CN104126060A - 用于计算选择性还原催化剂的入口处no2含量的方法以及用于实施此方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于计算在排气***（4）的选择性催化还原-SCR-装置（22）的入口处的NO₂的含量的方法，所述排气***（4）具有：排气管道（10）；用于还原剂的容器和喷射装置（18）；第一传感器（20），其用来测量在SCR的上游的氮氧化物的浓度，以及第二传感器（24），其用来测量在SCR的下游的氮氧化物的浓度。其包含下列阶段：停止还原剂的喷射；测量在一定时间周期内SCR的上游和下游的氮氧化物的浓度，计算在所述时间周期内在SCR中所累积的NO₂的量，以及从计算的每时间单位累积的NO₂的量确定SCR的上游的NO₂的含量。

Description

用于计算选择性还原催化剂的入口处NO2含量的方法以及用于实施此方法的装置

技术领域

本发明涉及在选择性催化还原装置的入口处NO₂的含量的计算方法以及还涉及用于实施此方法的装置。

本发明的应用领域为机动车辆中的排气的处理，以及更确切地指排气中的氮氧化物的还原。此处涉及的发动机主要是柴油类型发动机，但是也涉及强制点火发动机。

背景技术

不同的装置能够被应用在内燃发动机（柴油或强制点火的）的排气管线中用于限制在排气管线出口的污染物的量。至于发动机本身，其可存在用于排气再循环的***。例如，根据排气被抽取的位置可发现低压和/或高压排气的再循环。

在合适的排气管线上，一个或多个下列装置可被发现：氧化催化转化器、颗粒过滤器和/或选择性催化还原装置。

发明内容

本发明涉及包括选择性催化还原装置的排气管线。此类装置的运转是通过使用氨作为还原剂。氨或包含氨或其衍生物中的一种的溶液的容器由此与排气管线相结合，以及喷射装置允许注入氨或等效物，使其进入在选择性催化还原装置的上游的排气管线中。所使用的能够用于允许氮氧化物的还原的液体可以是例如尿素，其因此在选择性催化还原装置中通过水解作用被吸收以便于生产氨。

选择性催化还原装置，在后文被称作SCR（选择性催化还原）转化器，具有的效率与所述SCR转化器内的氮氧化物被还原成氮气（N₂）的含量相对应。

SCR转化器的效率取决于多个参数。其当然取决于引入***的氨或其等效物的量。其也取决于排气的流量，其直接影响排气在SCR转化器内的停留时间。排气的温度也影响SCR转化器的效率。

在SCR转化器的入口处，发现氮氧化物主要由一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）组成。NO的还原和NO₂的还原不是在同样的条件下最优。因此，在SCR转化器的入口处的排气中NO和NO₂的比例也影响其效率。

排气中存在的不同的氮氧化物的比例很难确定。目前已知的传感器只能够确定存在于排气中的氮氧化物（NO_x）的含量。NO₂在排气中的比例能够作为在发动机中测量的不同的参数的函数而被估算，以及尤其涉及在发动机中的燃烧条件。因此表使得能够估算在排气中的NO₂的含量。

本发明最初的想法在于实现用于估算在SCR转化器的入口处的NO₂的含量的计算，以便于能够更好地限定其效率，以及通过例如调节被注入SCR转化器上游的氨（或尿素或其它）的量而使其优化。

由此，本发明的目的因此在于提供确定在选择性催化还原装置（SCR转化器）的入口处的NO₂的含量的方法并且还提供实施该方法的装备，尤其是为了限制在此类催化装置的出口的污染物排放。

