基于模型的重型柴油车SCR后处理系统稳态控制策略研究

俞 妍，邓成林，庞海龙，资新运，卜建国

（军事交通学院，天津 300161）

柴油机因其优异的动力性、良好的燃油经济性得到了广泛的应用，但是，柴油机的PM和NOx排放一直是应用中的一个难点［1］。中国于2011年7月开始实施国Ⅳ乘用车排放法规标准，中重型柴油车国Ⅳ排放法规标准也即将实施。

面对日益严格的排放法规要求，军事交通学院对满足国Ⅳ排放法规的技术路线及措施进行了大量的研究。SCR技术路线是其中的重点选择，通过机内优化燃烧，机外采用SCR尿素喷射控制系统降低NOx排放，最终达到国Ⅳ排放标准。本研究基于SCR技术路线，研究了满足国Ⅳ标准的SCR尿素喷射稳态控制策略。

1 尿素喷射稳态控制策略

满足国Ⅳ排放法规要求的尿素喷射控制策略算法包括尿素喷射系统自诊断，但不包括OBD诊断、传感器诊断监测、执行器诊断监测等。国Ⅳ排放法规的NOx排放限值是3.5g／（kW·h），氨气泄漏量的要求是平均值小于25×10－6。虽然法规中没有对泄漏量的瞬时峰值提出要求，但是从用户的角度考虑，氨气泄漏峰值也同样不能超过25×10－6。

SCR后处理技术是通过向排气管内喷入还原剂（通常是尿素水溶液），还原剂经过热解、水解产生氨气（NH3），NH3在催化器内与废气中的NOx反应，生成无害的N2（Nitrogen）和水。如果还原剂喷入过量，多余的NH3随废气排入大气，会造成二次污染；相反地，还原剂喷入量过少会导致SCR系统NOx转化效率降低。在还原剂喷入量的实时精确控制中，SCR尿素喷射控制策略起着至关重要的作用［2］。

SCR尿素喷射控制策略包括尿素系统自诊断及控制策略和尿素喷射策略两大部分。尿素系统自诊断及控制策略主要功能是尿素泵状态控制，根据尿素泵的诊断信息进行相应的诊断控制［3］。

尿素喷射策略包括稳态策略和瞬态策略，稳态的尿素喷射策略是基础策略，而瞬态策略是在稳态策略的基础上对尿素喷射影响因素的修正策略。本研究基于“八六三”课题“柴油车后处理器OBD及匹配测试技术研究”，着重对重型柴油车SCR国Ⅳ尿素喷射稳态控制策略进行研究。

1.1 尿素系统自诊断及控制策略

尿素系统的自诊断及控制是整个系统可靠运转的关键。系统喷射前必须给尿素加压，建立足够的尿素驱动压力；系统在停喷后必须进行管路清洗，以防止尿素结晶；同时系统工作过程中应该进行自诊断，并能自行处理相关故障［2］。基于这些考虑，本研究提出了基于状态机的系统控制策略（见图1）。尿素泵的工作状态划分为系统自检、关机（pump off）、清洗（purging）、尿素加压（priming）、喷射（dosing）和故障诊断（diagnostic）6个状态。

1.2 稳态控制策略模型

尿素喷射控制策略分为排温模型、NOx预估模型、排气流量模型、催化器效率模型、尿素喷射模型和SCR瞬态尿素喷射模型［3］（见图2）。

1.2.1 排气流量模型

排气流量作为反映催化剂特性的一个因变量，是尿素喷射控制中一个非常重要的变量。实际应用中排气温度很高（200～500℃），排气流量很难进行测量，一般采用以下公式计算：

式中：Q为排气流量；Qin为进气流量；B为燃油消耗量。

根据由台架试验得到的有限个离散的自变量及其对应的函数值，采用内插法可求出其他未列及的自变量所对应的函数近似值［4］。运用 Matlab软件可以得到如图3所示的发动机工况与排气流量之间的对应关系，MAP图中转速的步长为100r／min，相对负荷比的步长为4%。

对试验数据插值后可以得到19×20的排气流量矩阵A：

矩阵A中，Qmi，j表示排气流量的插值结果，其中i∈ ［l，19］且为自然数，j∈［1，20］且为自然数［4］。

1.2.2 排气温度模型

排气温度预测的准确性直接影响载体对NH3的吸附和解吸附，预测不准确会对NH3泄漏产生影响。排气温度是由催化器入口和出口温度传感器测得的，其模型控制策略见图4。

1.2.3 催化器效率模型

1）催化器的空速比

空速比是影响催化器转化效率的一个非常重要的指标。催化器空速比是指在规定条件下，单位时间单位体积催化剂处理的气体量［5］。SCR后处理系统催化器的空速比可以用下式进行计算：

式中：SV为空速比；Qm为排气流量；Vc为催化器体积，本研究中催化器的体积为25L。

2）催化器效率模型

催化器效率模型是控制策略中的一个重要模型，反映在控制程序中就是催化器的 MAP图［6－7］。图5示出根据匹配标定试验得到的催化器效率MAP图，反映了催化器效率与排气温度、空速比之间的关系。

