CN101892892B - 利用发动机排出的碳氢化合物的用于汽油燃料火花点火发动机的NOx控制的碳氢化合物选择性催化还原 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用发动机排出的碳氢化合物的用于汽油燃料火花点火发动机的NOx控制的碳氢化合物选择性催化还原。一种用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：监测可测量变量项，这些项包括影响所述碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；基于可测量变量范围确定对所述可测量变量项的分类；基于所述分类确定期望碳氢化合物输送值范围；和利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述碳氢化合物输送。

Description

利用发动机排出的碳氢化合物的用于汽油燃料火花点火发动机的NOx控制的碳氢化合物选择性催化还原

技术领域

本发明涉及内燃机的废气后处理***。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本发明相关的背景信息且可能不构成现有技术。

在化学计量(即理想配比)的稀侧的条件下运行内燃机能提高燃料效率，但可能增加氮氧化物(NOx)排放。这样的发动机包括压缩点火发动机和稀燃火花点火发动机。后处理装置是已知的，例如，利用处理废气流的催化剂和能够存储一定量NOx的催化剂(NOx捕集器，NOx吸收器)。已经开发的发动机控制技术将这些NOx捕集器或NOx吸收器与燃料高效发动机控制策略结合以提高燃料效率并仍实现可接受的NOx排放水平。一个示例性的策略包括利用NOx捕集器存储稀燃料运行中的NOx排放物并且然后在富燃料、更高温度的发动机运行状况中用传统的三元催化剂将所存储NOx净化成氮气和水。然而，催化剂和NOx捕集器的有效运行都依赖于废气的性质。这些方法在温度和发动机范围方面是受限的。选择性催化还原装置(SCR)已知用于利用还原剂额外地处理废气流，这扩展了后处理***的后处理能力。

SCR的一个已知构造利用氨作为还原剂处理NOx，该氨来自尿素喷射或由三元催化装置的正常运行中回收。另一个已知构造利用了碳氢化合物选择性催化还原装置(HC-SCR)，其中未燃烧的碳氢化合物被用作还原剂来处理NOx，该碳氢化合物是喷射到废气流中的或从燃烧室携带来的。无论在哪种方法中，还原剂的准确配量对该装置的正确运行来说都是重要的。

发明内容

一种用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：监测可测量变量项，这些项包括影响该碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；基于可测量变量范围确定对该可测量变量项的分类；基于该分类确定期望碳氢化合物输送值范围；和利用该期望碳氢化合物输送值范围控制向该碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送。

本发明提供了以下技术方案：

方案1.一种用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：监测可测量变量项，这些项包括影响所述碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；基于可测量变量范围确定所述可测量变量项的分类；基于所述分类确定期望碳氢化合物输送值范围；和利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述碳氢化合物输送。

方案2.如方案1所述的方法，其中所述可测量变量范围都通过统计分析被标定，所述统计分析基于维持期望转化效率辨识所述期望碳氢化合物输送值范围中的相应趋势。

方案3.如方案1所述的方法，其中所述可测量变量项包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的废气的空间速度、和进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量。

方案4.如方案1所述的方法，其中所述可测量变量范围包括所述可测量变量项的每一个的高范围和低范围。

方案5.如方案1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置上游喷射燃料。

方案6.如方案1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射，以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案7.如方案6所述的方法，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括执行多重燃料喷射以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案8.如方案6所述的方法，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括调整燃料喷射正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案9.如方案1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括控制火花正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案10.如方案1所述的方法，其中向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述碳氢化合物输送是所述期望碳氢化合物输送值范围的最低值。

方案11.用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送的设备，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，所述设备包括：所述碳氢化合物选择性催化还原装置；燃料输送***，其控制输送到所述碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物的量；和控制模块，该控制模块监测可测量变量项，这些项包括影响所述碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；基于可测量变量范围确定所述可测量变量项的分类；基于所述分类确定所述期望碳氢化合物输送值范围；和利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述燃料输送***。

方案12.如方案11所述的设备，其中所述可测量变量范围都通过统计分析被标定，所述统计分析基于维持期望转化效率辨识所述期望碳氢化合物输送值范围中的相应趋势。

方案13.如方案11所述的设备，其中所述可测量变量项包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的废气的空间速度、和进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量。

方案14.如方案11所述的设备，其中所述可测量变量范围包括所述可测量变量项的每一个的高范围和低范围。

方案15.如方案11所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置上游喷射燃料。

方案16.如方案11所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射，以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案17.如方案16所述的设备，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括执行多重燃料喷射以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案18.如方案16所述的设备，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括调整燃料喷射正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案19.如方案11所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述碳氢化合物输送包括控制火花正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

方案20.如方案11所述的设备，其中向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述碳氢化合物输送是所述期望碳氢化合物输送值范围的最低值。

方案21.用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：

在示例性的碳氢化合物选择性催化还原装置中重复地测试可测量变量项，这些可测量变量项包括a)在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、b)进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、c)流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述废气的空间速度、和d)进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量；

