CN104179555A - 一种增压柴油机scr系统瞬态nh3泄漏控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统，其包括瞬态加速工况尿素喷射修正模块，主从两个SCR转化单元以及设置在两者中间的NO_x传感器。该方法基于油门踏板信号判断的瞬态程度，对瞬态加速工况下尿素喷射量做出提前调整，可在一定程度上降低由SCR系统NH₃贮存时滞以及传感器测量等延迟引发的瞬态控制响应滞后的影响，可有效解决增压柴油机瞬态加速工况下NH₃泄漏的问题。同时，该方法基于NO_x传感器在完成基本的尿素喷射闭环控制的前提下，通过主从SCR催化转化单元的设置，不但可以完成对过量NH₃的贮存，还可对主单元转化过程中剩余的NO_x进行二次转化。该方法在保证最大限度地提高NO_x转化效率、减少NH₃逃逸量的同时，也尽可能地控制了成本，易于工业推广。

Description

一种增压柴油机SCR系统瞬态NH3泄漏控制系统及方法

技术领域

本发明属柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统及相应的控制方法。

背景技术

随着我国汽车尾气的排放法规越发严格，尾气后处理技术的改进需求也逐步提高，与EGR尾气后处理技术相比，缸内优化燃烧+SCR尾气后处理技术路线不仅有利于燃油经济性的改善，而且对硫的敏感性更低。特别是针对目前我国燃油中硫含量较高的实际国情，SCR技术路线更具优势。关于SCR技术的应用，较为重要的两个研究热点就是提高NO_x转化效率和控制NH₃泄漏。

为了提高NO_x转化率和精确控制尿素喷射量，有学者采用了NH₃传感器进行闭环控制研究，但在该传感器当前尚未量产的情况下，实际应用价值有限。也有研究在SCR箱后的排气管上装上NO_x传感器测量浓度，ECU基于这一信号修正尿素喷射模型，实现尿素喷射的闭环控制，取得了一定的控制效果。此外，针对NH₃泄漏问题，有学者在SCR催化转化之后采用了专门的NH₃催化氧化器，但成本会大大增高。

当发动机的工况发生瞬间变化时，随排温和排气流量变化，可能导致NO_x转化效率低或者NH₃泄漏。特别是在增压柴油机的加速过程中，由于受到增压器延迟的影响，空燃比急降，NO_x排放迅速降低，虽然此时SCR系统的空速加大以及排温上升使得NO_x转化率降低，但此时的NH₃需求仍然大幅减少，如果不迅速做出尿素喷射减少的响应，容易造成NH₃泄漏，也有学者就此提出了基于在线测量废气参数的瞬态控制方法。

由于受到SCR系统NH₃贮存时滞以及传感器测量等延迟影响，上述控制方法的瞬态响应存在滞后问题，对NH₃泄漏的控制效果有限。此外，针对同时提高NO_x转化效率和控制NH₃泄漏的目标，传统控制系统鲁棒性不强，容易受到单因素误差影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统及其控制方法，该系统针对增压柴油机瞬态加速工况下NH₃泄漏问题，基于油门踏板信号判断的瞬态程度，对尿素喷射量做出提前调整。同时，该系统基于NO_x传感器在完成基本的尿素喷射闭环控制的前提下，通过主从SCR催化转化单元的设置，利用从SCR催化转化单元具备的一定储氨能力，不但可以完成对过量NH₃的贮存，还可对主单元转化过程中剩余的NO_x进行二次转化。

本发明的目的是这样实现的：该控制系统包括尿素喷头、尿素计量喷射控制器、NO_x传感器、SCR转化器壳体、油门踏板位置传感器、CAN总线、转速传感器和转矩传感器，其特征在于：它还包括主SCR转化单元和从SCR转化单元，瞬态加速工况尿素喷射修正模块，所述NO_x传感器设置在主SCR转化单元和从SCR转化单元之间，所述的瞬态加速工况尿素喷射修正模块通过CAN总线与尿素计量喷射控制器连接，油门踏板位置传感器与瞬态加速工况尿素喷射修正模块连接。

所述的主SCR转化单元和从SCR转化单元被串联设置在SCR转化器壳体内，主SCR转化单元的体积大于从SCR转化单元的体积，主SCR转化单元被设置在靠近尾气入口一侧。

所述尿素喷头、NO_x传感器、转速传感器和转矩传感器连接尿素计量喷射控制器，尿素喷头设置在SCR转化器壳体内部尾气入口处。

一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制方法，该方法包括以下步骤：

①、采集油门踏板位置传感器的信号，传送给瞬态加速工况尿素喷射修正模块；

②、瞬态加速工况尿素喷射控制单元依据油门踏板位置信号以及信号变化速率,经计算求得瞬态程度因子；

③、瞬态加速工况尿素喷射控制单元通过CAN总线,将瞬态程度因子参数传递给尿素计量喷射控制器；

④、采集转速传感器、转矩传感器以及NO_x传感器的信号，传送给尿素计量喷射控制器；

⑤、尿素计量喷射控制器依据转速和转矩信号查询标定好的基础尿素喷射量二维脉谱,得到当前工况的基础尿素喷射量，该喷射量先后经过NO_x传感器反馈信号修正单元以及瞬态程度因子修正单元两次修正，得出最终的尿素喷射量信号；

