CN104405481B

CN104405481B - 一种尿素喷射剂量标定方法

Info

Publication number: CN104405481B
Application number: CN201410512432.0A
Authority: CN
Inventors: 楼狄明; 严嵘; 胡磬遥; 胡志远; 谭丕强
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2034-09-29
Also published as: CN104405481A

Abstract

本发明提供一种尿素喷射剂量标定方法，包括以下步骤：步骤一：ESC稳态循环标定；步骤二：设置样条曲面标定点和辅助点；步骤三：获得标定点点阵列表；步骤四：建立尿素喷射剂量的样条曲面模型；步骤五：ETC瞬态循环标定验证；步骤六：ETC瞬态循环标定优化。本发明的尿素喷射剂量标定方法基于Spline插值模型运算，通过ESC稳态循环标定结果及标定点设置，自动地完成SCR的ETC瞬态循环脉谱图的输出，用以SCR瞬态循环标定，SCR的标定效率大大提高；同时Spline插值模型为全局化的分段插值方法，可得到光滑性较高的尿素喷射剂量脉谱图，使得到的标定结果更为精确，对尿素喷射剂量计算的精确性更高。

Description

一种尿素喷射剂量标定方法

技术领域

本发明涉及发动机后处理装置控制领域，特别是涉及一种尿素喷射剂量标定方法。

背景技术

柴油发动机有着功率大、经济性能好等特点，但柴油发动机的氮氧化物及颗粒物排放普遍较高。随着机动车数量的增加，全球环境受到严重威胁，因此机动车的排放标准对氮氧化物(NO_X)和颗粒物(PM)的排放要求越来越严苛。普通发动机对于氮氧化物仅采取机内净化，很难达到排放标准，需采用选择性还原催化(Selective Catalytic Reduction，SCR)尿素喷射技术来降低排气中的氮氧化物使其符合排放标准。当SCR系统工作时，电控单元采集柴油发动机的转速和扭矩信号、排气管中的排气温度信号、催化器温度信号后电控单元根据输入参数，查找存储的尿素喷射脉谱图，计算出此时所需的尿素量，尿素与水以适当比例混合，浓度一般为32.5％。经过驱动电路，转化为喷射脉冲信号，控制尿素泵动作。尿素泵将一定量的尿素溶液从尿素罐中抽出，加压过滤后送到计量控制单元，形成具有一定压力的尿素溶液待用。同时压缩空气接通，当发动机的排气温度达到要求时，计量控制单元将一定量的尿素溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中，在废气温度和气流作用下气化分解为CO₂和NH₃。在催化反应区，NH3作为还原剂将氮氧化物还原为无污染的N₂和H₂O，排到大气中。SCR的工作效率，取决于反应温度，在230℃～500℃的条件下，柴油发动机尾气中的氮氧化物可减少50％以上。SCR系统的基本反应如下所示：CO(NH₂)₂+H₂O→2NH₃+CO₂，4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O，4NH₃+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O，4NH₃+2NO₂+O₂→3N₂+6H₂O。

尿素泵涉及到一个计量精确度的问题，即对应柴油发动机的工况与氮氧化物的排放水平，喷射多少尿素才是最合适的。如果尿素溶液喷射过多不但会导致SCR后处理系统经济性降低，而且还会造成NH₃的泄露，形成二次污染；而还原剂喷射过少则会导致反应不充分，氮氧化物不能完全被还原为无害气体，因此就需要对尿素喷射剂量做标定，以满足精确度要求。如何适时适量的提供尾气所需要的尿素还原剂是本领域技术人员工作重心，可以采用串联在尿素管路上的精密电磁质量流量计来实现，也可以采用精密的电磁流量控制阀来实现。精度高的电磁流量控制阀完全可以实现精密电磁质量流量计的功能。

现阶段的SCR尿素喷射剂量标定通常采用人工计算及手动标定，标定的工作量大且精确性难以保证。尤其对于SCR的ETC瞬态循环标定，大量工况点使得人工标定耗时长、工作效率低且标定结果无法达到最佳。