在每次测试中监测期望在所述碳氢化合物选择性催化还原装置中出现的相应的碳氢化合物量；

通过随机分析确定所述可测量变量项中每一个的断点，所述断点描述期望相应于所述可测量变量项的变化而出现的所述碳氢化合物量的趋势变化；

利用所述断点为所述可测量变量项中每一个确定可测量变量范围；和

利用所述可测量变量范围基于所述可测量变量项的测量值控制在类似可操作的碳氢化合物选择性催化还原装置中的碳氢化合物输送。

附图说明

现在将参照附图通过举例的方式描述一个或更多实施例，其中：

图1是根据本发明的示例性发动机***的示意图；

图2示意性地图示了根据本发明的包括碳氢化合物配量模块的示例性后处理***；

图3用曲线图描绘了根据本发明的描述催化剂床温度与NOx转化效率的关系的示例性测试数据；

图4用曲线图描绘了根据本发明的描述空间速度与NOx转化效率的关系的示例性测试数据；

图5用曲线图描绘了根据本发明的描述存在分子氧与NOx转化效率的关系的示例性测试数据；

图6用曲线图描绘了根据本发明的描述存在的碳氢化合物和存在的NOx的比率与NOx转化效率的关系的示例性测试数据；

图7用曲线图描绘了根据本发明的描述针对多个不同碳氢化合物燃料的碳氢化合物和NOx的比率与NOx转化效率的关系的示例性测试数据；

图8-13示意性地图示了根据本发明的废气后处理***的额外示例性构造；

图14用曲线图描绘了根据本发明的后处理***的操作，其通过随机分析描述了对影响NOx转化效率的多个相互关联的变量的操作；

图15描绘了根据本发明的示例性查询表，该表描述了可测量的变量范围和相应的期望碳氢化合物排出值范围；和

图16示出了根据本发明的用于管理来自发动机的废气供给流的控制方案。

具体实施方式

现在参照附图，其中这些附图仅为图示特定示例性实施例的目的而并非是为了限定这些实施例，图1示意性地示出了已经根据本发明的实施例装配好的内燃机10、附属的控制模块5、和废气后处理***70。内燃机10可选择性地在多个燃烧模式下运行，这些模式包括受控自燃燃烧模式、均匀火花点火燃烧模式和分层进气火花点火燃烧模式。内燃机10选择性地以化学计量空/燃比和以主要地位于化学计量的稀侧的空/燃比运行。本发明可应用于各种内燃机***和燃烧循环。

示例性内燃机10包括多缸直喷四冲程内燃机，其具有在气缸15内可滑动移动的往复活塞14，气缸15限定体积可变的燃烧室16。每个活塞14连接到旋转曲轴12，通过旋转曲轴12，活塞14的线性往复运动转变为旋转运动。进气***将进气空气提供给进气歧管29，进气歧管29将空气导引并分配到通往每个燃烧室16的进气管中。进气***包括气流管道***和用于监测并控制空气流动的装置。进气装置优选地包括用于监测质量空气流量和进气空气温度的质量型空气流量传感器32。节气门34优选地包括电控装置，电控装置响应于来自控制模块5的控制信号(ETC)控制到达内燃机10的空气流量。歧管中的压力传感器36适于监测歧管的绝对压力和大气压力。外部流动通道使来自发动机废气口的废气再循环至进气歧管，该外部流动通道具有称之为废气再循环(EGR)阀38的流量控制阀。控制模块5可操作以通过控制EGR阀38的开度来控制进入进气歧管29的废气的质量流量。

从进气歧管29进入到每个燃烧室16中的空气流量由一个或多个进气门20控制。从每个燃烧室16进入废气歧管39的燃烧后气体的流量由一个或多个废气门18控制。进气门20和废气门18的打开和关闭优选地利用双凸轮轴(如图所示)来控制，双凸轮轴的旋转与曲轴12的旋转相联系并由曲轴12的旋转表征。内燃机10配备有用于控制进气门和废气门的气门升程的装置，称之为可变升程控制(后面称作VLC)装置。可变升程控制装置可操作以根据两个不同步级之一的控制气门升程或开度，这两个不同的步级例如是，用于低速、低负荷发动机运行的低升程气门开度(大约4-6mm)和用于高速、高负荷发动机运行的高升程气门开度(大约8-10mm)。内燃机还配备有用于控制进气门20和废气门18的打开和关闭的相位调节(即，相对正时)的装置，称之为可变凸轮相位调节(VCP)，用于控制超出由两步级VLC升程实现的相位调节以外的相位调节。有用于进气门20的VCP/VLC***22和用于发动机废气门18的VCP/VLC***24。VCP/VLC***22和24由控制模块5控制，并例如通过用于进气凸轮轴和废气凸轮轴的凸轮轴旋转位置传感器将信号反馈提供给控制模块5。

进气VCP/VLC***22和废气VCP/VLC***24在控制进气门18和废气门20的打开和关闭方面能力范围有限。VCP***可以具有大约60°-90°的凸轮轴旋转的相位调节能力范围，因而准许控制模块5提前或延迟进气门20和废气门18中的一个的打开和关闭。相位调节能力范围由VCP的硬件和致动VCP的控制***来定义和限制。可以使用由控制模块5控制的电液压控制力、液压控制力和电控制力来致动进气VCP/VLC***22和废气VCP/VLC***24。

