用于估计反应剂质量的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于估计基于尿素的反应剂的质量的方法、和一种被布置为估计基于尿素的反应剂的质量的排气后处理系统。该方法尤其适用于例如安装在中型或重型卡车、大客车、建筑车辆等中的柴油内燃机。
【背景技术】
[0002]本发明涉及包括选择性催化还原(SCR)催化剂的排气后处理系统，其中，通过将反应剂主动喷射到进入催化剂内的排气混合物内来连续地去除NOx。这种NOx还原系统已知是用于实现高的NOx转化效率。基于尿素的SCR催化剂使用气态氨作为活性NOx还原剂。典型地，车辆上携带有尿素水溶液，且喷射系统用于将该尿素水溶液供给到进入SCR催化剂的排气流内，其中，所述尿素水溶液分解为氢氰酸(NHCO)和气态氨(NH3)，所述气态氨然后与SCR催化剂反应，从而将排气流中的NOx转化为无害的氮气和水。
[0003]不同的排放法规要求监测反应剂的质量，以防止驾驶员用水或其他流体稀释尿素。稀释后的尿素水溶液将直接影响车辆输出NOx排放水平。
[0004]已知的是简单地使用反应剂质量传感器，例如用于检测尿素的质量。一种已知的传感器技术涉及使用反应剂的超声波密度测量或使用反应剂的电特性。然而，这样的反应剂密度也不是稀释后的反应剂的确定性指示，因为许多流体具有与标准的尿素水溶液类似的密度，例如清洗剂流体、冷却剂、盐水。因此，可能发生反应剂的稀释而未被检测到。此外，尿素质量传感器较为昂贵，从而导致维护成本增大。
[0005]文献DE 10 2010 000 626 Al中示出了另一种检测尿素水溶液的稀释的方案，其中，将发动机停止后的NOx转化率与发动机即将停止前的NOx转化率进行比较。如果发动机停止前和停止后的NOx转化率不同，则确定尿素水溶液在发动机停止期间已经被稀释。这种尿素质量诊断方法的问题是不能检测在发动机运行中发生的稀释。此外，在车辆停车期间造成的影响NOx转化率的其他变化可能导致对反应剂稀释的错误结论。
[0006]因此，需要一种克服了上述缺点的改进的用于监测反应剂质量的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种估计基于尿素的反应剂的就尿素浓度而言的质量的方法，其中，所述反应剂被喷射到排气后处理系统中的SCR催化剂的上游，从而至少部分避免了上述问题。
[0008]此目的通过权利要求1的特征部分的特征来实现，所述特征部分包括如下步骤:
[0009]将所需的NOx转化率设定为大致低于所述SCR催化剂的当前估计的最大NOx转化率;
[0010]在一定时段内监测实际的NOx转化率，以及
[0011]在所述时段内通过将监测到的实际NOx转化率与所需的NOx转化率进行比较来估计所述反应剂的尿素浓度。
[0012]本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的排气后处理系统，所述排气后处理系统至少包括SCR催化剂、布置在所述SCR催化剂上游的反应剂喷射器、布置在所述SCR催化剂下游的NOx传感器、以及用于控制所述反应剂的剂量的电子控制单元，其中，至少部分避免了上述问题。
[0013]此目的通过权利要求16的特征部分的特征来实现，其中，所述电子控制器被布置为通过以下方式来估计基于尿素的反应剂的、就尿素浓度而言的质量:
[0014]将所需的NOx转化率设定为大致低于所述SCR催化剂的当前估计的最大NOx转化率;
[0015]在一定时段内监测实际的NOx转化率；以及
[0016]在所述时段内通过将监测到的实际NOx转化率与所需的NOx转化率进行比较来计算所述反应剂的尿素浓度的估计值。
[0017]本发明的方法和系统旨在仅基于所确定的SCR催化剂的NOx转化效率来估计反应剂质量。这具有以下优点:消除了对另外的昂贵尿素质量传感器的需求，且整个排气后处理系统可形成得较简单。然而，难以确定SCR催化剂的NOx转化率差的根本原因。除了反应剂被稀释之外，NOx转化率差背后的可能原因例如可以是劣化和老化的SCR催化剂。劣化的SCR催化剂具有降低的NH3储存容量和降低的最大NOx转化率。本发明的方法和系统依赖于如下事实，即:劣化的SCR催化剂仍能提供所需的NOx转化率，但它是降低了的NOx转化率。因此，主要在所需的NOx转化率较高时可察觉到SCR催化剂的劣化。在所需的NOx转化率相对低的情况下，劣化和老化的SCR催化剂具有与新的SCR催化剂大致相同的NOx转化率。根据本发明的方法和系统通过如下方式利用了此SCR催化剂特性:S卩，在与所述SCR催化剂的当前估计的最大NOx转化率相比降低的所需NOx转化率水平下执行反应剂质量监测。由此，可或多或少地消除SCR催化剂的任何劣化和老化的影响，而且，将所需的NOx转化率与实际的NOx转化率进行比较的结果或多或少地直接对应于在测试时段内喷射的反应剂的质量。
