CN109944666A - 一种基于模型的scr系统还原剂供给量自适应修正方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，包括以下步骤：（1）通过模型预估SCR系统出口状态条件和气体组分浓度；（2）比较由NOx传感器测量值算得的SCR系统转化效率和由模型算得的SCR系统转化效率，当偏差超过一定程度后，发出系统需要自适应修正的请求；（3）检测发动机‑后处理系统状态是否已经进入适合进行还原剂供给量修正的工况条件；（4）当工况条件满足要求后，调整系统的还原剂供给比例，使其处于一定比例的欠喷射状态；（5）得到某段时间内的实际平均转化效率；（6）得到某段时间内的模型平均转化效率；（7）得到还原剂供给量的修正系数；（8）实现还原剂喷射量在系统排放状态异常情况下的自适应调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，属发动机废气排放技术领域。
背景技术
发动机排气中含有氮氧化物这种有害物质(简称NOx)，其主要成分是NO和NO2。NOx是发动机吸入气缸内的空气中的N2和O2在高温下的反应产物。
发动机的排放法规对NOx的排放量进行了限制，并且规定了不同程度的限值，要求超过相应限值的车辆必须产生必要且有区别的反应动作，以此达到控制NOx排放的目的。
SCR技术是选择性催化还原技术，是发动机控制NOx排放的主要技术，该技术最常见的形式是：利用尿素水溶液分解产生氨气，并且在SCR催化器的作用下，氨气与NOx发生选择性催化还原反应，生成氮气和水后排入大气，通过向柴油机的排气中喷入不同的尿素量，对NOx的排放量实现有效控制。
现有的SCR系统还原剂供给量控制策略一般分为两种，一种是基于MAP的预控制结合传感器的闭环控制，另一种是基于模型的预控制和闭环控制，随着排放和OBD(车载诊断系统)监控法规的日益加严，基于模型的控制由于其在控制精度和控制理论上的根本优势，越来越多地被采用。
SCR技术对还原剂供给量进行控制的基本目标是：在某一工况下，使NOx排放污染物的转化效率大于一定的阈值，并且NH3泄漏平均值控制在10ppm以下。这一精确的还原剂供给量控制策略，往往建立在准确的传感器信号输入、精确的还原剂供给机构执行、稳健且良好的催化剂反应性能等基础条件上，一旦这些基础条件发生偏移，则势必要进行相应的修正，才能让还原剂供给量的精确控制重回正轨。
传统的还原剂供给量自适应修正方法或基于下游NOx传感器的测量浓度值和预期目标值的偏差，或基于下游NOx传感器测量浓度值和上游NOx浓度值计算的转化效率值和预期目标转化效率的偏差，均无法摆脱对下游NOx传感器的高度依赖，而NOx传感器的信号的精度和其对NH3交叉敏感的特性均会对这一自适应修正过程产生难以评估和测量的影响。
如图1所示，目前市面上最为常见的SCR系统是Urea-SCR系统，使用AdBlue作为还原剂还原排气中的NOx，主要由SCR催化器、尿素混合器、尿素泵、尿素喷嘴、尿素罐总成、SCR控制单元(DCU)、SCR催化器上游温度传感器、SCR催化器下游温度传感器、SCR催化器上游NOx浓度传感器、SCR催化器下游NOx浓度传感器、尿素液位传感器、尿素温度传感器、尿素品质传感器等组成。图中，长的宽箭头表示还原剂流动方向，短的宽箭头表示排气流动方向，细实线箭头表示信号方向。现有的SCR系统，其控制方式并不统一且有待改进。
发明内容
本发明的目的是，针对传统SCR系统在控制技术方面存在的储多问题，为了保证供给的还原剂始终能够适应催化剂老化程度、还原剂浓度、供给单元供给精度变化所带来的影响，使得SCR系统处于最佳的还原剂供给控制状态，实现降低NOx排放和NH3排放的控制，本发明提出一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法。
本发明实现的技术方案如下，一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，所述方法在SCR系统的上、下游安装NOx传感器；通过模型预估SCR系统在正常工作状态下喷入已知质量的还原剂后系统出口处的理论NOx浓度；并结合已经获得的上游NOx浓度来计算NOx转化效率；并将这一模型计算得到的NOx转化效率与通过实际传感器测得的转化效率进行比较；从而确立SCR系统还原剂供给量的修正系数，实现NH3供给量的自适应控制。
