CN108846132B - 基于配方文件的船用柴油机scr电控系统map图查询方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于配方文件的船用柴油机SCR电控系统MAP图查询方法：首先，对MAP图存储结构进行规划；其次，根据柴油机的当前转速和当前扭矩查询排气质量流量、NOx浓度和尿素喷射量MAP图；然后，计算当前工况点的尿素基本喷射量和修正量；最后，以查询到的尿素基本喷射量与所述尿素修正量之和作为尿素喷射量。本发明具有以下有益效果：可同时查询多个MAP图,减少了SCR电子控制单元响应时间,提高了查询速度和精度,增强了电子控制单元稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于SCR(选择性催化还原)技术应用领域，具体涉及在船舶柴油机SCR电控系统中ECU控制的MAP图查询方法。
背景技术
根据国际海事组织(IMO)出台的MARPOL公约附则Ⅵ规定，2016年1月1日以后建造的船舶，若在排放控制区航行，其发动机NOx排放实施更为严格的TierⅢ标准。SCR技术具有经济性好、对柴油机改动小、NOx转化率高、对硫不敏感及适用范围广等优势，是船用柴油机NOx排放控制极具应用前景的技术之一。
船用柴油机运行工况多变，特别是在港口、沿海等对NOx排放限制要求高的水域，排气流量、温度和污染物浓度波动很大，废气中氮氧化物、硫氧化物和烟尘等成分含量也各不相同。这就对SCR电控系统提出了更高要求，需采取基于MAP图的尿素喷射控制策略，即喷射的尿素在充分转化NOx的同时使NH3泄漏量最小。
尿素喷射电控系统是SCR的技术核心。目前，SCR电控系统运行是通过SCR电子控制单元(ECU)进行控制的。SCR电子控制单元首先采集柴油机转速、扭矩、SCR反应器前后NOx浓度和排气温度等数据，然后根据柴油机转速和扭矩查询存储于SCR电子控制单元的尿素喷射量、排气质量流量和NOx浓度等MAP图，并计算当前工况点的尿素基本喷射量，再根据NOx传感器测量值和NOx浓度MAP值计算尿素修正量，对尿素基本喷射量进行修正后作为尿素喷射量。
SCR电控系统MAP图的查询作为SCR电子控制单元的主要功能，占据大量程序运行时间和系统存储空间。现有SCR电子控制单元的MAP图查询功能，主要在一个MAP图查询函数中完成，执行一次MAP图查询函数只能输出一种MAP图查询结果，而对于查询其他MAP图，需再次调用该函数。与MAP图查询函数配套的MAP图存储结构多采用一维数组数据结构。
由于程序按串行方式运行，前述的MAP图查询方法严重降低了系统的运行效率，且难以保证不同MAP图(尿素基本喷射量、NOx浓度等)的查询结果均属于同一时刻和同一工况，这种缺陷在瞬态工况时尤为明显。并且MAP图采用一维数组存储将不利于数据管理。现阶段，多采用提升电子控制单元硬件性能和开发针对SCR电子控制单元的MAP图标定系统来改善上述缺陷，然而，这种方法会增加SCR电控系统开发成本，并难以保证查询结果的实时性。
发明内容
为了在不增加SCR电控系统开发成本的情况下，避免SCR电子控制单元运行速度造成的SCR电控系统无法对SCR系统进行准确控制，本发明提供了一种基于配方文件的船用SCR电控系统MAP图查询方法：
本发明针对船舶柴油机SCR电控系统的应用，提出了一种基于配方文件的SCR系统尿素喷射控制的MAP图查询新方法。首先，对MAP图存储结构进行规划；其次，根据柴油机的当前转速和当前扭矩查询排气质量流量、NOx浓度和尿素喷射量MAP图；然后，计算当前工况点的尿素基本喷射量和修正量；最后，以查询到的尿素基本喷射量与所述尿素修正量之和作为尿素喷射量，具体包括：
S1，根据船用柴油机运行工况范围和法规要求，规划柴油机排气特性和尿素喷射量MAP图的网格点分布；
S2，将SCR系统的所有MAP图保存在配方文件中。根据SCR电子控制单元储存MAP的种类和通过S1获得的网格点分布情况，对配方文件中配方类别和配方存储区域进行分布规划，配方类别以不同的转速区分，并按转速由小到大的序列确定配方组序号；
S3，根据S2生成的转速序列和配方组序号，编写转速查询程序，首先根据转速序列N和实际转速n0计算转速距离向量A，然后在转速距离向量A中采用冒泡法求取其最小值amin1和次小值amin2(即MAP图中与当前转速最接近和次接近的两个相邻转速点)，同时计算冒泡次数，组序号与冒泡次数相等的配方中保存的转速即为最接近转速点，组序号比冒泡次数大1的配方中保存的转速即为次接近转速点；
