[发明专利]用于多罐式选择性催化还原系统的模型预测控制

说明书

公开了模型预测控制(MPC)系统、使用这种MPC系统的方法以及具有采用MPC控制的选择性催化还原(SCR)的机动车辆。公开了一种SCR调节型MPC控制系统，其包括用于检测由SCR系统接收的氮氧化物(NOx)输入的NOx传感器、用于检测两种SCR催化剂的NOx输出的催化剂NOx传感器以及用于检测每种SCR催化剂的氨(NH3)逸出的催化剂NH3传感器。该MPC系统还包括控制单元，该控制单元被编程为：接收SCR催化剂的期望罐转化效率；确定SCR催化剂的期望罐NOx输出；确定SCR催化剂的最大NH3存储容量；计算每种SCR催化剂的当前罐转化效率；根据当前罐转化效率计算优化的还原剂脉冲宽度和/或体积；以及基于所计算的脉冲宽度/体积命令SCR配给喷射器将还原剂喷射至SCR导管中。

技术领域

本发明总体上涉及用于调节发动机排放的排气后处理系统。更具体地，本发明的多个方面涉及用于内燃机(ICE)组件的后处理氧化氮(NOx)还原的预测控制策略。

背景技术

当前的生产用机动车辆(诸如现代汽车)最初配备有动力系，其操作以推进车辆并且为车载电子设备供电。动力系(包括且通常被错误地分类为传动系)通常包括原动机，其通过多挡动力变速器将驱动力传递至车辆的最终传动系统(例如，后差速器、车轴和车轮)。往复式活塞型内燃机容易获得且成本相对低廉、重量轻以及整体效率佳，因此汽车通常由往复式活塞型内燃机提供动力。作为一些非限制性示例，这类发动机包括二冲程和四冲程压缩点火(CI)柴油机、四冲程火花点火式(SI)汽油发动机、六冲程架构以及旋转发动机。另一方面，混合动力式车辆利用替代电源(诸如电池供电电动机-发电机)推进车辆，从而最小化依赖发动机获取动力的依赖性，因此提高整体燃料经济性。

顶置阀内燃机通常包括具有一系列缸膛的发动机缸体，每个缸膛具有可在其中可往复移动的活塞。汽缸盖联接至发动机缸体的顶部表面，该汽缸盖与活塞和缸镗配合以形成可变体积燃烧室。这些往复式活塞用于将通过点燃燃烧室中的燃料和空气混合物而生成的压力转化成旋转力以驱动曲轴。汽缸盖限定进气口，由进气歧管提供的空气通过这些进气口选择性地引入至每个燃烧室。在汽缸盖内还限定有排气口，废气和燃烧副产物通过这些排气口选择性地从燃烧室排出至排气歧管。排气歧管又将用于再循环的废气收集并组合至进气歧管中、输送至涡轮驱动的涡轮增压器和/或经由排气系统从ICE排出。

在ICE组件的每个燃烧工作循环期间产生的废气通常包括颗粒物质和其它已知的燃烧副产物，诸如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、挥发性有机化合物(VOC)和氮氧化物(NOx)。排气后处理系统操作地用于将未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳氧化成二氧化碳和水，并且在气体被释放至大气中之前将氮氧化物的混合物还原成氮气和水。排气处理可单独地和以任何组合方式结合氧化催化剂(OC)、NOx吸收器/吸附器、废气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)系统、颗粒物质(PM)过滤器、催化转化器和其它排放控制手段。选择性催化还原是先进的主动排放控制技术，其将诸如无水或含水氨(NH3)或汽车级尿素(否则称为柴油机排气流体(DEF))等配给剂喷射至废气流中。该配给剂包括还原剂，其被吸收至SCR催化剂表面上，然后与废气中的NOx反应。然后SCR催化剂可将NOx分解或还原成水蒸气(H2O)和氮气(N2)。

发明内容

本文公开了用于调节内燃机(ICE)组件的选择性催化还原(SCR)的多变量模型预测控制(MPC)算法和控制系统、制造这样的MPC控制系统的制造方法和使用方法、具有多变量SCR型MPC控制性能的内燃机，以及配备这样的发动机的机动车辆。作为示例而非限制，提出了一种用于双罐式SCR系统的独特线性参数变化(LPV)MPC控制策略和架构以有助于使氮氧化物(NOx)转化效率最大化并使氨逸出最小化。这种控制策略考虑了建模当中的氨(NH3)存储的非均匀分布以及优化罐分级。采用简化和降阶SCR模型来帮助简化模型和控制校准。通过采用这种优化控制方法，SCR控制器可在NOx转化与NH3转移之间实现折衷优化。优化控制算法可采用具有实时数据更新的简化的扩展卡尔曼滤波器(EKF)。