控制多選擇性催化還原系統(tǒng)的方法
【專利摘要】控制包括定位在第二催化單元的上游的第一催化單元的催化式排氣系統(tǒng)的方法，包含：i）提供在第一催化單元的溫度、存儲(chǔ)在第二催化單元的NH3量和在第一單元中容許的NH3量的相應(yīng)限制值之間的關(guān)系；ii）測(cè)量或估算在第二催化單元中的NH3量；iii）測(cè)量或估算第一催化單元的溫度；iv）利用所述關(guān)系和步驟ii）和iii）的測(cè)量/估算得的參數(shù)來提供對(duì)將存儲(chǔ)在所述第一催化單元中的NH3量的所述限制值；v）在所述系統(tǒng)的控制中利用來自iv）的所述參數(shù)。
【專利說明】
控制多選擇性催化還原系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及車輛的選擇性催化還原(SCR)結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)，并對(duì)控制有多于一個(gè)SCR單元的多SCR系統(tǒng)有特定的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]多SCR催化劑結(jié)構(gòu)被引入到現(xiàn)今的車輛排氣系統(tǒng)中以取得比常規(guī)單個(gè)底板下置SCR更高的NOx轉(zhuǎn)化效率。典型的多SCR結(jié)構(gòu)包括緊耦合的過濾器上的SCR( SCRoF)單元，其下游定位有底板下置SCR(U/F SCR)單元。特別由于提供緊耦合SCRoF單元的較快起燃和較高溫度，與底板下置位置中的額外體積相結(jié)合，該構(gòu)造在NOx的性能上是有優(yōu)勢(shì)的。U/F SCR的較低操作溫度對(duì)于管理熱瞬態(tài)期間在SCRoF單元中較高的NH3覆蓋率和NH3逸出SCRoF也是有益的。
[0003]這類多SCR系統(tǒng)的常規(guī)的前饋控制通常著眼于系統(tǒng)中的第一SCR單元(SCRoF)，因?yàn)樵诘谝淮呋瘑卧械陌?NH3)的填充水平(或覆蓋率)對(duì)于取得整體高的NOx轉(zhuǎn)化是決定性的。對(duì)于該種控制，底板下置SCR被用作被動(dòng)的NH3捕集器/轉(zhuǎn)化器。為確保在劇烈的熱瞬態(tài)期間沒有NH3從底板下置SCR中被放出，這類系統(tǒng)被校準(zhǔn)以使在各種狀況中從SCRoF中放出的NH3的量受限制。這種做法的不足在于，SCRoF和底板下置SCR都沒有被最佳裝載NH3，以防止在各種駕駛狀況中的NH3逸出。相比于兩個(gè)催化劑的全部潛能來說，用這類控制所取得的NOx轉(zhuǎn)化會(huì)是有限的。
[0004]本發(fā)明的目標(biāo)是克服前述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個(gè)方面，提供控制包括定位在第二催化單元上游的第一催化單元的催化式排氣系統(tǒng)的方法，其包含:i)提供在第一催化單元的溫度、存儲(chǔ)在第二催化單元中的NH3量和在第一單元中所容許的NH3量的相應(yīng)限制值之間的關(guān)系；ii)測(cè)量或估算在第二催化單元中的NH3量；iii)測(cè)量或估算第一催化單元的溫度；iv)使用所述關(guān)系和步驟ii)和iii)中測(cè)量/估算得的參數(shù)來提供將被存儲(chǔ)在所述第一催化單元中的NH3量的限制值;V)在所述系統(tǒng)的控制中使用來自i V)的所述參數(shù)。
[0006]這些單元可以是選擇性催化還原單元。單元可以是在過濾器上的選擇性催化還原單元(SCRoF)，并且所述第二單元，底板下置選擇性催化還原單元(U/F SCR) ο
[0007]在步驟ii)中，所述氨的量可由第二單元的模型提供以及/或者第一模型的溫度由第一單元的模型提供。
[0008]所提供的限制值被與測(cè)量或估算得的實(shí)際值比較，且根據(jù)所述比較結(jié)果，控制噴射在所述第一單元上游的尿素的量。
[0009]來自步驟iv)的參數(shù)可被輸入到SCR單元的模型中。
