基于ESC穩態試驗尿素噴射控制研究

郭麗娜 胡明 郝魁 岳廣照

摘要：以康明斯4L柴油發動機作為研究對象，通過MATLAB完成尿素噴射控制策略編程，在ESC穩態試驗循環中，對比閉環控制尿素噴射和開環控制尿素噴射的整體循環測試結果和單點測試結果，得出閉環控制在尿素噴射過程中具有尿素消耗量少，排氣中NOX轉換效率高的特點。

Abstract： With cummins 4L diesel engine as the research object， By Matlab program urea injection control strategy， in the ESC steady-state test cycle， compared with closed loop control of urea injection and open loop control of urea injection of single point test results and the whole cycle test results， draw a closed loop control in the process of urea injection with urea consumption， less NOX in the exhaust pipe high conversion efficiency.

關鍵詞：柴油車;ESC工況;NOX計算

Key words： diesel vehicles;ESC condition;NOX calculation

中圖分類號：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0001-03

0 ?引言

目前對于后處理廠家而言，在國五排放階段關于NOX的起步門檻條件是通過國家指定排放實驗室臺架ESC/ETC/WHTC循環測試，滿足GB17691-2005中關于NOX的排放限值，ESC穩態循環測試作為ETC和WHTC數據標定的基礎，其在柴油車尾氣排放測試中具有關鍵性的作用[1]。針對于ESC穩態循環的重要性，本文對現階段市場中存在的開環控制標定和閉環控制標定方式進行了闡述，對比了開環控制ESC試驗結果和閉環控制ESC試驗結果，得出閉環控制具有尿素消耗量低，轉換效率高的試驗結論。

1 ?柴油機NOX還原方法介紹

尾氣后處理SCR技術路線主要分為兩部分，用電控高壓噴射和增壓中冷實現缸內凈化降低PM，以此達到GB17691-2005中關于尾氣標準的要求，但是由于NOX和PM之間的“蹺蹺板”關系，PM降低會明顯增大NOX排放，此時依靠SCR尾氣后處理技術將排氣中的NOX數據降低，達到國標GB17691-2005需求[2]。

2 ?相關基礎公式

2.1 ESC穩態循環工況選取

發動機轉速A、B、C的確定需要依據高轉速nhi和低轉速nlO計算獲得。高轉速nhi是最大凈功率70%，低轉速nlo是最大凈功率50%下的轉速[3]。

轉速A=nlO+25%（nhi-nlO）（1）

轉速B=nlO+50%（nhi-nlO）（2）

轉速C=nlO+75%（nhi-nlO）（3）

ESC試驗發動機在測功機上運行工況循環如表1所示。

發動機必須按照每個工況所規定的時間運行，最初20秒用于完成轉速和負荷的轉換，每個工況中規定的轉速應保持在±50r/min之內，規定的扭矩應保持在該實驗轉速下最大扭矩的±2%以內。

在ESC試驗13工況完成后，ESC測試還附帶控制區內隨機工況點檢測，在開始測量前，發動機先調整至第13工況運行3min，然后在控制區內由檢驗機構選擇的三個不同的位置進行測量，每次測量時間為2min。測量規程和13工況循環中NOX的測量相同[4]。

2.2 ESC試驗循環NOX氣態污染物計算

2.2.1 氮氧的濕度和溫度校正

下列公式中的因子就是對NOX濃度進行大氣溫度和濕度的校正[5]。

（4）

式中：

Ta=進氣的絕對溫度，K;

Ha=進氣的絕對濕度（水/干空氣），g/kg

（5）

式中：

Ra-進氣的相對溫度，%;

Pa-發動機進氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa;

Pb-總大氣壓，kPa。

2.2.2 排氣污染物質量流量的計算

每工況排氣污染物的質量流量（g/h）按下列公式計算直采NOX數據（假設排氣在273k（0℃）和101.3kPa下的密度為1.293kg/m3）：

（6）

式中NOX cono是排氣采集系統在十三工況中的每一工況中采集的平均濃度（ppm）。

2.2.3 比排放的計算

各個組分的排放量（g/kW·h）計算如下所示。

（7）

式中：NOmass為十三工況中各工況NOX質量流量;

WFI為表1中的加權系數;

P（n）i為十三工況中各工況質量流量。

2.3 穩態ESC工況，不同控制策略試驗對比

對于SCR尿素噴射系統而言，其化學反應的基礎是尾氣中的NOX在催化劑的作用下與NH3發生催化還原反應生成N2和H2O的過程。此反應屬于放熱反應，對于釩基催化劑而言，其成本相對較低，但釩基催化劑受溫度影響較大，基本反應活性溫度起點集中在200～220℃左右，一般催化劑性能失活溫度在500℃左右，由此可見溫度是影響柴油車SCR尾氣處理的重要影響因素之一;另一個重要因素是尾氣在流過催化劑載體時的時間，也是人們常說的空速，尾氣需要在催化劑中充分反映才可實現化學反應。

在臺架ESC穩態測試過程中，SCR尿素噴射開環控制整體測試結果NOX無法滿足國五2.0g/kW·h的標準要求，十三個工況點的單點數據也不夠穩定，誤差較大;而對于閉環控制而言，閉環控制能夠矯正空速的滯后、尿素泵噴射的機械誤差以及實際尿素反應的瞬態調整，保證單點測試和整體測試結果的穩定性，同時可以保證車輛出廠后SCR尾氣后處理系統實際運行的一致性。