内燃机10包括燃料喷射***，后者包括多个高压燃料喷射器28，每个高压燃料喷射器28均适于响应于来自控制模块5的信号将大量燃料直接喷射到一个燃烧室16中。从燃料分配***向燃料喷射器28提供增压燃料。

内燃机10包括火花点火***，火花点火***响应于来自控制模块5的信号(IGN)将火花能量提供给火花塞26，火花塞26用于用于点火或有助于点燃每个燃烧室16中的气缸充气。

内燃机10配备有各种感测装置，用于监测发动机运行，包括曲柄传感器42，其具有输出(RPM)并可操作以监测曲轴旋转位置，即曲柄角和速度，感测装置包括曲轴旋转速度传感器42、适于监测燃烧的燃烧传感器30和适于监测废气的废气传感器40，通常是空/燃比传感器。燃烧传感器30包括可操作以监测燃烧参数的状态的传感器装置，并示出为可操作以监测气缸内燃烧压力的气缸压力传感器。燃烧传感器30和曲柄传感器42的输出由控制模块5监测，控制模块5在每个燃烧周期内确定每个气缸15的燃烧相位，即相对于曲轴12的曲柄角的燃烧压力正时。燃烧传感器30还可以由控制模块5监测，从而在每个燃烧周期内确定每个气缸15的平均有效压力(IMEP)。优选地，使发动机10和控制模块5机械化从而在每个气缸发火事件期间监测并确定每个发动机气缸15的IMEP的状态。可选地，在本发明的范围内，可以使用其他感测装置来监测其他燃烧参数的状态，例如，离子传感点火***和非***式气缸压力传感器。

控制模块5执行存储在其中的算法代码，从而控制上述致动器，以控制发动机操作，包括节气门位置、火花正时、燃料喷射质量和正时、进气门和/排气门正时和相位，以及EGR阀位置以控制再循环废气的流量。气门正时和相位包括(在排气再吸入策略下的)排气门重新打开的负气门重叠(NVO)和升程。控制模块5适于从操作员接收输入信号(例如从油门踏板位置和制动踏板位置)，以确定操作员扭矩请求，并从传感器接收指示发动机速度、进气空气温度、冷却剂温度和其他环境条件的输入信号。

控制模块5优选为通用数字计算机，通用数字计算机通常包括微处理器或中央处理单元、存储介质、高速时钟、模数和数模电路、输入/输出电路和装置以及适当的信号调节和缓冲电路，存储介质包括非易失性存储器和随机存取存储器，非易失性存储器包括只读存储器和电可编程只读存储器。控制模块具有一组控制算法，包括存储在非易失性存储器中且被执行以提供期望功能的常驻程序指令和标定。算法优选地在预设的循环周期期间执行。算法由中央处理单元执行，并可操作以使用预设的标定来监测来自上述感测装置的输入并执行控制和诊断例程，以控制致动器的运行。循环周期可以在正在进行的发动机和车辆运行期间以规则的间隔例如每3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒执行。或者，算法可以响应于事件的发生而被执行。

在操作中，控制模块5监测来自上述传感器的输入从而确定发动机参数的状态。控制模块5执行存储在其中的算法代码以控制前述的制动器从而形成气缸充气，包括控制内燃机上配置的节气门位置、火花点火正时、燃料喷射质量和正时、EGR阀位置以控制再循环废气的流量、以及进气门和/或排气门正时和相位。控制模块5可操作以在正在进行的车辆操作期间使内燃机起动和关闭，并可操作以通过控制燃料和火花和气门的停用来选择性地停用燃烧室的一部分或气门的一部分。

后处理***70流体地连接到废气歧管39并且与控制模块5信号通信地连接且可操作地连接。示例性的后处理***70包括HC-SCR装置。排气后处理***70可包括催化剂装置和/或捕集装置的组合，其可操作以氧化、吸收、释放、还原和燃烧废气供给流的成分。催化剂装置可包括一个或多个三元催化剂转化器(TWC)和SCR装置。捕集装置可包括一个或多个在催化剂装置的下游的NOx吸收器(LNT)装置。

示例性的HC-SCR催化剂可包括氧化铝催化剂、银-氧化铝(Ag/Al₂O₃)催化剂、钡-和钠-氧化钇沸石催化剂、离子交换基金属沸石催化剂(例如，Cu-ZSM5)和铂族金属催化剂(例如，Pt/Al₂O₃)。在一个实施例中，包括银基催化剂的HC-SCR装置含有以氧化铝为载体的在2和3重量％之间的Ag₂O。将所选的HC-SCR催化剂与合适的载体涂料混合以浸渍在具有流通特点(例如，蜂巢构造)的陶瓷或金属基质上。基质包括由具有约62-96孔/平方厘米(400-600孔/平方英寸)的孔密度和约3到7密耳壁厚的堇青石形成的陶瓷或金属整料。基质的孔包括流动通道，废气流过这些流动通道而接触催化活性材料。浸渍后的基质组装在具有入口和出口的不锈钢金属组件中，从而形成HC-SCR装置。HC-SCR装置具有适应其所应用的特定发动机和车辆的物理特点，包括大小、体积、空间速度和流动限制。本领域技术人员应当理解，根据下面的等式描述的过程，HC-SCR装置在富氧条件下还原NOx排放物。

HC+O₂+NO_x→N₂+CO₂+H₂O           [1]

