识别选择性催化还原应用中氨不漏失的条件

摘要

本发明涉及识别选择性催化还原应用中氨不漏失的条件。具体地，公开了一种系统，其包括采样模块、相关性确定模块和注射器控制模块。采样模块采样第一和第二信号，所述信号分别指示选择性催化还原(SCR)催化剂上游和下游的氧化氮(NOx)的量。第二信号还指示当氨从SCR催化剂释放时SCR催化剂下游的氨的量。相关性确定模块确定第一信号和第二信号之间的相关性的量，其中所述相关性的量指示氨从SCR催化剂释放的可能性。注射器控制模块基于所述相关性的量控制在SCR催化剂上游注入排气的还原剂的量。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月9日提交的美国临时申请No.61/224,254的权益。上述申请的公开内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及排放控制系统，更具体地涉及确定选择性催化还原系统中的氨漏失的可能性。

背景技术

本文所提供的背景技术描述的目的在于从总体上呈现本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在本背景技术部分所描述的程度上，以及在申请日时可能不作为现有技术的那些描述的方面，都既不明示也不暗示地确认为是抵触本公开的现有技术。

发动机排放出排气(废气)，排气包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和氧化氮(NOx)。排气处理系统降低排气中的CO、HC和NOx水平。排气处理系统可包括氧化催化剂(OC)(例如，柴油机OC)、颗粒过滤器(PF)(例如，柴油机PF)和选择性催化还原(SCR)系统。OC使CO和HC氧化以形成二氧化碳和水。PF从排气中除去颗粒物。SCR系统还原NOx。

SCR系统将还原剂(例如，尿素)在SCR催化剂的上游注入排气。还原剂形成氨，氨与SCR催化剂中的NOx反应。氨与SCR催化剂中NOx的反应还原NOx并产生排放二价氮和水。当过量的还原剂被注入排气时，过量的还原剂会形成过量的氨，所述氨在不反应的情况下经过SCR催化剂。

发明内容

一种系统，包括采样模块、相关性确定模块和注射器控制模块。采样模块采样第一信号和第二信号，所述信号分别指示选择性催化还原(SCR)催化剂上游和下游的氧化氮(NOx)的量。第二信号还指示当氨从SCR催化剂释放时SCR催化剂下游的氨量。相关性确定模块确定第一信号和第二信号之间的相关性的量，其中相关性的量指示氨从SCR催化剂释放的可能性(概率)。注射器控制模块基于所述相关性的量控制在SCR催化剂上游注入排气中的还原剂的量。

一种方法，包括采样第一信号和第二信号，所述信号分别指示选择性催化还原(SCR)催化剂上游和下游的氧化氮(NOx)的量。第二信号还指示当氨从SCR催化剂释放时SCR催化剂下游的氨量。所述方法还包括确定模块确定第一信号和第二信号之间的相关性的量，其中所述相关性的量指示氨从SCR催化剂释放的可能性。另外，所述方法包括基于所述相关性的量控制在SCR催化剂上游注入排气中的还原剂的量。

本发明还提供如下方案：

1.一种系统，包括：

采样模块，所述采样模块采样第一信号和第二信号，所述信号分别指示选择性催化还原(SCR)催化剂上游和下游的氧化氮(NOx)的量，其中所述第二信号还指示当氨从所述SCR催化剂释放时所述SCR催化剂下游的氨的量；

相关性确定模块，所述相关性确定模块确定所述第一信号和第二信号之间的相关性的量，其中所述相关性的量指示氨从所述SCR催化剂释放的可能性；以及

注射器控制模块，所述注射器控制模块基于所述相关性的量控制在所述SCR催化剂上游注入排气的还原剂的量。

方案2.如方案1所述的系统，其特征在于，所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量为统计相关性。

方案3.如方案1所述的系统，其特征在于，所述相关性确定模块确定与所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量相对应的相关系数。

方案4.如方案3所述的系统，其特征在于，所述相关系数为所述第一信号和第二信号之间线性关系的强度和方向的统计测量值。

方案5.如方案3所述的系统，其特征在于，所述相关性确定模块基于所述第一信号和第二信号的协方差、所述第一信号样本的标准差和所述第二信号样本的标准差确定所述相关系数。

方案6.如方案3所述的系统，其特征在于，当所述相关性的量大于预定相关性阈值时，所述注射器控制模块确定氨没有从所述SCR催化剂释放。

方案7.如方案6所述的系统，其特征在于，当所述相关性的量大于所述预定相关性阈值时，所述注射器控制模块控制注入所述排气的还原剂的量以增加储存在所述SCR催化剂中的氨的量。

