双SCR系统控制方法与流程

双scr系统控制方法
技术领域
1.本技术涉及一种控制车辆排气系统中的催化单元操作的方法，例如包括选择性催化还原(scr)单元的那些系统，其中存储在scr单元中的氨转化nox。其特别适用于包括位于第二scr单元上游的第一scr单元的排气系统，并且其中每个scr单元具有位于其上游的相应的尿素(还原剂)定量给料器(doser)单元。对于相应的scr单元，定量给料器定量供给被转化为氨(nh3)的尿素。其特别适用于控制所述定量给料器中的还原剂(尿素)定量给料的方法。


背景技术：

2.特别是在cn6b和euro 6d/euro7市场的柴油机应用中，需要改进的排放控制，因此这将需要比cn6a或euro6d-temp更复杂的车辆排气后处理系统。
3.一种典型的变型由双scr催化器(catalyst)(即两个串联设置的scr单元)与用于其的两个相应的单独的尿素/还原剂(例如adblue)定量给料器组合而构成。在这种系统的排气系统中，第一scr单元位于第二(下游)scr单元的上游。第二scr单元通常被称为地板下scr单元(uf scr)，并且第一scr单元通常是具有scr功能的组合柴油机微粒过滤器(dpf)；通常称为sdpf。下文中对sdpf的提及可理解为对第一(上游)scr单元的提及且可互换，而对uf scr的提及可理解为对第二(下游)scr单元的提及且可互换。
4.在高于450-500℃时，大部分nh3(来自尿素)在sdpf中被氧化，然后不能转化nox。在较冷的位置添加第二定量给料器允许在第二下游scr(例如uf scr)中的nox转化。
5.添加第二尿素注射点增加了scr控制的复杂性：第二尿素定量给料器为控制提供了额外的自由度。第二scr催化器可以用从sdpf中逸出的nh3进料，也可以通过用第二定量给料器直接注射尿素来进料。
6.对于两个独立的定量给料器，两个scr的控制需要新的开环和闭环方案。每个scr必须被控制以提供用于nox转化的给定的nh3存储量。昂贵的nox传感器必须保持最小数量。双定量给料器控制需要与单定量给料器控制具有通用性，并且需要避免控制和修正方法的激增。
7.这样的双定量给料器控制可能变得比单定量给料器复杂得多。demuynck等人的“integrated diesel system achieving ultra-low urban and motorway noxemissions on the road”的2019出版物(vienna 2019-aecc/iav)描述了一种双定量给料器控制系统。若干问题与这种控制相关联。所采用的卡尔曼滤波器打破了实际系统的物理/化学行为与控制之间的联系，这使得修正器难以基于物理/化学观察来微调控制。位于sdpf下游的nox传感器将在大多数时间与气体中高水平的nh3一起操作(nh3从sdpf中逸出)。这是由于sdpf需要高水平的nh3填充以在其最高可能的效率下执行。nox传感器对nh3交叉敏感，sdpf下游的nh3浓度和nox浓度的估算是非常不准确的。信号通常比现有技术的定量给料系统的输送精度低。此外，nox传感器显著增加了scr系统的总成本。如果不是绝对需要，应避免添加这种额外的传感器。
8.另一个问题是sdpf和scr之间的nh3信号(和nox)的不准确性，结合第二定量给料器的激活使得修正第二定量给料器的定量给料流量(闭环)的风险很大：当用后nox传感器闭合回路时，前定量给料器的漂移可能被错误地识别为第二定量给料器的漂移。在不良混合/降解的前scr导致的尿素逸出的情况下，这变得更加明显，即第二闭环错误地修正第二定量给料器。
9.上述控制及其附加的nox传感器的增加的复杂性难以判断，因为第二定量给料器主要(/仅)用于非常高的排气温度条件，例如dpf再生。在正常条件下，用第二定量给料器控制后scr而不是过度填充前scr以产生额外的nh3实际上对系统的整体nox性能是有害的：当它被nh3饱和时，sdpf性能显著增加，这是当前定量给料器用于控制两种scr催化器时的情况。