⑥、尿素计量喷射控制器将最终的尿素喷射量信号传递给尿素喷头完成喷射任务。

本发明的主要工作原理如下：

本发明包括瞬态加速工况尿素喷射修正模块，该模块依据油门踏板位置信号以及信号变化速率,经计算求得瞬态程度因子。根据车辆运行常识，发动机瞬态工况判断的主要依据是油门踏板信号。当油门踏板处于高开度位置或者油门信号变化速率较大的时刻，发动机处在加速工况。由此设计了瞬态程度因子的计算公式，如公式（1）所示：

α=f_pps(pps)·f_ppsd(pps_hp)   （1）

其中，pps代表油门踏板电压采入单片机后的数字信号，f_pps(pps)表示油门踏板位置信号瞬态程度函数；pps_hp代表油门踏板变化速率信号，f_ppsd(pps_hp)表示油门踏板变化速率信号瞬态程度函数；α为瞬态程度因子，表征瞬态程度。即油门踏板位置及其变化速率的动作均可改变瞬态程度因子α的大小。

同时，在台架试验过程中考虑到控制系统信号处理的简化，油门踏板位置变化速率pps_hp的获取可近似成对pps滤波处理，如公式（2）所示：

${\mathrm{pps}}_{\mathrm{hp}}=(1-\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1})\mathrm{pps}---\left(2\right)$

尿素计量喷射控制器2依据转速和转矩信号查询标定好的基础尿素喷射量二维脉谱,得到当前工况的基础尿素喷射量，该喷射量先后经过NO_x传感器反馈信号β修正单元以及瞬态程度因子α修正单元两次修正，得出最终的尿素喷射量信号。当前的尿素喷射量计算公式如（3）所示，其中参数M、N、P分别为根据发动机排放特性及要求标定所得的瞬态修正系数、NO_x传感器闭环反馈增益以及NO_x排放目标。

尿素喷射量=基础尿素喷射量-Mα-N（β-P）（3）

本发明与现有技术相比具有的优点：

1、本发明基于油门踏板信号判断的瞬态程度，对瞬态加速工况下尿素喷射量做出提前调整，可在一定程度上降低由SCR系统NH₃贮存时滞以及传感器测量等延迟引发的瞬态控制响应滞后的影响，可有效解决增压柴油机瞬态加速工况下NH₃泄漏的问题。

2、本发明基于NO_x传感器在完成基本的尿素喷射闭环控制的前提下，通过主从SCR催化转化单元的设置，不但可以完成对过量NH₃的贮存，还可对主单元转化过程中剩余的NO_x进行二次转化。

3、本发明系统包括瞬态加速工况尿素喷射修正模块，主从两个SCR催化转化单元（从SCR转化单元结构较小），以及设置在主从SCR转化单元之间的一个NO_x传感器，相比于传统的NO_x传感器尿素喷射闭环控制方法做出了两处改进，一是加入了瞬态修正控制、二是加入了从SCR转化单元，在保证最大限度地提高NO_x转化效率、减少NH₃逃逸量的同时，也尽可能地控制了成本，易于工业推广。

4、本发明适用各种增压柴油机。

附图说明

图1是本发明增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统的结构示意图。

图2是本发明控制程序总体流程图。

其中：1、尿素喷头，2、尿素计量喷射控制器，3、NO_x传感器，4、主SCR转化单元，5、从SCR转化单元，6、SCR转化器壳体，7、瞬态加速工况尿素喷射修正模块，8、油门踏板位置传感器，9、CAN总线，10、转速传感器，11、转矩传感器，12、尾气入口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，该控制系统包括尿素喷头1、尿素计量喷射控制器2、NO_x传感器3、SCR转化器壳体6、油门踏板位置传感器8、CAN总线9、转速传感器10和转矩传感器11，其特征在于：它还包括主SCR转化单元4和从SCR转化单元5，瞬态加速工况尿素喷射修正模块7，所述NO_x传感器3设置在主SCR转化单元4和从SCR转化单元5之间，所述的瞬态加速工况尿素喷射修正模块7通过CAN总线9与尿素计量喷射控制器2连接，油门踏板位置传感器8与瞬态加速工况尿素喷射修正模块7连接。

所述的主SCR转化单元4和从SCR转化单元5被串联设置在SCR转化器壳体6内，主SCR转化单元4的体积大于从SCR转化单元5的体积，主SCR转化单元4被设置在靠近尾气入口12一侧。