S4，根据S3确定的配方组序号和S1中MAP图网格点分布特点，编写扭矩查询程序，首先分别提取两条配方中存储的最大扭矩，然后计算柴油机实际扭矩与两个最大扭矩的百分比，最后在各自所属配方中，根据两个百分比分别查询与实际扭矩最接近的两个工况点，合计四个工况点；
S5，根据S4查询的四个工况点和S2规划的各工况点MAP值存储区域，将4个区域的所有数据保存于MAP值过渡存储地址；
S6，建立SCR电子控制单元距离倒数平方插值函数模型，将S5的MAP值查询结果输入模型，同时计算得到当前工况点的排气特性MAP值和尿素基本喷射量MAP值；
S7，根据采集的SCR反应器前后NOx传感器、温度传感器数据和S6所述的排气特性MAP值，计算当前转速和当前扭矩对应的尿素修正量，以S6计算的尿素基本喷射量与所述尿素修正量之和作为尿素喷射量；
S8，SCR电子控制单元向尿素计量泵发送指令，根据所述尿素喷射量控制尿素计量泵。
进一步地，步骤S1包括：
S11，按柴油机在船上的用途分类，当船舶柴油机用作发电柴油机时，其按负荷特性运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为扭矩的一维表格；当船舶柴油机用作推进柴油机(主柴油机)时，其按推进特性曲线运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为转速和扭矩的二维表格；
S12，当柴油机作为发电用副机时，其转速不变，SCR系统的MAP图为基于扭矩的一维表格，其特征在于：作为横坐标的发动机转速为一恒定值，而作为纵坐标的扭矩，从最大扭矩的10％至100％，采用等比数列在该范围内取10个网格点，所有网格点均存储于同一条配方中；
S13，当柴油机作为推进用主机时，其匹配的SCR系统的MAP图为基于转速和扭矩的二维表格，其特征在于采用的是规格化的网格形式，作为横坐标的柴油机转速采用单调递增数列，而作为纵坐标的扭矩，采用等比数列生成网格点，不同转速下的公比均相等，并且首项为该转速下的最大扭矩；
S14，根据S11和S12形成的网格点，试验获取各个网格点的MAP值以生成SCR系统排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图；
进一步地，在步骤S2中：
所述配方文件为存储SCR系统MAP图的数据库，配方文件可按CSV格式导入与导出到Excel软件，也可以将存储在U盘里的配方文件直接下载到电子控制单元，增大了MAP图的可操作性。可读取配方文件是该SCR电子控制单元的一大特色。
MAP数据采用配方文件的形式存储，首先根据SCR系统的MAP图种类，规划各个网格点所属MAP值的连续存储区域，然后在配方文件中按不同转速形成不同的配方，同一条配方存储一个转速下对应扭矩数列的所有MAP值。
本发明具有以下有益效果：可同时查询多个MAP图,减少了SCR电子控制单元响应时间,提高了查询速度和精度,增强了电子控制单元稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例总体流程示意图；
图2为本发明实施例配方文件样例示意图；
图3为本发明实施例步骤S4至步骤S6具体实现的流程示意图；
图4为本发明实施例实验结果示意图；
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
在本发明实施例中，采用以下步骤：
S1，根据船用柴油机运行工况范围和法规要求，规划柴油机排气特性和尿素喷射量MAP图的网格点分布：
S11，按柴油机在船上的用途分类，当船舶柴油机用作发电柴油机时，其按负荷特性运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为扭矩的一维表格；当船舶柴油机用作推进柴油机(主柴油机)时，其按推进特性曲线运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为转速和扭矩的二维表格；
S12，当柴油机作为发电用副机时，其转速不变，SCR系统的MAP图为基于扭矩的一维表格，其特征在于：作为横坐标的发动机转速为一恒定值，而作为纵坐标的扭矩，从最大扭矩的10％至100％，采用等比数列在该范围内取10个网格点，所有网格点均存储于同一条配方中；
S13，当柴油机作为推进用主机时，其匹配的SCR系统的MAP图为基于转速和扭矩的二维表格，其特征在于采用的是规格化的网格形式，作为横坐标的柴油机转速采用单调递增数列，而作为纵坐标的扭矩，采用等比数列生成网格点，不同转速下的公比均相等，并且首项为该转速下的最大扭矩；
