CN106194365B - 一种基于模型的NOx排放监控方法 - Google Patents

一种基于模型的NOx排放监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车尾气后处理技术领域，尤其设计一种基于模型的NOx排放监控方法，包括以下步骤：在发动机满足监控使能条件的情况下以运行时间为积分区间分别对SCR下游NOx质量流量模型计算值、SCR下游NOx实际质量流量以及SCR上游NOx实际质量流量进行积分；其中，SCR下游NOx质量流量模型计算值根据利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值求得，SCR下游NOx实际质量流量根据SCR下游NOx实际浓度值求得，SCR上游NOx实际质量流量根据SCR上游NOx实际浓度值求得；经一段时间积分后计算转化效率偏差，判断转化效率偏差是否大于偏差限值；若大于则OBD进行排放超标故障报警。提高了NOx排放监控的稳定性，减少了误报错。

Description

一种基于模型的NOx排放监控方法
技术领域
本发明涉及汽车尾气处理技术领域，尤其涉及基于模型的NOx排放监控方法。
背景技术
随着大气环境污染问题的日益突出，以欧洲、美国为代表的发达国家在机动车排放污染限制方面制定了越来越严格的法规，有力的限制了污染物向大气的排放。随着排放法规的升级，相伴随的车载诊断系统(On-Board Diagnostic，简称OBD)的要求更加全面，OBD限值也越来越严格。目前法规中对发动机NOx的排放有着明确的限值规定。现在柴油发动机NOx排放控制通常采用的选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，简称SCR)技术，达到降低NOx排放的目的。通过OBD系统对发动机的NOx排放进行实时监控，一旦超过法规规定的限值，车辆将会亮故障指示灯，如果持续一段时间后驾驶员仍然不进行车辆维修，OBD系统会进一步对发动机的扭矩和车速进行限制。以欧VI法规为例，针对NOx的OBD限值为1.2g/kwh，当发动机在一段时间内的NOx比排放超过此限值2小时时，应将扭矩限制器激活。当排放超过OBD限值累计时间在4小时内，应将车速限制器激活，此时车速应低于80km/h，若车辆仍继续行驶，累积时间在20小时内，车速应低于20km/h。
现有技术中发动机NOx排放监控是基于SCR系统转化效率限值的排放监控策略。在发动机台架上将尿素喷射量脉谱图全工况点乘以一个小于1的系数，经过不断调试后最终找到这样一个系数α，使得按照法规要求进行的排放循环测试得到的NOx排放值裂化到法规要求的限值，然后将此时选取的监控工况范围下的NOx转化效率值填到NOx转化效率限值脉谱图中去。发动机运行时，在满足监控条件的情况下，监控策略会通过对SCR箱上游NOx值、下游NOx值进行积分，实时进行一段时间内NOx实际转化效率和限值转化效率的计算，一旦前者小于后者，将视为NOx排放超限，从而点亮故障报警灯，直至发动机限扭。但是随着排放法规的逐步升级，在发动机原机排放较高时，SCR箱下游排放限值与OBD限值对应转化效率的间隔越来越小，容易产生误报错。另外，由于发动机工况变化、外界环境等因素导致的SCR箱转化效率偏差波动较大，容易产生误报错。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何建立一种准确适用的NOx排放监控方法，提高NOx排放监控的鲁棒性，降低误报错的风险。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模型的NOx排放监控方法，包括以下步骤：
S1，判断发动机是否满足监控使能条件，若满足则执行步骤S2，否则继续执行步骤S1；
S2，以运行时间为积分区间分别对SCR下游NOx质量流量模型计算值、SCR下游NOx实际质量流量以及SCR上游NOx实际质量流量进行积分；其中，SCR下游NOx质量流量模型计算值根据利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值求得，SCR下游NOx实际质量流量根据SCR下游NOx实际浓度值求得，SCR上游NOx实际质量流量根据SCR上游NOx实际浓度值求得；
S3，判断步骤S2中积分是否满足积分完成条件，若满足积分完成条件则执行步骤S4，否则继续执行步骤S3；
S4，建立转化效率偏差公式：
式中，η为转化效率偏差；为t0～t1时间段内SCR下游NOx实际质量流量的积分值；为t0～t1时间段内SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值，为t0～t1时间段内SCR上游NOx实际质量流量的积分值；
