柴油機(jī)選擇催化還原系統(tǒng)的DCU控制研究

劉 軍 李 敏 秦國(guó)振

（江蘇大學(xué)）

1 前言

柴油機(jī)尾氣中的PM和NOx存在著 “此消彼長(zhǎng)（trade-off）”的關(guān)系，鑒于現(xiàn)有的柴油機(jī)技術(shù)水平，僅僅依靠柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化措施已經(jīng)很難滿足排放法規(guī)。要滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，需要結(jié)合柴油機(jī)的后處理技術(shù)來降低NOx和PM的排放。目前，主要有兩條機(jī)外凈化技術(shù)路線：其中一條路線被稱為歐洲路線，即先通過超高壓噴射并優(yōu)化燃燒生成極少的PM，再使用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx，目前常用水基性氨溶液作為催化還原劑，簡(jiǎn)稱為尿素-SCR系統(tǒng)；另一條路線被稱為美國(guó)路線，即先通過廢氣再循環(huán)（EGR）降低排氣中的NOx，再用顆粒捕集器（DPF）捕集因使用EGR而略有增加的PM，從而達(dá)到同時(shí)降低NOx和PM的效果。這兩條技術(shù)路線中，由于SCR技術(shù)具有對(duì)柴油含硫量不敏感、有助于提高燃油經(jīng)濟(jì)性并能有效降低排氣中NOx的優(yōu)點(diǎn)，在后處理技術(shù)中日趨主流并且被大力推廣[1]。

由于柴油機(jī)在實(shí)際工作過程中工況經(jīng)常不斷轉(zhuǎn)變，其NOx的排放及排氣溫度的波動(dòng)比較大，因而制定合理的SCR控制策略以有效控制NOx的排放，成為研究SCR技術(shù)的重點(diǎn)[2]。

2 SCR系統(tǒng)的工作原理

SCR技術(shù)是指在富氧條件下選用合適的催化劑以加速催化還原劑與廢氣中NOx的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)抑制還原劑被排氣中的氧氣氧化。目前廣泛采用的還原劑是質(zhì)量濃度為32.5%的尿素水溶液。

SCR系統(tǒng)主要組成構(gòu)件包括：發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU，尿素罐（包括尿素罐體、尿素溶液溫度傳感器、尿素溶液液位傳感器），電子控制單元DCU，計(jì)量泵單元，催化器（包括催化器進(jìn)、出口溫度傳感器），催化器前、后NOx傳感器，NH3傳感器，空氣電子閥，噴嘴及其相關(guān)線束管道等。

SCR系統(tǒng)工作時(shí)，測(cè)量裝置采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩以及催化器溫度等信號(hào)傳送給DCU，DCU根據(jù)控制策略計(jì)算出所需的尿素溶液量。尿素溶液經(jīng)過計(jì)量噴射泵與壓縮空氣混合后經(jīng)噴嘴進(jìn)入SCR催化器的入口前段。在排氣管中尿素經(jīng)蒸發(fā)、熱解以及水解等一系列物理化學(xué)反應(yīng)后部分或全部分解成NH3和H2O，并與排氣充分混合，然后進(jìn)入SCR催化器。在催化劑的催化作用下，NH3與NOx通過一系列化學(xué)反應(yīng)生成無污染無害的N2和H2O。其主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

由于柴油機(jī)NOx排放中NO占據(jù)了90%以上，因而在NOx的催化還原反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)（2）是主要的反應(yīng)，被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。反應(yīng)（3）在低溫條件下的反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍，稱為快速SCR反應(yīng)。反應(yīng)（4）的反應(yīng)速率比標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)低，故稱為慢速SCR反應(yīng)[3]。

3 DCU控制策略

SCR技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)排放控制時(shí)，尿素溶液噴射量的控制尤為重要，控制不好易引起轉(zhuǎn)化效率不高、氨氣泄漏等一系列問題，因而要制定合理的控制策略。

