專利名稱：基于NO_X傳感器反饋的選擇性催化還原系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的后處理系統(tǒng)，更具體地涉及基于NOx傳感器反饋的選擇 性催化還原(SCR)系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
這里提供的背景描述是為了總體上給出本發(fā)明的背景。在本背景技術(shù)部分描述 的范圍內(nèi)，當(dāng)前署名的發(fā)明人的作品以及該描述的在提交申請時(shí)可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的方 面，既非明確地也非隱含地被認(rèn)為是本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。內(nèi)燃發(fā)動機(jī)燃燒空氣和燃料的混合物以產(chǎn)生驅(qū)動扭矩。燃燒過程產(chǎn)生從發(fā)動機(jī)排 向大氣的廢氣。廢氣中含有氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和顆粒物。在 廢氣被釋放到大氣中之前,后處理系統(tǒng)對廢氣進(jìn)行處理以降低排放。在示例性的后處理系 統(tǒng)中，計(jì)量供給系統(tǒng)在選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的上游向廢氣中噴射計(jì)量供給劑(例如 尿素)。尿素通過熱分解而分裂從而形成氨(NII3)。NII3是在SCR系統(tǒng)中通過催化劑與NOx 反應(yīng)的還原劑。

發(fā)明內(nèi)容
一種選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，包括確定NOx的第一濃度的第一傳感器、確定 NOx和NH3的第二濃度的第二傳感器和故障確定模塊。所述故障確定模塊基于所述第一和 第二濃度診斷SCR裝置中的計(jì)量供給劑和催化劑中至少--項(xiàng)的故障。在其它特征中，所述第一傳感器為設(shè)置在SCR裝置上游的NOx傳感器。所述第二 傳感器為設(shè)置在SCR裝置下游且對NH3也敏感的NOx傳感器。所述第二濃度對應(yīng)于NOx與 NH3的組合濃度。當(dāng)所述第二濃度大于所述第一濃度時(shí),所述故障確定模塊診斷所述催化劑 存在故障。當(dāng)所述第二濃度在所述第一濃度的范圍內(nèi)時(shí),所述故障確定模塊診斷所述計(jì)量 供給劑的質(zhì)量是差的。一種診斷選擇性催化劑還原(SCR)系統(tǒng)的方法，包括確定NOx的第一濃度；確定 NOx和NH3的第二濃度；以及基于所述第一和第二濃度確定SCR系統(tǒng)中的計(jì)量供給劑和催 化劑中至少一項(xiàng)的故障。根據(jù)下文中所提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明適用性的其它方面也是顯而易見的。應(yīng)當(dāng) 理解，盡管示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是其詳細(xì)描述和具體示例僅僅是示意性目的，而 不是限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)描述和附圖可更全面地理解本發(fā)明，附圖中圖1為包括根據(jù)本發(fā)明的選擇性催化還原(SCR)診斷模塊的示例性車輛系統(tǒng)的原 理框圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的SCR診斷模塊的原理框圖；圖3為由在具有可接受的轉(zhuǎn)化效率的SCR系統(tǒng)的....Ll游和下游的第一和第二 NOx傳 感器測得的濃度的示例性曲線；圖4和5為由在具有差的轉(zhuǎn)化效率的SCR系統(tǒng)的上游和下游的第一和第二 NOx傳 感器測得的濃度的示例性曲線；以及圖6為根據(jù)本發(fā)明的診斷SCR系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，而絕不是用于限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。 為清楚起見，附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來表示相似的元件。如本文中所使用的，術(shù)語“模 塊”指的是專用集成電路(ASIC)、電子電路、執(zhí)行一種或多種軟件或固件程序的處理器(共 享的、專用的或成組的)和存儲器、組合邏輯電路和/或提供所述功能的其它合適部件。可在SCR系統(tǒng)的上游和下游設(shè)置NOx傳感器，以監(jiān)測廢氣中的NOx濃度。SCR系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)化效率可基于NOx傳感器的測量來確定。當(dāng)轉(zhuǎn)化效率低于閾值時(shí)，SCR系統(tǒng)被診斷為 存在故障。