用于控制将还原剂喷射到排气原料流中的方法和设备技术领域
本公开总体上涉及用于内燃机的排气后处理系统，并且更具体地涉及与排气后处
理系统中的选择性催化还原装置相关的控制。
背景技术
内燃机的制造商开发发动机控制策略以满足顾客需求并符合各种规章。一种这样
的发动机控制策略包括使发动机在贫化学计量空燃比下运行以改善燃料经济性和减少温
室气体排放。这种发动机包括压缩点火式(柴油)发动机和稀燃火花点火式发动机。在贫空
燃比区域内运行的发动机可以具有升高的燃烧温度，这可能导致氮氧化物(NOx)排放增加。
用于管理并减少NOx排放的一种已知排气后处理系统和控制策略涉及将还原剂
(诸如尿素)喷射到选择性催化还原(SCR)装置的上游的排气原料流中。已知尿素在加热时
分解成氨(在本文还被称为NH3)。已知的SCR装置可以将氨存储在催化表面上，并且存在于
排气原料流中的NOx可以通过与SCR中的所存储的氨相互作用而被还原成氮气、水和二氧化
碳。SCR装置具有与其运行温度成反比的最大氨存储容量。已知的SCR催化剂在300℃与500
℃之间的温度范围内工作最有效。当与排气原料流中的NOx浓度相比过少的氨被存储在SCR
装置中时，转化效率可能降低，并且排出排气后处理系统的NOx排放可能增加。相反地，当超
过SCR装置的最大氨存储容量时，NH3可排出SCR装置。这一过程被称为氨泄漏。此外，如果
SCR装置的运行温度在氨存储接近其最大容量的时刻快速增加，则由于SCR装置的温度与其
最大氨存储容量之间的反比关系也可能导致发生氨泄漏。这可以例如在由于车辆操作者用
力踩压加速器踏板导致排气温度快速增加时发生。用于管理SCR装置中的氨存储的已知方
法依赖于来自多个传感器的信号输入，其试图测量各种发动机运行参数和排气参数的实时
值。可以据此来控制还原剂喷射。
发明内容
本公开描述了一种用于稀燃内燃机的排气系统，该排气系统包括用于将还原剂喷
射到选择性催化还原装置(SCR)的上游的排气原料流中的喷射系统。一种用于控制喷射系
统的控制方法包括：确定SCR装置的上游的排气原料流中的上游NOx气体浓度，基于来自被
配置成监测SCR装置的下游的NOx气体浓度的传感器的信号输出确定排气原料流中的所测
量的下游NOx气体浓度，以及基于可执行模型确定排气原料流中的所估计的下游NOx气体浓
度。确定上游NOx气体浓度与所测量的下游NOx气体浓度之间的第一相关性，以及确定上游
NOx气体浓度与所估计的下游NOx气体浓度之间的第二相关性。基于第一相关性和第二相关
性控制还原剂喷射。
当结合附图，如所附权利要求书中所限定的，通过以下对实施本教导的最佳模式
和其他实施例中的一些的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其他特征和优点显而易
见。
附图说明
现在将参照附图通过举例方式描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本公开的氨选择性催化还原装置(SCR)和流体连接到内
燃机的排气后处理系统的伴随的还原剂定量给料系统的一个实施例；
图2以曲线图示出了根据本公开的被配置用于监测SCR的下游的排气原料流中的
NOx浓度的NOx传感器的实施例的NOx/NH3交叉灵敏度；
图3示意性地示出了根据本公开的用于确定NH3存储校正项的控制例程的功能框
图，所述控制例程可以被采用以适应性地控制参照图1所描述的还原剂定量给料系统的实
施例中的还原剂喷射，其中NOx传感器显示NOx/NH3交叉灵敏度；及
图4、图5和图6各自以曲线图示出了根据本公开的表示与联接到排气后处理系统
的内燃机的实施例的运行相关的NOx排放和对应的相关系数的数据，所述排气后处理系统
包括参照图1所描述的SCR和伴随的还原剂定量给料系统。
具体实施方式
参照附图，其中在整个几幅视图中相同的附图标记表示相同或对应的部件，图1示
意性地示出了为排气后处理系统14的元件的氨选择性催化还原装置(SCR)10和还原剂定量
给料系统20的实施例，所述排气后处理系统14流体连接到内燃机(发动机)30，内燃机的运
行由控制器40控制。发动机30可以为在贫化学计量空燃比下运行的任何适当的内燃机，包
括(作为非限制性示例)压缩点火式发动机和稀燃火花点火式发动机。
排气后处理系统14优选地包括SCR 10并且还可包括其他装置，例如氧化催化器和
颗粒过滤器，它们适合用于氧化、还原、过滤或者以其他方式净化排气原料流中的排气的组