SCR的電子控制單元DCU通過傳感器實(shí)時(shí)了解SCR系統(tǒng)的狀態(tài)，通過軟件計(jì)算實(shí)時(shí)精確控制各執(zhí)行器的工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR系統(tǒng)的精確控制。

DCU穩(wěn)態(tài)控制策略：DCU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩查詢發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放MAP圖和NOx排放MAP圖，通過計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)下尿素溶液的基本需求量；然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩查詢NOx轉(zhuǎn)化率MAP圖，根據(jù)轉(zhuǎn)速、扭矩和排氣溫度查詢溫度修正系數(shù)MAP圖；通過查詢到的轉(zhuǎn)化率和溫度修正系數(shù)對(duì)尿素溶液的基本需求量進(jìn)行修正，最終得到尿素溶液的實(shí)際需求量。

3.1 MAP圖的存儲(chǔ)

要制定合理的控制策略，需要掌握發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放的MAP圖，因此需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)做試驗(yàn)。試驗(yàn)所選工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)速從800 r/min到2200 r/min，步長(zhǎng)100 r/min；扭矩為各轉(zhuǎn)速點(diǎn)最大扭矩的0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。 同時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排氣流量、NOx濃度、NOx轉(zhuǎn)化率、催化器溫度等數(shù)據(jù)。

將試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DCU，試驗(yàn)點(diǎn)之間的點(diǎn)采用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)插值的方法確定。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)插值即雙線性插值，是用兩次線性插值對(duì)二維函數(shù)的數(shù)據(jù)表格做插值，如圖1所示。

圖1所選G點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算過程為：

式中，A為G點(diǎn)的油門開度[4]。

3.2 尿素溶液基本需求量的計(jì)算

尿素溶液基本需求量的計(jì)算過程為：

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放的NOx體積濃度和排氣流量計(jì)算出NOx質(zhì)量流量mNOx：

式中，mNOx的單位為kg/h；m為排氣質(zhì)量流量，單位為kg/h；N為排氣摩爾質(zhì)量，其值為29 kg/kmol；fNOx為NOx體積濃度，單位為mg/L；NNOx為NOx摩爾質(zhì)量，其值為46 kg/kmol。

NH3的需求量為：

式中，mNH3為NH3的理論需求量，單位為kg/h；n1為化學(xué)計(jì)量因子，理想狀態(tài)下1 mol的NH3和1 mol的NOx正好完全反應(yīng)，但是在實(shí)際計(jì)算中將NOx的摩爾質(zhì)量等效為NO2的摩爾質(zhì)量，即17 g的NH3與46 g的NOx完全反應(yīng)，從而得到n1為0.37。

尿素的基本需求量為：

式中，M的單位為kg/h；n2為NH3與尿素溶液需求量的質(zhì)量轉(zhuǎn)換因子，其值為5.425。

由公式（8）、（9）、（10）聯(lián)立可得[5]：

3.3 尿素噴射量的修正

尿素溶液噴射量的控制可以分為穩(wěn)態(tài)工況下的修正和瞬態(tài)工況下的修正兩種。

3.3.1 穩(wěn)態(tài)修正

穩(wěn)態(tài)修正是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx轉(zhuǎn)化率對(duì)尿素溶液基本噴射量進(jìn)行修正。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx轉(zhuǎn)化率不可能為100%，其值在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下也不同，因此要想得到更精確的尿素溶液需求量、更好的控制NOx排放以滿足排放法規(guī)，就需要在計(jì)算尿素溶液需求量的過程中加以修正。

穩(wěn)態(tài)工況下尿素溶液的精確需求量為：

式中，C為NOx轉(zhuǎn)化率。

試驗(yàn)得到NOx轉(zhuǎn)化率MAP圖，如圖2所示。

3.3.2 瞬態(tài)修正

在穩(wěn)態(tài)工況中只考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)各參數(shù)如轉(zhuǎn)速、扭矩、催化器溫度等均達(dá)到穩(wěn)定的情形，但是發(fā)動(dòng)機(jī)在過渡過程中具有不確定性，當(dāng)負(fù)載突增或突減時(shí)，排氣溫度會(huì)發(fā)生變化。

