发动机及废气后处理控制 |
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| 申请号 | CN201180005311.1 | 申请日 | 2011-01-03 | 公开(公告)号 | CN102844533B | 公开(公告)日 | 2015-05-20 |
| 申请人 | 康明斯知识产权公司; | 发明人 | C·庞纳特普尔; | ||||
| 摘要 | 一种控制具有SCR的废气系统和 内燃机 的方法，并且此处所述的 发动机 和包含SCR的废气系统实时监视通过SCR由内燃机输出的废气流的NOx转化效率。对于所监视的NOx转化效率是否超出预定的目标转化效率(如基于预定的NOx容许 排放量 的目标)进行确定。当所监视的NOx转化效率超过所述预定量时，以基于所监视的转化效率与预定的目标转化效率之差的量来增加所述废气流中的NOx浓度 水 平。此处所提供的另一种方法和发动机及废气系统基于对依照发动机NOx 质量 流排放的喷射的脲和依照SCR催化剂的 温度 的SCR催化剂的还原效率进行前馈计算而 跟踪 存储在SCR的催化剂上的 氨 的量，并以富含NOx的模式运行发动机和废气系统，其中基于所存储的氨的跟踪量调整EGR部分指令，以降低进入内燃机的进气中的EGR气体的量，并由此减少存储在SCR催化剂上的氨。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种控制具有SCR的废气系统和内燃机的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 发动机及废气后处理控制技术领域背景技术[0002] 与汽油机相比，柴油机采用贫得多(leaner)的空燃比。进入的气体中更大的空气量促进了更充分的燃料燃烧和更高的燃料效率，因此较之汽油机降低了烃类和一氧化碳的排放。然而，在柴油机的较高压力和温度下，包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)(统称为NOx)的氮氧化物排放趋于较高，这是因为高温导致进入的空气中的氧和氮结合为NOx。 [0003] NOx引起许多与环境有关的问题，如地面臭氧源或雾、酸雨、过度的水体营养物等，并可以与常见有机化学品甚至臭氧容易地反应，形成许多种有毒产物。自从二十世纪七十年代以来，政府立法已经要求废气排放中NOx逐渐减少。 [0004] 为遵守关于NOx排放的日益严格的政府法令，本行业已经开发出若干种NOx减少机制。两种此类机制涉及操纵发动机运行特性和实现后处理控制技术。 [0005] 通常，操纵发动机运行特性以降低NOx排放可以通过降低进气温度、减少动力输出、延迟喷油时机、降低冷却剂温度和/或降低燃烧温度来实现。例如，冷却的废气再循环(EGR)是一种降低燃烧室内部峰值火焰温度的公知方式，其中一定百分比的废气被引至或强制返回至进气中并与进入燃烧室的新鲜空气及燃料混合。进入的空气的稀释通过降低燃烧过程中O2的浓度而减少了NOx的形成。在较小的程度上，空气也吸收一些热，进而冷却该过程。然而，EGR的使用会增加燃料消耗。 [0006] 处理燃烧后废气的后处理控制技术包括选择性催化还原(SCR)。SCR法利用催化剂和无水氨(NH3)或氨水或可转化为NH3的前体(如脲)将NOx还原为双原子氮(N2)和水。典型的SCR催化剂为蜂巢或板状陶瓷载体(例如，氧化钛)和贱金属(例如钒和钨)的氧化物、沸石和其他贵金属。 [0007] 除NOx排放之外，柴油机的另一个缺点是产生和排放废气颗粒物(PM)或烟粒(soot)，与汽油机相比其产生的量更大。