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用于氧化催化劑的車載性能監測的裝置和方法.pdf

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用于 氧化 催化劑 車載 性能 監測 裝置 方法
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摘要
申請專利號:

CN201310399475.8

申請日:

2013.09.05

公開號:

CN103670632A

公開日:

2014.03.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F01N 11/00申請日:20130905|||公開
IPC分類號: F01N11/00; F01N9/00; F01N3/20 主分類號: F01N11/00
申請人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
發明人: J.C.貝德福德; J.C.譚; J.E.科瓦爾科夫斯基
地址: 美國密執安州
優先權: 2012.09.05 US 13/604046
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 吳超;楊炯
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310399475.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.06.15|||2014.04.23|||2014.03.26

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及用于氧化催化劑的車載性能監測的裝置和方法。公開了廢氣處理系統,其可診斷廢氣處理氧化催化劑在轉換NO為NO2方面的性能。該廢氣處理系統流體聯接到內燃發動機,并且包括設置在發動機廢氣流中的氧化催化劑;用于在氧化催化劑的下游將還原劑噴射到廢氣流中的還原劑源;設置在還原劑源的下游的廢氣流中的SCR催化劑;和氣體傳感器,其設置在氧化催化劑的下游和還原劑源的上游的廢氣流中,并包括多個感測或泵送小隔室,其測量在廢氣氣體中的NO濃度和廢氣氣體中的NO2濃度。

權利要求書

權利要求書
1.  一種流體聯接到內燃發動機的發動機廢氣處理系統,包括:
氧化催化劑,其設置在發動機廢氣流中;
還原劑源,用于在氧化催化劑的下游噴射還原劑到廢氣流內;
SCR催化劑,其被設置在還原劑源下游的廢氣流中;以及
氣體傳感器,其在氧化催化劑的下游和還原劑源的上游被設置在廢氣流內,包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,并且其中如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對所述第一輸出的貢獻,并且如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對所述第二輸出的貢獻。

2.  如權利要求1所述的系統,還包括:控制器,其與氣體傳感器通信,所述控制器被構造成確定氧化催化劑的NO到NO2轉換。

3.  如權利要求2所述的系統,其中,控制器被構造成如果氧化催化劑的NO到NO2轉換落在預定值以下就產生錯誤警報信號。

4.  如權利要求2或3所述的系統,其中,控制器被構造成計算在氧化催化劑上游的廢氣流中的估算的NO與NO2比,以及將所述計算的估算值與由氧化催化劑下游的氣體傳感器確定的NO和NO2濃度比較以確定氧化催化劑的NO到NO2轉換效力。

5.  如權利要求1-4中任一項所述的系統,其中,氣體傳感器包括NO2感測小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx泵送小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。

6.  如權利要求1-4中任一項所述的系統,其中,氣體傳感器包括NO2能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。

7.  一種評價根據權利要求1-6中任一項的廢氣處理系統的性能的方法,包括:
讀取氣體傳感器的輸出以確定在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2濃度;以及
如果在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2的濃度中的任一個或兩個或者NO含量與NO2含量的比落在目標水平或范圍之外,那么生成警報信號。

8.  如權利要求7所述的方法,其中,目標水平或范圍是預定值。

9.  如權利要求7所述的方法,其中,如果在廢氣氣體中的NO2含量或者NO2與NO含量的比超過了預定值,就產生警報信號。

10.  如權利要求7所述的方法,其中,目標水平或范圍是基于在氧化催化劑上游的廢氣流中的NO和NO2濃度以及氧化催化劑的NO到NO2目標轉換計算的,其中在氧化上游的廢氣流中的NO和NO2濃度是基于發動機運行參數、廢氣處理系統運行參數、或環境參數中的一個或多個計算的。

