用于监测排气后处理系统中的部件的方法以及包括排气后处理系统监测布置的发动机布置与流程

本发明总体上涉及排气后处理系统，更特别地，本发明涉及用于监测这种系统的部件的方法和装置。

背景技术：

现代排放要求需要各种排气后处理系统(eats)部件来处理柴油发动机排气。该排气后处理系统(eats)设备通常包括柴油氧化催化器(doc)、柴油微粒过滤器(dpf)和选择性催化还原催化器(scr)，并且发动机本身可以根据各种发动机控制策略(例如，低nox排气模式、加热模式)运行，以有助于获得特定的排气质量或用于其它目的(诸如设备的再生)。这种排气系统中的环境很苛刻，并且排气后处理系统(eats)中使用的用于监测设备功能的设备必须坚久耐用。期望提供一种方法和布置，其能够监测eats部件的功能，且基本上坚久耐用，并且具有最少的附加设备。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于监测排气后处理系统(eats)中的部件的方法，所述排气后处理系统从上游到下游依次包括：柴油氧化催化器(doc)、柴油微粒过滤器(dpf)和选择性催化还原催化器(scr)。该方法包括：在doc和dpf之间的第一位置处测量第一o2水平；在scr下游的第二位置处测量第二o2水平；在所述第一位置处测量第一nox水平；在所述第二位置处测量第二nox水平；基于第一nox水平和第二nox水平来计算scr效率；以及基于第一o2水平是否在第一o2目标内、第二o2水平是否在第二o2目标内以及scr效率是否在scr效率目标内来确定doc、dpf和scr是否正在正常工作。

根据本发明的另一方面，一种具有排气后处理系统(eats)监测布置的发动机布置包括：具有排气管线的发动机；eats，该eats附接到排气管线，该eats从上游到下游依次包括柴油氧化催化器(doc)、柴油微粒过滤器(dpf)和选择性催化还原催化器(scr)；用于在doc和dpf之间的第一位置处测量第一o2水平的装置；用于在scr下游的第二位置处测量第二o2水平的装置；用于在所述第一位置处测量第一nox水平的装置；用于在所述第二位置处测量第二nox水平的装置；以及控制器，该控制器被配置成：基于第一nox水平和第二nox水平来计算scr效率；并且基于第一o2水平是否在第一o2目标内、第二o2水平是否在第二o2目标内以及scr效率是否在scr效率目标内来确定doc、dpf和scr是否正在正常工作。

附图说明

通过结合附图阅读以下详细描述，可以很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个方面的发动机布置的示意图；并且

图2是示出根据本发明的一个方面的方法中的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个方面的发动机布置，该发动机布置具有排气后处理系统(eats)监测布置21(下文称作发动机布置)。发动机布置21包括发动机23，该发动机23具有排气管线25。eats27附接到排气管线25。eats27从上游到下游依次包括：柴油氧化催化器(doc)29、柴油微粒过滤器(dpf)31和选择性催化还原催化器(scr)33。第一传感器布置35设置在doc29和dpf31之间的排气管线25中，并且第二传感器布置37设置在scr33下游的排气管线中。第一传感器布置35和第二传感器布置37可以是也测量o2水平的nox传感器，或者可以是单独测量nox或o2的分开的传感器。除非另有说明，否则无论传感器类型是nox传感器或o2传感器或nox/o2双输出传感器，并且无论所讨论的测量是nox水平或o2水平或nox/o2水平，则用于实施根据本发明的方法和布置的逻辑大致相同。

大多数现代eats包括两个nox传感器，一个在dpf和scr之间，一个在scr之后。在本发明中，第一传感器布置35可以是如下传感器，该传感器通常位于dpf31和scr33之间，并且从该位置向上游移动到doc29和dpf之间。可替代地，除了通常已经提供的传感器之外，第一传感器布置35可以是添加在doc和dpf之间的附加传感器。

诸如发动机控制单元(ecu)这样的控制器39被配置成：从第一传感器布置35接收信号，该信号指示由第一传感器布置测量的o2水平(o2_1(图2))是否在o2水平的第一预定范围内，或高于o2水平的第一预定范围；以及从第二传感器布置37接收信号，该信号指示由第二o2传感器测量的o2水平(o2_2(图2))是否在o2水平的第二预定范围内，或高于o2水平的第二预定范围。控制器39被布置成计算scr33效率screff.1或screff.2(图2)是否低于预定效率目标、在预定效率目标内或高于预定效率目标。通常根据基于nox1和nox2的如下等式来确定screff.1和screff.2，其中：

