专利名称：用于柴油发动机的废气排放后处理的设备和方法
技术领域：
本发明的实施方式总体上涉及柴油发动机，更具体地，涉及用于柴油发动机的废气排放后处理的设备和方法。
背景技术：
在目前的柴油发动机领域中，选择性催化还原(SCR)是一种重要的用于处理发动机排放的废气的后处理系统。SCR后处理系统通常包括尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。SCR后处理系统的基本工作原理是废气从发动机涡轮被排出后进入排气混和管，在排气混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨(NH3)。催化器利用尿素作为还原剂将废气中的氮氧化合物(NOx)转换成氮气(N2)和水。在SCR后处理系统中，控制尿素喷射量至关重要。喷射过多的尿素会产生氨泄漏， 而喷射太少的尿素将导致较低的氮氧化合物NOx转换效率。为了设计SCR后处理系统尿素喷射控制策略，需要确定SCR后处理催化系统的状态信息。在现有技术中，可以利用传感器实时测量温度、空气流量、NOx浓度、氨浓度。然而，目前在实践中无法对催化载体氨表面覆盖率进行直接而准确的测量。可以理解，催化载体氨表面覆盖率将直接影响废气中的氮氧化合物NOx和氨的浓度，而废气中的氮氧化合物NOx和氨的浓度对SCR后处理尿素喷射量控制器的设计是两个最重要的状态。SCR后处理尿素喷射量控制器的设计可以通过控制催化载体氨表面覆盖率而达到废气中的氮氧化合物NOx浓度和氨气泄漏最小的目标。由于催化载体氨表面覆盖率不能用常规的传感器测量，所以必须设计专用的装置对其进行确定或称估计。这种装置在本领域中通常被称为观测器。现有的催化载体氨表面覆盖率的状态观测器主要包括线性观测器和基于卡尔曼(Kalman)滤波的观测器。另一方面，催化器的氨存储容量也是SCR后处理尿素喷射量控制器必须考虑的因素。目前，在面向控制的SCR后处理系统中，氨存储容量通常被假设为常量。然而，研究表明，SCR后处理催化器氨存储容量随着SCR后处理催化器的老化而减少。通常认为，当时间和温度变化时，SCR后处理催化器氨存储容量具有很高的不确定性。正因如此，才选择SCR 后处理催化载体氨表面覆盖率作为控制变量来设计尿素喷射量鲁棒控制器。根据SCR后处理催化载体氨表面覆盖率的定义，氨存储容量与氨表面覆盖率存在反比关系。因此，如果选择氨表面覆盖率作为控制变量，则必须能够确定氨存储容量。而且， 现在的排放法规要求在线故障诊断系统(OBD)监测SCR后处理系统的健康状况。氨存储容量是直接反映SCR老化的重要因素。估计SCR后处理催化器氨存储容量是OBD确认SCR健康状况所必备的。现有的氨存储容量的状态观测器包括基于卡尔曼滤波的观测器。现有的基于卡尔曼滤波的氨表面覆盖率和氨存储容量的状态观测器设计是在假定由于SCR催化器老化引起的缓慢时间变化的氨存储容量动力学或者同温度有关的快速的时变的氨存储容量动力学而设计的。这种设计的缺点在于氨存储容量的动力学机理仍然不确定，而实际的氨存储容量动力学可能要复杂得多。因此，在现有技术中，需要一种更为有效的解决方案来自适应地确定SCR后处理载体氨表面覆盖率和氨存储容量。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的实施方式提供一种在SCR后处理系统中自适应地确定催化器的载体氨表面覆盖率和氨存储容量的设备和方法。在本发明的第一方面，提供一种在柴油发动机的选择性催化还原(SCR)系统中使用的设备，该SCR系统包括催化器以利用氨转化该柴油发动机排放的氮氧化物。该设备包括获取装置，其耦合至所述催化器，配置用于获取该催化器至少一个工况的测量值；以及确定装置，其耦合至所述获取装置，配置用于基于获取的该测量值确定该催化器的氨存储容量以便确定该催化器的氨表面覆盖率。根据本发明的某些实施方式，确定装置包括联合确定装置，配置用于基于获取的该测量值，随同该催化器的氨存储容量一起确定该催化器的氨表面覆盖率。可选地，联合确定装置包括基于模型的确定装置，配置用于以所述测量值作为自变量，通过使用表征所述催化器的化学反应特性的反应模型，确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面
覆盖率。根据本发明的某些实施方式，基于模型的确定装置进一步包括计算装置，配置用于根据获取的该测量值计算至少一个工况的观测值；以及第一确定装置，配置用于基于所述反应模型，使用所述测量值和所述观测值来确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器
