CN111365101A - 一种测量发动机后处理后端气体温度的方法 - Google Patents

一种测量发动机后处理后端气体温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种测量发动机后处理后端气体温度的方法。该方法包括以下步骤：步骤一、取消发动机后处理后端温度传感器，应用虚拟温度传感器替代实际温度传感器；步骤二、利用虚拟温度传感器测得后处理后端的温度。本发明通过SCR入口温度传感器的测量值，充分考虑对流换热、辐射散热、气体反应热等因素，得到后处理后端温度传感器处温度，并取消布置后处理后端温度传感器。本发明节约后处理空间，提升产品竞争力、可靠性。

Description

一种测量发动机后处理后端气体温度的方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种测量发动机后处理后端气体温度的方法。
背景技术
随着全国汽车保有量逐渐增高，环境污染问题日益严重，为进一步改善空气质量，国家环保局出台了严格的排放法规，在国六阶段，为满足排放法规，很多商用车汽车厂商在后处理中布置柴油氧化催化器(DOC)、颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)。其中DOC采用贵金属催化剂，将发动机排气中微粒、HC、CO、NO等有害物质进一步氧化，进而降低排气中的HC、CO和PM。DPF作为排气系统过滤器，主要捕集尾气中的过滤物，并通过再生的方式降低排气中的PM量。SCR利用尿素和排气中的氮氧化物选择性还原反应，降低排气中氮氧化物含量。
为保证后处理系统有效净化排气的作用，通常在后处理后端布置温度传感器、PM传感器等传感器。其中后处理后端温度传感器的作用为：第一、可以检测后处理后端温度、第二可以作为某些传感器露点策略的输入信号，起到保护其他传感器的作用等。
这种在发动机后处理后端布置温度传感器的布置结构存在一定缺点，第一、温度传感器价格昂贵，不利于提高产品市场竞争力。第二，传感器工作条件恶劣，容易造成传感器损坏等。
为节约后处理空间，提升产品竞争力、可靠性，可以应用虚拟温度传感器代替后处理后端温度传感器。
发明内容
本发明取消后处理后端温度传感器，应用虚拟温度传感器替代实际温度传感器，并且利用虚拟温度传感器测得后处理后端的温度，解决了现有用实际温度传感器测得后处理后端温度存在的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、取消发动机后处理后端温度传感器，应用虚拟温度传感器替代实际温度传感器；
步骤二、利用虚拟温度传感器测得后处理后端的温度。
所述步骤二的具体方法如下：
21)计算后处理后端气体能量；具体如下：
根据能量守恒原理：
Qout＝Qin-QSCR....................(1)
式中，Qout为后处理后端气体的能量；Qin为SCR入口气体的能量，根据SCR入口温度传感器(5)的测量值能够计算SCR入口能量；QSCR为SCR影响气体能量变化量，通过计算SCR壁温变化量计算QSCR；
其中，
Figure BDA0002409872430000021
Figure BDA0002409872430000022
式中：cpEG为排气比热；mEG为气体质量；mSCR为SCR质量；Tout为后处理后端温度；Tin为SCR入口温度；Tw为SCR载体温度；
对于载体温度变化，主要考虑对流传热、辐射传热和气体间反应所产生的热量：
即：
Figure BDA0002409872430000023
式中：
Figure BDA0002409872430000024
表征对流换热对SCR温度的影响；
Figure BDA0002409872430000025
表征辐射传热对SCR的影响；
Figure BDA0002409872430000026
表征各气体之间反应对SCR温度的影响。
所述
Figure BDA0002409872430000027
式中：Tw1为载体温度；hw为对流换热系数；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；cow为载体比热；Tg为排气温度。
所述
Figure BDA0002409872430000028
式中：Tw2为载体温度；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ε为黑度；σ为气体辐射常量；Tamb为环境温度。
所述
Figure BDA0002409872430000029
表征的各气体之间反应对SCR温度的影响主要包括氨氧化反应和氨与氮氧化物NOx之间的反应；其中，氨与氮氧化物NOx存在三种反应：标准反应、快反应和慢反应；
(1)氨气和氧气之间的反应：
NH3+3O2→2N2+6H2O；ΔHox
氨氧化反应速率为：
Figure BDA00024098724300000210
式中：
Figure BDA00024098724300000211
为氨在SCR中的存储能力；Kox为指前因子；Eox为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；ΔHox为氧化反应反应热；
(2)氨气与氮氧化物NOx标准反应：
4NH3+O2+4NO→4N2+6H2O；ΔHstQ
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000031
式中，
Figure BDA0002409872430000032
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；KstQ为指前因子；EstQ为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA0002409872430000033
为NOx浓度；ΔHstQ为标准反应反应热；
(3)氨气与氮氧化物NOx快反应：
4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O；ΔHfast
氨气与NOx快反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000034
式中：
Figure BDA0002409872430000035
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kfast为指前因子；Efast为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA0002409872430000036
为NOx浓度；ΔHfast为快反应反应热；
(4)氨气与氮氧化物NOx慢反应：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O；ΔHslow
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000037
式中：
Figure BDA0002409872430000038
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kslow为指前因子；Eslow为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA0002409872430000039
为NOx浓度；ΔHslow为慢反应反应热；
综上分析可知：
Figure BDA00024098724300000310