一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，步骤如下：
(1)通过SCR系统的入口状态条件和气体组分浓度，预估理想状态下的SCR系统出口状态条件和气体组分浓度；
(2)通过对发动机排气条件和后处理系统状态参数的辨识，筛选出适合进行还原剂供给量修正的工况条件；
(3)当检测到SCR系统排放状态异常，且排气工况状态满足修正所需的环境条件要求时，调整系统的还原剂供给比例，使其处于一定比例的欠喷射状态，以排除NH3泄露对NOx传感器测量值的交叉干扰；
(4)在一段时间内，借助位于SCR系统上、下游的NOx传感器获得SCR系统上、下游的NOx浓度测量值，通过积分得到这段时间内的实际平均转化效率；
(5)在相同的这段时间内，记录位于SCR系统上游的NOx传感器测量值和模型计算的SCR系统下游NOx浓度值，通过积分得到这段时间内的模型平均转化效率；
(6)通过比较这段时间内的实际平均转化效率和模型平均转化效率，获得还原剂供给量的修正系数；
(7)将计算得到的修正系数乘以目标还原剂供给量，实现还原剂喷射量在系统排放状态异常情况下的自适应调整。
所述下游安装NOx传感器必须为真实的NOx传感器。
所述模型为预先建立的SCR系统热力学模型和化学反应动力学模型。
所述适合进行还原剂供给量修正的工况条件必须能够在OBD循环中连续存在一段时间，该段时间至少需超过正常状态下平均修正时间的1.5倍。
所述后处理系统状态参数包括排气温度、排气空速、发动机工作模式和后处理系统工作模式。
所述实际平均转化效率如下式：
其中t1为延时周期，表示气体从上游NOx传感器流动至下游NOx传感器的流经时间。
所述模型平均转化效率如下式：
其中t1为延时周期，表示气体从上游NOx传感器流动至下游NOx传感器的流经时间。
本发明的有益效果是，本发明方法对SCR系统还原剂供给量进行修正以实现自适应控制，保证供给的还原剂始终能够适应催化剂老化程度、还原剂浓度、供给单元供给精度变化所带来的影响，使得SCR系统总能处于最佳的还原剂供给控制状态下，实现降低NOx排放和NH3排放的控制目标。
附图说明
图1为现有SCR系统结构示意图；
图2为本发明SCR系统还原剂供给量自适应修正方法流程框图；
图3为NH3供给量的自适应控制功能的请求触发条件示意图；
图4为NH3供给量的自适应控制功能的运行过程描述示意图；
图5为NH3供给量的自适应控制功能修正因子的计算方法流程图；
图6为NH3消耗比例偏差程度与绝对修正因子关系曲线示意图。
具体实施方式
如图1所示，SCR系统工作时，SCR控制单元(DCU)从CAN总线读取转速、扭矩、喷油量、冷却水温度、增压压力、进气温度、排气温度、NOx传感器测得的上游NOx浓度等信号，以此计算得到的废气质量流量、SCR系统热力学状态等作为控制算法的输入条件计算出系统所需的还原剂质量，再通过DCU控制尿素泵和尿素喷嘴等执行机构准确的喷入相应的还原剂。
DCU依据采样周期内扭矩百分比的变化计算得到负荷变化率，以转速、扭矩百分比(发动机负荷)、负荷变化率、增压压力、冷却水温和进气温度作为输入，虚拟NOx传感器预估出原机排放NOx浓度和废气质量流量。NOx传感器测得排气O2浓度信号后通过CAN总线发送给SCR控制器，通过单片机计算得到催化器上游的NOx质量流量。同时，控制器接收SCR催化器上下游的温度传感器采集的温度信号以及NOx传感器采集的催化器下游NOx浓度信号，通过和基于NOx传感器得到的上游NOx浓度进行比较，得到SCR系统实时的NOx转化效率，比对转化效率阈值从而做出NOx排放是否超标的判定。
本实施例SCR系统还原剂供给量自适应修正方法的步骤如图2所示。
本实施例自适应修正方法如下，首先由上、下游NOx传感器计算SCR系统的NOx的转化效率，与通过模型预估SCR系统出口状态条件和气体组分浓度(包括SCR系统的NOx转化效率)进行比较；如果两个效率的偏差超过一定比例，出现适合进行还原剂供给量修正的工况条件后；调整系统的还原剂供给比例，使其处欠喷射状态；通过传感器反馈值计算得到某段时间内的实际平均转化效率；通过模型计算得到某段时间内的模型平均转化效率；通过对实际平均转化效率和模型平均转化效率的对比计算从而获得还原剂供给量的修正系数；则可实现还原剂喷射量在系统排放状态异常情况下的自适应调整。