成元素。包括用于处理排气的SCR 10的特定装置的布置和使用不限于特定的设计配置或布
局。SCR 10可被采用来净化排气，具体地为从内燃机30中排出的排气原料流12中的NOx气
体。在一个实施例中，SCR 10可以为在还原剂存在的情况下将NOx分子还原成元素氮和一些
形式的氧化物的氨选择性SCR装置，所述还原剂可以包括诸如可以以无水氨、氨水或尿素形
式来提供的氨分子。SCR 10将氨分子存储在其催化表面上。SCR 10的实施例可以包括(作为
非限制性示例)嵌在容纳在金属组件中的陶瓷流过式基材上的活性催化组分，其中活性催
化组分可以包括：氧化钛；金属氧化物，诸如氧化钒、氧化钼和氧化钨；沸石；和/或铂族金
属。本文所描述的构想不限于SCR 10的特定实施例。
排气后处理系统14还包括用于监测与排气原料流12相关的参数的传感器和估计
技术，优选地包括被布置成监测SCR 10的下游的排气原料流12的温度传感器42和NOx传感
器44。另一个传感器可以包括空气质量流量传感器，例如进气空气质量流量传感器，可以采
用它来监测排气流速。可选地，可以使用已知的估计技术和例程(诸如基于速度-密度计算
值的那些估计技术和例程)估计或确定空气质量流量。还可以采用其他传感器，例如氨
(NH3)传感器、空燃比传感器或者另一种适当的排气成分传感器。前述传感器通过信号连接
到控制器40。温度传感器42和NOx传感器44可以为具有信号处理电路和/或算法例程的任何
适当的感测装置，它们感知物理或化学刺激并将这种所感知的刺激转变成与感兴趣的参数
(例如温度或NOx浓度)的状态相关的电信号。感测系统还可位于SCR 10的上游以监测SCR
10的上游的排气系统14中的排气原料流12。这可包括一种用于监测排气原料流中的NOx的
装置。可选地，可以采用被配置成估计排气原料流中的NOx的虚拟传感器评估SCR 10的上游
的排气原料流12。虚拟传感器包括驻存在控制器40中的一个或多个算法和/或校准查询表，
所述一个或多个算法和/或校准查询表被采用来基于当前发动机运行状况确定与排气原料
流中的NOx相关的状态。
还原剂定量给料系统20可以包括(作为非限制性示例)经由计量装置流体联接到
可重复填充存储罐的喷射器装置，其中喷射器装置被配置成向SCR 10的上游的排气原料流
12中喷射还原剂。控制器(例如控制器40)可操作地连接到计量装置的计量阀。控制器40产
生定量给料速率信号21以控制将还原剂喷射到排气原料流12中的量和正时。在一个实施例
中，还原剂可以为与去离子水混合的尿素的水溶液。在排气原料流12中，尿素分解形成氨
(NH3)，氨被存储在SCR 10中。还原剂定量给料系统是已知的。
在发动机30的运行期间，产生NOx分子并且NOx分子流入排气原料流12中。NOx分子
经过SCR 10，在SCR 10中，它们通过与在SCR 10的催化表面上的所存储的氨(NH3)相互作用
而被还原成氮气、水和二氧化碳。然后，氮气、水和二氧化碳以及其他残余物排出SCR 10。当
还原剂没被喷射到排气后处理系统12中时，SCR 10使用所存储的NH3还原NOx。SCR 10的最
大NH3存储容量与其运行温度成反比。
控制器40优选地为具有多个控制器的分布式控制器架构的模块化部件，所述多个
控制器被配置成提供对包括发动机30和其他动力系传动系统部件的各种系统的协调控制。
控制器40可操作以监测来自感测装置的输入、综合有关信息，并执行算法以控制各种致动
器以实现控制目标，所述控制目标包括如燃料经济性、排放、性能、驾驶性能和硬件保护这
样的参数。控制器40被示出与发动机30进行信号通信，并用于从传感器获取数据，以及控制
与发动机30相关联的各种致动器。在运行中，控制器40接收发动机转矩命令，并基于车辆操
作者输入产生所需的转矩输出。可以使用前述传感器以及其他传感器和例程由控制器40测
量或推断的示例性发动机运行参数包括发动机冷却剂温度、发动机油温和/或其他温度、曲
轴旋转速度(RPM)和位置、歧管绝对压力、环境气流和温度以及环境气压，以及包括空燃比、
峰值燃烧压力的位置和其他参数的燃烧参数。
术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语是指为专用集成
电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)以及为存储器和存储装置(只读、可
编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)形式的相关非瞬时存储器部件的一种或多种组合的形