的氨表面覆盖率。根据本发明的某些实施方式，获取装置包括以下至少一个第一浓度获取装置，配置用于获取该催化器中的氮氧化物浓度；第二浓度获取装置，配置用于获取该催化器中的氨浓度；以及温度获取装置，配置用于获取该催化器中的温度。在本发明的第二方面，提供一种在柴油发动机的选择性催化还原(SCR)系统中使用的方法，该SCR系统包括催化器以利用氨转化该柴油发动机排放的氮氧化物。该方法包括获取该催化器至少一个工况的测量值；以及基于获取的该测量值确定该催化器的氨存储容量以便确定该催化器的氨表面覆盖率。根据本发明的某些实施方式，基于获取的该测量值确定该催化器的氨存储容量以便确定该催化器的氨表面覆盖率包括基于获取的该测量值，随同该催化器的氨存储容量一起确定该催化器的氨表面覆盖率。可选地，基于获取的该测量值随同该催化器的氨存储容量一起确定该催化器的氨表面覆盖率包括以所述测量值作为自变量，通过使用表征所述催化器的化学反应特性的反应模型，确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率。根据本发明的某些实施方式，以所述测量值作为自变量通过使用表征所述催化器的化学反应特性的反应模型确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率包括根据获取的该测量值计算至少一个工况的观测值；以及基于所述测量值和所述观测值，使用所述反应模型来确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率。
根据本发明的某些实施方式，获取该催化器至少一个工况的测量值包括获取以下至少一个该催化器中的氮氧化物浓度，该催化器中的氨浓度；以及该催化器中的温度。通过下文描述本领域技术人员将会认识到，通过采用本发明的实施方式，在基于测量得到的催化器的工况确定或称估计催化器的氨表面覆盖率时，催化器的氨存储容量 (或称储氨能力)可以不再如现有技术中那样始终被假定为常量，或是基于特定的动力学特性而确定。相反，本发明的实施方式对氨存储容量的动力学特性不做任何假设，其可以是常量也可以是变量。特别地，可以基于催化器的化学反应模型同时确定催化器的氨储存容量和氨表面覆盖率。以此方式确定的氨储存容量和氨表面覆盖率可以更加真实、准确地反映SCR催化器的物理特征。此外，本发明提出的解决方案在实践中易于实现和操作。
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中图1示出了根据本发明示例性实施方式的用于在SCR系统中使用的设备100的框图；图2示出了根据本发明示例性实施方式的用于在SCR系统中使用的设备200的框图；图3示出了根据本发明示例性实施方式的联合确定装置的框图；图4示出了根据本发明示例性实施方式的用于在SCR系统中使用的方法400的流程图。在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施例方式下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。注意，在本申请的上下文中，所使用的术语“参数”表示任何能够指示柴油发动机的(目标或实际)物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示浓度的参数”与“浓度”在本文中具有等同的含义。 此外，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估
异，寸寸ο下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。首先参考图1，其示出了用于在选择性还原反应SCR系统中使用的设备100的示意图。如上所述，SCR系统包括催化器。催化器通常利用尿素作为还原剂将发动机排放的废气中的氮氧化合物(NOx)转换成氮气(N2)和水。如图1所示，设备100包括获取装置 102，其可以耦合至SCR系统中的催化器，并且配置用于获取催化器的至少一个工况的测量值。此外，设备100还包括确定装置104，其耦合至获取装置102，并且配置用于基于获取的所述测量值确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率。关于获取装置102和确定装置104的具体操作和特征，将在下文详述。下面参考图2，其示出了用于在选择性还原反应SCR系统中使用的设备200的示意图。设备200是上文描述的设备100的具体和细化实现。设备200包括获取装置202和与之耦合的确定装置204，其分别对应于上文描述的装置102和104。下面将结合具体的示例对设备200的特征进行详细描述。在本发明的某些实施方式中，可以基于以下至少一个工况测量值来确定催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率催化器中的氮氧化物浓度，催化器中的氨浓度；以及催化器中的温度。