用于排气系统的NOx传感器的过滤方法和过滤器 |
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申请号 | CN201210189099.5 | 申请日 | 2012-06-08 | 公开(公告)号 | CN102817685B | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
申请人 | 福特环球技术公司; | 发明人 | M·巴莱诺维奇; Y·M·S·雅各布; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及用于排气系统的NOx 传感器 的过滤方法和 过滤器 。本发明涉及一种确定经过催化剂的NH3 泄漏 的 实施例 。在一个例子中,用于具有SCR催化转化器的排气系统的NOx传感器的过滤方法包括:确定催化转化器上游的NOx浓度、测量催化转化器下游的NOx浓度、建模NOx转化;建模NH3泄漏行为、计算NOx模型的NOx误差、计算NH3模型的NH3误差、当NOx误差与NH3误差的比率大于上限 阈值 时,将NOx传感器的数据 指定 为NH3测量值、以及当NOx误差与NH3误差的比率小于下限阈值时,将NOx传感器的数据指定为NOx测量值。以此方式,可以根据共用传感器确定NOx泄漏和NH3泄漏。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于具有SCR催化转化器的排气系统的NOx传感器的过滤方法,所述过滤方法包括: |
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说明书全文 | 用于排气系统的NOx传感器的过滤方法和过滤器[0001] 相关申请 技术领域背景技术[0004] 具有SCR催化转化器(选择性催化还原)的系统非常适合去除NOx排放,特别是在柴油发动机排气的情况下。在主动SCR系统的情况中,在SCR催化转化器中投配氨(NH3),其被吸附在催化转化器上,并且与来自排气的NO和NO2反应。通常,NH3不是直接投配,而是绝大多数以尿素溶液的形式,其中尿素溶液在喷射后,部分地转换成NH3。在被动SCR系统的情况中,在催化转化器的上游不存在主动喷射的NH3或尿素。取而代之的是,一旦发动机在富模式下运转时,由催化转化器上游的另一个组件产生NH3,例如LNT(稀NOx捕集器)。 [0005] 如果在催化转化器中没有投配或存储足够的NH3,或如果温度不适合完全的NOx转换,则不是所有NOx都被转换,并且存在通过催化转化器的NOx泄漏。然而,如果在催化转化器中过多投配或存储NH3,则可能出现解吸。通常,在例如上升的发动机载荷引起的快速升温后出现NH3解吸。然而,假设在恒定温度下过量投配NH3,也可能出现解吸。 [0006] 为了精确地监测SCR催化转化器中的过程,关于催化转化器下游或后面的NOx和NH3浓度的信息是感兴趣的。为此目的,存在两种类型的传感器,NH3传感器和NOx传感器。然而,NH3传感器仅测量NH3 浓度或数量,但NOx传感器对NOx和NH3都敏感。这导致测量困难,因为要确立传感器是仅测量NOx值还是测量NH3值是困难的。 发明内容[0007] 因此,在一个实施例中,用于具有SCR催化转化器的排气系统的NOx传感器的过滤方法包括:确定催化转化器上游的NOx浓度、测量催化转化器下游的NOx浓度、建模NOx转换、建模NH3泄漏行为、计算NOx模型的NOx误差、计算NH3模型的NH3误差、当NOx误差与NH3误差的比率大于上限阈值时,NOx传感器的数据被指定为NH3测量值、以及当NOx误差与NH3误差的比率小于下限阈值时,NOx传感器的数据被指定为NOx测量值。 [0008] 借助该过滤方法,例如,可以为随后由排气系统的控制器处理的数据确立或固定由NOx传感器测量的信号是NOx测量值还是NH3测量值。产生和/或连续地适应性修改两种不同的模型。一个模型说明了在催化转化器中的NOx转化,而第二个模型说明了通过催化转化器的NH3泄漏的行为。实际的NH3释放过程是复杂的,并且难以通过简单的模型加以说明,然而,能够使用被说明的两个模型以确立NOx传感器的测量模式,且无需额外的NH3传感器。最终,能够计算和比较两个模型的预测质量或误差。在NOx泄漏的情况中,通常两个模型显示相似的精确度水平,但是如果NH3泄漏,则NOx模型的精确度明显降低。基于线性时间算法的NH3模型还能够在受限的时间窗口中预测NOx信号。 [0010] 应理解,提供上述发明内容是为了以简化的形式介绍所选概念,其将在具体实施方式中进一步说明。这并不意味着确定所要求保护的主题的要点或实质特征,其范围由具体实施方式后的权利要求唯一限定。另外,所要求保护的主题不限于解决上述或在本发明中任意部分中指出的任何缺点的实施方式。 附图说明[0011] 图1示出了排气系统的示意性框图,所述排气系统具有配置为过滤根据本发明的NOx传感器的控制器。 [0012] 图2示出了根据本发明的NOx传感器的过滤方法的框图。 [0013] 图3示出了根据本发明的过滤方法的应用的图示。 [0014] 图4示出了用于调节运转参数以响应经过SCR催化剂的被检测的泄漏的方法400。 具体实施方式[0015] 能够借助传感器确定在催化转化器上游的NOx浓度。传感器传递NOx浓度或量的准确值。能够使用可能的已存在的传感器。 [0016] 能够借助模型确定在催化转化器上游的NOx浓度,其中该模型确定由发动机产生的NOx的量和/或浓度,该发动机连接至排气系统的上游。在该模型的情况中,能够省略额外的硬件。另外能够实施该模型,或者能够使用或修改已存在的模型,例如马达控制器或排气后处理的已存在的模型。 [0018] 线性时间算法能够用于NH3泄漏行为的建模。通过受限的时间窗口,该简单的算法足够用于说明NH3泄漏。 [0019] 在一个示例中,能够在采样瞬时以1秒的采样时间执行计算。过小数量的采样瞬时不能启动稳定的模型,而过高的数量增加了不必要的计算费用。另外,例如,正确选择采样时间能够允许使NOx模型假设为在时间窗口或时间帧中,NH3存储水平或催化转化器的温度无实质性变化。这种假设能够简化所述建模。 [0020] 另外,为了计算NOx误差和NH3误差,例如在20秒的时间帧中,使用时间上更早的采样瞬时的值。这提高了计算和固定所测量的测量值的可靠度。 [0021] 催化转化器的温度能够被考虑确定测量值的类型。例如,由于NH3泄漏非常不可能处于低温,因此这能够改善该方法的有效性。 [0022] 绝对传感器和/或误差信号能够被考虑用于确定、建模、计算和/或固定。这能够被用于以下目的,即当操作状态或工况不适合时,不允 许采取决定。因此,本方法变得更鲁棒,并且更不易于出错。 [0023] 根据控制器的存储器中存储的指令,可在例如控制器的过滤器单元内执行过滤。过滤器单元可接收用于NOx传感器的信号的信号输入,在控制器的算术单元中执行上述过滤方法、以及输出用于输出所述方法的结果的信号。应用上述优点和改进。 [0024] 图1示出了用于内燃发动机2的排气后处理系统1的一部分,所述内燃发动机例如为机动车辆的柴油发动机。排气后处理系统或排气系统1包含催化转化器3,例如SCR(选择性催化还原)催化转化器,其被布置在发动机2的下游。 [0025] 布置在催化转化器3下游的是NOx传感器4,其用于测量排气中的NOx浓度或NOx量。NOx传感器4不必直接布置在催化转化器3之后;其还能够位于更下游的位置。 [0026] NOx传感器4的测量值到达用于NOx传感器4的过滤器或NH3过滤器5。该过滤器5处理或准备测量值,以便其能够识别由NOx传感器4测量的值是NOx值还是NH3值。例如,过滤器5向发动机控制器或排气后处理的控制器输出适当的信号。 [0027] 过滤器5能够是独立的单元,其具有用于NOx传感器4的信号的信号输入5a、用于执行过滤方法的算术单元和用于输出所述方法的结果的信号输出5b。过滤器5还能够是控制器的组件,例如,发动机控制器或排气后处理的控制器。这能够以软件程序或软件模块的形式实施。同样地,能够在软件中实现信号输出5b。控制器可以接收来自不同传感器(例如NOx传感器4和6)的输入数据、处理输入数据、以及触发执行器(例如SCR系统的燃料喷射器、还原剂喷射器等等),从而基于在控制器中对应于一个或更多个程序被编程的指令或代码而响应被处理的输入数据。参考图2,在此描述示例性控制程序。 [0028] 除由在催化转化器3下游的NOx传感器4传递的测量值之外,过滤器5利用由发动机2产生的NOx浓度或NOx量,并在催化转化器3的方向上离开所述发动机2。 [0029] 存在位于催化转化器3上游的额外的NOx传感器6,或者借助模型确定催化转化器3上游的NOx浓度,其中该模型确定由发动机2产生的NOx的量和/或浓度。例如,所述模型能够被提供来自发动机控制器 和/或排气后处理的控制器的数据。能够在例如两个控制器中的一个控制器中实施本模型。 [0030] 假设在催化转化器3上游的可选的NOx传感器6和催化转化器3之间为同样可选的喷射点7,该喷射点7用于尿素溶液或NH3或其他还原剂的喷射。