式的可编程数据处理设备。非瞬时存储器部件能够存储为一个或多个软件或固件程序或例
程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及可由一个或多个处理
器访问以提供所述功能的其他部件形式的机器可读指令。输入/输出电路和装置包括模拟/
数字转换器和监测来自传感器的输入的相关装置，其中这些输入以预定采样频率或响应于
触发事件而被监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指包括校准
和查询表的任何控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供所需的功能，包括
监测来自感测装置和其他联网控制器的输入以及执行控制和诊断例程以控制致动器的运
行。在正在进行的运行期间，例程可以以有规律的时间间隔而被执行，例如每100微秒或
3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可选地，例程可以响应于触发事件的出现而被执行。控制
器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线链路、联网通
信总线链路、无线链路或任何其他适当的通信链路来实现。通信包括以任何适当的形式交
换数据信号，包括例如经由导电介质交换电信号，经由空气交换电磁信号，经由光学波导交
换光学信号等等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入的信号、表示致动器命令的信
号，以及在控制器之间的通信信号。术语‘模型’是指模仿装置或物理过程的物理存在的基
于处理器的或处理器可执行的代码和相关校准。如本文所使用的，术语‘动态的’和“动态
地’描述在例程执行期间或在例程执行迭代之间被实时执行并且特征在于监测或以其他方
式确定参数的状态以及规律地或周期性地更新参数的状态的步骤或过程。
图2以曲线图示出了被配置用于监测SCR装置(例如参照图1所描述的SCR 10的实
施例)的下游的排气原料流12中的NOx浓度的NOx传感器44的实施例的NOx/NH3交叉灵敏度。
SCR 10在稳定的温度和流动条件下运行。在横轴110上示出了以百万分率(ppm)为单位的实
际NOx浓度，且在纵轴120上示出了以ppm为单位的所测量的NOx浓度。结果包括SCR 10的上
游的NOx浓度101、SCR 10的上游的NH3浓度103、SCR 10的下游的实际NOx浓度105、SCR 10的
下游的实际NH3浓度107，以及来自SCR 10的下游的NOx传感器44的信号输出109。结果表明
SCR 10的上游的NH3浓度103影响了来自SCR 10的下游的NOx传感器44的信号输出109。结果
进一步表明用于控制NH3定量给料的控制系统可能错误地指示SCR 10的下游的NOx浓度，并
且增加还原剂的定量给料，从而导致SCR 10的下游的氨泄漏。补偿NOx/NH3交叉灵敏度的已
知系统包括NH3反馈，以及包括基于规则的例程的其他控制方法，所述基于规则的例程是专
用的并因此可能需要大量的机载计算工作和相关的大量预释放校准工作。
图3示意性地示出了用于确定NH3存储校正项341的控制例程300的功能框图，所述
控制例程300可以被采用以适应性地控制参照图1所描述的系统的实施例中的还原剂喷射。
参照图1所描述的系统包括用于发动机30的排气后处理系统12，该排气后处理系统12包括
由NOx传感器44的实施例监测的SCR 10的实施例，其中NOx传感器44展现出与参照图2所示
的类似的NOx/NH3交叉灵敏度。功能框图示出了根据本公开的各个实施例的系统、方法和计
算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。关于这一点，流程图或框图中的每个框
可表示包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令的模块、段或代码部分。还应
当注意的是，框图和/或流程图说明中的每个框，以及框图和/或流程图说明中的框的组合
可以由执行指定功能或动作的基于硬件的专用系统，或者专用硬件和计算机指令的组合来
实现。这些计算机程序指令还可被存储在计算机可读介质中，计算机可读介质可以指导控