S5，判断转化效率偏差是否大于偏差限值；若大于则OBD进行排放超标故障报警；否则输出排放正常；
S6，将SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值、SCR下游NOx实际质量流量的积分值以及SCR上游NOx实际质量流量的积分值均清零，返回执行步骤S1。
根据本发明，所述步骤S2中SCR下游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsAct为SCR下游NOx实际质量流量，单位g/s；Cds(NOX)为SCR下游NOx浓度传感器监测到的SCR下游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
根据本发明，所述步骤S2中SCR上游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)Us为SCR上游NOx实际质量流量，单位g/s；Cus(NOX)为SCR上游NOx浓度传感器监测到的SCR上游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
根据本发明，所述步骤S2中SCR下游NOx质量流量模型计算值的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsRef为SCR下游NOx质量流量模型计算值，单位g/s；CRef(NOX)为利用SCR化学反应动力学模型实时计算得到SCR下游NOx浓度模型计算值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
根据本发明，所述步骤S3中积分完成条件为SCR下游NOx实际质量流量的积分值超过NOx设定累积量。
根据本发明，所述监控使能条件包括设定的SCR上游温度范围、转速范围、喷油量范围、废气量范围、实际氨储量范围、SCR下游NOx浓度范围、设定的水温范围、设定的环境温度范围、设定的环境压力范围、SCR下游NOx传感器露点检测正常释放、尿素喷射使能正常以及SCR下游NOx传感器无故障状态。
根据本发明，设定的SCR上游温度范围为大于200℃；设定的水温范围为70℃～100℃；设定的环境温度范围为-7℃～35℃；设定的环境压力范围为大于840hPa。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例提供的基于模型的NOx排放监控方法利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值作为输入，建立转化效率偏差计算公式进行NOx排放监控，在NOx排放裂化的情况下，下游NOx传感器测得的浓度值与模型计算值之间的偏差较为明显，通过一段时间的积分计算可以得到比较稳定的转化效率偏差，该监控方法具有较好的稳定性，能够比较准确的进行NOx排放超限报错，同时避免误报错。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于模型的NOx排放监控方法的控制逻辑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的基于模型的NOx排放监控方法，包括以下步骤：
S1，判断发动机是否满足监控使能条件，若满足则执行步骤S2，否则继续执行步骤S1；
S2，以运行时间为积分区间分别对SCR下游NOx质量流量模型计算值、SCR下游NOx实际质量流量以及SCR上游NOx实际质量流量进行积分；其中，SCR下游NOx质量流量模型计算值根据利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值求得，SCR下游NOx实际质量流量根据SCR下游NOx实际浓度值求得，SCR上游NOx实际质量流量根据SCR上游NOx实际浓度值求得。
S3，判断步骤S2中积分是否满足积分完成条件，若满足积分完成条件则执行步骤S4，否则继续执行步骤S3；具体地，本实施例中步骤S3中积分完成条件为SCR下游NOx实际质量流量的积分值超过NOx设定累积量，NOx设定累积量为根据机型设定的经验值。本实施例中的积分完成条件也可以是设定积分时间段的长度，例如取200s～500s中的一个时间长度作为积分区间段。
S4，建立转化效率偏差公式：
式中，η为转化效率偏差；为t0～t1时间段内SCR下游NOx实际质量流量的积分值；为t0～t1时间段内SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值，为t0～t1时间段内SCR上游NOx实际质量流量的积分值；其中t0为积分开始时刻，根据发动机运行时间t1的延长，计算t0～t1时间段内的积分值；
