CN102518496A - 一种尿素喷射量的控制方法和系统 - Google Patents

一种尿素喷射量的控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种尿素喷射量的控制方法，包括：确定当前尿素溶液的浓度；将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；根据所述修正后的尿素喷射量控制尿素喷射系统喷射尿素。本发明提供一种尿素喷射量的控制方法和系统，克服由于尿素水溶液不达标准导致尿素喷射量不准确的问题。

Description

一种尿素喷射量的控制方法和系统
技术领域
本发明涉及控制技术领域，特别涉及一种尿素喷射量的控制方法和系统。
背景技术
目前，国内外柴油机后处理的技术可分为两类：
一是SCR开环控制，需要大量的标定工作，且受外界因素影响较大。
开环控制系统调整SCR尿素喷射量的准确程度受后处理系统技术情况和控制程序及数据的限制。由于应用开环控制方式的控制系统所执行的程序及控制数据时按照技术状况最好的样机的测试结果制定的，因此如果实际使用的发动机的技术状况和样机不一样，而尿素喷射量仍按制造厂家固化在ROM中的控制数据调整的话，实际调整的结果可能不是该发动机目前情况的理想调整。另外开环系统无法将影响尿素喷射量的其它控制参数一一兼顾，因此很难达到准确的控制。
二是基于NOX传感器的SCR闭环控制。
采用闭环控制系统能够根据发动机技术状况的变化程度进行相应的补偿，缩小这种变化所带来的控制差异。闭环控制系统能根据控制结果的变化，相应调整输出控制量值的大小，从而实现较好的控制效果。
现有基于NOX传感器的SCR闭环控制系统如图1所示，SCR催化器包括壳体5、设置在壳体5中串联的NOX催化转化器3和NH3催化氧化器4。尿素喷嘴1设置在壳体5中并位于NOX催化转化器3的上游，NOX传感器6设置在壳体5中并位于NH3催化氧化器4的下游，尿素喷嘴1和NOX传感器6分别与控制器2连接。尿素喷嘴1喷出尿素溶液，受热分解出NH3，氨气在SCR催化剂的作用下与NOX发生反应，生成氮气和水，从而达到净化NOX的目的。若尿素喷射量大，会使排气中的NH3增多，喷射量过小，则NOX不能充分净化，因此现有基于NOX传感器的SCR闭环控制系统直接利用NOX传感器测量排气中的NOX含量，以修正尿素喷射量。
由于NOX传感器响应时间较长，不利于及时调整控制参数，且NOX传感器价格昂贵。
当尿素溶液不达标准，就会导致尿素喷射量不准确，从而使得NOx不达标污染大气及氨气泄露污染大气的现象。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种尿素喷射量的控制方法和系统，克服由于尿素水溶液不达标准导致尿素喷射量不准确，NOX不达标污染大气及氨气泄露污染大气的现象。
本发明提供一种尿素喷射量的控制方法，所述方法包括：
确定当前尿素溶液的浓度；
将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；
根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；
根据所述修正后的尿素喷射量控制尿素喷射系统喷射尿素。
优选地，所述控制喷射系统喷射尿素的步骤，具体为控制调节尿素喷嘴的通电时间和周期。
优选地，所述确定当前尿素溶液的浓度的步骤包括：
超声波收发器产生超声波；
处理器内的定时器开始定时；
经过时间t，所述超声波收发器接收到反射器反射的超声波；
根据尿素箱的长度L计算出传播速度ν；
由浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前尿素的浓度；
其中，T是温度和ν速度。
优选地，确定所述当前尿素的需求量，具体包括：
根据当前工况和NOx传感器修正信号确定原始NOx排放量；
根据化学方程计算需要的NH3量；
根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
根据氨气量确定当前尿素的需求量。
本发明还提供一种尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述系统包括：
第一计算单元，用于确定尿素箱尿素浓度；
修正系数确定单元，用于将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；
第二计算单元，用于根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；
控制单元，用于根据所述修正后的尿素喷射量，控制尿素喷射系统喷射尿素。
优选地，所述控制单元具体控制调节尿素喷嘴的通电时间和周期。
优选地，所述的控制系统进一步包括超声波收发器、处理器内的定时器、反射器、尿素箱温度传感器；
超声波收发器，用于产生和接收超声波；
处理器内的定时器，用于定时时间段t，经过时间段t通知所述超声波收发器接收到反射器反射的超声波；