有利地，根据本发明的方法将仅使用传感器和其它的已经存在于发动机内和排气管线内的装置以执行NO₂的含量的计算。

为了实现此目标，本发明提出了在内燃发动机的排气***的选择性催化还原装置的入口处的二氧化氮（NO₂）的含量的计算方法，所述排气***包括：

排气管道，

在选择性催化还原装置的上游，用于还原剂的容器和用于将还原剂喷射入排气管道的装置，

第一传感器，其用来测量在选择性催化还原装置上游的排气管道内存在的氮氧化物的浓度，以及

第二传感器，其用来测量在选择性催化还原装置下游的排气管道内存在的氮氧化物的浓度。

根据本发明，所述方法包括下列阶段：

停止还原剂进入排气管道中的喷射，

测量在一段时间期间存在于选择性催化还原装置的上游和下游的排气管道中的氮氧化物的浓度，

通过所测量的在选择性催化还原装置的上游和下游的氮氧化物的浓度的变化，计算在所述一段时间期间累积在选择性催化还原装置内的二氧化氮（NO₂）的量，以及

通过计算的每时间单位累积的二氧化氮（NO₂）的量，确定选择性催化还原装置的上游的二氧化氮（NO₂）的含量。

因此本方法使得能够时常计算在预定条件下的二氧化氮（NO₂）的浓度。此计算使得知道此浓度的值，该值对于确定选择性催化还原装置的效率以及由此也确定以被注入的还原剂的量以便于限制气体污染物的排放是重要的。

为了得到更可靠的计算结果，优选的是当相应的发动机在其稳定运转的条件下时实施根据本发明的方法。

为了确保选择性催化还原装置继续累积二氧化氮的颗粒，可以计划周期时间，在此周期时间内，用于确定二氧化氮（NO₂）的含量的氮氧化物的浓度的测量被实施以被限制，使得在此测量周期的结束时，在下游的氮氧化物的浓度小于在上游的氮氧化物的浓度。

为了累积的二氧化氮（NO₂）量的计算和二氧化氮（NO₂）含量的确定，本发明的一个实施例提供在选择性催化还原装置的上游和下游的氮氧化物的浓度的差值作为时间的函数被计算，然后对此差值作为时间的函数积分，以便于最后除以所考虑的周期时间的长度所得到的值。此处假设所有的颗粒或至少其中绝大部分的二氧化氮在实施测量期间是贮存在选择性催化还原装置中。在此情形下，根据用来确定氮氧化物的浓度的所使用的传感器的性质，可取的是在第一传感器和第二传感器给出的测量结果上应用修正系数以计算累积的二氧化氮（NO₂）的量。这是因为传感器通常检测的是一氧化氮和二氧化氮两者，但是以不同方式，结果可取的是在测量结果上应用修正系数以便于获得二氧化氮（NO₂）和/或一氧化氮（NO）以ppm（百万分率）为单位的浓度。

本发明也提出了在具有选择性催化还原装置的排气***中的排气的污染控制的管理方法，其中所述选择性催化还原装置的效率通过测量和/或计算和/或估算的参数而被计算，所述参数中一个是二氧化氮在选择性催化还原装置的上游的浓度，值得注意的是此方法通过实施上述的方法能够计算在选择性催化还原装置的入口处的二氧化氮（NO₂）的含量。

在此类方法中，此外可以提供，借助于存储在存储器中的表估算在选择性催化还原装置的入口处的二氧化氮（NO₂）的含量的阶段，按如上所述的计算的二氧化氮（NO₂）的含量与借助于存储在存储器中的表所估算的含量相比较的阶段，以及在表中存储的值作为通过上述计算方法计算得到的含量的函数被更新的阶段。

本发明也涉及内燃发动机的数字控制单元，尤其在于其包括用于实施上述的计算方法的每个阶段的所需的装置，以及也在于内燃发动机的数字控制单元，尤其在于其包括用于实施上述的污染控制***的管理方法的每个阶段的所需的装置。

