专利名称：用于控制交通工具的scr催化转化器的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制交通工具的SCR催化转化器的方法和设备，特别是在交通エ具的燃烧发动机领域。现有技术描述需要遵守当前和将来排放法规的很多燃烧发动机使用选择性的催化还原(SCR)系统，以减小氧化氮(NOX)的排放。在当前的操作系统中，尿素溶液被注入SCR催化剂上游的排气中。尿素被转化成氨(NH3)，其接着在SCR催化剂中将NOX还原成无害的氮气(N2)和水(H20)。在氨吸收在催化剂表面以后，发生相关的化学反应。通常，SCR催化剂的NOX转化效率依赖于存储的(即，吸收的)氨的量，温度，空间速度、即每单位时间在催化剂中周转的气体，NOX的N02/N0率，和其他条件。温度和空间速度通常依赖于发动机的操作并且不能直接被SCR控制器影响。存储的氨的量经常被专用控制器调节，其控制氨的估计水平。N02/N0率依赖于柴油氧化催化剂(DOC)并依赖于安装在SCR催化剂上游的柴油颗粒捕集器(DPF)的性能。在当前概念中，N02/N0率不能直接调节，因为其主要依赖于D0C/DPF的温度、空间速度并依赖于DPF的烟尘负载。当前SCR控制系统使用这样ー种模型，其中SCR催化剂被建模为ー个NH3存储箱。存储的NH3的量计算自注入的尿素，并计算自被SCR反应消耗的NH3的量。存储的NH3的量然后被调节，从而实现需要的NOX转化效率。使用NOX測量设备的外部控制回路然后被用于调节注入尿素的量，从而通过模型估计的NOX转化效率和测量的NOX转化效率收敛。SCR控制器的已知方案描述在例如SCHAR:“CONTROL OF ASELECTIVE CATALYTICREDUCTION PROCESS (选择性催化还原过程的控制)”(PHD THESIS NR. 15221, ETH ZIJRICH)中，或者在 CHI, DAC0STA: “MODELING AND CON TROL OF A UREA-SCRAFTERTREATMENTSYSTEM (尿素-SCR后处理系统的建模与控制)，SAE2005-01-0966中，或者在HERMAN, WU, CABUSH, SHOST: “MODEL BASED CONTROL OF SCR DOSING AND OBD STRATEGIESWITH FEEDBACK FROM NH3SENS0RS (通过来自NH3传感器反馈的SCR定量给料和OBD策略的基于模型的控制)”，SAE 2009-01-0911中。现有技术的SCR控制器的已知方案包括基于SCR催化剂下游的NOX传感器的闭环控制器。已知控制途径缺少精度、尤其是当NH3的逃逸也应该被考虑时。现有技术的控制系统意在控制全部SCR的存储水平或意在控制全部NOX的转化效率。ー些概念甚至包括NH3的逃逸和限制，即排气中NH3的分散，而不与NOX反应。然而，这经常意味着平行的控制器，其然后通过例如要注入尿素的最小选择与NOX控制器组合。一般地，由于传感器失效或关闭/打开的控制器的激活或去活规范从实施的观点来说是笨拙的。
现有技术的图2显示了依赖于注入尿素的典型传感器输出特性。
此特性是对函数，因此其不是双射函数。在正常条件下，NOX传感器的输出随増加的尿素注入而降低。然而，当NH3逃逸开始增加吋，NOX传感器的输出特性转向并且传感器的输出随増加的尿素注入而增加。NOX传感器的不确定特性导致的问题在干，可能的NH3逃逸可解读为Ν0Χ，并且反之亦然。这可能导致控制器的不稳定。例如，当NH3解读为NOX时，控制算法将增加尿素的注入以减小NOX的排放。这将导致NH3逃逸的进ー步増加，其接着导致尿素注入的进ー步増加，因为NH3被解读为Ν0Χ。因此，传感器信号是不明确的，并且其不明确性能够使得控制系统不稳定。