(1)screff.＝[1-(nox1-nox2)/nox1)]×100

screff.1目标被选择用于低温运行条件，例如在200℃至250℃的范围内，而screff.2目标被选择用于正常运行条件，通常温度高于约250℃至270℃，更通常高于约300℃。在本文中，提及“低温”和“正常运行条件”就是指scr温度。本领域技术人员所认为的低运行温度或正常运行温度的温度可能对于一个发动机布置与另一个发动机布置有所不同。虽然不同的发动机布置在不同的运行温度下可能具有不同的效率目标，但在例如重型卡车中使用的典型发动机布置中，screff.1目标值可以为约75％，而screff.2目标值可以为约95％或更高。

与在正常运行温度下相比，在较低的scr温度下(通常低于约250℃)，scr效率对进气(进入scr的气体)中的no与no2的比率更为敏感。scr中发生了三个主要反应。第一个反应是：

(2)no+no2+2nh3→2n2+3h2o

等式(2)中所示的反应要求进气中的no/no2比率为1：1。这是特别期望的反应，因为它比在scr中发生的其它反应快约10倍。等式(2)中所示的反应通常在高温和低温下发生并且是最期望的反应，特别是在较低温度下，因此在较低温度下特别期望提供no/no2比率为1：1的进气，以促进等式(2)中所示的反应。发生的另一个反应是：

(3)no+4nh3+o2→4n2+6h2o

等式(3)中所示的反应通常被认为是在scr中发生的“标准”反应。等式(3)中所示的反应比等式(2)中所示的反应发生得慢。等式(3)的反应仅要求进气中的no，并且倾向于主要在正常运行温度下发生而较少在较低运行温度下发生。发生的第三个反应是：

(4)2no2+4nh3+o2→3n2+6h2o

等式(4)中所示的反应比等式(2)和等式(3)中所示的反应发生得慢。等式(4)的反应仅要求进气中的no2，并且倾向于主要在正常运行温度下发生，而较少在较低运行温度下发生。

因为等式(3)和等式(4)中所示的反应倾向于较容易在正常或较高的运行温度下发生，所以进气中的no/no2比率在正常运行温度下对于scr效率来说没有像在较低运行温度下那么重要。在较低温度下，在进气中具有约1：1的no/no2比率对于获得良好的scr效率来说往往是重要的。如果在低运行温度下scr的进气中的no/no2比率较低，则scr效率也将较低(低于screff.1目标)，这通常是doc29和/或dpf31未正常工作的征兆。

控制器39被配置成基于由第一传感器布置35测量的o2水平(o2_1(图2))、由第二传感器布置37测量的o2水平(o2_2(图2))以及scr效率screff.1和screff.2(图2)来确定doc、dpf和scr是否正常工作。

发动机装置21还可以包括位于doc29上游的后处理烃喷嘴41(ahi)。控制器39可以被配置成基于由第一传感器布置35测量的o2水平(o2_1(图2))、由第二传感器布置37测量的o2水平(o2_2(图2))以及scr33效率screff.1(图2)来确定ahi41是否正常工作。

表1示出了控制器39是如何可以使用不同的o2_1和o2_2的测量以及screff.1和screff.2的计算来诊断eats27中的装置是否正常工作(“ok”)或未正常工作(“nok”)。

表1

如在上表1中的行3中所见，控制器39可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围外(通常意味着高于第一预定范围)(>目标1)且由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围内(＝目标2)时，确定doc29未正常工作。当o2_1高(>目标1)时，这意味着doc29未在转换预期百分比的喷射的燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料。当o2_2在范围内(＝目标2)时，这意味着ahi41正在喷射预期量的燃料。因此，能够得出结论，doc29存在问题。

如上表1中的行6中所见，控制器39还可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围外(即高于第一预定范围)(>目标1)、由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围外(即高于第二预定范围)(>目标2)且scr33效率screff.1低于预定效率目标(<目标3)时，确定doc29未正常工作，并且dpf31未正常工作。该确定涉及低温下的运行，以确定screff.1是否低于预定效率目标(<目标3)。如果o2_1和o2_2都高(o2_1>目标1且o2_2>目标2)，则这意味着doc29和/或dpf未转换预期百分比的被喷射燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料以供doc和/或dpf转换。当screff.1低时，这通常意味着进入scr33的进气具有低no/no2比率，这又意味着doc29和/或dpf31未正常工作。