最后，本发明也涉及内燃发动机，其包括带有燃烧室的发动机缸体和排气***，该排气***包括：

排气管道，

在选择性催化还原装置的上游，用于还原剂的容器和用于将还原剂注入排气管道的装置，

第一传感器，用来测量在选择性催化还原装置的上游的排气管道内存在的氮氧化物的浓度，以及

第二传感器，用来测量在选择性催化还原装置的下游的排气管道内存在的氮氧化物的浓度。

所述发动机是显著的在于其额外地包括根据本发明的数字控制单元。

附图说明

本发明的细节和优势在阅读说明书时将显现出来，其后是本发明的至少一个优选实施例，作为非限制性的说明给定，说明书是参照示意性的附图，其中：

图1图示性地显示用于实施本发明的发动机以及其排气管线，以及

图2示出了曲线，其显示在选择性催化还原装置的入口和出口处氮氧化物的含量。

具体实施方式

图1显示的内燃热发动机包括发动机缸体2，排气***4从其开始延伸，所述发动机通过数字控制单元被管理，随后被称作ECU（发动机控制单元）6。

本发明更确切地涉及已经在此图1中更详细示出的排气***4。然而，本发明也能够应用于存在催化还原装置但结构与此图所示的不同的排气***。其也尤其能够应用于这样的排气***，该排气***具有的还原装置中尿素或类似物，不是以液体的形式而是以固体的形式被贮存，例如以盐的形式。通过排气管10延伸的排气歧管8的代表已经在附图的图1中被给出，在排气管10上串联地安装下列组件：氧化催化转化器12、颗粒过滤器14、温度传感器16、第一NO_x探针20，喷射器18，SCR转化器22以及最后地，第二NO_x探针24。

出于简化的原因，在附图中，尤其是在此图1中未示出涡轮增压器或排气再循环***。在涡轮增压器存在的情形下，其涡轮机会安装在排气管10上在氧化催化转化器12上游的位置。同样地，可以预见排气再循环***的存在。此类的***包括从排气***延伸的分支管道，以便于将排气中的一部分再次引入发动机缸体2。此类的排气再循环***是已知的，缩写为EGR***。在一个以及同样的发动机上，根据排气的分支管道是否或多或少位于排气***的上游，可能具有高压EGR***和/或低压EGR***。

氧化催化转化器12有时被称作DOC（柴油氧化催化剂）转化器。在柴油发动机中，此DOC转化器实施源于发动机缸体2的排气的第一处理。

颗粒过滤器14有时以缩写DPF（柴油颗粒过滤器）表示。如这个后面的名称所表示的，此颗粒过滤器14更确切地针对柴油发动机类型。就像氧化催化转化器12，此颗粒过滤器对于本发明并非必要组件，本发明能够应用在没有此类装置的排气***中。

在图1所示的实施例中，本发明更确切地涉及SCR转化器22。此类的装置用于还原存在于排气中的氮氧化物。本文的目的在于还原一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂），以便于获得氮气（N₂）和水（H₂O）。为了实施此还原，需要提供还原剂。此还原剂通常是氨（NH₃）。实际上，包含尿素基的液体的容器（未示出）与排气***4结合。存在于该容器内的液体通过喷射器18被引入排气管道10。存在于喷射的溶液中的尿素通过热分解和水解作用转化成氨，且此氨在SCR转化器22内被吸收。为了监控在排气管道10中的排气的污染控制，第一NO_x探针20尤其被发现位于SCR转化器的上游，以及第二NO_x探针24尤其被发现位于此转化器的下游。每个NO_x探针使其能够确定存在于排气管道10内产生的排气中的氮氧化物的浓度，例如以ppm（百万分率）为单位。NO_x探针并不使其能够确定在检测的氮氧化物颗粒中的NO的比例或NO₂的比例。