为了在NOX和NH3之间区别，尿素的注入必须被激励，例如通过在两个水平之间转换。已知系统依靠快速的响应，其没有与将来大的催化剂体积一起给出，并且/或者依靠拟定态操作条件，其在正常操作期间很难发生。发明概述·因此，本发明的主要目的是提供用于控制交通工具的SCR催化转化器的方法和设备，其克服了以上问题/缺陷。观测设备使得NOX或NH3的估计收敛到測量值，即观测器将所述估计值和所述测量值之间差值/误差用作反馈，调整所述估计的増益/參数。由此，本发明的主要优势在于观测器在所有时间知道传感器模型的极性，即观测器在所有时间固有地区分其实际在特性的哪ー侧上，NOX信号是随存储的氨的量的增加而増加还是降低。因此，传感器输出的不确定性被克服。因此，控制器仅控制估计的/建模的传感器输出的水平。如果没有实际的传感器是可用的，则相应的观测器反馈增益被切換到零，其明显简化了实施，并且使得相同的ECU(交通工具的电子控制単元)适用于不同作业条件下的多种发动机配置或应用，例如在发动机的启动时。根据本发明的另一方面，SCR催化剂被认为分离在多个级联単元中，并且只有第一単元的存储水平是受控的，而不管设定点计算自全部的NOX转化效率需求或计算自NH3逃逸限制约束的事实。由于ECU计算资源和存储资源是受限的，本方法的有利实施提供步骤将SCR催化剂考虑为仅包括几个存储单元并仅控制在所述单元的第一个中的NH3。根据优选实施方式，控制器计算以下设定点中的ー个-NOX控制第一单元中存储的NH3的量，以到达整个SCR催化剂的需要的NOX转化效率的目标，即，就NOX效率转化而言，考虑到从第2到第N个其他存储单元的贡献。— NH3控制第一单元中存储的NH3的量，以到达SCR催化剂输出端处需要的NH3水平，还以NH3存储水平的方式考虑从第2个到第N个其他存储单元的贡献。根据另ー实施方式，控制器计算两个设定点，然后实际的设定点从最小的选择中获得。因此，多单元方法是有利的，因为如果气体组分和存储的氨的轴向分布被考虑，则精度能够被明显地提高。根据本发明的另一方面，如果NH3灵敏的NOX传感器単独使用而没有任何特定的NH3測量设备，则因此所示实施本方法的控制器能够检测并避免NH3的逃逸。SCR催化剂方法整合了 NOX传感器模型，包括NH3的横向灵敏度。如果控制器的偏离(DIVERGENCE)被检测，因为未出现的NH3逃逸被检测到或因为出现的NH3逃逸没有被检测到，所以控制器反转存储的NH3和NOX传感器的极性，用于计算传感器特性上的当前操作点。有利地，不需要外部NH3逃逸检测系统，因为该方法和实施该方法的控制器能够
直接使用。这些以及另外的目的通过如所附权利要求中所述的方 法和设备来实现，其中所附权利要求形成本描述的整体部分。附图
简述本发明从仅作为示例性而非限制性的例子给出的、參考附图被阅读的以下详细描述中变得完全清楚，在附图中图I显示了已知不明确的NOX传感器输出特性，图2显示根据本发明的SCR控制方案，图3显示根据图2的草图的SCR基于模型的控制方案，基于NOX效率的目标，图4显示根据图2的草图的SCR基于模型的控制方案，基于NH3逃逸水平的设定点，图5显示根据本发明操作的误差恢复，其中NOX被检测为NH3，图6显示根据本发明操作的误差恢复，其中NH3被检测为Ν0Χ。附图中相同的參考数字和字母表示相同或在功能上等效的部件。优选实施方式详述用于控制SCR催化剂的方法和设备包括考虑如分离在多个储存单元中的SCR催化剂的模型的事实。在每个单元中，计算存储的氨和相关排气成分(N0X、NH3等)的量。另外，该方法可考虑温度，其中每个单元的温度被计算。因此，该方法借助于传感器模型估计实际安装传感器的行为，能够区分传感器特性上的操作点井能够反转曲线的极性。作为非常重要的特征，NOX传感器的NH3灵敏度被模型反映。