如上表1中的行5中所见，控制器39还可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围外(即高于第一预定范围)(>目标1)、由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围外(即高于第二预定范围)(>目标2)且scr33效率screff.1大于或等于预定效率目标(>＝目标3)时，确定ahi41(如果提供的话)未正常工作。该确定涉及低温下的运行，以确定screff.1是否大于或等于预定效率目标(>＝目标3)。如果o2_1和o2_2都高(>目标1且>目标2)，则这意味着doc29和/或dpf未转换预期百分比的被喷射燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料，以供doc和/或dpf转换。当screff.1达成目标时(即screff.1>＝目标3)，这通常意味着进入scr的进气具有适当的no/no2比率，这又意味着doc29和dpf31正在正常工作，并且能够得出结论，ahi41未正常工作。

如上表1中的行4中所见，控制器39可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围内(＝目标1)且由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围外(即高于第二预定范围)(>目标2)时，确定dpf31未正常工作。当o2_1在范围内(o2_1＝目标1)时，这意味着doc29正在转换预期百分比的被喷射燃料，并且意味着ahi41正在喷射预期量的燃料。当o2_2高(>目标2)时，这意味着doc和/或dpf31未转换预期百分比的燃料。因为已知doc正在转换预期百分比的燃料，所以由此得出dpf31存在问题。

如上表1中的行2中所见，控制器39可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围内(＝目标1)、由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围内(＝目标2)且scr33效率screff.2小于预定效率目标(<目标4)时，确定scr33未正常工作。该确定涉及发动机的正常运行，以确定screff.2是否小于预定效率目标(<目标4)。如果o2_1和o2_2在期望的范围内，则能够得出结论，doc29和dpf31都正在正常工作，并且如果screff.2小于预定范围，则通过排除法，能够合理地得出结论，scr33存在问题。

如上表1中的行1中所见，控制器39可以被配置成：当由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围内(＝目标1)、由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围内(＝目标2)且scr33效率screff.2大于或等于预定效率目标(>＝目标4)时，确定doc29、dpf31、scr33和ahi41(如果提供的话)正在正常工作。该确定涉及发动机的正常运行，以确定screff.2是否大于或等于预定效率目标(>＝目标4)。

图2中示出了流程图，该流程图示出了根据本发明的另一方面的用于监测eats27中的部件的方法的流程图，所述eats27从上游到下游依次包括：doc29、dpf31和scr33，并且包括位于doc和dpf之间的第一传感器布置35以及在scr下游的第二传感器布置37。eats27可以包括ahi喷嘴41，该ahi喷嘴41可以在步骤101处运行。

在步骤103处，第一传感器布置35感测由第一传感器布置测量的o2水平o2_1是否在o2水平的第一预定范围内(＝目标1)或在o2水平的第一预定范围外(即，通常意味高于o2水平的第一预定范围)(>目标1)。

如果第一传感器布置35在步骤103处感测到o2水平o2_1在o2水平的第一预定范围内(＝目标1)，则在步骤105处，第二传感器布置37感测由第二传感器布置测量的o2水平o2_2是否在o2水平的第二预定范围内(＝目标2)或在o2水平的第二预定范围外(即，通常意味着高于o2水平的第二预定范围)(>目标2)。

如果在步骤105处，确定了由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围外(即高于第二预定范围)(>目标2)，则在步骤107处确定dpf31存在问题。当o2_1在范围内(o2_1＝目标1)时，这意味着doc29正在转换预期百分比的被喷射燃料，并且ahi41正在喷射预期量的燃料。当o2_2高(>目标2)时，这意味着doc和/或dpf31未转换预期百分比的燃料。因为已知doc正在转换预期百分比的燃料(因为o2_1在范围内)，所以由此得出dpf31存在问题。

如果在步骤105处，确定了由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围内(＝目标2)，则在步骤109处，控制器39计算scr33效率screff.2是否大于或等于预定效率目标(>＝目标4)。

如果在步骤109处的正常发动机运行期间，确定scr33效率screff.2小于预定效率目标(<目标4)，则在步骤111处确定scr存在问题。如果o2_1和o2_2在期望的范围内，则能够得出结论，doc29和dpf31都在正常工作，并且如果screff.2小于预定范围，则通过排除法，能够合理地得出结论，scr33存在问题。

如果在步骤109处的正常发动机运行期间，确定scr33效率screff.2大于或等于预定效率目标(>＝目标4)，则在步骤113处，确定了doc、dpf和scr正在正常工作。