所述第一计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据尿素箱的长度L和时间t计算出传播速度ν；
第二计算子单元，用于根据浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前浓度值；
其中，T是所述尿素箱温度传感器测得的温度，速度ν为第一计算子单元计算获得。
优选地，所述系统进一步包括：
原始NOx排放量确定单元，用于分别根据当前工况和传感器修正信号确定原始NOx排放量；
原始NOx排放量确定单元，具体包括：
第三计算子单元，用于根据化学方程计算需要的NH3量；
第四计算子单元，根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
第五计算子单元，根据氨气量确定当前尿素需求量。
优选地，所述超声波收发器和反射器设置在距离尿素箱底10％处。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明尿素喷射量的控制方法，通过确定当前尿素溶液的浓度；将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；根据所述修正后的尿素喷射量控制尿素喷射系统喷射尿素，使得尿素喷射量更加准确。由于本发明所述方法使得尿素喷射量更加准确，克服了现有技术中尿素水溶液不达标准导致尿素喷射量不准确，NOx不达标污染大气及氨气泄露污染大气的现象。
附图说明
图1是现有基于NOX传感器的SCR闭环控制系统结构图；
图2是本发明实施例所述尿素喷射量的控制方法流程图；
图3是本发明实施例所述尿素喷射量的控制系统结构图；
图4是本发明实施例所述确定当前尿素溶液的浓度流程图。
具体实施方式
本发明提供一种尿素喷射量的控制方法和系统，克服由于尿素水溶液不达标准导致尿素喷射量不准确，NOX不达标污染大气及氨气泄露污染大气的现象。为了便于本领域技术人员的理解，下面对相关术语进行具体解释。
SCR：选择性催化还原，是利用氨(NH3)对NOx还原功能，在320～400℃的条件下，利用催化剂作用将NOx还原为对大气没有影响的N2和水。“选择性”的意思是指氨有选择的进行还原反应，本文指选择NOx还原。
闭环控制：作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。
OBD：用于控制车辆排放的一种在线监测诊断系统，能够检测到影响车辆排放的故障的发生并通过存储相关的故障代码指示故障可能发生的区域及原因。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图是本发明实施例尿素喷射量的控制方法流程图。
本发明实施例尿素喷射量的控制方法，所述方法包括：
S100、确定当前尿素溶液的浓度。
S200、将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数(修正因子)。
具体计算公式如下：
修正系数(修正因子)＝标准尿素溶液浓度/当前尿素溶液浓度
目前使用的标准尿素溶液浓度为32.5％，如果实际生产的尿素溶液浓度比标准尿素溶液浓度低，会导致NH3产量不足，需要增加尿素喷射量。
S300、根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量。
具体计算公式如下：
修正后的尿素喷射量＝修正系数*当前尿素的需求量(原尿素喷射量)
S400、根据所述修正后的尿素喷射量控制尿素喷射系统喷射尿素。
所述S400控制喷射系统喷射尿素的步骤，具体可以为控制调节尿素喷嘴的通电时间和周期。
由于使用修正后的尿素喷射量控制尿素喷射量，使得尿素喷射量更加准确，克服了现有技术中尿素水溶液不达标准导致尿素喷射量不准确，NOx不达标污染大气及氨气泄露污染大气的现象。
尿素箱1中的尿素经尿素泵2加压后送往尿素喷嘴3，通过处理单元5控制尿素喷嘴3的通电时间和周期，实现喷射尿素，多余的尿素经回流管流回尿素箱11。
由于超声波在特定的温度下，在特定的浓度或密度的液体中传递的速度是确定的，液体的浓度变化则超声波的传导速度相应改变。液体中超声波的传导速度是液体弹性模数和密度的函数，因而液体在一定温度下超声波在其中的传导速度的不同则反映了液体浓度或密度的相应变化。
步骤S100所述确定当前尿素溶液的浓度，可以通过以下流程实现：
1)超声波收发器产生超声波；
超声波收发器产生超声波原理：通过给压电晶体(压电陶瓷)加一定频率的电激励，就可以产生所需要频率的超声波。
2)超声波收发器产生超声波；
3)处理器内的定时器开始定时；
4)经过时间t，所述超声波收发器接收到反射器反射的超声波；
5)根据尿素箱的长度L计算出传播速度ν；
超声波在尿素液体中的传递速度的计算：
超声波收发器10产生超声波，处理器5内的定时器(图中未示出)开始定时，经过时间t，超声波收发器10接收到反射器11反射的超声波，根据尿素箱的长度L，由公式ν＝2*L/t，计算出传播速度ν。
由浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前尿素的浓度；
其中，T是温度和ν速度。
