柴油機SCR系統控制策略研究與軟件設計

李捷輝，胡立，段暢，劉婧，張隆基

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

面對日益嚴峻的環境問題，環保部公布從2016年4月1日起至2018年1月1日分階段實施柴油機國Ⅴ排放標準，加嚴汽車尾氣污染物的排放限值。針對柴油機排氣污染物NOx，相比國Ⅳ排放標準，國Ⅴ標準限值從3.5 g/(kW·h)降到2.0 g/(kW·h)，降幅達42.9%[1-2]。為應對國Ⅴ及以上排放標準，目前各大汽車廠商多采用主流的選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction，SCR)來降低汽車尾氣中的NOx[3]。

隨著排放法規的升級，針對SCR系統的研究逐漸專注于尿素噴射量的精確控制，控制技術也由開環轉向閉環、由單閉環轉向多閉環[4-5]。研究人員針對SCR系統閉環控制策略進行了研究：美國德爾福公司提出了一種基于氨傳感器的閉環控制策略[6]；清華大學設計了一種基于NOx傳感器的多閉環控制系統[7-8]；吉林大學設計了一種基于模型的NH3閉環控制策略[9]。研究表明，精確計算SCR系統尿素量能夠有效地提高NOx轉換效率。

本研究針對空氣輔助式SCR系統，結合模塊化思想，在Matlab/Simulink環境下開發一套通用型SCR系統控制軟件，其中采用基本尿素噴射量計算、尿素量修正和閉環反饋調節的組合方式來提高尿素量計算精度。通過以直列4缸柴油機為樣機完成國Ⅴ標準規定的歐洲穩態測試循環(European Steady-State Cycle,ESC)和世界統一瞬態測試循環(World Harmonized Transient Cycle,WHTC)，驗證軟件的控制效果和實用性。

1 軟件整體架構

V型開發流程相比于傳統ECU開發流程，更注重于應用層軟件的開發，并且能夠大幅縮減開發周期，提高開發效率。Simulink作為應用層建模工具，其圖形化特點結合模塊化建模思想，能夠清晰構建軟件邏輯，有助于算法設計[10]。根據SCR系統功能需求，在Matlab/Simulink環境下搭建軟件架構(見圖1)，主要分為信號管理模塊(Data_Management)、SCR狀態模塊(SCR_StateManagement)、尿素噴射量計算模塊(Ur_Cacular)和任務模塊(Task)4個部分。數據管理模塊統一管理SCR系統各類傳感器信號，將其處理后傳遞給SCR狀態模塊和尿素噴射量計算模塊；尿素噴射量計算模塊根據當前發動機轉速、負荷以及SCR系統參數計算出實時的尿素噴射量并傳遞給任務模塊；SCR狀態模塊根據傳感器信號進行系統自診斷，判斷系統所處狀態，不同的系統狀態調用任務模塊中不同的任務；任務模塊由SCR狀態模塊驅動，內部包含尿素噴射等多種任務。

圖1 SCR系統控制軟件架構

2 模塊算法設計

2.1 數據管理模塊

數據管理模塊主要功能是采集SCR系統各類傳感器信號，并根據信號的類型和用途進行相應的算法處理，如濾波處理等。信號來源主要分為兩類，一類通過CAN總線接收來自發動機ECU的轉速、負荷、噴油參數和進氣溫度等信號，另一類通過傳感器采集得到，如尿素罐溫度、尿素泵溫度、催化劑前溫度、催化劑后溫度、尿素罐液位、壓縮空氣壓力和尿素噴射壓力等信號(見圖2)。

圖2 數據管理模塊

模擬量信號容易受到外界干擾造成信號失真或是失效，同時為了保證尿素量計算精度，需要對模擬量信號進行滑動平均濾波及傳感器失效診斷處理(見圖3)。滑動平均濾波算法連續采樣8個傳感器信號進行平均值計算，采樣個數為8時既能保證信號平滑度，又能確保信號的靈敏度。由滑動平均濾波獲得的信號再進行傳感器失效診斷，以傳感器測量限值作為失效診斷依據。