但是，轉(zhuǎn)化效率并不提供有關(guān)SCR系統(tǒng)的哪一部分導(dǎo)致效率變差的信息。根據(jù)本發(fā)明的SCR診斷模塊使用第一 NOx傳感器確定第一 NOx濃度,并使用第二 NOx傳感器確定第二 NOx濃度。第一和第二 NOx傳感器分別設(shè)置在SCR系統(tǒng)的上游和下游。 第二 NOx傳感器還對NH3具有敏感性。當(dāng)?shù)诙?Ν0χ/ΝΗ3濃度高于第一 NOx濃度時(shí)，診斷模塊 診斷SCR系統(tǒng)的催化劑中存在故障。當(dāng)?shù)谝?NOx濃度在第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度的范圍內(nèi)時(shí),診 斷模塊便診斷計(jì)量供給劑的質(zhì)量差?，F(xiàn)在參考圖1,示例性車輛系統(tǒng)10包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)12和后處理系統(tǒng)14。發(fā)動機(jī) 系統(tǒng)12包括具有氣缸18、進(jìn)氣歧管20和排氣歧管22的發(fā)動機(jī)16。空氣通過節(jié)氣門24流 入進(jìn)氣歧管20。空氣與燃料混合，并且空氣和燃料的混合物在氣缸18中燃燒以驅(qū)動活塞 (未示出)。盡管示出的是一個(gè)氣缸18,但是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)1.2可包括其它額外的氣缸18。例 如，可想到具有2、3、4、5、6、8、10、12和16個(gè)氣缸的發(fā)動機(jī)?？梢韵氲?本發(fā)明可使用在汽 油機(jī)和柴油機(jī)中。廢氣通過燃燒過程產(chǎn)生，并從氣缸18排入排氣歧管22。在廢氣被釋放到大氣中之 前,后處理系統(tǒng)14處理從其中流過的廢氣以降低排放。后處理系統(tǒng)14包括柴油氧化催化 劑(DOC) 32、選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)34和柴油顆粒過濾器(DPF) 36。DOC 32通過氧化 減少顆粒物質(zhì)(PM)、基于可溶有機(jī)組分(SOF)的碳?xì)浠衔铩⒁约耙谎趸?。SCR系統(tǒng)314 通過還原去除NOx。DPF 36從廢氣中去除柴油顆粒物質(zhì)和/或煤煙。DOC 32、SCR系統(tǒng)34 和DPF 36可按不同于圖1所示的順序布置。SCR系統(tǒng)34包括計(jì)量供給系統(tǒng)38、噴射器40和SCR裝置42。計(jì)量供給系統(tǒng)38通過噴射器40在SCR裝置42的上游向廢氣中噴射計(jì)量供給劑(即尿素)。尿素通過熱分解 轉(zhuǎn)化為NH3。NH3是在SCR裝置42中通過催化劑與NOx反應(yīng)以還原NOx的還原劑。下面的示例性化學(xué)關(guān)系描述了 NOx 的還原4NH3+4N0+02 — 4N2+6H204NH3+2N0+2N02 — 4N2+6H204NH3+3 NO2 — 3. 5N2+6H20所需的NH3量以及因此要被噴射到廢氣中的尿素的量取決于SCR裝置42上游的 NOx濃度。SCR裝置42上游和下游的NOx濃度分別由第一 NOx傳感器44和第二 NOx傳感器 46監(jiān)測。盡管第一 NOx傳感器44被示出為設(shè)置在DOC 32與SCR裝置42之間，但是第一 NOx傳感器44可設(shè)置在排氣歧管22與SCR裝置42之間的任意適當(dāng)位置。第一 NOx傳感器44可以對NH3敏感或不敏感。第一 NOx傳感器44輸出對應(yīng)于SCR 裝置42上游的第一 NOxZNH3濃度的第一信號。當(dāng)?shù)谝?NOx傳感器44設(shè)置在噴射器40的 上游時(shí)，第一 NOx傳感器44不暴露于NH3。因此，第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度表示SCR裝置42上游 的廢氣中的NOx濃度。如果第一 NOx傳感器44對NH3的存在沒有響應(yīng),第一 NOx傳感器44 可設(shè)置在噴射器40的下游和SCR裝置42的上游。第二 NOx傳感器46對NH3敏感,并對NH3和NOx的存在都有響應(yīng)。第二 NOx傳感 器輸出對應(yīng)于SCR裝置42下游的第二 NOxZNH3濃度的第二信號。第二 NOx傳感器46設(shè)置 在噴射器40的下游，并可暴露于NH3。因此，第二 Ν0Χ/ΝΗ3濃度可對應(yīng)于NOx的濃度、NH3的 濃度、或NOx和NH3的組合濃度。第二 NOx傳感器46輸出的第二信號取決于例如SCR裝置42上游的NOx濃度、噴入 廢氣的尿素量、尿素轉(zhuǎn)化為NH3的效率、和SCR裝置42的NOx轉(zhuǎn)化效率。NOx轉(zhuǎn)化效率(或 還原效率)定義如下轉(zhuǎn)化效率=(1-md_stream/mupsteeam) X100%其中，mupstl.eam為SCR裝置42 上游廢氣中的NOx濃度，md。wnstream為SCR裝置42下游廢氣中的NOx濃度。