CN101087935B - 用于发动机后处理系统的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了使用控制系统的发动机废气处理系统。在本发明的一个形式中，发动机废气污染物通过选择性还原催化器，而污染物还原剂被喷射到该催化器中。接近选择性还原催化器的废气中所具有的污染物量通过至少一个传感器来检测。在一个实施方案中，输入信号从一个或多个传感器发送到控制系统，而结合有反馈回路的前馈控制用来将这些信号和预定的催化器输出污染物值转换为输出信号。该输出信号命令供应装置以有效追踪期望的预定催化器输入污染物值的方式喷射污染物还原剂。

Description

用于发动机后处理系统的控制系统
技术领域
本发明一般涉及控制系统，尤其涉及一种具有用于尿素选择性催化还原再生的反馈的前馈控制系统。
背景技术
减少柴油发动机的废气NOx排放已经在过去十年变成重大挑战，并将由于对柴油发动机的持续严格的排放需求而在将来继续成为主要关注点。发动机废气NOx减少可通过燃烧优化和/或废气后处理来实现。实际上，通过废气再循环(EGR)的燃烧优化仅可将废气NOx减少到特定水平，而进一步减少NOx则需要进行废气后处理。尿素选择性催化还原再生(SCR)发动机后处理系统(EAS)是具有能减少NOx的较大潜能的主要后处理技术的其中一种。
尿素SCR技术是一种非常有效的稳态NOx减少方法，其已经成功应用于由具有非常严格的排放需求的柴油发动机供能的静止发电设备。对于SCR EAS的NOx减少的一个最大挑战是目标发动机废气NOx水平何时降低到非常低的水平。稳态和暂态控制必须足够精确，以避免氨(NH3)滑移(slip)，否则将释放出其它污染物。已经开发了基线控制，基线控制基本上是一种作为期望的NOx减少量的函数的阶跃控制(step control)，并且被证明具有较差的暂态特性和较大的稳态误差。
因此，需要改进的控制系统，从而(a)改进瞬时NOx减少，以及(b)减少氨滑移，尤其是在发动机处于转换中时。本发明旨在满足这些和其它的需求。
发明内容
本发明在权利要求中单独描述，而本段落并非用以限制或扩大权利要求所描述的保护范围。本发明的一些形式包括一种方法和系统，以在减少污染时减少初始暂态滞后以及减少在将污染物还原剂注入选择性还原催化器中时出现的稳态误差。
本发明的一种形式为一种方法，该方法首先提供具有催化器输入和催化器输出的选择性还原催化器。然后在催化器输入确定第一催化器条件，在催化器输出确定第二催化器条件。接着，提供预定的理想催化器输出条件。将与所述催化器条件相关的数据输入到控制系统中，所述控制系统利用前馈控制生成输出信号。反馈控制更新输出信号。然后，更新的输出信号命令供应装置向选择性还原催化器供应污染物还原剂。
本发明的一种可选形式包括一种系统，所述系统包括：发动机，发动机具有输出并生成污染物；具有输入和输出的选择性还原催化器，其中，该输入可操作地耦合至废气输出；至少一个传感器，其可操作地耦合至选择性还原催化器；供应装置，用于提供污染物还原剂；以及控制系统，其利用具有反馈回路的前馈控制。该控制系统将来自传感器的数据转换为输出信号，所述输出信号命令供应装置喷射所述污染物还原剂。
附图说明
图1是本发明的一种形式的方框示意图；
图2是根据本发明的一个实施方案的曲线图，其描述了在喷射之后的时间内废气中的NOx气体的降低；
图3是根据本发明的前向模型的一个实施方案的方框图；
图4是可用于本发明的实施方案中的常数表；
图5是本发明的另一个实施方案的示意图；
图6是可用于本发明的一个实施方案中的前馈控制的方框图；以及
图7是描述本发明的一个实施方案中的瞬时NOx减少误差和暂态响应时间的曲线图。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在将参照附图中示出的实施方案，并使用具体语言来描述所述实施方案。但是应该理解，本发明的范围并不因此而受限，变换和修改以及对本文所示的本发明原理的进一步应用对于本发明所涉及的本领域技术人员来说是显而易见的。
现在参照附图，图1描述了本发明的一个实施方案。控制系统20包括前馈控制21和反馈控制22。输入23进入控制系统20并被转换为输出24。在该实施方案中，所述输入可与发动机的当前工作条件以及废气、催化器或喷射系统相关。所述输出可以是用于喷射系统或供应NOx还原剂的泵的信号。