說明書

說明書用于氧化催化劑的車載性能監測的裝置和方法
技術領域
本發明的示例性實施例涉及監測發動機廢氣系統,并且更具體地,涉及用于確定在發動機廢氣流中的氧化催化劑(DOC)的NO到NO2的轉換效力的裝置和方法。
背景技術
內燃發動機廢氣中的某些成分的減少受到極大關注。近來,關注點被放在了柴油發動機上。柴油發動機廢氣通常包含氣體排放物,例如二氧化碳 (“CO2”)、水蒸氣(“H2O”)、未燃燒的碳氫化合物(“HC”)、一氧化碳(“CO”)、和包括NO和NO2在內的氮氧化物(“NOx”),以及固體和/或液體凝聚相材料,這被稱之為微粒。對柴油發動機廢氣的處理可涉及各種催化設備,這些催化設備具有一個或多個設置在基體上的催化劑以減少在柴油廢氣中的規定的成分的水平。例如,柴油廢氣處理系統可包括氧化催化劑,還被稱為柴油氧化催化劑(DOC),以將HC和CO轉換為CO2和水;用于NOx的還原的催化劑;和微粒過濾器,還被稱為柴油微粒過濾器(DPF),用于去除微粒。
特別關注的一種柴油廢氣處理技術是使用選擇性催化還原(SCR)催化劑以還原NOx。這種技術包含由氨或氨源,例如尿素,催化增強的將NOx還原為氮氣和氧氣。這種還原反應的效率極大地受在進入SCR反應器的廢氣流中的NO2:NOx比的影響。這個比對SCR效率的影響在更低的運行溫度(例如,<300攝氏度)時尤其明顯。對于典型的沸石基SCR催化劑,期望的NO2:NOx比約是0.5,這是快速SCR反應所要求的。但是,從發動機出來的廢氣經常顯示出小于理想的NO2:NOx比,其小于0.2。幸運地,DOC設備,其在柴油廢氣處理系統中經常被放置在SCR反應器的上游,該設備能夠將NO轉換為NO2,使得在進入SCR反應器的廢氣流中的NO2:NOx比能更加緊密地接近理想比。
但是,依賴DOC設備來將NO轉換為NO2以提高在進入SCR設備的廢氣流中的NO:NO2比的一個問題是,DOC設備的NO到NO2的轉換效力可隨著使用時間和/或運行條件而變化。因此,可取的是,具有車輛車載的監測DOC廢氣處理設備的NO到 NO2的轉換效力的能力。不幸的是,大多數NOx傳感器不能區分NO和NO2,因此對DOC的NO到NO2的轉換效率的直接車載測量是不可行的。因此,可取的是,提供一種系統和方法,用以測量DOC廢氣處理設備的轉換NO為NO2的效力。
發明內容
在本發明的一個示例性實施例中,流體聯接到內燃發動機的廢氣處理系統包括:
氧化催化劑,其設置在發動機廢氣流中;
還原劑源,用于在氧化催化劑的下游噴射還原劑到廢氣流內;
SCR催化劑,其被設置在還原劑源下游的廢氣流中;以及
氣體傳感器,其在氧化催化劑的下游和還原劑源的上游被設置在廢氣流內,包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,并且其中如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對第一輸出的貢獻,并且如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對第二輸出的貢獻。
在本發明的另一示例性實施例中,有一種評價廢氣處理系統的性能的方法,該系統包括設置在發動機廢氣流中的氧化催化劑、用于在氧化催化劑的下游將還原劑噴射到廢氣流中的還原劑源、和在還原劑源的下游設置在廢氣流中的SCR催化劑。該方法包括:
讀取氣體傳感器的輸出,其在氧化催化劑的下游被設置在廢氣流內,以確定在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2的濃度,該氣體傳感器包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,并且其中如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對第一輸出的貢獻,并且如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對第二輸出的貢獻;以及
如果在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2的濃度中的任一個或兩個或者NO含量與NO2含量的比落在目標水平或范圍之外,那么生成警報信號。
通過參照附圖閱讀下面對本發明的詳細描述,會很容易理解本發明的上述特征和優點以及其它特征和優點。
本發明還提供了如下方案:
方案1. 一種流體聯接到內燃發動機的發動機廢氣處理系統,包括:
氧化催化劑,其設置在發動機廢氣流中;
還原劑源,用于在氧化催化劑的下游噴射還原劑到廢氣流內;
SCR催化劑,其被設置在還原劑源下游的廢氣流中;以及
氣體傳感器,其在氧化催化劑的下游和還原劑源的上游被設置在廢氣流內,包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,并且其中如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對所述第一輸出的貢獻,并且如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對所述第二輸出的貢獻。
方案2. 如方案1所述的系統,還包括:控制器,其與氣體傳感器通信,所述控制器被構造成確定氧化催化劑的NO到NO2轉換。
