CN105370354A - 一种柴油机scr后处理稳态前馈控制方法 - Google Patents

一种柴油机scr后处理稳态前馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法，通过获取发动机及催化器相关数据，然后通过数据建立排气流量计算模型、原机排放特性预测模型、催化器平均温度模型和催化器稳态反应率预测模型，最后形成添蓝喷射量控制数据。本发明所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法中，通过建立上述稳态前馈策略，进而确定了添蓝的实际需求喷射量，为提高NOx转化效率奠定了基础。

Description

一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法
技术领域
本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法。
背景技术
随着排放法规的日益苛刻，选择性催化还原SCR技术已成为重型柴油机的必选技术之一。SCR作为一种主动尾气后处理技术，控制策略的优劣对其性能有显著的影响。目前SCR控制策略主要是基于数据表MAP的控制。此种控制策略在稳态运行工况下可以实现较好的控制效果，但瞬态过渡工况中的控制效果很难达到预期。此外，基于MAP的控制策略还存在标定工作量、通用性差等问题。为此，需要建立一种即适合工程应用，又具有一定通用性，且标定工作量少的控制策略。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法，以代替纯粹的基于MAP的计算流程，以此来提高策略的通用性，减少匹配标定工作量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法，包括以下步骤：
1).获取数据
获取发动机当前转速(rpm)、发动机当前扭矩/百分扭矩(Nm/％)、气缸前进气压力(kPa)、气缸前进气温度(℃)、冷却水温(℃)、增压压力(kPa)、大气压力(kPa)，采集催化器上游温度(℃)、催化器下游温度(℃)；
2).建立数据流量计算模型，包括以下四部分：
a.排气流量计算模型：
排气流量计算模型主要用于计算发动机当前的排气质量流量，此参数主要用于计算NOx的排放流量以及空燃比。在基于MAP的控制算法中，排气流量通常由发动机当前转速与喷油量的二维MAP查表得到。在本文的算法中，采用下式所示的关系计算得到：
mExhGas＝mIntAir+mInjQ
式中：mExhGas为发动机的实时排气质量流量(kg/h)；
mIntAir为发动机的实时进气质量流量(kg/h)；
mInjQ为小时燃油消耗率(kg/h)；
在排气流量特性模块中，利用计算得到的进气质量流量和小时燃油消耗率，可以计算实时空燃比：
AFR＝mIntAir/mInjQ
b.原机排放特性预测模型
通过对原机NOx排放特性的预测采用基于MAP的预测与传感器采集值相结合的方式建立原机排放特性预测模型；
c.催化器平均温度模型
该催化器平均温度模型用来评估催化器当前的实时平均温度，根据基于催化入口与出口的温度采集值来得到一个平均温度，用来表征催化器当前的平均热状态。平均表征温度的计算公式如下式所示：
Tavg＝Tus,sens+f(dTds,sens/Tus,sens)(Tds,sens-Tus,sens)
式中：Tus,sens为催化器上游温度传感器采集信号(℃)；
Tds,sens为催化器下游温度传感器采集信号(℃)；
d.催化器稳态反应率预测模型
催化器稳态反应率指发动机处于稳态运行工况、催化器活性状态基本稳态时，实际参与选择性催化还原反应的NH3与喷射添蓝的理论NH3含量之比，如下式所示：
γ＝nNH3,scr/nNH3,dos
式中：nNH3,scr为参与选择性催化还原反应的NH3摩尔流量(mmol/s)；nNH3,dos为喷射的添蓝中的理论NH3摩尔流量(mmol/s)；
3).稳态前馈控制算法
利用步骤2)中各种模型的输出结果计算稳态NH3喷射流量，理论需求的喷射流量的计算公式为：
mNH3,ratel＝mNOx,us*(MNH3/MNOx)*NSR
式中：mNH3,ratel为NH3的理论需求喷射流量(mg/s)；
mNOx,us为催化器入口的NOx排放流量(mg/s)；
MNH3为NH3的摩尔质量(g/mol)；
NSR为氨氮比，对于化学当量比，其值为1；
4).根据理论需求喷射量和经过修正的目标转化率，再结合催化器的实时NH3反应率，可以得到稳态喷射流量的最终计算公式为：
mNH3,act＝mNH3,ratel*λ/γ
式中：mNH3,act为最终的NH3喷射流量(mg/s)；
λ为修正后的目标转化率(％)；
根据最终计算结果控制添蓝喷射量。
进一步的，所述步骤1)中关于发动机各种参数数据的获得通过车载CAN通信总线中获取，关于催化器上上游温度(℃)、催化器下游温度(℃)的获得通过DCU传感器采集。