方案8.如方案1所述的系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块基于所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量确定储存在所述SCR催化剂中的氨的量。

方案9.如方案8所述的系统，其特征在于，当所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量大于预定相关性阈值时，所述注射器控制模块控制注入所述排气的还原剂的量以增加所储存的氨的量。

方案10.一种方法，包括：

采样第一信号和第二信号，所述信号分别指示选择性催化还原(SCR)催化剂上游和下游的氧化氮(NOx)的量，其中所述第二信号还指示当氨从所述SCR催化剂释放时所述SCR催化剂下游的氨的量；

确定所述第一信号和第二信号之间的相关性的量，其中所述相关性的量指示氨从所述SCR催化剂释放的可能性；以及

基于所述相关性的量控制在所述SCR催化剂上游注入所述排气的还原剂的量。

方案11.如方案10所述的方法，其特征在于，所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量为统计相关性。

方案12.如方案10所述的方法，其特征在于，还包括确定与所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量相对应的相关系数。

方案13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述相关系数为所述第一信号和第二信号之间线性关系的强度和方向的统计测量值。

方案14.如方案12所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一信号和第二信号的协方差、所述第一信号样本的标准差和所述第二信号样本的标准差确定所述相关系数。

方案15.如方案12所述的方法，其特征在于，还包括当所述相关性的量大于预定相关性阈值时确定氨没有从所述SCR催化剂释放。

方案16.如方案15所述的方法，其特征在于，还包括当所述相关性的量大于所述预定相关性阈值时控制注入所述排气的还原剂的量以增加储存在所述SCR催化剂中的氨的量。

方案17.如方案10所述的方法，其特征在于，还包括基于所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量确定储存在所述SCR催化剂中的氨的量。

方案18.如方案17所述的方法，其特征在于，还包括当所述第一信号和第二信号之间的所述相关性的量大于预定相关性阈值时控制注入所述排气的还原剂的量以增加所储存的氨的量。

附图说明

根据详细描述和附图，本公开将得到更加全面的理解，附图中：

图1是根据本公开的发动机系统的功能方框图；

图2是示出根据本公开的选择性催化还原(SCR)系统转化率的曲线图；

图3是根据本公开的发动机控制模块的功能方框图；

图4A示出指示与到SCR系统的输入和SCR系统的输出对应的氧化氮的量的信号；

图4B示出SCR系统的氨漏失；

图4C根据本公开示出指示与到SCR系统的输入对应的氧化氮的量的信号和指示与SCR系统的输出对应的氧化氮的量的信号之间的相关性的量；

图5是根据本公开的流程图，其示出确定氨漏失的可能性的方法。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是示例性的，并不意于以任何方式限制本公开、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同附图标记来表示相似元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当解释为指的是使用非排他逻辑或的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，在不改变本公开原理的情况下，方法内的步骤可按照不同顺序执行。

如本文所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用处理器、专用处理器或组处理器)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适合部件。

选择性催化还原(SCR)系统包括还原剂注射器，其将还原剂注入排气以形成氨(NH₃)。例如，当还原剂注射器注入过量还原剂或当SCR系统温度升高时，可从SCR系统释放NH₃。NH₃从SCR系统的释放此后可被称为“NH₃漏失”。

根据本公开的漏失检测系统确定NH₃漏失发生的可能性。漏失检测系统可对来自氧化氮(NOx)传感器的信号进行采样，这些信号指示SCR催化剂上游和下游的氧化氮的量。SCR催化剂下游的NOx传感器还可指示当NH₃漏失发生时从SCR系统所释放的NH₃量。漏失检测系统可基于来自SCR催化剂上游和下游的NOx传感器的信号之间的相关性的量确定NH₃漏失发生的可能性。因此，漏失检测系统可基于该相关性的量控制注入SCR系统的还原剂的量以便增加SCR催化剂的效率并避免NH₃漏失的风险。

现在参照图1，发动机系统20(例如，柴油发动机系统)包括发动机22，其燃烧空气/燃料混合物以产生驱动扭矩。空气通过入口26被抽入进气歧管24。可包括节气门(未示出)以调节流入进气歧管24的空气流量。进气歧管24内的空气分配到气缸28中。尽管图1描绘了六个气缸28，但是发动机22可包括更多或更少的气缸28。尽管示出了压燃式发动机，但是也可以考虑火花点燃式发动机。

发动机系统20包括发动机控制模块(ECM)32，其与发动机系统20的部件通信。所述部件可包括发动机22、传感器和致动器，如本文所述。ECM 32可实施本公开的漏失检测系统。