因此，实现SCR尿素喷射剂量标定的自动化，提高SCR尿素喷射剂量标定的精确度和生产效率已成为本领域的工作人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种尿素喷射剂量标定方法，用于解决现有技术中尿素喷射剂量标定效率低、精确度低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种尿素喷射剂量标定方法，所述尿素喷射剂量标定方法至少包括：

步骤一：ESC稳态循环标定；原机安装SCR系统后进行SCR尿素喷射剂量的ESC稳态循环标定，得到SCR的ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图；

步骤二：设置样条曲面标定点和辅助点；根据三次样条插值法在所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图中相邻扭矩及相邻转速的四个工况点的中心设置标定点；根据SCR在标定工况外运行的需要，设定扩展工况范围的最低转速、最高转速以及最低扭矩百分比，在扩展工况的最低转速、最高转速、第一发动机转速A、第二发动机转速B、第三发动机转速C及所述标定点的转速的最低扭矩百分比点设置辅助点，并在扩展工况的所述最低转速及所述最高转速的多个不同扭矩点设置辅助点，其中，第一发动机转速A＝n_lo+25％(n_hi-n_lo)、第二发动机转速B＝n_lo+50％(n_hi-n_lo)、第三发动机转速C＝n_lo+75％(n_hi-n_lo)，n_hi为70％最大净功率下的转速，n_lo为50％最大净功率下的转速；

步骤三：获得标定点点阵列表；计算各所述标定点的尿素喷射剂量，并在各所述标定点的尿素喷射剂量附近取点，得到多组尿素喷射剂量标定点点阵，并将十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的数据信息输入数据表；

步骤四：建立尿素喷射剂量的样条曲面模型；将十三工况点、各辅助点及各标定点点阵列表的数据输入样条曲面模块进行计算，获得基于样条曲面模型的ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图；

步骤五：ETC瞬态循环标定验证；根据所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图，在所述原机上分别进行ETC瞬态循环标定，并记录各组脉谱图标定后的氮氧化物排放量及氨泄露数据；

步骤六：ETC瞬态循环标定优化；建立SCR标定的优化方程，对标定后的氮氧化物排放量及氨泄露数据解所述优化方程，得到优化的SCR尿素喷射剂量脉谱图。

优选地，所述原机为柴油发动机。

优选地，步骤一中通过ESC稳态循环标定还得到工况点的转速、扭矩、排气流量、排气温度、氮氧化物排放量数据。

优选地，步骤二中所述最低扭矩百分比设定为10％。

优选地，步骤二中在扩展工况的所述最低转速及所述最高转速的不同扭矩点各设置7个辅助点，分别为所述最低转速及所述最高转速扭矩的25％、37％、50％、62％、75％、87％及100％。

优选地，步骤三中十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的数据信息包括各点的转速、扭矩、氮氧化物排放量及尿素喷射剂量数据。

优选地，步骤三中所述尿素喷射剂量标定点点阵包括5组尿素喷射剂量数据。

更优选地，步骤三中5组尿素喷射剂量数据分别为各标定点的尿素喷射剂量、各标定点的尿素喷射剂量的±5％及±10％。

优选地，步骤六中所述优化方程以最小氮氧化物排放量、最小尿素喷射剂量，且氨泄露率在排放标准的范围内为条件。

如上所述，本发明的尿素喷射剂量标定方法，具有以下有益效果：

本发明的尿素喷射剂量标定方法基于Spline插值模型运算，通过ESC稳态循环标定结果及标定点设置，自动地完成SCR的ETC瞬态循环脉谱图的输出，用以SCR瞬态标定，本发明提高了SCR的标定效率，且得到的标定结果更为精确。

附图说明

图1显示为本发明的尿素喷射剂量标定方法的装置示意图。

图2显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的控制策略示意图。

图3显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的流程示意图。

图4显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的操作步骤示意图。

图5显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的工况点、标定点及辅助点设置示意图。

图6显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的Spline插值模型图示意图。

图7显示为本发明尿素喷射剂量标定方法的SCR标定优化方程示意图。

元件标号说明

1 尿素喷射剂量标定方法的装置

11 柴油发动机

12 SCR系统

S1～S6 步骤一～步骤六

A 第一发动机转速

B 第二发动机转速

C 第三发动机转速

D 第四发动机转速

E 第五发动机转速

F 最低转速

G 最高转速

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明的尿素喷射剂量标定方法的装置1包括柴油发动机11和连接于所述柴油发动机11的SCR系统12，所述柴油发动机11可更换为任意需要进行尿素喷射剂量标定的装置，不仅限于本实施例中所述的柴油发动机11。废气从所述柴油发动机11排出后进入所述SCR系统12进行SCR标定、氮氧化物转化等处理，最终排放的气体符合排放标准。