相对于现有技术，本发明所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法具有以下优势：
本发明所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法中，通过建立上述稳态前馈策略，进而确定了添蓝的实际需求喷射量，为提高NOx转化效率奠定了基础。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法稳态前馈控制框架；
图2为本发明实施例所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法原机排放特性预测模型图；
图3为本发明实施例所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法中稳态前馈控制算法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，本发明基本思想是从发动机主控制器获取发动机实时运行信息，结合传感器采集的信号，评估当前发动机的运行工况和催化器的活性状态，确定实时的稳态添蓝基本喷射量，见图1所示。
稳态前馈控制策略的输入信号有两个部分：一是通过ISOJ1939通信协议从车载CAN通信总线中获取到的发动机实时运行数据，包括发动机当前转速(rpm)、发动机当前扭矩/百分扭矩(Nm/％)、气缸前进气压力(kPa)、气缸前进气温度(℃)、冷却水温(℃)、增压压力(kPa)、大气压力(kPa)；另一部分是通过DCU传感器采集到的数据，包括催化器上游温度(℃)、催化器下游温度(℃)。
稳态前馈控制策略的算法流程主要分为排气流量模型、原机排放特性预测模型、催化器平均温度模型、催化器NH3反应率预测以及稳态前馈控制算法五个部分。
1、排气流量计算模型
排气流量计算模型主要用于计算发动机当前的排气质量流量，此参数主要用于计算NOx的排放流量以及空燃比。在基于MAP的控制算法中，排气流量通常由发动机当前转速与喷油量的二维MAP查表得到。在本文的算法中，采用下式所示的关系计算得到：
mExhGas＝mIntAir+mInjQ
式中：mExhGas为发动机的实时排气质量流量(kg/h)；
mIntAir为发动机的实时进气质量流量(kg/h)；
mInjQ为小时燃油消耗率(kg/h)。
在排气流量特性模块中，利用计算得到的进气质量流量和小时燃油消耗率，可以计算实时空燃比：
AFR＝mIntAir/mInjQ
2、原机排放特性预测模型
原机排放特性预测模型负责预测发动机当前的NOx排放特性，为稳态前馈控制算法提供基本的输入信息。原机NOx排放的预测精度，对于整个控制策略的控制效果有着至关重要的作用。近年来，国外的相关研究提出了一些关于NOx排放预测的数学模型，但由于大部分为非线性模型以及存在大量迭代运算，使得其实际工程应用中很难实现。本文对原机NOx排放特性的预测采用基于MAP的预测与传感器采集值相结合的方式，主体流程如图2所示；
3、催化器平均温度模型
催化器实时平均温度计算模块用来评估催化器当前的实时平均温度，SCR催化器本身是一个具有一定容积的载体，其内部的温度分布很复杂，尤其是在瞬态过渡工况。催化器的温度对于评价催化的活性状态起到至关重要的作用，和其直接相关的主要有化学反应的速率、催化剂储氨容量、NH3反应等。
本文搭建的催化器实时温度模型采取相对简单实用的方案，基于催化入口与出口的温度采集值来得到一个平均温度，用来表征催化器当前的平均热状态。平均表征温度的计算公式如下式所示：
Tavg＝Tus,sens+f(dTds,sens/Tus,sens)(Tds,sens-Tus,sens)
式中：Tus,sens为催化器上游温度传感器采集信号(℃)；
Tds,sens为催化器下游温度传感器采集信号(℃)。
本文选取催化器的下游温度变化率来评估催化器温度的瞬态过程，并根据其变化率得到一个与其具有线性关系的权衡系数，利用此权衡系数和催化器上下游温度可以计算得到一个加权平均温度，即表征催化器热状态的特征温度。
4、催化器稳态反应率预测模型
催化器稳态反应率指发动机处于稳态运行工况、催化器活性状态基本稳态时，实际参与选择性催化还原反应的NH3与喷射添蓝的理论NH3含量之比，如下式所示：
γ＝nNH3,scr/nNH3,dos
式中：nNH3,scr为参与选择性催化还原反应的NH3摩尔流量(mmol/s)；nNH3,dos为喷射的添蓝中的理论NH3摩尔流量(mmol/s)；
影响NH3反应率的主要因素是催化器的温度和空速比(排气流量)，温度影响添蓝的热解率和水解率，更主要的是影响NH3与NOx之间的反应机理。空速比(排气流量)通过影响尾气在催化剂内的停留时间从而影响NH3的吸附率和反应速率。
5、稳态前馈控制算法