控制模塊50包括基于第一 NOx傳感器44的第--信號和第二 NOx傳感器46的第 二信號診斷故障的SCR診斷模塊52。參考圖2，SCR診斷模塊52包括濃度確定模塊54、轉(zhuǎn)化效率確定模塊56和故障確 定模塊58。濃度確定模塊54確定SCR裝置42上游和下游的第一 N()x/NH3濃度和第二 NOx/ NH3濃度。轉(zhuǎn)化效率確定模塊56基于第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度和第二 Ν0Χ/ΝΗ3濃度確定轉(zhuǎn)化效率。 故障確定模塊58通過將第一 Ν0Χ/ΝΗ3濃度與第二 Ν0Χ/ΝΗ3濃度進(jìn)行比較來診斷SCR裝置42 中的計(jì)量供給劑(即尿素)和催化劑之一的故障。更具體地,濃度確定模塊54分別基于第一和第二 NOx傳感器44和46的第一和第 二輸出信號來確定第一 NOxZNH3濃度和第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度。Wr一 Ν0χ/ΝΗ3濃度對應(yīng)于SCR裝 置42 ....Ll游的NOx濃度(即mupstl,eam)。第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度對NH3也敏感。因此，第二 Ν0χ/ΝΗ3 濃度并非必然對應(yīng)于SCR裝置42下游的NOx濃度，當(dāng)廢氣中存在NII3時(shí)，其也可對應(yīng)于NOx 和NH3的組合濃度。轉(zhuǎn)化效率確定模塊56基于第-- Ν0χ/ΝΗ3濃度和第二 NOxZNH3濃度確定SCR系統(tǒng)34 的轉(zhuǎn)化效率。盡管第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度并非必然反應(yīng)SCR裝置42下游的實(shí)際NOx濃度，但是 基于第二 NOxZNH3濃度的轉(zhuǎn)化效率仍可以恰當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)提供的轉(zhuǎn)化效率好或差的指示。當(dāng)轉(zhuǎn) 化效率低于第一閾值時(shí)，SCR系統(tǒng)34被診斷為存在故障。故障確定模塊58確定SCR系統(tǒng) 34的哪個(gè)部分出現(xiàn)故障并導(dǎo)致了轉(zhuǎn)化效率變差。可選地，在SCR裝置42的下游可設(shè)置對NH3不敏感的另一 NOx傳感器，以測量下游的實(shí)際NOx濃度。這樣，可確定實(shí)際的轉(zhuǎn)化效率，以更加精確地確定SCR系統(tǒng)42是否存在故障?？蛇x地，下游NOx濃度可基于發(fā)動機(jī)參數(shù)來估計(jì)。圖3示出了 SCR系統(tǒng)34的根據(jù)需要(例如，具有超過閾值的轉(zhuǎn)化效率)執(zhí)行的第一和第二 NOxZNH3濃度。在該示例中，第一 NOxZNH3濃度為IOOppm,第二 NOxZNH3濃度為 Sppm0第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度低于第一 N()x/NH3濃度,并且轉(zhuǎn)化效率為95%。圖4示出了 SCR系統(tǒng)34的沒有根據(jù)需要(例如,具有低于閾值的轉(zhuǎn)化效率)執(zhí)行 的第一和第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度。在該示例中，第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度為IOOppm,第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度 為250ppm。第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度高于第一 NOxZNH3濃度。基于第一和第二 NOxZNH3濃度的轉(zhuǎn) 化效率是負(fù)的，低于第一閾值。當(dāng)SCR裝置42中不發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)，SCR裝置42下游的實(shí)際NOx濃度應(yīng)當(dāng)最多 等于SCR裝置42上游的NOx濃度。第二 NOx傳感器46對NH3也敏感，并且可能暴露于NH3。 因此，增大的第二 NOxZNH3濃度可歸因于SCR裝置42下游廢氣中所含的NH3。第一 NOx傳 感器44設(shè)置在噴射器40的上游，并且不暴露于NH3。增大的Ν0χ/ΝΗ3濃度表示尿素已轉(zhuǎn)化 為NH3,但是還原反應(yīng)可能未發(fā)生或者可能無法有效減少廢氣中的NH3和NOx。當(dāng)SCR裝置 42具有退化的催化劑時(shí)，還原反應(yīng)可能不會發(fā)生或可能效率降低。因此，當(dāng)?shù)谝?NOxZNH3濃 度高于第二 NOxZNH3濃度時(shí),故障確定模塊58診斷SCR裝置42中的催化劑存在故障。圖5示出了具有差轉(zhuǎn)化效率的SCR系統(tǒng)34的其它示例性的第一和第二 Ν()Χ/Ν 3濃 度。