关于任意的化学反应，平衡被建立，以及不可能获得所有氮氧化物的转化。因此定义对于SCR转化器22的效率，其对应于在SCR转化器22的下游的氮氧化物的颗粒浓度与在SCR转化器22的上游的氮氧化物的颗粒浓度之间的比值。此效率取决于多个参数。因此其尤其取决于在SCR转化器22的入口被引入以便于处理在排气管道10内循环的气体的氨的量（或尿素或等效物）。此效率也取决于排气的温度，以及温度传感器16使得能够向ECU 6提供关于该温度的信息。排气的流量，其主要确定排气在SCR转化器22内的停留时间，也影响还原反应的效率。另外一个参数，如本专利申请先前所指出的，是在SCR转化器22的入口处的排气中存在的氮氧化物NO_x中二氧化氮（NO₂）的比例。

温度、排气的流量、喷射的尿素的量是受控制的或已知的参数，但是只有喷射的尿素的量能够被作用以便于改变SCR转化器22的效率。NO₂的含量通常在ECU 6内借助于计算表或模型被确定，其作为多个在发动机内测量的参数的函数其使得能够估算存在于排气中NO₂的含量，尤其是在SCR转化器22的入口处的。然而，在发动机的老化过程中，估算的含量会相对于表中记录的含量而偏离。发动机的老化是能够被并入的参数用于在ECU 6的存储器中存储的表的定义。然而，发动机并不都以同样地方式老化，以及优选的是实施NO₂的含量的测量，而不是依赖于在ECU 6的存储器中存储的表。

本发明用于确定在SCR转化器的入口处的二氧化碳（NO₂）的含量。为了确定此含量的根据本发明的流程在下面进行介绍。

SCR转化器22具有贮存氨（NH₃）的能力以及因此是更有效的。当达到负载氨的最大水平时，过量氨重新聚到SCR转化器22的出口。当排气的温度和/或流量增加时，二氧化氮的解析作用可被观察到。在所述转化器中热解析作用可由此引起。负载氨的这种程度不是已知的，除非当其值为零时。

此外，SCR转化器22也能够存储二氧化氮（NO₂）。本发明最初的概念则在于实施在稳定条件下的测量以便于估算其存储在SCR转化器22内的NO₂的量。为了不影响测量，优选地将选择SCR转化器22对于氨的负载度为零时的条件。为了实现此目的，在实现必需的测量用于估算SCR转化器22的入口处的二氧化氮的含量之前，可取的是停止尿素或类似物的注入。在这些条件下，如果在SCR转化器22的上游和下游之间一氧化氮和二氧化氮之间不存在平衡的变化，在所述SCR转化器22的入口和出口应该看见相同的测量结果。

然而，如上所述的，NO_x探针被发现位于SCR转化器22的上游以及另外的NO_x探针位于其的下游。这些探针使得能够确定气流中氮氧化物的总量，但是不能够确定氮氧化物中一个或另一个的比例，测量其整体的比例。然而，由NO_x探针所实施的测量结果被存在于实施测量的气流中的一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）的比例所影响。仅说明地，大致上，对于气流，其中NO的浓度为50ppm以及NO₂的浓度为100ppm，那么NO_x探针将测量的不是150ppm（50+100），而浓度是：

50 ppm + (0,8) x 100 ppm = 130 ppm。

图2显示为了确定在SCR转化器22入口处的NO₂的含量用于测量产生的NO_x的浓度的曲线。如上所述，在停止在喷射器18处尿素的注入后，以及当SCR转化器22对氨的负载度为零时，这些测量在稳定条件下被实施。上部曲线26对应于第一NO_x探针20在SCR转化器22的入口处所实施的测量。下部曲线28对应于第二NO_x探针在SCR转化器22的出口处所实施的测量的其部分。

实施测量的条件是稳定的，在SCR转化器22的入口处由第一NO_x探针20所实施的测量恒定是正常的。在SCR转化器22的出口处，氮氧化物的浓度变化是因为，如上所述的，二氧化氮被贮存在SCR转化器22内。需要注意到下部曲线28趋向于回归到上部曲线26。这是因为在稳定条件下没有尿素的注入，在SCR转化器22内还原不再发生。重新进入SCR转化器22的氮氧化物因此不再被还原，并且不变地离开SCR转化器22。因此当SCR转化器22对NO₂饱和时，在所述转化器的入口处与出口处的测量结果一样。

