CN104533583A - 一种发动机scr系统自适应尿素喷射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，该方法主要包括五个基本步骤：采集全新SCR系统原始数据信息；诊断条件判定；运行诊断算法；计算修正因子；尿素喷射修正。本发明设计了一套诊断控制算法用于识别SCR系统的稳态偏差，然后利用一套基于SCR系统不同稳态偏差的尿素补偿喷射控制算法，从而消除SCR系统稳态偏差对氮氧排放的影响。

Description

一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法

技术领域

本发明属于发动机尾气后处理技术领域，涉及到采用选择性催化还原(SCR)技术的尾气净化技术，尤其是针对发动机SCR后处理系统的稳态偏差，通过一种自适应算法进行尿素喷射补偿的控制技术。

背景技术

随着国家对环境保护的日益重视，柴油机排放物的治理显得尤为重要，工信部产业政策司发布《中华人民共和国工业和信息化部第27号公告》表示，定于2014年12月31日废止适用于国家第三阶段汽车排放标准(下称″国三″)柴油车产品《公告》，2015年1月1日起国三柴油车产品将不得销售。从2015年1月1日起全面实施国四的排放标准。

柴油机排放法规从″国三″到″国四″的技术路线主要有两种，一种是EGR+DPF技术路线，通过EGR降低氮氧排放，通过DPF降低颗粒排放。另一种方案是优化缸内燃烧的同时采用SCR选择性催化还原技术，该技术路线是目前国内使用最多的技术方案。

SCR(选择性催化还原系统)是Selective(选择性)、Catalytic(催化)、Reduction(还原)的英文缩写。选择性催化还原系统是一种被广泛应用的技术，主要用于消除废气中的氮氧化物。为了在较低温度下也能有效地将氮氧化物转化为氮气，恰当的还原剂和催化剂是SCR系统必不可少的组成部分。SCR系统基本工作原理是当发动机燃烧后的废气进入排气管的同时，由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，此时尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气，氨气在催化剂的作用下有选择性地将氮氧化物还原为氮气，实现降低氮氧化物的目的。

SCR系统生产装配过程中会出现不同程度的偏差，随着系统的不断使用，也会出现不同程度上偏离设定目标的系统的偏差。这两种偏差直接导致尿素实际喷射量与目标喷射量存在差异，从而导致氮氧化物转换效率的降低。经过分析发现最容易引起系统稳定 性偏差的因素有三个：第一是尿素品质的劣化，尿素具有一定的挥发性，如果尿素箱密封不严，一定时间后尿素浓度会明显降低。某些驾驶员为了降低成本，用水代替尿素，或者使用杂质较多的尿素，也会导致系统转换效率的下降；第二由尿素泵和尿素喷嘴组成的尿素喷射系统会出现一定程度的磨损，导致尿素实际喷射与理论喷射出现偏差；第三是SCR系统由于加工批次误差引起的尿素实际喷射与理论喷射出现偏差。

发明内容

本发明主要用于解决由于SCR系统稳态偏差引起的氮氧转换效率降低的问题。设计一套诊断控制算法用于识别SCR系统与设计目标之间的偏移程度，然后利用一套基于SCR系统不同偏移程度的尿素补偿喷射控制算法，从而消除SCR系统稳态偏差对氮氧排放的影响。一般情况下标定完成的发动机SCR系统会有一定的尿素喷射余量，实际尿素喷射量比系统可以达到的最高转换效率对应的喷射量要小一些。当系统出现稳态偏移后，参与化学反应的实际尿素喷射量与目标喷射量存在一定偏差，此时可以通过调节目标尿素喷射量，从而将实际尿素喷射量调整到目标喷射量，将氮氧转换效率维持在最初标定值附近。考虑到过多尿素喷射会导致系统氨泄漏，所以本发明只在一定程度内对SCR系统的稳态偏差进行自适应补偿。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法。其特征在于：设计一套自适应诊断控制算法，实时监控发动机运行工况，当工况达到检测进入条件时自动执行诊断程序，诊断程序运行结束后，根据诊断结果分析当前SCR系统老化程度，提供系统修正因子，此时尿素喷射系统会根据修正因子实施修正尿素喷射量，从而消除SCR系统稳态偏差对氮氧排放的影响。

上述一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：原始数据获取，所述内容见图1中101部分所示，针对生产线上同一批次同一型号的SCR系统该数据的获取只进行一次。通过发动机台架试验，标定完成该SCR系统使其达到预期指标，然后利用稳态工况测量不同工况下的尿素喷射量，并且利用氮氧传感器测量下游氮氧排放值，计算氮氧转换效率。标定完成后进行数据采集，获取特征参数，主要包括稳态工况下的尿素喷射量以及氮氧转换效率。对于全新SCR系统定义该系统的修正因子为0。