空气从入口26通过质量型空气流量(MAF)传感器34。MAF传感器34生成MAF信号，其可指示流入进气歧管24的空气质量。歧管压力(MAP)传感器36放置在入口26和发动机22之间的进气歧管24中。MAP传感器36生成MAP信号，其指示进气歧管24中的空气压力。位于进气歧管24中的进气空气温度(IAT)传感器38生成IAT信号，其指示进气空气温度。

发动机曲轴(未示出)以发动机速度或与发动机速度成比例的速率旋转。曲轴传感器40生成曲轴位置(CSP)信号。CSP信号可指示曲轴的旋转速度和位置。

ECM 32致动燃料注射器42以将燃料注入气缸28。进气门44选择性地打开和关闭以使空气能够进入气缸28。进气凸轮轴(未示出)调节进气门44的位置。活塞(未示出)使气缸28内的空气/燃料混合物压缩并燃烧。替代地，空气/燃料混合物可使用火花点燃式发动机中的火花塞点燃。活塞在动力冲程过程中驱动曲轴以产生驱动扭矩。当排气门48处于打开位置时，气缸28内的燃烧产生的排气被迫使通过排气歧管46排出。排气凸轮轴(未示出)调节排气门48的位置。排气歧管压力(EMP)传感器50生成EMP信号，其指示排气歧管压力。

排气处理系统52可处理排气。排气处理系统52可包括氧化催化剂(OC)54(例如，柴油机OC)、SCR催化剂56(此后为“SCR 56”)和颗粒过滤器(PF)58(例如，柴油机PF)。OC 54使排气中的一氧化碳和碳氢化合物氧化。SCR 56使用还原剂以还原排气中的NOx。PF 58除去排气中的颗粒物。

发动机系统20包括定量给料系统60。定量给料系统60储存还原剂。例如，还原剂可包括尿素/水溶液。ECM 32致动定量给料系统60和还原剂注射器62(此后为“注射器62”)以控制注入SCR 56上游排气中的还原剂的量。

当注入排气时，注入排气的还原剂可形成NH₃。因此，ECM 32控制供给到SCR 56的NH₃量。SCR 56吸收(即，储存)NH₃。由SCR56储存的NH₃量此后可称为“NH₃储存水平”。ECM 32可控制供给到SCR 56的NH₃量以调节NH₃储存水平。储存在SCR 56中的NH₃与通过SCR 56的排气中的NOx反应。

排气处理系统52可包括第一NOx传感器64和第二NOx传感器65。NOx传感器64、65中的每个生成NOx信号，其指示排气中的NOx的量。第一NOx传感器64可放置在注射器62上游并可指示进入SCR 56的NOx量。第一NOx传感器64生成的信号可称作NOx_in信号。第二NOx传感器65可放置在SCR 56下游并可指示离开SCR 56的NOx量。第二NOx传感器65生成的信号可称作NOx_out信号。

从进入SCR 56的排气除去的NOx的百分比可被称为SCR 56的转化效率。ECM 32可基于NOx_in和NOx_out信号确定SCR 56的转化效率。例如，ECM 32可基于下列等式确定SCR 56的转化效率：

(等式1)

其中效率_SCR表示SCR 56的转化效率，NOx_in和NOx_out分别表示由NOx_in和NOx_out指示的NOx的量。

SCR 56的转化效率可与储存在SCR 56中的NH₃量有关。因此，ECM 32可控制注入排气中的还原剂的量以控制SCR 56的转化效率。将SCR 56的NH₃储存水平维持接近最大NH₃储存水平确保实现最大转化效率。然而，将NH₃储存水平维持处于或接近最大NH₃储存水平也增加了NH₃漏失的可能性。第二NOx传感器65也对NH₃交互敏感(cross-sensitive)。因此，NOx_out信号可指示流出SCR 56的排气中的NOx量和NH₃量二者。

SCR 56的温度升高可导致NH₃漏失。例如，在当SCR 56的温度在NH₃储存水平接近最大NH₃储存水平时升高时NH₃可从SCR 56释放。NH₃漏失还可由于排气处理系统52中的误差(例如，储存水平估计误差)或故障部件(例如，故障注射器)而发生。

发动机系统20可包括排气温度传感器66-1、66-2和66-3(总的为排气温度传感器66)。排气温度传感器66的每个都生成指示排气温度的排气温度信号。ECM 32可基于所述排气温度信号确定SCR 56的温度。尽管图1示出了三个温度传感器66，但是发动机系统20可包括多于或少于三个排气温度传感器66。

现在参照图2，示出了SCR 56的转化率(η)和SCR 56的NH₃储存水平之间的示例性关系。NH₃储存水平可被分成三个储存范围：低储存范围、最佳储存范围和过量储存范围。转化率可基于NOx_in和NOx_out信号。例如，转化率可由下列等式表达：

