基于OBD監測的國六柴油機NOx排放方法研究

陳棟棟，彭麗娟，高慎勇，李云華，孫曉宇

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.林德液壓(中國)有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機的主要排放污染物是NOx和顆粒物。文獻[1]降低了NOx等污染物排放的限值，變更了排放測試循環，修訂了車載診斷系統(on board diagnostics，OBD)監測的項目、限值及監測條件等技術要求，這對OBD監測提出了挑戰。為了滿足國六排放標準的要求，發動機廠使用更高效的選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)系統并輔以更復雜的模型來控制NOx排放[2-3]，但NOx排放控制是一個動態、多邊界的控制過程，在這復雜過程中，如何有效控制NOx排放，特別是有效監測SCR的轉化效率，是國六階段重型柴油車的難題[4]。

本文中根據國六標準中NOx排放控制的具體要求，提出一種NOx的監測與標定方法，并結合某柴油機進行標定，驗證SCR劣化件的報錯情況與SCR正常件的誤報錯余量，確保提出的方法能夠實時準確監測NOx排放，并在NOx排放將要超過國六標準要求的OBD限值(OBD threshold limits，OTLs)時，及時有效甄別并觸發監控器以提醒駕駛員，實現有效監測的目標。

1 國六標準中NOx排放要求

相比國五排放標準，國六標準重新定義了重型柴油機標準循環及排放限值，排放試驗分為穩態循環(world harmonized steady-state cycle，WHSC)和瞬態循環(world harmonized transient cycle，WHTC)，WHSC循環包含13個具體的穩態試驗工況，WHTC循環包含1800個逐秒變換的試驗工況。國六標準還新增柴油機非標準循環(world not to exceed，WNTE)排放測試要求和限值、整車實際道路行駛排放測試要求和限值。穩態循環、瞬態循環、非標準循環基本覆蓋了柴油機全部運行工況。

國六標準要求對車輛全生命周期內導致排放超過OTLs的故障進行監測，若故障導致的排放超過相應的OTLs，則該故障為A類故障，其中NOx排放的限值為1200 mg/(kW·h)；若生態環境主管部門選擇的故障導致排放超過OTLs，生產企業需進行排放測試驗證，劣化部件或裝置不應導致相關排放超出OTLs的20%，即冷、熱態WHTC循環的NOx排放應小于1440 mg/(kW·h)[5]。與國五和歐六排放標準相比，國六標準的要求更加嚴格細致[6]，它規定的各排放測試循環的NOx限值如表1所示。

表1 不同排放測試循環的NOx限值

OBD系統監測到A類故障時啟動駕駛員報警系統和A類故障計數器，當A類故障累計達到36 h且未被排除時，激活初級駕駛性能限制系統對車輛實施限扭措施；若發動機持續運行，A類故障累計達到100 h未被排除，則激活嚴重駕駛性能限制系統對車輛實施限速措施；故障排除后，各級限制措施相應取消[7]。

2 OBD測試循環的特征分析

OBD測試循環為熱態WHTC循環，為便于展開NOx排放超OTLs的標定研究，需要對熱態WHTC的特征參數進行解析。WHTC循環中逐秒變化的轉速和轉矩的規范百分值如圖1所示。

圖1 WHTC試驗循環工況分布

從工況分布方面分析，按照運行時間順序，WHTC循環中城市工況、郊區工況、高速工況分別占49.6%、26.0%、24.4%，與國五標準歐洲瞬態循環相比，國六WHTC循環中低速低負荷工況所占比重明顯增加[8]。從工況運行特點分析，發動機的轉速及轉矩逐秒變換將導致原機NOx排放(指發動機本體缸內燃燒產生的NOx排放，是SCR上游的NOx排放)、排氣溫度、排氣流量、尿素噴射量、SCR下游NOx排放等參數實時變化。

WHTC循環過程中原機NOx排放隨時間的變化如圖2所示。由圖2可知，圖中每個點的NOx排放是相應穩態工況點NOx排放的瞬態表現，整體與穩態相符但又存在一定的偏差。