方案3. 如方案2所述的系統,其中,控制器被構造成如果氧化催化劑的NO到NO2轉換落在預定值以下就產生錯誤警報信號。
方案4. 如方案2所述的系統,其中,控制器被構造成如果氧化催化劑下游的NO2與NO比落在預定值以下就產生錯誤警報信號。
方案5. 如方案2所述的系統,其中,控制器被構造成計算在氧化催化劑上游的廢氣流中的估算的NO與NO2比,以及將所述計算的估算值與由氧化催化劑下游的氣體傳感器確定的NO和NO2濃度比較以確定氧化催化劑的NO到NO2轉換效力。
方案6. 如方案1所述的系統,其中,氣體傳感器包括NO2感測小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx泵送小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。
方案7. 如方案1所述的系統,其中,氣體傳感器包括NO2能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。
方案8. 如方案1所述的系統,還包括:微粒過濾器,其定位在SCR催化劑的下游。
方案9. 一種評價廢氣處理系統的性能的方法,該系統包括設置在發動機廢氣流中的氧化催化劑、用于在氧化催化劑的下游將還原劑噴射到廢氣流中的還原劑源、和在還原劑源的下游設置在廢氣流中的SCR催化劑,該方法包括:
讀取氣體傳感器的輸出,其在氧化催化劑的下游被設置在廢氣流內,以確定在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2的濃度,所述氣體傳感器包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,并且其中如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對第一輸出的貢獻,并且如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對第二輸出的貢獻;以及
如果在氧化催化劑下游的廢氣流中的NO和NO2的濃度中的任一個或兩個或者NO含量與NO2含量的比落在目標水平或范圍之外,那么生成警報信號。
方案10. 如方案9所述的方法,其中,目標水平或范圍是預定值。
方案11. 如方案9所述的方法,其中,如果在廢氣氣體中的NO2含量或者NO2與NO含量的比超過了預定值,就產生警報信號。
方案12. 如方案9所述的方法,其中,目標水平或范圍是基于在氧化催化劑上游的廢氣流中的NO和NO2濃度以及氧化催化劑的NO到NO2目標轉換來計算的。
方案13. 如方案12所述的方法,其中,在氧化上游的廢氣流中的NO和NO2濃度是基于發動機運行參數、廢氣處理系統運行參數、或環境參數中的一個或多個來計算的。
方案14. 如方案9所述的方法,其中,氣體傳感器包括NO2感測小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx泵送小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。
方案15. 如方案9所述的方法,其中,氣體傳感器包括NO2能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx能斯特小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。
附圖說明
其它目標、特征、優點和細節僅以舉例方式出現在下面對實施例的詳細描述中,該詳細描述參考下面附圖,其中:
圖1是根據本發明的示例性實施例的廢氣處理系統的示意圖;
圖2是根據本發明示例性實施例的描繪確定氧化催化劑中的NO到NO2的轉換效力的方法的框圖。
具體實施方式
現在參照圖1,本發明的示例性實施例涉及廢氣處理系統10,其用于減少來自內燃發動機,例如柴油發動機12,的發動機廢氣的規定成分。該系統包括廢氣導管13,其收集來自柴油發動機12的廢氣并將其輸送給系統中的處理設備,例如氧化催化劑14、SCR催化劑16、和微粒過濾器18。氣體傳感器22測量在氧化催化劑14下游的廢氣氣體中的NO和NO2的濃度值。其它的傳感器(未示出),例如溫度傳感器、氧傳感器、氨傳感器等,可被包含在廢氣處理系統中的不同位置,這在本領域中是已知的。
還原劑源34被連接到還原劑噴射器32以在SCR催化劑16的上游將還原劑噴射到發動機廢氣流內從而提高SCR催化劑在還原NOx排放物方面的效力。還原劑可包括任何已知的還原藥劑,例如氨或尿素。尿素通常被用作用于機動車廢氣SCR處理方案的還原藥劑,并且還被US EPA稱為柴油廢氣流體(DEF)。
控制模塊30接收來自氣體傳感器22和任選地來自其它的傳感器部件的輸入并將輸出設置通信給還原劑噴射器32。控制模塊30還接收輸入數據并將輸出設置通信給發動機12內的各種部件,以及在其它車載車輛系統中的其它傳感器和設備。控制模塊30可以是任何已知類型的控制模塊,例如微處理器,其與包含數據和指令的存儲介質聯接,這些數據和指令用于控制系統10并執行根據本發明的示例性實施例的方法。