相应地，在这些实施方式中，获取装置202可以包括以下至少一个第一浓度获取装置2022，配置用于获取催化器中的氮氧化物浓度；第二浓度获取装置20M，配置用于获取催化器中的氨浓度；以及温度获取装置20 ,配置用于获取催化器中的温度。作为示例，第一浓度获取装置2022和第二浓度获取装置20 可以分别配置用于利用适当的传感器来获取氮氧化物浓度的测量值和氨浓度的测量值。同样，温度获取装置 2026例如可以配置用于使用适当的温度传感器来获取催化器的温度测量值。特别地，根据某些实施方式，催化器的入口端和出口端可以分别设置有上游温度传感器和下游温度传感器。此时，设备200的获取装置202中的温度获取装置20 可以基于上游温度传感器和下游温度传感器的测量值来估计催化器的温度。例如，可以将催化器的温度计算为上游温度和下游温度的算术平均值或加权平均值。注意，上面描述的仅仅是若干可行示例，其他目前已知或将来开发的任何适当技术手段均可用于获取催化器的工况测量值。本发明的范围在此方面不受限制。在本发明的一个可选实施方式中，可以按照一种联合的方式同时确定催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率。换言之，在确定催化器的氨表面覆盖率时，氨存储容量不再必须是常量，而是可选地与氨表面覆盖率一起作为因变量而被确定。相应地，在这样的实施方式中，设备200的确定装置204可以包括联合确定装置2042，其配置用于基于获取的所述测量值，随同催化器的氨存储容量一起确定催化器的氨表面覆盖率。联合确定装置2042可以通过任何适当的方式来同时确定催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率。例如，在本发明的某些实施方式中，联合确定装置可以包括基于模型的确定装置(未示出)，其配置用于以所述测量值作为自变量，通过使用表征所述催化器的化学反应特性的模型，确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率。在这样的实施方式中，可以通过目前已知或者将来开发的任何适当手段来建立表征SCR催化器的化学反应特性的反应模型(或简称“反应模型”)。基于该反应模型，确定装置204将由获取装置202获取的催化器工况测量值用作自变量，以便同时确定或者说估计催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率。换言之，催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率是在该反应模型中充当因变量。下面将描述一个反应模型的具体示例，其中，该反应模型的自变量包括催化器中的氮氧化物浓度、氨浓度以及温度。在此实施方式中，如上文所述，温度获取装置20 例如可以通过如下方式获取催化器温度的测量值T = Tus+^Tds( j )
其中Tus和Tds分别是催化器的上游温度和下游温度。将催化器的氨存储容量表示为Ω，并且将催化器的氨表面覆盖率表示为。可以通过如下方式来建立表征催化器中化学反应特性的模型，即，反应模型0燃3 = Cmα,(Γ)(1 -)-[a4(T) + (Τ)οΝΟχ +a6(T)]@m ( 2 ) ΝΟχ = axnNOxJn - Cn0x {aQaxmEGT + a5 (Τ)ΩΘΝΗ3)(3)cNH} = axnm in - Cm [a0axmEGT + a3 (Γ)Ω(1 - Θ册3)] + a4 (Γ)ΩΘ^ ( 4 )在公式(3)-(4)中，来自获取装置202的温度Τ、氮氧化物浓度测量值cNQx和氨浓度测量值CNH3为自变量。其他常量的定义如下
「 1 Rs, EGa0 = -J~ ；
ambRs, EG 发动机排气气体常数(J/kgK)；Pamb 环境压力(pa)；
_ ^Cella\ -；nCell 催化器微元个数；Vc:催化器体积(m3)；ε 空隙比；
剛 αΛ =、αΜ^^;cs 氨吸附容量，催化器表面活化原子浓度(mol/m3)；Sc 表面活性原子的面积(m7mol)；α Prob 粘着概率；R 气体常数(J/molK)Mrmh NH3 分子量m*EG 排气质量流量(kg/s)
I "-gA1ZJe/
_。] aA(T) = kJ^kDes :NH3 解吸附反应速率(mol/m3s)；Ealles :NH3解吸附频率因子；kSCK:SCR化学反应频率因子(m2/Ns)EaSCR =SCR 化学反应活化能(J/mol) kox :NH3氧化反应频率因子(m2/Ns)
Ea0x :NH3氧化反应活化能(J/mol)
nNOx,in 柴油机原机排放中白勺氮氧化t/ 农度
