Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИМ КОНВЕРТЕРОМ SCR ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к способу и устройству для управления каталитическим конвертером SCR транспортного средства, в особенности в области двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Большинство двигателей внутреннего сгорания, которые должны соответствовать настоящему и будущему законодательству о выбросах загрязнителей, используют систему избирательной каталитической нейтрализации (SCR) для того, чтобы уменьшить выброс окислов азота (NOx).

В действующих в настоящее время системах раствор карбамида впрыскивается в выхлопной газ перед SCR катализатором. Карбамид превращается в аммиак (NH3), который в свою очередь на SCR катализаторе восстанавливает NOx до безопасного азота (N2) и воды (H2O). Соответствующие химические реакции происходят после адсорбции аммиака на поверхности катализатора.

Как правило, эффективность нейтрализации NOx на SCR катализаторе зависит от количества накопленного (т.е. адсорбированного) аммиака, температуры, объемной скорости, т.е. обновления газа на катализаторе в единицу времени, отношения NO2/NO в NOx и других условий. Температура и объемная скорость обычно зависят от режима работы двигателя и не могут непосредственно изменяться контроллером избирательной каталитической нейтрализации (SCR). Количество накопленного аммиака обычно регулируется специализированным контроллером, который управляет оцененным уровнем аммиака. Отношение NO2/NO зависит от эффективностей дизельного окислительного катализатора (DOC) и дизельного сажевого фильтра (DPF), установленных перед SCR катализатором. Согласно современным взглядам, отношение NO2/NO не может быть отрегулировано непосредственно, поскольку оно зависит, главным образом, от температур DOC/DPF, объемной скорости и загрязнения фильтра DPF сажей.

Имеющиеся системы управления избирательной каталитической нейтрализацией (SCR) используют модель, в которой SCR катализатор моделируется как одна накопительная емкость для NH3. Количество накопленного NH3 вычисляется из количества впрыснутого карбамида и количества NH3, используемого в реакциях избирательной каталитической нейтрализации (SCR). Тогда количество накопленного аммиака регулируется таким образом, что достигается желаемая эффективность нейтрализации NOx. Затем, чтобы отрегулировать количество впрыскиваемого карбамида таким образом, чтобы оцененная по модели и измеренная эффективность нейтрализации NOx сходились, применяется внешний контур управления, использующий устройство измерения NOx.

Известные схемы контроллера избирательной каталитической нейтрализации (SCR) описаны, например, в Schär: "Control of a Selective Catalytic Reduction Process" (PhD thesis Nr. 15221, ETH Zürich) или в Chi, Da Costa: "Modeling and Control of a Urea-SCR Aftertreatment System, SAE 2005-01-0966 или в Herman, Wu, Cabush, Shost: "Model Based Control of SCR Dosing and OBD Strategies with Feedback from NH3 Sensors", SAE 2009-01-0911.

Известная схема контроллера избирательной каталитической нейтрализации (SCR) из уровня техники включает в себя контроллер обратной связи, руководствующийся датчиком NOx, установленным после SCR катализатора.

Известной методике управления недостает точности, особенно когда также должен приниматься во внимание проскок NH3.

Системы управления согласно уровню техники предназначены для управления уровнем накопления избирательной каталитической нейтрализации (SCR) в целом или для управления общей эффективностью нейтрализации NOx. Некоторые методики даже включают в себя вычисление и ограничение проскока NH3, т.е. диспергирование NH3 в выхлопном газе без реакции с NOx. Однако это обычно подразумевает параллельный контроллер, который тогда сочетает в себе контроллер NOx посредством, например, выбора минимального количества карбамида, которое будет впрыснуто. Как правило, критерии активации или деактивации контроллеров при отказе датчика или отключении/закрывании являются неудобными с точки зрения осуществления. Доступные в настоящее время датчики NOx демонстрируют существенную перекрестную чувствительность к NH3.

Фиг. 2 из уровня техники показывает обычную выходную характеристику датчика в зависимости от количества впрыснутого карбамида.

Такая выходная характеристика является парной функцией, поэтому это не взаимно однозначная функция.

При нормальных условиях выходное значение датчика NOx уменьшается с увеличением впрыска карбамида. Однако, когда начинает расти проскок NH3, выходная характеристика датчика NOx загибается и выходное значение датчика увеличивается с увеличением впрыска карбамида.