S5，判断转化效率偏差是否大于偏差限值；若大于则OBD进行排放超标故障报警；否则输出排放正常。当发动机排放正常时，下游NOx实际质量流量的积分值与质量流量模型计算值的积分值保持一致(考虑到模型的精度偏差，转化效率偏差允许一定的上下浮动)。当发动机因SCR后处理老化等因素导致排放裂化后，相同的工况内实际质量流量的积分值将显著增加，而质量流量模型计算值的积分值由于模型的输入未发送变化，模型按照正常的化学反应来计算，质量流量模型计算值的积分值与排放正常时相比保持不变，此时计算得到的转化效率偏差将会增大，在满足监控使能条件的情况下，如果积分时间段内计算得到的转化效率偏差大于设定的偏差限值则视为NOx排放超限，其中偏差限值的大小取决于发动机台架循环的原机NOx比排放、SCR下游正常NOx比排放值以及OBD限值。
S6，将SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值、SCR下游NOx实际质量流量的积分值以及SCR上游NOx实际质量流量的积分值均清零，返回执行步骤S1。
本发明实施例提供的基于模型的NOx排放监控方法利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值作为输入，建立转化效率偏差计算公式进行NOx排放监控，在NOx排放裂化的情况下，下游NOx传感器测得的浓度值与模型计算值之间的偏差较为明显，通过一段时间的积分计算可以得到比较稳定的转化效率偏差，该监控方法具有较好的稳定性，能够比较准确的进行NOx排放超限报错，同时避免误报错。
进一步地，本实施例步骤S2中SCR下游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsAct为SCR下游NOx实际质量流量，单位g/s；Cds(NOX)为SCR下游NOx浓度传感器监测到的SCR下游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
进一步地，本实施例步骤S2中SCR上游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)Us为SCR上游NOx实际质量流量，单位g/s；Cus(NOX)为SCR上游NOx浓度传感器监测到的SCR上游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
进一步地，本实施例步骤S2中SCR下游NOx质量流量模型计算值的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsRef为SCR下游NOx质量流量模型计算值，单位g/s；CRef(NOX)为利用SCR化学反应动力学模型实时计算得到SCR下游NOx浓度模型计算值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。具体地，本实施例中利用SCR化学反应动力学模型实时计算得到SCR下游NOx浓度模型计算值的具体方式为首建立SCR箱内部化学反应动力学方程，以实际尿素喷射量、发动机排气温度、SCR上游NOx浓度传感器测得的实际浓度值等参数作为输入，计算SCR下游相关气体组分的量。本实施例中化学反应动力学模型的计算考虑的化学反应过程如下：
1)NH3吸附：NH3+S→NH3(S)
2)NH3脱附：NH3(S)→NH3+S
3)标准SCR反应：4NH3(S)+4NO+O2→4N2+6H2O+4S
4)快速SCR反应：4NH3(S)+2NO+2NO2→4N2+6H2O+4S
5)慢速SCR反应：8NH3(S)+6NO2→7N2+6H2O+8S
6)NH3在SCR载体表面氧化：4NH3(S)+3O2→2N2+6H2O+4S
7)NH3在废气中的氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O
8)NO氧化为NO2：NO+0.5O2→NO2
9)NO2还原为NO：NO2→NO+0.5O2
10)NH3在ASC(氨氧化催化剂)载体表面的氧化：
8NH3(S)+8O2→4NO+2N2+12H2O+8S
每个反应对应着不同的反应速率方程，根据阿累尼乌斯方程建立速率模型的化学反应动力学方程，依据上述的多个化学反应速率计算以下物理量的质量守恒：NH3存储、废气中NH3浓度、废气中NO浓度、废气中NO2浓度以及废气中的O2浓度，从而得到SCR下游NOx浓度模型计算值。