如图2所示，本发明的尿素喷射剂量标定方法的控制策略采用脉谱图(Map)选择器，通过所述柴油发动机11的转速、扭矩等信息得到ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图及ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图；所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图及所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图输出到脉谱图选择器，所述脉谱图选择器根据转速及扭矩信息判断标定工况为ESC稳态循环或ETC瞬态循环，在稳态工况时选择所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图输出，在瞬态工况时选择所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图；脉谱图(map)修正模块对所述脉谱图选择器输出的尿素喷射剂量脉谱图进行修正，最后将尿素喷射量信号输出至尿素泵控制尿素的喷射。

如图3所示，本发明的尿素喷射剂量标定方法在完成万有特性试验后进行ESC稳态循环标定，然后输出所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图，对ESC稳态循环标定的数据进行分析后进行所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图的修正，然后对修正的所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图进行标定验证，输出优化的ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图。本发明的尿素喷射剂量标定方法中的ETC瞬态循环标定建立在ESC稳态循环标定的基础上，根据所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图提供的信息进行ETC瞬态循环标定试验，得到所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图，然后对所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图进行数据分析、修正，最终通过标定验证后输出优化的ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图，完成标定。

如图4所示，本发明提供一种尿素喷射剂量标定方法，所述尿素喷射剂量标定方法的操作步骤如下：

步骤一S1：ESC稳态循环标定。

原机安装所述SCR系统12后进行SCR尿素喷射剂量的ESC稳态循环标定，得到SCR的ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图。

所述原机可以是各种需要进行尿素喷射剂量标定的发动机，如图1所示，在本实施例中所述原机为柴油发动机11，所述SCR系统12连接于所述柴油发动机11，所述SCR系统12根据所述柴油发动机11排出的气体进行SCR尿素喷射剂量标定，包括SCR尿素喷射剂量的ESC稳态循环标定及SCR尿素喷射剂量的ETC瞬态循环标定。

在所述SCR系统12中进行尿素喷射剂量的ESC稳态循环标定，ESC是Europeansteady state cycle的缩写，即欧洲稳态测试循环，它包括十三个工况点，即怠速一个工况；柴油发动机转速为第一发动机转速A时负荷分别为25％、50％、75％、100％的四个工况；柴油发动机转速为第二发动机转速B时负荷分别为25％、50％、75％、100％的四个工况及柴油发动机转速为第三发动机转速C时负荷分别为25％、50％、75％、100％的四个工况；共十三个工况。其中第一发动机转速A、第二发动机转速B及第三发动机转速C应由制造厂按下列规定确定：高转速n_hi为70％最大净功率下的最高柴油发动机转速、低转速n_lo为50％最大净功率下的最低发动机转速；第一发动机转速A＝n_lo+25％(n_hi-n_lo)，第二发动机转速B＝n_lo+50％(n_hi-n_lo)，第三发动机转速C＝n_lo+75％(n_hi-n_lo)。根据各点的氮氧化物浓度及排气温度，确定ESC稳态循环十三工况点的尿素喷射剂量，得到SCR的ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图。

如图5所示，在本实施例中，所述第一发动机转速A为1335r/min，负荷为25％、50％、75％、100％情况下的扭矩分别约为254Nm、508Nm、761Nm、1015Nm；所述第二发动机转速B为1655r/min，负荷为25％、50％、75％、100％情况下的扭矩分别为245Nm、490Nm、700Nm、980Nm；所述第三发动机转速C为1975r/min，负荷为25％、50％、75％、100％情况下的扭矩分别为220Nm、440Nm、660Nm、880Nm；由于所述怠速工况不在扩展工况范围内，因此图中未显示。

