NOx模式運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)，其中，基于所跟蹤的存儲(chǔ)的氨的量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入所述內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣的EGR氣體的量，由此減少存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，調(diào)整所述EGR部分指令使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的廢氣中的NOx濃度變化，從而將逃脫所述SCR的氨限制為等于或小于允許的氨逃脫量的量。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，所述方法還包括 監(jiān)視廢氣氣流的路徑中的顆粒過濾器元件，以檢測所述廢氣氣流的堵塞； 基于所跟蹤的存儲(chǔ)的氨的量和是否檢測到所述顆粒過濾器的堵塞，以富含NOx的形式運(yùn)行所述發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，調(diào)整EGR部分包括進(jìn)入防止EGR進(jìn)入所述內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣的運(yùn)行模式。
8.一種用于具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的控制器，所述控制器包括 監(jiān)視器模塊，其適于實(shí)時(shí)監(jiān)視通過所述SCR的由所述內(nèi)燃機(jī)輸出的廢氣流的NOx轉(zhuǎn)化效率； 比較模塊，其適于利用與所述控制器相關(guān)的處理器確定所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率是否超出預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率，所述目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率基于預(yù)定的NOx容許排放量；和 控制模塊，其適于當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量時(shí)，將所述廢氣流中的NOx濃度水平増加基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量。
9.如權(quán)利要求8所述的控制器，其中，監(jiān)視所述NOx轉(zhuǎn)化效率包括測量所述廢氣流的特性，所述廢氣流的特性指示存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨的量。
10.如權(quán)利要求8所述的控制器，其中，増加NOx濃度涉及控制以下各項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)降低EGR流量、提前時(shí)機(jī)、増加軌道壓力、調(diào)整氨源給料量、和調(diào)整操縱器和/或后期加燃料量。
11.一種用于具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的控制器，所述控制器包括 跟蹤模塊，其適于對基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放NOx質(zhì)量流的所噴射的脲和基于溫度的所述SCR催化劑的還原效率進(jìn)行的前饋計(jì)算，從而跟蹤存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨的量；和 控制模塊，其適于以富含NOx模式運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)，其中，基于所存儲(chǔ)的氨的跟蹤量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入所述內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣中的EGR氣體的量，由此減少存儲(chǔ)在所述SCR催化劑上的氨。
12.如權(quán)利要求11所述的控制器，其中，調(diào)整所述EGR部分指令使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的廢氣中的NOx濃度變化，從而將逃脫所述SCR的氨限制為等于或小于允許的氨逃脫量的量。
13.如權(quán)利要求11所述的控制器，所述控制器還包括 廢氣流傳感器，其用于監(jiān)試通過顆粒過濾器元件的廢氣流，以檢測所述廢氣氣流的堵塞，其中，所述控制模塊適于基于所跟蹤的存儲(chǔ)的氨的量和是否檢測到所述顆粒過濾器的堵塞來以富含NOx的形式運(yùn)行所述發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求13所述的控制器，其中，所述控制模塊適于通過阻止EGR氣流進(jìn)入所述內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣中來調(diào)整EGR部分。
全文摘要
一種控制具有SCR的廢氣系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)的方法，并且此處所述的發(fā)動(dòng)機(jī)和包含SCR的廢氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視通過SCR由內(nèi)燃機(jī)輸出的廢氣流的NOx轉(zhuǎn)化效率。對于所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率是否超出預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率(如基于預(yù)定的NOx容許排放量的目標(biāo))進(jìn)行確定。當(dāng)所監(jiān)視的NOx轉(zhuǎn)化效率超過所述預(yù)定量時(shí)，以基于所監(jiān)視的轉(zhuǎn)化效率與預(yù)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率之差的量來增加所述廢氣流中的NOx濃度水平。此處所提供的另一種方法和發(fā)動(dòng)機(jī)及廢氣系統(tǒng)基于對依照發(fā)動(dòng)機(jī)NOx質(zhì)量流排放的噴射的脲和依照SCR催化劑的溫度的SCR催化劑的還原效率進(jìn)行前饋計(jì)算而跟蹤存儲(chǔ)在SCR的催化劑上的氨的量，并以富含NOx的模式運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣系統(tǒng)，其中基于所存儲(chǔ)的氨的跟蹤量調(diào)整EGR部分指令，以降低進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣中的EGR氣體的量，并由此減少存儲(chǔ)在SCR催化劑上的氨。
文檔編號(hào)F01N3/18GK102844533SQ201180005311
公開日2012年12月26日 申請日期2011年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月1日
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