用于检测排气管氨泄漏的系统和方法与流程

本公开内容涉及一种排气系统和通过使用选择性催化还原来调节排放物的相关的控制。

背景技术：

选择性催化还原(SCR)是用于转化内燃机的废气或排气中自然存在的氮氧化物(NO_X)的工艺。由于已知NO_X对环境有害，因此SCR系统将NOX转化为危害较小的化合物。柴油机排气处理液(DEF)提供还原剂，该还原剂在与催化剂组合时减少NO_X。DEF可以提供氨(NH₃)以用作还原剂。在该系统中，如果DEF被过量注入，则NH₃可能未反应地通过SCR腔并且在SCR系统的输出端处产生NH₃。该状态被认为是NH₃泄漏。

在SCR腔的输出端处的传感器检测排气中的NH₃的量，并且向电子控制单元(ECU)传输信号。然而，检测NH₃的一些传感器也对存在的NO_X作出反应。除非仅对NH₃特别敏感的传感器被使用，否则传感器同样地响应于NO_X和NH₃(例如，常见的NO_X传感器)。因为在催化剂中NH₃减少NO_X，因此NO_X和NH₃通常地不会大量存在于SCR催化剂的输出端处。因此，该传感器的信号通常地根据NO_X或NH₃的存在。然而，因为该传感器对于NO_X和NH₃的反应是类似的，因此电子控制不会自然地区别由NO_X导致的传感器信号和由NH₃导致的传感器信号。

技术实现要素：

如本文中所述，电子控制单元运行以确定传感器的输出是否指示在SCR催化剂的输出端处的排气中存在NO_X或NH₃，并且根据所述确定调节DEF供应量。电子控制单元以已知频率调整DEF的量。使用带通滤波器，电子控制单元以进行DEF调整的已知频率分析传感器信号。信号在已知频率下的变化取决于SCR系统是否经历NH₃泄漏。基于信号在已知 频率下的变化，电子控制单元确定NO_X或NH₃是否存在于从SCR催化剂输出的排气。下文总结了本公开内容的利用上述原理的实施例。

在一个实施例中，本公开内容描述了用于内燃机的排气处理系统，所述排气处理系统包括被构造成用于从内燃机接收排气的排气通路。柴油机排气处理液(DEF)注入器连接到排气通路并且被构造成用于将柴油机排气处理液注入排气通路中。选择性催化还原(SCR)催化剂定位在柴油机排气处理液注入器的下游。传感器被定位在SCR催化剂的下游，并且传感器输出指示排气中存在的氮氧化物和氨中的任一个的量的信号。电子控制单元(ECU)被配置成用于以已知频率调整注入排气通路中的DEF的量。ECU从传感器接收信号，并且基于已知频率对信号滤波。然后，ECU分析滤波后的信号以确定该信号与已知频率相关联的分量。当滤波后的信号的所述分量大于一阈值时，ECU确定该信号指示氮氧化物的量，并且当滤波后的信号的所述分量小于所述阈值时，ECU确定该信号指示氨的量。

在另一实施例中，本公开内容描述了一种控制包括柴油机排气处理液(DEF)的排气再处理系统的方法。该方法包括以已知频率调整注入排气通路中的柴油机排气处理液(DEF)的量。从DEF的注入点下游的传感器接收信号，并且基于已知频率对该信号进行滤波。滤波后的信号被分析以确定该信号与已知频率相关联的分量。滤波后的信号然后与阈值相比较，并且当滤波后的信号的所述分量大于阈值时，确定该信号指示氮氧化物的量。相反地，当滤波后的信号的所述分量小于阈值时，确定该信号指示还原剂的量。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1是用于内燃机的排气再处理系统的示意图。