Неоднозначная выходная характеристика датчика NOx приводит к такой проблеме, что возможный проскок NH3 может быть интерпретирован как NOx и наоборот. Это могло бы привести к дестабилизации контроллера. Например, когда NH3 интерпретируется как NOx, алгоритм управления увеличит впрыск карбамида для того, чтобы уменьшить выбросы NOx. Это приведет к дополнительному увеличению проскока NH3, что в свою очередь приведет к дополнительному увеличению впрыска карбамида, так как NH3 интерпретируется как NOx.

Следовательно, сигнал датчика неоднозначен и его неоднозначность может дестабилизировать систему управления. Для того чтобы по-разному реагировать на NOx и NH3, впрыск карбамида должен быть инициирован, например, переключением между двумя уровнями. Известные системы руководствуются быстрым откликом, который не может быть получен при больших объемах катализатора в будущем, и/или квазиустановившимися режимами работы, которые редко осуществляются во время нормальной работы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому главной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для управления каталитическим конвертером SCR транспортного средства, которые преодолевают вышеупомянутые проблемы/недостатки.

Устройство наблюдения вынуждает оцененные количества NOx или NH3 сходиться к измеренным значениям, т.е. устройство наблюдения регулирует коэффициенты усиления/параметры упомянутой оценки, используя в качестве обратной связи разность/расхождение между упомянутыми оцененными значениями и упомянутыми измеренными значениями.

Таким образом, главное преимущество изобретения состоит в том, что устройство наблюдения всегда знает полярность модели датчика, т.е. устройство наблюдения по определению всегда различает, на которой ветви выходной характеристики она фактически находится, будь то увеличение или уменьшение сигнала от NOx с увеличением количества накопленного аммиака. Следовательно, преодолена неоднозначность выходного значения датчика.

Поэтому контроллер только управляет уровнем оцененного/смоделированного выходного значения датчика. Если никакой реальный датчик не доступен, то соответствующий коэффициент усиления обратной связи устройства наблюдения устанавливается равным нулю, что значительно упрощает осуществление и делает тот же самый ECU (электронный управляющий блок транспортного средства) подходящим для нескольких конструкций двигателя или для применений в нескольких режимах эксплуатации, например, при запуске двигателей.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, SCR катализатор рассматривают разделенным на некоторое количество каскадных ячеек, а управляют только уровнем накопления в первой ячейке несмотря на то, что задаваемое значение вычислено из требования общей эффективности нейтрализации NOx или из ограничения на проскок NH3.

Так как вычислительные ресурсы и память электронного управляющего блока транспортного средства (ECU) ограничены, то успешное осуществление настоящего метода обеспечивает этап рассмотрения SCR катализатора как содержащего только несколько накопительных ячеек и управляющего накопленным NH3 только в первой из упомянутых ячеек.

Согласно предпочтительному варианту воплощения, контроллер вычисляет одно из следующих задаваемых значений:

- управление NOx: Количество накопленного NH3 в первой ячейке для того, чтобы достигнуть необходимой целевой эффективности нейтрализации NOx SCR катализатора в целом, т.е. с учетом вкладов, с точки зрения эффективности нейтрализации NOx, других накопительных ячеек со второй по n-ную;

- управление NH3: Количество накопленного NH3 в первой ячейке для того, чтобы достигнуть необходимого уровня NH3 на выходе SCR катализатора, также с учетом вкладов, с точки зрения уровней накопления NH3, других накопительных ячеек со второй по n-ную.

Согласно другому варианту воплощения, контроллер вычисляет оба задаваемых значения, а затем фактическое задаваемое значение получается выбором минимального.

Поэтому подход с множеством ячеек предпочтителен, так как точность может быть значительно улучшена, если учтены продольные распределения компонентов газа и накопленного аммиака.

Согласно другому аспекту изобретения, контроллер, осуществляющий способ, показанный настоящим документом, в состоянии обнаруживать и предупреждать проскок NH3, если используется только датчик NOx, чувствительный к NH3, без какого-либо специального устройства измерения NH3. Способ SCR катализатора содержит модель датчика NOx, включающую в себя перекрестную чувствительность к NH3.

