[发明专利]SCR排放控制系统

说明书

技术领域

本发明整体上涉及用于SCR过程的控制器，更具体地，涉及计算所喷射的还原试剂的量的控制器。

背景技术

发动机废气排放对于发动机制造商来说变得越来越重要。政府和管理机构针对多种公路和越野车辆执行越来越严格的排放标准。车辆发动机排出的废气中污染物的含量必须是根据发动机的类型、尺寸和/或等级来进行控制。制造商必须开发新技术以在向消费者提供高性能和经济型的设备的同时满足这些标准。

发动机制造商为了满足废气流污染物法规所采用的一种方法是使用选择性催化还原(“SCR”)催化剂来净化发动机废气流中的氮氧化物(“NOx”)。SCR系统的工作原理是在有催化剂的情况下，向发动机废气流中释放诸如氨(“NH₃”)等还原剂。NH₃可以储存在催化剂的表面涂层上，在该处NH₃与废气流中的NOx反应生成对环境无害的产物，例如氮气(“N₂”)和水(“H₂O”)。SCR过程的化学反应过程可以通过下述反应式来表示：

4NH₃(ads)+4NO+O₂→4N₂+6H₂O              (2)

4NH₃(ads)+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O            (3)

8NH₃(ads)+6NO₂→7N₂+12H₂O               (4)

4NH₃(ads)+3O₂→2N₂+6H₂O                 (5)

反应式(1)描述了氨吸附于催化剂或从催化剂解吸附，反应式(2)到(4)是“脱NOx”反应，描述在有催化剂的情况下还原剂与NOx之间的反应，而反应式(5)描述了氨的氧化。

通常希望废气流中被转化为H₂O和N₂的NOx的量最大化。为了实现这一目标，需要增加储存在催化剂表面上的NH₃的量。但是，NH₃也可能从催化剂解吸附，并被催化剂下游的废气流带走释放入大气中(即流失)。由于未发生反应的NH₃释放入大气中被浪费，因此不希望发生NH₃流失。NH₃解吸附速率很大程度上取决于催化剂的温度。当催化剂的温度上升时，NH₃从催化剂表面解吸附的速率指数式上升。

与发动机或涡轮机基本在稳定工况下操作的工业用或固定SCR应用不同，公路卡车和越野机械使用的移动式SCR系统经受瞬变的发动机转速和负载。在低负载和低温的瞬时循环周期下，催化剂的表面可以储存大量的NH₃。当发动机负载增加时，排气温度增加且热的废气流迅速加热SCR催化剂，从而导致所存储的NH₃解吸附。解吸附的NH₃可能进入废气流并且被排入大气中。

一种在仍然试图保持良好的NOx转换率的同时克服NH₃流失的方法是基于模型的控制。基于模型的控制器使用内部模型来计算有效地与NOx反应并减少NOx且同时不造成流失所需要的还原剂的适合的量。但是，对描述包括反应式(1)到(5)的SCR过程的微分方程求解可能需要大量的计算并且难以实时地进行。

C.M.Schar等人的名称为“Control-Oriented Model of an SCRCatalytic Converter System”的SAE论文2004-01-0153(’0153论文)中示出了一种描述反应式(1)到(5)以控制SCR过程的方法。具体说来，’0153论文中公开了一种使用Eiley-Rideal机理来描述SCR过程的控制导向的SCR模型。

4NH₃(ads)+4NOx+O₂→4N₂+6H₂O            (6)