图2是用于图1的被调整的排气再处理系统的电子控制单元的方框图。

图3是图1的排气再处理系统的操作的流程图。

图4是用于图1的排气再处理系统的柴油机排气处理液控制方法的流程图。

图5是用于图1的排气再处理系统的氨检测方法的流程图。

图6是用于图5的氨检测方法中的带通滤波器的频率响应的波特图(bode plot)。

图7是图示，在发动机瞬时状态期间在增加柴油机排气处理液配量时，图1的排气再处理系统的排气特性的一组曲线图。

图8是图示，在发动机瞬时状态期间在减小柴油机排气处理液配量时，图1的排气再处理系统的排气特性的一组曲线图。

图9是图示，在发动机稳态状态期间在减小柴油机排气处理液配量时，图1的排气再处理系统的排气特性的一组曲线图。

图10是图示，在较低的选择性催化还原床温下，在稳态状态期间在减小柴油机排气处理液配量时，图1的排气再处理系统的排气特性的一组曲线图。

图11是图示，在较低的排气流量下，在稳态状态期间在减小柴油机排气处理液配量时，图1的排气再处理系统的排气特性的一组曲线图。

具体实施方式

在详细地解释本公开内容的任何实施例之前，应当理解，本公开内容不限于其在下面的说明书中陈述的或下图中示出的组件的结构和装置的细节中的应用。本公开内容能够为其他实施例并且可被以不同的方式实行或实施。并且，将被理解的是：本文中使用的措辞和术语是为了描述而不应当被认为是限定性的。

应当注意的是，术语“电子控制单元”指的是集成到电子控制单元的基于硬件的控制电路，以用于执行指令以执行本文中描述的方法。例如，电子控制单元可包括微处理器、微控制器，或其他计算装置。电子控制单元可包括一个或多个电子处理单元、一个或多个包括非暂时性计算机可读介质的存储器模块、一个或多个输入/输出接口、一个或多个输出驱动、一个或多个继电器以及连接部件的各种连接件(例如，系统总线)。

图1为排气再处理系统100的示例，其使用柴油机排气处理液(DEF)以减少氮氧化物(NO_X)的排放。DEF用作还原剂(即，还原媒介)并且可以包括例如无水氨、氨水或尿素。排气再处理系统100包括排气通路101(例如，排放管道)，所述排气通路中包括或设置有DEF注入器103、混合器105、选择性催化还原反应腔(SCR腔107)、传感器109和排气管111。SCR腔107包括选择性催化还原床(SCR床113)、氨氧化催化剂(AOC 115)、入口117和出口119。排气再处理系统100还包括DEF源121，DEF源121包括流体地连接到DEF注入器103的DEF箱。DEF源121可以包括用于控制传送到DEF注入器103的DEF的量的变量泵或阀。排气通路101可以被连接到内燃机(未示出)并且被构造成用于引导排气穿过排气再处理系统100。在一些实现方式中是可选的流量传感器123和温度传感器125可以连接到排气通路101，以用于监控排气的特性。虽然图示了流量传感器123和温度传感器125位于SCR腔107的上游，但是流量传感器123和温度传感器125可以定位在排气通路中的包括在SCR腔107之后的多个位置处。SCR腔107的出口119连接到排气管130，排气管130排出来自排气再处理系统100的被处理排气。

在操作中，来自内燃机的排气被引导进入排气通路101。DEF注入器103定位在排气通路101的入口的下游。DEF注入器103将来自DEF源121的DEF注入到排气通路101中。DEF源121控制DEF注入到排气中的速率。DEF源121可以通过各种机构控制被注入DEF的速率，这些机构包括例如变量泵或变量控制阀。来自被注入DEF的氨(NH₃)和排气在DEF注入器103的下游的混合器105中混合。NH₃与存在于排气中的NO_X反应。基于被注入DEF的量(即，由被注入DEF提供的NH₃的量)，NO_X被转化。在排气从排气通路101排出之前，任何过多的NH₃在SCR腔107的AOC 115中被处理。在SCR腔107的下游，传感器109感测排气的成分。特别地，传感器109检测存在于排气中的NO_X和NH₃的量。传感器109可以是被设计成检测排气中的NO_X的NO_X传感器。然而，NO_X传感器还对NH₃敏感，并且生成指示NO_X和NH₃的量的信号。因此，增加NO_X或NH₃将增加传感器109的信号的幅度。在一些实施例中，流量传感器123感测排气流量，并且温度传感器125感测排气的温度，这能调整排气 再处理系统100以改变发动机状态。