图2示意性地图示了根据本发明的包括HC-SCR装置构造的示例性后处理***。后处理***70包括TWC48、HC-SCR装置60、上游NOx传感器50、上游氧传感器66、下游NOx传感器52、SCR催化剂温度传感器65，和燃料配量模块61并且后处理***70与控制模块5联通。如本领域已知的，TWC48执行数个为对废气流的后处理所必需的催化功能。HC-SCR装置60利用燃料作为反应剂来将NOx还原成无污染分子。上游NOx传感器50检测并确定进入后处理***70的废气流中的NOx的量。虽然上游NOx传感器50图示为用于确定进入后处理***的NOx的量的示例性装置，但应当理解的是，也可以用其它装置，例如通过位于TWC48和HC-SCR装置60之间的NOx传感器，确定进入***的NOx的量从而用于评估HC-SCR中的转化效率。根据示例性实施例本发明，总体讨论了描述进入后处理***的NOx的传感器输入，但应当理解的是，根据上游传感器的设置，输入可实际上描述进入后处理***的一部分的NOx含量。HC-SCR装置60通过本领域已知的方法利用碳氢化合物将NOx转化成无污染的分子。温度传感器65被描述成位于HC-SCR装置60内以提供该装置内的催化剂床的温度，即催化剂床温度。应当理解的是，后处理***70中其它位置上的温度传感器，结合指示该装置中的热传导和该装置内发生的反应的其它度量，可被用于估计催化剂的最终温度。燃料配量模块61被描述成在HC-SCR装置60上游的位置上。直接将燃料喷射到进入HC-SCR装置60的废气流中。然而，所描述的优选方法利用了混合器装置62。燃料配量模块61将燃料喷射到混合器装置62上，然后废气流携带该燃料并将其基本均匀地分布到HC-SCR装置60内部上的催化剂表面上。燃料配量模块61是用于将碳氢化合物输送动后处理***的示例性装置。然而，本领域技术人员应当理解，可以采用燃料输送***的许多实施例以将碳氢化合物输送到废气供给流。在另一示例性实施例中，可调整燃烧循环参数以在废气流中产生更多的未燃烧碳氢化合物。下游NOx传感器52检测并确定离开后处理***70的废气流中的NOx的量。控制模块5包括为处理与后处理***70相关的输入所要求的程序并控制在***中的NOx处理中的参数。

通过将NOx传感器放置在后处理装置的之前和之后，可估计装置在转化NOx方面的效率。上面所描述的示例性后处理***描述在所分析的后处理装置的上游测得的废气流的测量NOx含量或估计NOx含量。可以将对进入后处理***的NOx的在任何时间的测量描述为x(t)。

上面所描述的示例性后处理***描述了在所分析的后处理装置的下游测得的废气流的测量NOx含量或估计NOx含量。可以将对离开后处理***的NOx的在任何时间的测量描述为y(t)。下式给出了在任何给定时间的转化效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ACTUAL}}\left(t\right)=1-\frac{y\left(t\right)}{x\left(t\right)}---\left[2\right]$

应当理解的是，该等式提供了在任意瞬时的转化效率。这样的瞬时测量或计算容易产生基于信号噪声的误差。应用低通滤波器的方法是本领域已知的。对x(t)或y(t)的积分分别获得描述在一时间段上的进入或离开后处理***的实际NOx的量。过滤了x(t)和y(t)中的异常测量值的用于确定积分转化效率的示例性等式可描述如下：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ACTUAL}}=1-\frac{\∫y\left(t\right)*\mathrm{dt}}{\∫x\left(t\right)*\mathrm{dt}}---\left[3\right]$

以这种方法，进入和离开后处理***的NOx的测量值或估计值可用于确定后处理***70的估计的实际转化效率或计算的实际转化效率。

示例性内燃机10能在化学计量关系、化学计量的稀侧和化学计量的浓侧运行。在内燃机运行过程中，内燃机10产生包含固定组成成分的废气供给流，该废气供给流将被后处理***转化，该废气流包括碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和微粒物质(PM)，和其它。以化学计量的浓侧和稀侧运行内燃机10产生变化的组成成分的比例。

以化学计量的浓侧运行内燃机10可包括在每个压缩冲程过程中向燃烧室16内喷射第一燃料脉动。基于为运行示例性内燃机10以满足操作者扭矩要求和其它载荷要求的足够的量来确定在第一燃料脉动过程中喷射的燃料质量。在燃烧循环过程中可向燃烧室16接着喷射一个或多个燃料脉动，从而产生具有为化学计量的浓侧的空/燃比的废气流，使得能在废气流中获得的HC被用作还原剂。替代地或额外地，如图2所示，为类似地效果用燃料配量模块61将燃料直接喷入废气流，使HC可利用作为还原剂。另一实施例包括调整火花正时或燃料喷射正时以实现燃烧室16内的局部燃烧。局部燃烧使得能在废气流中获得HC，借此产生具有为化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