技术实现要素：

10.在一个方面，一种车辆排气系统中的第二定量给料器的操作的控制方法，所述系统包括第一scr催化单元和位于所述第一单元下游的第二scr催化单元，并且包括适于在所述第一单元上游注射还原剂的第一尿素定量给料器，并且其中所述第二尿素定量给料器位于所述第二催化单元上游并且适于在所述第二催化单元上游注射尿素，所述方法包括以下步骤：
11.a)基于所述第一scr单元的操作条件确定期望的nh3逸出分数，
12.b)基于所述期望的逸出分数控制第二定量给料器的操作。
13.当所述第一scr单元具有dpf功能时，可以根据所述第一scr单元的温度和/或所述第一scr单元的烟灰负载的变量确定所述期望的逸出分数。
14.所述逸出分数可以定义为a/(a b)，其中“a”是期望的nh3逸出量，“b”是通过所述第二定量给料器的操作提供的流向所述第二scr单元的nh3流量。
[0015]“a”和/或“b”的值可由所述期望的逸出分数和变量确定，所述变量包括存储在所述第二scr单元上的nh3的量和存储在所述第二scr单元上的目标nh3值。
[0016]“a”和/或“b”的值可以由所述期望的逸出分数和变量确定，所述变量包括实际计算的逸出流量。
[0017]
可以由所述第二scr单元的模型确定所述第二scr单元的存储的nh3。
[0018]
所述模型的输入可以是流向第二scr的总nh3流量。
[0019]
所述方法可包括根据计算的期望的逸出流量“a”控制第一定量给料器的操作。
[0020]
所述方法可包括确定“b”的值并根据该变量操作第二定量给料器。
[0021]
总nh3流量可以根据由所述第一scr单元的模型提供的模拟逸出流量和来自所述第二定量给料器的尿素的确定流量来确定。
[0022]
所述控制方法可以是开环或前馈。
附图说明
[0023]
现在将参照附图通过示例描述本发明，其中：
[0024]-图1示出了其中可以执行本发明的实施方式的双scr系统的示例；
[0025]-图2示出了可以如何确定逸出分数；
[0026]-图3示出了针对第二定量给料器的nh3逸出分数如何随操作条件而变化；
[0027]-图4示出了根据一个实例的控制的实施例。
具体实施方式
[0028]
图1示出了可以执行本发明的实施方式的双scr系统的示例。其示出了具有双定量给料器/scr后处理的车辆排气系统的一部分。实际上，存在第一上游scr(例如sdpf)单元1和其下游的第二scr单元2。在图1中示出了第一尿素定量给料器3和第二尿素/还原剂定量给料器/注射器4，第一尿素定量给料器3适于在第一单元的上游定量供给尿素/还原剂，第二尿素/还原剂定量给料器/注射器4适于在第二单元的上游(以及第一单元的下游)注射尿素/还原剂，其中sdpf代表dpf上的scr。如图所示，还设置有提供反馈控制的nox传感器5。虚线所示的传感器7和/或8可以不存在，而是存在于现有技术的系统中。在图中，“a”表示来自第一催化单元的nh3(逸出量)，“b”表示由第二尿素定量给料器提供的nh3流量。通常需要nox传感器7来测量进入系统(进入第一scr单元)的nox并用作控制中的输入。现有技术的系统包括位于第一和第二scr单元之间的另一nox传感器8。
[0029]
在本发明的各方面中，提供了一种用于这种双定量给料器(和双scr)的替代控制方法，其中存在两个scr单元，每个scr单元具有对应的相应定量给料器。
[0030]
scr单元/定量给料器系统的控制的一般前馈部分是已知的，并且在欧洲专利申请ep2899379a1中可以找到这种控制的实例，该专利申请描述了单个定量给料器(单和双scr)控制，因此在本文中没有详细描述。下面的描述集中于本发明针对双定量给料器的控制。
[0031]
基本上，在本发明的实例中，在某些情况下，该系统被控制为其中第二(下游)scr处于nh3填充状态，换言之，第二定量给料器的控制在某些情况下是基于来自前scr单元(sdpf)的nh3逸出量和根据期望的逸出分数的第二scr单元的第二尿素定量给料器两者。