图2示出用于控制排气再处理系统100的电子控制单元(ECU200)的示例。ECU 200包括多个电气或电子部件，所述多个电气或电子部件向ECU 200中的部件和模块提供功率、操作控制和保护。特别地，此外，ECU 200包括电子处理器201(例如，可编程微处理器、微控制器或类似装置)、非暂时性机器可读存储器203和输入/输出接口205。电子处理器201通信地连接到存储器203。电子处理器201被配置成用于从存储器203获取与本文中描述的控制过程和方法相关的指令等并且执行这些指令。特别地，电子处理器201执行存储在存储器203中的程序或算法以执行图4、5和12中示出的方法。在其他实施例中，ECU 200包括附加的、更少的、或不同的部件。ECU 200还被配置成用于与外部系统通信，外部系统包括，例如，发动机控制装置和/或操作员控制器。在没有流量传感器123和温度传感器125的实施例中，ECU 200可以使用建模技术来估算排气的流量和温度，或可以使用预定值。

ECU 200通信地连接到传感器109、DEF源121、温度传感器125和流量传感器123。ECU 200接收来自传感器109的指示存在于排气中的NOX和NH₃的量的信号输入。在一些实施例中，ECU 200还从温度传感器125和流量传感器123分别地接收指示排气的温度和排气流量的信号。输入/输出接口205协调ECU 200与DEF源121之间的通信。通过输入/输出接口205，ECU 200设置DEF源121以获得DEF的期望配量。输入/输出接口205还对从传感器109、流量传感器123和温度传感器125到ECU 200的输入通信进行协调。

图3是用于排气再处理系统100的控制流量的示例。基于期望的DEF配量303和调整信号305的组合，DEF注入器103将DEF注入排气中。在一些实施例中，可以利用倍频器307来形成该组合。在其它的实施例中，该组合可以是总和。在倍频器307中，调整信号305连续激发期望的DEF配量303。特别地，调整信号305可以是正弦曲线并且可以基于正弦曲线的预定幅度和频率来调整期望的DEF配量303。在该情况下，在正弦曲线的正峰值处，注入的DEF量是期望的DEF配量303加上由正弦曲线的峰值的幅度指示的DEF量，并且在正弦曲线的负峰值处，注入的DEF量是 期望的DEF配量303减去由正弦曲线的负峰值的幅度指示的量。例如，在正峰值和负峰值处，期望的DEF配量303可以被调节20％到30％。换句话说，相对于，峰值处的DEF配量可以比被注入的DEF的平均值高或低20％到30％。DEF以正弦曲线方式被调整，使得被注入的DEF的量随着时间的过去保持与未调整的情况下被注入的DEF的量相同。另外，调整信号305可以在多个频率下由ECU 200设置，所述频率包括例如1/40赫兹的频率。根据特定配置的需要，其它幅度和频率也是可以的。

ECU 200可以通过从存储器203读取预定值来设置期望的DEF配量303，或可以基于来自传感器109的反馈控制以计算一值。在反馈控制的情况下，反馈可以包括比例、积分、微分(PID)增益控制。在其它的实施例中，使用开环控制设置期望的DEF配量303。例如，基于发动机参数或基于来自SCR腔207上游的可选的NO_X传感器(未示出)的输入，ECU 200可以使用存储器203中的查找表设置期望的DEF配量303。在该情况下，基于发动机输出端处的NO_X/NH₃水平，ECU 200参考查找表或DEF剂量的其它预定值。在任一闭环或开环控制中，利用图4所述的NH₃泄漏检测算法309，ECU2 00调节期望的DEF配量303。