当前尿素溶液浓度具体可以根据尿素箱的温度和当前车辆的速度，通过查表1获得。
表1：速度、温度与尿素浓度对应表
Figure BDA0000128923020000061
尿素箱尿素浓度(这一实时浓度值)可以以模拟的或数字的标准信号输出到处理单元5中，可以实现在线实时监控浓度。
由于SCR催化剂下游NH3的含量可以反映氮氧生成物的多少，通过检测废气中NH3含量，与标准含量做差，通过PI控制，根据浓度的修正因子和通过发动机工况确定尿素需求量的MAP表确定的当前尿素的需求量，得到闭环控制修正量。
当前尿素的需求量(原尿素喷射量)，可以通过查表2发动机工况确定尿素需求量的MAP表获得。
确定所述当前尿素的需求量，也可以通过下面的具体流程实现：
1)根据当前工况和NOx传感器修正信号确定原始NOx排放量；
2)根据化学方程计算需要的NH3量；
3)根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
4)根据氨气量确定当前尿素的需求量。
发动机工况确定尿素需求量的MAP表，就是根据上述流程获得的，分别根据不同工况和NOx传感器修正信号确定原始NOx排放量；根据化学方程计算需要的NH3量；根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；根据氨气量确定尿素溶液的需求量。
当前尿素的需求量，由发动机转速和喷油量台架试验得到原机NOx排放量MAP，经由废气质量流量转化为NOx的质量流量，再根据氨氮比得出需要的NH3量，再根据转换效率及氨气氨水质量比求出当前尿素的需求量。
表2，发动机工况确定尿素需求量的MAP表
Figure BDA0000128923020000071
需要注意：尿素溶液浓度按照OBD法规要求32.5％，由于生产和加工环节，导致尿素溶液与要求有一定的差距，差值在5％以内，可以通过尿素溶液传感器来进行修正。如果是人为因素导致的尿素溶液浓度变化，即差值在5％以上，可以通过控制器点亮报警灯，并输出相应的故障代码指示尿素溶液不合格，要求更换尿素溶液。
本发明所述方法增加了前馈控制，使计算量更加准确。
本发明所述方法通过对尿素箱尿素浓度变化的计算，与各工况下已经标定好的当前尿素的需求量做比较，具体可以通过调节控制尿素喷嘴的通电时间和周期，从而使尿素喷射量的控制更加准确。
本发明还提供一种选择性还原系统的控制闭环系统，包括：
第一计算单元，用于计算当前尿素溶液的浓度。
修正系数确定单元，用于将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数。
具体计算公式如下：
修正系数(修正因子)＝标准尿素溶液浓度/当前尿素溶液浓度
第二计算单元，用于根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量。
具体计算公式如下：
修正后的尿素喷射量＝修正系数*当前尿素的需求量(原尿素喷射量)
控制单元(具体可以通过处理器5实现)，用于根据所述修正后的尿素喷射量，控制尿素喷射系统喷射尿素。
所述控制单元具体可以通过调节控制尿素喷嘴的通电时间和周期实现尿素喷射量的控制。
由于控制单元使用修正后的尿素溶液的需求量控制尿素喷射量，使得尿素喷射量更加准确。
参见图3，所述的控制闭环系统进一步包括超声波收发器10、处理器5内的定时器(图中未示出)、反射器11、温度传感器9。
本发明实施例所述选择性还原系统具体可以包括尿素箱1、尿素泵2、尿素喷嘴3和SCR催化剂箱6，以及DCU(处理器)5组成。
SCR催化剂箱6的左侧连接车辆的发动机排气管，右侧直排大气。
尿素箱1内在长度方向的一侧设置有超声波收发器10，与超声波收发器10相对另一侧设置有反射器11，尿素箱内还设置有温度传感器9。
本发明所述系统可以包括尿素液位传感器8，主要监控尿素液位，尿素液位不能低于尿素箱总液位的10％，这是国家排放法规的强制监控要求。
在尿素箱1内的尿素溶液低于10％时，必须要加入尿素溶液。因此现有需要尿素液位传感器8检测当前尿素溶液的液位，并将检测值发送至处理器5，当尿素箱1内的尿素溶液低于10％时，处理器5通过发送单元通知用户添加尿素溶液。
所述超声波收发器10和反射器11可以设置在距离尿素箱底10％处，此时，可以省略液位传感器8。
由于超声波收发器10发射的超声波在气体中的传播速度要远小于液体中的传播速度，按照前文所述方法计算的传播速度ν远小于液体中的传播速度(可以根据实际情况设定一个门限值)时，通知处理器5需要添加尿素溶液。
当尿素溶液低于零下11摄氏度时，会结冰。尿素溶液的温度可以通过尿素箱温度传感器9确定。由于超声波收发器10发射的超声波在固体中的传播速度要远大于液体中的传播速度，因此，所述超声波收发器10和反射器11还可以辅助确定尿素溶液结冰的情况。
处理器5与温度传感器9、超声波收发器10、尿素喷嘴3、排气温度传感器4，以及NOx传感器7均相连。
尿素泵2与处理器5、尿素箱1和尿素喷嘴3相连，用于将尿素箱1中的尿素引入到尿素喷嘴3的入口处。尿素喷嘴3在处理器5的控制下实现具体尿素喷射量的控制。
