CN102493860A - 一种全工况柴油机scr系统闭环控制方法 - Google Patents

一种全工况柴油机scr系统闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全工况柴油机SCR系统闭环控制方法。本发明按照下述步骤进行：（1）建立新型的基于全工况柴油机排气温度和排气背压的SCR系统还原剂投放量的三维矩阵；（2）利用氮氧化物传感器和PID（比例-积分-微分）控制器，形成全工况柴油机SCR系统闭环的精确控制模式。本发明柴油机SCR系统闭环控制方法不仅使得柴油机工况参数的获取可以不依赖柴油机电子控制器（ECU），而且打破了目前国内外SCR系统只适用于电控柴油机的技术障碍，为装配轻、中、重型非电控柴油机的车辆提供了一个降低NOx排放的途径。

Description

一种全工况柴油机SCR系统闭环控制方法
技术领域
本发明属于柴油发动机尾气氮氧化物排放污染控制技术领域，进一步涉及一种基于排气温度和排气背压的全工况柴油机SCR系统闭环控制方法。
背景技术
节能和环保是我国以及当今世界的工业技术领域的两个重要主题。氮氧化物（NOx）是柴油机排放的主要污染物，利用柴油机内净化技术已无法满足当前乃至今后实施的排放法规。因此，采用柴油机排气后处理净化技术是满足日益严格的排放法规（主要是国四及以上排放法规)的必要手段。结合我国国情和柴油机排气后处理技术现状，采用选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction—SCR)技术是我国重型柴油机能够实现第Ⅳ阶段及以上排放标准的最佳技术路线。
柴油机排气SCR后处理技术原理是：根据柴油机的运行工况，在排气管内投放适量的还原剂溶液，受热蒸发、水解和裂解产生还原性气体。然后，还原性气体与NOx在排气管内进行还原反应生成氮气和水，排入大气。 
目前，国内外柴油机SCR系统中普遍采用的还原剂投放量控制方法是基于柴油机的转速和负荷，且只适用于电控柴油机，这种控制方法属于开环控制。其缺点在于：（1）当SCR后处理系统内部或外部环境，诸如催化剂的性能、温度、油品品质等因素发生变化时，无法及时反馈给系统，对还原剂投放量作出调整，造成系统控制精度低；（2）对于非电控柴油机而言，柴油机的转速和负荷参数无法获取，SCR系统就不能控制还原剂的投放量。
因此，根据实时在线获取的柴油机运行工况参数，通过闭环方式精确控制SCR系统中还原剂投放量，使NOx和二次污染源气体排放都能够满足国家的排放法规，是SCR系统的关键核心技术。
发明内容
本发明的目的是利用柴油机的排气温度、排气背压和还原剂投放量三者之间的相关性组成三维矩阵，提供一种新型简便的基于排气温度和排气背压的全工况柴油机SCR系统闭环控制方法。将实时获得的柴油机排气温度和排气背压两个参数通过已建立的三维矩阵，查出对应的还原剂的投放量。
本发明全工况柴油机SCR系统闭环控制方法，按照下述步骤进行：（1）建立新型的基于全工况柴油机排气温度和排气背压的SCR系统还原剂投放量的三维矩阵；（2）利用氮氧化物传感器和PID（比例-积分-微分）控制器，形成全工况柴油机SCR系统闭环的精确控制模式；
所述建立三维矩阵，按照下述步骤进行：（a）在标定工况下，从柴油机万有特性中获取基于排气温度和排气背压的排气流量；同时在该工况下分别建立原机排放NOx浓度、催化器目标转化率与排气温度和排气背压的对应关系；（b）依据同一标定工况下获得的柴油机的排气流量、原机排放NOx浓度和催化器目标转化率，计算SCR系统还原剂投放量；（c）在步骤（a）和步骤（b）的基础上，建立基于柴油机排气温度、排气背压和还原剂投放量的三维矩阵；
所述形成SCR系统闭环控制模式，通过下述步骤实现：（a）利用温度传感器和压差传感器分别测得SCR催化器的排气背压和排气温度，温度传感器设置于排气管尾端，压差传感器分别与SCR催化器进气端和出气端连接；（b）将实测的排气温度和排气背压输入到三维矩阵中，通过插值计算得到对应的柴油机SCR系统还原剂投放量；（c）采用前、后氨/氮传感器测得SCR催化器前的NOx浓度及SCR催化器后的NOx和氨气浓度，并计算NOx实际转化效率；（d）将NOx目标转化效率和NOx实际转化效率进行比较，并通过PID控制器进行滞后补偿修正还原剂投放量。
本发明相对于现有技术，具有如下优点：
（1）提出一种基于排气温度和排气背压的柴油机SCR系统闭环控制方法。这种方法将还原剂投放量表达为柴油机排气温度和排气背压的函数。因此，SCR系统只需简单地通过获取柴油机排气温度和排气背压，就可以实现对还原剂投放量的控制，将NOx的排放控制在国家排放法规要求的范围内。
（2）采用一种具有纯滞后补偿的PID控制器控制方式。SCR系统将通过传感器测得的催化器后NOx浓度与氨气浓度，反馈到SCR系统的计量控制单元（DCU）与催化器前测得的NOx浓度进行计算得到NOx实际转化效率，并与NOx目标转化率进行比较。因为本系统的反馈控制具有纯滞后性质，所以本系统采用PID控制器这种补偿控制方法，对还原剂投放量进行补偿修正，实现柴油机SCR系统闭环的精确控制。
（3）这种柴油机SCR系统闭环控制方法不仅使得柴油机工况参数的获取可以不依赖柴油机电子控制器（ECU），而且打破了目前国内外SCR系统只适用于电控柴油机的技术障碍，为装配轻、中、重型非电控柴油机的车辆提供了一个降低NOx排放的途径，而且由于采用具有纯滞后补偿的PID控制器控制方式，当系统内部或外部出现扰动时，仍可以实现对柴油机SCR系统还原剂投放量的精确控制。
附图说明
图1是本发明在排气后处理SCR系统上的布置图；
图2是本发明的柴油机SCR系统闭环控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
全工况柴油机SCR系统闭环控制方法，按照下述步骤进行：（1）建立新型的基于全工况柴油机排气温度和排气背压的SCR系统还原剂投放量的三维矩阵；（2）利用氮氧化物传感器和PID控制器，形成全工况柴油机SCR系统闭环的精确控制模式；
本发明如图2所示，在标定工况下，从柴油机万有特性中获取基于排气温度和排气背压的排气流量；同时在该工况下分别建立原机排放NOx浓度、催化器目标转化率与排气温度和排气背压的对应关系；然后，依据同一标定工况下获得的柴油机的排气流量、原机排放NOx浓度和催化器目标转化率，计算SCR系统还原剂投放量；最后，建立基于柴油机排气温度、排气背压和还原剂投放量的三维矩阵；
柴油机SCR系统闭环控制如图1 所示，柴油机SCR系统的计量控制单元（DCU）1利用设置于排气管2内的温度传感器7和压差传感器4分别测得SCR催化器6前、后的排气温度和排气背压，SCR催化器6前设置还原剂雾化喷嘴5；将实测的排气温度和排气背压输入计量控制单元1中的三维矩阵内，通过插值计算得到对应的柴油机SCR系统还原剂投放量；同时，计量控制单元1利用氨/氮传感器3和8测得SCR催化器前的NOx浓度及SCR催化器后的NOx和氨气浓度，并计算得到NOx实际转化效率，并与NOx目标转化效率进行比较，在通过PID控制器进行滞后补偿、修正还原剂投放量，实现对柴油机SCR系统的闭环控制。
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。PID是比例、积分、微分的缩写，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。