式中：Tw3为载体温度；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ΔHox为氧化反应反应热；ΔHstd为标准反应反应热；ΔHfast为快反应反应热；ΔHslow为慢反应反应热；cpEG为气体比热；Lw为SCR载体长度；Rox为氨氧化反应速率；RstQ为标准反应速率；Rfast为快反应速率；Rslow为慢反应速率。
通过联立方程(1～8)，即可得到后处理出口温度Tout。
本发明的有益效果为：
本发明由于取消后处理后端温度传感器，节约实际传感器成本，并节约后处理空间，为整车布置提供更多灵活性，从而提升产品竞争力、可靠性。
附图说明
图1为一种后处理布置结构示意图；
图2为虚拟温度传感器计算原理图；
图3为虚拟温度传感器模型计算温度值和真实温度传感器测量值对比示意图。
图中：1、柴油氧化催化器；2、颗粒捕捉器；3、选择性催化还原器SCR；4、后处理后端温度传感器；5、SCR入口温度传感器；6、NOx传感器；7、SCR腔；8、后处理后端。
具体实施方式
参阅图1，一种后处理布置结构，此后处理元件布置顺序为柴油氧化催化器1、颗粒捕捉器2、SCR入口温度传感器5、选择性催化还原器SCR 3、后处理后端温度传感器4、NOx传感器6。发动机高温排气通过柴油氧化催化器1、颗粒捕捉器2后温度会下降，SCR入口温度通过SCR入口温度传感器5进行测量，本发明通过SCR入口温度传感器5的测量值，充分考虑对流换热、辐射散热、气体反应热等因素，得到后处理后端温度传感器处温度，并取消布置后处理后端温度传感器。
参阅图2，应用SCR入口温度传感器5测量值计算SCR入口能量，在SCR腔体7中温度发生变化，通过虚拟温度传感器计算后处理后端8位置温度。影响温度变化的主要因素为SCR后处理与环境之间的对流换热、催化器与周围环境的辐射换热、SCR内部各种气体之间反应产生的热量。根据能量守恒原理：
Qout＝Qin-QSCR....................(1)
式中，Qout为后处理后端气体的能量；Qin为SCR入口气体的能量，根据SCR入口温度传感器5的测量值能够计算SCR入口能量；QSCR为SCR影响气体能量变化量，通过计算SCR壁温变化量计算QSCR；
其中，
Figure BDA0002409872430000041
Figure BDA0002409872430000042
式中：cpEG为排气比热；mEG为气体质量；mSCR为SCR质量；Tout为后处理后端温度；Tin为SCR入口温度；Tw为SCR载体温度；
对于载体温度变化，主要考虑对流传热、辐射传热和气体间反应所产生的热量：
即：
Figure BDA0002409872430000051
式中：
Figure BDA0002409872430000052
表征对流换热对SCR温度的影响；
Figure BDA0002409872430000053
表征辐射传热对SCR的影响；
Figure BDA0002409872430000054
表征各气体之间反应对SCR温度的影响；
考虑对流传热因素：
Figure BDA0002409872430000055
式中：Tw1为载体温度；hw为对流换热系数；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；cpw为载体比热；Tg为排气温度。
考虑辐射传热因素：
Figure BDA0002409872430000056
式中：Tw2为载体温度；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ε为黑度；σ为气体辐射常量；Tamb为环境温度。
考虑各气体之间反应因素：
气体之间的反应主要包括氨氧化反应和氨与氮氧化物NOx之间的反应；其中，氨与氮氧化物NOx存在三种反应：标准反应、快反应和慢反应；
(1)氨气和氧气之间的反应：
NH3+3O2→2N2+6H2O；ΔHox
氨氧化反应速率为：
Figure BDA0002409872430000057
式中：
Figure BDA0002409872430000058
为氨在SCR中的存储能力；Kox为指前因子；Eox为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；ΔHox为氧化反应反应热；
(2)氨气与氮氧化物NOx标准反应：
4NH3+O2+4NO→4N2+6H2O；ΔHstQ
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000059
式中，
Figure BDA00024098724300000510
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；KstQ为指前因子；EstQ为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA00024098724300000511
为NOx浓度；ΔHstQ为标准反应反应热；
(3)氨气与氮氧化物NOx快反应：
4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O；ΔHfast
氨气与NOx快反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000061
式中：
Figure BDA0002409872430000062
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kfast为指前因子；Efast为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA0002409872430000063
为NOx浓度；ΔHfast为快反应反应热；
(4)氨气与氮氧化物NOx慢反应：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O；ΔHslow
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure BDA0002409872430000064
式中：
Figure BDA0002409872430000065
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kslow为指前因子；Eslow为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure BDA0002409872430000066
为NOx浓度；ΔHslow为慢反应反应热；
综上分析可知：
Figure BDA0002409872430000067
式中：Tw3为载体温度；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ΔHox为氧化反应反应热；ΔHstd为标准反应反应热；ΔHfast为快反应反应热；ΔHslow为慢反应反应热；cpEC为气体比热；Lw为SCR载体长度；Rox为氨氧化反应速率；Rstd为标准反应速率；Rfast为快反应速率；Rslow为慢反应速率。
通过以上分析，联立方程(1～8)，即可得到后处理出口温度Tout。
参阅图3，通过整理前面所述原理，即可得到后处理后端气体温度的计算值，即虚拟温度传感器温度计算值。通过道路试验，得到后处理后端气体温度计算值与实际温度传感器测量值对比曲线，实验证明通过该方法测得的后处理后端气体温度误差小，具有一定的可靠性。