上述一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：诊断条件判定，实施监控发动机运行工况，当工况稳定且适合诊断程序执行时，提供一个标志位状态，用于激活诊断算法。该部分内容见图1中102部分所示，利用发动机转速和扭矩(或喷油量)作为工况判定条件，当发动机转速和扭矩达到图1中设定的转速和扭矩，并且持续一段时间没有变化，则认为符合诊断条件。由于发动机的工作是一个瞬态过程，所以实际工况与图1要求的理论工况不可能完全一致，此时设置一个误差限，当转速和扭矩处于该误差限内则认为满足诊断条件。发动机当前转速n_curr与设定转速n_setpoint的偏差百分比小于设定误差限n_deta，则认为转速符合诊断条件，通过下述方法表示：

$-n_{\det a}<\frac{n_{\mathrm{curr}}-n_{\mathrm{setpoint}}}{n_{\mathrm{setpoint}}}<n_{\det a}$

发动机当前扭矩Trq_curr与设定扭矩Trq_setpoint的偏差百分比小于设定误差限Trq_deta，则认为转速符合诊断条件，通过下述公式表示：

$-{\mathrm{Trq}}_{\det a}<\frac{n_{\mathrm{curr}}-n_{\mathrm{setpoint}}}{n_{\mathrm{setpoint}}}<{\mathrm{Trq}}_{\det a}$

上述一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：运行诊断程序，见图1中103部分的内容。该程序主要根据当前下游氮氧排放数值和修正因子为0时的系统在同样工况下的下游氮氧排放数值，利用氮氧转换效率判断该工况下系统的稳态偏差程度，然后利用加权算法以修正因子的方式描述SCR系统的稳态偏差程度，修正因子为0说明系统不需要任何修正修正因子不等于0说明系统出现了不同程度的稳态偏差。运行SCR系统自适应诊断算法时，会将当前工况的氮氧转换效率EffCurr_mn与该工况下的设定氮氧转换效率EffSet_mn进行对比，从而计算得到该工况下的系统稳态偏差程度，用修正因子fac_mn表示，计算方法如下所示：

${\mathrm{fac}}_{\mathrm{mn}}=\frac{{\mathrm{EffSet}}_{\mathrm{mn}}-{\mathrm{EffCurr}}_{\mathrm{mn}}}{{\mathrm{EffSet}}_{\mathrm{mn}}}$

上述一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：计算系统修正因子，见图1中104部分的内容。每当执行一次诊断算法103，就必须计算一次该工况下的修正因子，该修正因子按照工况加权的方式进行综合计算，其中每个工况的加权系数为η，加权系数满足条件：

η₁₁+η₁₂+…+η_1n+η₂₁+…+η_2n+…+η_m1+…+η_mn＝1

修正因子计算公式为：

fac＝η₁₁·fac₁₁…+η_1n·fac_1n+η₂₁·fac₂₁…+η_2n·fac_2n+η_m1·fac_m1+…+η_mn·fac_mn

上述一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：尿素喷射修正，见图1中105部分的内容。根据104计算得到的加权修正因子对尿素喷射量进行实时修正，某工况下设定尿素喷射量为qSet_mn，基于修正因子修正后的尿素喷射量为qCorr_mn，计算公式为：

qCorr_mn＝(1+fac)·qSet_mn

综上所述，该方法可以实时捕获系统稳态偏差程度，并调节尿素喷射量，从而更好的控制氮氧排放，当SCR系统在一定的稳态偏差程度内，利用尿素喷射量的自适应调整可以使SCR系统下游氮氧维持在一个恒定的范围内，并且将氨泄漏控制在法规允许范围内。接下来以附图方式详细介绍本发明的实施细节。其中图1为系统工作逻辑图。

附图说明

图1不同工况下尿素喷射量原始数据

图2不同工况下氮氧排放原始数据

图3不同工况下氮氧转换效率设定值

附图标记说明：

101 采集全新SCR系统原始数据信息

102 诊断条件判定 

103 运行诊断算法 

104 计算系统修正因子

105 尿素喷射修正 

具体实施方式

案例1：

全新SCR系统原始数据获取：图1中101部分的内容，针对标定完成的SCR系统，利用发动机台架，获取稳态工况下的尿素喷射量以及氮氧转换效率。其中采集的尿素喷射量数据如图1所示，x坐标为发动机转速，y坐标为发动机扭矩，z坐标为尿素喷射量。氮氧转换效率如图2所示。假设发动机只有4个工况，原始数据信息见下表所示。

尿素喷射量mg/s	600	2000
			120	10	120
500	50	200

氮氧转换效率％	600	2000
			120	50	72
500	68	78

诊断条件判定：图1中102部分的内容，假定当前发动机转速为1990r/min，扭矩为122Nm，设定转速误差限n_deta＝0.04，扭矩误差限Trq_deta＝0.02，发动机转速满足条件：

