CN108104915B - 一种基于两级动态控制的车用尿素水解scr系统 - Google Patents

一种基于两级动态控制的车用尿素水解scr系统 Download PDF

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Abstract

本分案申请涉及一种基于两级动态控制的车用尿素水解SCR系统，属于汽车技术领域，该车用尿素水解SCR系统主要包括单片机以及分别与单片机连接的上游温度传感器、下游温度传感器、水解室压力传感器、水解室温度传感器、水解室液位传感器、水解室密度传感器、尿素箱密度传感器、尿素注入计量泵、尿素回流计量泵、氨气出口计量阀以及整车电子控制单元。本发明通过基于发动机MAP图的动态两级控制策略，在欧洲稳态测试循环和欧洲瞬态测试循环，NOx比排放量分别为1.89和1.92g/(kW·h)，NH3泄漏量最大为6ppm，能够保证所匹配的柴油机尿素水解SCR后处理系统达到柴油车国Ⅴ的排放标准。

Description

一种基于两级动态控制的车用尿素水解SCR系统
本发明为申请号2017110675717、申请日2017年11月3日、发明名称“一种车用尿素水解SCR系统及其控制方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种车用选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)系统控制领域，特别是涉及一种车用尿素水解SCR系统及其控制方法。
背景技术
车用尿素水解SCR系统是指安装在汽车排气系统中，通过氨气可将发动机排放出的NOx催化还原成N2和H2O的催化还原装置。此催化反应常用尿素水溶液做还原剂。尿素制氨有热解和水解两种技术，但现有技术只有固定源尿素水解SCR系统和车用尿素热解SCR系统的控制方法，没有专门适用于移动源即车用的尿素水解SCR系统及控制方法。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供一种车用尿素水解SCR系统及其控制方法，该方法基于发动机脉谱图(MAP图)的动态两级控制策略，使所匹配的柴油机尿素水解SCR后处理系统达到柴油车国Ⅴ的排放标准。
为获得发动机的最佳控制参数，首先要进行发动机性能试验，以获得发动机各种工况下的动力性、燃油经济性和排放性的检测数据，然后对这些数据按照一定的优化准则，采取适当的优化方法获得各个控制参数及修正系数随发动机转速和负荷等因素变化的规律，并采用三维图的形式存储于电控单元中，即MAP图，MAP图的测定方法为本领域的常规方法。在使用时，按工况查取即可。本发明的SCR系统主要应用于JX493ZLQ3型号柴油机上，针对该发动机进行性能试验，测取了NOx排放MAP、尾气温度MAP及尾气流量MAP等基础数据，制得附图1、2、3三幅MAP图。
本发明所采用的技术方案如下：一种车用尿素水解SCR系统，包括单片机以及分别与单片机连接的上游温度传感器、下游温度传感器、水解室压力传感器、水解室温度传感器、水解室液位传感器、水解室密度传感器、尿素箱密度传感器、尿素注入计量泵、尿素回流计量泵、氨气出口计量阀、整车电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。
作为本发明的进一步改进是，所述的单片机通过脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)模块分别与尿素注入计量泵、尿素回流计量泵、氨气出口计量阀相连接；所述的单片机通过模拟信号/数字信号(Aanalog signals/Ddigital signals，A/D)模块分别与水解室密度传感器、水解室液位传感器、水解室压力传感器、水解室温度传感器、尿素箱密度传感器、上游温度传感器、下游温度传感器相连接；所述的单片机通过控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)通讯模块与整车ECU进行通信连接。
本发明同时请求保护车用尿素水解SCR系统的控制方法，该方法是基于发动机MAP图的动态两级控制，所述的发动机MAP图通过对该车用尿素水解SCR系统的发动机进行性能试验测得的数据进行优化得到；所述的动态两级控制方法，第一级是通过调节氨气出口计量阀对氨气的供给进行控制，第二级是通过调节尿素注入计量泵和尿素回流计量泵来对尿素的供给进行控制。
进一步的，所述的控制方法包括以下步骤：
A、所述的单片机首先根据整车电子控制单元传递来的发动机转速、发动机转矩百分比，查看发动机静态MAP图得到排气中的NOx浓度、排气量和排气温度，从而计算出NOx的摩尔流量；并根据催化剂转化效率、催化剂载体温度、空速对氨气基本需求量进行修正，得到每个发动机循环中NH3需求的质量流量，并调整氨气出口计量阀开度；
