对后处理组件中的选择性催化还原装置的基于模型的监测的制作方法

本发明总体上涉及对后处理组件的操作的控制，并且更具体地涉及对后处理组件中的选择性催化还原(scr)装置的基于模型的监测。氮的氧化物(在本文称为nox)是燃烧过程的副产物。氮氧化物是通过在燃烧室的高温下分解氮和氧分子而产生。许多装置采用后处理装置，诸如选择性催化还原(scr)装置，以在催化剂的存在下将氮氧化物转化为其它成分。后处理装置的效率在使用一段时间后可能会下降。

技术实现要素：

后处理组件包括选择性催化还原(scr)装置，其具有催化剂并且被配置为接收排气。控制器可操作地连接到scr装置。该控制器具有处理器和有形非暂时性存储器，该存储器上记录有用于执行对scr装置的基于模型的监测的方法的指令。该方法依赖于可以各种形式实施的基于物理学的模型。该处理器执行该指令使该控制器：获取至少一个估计参数，包括获取排出scr装置的排气中的估计氮氧化物(nox)浓度。

该控制器被配置为至少部分地基于催化剂降解模型来获取至少一个阈值参数，其包括获取排出scr装置的排气中的阈值nox浓度(yt)。该催化剂降解模型是至少部分地基于预定阈值存储容量(θt)。经由该控制器基于估计参数与阈值参数的比较来确定催化剂状态。至少部分基于催化剂状态来控制该组件的操作。

该催化剂降级模型是至少部分地基于进入scr装置的排气中的入口nox浓度(u1)、由还原剂喷射器喷射的入口剂量(u2)、多个预定参数(rr、ro、rd、ra、mwnh3和mwnox)、在scr装置处接收的排气的流量(f)以及scr装置的体积(v)和温度(t)。该催化剂降级模型是至少部分地基于排出scr装置的排气的出口nox浓度(y1)、氨覆盖率(θ)以及出口氨浓度(y2)随时间(t)的相应变化率，它们分别被指定为ddy1/dt、dθ/dt以及dy2/dt，并且计算如下：

在一个实施例中，该催化剂降解模型被表示为：

获取估计参数包括：至少部分地基于扩展卡尔曼滤波器和容量时效模型来获取催化剂的估计存储容量(θ)。该容量时效模型是至少部分地基于采样时间(k)、排出scr装置的排气的出口nox浓度(y1)、出口氨浓度(y2)、进入scr装置的排气的入口nox浓度(u1)、由还原剂喷射器喷射的入口剂量(u2)、多个预定参数(rr、ro、rd、ra)以及进入scr装置的排气的流量(f)、scr装置的体积(v)和温度(t)的预定查找因子(k(t,f/v))。

该组件可以包括出口nox传感器，其与scr装置下游的排气连通。获取估计参数可以包括经由出口nox传感器来获取排气中的出口nox浓度的测量值(ys)。至少部分地基于施加于容量时效模型的扩展卡尔曼滤波器来获取氨覆盖率(θ)和氨存储容量(θ)。该容量时效模型是至少部分地基于输出nox传感器的测量值(ys)、催化剂nox转化效率催化剂氨转化效率其中容量时效模型的特征在于：

θ(k+1)-θ(k)＝0

ys＝y1+k(t,f/v)y2

获取估计参数可以包括获取催化剂nox转化效率催化剂氨转化效率出口nox浓度(y1)以及出口氨浓度(y2)的相应更新值。将相应更新值施加于扩展卡尔曼滤波器和容量时效模型。如下获取相应更新值：

该控制器可以被配置为将扩展卡尔曼滤波器和容量时效模型的输出发送到模型预测控制(mpc)模块。采用mpc模块来获取入口剂量(u2)的优化值。命令还原剂喷射器喷射优化值的入口剂量(u2)。确定催化剂状态可以包括将出口nox浓度随时间的第一积分(∫y1dt)与阈值nox浓度随时间的第二积分(∫ytdt)进行比较。如果第一积分超过第二积分，则可以由控制器产生诊断信号(∫y1dt>∫ytdt)。