HC-SCR装置60的运行依靠由该装置内的催化剂促进的反应。该反应的转化效率依赖于多个变量。例如，该装置内的温度必须在使该反应发生的可操作范围内，并且在可操作范围内的温度可使该反应的效率更高或更低。类似地，气体移动通过该装置的空间速度影响该反应的效率。更高的空间速度降低了废气可操作地接近催化剂的时间，通常空间速度越高效率越低。另外，本领域技术人员应当理解的是，该反应的高效运行要求存在对该反应来说适当量的成分物质。

可以示出测试结果以描述包括上述变量在内的各种变量与转化效率的关系。图3用曲线图描绘了根据本发明的描述催化剂床温度与NOx转化效率之间的关系的示例性测试数据。温度由位于距离HC-SCR装置60中的催化剂的前面2.5cm的传感器监测。如在100秒和200秒之间、在800秒和900秒之间和在900秒和1000秒之间所能明显看出的，SCR温度的升高对应于转化效率的急剧下降，该转化效率的急剧下降例如由耗尽来自HC-SCR装置60的还原剂的高温废气引起。转化效率也受燃烧模式转变影响。例如，转变到均匀化学计量发动机运行降低了用于转化的可利用的氧，因此转化效率降低。

图4用曲线图描绘了根据本发明的描述空间速度与NOx转化效率的关系的示例性测试数据。如本领域技术人员所认识的，可以基于所监测的进入内燃机10的进气空气质量确定后处理***中的空间速度。如上所述，描述废气流移动通过该装置的速度的空间速度直接影响NOx转化效率。废气在催化剂区域要求一定时间用于使还原反应发生。即使在该装置中的其它条件都是理想的情况下，过快地迫使废气通过该装置也将不能与催化剂充分相互作用以进行期望的反应。如图4的数据所描述的，超过某一阈值的空间速度可直接与NOx转化效率的急剧下降相关。

图5用曲线图描绘了根据本发明的分子氧的存在与NOx转化效率的关系的示例性测试数据。如上所述，该反应所要求的物质必须是足量的才能实现高的NOx转化效率。如图5所示，氧的存在度的显著降低导致NOx转化效率的降低。同样地，要求存在足量的还原剂。

图6用曲线图描绘了根据本发明的存在的碳氢化合物和存在的NOx之间的比率与NOx转化效率的关系的示例性测试数据。如上所述，反应所要求的物质必须是足量的才能实现高的NOx转化效率。如图6中所示，该比率的显著降低导致NOx转化效率的降低。

图7用曲线图描绘了根据本发明的描述对于数个不同碳氢化合物燃料来说的碳氢化合物与NOx之间的比率与NOx转化效率的关系的示例性测试数据。示例性测试包括稳态时在多个发动机速度和发动机负荷点处对稀燃火花点火直喷测试构造的测试。测试构造包括还原剂喷射***，该***被构造成向废气供给流中喷射可控的还原剂量。图示了E85、变性乙醇和汽油的测试结果。当该比率低于某一值时，每种燃料都显示了NOx转化效率的急剧降低。如图7所示，还原剂与NOx比率的越高，转化效率增加的越少。

图8-13示意性地图示了根据本发明的后处理***70能采用的多个示例性构造。图8示意性地图示了废气后处理***70的一种构造，后处理***70具有流体连接到废气歧管39且流体连接在TWC48上游的HC-SCR装置60。

图9示意性地图示了废气后处理***70的第二种构造，后处理***70包括流体连接到废气歧管39的第一TWC48，包括旁通管51和旁通阀49。HC-SCR装置60流体连接在TWC48的下游和第二TWC48’的上游。本领域技术人员应当理解的是，作为选择，旁通阀49可连接在第一TWC48的上游以控制通过第一TWC48的废气供给流或者通过旁通管51将废气供给流绕过第一TWC48转向。

图10示意性地图示了废气后处理***70的第三构造，该第三构造包括在废气后处理***70的第二构造的基础上还包括位于第二TWC48’下游的LNT装置69。

图11示意性地图示了废气后处理***70的第四构造，第四构造包括在废气后处理***70的第三构造基础上还包括位于旁通管51上的热交换器68。

图12示意性地图示了废气后处理***70的第五构造，该第五构造包括在排气后处理***70的第一构造的基础上还包括流体连接到废气歧管39的旁通管51和旁通阀49。本领域技术人员应当理解的是，作为选择，旁通阀49可连接到HC-SCR装置60的上游以控制通过HC-SCR装置60的废气供给流或通过旁通管51将废气供给流转向绕过HC-SCR装置60。

图13示意性地图示了废气后处理***70的第六构造，该第六构造包括在废气后处理***70的第五构造的基础上还包括位于HC-SCR装置60上游的热交换器68。

如上所述，多个因素影响将NOx转化成其它物质的HC-SCR的NOx转化效率。为最优化转化或实现足够高效的转化所需要的因素的其中一个是向HC-SCR装置输送适当量的碳氢化合物，该碳氢化合物可以是作为发动机排出排放物的废气流的成分或可以由该后处理***中的燃料喷射装置通过主动配量提供。对碳氢化合物输送的控制需要对运行期望的反应所要求的碳氢化合物的适当量进行估计。输送的碳氢化合物太少，会使得期望的反应缺料，导致该装置的NOx转化效率降低。输送的碳氢化合物太多会浪费燃料并在某种条件下也能导致降低的NOx转化效率。