B、所述的单片机通过水解室压力传感器、水解室温度传感器、水解室密度传感器分别测定出水解室内的尿素温度、尿素密度、尿素压力，据此计算出水解室内尿素溶液的质量浓度；
C、所述的单片机根据尿素溶液实时质量浓度和水解室内的液面高度，计算得到NH3生成的质量流量，与步骤A中计算得到的NH3需求质量流量相对比，根据结果来调节尿素注入计量泵或尿素回流计量泵开度。
进一步的，步骤A所述的NH3需求质量流量的计算公式如下：
Figure BDA0001511406610000021
其中：A为单位时间内柴油机尾气的质量，B为NOx的排放值，θ为催化器的转化效率。
进一步的，步骤C所述的NH3生成的质量流量的计算公式如下：
Figure BDA0001511406610000022
其中：QNH3为NH3需求质量流量；w为尿素溶液质量浓度。
本发明的有益效果如下：本发明安装在JX493ZLQ3型号柴油机上，通过基于发动机MAP图的动态两级控制策略，在欧洲稳态测试循环(Europeansteady state cycle，ESC)和欧洲瞬态测试循环(Europeansteady Transient cycle，ETC)下，NOx比排放量分别为1.89和1.92g/(kW·h)，NH3泄漏量最大为6ppm，能够保证所匹配的柴油机尿素水解SCR后处理系统达到柴油车国Ⅴ的排放标准。
附图说明
图1为柴油机NOx排放脉谱图；
图2为尾气温度脉谱图；
图3为尾气流量脉谱图；
图4为车用尿素水解SCR的驱动控制单元(Drive Control Unit，DCU)系统结构框图；
图5为车用尿素水解SCR的控制方法的逻辑框图；
图6为催化器转化效率脉谱图。
其中：10、微控制器，11、CAN通讯模块，12、A/D模块，13、PWM模块，21、上游温度传感器，22、下游温度传感器，23、水解室压力传感器，24、水解室温度传感器，25、水解室液位传感器，26、水解室密度传感器，27、尿素箱密度传感器，31、尿素注入计量泵，32、尿素回流计量泵，33、氨气出口计量阀。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步详细的说明。
图4为车用尿素水解SCR的DCU系统结构框图，微控制器(MCU)10是DCU的核心部件，通过各种外围电路对传感器和执行器进行采样、控制，实现DCU控制策略。该控制器必须拥有7路A/D模块12，至少具有3通道的PWM输出、输入捕捉和输出比较，至少2路高速CAN通信模块11分别与整车ECU和上位机进行通信。其中，A/D模块12分别与上游温度传感器21、下游温度传感器22、水解室压力传感器23、水解室温度传感器24、水解室液位传感器25、水解室密度传感器26、尿素箱密度传感器27相连接；PWM通道13分别与尿素注入计量泵31、尿素回流计量泵32、氨气出口计量阀33相连接。
图5为车用尿素水解SCR系统的控制方法的逻辑框图。参与自动控制的执行机构为氨气出口计量阀33、尿素注入计量泵31和尿素回流计量泵32。参与尿素水解反应控制的测量数据包括水解器内尿素溶液温度、尿素溶液密度、尾气流量、氨气需求质量流量等，其中氨气需求质量流量根据柴油机的NOx排放MAP图计算得到。参与所述控制的函数包括f1、f2和f3，具体函数式如下。
不同尿素溶液浓度工况时，水解反应产品气需求质量流量与氨气需求质量流量关系函数f1，具体可以表示为：
Figure BDA0001511406610000041
式中：Q产品气为尿素水解反应产品气需求质量流量；QNH3为氨气需求质量流量；w为尿素溶液质量浓度。
不同温度工况时，尿素溶液密度与质量浓度关系函数f2，具体可以表示为：
w＝2.71×103t-4.2+(7.36×106t2+29.72t+26.31ρ-12.12)0.5 (f2)
式中：t为尿素水解反应时尿素溶液温度；ρ为尿素溶液密度。
不同温度工况时，不同尿素溶液浓度下尿素水解实时产生的氨气质量流量函数f3。
Figure BDA0001511406610000042
式中：Me为该工况结束时尿素溶液的质量；M0为该工况开始时尿素溶液的质量；Ce为该工况结束时尿素溶液的质量浓度；C0为该工况开始时尿素溶液的质量浓度；τ为该工况持续的时间，
Figure BDA0001511406610000043
为尿素水解实时产生的氨气质量流量。而尿素溶液的质量由尿素溶液密度和液面高度两个参数求得。
通过对尿素水解脱硝反应器各参数的实时检测和准确计算，得到氨气需求质量流量，并对氨气出口计量阀33、尿素注入计量泵31和尿素回流计量泵32进行开度控制，完成尿素溶液水解反应制氨系统对汽车柴油机发动机运行工况的跟随。
