Scr尿素噴射的適應性控制以補償錯誤的製作方法

2023-05-06 09:01:56

專利名稱：Scr尿素噴射的適應性控制以補償錯誤的製作方法
技術領域：
本發明涉及在內燃機中NOx排放的後處理的控制。
背景技術：
該部分內容僅提供與本發明有關的背景信息，且可能不構成現有技術。排放控制是在發動機設計和發動機控制中的重要因素。氮氧化物NOx是已知的燃燒副產物。NOx通過在高溫燃燒中分離的發動機進氣空氣中存在的氮氣和氧氣分子產生，且 NOx產生速率包括與燃燒過程的已知關係，例如更高的NOx產生速率與更高的燃燒溫度以及空氣分子更長時間地暴露於更高溫度有關。還原在燃燒過程中產生的NOx以及在排氣後處理系統中管理NOx是期望的。在更廣義分類的後處理裝置內，NOx分子一旦在燃燒室中被產生就可在本領域已知的示例性裝置中轉化回到氮氣和氧氣分子。然而，本領域技術人員將理解的是，後處理裝置很大程度上取決於操作狀況，例如排氣流溫度驅動的裝置操作溫度和發動機空氣/燃料比。此外，後處理裝置包括由於長時間使用以及暴露於高溫而趨於損壞或降級的材料，例如催化床。現代發動機控制方法使用各種操作策略以優化燃燒。在燃料經濟性方面優化燃燒的一些操作策略包括在燃燒室內稀燃燒、局部燃燒或分層燃燒，以便減少實現氣缸所需做功輸出必要的燃料充氣以及增加發動機效率，例如通過操作在非節流狀況、減少空氣進氣泵送損失來實現。雖然燃燒室的溫度在燃燒孔穴中可足夠高以產生顯著量的NOx，但是燃燒室的總能量輸出(尤其是，通過排氣流從發動機驅出的熱能)與其它燃燒策略相比可明顯減少。這種狀況可使得排氣後處理策略受到挑戰，因為後處理裝置頻繁地需要通過排氣流溫度驅動的升高操作溫度，以充分地操作以處理NOx排放。後處理裝置是已知的，例如其使用化學反應來處理排氣流。一個示例性裝置包括選擇性催化還原裝置(SCR)。SCR的已知使用利用從尿素噴射得到的氨來處理N0X。存儲在位於SCR內的催化床上的氨與NOx (優選地，期望比例的NO和NO2)反應，並且產生有利反應以處理N0X。一個示例性實施例包括優選地1比1的NO對NO2比例，並且已知為快速SCR反應。已知的是操作在柴油應用中SCR上遊的柴油氧化催化劑(D0C)，以將NO轉化為NO2用於在SCR中優先處理。排氣後處理的持續改進需要在排氣流中NOx排放方面的精確信息以便實現有效NOx還原，例如基於所監測的NOx排放的尿素的計量正確量。用於發動機後處理的尿素噴射具有一些困難。諸如尿素溫度、泵壓力和噴射器噴嘴阻塞的因素可修正尿素到排氣流的傳輸，從而阻止傳輸正確量的尿素。這導致由於提供超過所需量的過量尿素而浪費使用所存儲的尿素，或者尿素太少而不能有效地處理所產生的排氣量。

發明內容
一種用於控制選擇性催化還原噴射系統的方法，所述選擇性催化還原噴射系統具有存儲罐、泵、傳輸線路和噴射噴嘴，所述方法包括監測選擇性催化還原噴射系統；確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比；將選擇性催化還原噴射系統有效面積比與閾值比較；在越過所述閾值時計算補償因子；以及根據所計算的補償因子修正指令噴射質量。本發明涉及下述技術方案。1. 一種用於控制選擇性催化還原噴射系統的方法，所述選擇性催化還原噴射系統具有存儲罐、泵、傳輸線路和噴射噴嘴，所述方法包括
監測選擇性催化還原噴射系統； 確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比； 將選擇性催化還原噴射系統有效面積比與閾值比較； 在越過所述閾值時計算補償因子；以及根據所計算的補償因子修正指令噴射質量。2.根據技術方案1所述的方法，其中，確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比包括監測實際噴射質量和指令噴射質量。3.根據技術方案2所述的方法，其中，實際噴射質量在動態建模方法中從所監測的參數計算。4.根據技術方案3所述的方法，其中，計算實際噴射質量包括積分所監測的參數以確定實際流量特性。5.根據技術方案2所述的方法，其中，實際噴射質量在濾波方法中從所監測的參數計算。6.根據技術方案5所述的方法，其中，濾波方法包括狀態空間方程以確定實際流