[0018]通过实施从属权利要求的一个或数个特征来实现其他的优点。
[0019]所述方法可另外包括以下步骤:确保所述SCR催化剂中的任何储存的氨不影响所述尿素浓度估计的结果。如果SCR催化剂的氨缓冲器在测试时段内改变了(例如增加了)，且在估计反应剂的尿素浓度时未考虑到这种增加，则源自反应剂的未知量的氨已变得在测试期间被吸附在反应器基质上并储存在SCR催化剂内。然而，根据本发明的反应剂的尿素浓度估计是基于在测试时段内所喷射的反应剂的累积量与SCR催化剂中累积的NOx还原量的比较。在测试时段内SCR催化剂中累积的NOx还原量例如可通过安装在SCR催化剂下游的NOx传感器和安装在反应剂喷射器上游的另外的NOx传感器来测量，并且，仅对测试时段内传感器输出结果的差值进行积分，或通过以SCR催化剂上游的排气中的NOx水平的估计来替代所述另外的NOx传感器。反应剂的尿素浓估计还基于用于描述SCR催化剂内的实际NOx转化率的模型。此模型例如可基于在测试时段内排气的质量流量或体积流量、进入SCR催化剂的排气的N0/N02比率、对于SCR催化剂的预测性NH3-N0/N02反应模型、和SCR催化剂排气温度。
[0020]确保所述SCR催化剂中的任何储存的氨不影响所述尿素浓度估计的结果的步骤可在最简单的解决方法中通过控制在所述时段之前和所述时段内的反应剂喷射速率来实现，使得所述SCR催化剂的氨缓冲器在所述时段内保持大致是空的。通常，或多或少地基于发动机设定和载荷、反应剂喷射速率、SCR催化剂之前和SCR催化剂之后的排气NOx水平等来持续地更新对SCR催化剂的氨缓冲器的估计。因此，能够使用所述氨缓冲器估计、发动机设定和反应剂喷射速率来确保SCR催化剂的氨缓冲器在所述时段内保持大致是空的。
[0021]替代地，确保所述SCR催化剂中的任何储存的氨不影响所述尿素浓度估计的结果的步骤可通过控制所述时段内的反应剂喷射速率来实现，使得所述时段开始和结束时的估计的SCR催化剂的氨储存水平是相同的。这也确保了在反应剂的尿素浓度估计中包括了所喷射的所有尿素。
[0022]所述方法可另外包括以下步骤:设定所需的NOx转化率，以便防止从所述SCR催化剂的氨泄漏。如果进入SCR催化剂的所有氨没有都被催化剂吸附并因此在未反应的情况下穿过催化剂，则可能发生从SCR催化剂的氨泄漏。氨泄漏增加了来自车辆的总氮排放且在一些国家的法规中被调节到最大值。此外，因为反应剂质量估计是基于在测试时段内的累积的反应剂喷射量和累积的SCR催化剂NOx转化率的比较而进行的，所以，任何氨泄漏都将使反应剂质量估计失真，因为假设的是源自所喷射的反应剂的所有氨都已在催化剂中被转化。此外，大多数NOx传感器对NOx和氨是交叉敏感的，导致氨泄漏可能被认为是NOx排放，从而使所记录的SCR催化剂的实际NOx转化率失真，因此也导致所获得的尿素浓度估计失真。仅通过将所需的NOx转化率设定得足够低，就防止了从所述SCR催化剂的氨泄漏，这在此意味着将反应剂喷射速率设定得足够低。在足够低的反应剂喷射速率下，考虑到当前的发动机NOx排放水平和SCR催化剂的氨缓冲器水平，所有进入催化剂的氨都将吸附在催化剂基质上，并因此与NOx发生催化反应且转化为氮分子(N2)和水，从而，没有未反应的氨在不发生反应的情况下穿过催化剂。
[0023]所述方法可另外包括以下步骤:将所需的NOx转化率设定为比所述SCR催化剂的当前估计的最大NOx转化率低至少10%，尤其是低至少20%，更尤其是低至少30%。如上所述，所需的NOx转化率的降低用于提高尿素质量估计的精度。首先，它减少了劣化和老化的SCR催化剂的影响，其次，它避免了 SCR催化剂的氨缓冲器的形成或至少不增大，第三，它降低了氨泄漏的可能性。
[0024]可在SCR催化剂的寿命期间连续地监测所述SCR催化剂的当前估计的最大NOx转化率，以便在测试期间以较不明显的量来最小化所需的NOx转化率的降低水平。SCR催化剂的当前最大NOx转化率可例如