SCR转化效率诊断的制作方法

本申请通常涉及排气后处理系统的选择性催化还原(scr)系统领域。

背景

用于压缩点火(例如，柴油)发动机的排放系统通常监测一氧化碳(co)、未燃烧碳氢化合物(uhc)、柴油颗粒物质(pm)(例如，灰分(ash)和烟灰(soot))以及氮氧化物(nox)的释放。

关于减少nox排放，排气后处理系统使用nox还原催化器(包括选择性催化还原(scr)系统)将nox(一些馏分中的no和no2)转化为n2和其它化合物。scr系统利用还原剂(通常为氨)来还原nox。目前，可用的scr系统可以产生高的nox转化率，允许燃烧技术集中在功率和效率上。

scr系统利用还原剂输送系统将还原剂引入到scr催化器上游的排气流中。当适量的还原剂在一定条件下存在于scr催化器时，还原剂被用于还原nox。然而，如果还原反应速度过慢，或者如果将不足量的还原剂引入scr催化器上游的排气流中，则scr系统可能不能转化足够的nox。

美国环境保护局和加州空气资源委员会规定的装载诊断要求(on-boarddiagnosticsrequirements,)要求在交通工具上监控排气后处理系统，并且向交通工具操作人员发出不良性能的信号。scr转化效率是最具挑战性的诊断之一，这是由于用于控制和诊断的典型的nox传感器对氨是交叉敏感的，这也导致高的保修成本。保修成本通常与伪故障、故障隔离以及尿素喷射的不适当控制有关。由于现有诊断技术无法充分解决scr老化，其它装载诊断被错误地触发。除了这些问题之外，测量或估计scr催化器中的氨储存是非常困难的。

概述

一种用于确定排气后处理系统的性能状态的系统，排气后处理系统具有第一传感器和控制器。控制器配置为使用样品氨输入值和样品nox输入值来确定氨氮比；控制器配置为接收实际的nox输入值和实际的氨输入值。第一传感器接收排放值。控制器进一步配置为使用至少部分地基于实际的nox输入值、实际的氨输入值以及氨氮比的迭代失效率计算来确定用于选择性催化还原的nox排放估计、氨漏失估计(ammoniaslipestimate)以及最佳氨储存值。控制器还可以配置为向远程诊断系统输出nox排放估计，氨漏失估计和最佳氨储存值。

另一个实施方式涉及一种用于确定排气后处理系统的性能状态的计算机化方法，排气后处理系统包括第一传感器和控制器。使用样品氨输入值和样品nox输入值确定氨氮比。接收实际的nox输入值和实际的氨输入值。接收来自第一传感器的排放值。使用至少部分地基于实际的nox输入值、实际的氨输入值以及氨氮比的迭代失效率计算来确定用于选择性催化还原的nox排放估计、氨漏失估计以及最佳氨储存值。将nox排放估计，氨漏失估计值以及最佳氨储存值输出到远程诊断系统。

另一个实施方式涉及一种用于确定排气后处理系统的性能状态的装置。该装置包括样品性能模块，该样品性能模块构造成使用样品氨输入值和样品nox输入值来确定氨氮比。该装置还包括预处理感测模块，该处理感测模块构造成接收实际的nox输入值和实际的氨输入值。该装置还包括后处理感测模块，该后处理感测模块构造成从第一传感器接收排放值。该装置另外还包括选择性催化还原估计模块，该选择性催化还原估计模块构造成使用至少部分地基于实际的nox输入值、实际的氨输入值以及氨氮比的迭代失效率计算来确定用于选择性催化还原的nox排放估计、氨漏失估计以及最佳氨储存值。该装置进一步还包括效率诊断模块，该效率诊断模块构造成向远程诊断系统输出nox排放估计、氨漏失估计以及最佳氨储存值。

根据结合附图时进行的以下的详细描述，这些和其他的特征连同其组织和操作的方式将变得明显，其中在所有的下文描述的若干个附图中，相同的元件具有相同的标记。

附图简述

为了可以更容易地理解主题的优点，对上文简要描述的主题的更具体的描述将通过参考在附图中示出的具体的实施方案来呈现。应理解，这些附图只描绘了主题的典型的实施方案并且因此不应看作是对其范围的限制，将通过使用附图利用附加的特征和细节来描述和解释主题，在附图中：

