基于模型的重型柴油車SCR后處理系統穩態控制策略研究

俞 妍，鄧成林，龐海龍，資新運，卜建國

（軍事交通學院，天津 300161）

柴油機因其優異的動力性、良好的燃油經濟性得到了廣泛的應用，但是，柴油機的PM和NOx排放一直是應用中的一個難點［1］。中國于2011年7月開始實施國Ⅳ乘用車排放法規標準，中重型柴油車國Ⅳ排放法規標準也即將實施。

面對日益嚴格的排放法規要求，軍事交通學院對滿足國Ⅳ排放法規的技術路線及措施進行了大量的研究。SCR技術路線是其中的重點選擇，通過機內優化燃燒，機外采用SCR尿素噴射控制系統降低NOx排放，最終達到國Ⅳ排放標準。本研究基于SCR技術路線，研究了滿足國Ⅳ標準的SCR尿素噴射穩態控制策略。

1 尿素噴射穩態控制策略

滿足國Ⅳ排放法規要求的尿素噴射控制策略算法包括尿素噴射系統自診斷，但不包括OBD診斷、傳感器診斷監測、執行器診斷監測等。國Ⅳ排放法規的NOx排放限值是3.5g／（kW·h），氨氣泄漏量的要求是平均值小于25×10－6。雖然法規中沒有對泄漏量的瞬時峰值提出要求，但是從用戶的角度考慮，氨氣泄漏峰值也同樣不能超過25×10－6。

SCR后處理技術是通過向排氣管內噴入還原劑（通常是尿素水溶液），還原劑經過熱解、水解產生氨氣（NH3），NH3在催化器內與廢氣中的NOx反應，生成無害的N2（Nitrogen）和水。如果還原劑噴入過量，多余的NH3隨廢氣排入大氣，會造成二次污染；相反地，還原劑噴入量過少會導致SCR系統NOx轉化效率降低。在還原劑噴入量的實時精確控制中，SCR尿素噴射控制策略起著至關重要的作用［2］。

SCR尿素噴射控制策略包括尿素系統自診斷及控制策略和尿素噴射策略兩大部分。尿素系統自診斷及控制策略主要功能是尿素泵狀態控制，根據尿素泵的診斷信息進行相應的診斷控制［3］。

尿素噴射策略包括穩態策略和瞬態策略，穩態的尿素噴射策略是基礎策略，而瞬態策略是在穩態策略的基礎上對尿素噴射影響因素的修正策略。本研究基于“八六三”課題“柴油車后處理器OBD及匹配測試技術研究”，著重對重型柴油車SCR國Ⅳ尿素噴射穩態控制策略進行研究。

1.1 尿素系統自診斷及控制策略

尿素系統的自診斷及控制是整個系統可靠運轉的關鍵。系統噴射前必須給尿素加壓，建立足夠的尿素驅動壓力；系統在停噴后必須進行管路清洗，以防止尿素結晶；同時系統工作過程中應該進行自診斷，并能自行處理相關故障［2］。基于這些考慮，本研究提出了基于狀態機的系統控制策略（見圖1）。尿素泵的工作狀態劃分為系統自檢、關機（pump off）、清洗（purging）、尿素加壓（priming）、噴射（dosing）和故障診斷（diagnostic）6個狀態。

1.2 穩態控制策略模型

尿素噴射控制策略分為排溫模型、NOx預估模型、排氣流量模型、催化器效率模型、尿素噴射模型和SCR瞬態尿素噴射模型［3］（見圖2）。

1.2.1 排氣流量模型

排氣流量作為反映催化劑特性的一個因變量，是尿素噴射控制中一個非常重要的變量。實際應用中排氣溫度很高（200～500℃），排氣流量很難進行測量，一般采用以下公式計算：

式中：Q為排氣流量；Qin為進氣流量；B為燃油消耗量。

根據由臺架試驗得到的有限個離散的自變量及其對應的函數值，采用內插法可求出其他未列及的自變量所對應的函數近似值［4］。運用 Matlab軟件可以得到如圖3所示的發動機工況與排氣流量之間的對應關系，MAP圖中轉速的步長為100r／min，相對負荷比的步長為4%。

對試驗數據插值后可以得到19×20的排氣流量矩陣A：

矩陣A中，Qmi，j表示排氣流量的插值結果，其中i∈ ［l，19］且為自然數，j∈［1，20］且為自然數［4］。

1.2.2 排氣溫度模型

排氣溫度預測的準確性直接影響載體對NH3的吸附和解吸附，預測不準確會對NH3泄漏產生影響。排氣溫度是由催化器入口和出口溫度傳感器測得的，其模型控制策略見圖4。

1.2.3 催化器效率模型

1）催化器的空速比

空速比是影響催化器轉化效率的一個非常重要的指標。催化器空速比是指在規定條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量［5］。SCR后處理系統催化器的空速比可以用下式進行計算：