图4是基于NH₃检测的DEF剂量控制方法400。ECU 200从传感器109读取信号以确定排气中的组合NO_X和NH₃的量(步骤401)。基于传感器109的信号水平，或在一些实施例中，基于DEF注入器上游的NO_X传感器的信号水平，ECU 200确定注入排气中的DEF的量(步骤403)。ECU 200向DEF源121发送指示被注入的DEF的量的信号(步骤405)。然后，ECU 200执行NH₃泄漏检测，如图5所示(步骤407)。如果NH₃泄漏标记被设置(步骤409)，则ECU 200确定接收自传感器109的信号表示NH₃的量并且排气管排放物中的NO_X量大约是零(步骤411)。如果NH₃标记未被设置(步骤409)，则ECU 200确定接收自传感器109的信号表示NO_X的量并且排气管排放物中的NH₃的量大约是零(步骤413)。

基于传感器109的信号水平和NH₃标记的状态，ECU 200可以确定被注入的DEF的量(步骤403)。例如，当信号水平表示较高水平的NO_X/NH₃并且NH₃泄漏标记未被设置时，ECU 200可以通知DEF源121更多地增加DEF配量。相反地，当信号水平表示较低水平的NO_X/NH₃并且NH₃泄 漏标记未被设置时，ECU 200可以通知DEF源121更少地增加或不改变DEF配量。类似地，当信号水平表示较高水平的NO_X/NH₃并且NH₃标记被设置时，ECU 200可以通知DEF源121更多地减少DEF配量。最后，当信号水平表示较低水平的NO_X/NH₃并且NH₃标记被设置时，ECU200可以通知DEF源121更少地减少DEF配量或不改变DEF配量。

图5图示了NH₃泄漏确定方法500。ECU 200从传感器109读取指示组合NO_X和NH₃的水平的信号水平(步骤501)。ECU 200利用调谐成DEF调整频率的带通滤波器(例如，陷波滤波器)对信号滤波(步骤503)。在一些实施例中，ECU200将带通滤波器的中心频率设置成DEF的调整频率。在一个实施例中，基于在存储器203中存储的对应于每个可获得的调整频率的滤波系数，ECU 200对信号滤波。可替换地，在其它的实施例中，在通过ECU 200的电子处理器201读取信号之前，带通滤波器可以在硬件中被执行。在该情况下，带通滤波器可以定位在ECU 200中或在ECU 200外。利用滤波后的信号，ECU 200可以精确地确定信号水平的由被调整后的注入DEF单独地导致的变化。一旦信号被滤波，则ECU 200计算滤波后的信号的峰间值(peak-to-peak)水平(步骤505)。峰间值水平指示NO_X或NH₃是否存在于信号中。ECU 200比较峰间值水平与阈值(步骤507)。如果峰间值水平高于或大于阈值，则ECU200不设置NH₃标记(步骤509)。相反地，如果峰间值水平低于或小于阈值，则因为确定读取的峰间值低于或小于阈值，因此ECU 200确定自从确定峰间值水平低于或小于阈值之后是否已经逝去或过去预定时间(步骤511)。如果所述预定时间尚未逝去或过去，则ECU 200继续监控传感器109的输出(步骤501)。如果该预定时间已经逝去或过去，则ECU 200设置NH₃标记(步骤513)。每当峰间值水平高于或大于所述阈值时，所述预定时间被重置(步骤515)。