[0032]
当第一单元具有dpf功能时，该期望的逸出分数被计算并且可以基于第一催化单元的(例如床)温度和/或其烟灰负载。
[0033]
就nox转化效率而言，通常较好的是通过提供由前scr单元(sdpf)提供的变量(例如额外的nh3逸出量)来控制nox转化，而不操作第二定量给料器。然而，当优选使用后定量给料器时，存在一些条件。例如，这是在前scr单元(sdpf)温度升高超过450℃的情况下，在前scr(sdpf)中越来越多的nh3被氧化，这意味着可用于后scr的nh3的量减少。在高出取决于例如sdpf技术的某一温度时，大部分nh3潜在地氧化成nox，这因此就处理后的nox而言是起反作用的。在现有技术系统中，控制通常接着切换成仅使用第二scr/定量给料器。
[0034]
根据本发明，当达到这些高温时，该控制允许用于第二scr的期望的/需求的nh3作为来自前scr的nh3逸出分数和来自第二尿素定量给料器的nh3来提供，而不是简单地切换成确定假定仅由第二定量给料器提供的期望的nh3(/尿素)。该控制调节对第二定量给料器的需求以提供该逸出分数，该逸出分数取决于第一定量给料器的操作条件。
[0035]
当第一scr是sdpf时，该期望的nh3逸出分数可以是第一scr床温度和/或第一scr中的烟灰负载的函数。可以基于这些参数之一或两者从查阅表或map中找到逸出分数。
[0036]
图2示出了可以如何确定逸出分数。查阅表/map10的输入是第一上游scr床温度11和/或第一scr烟灰负载12。输出13是期望的逸出分数。期望的逸出分数被定义为：
[0037]
期望的nh3_slip_fraction＝a/(a b)方程1
[0038]
其中“a”是期望的逸出量(由来自第一scr的逸出提供的nh3)，其被表示为nh3_flow_slip_dsrd，并且“b”是由第二尿素定量给料器提供的nh3，如图1所示。
[0039]
总共期望的nh3流量是a b，并且a和/或b的值可以基于此和所确定的期望逸出分数来确定。
[0040]
如果烟灰负载是临界的，则nh3逸出分数还考虑dpf烟灰负载以实现被动dpf再生，从而允许其脱离临界条件。被动再生需要nox存在于dpf中(则没有scr反应)。当过滤器负载太重(损坏的风险)时，禁止主动dpf再生。
[0041]
在理想条件下，推荐的逸出分数为1或0(即，根据温度单独使用每个定量给料器)，但是在实际条件下，最佳地，发明人已经确定逸出分数可以在两者之间，例如可以在1和0之间操作或转换，以实现最佳的nox性能并控制鲁棒性。
[0042]
本发明的方法仍然可以在低温下以100％的分数(用于后scr的期望的nh3完全由来自sdpf的nh3逸出控制提供)提供非常高的nox转化效率，并且通过在高sdpf温度下指定低或0％的分数(例如，用于后scr控制的所有期望的nh3的0分数由后定量给料器提供)来防止高温的nh3氧化问题，但是还允许如上所述的“混杂”或“混合”操作。
[0043]
在实例中，用于切换到“混合”控制(其中逸出分数不是0或1，即在这些值之间)的一个标准是使用sdpf中的烟灰负载的变量，这允许根据sdpf中的烟灰量来平衡该分数。通常，该特征允许前定量给料器的更早(更冷)失活以优选/有利于sdpf中的被动烟灰氧化：当nox在第一scr单元(sdpf)中被nh3转化时，其不能氧化烟灰。当sdpf临界地负载有烟灰时，通过nox的烟灰的被动氧化是高度期望的，因为它允许安全地将烟灰负载降低到低于允许启动主动dpf再生的临界水平：当dpf/sdpf负载太重时，活性dpf再生被抑制以防止过滤器的机械损坏。
[0044]
另一个标准是第一scr单元的(床)温度。
[0045]
在改进的实例中，可以限制期望的额外nh3逸出(逸出偏移)，例如用于防止出sdpf的nh3浓度过大。在这种情况下，限制的剩余部分由第二定量给料器提供，以便在第二scr处实现总共期望的nh3流量。
[0046]