Claims (1)

1.一种全工况柴油机SCR系统闭环控制方法，其特征是，按照下述步骤进行：（1）建立新型的基于全工况柴油机排气温度和排气背压的SCR系统还原剂投放量的三维矩阵；（2）利用氮氧化物传感器和PID控制器，形成全工况柴油机SCR系统闭环的精确控制模式；
所述建立三维矩阵，按照下述步骤进行：（a）在标定工况下，从柴油机万有特性中获取基于排气温度和排气背压的排气流量；同时在该工况下分别建立原机排放NOx浓度、催化器目标转化率与排气温度和排气背压的对应关系；（b）依据同一标定工况下获得的柴油机的排气流量、原机排放NOx浓度和催化器目标转化率，计算SCR系统还原剂投放量；（c）在步骤（a）和步骤（b）的基础上，建立基于柴油机排气温度、排气背压和还原剂投放量的三维矩阵；
所述形成SCR系统闭环控制模式，通过下述步骤实现：（a）利用温度传感器和压差传感器分别测得SCR催化器的排气背压和排气温度，温度传感器设置于排气管尾端，压差传感器分别与SCR催化器进气端和出气端连接；（b）将实测的排气温度和排气背压输入到三维矩阵中，通过插值计算得到对应的柴油机SCR系统还原剂投放量；（c）采用前、后氨/氮传感器测得SCR催化器前的NOx浓度及SCR催化器后的NOx和氨气浓度，并计算NOx实际转化效率；（d）将NOx目标转化效率和NOx实际转化效率进行比较，并通过PID控制器进行滞后补偿修正还原剂投放量。
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