[0010]在另外的方面，提供控制包括定位在第二催化單元上游的第一催化單元的催化式排氣系統(tǒng)的系統(tǒng)，其包含:用于提供在第一催化單元的溫度、存儲(chǔ)在第二催化單元中的NH3量和在第一催化單元中所容許的NH3量的相應(yīng)限制值之間的關(guān)系的裝置；用于測(cè)量或估算在第二催化單元中的NH3量的裝置;用于測(cè)量或估算第一催化單元溫度的裝置;使用所述關(guān)系和測(cè)量/估算的參數(shù)來提供將被存儲(chǔ)在所述第一催化單元中的NH3量的所述限制值的裝置;在所述系統(tǒng)的控制中使用所述限制值參數(shù)的裝置。
【附圖說明】
[0011 ]圖1顯示包含多SCR單元的排氣系統(tǒng)的一部分；
圖2顯示用于控制單個(gè)SCR單元的已知模型；
圖3顯示具有SCRoF單元和U/F SCR單元的多SCR系統(tǒng)的簡化模型，并且包括依照本發(fā)明的例子的前饋控制。
[0012]圖4顯示在圖3例子的前饋控制例子中使用的參數(shù)之間的有用關(guān)系；
圖5顯示了概述用來提供圖4的數(shù)據(jù)的模擬的例子;以及
圖6顯示來自本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)的測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1顯示排氣系統(tǒng)的一部分的示意圖，示有DOC單元，該DOC單元的下游定位有第一SCRoF和定位在底板下的第二 (U/F) SCR。尿素被噴射在第一 SCR單元的上游;通過廢氣的熱量該尿素被轉(zhuǎn)化為氨，上述氨在下游單元中被用作催化劑。
[0014]結(jié)合底板下置SCR的SCRoF催化劑的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，系統(tǒng)的快速起燃提供早期將取得的高的NOx轉(zhuǎn)化。SCRoF應(yīng)裝載NH3以在U/F SCR仍太冷以致不能轉(zhuǎn)化任何NOx的狀況下確保好的總NOx轉(zhuǎn)化效率。另一方面，由于有限的SCRoF體積，該單元獨(dú)自可能不足以達(dá)到尾氣排放目標(biāo)，尤其對(duì)于在非周期狀況中所見的高流動(dòng)狀況來說。因此，一些NOx轉(zhuǎn)化必須在U/FSCR中執(zhí)行。為了將NH3存儲(chǔ)在U/F SCR中，應(yīng)有一定程度的NH3從SCRoF逸出到U/F SCR。因此，為了取得關(guān)于滿足排放目標(biāo)以及防止氨從廢氣逸出的最佳操作，SCRoF應(yīng)總是在盡可能接近它最大容量的高的NH3存儲(chǔ)水平下來操作。然而，如果太多的NH3被存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，溫度瞬態(tài)會(huì)引起來自底板下置SCR的NH3逸出高于容許限度。本發(fā)明提供使存儲(chǔ)在SCRoF中的NH3最大化同時(shí)在任何駕駛狀況下維持排氣管的NH3逸出低于必要限度的控制策略。
[0015]單個(gè)SCR控制背景
在該部分中，將參照一些現(xiàn)有技術(shù)的方法體系來描述單個(gè)SCR單元可怎樣被控制。
[0016]現(xiàn)有技術(shù)的方法體系出于控制策略的目的嘗試?yán)眉夹g(shù)來對(duì)例如SRC單元建模。圖2顯示用于單個(gè)SCR的這類模型，其顯示了相關(guān)的輸入和輸出參數(shù)以及模型的元素?？刂破鞯暮诵慕?jīng)常指的是uNH3覆蓋率觀測(cè)器”。它由現(xiàn)象學(xué)的化學(xué)模型構(gòu)成，解釋影響NOx轉(zhuǎn)化的主要參數(shù)和所得NH3覆蓋率:空間速度、催化劑溫度，模擬的進(jìn)氣中的N02/N0x比，NH3存儲(chǔ)容量，NH3覆蓋率等。NH3覆蓋率觀測(cè)器需要若干輸入，例如進(jìn)氣中的N02/N0x比。該比值也可基于空間速度、溫度和累積在微粒過濾器中的碳煙質(zhì)量來建模。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx可通過NOx傳感器測(cè)量或由也內(nèi)置的模型進(jìn)行估算。如在圖2中所示，控制調(diào)整尿素定量以使模擬的NH3覆蓋率匹配目標(biāo)NH3覆蓋率。目標(biāo)NH3覆蓋率被校準(zhǔn)以優(yōu)化在NOx轉(zhuǎn)化和控制器SCR下游的NH3逸出之間的折衷。圖1描述基于閉環(huán)控制的NOx傳感器的原理。由于信號(hào)處理能夠從原始的傳感器信號(hào)中提取NOx和NH3兩者，因此控制器能夠修正SCR催化劑模型(NH3覆蓋率觀測(cè)器)或直接地修正尿素需求量(尿素噴射控制器)。