确定催化剂状态可以包括将估计存储容量(θ)与阈值存储容量(θt)进行比较。如果估计存储容量(θ)低于阈值存储容量(θt)，则可以由控制器产生诊断信号(θ<θt)。如果第一积分超过第二积分，则控制器可以被配置为将第一标记设定为真，并且如果估计存储容量(θ)低于阈值存储容量(θt)，则将第二标记设定为真。如果第一标志和第二标志中的至少一个为真，则控制器可以被配置为产生诊断报告。如果第一标志和第二标志都为真，则控制器可以被配置为命令发动机减少排气的产生。

从用于实行结合附图取得的本发明的最佳模式的以下详细描述，上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点容易地显而易见。

附图说明

图1是具有控制器的后处理组件的示意局部视图；

图2是用于可由图1的控制器执行的方法的流程图；

图3是根据第一实施例的实施图2的方法的控制结构的示意图；

图4是根据第二实施例的实施图2的方法的控制结构的示意图；并且

图5是根据第三实施例的实施图2的方法的控制结构的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标号是指相同的部件，图1示意地说明了可以作为装置10的一部分的后处理组件12。装置10可以是移动平台，诸如但不限于标准乘用车、运动型多用途车、轻型卡车、重型车辆、atv、小型货车、公共汽车、过境车辆、自行车，机器人、农具、相关设备、船、飞机、火车或其它运输装置。装置10可以采取许多不同的形式并且包括多个和/或替代部件和设施。

装置10包括内燃发动机14，在本文称为发动机14。发动机14被配置为燃烧空气燃料混合物以产生输出转矩并且可以包括火花点火发动机、压燃式发动机、活塞驱动式发动机或本领域技术人员可用的其它类型的发动机。空气燃料混合物的燃烧产生排气16，其从发动机14中排出到后处理组件12。组件12可以包括氧化催化剂20，其被配置为将不容易在选择性催化还原(scr)装置中处理的nox形式的一氧化氮转化为易于在选择性催化还原(scr)装置中处理的nox形式的二氧化氮。

参考图1，还原剂喷射器22将诸如尿素等还原剂喷射到排气流16中。还原剂可以直接喷射到排气流16中。可以采用混合器装置24来提供大致均匀的分布。组件12包括选择性催化还原(scr)装置26，其具有催化剂并且被配置为接收排气16。正如本领域技术人员所理解，scr装置26被配置为利用喷射的还原剂的成分将nox转化为其它成分。

参考图1，入口nox传感器30和出口nox传感器34被配置为分别检测和量化进入和排出scr装置26的排气流16中的nox浓度。出口氨传感器36被配置为检测和量化排出scr装置26的排气流中的氨浓度。第一温度传感器38和第二温度传感器40被配置为分别检测进入和排出scr装置26的排气16的温度。应当注意的是，排气16中的nox浓度和氨浓度以及下面描述的其它参数可以其它方式量化，包括经由“虚拟感测”和基于其它测量值的建模以及在其它位置处使用传感器。例如，可以采用对排气流内的发动机输出和状况进行建模的虚拟nox传感器来估计进入scr装置26的nox浓度。可以基于scr入口温度38和出口温度40以及环境温度的测量值来估计sct催化剂内部的气体或衬底温度。

参考图1，组件12包括控制器c，其操作地连接到发动机14或与该发动机进行电子通信。参考图1，控制器c包括至少一个处理器p和至少一个存储器m(或任何非暂时、有形计算机可读存储介质)，在该存储器上记录有用于执行对图2中所示和下文描述的scr装置26的基于模型的监测的方法100的指令。方法100依赖于包括催化剂降解模型的多个模型，该催化剂降解模型被开发并校准到实际的scr装置26。存储器m可以存储控制器可执行指令集，并且处理器p可以执行存储在存储器m中的控制器可执行指令集。

现在参考图2，示出了存储在图1的控制器c上并且可由其执行的方法100的流程图。方法100也针对四个实施例进行说明。图1的控制器c被具体编程为执行方法100的步骤。方法100不需要以本文列举的具体顺序来应用。另外，应当理解的是，可以省略一些步骤。