基于峰间值变化量，ECU 200能够确定NH₃泄漏是否发生。当滤波后的信号中的峰间值水平较低时，该峰间值水平表示由于调整后的被注入的DEF而存在的NH₃在SCR腔107中不完全地反应，并且NH₃正在离开SCR腔107的出口119。该状态被认为是NH₃泄漏并且表示NH₃的过多配量。当滤波后的信号中的峰间值水平较高时(例如，当峰间值水平高于或大于阈值时)，所述峰间值水平表示NH₃未正在穿过SCR腔107。在该状态下， 在离开SCR床113之前，NH₃被完全地转化，并且NO_X在排气中占优势或占大部分。因为带通滤波器阻隔其它频率下的信号，因此由于被调整的DEF而出现在调整频率下的峰间值变化。然而，对调整频率下的信号的干扰可能错误地指示较高的峰间值水平。通过等待所述预定时间，ECU 200执行持续检查以确保峰间值变化是相对稳定的。换句话说，持续检查确保调整频率下的干扰不会导致NH₃标记的非故意设置。

在一些实施例中，在存储器203中，用于峰间值水平的阈值被设置为预定值。在其它的实施例中，基于排气再处理系统100的操作状态，该阈值是可变的。例如，SCR床113的温度和排气流量可以影响NO_X的量，并且因此影响滤波后的信号中的峰间值变化的量。为补偿较低的峰间值变化，ECU 200将所述阈值设置成由SCR床113的温度和排气流量确定。随着SCR床113的温度和排气流量减小，峰间值水平减小，并且基于SCR床113的温度和排气流量，ECU 200减小所述阈值。ECU 200监控温度传感器125以推断SCR床113的温度，并且监控流量传感器123以确定排气流量。在一些实施例中，当操作温度和排气流量是正常值时，ECU 200不对所述阈值执行任何调节。在调节阈值以补偿内燃机的各种载荷和操作状态方面，其它参数还可以被考虑。

图6图示了用于对传感器109的信号进行滤波的带通滤波器的频率响应。ECU 200可以基于DEF注入的调整频率来调节该频率响应。波特图中的峰值601图示了DEF调整频率下的最小衰减。在峰值601处，衰减接近零，而在其它频率下，衰减是较大的(例如，-50dB)。因此，带通滤波器有效地防止了传感器109的未在调整频率下的信号的峰间值变化。因此，带通滤波器使可能由其它发动机或排气再处理部件导致的峰间值变化衰减。其它频率下的峰间值变化的衰减实质上提高了调整频率下的峰间值确定的灵敏度。

图7-11是多组曲线图，图示了排气的部分成分和用于多个操作状态的NH₃泄漏标记的反应。在每个图中，左上侧曲线图图示了在一段时间中在出口119处的实际NO_X。左下侧曲线图图示了传感器109在一段时间中的信号。右上侧曲线图图示了在一段时间中在出口119处的实际NH₃。最后，右下侧曲线图图示了在一段时间中来自传感器109的滤波后的信号和NH₃标记的设置。图7-8图示了在瞬时状态过程中(例如，在发动机的冷启动时)的部分成分，并且图9-11图示了在稳态过程中(例如，当发动机处于运行温度并且载荷恒定时)的部分成分。

特别地，图7是一组曲线图，图示了在增加DEF配量的量的同时，排气的部分成分和NH₃泄漏标记的反应。左上侧曲线图705图示了，从SCR腔107输出的NO_X的实际水平随着DEF配量增加而下降。右上侧曲线图710图示了，一旦SCR床113被过量配量(即，充满NH₃)，则NH₃的实际水平增加。下面两个曲线图图示了传感器109在相同时间周期中的信号响应。在左下侧曲线图715中，信号水平以及实际的NO_X输出下降。然而，由于传感器109对NH₃的灵敏度，因而随着NH₃水平增加，信号水平增加。右下侧曲线图720图示了，由于NO_X的检测值正在减小，滤波后的信号也随着时间的过去而减少。然而，只要DEF配量是不充分的，则就会由于NO_X变化而出现滤波后的信号的峰间值变化。在大约3600秒时，NH₃开始被传感器109感测到，并且由调整后的DEF导致的峰间值变化减少到低于或小于ECU 200设置的阈值。在大约3600秒时开始的线721表示ECU 200何时设置NH₃标记。应该说明的是，一旦NH₃存在于SCR腔107的出口119处，则因为调整后的被注入的DEF不一定导致改变传感器109处的NH₃的水平，所以调整不再被传感器109感测到。