在該示例中，第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度為IOOppm,第二 NOxZNH3濃度為99ppm。第二 Ν0χ/'ΝΗ3濃 度低于且接近(即，在期望的范圍內(nèi))第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度。轉(zhuǎn)化效率接近零，低于第一閾值。 相似的濃度表明SCR裝置42中未發(fā)生還原反應(yīng)，并且SCR裝置42中不存在NH3。沒有還原 劑(即NH3)無法發(fā)生還原反應(yīng)。當(dāng)尿素被水和/或其它化學(xué)物質(zhì)稀釋并具有差的質(zhì)量時(shí)， 尿素便無法在后處理系統(tǒng)14中轉(zhuǎn)化為NH3。因此，當(dāng)?shù)诙?NOxZNH3濃度低于第一 Ν0χ/ΝΗ3濃 度但與第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度大致相同時(shí)，故障確定模塊58診斷尿素的質(zhì)量是差的。應(yīng)該注意，假定廢氣中不含有NH3,當(dāng)mups eam與md_steeam相同時(shí)，第一和第二 NOx傳 感器44和46不一定會輸出表示相同濃度的相同信號。例如，NOx傳感器的制造公差、SCR 裝置42的NH3存儲效應(yīng)、和廢氣中NOx的不均勻分布均可影響第一和第二 NOx傳感器44和 46的測量值。因此，接近(即，在期望范圍內(nèi))但不相同的第一和第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度可表示 Hiupstream與md_stream相同，并且SCR裝置42中未發(fā)生還原反應(yīng)。考慮到第一和第二 NOx傳感 器44和46的公差，當(dāng)?shù)谝慌c第二 NOxZNH3濃度之間的差低于第二閾值時(shí),故障確定模塊58 可診斷尿素的質(zhì)量是差的。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)尿素部分地轉(zhuǎn)化為NH3并且在SCR裝置42中部分地發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)， 本發(fā)明的SCR診斷模塊52可能診斷尿素的質(zhì)量是差的。在這種情形下，第二 Ν0Χ/ΝΗ3濃度 可能低于第一 Ν()Χ/Ν 3濃度,但不在第一 Ν0χ/ΝΗ3濃度的范圍內(nèi)?？汕‘?dāng)?shù)剡x擇一個(gè)閾值以 便在具有可接受稀釋度的尿素與具有不可接受稀釋度的尿素之間進(jìn)行區(qū)別?？蛇x地，故障確定模塊58可使用計(jì)算出的轉(zhuǎn)化效率來確認(rèn)SCR系統(tǒng)34的哪個(gè)部 分存在故障。例如,如參考圖4所述的，當(dāng)轉(zhuǎn)化效率為負(fù)時(shí)，故障確定模塊58可診斷SCR裝 置42中催化劑存在故障。如參考圖5所述的，當(dāng)轉(zhuǎn)化效率接近零時(shí),故障確定模塊可診斷 尿素的質(zhì)量是差的?，F(xiàn)在參考圖6，診斷SCR系統(tǒng)的方法80開始于步驟82。在步驟84中，濃度確定模 塊54分別基于第一和第二信號確定第一 NOxZNH3濃度和第二 Ν0Χ/ΝΗ3濃度。在步驟86中，轉(zhuǎn)化效率確定模塊56基于第一和第二 NOx/NH3濃度確定轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)在步驟88中轉(zhuǎn)化效 率低于第一閾值時(shí)，故障確定模塊58在步驟90中將第一 NOx/NH3濃度與第二 NOxZNH3濃度 作比較。在步驟92中，當(dāng)?shù)诙?Ν0χ/ΝΗ3濃度高于第一 NOxZNH3濃度時(shí)，故障確定模塊58診 斷SCR裝置42的催化劑存在故障。當(dāng)在步驟94中第二 N()x/NH3濃度小于或接近第一 NOx/ NH3濃度(即在第-- NOxZNH3濃度的范圍內(nèi))時(shí),故障確定模塊58在步驟96中診斷計(jì)量供 給劑的質(zhì)量是差的。方法80結(jié)束于步驟98。應(yīng)該注意，第一 NOxZNH3濃度和第二 Ν0χ/ΝΗ3濃度可通過除第一和第二 NOx傳感器 之外的其它裝置來確定。例如,第一 N()X/NH:3濃度可不使用NOx傳感器而基于發(fā)動機(jī)運(yùn)行 參數(shù)來估計(jì)。第二 NOxZNH3濃度可基于NOx傳感器和NH3傳感器的測量值來確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員從前面的描述中應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的廣義教導(dǎo)可以多種形式實(shí) 施。因此，盡管本發(fā)明包含特定示例,但是由于通過對附圖、說明書和所附權(quán)利要求書的研 究，其它改型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是顯而易見的,所以本發(fā)明的實(shí)際范圍不應(yīng)當(dāng)局限于 上述示例。