PM是复合排放物，包含碳元素、来自燃料的重烃、润滑油和来自燃料硫的含水硫酸。柴油机PM包括直径低于0.4μm的小核形式的颗粒，及直径达1μm的其聚集体。当不充足的空气或低燃烧温度阻止游离碳的完全燃烧时，就会形成PM。因此，PM是部分未燃烧的燃料或润滑油，并且经常看起来是黑烟。 [0008] 柴油机废气中构成PM排放物的微粒可以渗入肺部深处，因而引起严重的健康风险，包括加剧的哮喘、肺损伤和其他严重的健康问题。柴油机的PM排放物也促进了雾霾(haze)的形成，限制了能见度。由于其破坏作用，政府机构已经强制实行针对PM排放物越来越严格的限制。 [0009] 一种用于减少或除去柴油机废气中的PM的后处理装置是柴油机颗粒过滤器(DPF)。DPF系统通常包括封装在位于柴油机废气流中的罐中的过滤器。过滤器被设计为在使废气通过它的时候收集PM。DPF的种类包括陶瓷和碳化硅材料、纤维缠绕盒、针织纤维二氧化硅盘管、丝网和烧结金属。DPF已经证实可以减少PM 90%以上。也可以将DPF与柴油氧化催化剂(DOC)一起使用，以减少柴油机废气中HC、CO和PM的可溶性有机部分(SOF)。 [0010] 虽然DPF可非常有效地从柴油机废气中除去PM，但是柴油机所产生的PM的体积却足以在较短的时间内填满和堵塞DPF。因此，必须定期执行清洁或置换DPF的工序，以实现发动机的连续运转。一种被称为再生的DPF清洁工序烧掉或“氧化”已在过滤器中累积的PM。然而，由于柴油机废气温度通常不足以高至使累积的PM燃烧，因此使用了各种方法升高废气温度或降低氧化温度。 [0011] 再生可以通过向过滤器加入催化剂而被动地完成。例如，涂覆于过滤器表面的贱金属或贵金属涂层能够降低使累积的PM氧化所需的着火温度。可以在DPF的上游提供DOC以氧化NO从而生成NO2(需要精确控制以维持发动机废气中NO/PM的质量比)，而后者又会氧化下游DPF中的PM。作为另外一种选择，可以通过许多途径，例如发动机管理系统、燃料燃烧器、耐热盘管或后燃料喷射等升高废气温度，从而主动地实现再生。主动系统利用后期在燃烧循环中的柴油燃料的脉冲输送而进行经过催化剂的氧化，由此加热DPF和氧化所捕获的PM。然而，在将废气系统中的背压保持较低时过于频繁地运行该循环会导致过多的燃料使用。 [0012] 发动机控制模块(ECM’s)(也称作发动机控制单元(ECU’s))控制发动机和车辆的其他功能。ECM’s可以接收各种输入，以确定如何控制发动机和车辆的其他功能。关于NOx和PM消减，ECM可以操纵发动机运行参数，如EGR和燃料喷射。 [0013] ECM’s还可以控制废气后处理装置(如基于脲的SCR系统、DOC系统或DPF系统)的运行参数。例如，ECM可以使脲溶液以由下述算法算得的速率计量进入废气流中，所述算法将废气流中存在的NOx的量估作发动机运行条件(例如，废气流量、温度和NOx浓度)的函数。作为另一个实例，ECM可以监视一个或多个测量背压和/或温度的传感器，并且基于预先程序设定的点，ECM可以激活再生循环。 [0014] 除EGR之外，设计电子控制和改进燃料喷射系统从而以喷射压力、喷射时机和喷溅位置的最佳组合来输送燃料可使发动机高效燃烧燃料，而不会引起提高NOx排放的温度峰值。例如，对燃料喷射至汽缸中的开始时机的控制会影响排放和燃料效率。使喷射开始提前，从而当活塞进一步远离上止点(TDC)时所喷射的燃料引起较高的汽缸内压力和较高的燃料效率，但是也引起较高的NOx排放。另一方面，延迟喷射的开始将延缓燃烧，但可降低NOx排放。由于该延缓的喷射，大部分燃料在较低的峰值温度燃烧，减少了NOx的形成。 [0015] 对于EGR发动机，排放控制的关键组件之一是涡轮增压器。