因为在SCR转化器22内没有还原剂，在SCR转化器22的上游和下游之间的氮氧化物的浓度差值对应于在所述转化器中二氧化氮的贮存。通过对氮氧化物的下游的浓度和上游的浓度之间差值积分，得到二氧化氮（NO₂）累积在SCR转化器22中的量。

实际上，如在图2中所示，选择测量间隔开始于日期t0以及结束于日期t1。作为时间t0到时间t1的函数的SCR转化器22的下游和上游测量的浓度差值的积分对应于在SCR转化器22内NO₂的量。在图2中，此量对应于，一方面由上部曲线26，以及另一方面下部曲线28通过直线方程t=t0和t=t1所限定的表面积。

测量结果的差值与NO₂的浓度中的变化相关，如上所述，可取的是应用修正系数，在上面的数字的示例中的具有0.8的值。

然后通过假设在瞬态的周期内进行该测量，NO₂被贮存在SCR转化器22中，并未被排放到排气管道10的下游中，因此通过除以由实施该测量的时间间隔的长度[t0，t1]而先前积分获得的值可以确定平均的NO₂含量。

一旦测量被实施以及NO₂的含量被估算，尿素或类似物能够重新被注入相关车辆的污染控制***。

NO₂含量的此一次性的测量随后被使用来校准NO₂含量的估算，其随后被实施以便于确定SCR转化器22的效率，以及尽可能最好地优化至SCR转化器22的上游的喷射器18处需注入的尿素（或类似物）的量。

这是因为在SCR转化器的入口处的NO₂含量影响其的效率。NO₂的浓度是借助于表而被估算，该表给出NO₂的浓度作为在相应的发动机中测量的多个参数的函数。已知已经考虑发动机的老化，以及将此老化的变量纳入存储在ECU 6内的存储器的表中。实施的测量使得能够证实借助于表所得到的值，或者校正这些值。为了实现这个目的，比较如上所述得到的值与通过存储在ECU 6的存储器中的表所得到的值。如果检测到了获得的NO₂含量的差异，修正度然后被计算以便于随后应用到借助于存储中存储器中的表将得到的不同的值。

因此本发明使得能够具有对选择性催化还原转化器的入口处的二氧化氮（NO₂）含量的更好的了解。对此含量的了解在相应的车辆的整个使用寿命期间是重要的，用于允许确保其良好的污染控制。在NEDC（新欧洲行驶循环）类型的标准的循环过程中，氮氧化物的转化对于遵守排放标准是重要的。根据该标准，行驶循环开始于环境温度。发动机，包括其排气***和与此排气***相关的不同的污染控制***，不得不在其整个这个循环中被加热。为了获得好的氮氧化物的转化程度，具有足够水平的二氧化氮（NO₂）浓度以便于确保选择性催化还原转化器的效率是重要的。因此知道在车辆的整个使用寿命期间的二氧化氮的含量为了允许确保其良好的污染控制是重要的。

本发明所提供的方法因此使得能够更好地知道在发动机中的排气***的NO₂的含量。由此，该发动机在其的整个使用寿命期间的更好的污染控制是可能的。本发明因此提供更有效的污染控制***以及更少污染物的发动机。本发明的一个优点在于其能够容易地适用于现有***，因为其不需要新的传感器的存在。其***格因此是有限的。

在上述的方法中，假设所有的二氧化氮（NO₂）以二氧化氮的形式被贮存。然而，其也可以硝酸盐的形式被贮存。在此情形下，本发明也适于，如上所述，但是将转化为硝酸盐考虑在内。这是因为此转化也产生一氧化氮（NO），其将被算在由SCR转化器22的下游处的第二NO_x探针24所实施的测量中。因为此转化为硝酸盐和一氧化氮的反应的化学计量比是已知的，其可能是与二氧化氮（NO₂）的含量的通过计算确定全部相同。