前馈控制21包括前向模型25和控制器26。前向模型25是一个数学模型，其用于估算在喷射了诸如尿素的NOx还原剂之后废气中的NOx需要多久才会减少。这些数学模型的优选实施方案将在下文中参照图3进行更详细描述。控制器26优选为比例积分(PI)控制器。PI控制器是用于帮助降低系统的稳态误差的数学模型。该数学模型将在下文中参照图6进行更详细的描述。信号27进入控制器26并由控制器26转换以生成信号28。信号28在点29处分开，分支信号30进入前向模型25。前向模型25将分支信号30转换为信号31。信号31在汇合处32与信号43组合，从而再次生成新的信号27。
反馈控制22包括反馈控制器33。反馈控制器33是用以转换控制信号34从而生成反馈信号35的数学模型。控制信号34优选地由进入控制系统20的三个输入23中的两个相组合而形成。
在一个实施方案中，三个输入信号提供待由控制系统20处理的数据。在该实施方案中，输入信号36提供与催化器输入的废气中具有的NOx量相关的数据。同样在该实施方案中，输入信号37提供表示催化器输出的废气中将具有的期望的NOx的值。输入信号37在连接点38处被分成第一分支信号39和第二分支信号40。第一分支信号39在汇合处42与输入信号36组合。第一分支信号39和输入信号36的组合提供了生成信号43所需的数据，信号43表示在废气管线中所具有的NOx量与期望量之间差值基础上的需要的NOx减少量。第二分支信号40在汇合处44与输入信号41组合。该实施方案的第三信号，即输入信号41，提供了催化器输出的废气中所具有的NOx量。第二分支信号40与输入信号41的组合提供了形成控制信号34所需的数据，控制信号34表示离开催化器的NOx量与期望的离开催化器的NOx量之间的差别。控制信号34由反馈控制33转换，以生成反馈信号35。反馈信号35在汇合处45与信号28组合，以生成输出信号46。在该实施方案中，输出信号46通过污染物还原剂喷射系统来控制尿素的喷射。
根据本实施方案的控制系统20的操作如下所述。在该实施方案中，控制系统20基于输入23操作，以生成输出24。输入信号36在汇合处42与输入信号37组合。通过使用NOx传感器或者本领域技术人员所公知的其它NOx检测装置，输入信号36提供催化器入口处具有的NOx。输入信号37是期望离开催化器出口以使用SCR EAS系统来进行处理的NOx的量。该差值被用来确定必须通过催化器来减少的NOx量。该信息通过信号43而提供给前馈控制21。
通过信号43提供的数据并未精确说明待喷射以降低信号43所表示的NOx水平的NOx还原剂的真实数量。在喷射了NOx还原剂时，废气中具有的NOx气体量不会立即降低至目标NOx水平，达到目标水平需要花费一定时间。在该实施方案中，前馈控制21因而校正信号43以适应NOx气体未能立即达到目标NOx水平这种情况。此外，在该实施方案中，前馈控制21还校正期望水平可能存在的过高或不足。前馈控制21的更详细细节将在下文中参照图6进行讨论。信号43被校正，信号28被输出至汇合处45。
还提供反馈信号35至汇合处45，以说明催化器的当前效力或者用以减少废气中具有的NOx气体的NOx还原剂喷射。输入信号37和输入信号41在汇合处44组合以生成控制信号34，进而生成反馈信号35。输入信号37提供与期望的目标NOx量相关的数据，输入信号41提供与催化器输出具有的NOx量相关的数据。该差值告知控制系统20催化器或喷射的NOx还原剂在获得期望的目标NOx量中有多大效果。这一数据通过控制信号34提供给反馈控制器33。反馈控制器33将控制信号34转换为反馈信号35。反馈信号35在汇合处45与信号28组合。该组合更新信号28，以适应于催化器和/或喷射的NOx还原剂将废气中的NOx水平推至可接受水平的当前效力。在该实施方案中，输出信号46然后命令NOx还原剂喷射系统喷射一定量的NOx还原剂，以快速和有效地使得NOx气体量朝向目标NOx量变化。
现在参照图2更详细地描述本发明的一个实施方案的前馈控制21的发展。图2显示了被执行以基于不同控制系统和泵来确定暂态催化器输出的NOx的测试。图2所提供的数据被用来创建用于估计催化器输出端出现的NOx气体水平状态的数学模型。系统动态学可近似符合从尿素喷射点到催化器输出点的时间延迟加上一阶动态学。
现在参照图3，图3为描述创建本实施方案的数学模型的示意图。信号50表示喷射到系统49中的NOx还原剂，例如尿素。在喷射时，图2中表示的废气中具有的NOx气体从时间＝20处的衰减基本符合方块5 1所表示的一阶数学系统。该数学系统被定义为：
e-STd
其中，Td是从尿素喷射点到催化器输出点的空载时间。该等式通过使用拉普拉斯变换而逆转，以到达前向模型52。前向模型52可以是图1所示实施方案中所描述的前向模型25，但是前向模型25并不受到前向模型52的限制。方框51的数学系统的逆转提供了如方框52所示的等式：