發(fā)動(dòng)機(jī)從高排溫工況到低排溫工況的過程中，排氣溫度從前一工況的高溫變?yōu)楫?dāng)前工況的低溫，而由于催化器的溫度阻尼作用，其床體溫度并非很快降低到當(dāng)前的低溫狀態(tài)，而是逐漸趨近當(dāng)前溫度。因而降溫過程中的溫度要比當(dāng)前工況的溫度高，NOx轉(zhuǎn)化效率也大于當(dāng)前工況下的轉(zhuǎn)化效率，所以需多噴一定量的尿素以提高NOx實(shí)際的轉(zhuǎn)化效率。此時(shí)的降溫修正系數(shù)大于1，即在當(dāng)前工況的尿素噴射量基礎(chǔ)上增加額外的噴射量。

發(fā)動(dòng)機(jī)從低排溫工況到高排溫工況的排氣升溫過程中，催化器的床體溫度由前一工況的低溫逐漸上升到當(dāng)前溫度，此過程中的NOx轉(zhuǎn)化效率要小于當(dāng)前工況下的轉(zhuǎn)化效率，所以此時(shí)需要減少尿素噴射量。升溫修正系數(shù)小于1，即在當(dāng)前工況的尿素噴射量基礎(chǔ)上減去一定量的噴射量[6]。

因此，需要在穩(wěn)態(tài)控制的基礎(chǔ)上對(duì)尿素溶液的噴射量進(jìn)行瞬態(tài)修正。為得到各工況瞬態(tài)修正系數(shù)而進(jìn)行以下試驗(yàn)：選取從800 r/min到2200 r/min、步長(zhǎng)為200 r/min的各轉(zhuǎn)速點(diǎn)，按0%-100%-0%、25%-100%-25%、50%-100%-50%、75%-100%-75%的規(guī)律改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，并實(shí)時(shí)記錄排氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)油量、NOx排放濃度等數(shù)據(jù)，根據(jù)以上試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算修正系數(shù)。圖3為瞬態(tài)修正系數(shù)MAP圖。

4 DCU控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上所設(shè)計(jì)的DCU控制策略，在某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行ESC和ETC試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為某型號(hào)直列六缸四沖程高壓共軌柴油機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為2200 r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為1030 N·m。表1所列為ESC試驗(yàn)中13個(gè)工況點(diǎn)的相關(guān)信息。

表1 ESC工況點(diǎn)

圖4為ESC測(cè)試循環(huán)中SCR系統(tǒng)是、否工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中NOx濃度的對(duì)比圖。由圖4可知，安裝SCR系統(tǒng)后NOx濃度大大降低。表2為ESC和ETC試驗(yàn)的測(cè)試排放值，由表2可知設(shè)計(jì)的DCU控制策略能夠控制NOx的排放，滿足法規(guī)要求。

表2 測(cè)試循環(huán)排放值 g/（kW·h）

5 結(jié)束語

對(duì)SCR電子控制單元DCU的控制進(jìn)行了研究：制定了DCU控制策略；采用插值計(jì)算的方法對(duì)MAP圖進(jìn)行了儲(chǔ)存，并對(duì)尿素溶液的需求量進(jìn)行了NOx轉(zhuǎn)化率和溫度修正系數(shù)方面的修正；最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的正確性。

1 Hirata K，Masaki N，Ueno H.Development of Urea-SCR System for Heavy-duty Commercial Vehicles.SAE Paper，2005，1，1860.

2 劉軍，吳碩開，何國(guó)國(guó)，等.SCR控制策略的研究.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2010，37（3）：34～36.

3 王洪榮，王永富，歐祖方.SCR控制策略研究.汽車工程學(xué)報(bào)，2011，1（3）：204～209.

4 邱愛保.多元函數(shù)插值探討.宜春學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，29（4）：32～33.

5 楊虎.柴油機(jī)SCR電控系統(tǒng)的開發(fā)及試驗(yàn)研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

6 胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機(jī)尿素SCR后處理系統(tǒng)的控制策略研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（2）：1～5.