量特性。7.根據技術方案2所述的方法，其中，實際噴射質量從在動態建模方法和濾波方法中所監測的參數計算。8.根據技術方案1所述的方法，其中，所述閾值包括上閾值和下閾值中的一個。9.根據技術方案1所述的方法，其中，在越過所述閾值時計算補償因子包括確定溫度影響。10.根據技術方案9所述的方法，其中，確定溫度影響基於泵壓力。11.根據技術方案9所述的方法，其中，確定溫度影響基於查詢表。12. 一種用於控制來自於選擇性催化還原噴射系統的流體噴射的方法，以在發動機操作期間實現請求流體流進入到內燃機的排氣流，所述方法包括
監測選擇性催化還原噴射系統的操作參數，包括指令噴射質量和排氣流壓力； 確定實際噴射質量； 計算有效面積比；
將有效面積比與期望有效面積比進行比較；以及
修正噴射器控制信號以調節有效面積比從而匹配期望有效面積比。13.根據技術方案12所述的方法，其中，通過積分方法確定實際噴射質量。14.根據技術方案12所述的方法，其中，通過濾波方法確定實際噴射質量。15.根據技術方案12所述的方法，其中，通過積分和濾波方法確定實際噴射質量。16.根據技術方案12所述的方法，其中，監測選擇性催化還原噴射系統的操作參數還包括監測流體的溫度。17.根據技術方案16所述的方法，其中，流體的溫度用於確定實際噴射質量。18.根據技術方案12所述的方法，其中，計算有效面積比確定過計量或欠計量的量。19.根據技術方案12所述的方法，其中，修正噴射器控制信號以調節有效面積比從而匹配期望有效面積比包括計算增益以修正噴射器控制信號。


現將以示例的方式參考附圖來描述一個或多個實施例，在附圖中
圖1是描述了根據本發明的內燃機、控制模塊和排氣後處理系統的示意圖； 圖2示意性地描述了根據本發明的包括尿素計量配置的示例性後處理系統； 圖3示意性地描述了根據本發明的包括代表性數學符號的示例性後處理系統的示例性尿素傳輸系統；
圖4是根據本發明的在動態建模方法和濾波驗證方法期間的圖形數據，示出了尿素計量模塊隨著時間經過的有效面積比；
圖5描述了根據本發明的用於示例性控制策略來控制計量模塊的視圖，以提供噴射到後處理系統的排氣流中的尿素的指令量；
圖6是根據本發明的一系列圖表，其描述了實際尿素流和指令尿素流隨著時間經過的數據，其中圖6A是在大約25攝氏度(C)的尿素流，圖6B是在沒有負載校正情況下在大約-25攝氏度C的尿素流，以及圖6C是在具有負載校正情況下在大約-25攝氏度C的尿素流；
圖7是根據本發明的一系列圖表，其描述了實際尿素流和指令尿素流隨著時間經過的單位為mg/s的數據，其中圖7A是在沒有所公開方法情況下欠計量故障的示例性圖表，圖7B 是在沒有所公開方法情況下過計量故障的示例性圖表，以及圖7C是使用所公開方法來校正欠計量和過計量故障的尿素流的示例性圖表；以及
圖8是根據本發明的實驗數據的示意性圖表，描述了對指示隨著時間經過的有效面積比的模擬尿素計量模塊惡化採取動作的控制方案。
