专利名称：用于监控排气后处理系统中的还原剂喷射系统的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及内燃机的排气后处理系统。
背景技术：
本节陈述只是提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。已知的用以提高内燃机燃油经济性并降低油耗的发动机控制策略包括以稀空燃比工作。这包括构造成以压燃模式和稀燃点燃模式工作的发动机。以稀空燃比工作的发动机可以具有升高的燃烧温度而引起增多的NOx排放量。一种用于控制和降低NOx排放量的已知排气后处理系统和控制策略包括还原剂喷射控制系统和相关的还原剂-选择性催化还原装置。还原剂喷射控制系统向氨-选择性催化还原装置上游的排气进给流中喷射还原剂例如尿素从而把NOx分子还原成氮气和氧气。已知的氨-选择性催化还原装置分解尿素成氨，并且在有催化剂的情况下氨与NOx分子起反应产生氮气。一些数量的氨可以储存在氨-选择性催化还原装置上，在尿素喷射控制系统不能够配送受控量的尿素时能够实现NOx分子的继续还原。已知的控制系统包括以对应于发动机排出的NOx排放浓度的速率配送还原剂从而在不使用过量还原剂的情况下获得NOx还原，即以还原剂/NOx理论比配送还原剂。
发明内容
一种还原剂喷射器构造成向选择性催化还原装置上游的内燃机排气进给流中配送还原剂。通过产生与规定还原剂流量相对应的喷射器脉宽指令、监控该喷射器脉宽指令、 校验规定还原剂流量关联喷射器脉宽指令、监控还原剂喷射系统中的流体压力、估计与喷射器脉宽指令相对应的还原剂第一喷射量、估计与还原剂喷射系统中的流体压力相对应的还原剂第二喷射量并且比较还原剂第一和第二喷射量来监控还原剂喷射系统的还原剂喷射器。
现在将通过举例的方式参照附图描述一个或多个实施例，其中 图1是根据本发明的发动机和排气后处理系统的示意图2是根据本发明的用于排气后处理系统的尿素喷射系统的示意图； 图3用曲线示出了根据本发明的与操纵示例性还原剂喷射系统有关的数据，包括还原剂质量流量和压力的时间关联测量值；
图4用曲线示出了根据本发明的用于示例性系统的还原剂喷射量的第一和第二估计值，绘制成经过时间的函数；以及
图5用曲线示出了根据本发明的用于示例性系统的喷射器负载循环和相应的还原剂压力，绘制成经过时间的函数。
具体实施例方式现在参照这些图，其中，这些展示只是为了图解某些示例性实施例，而不是为了限制这些实施例，图1示意性地示出了内燃机10、后处理系统45和包含已经按照本发明实施例构造的控制模块5的附属控制系统。一种示例性发动机10是多缸直喷式四冲程内燃机， 其主要以稀空燃比工作。示例性发动机10可以包括压燃式发动机、点燃直喷式发动机以及其它的发动机配置，它们使用包含稀燃运行的燃烧循环而工作。发动机10装配有监控发动机工作的各种传感器，包括构造成监控排气进给流的排气传感器42。排气传感器42优选为构造成产生与排气进给流的空燃比相关的信号的装置，从这个信号可以确定氧含量。可替代地或附加地，排气传感器42可以是构造成产生与排气进给流中的NOx浓度相关的信号的装置。可替代地，一种作为控制模块5中的算法而执行的虚拟传感装置可以用作排气传感器42的替代物，其中，根据包括发动机转速、质量燃油加注速度及其他因素在内的发动机工作状态来估计排气进给流中的NOx浓度。发动机 10优选地配备有质量空气流量传感器来测量进气流量，从进气流量可以确定排气质量空气流量。可替代地或组合地，可以执行一种算法来根据发动机转速、排量和容积效率确定通过发动机10的质量空气流量。控制系统包括控制模块5，该控制模块信号地连接到构造成监控发动机10、排气进给流和排气后处理系统45的多个传感装置。控制模块5操作性地连接到发动机10和排气后处理系统45的致动器。该控制系统执行控制方案，优选地包括存储在控制模块5内的控制算法和标准，从而控制发动机10和排气后处理系统45。