$\eta =\frac{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{out}}-{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{SLIP}}}{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in}}}$(等式2)

其中NOx_SLIP表示由于NH₃漏失而引起的NOx_out信号的分量。因此，通过第二NOx传感器65对NH₃的检测可减小转化率。

转化率可根据NH₃储存水平表示转化效率和/或NH₃漏失量。当NH₃储存水平处于低储存范围和最佳储存范围时，转化率可表示SCR56的转化效率。例如，当NH₃储存水平为低时(例如，接近零)，SCR 56的转化效率可为低(例如，接近零)。随着NH₃储存水平向过量储存范围增加，SCR 56的转化效率并且因此转化率可增加到最大值1。

NH₃漏失可能不在低储存范围和最佳储存范围发生，因为所注射的NH₃由SCR 56吸收和/或与NOx反应。因此，NOx_out信号主要反映排气中的NOx和很少的或没有NH₃。随着NH₃储存水平从低储存范围增加到最佳储存范围，NOx_out信号相对于NOx_in信号减小(即，转化效率增加)。

当NH₃储存水平增加到过量储存范围中时，转化率可表示NH₃漏失的量。例如，NOx_out信号的大小可由于检测到NH₃和NOx两者而增加，而NOx_in信号的大小仅指示NOx。因此，当NH₃储存水平处于过量储存范围时，NOx_out信号大小的增加可导致转化率的减小。

现在参照图3，ECM 32包括采样模块100、相关性确定模块102、漏失确定模块104和注射器控制模块106。ECM 32接收来自发动机系统20的输入信号。所述输入信号包括，但不限于，MAF、MAP、IAT、CSP、EMP、排气温度和NOx信号。ECM 32处理所述输入信号并生成定时的发动机控制命令，所述命令被输出到发动机系统20。发动机控制命令可致动燃料注射器42、定量给料系统60和注射器62。

采样模块100分别从第一NOx传感器64和第二NOx传感器6465接收NOx_in和NOx_out信号。采样模块100在采样周期采样NOx_in和NOx_out信号。相关性确定模块102确定所述采样周期期间NOx_in和NOx_out信号之间的相关性的量。漏失确定模块104基于所述相关性的量确定N H₃漏失发生的可能性。注射器控制模块106基于NH₃漏失发生的所述可能性控制定量给料系统60和注射器62。

采样模块100可在所述采样周期以预定采样率采样NOx_in和NOx_out信号。仅举例来说，预定采样率可包括1Hz且采样周期可为100秒。

现在参照图4A-4C，示出示例性采样得到的NOx信号、对应于采样得到的NOx信号的NH₃漏失和对应于采样得到的NOx信号的相关系数。现在参照图4A，示出示例性采样得到的NOx信号。数据点(即，虚线)表示采样得到的NOx_in信号。NOx_in信号可指示SCR 56上游的排气中的NOx的量。实线表示采样得到的NOx_out信号。因此，采样得到的NOx_out信号可指示SCR 56下游的排气中的NOx和/或NH₃的量。

图4A的采样得到的NOx信号可表示在第一周期期间不注入还原剂、接着在第二周期期间注入还原剂的情况下发动机系统20的运行。例如，发动机系统20可使注射器62从0秒到约1250秒关闭(即，不注入还原剂)。发动机系统20可使注射器62从约1250秒直到2500秒打开(即，注入还原剂)。在约1800-2000秒之间发生的NOx_out信号(实线)的峰可能由于NH₃漏失所致。

现在参照图4B，示出由于NH₃漏失所致的NOx_out信号的一部分。NH₃漏失在约1800至2100秒期间发生。NOx_out传感器可能没有区分NH₃和NOx。因此，图4B的NOx_out浓度数据可基于测量实际NH₃漏失的NH₃传感器与NOx_out传感器而被确定。

现在参照图4C，相关性确定模块102在采样周期期间可确定NOx_in和NOx_out信号之间的相关性的量。相关性确定模块102可确定对应于NOx_in和NOx_out信号的相关性程度的相关系数。在一些实施方式中，相关系数可为NOx_in和NOx_out信号之间线性关系的强度和方向的统计测量值。仅举例来说，相关性确定模块102可基于下列等式确定相关系数：

$\mathrm{Corr}({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in}},{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{out}})=\frac{\mathrm{Cov}({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in}},{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{out}})}{{\sigma }_{\mathrm{in}}·{\sigma }_{\mathrm{out}}}$(等式3)