$-0.04<\frac{1990-2000}{2000}<0.04$

发动机扭矩满足条件：

$-0.02<\frac{122-120}{120}<0.02$

由此可见，当前工况满足诊断条件，可以认为当前工况与理论设定工况(转速2000r/min，扭矩120Nm)为同一工况，可以进行数据对比。

运行诊断算法：图1中103部分的内容，此时SCR系统自适应诊断算法会根据氮氧浓度计算将当前工况的氮氧转换效率EffCurr_mn＝70％，结合该工况下的设定氮氧EffSet_mn＝72％，从而计算得到该工况下的系统修正因子fac_mn：

${\mathrm{fac}}_{\mathrm{mn}}=\frac{72\%-70\%}{72\%}=0.028$

计算系统修正因子：图1中104部分的内容，该系统修正因子按照工况加权的方式进行综合计算，其中每个工况的加权系数见表所示。

加权系数	600	2000
			120	0.3	0.2
500	0.1	0.4

系统修正因子为：

fac＝0.3×0+0.2×0.028+0.1×0+0.4×0＝0.0056

尿素喷射修正：图1中105部分的内容，当前工况下修正后的尿素喷射量为：

qCorr_mn＝(1+0.0056)×200＝201.12

案例2：

全新SCR系统原始数据获取：与案例1相同，此处不再详细描述。

诊断条件判定：图1中102部分的内容，假定当前发动机转速为1990r/min，扭矩为495Nm，设定转速误差限n_deta＝0.04，扭矩误差限Trq_deta＝0.02，发动机转速满足条件：

$-0.04<\frac{1990-2000}{2000}<0.04$

发动机扭矩满足条件：

$-0.02<\frac{495-500}{500}<0.02$

由此可见，当前工况满足诊断条件，可以认为当前工况与理论设定工况(转速2000r/min，扭矩500Nm)为同一工况，可以进行数据对比。

运行诊断算法：图1中103部分的内容，此时SCR系统自适应诊断算法会根据氮氧浓度计算将当前工况的氮氧转换效率EffCurr_mn＝83％，结合该工况下的设定氮氧EffSet_mn＝72％，从而计算得到该工况下的系统修正因子fac_mn：

${\mathrm{fac}}_{\mathrm{mn}}=\frac{72\%-83\%}{72\%}=-0.153$

计算系统修正因子：每个工况加权因子与案例1定义相同，系统修正因子为：

fac＝0.3×0+0.2×(-0.153)+0.1×0+0.4×0＝-0.0306

尿素喷射修正：图1中105部分的内容，当前工况下修正后的尿素喷射量为：

qCorr_mn＝(1-0.0306)×200＝193.88 。

Claims (7)

1.一种发动机SCR系统自适应尿素喷射方法，其特征在于：通过一系列步骤，在一定范围内实时对SCR系统的稳态偏差进行自适应补偿；主要内容包括：采集全新SCR系统原始数据信息；诊断条件判定；运行诊断算法；计算系统修正因子；尿素喷射修正。

2.根据权利要求书1所述的内容，可以在一定范围内对SCR系统的稳态偏差进行实时修正，从而延长系统因排放物处理不达标而带来的提早更换部件或系统；主要用于解决由于以下问题引起的SCR系统的稳态偏差：尿素品质恶化(劣质尿素、尿素掺水、尿素保存不当导致尿素挥发等)、由尿素泵和尿素喷嘴及其相关管路组成的尿素喷射系统，该系统的磨损引起的尿素实际喷射与理论喷射出现偏差时、SCR系统由于加工批次误差引起的尿素实际喷射与理论喷射出现偏差时。

3.根据权利要求书1所述的内容，诊断条件的判定是利用发动机转速和扭矩(或喷油量)作为工况判定条件，实际应用考虑更多参数确定发动机工况的稳定性，这些参数主要包括进排气压力、进排气温度、发动机温度、喷油量、空速等参数。当发动机转速和扭矩达到图1中设定的转速和扭矩，并且持续一段时间没有变化，则认为符合诊断条件。

4.根据权利要求书1所述的内容，诊断算法是将当前工况的氮氧转换效率EffCurr_mn或者上下游氮氧浓度信号与该工况下的设定氮氧排放EffSet_mn或者上下游氮氧浓度信号进行对比，从而计算得到该工况下的系统修正因子fac_mn。

5.根据权利要求书1所述的内容，计算系统修正因子是按照工况加权的方式进行综合计算，其中每个工况的加权系数之和必须等于1，每个工况加权因子的数值根据发动机路谱数据计算得到；SCR系统的综合加权修正因子根据每个工况的加权因子以及系统修正因子相乘然后累加得到。

6.根据权利要求书1所述的内容，尿素喷射修正主要根据系统加权修正因子，对尿素喷射量进行实时修正；系统实时计算修正因子，并且实时更新基于加权修正因子的尿素喷射量，从而实现针对SCR系统稳态偏差的自适应尿素喷射控制。

7.根据权利要求书1所述的内容，该方法主要是通过尿素喷射量的实时修正从而将实际尿素喷射量控制在理论尿素喷射量附件，从而实现延长系统因排放物处理不达标而带来的提早更换部件或系统。