CN113454315B - 用于控制车辆的至少一个scr催化转化器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于控制车辆的SCR催化转化器的方法，所述方法包括：第一步骤：将所述至少一个SCR催化转化器建模为多个NH3存储单元(cell1，cell2，……，celln；cell1，cell2，……，celln；cell1，cell2，……，celln)；第二步骤：根据基于参考值的反馈控制，仅控制所述多个存储单元中的第一存储单元(cell1)；以及第三步骤：基于所述多个存储单元中的至少另一存储单元的存储水平来适配所述参考值，其中，根据排气循环所述第一存储单元被布置在所述SCR催化转化器的入口处。

Description

用于控制车辆的至少一个SCR催化转化器的方法和设备

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年12月21日提交的意大利专利申请第102018000020851号的优先权，该意大利专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于控制车辆的至少一个SCR催化转化器的方法和设备，特别涉及车辆燃烧发动机的领域。

背景技术

许多必须遵守当前和未来排放法规的燃烧发动机使用选择性催化还原(SCR)***以减少氮氧化物(NOx)排放。

在当前运行的***中，尿素溶液被注入至SCR催化剂上游的排气中。尿素转化为氨(NH3)，进而在SCR催化剂中将NOx还原为无害的氮气(N2)和水(H2O)。相关的化学反应发生在氨吸附在催化剂表面上之后。

通常，SCR催化剂的NOx转化效率取决于储存(即吸附)的氨的量、温度、空速即单位时间催化剂中的气体周转量、NOx的NO2/NO比率以及其他条件。温度和空速通常取决于发动机运行，并且不直接受SCR控制器影响。储存的氨的量通常由专用控制器调节，该专用控制器控制氨的估计水平。NO2/NO比率取决于柴油氧化催化剂(DOC)的性能并且取决于布置在SCR催化剂的上游的柴油颗粒过滤器(DPF)。

当前的SCR控制***使用其中SCR催化剂被建模为一个NH3存储罐的模型。储存的NH3的量根据注入的尿素和根据SCR反应所消耗的NH3的量计算。然后调节储存的氨的量，使得实现期望的NOx转化效率。然后使用NOx测量设备的外部控制回路被用于调节注入的尿素量，使得通过模型估计的NOx转化效率和测量的NOx转化效率收敛。

US2009/0049827公开了包括前馈控制器的排放控制***，该前馈控制器被配置成计算还原剂在SCR催化剂上的空间相关表面覆盖率并且当还原剂的空间相关表面覆盖率超过一个或更多个空间位置处的还原剂的最大表面覆盖率时基本上停止还原剂的注入。

表面覆盖率观察器包括SCR催化剂的模型，并且表面覆盖率观察器用作前馈控制器的存储器。表面覆盖率观察器包括两个串联布置的单元，所述两个单元用于计算催化转化器的每个单元表示的区域上的表面覆盖率。使用查找表确定第一单元的最大表面覆盖率值，并且将该最大表面覆盖率值与计算的第一单元的表面覆盖率进行比较。如果计算的表面覆盖率值大于最大表面覆盖率，则表面覆盖率观察器将注入的氨的量减少给定值。

现有技术的控制***旨在控制存储水平，尤其为了避免NH3泄漏。

可以实现并行计算以限制NH3泄漏，即限制在排气中分散过量的NH3。

现有技术的图1公开了物理排出管线1的示例，物理排出管线1包括真实的SCR催化剂2、尿素计量模块3、NOx传感器4、NH3传感器5、上游温度传感器6和下游温度传感器7。

NH3存储模型8被馈送有物理相关的入口量和物理相关的出口量，例如在输入9处的排出质量流量、催化剂上游NOx(NOx和NO2)浓度、注入尿素的量以及上游排出温度和下游排出温度。

将NOx和NH3的估计传感器输出10分别与传感器4的测量输出和传感器5的测量输出进行比较。然后在具有给定增益的观察器回路11中使用误差，以校正估计模型的状态变量，所述状态变量是每个单元中储存的氨的量，使得计算的传感器输出收敛至测量输出。

低法规要求NOx减排设备即SCR***在效率和及时性方面迅速增加。因此，通常需要大型SCR设备或实现两个SCR催化剂的级联，而图1中公开的***是不够的。

在冷启动时，基于尿素的还原剂在热排气中分解——热解——并在催化剂入口表面上——水解——成NH3。每当出现自由存储侧时，形成的NH3然后从催化剂的入口朝向出口以气相传播并且吸附在催化剂表面上。一旦NH3吸附在催化剂表面上，就会发生SCR反应以减少NOx排放。NH3传播和NOx还原致使催化剂表面上的NH3的强烈不均匀轴向分布。

因此，在冷启动时，整个***的快速且准确NH3饱和相当困难，导致NOx转化效率缺乏。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供克服上面的问题/缺点的用于控制车辆的SCR催化转化器的方法和设备。