Если по причине регистрации отсутствующего проскока NH3 или по причине нерегистрации существующего проскока NH3 обнаружено нарастание амплитуды сигнала контроллера, то контроллер инвертирует полярность датчика накопленного NH3 и NOx для вычисления текущей рабочей точки на выходной характеристике датчика.

Предпочтительно, нет необходимости во внешней системе обнаружения проскока NH3, поскольку могут непосредственно использоваться способ и контроллер, осуществляющий этот способ.

Эти и дополнительные задачи успешно решены посредством способа и устройства, как описано в приложенной формуле изобретения, которая образует неотъемлемую часть настоящего описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет полностью понятным из нижеследующего подробного описания, данного лишь в качестве иллюстрации и не ограниченного примером, которое должно истолковываться с учетом сопровождающих чертежей, на которых:

- Фиг. 1 показывает известную неоднозначную выходную характеристику датчика NOx,

- Фиг. 2 показывает схему управления избирательной каталитической нейтрализацией (SCR) согласно настоящему изобретению,

- Фиг. 3 показывает опирающуюся на модель схему управления избирательной каталитической нейтрализацией (SCR) согласно эскизу фиг. 2, основанную на целевой эффективности нейтрализации NOx,

- Фиг. 4 показывает опирающуюся на модель схему управления избирательной каталитической нейтрализацией (SCR) согласно эскизу фиг. 2, основанную на задаваемом значении уровня проскока NH3,

- Фиг. 5 показывает восстановление работоспособности после сбоя согласно настоящему изобретению, когда NOx были определены как NH3,

- Фиг. 6 показывает восстановление работоспособности после сбоя согласно настоящему изобретению, когда NH3 был определен как NOx.

Одинаковые ссылочные позиции и буквы на фигурах обозначают одинаковые или функционально эквивалентные части.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ и устройство для управления SCR катализатором содержат рассмотрение модели SCR катализатора, разделенного на некоторое количество накопительных ячеек. В каждой ячейке вычисляется количество накопленного аммиака и соответствующих компонентов выхлопного газа (NOx, NH3 и т.д.). Дополнительно, способ может учитывать температуру в тех случаях, когда температура каждого элемента вычисляется. Поэтому способ посредством модели датчика оценивает поведение реально установленных датчиков, имея возможность найти рабочую точку на выходной характеристике датчика и имея возможность инвертировать полярность кривой.

Очень важным признаком является то, что чувствительность датчика NOx к NH3 отражена в модели.

Как показано на фиг. 2, реальная выхлопная линия 1 содержит SCR катализатор 2, необязательно включающий в себя окислительный катализатор для того, чтобы уменьшить проскок NH3, модуль 3 дозирования карбамида, датчик 4 NOx, датчик 5 NH3, датчики температуры 6, 7, расположенные до и после SCR катализатора.

На модель 8 накопления NH3 подаются физически значимые входные и выходные величины, такие как массовый расход 9 выхлопного газа на входе, концентрация и температура NOx (NO и NO2) перед катализатором, количество впрыснутого карбамида и массовый расход выхлопного газа после SCR катализатора.

Оцененные выходные значения 10 датчика, соответственно для NOx и NH3, сравниваются с измеренными выходными значениями датчиков 4 и 5. Затем расхождения используются в контуре устройства наблюдения с задаваемым коэффициентом 11 усиления для того, чтобы скорректировать параметры состояния (представляющие собой количества накопленного аммиака в каждой ячейке) оценивающих моделей так, чтобы вычисленные выходные значения датчика сходились к измеренным значениям.

Одним из инновационных аспектов данного изобретения является методика управления только уровнем накопления аммиака в первой ячейке (в поперечном направлении к потоку) среди некоторого количества ячеек, в которой SCR катализатор рассматривают разделенным.

Контроллер является тем же самым и для управления NOx, и для управления проскоком NH3. Только задаваемые значения этих двух целей управления вычисляются отдельно. Фактически задаваемое значение получается выбором минимального, так как контроллер проскока NH3 является фактически только ограничителем проскока NH3.

Предложенная методика управления имеет две цели. С одной стороны, должна быть достигнута целевая эффективность нейтрализации NOx SCR катализатором. С другой стороны, не должен быть превышен предел проскока NH3. Таким образом, доминирующим является ограничение проскока NH3.

Так как динамика накопительных ячеек со 2-й по n-ную является медленной по сравнению с динамикой первой ячейки, то непосредственно управляют только последней.