[0017]本發(fā)明的方面的具體描述
對(duì)多SCR結(jié)構(gòu)采取純建模方法的問題是，對(duì)于多SCR催化劑系統(tǒng)，例如結(jié)合底板下置SCR的緊耦合SCRoF，影響NOx轉(zhuǎn)化效率和排氣管NH3逸出的所有參數(shù)的廣泛測(cè)試將是必需的，而這將耗費(fèi)時(shí)間和資源。多層一維(ID)化學(xué)模型被開發(fā)來評(píng)估每個(gè)參數(shù)在多SCR催化劑控制策略中的重要性。
[0018]實(shí)質(zhì)上，在本發(fā)明的一個(gè)方面，通過提供用于SCRoF和U/FSCR的串聯(lián)連接的模型從而模擬完整的SCR排氣管，提供控制。尤其，在本發(fā)明的一個(gè)方面中關(guān)注前饋控制器的使用，其提供在a)SCRoF溫度，b)存儲(chǔ)在U/F SCR中的NH3和c)存儲(chǔ)在SCRoF中的最大NH3之間的關(guān)系，其中c)存儲(chǔ)在SCRoF中的最大NH3可被認(rèn)為是給出最優(yōu)效率同時(shí)保持排放要求，因此可被認(rèn)為是存儲(chǔ)在SCRoF中的NH3的目標(biāo)或限制值。該參數(shù)隨后可被用在適當(dāng)?shù)目刂浦?。下文在?quán)利要求中該值將被稱為限制值。
[0019]圖3顯示具有SCRoF和U/FSCR的多SCR系統(tǒng)的簡化模型，并且包括依照本發(fā)明的一個(gè)方面的、聯(lián)系以上參數(shù)的前饋控制器。該前饋控制器是核心特征，并提供在SCRoF溫度、U/F SCR中存儲(chǔ)的NH3和理想/優(yōu)化條件下存儲(chǔ)在SCRoF中的最大/目標(biāo)(即限制值)NH3之間的這樣的關(guān)系。關(guān)系能夠以三維圖的方式被可視化，如在圖4中所更加詳細(xì)顯示的。關(guān)系可被存儲(chǔ)作，例如三維查找表，及用在控制策略或控制模型中以優(yōu)化性能的數(shù)據(jù)(存儲(chǔ)在第一單元中的NH3的目標(biāo)/限制參數(shù))。
[0020]技術(shù)人員將清楚怎樣可提供這類被用在前饋控制器(例如被提供在查找表中)中的數(shù)據(jù);通過執(zhí)行必要的測(cè)試或模擬。然而為了更加詳細(xì)地說明此，接著解釋怎樣可提供這類數(shù)據(jù)以在各種狀況下提供最優(yōu)效率而無過多NH3逸出。
[0021]由于SCR催化劑的容量隨溫度下降，最糟糕的案例情況(其可引起過多的排氣管NH3逸出)是，例如由于突然的駕駛員加速，廢氣的快速溫升。已知的模型被用于該情況中來提供模擬以理解在多SCR系統(tǒng)的控制中需要考慮的參數(shù)以避免過多NH3逸出。確定的是，最高溫度瞬態(tài)發(fā)生在加速期間，其中SCRoF床溫達(dá)到400°C;伴隨在26g/s的排氣流量的220ppm的發(fā)動(dòng)機(jī)排出的N0X。為復(fù)制該情況，從當(dāng)前溫度到400°C的溫階被應(yīng)用在DOC的入口處。利用已知的溫度模型模擬沿著排氣管的溫度演變。利用以上所描述的SCR模型模擬NH3逸出。