在工作时，该控制系统监控内燃机10和排气后处理系统45的工作并且如本文所述地控制包含经由管道57与还原剂喷射器55流体相连的还原剂输送系统30的还原剂喷射系统40。该控制系统执行一个或多个控制方案来控制发动机10从而实现排气后处理系统45的再生。控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语意味着专用集成电路 (ASIC)(或多个)中的一个或多个、电子电路(或多个)、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理器(或多个)(优选为微处理器(或多个))和相关存储器(只读的、可编程只读的、随机存取的、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路(或多个)、输入/输出电路(或多个)和装置、适当的信号加工和缓冲电路以及其它的提供所述功能的适当部件中的任何适用的一个或它们的组合。该控制系统包括控制算法，包括存储在存储器中且执行以提供期望功能的常驻软件程序指令和标准。优选地，在预定循环期间执行这些算法。算法由例如中央处理器执行， 并且可操作成监控来自传感装置及其它网络控制模块的输入以及执行控制和诊断程序来控制致动器的工作。以定时间隔执行这些循环，例如在正在进行的发动机和汽车工作期间， 每隔3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。可替代地，可以响应于事件的出现而执行算法。控制发动机10以最佳空燃比工作从而获得与驾驶员请求相关的性能参数、耗油量、排放和驾驶性能，使发动机加油和/或进气流量受到控制从而获得最佳空燃比。排气后处理系统45与发动机10的排气歧管流体相连从而带走排气进给流。排气后处理系统45包括多个流体串联的后处理装置。在一个实施例中，如图1所示，第一、第二和第三后处理装置50、60和70使用已知管道和连接器流体地串联，包括位于第一和第二排气后处理装置50和60之间的排气管56。每个排气后处理装置50、60和70都包括采用具有处理排气进给流组分的不同能力的技术的装置，包括氧化、使用还原剂的选择性催化还原和微粒捕集。对于特定应用，可以确定每个后处理装置50、60和70的结构特征，例如容积、空速、单元密度、涂层密度和金属装载量。在图1所示的实施例中，第一后处理装置50 包括氧化催化剂，在一个实施例中第二后处理装置60包括氨-选择性催化反应器装置，第三后处理装置70包括催化微粒捕集器，但是本文所述原理不受此限制。第一、第二和第三后处理装置50、60和70可以组装到各自的结构中，这些结构流体地相连并且组装到发动机机舱和车身底板中，带有一个或多个传感装置安置在这些结构之间。本领域技术人员可以想到其它组装布置。第一后处理装置50优选地包括氧化催化装置，其包括具有包含一个或多个钼族金属例如钼或钯的氧化铝基涂层的堇青石载体。在一个实施例中，可以省略第一后处理装置50。在一个实施例中，第二后处理装置60包括氨-选择性催化反应器装置，优选为涂覆有涂层的堇青石载体。在一个实施例中，第二后处理装置60包括两个串联布置的带涂层的载体。优选的涂层使用铜-沸石、铁-沸石及其他金属-沸石的氨选择性催化技术中的一个作为催化材料。在一个实施例中，氨-选择性催化反应器包括支撑在堇青石载体上的一种金属离子和适当的沸石结构。第三后处理装置70优选地包括同微粒捕集器相结合的第二氧化催化剂。根据特定发动机和传动系应用的规格和工作特性，第三后处理装置70还可以单独地或组合地包括其它排气后处理装置，包括有催化或无催化的微粒捕集器、空气泵、外部加热装置、硫捕集器、磷捕集器、选择性还原装置等。排气后处理系统45包括还原剂喷射系统40，该还原剂喷射系统包括流体地连接到还原剂输送系统30的还原剂喷射器55，在图2中画出。还原剂输送系统30和还原剂喷射器阳都由控制模块5控制以分配规定质量流量的尿素还原剂到氨-选择性催化反应器装置60上游的排气进给流中。