其中Corr(NOx_in，NOx_out)是相关系数，Cov(NOx_in，NOx_out)是NOx信号的协方差。σ_in和σ_out分别表示采样周期期间NOx_in和NOx_out信号的标准差。

相关性确定模块102可基于下列等式确定协方差：

$\mathrm{Cov}=({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in},i}-\frac{1}{n}·\underset{i-n}{\overset{i}{\Sigma }}\left({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{in},i}\right))·({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{out},i}-\frac{1}{n}·\underset{i-n}{\overset{i}{\Sigma }}\left({\mathrm{NOx}}_{\mathrm{out},i}\right))$(等式4)

其中Cov是NOx信号的协方差。协方差可为NOx_in和NOx_out信号一起变化的程度的测量值。n可指示采样窗口的大小(例如，对于每个NOx信号所获取的样本个数)，i可为计数变量。

相关系数可为0和1之间的值。相关系数1可指示NOx信号之间的高相关性。例如，相关系数1可对应于NOx_in和NOx_out信号同样地一起移动的情况。相关系数0可指示NOx信号之间的低相关性。例如，如果NOx_in和NOx_out信号独立地作用时，相关系数可为0。

当NH₃储存水平处于低储存范围时相关系数可接近1，因为当NH₃储存水平为低时NOx_out信号近似跟随NOx_in。当NH₃储存水平从低储存范围增加到最佳储存范围时相关系数可减小，因为在最佳储存范围内NOx_out信号可不跟随NOx_in信号。当NH₃储存水平增加到过量储存范围时相关系数也可减小，因为NOx在SCR 56中被还原而NOx_out信号可指示从SCR 56释放的NH₃。

漏失确定模块104可基于相关系数和预定相关性阈值确定NH₃漏失发生的可能性。预定相关性阈值可根据所测量到的发动机系统20的性质尤其是根据影响SCR 56转化率的性质来设定。当NH₃储存水平处于低储存范围时，相关系数可大于预定相关性阈值，因为当NH₃储存水平为低时NOx_out信号近似跟随NOx_in。因此，漏失确定模块104可确定当相关系数大于预定相关性阈值时NH₃漏失的可能性为低。当NH₃储存水平从低储存范围增加到最佳/过量储存范围时，相关系数可小于预定相关性阈值，因为在最佳/过量储存范围内NOx_out信号可不跟随NOx_in信号。因此，漏失确定模块可确定当相关系数小于预定相关性阈值时NH₃漏失的可能性较高。

现在参照图4C，示例性预定相关性阈值可为约0.7。漏失确定模块104可确定当相关系数大于0.7时NH₃储存水平处于低储存范围。因此，漏失确定模块104可确定当相关系数大于0.7时NH₃漏失的可能性为低。漏失确定模块104可确定当相关系数小于0.7时NH₃储存水平处于最佳或过量储存范围。因此，漏失确定模块104可确定当相关系数小于0.7时NH₃漏失的可能性较高。

例如，漏失确定模块104可确定当相关系数大于预定相关性阈值预定长的时间时NH₃漏失的可能性为低。另外，漏失确定模块104可确定当相关系数小于预定相关性阈值预定长的时间时NH₃漏失的可能性为高。

注射器控制模块106可基于NH₃漏失的可能性控制注射器62。例如，当NH₃漏失的可能性为低时(即，相关系数大于预定相关性阈值)，很可能储存水平可处于低储存范围。因此，当NH₃漏失的可能性为低时，注射器控制模块106可注入还原剂以在SCR 56中储存更多NH₃。当NH₃漏失的可能性为高时(即，相关系数小于预定相关性阈值)，很可能储存水平可处于最佳储存范围或过量储存范围。因此，当NH₃漏失的可能性为高时，注射器控制模块106可不注入还原剂以防止NH₃漏失。

现在参照图5，用于确定NH₃漏失的可能性的方法200开始于步骤201。在步骤202，采样模块100在采样周期采样NOx_in和NOx_out信号。在步骤204，相关性确定模块102确定NOx_in和NOx_out信号的协方差。在步骤206，相关性确定模块102确定NOx_in和NOx_out信号之间的相关性。在步骤208，漏失确定模块104确定相关系数是否大于预定相关性阈值。如果步骤208的结果为“是”，则方法200继续到步骤210。如果步骤208的结果为“否”，则方法200继续到步骤212。在步骤210，漏失确定模块104确定NH₃漏失的可能性为低。在步骤212，漏失确定模块104确定SCR 56在最佳储存范围或过量储存范围运行。方法200在步骤214结束。

本公开的广泛教导可按照多种形式来实施。因此，虽然本公开包括了具体的示例，但本公开的真实范围却不应当受到限制，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求后将会明白其他的修改。