P ( s ) = αs + 31.12 βS + 1
其中，α和β是一阶超前/滞后滤波器的系数。Td和β是废气流量的函数，α被设置为0(当在废气流量较低的情况下不需要排放控制时)或常数。所选的α的常数值越大，控制则越保守。如方框52所描述，在一个实施方案中，DC增益为31.12。对于该实施方案，进行如下两个假设以获得DC增益的值：(a)涡轮出口废气中的典型NO与NO2比率为9∶1，每单位NOx质量的化学计量尿素需求为每克NOx 0.67克尿素；以及(b)尿素溶液质量浓度为32％，尿素溶液密度为1.086克/立方厘米。通过简单的单位换算和计算，通过在稳态时的化学反应，每分钟1立方厘米的尿素溶液每小时去除31.12克NOx。这些值和假设是用于系统49所描述的本实施方案的，但是也可使用根据本发明的其它各种假设、数学模型和工作参数。方框52因此生成信号53，以提供与NOx减少量相关的数据。
现在参照图4，其为描述与以lb/hr表示的不同废气流量(表示可用于区别本发明实施方案的各种值)相关的α和β的不同值的表格。
现在参照图5，其描述了可根据本发明使用的发动机系统的实际实施方案。具有输出56的发动机55生成包含污染物的废气。选择性还原催化器57包括输入端58和输出端59。该实施方案还包括容纳污染物还原剂的供应槽60，其包括喷射器61和供应管线62，用以向催化器输入端58供应还原剂。优选地，喷射器61在喷射时使污染物还原剂雾化。泵(未示出)可用来使得污染物还原剂通过供应管线移动。传感器63确定催化器输入端58的废气中具有的污染物量，传感器64确定催化器输出端59的废气中具有的污染物量。控制器65从传感器63和64接收输入，并输出信号给还原剂供应槽60，从而通过喷射器61将污染物还原剂喷射到在输入端58进入催化器57的废气中。该配置描述了本发明的一个实施方案，但是本发明可以具有不同的传感器位置和喷射面积，并仍然落入本发明所要求保护的范围内。此外，也可使用根据本发明的其它实际的系统。
现在参照图6，其描述了示出用于前馈控制21的一个实施方案的数学模型的一个可能的方框图。也可使用根据本发明的、本领域技术人员公知的前馈控制21的其它方框图和数学模型。前馈控制21的一个实施方案在图6中作为反馈逆动态控制69进行描述。反馈逆动态控制69包括由方框70表示的前向模型和由方框71表示的控制器。反馈逆动态控制69的工作是首先接收输入信号72。输入信号70在汇合处74与信号73组合。在本发明的一个实施方案中，信号73可与喷射时废气中的NOx气体减少的非线性特征的校正相关。信号72和信号73的组合形成信号75。
然后，信号75由控制器71使用图6所示的数学函数G(s)来进行转换。在本发明的一个实施方案中，函数G(s)可数学表示为 G ( s ) = k p + k i s , 其中，kp和ki分别是比例增益和积分增益。控制器71然后将信号75转换为输出信号76。输出信号76在连接点77处分为待输入前向模型70中的分支信号78。输出信号76也命令NOx还原剂喷射系统进行喷射。控制器71和前向模型70的组合引起了反馈逆动态控制69。在本发明的一个实施方案中，反馈逆动态控制69可以是在图1的前馈控制21中使用的数学模型。反馈逆动态控制69可通过如下等式数学表示为C(s)：
C ( s ) = G ( s ) 1 + G ( s ) P ( s ) ≅ 1 P ( s ) 如果G(s)P(s)＞＞1
第一实施例
执行第一仿真以确定前馈控制与反馈控制结合的效果及其在尿素喷射时改进NOx减少的暂态和稳态响应的效果。图7描述了暂态性能指标。所提供的曲线图是时间和以克/小时表示的催化器输出端的NOx的函数，其示出了在15秒处喷射尿素时离开催化器的NOx量的衰减。图7将暂态响应时间定义为从喷射尿素直至90％的NOx减少到目标NOx水平时所用的时间。这时目标NOx低于水平向的虚线所示的200克/小时。同样地，图7定义了瞬时NOx减少误差。瞬时NOx减少误差是在暂态响应时间期间超过目标的NOx量的积分。
在各种发动机速度下运行三个控制系统仿真。一个控制使用简单的阶跃函数。另一个控制使用逆控制。最后一个控制使用具有反馈的前馈控制。使用每分钟1500转(rpm)的发动机速度和每英尺292磅(lb.-ft)的扭矩执行第一个仿真。以每分钟2000转的发动机速度和381lb.-ft的扭矩执行第二个仿真。采用每分钟2500转的发动机速度和303lb.-ft的扭矩执行第三个仿真。实验结果显示，具有反馈的前馈控制相对于基线(阶跃函数)控制而言在到达目标的快速性方面平均具有47.5％的改进。逆控制显示了相对于基线控制而言，在到达目标的快速性方面平均具有30.5％的改进。因此，具有反馈的前馈控制在所用的三个控制系统中显示了最佳性能。