S14，根据S11和S12形成的网格点，试验获取各个网格点的MAP值以生成SCR系统排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图；
S2，将SCR系统的所有MAP图保存在配方文件中。根据SCR电子控制单元储存MAP的种类和通过S1获得的网格点分布情况，对配方文件中配方类别和配方存储区域进行分布规划，配方类别以不同的转速区分，并按转速由小到大的序列确定配方组序号；
所述配方文件为存储SCR系统MAP图的数据库，配方文件可按CSV格式导入与导出到Excel软件，也可以将存储在U盘里的配方文件直接下载到电子控制单元，增大了MAP图的可操作性。可读取配方文件是该SCR电子控制单元的一大特色。
MAP数据采用配方文件的形式存储，首先根据SCR系统的MAP图种类，规划各个网格点所属MAP值的连续存储区域，然后在配方文件中按不同转速形成不同的配方，同一条配方存储一个转速下对应扭矩数列的所有MAP值。
S3，根据S2生成的转速序列和配方组序号，编写转速查询程序，首先根据转速序列N和实际转速n0计算转速距离向量A，然后在转速距离向量A中采用冒泡法求取其最小值amin1和次小值amin2(即MAP图中与当前转速最接近和次接近的两个相邻转速点)，同时计算冒泡次数，组序号与冒泡次数相等的配方中保存的转速即为最接近转速点，组序号比冒泡次数大1的配方中保存的转速即为次接近转速点；
如图3所示，S4，根据S3确定的配方组序号和S1中MAP图网格点分布特点，编写扭矩查询程序，首先分别提取两条配方中存储的最大扭矩，然后计算柴油机实际扭矩与两个最大扭矩的百分比，最后在各自所属配方中，根据两个百分比分别查询与实际扭矩最接近的两个工况点，合计四个工况点；
S5，根据S4查询的四个工况点和S2规划的各工况点MAP值存储区域，将4个区域的所有数据保存于MAP值过渡存储地址；
S6，建立SCR电子控制单元距离倒数平方插值函数模型，将S5的MAP值查询结果输入模型，同时计算得到当前工况点的排气特性MAP值和尿素基本喷射量MAP值；
S7，根据采集的SCR反应器前后NOx传感器、温度传感器数据和S6所述的排气特性MAP值，计算当前转速和当前扭矩对应的尿素修正量，以S6计算的尿素基本喷射量与所述尿素修正量之和作为尿素喷射量；
S8，SCR电子控制单元向尿素计量泵发送指令，根据所述尿素喷射量控制尿素计量泵。
在本实施例的一个具体的验证试验当中，如图1所示，首先执行步骤S1，判断SCR系统匹配柴油机用途，确定柴油机运行工况，再根据运行工况范围，规划完成MAP图网格点分布，并在发动机台架上试验获取每一网格化的测试工况点的排气特性MAP值和尿素基本喷射量MAP值。之后，根据步骤S2至步骤S6的方法，查询并计算得到柴油机实时工况点的排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图，如图4所示。
其中，将SCR电子控制单元采集到的柴油机转速信号传递给转速查询模块，转速查询模块根据转速(如1000rpm)查询与其临近的两个转速，由此判断出配方文件(存储于SCR电子控制单元的部分配方文件如图2所示)中的两个相邻组序号(组1、组2)并发送到扭矩查询模块，扭矩查询模块在已确定的组序号中，利用柴油机扭矩(如450N·m)所占当前组系列存储的最大扭矩的百分比来查询与该扭矩临近的2个扭矩(470N·m、423N·m)，同理得到另一组系列的2个扭矩(478N·m、424N·m)，经转速查询模块和扭矩查询模块联合查询后得到4个工况点((945rpm，470N·m)，(945rpm，423N·m)，(1004rpm，478N·m)，(1004rpm，424N·m))。各工况点的MAP值取自对应的存储域，同时存储于MAP值过渡储存地址，供插值函数进一步处理，其数学表达式为：
式中：ve(j＝1,…,n)为点(xj，yj)的变量值，wj为其对应的权重系数。
权重系数wj由下式给出：
式中：n为已知点数，f(dej)为插值点(xe，ye)与已知点(xj，yj)之间距离dej的权重函数。
f(dej)最常用的一种形式是：
式中：b为常数2时，式(1)即为距离倒数平方插值函数。
经调试，本实施例提出的ECU查询MAP图的方法可迅速查询、计算得到当前工况点的尿素基本喷射量，排气质量流量等数据。由提供了部分测试结果的表1，以及图4可见，当柴油机工况变化时，SCR电子控制单元的各个计算结果(尿素喷射量、NOx浓度和排气质量流量)均随着工况的变化而连续改变；当柴油机工况稳定时，计算结果保持不变。这说明本发明所提出的基于配方文件的MAP图查询方法可同时查询多个MAP图，提高了查询速度和精度,改善了SCR电子控制单元同步计算性能，有利于提高SCR电控系统控制单元稳定性和可靠性。