图1是根据一个实施方式的后处理系统的示意性框图；

图2是根据一个实施方式的示出用于nh3和nox转化失效率的实验数据的曲线图；

图3是示出基于图2的实验数据的nh3和nox转化失效率的曲线图；

图4是根据一个实施方式的示出作为nh3储存的函数的scr的nh3和nox转化失效率的变化的曲线图；

图5是根据一个实施方式的示出作为氨储存的函数的kl_斜率的曲线图；

图6是根据一个实施方式的描绘用于nox和nh3估计目的的单独部件的scr催化器和nox传感器的示意性框图；

图7是根据一个实施方式的包括控制器的后处理系统的处理子系统的示意性框图；

图8是描述了至少部分地基于氨氮比和所估计的氨储存来估计nox和nh3漏失的示例性过程的流程图；

图9a-d是示出发动机输出nox、尾管nox以及氨储存的各种实验数据的曲线图；以及

图10是根据一个实施方式的示出标称scr、老化的scr以及进一步老化的scr的储存估计的曲线图。

详述

如上面简单描述的，诸如压缩点火发动机(例如，柴油发动机)的内燃发动机作为燃烧反应的产物排放废气。废气含有可能对环境有害的化合物。因此，废气后处理系统通常被用于将污染物转化为危害性较小的化合物，从而减少废气的总体负面环境影响。尽管常规废气后处理系统可以包括各种部件，但是用于减少废气流中的nox含量的一个特定的排放单元是scr部件。

scr部件利用柴油机排气处理液(def)(例如，氨)作为试剂来减少废气流中的nox。def可以包括尿素和去离子水的混合物。例如，def源可以包含32.5％的尿素和67.5％的去离子水。当适量的氨存在于scr催化器的废气流中时，氨在反应中被消耗(氧化)，并且nox被还原。在一个实施方案中，可以在后处理系统中的不同的上游/下游位置处使用多个scr部件。在另一个实施方案中，单个scr部件可以包括多个催化剂床。scr部件还可以包括scr催化剂床，例如可以是钒基催化剂的床，并且在其它的实施方式中，scr部件可以具有沸石基催化剂，例如cu-沸石催化器或fe-沸石催化器。scr部件通常还包括在上游scr催化器上游的还原剂输送系统。还原剂输送系统是可操作的以在气体进入scr催化器床之前将还原剂注入或配给到废气中。在scr工艺中，nox化合物和氨被吸附到催化剂的表面上，nox化合物和氨在催化剂的表面上反应形成n2(nox被还原)和h2o(氨被氧化)。

本文所述的系统、方法和装置利用从实验数据得出的模型推导出scr催化器内精确的nox和nh3漏失估计以及nh3储存水平。各实施方案考虑了nox传感器对氨的交叉敏感性，并且对于具有氨的产物消除了对nh3传感器的需要，而不牺牲后处理系统的性能。

图1是根据一个实施方式的示例性后处理系统的示意性框图。后处理系统100包括氧化催化器102、颗粒过滤器104、scr催化器106以及还原剂输送系统110。颗粒过滤器104配置成从在排气系统100中流动的废气中移除颗粒物质，例如，烟灰。颗粒过滤器104包括入口和出口，在入口处接收废气，在已经从废气中大体上过滤出颗粒物质并且/或将颗粒物质转化成二氧化碳后，废气在出口处离开。

在排气室118内，例如尿素、氨水或柴油机排气处理液(def)的还原剂被转化成氨，nh3。该室通过配给模块108由还原剂输送系统110供给，配给模块108配置成将还原剂配给至排气室104中。在一些实施方式中，尿素、氨水、def在scr催化器106的上游被喷射。还原剂微滴然后经历蒸发、热分解以及水解过程以在排气室118内形成气态氨。排气室118包括与颗粒过滤器104流体连通以接收包含nox排放物的废气的入口和用于废气、nox排放物、氨和/或剩余的还原剂流动到scr催化器106的出口。

排气室118包括安装至排气室118的配给模块108，使得配给模块108可以将还原剂(例如，尿素、氨水或def)配给至在排气系统190中流动的废气中。配给模块112流体地联接到一个或多个还原剂源108。在一些实施方式中，泵(未示出)可以用于给还原剂源108加压以便输送到配给模块108。

配给模块108还电或通信地联接到控制器120。控制器120配置成控制配给模块108以将还原剂配给到排气室118中。第一传感器114和第二传感器116也电或通信地联接到控制器120。控制器120配置为在排气系统122内的相应传感器位置处接收nox和nh3测量值。控制器120可以包括微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)等或其组合。控制器120可以包括存储器，该存储器可以包括但不限于能够为处理器、asic、fpga等提供程序指令的电子存储器、光存储器、磁存储器或任何其它储存设备或传输设备。存储器可以包括控制器120可以从其读取指令的存储器芯片、电可擦可编程只读存储器(eeprom)、可擦可编程只读存储器(eprom)、快闪存储器或任何其它合适的存储器。指令可以包括来自任何合适的编程语言的代码。

scr催化器106配置成通过加速氨和排放气体的nox之间的nox还原过程来帮助将nox排放物还原成双原子氮、水和/或二氧化碳。scr催化器106包括与排气室118流体连通的入口和与排气系统122的排气端流体连通的出口，从该入口接收废气和还原剂。

