CN102230413B - 一种scr控制装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种SCR控制装置、SCR控制系统以及SCR控制方法。其中SCR控制装置，包括温度预测装置，转化率预测装置以及喷射量计算装置。其中温度预测装置包括SCR催化器的多个微元，以及用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置。其中转化率预测装置包括SCR催化器的多个微元，用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。

Description

一种SCR控制装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种SCR控制装置、SCR控制系统以及SCR控制方法。
背景技术
对于使用SCR后处理技术来满足国IV、国V排放的柴油机，在稳态工况的时候，控制策略的制定都是基于MAP图，即基于经验值和插值算法来实现的。目前现有的SCR开环或闭环的控制策略基本能满足发动机在稳定工作条件下的控制需求，即能够根据发动机在稳定工作条件下的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算出向SCR催化器的尿素喷射量。
但是当发动机从一个工况过渡到另一个工况时，即瞬态工况的情况下，SCR催化器的温度不能随转速和扭矩的变化迅速达到稳定时的温度。当发动机从低排温工况瞬间过渡到高排温工况时，SCR系统控制器根据瞬间检测到的发动机转速和扭矩发出高排温工况对应的尿素流量指令，而此时，催化器的温度还未来得及达到稳定时的温度，喷入的尿素水溶液在低排温环境下会生成氨盐覆盖在催化剂表面。随着催化剂温度的逐步升高，催化剂内部吸附的氨气会大量逸出，氨盐也发生热解反应释放出氨气，此时氨气的量往往会超出理论需求量，在催化器出口以氨气排出，造成污染。反之，当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时，NOx排放就会超标，同样造成污染。
因此，需要一种特别是在发动机的瞬态工况的情况下准确预测SCR催化器的温度，从而及时地预测SCR催化器的转化率，以便正确地计算出向SCR催化器的尿素喷射量的装置、系统和方法。
发明内容
本发明的目的在于对目前的SCR控制系统的上述问题进行改进，即通过预测SCR催化器的温度，从而预测在发动机稳态和瞬态工况下的SCR催化器的转化率。这样在发动机工况发生变化时，能准确的预测SCR催化器的温度并且预测SCR催化器的NOx转化率，特别是瞬态工况的情况下的转化率，从而计算发动机各种工况下的准确的向SCR催化器的尿素喷射量。
根据本发明的一个方面，提供了一种SCR控制装置，包括：温度预测装置，用于预测SCR催化器的温度，转化率预测装置，用于根据SCR催化器的预测温度和发动机的转速和扭矩，预测SCR催化器的转化率，以及喷射量计算装置，用于根据发动机的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器的尿素喷射量。其中所述温度预测装置包括：SCR催化器的多个微元，以及用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置。其中所述转化率预测装置包括：SCR催化器的多个微元，用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。
根据本发明的一个实施例的SCR控制装置，其中SCR催化器包括2-10个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制装置，其中SCR催化器包括5-6个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制装置，其中SCR催化器中的多个微元之间的连接关系为串联连接或并联连接或串并联结合的连接。
根据本发明的一个实施例的SCR控制装置，其中SCR催化器中的多个微元具有彼此不同的形状和/或尺寸。
根据本发明的一个实施例的SCR控制装置，其中用于根据计算的多个微元的温度，计算SCR催化器的温度的装置通过计算各微元的温度的算术和或加权和来计算SCR催化器的温度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种SCR控制系统，包括：SCR催化器，检测装置，用于检测SCR催化器的实际温度，SCR控制装置，以及尿素喷射装置，用于根据由所述SCR控制装置计算的向SCR催化器的尿素喷射量，调节向SCR催化器的尿素喷射，其中所述SCR控制装置包括：温度预测装置，用于预测SCR催化器的温度，转化率预测装置，用于根据SCR催化器的预测温度和发动机的转速和扭矩，预测SCR催化器的转化率，以及喷射量计算装置，用于根据发动机的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器的尿素喷射量。其中所述温度预测装置包括：SCR催化器的多个微元，以及用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置。其中所述转化率预测装置包括：SCR催化器的多个微元，用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。