Следовательно, схема управления может быть основана на управлении NOx и/или на ограничении проскока NH3.

- Управление NOx: Фиг. 3 показывает схему методики управления NOx. Целевая эффективность 37 для первой ячейки вычисляется в блоке 33 из общей эффективности 31 нейтрализации NOx и из достигнутой эффективности 32 ячеек со 2-й по n-ю, вычисленной из текущих уровней накопления. Эта целевая эффективность переводится в задаваемое значение для уровня накопления NH3 в первой ячейке в блоке 34, где учитывается текущее состояние 35 системы (температура, объемная скорость, отношение NO2/NO и т.д.).

Выбирается и сравнивается с фактическим значением уровня накопления 37 NH3 в первой ячейке минимальное из задаваемых значений управления 34 NOx и управления 36 NH3 (см. ниже). Затем смещение подается на контроллер 38, который регулирует количества 39 карбамида или NH3.

- Ограничение проскока NH3: схема методики ограничения проскока NH3 изображена на Фиг. 4. Уровень накопления в последней ячейке вычисляется в блоке 42 из предельного количества NH3 в хвостовой части SCR катализатора 41, с использованием температуры и других режимных параметров, таких как объемная скорость и отношение NO2/NO в блоке 43. Начиная с последней ячейки, уровень накопления NH3 вычисляется 44 для каждой ячейки, что необходимо, чтобы достигнуть желаемого уровня накопления NH3 в последней ячейке при установившихся режимах работы (температура, объемная скорость, отношение NO2/NO и т.д.). Окончательно, получается желаемый уровень накопления 45 в первой ячейке, который подается на блок 46 выбора минимального значения для нахождения задаваемого значения уровня NH3. Выбирается и сравнивается с фактическим значением 47 уровня накопления NH3 в первой ячейке минимальное из задаваемых значений управления 45 NH3 и управления 46 NOx (см. ниже). Затем смещение подается на контроллер 48, который регулирует количества 49 карбамида или NH3. Так как вычислительные ресурсы и память электронного управляющего блока транспортного средства (ECU) ограничены, то успешное осуществление метода может смоделировать SCR в виде 2-3 накопительных ячеек.

Способ может быть применен к NOx и NH3 или к другим азотсодержащим соединениям, таким как NO2, NO, N2O. Предпочтительно, при осуществлении настоящего метода могут быть осуществлены следующие особенности, изменения и модификации:

- Переменные коэффициенты усиления обратной связи. Коэффициенты усиления обратной связи, т.е. регулирование параметров состояния (количества накопленного NH3 или других), заданные расхождением между измеренными и вычисленными выходными значениями датчика, могут быть различными в зависимости от рабочей точки и/или при особых условиях работы, таких как температура, объемная скорость, уровень накопленного аммиака или других. При нормальных режимах работы положительное отклонение сигнала датчика NOx приводит к уменьшению количества накопленного аммиака для того, чтобы увеличить вычисленное выходное значение датчика NOx до уровня измеренного. Однако, если впрыскивается слишком много карбамида, а датчик NOx главным образом измеряет NH3, то смоделированный уровень накопленного аммиака увеличивается для того, чтобы устранить отклонение сигнала датчика. Это поведение автоматически фиксируется, если используется нелинейный способ наблюдения, такой как расширенный фильтр Калмана и подобные, пожалуйста, см., например, Welch, Bishop: "An Introduction to the Kalman Filter", URL http://www.cs.unc.edu/~welch/media/pdf/kalman_intro.pdf.

Дополнительные условия могут сделать необходимым изменение коэффициента усиления обратной связи: во-первых, если известно, что выходное значение датчика неточно при четко определенных условиях, например, во время переходных процессов, обратная связь может быть временно ослаблена, т.е. коррекция уменьшается. Во-вторых, если требуется, коэффициенты усиления обратной связи могут быть временно увеличены. Если, например, проскок NH3 зарегистрирован датчиком NH3, то обратная связь датчика NOx ослабляется, а обратная связь датчика NH3 усиливается для того, чтобы дать приоритет датчику NH3 и гарантировать правильную оценку проскока NH3 контроллером. Это необходимо для того, чтобы позволить контроллеру принимать соответствующие меры (т.е. уменьшить впрыск карбамида).