参考图2，方法100可以从框102开始，在框102中，控制器c被编程或被配置为获取至少一个估计参数，包括获取排出scr装置26的排气16中的估计氮氧化物(nox)浓度。在图2的框104中，控制器c被编程为至少部分地基于催化剂降解模型来获取至少一个阈值参数，其包括获取排出scr装置的排气中的阈值nox浓度(yt)。

该催化剂降解模型是至少部分地基于预定阈值存储容量(θt)。阈值存储容量(θt)可以基于各种法定要求。为了确定阈值存储容量(θt)，可以减小scr装置26的最大氨存储能力参数，直到scr装置模拟的nox输出(在标准的尿素喷射控制下)超过标称scr工厂模型或测试的标称nox输出的约1.5倍(或基于另一个因子)：

校准可以从美国联邦测试程序(ftp)期间的模拟而导出。校准阈值存储容量(θt)可以基于存储在控制器c中并且与物理scr装置26并行运行的obd(车载诊断)。作为非限制性示例，在一个实施例中可以采用以下值：θ标称＝0.4298，θt＝0.137。

催化剂降解模型是至少部分地基于通过scr催化剂的nox质量流量平衡和氨(nh3)质量流量平衡。该催化剂降级模型是至少部分地基于排出scr装置的排气的出口nox浓度(y1)、氨覆盖率(θ)以及出口氨浓度(y2)随时间(t)的相应变化率，它们分别被指定为ddy1/dt、dθ/dt以及dy2/dt，并且计算如下：

在一个实施例中，该催化剂降解模型被表示为：

如上所示，催化剂降解模型是至少部分地基于进入scr装置26的排气16中的入口nox浓度(u1)、由还原剂喷射器22喷射的入口剂量(u2)、排出scr装置的排气的出口nox浓度(y1)以及出口氨浓度(y2)、作为催化剂温度的函数的多个预定化学反应参数(rr、ro、rd、ra、mwnh3和mwnox)、在scr装置26处接收的排气16的流量(f)以及scr装置26的体积(v)。在这里rr是nox还原速率，ro是氨氧化速率，ra是吸附速率，rd是解吸速率，它们各自通过在测试单元或实验室条件下的校准获取并存储在查询表中。预定参数(rr、ro、rd、ra)与(-e/rt)的指数成比例，其中t是催化剂温度，r是气体常数，并且e分别是还原、氧化、解吸和吸附的激活能量。另外，mwnh3和mwnox是在scr装置26处接收的排气16中的nox和氨的分子量。

在图2的框106中，控制器c被编程为基于在框102中确定的估计参数与在框104中确定的阈值参数的比较来确定催化剂状态。在图2的方框108中，控制器c被编程为至少部分地基于催化剂状态来控制组件12的操作。

现在用下面描述的三个实施例来说明方法100。图3是根据第一实施例的具有实施方法100的各种模块或单元的第一控制结构200的示意图。图4和5分别说明了实施方法100的第二控制结构300和第三控制结构400。第一控制结构200、第二控制结构300和第三控制结构400的各种模块或单元可以作为控制器c的一部分嵌入。

图3中的实施例包括后氧化催化装置28，其位于scr装置26下游并且被配置为消除来自scr催化剂的氨泄漏，因此也将出口nox传感器34的测量中的氨的交叉污染最小化。入口参数202(包括进入scr装置26的排气16中的入口nox浓度(u1)和由还原剂喷射器22喷射的入口剂量(u2))被输入到包含具有阈值存储容量(θt)的降解催化剂模型的催化剂降解单元220中，以获取排出scr装置的排气的出口nox浓度(y1)、氨覆盖率(θ)和出口氨浓度(y2)随时间(t)的变化率，它们分别被指定为y1、dθ/dt和y2并且如前所述。

参考图3，第一控制结构200包括测量积分单元210，其被配置为对当前测量的出口nox浓度随时间积分(∫y1dt)。阈值积分单元230被配置为获取从催化剂降解单元220预测的阈值nox浓度随时间的第二积分(∫ytdt)。比较模块240被配置为根据图2的框106将测量积分单元210的输出与阈值积分单元230的输出进行比较。