圖2 原機NOx排放隨時間的變化

WHTC循環過程中SCR溫度隨時間的變化如圖3所示，WHTC循環過程中尿素噴射量隨時間的變化如圖4所示。

研究用發動機后處理系統為氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-SCR技術路線，SCR上游的DOC和DPF充當熱容，導致出現圖3中的SCR溫度變化緩慢現象，相對于發動機排溫，溫度上升和下降都存在一定的遲滯。圖4中的尿素噴射量是以SCR下游NOx排放滿足國六標準為目標的發動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)閉環反饋值，與圖2對照可知，尿素噴射量跟原機NOx排放呈強正相關。瞬態過程中各項關鍵參數雖然復雜多變但同時為NOx排放監測指明了方向。

圖3 SCR溫度隨時間的變化 圖4 尿素噴射質量流量隨時間的變化

3 監測與標定方法

用對SCR轉化效率的監測等效替代對NOx排放超OTLs的監測。影響SCR轉化效率的因素一般有SCR催化器本體水熱老化[9]、原機NOx排放增加、尿素噴射系統異常、尿素品質低劣、SCR結晶等，需要基于硬件配置進行監測策略的制定。試驗用SCR系統硬件配置包含SCR上游NOx傳感器、SCR下游NOx傳感器、SCR上游溫度傳感器、SCR下游溫度傳感器、尿素噴射系統等。根據硬件配置結合國六標準要求提出SCR轉化效率的基本計算邏輯為：基于SCR下游NOx傳感器測量的NOx質量流量和SCR上游傳感器測量的NOx質量流量計算SCR的實際轉化效率，通過map查找轉化效率限值，當實際轉化效率低于轉化效率限值時，報出相應的故障，進行報警亮燈或系統降級。

SCR實際轉化效率

式中：qm,1為SCR下游NOx質量流量，mg/s；qm,2為SCR上游NOx質量流量，mg/s；t0為開始時刻；t1為結束時刻。

SCR轉化效率限值B為同一時間段內查map得到的效率限值均值。

具備判定條件后，若AB則適時取消報錯。

監測策略包含效率計算的使能條件和范圍條件，使能條件和范圍條件必須同時滿足才能確保效率計算正確，并與限值效率進行比較。

效率計算的使能條件包含：SCR上、下游NOx傳感器信號，尿素供給狀態有效，上游NOx質量流量、SCR溫度變化梯度、上游廢氣流量變化梯度、氨載量、環境溫度與壓力、需求尿素噴射量與實際噴射量比值、冷卻液溫度在一定范圍內等。

效率計算的范圍條件包含：發動機轉速、發動機噴油量、上游NOx質量流量及質量分數、SCR溫度、發動機廢氣流量在合理范圍內等。

科學的SCR轉化效率計算方法非常重要。本文中提出基于上游NOx質量累計窗口法的監測計算方法：若使能條件和范圍條件同時滿足，則開始對轉化效率進行監控、積分，當上游NOx排放質量累計達到某個閾值，就開始對此窗口期的累計平均轉化效率進行計算，得到實際累計平均效率并與標定的效率限值進行比較，若計算的實際效率大于效率限值，則說明SCR轉化效率正常，反之則說明SCR轉化效率異常。另外，若使能條件不滿足則監控積分清零，待到條件滿足后重新進行監控積分；若范圍條件不滿足則積分凍結，待到條件滿足后繼續進行累計積分。此外為確保監測的可靠性，可設定連續兩次實際計算效率低時方可觸發監控器，同理可設定連續兩次計算效率正常后方可自行消除報警亮燈及系統降級。

隨著發動機運行里程的不斷增加，SCR性能不斷劣化，當劣化到NOx排放將超出OTLs時就是ECU觸發監控器的時刻。用于標定或演示用的SCR劣化件直接影響標定準確性，為此采用高溫老化方式制作SCR劣化件，這種高溫老化方式符合SCR部件隨時間不斷劣化的實際情況。通過控制SCR溫度在700～800 ℃來模擬老化過程，期間定時進行SCR單點效率確認及WHTC循環排放確認，當冷、熱態WHTC的加權NOx排放為1.1～1.2 g/(kW·h)時，SCR劣化件制作完成，此時的SCR劣化件可用于NOx排放超OTLs的標定及報錯演示。

