CN102900502A - 一种基于氧传感器的柴油机尿素喷射控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于氧传感器的柴油机尿素喷射控制装置及方法，涉及一种柴油机后处理SCR控制技术。所述装置包括ECU，尿素箱，尿素泵，尿素喷嘴，SCR箱，SCR箱前排气管，SCR箱后排气管，SCR箱前氧传感器，SCR箱后氧传感器。本发明在在SCR箱前排气管和SCR箱后排气管上分别安装有SCR箱前氧传感器和SCR箱后氧传感器；本发明用SCR箱前后氧浓度传感器信号实现对尿素NH₃喷射量的闭环控制。用SCR箱前的氧浓度传感器信号对尾气排放出的NOx标定值修正补偿；用SCR箱前、后氧浓度传感器信号诊断SCR箱的反应效率，并实现对NH₃喷射量的精确控制。氧传感器价格远远低于NOx传感器价格，本发明利用SCR箱前后氧传感器信号控制尿素喷射旨在大幅度降低后处理系统的成本。

Description

一种基于氧传感器的柴油机尿素喷射控制装置及方法

技术领域

本发明公开了一种基于氧传感器的柴油机尿素喷射控制装置及方法，涉及柴油机后处理SCR控制技术。

背景技术

NOx和PM是柴油机的主要排放污染物，无法通过机内措施大幅度同时降低PM和NOx排放。为了满足日益严格的汽车尾气排放法规，一种大量采用的做法是先通过燃油喷射系统优化、喷射定时提前和增压中冷来把颗粒物降到适当的水平，这将导致尾气中NOx成分增多，再使用选择性催化还原技术即SCR来降低NOx排放。尿素水溶液在尾气高温下被转化为NH₃，然后在SCR箱中和NOx发生反应，将对人体和大气有害的NOx转化为无毒的N₂和H₂O，由于NH₃也是污染性气体，所以尿素喷射不能过量，需要根据排放物中NOx的浓度来控制尿素的喷射。

目前的柴油机ECU能够根据发动机进气量和实际喷油量以及当前发动机状态标定出SCR反应箱前发动机尾气中NOx的浓度，SCR的ECU基于发动机排出的NOx量，控制尿素水溶液喷射量。装有SCR尿素喷射系统的柴油车上会在SCR箱后的排气管上装有NOx传感器，用来测量SCR箱后废气中NOx的浓度，ECU基于这一信号修正尿素喷射模型，适应尿素反应箱的老化变动，实现尿素喷射的闭环控制，从而达到排放法规要求的NOx的排放水平。

安装在尿素箱后的NOx传感器是当前闭环控制的关键器件。NOx传感器价格昂贵，目前没有能够取代基于NOx传感器的尿素喷射控制反馈修正方法。对于柴油车SCR后处理尿素喷射系统，还无法做到降低经济成本的同时保证良好的排放水平。

发明内容

鉴于上述的采用SCR尿素喷射后处理技术的柴油机需要装有NOx传感器来实现尿素喷射闭环控制而引起的成本问题，本发明提出一种新的柴油机尿素喷射控制装置与方法，关键创新之处在于在SCR箱前后装上氧传感器，通过氧浓度传感器来分析尿素箱前后NOx的浓度。柴油机ECU根据发动机进气量和实际喷油量可以标定出SCR箱前柴油机直接排出的尾气中NOx浓度，但是由于发动机本体、燃油系统、增压器、中冷器等部件存在老化，燃烧存在和出厂初始状态不一致的问题，导致柴油机排出的尾气中NOx的量将出现变化，因此必须对初始的NOx预测量进行修正。本发明在SCR箱前增加一个氧浓度传感器，通过该氧浓度信号对尾气排放出的NOx标定值修正补偿，这样将获得准确的柴油机燃烧产生的NOx量，即可以精确确定需要通过SCR反应消除的NOx量，也就是可以根据SCR箱的反应效率计算出需要控制通过所喷的尿素量。由于SCR箱也存在反应效率的问题，并且这个反应效率随反应箱使用条件和时间也存在老化问题，因此本发明装置基于NOx在SCR箱反应时需要消耗氧气并且会引起反应箱后端废气中氧浓度的变化这一原理，在SCR箱后的尾气管上也装有一个氧传感器，用SCR箱后氧浓度传感器9的信号修正SCR反应对NOx的转化量，计算出SCR箱的反应效率，补偿尿素的喷射，实现基于SCR箱前后的氧传感器信号对尿素喷射的闭环控制。氧传感器的价格要远远低于NOx传感器的价格，本发明旨在用氧传感器信号控制柴油机尿素喷射这种新的控制方法来降低后处理系统的成本。