Claims (10)

1.一种用于计算在内燃发动机的排气***（4）的选择性催化还原装置（22）的入口处的二氧化氮的含量的方法，所述排气***（4）包括：

排气管道（10），

在选择性催化还原装置（22）的上游处，用于还原剂的容器和用于将还原剂喷射到排气管道（10）中的装置（18），

第一传感器（20），其用来测量在选择性催化还原装置（22）上游的排气管道（10）中存在的氮氧化物的浓度，以及

第二传感器（24），其用来测量在选择性催化还原装置（22）下游的排气管道（10）中存在的氮氧化物的浓度，

其特征在于，其包括下列阶段：

停止还原剂进入排气管道（10）中的喷射，

测量在一段时间期间选择性催化还原装置（22）上游和下游的排气管道（10）中存在的氮氧化物的浓度，

通过在选择性催化还原装置（22）上游和下游所测量的氮氧化物的浓度的变化，计算在所述一段时间期间在选择性催化还原装置（22）中累积的二氧化氮的量，以及

通过计算的每时间单位累积的二氧化氮的量，确定选择性催化还原装置（22）上游的二氧化氮的含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当相应的发动机处于稳定的操作条件下的时候，所述方法被实施。

3.根据权利要求1和2任一项所述的方法，其特征在于，用于确定二氧化氮含量的氮氧化物浓度的测量在此期间被实施的所述一段时间被限制，使得在测量周期结束时，下游的氮氧化物的浓度小于选择性催化还原装置（22）的上游的氮氧化物的浓度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，累积的二氧化氮的量的计算以及二氧化氮的含量的确定是通过计算作为时间的函数的在选择性催化还原装置的上游和下游之间的氮氧化物的浓度之间的差值，然后通过将此作为时间的函数的差值积分，以便于最后除以通过所考虑的所述一段时间的长度获得的值而实施的。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，累积的二氧化氮的量的计算是通过对由第一传感器（20）和第二传感器（24）给出的测量结果应用校正系数而实施的。

6.一种在具有选择性催化还原装置（22）的排气***（4）中用于管理排气的污染控制的方法，其中所述选择性催化还原装置（22）的效率通过测量的和/或计算的和/或估算的参数而计算，所述参数之一是选择性催化还原装置（22）上游的二氧化氮的浓度，其特征在于，此方法通过实施根据权利要求1-5任一项所述的方法提供了在选择性催化还原装置（22）的入口处二氧化氮的含量的计算。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法额外地包括使用存储在存储器中的表对选择性催化还原装置（22）的入口处的二氧化氮的含量的估算的阶段，其特征还在于，通过根据权利要求1-5任一项所述的方法计算的二氧化氮的含量与使用存储在存储器中的表估算的含量相比较，以及其特征还在于，表中的存储在存储器中的值作为计算的含量的函数被更新。

8.一种内燃发动机的数字控制单元，其特征在于，其包括用于根据权利要求1-5任一项所述的方法的每个阶段的实施所需的装置。

9.一种内燃发动机的数字控制单元，其特征在于，其包括用于根据权利要求6和7任一项所述的方法的每个阶段的实施所需的装置。

10.一种内燃发动机，其包括带有燃烧室的发动机缸体（2）以及排气***（4），所述排气***（4）包括：

排气管道（10），

在选择性催化还原装置（22）的上游处，用于还原剂的容器和用于将还原剂喷射到排气管道（10）中的装置（18），

第一传感器（20），其用来测量在选择性催化还原装置（22）上游的排气管道（10）中存在的氮氧化物的浓度，以及

第二传感器（24），其用来测量在选择性催化还原装置（22）下游的排气管道（10）中存在的氮氧化物的浓度，

其特征在于，其额外地包括根据权利要求8和9任一项所述的数字控制单元。