根据本发明的一个实施例的SCR控制系统，其中SCR催化器包括2-10个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制系统，其中SCR催化器包括5-6个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制系统，其中SCR催化器中的多个微元之间的连接关系为串联连接或并联连接或串并联结合的连接。
根据本发明的一个实施例的SCR控制系统，其中SCR催化器中的多个微元具有彼此不同的形状和/或尺寸。
根据本发明的一个实施例的SCR控制系统，其中用于根据计算的多个微元的温度，计算SCR催化器的温度的装置通过计算各微元的温度的算术和或加权和来计算SCR催化器的温度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种SCR控制方法，包括：预测SCR催化器的温度，根据SCR催化器的预测温度和发动机的转速和扭矩，预测SCR催化器的转化率，以及根据发动机的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器的尿素喷射量。其中预测SCR催化器的温度的步骤包括：将SCR催化器划分为多个微元，以及根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度。其中预测SCR催化器的转化率的步骤包括：根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率，以及根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率。
根据本发明的一个实施例的SCR控制方法，其中将所述SCR催化器划分为2-10个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制方法，其中将所述SCR催化器划分为5-6个微元。
根据本发明的一个实施例的SCR控制方法，其中SCR催化器中的多个微元以串联连接或并联连接或串并联结合的方式相互连接。
根据本发明的一个实施例的SCR控制方法，其中将所述SCR催化器中的多个微元划分为具有彼此不同的形状和/或尺寸。
根据本发明的一个实施例的SCR控制方法，其中根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的步骤包括通过计算各微元的温度的算术和或加权和来计算SCR催化器的温度。
附图说明
参考附图作为示例而对本发明的实施例加以描述，其中：
图1是根据本发明的SCR控制系统的方框图，其中包括根据本发明的SCR控制装置和温度预测装置。
图2是根据本发明的SCR控制方法流程图。
图3是根据本发明的SCR催化器转化率预测方法流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明的SCR控制系统的方框图。SCR控制系统包括SCR催化器1；检测装置2，用于检测SCR催化器1的实际温度；SCR控制装置3，用于计算的向SCR催化器1的尿素喷射量；以及尿素喷射装置4，用于根据由SCR控制装置3计算的向SCR催化器1的尿素喷射量，调节向SCR催化器1的尿素喷射。
参见图1，SCR控制装置3包括温度预测装置31，用于预测SCR催化器的温度；转化率预测装置32，用于预测SCR催化器的转化率；以及喷射量计算装置33，用于根据发动机的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器的尿素喷射量。
如图1所示，温度预测装置31包括SCR催化器的多个微元；以及用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置。
如图1所示，转化率预测装置32包括SCR催化器的多个微元；用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。
根据一个实施例，温度预测装置31和转化率预测装置32可以包括SCR催化器的2-10个微元，即可以将SCR催化器分为2-10个微元。一般而言，SCR催化器的微元个数越多，对其温度预测的准确程度就越高。通过实验可知，在2个微元的情况下，对应的温度变化比较迟缓，难以准确的估计温度的快速变化；在10个微元的情况下，较好地体现了温度的瞬态过程，但会产生较大的计算延时，从而降低了计算的精度。因此，需要根据SCR催化器的形状和结构，合理地选择SCR催化器的微元数量。根据实验结果SCR催化器的微元的个数优选为5-6个。
根据一个实施例，在确定SCR催化器的微元数量的同时，还应当根据SCR催化器的形状和结构将SCR催化器中工作状态基本相同的区域划分为一个微元，即选择微元的划分方式。多个微元可以是串联连接的，即第一个微元的输出作为第二个微元的输入。但是例如对于筒形的SCR催化器，多个微元也可以是相互并联连接的。根据SCR催化器的形状和结构的需要，多个微元甚至可以以串并联结合的方式相互连接。这需要根据SCR催化器的具体情况，通过实验加以确定。
根据一个实施例，在确定SCR催化器的微元数量和划分方式的同时，还需要考虑多个SCR催化器微元的形状和尺寸。由于SCR催化器的形状和结构等因素的影响，使得其在工作时，工作状态基本相同的区域范围可能各不相同，因此需要将SCR催化器划分为大小不同的多个微元，即多个微元可以有彼此不同的形状和/或尺寸。这同样需要根据SCR催化器的具体情况，通过实验加以确定。
根据一个实施例，在如图1所示的转化率预测装置32中，包括了用于根据计算的多个微元的转化率，通过简单地计算各微元的转化率的算术和来计算SCR催化器的转化率的装置。