如果在步骤103处确定由第一传感器布置35测量的o2水平o2_1在第一预定范围外(即高于第一预定范围)，则在步骤115处，第二传感器布置37感测由第二传感器布置测量的o2水平o2_2是否在o2水平的第二预定范围内(＝目标2)或在o2水平的第二预定范围外(即高于o2水平的第二预定范围)(>目标2)。

如果在步骤115处确定由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围内(＝目标2)，则在步骤117处确定了doc29未正常工作。当o2_1高(>目标1)时，这意味着doc29未转换预期百分比的被喷射燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料。当o2_2在范围内(＝目标2)时，这意味着ahi41正在喷射预期量的燃料。因此，能够得出结论，doc29存在问题。

如果在步骤115处确定了由第二传感器布置37测量的o2水平o2_2在第二预定范围外(即高于第二预定范围)(>目标2)，则在步骤119处，确定scr33效率screff.1是否低于预定目标效率(<目标3)。

如果在步骤119处的低温运行条件下，确定了scr33效率screff.1低于预定效率目标(<目标3)，则在步骤121处，确定了doc和dpf未正常工作。如果o2_1和o2_2都高(o2_1>目标1且o2_2>目标2)，则这意味着doc29和/或dpf未转换预期百分比的被喷射燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料以供doc和/或dpf转换。当检查screff.1以检测进入到scr33中的进气是否具有适当的no/no2比率时，低no/no2比率(<目标3)意味着doc29和dpf31未正常工作。

如果提供了ahi，并且在步骤119处的低温运行条件期间确定scr33效率screff.1不小于预定效率目标(>＝目标3)，则在步骤123处确定ahi未正常工作。如果o2_1和o2_2都高(o2_1>目标1且o2_2>目标2)，则这意味着doc29和/或dpf未转换预期百分比的被喷射燃料，或者意味着ahi41未喷射预期量的燃料以供doc和/或dpf转换。当检查screff.1以检测进入到scr33中的进气是否具有适当的no/no2比率时，高no/no2比率(>＝目标3)(表示适当的no/no2比率)意味着doc29和dpf31正在正常工作，并且能够得出结论，ahi41未正常工作。

如果根据任何前述技术诊断出doc29、dpf31、scr33或ahi41中的一个或多个存在问题，则控制器39可以被配置成向操作员或车辆管理系统发送信号，告知需要采取纠正措施或修理，或者使车辆停机。

本发明允许使用已经存在于大多数柴油发动机布置的eats中的设备来监测和提供对eats部件(doc、dpf、scr、ahi)的问题的诊断，从而减少或消除对专用设备的需求、对较复杂的监测程序的需求或对仅依靠预期设备寿命的程序的需求。

此外，当识别出eats部件存在问题时，这可以用作用于在发动机布置中执行校正措施的触发器。例如，当识别出doc29存在问题时，可以提高ahi41的喷射的温度允许条件，以补偿低烃转化效率问题并避免烃滑过不良doc。当识别出dpf31存在问题时，可以改变发动机控制策略以导致低nox燃烧，使得低的发动机排出nox将减轻scr问题对环境的影响。当识别出scr33存在问题时，可以改变发动机控制策略以导致低nox燃烧，使得低的发动机排出nox将减轻scr问题对环境的影响。当识别出ahi41存在问题时，发动机控制策略可以切换到加热模式运行，以使来自发动机的废气热能最大化，以补偿原本由烃喷射所产生的热量损失。

根据本发明的方法和发动机布置提供了各种优点，包括改进和促进监测和诊断设备的运行，并且不需要高度专业化的部件、不需要添加大量新部件并且不增加对敏感设备造成损坏的风险。本发明可以通过评估在许多情况下通常已经收集的数据来促进监测和诊断，从而减少对用于发动机布置的处理设备的额外处理能力的需要。

在本申请中，诸如“包括(including)”的术语的使用是开放式的，并且旨在具有与诸如“包含(comprising)”的术语相同的含义且并不排除其它结构、材料或行为的存在。类似地，尽管诸如“可以”或“可能”之类的术语的使用旨在是开放式的并且旨在反映该结构、材料或行为不是必需的，但不使用这些术语并不旨在反映该结构、材料或行为是必不可少的。如果结构、材料或行为目前被认为是必不可少的，则它们是会被如此识别的。

虽然已经根据优选实施例说明和描述了本发明，但应认识到，在不脱离如权利要求书中所述的本发明的情况下，可以在其中进行变型和修改。