參照图2，物理的排气线I包括有效的SCR催化剂2、尿素定量给料模块3、NOX传感器4、NH3传感器5、上游和下游温度传感器6、7，其中SCR催化剂2任意地包括氧化型催化剂以减小NH3的逃逸(SLIP)。NH3存储模型8被馈送有物理相关的输入ロ量和输出ロ量，例如位于输入端9处的排出质量流量、催化剂上游的NOX (NO和N02)浓度和温度、注入尿素的量和下游排出质量流量。NOX和NH3各自的估计的传感器输出10与传感器4和5的测量的输出相比。误差然后在观测回路中与给定增益11 一起使用，以修正估计模型的状态变量，其为每个単元中存储的氨的量，因此计算的传感器输出收敛到测量的输出。本发明创新方面中的一个在于仅控制多个单元中的第一单元(在气体穿过的方向上)的氨存储水平的概念，其中SCR催化剂被认为是分离的。控制器对于NOX和NH3的逃逸控制是相同的。只是两个控制目标的设定点被単独地计算。实际的设定点从最小选择中获得，因为NH3逃逸控制器实际上只是NH3逃逸的限制。
建议的控制概念具有两个目的。一方面，SCR催化剂的目标NOX转化效率必须达至|J。另ー方面，必须不能超出NH3的逃逸限制。因此，NH3的逃逸限制是主要的。因为与第一单元的动态特性相比，从第2个到第N个的存储单元的动态特性是缓慢的，所以只有第一単元被直接控制。因此，控制方案可以是基于NOX控制的类型和/或NH3逃逸限制类型。NOX控制图3显示NOX控制概念的方案。根据全部NOX转化效率目标31并根据从第2个到第N个单元32的实现的效率(计算自当前存储水平)，在块33中计算第一単元37的效率目标。在块34中，此效率目标转化成第一単元的NH3存储水平的设定点，其中考虑系统35的当前状态(温度、空间速度、N02/N0率等)。NOX控制设定点34和NH3控制设定点36 (见下面)的最小值被选择并与第一単元37中NH3水平的实际值相比较。偏差量然 后传送到控制器38，其中控制器38调节尿素或NH3的量39。NH3逃逸限制图4中图示了 NH3限制概念的方案。根据位于SCR催化剂41尾部处的NH3限制，在块42中使用诸如块43中的温度和空间速度和N02/N0率等其他操作条件计算最后単元的存储水平。从最后的元件开始，对于每个单元44，计算NH3的存储水平，其需要达到处于稳定状态的当前操作条件(温度、空间速度、N02/N0率等)的最后单元的需要NH3存储水平。最終，得到需要的第一单元45存储水平，其馈送入对于NH3水平设定点的最小选择46中。NH3控制设定点45和NOX控制设定点46 (见下面)的最小值被选择并与第一単元47中NH3水平的实际值相比较。偏差量然后传送到控制器48，其中控制器48调节尿素或NH3的量49。由于ECU的计算资源和存储资源是有限的，所以该方法的有利实施可将SCR建模为2 + 3的存储单元。该方法可用于勵乂和順3，或者其他的含氮种类，例如勵2、勵、吧0。有利地，实施本方法，可实现以下细节、变化和修改一可变反馈増益。反馈增益，即被测量的和计算的传感器输出之间的偏差提供的对状态变量(存储的NH3或其他物质的量)的调节，能够根据操作点和/或在具体的操作条件下变化，例如温度、空间速度、存储的氨或其他。在正常的操作条件下，正的NOX传感器误差导致存储的氨的减小，以增加计算的NOX传感器的输出至测量的输出的水平。然而，如果太多的尿素被注入并且NOX传感器主要測量NH3，则存储的氨的建模水平被增加以消除传感器偏差。当使用非线性观测方法吋，该行为自动地获取，其中的非线性观测方法例如为扩展KALMAN滤波器和类似的滤波器，例如请參见WELCH, BISHOP: “AN INTRODUCTION TO THEKALMAN FILTER (KALMAN 滤波器导论)”，URLHTTP://Wffff · CS. UNC. EDU/ WELCH/MED I A/PDF/KALMAN_INTR0. PDF。