[0022]圖5顯示以SCRoF在170 °C和U/F SCR在140 V作為初始條件的溫階的例子。兩個(gè)催化劑具有預(yù)先限定水平的存儲(chǔ)順3。該溫階引起超過200ppm的尾管NH3逸出峰值。相同類型的模擬被執(zhí)行用于SCRoF溫度和NH3填充水平以及U/F SCR溫度和NH3填充水平的所有組合。大概1000次的模擬在系統(tǒng)上被執(zhí)行以識(shí)別影響參數(shù)從而限制尾管NH3逸出。關(guān)于所有這些測(cè)試，最大尾管NH3逸出被記錄。如之前所描述的，忽略NH3的排放，雙單元SCR系統(tǒng)的最佳控制通過最大化第一SCR中的存儲(chǔ)NH3取得。然而，如早先說明的，萬一溫度突然變化這可能引起高的尾管NH3逸出。選擇帶有低于目標(biāo)限制值(這里設(shè)置到30ppm)的最大NH3逸出的所有點(diǎn)。模型隨后被建立，其輸出作為SCRoF溫度和U/F SCR中的存儲(chǔ)質(zhì)量的函數(shù)的存儲(chǔ)在SCRoF中的最大可接受NH3W/F SCR的初始溫度對(duì)模型僅具有非常微小的影響，因此，模型可被縮減為SCRoF溫度和U/F SCR中的存儲(chǔ)質(zhì)量的3D映射函數(shù)以輸出在SCRoF中的最大存儲(chǔ)質(zhì)量，對(duì)于階梯測(cè)試來說在該最大存儲(chǔ)質(zhì)量之下30ppm的限制逸出值不會(huì)被超過。
[0023]如果存儲(chǔ)在SCRoF中的NH3持續(xù)保持低于或等于由圖4給出的值，則尾管NH3逸出不應(yīng)超過30ppm，甚至在考慮的最壞情況的溫度瞬態(tài)下。可以從該表中看到，當(dāng)U/F SCR中的存儲(chǔ)NH3量超過300mg，SCRoF應(yīng)通過停止尿素噴射被清空。因此，作為一般性評(píng)論來說，U/FSCR的覆蓋率必須被保持在相對(duì)低的值以確保在尾管處沒有過多的NH3逸出；這是我們將明確給UF中存儲(chǔ)的NH3的目標(biāo)。此外，對(duì)于第二SCR催化劑中固定的存儲(chǔ)質(zhì)量，當(dāng)溫度增加時(shí)，SCRoF必須被清空。
[0024]因此本質(zhì)上在一個(gè)方面中本發(fā)明提供了裝置，該裝置提供應(yīng)被存儲(chǔ)在多SCR系統(tǒng)的第一 SCR單元中的最大容許NH3量的非常有用的參數(shù)，用于最優(yōu)效率和性能。通過預(yù)先存儲(chǔ)對(duì)于最優(yōu)性能狀況的該參數(shù)和第二單元中氨水平的關(guān)鍵參數(shù)，以及在第一 SCRoF單元中的溫度之間的關(guān)系，提供該參數(shù)。因此，該目標(biāo)參數(shù)可被確定，例如通過存儲(chǔ)在查找表中，并且其被用在控制策略或控制模型中。
[0025]因此比如這樣的查找表可被例如，整合到圖1所示的控制中用以計(jì)算SCRoF的“NH3的覆蓋率限制”。由于U/F SCR的NH3覆蓋率是用來驅(qū)動(dòng)SCRoF覆蓋率目標(biāo)的輸入，因此利用與圖1中呈現(xiàn)的用于U/F SCR的控制中所用相似的SCR模型，它被估算。進(jìn)入第二催化劑的NH3流量或者對(duì)于純開環(huán)控制由SCRoF模型估算或者也可通過傳感器測(cè)量。因此，關(guān)系數(shù)據(jù)(從模擬中獲得的)可被用于設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)，其隨后可被應(yīng)用于真實(shí)的組合的SCRoF與U/FSCR系統(tǒng)以評(píng)估這類組合控制的性能。來自圖3的SCRoF的NH3限制表因而可被用作校準(zhǔn)參數(shù)。
[0026]圖6顯示組合控制的性能。在尾管處的最大逸出保持低于30ppm，整個(gè)系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率是在92%。如預(yù)期的，N0X的主要部分在SCRoF中被轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化效率在78%。尾管NH3逸出，接近目標(biāo)限度，表明U/F SCR以最優(yōu)的效率被運(yùn)行來在SCRoF之后轉(zhuǎn)化剩余的N0X。