与监控后处理系统45相关的传感装置可以包括排气传感器42、第一后处理装置 50紧下游的第一传感装置52、氨-选择性催化反应器装置60紧上游的第二传感装置54、 氨-选择性催化反应器装置60下游的第三传感装置66以及第三后处理装置70下游的第四传感装置72。传感装置还可以包括第一和第二温度监控传感器62和64，它们构造成监控与氨-选择性催化反应器装置60相关的温度。可替代地或附加地，一种虚拟传感装置可以用来监控后处理系统45。一种虚拟传感装置可以执行为控制模块5中的算法并且代替相应的排气传感器。举例来说，可以根据使用发动机传感装置所监控的发动机工作状态估计排气进给流中的NOx浓度。与监控后处理系统45相关的所述传感装置打算是解释性的。第一传感装置52位于第二后处理装置60的上游，并且优选地构造成监控第一后处理装置50下游的排气进给流的温度。第一传感装置52产生与进入氨-选择性催化反应器装置60的排气进给流的温度相关的信号。第二传感装置M位于氨-选择性催化反应器装置60的紧上游和还原剂喷射器55 的下游。第二传感装置M产生与离开第一后处理装置50之后的排气进给流中所含特定气体例如NOx、碳氢化合物、氰化氢和/或乙醛的浓度相关的信号。第三传感装置66监控氨-选择性催化反应器装置60之后且第三后处理装置70上游的排气进给流，并且优选地构造成监控排气进给流的组分例如NOx的浓度。第三传感装置66产生与排气进给流的NOx浓度或其它参量(例如氨(NH3))相关的信号。第四传感装置72监控第三后处理装置70下游的排气进给流，并且优选地构造成监控排气进给流的组分例如NOx的浓度。第四传感装置72产生与NOx浓度或排气进给流中的另一排气组分的浓度相关的信号。第一、第二、第三和第四传感装置52、54、66和72都信号地连接到控制模块5。第一温度监控传感器62测量氨-选择性催化反应器装置60上游或其前部内的温度来确定其工作温度。第一温度监控传感器62可以构造成监控排气进给流的温度，并且可替代地可以构造成监控氨-选择性催化反应器装置60的温度。第二温度监控传感器64测量氨-选择性催化反应器装置60下游或其后部内的温度来确定其工作温度。第二温度监控传感器64可以构造成监控排气进给流的温度，并且可替代地可以构造成监控氨-选择性催化反应器装置60的温度。图2示出了还原剂喷射系统40的详细结构，其包括还原剂输送系统30和还原剂喷射器55。还原剂喷射器55构造成经由插入排气管56中的喷嘴58分配还原剂。还原剂喷射器阳向流经排气管56的排气进给流中分配还原剂。还原剂喷射器55的喷嘴插入氨-选择性催化反应器装置60上游的排气管56中。排气管56内的排气压力59可以用排气压力传感器进行测量，或者可替代地，可以根据包括排气流量在内的发动机工作状态进行估计。还原剂喷射器55经由管道57流体地连接到还原剂输送系统30，该管道运送增压还原剂流因此向还原剂喷射器55提供增压还原剂供给。还原剂喷射器55操作性地连接到控制模块5，并且优选地包括电磁线圈操纵的流体流动控制阀，该控制阀流体地连接到插入排气管56中以向排气进给流喷射还原剂的喷嘴58。控制模块5执行算法代码以监控发动机10的工作状态和后处理系统45的工作参数并且确定包括NOx排放浓度和质量流量在内的排气进给流的质量流量。命令规定还原剂质量流量49。规定还原剂质量流量49优选地获得还原剂/NOx理论比并提供足够的还原剂质量流量从而在有氨-选择性催化反应器装置60的催化材料的情况下把NOx排放浓度和质量流量还原成氮气。控制模块5执行算法代码来产生喷射器控制信号，例如给还原剂喷射器55的与规定还原剂质量流量49相对应的管道57中的在指令压力下的脉宽调制控制信号53。还原剂输送系统30包括还原剂泵32及相关的泵控制模块34以及流体地连接到通向还原剂泵32的入口管57’的还原剂储罐38。在一个实施例中，还原剂泵32包括电机驱动的容积式泵机构，该泵机构包括装在具有吸入阀和排出阀的壳体中的往复活塞。