柴油机Urea－SCR系统耦合控制研究

胡明江

（河南城建学院能源与建筑环境工程学院，河南 平 顶山 467036）

目前，各国对柴油机NOx排放要求越来越严格，我国也将开始执行国Ⅳ排放标准。要达到国Ⅳ或更高排放标准要求，需要采用柴油机选择性催化还原（SCR）后处理技术。SCR技术具有油耗低、耐硫性能好等特点，是柴油机后处理的主要技术路线［1］。由于 NH3泄漏量与 NOx转化效率存在“trade－off”的矛盾，为降低 NOx排放和 NH3泄漏量，避免尿素浪费和二次污染，必须对柴油机SCR系统的尿素喷射量实现精确控制［2］。尿素喷射控制方式主要有开环和闭环控制，要达到国Ⅴ及以上排放法规要求，必须采用闭环控制［3］。依据NOx传感器信号反馈的单闭环控制不能对NH3浓度进行有效采集与控制［4］，催化器内部的NH3吸附－脱附与覆盖率等对尿素需求量精确控制非常重要［5］。而双闭环控制可精确控制尿素喷射量，不仅能提高NOx转化率，而且可减少NH3泄漏。

因此，本研究提出以NOx浓度和NH3浓度为反馈信号的双闭环控制方法，对催化器内部NH3存储－释放速率和存储量进行准确采集与控制，达到提高NOx转化效率和降低NH3泄漏量的目的，为实现柴油机达到国Ⅴ排放标准提供一种有效方法。

1 NH3活化模型

NH3活化模型主要包括尿素分解、NH3吸附－脱附、NH3选择性催化还原反应、NH3氧化反应等模块［6］。

1）尿素分解模型

式中：rUD为尿素水解反应速率；kUD为尿素水解频率因子；Ea，UD为尿素水解活化能；CU为尿素浓度。

2）NH3吸附－脱附模型

式中：rAds，rDes分别为NH3吸附速率和脱附速率；cS为单位体积气体中活性原子浓度；SC为1mol活性原子表面积；αProb为吸附概率；cNH3为NH3浓度；MNH3为NH3摩尔质量；kDes为NH3脱附频率因子；Ea，Des为NH3脱附活化能；R为气体常数；T为催化器温度；ΘNH3为NH3覆盖率。

3）NH3选择性催化还原反应模型

式中：rSCR为SCR反应速率；kSCR为SCR反应频率因子；Ea，SCR为SCR反应活化能；cNOx为NOx浓度。

4）NH3氧化模型

式中：rOx为NH3的氧化反应速率；kOx为NH3的氧化反应频率因子；Ea，Ox为NH3的氧化反应活化能。

由此可知，在催化转化器内的SCR活化反应速率与NOx浓度和NH3覆盖度有关，而NOx和NH3浓度、氨存储量和NH3覆盖度等性能参数具有瞬态性和迟后性，仅以NOx浓度为反馈信号的闭环控制［7］不能对催化转化器内部状态参数进行准确地采集与控制。为此采用以NOx浓度和NH3浓度为反馈信号的双闭环控制，实现对催化转化器内部NH3存储量和存储－释放速率的准确采集与精确控制。

2 控制策略

柴油机尿素SCR双闭环耦合控制系统见图1。由图可知：依据柴油机转速、油门开度、进气温度、排气流量、催化转化器进出口温度和NOx浓度等信号，利用尿素分解模型，确定尿素基本喷射量；利用NH3氧化、吸附与脱附模型，对尿素基本喷射量进行修正，获得尿素初步喷射量。利用NOx传感器对催化转化器前后的NOx浓度进行检测并计算NOx转化效率，利用尿素喷射量修正算法对尿素喷射量进行一次闭环修正；利用NH3传感器对催化转化器内部和出口的NH3浓度进行检测，经储氨量控制算法，对尿素喷射量进行二次闭环修正，得到尿素实际喷射量。

2.1 尿素喷射量修正算法

图2示出尿素喷射量耦合修正算法。由图2可知：根据柴油机转速和油门位移标定出尿素设定量MAP与催化转化器温度MAP；由尿素设定量MAP和催化转化器效率MAP计算出NH3需求量；由NOx传感器采集的NOx浓度计算出NOx流量，并通过氨氮比进行修正后，协同NH3需求量对尿素需求量进行初次修正；利用柴油机水温和催化转化器温度等信号，经SCR温度修正模型对尿素需求量进行二次修正，得到修正后的尿素喷射量。

2.2 储氨量控制算法

柴油机SCR系统储氨量控制算法见图3。由图3可知：储氨量控制算法主要由NH3吸附及脱附、SCR和氧化等活化模型组成。由NOx浓度、NH3浓度和催化转化器温度（T）等信号，耦合NH3覆盖度的反馈信号，利用NH3的吸附与脱附、SCR反应和氧化模型，经SCR反应速率平衡算法修正后，得到最佳NH3覆盖度。

2.3 尿素喷射量耦合控制算法

为有效降低NOx排放和NH3泄漏量，采用NH3和NOx浓度值作为反馈信号，对尿素喷射量进行双闭环修正。柴油机尿素喷射量耦合控制算法见图4。

由图4可知：反馈控制主要包括NOx和NH3的2个反馈控制模块。NOx反馈控制算法：NOx传感器测量催化转化器进出口的NOx浓度，计算得到NOx实际转化效率，并与NOx设定转化率MAP进行比较。当误差超过限值时，通过尿素喷射量修正算法对尿素基本喷射量进行一次反馈修正。NH3反馈控制算法：NH3传感器分别采集催化器内部和出口的NH3浓度，经NH3活化模型计算氨覆盖度，由储氨量控制算法，对尿素基本喷射量进行二次反馈修正，得到最优尿素喷射量。