[0027]闡明本發(fā)明的方面的另一方法是，根據(jù)用于UFSCR的目標(biāo)NH3填充，前饋控制需要更多尿素。這抵消了逸出SCRoF的NH3從而確保了足夠的NH3被送到UF SCR。依照本發(fā)明的方面的該套方法限制SCRoF的覆蓋率目標(biāo)以防止尾管逸出及控制UF覆蓋率達(dá)到目標(biāo)，如同對(duì)于單個(gè)SCR控制。由于雙SCR系統(tǒng)的復(fù)雜性，該UF不能在該目標(biāo)處被精確控制。這是為什么有引入對(duì)SCRoF存儲(chǔ)的限制從而防止尾管逸出的特征。UF也被控制到預(yù)先限定的目標(biāo)覆蓋率，并且可通過相同于單個(gè)SCR系統(tǒng)所用的方法完成。SCRoF覆蓋率限制的特征能夠補(bǔ)充現(xiàn)有的前饋控制器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種控制包括定位在第二催化單元的上游的第一催化單元的催化式排氣系統(tǒng)的方法，包含: i)提供在所述第一催化單元的溫度、存儲(chǔ)在所述第二催化單元中的NH3的量和在所述第一單元中容許的NH3量的相應(yīng)限制值之間的關(guān)系； ?)測(cè)量或估算在所述第二催化單元中的NH3的量； iii)測(cè)量或估算所述第一催化單元的溫度； iv)利用所述關(guān)系和步驟ii)和iii)的測(cè)量/估算的參數(shù)來提供對(duì)將被存儲(chǔ)在所述第一催化單元中的NH3的量的限制值； V)在所述系統(tǒng)的控制中使用來自iv)的所述參數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述單元是選擇性催化還原單元。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一單元是過濾器上的選擇性催化還原單元(SCRoF)，所述第二單元是底板下置選擇性催化還原單元(U/F SCR)ο4.如權(quán)利要求1到3所述的方法，其中在步驟ii)中，所述氨的量通過所述第二單元的模型提供并且/或者所述第一模型的溫度通過所述第一單元的模型提供。5.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所提供的限制值被與測(cè)量或估算的實(shí)際值比較，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果，控制在所述第一單元上游噴射的尿素的量。6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中來自步驟iv)的所述參數(shù)被輸入到SCR單元的模型中。7.—種控制包括定位在第二催化單元的上游的第一催化單元的催化式排氣系統(tǒng)的系統(tǒng)，包含: 用于提供在所述第一催化單元的溫度、存儲(chǔ)在所述第二催化單元中的NH3量和在所述第一單元中容許的NH3量的相應(yīng)限制值之間的關(guān)系的裝置； 用于測(cè)量或估算在所述第二催化單元中的NH3量的裝置； 用于測(cè)量或估算所述第一催化單元的溫度的裝置； 使用所述關(guān)系和測(cè)量/估算的參數(shù)來提供對(duì)將存儲(chǔ)在所述第一催化單元中的NH3量的所述限制(目標(biāo))值的裝置； 在所述系統(tǒng)的控制中使用所述限制值參數(shù)的裝置。8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述單元是選擇性催化還原單元。9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一單元是過濾器上的選擇性催化還原單元(SCRoF)，所述第二單元是底板下置選擇性催化還原單元(U/F SCR)ο10.如權(quán)利要求7到9所述的系統(tǒng)，其具有用于比較所述限制值與測(cè)量或估算的實(shí)際值的裝置，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果，控制在所述第一單元上游噴射的尿素的量。
【文檔編號(hào)】F01N3/20GK105917092SQ201580005562
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年1月20日
【發(fā)明人】J.施密特, M.帕爾芒捷
【申請(qǐng)人】德爾福國際運(yùn)營盧森堡有限公司