采用EGR技术的大多数制造商已经开发出了不同种类的可变几何涡轮增压器(VGT)，其被设计为可根据发动机速度调节冷却的废气空气气流回到燃烧室的流动。必须被计量进入进气歧管中的废气的精确量随发动机负荷而变。在游弋和中等范围的加速过程中，高EGR流量通常是必须的，这时燃烧温度通常非常高。另一方面，在低速和轻负载条件下需要的是低EGR流量。在EGR会不利地影响发动机运行效率或车辆驾驶性的条件下，例如在发动机变热、闲置或节气门全开的过程中，不应出现EGR流量。 [0016] 通过操纵发动机运转减少NOx通常会降低燃料效率。较低NOx的排放目标已经重点强调了减少的发动机NOx排放，为的是能够满足需服从的严格的尾管NOx排放水平。在这样做时，如充油流量、EGR流量、喷射时机等许多手段已经随着减少NOx这一目的而改变，但是在相反方面其已经降低了BSFC。 [0017] 此外，仅仅操纵发动机运行不会将NOx的量充分减少至法令所规定的水平。结果，也需要实现后处理系统，如利用如上所述的SCR、DOC和/或DPF元件的那些后处理系统。使用SCR系统可以使燃料效率提高3%～10%，这比操纵发动机运行以实现NOx减少更适于减少NOx，后者对于燃料效率具有负面影响。 [0018] 基于脲的SCR系统可以根据四个主要的子系统来进行审视：将脲引入废气流中的喷射子系统，脲汽化和混合子系统，废气管子系统，和催化剂子系统。柴油机车辆必须载有用于SCR系统的补给脲溶液，其通常为32.5重量%的脲的水溶液。脲溶液自箱罐泵出并通过喷雾嘴喷溅至废气气流中。脲与废气的完全混合和均一流动分布对于实现较高的NOx减少至关重要。基于脲的SCR系统使用气态氨来减少NOx。在热解过程中，气体的热使得脲(CO(NH2)2)分解为氨(NH3)和氢氰酸(HCNO)。氨和HCNO之后遇到SCR催化剂，在该处，氨被吸收，而HCNO通过水解进一步分解为氨。作为另外一种选择，可以使用无水NH3或氨水作为SCR氨源。不管用于SCR系统的为何种NH3源，当NH3被吸收时，其与NOx反应产生水、氧气(O2)和氮气(N2)。 [0019] 喷射至废气流中的氨的量是一个关键的操作参数。氨与NOx的所要求的比例通常是化学计量的，并且必须保持以确保NOx的高水平减少。然而，由于不完美混合等原因，SCR系统永远不可能实现100%的NOx减少。 发明内容[0020] 本发明涉及利用实际的实时SCR催化剂效率与达到排放目标所需要的目标效率之差来改善内燃机的燃料经济性和/或性能。 [0021] 在根据请求保护的本发明的一个实施方式中，控制具有SCR的废气系统和内燃机的方法包括实时监视通过SCR由内燃机输出的废气流的NOx转化效率。将所监视的NOx转化效率与预定的目标转化效率进行比较，确定其是否超出预定的目标转化效率。预定的目标效率可以基于预定的NOx容许排放量。当所监视的NOx转化效率超过所述预定量时，以基于所监视的转化效率与预定的目标转化效率之差的量来增加所述废气流中的NOx浓度。 [0022] 在根据请求保护的本发明的另一实施方式中，用于具有SCR的废气系统和内燃机的控制器包括适于实时监视通过SCR由内燃机输出的废气流的NOx转化效率的监视器模块。控制器还包括适于利用与控制器相关的处理器确定所监视的NOx转化效率是否超出预定的目标转化效率的比较模块。目标转化效率系基于预定的NOx容许排放量。控制器包括适于当所监视的NOx转化效率超过所述预定量时以基于所监视的转化效率与预定的目标转化效率之差的量来增加所述废气流中的NOx浓度水平的控制模块。 [0023] 通过增加废气中NOx质量流(例如，通过降低EGR流量或其他发动机管理措施来进行)，制动比燃料消耗可以得到改善。