经过上述稳态模型的处理，可以得到原机NOx排放流量、NH3实时反应率等信息，稳态前馈控制算法的目标是利用上述模型的输出结果计算稳态NH3喷射流量，整体计算流程如图3所示。基本思路是首先根据原机NOx排放流量确定NH3的理论需求喷射量，再结合目标转化率和发动机功率修正得到NH3的最终需求流量，最后由NH3实时反应率转换为喷射流量。
理论需求喷射流量，是指按照化学反应当量比将尾气中的NOx全部还原所需的NH3的流量。理论需求的喷射流量的计算公式为：
mNH3,ratel＝mNOx,us*(MNH3/MNOx)*NSR
式中：mNH3,ratel为NH3的理论需求喷射流量(mg/s)；
mNOx,us为催化器入口的NOx排放流量(mg/s)；
MNH3为NH3的摩尔质量(g/mol)；
NSR为氨氮比，对于化学当量比，其值为1。
上述方法确定的理论需求喷射量，理论上可以使NOx的转化率达到100％，实际应用中，为了达到特定的排放法规要求，各个工况下的目标转化率要进行合理的分配，使得综合比排放达到排放法规要求，由于发动机实际运行过程中的实际功率与标定功率会存在一定的偏差，而发动机功率对于计算综合比排放是一个基本的参数，所以要针对实际功率进行一定的修正。本文中考虑的修正因素主要有进气温度、大气压力和冷却水温。
根据理论需求喷射量和经过修正的目标转化率，再结合催化器的实时NH3反应率，可以得到稳态喷射流量的最终计算公式为：
mNH3,act＝mNH3,ratel*λ/γ
式中：mNH3,act为最终的NH3喷射流量(mg/s)；
λ为修正后的目标转化率(％)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1).获取数据
获取发动机当前转速(rpm)、发动机当前扭矩/百分扭矩(Nm/％)、气缸前进气压力(kPa)、气缸前进气温度(℃)、冷却水温(℃)、增压压力(kPa)、大气压力(kPa)，采集催化器上游温度(℃)、催化器下游温度(℃)；
2).建立数据流量计算模型，包括以下四部分：
a.排气流量计算模型：
排气流量计算模型主要用于计算发动机当前的排气质量流量，此参数主要用于计算NOx的排放流量以及空燃比。在基于MAP的控制算法中，排气流量通常由发动机当前转速与喷油量的二维MAP查表得到。在本文的算法中，采用下式所示的关系计算得到：
mExhGas＝mIntAir+mInjQ
式中：mExhGas为发动机的实时排气质量流量(kg/h)；
mIntAir为发动机的实时进气质量流量(kg/h)；
mInjQ为小时燃油消耗率(kg/h)；
在排气流量特性模块中，利用计算得到的进气质量流量和小时燃油消耗率，可以计算实时空燃比：
AFR＝mIntAir/mInjQ
b.原机排放特性预测模型
通过对原机NOx排放特性的预测采用基于MAP的预测与传感器采集值相结合的方式建立原机排放特性预测模型；
c.催化器平均温度模型
该催化器平均温度模型用来评估催化器当前的实时平均温度，根据基于催化入口与出口的温度采集值来得到一个平均温度，用来表征催化器当前的平均热状态。平均表征温度的计算公式如下式所示：
Tavg＝Tus,sens+f(dTds,sens/Tus,sens)(Tds,sens-Tus,sens)
式中：Tus,sens为催化器上游温度传感器采集信号(℃)；
Tds,sens为催化器下游温度传感器采集信号(℃)；
d.催化器稳态反应率预测模型
催化器稳态反应率指发动机处于稳态运行工况、催化器活性状态基本稳态时，实际参与选择性催化还原反应的NH3与喷射添蓝的理论NH3含量之比，如下式所示：
γ＝nNH3,scr/nNH3,dos
式中：nNH3,scr为参与选择性催化还原反应的NH3摩尔流量(mmol/s)；nNH3,dos为喷射的添蓝中的理论NH3摩尔流量(mmol/s)；
3).稳态前馈控制算法
利用步骤2)中各种模型的输出结果计算稳态NH3喷射流量，理论需求的喷射流量的计算公式为：
mNH3,ratel＝mNOx,us*(MNH3/MNOx)*NSR
式中：mNH3,ratel为NH3的理论需求喷射流量(mg/s)；
mNOx,us为催化器入口的NOx排放流量(mg/s)；
MNH3为NH3的摩尔质量(g/mol)；
NSR为氨氮比，对于化学当量比，其值为1；
4).根据理论需求喷射量和经过修正的目标转化率，再结合催化器的实时NH3反应率，可以得到稳态喷射流量的最终计算公式为：
mNH3,act＝mNH3,ratel*λ/γ
式中：mNH3,act为最终的NH3喷射流量(mg/s)；
λ为修正后的目标转化率(％)；
根据最终计算结果控制添蓝喷射量。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机SCR后处理稳态前馈控制方法，其特征在于：所述步骤1)中关于发动机各种参数数据的获得通过车载CAN通信总线中获取，关于催化器上上游温度(℃)、催化器下游温度(℃)的获得通过DCU传感器采集。
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