3 试验验证

为验证柴油机尿素SCR系统双闭环耦合控制方法正确性，在D6114ZG柴油机上进行NOx转化效率、尿素喷射量和NH3泄漏等性能试验。催化剂进出口温度传感器选用插入式PT200温度传感器，尿素液位和温度采用LDQ－SCR尿素总成采集仪进行测量，尿素流量采用LDG－S电磁流量传感器进行测量，采用尿素计量泵实现尿素水溶液高精度喷射。NOx和NH3浓度分别采用NB1500NOx传感器和KYJ9NH3传感器进行实时采集；采用AVL CEB－Ⅱ气体排放分析仪和AVL SESAM FTIR非常规排放分析仪对气体污染物和NH3排放进行测量。

结合实时获取的NOx和NH3浓度值，利用上述的尿素SCR系统双闭环耦合控制策略与算法，对NOx转化率和NH3泄漏量进行计算，实现对尿素喷射量的精确控制。

3.1 NOx转化率性能试验

将制定的尿素SCR单闭环（NOx反馈）、双闭环（NOx和NH3协同反馈）和开环的控制策略分别嵌入到SCR后处理系统尿素喷射电子控制单元（ECU）中，按照稳态控制（ESC）循环试验方法，对柴油机十三工况的排放进行测试，并计算出各工况NOx转化率（见图5）。由图5可知：就单闭环、双闭环和开环3种控制方法而言，工况1的NOx转化率分别为20.6%，30%和8.5%，其他工况的NOx转化率控制范围分别为47.5%～75%，60%～90%和30%～57.4%，NOx平均转化率分别为54.73%，68.13%和36.42%。因此，尿素SCR双闭环控制方法的NOx转化效率和波动范围最好。

3.2 尿素喷射量性能试验

为深入研究瞬态工况下尿素SCR双闭环控制系统动态响应精度，假定柴油机转速恒定在2 710r／min，即ESC循环B转速，扭矩由107N·m增至420N·m，再减至80N·m，在发动机台架上进行尿素喷射量性能测试试验。图6示出尿素SCR双闭环控制的尿素瞬态喷射量和NH3排放测试结果。由图6a可知：当柴油机扭矩由107N·m增至420N·m，再减至80N·m时，单闭环和双闭环控制的尿素喷射量均呈台阶状增加；开环、单闭环和双闭环控制的尿素喷射量峰值分别为3 600g／h，3 500g／h和3 400g／h，动态延迟时间分别为20s，10s和0s；在扭矩峰值为420N·m和80N·m附近，开环和单闭环控制分别发生了不同程度的喷射延迟和停喷过慢等现象，双闭环控制没有NH3泄漏。由图6b可知：在扭矩峰值分别为420N·m和80N·m附近，开环、单闭环和双闭环控制的NH3体积分数峰值分别为200×10－6，30.1×10－6和20.7×10－6，NH3体 积 分 数 平 均 值 分 别 为37.62×10－6，19.75×10－6和12×10－6，故只有双闭环耦合控制满足NH3泄漏限值规定（NH3泄漏限值为25×10－6）条件。

3.3 NH3泄漏测试试验

为深入研究NH3泄漏量与NH3活化特性的内在关系，验证尿素SCR双闭环控制策略正确性，在柴油机转速为2 500r／min，扭矩为350N·m工况下，通过调整尿素喷射脉宽使氨氮比（RNS）从0.6连续升高至2.0，进行NH3泄漏和覆盖度测试试验，测得的性能曲线见图7。由图7a可知：当0.6≤RNS≤1.6时，开环、单闭环和双闭环3种控制方法的 NH3平均泄漏量分别为14.2×10－6，11.6×10－6和9.39×10－6，小于 NH3泄漏平均限值规定的15×10－6，表明尿素喷射不足时，3种控制方法均没有发生NH3泄漏故障。当1.6＜RNS≤2时，开环控制的NH3泄漏量均大于NH3泄漏峰值规定限值（25×10－6）；当RNS＝1.8时，开环控制的NH3泄漏量开始大于25×10－6，双闭环控制的NH3泄漏量仍未超过NH3泄漏限值。试验时，利用NH3传感器和催化剂温度传感器采集信号，计算得到的NH3覆盖率动态MAP图见图7b。试验表明，制定的尿素SCR双闭环耦合控制能满足柴油机SCR瞬态测试循环要求。

3.4 排放达标试验

为考察尿素SCR双闭环耦合控制效果，取开环、单闭环和双闭环3种控制方式，按照ESC和ETC测试方法，对柴油机进行排放达标试验。表1示出柴油机分别按照ESC和ETC测试循环测量的主要有害排放NOx，THC，CO的比排放量和NH3泄漏量。由表1可知：开环控制方法的NOx，THC，CO比排放量和NH3泄漏量没有达到国Ⅴ排放标准，而闭环控制方法的NOx，THC，CO比排放量和NH3泄漏量达到国Ⅴ排放标准，这说明了闭环系统能在提高NOx转化率的基础上有效降低氨泄漏。研究结果表明，双闭环耦合控制方法对NOx排放与NH3泄漏量控制效果最好。

表1 ESC和ETC测试循环排放物测量值

4 结论

a）提出了基于NOx和NH3传感器的尿素SCR双闭环耦合控制策略，实现了对催化器内部NH3吸附－脱附与覆盖速率精确控制；

b）利用NH3活化机理，制定了尿素喷射量、储氨量和NOx与NH3双反馈等控制算法，有效提高了尿素SCR双闭环耦合控制精度和鲁棒性；

c）ESC和ETC循环试验表明，尿素SCR双闭环耦合控制性能可靠，控制精度高，能使柴油机NOx排放和NH3泄漏量达到国Ⅴ排放标准。

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