具體實施例方式現參考附圖，其中視圖僅用於描述一些示例性實施例且不旨在限制本發明，圖1 是根據本發明的描述內燃機10、控制模塊5和排氣後處理系統15的示意圖。示例性發動機10是多缸直噴式內燃機10，其具有附連到曲軸M並且在氣缸20內可移動的往復式活塞 22，從而限定可變容積燃燒室34。發動機10可基於諸如發動機速度和負載的因素在壓縮點火或火花點火下操作。此外，發動機10可使用混合動力點火策略(例如，火花輔助壓縮點火策略)操作。本發明旨在包括發動機操作的這些示例性實施例，但不旨在局限於此。曲軸M 可操作地附連到車輛變速器和傳動系以響應於操作員扭矩請求50向其傳輸牽引扭矩。發動機10優選地採用四衝程操作，其中每個發動機燃燒循環具有曲軸M的720度的角度旋轉，其劃分為描述活塞22在發動機氣缸20中往復運動的進氣-壓縮-膨脹-排氣的四個 180度階段。多齒目標輪沈附連到曲軸並且隨其旋轉。發動機10包括用於監測發動機操作的感測裝置和控制發動機操作的致動器。感測裝置和致動器信號地或可操作地連接到控制模塊5。發動機10優選地是直噴式四衝程內燃機10，其包括由在氣缸內在上止點和下止點之間往復運動的活塞22限定的可變容積燃燒室34以及包括進氣門和排氣門的氣缸蓋。 活塞22在往復循環中往復運動，每個循環包括進氣、壓縮、膨脹和排氣衝程。發動機10優選地具有主要稀於化學計量比的空氣/燃料操作策略。本領域技術人員將理解的是，本發明適用於主要稀於化學計量比操作的其它發動機配置(例如，稀燃火花點火發動機)。在壓縮點火發動機10的正常操作期間，當燃料充氣被噴射到燃燒室34中以與進氣空氣形成氣缸充氣時在每個發動機循環期間出現燃燒事件。該充氣隨後在壓縮衝程期間通過其壓縮作用或通過來自於火花塞的火花點火而燃燒。發動機10適於在寬範圍的溫度、氣缸充氣(空氣、燃料和EGR)和噴射事件下操作。 本文所述的方法尤其適於結合操作於稀於化學計量比的直噴式發動機10來操作，以確定在持續進行的操作期間與在每個燃燒室34中的熱量釋放相關的參數。本文所限定的方法適用於多種發動機配置，包括火花點火發動機和適於使用均質充氣壓縮點火(HCCI)策略的壓縮點火發動機。該方法適用於採用每發動機循環每缸的多個燃料噴射事件的系統，例如採用用於燃料重整的引燃噴射、用於發動機功率的主噴射事件、以及在適用時用於後處理管理的後燃燒燃料噴射、遲燃燒燃料噴射事件(每個都影響氣缸壓力)的系統。感測裝置安裝在發動機10上或發動機10附近，以監測物理特徵並且產生可與發動機和環境參數相關的信號。感測裝置包括曲軸旋轉傳感器，其包括用於通過多齒目標輪 26的齒上的感測邊緣監測曲軸速度的曲軸傳感器44。曲軸傳感器44是已知的並且可包括例如霍爾效應傳感器、電感傳感器或磁阻傳感器。曲軸傳感器44信號輸出55被輸入到控制模塊5。存在燃燒壓力傳感器30，其具有適於監測缸內壓力60的壓力感測裝置。燃燒壓力傳感器30優選地包括具有力變換器的非侵入式裝置，所述力變換器的環形截面適於在用於電熱塞觀的開口處安裝到氣缸蓋內。燃燒壓力傳感器30結合電熱塞觀安裝，其中燃燒壓力通過電熱塞觀機械地傳遞到傳感器30。傳感器30的感測元件的輸出信號60與氣缸壓力成比例。傳感器30的感測元件是壓電陶瓷傳感器或適用於此的其它裝置。其它感測裝置優選地包括歧管壓力傳感器，用於監測歧管壓力65和環境大氣壓力68 ；空氣品質流量傳感器，用於監測進氣空氣品質流量70和進氣空氣溫度72 ；以及具有輸出75的製冷劑傳感器35。該系統可包括排氣傳感器，用於監測一個或多個排氣參數(例如，溫度、空氣/燃料比和組分)的狀態。本領域技術人員將理解，可存在用於控制和診斷目的的其它感測裝置和方法。以操作員扭矩請求50形式的操作員輸入通常通過在其它裝置中的節氣門踏板和制動踏板來獲得。發動機10優選地配置有用於監測操作和系統控制目的的其它傳感器。每個感測裝置信號連接到控制模塊5以提供信號信息，所述信號信息通過控制模塊5轉換為表示相應監測參數的信息。要理解的是，該配置是描述性而非限制性的，包括可用功能上等同的裝置和算法來替換的各種感測裝置並且仍落入本發明的範圍內。致動器被安裝在發動機10上並且由控制模塊5響應於操作員輸入(例如，操作員扭矩請求50)被控制，以實現各個性能目標。致動器包括電子控制節氣門裝置，其控制節氣門開度為指令輸入80 ；以及多個燃料噴射器12，用於響應於指令輸入85直接噴射燃料到每個燃燒室中，它們全部響應於操作員扭矩請求50而被控制。