本实施例NH3供给量的自适应控制(用NH3_Adpt表示)功能的请求触发条件如图3所示。
由于还原剂的加注事件和系统出现异常的事件在概率统计学的角度是不可能连续发生的，故这一自适应修正动作也不应该频繁触发。因此，对NH3供给量的自适应控制功能的请求需要设置一定的条件来触发，本实施例以某种形式的计数器作为举例对该触发条件进行描述。
当发动机启动后，发动机当次运行时间计时器开始工作，一旦发动机当次运行时间超过设定值，则触发另一个条件计数器，同时该发动机当次运行时间计时器置零，直至下一次发动机点火信号到来后再次开始计时；如果在超过设定值之前发动机停机，发动机当次运行时间计时器同样将置零。
条件计数器的运行规则如下：
1、条件计数器只能自增或停止，不能自减；
2、条件计数器的自增条件可通过开关选择如下的某种或同时复用。
(1)形式一，同时满足某些条件的累积时间：①发动机转速超过一定限值(一般设定为怠速以上100～200rpm)；②测量的DeNOx效率高于限值(一般设定为20％以上即可，表明SCR系统已经结束冷机等待状态，开始工作)；
(2)形式二，为SCR系统累计供给的还原剂质量：当SCR系统开始工作并有还原剂喷入系统后，将累计喷入系统的还原剂质量进行累加。
3、条件计数器的停止条件为：上述自增条件不满足时，停止自增；
4、条件计数器的清零条件为：计时器的累计值达到某一限值并触发NH3_Adpt功能的请求标志位置1，开始操作后置0；累计值停机不会清零；
当以上条件满足后，发出NH3_Adpt功能的请求，且系统开始响应后一段时间内不能再次发出请求。
本实施例NH3供给量的自适应控制(NH3_Adpt)功能的运行过程如图4所示。
对NH3供给量的自适应控制功能共有5个状态：
状态0为闭环喷射控制状态，此时还未得到NH3供给量的自适应控制功能的请求信息。
状态1为得到NH3供给量的自适应控制功能的请求信息，但还没有进入适合自适应修正动作的触发条件。
状态2为NH3供给量的自适应控制功能的动作触发条件已满足，系统停止尿素喷射，清空催化剂；此状态持续至通过上下游NOx传感器实测值算得的转化效率和模型算得的转化效率都低于标定限值后结束，随后进入状态3并开始以固定比例的供给率进行欠喷射动作。
状态3为系统的稳定状态期，当开始以固定比例的供给率进行欠喷射动作后，SCR催化系统需要一定的时间适应喷射量从无到有的动态过程，经过这一段等待系统状态稳定的过程后，SCR系统的转化效率一致性表现将更为优异，为后期进行修正因子的计算奠定良好的环境基础。
状态4为修正因子计算阶段，计算NH3的喷射偏差；首先通过模型转化效率计算得到的累计消耗的NH3(此为系统正常状态下按照当前供给系数所应该消耗的NH3累积值)，然后通过上下游NOx传感器实际测量得到的结果，通过化学反应计量关系换算得到实际反应过程中累计消耗的NH3(由系统当前状态下的实际反应能力所决定的)，通过上面两个累积值算出比例偏差后，再通过偏差-修正关系曲线得到最终需要引入还原剂供给系统的修正因子(依据偏差-修正关系曲线的特征，只有当累积的偏差总和超过一定限度(需标定)时才释放一个修正因子)，将修正因子应用到喷射控制中以修正最终喷射量。
正常情况下系统处于闭环喷射控制状态(状态0)；当得到NH3供给量的自适应控制功能的请求信息后进入状态1，等待动作触发条件满足；当前述的动作触发条件都满足后进入状态2，控制系统将触发停喷动作，此时NH3喷射将被关闭以清空催化剂载体上的储氨，该停喷动作将一直持续到通过上下游NOx传感器实测值算得的转化效率和模型算得的转化效率都低于标定限值，此时状态2完成，开始进入状态3(基于SCR催化器储氨特性和转化效率的对应关系，此时可以认为催化器内部的储氨基本已经被完全消除)。当通过上下游NOx传感器实测值算得的转化效率和模型算得的转化效率(2个效率)都低于限值后，开始以某一固定的比例(一般选择0.7左右的供给率)喷射还原剂(状态3)，等待一段时间后2个效率会逐渐稳定，此时状态3宣告结束，开始进入状态4；2个效率相对稳定后，如果系统存在问题则其会产生相对固定的偏差，此时基于这2个存在偏差的效率对过程中消耗的NH3进行积分计算，当累积的NH3计算量超过一定质量且持续的积分时间足够长后，将产生一个计算结果，此时状态4完成，系统重新回到状态0。