根据本发明的另一方面，SCR催化剂被认为划分为多个级联单元，并且当关于设定点来控制第一单元的存储水平时，后续单元中的一个单元——根据排气循环优选地最后一个单元——的存储水平用于适配第一单元的上述设定点。

基于后续单元中的至少一个单元，被实现为控制第一单元的设定点的适配允许在冷启动时实现SCR的最佳饱和，而不管SCR催化剂的大小或者两个或更多个级联的SCR催化剂的实现，实际上，即使在该最后一个情况下，第一催化剂的第一单元也受到控制，而实现的设定点基于最后一个SCR催化剂的单元——优选地最后一个单元——的存储水平进行适配。

由于ECU(发动机控制单元)计算和存储器资源有限，因此本方法的有利的实现方式提供了将SCR催化剂视为包括若干个存储单元的步骤，然而，仅考虑两个或几个存储单元来管理遍及所有所述的若干个存储单元的NH3存储分布。

因此，多个单元方法是有利的，因为可以显著提高准确性，然而，计算成本仍然有限。

这些和其他目的借助于如所附权利要求书中描述的方法和设备来实现，所附权利要求书形成本说明书的组成部分。

附图说明

本发明将根据以下参照附图要读取的详细描述变得充分清楚，仅通过例示和非限制性示例给出了详细描述，在附图中：

-图1为已知的SCR控制方案，

-图2示出了根据本发明的第一实施方式的基于SCR模型的控制方案；

-图3示出了根据本发明的第二实施方式的基于SCR模型的控制方案。

图中相同的附图标记和字母指代相同或功能等同的部件。

根据本发明，术语“第二元件”并不暗示“第一元件”的存在，第一、第二等仅用于提高描述的清晰性，而不应当以限制的方式解释。

具体实施方式

根据本发明的方法和设备旨在控制SCR催化转化器中NH3的正确存储。

如下所述，SCR催化转化器可以包括两个或更多个SCR设备，例如每个SCR设备包括其自己的罐。因此，根据本发明的方法和设备是特别有效的，因为根据情况，架子上可用的两个或更多个SCR设备可以被组合以限定SCR催化转化器。因此，一种整体SCR设备适合于存储NH3和转化NOx。

对于现有技术中公开的解决方案，本发明也是基于SCR催化转化器存储的单元建模。

显然，这样的模型使用来自真实传感器或虚拟(建模的)传感器的若干输入。

存储容量无疑是SCR的温度和空速的函数，这取决于发动机工作点。

NH3存储的控制旨在基本上控制布置在SCR催化转化器上游的基于尿素的试剂计量模块。

参照图2和图3，物理SCR催化转化器通过包括多个NH3存储单元的NH3存储模型建模。

其中“多个”是指三个或更多个单元。

根据图2和图3清楚的是，NH3存储水平根据排气循环从第一NH3存储单元至最后一个NH3存储单元降低。

因此，出于惯例，用cell1指示靠近SCR模型的入口布置的NH3存储单元，并且用Celln指示靠近SCR模型的出口布置的最后一个NH3存储单元。

第一回路控制基于NH3存储水平cHN3,Cell1，将NH3存储水平cHN3,Cell1与参考值cNH3,SPCorr进行比较，并且通过控制器Ctrl2通过生成控制信号rNH3对对应的误差进行过滤。