其他的条件可使得反馈增益的改变是必要的首先，如果已知传感器输出在明确定义的条件下，例如在瞬态期间是不精确的，则反馈可以被临时地减弱，即修正减小。第二，根据需要，反馈增益可以被临时地增加。如果例如NH3的逃逸被NH3传感器检测到，则NOX传感器的反馈被减弱且NH3传感器的反馈增加，以优先NH3传感器并确保由控制器估计正确的NH3的逃逸。这是必要的以允许控制器进行恰当的測量(即，减小尿素的注入)。ー控制方法的扩展，通过弓丨入识别方法，例如扩展KALMAN滤波器。从而，弓丨入其他的状态变量，其代表对于缓慢漂移的參数的常量，其中缓慢漂移的參数例如为催化剂存储能力，或者尿素注入的偏差，或者传感器偏差、尿素的量。观测反馈回路也修正这些參数并从而允许调整模型以适应长期的改变，例如系统的老化或者尿素溶液中浓度的漂移。一传感器信息的可用性气体传感器通常不能在所有条件下操作。尤其是在冷启动操作期间，当水滴出现在排气中时，一些传感器必须关闭。在这些条件下，反馈回路被简单地关闭，即控制方案在开环中运行并且其不通过传感器信息进行修正。一该控制方法可扩展有任何含氮的气体传感器，其输出可通过模型进行估计。此处未讨论的温度传感器或气体种类(例如，N20)可以是ー种选择。所示控制概念固有地使用了存储模型和控制器以检测NOX (或NH3)传感器信号是否以正确的方式被解读。从而，本发明的主要优点在于传感器在所有时间“知道”传感器估计模型的极性，即NOX信号是随着存储氨的増加量一起増加还是减小。因此，模型在所有时间固有地“知道”其实际在图5和6中特性的哪ー侧上。错误输出的检测和其恢复方法可如下表示情形I 偏离到NOX側”，即NH3被检测为NOX 错误极性(错误的操作点)的检测依赖于以下条件，其在(温度相关的)时间期间必须被满足一存储的NH3的设定点持续不断地増加一不估计NH3的逃逸一控制器的反馈是负的，即NOX传感器的信号随减小的NH3存储水平而增加。为了恢复错误的极性存储的NH3的量按斜面増加，直到计算的NOX传感器信号等于在右手侧测量的信号(见图6中的箭头)。情形2 偏离到NH3側”，即NOX被检测为NH3 错误极性的检测依赖于以下条件，其在(温度相关的)时间期间必须被满足一存储的NH3的设定点持续不断地降低一模型中发生明显的NH3逃逸—控制器的反馈是正的，即NOX的信号随增加的NH3存储水平而降低。为了恢复，存储的NH3的量按斜面降低，直到计算的NOX传感器信号等于在左手侧测量的信号(见图5中的箭头)。一旦恢复变得有效，上述NOX控制器或NH3逃逸限制将系统引向需要的NOX转化效率或者将NH3的排放限制到最大水平。本发明可以有利地在计算机程序中实施，该计算机程序包括程序编码装置，当该程序在计算机上运行时，程序编码装置用于执行该方法的ー个或多个步骤。由于该原因，本专利还应该覆盖这样的计算机程序和包括记录信息的计算机可读介质,此计算机可读介质 包括程序编码装置，当该程序在计算机上运行时，程序编码装置用于执行该方法的ー个或多个步骤。在考虑了公开本发明优选实施方式的说明书和附图以后，对于本领域技术人员来说，本发明的很多变化、修改、改变和其他使用及应用将变得清楚。不偏离本发明的精神和范围的所有这些变化、修改、改变和其他使用及应用被视为由本发明所覆盖。其他的实施细节将不再描述，因为本领域技术人员能够从以上描述的教导开始实施本发明。
权利要求