存在排氣再循環閥32和冷卻器，其響應於來自於控制模塊5的控制信號90控制外部再循環排氣到發動機進氣口的流動。電熱塞觀是已知裝置，其安裝在每個燃燒室中且適用於燃燒壓力傳感器30。燃料噴射器12是燃料噴射系統的元件，其包括多個高壓燃料噴射裝置，每個高壓燃料噴射裝置適於響應於來自於控制模塊5的指令信號85直接噴射燃料充氣(燃料質量) 到一個燃燒室34內。每個燃料噴射器12被從燃料分配系統供應加壓燃料，且具有包括最小脈寬和相關最小可控燃料流率以及最大燃料流率的操作特徵。發動機10可配置有可控氣門系，所述可控氣門系可操作以調節每個氣缸的進氣和排氣門的開度和關閉，包括氣門正時、定相(即，相對於曲軸角和活塞位置的正時)以及氣門開度升程的幅值中的任何一個或多個。一個示例性系統包括可變凸輪定相，其可適用於壓縮點火發動機、火花點火發動機和均質充氣壓縮點火發動機。控制模塊、模塊、控制器、控制單元、處理器和類似術語意味著一個或多個專用集成電路(ASIC)、電子電路、執行一個或多個軟體或固件程序的中央處理單元(優選為微處理器)以及相關存儲器和儲存器(只讀、可編程只讀、隨機存取、硬碟驅動器等)、組合邏輯電路、輸入/輸出電路和裝置、合適的信號調製和緩衝電路、以及提供所述功能的其它合適部件的任何合適一種或各種組合。控制模塊5具有一組控制算法，所述控制算法包括存儲在存儲器中且被執行以提供期望功能的常駐軟體程序指令和標定值。所述算法優選在預定循環期間被執行。所述算法例如由中央處理單元執行，並且可操作以監測來自感測裝置和其它網絡控制模塊的輸入以及執行控制和診斷程序從而控制致動器的操作。在持續進行的發動機和車輛操作期間，循環以規則間隔例如每3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒被執行。替代性地，算法可響應於事件發生而被執行。控制模塊5執行存儲在其中的算法代碼以控制前述致動器從而控制發動機操作， 包括在如此配備的系統上的節氣門位置80、燃料噴射質量和定時85、EGR閥位置以控制再循環排氣流90、電熱塞操作95以及控制進氣和/或排氣門正時、定相和升程。控制模塊5 適於接收來自於操作員的輸入信號(例如，節氣門踏板位置和制動踏板位置)以確定操作員扭矩請求50以及來自於傳感器的表示發動機速度55、進氣空氣溫度72和製冷劑溫度和其它環境狀況的輸入信號。雖然圖1描述了示例性汽油發動機，但是將理解的是，在包括柴油發動機的其它發動機配置中使用NOx處理和後處理系統，且本發明不旨在局限於本文所公開的具體示例性發動機實施例。圖2示意性地描述了包括尿素計量配置的示例性後處理系統15。後處理系統15 包括控制模塊205、柴油氧化催化劑(DOC) 210、選擇性催化還原(SCR) 220、上遊氮氧化物 (NOx)傳感器230、下遊NOx傳感器M0、溫度傳感器250和尿素計量模塊洸0。DOC 210實施對於後處理排氣流必要的許多催化功能。DOC 210的一個功能在於將在SCR 220中不容易被處理的NOx物質一氧化氮(NO)轉化為在SCR 220中容易被處理的NOx物質二氧化氮 (NO2)0SCR 220使用尿素作為反應物以將NOx還原為其它分子。上遊NOx傳感器230探測並量化在進入後處理系統15中的排氣流中的N0X。雖然上遊NOx傳感器230被描述為量化進入後處理系統15中的NOx的示例性機構，但是應注意的是，進入到後處理系統15中的 NOx可通過其它機構量化以用於估計在SCR 220中的轉化效率，例如通過位於DOC 210和 SCR 220之間的NOx傳感器230或通過虛擬NOx傳感器建模發動機輸出和在排氣流內的狀況以估計進入後處理系統15的NOx的存在性。本發明總體上討論描述根據示例性實施例進入到後處理系統15中的NOx的傳感器輸入，然而將理解的是，取決於上遊傳感器放置，該輸入實際上可描述進入到後處理系統一部分的NOx含量。