后处理系统100还包括第一传感器114，并且可以包括第二传感器116。第一传感器114可以联接到排气系统122以在scr催化器106的下游检测在排气端处离开排气系统122的废气的状态。在一些实施方式中，第一传感器114可以具有布置在排气系统122内的部分，比如第一传感器114的尖端可以延伸到排气系统122的一部分中。在其它的实施方式中，第一传感器114可以通过另一个导管(例如，从排气系统122延伸的样品管)接收废气。第二传感器116可以在scr催化器106的上游。除了第一传感器114和第二传感器116之外，可以使用另外的传感器(例如两个、三个、四个、五个、六个等个传感器)来检测废气的状态，其中每个传感器位于排气系统122的不同位置处。

图2是根据一个实施方式的示出用于nh3和nox转化失效率的实验数据的曲线图。关于该曲线图以及由其得出的相关模型和方程，其中应用以下术语：

scr的nox失效率定义为：

k1＝从scr漏失的nox/流入scr的nox(1)

scr的nh3失效率定义为：

k2＝从scr漏失的nh3/流入scr的nh3(2)

scr的氨氮比(anr)定义为：

流入scr的nh3/流入scr的nox(3)

因此，图2示出了在各种发动机速度和负载下nox和nh3失效率相对于anr作图的实验稳态数据。nh3储存在特定实验期间不是恒定的，这部分地解释了为什么表示nox失效率的线不重叠。这还部分地解释了为什么表示nh3失效率的线不重叠。如图中所示，nh3失效率在穿过为1的anr后不为零。

图3是根据一个实施方式的示出基于图2的实验数据的scr的nox和nh3转化失效率的曲线图，该曲线图表示作为氨与nox的比的函数且针对恒定的nh3储存的nox和nh3失效率。

图4是根据一个实施方式的示出作为nh3储存的函数的scr的nh3和nox转化失效率的变化的曲线图。使用图3的模型，图4描述了对于不同的nh3储存的nox和nh3转化失效率，其中氨储存由θ表示，并且表示0至1的值。氨储存值为1表示完全储存。随着nh3储存的增加，nox转化效率存在相关的增加。但随着nh3储存的增加，nh3转化效率也存在相关的降低。因此，用于nox和nh3转化失效率的模型如下：

nox转化失效率的模型：

k1＝f1(θ，anr)(4)

nh3转化失效率的模型：

k2＝f2(θ,anr)(5)

假设对于k1>0的值，f1是线性的，则k1方程的一个简化形式可以如下：

k1＝kl_斜率(θ)·anr+k1(anr＝0)(6)

因此，使用简化的k1方程，可以通过实验确定kl_斜率。图5是根据一个实施方式的示出作为氨储存的函数的kl_斜率的曲线图。且类似地，假设对于k2>0的值，f2是线性的，则k2方程的一个简化形式可以如下：

k2＝k2_斜率(θ)·anr+k2(anr＝0)(7)

可以使用简化的k2方程将k2_斜率(θ)定义为：

k2_斜率(θ)＝a·tan(θ/b)(8)

和

k2(anr＝0)＝c·tan(θ/b)(9)

其中a、b以及c是可以通过实验获得的常数。

图6是根据一个实施方式的描绘用于nox和nh3估计目的的单独部件的scr催化器和nox传感器的示意性框图。为了减轻nox传感器对nox和nh3的交叉敏感性，系统可以分为scr催化器和nox传感器两个部件。在这样做时，可以使用先前描述的方程使用所测量的来自排气系统122的端部的nox输出来估计来自scr的nox和nh3输出。再次参考图6，nox输入是以ppm为单位的发动机输出nox，其可以例如由第二传感器116测量。nh3输入是以ppm为单位的流入scr中的nh3的量，其可以例如由第二传感器116测量。nox输出1是未被scr转化的nox的量(nox漏失)。nh3输出1是未被scr转化的nh3的量(nh3漏失)。nox输出2是由nox传感器(第一传感器114)提供的测量值。因此，以下方程可以与先前描述的方程组合使用以考虑传感器的交叉敏感性：

nox输出2＝nox输出1+nh3输出1(10)