另外，增加的NOx流量可以通过促进PM的氧化来减少颗粒过滤器中颗粒物(PM)的量，这也可以改善燃料经济性。 [0024] 在根据请求保护的本发明的另一个实施方式中，控制具有SCR的废气系统和内燃机的方法包括：跟踪存储在SCR的催化剂上的氨的量，所述跟踪基于对依照发动机排放NOx质量流而喷射的脲和依照温度的SCR催化剂的还原效率而进行的前馈计算。发动机和废气系统以富含NOx的模式运行，其中基于所存储的氨的跟踪量调整EGR部分指令，以降低进入所述内燃机的进气的EGR气体的量，由此减少存储在SCR催化剂上的氨。 [0025] 在根据请求保护的本发明的另一个实施方式中，用于具有SCR的废气系统和内燃机的控制器包括：适于跟踪存储在SCR的催化剂上的氨的量的跟踪模块，所述跟踪基于对依照发动机排放NOx质量流而喷射的脲和依照温度的SCR催化剂的还原效率而进行的前馈计算。控制器还包括：适于以富含NOx模式运行发动机和废气系统的控制模块，其中，基于所存储的氨的跟踪量调整EGR部分指令，以降低进入内燃机的进气中的EGR气体的量，并由此减少存储在SCR催化剂上的氨。 [0026] 进入富含NOx的运行模式使得可以获得更好性能和/或颗粒过滤器再生，而不会产生伴随主动再生事件的燃料损失。 附图说明[0028] 图1是显示公路上卡车的实际SCRNOx转化效率的实例的图。 [0029] 图2是示例性实施方式的自适应控制模块(ACM)的图表。 [0030] 图3是关于控制发动机和废气系统的工艺流程图，其基于示例性实施方式的实时和预定目标转化效率确定的实际的SCR转化率之差进行控制。 [0031] 图4是描绘与各种催化剂材料的NOx转化效率的温度依赖性有关的特性的图。 [0032] 图5是描绘与各种SCR催化剂材料的氨存储有关的特性的图。 [0033] 图6是关于控制发动机和废气系统的工艺流程图，其基于示例性实施方式的对存储在SCR催化剂上的氨的量的跟踪进行控制。 具体实施方式[0034] 本发明人已经认识到，在某些运行条件下，如道路行驶负荷循环(例如重负载、长途运输、娱乐车(RV)等)，通过SCR的废气和流量水平可使转化效率超过满足排放目标所需的转化效率，因此喷射的氨存储在SCR催化剂的表面上，并且可被NOx消耗。例如，在此类运行条件下，SCR转化效率可以达到约95%，但是当前法定的排放目标仅要求约75%的循环转化效率。在这些条件下，存在可为改善性能而进行平衡(trade off)的效率的边际(margin)或“储备”量。 [0035] 图1显示的是公路上的卡车的SCR性能的实例。转化效率以曲线10显示，发动机速度(RPM)以曲线12显示，并且SCR入口温度以曲线14显示。可以看出，卡车实现了平均为97%的NOx转化效率，而目标NOx仅要求71%的转化效率。根据请求保护的本发明的实施方式，通过切换为可以提高制动比燃料消耗率(BSFC)的运行模式，将高SCR效率所允许的储备转化为更优的发动机经济性和/或性能，其涉及控制以下任一项或其组合：降低EGR流量、提前时机、增加轨道压力、脲(DEF)给料量，和操纵和/或后期加燃料量。可以修改这些参数和其他发动机参数以提高BSFC，但这也会增加发动机NOx排放。储备中所存在的SCR的附加性能可以用于降低所增加的NOx以确保排放合法。 [0036] 图2显示的是自适应控制模块(ACM)16的示例性实施方式，其可以在ECM/ECU中实现，或者作为单独的模块，从而实时监视示意性地显示为由所绘制的ACM 16的左侧进入的各种输入18，和离开所绘制的ACM 16的右侧的经修改的输出20。