Claims (5)

1.一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、取消发动机后处理后端温度传感器，应用虚拟温度传感器替代实际温度传感器；
步骤二、利用虚拟温度传感器测得后处理后端的温度。
2.根据权利要求1所述的一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：
21)计算后处理后端气体能量；具体如下：
根据能量守恒原理：
Qout＝Qi0-QSCR....................(1)
式中，Qout为后处理后端气体的能量；Qin为SCR入口气体的能量，根据SCR入口温度传感器(5)的测量值能够计算SCR入口能量；QSCR为SCR影响气体能量变化量，通过计算SCR壁温变化量计算QSCR；
其中，
Figure FDA0002409872420000011
Figure FDA0002409872420000012
Figure FDA0002409872420000013
式中：cpEG为排气比热；mEG为气体质量；mSCR为SCR质量；Tout为后处理后端温度；Tin为SCR入口温度；Tw为SCR载体温度；
对于载体温度变化，主要考虑对流传热、辐射传热和气体间反应所产生的热量：
即：
Figure FDA0002409872420000014
式中：
Figure FDA0002409872420000015
表征对流换热对SCR温度的影响；
Figure FDA0002409872420000016
表征辐射传热对SCR的影响；
Figure FDA0002409872420000017
表征各气体之间反应对SCR温度的影响。
3.根据权利要求2所述的一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002409872420000018
式中：Tw1为载体温度；hw为对流换热系数；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；cpw为载体比热；Tg为排气温度。
4.根据权利要求3所述的一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002409872420000019
式中：Tw2为载体温度；pw为SCR横截面的周长；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ε为黑度；σ为气体辐射常量；Tamb为环境温度。
5.根据权利要求4所述的一种测量发动机后处理后端气体温度的方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002409872420000021
表征的各气体之间反应对SCR温度的影响主要包括氨氧化反应和氨与氮氧化物NOx之间的反应；其中，氨与氮氧化物NOx存在三种反应：标准反应、快反应和慢反应；
(1)氨气和氧气之间的反应：
NH3+3O2→2N2+6H2O；ΔHox
氨氧化反应速率为：
Figure FDA0002409872420000022
式中：
Figure FDA0002409872420000023
为氨在SCR中的存储能力；Kox为指前因子；Eox为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；ΔHox为氧化反应反应热；
(2)氨气与氮氧化物NOx标准反应：
4NH3+O2+4NO→4N2+6H2O；ΔHstQ
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure FDA0002409872420000024
式中，
Figure FDA0002409872420000025
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；KstQ为指前因子；EstQ为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure FDA00024098724200000210
为NOx浓度；ΔHstQ为标准反应反应热；
(3)氨气与氮氧化物NOx快反应：
4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O；ΔHfast
氨气与NOx快反应反应速率为：
Figure FDA0002409872420000026
式中：
Figure FDA0002409872420000027
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kfast为指前因子；Efast为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure FDA0002409872420000029
为NOx浓度；ΔHfast为快反应反应热；
(4)氨气与氮氧化物NOx慢反应：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O；ΔHslow
氨气与NOx标准反应反应速率为：
Figure FDA0002409872420000028
式中：
Figure FDA0002409872420000031
为氨在SCR中的存储能力；R为理想气体常数；Kslow为指前因子；Eslow为活化能；Tw为SCR催化器温度；θ为氨覆盖率；
Figure FDA0002409872420000033
为NOx浓度；ΔHslow为慢反应反应热；
综上分析可知：
Figure FDA0002409872420000032
式中：Tw3为载体温度；ρw为排气浓度；Aw为SCR横截面积；ΔHox为氧化反应反应热；ΔHstd为标准反应反应热；ΔHfast为快反应反应热；ΔHslow为慢反应反应热；cpEG为气体比热；Lw为SCR载体长度；Rox为氨氧化反应速率；RstQ为标准反应速率；Rfast为快反应速率；Rslow为慢反应速率；
通过联立方程(1～8)，即可得到后处理出口温度Tout。
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