1.一种用于控制交通工具的SCR催化转化器的方法，包括通过使得估计传感器的输出收敛到测量值而将含氮气体的所述估计传感器的输出用作参考值的步骤。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，在观测器中，借助于使用可变反馈增益调节存储的氨的量或者其他状态变量而实现所述收敛，所述可变反馈增益依赖于操作条件，例如温度、空间速度、存储的氨或其他。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述收敛借助于另外调节对于缓慢漂移的参数的常量而实现，所述缓慢漂移的参数例如为催化剂存储能力或尿素注入或传感器的偏差，或者尿素的量。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述观测器中所述反馈增益的量或正负号被用于检测偏离并用于根据所述偏离起动恢复步骤，所述偏离是由于对所述NOX传感器信号的错误解读，而所述NOX传感器信号的错误解读是由所述传感器特性的NH3/N0X的不确定性引起的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述恢复步骤规定调节存储的氨的量或所述观测器中的其他的量，例如以收敛到所述NOX传感器特性的正确的侧。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述含氮气体是NOX和/或NH3，和/或N02，和/或NO，和/或N20。
7.根据之前权利要求中任一项所述的方法，还包括将所述SCR催化转化器认为是分离在连续的两个或多个存储单元中的步骤，以及控制仅存储在所述单元中的一个中的NH3、优选仅控制在所述单元中的第一个单元中的NH3的步骤。
8.根据之前权利要求中任一项所述的方法，还包括借助于计算催化转化效率来控制注入尿素的量或NH3的量或转化成NH3的任何其他还原剂的步骤。
9.根据权利要求I至7中任一项所述的方法，还包括借助于计算在所述SCR催化转化器中的NH3逃逸水平来控制注入尿素的量或NH3的量或转化成NH3的任何其他还原剂、尿素喷射的步骤。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的方法，其中所述注入尿素的量或NH3的量或转化成NH3的任何其他还原剂借助于两个设定点计算，所述两个设定点通过将NH3存储水平作为目标以及将催化剂转化效率作为目标计算而得。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述设定点单独计算并且其中实际的控制设定点从所述设定点的最小选择中获得。
12.根据之前权利要求中任一项所述的方法，其中，如果没有传感器可用或者所述NOX或NH3传感器的输出是不可靠的或者部分不可靠的，则相应的反馈增益被调节或切换到零。
13.一种用于控制交通工具的SCR催化转化器的设备，包括用于实施之前权利要求中任一项所述方法的装置。
14.一种计算机程序，包括计算机程序编码装置，所述计算机程序编码装置适合于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求I至13的所有步骤。
15.一种计算机可读介质，具有记录在其上的程序，所述计算机可读介质包括计算机程序编码装置，所述计算机程序编码装置适合于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求I至13的所有步骤。
全文摘要
本发明提供用于控制SCR催化转化器(2)的方法和设备。本发明描述了基于模型的控制方法，包括具有多于一个的NH3存储单元的SCR催化剂(2)的物理模型和NOX传感器(4)的物理模型。观测器的反馈增益使得来自模型的估计的传感器输出收敛于测量的传感器输出，因此，在操作点的确定上不存在不确定性。
文档编号F01N3/20GK102686842SQ201080059737
公开日2012年9月19日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月23日
发明者西奥菲尔·奥肯萨勒 申请人:依维柯发动机研究公司