制器或其他可编程数据处理设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产
生一种包括实现流程图和/或框图的一个框或多个框中所指定的功能/动作的指令集的制
品。
控制例程300包括确定NOx进入状态301，NOx进入状态301表示SCR 10的上游的排
气原料流12中的NOx气体浓度。如本文所描述的，NOx进入状态301可以由位于SCR 10的上游
的用来监测排气原料流12的感测系统确定，所述感测系统可以包括基于当前发动机运行状
况确定NOx的装置或虚拟传感器。NOx进入状态301受到传输延迟310以确定NOx进入延迟状
态311。传输延迟310为基于发动机气流和传感器延迟时间的时间延迟，其被引入到NOx进入
状态301中，从而使得NOx进入状态301的量子样品与NOx排出状态的量子样品时间同步，NOx
排出状态可以分别为第一NOx排出状态313或第二NOx排出状态319。传感器延迟时间包括由
传感器响应时间、数模转换和通信协议引入的时间延迟，并且指示NOx排出状态的量子样品
和与该NOx排出状态的量子样品相关联的传感器信号何时被控制例程300利用并评估之间
的时间对应关系。
控制例程300确定第一NOx排出状态319和第二NOx排出状态313，两者都表示SCR
10下游的排气原料流12中的NOx气体浓度。第二NOx排出状态313是通过从NOx传感器44输出
的信号指示的排气原料流中的NOx气体浓度状态，NOx传感器44被配置成监测SCR 10下游的
NOx气体浓度。第一NOx排出状态319是SCR 10下游的排气原料流中的NOx气体浓度状态，使
用可执行SCR模块316可以对其进行估计。一个或多个运行参数315涉及发动机和SCR 10的
运行30并且包括气流、温度、发动机燃料加注、以及还原剂定量给料。对运行参数315进行监
测并输入到SCR模块316，该SCR模块316产生输出信号317。使用NOx传感器模型318对来自
SCR模型的输出信号317进行监测，该NOx传感器模型318基于输出信号317产生具有相关联
延迟时间的第一NOx排出状态319。SCR模型和NOx传感器模型以及用于动态地估计SCR装置
下游的排气原料流中的NOx气体浓度状态的相关联的可执行控制例程是已知的，并且在此
不再进行详细描述。
第一估计的NOx排出状态319和NOx进入延迟状态311被输入到第一相关性分析例
程320，并且第二测量的NOx排出状态313和NOx进入延迟状态311被输入到第二相关性分析
例程330。第一相关性分析例程320和第二相关性分析例程330是类似的统计例程，其评估基
于时间的对应成对的第一NOx排出状态319和NOx进入延迟状态311(例程320)，或者基于时
间的对应成对的第二NOx排出状态313和NOx进入延迟状态311(例程330)以确定它们之间关
系的量值(如由r值所限定)。
第一相关性分析例程320产生第一r值(在此被称为rm321)，该第一r值量化了第一
估计的NOx排出状态319和NOx进入延迟状态311之间的统计相关性。第二相关性分析例程
330产生第二r值(在此被称为rs331)，该第二r值量化了第二测量的NOx排出状态313和NOx
进入延迟状态311之间的统计相关性。用于对应数据对的统计相关性分析的技术是已知的，
且在此不予赘述。
第一r值rm321和第二r值rs331被输入到NH3存储校正例程340。NH3存储校正例程
340优选地包括前馈比例积分控制例程，该前馈比例积分控制例程基于第一r值rm321和第
二r值rs331的运算比较产生NH3存储校正项341，该运算比较可以被表示为以下内容：
r＝PI(rs–rm) [1]
其中PI指示比例积分项，以及
r指示NH3存储校正项341。
当NH3存储校正项341大于零(r>0)时，这表明第二测量的NOx排出状态313和NOx进
入延迟状态311之间的相关性大于第一估计的NOx排出状态319和NOx进入延迟状态311之间
的相关性，这与SCR 10上的低NH3存储和还原剂喷射的定量给料不足有关。参照图4以曲线
图对此进行了描绘。因此，当NH3存储校正项341大于零(r>0)时，控制例程300使用NH3存储
校正项341来增加还原剂喷射到排气原料流12中的量值。
图4以曲线图示出了表示与发动机30的实施例的运行有关的在时间(以秒为单位)
402之内的NOx排放(以ppm为单位)406和对应相关性系数(在0与1之间变化)404的数据，该