SCR尿素噴射反饋閉環控制的原理是依據下游氮氧傳感器采集的排氣管中反應后的NOX數據與實際預期的理論NOX數據進行比較，從而調整尿素噴射量的修正，當實際轉換效率大于理論轉換效率時，可以減少尿素噴射量，在保證轉換效率的同時實現尿素消耗節省;當實際轉換效率小于理論轉換效率時，可以增大尿素消耗量，以保證轉換效率的穩定性。

3 ?臺架驗證

此次試驗臺架驗證的SCR尾氣后處理系統主要包含集成式尿素供給單元、催化劑、各類傳感器（上下游傳感器、上下游排溫傳感器、尿素箱溫度及液位傳感器）以及其他連接件組成。系統構成以及臺架試驗系統布置如圖1所示，試驗測試設備如表2所示。

圖1中所示集成式尿素噴射系統是整個SCR后處理系統的核心，其通過發動機信號、上游AD排溫信號、下游NOX信號計算當前排氣管中NOX的反應情況，對比預期NOX需求反應效率，反饋公式根據實際尿素反應情況與理論需求尿素反應情況進行反饋控制，實現尿素噴射量的修正。此處需注意，反饋控制的修正數據可能是正反饋也可能是負反饋。表3所示為各階段ESC穩態循環尾氣排放標準。

3.1 試驗過程

對于ESC穩態循環工況來說，尿素噴射處理后的NOX排放結果通過尾氣檢測系統采集SCR催化消聲器后的排氣氣體成分，對于排氣采集系統來說，一般分為直流采集（原始排氣）和稀釋采集（稀釋排氣），直流采集一般僅用于ESC測試系統，稀釋采集既可以用于ESC測試，也可以用于ETC測試。本文NOX氣態污染物計算方式按照排氣系統稀釋采集方式計算。

3.2 試驗結果

SCR催化還原反應是32.5%的尿素水溶液霧化后在催化劑的作用下，與發動機尾氣中的NOX反應生成N2和H2O的過程，對于SCR控制策略的對比主要從排氣溫度、尿素消耗量、催化還原反應后的NOX以及催化還原反映后的NH3進行對比。

3.2.1 ESC穩態工況原機排溫

由于SCR催化轉換效率受溫度影響較大，ESC十三工況下各工況點平均溫度如表4所示。在十三工況點中，只有A100和B100在500℃附近，其他點均在220℃和450℃之間，目前，市場使用的催化劑轉換效率最佳點也在此溫度區間范圍之內，轉換效率能達到80%以上，此發動機原機溫度對于SCR反應來說比較有利。

3.2.2 ESC穩態工況循環排放結果對比

在發動機ESC循環工況，分別用閉環反饋控制策略和開環控制策略，完成尿素噴射臺架試驗，最終排放結果如表5所示。

根據表5可知，在同一發動機的ESC穩態工況下，SCR閉環控制策略在尿素消耗量、最終反應后的NOX數據以及氨氣泄漏方面均具有優勢。

3.2.3 ESC工況單點排放結果對比

根據GB17691-2005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可知，ESC穩態循環后還需要進行單點抽查測試，測試點為十三工況范圍內的3個隨機工況點，而3點抽查的最終排放處理結果依賴ESC各工況尿素噴射的穩定性，現對各工況點進行開環控制和閉環控制尿素噴射后的數據對比，對比如表6開閉環ESC工況尿素噴射NOX數據所示，由表6可知閉環控制處理后NOX數據是開環控制處理后NOX數據的50%左右。

4 ?結論

本文通過對康明斯4L發動機尾氣ESC排放測試，確定了閉環控制策略由于其及時反饋調整，無論是在整個循環還是在十三點的單點測試，其最終轉換效率均高于開環控制轉換效率，同時閉環控制策略十三工況點的NOX轉化效率更接近預期理論轉換效率，保證了柴油車SCR尾氣后處理系統工作性能的穩定;達到了尾氣處理，環境保護的目的。

參考文獻：

[1]王杰，王世杰.固態氨與尿素噴射控制系統對柴油機氮氧化合物排放影響對比研究[J].汽車實用技術，2021.

[2]張濤，王峰，等.基于 Amesim 的國五重型商用車NOX排放仿真分析[J].內燃機與動力裝置，2021，38（4）.

[3]鮑寧，劉軍，蔡瀟揚.國五標準輕型柴油車 SCR 系統控制器的設計[J].電子技術應用，2018，44（3）.

[4]張凡，李昂，于津濤.重型發動機氨排放特性的臺架試驗研究[J].車用發動機，2019（2）.

[5]危紅媛，周華，等.我國重型柴油車排放標準的發展歷程[J].小型內燃機與車輛技術，2020，49（6）.

基金項目：中國高等教育學會職業技術教育分會2020年度立項課題（課題名稱“基于產教融合校企合作的‘四縱四橫三平臺創新教學模式的探究”，項目編號：GZYYB202020）。

作者簡介：郭麗娜（1989-），女，內蒙古呼和浩特人，碩士，講師，研究方向為柴油車尾氣處理、汽車故障診斷、汽車專業教育教學、大學生創新創業實踐教育。