不考慮空速的影響并固定尿素噴射當量比為1.1時，SCR正常件與SCR裂化件的轉化效率對比如圖5所示。

圖5 SCR正常件和劣化件的轉化效率對比

由圖5可知：不同溫度下的SCR轉化效率劣化程度有所差異，高溫(400 ℃以上)時，SCR轉化效率較低且劣化最明顯，中溫(280～360 ℃)時SCR轉化效率最高且劣化最少，低溫(230 ℃以下)時SCR轉化效率最低且劣化較明顯。

采用Simulink將上述轉化效率監控、積分等邏輯編成為電控邏輯(代碼)并嵌入到ECU軟件中，然后通過INCA標定軟件進行相關的標定與驗證。電控邏輯的控制策略流程如圖6所示。

圖6 電控邏輯控制策略流程圖

4 結果分析

用本文中提出的監控和標定方法完成了ECU標定并用SCR正常件和劣化件進行驗證試驗。WHTC循環原機NOx排放、廢氣中的NOx排放(指經過SCR后處理的下游NOx排放，即排放標準需要監測的NOx排放)分別如圖7、8所示。

圖7 WHTC循環原機NOx排放 圖8 WHTC循環SCR正常件、劣化件廢氣中NOx排放

由圖7可知：1)整個WHTC循環的NOx累計排放質量為122 g；2)WHTC經過340 s時開始具備監測條件并進行測量，其原因為監控方法以SCR上游NOx傳感器測量的NOx質量流量為基準，而NOx傳感器釋放測量需要一定時間。考慮WHTC循環需要有效釋放、監測、觸發監控器，同時避免實際應用過程中過度監測及誤判的情況，確定以24 g作為NOx效率計算的閾值，占整個WHTC循環NOx排放總質量的20%。

由圖8可知：SCR劣化件廢氣中NOx質量分數明顯高于正常件，OBD監測正是利用SCR劣化件廢氣中NOx排放增加從而計算出實際轉化效率下降來判定劣化程度并進一步判定是否觸發OBD監控器。

對SCR劣化件和正常件進行WHTC循環試驗驗證，結果如圖9所示。

a)劣化件 b)正常件

在如圖9a)可知，當開始OBD監測即對NOx質量流量進行積分，當NOx質量大于閾值，即黑色虛線超過黑色實線時具備效率計算條件，延遲一定時間穩定后進行實際轉化效率計算并與效率限值進行比較，若紅色虛線低于紅色實線即表明SCR實際效率低于效率限值，將觸發OBD監控器。從完整WHTC循環可以看出，有4次機會具備OBD監測釋放條件(黑色虛線)能夠進行積分，其中有3次機會具備效率計算條件，即圖中黑色虛線超出黑色實線，前2次實際轉化效率計算結果為70.3%、68.7%，均低于效率限值(73%)，觸發了OBD監控器，滿足OBD監測要求；第3次計算的實際效率為93.9%，高于效率限值，但不影響SCR轉化效率的整體判定，因為WHTC循環后半段是高速路譜，整體運行平穩、負荷較高、SCR排溫較合適，使轉化效率也相對較高。

由圖9b)可知，3次計算的實際轉化效率分別為96.4%、96.7%、98.9%，均高于效率限值并有一定的余量，此余量的存在能夠有效避免實際運行過程中的誤判情況，OBD監測釋放和效率計算保持一致。

5 結語

1)根據重型柴油車國六排放標準中OBD監測NOx排放要求，提出了一種NOx排放的監測與標定方法，即基于SCR下游NOx傳感器測量值和SCR上游NOx傳感器測量值計算SCR的實際轉化效率，通過map查找限值轉化效率，當實際轉化效率低于限值轉化效率時，報出相應的故障，并結合某柴油機進行標定及驗證。

2)提出的監測與標定方法能夠實時準確計算SCR轉化效率，為進一步的監測奠定基礎；能夠適時有效判定NOx排放是否超過OTLs，符合國六標準中OBD對NOx監測的要求；使SCR正常件能夠留出合理余量防止誤判，使SCR劣化件能夠有效甄別并及時觸發監控器，實現有效監測的目標。