为了避免NH3横向灵敏度,NOx传感器6被布置在喷射点7的上游。 [0031] 借助图2,现在说明过滤器5的操作模式或过滤方法。所述过滤方法从催化转化器3后面的NOx传感器4和从关于进入催化转化器3的NOx的信息开始,所述信息通过传感器6或模型获得。本方法的目标是决定由NOx传感器4测量的数据是NOx值还是NH3值。为此,在催化转化器3的后面或下游,算法检查产生的NH3泄漏和NOx泄漏中的动态差异。 [0032] 当催化转化器3不能转化所有进入催化转化器3的NOx时,出现NOx泄漏。通常,转化效率为温度、存储在催化转化器中的NH3水平、和空间速度(排气质量流量)的函数。因此,NOx泄漏通过以下等式直接与进入的NOx混合物相关: [0033] NOx_slip=(1-conv_eff)*NOx_preSCR, [0034] 其中conv_eff等于转化效率(其数值范围为0-1)。 [0035] 一方面,当出现NH3泄漏时,这与催化转化器3上游的NOx值不是直接相关。通常,NH3吸附和释放(解吸)是缓慢的过程,其对于吸附,主要取决于NH3投配率、已存储在催化转化器内的NH3和温度。NH3解吸与进入的NOx具有大体较弱的相关性。 [0036] 图2中示意性地示出的过程具有数据调制或预处理的第一阶段10。在步骤11,确定催化转化器3上游和下游的NOx值,以及排气质量流量。 [0037] 在步骤12,最后N个采样值被存储在存储器中,而在步骤13,这些采样值被用于在排气质量流量上游和下游产生NOx值的向量。可在20秒内以每秒一次收集样本,或以其他适合的时间量收集。 [0038] 在第二阶段14,开始构建模型,或者换句话说,产生NOx和NH3模型,更准确地,产生NOx转化和NH3泄漏行为。 [0039] 在步骤15,建立和/或适应性修改模型。在步骤16,例如,根据下 列算法确定催化转化器3下游的NOx和NH3的估算NOxPostEstV和NH3PostEstV。确定估算能够被认为是建立模型的一部分。 [0040] 在此,具有一级动力学的0D CSTR(连续的搅拌槽型反应器)模型在此处被用于NOx建模: [0041] [0042] 信号可以是标量(样本或采样)或向量(带有元件类型操作的时间窗)。假设反应速率(kR)的系数对于时间窗是常量。使用最小二乘降维法,能够解析地确定反应速率的最优系数: [0043] [0044] 其中 [0045] [0046] 最优化准则min(εTε)导致: [0047] kR=(θTθ)-1θTy [0048] 借助线性时间算法,执行NH3泄漏或NH3泄漏行为的建模: [0049] NH3PostEstV=an+b [0050] a和b是将被适应性修改的常量,而n是从0到时间范围-1的样本数量。 [0051] 通过使最小二乘准则最小化而计算a和b,如在NOx模型的情况中: [0052] [0053] 其中: [0054] [0055] 最优化准则min(εTε)导致: [0056] [0057] 在第三阶段17,计算NOx模型的NOx误差εNOx,以及NH3模型的NH3误差εNH3。可替换地,可以计算模型的准确度。在步骤18,这通过下列公式执行: [0058] [0059] [0060] 在第四阶段19,确定NOx传感器4的信号是NOx值还是NH3值。为此,例如,如果适当考虑催化转化器3的温度21,则在步骤20,通过两个误差信号εNOx和εNH3的简单比较而做出决定。如果εNOx大于εNH(3 或εNOx/εNH3大于定义的上限阈值或极限值,例如在一个例子中为1,或在另一个例子中为1.5),则NOx传感器的信号被确定为NH3测量值,因此,假定不存在NOx值。如果εNOx/εNH3低于定义的下限阈值或极限值,例如在一个例子中小于1.5,或在另一个例子中小于或等于1,则NOx传感器4的信号被确定为反映NOx测量值。上限和下限阈值能够是两个独立值或是共同值。 [0061] 在过滤器5中执行该切换。根据已确定的结果,输出NOx值或NH3值,这可以经由过滤器输出或经由两个独立的输出来实现。过滤器5连接至NOx传感器4和进一步处理控制器(在此未示出)之间的信号链路。过滤器还能够被适当地集成到控制器或NOx传感器4中。 [0062] 图3A-3D示出了说明图2的过滤器5的操作方法的图示。在图3A中,图示310示出了NOx值,其通过催化转化器3上游(实线)和下游(虚线)的传感器测量。在图3B中,图示320示出了NO(x 实线)和NH(3 虚线)模型的误差。 [0063] 图3C示出了图示330,其说明了根据图2(虚线)中的方法确定的预测的NH3值,其与通过催化剂下游的NH3传感器(实线)测量的NH3值相比较。 [0064] 图3D示出了图示340,其说明了通过图2(虚线)中的方法确定的预测的NOx值,其与通过催化剂下游的NOx传感器(实线)测量的NOx值相比较。 [0065] 图3C和图3D中重叠的曲线示出了过滤方法和过滤器是如何操作的。 [0066] 所述方法可以被用于任何带有催化转化器的排气系统,尤其是带有SCR催化转化器(被动和主动)的排气系统。在催化转化器下游需要NOx传感器。在实际测试中已显示出本方法关于催化转化器上游的NOx信号的偏置是非常鲁棒的,并且因此为了该值使用NOx传感器和NOx模型是可能的。本方法无需额外的输入NOx信号的干扰,并且这例如,能够通过切换排气再循环开启和关闭而实现。然而,为了验证模型或者确定模型的准确度,可通过调节EGR量而有目的地扰动NOx值并且确定模型是否准确地反映NOx值的变化。 [0067] 可以概括地说,本方法能够被描述成比较基于催化转化器上游的NOx数据的两种模型的误差以及通常经由20秒的时间窗的时间观察,在每个采样点(通常为1秒)处催化转化器下游的NOx传感器的信号。 [0068] 转向图4,其示出了用于调节运转参数以响应经过SCR催化剂的被检测的泄漏的方法400。方法400可以通过发动机控制器执行,该控制器随后确定由下游NOx传感器,例如传感器4,输出的NOx值是反映经过SCR催化剂(例如催化剂3)的NOx泄漏还是NH3泄漏。这样,方法400包括,在步骤402,将下游NOx传感器的输出指定为NOx值或NH3值,其可以根据参考图2的上述方法确定。在步骤404,确定传感器输出是反映NOx还是NH3。如果数值反映NOx,则方法400前进至步骤406,从而确定NOx泄漏是否超过了阈值。阈值可以是零, 以便任何被检测的NOx构成NOx泄漏。然而,在其他实施例中,阈值可以大于零。在一些实施例中,阈值可以是催化剂上游的NOx的百分比。例如,阈值可以是被测量的上游NOx的5%。如果由下游传感器测量的NOx量未超过阈值,则方法400结束。如果NOx量超过阈值,则方法400前进至步骤408,从而增加供应至SCR催化剂的还原剂的量。还可以调节其他运转参数以响应NOx泄漏,例如向发动机增加排气再循环、调节空气燃料比等等。 [0069] 返回至步骤404,如果确定传感器输出反映NH3值,则方法400前进至步骤410,从而确定NH3的量是否超过了阈值。所述阈值可与上述NOx阈值相似,或者可以不同。在一个例子中,所述阈值可以是零。在另一个例子中,所述阈值可以大于零。如果NH3的量未超过阈值,则方法400结束。如果NH3的量超过了阈值,则方法400前进至步骤412,从而减少供应的还原剂的量和/或调节额外的运转参数。 [0070] 因此,在此描述的方法提供了用于耦合至排气系统的发动机的方法。本方法包括基于NOx和NH3泄漏量,调节供应至布置在排气系统中的催化剂的还原剂的量。可通过来自共用传感器的输出确定NOx和NH3泄漏,所述输出基于NOx和NH3误差仅被指定为NH3泄漏和NOx泄漏中的一个。 [0071] 在另一个例子中,方法包括如果经过SCR催化剂的NOx泄漏超过第一阈值,则增加供应至SCR催化剂的还原剂的量,并且如果经过SCR催化剂的NH3泄漏超过了第二阈值,则降低供应至SCR催化剂的还原剂的量,根据下游NOx传感器以及NOx模型误差与NH3模型误差的比率来确定NOx泄漏和NH3泄漏。 [0072] 将意识到的是,在此公开的配置和方法本质上是示例性的,并且因为多种变型均是可行的,所以这些特定实施例不被视为是限制意义。例如,上述技术能够被应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他发动机类型。本发明的主题包括各种系统和配置的所有新颖并且非显而易见的组合和子组合、以及在此公开的其他特征、功能和/或性质。 [0073] 下列权利要求特别指出被视为是新颖并且非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。这些权利要求应被理解成包括一个或更多此类元件的结合,既不要 求也不排除两个或更多此类元件。公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过修改本权利要求或通过在此申请或相关申请中提出的新的权利要求而要求保护。这些权利要求,无论比原始权利要求范围更宽、更窄、等同或不同,仍被视为包括在本发明的主题内。 |