发动机30具有包括参照图1所描述的SCR 10和还原剂定量给料系统20的排气后处理系统
14。如先前已经被描述，绘制的数据包括NOx进入延迟状态311、第一估计的NOx排出状态
319、第二测量的NOx排出状态313、第一r值rm321以及第二r值rs331。如所示，这些数据涉及
发动机运行，在发动机运行中控制器40基于从NOx传感器44输入的信号和NOx/NH3交叉灵敏
度(参照图2所示的)已经过高估计了NH3存储。在这种情况下，第二测量的NOx排出状态313
小于第一估计的NOx排出状态319，并且对应的第二r值rs331小于对应的第一r值rm321。因
此，控制例程300使用NH3存储校正项341通过增加定量给料速率信号21来增加还原剂喷射
到排气原料流12中的量值。
再次参照图3，当NH3存储校正项341小于零(r<0)时，这表明第一估计的NOx排出状
态319和NOx进入延迟状态311之间的相关性大于第二测量的NOx排出状态313和NOx进入延
迟状态311之间的相关性，这与SCR 10上的高NH3存储和还原剂喷射的定量给料过多(伴随
氨泄漏的可能性增加)有关。参照图5以曲线图对此进行了描绘。因此，当NH3存储校正项341
小于零(r<0)时，控制例程300使用NH3存储校正项341来减少还原剂喷射到排气原料流12中
的量值。
图5以曲线图示出了表示与发动机30的实施例的运行有关的在时间(以秒为单位)
502之内的NOx排放(以ppm为单位)506和对应相关性系数(在0与1之间变化)504的数据，该
发动机30具有包括参照图1所描述的SCR 10和还原剂定量给料系统20的排气后处理系统
14。如先前所描述，绘制的数据包括NOx进入延迟状态311、第一估计的NOx排出状态319、第
二测量的NOx排出状态313、第一r值rm321以及第二r值rs331。如所示，这些数据涉及发动机
运行，在发动机运行期间控制器40基于从NOx传感器44中输入的信号和NOx/NH3交叉灵敏度
(参照图2所示的)已经过低估计了NH3存储。在这种情况下，第二测量的NOx排出状态313大
于第一估计的NOx排出状态319，并且对应的第二r值rs331大于对应的第一r值rm321。因此，
控制例程300使用NH3存储校正项341通过降低定量给料速率信号21来减少还原剂喷射到排
气原料流12中的量值。
再次参照图3，当NH3存储校正项341等于零(r＝0)时，这表明第一估计的NOx排出
状态319和NOx进入延迟状态311之间的相关性等于第二测量的NOx排出状态313和NOx进入
延迟状态311之间的相关性，这与SCR 10上的适当的NH3存储(氨泄漏的可能性最小)有关。
参照图6以曲线图对此进行了描绘。因此，当NH3存储校正项341等于零(r＝0)时，控制例程
300使用NH3存储校正项341来维持还原剂喷射到排气原料流12中的量值在其当前水平。
图6以曲线图示出了表示与发动机30的实施例的运行有关的在时间(以秒为单位)
602之内的NOx排放(以ppm为单位)606和对应相关性系数(在0与1之间变化)604的数据，该
发动机30具有包括参照图1所描述的SCR 10和还原剂定量给料系统20的排气后处理系统
14。如先前所描述，绘制的数据包括NOx进入延迟状态311、第一估计的NOx排出状态319、第
二测量的NOx排出状态313、第一r值rm321以及第二r值rs331。如所示，这些数据涉及发动机
运行，在发动机运行中控制器40基于从NOx传感器44中输入的信号和NOx/NH3交叉灵敏度
(参照图2所示的)已经正确地估计了NH3存储。在这种情况下，第二测量的NOx排出状态313
等于第一估计的NOx排出状态319，并且对应的第二r值rs331等于对应的第一r值rm321。因
此，控制例程300使用NH3存储校正项341通过维持定量给料速率信号21来维持还原剂喷射
到排气原料流12中的量值。
本文所述的构想可以使得SCR能够具有改善的NOx转化效率且氨泄漏的可能性减
小。也可能存在减少的校准工作、减少的计算工作以及正在进行的为了改善性能的连续校
正的可能性。本文所述的构想用于包括NH3泄露催化剂的排气后处理系统和那些不包括NH3
泄露催化剂的排气后处理系统效果同样地好。
具体实施方式和附图或图支持并描述本教导，但本教导的范围仅由权利要求书限
定。虽然用于实施本教导的某些最佳方式及其它实施例已经被详细描述了，但是仍存在用
于实践所附权利要求书中限定的本教导的各种可选设计和实施例。