本发明采用如下技术方案：

一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，包括ECU1，尿素箱2，尿素泵3，尿素喷嘴4，SCR箱5，SCR箱前排气管6，SCR箱后排气管7，SCR箱前氧传感器8，SCR箱后氧传感器9。SCR箱5前端设置SCR箱前排气管6，后端设置有SCR箱后排气管7。在SCR箱5的进口处设置有尿素喷嘴4。尿素喷嘴4连接至尿素泵3，尿素泵3与尿素箱2相连。

在SCR箱前排气管6和SCR箱后排气管7上分别安装有SCR箱前氧传感器8和SCR箱后氧传感器9。

ECU1和尿素箱2连接，获取尿素箱的温度、液位信息，控制尿素箱2的工作条件；ECU1和尿素泵3以及尿素喷嘴4连接，结合ECU中的SCR箱前后的NOx修正算法控制尿素泵3和尿素喷嘴4工作，实现对NOx反应的闭环控制；ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9连接，获取SCR箱前后的氧浓度信号。

ECU1是有尿素后处理系统的柴油机ECU，内有本发明所述的SCR箱前NOx修正算法；SCR箱后NOx修正算法。

ECU1和尿素箱2通过线束连接。

ECU1和尿素泵3以及尿素喷嘴4通过线束连接。

ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9通过线束连接。

由SCR箱前氧传感器8将测得的SCR箱前氧浓度值

传入到ECU1中，由SCR箱后氧传感器9将测得的SCR箱后氧浓度值

传入到ECU1中。再结合ECU1中可调用的根据发动机状态标定的SCR箱前NOx浓度值标定量

以及ECU1由输入量进气量、过量空气系数、空燃比得到的一定时间里进入气缸的氧气物质的量

燃油物质的量ⁿfuel以及燃烧后废气物质的量ⁿexh。

由以上测量量

以及ECU1调用量

ⁿfuel、ⁿexh可以计算出NOx浓度修正值：

$v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}=v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{calib}}+1.2[v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-\frac{n_{O_2-(a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2})n_{\mathrm{fuel}}}}{n_{\mathrm{exh}}}]$

其中a、b、c代表柴油机所用燃油的化学分子式中C、H、O的原子数。用NOx浓度修正值修正尾气中NOx浓度值，解决SCR箱前由于发动机老化导致的尾气中NOx浓度与出厂标定不一致问题。

ECU1得到NOx浓度值修正量后，结合SCR箱前后氧传感器8、9的测量值以及SCR主反应4NO+O₂+4NH₃=4N₂+6H₂O可以计算出SCR反应的效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{SCR}}=\frac{4(v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-v_{O_2,\mathrm{pos}2,\mathrm{meas}})}{v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}}$

根据对柴油机SCR反应效率的不同要求来修正NH₃的喷射量，解决SCR箱反应效率不足的问题。

基于SCR箱前氧传感器8测得的废气氧浓度测量值

计算出尾气中NOx浓度的修正值SCR箱根据NOx浓度修正值喷射NH₃。从SCR箱主反应方程式出发，基于SCR箱前后氧传感器8、9测得的废气氧浓度测量值计算出SCR反应效率，根据对柴油机SCR反应效率的不同要求来修正NH₃的喷射量，解决SCR箱反应效率不足的问题。由此实现基于SCR箱前后废气氧浓度的NH₃喷射量闭环控制。

本发明“柴油机尿素喷射控制装置与方法”的工作方法及原理如下：

ECU1和尿素箱2通过线束连接，获取尿素箱的温度、液位信息，控制尿素箱的工作条件，如果尿素液位低于正常工作的下限值，ECU1会发出警示信息，提示添加尿素。ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9连接，获取SCR箱前后的氧浓度信号。由于发动机存在工况老化问题，ECU计算的SCR箱前NOx浓度值和实际值会有偏差，本发明用SCR箱前的氧浓度传感器8的信号对NOx标定值修正补偿，ECU根据修正后的NOx浓度控制尿素泵3、尿素喷嘴4工作。当SCR反应效率不足、对NOx转化率不够时，需要多喷NH₃。本发明基于SCR箱反应消耗氧气从而引起废气中氧浓度变化这一原理，用SCR箱前、后氧浓度传感器8、9的信号修正SCR后NOx浓度值，补偿尿素的喷射。由此实现基于SCR箱前后的氧传感器信号对尿素喷射的闭环控制。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明“柴油机尿素喷射控制装置与方法”是基于SCR箱前后的氧传感器信号提出的一种新的尿素控制装置及方法。不同于传统的具备后处理技术的柴油机采用的NOx传感器控制尿素喷射，本装置在SCR箱前后装有氧传感器，并编写基于氧传感器信号的控制算法实现对尿素水溶液喷射量的控制，很大程度上降低了柴油机后处理的成本，从而降低了整车的成本，同时做到降低经济成本和保证良好的排放水平。