用由泵控制模块34致动的电力驱动的电动机引起活塞的往复运动。电动机与泵机构之间的减速比可以提供泵的传动比。储存在还原剂储罐38中的还原剂的特征可以用还原剂温度39 和还原剂压力31来表示，还原剂压力31与还原剂泵32的入口压力有关。优选地，还原剂输送系统30配置成使得有来自还原剂储罐38的还原剂重力流流向还原剂泵32的入口。还原剂泵32的出口流体地连接到管道57，该管道运送增压还原剂给还原剂喷射器55。在一个实施例中，压力传感器36构造成监控管道57内的还原剂37。工作时，控制模块5控制还原剂输送系统30达到最佳工作状态，例如通过产生用于还原剂输送系统30的最佳压力35。 确定管道57内的受监控还原剂37与最佳压力35之间的差值，并且发送给泵控制模块34， 该泵控制模块产生用于操纵还原剂泵32的泵控制信号。泵控制模块34响应于该泵控制信号控制还原剂泵32的工作。用于还原剂泵32的控制参数可以包括泵控制信号，该信号包括还原剂泵32的泵电动机转速和泵电动机负载循环33中的一个。在一个实施例中，最佳压力35是6000 mbar(绝对值)。泵控制模块34可以与控制模块5分开或与其为一体。控制模块5和泵控制模块34都属于本文所指的控制系统。在正在进行的工作期间，控制模块5执行多个控制方案来控制还原剂喷射系统40和还原剂喷射器55以规定还原剂流量 c分配还原剂到排气进给流中。这包括执行控方案来监控还原剂喷射器55。还原剂喷射系统40命令还原剂喷射器55以对应于规定还原剂流量的脉宽进行工作。监控还原剂喷射器55的元件优选包括校验指令喷射器脉宽对应于与规定还原剂流量有关的尿素喷射命令。指令喷射器脉宽和还原剂喷射系统40中的流体压力同时受到监控， 优选为在预定时间段内。计算该预定时间段内与指令喷射器脉宽相对应的还原剂喷射量的第一估计值。计算与同时监控的喷射器压力相对应的还原剂喷射量的第二估计值。比较还原剂的第一和第二估计喷射量，并且当还原剂的第一和第二估计喷射量之间的差值大于阈值时鉴定与还原剂喷射器55有关的故障。能因此基于检测故障由控制系统采取随后的补救措施，包括对用于操纵还原剂泵32的泵控制信号和用于操纵还原剂喷射器55的脉宽调制控制信号53的修正。控制方案校验指令喷射器脉宽对应于与规定还原剂流量有关的尿素喷射指令， 即，校验指令喷射器脉宽正确地匹配对应于规定还原剂流量的尿素喷射指令。这包括校验
规定还原剂质量流量Ije与喷射器控制信号例如脉宽调制控制信号53的关联。还原剂质量流量与脉宽调制控制信号53之间的物理关系可以表达如下
U=fAP^A (PWM) J2 Cp - pst) ⑴
V R iLl
式中，fAKEA (PWM)是还原剂喷射器55的喷嘴58的等量有效开口面积，其使用脉宽调制控制信号53且对应于脉宽调制控制信号53计算； P是管道57内的还原剂压力37; T0是还原剂温度39 ；
Pst是插有还原剂喷射器55的喷嘴58的排气管56内的排气压力59 ；以及 R是理想气体常数。因此，方程式1表达的物理关系可以用来描述规定还原剂质量流量亡。与脉宽调制控制信号53之间的关系以校验脉宽调制控制信号53关联本文所述的规定还原剂质量流量^^的指令还原剂质量流量49。一种校验脉宽调制控制信号53与指令还原剂质量流量49关联的控制方案可以包括估计功率密度。功率密度是规定还原剂质量流量tre对时间的积分与对应于脉宽调制控制信号53的还原剂喷射器55的喷嘴58的相应的等量有效开口面积即fAKEA (PWM)对时间
9的积分之间的比值。在一个实施例中，该功率密度计算如下
权利要求
1.一种用于监控还原剂喷射系统的还原剂喷射器的方法，所述还原剂喷射器构造成向选择性催化还原装置上游的内燃机排气进给流中配送还原剂，所述方法包括产生与规定还原剂流量相对应的喷射器脉宽指令； 监控所述喷射器脉宽指令；校验所述规定还原剂流量对应于所述喷射器脉宽指令；监控所述还原剂喷射系统中的流体压力；估计与所述喷射器脉宽指令相对应的还原剂第一喷射量；估计与所述还原剂喷射系统中的流体压力相对应的还原剂第二喷射量；以及比较还原剂的第一和第二喷射量。