进一步地，本实施例中监控使能条件包括设定的SCR上游温度范围、转速范围、喷油量范围、废气量范围、实际氨储量范围、SCR下游NOx浓度范围、设定的水温范围、设定的环境温度范围、设定的环境压力范围、SCR下游NOx传感器露点检测正常释放、尿素喷射使能正常以及SCR下游NOx传感器无故障状态。优选地，本实施例中设定的SCR上游温度范围为大于200℃；设定的水温范围为70℃～100℃；设定的环境温度范围为-7℃～35℃；设定的环境压力范围为大于840hPa。在满足一定的监控使能条件下进行NOx排放的监控提高了监控的准确度，避免了除SCR箱老化之外的其他因素引起的NOx排放超标误报错。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，判断发动机是否满足监控使能条件，若满足则执行步骤S2，否则继续执行步骤S1；
S2，以运行时间为积分区间分别对SCR下游NOx质量流量模型计算值、SCR下游NOx实际质量流量以及SCR上游NOx实际质量流量进行积分；其中，SCR下游NOx质量流量模型计算值根据利用SCR化学反应动力学模型计算得到的SCR下游NOx浓度模型计算值求得，SCR下游NOx实际质量流量根据SCR下游NOx实际浓度值求得，SCR上游NOx实际质量流量根据SCR上游NOx实际浓度值求得；
S3，判断步骤S2中积分是否满足积分完成条件，若满足积分完成条件则执行步骤S4，否则继续执行步骤S3；
S4，建立转化效率偏差公式：
式中，η为转化效率偏差；为t0～t1时间段内SCR下游NOx实际质量流量的积分值；为t0～t1时间段内SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值，为t0～t1时间段内SCR上游NOx实际质量流量的积分值；
S5，判断转化效率偏差是否大于偏差限值；若大于则OBD进行排放超标故障报警；否则输出排放正常；
S6，将SCR下游NOx质量流量模型计算值的积分值、SCR下游NOx实际质量流量的积分值以及SCR上游NOx实际质量流量的积分值均清零，返回执行步骤S1。
2.根据权利要求1所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：所述步骤S2中SCR下游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsAct为SCR下游NOx实际质量流量，单位g/s；Cds(NOX)为SCR下游NOx浓度传感器监测到的SCR下游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
3.根据权利要求1所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：所述步骤S2中SCR上游NOx实际质量流量的计算公式为：
式中，Mf(NOX)Us为SCR上游NOx实际质量流量，单位g/s；Cus(NOX)为SCR上游NOx浓度传感器监测到的SCR上游NOx实际浓度值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
4.根据权利要求1所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：所述步骤S2中SCR下游NOx质量流量模型计算值的计算公式为：
式中，Mf(NOX)DsRef为SCR下游NOx质量流量模型计算值，单位g/s；CRef(NOX)为利用SCR化学反应动力学模型实时计算得到SCR下游NOx浓度模型计算值，单位ppm；Mf(Exh)为积分时间段内发动机实际废气质量流量，单位kg/h；Molar(NOX)为NOx摩尔流量；Molar(Exh)为发动机废气的摩尔质量。
5.根据权利要求1所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：所述步骤S3中积分完成条件为SCR下游NOx实际质量流量的积分值超过NOx设定累积量。
6.根据权利要求1所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：所述监控使能条件包括设定的SCR上游温度范围、转速范围、喷油量范围、废气量范围、实际氨储量范围、SCR下游NOx浓度范围、设定的水温范围、设定的环境温度范围、设定的环境压力范围、SCR下游NOx传感器露点检测正常释放、尿素喷射使能正常以及SCR下游NOx传感器无故障状态。
7.根据权利要求6所述的基于模型的NOx排放监控方法，其特征在于：设定的SCR上游温度范围为大于200℃；设定的水温范围为70℃～100℃；设定的环境温度范围为-7℃～35℃；设定的环境压力范围为大于840hPa。
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