nNlh,in 尿素泵喷射出白勺氨气浓度注意，上文通过公式(幻_(4)建立的仅仅是用于表征催化器的化学反应模型的一个示例，并非意在限制本发明的范围。可以使用任何适当的方式，以SCR催化器的工况测量值为自变量，以催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率为因变量，来建立SCR催化器的化学反应模型。基于建立的SCR催化器的反应模型(例如，上文描述的示例性反应模型)，基于模型的确定装置可以通过求解表示模型的方程组来确定催化器的氨存储容量和氨表面覆盖率。例如，仍然考虑上文通过公式(2)-(4)建立的示例性催化器反应模型作为示例。基于公式0)- )，可以导出如下矢量方程X = Ax + φ{χ, u) + Qf (χ)其中W 二 η* 充当控制量，并且其中
权利要求
1.一种在柴油发动机的选择性催化还原SCR系统中使用的设备，所述SCR系统包括催化器以利用氨转化所述柴油发动机排放的氮氧化物，所述设备包括获取装置，其耦合至所述催化器，配置用于获取所述催化器的至少一个工况的测量值；以及确定装置，其耦合至所述获取装置，配置用于基于所述获取装置获取的所述测量值，确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述确定装置包括联合确定装置，配置用于基于所述获取装置获取的所述测量值，随同所述催化器的氨存储容量一起确定所述催化器的氨表面覆盖率。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述联合确定装置包括基于模型的确定装置，配置用于以所述测量值作为自变量，基于表征所述催化器的化学反应特性的反应模型，确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述基于模型的确定装置包括计算装置，配置用于根据所述获取装置获取的所述测量值，计算所述至少一个工况的观测值；第一确定装置，配置用于基于所述反应模型，使用所述测量值和所述观测值来确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述获取装置包括以下至少一个 第一浓度获取装置，配置用于获取所述催化器中的氮氧化物浓度；第二浓度获取装置，配置用于获取所述催化器中的氨浓度；以及温度获取装置，配置用于获取所述催化器中的温度。
6.一种在柴油发动机的选择性催化还原SCR系统中使用的方法，所述SCR系统包括催化器以利用氨转化所述柴油发动机排放的氮氧化物，所述方法包括获取所述催化器的至少一个工况的测量值；以及基于获取的所述测量值确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中基于获取的所述测量值确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率包括基于获取的所述测量值，随同所述催化器的氨存储容量一起确定所述催化器的氨表面覆盖率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中基于获取的所述测量值随同所述催化器的氨存储容量一起确定所述催化器的氨表面覆盖率包括以所述测量值作为自变量，基于表征所述催化器的化学反应特性的反应模型，确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中以所述测量值作为自变量基于表征所述催化器的化学反应特性的反应模型确定所述催化器的氨存储容量和所述催化器的氨表面覆盖率包括根据获取的所述测量值计算所述至少一个工况的观测值；以及基于所述反应模型，使用所述测量值和所述观测值来确定所述催化器的氨存储容量以便确定所述催化器的氨表面覆盖率。
10.根据权利要求6所述的方法，其中获取所述催化器的至少一个工况的测量值包括获取以下至少一个所述催化器中的氮氧化物浓度，所述催化器中的氨浓度；以及所述催化器中的温度。
全文摘要
本发明的实施方式涉及用于柴油发动机的废气排放后处理的设备和方法。具体地，根据本发明的实施方式，提出一种在柴油发动机的选择性催化还原SCR系统中使用的设备，该SCR系统包括催化器以利用氨转化该柴油发动机排放的氮氧化物，该设备包括获取装置，其耦合至该催化器，配置用于获取该催化器的至少一个工况的测量值；以及确定装置，其耦合至该获取装置，配置用于基于获取的该测量值确定该催化器的氨存储容量以便确定该催化器的氨表面覆盖率。还公开了相应的方法。根据本发明的方案，可以更为准确地估计SCR催化器的氨表面覆盖率和氨存储容量。
文档编号F01N11/00GK102330592SQ201110302710
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者孙少军, 胡广地 申请人:潍柴动力股份有限公司