将ESC稳态循环十三工况点的柴油发动机转速、扭矩、排气流量、排气温度、氮氧化物排放量、尿素喷射剂量以及转化率等数据记入表格。

步骤二S2：设置样条曲面标定点和辅助点。

根据三次样条(Spline)插值法在所述ESC稳态循环尿素喷射剂量脉谱图中相邻扭矩及相邻转速的四个工况点的中心设置标定点。

三次样条插值法是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限额点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。

如图5所示，在本实施例中，在除怠速工况外的其余十二工况的相邻扭矩及相邻转速的四个工况点的中心设置6个标定点，各该中心为所述相邻扭矩及相邻转速的四个工况点的对角线交点，在第四发动机转速D处有3个标定点，所述第四发动机转速D为1495r/min，各标定点扭矩分别为375Nm、615Nm、865Nm；在第五发动机转速E处有3个标定点，所述第五发动机转速E为1815r/min，各标定点扭矩分别为345Nm、570Nm、800Nm。

根据SCR在标定工况外运行的需要，设定扩展工况范围的最低转速F、最高转速G以及最低扭矩百分比。

所述最低转速F、最高转速G以及最低扭矩百分比可根据具体的标定需求进行设定，如图5所示，在本实施例中，最低转速F设定为1100r/min，最高转速G设定为2200r/min，最低扭矩百分比设定为10％。

根据万有特性，在扩展工况范围的所述最低转速F、所述最高转速G、所述第一发动机转速A、所述第二发动机转速B、所述第三发动机转速C及标定点转速(所述第四发动机转速D、所述第五发动机转速E)的最低扭矩百分比点各设置辅助点，并在扩展工况的所述最低转速F及所述最高转速G的多个不同扭矩点设置辅助点。

如图5所示，在本实施例中，设置了21个辅助点，包括所述最低转速F、所述最高转速G、所述第一发动机转速A、所述第二发动机转速B、所述第三发动机转速C、所述第四发动机转速D、所述第五发动机转速E的最大扭矩的10％处设置的7个辅助点以及在所述最低转速F及所述最高转速G的不同扭矩点各设置的7个辅助点，在本实施例中，在所述最低转速F及所述最高转速G上设置的辅助点扭矩分别为25％、37％、50％、62％、75％、87％及100％。在本实施例中，所述最低转速F最大扭矩的10％为90Nm、所述最高转速G最大扭矩的10％为80Nm、所述第一发动机转速A最大扭矩的10％为102Nm、所述第二发动机转速B最大扭矩的10％为98Nm、所述第三发动机转速C最大扭矩的10％为88Nm、所述第四发动机转速D最大扭矩的10％为80Nm、所述第五发动机转速E最大扭矩的10％为75Nm。所述最低转速F扭矩的25％、37％、50％、62％、75％、87％及100％分别为226Nm、335Nm、453Nm、561Nm、679Nm、787Nm、905Nm，所述最高转速G扭矩的25％、37％、50％、62％、75％、87％及100％分别为200Nm、296Nm、400Nm、496Nm、600Nm、696Nm、800Nm。具体应用中的辅助点可根据标定要求设置，不仅限于本实施例所采用的设置方式。

步骤三S3：获得标定点点阵列表。

以所述柴油发动机11的转速、扭矩、氮氧化物浓度、排气温度及邻近四个工况点的尿素喷射剂量为条件计算6个标定点的尿素喷射剂量，并在各标定点的尿素喷射剂量附近取点，得到尿素喷射剂量标定点点阵。所述在尿素喷射剂量标定点点阵的取点范围可根据具体要求进行设定，本实施例中，所述尿素喷射剂量标定点点阵包含5组数据，分别为6个标定点的尿素喷射剂量、所述各标定点的尿素喷射剂量的±5％及±10％。

将十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的数据信息制成表格，数据信息包括转速、扭矩、排气流量、排气温度、氮氧化物排放量排放量、尿素喷射剂量及转化率。