再次参考图1，后处理系统100可以包括控制器120，该控制器120配置为执行某些操作以使用样品氨输入值和样品nox输入值来确定氨氮比(anr)。样品氨输入值和样品nox输入值可以由第二传感器116随时间测量或被估计。用于确定氨氮比(anr)的示例性计算如下：

控制器120被进一步构造成接收实际的nox输入值(nox输入)和实际的氨输入值(nh3输入)。这些值可以从第二传感器116接收。控制器120进一步构造成接收来自第一传感器114的排放值(nox输出2)，并使用至少部分地基于实际的nox输入值(nox输入)、实际的氨输入值(nh3输入)以及氨氮比(anr)的迭代失效率计算来确定用于选择性催化还原的nox漏失估计(nox输出1)、氨漏失估计(nh3输入1)以及最佳氨储存值(θ)。控制器120进一步构造成向远程诊断系统输出nox排放估计(nox输出1)、氨漏失估计(nh3输出1)以及最佳氨储存值(θ)。远程诊断系统可以与交通工具或发动机系统分离，排气系统是该交通工具或发动机系统的一部分，远程诊断系统可以与排气系统分离但是为交通工具或发动机系统的一部分，排气系统是该交通工具或发动机系统内的一部分，或者远程诊断系统可以是排气系统自身内的单独的模块。在某些实施方案中，控制器形成处理子系统的一部分，该处理子系统包括具有存储器、处理器和通信硬件的一个或多个计算设备。控制器可以是单一的设备或分布式设备，且控制器的功能可以通过硬件和/或非瞬态计算机可读存储介质上的计算机指令执行。

图7是根据一个实施方式的包括控制器720的后处理系统700的处理子系统的示意性框图。在某些实施方案中，控制器包括一个或多个模块，该一个或多个模块构造成功能上执行控制器720的操作。在某些实施方案中，控制器720包括样品性能模块704、预处理感测模块712、后处理感测模块718、效率诊断模块714以及scr估计模块716。本文中包括模块的描述强调控制器720的方面的结构独立性，并且说明了控制器720的一组操作和任务。在本申请的范围内可以理解执行类似的总体操作的其它的组。模块可以在硬件中被实现和/或实现为非瞬态计算机可读存储介质上的计算机指令，且模块可以分布以各种硬件或计算机为基础的部件上。还应理解，本文描述的单独的模块可以是控制器720的一部分，控制器720与发动机控制模块(ecm)或更广泛的系统内的其它电路分离或不同，或者模块可以被包括在包含ecm或其它电路的相同的控制器上。

示例性和非限制性模块实施元件包括：提供本文中所确定的任何值的传感器；提供是本文中所确定的值的先导的任何值的传感器；数据链和/或网络硬件，其包括通信芯片、振荡晶体、通信链、缆线、双芯绞合线、同轴布线、屏蔽布线、发送器、接收器和/或收发器；根据电路规格在特定非瞬态状态下配置的逻辑电路、硬连线逻辑电路、可重构逻辑电路；任何驱动器，该任何驱动器包括至少电的、液压的或气动的驱动器；电磁阀；运算放大器；模拟控制元件(弹簧、过滤器、积分器、加法器、除法器、增益元件)和/或数据控制元件。

本文所描述的某些操作包括解释和/或确定一个或多个参数的操作。如在本文使用的，解释或判定包括通过本领域中已知的任何方法接收数值，其包括至少从数据链路或网络通信接收数值，接收表征该数值的电子信号(例如电压、频率、电流或pwm信号)，接收表征该数值的计算机产生的参数，从非临时计算机可读存储介质上的存储器位置读取数值，通过本领域中已知的任何手段和/或通过接收所解释的参数通过其可进行计算的值和/或通过参考被解释为参数值的默认值来接收作为运行参数的值。

图8是根据一个实施方式的描述了至少部分地基于氨氮比和所估计的氨储存来估计nox和nh3滑移的漏失的过程的流程图。在该过程中，接收实际的nox输入值(nox输入)和实际的氨输入值(nh3输入)(805)。使用样品氨输入值和样品nox输入值确定氨氮比(anr)(810)。anr值可以根据方程(3)确定。接收排放值(nox输出2)(815)。可以使用优化求解器(其可以是for循环)来求出氨储存值θ。因此，为scr转化设定初始氨储存值θ(820)。确定nox失效率值k1和氨失效率值k2(825)。通过将实际的nox输入值(nox输入)乘以nox失效率值(k1)来确定氮漏失估计(nox输出1)，通过将实际的氨输入值(nh3输入)乘以氨失效率值(k2)来确定氨漏失估计(nh3输出1)(830)。通过将nox漏失估计(nox输出1)与氨漏失估计(nh3输出1)相加来确定总排放估计(所估计的nox输出2)(835)。然后，确定总排放估计(所估计的nox输出2)是否与排放值(nox输出2)大致相同(845)。在某些实施方案中，可以基于可由第一传感器14随时间测量的求和的nox输出值来计算估计误差(840)。