SCR 220例如使用從所噴射的尿素得到的氨以通過本領域已知的方法將NOx轉化為其它分子。描述位於收集後處理系統15內的排氣流溫度的區域中的溫度傳感器250。計量模塊260被描述在處於SCR 220上遊的位置並且藉由傳輸線路290連接到尿素存儲罐觀0， 以產生尿素傳輸系統，總體上以300示出。存儲罐280包括內部或外部泵305，用於將來自於存儲罐觀0的尿素通過傳輸線路290傳輸給計量模塊沈0。控制模塊205信號連接到泵 305，以控制在至計量模塊260的傳輸線路中的壓力。通過藉由控制模塊205的指令350控制小孔開口的尺寸，尿素可通過計量模塊260直接噴灑到進入SCR 220中的排氣流中。然而，描述使用混合裝置270的優選方法。計量模塊260將尿素噴射到混合裝置270的上遊， 接著尿素由大致均勻分布的排氣流攜載到位於SCR 220內部上的催化劑表面上面。下遊NOx 傳感器240探測並量化離開後處理系統15的排氣流中的N0X。控制模塊205包括所需編程以處理與後處理系統有關的輸入並且可包括編程以採用本文所公開的方法。圖3示意性地描述了包括表示指令信號的示例性後處理系統15的示例性尿素傳輸系統300。尿素傳輸系統300包括通過傳輸線路290互連的存儲罐觀0、泵305和計量模塊沈0。存儲罐280布置在車輛中以便能夠進入到存儲罐280用於再填充。泵305可位於存儲罐觀0內部或外部。泵305包括電機310或用於向曲軸315提供旋轉的類似旋轉提供機構。曲軸315互連到活塞320並且將電機310的旋轉運動轉化為活塞320的直線運動並且在進氣和排氣衝程之間循環。泵305還包括入口閥325和出口閥330，用於控制尿素從罐 280流動到傳輸線路四0並且在其中產生壓力。當活塞320遠離入口閥325和出口閥330 並且朝向曲軸315移動時，發生進氣衝程。當活塞320朝向入口閥325和出口閥330並且遠離曲軸315移動時，發生排氣衝程。泵305的描述是優選實施例的描述且不旨在局限於此。例如，泵305可具有入口閥325和出口閥330中的一個並且不具有另一個，以控制在傳輸管線四0中的壓力。泵305可操作地連接到控制模塊205，用於控制泵305的操作。控制模塊205通過與曲軸315的機械連接或單獨指令致動而控制泵旋轉速度355、入口閥325和出口閥330 開啟或關閉狀態。控制模塊205接收通過位於存儲罐280中的溫度傳感器340提供或者從已知大氣狀況計算的溫度信息390。類似地，控制模塊205接收來自於位於入口閥325之前的進氣壓力傳感器的、遠程布置的大氣壓力傳感器的、或者從已知大氣狀況計算的大氣壓力360。在設計尿素傳輸系統300時確定期望線路壓力365為設定值。控制模塊205接收來自於出口閥330下遊的壓力傳感器335的壓力反饋信息370並且通過藉由控制指令350 控制位於小孔中的銷的位移而控制計量模塊沈0的小孔面積375。在控制模塊205的控制期間，從泵305確定泵壓力380。控制模塊205通過計算或通過作為位於後處理系統15中或在排氣系統其它位置的直接壓力傳感器信息345確定在後處理系統15中的排氣(流)壓力 385。
在操作期間，發動機10在操作且產生必須用後處理系統15處理的排氣。控制模塊205確定在罐208中尿素的溫度390和環境壓力360。控制模塊205確定用於在傳輸線路四0中產生預定壓力370的狀況的合適泵310旋轉速度355。當活塞320的進氣衝程開始時，進氣門325開啟且排氣門330關閉。進氣衝程的運動將來自於罐觀0的尿素抽入到泵305中。當活塞320的排氣衝程開始時，進氣門325關閉藉此防止尿素回流到罐觀0中， 且排氣門330開啟。排氣衝程強制尿素進入到傳輸線路四0內且該循環重複進行。泵305 的重複循環使得在傳輸線路四0內建立壓力370。當控制模塊205確定在傳輸線路290中的壓力370達到預定壓力時，控制模塊205 停止循環泵305。