可以利用在HC-SCR装置内发生的反应过程的计算机处理模型来实时控制碳氢化合物输送，该模型包括实时输入影响在装置内NOx转化效率的所有关键因素和在适当的处理器上运行。然而，与运行如此复杂的模型、实时预测燃烧室或后处理***中的燃料喷射量相关的计算负载可能不是令人满意的。但是，已知的是用统计建模的方法根据***运行的总分类来估计***的行为。通过对示例性***运行的标定或分析，可以基于对所监测的***输入的快速分类或归类进行对***运行的统计预测。这样的预测结果可被用于限制受控变量或将实时计算针对在控制该变量方面特别有用的输入，而不需要利用完整的计算模型。公开了一种用于对向碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送进行控制的方法，其中实时监测操作输入，根据标定的统计过程模型将这些输入分类以预测期望的碳氢化合物输送。

通过识别严重影响HC-SCR装置的NOx转化效率的变量，可在包括示例性HC-SCR装置的示例性实验***上测试这些变量以统计预测类似可操作的***的运行。例如，如上所述，在示例性***测试中已经将催化剂床温度、装置内的空间速度和适当量分子氧、NOx及碳氢化合物的存在度确认为控制变量，该示例性***利用银基催化剂用汽油作为还原剂还原NOx。这些控制变量联合影响该模型的输出，即NOx转化效率。催化剂床温度、空间速度、和氧及NOx的存在度是所公开的统计模型的预测输入。该模型的输出，即NOx转化效率，是通过该模型要优化的量。优化对任何可选择输入的变化以尽可能实现最高的输出或NOx转化效率。其余的变量，即碳氢化合物的存在度或向HC-SCR装置60的碳氢化合物输送，是这样的量：通过对统计模型的操作选择上述量以实现期望的NOx转化效率。该变量，即对要向HC-SCR输送的碳氢化合物的输送，将被输出为一个可能产生期望的转化效率的值的范围且该范围可被描述为期望碳氢化合物输送值范围。

公开了通过统计模型选择期望碳氢化合物输送值范围的示例性方法。图14示意性地描述了根据本发明的根据统计分析，尤其是通过随机分析，绘制的示例性测试值。随机分析是本领域已知的方法，其中用测试值和预计值绘制某一项的变化性，并且在95％确定性范围内绘制对于该项的变化的后续重复操作中的输出。在该具体曲线图中，以单个的较大曲线图的形式绘制对于被测控制变量的随机曲线图，这些曲线图图示了不同变量对最终单个NOx转化效率的用统计方法预测的影响，该单个NOx转化效率在曲线图上由水平线描述。绘制了针对催化剂床温度、空间速度、和氧、NOx及碳氢化合物的存在度的值的范围。用竖直线描绘当前操作点出的每个变量值。保持任何其它变量稳定，可以预测针对单个变量的NOx转化效率的结果值。为每个变量预测中心线预测和95％带。中心线的形式描述了数据是通过实验方法测得的(实线)还是基于实验测试的区域预测的(点划线)。例如给定曲线图中所表示的当前O₂浓度并保持所有其它变量稳定，O₂浓度的降低会可预测地产生NOx转化效率的降低。

如用图14所描述的随机分析提供了预测地描述HC-SCR装置运行的能力，该分析利用一组可测量变量来预测单个输入变量的最优输送以实现最大NOx转化效率。在图14的示例中，要求接近100％的转化效率并测量对所描述值来说的其它变量，由于引入的HC导致而C1或碳存在度的最佳范围可被选择为约在5000和12000ppm之间。通过相对于碳氢化合物输送的期望范围绘制可测量变量的变化范围，可通过重复的方式预测上述结果。通过汇集通过选择的运行范围得到的上述结果，可将期望的碳氢化合物输送值范围用于控制向HC-SCR60的HC引入，从而实现期望的NOx转化效率。

如上所述，引入要被喷射的特定量HC的燃烧控制或向HC-SCR60引入特定量HC的HC喷射控制都是实时计算，要求在测量和期望HC项的输出之间的短延迟时间。然而，提取影响NOx转化效率的变量的值并且通过计算机模型实时地产生期望HC数量的计算机模型运行的计算代价过大。作为替代可使用随机分析的分析来描述可测量输入值的范围的特征，这些范围建立期望碳氢化合物输送值的可预测特性。分析HC-SCR运行的随机预测的示例性方法包括每次在值范围上调整一个可测量变量项，检查每次重复对期望碳氢化合物输送值的影响，和识别数据的断点，其中可测量变量项中在断点以上的值导致在一个范围内的期望碳氢化合物输送值，而可测量变量项中在断点以下的值导致在一个不同范围内的期望碳氢化合物输送值。然后该断点可被用于限定可测量变量范围。例如，可用识别的断点将空间速度分类成高范围和低范围，其中在每个范围内的测得空间速度值都能被用于预测相应的期望碳氢化合物输送值范围的特性。通过特征化那些被确认为对转化效率影响最大的因素的可测量变量项并将其分类成可测量变量范围，对可测量变量项的操作测量可被用于统计地预测期望碳氢化合物输送值范围。