1.2.4 NOx预估模型

1）原机NOx浓度

国Ⅳ排放法规对尿素喷射量的精度要求相对较低，尿素喷射不需要很精确。原机NOx浓度是基于发动机稳态的排放数据，用二维散布点内插法处理后得到。图6示出原机NOx的排放MAP。

插值后可以得到19×20的原机NOx排放矩阵B：

其中：NOxi，j表示原机NOx浓度的插值结果，其中i∈［l，19］且为自然数，j∈［1，20］且为自然数。

2）目标NOx浓度

NOx目标排放值是与催化器最大转化效率相对应的，催化器的最大转化率高一些，发动机出口的NOx目标排放值就会低一些。也就是说，确定目标排放值的过程就是确定催化器最大转化效率的过程［8－9］。

3）NOx削减量

根据《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》，由式（3）至式（5）可得到 NOx削减量。

式中：m（NOx）为 NOx质量流量；c（NOx）为原始排气NOx平均浓度；GEXHW为原始排气流量；KHD为温湿度校正系数。

式中：A＝0.309GF／GA－0.026 6，GF为燃料流量，GA为空气流量；B＝0.209GF／GA＋0.009 54；Ta为进气的绝对温度；Ha为进气的绝对湿度。

式中：Ra为进气的相对温度；pa为发动机进气空气的饱和蒸气压；pB为总大气压。

NOx预估模型控制策略见图7。

1.2.5 尿素喷射模型

采用压力—占空比计量的方式精确控制尿素喷射量。在压力一定的情况下，计量阀占空比决定了尿素喷射速率［10］。通过标定试验，获得压力、尿素喷射速率和占空比的MAP图（见图8），其控制策略见图9。

2 台架验证

2.1 试验设备

试验选用YC6L280—42发动机，该发动机为四冲程、水冷、直喷、涡轮增压发动机，标定功率206kW，标定转速2 200r／min，净质量850kg，其基础排放满足国Ⅲ排放法规要求。

发动机试验测试设备有APA308／3.5EU测功机、CEM301H排放试验循环控制软件、CEB—Ⅱ排气分析仪。NOx排放通过CEB—Ⅱ型排气分析仪监测，并可以采集瞬态的数据，满足ETC瞬态测试循环的需要。

试验中所用催化器为国产25L钒钨钛体系SCR催化器，还原剂为车用尿素溶液。SCR后处理系统为自主研发的一种以压缩空气为驱动源的尿素供给系统。

2.2 ESC试验研究

在完成SCR系统控制策略及匹配标定试验的基础上，进行稳态循环ESC试验，以考核SCR系统的运行状况。试验发动机在测功机上遵循表1所列出的13工况运行。

在ESC试验中，SCR系统根据发动机转速、扭矩等参数自动运行，并对催化器前NOx浓度、催化器后NOx浓度、排气温度、还原剂喷射量等参数信息进行同步记录。

图10示出还原剂喷射速率随ESC工况的变化。由于建立了稳态控制策略的模型，其喷射速率可根据不同工况实时进行调整，以最大限度地降低NOx排放量。从图10可以看出，还原剂的最大稳定喷射速率可以达到3.7kg／h，瞬时喷射速率最大可以达到4.5kg／h。

图11示出NOx浓度随ESC工况的变化。从图11可以看出，在ESC工况下，NOx体积分数最高可以达到1 500×10－6。SCR系统运行后，由于还原剂的添加，排气中的NOx体积分数急剧降低，其最低稳定值在100×10－6左右。在ESC工况下，其最高转化效率可以达到90%，但在某些点上其转化效率较低，如图中所示原机NOx体积分数为500×10－6左右的几个工况点，其转化效率不到50%。其他ESC工况点转化效率都在70%以上。

ESC的最终测试结果为NOx比排放量为3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值为20×10－6。试验结果满足国ⅣESC稳态排放法规的要求。

3 结束语

介绍了SCR国Ⅳ尿素喷射稳态控制策略及实现流程。控制策略主要是基于排温模型、NOx预估模型、排气流量模型、催化器效率模型、尿素喷射模型的MAP图及数学计算。通过台架ESC试验验证，NOx排放是3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值为20×10－6，满足国Ⅳ稳态排放法规的要求。

［1］ ZHANG Ying－feng，DENG Cheng－lin，YU Yan，et al.Application Research on SCR Post－processing System in Non－electronic Diesel Engine of Vehicles［C］.SAE Paper 2012－11－0311.

［2］ 邓成林，卜建国，俞 妍，等.基于SCR技术的尿素供给系统设计［J］.汽车工程，2013（12）：23－33.

［3］ 张建锐.重型柴油机SCR尿素喷射控制策略研究［D］.长春：吉林大学，2011.

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［5］ 杜愎刚，朱会田，许 力.车用柴油机排放控制现状与技术进展［J］.内燃机工程，2004，25（3）：71－74.

［6］ 钱 枫.欧Ⅳ柴油机SCR系统电子控制单元的研发［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［7］ Yoon C S.Measurement of Soot Mass and Pressure Drop Using a Single Channel DPF to Determine Soot Permeability and Density in the Wall Flow Filter［C］.SAE Paper 2007－01－0311.

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