期望的额外逸出可被认为是由第一定量给料器注入并逸出通过sdpf以对第二scr催化器进料的期望nh3流。限制的主要原因是软件：存在限制为2000ppm的内部变量，因此如果nh3逸出超过该限制，则软件错误地对系统建模，因此通常我们进行校准以使sdpf下游不超过2000ppm nh3的限制。
[0047]
实施例
[0048]
有效地根据本发明的实施例，系统可以从流入第二催化单元的所有nh3由第一scr/定量给料器系统提供的状态转换到一部分由第二定量给料器提供的状态，反之亦然，可以在一部分由第二定量给料器提供的情况下操作。根据实施例，该部分根据第一单元在温度和/或烟灰负载方面的状态来确定。在确定该部分(即逸出分数)之后，根据其控制第二定量给料器。因此，第二定量给料器需求根据(期望的)逸出分数制定。
[0049]
图3示出了针对第二定量给料器的nh3逸出分数如何随操作条件而变化。该图显示了针对第二定量给料器的nh3逸出分数如何表现。出于示范的目的，逸出分数已经被校准以在第二定量给料器上在相对低的温度下开始从0移动，并且还是出于示范的目的，随着控制，从在第二单元中由sdpf nh3逸出提供nh3而移动到第二定量给料器定量供给，分数平稳
地从0过渡到1。
[0050]
附图标记15(绿色)是scr床温度(tse scr_bed_temp)。附图标记16(紫色)是p-t_scr2_scr_nh3_flow dsrd_slip，其是来自前sdpf(和第一定量给料器)的额外nh3逸出需求的指示。附图标记17(红色)信号是第二定量给料器质量流量(p_t_scr_urea_mass_flow)。
[0051]
在时间t1之前，由于高sdpf温度，逸出分数为0。用于第二scr的nh3则完全由第二定量给料器提供。附图标记18(黄色)是p_t_scr2 scr nh3逸出分数)。当sdpf温度下降时，根据该方法计算的逸出(分数)开始增加，这允许由第二定量给料器定量供给的一些尿素流和来自sdpf的额外的nh3逸出需求。在时间t2，sdpf温度低，这使得完全通过sdpf nh3逸出来控制后scr是最佳的。然后该分数变成1，并且第二定量给料器关闭。
[0052]
实施例
[0053]
图4示出了根据一个方面的控制的实施例。该图示出了模型/查阅表的输入和输出，以及到和来自排气系统的物理部件，例如第一(上游定量给料器)和第二(下游)定量给料器的输入和输出。
[0054]
该图大致分为两部分；顶部示出了第一scr单元(例如sdpf)scr 1的控制，底部涉及第二scr控制(uf scr)scr 2。
[0055]
在顶部示出了对方框b1的输入(p_t_urea dosing方框)。输入是“p-t_scr_stored nh3 target”，其是用于第一scr的尿素的目标量。第二输入是p_t_scr2_scr_nh3_flow_slip_dsrd，其是期望的或需求的nh3逸出，即从第一scr单元出发至第二scr单元的nh3。如将要描述的那样进行计算。还有第三输入，其是p_t_scr_stored nh3的值，p_t_scr_stored nh3是第一scr单元中存储的nh3。因此，方框b1是p_t_urea_dosing图/模型，并且输出是第一定量给料器3的期望的尿素流量(需求量)，即p_t_scr_urea flow forward desired；换言之，方框b2所示的第一dcu定量给料器3(相当于第一scr单元上游的定量给料器)的需求信号。
[0056]
定量给料器单元3/方框b2的输出是第一定量给料器的变量pt scr urea mass flow(其可以测量或估算)，将其反馈，即输入到方框b3，方框b3是map/表或模型，其确定通过第一scr单元的nh3流“p_t_scr_nh3_flow”。这随后输入到第一scr单元的模型b4，并且b4的输出是p_t_scrnh3_slip_model，即从第一scr单元流出到第二scr单元的模拟nh3逸出。模型b4还确定p_t_scr_stored nh3的值并将其反馈到方框b1，p_t_scr_stored nh3是第一scr单元中存储的nh3。