步骤四S4：建立尿素喷射剂量的样条曲面模型。

将步骤三S3中所述表格中的数据信息输入样条曲面模块，数据信息包括十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的转速、扭矩、排气流量、排气温度、氮氧化物排放量、尿素喷射剂量及转化率中的一种或几种，根据具体情况进行选择。如图6所示，在本实施例中，输入所述样条曲面模块的信息包括十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的转速、扭矩及尿素喷射剂量，在所述样条曲面模块内对数据信息进行计算，获得5组完整的基于样条曲面模型的ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图。

步骤五S5：ETC瞬态循环标定验证。

根据所述ETC瞬态循环尿素喷射剂量脉谱图，在所述原机上分别进行ETC瞬态循环SCR标定，记录5组脉谱图标定后的氮氧化物排放量及氨泄露数据。

步骤六S6：ETC瞬态循环标定优化。

如图7所示，建立SCR标定的优化方程，在本实施例中，以最小氮氧化物排放量、最小尿素喷射剂量、最小氨使用量为目标，且氨泄露率在排放标准的范围内为条件，对标定后的氮氧化物排放量及氨泄露数据解优化方程，得到优化的SCR尿素喷射剂量脉谱图。

本发明的尿素喷射剂量标定方法适用于解决了尿素喷射剂量标定的过程仅依靠人工经验进行单点标定且标定结果误差较大的问题。本发明的尿素喷射剂量标定方法基于Spline插值模型运算，通过ESC稳态循环标定结果及标定点设置，自动地完成SCR的ETC瞬态循环脉谱图的输出，用以SCR瞬态循环标定，SCR的标定效率大大提高；同时Spline插值模型为全局化的分段插值方法，可得到光滑性较高的尿素喷射剂量脉谱图，使得到的标定结果更为精确，对尿素喷射剂量计算的精确性更高；此外本发明的尿素喷射剂量标定方法进行了ETC瞬态循环标定优化，最终得到的SCR尿素喷射剂量脉谱图能使氮氧化物排放量、尿素喷射剂量控制在最小范围内，且氨泄露率在排放标准的范围内，在利用最少尿素喷射剂量的条件下，使排出的气体符合排放标准，合理利用资源。

综上所述，本发明提供一种尿素喷射剂量标定方法，包括以下步骤：步骤一：ESC稳态循环标定；步骤二：设置样条曲面标定点和辅助点；步骤三：获得标定点点阵列表；步骤四：建立尿素喷射剂量的样条曲面模型；步骤五：ETC瞬态循环标定验证；步骤六：ETC瞬态循环标定优化。本发明的尿素喷射剂量标定方法基于Spline插值模型运算，通过ESC稳态循环标定结果及标定点设置，自动地完成SCR的ETC瞬态循环脉谱图的输出，用以SCR瞬态循环标定，SCR的标定效率大大提高；同时Spline插值模型为全局化的分段插值方法，可得到光滑性较高的尿素喷射剂量脉谱图，使得到的标定结果更为精确，对尿素喷射剂量计算的精确性更高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种尿素喷射剂量标定方法，其特征在于，所述尿素喷射剂量标定方法至少包括：

2.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：所述原机为柴油发动机。

3.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤一中通过ESC稳态循环标定还得到工况点的转速、扭矩、排气流量、排气温度、氮氧化物排放量数据。

4.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤二中所述最低扭矩百分比设定为10％。

5.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤二中在扩展工况的所述最低转速及所述最高转速的不同扭矩点各设置7个辅助点，分别为所述最低转速及所述最高转速扭矩的25％、37％、50％、62％、75％、87％及100％。

6.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤三中十三工况点、各辅助点及所述标定点点阵的数据信息包括各点的转速、扭矩、氮氧化物排放量及尿素喷射剂量数据。

7.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤三中所述尿素喷射剂量标定点点阵包括5组尿素喷射剂量数据。

8.根据权利要求7所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤三中5组尿素喷射剂量数据分别为各标定点的尿素喷射剂量，各标定点的尿素喷射剂量加5％、减5％、加10％及减10％。

9.根据权利要求1所述的尿素喷射剂量标定方法，其特征在于：步骤六中所述优化方程以最小氮氧化物排放量、最小尿素喷射剂量，且氨泄露率在排放标准的范围内为条件。