此外，通过具有反馈的前馈控制，也显示出能够更有效地降低瞬时NOx减少误差。具有反馈的前馈控制相对于阶跃控制而言平均具有44％的改进。逆控制相对于阶跃控制而言仅具有平均32.2％的改进。总体而言，具有反馈的前馈控制相对于阶跃控制表现出最佳的暂态性能。
第二实施例
在该测试中，执行本发明一个实施方案的控制系统，以用于真实挖掘机的仿真。该挖掘机在800rpm下运行，然后变速为2000rpm，然后回到800rpm，从而仿真挖掘机怠速和工作时的真实工作条件。在测试周期内，由阶跃控制造成的总的NOx减少误差为6.88克，而由具有反馈的前馈控制造成的总的NOx减少误差为5.27克。因此，在暂态响应期间，具有反馈的前馈控制在减少NOx的能力方面相对于阶跃控制显示出23.36％的改进。
虽然已经在附图和以上描述中详细表示和描述了本发明，但是附图和描述应被视为示意性并且不应受到文字的限制，应该理解，仅示出和描述了少量的实施方案，属于本发明精神的所有的改变和修订都应受到保护。

Claims (14)

1.一种方法，包括：
提供选择性还原催化器，所述选择性还原催化器具有催化器输入和催化器输出；
在所述催化器输入确定第一催化器条件，在所述催化器输出确定第二催化器条件；
提供预定的理想催化器输出条件；
通过对所述第一催化器条件和所述理想催化器输出条件施加前馈控制而生成输出信号；以及
利用反馈控制更新所述输出信号，其中，所述更新的输出信号命令供应装置向所述催化器供应污染物还原剂。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述反馈控制从所述第二催化器条件和所述预定的理想催化器输出条件接收输入。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述前馈控制为直接逆动态控制。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述前馈控制为反馈逆动态控制。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述污染物还原剂为尿素。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述供应装置进一步包括：
污染物还原剂供应源；
供应管线；
用以对所述管线增压的泵；以及
用以使所述污染物还原剂雾化的喷射器。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述喷射器可操作地耦合到所述选择性还原催化器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一催化器条件和第二催化器条件分别是在第一和第二位置处的废气中的污染物的质量流量。
9.一种系统，包括：
发动机，其具有生成包含污染物的废气的废气输出；
选择性还原催化器，其具有SCR输入和SCR输出，其中，所述SCR输入可选择性地耦合至所述废气输出；
至少一个传感器，其可操作地耦合至所述选择性还原催化器；
供应装置，用于向所述催化器提供污染物还原剂；以及
控制系统，其利用前馈控制来估算在向所述催化器提供污染物还原剂后需要多久才会减少所述污染物，以及利用反馈回路说明所述污染物还原剂用于降低污染物的当前效力，其中，所述控制系统将来自所述至少一个传感器的数据转换为输出信号，所述输出信号命令所述供应装置向所述选择性还原催化器喷射所述污染物还原剂。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述前馈控制为反馈逆动态控制。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述前馈控制为逆动态控制。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述污染物还原剂为尿素。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所述供应装置进一步包括：
污染物还原剂供应源；
供应管线；
用以对所述管线增压的泵；以及
用以使所述污染物还原剂雾化的喷射器。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述喷射器可操作地耦合到所述选择性还原催化器的输入。
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