根據本發明的示例性實施例,控制模塊30診斷氧化催化劑14的NO到NO2轉換效力,其可進而提供關于SCR在還原NOx排放物方面的效率的有用信息并且可控制發動機運行參數以實現有效的廢氣預熱和相應地尿素溶液(DEF)按劑量供給速度的最優化。這樣做時,控制模塊30依賴于在氧化催化劑下游的廢氣氣體中的NO和NO2的相對量。
現在參照圖2,圖示了說明根據本發明的示例性實施例的控制算法的一部分的流程圖,以用于執行診斷以確定氧化催化劑的NO到NO2轉換效力。在這個示例性實施例中,控制算法100被實施為在車輛的運行期間由電子控制模塊(ECM)開始的診斷的結果,在這種情況下,該算法在步驟101檢查條件是否存在以引起確定氧化催化劑的NO到NO2轉換效力的診斷例程的開始。這些條件可根據發動機和其廢氣系統的特定設計和運行參數而變化,并且可包括,例如,經過了累積時間的發動機運行、合適的DOC進口和/或出口溫度、異常傳感器讀數,例如在SCR催化劑下游的廢氣流中的氨的意外的濃度、或者本領域技術人員能認識到的其它因素。
算法邏輯路徑此后移動到決定節點102,在那里該算法評價是否滿足了繼續進行診斷的條件。如果條件沒有滿足,那么邏輯路徑沿著路徑104循環回到框101。如果條件得到滿足,那么邏輯路徑沿著路徑106前進到框108,其可用于監測在氣體傳感器22下游的廢氣氣體中的NO和NO2水平(圖1)。氧化催化劑的熱響應曲線(即,進口和出口溫度),以及確定氧化催化劑的NO到NO2轉換效力所需的任何其它數據,包括但不限于催化劑的老化信息(例如,累積運行小時數和/或在噴射之后期間內的累積運行小時數)、廢氣流速、和噴射后的燃料量。
從框108,邏輯路徑前進到決定節點112,其將廢氣氣體中的NO和NO2比與預定值比較,例如SCR催化劑16的期望性能所需的值(圖1),或者可由控制模塊30或其它的系統水平的控制微處理器基于發動機、廢氣、或其它系統參數,例如廢氣溫度、廢氣流速、上游NOX濃度等計算或從查詢表確定的值。如果廢氣氣體中的NO2到NO比落在目標水平或范圍之外,那么控制沿著路徑114前進到步驟118,在那里控制模塊30(圖1)產生錯誤警報通知或其它合適的系統水平通信信號,接著返回到框101以等待或開始下一診斷例程。如果在廢氣氣體中的NO2到NO比滿足目標水平或范圍,那么控制沿著路徑122前進到框101以等待或開始下一診斷例程。
在另一示例性實施例中,決定節點112可將氧化催化劑下游的NO和NO2的相應水平與氧化催化劑上游的水平比較并且與目標值或范圍進行比較。上游NO和NO2水平可由在氧化催化劑上游的第二氣體傳感器(未示出)直接測量或者它們可基于系統信息,例如發動機運行參數,來被估計。
在本發明的實踐中使用的氣體傳感器包括多個感測或泵送小隔室,其中第一小隔室能夠產生第一輸出,該第一輸出單獨地指示NO2的濃度或者指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,以及第二小隔室能夠產生第二輸出,該第二輸出單獨地指示NO的濃度或者指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度。如果第一輸出指示NO2與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO2濃度對第一輸出的貢獻。另外,如果第二輸出指示NO與一個或多個其它成分的組合的濃度,那么該傳感器包括帶有感測能力的小隔室,該感測能力足以分離出NO濃度對第二輸出的貢獻。這樣的傳感器是本領域技術人員已知的并且例如被公開在美國專利申請公開 US 2010/0077833 A1和/或US 2010/0161242 A1中,這兩個文獻的公開通過引起全部并入本文。
在示例性實施例中,氣體傳感器包括NO2感測小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx泵送小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO和NO2的組合濃度。這種氣體傳感器例如在上述US 2010/0161242 A1中被公開。如果發動機能夠在一些運行條件下產生包含可測量水平的氨的廢氣氣體,那么該氣體傳感器也能包括NH3感測小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中NH3的濃度。這種NH3感測小隔室將允許NH3含量被從由NOX泵送小隔室產生的讀數中減去,其通常不區分在廢氣氣體中的NO、NO2和NH3含量。
在另一示例性實施例中,氣體傳感器包括NO2能斯特(Nernst)小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的NO2濃度;以及NOx能斯特(Nernst)小隔室,其產生的輸出指示在廢氣氣體中的組合的NO和NO2的濃度。這種氣體傳感器例如在上述US 2010/0077833 A1中被公開。
雖然已經參照示例性實施例描述了本發明,但是本領域技術人員應該理解,在不脫離本發明范圍的情況下,可以進行各種修改并且等同方式可用來替換本發明中的元件。而且,在不脫離本發明的實質范圍的情況下,可進行許多改進以使特定的情況或材料適應本發明的教導。因此,并不意圖將本發明限定為所公開的特定的實施例,而本意是本發明將包括所有落入本申請的范圍內的實施例。

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