本实施例NH3供给量的自适应控制功能修正因子的计算方法流程如图5所示。
SCR下游NOx浓度的模型计算值、废气质量流量、NH3的摩尔质量和上游NOx浓度值输入SCR反应消耗的NH3质量流量计算模块(模型计算)经积分器，积分周期内通过模型值计算得到的SCR反应累计消耗NH3质量；SCR下游NOx浓度的传感器计算值、废气质量流量、NH3的摩尔质量和上游NOx浓度值输入SCR反应消耗的NH3质量流量计算模块(传感器实测计算)经积分器，积分周期内通过传感器值计算得到的SCR反应累计消耗NH3质量；积分周期内通过模型值计算得到的SCR反应累计消耗NH3质量与积分周期内通过传感器值计算得到的SCR反应累计消耗NH3质量比较，获得NH3消耗比例偏差。
本实施例NH3消耗比例偏差与绝对修正因子关系曲线如图6所示。
计算得到NH3消耗比例偏差后，再通过偏差-修正关系曲线(典型的修正曲线如图6所示)得到最终需要引入还原剂供给系统的修正因子，将修正因子应用到喷射控制中以修正最终喷射量。
Claims (8)
1.一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述方法在SCR系统的上、下游安装NOx传感器；通过模型预估SCR系统在正常工作状态下喷入已知质量的还原剂后系统出口处的理论NOx浓度；并结合已经获得的上游NOx浓度来计算NOx转化效率；并将这一模型计算得到的NOx转化效率与通过实际传感器测得的转化效率进行比较；从而确立SCR系统还原剂供给量的修正系数，实现NH3供给量的自适应控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)通过SCR系统的入口状态条件和气体组分浓度，预估理想状态下的SCR系统出口状态条件和气体组分浓度；
(2)通过对发动机排气条件和后处理系统状态参数的辨识，筛选出适合进行还原剂供给量修正的工况条件；
(3)当检测到SCR系统排放状态异常，且排气工况状态满足修正所需的环境条件要求时，调整系统的还原剂供给比例，使其处于一定比例的欠喷射状态，以排除NH3泄露对NOx传感器测量值的交叉干扰；
(4)在一段时间内，借助位于SCR系统上、下游的NOx传感器获得SCR系统上、下游的NOx浓度测量值，通过积分得到这段时间内的实际平均转化效率；
(5)在相同的这段时间内，记录位于SCR系统上游的NOx传感器测量值和模型计算的SCR系统下游NOx浓度值，通过积分得到这段时间内的模型平均转化效率；
(6)通过比较这段时间内的实际平均转化效率和模型平均转化效率，获得还原剂供给量的修正系数；
(7)将计算得到的修正系数乘以目标还原剂供给量，实现还原剂喷射量在系统排放状态异常情况下的自适应调整。
3.根据权利要求2所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述工况条件至少需超过正常平均修正时间的1.5倍才能完成一次有效的修正。
4.根据权利要求2所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述后处理系统状态参数包括排气温度、排气空速、发动机工作模式和后处理系统工作模式。
5.根据权利要求2所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述实际平均转化效率如下式：
其中t1为延时周期，表示气体从上游NOx传感器流动至下游NOx传感器的流经时间。
6.根据权利要求2所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述模型平均转化效率如下式：
其中t1为延时周期，表示气体从上游NOx传感器流动至下游NOx传感器的流经时间。
7.根据权利要求1所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述下游安装NOx传感器必须为真实的NOx传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于模型的SCR系统还原剂供给量自适应修正方法，其特征在于，所述模型为预先建立的SCR系统热力学模型和化学反应动力学模型。
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