上述过程可用于描述与一个项的变化对应的期望碳氢化合物输送值范围。然而，多个项都可被确认为HC-SCR运行的影响因素并且都可被追踪为可测量变量项。对可测量变量项的每一个的重复分析和这些项的每一个中所识别的断点都可被用于描述不同项的相互依赖性。例如，如果O₂浓度是在低范围内而空间速度也在低范围内，那么可以预测期望碳氢化合物输送值在第一范围内。然而，如果相反空间速度在其高范围内，那么可以预测期望碳氢化合物输送值在第二范围内。以这种方法，能对那些被确认为对HC-SCR运行影响最大的因素的多个可测量变量项的变化进行绘图或制图，使得对这些可测量变量项的实时测量的分类可被用于基于这些可测量变量项的相互依赖性预测期望碳氢化合物输送值范围。

可测量变量范围可以是固定范围，在所有比较过程中所识别的断点保持为单个值。本实施例具有简单的优点，其中将实时测量结果分类成可测量变量范围可以并行地进行。在另一种情况中，如果一个可测量变量项的断点依赖于另一项的值或对另一项的值敏感，那么该有依赖性的项的特定范围可根据第一、独立项的测量而确定。

如上所述，可用识别的断点将可测量变量项分成可测量变量范围。如上所述，这些范围可以将可测量变量项的可能值分成包括高范围和低范围的两个范围。可替换地，基于数据的特性或对期望碳氢化合物输送值范围的更细分辨率的要求，可以在数据中识别多个断点。例如，空间速度可被分成三个范围而温度可被分成四个。应当理解的是，范围数量的每一次增加都产生更多个待标定和待追踪的可测量变量范围组合。可以根据可测量变量范围监测并分类可测量变量项的实时测量结果。

图15描绘了根据本发明的描述可测量变量范围和相应的期望碳氢化合物输送值范围的示例性查询表。该示例性查询表包括以列布置的四类可测量变量项和另外一列的期望碳氢化合物输送值范围(还原剂/NOx)。可测量变量项的分类对应于上述的可测量变量范围。在该示例性查询表中，每一类可测量变量项由高范围和低范围表示。基于如本文上述的可测量变量范围确定可测量变量项的分类。这些类可测量变量项的每一行对应一个期望碳氢化合物输送值范围。每一行包括这些可测量变量项的每一个的分类并且每一行包括一组不同的这些可测量变量项的分类。催化剂床温度项(T)表示在第一列内。进入后处理***70的NOx分子由第二列中的NOx分子项表示。空间速度项(SV)表示在第三列中。废气供给流中存在的氧分子(O₂)由第四列中的氧分子项表示。每一行的期望碳氢化合物输送值范围表示在第五列中。

图15描述了查询表，用于所描述方法的标定值可被记录在该查询表中并且能用于查询。应当理解的是，可以将多个查询表用于各种运行范围。而且，应当理解的是，各种范围的特性和所得到的输出值都可用编程关系或函数关系取得并被利用，而无需查询表。能想像利用所公开的方法的许多过程实施例，而本发明并不意在受限于本文描述的具体实施例。

在一个实施例中，可测量变量项被分成两个可测量变量范围。催化剂床温度项的第一可测量变量范围包括在0℃和290℃之间的温度。催化剂床温度项的第二可测量变量范围包括在290℃和更高温度之间的温度。NOx分子项的第一可测量变量范围包括废气供给流中的在0和300ppm之间的NOx分子。NOx分子项的第二可测量变量范围包括在300ppm和更高值之间的NOx分子。空间速度项的第一可测量变量范围包括0和8000/hr之间。空间速度项的第二可测量变量范围包括在8000/hr和更高值之间。氧分子项的第一可测量变量范围包括废气供给流中的在0％和11％之间的氧浓度。氧分子项的第二可测量变量范围包括在11％和100％之间的氧浓度。

图16示出了根据本发明的用于在正在进行的发动机运行期间管理来自内燃机10的废气供给流的控制方案300。图16中图示了控制方案300，并且在本文中控制方案300被描述为包括独立的要素。这样的图示是为了容易描述且应当认识到的是，由这些要素执行的功能可被结合在一个或多个装置中，例如由软件、硬件和/或专用集成电路实施。例如，控制方案300可作为控制模块5中的一个或多个算法而被执行。控制方案300包括在框303中监测可测量变量项。如本文以上所述，可测量变量项包括催化剂床温度、空间速度、废气供给流中出现的氧分子、和废气供给流中出现的NOx分子。

控制方案300还包括确定可测量变量项在可测量变量范围内的分类，根据框306、309、312和315中的断点通过统计分析对这些可测量变量范围进行标定。

在选择可测量变量项中每一个的分类后，控制方案300在框318内确定期望碳氢化合物输送值范围。基于可测量变量项的分类确定期望碳氢化合物输送值范围。期望碳氢化合物输送值范围是相应于可测量变量项中每一个的分类的预定值范围。在一个实施例中，通过在查询表中定位可测量变量项的分类来确定期望碳氢化合物输送值范围。期望碳氢化合物输送值范围是与可测量变量项的分类相关的值范围。例如，例如图15中描述的示例性查询表，催化剂床温度项的低分类、空间速度项的低分类、氧分子项的低分类、和NOx分子项的低分类相应于29到88的期望C1/NOx比率碳氢化合物值范围。