控制信号rNH3的增加致使在计量模块内注入的基于尿素的试剂的量增加，反之亦然——在计量模块内注入的基于尿素的试剂的量增加致使控制信号rNH3的增加。

根据本发明，上面的回路为内部回路。实际上，外部回路利用后续NH3存储单元Cell2、……、Celln的NH3存储水平来调节参考值cNH3,SPCorr。

实际上，提及的参考值不是固定设定点，而是响应于上面后续NH3存储单元中的一个存储单元的NH3存储水平cNH3,Cellx的可变设定点。

将NH3存储水平cNH3,Cellx与固定参考值cNH3,SP进行比较，并且通过控制器Ctrl1对由比较生成的误差进行过滤。

说明：

cNH3,SP＝NH3水平固定设定点

cNH3,SPCorr＝SCR1的第一单元的NH3水平可变设定点：其是一种校正的设定点；

rNH3＝请求的NH3气体浓度，其对应于针对基于尿素的试剂计量模块的控制信号；

cNH3,Cell1＝整体SCR的第一单元的NH3水平；

cNH3,Cellx＝整体SCR的第x单元的NH3水平；

dmExh＝排出质量流量；

tExh＝排出温度；

rNOx＝上游NOx排放；

rNOx,Out＝下游NOx排放；

最后四个输入dmExh、tExh、rNOx、rNOx,Out是从真实传感器或虚拟传感器获得的，并且是根据NH3存储模型SCR需要的。

例如，排出温度通常通过廉价的物理温度传感器测量，并且上游NOx排放通过物理NOx传感器测量。

下游NOx排放可以通过NOx传感器模型来估计，这是由于众所周知的在SCR下游布置的NOx传感器由于其对NH3泄漏的敏感性而引起的不确定性。

图3与图2的区别仅在于两个串联布置的SCR设备SCR1、SCR2的实现。

在这种情况下，两个SCR设备被建模，并且多个NH3存储单元被认为相当优选地在存储容量方面随着由两个设备SCR1和SCR2形成的SCR催化转化器分布。

相同的构思也可以应用于三个或更多个SCR设备的级联。

在这种情况下，根据排出循环，第一SCR1的第一NH3存储单元Cell1以及最后一个SCR设备的NH3存储单元。

基于最后一个NH3存储单元的NH3存储水平调节内部回路的设定点允许在冷启动时即在存在强烈不均匀NH3存储的条件下获得NH3的迅速饱和。

明显的是，根据本发明，可以借助于控制单元——优选地与布置成控制柴油机相同的控制单元ECU——来实现基于尿素的计量模块的管理。

根据图2和图3中的两种基于模型的方案，公开了适合于反馈一组NH3存储单元的NH3存储水平的开关。这样的一组NH3存储单元基本上包括SCR催化转化器的最后两三个单元。这意指当实现多于一个SCR设备的模式时，最后一个单元属于最后一个SCR设备。根据本说明书，涉及SCR设备和涉及NH3存储单元的术语“第一”、“第二”等指示连同发动机排出管线的对应布置，因此第一是排气所遇到的第一SCR设备或单元。

这暗示第一NH3存储单元布置在SCR催化转化器的入口处，而最后一个单元基本上布置在SCR催化转化器的出口处。

本发明可以有利地以包括程序代码装置的计算机程序实现，该程序代码装置用于当这样的程序在计算机上运行时执行这样的方法的一个或更多个步骤。为此，该专利还应当涵盖这样的计算机程序和包括记录的消息的计算机可读介质，这样的计算机可读介质包括用于当这样的程序在计算机上运行时执行这样的方法的一个或更多个步骤的程序代码装置。

对于本领域技术人员而言，在考虑了公开其优选实施方式的说明书和附图之后，本发明的许多改变、修改、变化和其他用途和应用将变得明显。不脱离本发明的精神和范围的所有这样的改变、修改、变化和其他用途和应用被认为被本发明所覆盖。

将不描述进一步的实现细节，因为本领域技术人员能够根据以上描述的教导开始执行本发明。

Claims (9)

1.一种用于控制车辆的SCR催化转化器的方法，所述方法包括：第一步骤：将至少一个所述SCR催化转化器建模为多个NH3存储单元(cell1，cell2，……，celln；cell1，cell2，……，celln；cell1，cell2，……，celln)；第二步骤：根据基于参考值的反馈控制，仅控制所述多个NH3存储单元中的第一NH3存储单元(cell1)；以及第三步骤：基于所述多个NH3存储单元中的至少另一NH3存储单元的存储水平来调节所述参考值，其中，根据排气循环所述第一NH3存储单元被布置在所述SCR催化转化器的入口处。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述SCR催化转化器包括级联连接的两个或更多个SCR设备，根据所述排气循环标识第一SCR设备(SCR1)和最后一个SCR设备(SCR2)，并且其中，两个或更多个SCR设备被建模为包括随着所述两个或更多个SCR设备分布的所述多个NH3存储单元，并且其中，所述第一NH3存储单元(cell1)被布置在所述第一SCR设备的入口处，并且其中，所述另一NH3存储单元属于所述最后一个SCR设备(SCR2)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述另一NH3存储单元是所述多个NH3存储单元中的最后一个NH3存储单元(celln)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考值按比例地升高以增加所述另一NH3存储单元内的NH3存储。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述另一NH3存储单元是所述SCR催化转化器的最后一个NH3存储单元。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述SCR催化转化器的最后两三个NH3存储单元内迭代地选择所述另一NH3存储单元。

7.一种用于控制车辆的SCR催化转化器的设备，所述设备包括控制单元，所述控制单元被配置成执行根据权利要求1所述的方法。

8.一种其上记录有程序的计算机可读介质，所述计算机可读介质包括计算机程序代码装置，所述计算机程序代码装置适于当所述程序在计算机上运行时执行根据权利要求1所述的方法的所有步骤。

9.一种柴油燃烧发动机，所述柴油燃烧发动机包括被布置成处理由柴油发动机产生的排气中所包含的污染物的后处理***，所述后处理***包括SCR催化转化器和发动机控制单元，所述发动机控制单元被配置成根据权利要求1所述的方法控制所述SCR催化转化器内的NH3存储并且控制所述柴油发动机。