附图说明：

图1一种柴油机尿素喷射控制系统装置；

图中：1、ECU，2、尿素箱，3、尿素泵，4、尿素喷嘴，5、SCR箱，6、SCR箱前排气管，7、SCR箱后排气管，8、SCR箱前氧传感器，9、SCR箱后氧传感器。

具体实施方案

本发明所提供的新的基于氧传感器的尿素喷射控制装置包括ECU1，、尿素箱2，尿素泵3，尿素喷嘴4，SCR箱5，SCR箱前排气管6，SCR箱后排气管7，SCR箱前氧传感器8，SCR箱后氧传感器9。

在SCR箱前排气管6和SCR箱后排气管7上分别安装有SCR箱前氧传感器8和SCR箱后氧传感器9。ECU1和尿素箱2连接，获取尿素箱的温度、液位信息，控制尿素箱2的工作条件；ECU1和尿素泵3以及尿素喷嘴4连接，结合ECU中的SCR箱前后的NOx修正算法控制尿素泵3和尿素喷嘴4工作，实现对NOx反应的闭环控制；ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9连接，获取SCR箱前后的氧浓度信号。

ECU1是有尿素后处理系统的柴油机ECU，内有本发明所述的SCR箱前NOx修正算法；SCR箱后NOx修正算法。

ECU1和尿素箱2通过线束连接。

ECU1和尿素泵3以及尿素喷嘴4通过线束连接。

ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9通过线束连接。

本发明基于SCR箱前后氧传感器实现对SCR箱反应前后NOx浓度值的修正，实现对NH3喷射前馈加反馈的闭环控制。

一、前馈控制

由SCR箱前氧传感器8将测得的SCR箱前氧浓度值

传入到ECU1中，由SCR箱后氧传感器9将测得的SCR箱后氧浓度值

传入到ECU1中。再结合ECU1中可调用的根据发动机状态标定的SCR箱前NOx浓度值标定量

以及ECU1由输入量进气量、过量空气系数、空燃比得到的一定时间里进入气缸的氧气物质的量

燃油物质的量ⁿfuel以及燃烧后废气物质的量ⁿexh。

由以上测量量以及ECU1调用量 ⁿfuel、ⁿexh可以计算出NOx浓度修正值：

$v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}=v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{calib}}+1.2[v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-\frac{n_{O_2-(a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2})n_{\mathrm{fuel}}}}{n_{\mathrm{exh}}}]$

其中a、b、c代表柴油机所用燃油的化学分子式中C、H、O的原子数。用NOx浓度修正值

修正尾气中NOx浓度值，解决SCR箱前由于发动机老化导致的尾气中NOx浓度与出厂标定不一致问题。

二、反馈控制

ECU1得到NOx浓度值修正量

后，结合SCR箱前后氧传感器8、9的测量值

以及SCR主反应4NO+O₂+4NH₃=4N₂+6H₂O可以计算出SCR反应的效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{SCR}}=\frac{4(v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-v_{O_2,\mathrm{pos}2,\mathrm{meas}})}{v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}}$

根据对柴油机SCR反应效率的不同要求来修正NH₃的喷射量，解决SCR箱反应效率不足的问题。

基于SCR箱前氧传感器8测得的废气氧浓度测量值

计算出尾气中NOx浓度的修正值

SCR箱根据NOx浓度修正值

喷射NH₃。从SCR箱主反应方程式出发，基于SCR箱前后氧传感器8、9测得的废气氧浓度测量值计算出SCR反应效率，根据对柴油机SCR反应效率的不同要求来修正NH₃的喷射量，解决SCR箱反应效率不足的问题。由此实现基于SCR箱前后废气氧浓度的NH₃喷射量闭环控制。