- Расширение способа управления посредством введения способа идентификации, например, расширенного фильтра Калмана. Таким образом, вводятся дополнительные параметры состояния, которые представляют собой постоянные или медленно меняющиеся параметры, такие как емкость катализатора или смещения впрыска карбамида или датчиков, качество карбамида. Контур обратной связи устройства наблюдения также корректирует эти параметры и таким образом допускает адаптацию модели к долгосрочным изменениям, таким как старение системы или дрейф концентрации в растворе карбамида.

- Доступность информации датчика: газовые датчики обычно нельзя использовать при всех возможных условиях. Особенно во время холодного старта, когда в выхлопном газе присутствуют капельки воды, некоторые датчики должны быть выключены. При этих условиях контур обратной связи просто выключен, т.е. схема управления работает без обратной связи и она не корректируется информацией с датчика.

- Способ управления может быть расширен любым датчиком азотсодержащих газов, выходное значение которого может быть оценено посредством модели. Датчики температуры или газообразных соединений, не обсуждаемые здесь (например, N2O), могут быть предметом выбора.

Показанная методика управления по определению использует модель накопления и контроллер для того, чтобы определить, интерпретируются ли правильным образом сигналы датчика NOx (или NH3). Тем самым, главное преимущество изобретения состоит в том, что контроллер всегда «знает» полярность модели оценки датчика, т.е. увеличивается или уменьшается сигнал датчика NOx с увеличением количества накопленного аммиака. Следовательно, модель по умолчанию всегда «знает», на какой ветви характеристической кривой на Фигурах 5 и 6 она фактически находится.

Обнаружение ошибочного выходного значения и способ его восстановления могут быть сформулированы следующим образом:

Случай 1: «Отклонение к NOx», т.е. NH3 определяется как NOx:

Обнаружение неправильной полярности (неправильной рабочей точки) зависит от следующих условий, которые должны быть выполнены в течение (зависящего от температуры) периода времени:

- задаваемое значение для накопленного NH3 постоянно увеличивается;

- проскок NH3 не оценивается;

- обратная связь контроллера отрицательна, т.е. сигнал датчика NOx увеличивается с уменьшением уровня накопленного NH3. Для восстановления неправильной полярности: количество накопленного NH3 линейно растет, пока вычисленный сигнал датчика NOx не станет равным измеренному на правой ветви (см. стрелку на Фиг. 6).

Случай 2: «Отклонение к NH3», то есть NOx определяются как NH3:

Обнаружение неправильной полярности зависит от следующих условий, которые должны быть выполнены в течение (зависящего от температуры) периода времени:

- задаваемое значение для накопленного NH3 постоянно уменьшается;

- в модели происходит существенный проскок NH3;

- обратная связь контроллера положительна, т.е. сигнал датчика NOx уменьшается с увеличением уровня накопленного NH3.

Для восстановления количество накопленного NH3 линейно уменьшается, пока вычисленный сигнал датчика NOx не станет равным измеренному на левой ветви (см. стрелку на Фиг. 5).

Как только восстановление вступило в действие, контроллер NOx или ограничение проскока NH3, описанные выше, или приводят систему к желаемой эффективности нейтрализации NOx или ограничивают выбросы NH3 максимальным уровнем.

Это изобретение может быть осуществлено предпочтительно в компьютерной программе, содержащей программные кодовые средства для выполнения одного или более этапов такого способа, когда такая программа выполняется на компьютере. По этой причине патент должен также охватывать такую компьютерную программу и машиночитаемый носитель, на котором сохранена информация, причем машиночитаемый носитель содержит программные кодовые средства для выполнения одного или более этапов такого способа, когда такая программа выполняется на компьютере.

После рассмотрения описания и сопровождающих чертежей, которые раскрывают предпочтительные варианты выполнения изобретения, специалистам в данной области техники станут очевидными множество изменений, модификаций, вариаций и другие использования и применения рассматриваемого изобретения. Все такие изменения, модификации, вариации и другие использования и применения, не выходящие за рамки объема и сущности настоящего изобретения, предполагаются включенными в объем этого изобретения.

Дополнительные подробности осуществления не будут описаны, поскольку специалист в данной области техники в состоянии осуществить изобретение, начиная со сведений, раскрытых в вышеприведенном описании.