所述尿素喷头1、NO_x传感器3、转速传感器10和转矩传感器11连接尿素计量喷射控制器2，在尿素喷头1设置在SCR转化器壳体6内部尾气入口12处。

所述尿素计量喷射控制器2和瞬态加速工况尿素喷射修正模块7，均可通过具有接收输入信号、计算与信号输出功能的单片机实现，如MC9S12XS128MAL型单片机。

如图2所示：一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制方法，该方法包括以下步骤：

①、采集油门踏板位置传感器8的信号pps，传送给瞬态加速工况尿素喷射修正模块7；

②、瞬态加速工况尿素喷射控制单元7依据油门踏板位置信号pps以及信号变化速率pps_hp,经公式（α=f_pps(pps)·f_ppsd(pps_hp)）计算求得瞬态程度因子α；

③、瞬态加速工况尿素喷射控制单元7通过CAN总线9,将瞬态程度因子α传递给尿素计量喷射控制器2；

④、采集转速传感器10和转矩传感器11的信号，以及NO_x传感器3的信号β，传送给尿素计量喷射控制器2；

⑤、尿素计量喷射控制器2依据转速和转矩信号查询标定好的基础尿素喷射量二维脉谱,得到当前工况的基础尿素喷射量，经公式（尿素喷射量=基础尿素喷射量-Mα-N（β-P））计算，得出最终的尿素喷射量信号；

⑥、尿素计量喷射控制器2将最终的尿素喷射量信号传递给尿素喷头1完成喷射任务。

Claims (6)

1.一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统，该控制系统包括尿素喷头（1）、尿素计量喷射控制器（2）、NO_x传感器（3）、SCR转化器壳体（6）、油门踏板位置传感器（8）、CAN总线（9）、转速传感器（10）和转矩传感器（11），其特征在于：它还包括主SCR转化单元（4）和从SCR转化单元（5），瞬态加速工况尿素喷射修正模块（7），所述NO_x传感器（3）设置在主SCR转化单元（4）和从SCR转化单元（5）之间，所述的瞬态加速工况尿素喷射修正模块（7）通过CAN总线（9）与尿素计量喷射控制器（2）连接，油门踏板位置传感器（8）与瞬态加速工况尿素喷射修正模块（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统，其特征在于：所述的主SCR转化单元（4）和从SCR转化单元（5）被串联设置在SCR转化器壳体（6）内，主SCR转化单元（4）的体积大于从SCR转化单元（5）的体积，主SCR转化单元（4）被设置在靠近尾气入口（12）一侧。

3.根据权利要求1所述的一种增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制系统，其特征在于：所述尿素喷头（1）、NO_x传感器（3）、转速传感器（10）和转矩传感器（11）连接尿素计量喷射控制器（2），在尿素喷头（1）设置在SCR转化器壳体（6）内部尾气入口（12）处。

4.一种利用权利要求1所述的增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

①、采集油门踏板位置传感器（8）的信号，传送给瞬态加速工况尿素喷射修正模块（7）；

②、瞬态加速工况尿素喷射控制单元（7）依据油门踏板位置信号以及信号变化速率,经计算求得瞬态程度因子；

③、瞬态加速工况尿素喷射控制单元（7）通过CAN总线（9）,将瞬态程度因子参数传递给尿素计量喷射控制器（2）；

④、采集转速传感器（10）、转矩传感器（11）以及NO_x传感器（3）的信号，传送给尿素计量喷射控制器（2）；

⑤、尿素计量喷射控制器（2）依据转速和转矩信号查询标定好的基础尿素喷射量二维脉谱,得到当前工况的基础尿素喷射量，该喷射量先后经过NO_x传感器反馈信号修正单元以及瞬态程度因子修正单元两次修正，得出最终的尿素喷射量信号；

⑥、尿素计量喷射控制器（2）将最终的尿素喷射量信号传递给尿素喷头（1）完成喷射任务。

5.根据权利要求4所述的增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制方法，其特征在于：步骤②中的瞬态程度因子由瞬态加速工况尿素喷射修正模块依据油门踏板位置信号以及信号变化速率得出，瞬态程度因子的计算公式是：α=f_pps(pps)·f_ppsd(pps_hp)；

其中，pps代表油门踏板电压采入单片机后的数字信号，f_pps(pps)表示油门踏板位置信号瞬态程度函数；pps_hp代表油门踏板变化速率信号，f_ppsd(pps_hp)表示油门踏板变化速率信号瞬态程度函数；α为瞬态程度因子，表征瞬态程度；

所述油门踏板位置变化速率pps_hp的获取可近似成对pps滤波处理，计算公式是：

${\mathrm{pps}}_{\mathrm{hp}}=(1-\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s+1})\mathrm{pps}.$

6.根据权利要求4所述增压柴油机SCR系统瞬态NH₃泄漏控制方法，其特征在于：步骤⑤中尿素计量喷射控制器（2）依据转速和转矩信号查询标定好的基础尿素喷射量二维脉谱,得到当前工况的基础尿素喷射量，该喷射量先后经过NO_x传感器反馈信号β修正单元以及瞬态程度因子α修正单元两次修正，得出最终的尿素喷射量信号。当前的尿素喷射量计算公式是：尿素喷射量=基础尿素喷射量-Mα-N（β-P）），其中参数M、N、P分别为根据发动机排放特性及要求标定所得的瞬态修正系数、NO_x传感器闭环反馈增益以及NO_x排放目标。