當排氣流通過計量模塊沈0時，噴射質量的尿素可通過計量模塊260直接噴灑到進入SCR 220或噴灑的排氣流中，以使用混合裝置270。控制信號350作為指令被定期地發送到計量模塊260以控制銷的位移，且因此在循環(例如，可以是0. 3秒長的循環，其中半個循環是0. 15秒)期間的有效小孔面積375專用於控制小孔面積375並且半個循環處於關閉狀態。由於傳輸線路壓力370是恆定的，計量模塊小孔面積375的控制確定傳輸到排氣流中的尿素質量。噴射尿素質量的精確量對於將排氣、尤其是NOx、排放物保持在可接受水平來說是重要的。通過藉由在動態建模方法中的積分估計相對噴射器小孔有效面積以基於有效噴射器小孔面積將所噴射的期望尿素的量與所噴射尿素的實際量比較，控制模塊205可計算後處理系統15是否過計量或欠計量。動態建模方法可通過下述方程確定噴射到排氣流中的指令尿素的量
權利要求
1.一種用於控制選擇性催化還原噴射系統的方法，所述選擇性催化還原噴射系統具有存儲罐、泵、傳輸線路和噴射噴嘴，所述方法包括監測選擇性催化還原噴射系統； 確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比； 將選擇性催化還原噴射系統有效面積比與閾值比較； 在越過所述閾值時計算補償因子；以及根據所計算的補償因子修正指令噴射質量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比包括監測實際噴射質量和指令噴射質量。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，實際噴射質量在動態建模方法中從所監測的參數計算。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，計算實際噴射質量包括積分所監測的參數以確定實際流量特性。
5.根據權利要求2所述的方法，其中，實際噴射質量在濾波方法中從所監測的參數計笪弁。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，濾波方法包括狀態方程以確定實際流量特性。
7.根據權利要求2所述的方法，其中，實際噴射質量在動態建模方法和濾波方法中從所監測的參數計算。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述閾值包括上閾值和下閾值中的一個。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，在越過所述閾值時計算補償因子包括確定溫度影響。
10.一種用於控制來自於選擇性催化還原噴射系統的流體噴射的方法，以在發動機操作期間實現請求流體流進入到內燃機的排氣流，所述方法包括監測選擇性催化還原噴射系統的操作參數，包括指令噴射質量和排氣流壓力； 確定實際噴射質量； 計算有效面積比；將有效面積比與期望有效面積比進行比較；以及修正噴射器控制信號以調節有效面積比從而匹配期望有效面積比。
全文摘要
一種用於控制選擇性催化還原噴射系統的方法，所述選擇性催化還原噴射系統具有存儲罐、泵、傳輸線路和噴射噴嘴，所述方法包括監測選擇性催化還原噴射系統；確定選擇性催化還原噴射系統有效面積比；將選擇性催化還原噴射系統有效面積比與閾值比較；在越過所述閾值時計算補償因子；以及根據所計算的補償因子修正指令噴射質量。
文檔編號F01N9/00GK102312707SQ20111018336
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月1日 優先權日2010年7月1日
發明者A. 加蒂 K., 孫 Y., 王 Y-Y. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司