圖3 滑動平均濾波及失效診斷

2.2 SCR狀態模塊

SCR系統控制較復雜，在功能上需要完成對傳感器信號的采集和處理、對SCR系統本身進行故障診斷、實時計算尿素噴射量和執行尿素噴射任務等，所以為有序協調控制系統各模塊運轉，在軟件中建立了協調模塊，即SCR狀態模塊。SCR狀態模塊根據傳感器信號和設定的尿素泵噴射條件進行系統的狀態轉移，調用不同模塊進行工作。SCR狀態模塊基于Stateflow工具進行開發，其任務調度邏輯見圖4。

圖4 SCR狀態邏輯判斷框圖

SCR狀態模塊定義了5種系統狀態，分別是初始化狀態、無壓力狀態、建壓狀態、運行狀態和清潔狀態。DCU上電時，默認進入初始化狀態，置位所有執行器控制量為0，同時檢測壓縮空氣壓力是否小于0.4 MPa，尿素罐中液位是否低于10%，各項測試通過之后進入無壓力狀態；在無壓力狀態中對尿素罐和尿素泵內溫度進行檢測，防止尿素結晶，為尿素噴射作準備，待溫度高于230 ℃后進入建壓狀態；建壓狀態中，如果尿素管路中存在氣泡則會影響尿素噴射精度和減排效果，所以該狀態需要進行氣泡檢測和排除；建壓成功后進入正常運行狀態，開始尿素噴射，當檢測到發動機停機或DCU下電則進入下一狀態；在清潔狀態，為防止管路中殘留尿素溶液結晶造成堵塞，利用壓縮空氣吹掃掉殘留尿素，持續30 s后系統下電。

2.3 尿素噴射量計算模塊

尿素噴射量直接影響到NOx的轉換效率，過高的噴射量還會引起氨泄漏，造成二次污染等問題，為此需要進行精確計算。尿素噴射量計算策略采用開環和閉環相結合的方式，開環部分包括基本尿素噴射量計算和尿素量修正兩個部分，尿素量修正部分不僅能夠針對不同的穩態工況根據空速和催化器溫度進行實時修正，還能針對閉環反饋調節的遲滯提供前饋補償，縮短瞬態工況調節時間。尿素噴射量計算由3個部分組成(見圖5)，分別是基本尿素噴射量計算、尿素量修正和閉環反饋調節。

圖5 尿素噴射量計算模型

2.3.1基本尿素噴射量計算

基本尿素噴射量由原機轉速、負荷標定得到的氮氧化物排放值NOx_B和基于模型計算得到的發動機排氣質量流量memission乘積按氨氮化學反應機理換算得到，再以32.5%質量分數換算成尿素水溶液噴射量m_Adblue，其中氨氮化學反應比例視不同機型確定，最高不超過1.2∶1。排氣質量流量memission等于進氣質量流量ma加上燃油質量流量mfuel：

(1)

式中：Vd為發動機排量；λv為充氣系數；Speed為發動機轉速；pa為進氣壓力；M為空氣摩爾質量；R為理想氣體常數；Ta為進氣溫度；N為1轉內發動機工作氣缸數；ρf為燃油密度；Fi為單缸每次燃油噴射體積。

運用上述推導公式對基本尿素量計算進行建模(見圖6)。

圖6 尿素基本噴射量計算模型

2.3.2尿素量修正

實際工作過程中，受反應環境限制，NOx并不能被完全轉換，所以需要對尿素基本噴射量進行修正。環境影響因素主要是空速和催化劑溫度[11]，通過計算空速并結合催化器溫度，查標定獲得的NOx轉化效率Ke，可以有效地修正尿素噴射量。空速VS經驗推導公式如下：

(2)