[0057]
关于第二定量给料器的控制，这个值p_t_scrnh3_slip_model(从第一scr单元流出到第二scr单元的模拟nh3逸出)，连同如下文解释的所计算的变量p_t_scr2_urea mass flow(其是来自第二scr单元上游的第二scr定量给料器的质量流量)一起，被输入到方框b5。方框b5确定p_t scr 2_nh3_flow的值，该p_t scr 2_nh3_flow是流向第二scr单元的nh3的总流量，并且因此将包括逸出流量和由第二定量给料器提供的流向第二scr的nh3流量。此外，方框b5确定并输出p t scr2 scr slip nh3_flow的值，其是实际nh3逸出流量(实际上这是相同的，但是p_tscr_nh3_slip_model是浓度[ppm]，而p_t_scr2_scr_slip_nh3_flow是质量流量[mg/s])。
[0058]
实际逸出可以是模拟逸出，因为其可能无法测得。在实施方式中，实际nh3传感器或虚拟nh3传感器(基于nox传感器)可用于绕过p_tscr_nh3_slip_model，并且在这种情况
下，p_t_scr2_scr_slip_nh3_flow成为“测量的”nh3流量。
[0059]
然后，流向第二单元的总nh3流量(p_t scr 2_nh3_flow)被输入到方框b6所示的模型中，并且输出是pt_scr2_stored nh3，其是存储在第二scr单元上的nh3。这与p_t_scr2 stored target一起被输入到方框b7，p_t_scr2 stored target是存储在第二scr单元中的目标nh3值。另外是从方框b5确定的第三输入p t scr2_scr_slipnh3_flow(实际逸出流量)。
[0060]
关于方框b7，其是计算/使用所计算的期望的逸出分数之处。
[0061]
对方框7的输入是p_t_scr 2_scr_slip nh3 flow(其是实际的逸出流量(其被模拟或测量))、p_t scr 2stored nh3和p_t_scr2_stred nh3 target。逸出分数13被定义为如上所述的a/a b，并且可以被认为是在此确定的(例如由第一scr单元温度/烟灰负载确定)。方框b7确定“a”的值，即参数pt_scr_scr_nh3_flow slip_dsrd。这被输出到方框b1。此外，方框b7确定“b”的值，其是从第二定量给料器流向第二单元的nh3的期望值。这用于确定t scr 2urea flow desired的值(即位于第二scr单元上游的第二dcu尿素定量给料器4/b7的期望的尿素流量需求)。因此，该值是第二定量给料器单元的需求输入。通常，该值是仅具有变量“b”的函数，例如线性函数s0，在实例中，该值是k*b。
[0062]
所述值(a b)是总共期望的nh3流量，并且可以根据操作要求确定(例如在方框b7中)。要注意的是，可以有满足期望的逸出分数标准的多于一对的变量“a”和“b”。
[0063]
在上述实例中，控制可以被认为是开环(前馈控制)。在这种控制的实例中，这可以被定义为在控制中没有来自下游nox传感器8(和/或传感器5)的反馈。
[0064]
来自该单元的测量信号是p_t scr 2urea mass flow，其是来自定量给料器2的定量供给的尿素。该变量如所述的被给送到方框b5。
[0065]
如所述的，方框b7的另一输出是pt_scr_scr_nh3_flow slip_dsrd或方程1中的“a”，其如所述的输入到方框b1。该值相当于方程1中的“a”。因此，对于该值，这是由期望的逸出分数确定的(p_t_scr2_scr_nh3_slip fraction是如上参照图2描述的来计算的)。
[0066]
应当注意，方框b1、b3和b4中的任意个可以被组合并被认为是单个模型/控制方框。同样，方框b5、b6和b7中的任意个可以被组合并被认为是单个方框。