但是，根据以上的描述不难看出，从多个微元的转化率出发，计算SCR催化器的预测转化率应当考虑多个微元的数量、连接关系及其形状和/或尺寸。可以根据SCR催化器的形状和结构，按照多个微元的形状和/或尺寸及其在SCR催化器中的位置，并且在实验的基础上为多个微元相应地分配各自不同的权重，对各微元的转化率进行加权，以计算SCR催化器的预测转化率。因此，根据另一个实施例，在如图1所示的转化率预测装置31中，包括了用于根据计算的多个微元的转化率，通过计算各微元的转化率的加权和来计算SCR催化器的转化率的装置。
根据一个实施例，可以根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度。计算公式如下：
dT out dt = a 7 m EG * ( T in - T out ) - a 9 ( T out 4 - T amb 4 )
其中：
a 7 = n cell c p , EG c p , C m C
a 9 = ϵ Rad , SCR σ SB A Rad , SCR c p , C m C
m* EG：排气质量流量(kg/s)；
Tamb：环境温度(k)；
Tin：微元入口温度(k)；
Tout：微元出口温度(k)；
nCell：催化器微元个数；
其中如下参数为SCR催化器的物理参数，包括：
εRad，SCR＝0.507：黑度；
σSB＝5.67e-8：气体辐射常数(W/m2K4)；
cp，C＝1016：催化器比热(J/kgK)；
mC＝30：催化器质量(kg)；
cp，EG＝1050：排气定压比热容(J/kgK)；
ARad，SCR＝0.9044：催化器辐射表面积(m2)；
例如当nCell＝2时，a7＝0.0689  a9＝8.530e-13。
下面参考图2和图3。其中图2是根据本发明的SCR控制方法流程图，图3是根据本发明的SCR催化器转化率预测方法流程图。
如图2所示，在步骤100，预测SCR催化器的温度；在步骤110，预测SCR催化器的转化率；在步骤120，根据发动机的NOx排放量和SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器的尿素喷射量。
如图3所示，预测SCR催化器的温度和预测SCR催化器的转化率的步骤包括如下的步骤。在步骤200，将SCR催化器划分为多个微元；在步骤210，根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度；在步骤220，根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率，以及在步骤230，根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率。
根据一个实施例，在SCR控制方法中，可以将SCR催化器划分为2-10个微元。根据实验结果可以将SCR催化器的微元的个数优选地划分为5-6个。
根据一个实施例，在确定SCR催化器的微元数量的同时，还应当根据SCR催化器的形状和结构将SCR催化器中工作状态基本相同的区域划分为一个微元，即选择微元的划分方式。多个微元可以是串联连接的，即第一个微元的输出作为第二个微元的输入。但是例如对于筒形的SCR催化器，多个微元也可以是相互并联连接的。根据SCR催化器的形状和结构的需要，多个微元甚至可以以串并联结合的方式相互连接。这需要根据SCR催化器的具体情况，通过实验加以确定。
根据一个实施例，在确定SCR催化器的微元数量和划分方式的同时，还需要考虑多个SCR催化器微元的形状和尺寸。由于SCR催化器的形状和结构等因素的影响，使得其在工作时，工作状态基本相同的区域范围可能各不相同，因此需要将SCR催化器划分为大小不同的多个微元，即多个微元可以有彼此不同的形状和/或尺寸。这同样需要根据SCR催化器的具体情况，通过实验加以确定。
根据一个实施例，在SCR控制方法中，包括根据计算的多个微元的转化率，通过简单地计算各微元的转化率的算术和来计算SCR催化器的转化率。
根据另一个实施例，在SCR控制方法中，包括根据计算的多个微元的转化率，通过计算各微元的转化率的加权和来计算SCR催化器的转化率。
可以理解，在上述SCR控制方法中记载的步骤100-120分别对应于上文参考图1描述的SCR控制装置3中的温度预测装置31、转化率预测装置32和喷射量计算装置33的操作和/或功能，其中步骤200-230分别对应于上文参考图1描述的温度预测装置31和转化率预测装置32的具体操作和/或功能。由此，上文参考SCR控制装置3的各个装置而描述的特征同样适用于SCR控制方法的各个步骤。而且，SCR控制方法中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行和/或并行执行。
另外，应当理解，参考图2和图3描述的SCR控制方法可以通过计算机程序产品来实现。例如，该计算机程序产品可以包括至少一个计算机可读存储介质，其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分。当计算机可读代码部分由例如处理器执行时，其用于执行SCR控制方法的步骤。
因此，应当理解，在不脱离本发明真实精神的情况下，可以对本发明各实施方式进行修改、变更和组合。本说明书中的描述仅仅是用于说明性的，而不应被认为是限制性的。本发明的范围仅受所附权利要求书的限制。

Claims (18)

1.一种SCR控制装置，其特征在于包括：
温度预测装置，用于预测SCR催化器的温度，