在确定期望C1/NOx比率碳氢化合物值范围后，控制方案300在框321中确定在向HC-SCR装置60输送碳氢化合物的这一范围内的燃料量。上述方法描述了确定期望的碳氢化合物输送值范围，该范围描述了在相关的HC-SCR内可以实现期望的NOx转化效率的范围。该范围内的值可通过实验、经验获得，或通过建模或适于准确地预测HC-SCR运行和HC输送对其它受影响***的作用的其它技术来预测，并且同一***对于不同设置、条件或运行范围可以采用多个标定曲线。为了最大化燃料效率，一个示例性标准可以包括选择期望碳氢化合物输送值范围中的最小的HC值。根据本领域已知的方法，可以附加地或替换地应用其它标准。在确定用于碳氢化合物输送的燃料量后，控制方案300可实现对HC-SCR装置60的碳氢化合物输送。如上所述，向HC-SCR装置60的碳氢化合物输送可由向燃烧室内喷射和/或向废气流内喷射来实现。

上述方法描述了手动标定过程，其中示例性测试***用于通过可测量变量项中每一个的变化来评估运行。然后所得的可测量变量范围被用作在使用类似可操作的HC-SCR装置的***中的预设范围。然而，应当理解的是，通过自适应***，诸如采用机器学习算法或模糊逻辑的***，***可被构造成测试可测量变量范围和相应的期望碳氢化合物输送值范围并使这些范围适应车辆的运行，包括由NOx传感器或其它评估NOx转化效率的方法确定的特定HC-SCR运行且包括补偿老化效应或损坏的***部件。

本发明描述了一些优选实施例和对这些实施例的变型。通过阅读和理解说明书，可以对其它实施例进行进一步的变型和修改。因此，本意是本发明并不限定于以被认为是执行本发明的最优模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置输送碳氢化合物的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：

监测可测量变量项，这些项包括影响所述碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；所述可测量变量项包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的废气的空间速度和进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量；

基于可测量变量范围确定所述可测量变量项的分类；

基于所述分类确定期望碳氢化合物输送值范围；和

利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述可测量变量范围都通过统计分析被标定，所述统计分析基于维持期望转化效率辨识所述期望碳氢化合物输送值范围中的相应趋势。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述可测量变量范围包括所述可测量变量项的每一个的高范围和低范围。

4.如权利要求1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置上游喷射燃料。

5.如权利要求1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射，以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

6.如权利要求5所述的方法，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括执行多重燃料喷射以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

7.如权利要求5所述的方法，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括调整燃料喷射正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

8.如权利要求1所述的方法，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括控制火花正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

9.如权利要求1所述的方法，其中向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送是所述期望碳氢化合物输送值范围的最低值。

10.用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置输送碳氢化合物的设备，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，所述设备包括：

所述碳氢化合物选择性催化还原装置；

燃料输送***，其控制输送到所述碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物的量；和

控制模块

该控制模块监测可测量变量项，这些项包括影响所述碳氢化合物选择性催化还原装置中转化效率的因素；所述可测量变量项包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的废气的空间速度和进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量；

基于可测量变量范围确定所述可测量变量项的分类；

基于所述分类确定期望碳氢化合物输送值范围；和

利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制所述燃料输送***。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述可测量变量范围都通过统计分析被标定，所述统计分析基于维持期望转化效率辨识所述期望碳氢化合物输送值范围中的相应趋势。

12.如权利要求10所述的设备，其中所述可测量变量范围包括所述可测量变量项的每一个的高范围和低范围。

13.如权利要求10所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括在所述碳氢化合物选择性催化还原装置上游喷射燃料。

14.如权利要求10所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射，以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

15.如权利要求14所述的设备，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括执行多重燃料喷射以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

16.如权利要求14所述的设备，其中控制向所述内燃机燃烧室内的燃料喷射包括调整燃料喷射正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

17.如权利要求10所述的设备，其中利用所述期望碳氢化合物输送值范围控制碳氢化合物输送包括控制火花正时以产生具有化学计量的浓侧的空/燃比的废气流。

18.如权利要求10所述的设备，其中向所述碳氢化合物选择性催化还原装置的碳氢化合物输送是所述期望碳氢化合物输送值范围的最低值。

19.用于控制向碳氢化合物选择性催化还原装置输送碳氢化合物的方法，该装置构造成接收来自内燃机的废气流，该方法包括：

在示例性的碳氢化合物选择性催化还原装置中重复地测试可测量变量项，这些可测量变量项包括a)在所述碳氢化合物选择性催化还原装置内的催化剂的温度、b)进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的NOx量、c)流过所述碳氢化合物选择性催化还原装置的所述废气的空间速度和d)进入所述碳氢化合物选择性催化还原装置的分子氧的量；

在每次测试中监测期望在所述碳氢化合物选择性催化还原装置中出现的相应的碳氢化合物量；

通过随机分析确定所述可测量变量项中每一个的断点，所述断点描述期望相应于所述可测量变量项的变化而出现的所述碳氢化合物量的趋势变化；

利用所述断点为所述可测量变量项中每一个确定可测量变量范围；和

利用所述可测量变量范围基于所述可测量变量项的测量值控制在可操作的碳氢化合物选择性催化还原装置中的碳氢化合物输送。

Images