图4是实施方法100的第二控制结构300的示意图。入口参数302(包括进入scr装置26的排气16中的入口nox浓度(u1)和由还原剂喷射器22喷射的入口剂量(u2))被输入到催化剂降解单元320中，以获取来自降解催化剂模型的预测出口nox浓度(yt1)、氨覆盖率(θ)和预测出口氨浓度(yt2)随时间(t)的变化率。

图4中的实施例不包括位于scr装置26下游的后氧化催化装置。通过将从催化剂降解单元320获取的模型输出和参数324馈送到nox传感器模型322中来适应出口nox传感器34的测量中的氨的交叉污染。模型参数324包括作为进入scr装置26的排气16的流量(f)、scr装置26的体积(v)和温度(t)的函数而存储的预定查找因子(k)。传感器模型322利用模型化出口nox浓度(yt1)、出口氨浓度(yt2)和模型参数324来预测输出nox传感器34的测量值(ys)。传感器模型322的特征可以在于：

ys＝yt1+k(t,f/v)yt2

参考图4，第二控制结构300包括测量积分单元310，其被配置为由受存在nh3的交叉敏感性影响的nox传感器获取的测量出口nox浓度随时间的第一积分(∫y1dt)。阈值积分单元330被配置为获取来自nox传感器模型322的阈值nox浓度随时间的第二积分(∫ysdt)。比较模块340被配置为根据图2的框106将测量积分单元310的输出与阈值积分单元330的输出进行比较。

图5是实施方法100的第三控制结构400的示意图。如前所述，入口参数402可以被输入到催化剂降解单元420中，其结果随后被馈送到阈值积分单元430中，如同在第一和第二实施例中。

在图5中所示的实施例中，在框102中获取估计参数包括至少部分地基于卡尔曼滤波器模块404和容量时效模型单元406来获取催化剂的估计存储容量(θ)。入口参数402(包括进入scr装置26的排气16中的入口nox浓度(u1)和由还原剂喷射器22喷射的入口剂量(u2))被输入到卡尔曼滤波器模块404和容量时效模型单元406中。卡尔曼滤波器模块404被构造为估计scr催化剂的当前存储容量(θ)作为估计或监测催化剂时效的指示。当θ的失效过期并且其估计尺寸减小到obd阈值θt(即，θ<θt)时，检测到催化剂故障。存储在容量时效模型单元406中的容量时效模型的特征如下：

θ(k+1)-θ(k)＝0

上面的第一等式描述了至少部分地基于采样或采样时间(k)的氨覆盖率(θ)、在采样时间k更新的估计催化剂nox转化效率在采样时间k更新的估计催化剂氨转化浓度在采样时间k更新的出口nox浓度(y1)、出口氨浓度(y2)、进入scr装置26的排气16的入口nox浓度(u1)、由还原剂喷射器22喷射的入口剂量(u2)以及多个预定参数(rr、ro、rd、ra)。在这里rr是nox还原速率，ro是氨氧化速率，ra是吸附速率，rd是解吸速率，它们各自通过在测试单元或实验室条件下的校准获取并存储在查询表中。

上面的第二公式描述了最大氨存储能力(θ)的变化，假设存储容量在催化剂寿命期间非常缓慢地变化，使得θ被认为是在采样时间(k+1)和k之间的常数。上面的第三等式涉及输出nox传感器34的测量值(ys)与模型化出口nox浓度(y1)、出口氨浓度(y2)以及进入scr装置26的排气16的流量(f)、scr装置26的体积(v)和温度(t)的预定查找因子(k(t,f/v))。在图5中所示的实施例中，经由位于scr装置26下游的出口nox传感器34获取排气16中的出口nox浓度的测量值(ys)。

基于这三个等式，施加卡尔曼滤波器模块404(存储本领域技术人员可用的设计的线性时变扩展卡尔曼滤波器)来估计采样时间(k+1)的氨覆盖率(θ)和估计存储容量(θ)。另外，催化剂nox转化效率催化剂氨转化效率出口nox浓度以及出口氨浓度的相应更新值可以如下从采样时间(k)的先前估计的氨气覆盖率(θ(k))和估计存储容量(θ(k))获取：