式中：Temission為排氣溫度；pemission為排氣壓力；Memission為排氣摩爾質量；Vcatlyst為催化劑體積。

瞬態工況下，催化器載體溫度變化會滯后于發動機排氣溫度，計算的基本尿素噴射量過量則導致氨泄漏，過小則導致NOx排放超出限值。閉環反饋調節雖然能夠自動調節尿素量偏差，但閉環控制都會存在一定滯后。為盡可能減少瞬態工況下NOx排放，在尿素量修正中添加對負荷變化的監測，以實現對瞬態工況的前饋補償，同時縮短閉環反饋調節時間。尿素量修正模型見圖7。

圖7 尿素量修正模型

2.3.3閉環反饋調節

在瞬態工況下，為解決基本尿素噴射量計算和尿素量修正不能精確計算最終尿素噴射量，造成過噴或少噴等問題，同時減少對發動機排氣溫度、轉速、空氣濕度和大氣壓力等影響因素修正的工作量，通過實時采集NOx傳感器反饋信號計算NOx實際轉化效率，對尿素噴射量進行閉環調節。NOx實際轉化效率計算方法如下：

(3)

式中：kreal為NOx實際轉化效率；NOx_B為反應前濃度；NOx_A為反應后濃度。

SCR系統降低NOx濃度的同時不允許引起氨泄漏，造成二次污染。針對不同的發動機，需標定其在排放法規限值內的預期氮氧化物MAP(NOx排放極限和氨泄漏值均滿足排放法規)，當NOx傳感器實際采集值低于NOx期望值時，SCR系統停止尿素噴射；否則進行閉環反饋調節，修正系數計算方法如下：

(4)

閉環反饋調節模型見圖8。

圖8 閉環反饋調節模型

2.4 任務模塊

SCR系統任務分為尿素罐冷卻水加熱任務、管路電加熱任務、空氣閥開關任務和尿素水溶液噴射任務(見圖9)。其中，尿素罐冷卻水加熱、管路電加熱和空氣閥開關是由SCR狀態模塊在不同狀態中調用的開關任務。尿素水溶液噴射任務則是運用電機驅動隔膜泵提供穩定尿素噴射壓力，再通過控制電磁閥開啟時間決定尿素水溶液噴射量。為穩定電機控制下的尿素噴射壓力，提高噴射精度，采用PID算法對電機轉速進行精確控制。

圖9 任務模塊

3 臺架測試與結果分析

3.1 測試平臺

為驗證設計的SCR控制軟件對污染物NOx減排效果，以直列4缸柴油機為樣機搭建試驗臺架(見圖10)，采用AVL GEM30排氣自動化測試平臺分別進行多組ESC和WHTC試驗循環。SCR控制單元DCU除接收來自ECU的轉速和負荷等信息，還采集多路傳感器信號。柴油機技術參數見表1。

圖10 SCR系統臺架測試示意

型式直列4缸怠速/r·min-1850進氣形式增壓中冷標定功率/kW105氣缸數4標定功率轉速/r·min-13 000氣缸直徑/mm93最大扭矩/N·m350排量/L2.776最大扭矩轉速/r·min-12 000

3.2 試驗結果分析

國Ⅴ標準對柴油機污染物及測量方法提出了試驗規程要求，同時于2014年對GB 17691—2005進行了補充，要求采用WHTC工況法來拓寬ETC循環的轉速選擇范圍，并側重于低速低負荷工況的測量[12]。采用ESC和WHTC試驗循環進行多組測試，表2列出其中3組NOx排放數據。圖11示出一組ESC循環測試數據，對比由控制軟件運行得到的NOx_SCR曲線與NOx_原排曲線，可見隨著排氣溫度的變化，尿素量修正模塊能夠及時調整NOx轉換效率，防止過噴或少噴，同時基本尿素量計算模塊能夠覆蓋不同的工況并計算出相應的基本尿素噴射量。加裝SCR系統后，3組ESC試驗循環測得NOx轉換效率均高于79.09%，排放均值為1.757 g/(kW·h)，最高排放值為1.836 g/(kW·h)，滿足國Ⅴ排放限值要求。