排气温度传感器4，主要是测量废气温度，因为废气温度对SCR还原剂的还原效率有很大影响，一般低于200摄氏度转化效率非常低，300-400摄氏度是高转化效率区，400摄氏度以上的转化效率也非常低。
超声波收发器10用于产生超声波；
处理器5内的定时器用于定时时间段t，经过时间段t通知所述超声波收发器10接收到反射器11反射的超声波。
所述第一计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据尿素箱的长度L和时间t计算出传播速度ν；
第二计算子单元，用于根据浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前浓度值；其中T是尿素箱温度传感器测得的温度，速度ν为第一计算子单元计算获得。
所述系统进一步包括：
原始NOx排放量确定单元，用于分别根据不同工况和传感器修正信号确定原始NOx排放量；
第三计算子单元，用于根据化学方程计算需要的NH3量；
第四计算子单元，根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
第五计算子单元，根据氨气量确定尿素溶液的需求量。
本发明实施例所述控制系统，可以采用前文所述方法中的任何一种，具体不再详述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种尿素喷射量的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定当前尿素溶液的浓度；
将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；
根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；
根据所述修正后的尿素喷射量控制尿素喷射系统喷射尿素。
2.根据权利要求1所述的尿素喷射量的控制方法，其特征在于，所述控制喷射系统喷射尿素的步骤，具体为控制调节尿素喷嘴的通电时间和周期。
3.根据权利要求1或2所述的尿素喷射量的控制方法，其特征在于，
所述确定当前尿素溶液的浓度的步骤包括：
超声波收发器产生超声波；
处理器内的定时器开始定时；
经过时间t，所述超声波收发器接收到反射器反射的超声波；
根据尿素箱的长度L计算出传播速度ν；
由浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前尿素的浓度；
其中，T是温度和ν速度。
4.根据权利要求3所述的尿素喷射量的控制方法，其特征在于，确定所述当前尿素的需求量，具体包括：
根据当前工况和NOx传感器修正信号确定原始NOx排放量；
根据化学方程计算需要的NH3量；
根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
根据氨气量确定当前尿素的需求量。
5.一种尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述系统包括：
第一计算单元，用于确定尿素箱尿素浓度；
修正系数确定单元，用于将所述当前尿素溶液的浓度与标准尿素溶液的浓度比较，得到修正系数；
第二计算单元，用于根据所述修正系数和当前尿素的需求量，计算得到修正后的尿素喷射量；
控制单元，用于根据所述修正后的尿素喷射量，控制尿素喷射系统喷射尿素。
6.根据权利要求5所述的尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述控制单元具体控制调节尿素喷嘴的通电时间和周期。
7.根据权利要求5或6所述的尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述的控制系统进一步包括超声波收发器、处理器内的定时器、反射器、尿素箱温度传感器；
超声波收发器，用于产生和接收超声波；
处理器内的定时器，用于定时时间段t，经过时间段t通知所述超声波收发器接收到反射器反射的超声波；
所述第一计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据尿素箱的长度L和时间t计算出传播速度ν；
第二计算子单元，用于根据浓度函数C＝f(ν，T)，根据速度、温度与尿素浓度对应表，得出当前浓度值；
其中，T是所述尿素箱温度传感器测得的温度，速度ν为第一计算子单元计算获得。
8.根据权利要求7所述的尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
原始NOx排放量确定单元，用于分别根据当前工况和传感器修正信号确定原始NOx排放量；
原始NOx排放量确定单元，具体包括：
第三计算子单元，用于根据化学方程计算需要的NH3量；
第四计算子单元，根据NOx的转换效率计算应加入的氨气总量；
第五计算子单元，根据氨气量确定当前尿素需求量。
9.根据权利要求7所述的尿素喷射量的控制系统，其特征在于，所述超声波收发器和反射器设置在距离尿素箱底10％处。
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