这可以使用如下的估计误差方程来确定：

当确定总排放估计(所估计的nox输出2)与排放值(nox输出2)大致相同时，或者估计误差基于求和的nox输出值较低时，nox排放估计(nox输出1)、氨漏失估计(nh3输出1)以及最佳氨储存值(θ)输出到远程诊断系统(850)。如果确定总排放估计(所估计的nox输出2)与排放值(nox输出2)不是大致相同，或者估计误差基于求和的nox输出值较低时，设定新的氨储存值θ并且重复该过程，直到所估计的排放值和实际的排放值大致相同或估计误差最小为止。此时，向远程诊断系统输出nox排放估计(nox输出1)、氨滑移估计(nh3输出1)以及最佳氨储存值(θ)。所示的操作被理解为仅是示例性的，并且操作可以被组合或划分、和被添加或删除以及全部或部分重新排序，除非明确进行相反的说明。所示的某些操作可以由在非瞬态计算机可读存储介质上执行计算机程序产品的计算机来实现，其中计算机程序产品包括导致计算机执行操作中的一个或多个或向其它设备发出命令来执行操作中的一个或多个的指令。

图9a-9d是根据一个实施方式的示出发动机输出nox、尾管nox以及氨储存的各种实验数据的曲线图。图9a是示出发动机输出nox(nox输入)的实验数据的曲线图。图9b是描绘氨比氮的值(anr)的实验数据的图表。图9c是示出排放值和总排放估计(分别为nox输出2和所估计的nox输出2)的实验数据的曲线图。图9d是示出氨储存值(θ)的实验数据的曲线图。总之，图9a-9d显示了所提出的系统、方法以及装置在估计排气系统端部(尾管)处的nox方面的能力，同时校正nh3漏失并估计scr中的nh3储存。如先前所述，通过考虑传感器对氨的交叉敏感性，实现了提高的估计精度。

图10是根据一个实施方式的示出标称scr、老化的scr以及进一步老化的scr的储存估计的曲线图。scr经历的老化越多，则与标称系统存在的偏差越大。此外，失效的scr的储存估计将具有基本为零的储存水平，这可以用作标记不能转化nox和/或nh3的失效scr的标志。

术语“联接(coupled)”、“连接(connected)”以及本文中所使用的类似术语意味着两个构件彼此直接或间接地接合。这样的接合可以是固定的(例如，永久性的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种接合可以用两个构件或彼此一体地形成为单个整体的两个构件和任何附加的中间构件，或用两个构件或附接至彼此的两个构件和任何附加的中间构件来实现。

贯穿该说明书对特征、优点的引用或类似语言并不意味着可与本公开的主题一起实现的所有特征和优点应该在或是在任何单一的实施方式中。相反，提及特征和优点的语言应理解为意味着，关于实施方式描述的具体特征、优点或特性被包含在本公开的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书对特征和优点的论述以及类似语言可以但不一定指的是相同的实施方式。

本公开的主题的所描述的特征、结构、优点和/或特征可以以任何适当的方式在一个或多个实施方式中组合。在先前的描述中，提供了许多具体的细节以赋予对本公开的主题的实施方式的彻底理解。相关领域技术人员应认识到，在没有特定实施方式的具体的特征、细节、部件、材料和/或方法中的一个或多个的情况下，可以实践本公开的主题。在其它的例子中，可以在某些实施方式中认识可能不存在所有实施方式中的另外的特征和优点。另外，在一些例子中，众所周知的结构、材料或操作未被示出或详细描述以避免模糊本公开的主题的方面。

重要地注意到，各种示例性实施方案的结构和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几个实施方案，但复阅本公开的本领域中的技术人员将容易认识到，很多修改(例如在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、方位等方面的变化)是可能的，而不实质上偏离本文所述的主题的新颖教导和优点。例如，被示为一体形成的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或者以其它方式改变，并且分立的元件的性质或数目或位置可以发生改变或变化。根据可选的实施方案，任何工艺或方法步骤的顺序或次序可以改变或者重新排列。也可在各种示例性实施方案的设计、操作条件和布置方面做出其它替代、修改、变化和省略，而不偏离本发明的范围。