圖11 ESC循環測試結果

相比ETC工況法，WHTC在工況選取上更側重低速低負荷工況，同時WHTC試驗循環包含冷起動循環和熱起動循環，最終結果由冷、熱起動循環加權得到。綜合以上兩種因素， WHTC循環NOx排放要高出ETC循環10%以上，所以WHTC循環對NOx排放限值放寬到2.8 g/(kW·h)，但較ETC循環仍更為嚴格[13-15]。表2所列3組WHTC試驗循環NOx轉換效率均在72.35%以上，排放均值為1.923 g/(kW·h)，最高排放值為2.147 g/(kW·h)，滿足國Ⅴ排放法規限值要求。

表2 ESC及WHTC循環NOx排放測試結果 g/(kW·h)

4 結束語

采用模塊化設計思想，在Matlab/Simulink環境下完成SCR系統軟件架構搭建和算法設計，并以基本尿素噴射量計算、尿素量修正和閉環反饋調節的組合方式提高尿素量計算精度。

在試驗臺架上進行ESC和WHTC循環測試，結果顯示，NOx轉換效率分別高于79.09%和72.35%，經催化還原后排放均值分別是1.757 g/(kW·h)和1.923 g/(kW·h)，最大排放值分別是1.836 g/(kW·h)和2.147 g/(kW·h)，滿足國Ⅴ法規的限值要求。

設計的SCR控制軟件經試驗驗證，達到了一定的控制效果，同時為提升尿素量計算精度提供了借鑒意義。

參考文獻：

[1] 國家環境保護總局.GB 17691—2005 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段) [S]．北京：中國環境科學出版社，2005.

[2] 樓狄明,嚴嶸,胡志遠,等.基于DOC+CDPF+SCR技術的國Ⅴ排放重型柴油機氣態物排放特性研究[J]．環境工程,2014,32(10):79-84.

[3] 鄭曉晨.輕型及重型柴油商用車排放控制技術研究與技術路線選擇[D]．長春：吉林大學,2016.

[4] 劉傳寶,顏伏伍,胡杰,等.柴油機SCR后處理系統控制策略[J]．農業機械學報,2013,44(11):6-11.

[5] 王謙,王保義.重型柴油機Urea-SCR系統控制策略建模與仿真研究[J]．內燃機工程,2015,36(4):46-52.

[6] Da Y W,Sheng Y,Mark S,et al.Ammonia sensor for closed-loop SCR control[C]．SAE Paper 2008-01-0919.

[7] Jing Hu,Yan G Z.Development of closed-loop controlstrategy for Urea-SCR based on NOxSensors[C]．SAE Paper 2011-01-1324.

[8] 胡靜,趙彥光,陳婷,等.重型柴油機尿素SCR后處理系統的控制策略研究[J]．內燃機工程,2011,32(2):1-5.

[9] 劉少華.固態銨SCR系統噴射控制策略的研究[D]．長春：吉林大學,2016.

[10] 陳虹,褚洪慶,劉奇芳,等.基于模型的汽車電控系統設計[J]．控制工程,2016,23(12):1867-1873.

[11] 唐煒,蔡憶昔,王軍,等.柴油機尿素SCR反應特性的試驗研究[J]．車用發動機,2016(1):63-67.

[12] 國家環境保護總局.HJ 689—2014 城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)[S]．北京：中國環境科學出版社，2014.

[13] 王知銀,曹懷禮.關于采用DOC+SCR后處理國5柴油機對應WHTC排放的技術措施試驗研究[J]．重慶理工大學學報(自然科學版),2017,31(2):28-33.

[14] 魏厚敏,蔡大偉,黃德軍,等.不同控制策略條件下車用柴油機WHTC和ETC排放比對試驗與研究[J]．內燃機,2014(4):20-23.

[15] 趙國斌,蓋永田.WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環的試驗比較與研究[J]．汽車工程學報,2015,5(1):29-34.