对于“实时”，足以实现燃料经济性和/或性能的可接受的改善的采样率可以小至1Hz以下，但是图2的感知条件中的一项或多项的更大的采样率可以在多次迅速改变条件的过程中提供更高的效率。ACM可以包含一个或多个执行代码的微处理器，所述微处理器执行在其中所容纳的内存中存储的指令或者执行在一个或多个内存装置中存储的指令，所述内存装置存储可为ACM 16访问的数据和程序指令。ACM 16通常接收来自整个车辆的各种传感器的输入信号以及接收可能的来自终端用户的外部输入数据。为实时进行此处所述的监视和计算，信号采样速度必须足以提供存储的氨的数据和用于转化效率计算的数据。ACM 16随后读取程序指令并执行指令，以进行数据监视和根据输入信号控制功能。ACM 16将控制数据发送至ACM 16的输出端口，该输出端口将输出信号分送至控制发动机或SCR系统的多个执行器。 [0037] SCR转化效率(即，“SCR NOx转化率”)被“实时”监视，以通过监视/测量SCR入口/出口NOx来获得SCR催化剂中的存储的NH3量。这可以使用测量跨越SCR的转化效率的两个NOx传感器来实施，不过也可以使用另一种测量存储的NH3的方法，如在SCR的出口处提供NH3传感器。 [0038] 在实施方式中，控制特征提供了一种利用性能余量的方法，所述性能余量系通过优化发动机条件以提高或最大化燃料经济性，从而在某些运行条件下因提高的SCR转化效率而获得。除提供改善燃料经济性的方法之外，实施方式还能利用适机的被动DPF再生，所述再生利用发动机的NOx排放。通过使发动机在减少或切断EGR的模式(例如，Chi4模式)下运行和通过检测存储在SCR催化剂上的氨的量，可以实现较高的NOx，需要所述SCR催化剂来消耗氨并避免NOx损失。 [0039] 在某些条件下喷射的NH3存储在SCR表面上，并可以用于被NOx消耗。然而，NOx在高温也可以由SCR催化剂表面释放。该释放应该利用闭环控制策略而得到避免或最小化，所述策略平衡增压空气中的EGR部分以改变发动机NOx排放，使得存在足够高的NOx浓度来消耗SCR中存储的NH3并清洁DPF。 [0040] 根据请求保护的本发明的实施方式可以提供切换至改善BSFC的模式(例如，通过较低的EGR流量，提前的时机，轨道压力)的益处，同时也不增加尾管NOx排放，这是因为SCR运行更有效。这也可以帮助降低发动机颗粒物排放，并且增加的发动机NOx排放可以帮助烟粒氧化，由此保持DPF清洁。因此，脱烟粒间隔可以延长，从而增加了可改善燃料经济性的另一因素。 [0041] 图3显示的是示例性实施方式的工艺流程图，所述实施方式基于实际NOx转化效率与满足尾管NOx目标(如排放要求)所需的转化效率之间存在的效率之差来控制内燃机。由工序50开始，监视通过SCR元件的实时NOx转化效率。接下来，工序52将所监视的NOx转化效率与预定的目标转化效率进行比较。例如，预定的目标转化效率可以是查阅表中的值或者是基于最大可接受尾管排放水平的计算值。在工序54中，当所监视的NOx转化效率超过所述预定量时，以基于所监视的转化效率与预定的目标转化效率之差的量来增加发动机废气流中的NOx浓度水平。 [0042] 根据另一个实施方式，利用发动机NOx排放通过适机的DPF再生改善燃料经济性的闭环控制策略实时跟踪存储在SCR催化剂上的NH3和DPF中捕获的烟粒。这可以通过对依照发动机NOx排放而喷射的脲和依照温度的SCR催化剂的还原效率的前馈计算来进行。前馈计算可以例如基于反应器数据利用模型来进行，所述反应器数据使用时间、温度、废气流量、给料的脲、SCR入口NOx浓度和催化剂性质的输入来确定NH3的实时存储和释放。 [0043] 图4以氧化钒(Vanadia)、FeZ和Cuz SCR催化剂为例显示了关于NOx转化效率对温度的依赖特性。可以看出，与CuZ或氧化钒类催化剂相比，FeZ通常给出较高的温度相关性能，而CuZ可以给出比较好的低温性能。CuZ还对入口NO2/NOx较不敏感，并允许脲在ANR (氨与NOx之比)>1时给料以获得改善的高温效率，甚至可以获得高于FeZ的高温效率。图5显示的是NH3存储通常随着催化剂温度的升高而降低。如图5所示，与氧化钒类催化剂相比，沸石催化剂可以在低温存储更多NH3。在低温负荷循环中，在SCR催化剂上存储的NH3的量足以还原一些NOx而不需进行脲(或其他NH3源)给料。利用这些特性数据，可以为前馈计算创建精确的模型。 [0044] 利用发动机NOx排放通过适机的DPF再生来改善燃料经济性的控制环起到两个作用：(1)改变EGR部分指令(即，EGR闭环控制系统的参考值)和提供富含NOx的废气来清洁存储氨的SCR和维持逃脱SCR并进入大气的NH3为法定限制，和(2)进入Chi4模式(即，EGR阀关闭-高NOx)以提供条件使得当该条件存在时DPF再生(即，检测到的负载的过滤器+在SCR上的高NH3存储)。例如，如果在SCR催化剂上有足够的存储的氨并且跨越DPF所传感到的Δ压力表明捕获的颗粒物需要从过滤器清洁下来，则EGR阀可以关闭以将发动机NOx排放量增加至正常值的约3倍。较高的发动机NOx排放可以在运行约20分钟～30分钟内容易地清理烟粒阻塞的DPF，同时保持排放合法，这是因为在SCR中存储的氨可以降低NOx的升高，由此清除存储在SCR催化剂中的过量的NH3。因此，增加的发动机NOx排放降低或消除了在短暂的过量氨存储条件下的潜在的NH3逃脱。 [0045] 该策略的实施方式改善了燃料经济性，并利用被动DPF再生的机会避免了变为主动再生的燃料损失。结果，可以避免涉及给柴油机燃料的主动再生，例如直接将燃料喷溅至废气流中或将其作为额外的燃料喷射至发动机汽缸中以提高废气温度。该策略在时停时进行的负荷循环中特别有利，其中废气温度和流量防止了周期性的主动再生。实施方式可以包括在数次再生过程中降低的EGR(例如，Chi4模式)和在另外的适机时的运行“最小EGR”。“最小EGR”是产生下述水平的NOx的EGR量，在所述水平的NOx可以被存储在SCR催化剂上的氨吸附，并且不超过尾管排放的阈值。实施富含NOx废气清洁DPF的实施方式可以包括ACM模块，例如图2的ACM模块16，其具有确定是否应清理DPF的增添的输入功能(例如，高于预定的阈值的测得的Δ压力值)，并可以以比以上所述的少或多的功能性来得到实施。 [0046] 图6显示的是示例性实施方式的工艺流程图，所述实施方式基于存储在SCR催化剂中的氨的量来控制内燃机。开始于工序60，基于对依照发动机NOx质量流排放而喷射的脲和依照SCR催化剂的温度的SCR催化剂的还原效率的前馈计算，对存储在SCR催化剂上的氨的量进行跟踪。在工序62中，发动机和废气系统以富含NOx的模式运行，其中基于所存储的氨的跟踪量调整EGR部分指令，以降低进入内燃机的进气的EGR气体的量，由此减少存储在SCR催化剂上的氨。 [0047] 虽然此处只描述了数量有限的实施方式，但本领域技术人员将会容易地认识到，所有这些实施方式都可以进行变化，并且那些变化在所附权利要求的范围内。因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以对本文所描述的发动机及废气后处理控制进行改变和修改，而不会背离所附权利要求及其等同物的范围。 |
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