相应的更新值可以用于更新容量时效模型单元406。卡尔曼滤波器模块404被再次执行以估计θ和θ。控制器c可以被配置为将卡尔曼滤波器模块404和容量时效模型406的输出参数408发送到模型预测控制(mpc)模块450。mpc模块450用于获取基于当前的估计氨覆盖率θ和存储容量θ调整的入口剂量(u2)的优化值452。命令图1的还原剂喷射器22喷射优化值452(从mpc模块450获取)的入口剂量(u2)。

存储在容量时效模型单元406中的容量时效模型可以如下扩展为通用格式：

ys＝g(θ,u1,u2,t,f,θ)

如上面根据图2的框106所指出，控制器c被编程为基于估计阈值参数与阈值参数的比较来确定催化剂状态。在图2的方框108中，控制器c被编程为至少部分地基于催化剂状态来控制组件12的操作。确定催化剂状态可以包括将出口nox浓度随时间的第一积分(来自图3对5的测量积分单元210、310、410)与阈值nox浓度随时间的第二积分(来自图3到5的阈值积分单元230、330、430)进行比较。如果第一积分超过第二积分，则可以由控制器c产生诊断信号(∫y1dt>∫ytdt)。

在图5的实施例中，根据框106确定催化剂状态可以包括将估计存储容量(θ)与阈值存储容量(θt)进行比较。如果估计存储容量(θ)低于阈值存储容量(θt)，则可以由控制器c产生诊断信号(θ<θt)。诊断信号可以具有多种格式。例如，诊断信号可以包括在装置10的显示器42上指示消息。例如，诊断信号可以包括点亮显示器42上的“检查发动机”灯。诊断信号可以包括发送到装置10的车队管理器的诊断报告。

如果第一积分超过第二积分，则控制器可以被配置为将第一标记设定为真，并且如果估计存储容量(θ)低于阈值存储容量(θt)，则将第二标记设定为真。如果第一标志和第二标志中的至少一个为真，则控制器c可以被配置为产生诊断报告。如果第一标志和第二标志都为真，则控制器c可以被配置为命令发动机14例如通过以降低的速度转换到预定义操作模式减少排气16的产生。

总之，方法100提供了监测和控制组件12的有效方式。在一个实施例中，阈值存储容量(θt)被设定为来自scr装置26的排放增加到标称速率的1.5倍的点。校准的最大存储能力参数可以存储在控制器c中并且与物理scr装置26并行运行。将排出scr装置26的估计nox和氨浓度与用催化剂降解模型模拟的阈值nox和nh3氨浓度进行比较。

图1的控制器c可以是装置10的其它控制器(诸如发动机控制器)的整体部分或者是可操作地连接到其它控制器的单独模块。控制器c包括计算机可读介质(又称为处理器可读介质)，其包括参与提供可以由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形)介质。这种介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其它持久存储器。易失性存储器可以包括(例如)可以构成主存储器的动态随机访问存储器(dram)。这样的指令可以由一种或多种传输介质(包括同轴电缆、铜线和光纤(包括具有联接至计算机的处理器的系统总线的导线))传输。某些形式的计算机可读介质包括(例如)软磁盘、软盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、cd-rom、dvd、任何其它任何光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其它物理介质、ram、prom、eprom、flash-eeprom、任何其它存储器芯片或存储器盒或计算机可读的任何其它介质。

查找表、数据库、数据仓库或本文描述的其它数据存储装置可以包括用于存储、存取和检索各种数据的各种机构，包括分层数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用程序数据库、关系型数据库管理系统(rdbms)等。每个这样的数据存储装置均可以包括在采用诸如上述一种操作系统的计算机操作系统的计算装置内，并且可以经由网络以各种方式中的任何一种或多种来存取。文件系统可以从计算机操作系统存取，并且可以包括以各种格式存储的文件。rdbms除用于创建、存储、编辑和执行已存储的程序的语言(诸如上述pl/sql语言)之外还可以采用结构化查询语言(sql)。

详述和图式或图支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实行本发明的某些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个实例中描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考图式描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。