權(quán)利要求
一種選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，包括第一傳感器，其確定NOx的第一濃度；第二傳感器，其確定NOx和NH3的第二濃度；以及故障確定模塊，其基于所述第一和第二濃度診斷SCR裝置中的計(jì)量供給劑和催化劑中至少一項(xiàng)的故障。
2.如權(quán)利要求1所述的SCR系統(tǒng),其中,所述第一傳感器為設(shè)置在SCR裝置上游的NOx 傳感器，所述第二傳感器為設(shè)置在SCR裝置F游的NOx傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的SCR系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述第二濃度大于所述第一濃度時(shí)，所述故 障確定模塊診斷所述催化劑存在故障。
4.如權(quán)利要求1所述的SCR系統(tǒng),其中，所述第二濃度對應(yīng)于NOx與NH3的組合濃度。
5.如權(quán)利要求1所述的SCR系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述第二濃度在所述第一濃度的范圍內(nèi)時(shí)， 所述故障確定模塊診斷所述計(jì)量供給劑的質(zhì)量是差的。
6.如權(quán)利要求5所述的SCR系統(tǒng),其中,所述第一濃度大于所述第二濃度。
7.如權(quán)利要求5所述的SCR系統(tǒng),其中,所述第--濃度和所述第二濃度對應(yīng)于NOx的濃度。
8.如權(quán)利要求1所述的SCR系統(tǒng),還包括轉(zhuǎn)化效率確定模塊，該轉(zhuǎn)化效率確定模塊基于 所述第一濃度和所述第二濃度確定轉(zhuǎn)化效率。
9.如權(quán)利要求8所述的SCR系統(tǒng),其中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)化效率為負(fù)時(shí),所述故障確定模塊診 斷所述催化劑存在故障。
10.如權(quán)利要求8所述的SCR系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述轉(zhuǎn)化效率接近于零時(shí)，所述故障確定模 塊診斷所述計(jì)量供給劑的質(zhì)量是差的。
11.一種診斷選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的方法,包括 確定NOx的第一濃度；確定NOx和NII3的第二濃度；以及基于所述第一和第二濃度診斷SCR系統(tǒng)中的計(jì)量供給劑和催化劑中至少一項(xiàng)的故障。
12.如權(quán)利要求11所述的方法,還包括當(dāng)所述第二濃度大于所述第一濃度時(shí)診斷所述 催化劑存在故障。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述第二濃度對應(yīng)于NOx與NH3的組合濃度。
14.如權(quán)利要求11所述的方法,還包括當(dāng)所述第二濃度在所述第一濃度的范圍內(nèi)時(shí)診 斷所述計(jì)量供給劑的質(zhì)量是差的。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第一濃度高于所述第二濃度。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述第一濃度和所述第二濃度對應(yīng)于NOx的濃度。
17.如權(quán)利要求11所述的方法,還包括基于所述第一濃度和所述第二濃度確定SCR系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括當(dāng)轉(zhuǎn)化效率為負(fù)時(shí)診斷所述催化劑存在故障。
19.如權(quán)利要求17所述的方法,還包括當(dāng)轉(zhuǎn)化效率接近于零時(shí)診斷所述計(jì)量供給劑的 質(zhì)量是差的。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于NOx傳感器反饋的選擇性催化還原系統(tǒng)的診斷系統(tǒng)和方法。一種選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，包括確定NOx的第一濃度的第一傳感器、確定NOx和NH3的第二濃度的第二傳感器和故障確定模塊。所述故障確定模塊基于所述第一和第二濃度確定SCR裝置中的計(jì)量供給劑和催化劑中至少一項(xiàng)的故障。
文檔編號F01N11/00GK101839162SQ20091026241
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者J·M·佩林, S·P·萊維喬基 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司