某工况下，根据发动机的NOx排放MAP图可以得到该工况下的NOx排放值，根据NOx与NH3反应的化学方程式和催化器转化效率可以计算得到该NOx排放值对应的氨气需求质量流量QNH3。
NOx与NH3反应的化学方程式以下两式为主：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (Ⅰ)
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O (Ⅱ)
催化器的转化效率MAP图如图6所示，假定反应式(Ⅰ)、(Ⅱ)完全反应，设单位时间内柴油机尾气的质量为Akg，NOx的排放值为Bppm，取尾气的摩尔质量为29kg/kmol，按柴油机尾气中NO和NO2的摩尔比为9：1计算，催化器的转化效率θ查MAP图可知，则；
Figure BDA0001511406610000051
根据函数f1可以得到尿素水解反应产品需求气质量流量Q产品气，Q产品气即为氨气出口计量阀33的开度。
在水解室内，通过测量温度和密度，根据函数f2可以计算得到尿素溶液质量浓度w。通过计算得到该工况开始时和结束时的尿素溶液的质量浓度Ce和C0，根据函数f3可以得到尿素水解实时产生的氨气质量流量Q'NH3，并通过函数f1得到实时产生的产品气质量流量Q'产品气。通过比较产品气质量流量Q'产品气和产品气需求质量流量Q产品气的大小，当Q'产品气大于Q产品气时，说明水解室内的尿素溶液过多，则打开尿素回流计量泵32；当Q'产品气小于Q产品气时，说明水解室内的尿素溶液过少，则打开尿素注入计量泵31；根据Q'产品气与Q产品气的差值得到尿素回流计量泵32和尿素注入计量泵31的开度。
上面结合附图对本发明具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于两级动态控制的车用尿素水解SCR系统，其特征在于，包括单片机以及分别与单片机连接的上游温度传感器(21)、下游温度传感器(22)、水解室压力传感器(23)、水解室温度传感器(24)、水解室液位传感器(25)、水解室密度传感器(26)、尿素箱密度传感器(27)、尿素注入计量泵(31)、尿素回流计量泵(32)、氨气出口计量阀(33)、整车电子控制单元；
所述的单片机通过脉冲宽度调制模块(13)与尿素注入计量泵(31)、尿素回流计量泵(32)、氨气出口计量阀(33)相连接；所述的单片机通过模拟信号/数字信号模块(12)与上游温度传感器(21)、下游温度传感器(22)、水解室压力传感器(23)、水解室温度传感器(24)、水解室液位传感器(25)、水解室密度传感器(26)、尿素箱密度传感器(27)相连接；所述的单片机通过控制器局域网络通讯模块(11)与整车电子控制单元进行通信连接；
所述的车用尿素水解SCR系统的控制方法是基于发动机MAP图的动态两级控制，所述的发动机MAP图通过对该车用尿素水解SCR系统的发动机进行性能试验测得的数据进行优化而得到；所述的动态两级控制方法，第一级是通过调节氨气出口计量阀(33)对氨气的供给进行控制，第二级是通过调节尿素注入计量泵(31)和尿素回流计量泵(32)来对尿素的供给进行控制；
所述的车用尿素水解SCR系统的控制方法具体包括以下步骤：
A、所述的单片机首先根据整车电子控制单元传递来的发动机转速、发动机转矩百分比，查看发动机静态MAP图得到排气中的NOx浓度、排气量和排气温度，从而计算出NOx的摩尔流量；并根据催化剂转化效率、催化剂载体温度、空速对氨气基本需求量进行修正，得到每个发动机循环中NH3需求的质量流量，并调整氨气出口计量阀(33)开度；
B、所述的单片机通过水解室压力传感器(23)、水解室温度传感器(24)、水解室密度传感器(26)分别测定出水解室内的尿素温度、尿素密度、尿素压力，据此计算出水解室内尿素溶液的质量浓度；
C、所述的单片机根据尿素溶液实时质量浓度和水解室内的液面高度，计算得到NH3生成的质量流量，与步骤A中计算得到的NH3需求质量流量相对比，根据结果来调节尿素注入计量泵(31)或尿素回流计量泵(32)开度；
步骤A所述的NH3需求质量流量的计算公式如下：
Figure FDA0002267468890000011
其中：A为单位时间内柴油机尾气的质量，B为NOx的排放值，θ为催化器的转化效率；
步骤C所述的NH3生成的质量流量的计算公式如下：
Figure FDA0002267468890000021
其中：QNH3为NH3需求质量流量；w为尿素溶液质量浓度。
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