本发明“柴油机尿素喷射控制装置与方法”的工作方法及原理如下：

ECU1和尿素箱2通过线束连接，获取尿素箱的温度、液位信息，控制尿素箱的工作条件，如果尿素液位低于正常工作的下限值，ECU1会发出警示信息，提示添加尿素。ECU1和SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9连接，获取SCR箱前后的氧浓度信号。由于发动机存在工况老化问题，ECU计算的SCR箱前NOx浓度值和实际值会有偏差，本发明用SCR箱前的氧浓度传感器8的信号对NOx标定值修正补偿，ECU根据修正后的NOx浓度控制尿素泵3、尿素喷嘴4工作。当SCR反应效率不足、对NOx转化率不够时，需要多喷NH₃。本发明基于SCR箱反应消耗氧气从而引起废气中氧浓度变化这一原理，用SCR箱前、后氧浓度传感器8、9的信号修正SCR后NOx浓度值，补偿尿素的喷射。由此实现基于SCR箱前后的氧传感器信号对尿素喷射的闭环控制。

Claims (6)

1.一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，其特征在于：其包括ECU（1），尿素箱（2），尿素泵（3），尿素喷嘴（4），SCR箱（5），SCR箱前排气管（6），SCR箱后排气管（7），SCR箱前氧传感器（8），SCR箱后氧传感器（9）；SCR箱（5）前端设置SCR箱前排气管（6），后端设置有SCR箱后排气管（7）；在SCR箱（5）的进口处设置有尿素喷嘴（4）；尿素喷嘴（4）连接至尿素泵（3），尿素泵（3）与尿素箱（2）相连；

在SCR箱前排气管（6）和SCR箱后排气管（7）上分别安装有SCR箱前氧传感器（8）和SCR箱后氧传感器（9）；

ECU（1）和尿素箱（2）连接，获取尿素箱的温度、液位信息，控制尿素箱（2）的工作条件；ECU（1）和尿素泵（3）以及尿素喷嘴（4）连接，结合ECU（1）中的SCR箱（5）前后的NOx修正算法控制尿素泵（3）和尿素喷嘴（4）工作，实现对NOx反应的闭环控制；ECU（1）和SCR箱前氧传感器（8）、SCR箱后氧传感器（9）连接，获取SCR箱前后的氧浓度信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，其特征在于：ECU（1）是有尿素后处理系统的柴油机ECU，内有本发明所述的SCR箱前NOx修正算法；SCR箱后NOx修正算法。

3.根据权利要求1所述的一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，其特征在于：ECU（1）和尿素箱（2）通过线束连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，其特征在于：ECU（1）和尿素泵（3）以及尿素喷嘴（4）通过线束连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置，其特征在于：ECU（1）和SCR箱前氧传感器（8）、SCR箱后氧传感器（9）通过线束连接。

6.权利要求1至权利要求5任一权利要求所述的一种基于氧传感器的尿素喷射控制装置的控制方法，其特征在于：由SCR箱前氧传感器（8）将测得的SCR箱前氧浓度值

传入到ECU（1）中，由SCR箱后氧传感器（9）将测得的SCR箱后氧浓度值

传入到ECU（1）中；再结合ECU（1）中可调用的根据发动机状态标定的SCR箱前NOx浓度值标定量

以及ECU1由输入量进气量、过量空气系数、空燃比得到的进入气缸的氧气物质的量

燃油物质的量ⁿfuel以及燃烧后废气物质的量ⁿexh；

由以上测量量SCR箱前氧浓度值

SCR箱后氧浓度值

以及ECU1调用量进入气缸的氧气物质的量

燃油物质的量ⁿfuel、燃烧后废气物质的量ⁿexh计算出NOx浓度修正值：

$v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}=v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{calib}}+1.2[v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-\frac{n_{O_2-(a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2})n_{\mathrm{fuel}}}}{n_{\mathrm{exh}}}]$

其中a、b、c代表柴油机所用燃油的化学分子式中C、H、O的原子数；用NOx浓度修正值

修正尾气中NOx浓度值，解决SCR箱前由于发动机老化导致的尾气中NOx浓度与出厂标定不一致问题；

ECU1得到NOx浓度值修正量

后，结合SCR箱前氧传感器8、SCR箱后氧传感器9的测量值

以及SCR主反应4NO+O₂+4NH₃=4N₂+6H₂O可以计算出SCR反应的效率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{SCR}}=\frac{4(v_{O_2,\mathrm{pos}1,\mathrm{meas}}-v_{O_2,\mathrm{pos}2,\mathrm{meas}})}{v_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{corr}1}}$

根据对柴油机SCR反应效率的要求来修正NH₃的喷射量，解决SCR箱反应效率不足的问题；由此实现基于SCR箱前后废气氧浓度的NH₃喷射量闭环控制。

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