2.如权利要求1所述的方法，还包括，当所述还原剂的第一和第二喷射量之间的差值超过阈值时，检测与所述还原剂喷射器相关联的故障。
3.如权利要求1所述的方法，其中，估计与所述喷射器脉宽指令相对应的所述还原剂第一喷射量包括计算所述喷射器脉宽指令的移动平均值； 积分所述喷射器脉宽指令的所述移动平均值；以及根据所述喷射器脉宽指令的所述积分移动平均值估计所述还原剂第一喷射量。
4.如权利要求3所述的方法，其中，根据所述喷射器脉宽指令的所述积分移动平均值估计所述还原剂第一喷射量包括根据下列关系使用还原剂流量 与所述喷射器脉宽指令之间的物理关系估计所述还原剂第一喷射量
5.如权利要求1所述的方法，其中，估计与所述还原剂喷射系统中的所述流体压力相对应的所述还原剂第二喷射量包括分析所述还原剂喷射系统中的所述流体压力的变化；以及估计与所述还原剂喷射系统中的所述流体压力的所述变化大小相对应的所述还原剂第二喷射量。
6.如权利要求1所述的方法，其中，校验所述规定还原剂流量对应于所述喷射器脉宽指令包括计算期望还原剂流量，所述期望还原剂流量对应于与所述喷射器脉宽指令相对应的所述还原剂喷射器的喷嘴的等量有效开口面积、所述还原剂喷射系统中的流体压力、 所述还原剂的温度。
7.如权利要求6所述的方法，其中，校验所述规定还原剂流量对应于所述喷射器脉宽指令还包括计算所述规定还原剂流量的积分与所述还原剂喷射器的喷嘴的所述等量有效开口面积的相一致的积分之间的比值。
8.如权利要求1所述的方法，其中，校验所述规定还原剂流量对应于所述喷射器脉宽指令包括计算对应于所述喷射器脉宽指令的所述还原剂喷射器的喷嘴的等量有效开口面积与所述规定还原剂流量之间的统计相关性。
9.一种用于监控还原剂喷射系统的还原剂喷射器的方法，所述还原剂喷射器构造成向选择性催化还原装置上游的内燃机排气进给流中配送还原剂，所述方法包括产生与规定还原剂流量相对应的喷射器脉宽指令； 监控所述喷射器脉宽指令； 监控所述还原剂喷射系统中的流体压力； 估计与所述喷射器脉宽指令相对应的还原剂第一喷射量；根据下列关系使用还原剂流量 与所述喷射器脉宽指令之间的物理关系估计还原剂第一喷射量
10.一种用于向选择性催化还原装置上游的内燃机排气进给流中配送还原剂的系统， 包括增压还原剂源；构造成接收所述增压还原剂并且把所述还原剂配送到所述排气进给流中的还原剂喷射器；构造成监控所述增压还原剂的压力的压力传感器；以及控制模块提供与规定还原剂流量相对应的喷射器脉宽指令给所述还原剂喷射器， 监控所述压力传感器，估计与所述喷射器脉宽指令相对应的还原剂第一喷射量， 估计与所述增压还原剂的所述压力相对应的还原剂第二喷射量，比较所述还原剂的第一和第二喷射量，以及当所述还原剂的第一和第二喷射量之间的差值超过阈值时，检测与所述还原剂喷射器相关联的故障。
全文摘要
本发明涉及用于监控排气后处理系统中的还原剂喷射系统的方法和装置。具体地，一种还原剂喷射器构造成向选择性催化还原装置上游的内燃机排气进给流中配送还原剂。通过产生与规定还原剂流量相对应的喷射器脉宽指令、监控该喷射器脉宽指令、校验规定还原剂流量对应于喷射器脉宽指令、监控还原剂喷射系统中的流体压力、估计与喷射器脉宽指令相对应的还原剂第一喷射量、估计与还原剂喷射系统中的流体压力相对应的还原剂第二喷射量并且比较还原剂第一和第二喷射量来监控还原剂喷射系统的还原剂喷射器。
文档编号F01N11/00GK102410071SQ20111027939
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者P. 莱维乔基 S., 王 Y-Y. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司