表1
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于配方文件的船用柴油机SCR电控系统MAP图查询方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (3)
1.一种基于配方文件的船用柴油机SCR电控系统MAP图查询方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据船用柴油机运行工况范围和法规要求，规划柴油机排气特性和尿素喷射量MAP图的网格点分布；
S2，将SCR系统的所有MAP图保存在配方文件中，根据SCR电子控制单元储存MAP的种类和通过步骤S1获得的网格点分布情况，对配方文件中配方类别和配方存储区域进行分布规划，配方类别以不同的转速区分，并按转速由小到大的序列确定配方组序号；
S3，根据步骤S2生成的转速序列和配方组序号，编写转速查询程序：首先根据转速序列N和实际转速n0计算转速距离向量A，然后在转速距离向量A中采用冒泡法求取其最小值amin1和次小值amin2，同时计算冒泡次数，组序号与冒泡次数相等的配方中保存的转速即为最接近转速点，组序号比冒泡次数大1的配方中保存的转速即为次接近转速点；
S4，根据步骤S3确定的配方组序号和步骤S1中MAP图网格点分布特点，编写扭矩查询程序：首先分别提取两条配方中存储的最大扭矩，然后计算柴油机实际扭矩与两个最大扭矩的百分比，最后在各自所属配方中，根据两个百分比分别查询与实际扭矩最接近的两个工况点，合计四个工况点；
S5，根据步骤S4查询的四个工况点和步骤S2规划的各工况点MAP值存储区域，将4个区域的所有数据保存于MAP值过渡存储地址；
S6，建立SCR电子控制单元距离倒数平方插值函数模型，将步骤S5的MAP值查询结果输入模型，同时计算得到当前工况点的排气特性MAP值和尿素基本喷射量MAP值；
S7，根据采集的SCR反应器前后NOx传感器、温度传感器数据和步骤S6获得的排气特性MAP值，计算当前转速和当前扭矩对应的尿素修正量，以步骤S6计算获得的尿素基本喷射量与所述尿素修正量之和作为尿素喷射量；
S8，SCR电子控制单元向尿素计量泵发送指令，根据所述尿素喷射量控制尿素计量泵。
2.根据权利要求1所述的基于配方文件的船用柴油机SCR电控系统MAP图查询方法，其特征在于：
步骤S1具体包括：
S11，按柴油机在船上的用途分类：当船舶柴油机用作发电柴油机时，按负荷特性运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为扭矩的一维表格；当船舶柴油机用作推进柴油机时，按推进特性曲线运行，将排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图视为转速和扭矩的二维表格；
S12，当柴油机作为发电用副机时，转速不变，SCR系统的MAP图为基于扭矩的一维表格，作为横坐标的发动机转速为一恒定值，作为纵坐标的扭矩，从最大扭矩的10%至100%，采用等比数列在该范围内取10个网格点，所有网格点均存储于同一条配方中；
S13，当柴油机作为推进用主机时，其匹配的SCR系统的MAP图为基于转速和扭矩的二维表格，采用规格化的网格形式，作为横坐标的柴油机转速采用单调递增数列，作为纵坐标的扭矩，采用等比数列生成网格点，不同转速下的公比均相等，并且首项为该转速下的最大扭矩；
S14，根据步骤S11和步骤S12形成的网格点，试验获取各个网格点的MAP值以生成SCR系统排气特性MAP图和尿素基本喷射量MAP图。
3.根据权利要求1所述的基于配方文件的船用柴油机SCR电控系统MAP图查询方法，其特征在于：
在步骤S2中：
所述配方文件为存储SCR系统MAP图的数据库；MAP数据采用配方文件的形式存储，首先根据SCR系统的MAP图种类，规划各个网格点所属MAP值的连续存储区域，然后在配方文件中按不同转速形成不同的配方，同一条配方存储一个转速下对应扭矩数列的所有MAP值。
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| CN108846132A (zh) | 2018-11-20 |
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