式中：SV為空速比；Qm為排氣流量；Vc為催化器體積，本研究中催化器的體積為25L。

2）催化器效率模型

催化器效率模型是控制策略中的一個重要模型，反映在控制程序中就是催化器的 MAP圖［6－7］。圖5示出根據匹配標定試驗得到的催化器效率MAP圖，反映了催化器效率與排氣溫度、空速比之間的關系。

1.2.4 NOx預估模型

1）原機NOx濃度

國Ⅳ排放法規對尿素噴射量的精度要求相對較低，尿素噴射不需要很精確。原機NOx濃度是基于發動機穩態的排放數據，用二維散布點內插法處理后得到。圖6示出原機NOx的排放MAP。

插值后可以得到19×20的原機NOx排放矩陣B：

其中：NOxi，j表示原機NOx濃度的插值結果，其中i∈［l，19］且為自然數，j∈［1，20］且為自然數。

2）目標NOx濃度

NOx目標排放值是與催化器最大轉化效率相對應的，催化器的最大轉化率高一些，發動機出口的NOx目標排放值就會低一些。也就是說，確定目標排放值的過程就是確定催化器最大轉化效率的過程［8－9］。

3）NOx削減量

根據《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》，由式（3）至式（5）可得到 NOx削減量。

式中：m（NOx）為 NOx質量流量；c（NOx）為原始排氣NOx平均濃度；GEXHW為原始排氣流量；KHD為溫濕度校正系數。

式中：A＝0.309GF／GA－0.026 6，GF為燃料流量，GA為空氣流量；B＝0.209GF／GA＋0.009 54；Ta為進氣的絕對溫度；Ha為進氣的絕對濕度。

式中：Ra為進氣的相對溫度；pa為發動機進氣空氣的飽和蒸氣壓；pB為總大氣壓。

NOx預估模型控制策略見圖7。

1.2.5 尿素噴射模型

采用壓力—占空比計量的方式精確控制尿素噴射量。在壓力一定的情況下，計量閥占空比決定了尿素噴射速率［10］。通過標定試驗，獲得壓力、尿素噴射速率和占空比的MAP圖（見圖8），其控制策略見圖9。

2 臺架驗證

2.1 試驗設備

試驗選用YC6L280—42發動機，該發動機為四沖程、水冷、直噴、渦輪增壓發動機，標定功率206kW，標定轉速2 200r／min，凈質量850kg，其基礎排放滿足國Ⅲ排放法規要求。

發動機試驗測試設備有APA308／3.5EU測功機、CEM301H排放試驗循環控制軟件、CEB—Ⅱ排氣分析儀。NOx排放通過CEB—Ⅱ型排氣分析儀監測，并可以采集瞬態的數據，滿足ETC瞬態測試循環的需要。

試驗中所用催化器為國產25L釩鎢鈦體系SCR催化器，還原劑為車用尿素溶液。SCR后處理系統為自主研發的一種以壓縮空氣為驅動源的尿素供給系統。

2.2 ESC試驗研究

在完成SCR系統控制策略及匹配標定試驗的基礎上，進行穩態循環ESC試驗，以考核SCR系統的運行狀況。試驗發動機在測功機上遵循表1所列出的13工況運行。

在ESC試驗中，SCR系統根據發動機轉速、扭矩等參數自動運行，并對催化器前NOx濃度、催化器后NOx濃度、排氣溫度、還原劑噴射量等參數信息進行同步記錄。

圖10示出還原劑噴射速率隨ESC工況的變化。由于建立了穩態控制策略的模型，其噴射速率可根據不同工況實時進行調整，以最大限度地降低NOx排放量。從圖10可以看出，還原劑的最大穩定噴射速率可以達到3.7kg／h，瞬時噴射速率最大可以達到4.5kg／h。

圖11示出NOx濃度隨ESC工況的變化。從圖11可以看出，在ESC工況下，NOx體積分數最高可以達到1 500×10－6。SCR系統運行后，由于還原劑的添加，排氣中的NOx體積分數急劇降低，其最低穩定值在100×10－6左右。在ESC工況下，其最高轉化效率可以達到90%，但在某些點上其轉化效率較低，如圖中所示原機NOx體積分數為500×10－6左右的幾個工況點，其轉化效率不到50%。其他ESC工況點轉化效率都在70%以上。

ESC的最終測試結果為NOx比排放量為3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值為20×10－6。試驗結果滿足國ⅣESC穩態排放法規的要求。

3 結束語

介紹了SCR國Ⅳ尿素噴射穩態控制策略及實現流程。控制策略主要是基于排溫模型、NOx預估模型、排氣流量模型、催化器效率模型、尿素噴射模型的MAP圖及數學計算。通過臺架ESC試驗驗證，NOx排放是3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值為20×10－6，滿足國Ⅳ穩態排放法規的要求。

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