转化率预测装置，用于预测SCR催化器的转化率，以及
喷射量计算装置，用于根据发动机的NOx排放量和预测的SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器喷射的尿素喷射量，
其中所述温度预测装置包括：
SCR催化器的多个微元，以及
用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置，
其中所述转化率预测装置包括：
SCR催化器的多个微元，
用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及
用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。
2.根据权利要求1所述的SCR控制装置，其特征在于所述SCR催化器包括2-10个微元。
3.根据权利要求2所述的SCR控制装置，其特征在于所述SCR催化器包括5-6个微元。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的SCR控制装置，其特征在于所述SCR催化器中的多个微元之间的连接关系为串联连接或并联连接或串并联结合的连接。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的SCR控制装置，其特征在于所述SCR催化器中的多个微元具有彼此不同的形状和/或尺寸。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的SCR控制装置，其特征在于所述用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置通过计算各微元的转化率的算术和或加权和来计算SCR催化器的转化率。
7.一种SCR控制系统，其特征在于包括：
SCR催化器，
检测装置，用于检测SCR催化器的实际温度，
SCR控制装置，以及
尿素喷射装置，用于根据由所述SCR控制装置计算的向SCR催化器的尿素喷射量，调节向SCR催化器的尿素喷射，
其中所述SCR控制装置包括：
温度预测装置，用于预测SCR催化器的温度，
转化率预测装置，用于预测SCR催化器的转化率，以及
喷射量计算装置，用于根据发动机的NOx排放量和预测的SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器喷射的尿素喷射量，
其中所述温度预测装置包括：
SCR催化器的多个微元，以及
用于根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度的装置，
其中所述转化率预测装置包括：
SCR催化器的多个微元，
用于根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率的装置，以及
用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置。
8.根据权利要求7所述的SCR控制系统，其特征在于所述SCR催化器包括2-10个微元。
9.根据权利要求8所述的SCR控制系统，其特征在于所述SCR催化器包括5-6个微元。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的SCR控制系统，其特征在于所述SCR催化器中的多个微元之间的连接关系为串联连接或并联连接或串并联结合的连接。
11.根据权利要求7-9中的任一项所述的SCR控制系统，其特征在于所述SCR催化器中的多个微元具有彼此不同的形状和/或尺寸。
12.根据权利要求7-9中的任一项所述的SCR控制系统，其特征在于所述用于根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的装置通过计算各微元的转化率的算术和或加权和来计算SCR催化器的转化率。
13.一种SCR控制方法，其特征在于包括：
预测SCR催化器的温度，
根据SCR催化器的预测温度和发动机的转速和扭矩，预测SCR催化器的转化率，以及
根据发动机的NOx排放量和预测的SCR催化器的转化率，计算向SCR催化器喷射的尿素喷射量，
其中预测SCR催化器的温度的步骤包括：
将SCR催化器划分为多个微元，以及
根据SCR催化器的实际温度、物理参数和发动机排气流量，计算多个微元的温度，
其中预测SCR催化器的转化率的步骤包括：
根据计算的多个微元的温度以及发动机的转速和扭矩，计算各微元的转化率，以及
根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率。
14.根据权利要求13所述的SCR控制方法，其特征在于将所述SCR催化器划分为2-10个微元。
15.根据权利要求14所述的SCR控制方法，其特征在于将所述SCR催化器划分为5-6个微元。
16.根据权利要求13-15中的任一项所述的SCR控制方法，其特征在于所述SCR催化器中的多个微元以串联连接或并联连接或串并联结合的方式相互连接。
17.根据权利要求13-15中的任一项所述的SCR控制方法，其特征在于将所述SCR催化器中的多个微元划分为具有彼此不同的形状和/或尺寸。
18.根据权利要求13-15中的任一项所述的SCR控制方法，其特征在于所述根据计算的多个微元的转化率，计算SCR催化器的转化率的步骤包括通过计算各微元的转化率的算术和或加权和来计算SCR催化器的转化率。
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