图8是一组曲线图，图示了在被注入的DEF的量减少而非如图7中增加的同时，排气的部分成分和NH₃泄漏标记的反应。在左上侧曲线图805中，随着较高的DEF剂量被施加，从SCR腔107输出的实际NO_X的量快速减少。在大约1500秒时，NH₃开始离开SCR腔107，如右上侧曲线图810所示。左下侧曲线图815图示了将正在增加的NH₃指示为在时间间隔817内的平滑曲线的信号水平。在时间间隔817内，如右下侧曲线图820所示，滤波后的信号具有低于或小于阈值的峰间值水平，并且因而，在时间间隔817内ECU 200设置NH₃标记。如图所示，可以在边界条件处快速设置和重置NH₃标记。然而，通过在ECU 200设置NH₃标记之前引入时间延迟，持续检查(见步骤511)减缓了快速设置和重置。

图9是一组曲线图，图示了在稳态过程中在被注入的DEF的量减少的同时，排气的部分成分和NH₃泄漏标记的反应。在左上侧曲线图905中， 由于DEF的较高的初始剂量，SCR腔107的出口119处的实际NO_X是较低的。随着DEF配量减少，在大约3500秒时，NO_X开始离开SCR腔107。在右上侧曲线图910中，由于DEF的较高初始剂量，所以NH₃出现在出口119处，然后NH₃随着DEF配量被降低而减少。左下侧曲线图915图示了，由于出口119处的NH₃，传感器109的信号增加但是保持稳定。在大约3600秒时，NO_X出现在出口119处，并且ECU 200确定峰间值水平高于或大于阈值。右下侧曲线图920图示了，在稳定的NH₃输出间隔期间，ECU 200设置NH₃标记，并且当峰间值水平增加到高于或大于阈值因而指示NO_X存在时，重置NH₃标记。

在图7-9中，曲线图图示了在正常流量和温度下的排气状态。然而，当排气再处理系统100经历较低流量和较低温度的排气时，传感器109的信号的峰间值水平可以减小。在一些实现方式中，为了补偿，基于流量和温度，ECU 200执行控制方法1000以用于调节DEF调制的速率，如图10所示。基于流量传感器123，ECU 200确定排气量(步骤1005)，并且基于温度传感器125，ECU 200还确定SCR床113的温度(步骤1010)。然后，ECU 200确定排气流量和SCR床113的温度的组合是否在范围中(步骤1015)。可以基于存储在存储器203中的预定值而设置所述范围，或可以基于排气再处理系统100或发动机的操作状态通过ECU 200而计算所述范围。如果排气流量和SCR床113的温度的组合在正常操作范围中，则ECU200执行正常的NH₃泄漏检测(图5)和正常的DEF调制(图4)(步骤1020)。如果排气流量和SCR床113的温度的组合不在正常操作范围中，则ECU 200以用于被注入的DEF的较低的调整频率执行NH₃检测(步骤1025)或，可选地，不执行NH₃泄漏检测(步骤1030)。当ECU 200不执行NH₃泄漏检测时，ECU 200可以以开环或闭环控制方案操作，并且绕过NH₃泄漏检测方法，直到状态变得更有利。

图11是与排气流量相比的、SCR床113的温度的范围的示例。当SCR床113的温度和排气流量的组合落入左下侧1105图示的范围内时，ECU200可以以较低的DEF调整频率操作或可以暂停NH₃泄漏检测(如图10所示)。相反地，当SCR床113的温度和排气流量的组合落入右上侧1110图示的范围内时，ECU 200以正常DEF调整频率操作。应该说明的是，这 些范围是示例性的，并且在执行控制方法1000的同时，其它范围和参数组合可以被选择。

在下述权利要求中阐述了本发明的各种特征。