CN111828150B - 一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法 - Google Patents

一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：分别采集后处理器小样台架试验中气体浓度数据和发动机台架的温度数据；将采集的温度数据输入SCR温度模型中计算得到SCR后处理器中不同轴向位置的温度场分布；将采集的气体浓度数据和温度场分布输入SCR化学动力学模型中计算后与发动机台架采集的每种气体成分流入催化器的量输入到气体浓度方程中，得到SCR载体计算氨存储，之后将所述SCR载体计算氨存储和SCR载体氨存储预设值进行判断，进而实现尿素的喷射控制。本发明通过正向计算SCR载体中氨存储量，实现尿素喷射的闭环控制，从而实现尾气NOx的转化率达到96％以上，使得排放最终满足国六及以上排放法规要求。

Description

一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法
技术领域
本发明涉及汽车领域，具体涉及一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法。
背景技术
目前，随着发动机排放法规的升级，国六法规NOx(氮氧化物)要求更加严格。为了达到国六排放法规的要求，普遍采用SCR(选择性催化还原：Selective catalyticreducyion)后处理器来还原NOx。其中，尿素喷射控制是关键，一方面尿素要达到一定的喷射量，才能保证高效率的NOx转化，使得排放满足国六排放法规的要求，另一方面，从经济性和尿素结晶的层面，尿素喷射量也不能过多。因此，精确的控制尿素喷射是核心技术。
CN109411027A公开了一种Urea-SCR控制参数离线标定系统，包括仿真模型、仿真值和目标值对比单元、仿真参数调整单元，运行时，仿真模型先根据工况信息存储器存储的工况信息计算得到尿素喷射量仿真值或喷后NOx/NH3排放量仿真值并将其传送给仿真值和目标值对比单元，随后仿真值和目标值对比单元将接收的仿真值与目标值进行对比，若∣仿真值-目标值∣＞e，则由仿真参数调整单元对仿真参数进行调整后输入仿真模型中进行下一轮的仿真计算，若∣仿真值-目标值∣＜e，则标定结束，其中，e为允许的最大偏差值。该设计不仅缩短了标定周期、节省了标定成本，而且显著降低了标定的工作强度。然而其通过仿真模型得到的是尿素喷射量或喷后NOx/NH3排放量，尿素的喷射量只能通过氨氮比开环的方式进行控制，无法实现尿素喷射的自动闭环控制，因此也无法实现尿素喷射的精确控制。
CN106837497A公开了一种基于实时储氨量管理的柴油机催化还原尿素喷射控制方法：根据SCR系统氨质量守恒建立储氨量计算模型，计算实际工况下SCR当前时刻的储氨量；基于稳态实验标定出发动机NOx排放脉谱、排气质量流量脉谱和氨氮比脉谱，计算出基本尿素喷射量；通过实验标定目标储氨量区域、氨吸附时间常数和氨释放时间常数，计算出修正尿素喷射量；实际工况下，以基本尿素喷射量与修正尿素喷射量之和对尿素喷射进行控制，在排气温度突增的工况下辅以尿素缓喷和停喷，使得SCR当前时刻的储氨量逼近目标储氨量区域。然而其基于传统台架标定，存在以下缺陷：(1)标定周期长，试验方法需要先针对万有特性超过上百个工况点进行单点试验，工作量巨大。(2)标定参数较多，包括SCR最大氨存储量、NOx转化效率、氨吸附时间常数脉谱和氨释放时间常数脉谱等参数标定，标定复杂，而且边界条件较难控制，容易出现试验误差；(3)标定氨吸附时间常数脉谱和氨释放时间常数脉谱，要求SCR出口NH3浓度达到10ppm，而实际台架标定试验中，由于SCR本身氨存储能力较强，加上后处理器上有专门吸收氨泄漏的ASC，因此要达到该条件，每个工况点需要花费0.5-1小时不等的时间，标定方法复杂，周期长，成本高。
为了精确控制SCR后处理器中尿素的喷射量，需要对SCR后处理器中发生的复杂化学反应进行精细标定，传统标定方法，主要以发动机台架标定为主，需要针对万有特性超过上百个工况点进行单点试验，再通过标准的WHTC(瞬态循环：World harmonised transientcycle)和WHSC(稳态循环：World harmonised steady state cycle)进行验证，该方法存在标定周期漫长、成本高，耗费大量的人力和物力，且对标定人员的专业水平和经验要求较高等劣势。此外，尿素喷射的方式基本都是开环控制的，只适合发动机稳定工况工作，当整车实际运行时，都是在瞬态工况工作，这样按照传统标定方法控制的尿素喷射就会存在较大误差。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法，可以实现发动机在不同的工况工作时，喷射不同的尿素量,保证尿素喷射量既不多，也不少；提升发动机SCR后处理器尿素喷射量的标定效率，摒弃传统的标定方法。同时，可以大大缩减台架、整车试验时间，节约开发成本，提升产品研发效率，本发明方法适用广，可以推广到所有发动机后处理器尿素喷射的开发应用上。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
(1)分别采集后处理器小样台架试验中气体浓度数据和发动机台架的温度数据；
(2)将步骤(1)采集的温度数据输入SCR温度模型中计算得到SCR后处理器中不同轴向位置的温度场分布；
(3)将步骤(1)采集的气体浓度数据和步骤(2)的温度场分布输入SCR化学动力学模型中计算后与发动机台架采集的每种气体成分流入催化器的量输入到气体浓度方程中，得到SCR载体计算氨存储，之后将所述SCR载体计算氨存储和SCR载体氨存储预设值进行判断，进而实现尿素的喷射控制。
本发明通过正向计算SCR载体中氨存储量，实现尿素喷射的闭环控制，从而实现尾气NOx的转化率达到96％以上，使得排放最终满足国六及以上排放法规要求。在SCR化学动力学标定上，可以脱离传统台架繁琐的单点标定工作，通过后处理器小样台架，可以单独精确控制SCR后处理器中发生的化学反应，通过几组典型化学反应的试验数据采集，就能实现SCR后处理器化学动力学参数的快速拟合和标定。本方法可应用于不同机型尿素闭环控制的标定上，可以极大提升SCR标定效率，缩减台架、整车试验时间，节约开发成本，提升产品研发效率。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述后处理器小样台架包括依次连接气体存储罐、气体混合单元、热交换器、催化反应器及尾气处理单元。
作为本发明优选的技术方案，所述热交换器和所述尾气处理单元之间还设置有排放仪。
优选地，所述排放仪和所述催化反应器并联设置。
本发明中，在小样台架中，可以控制不同气体成分的混合，经过热交换器进行气体加热，从而模拟发动机SCR后处理器在不同工况，不同温度下的反应。催化反应器是截取SCR后处理器的一部分为样本进行试验，可以便捷模拟发动机SCR后处理器中发生的真实化学反应，通过排放仪采集试验前后不同气体浓度的变化。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述气体浓度数据通过所述排放仪得到。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述气体浓度数据包括实验前的气体浓度和试验后的气体浓度。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述采集的发动机台架数据还包括发动机转速、发动机扭矩、SCR后处理器上游气体浓度的输入、上一时刻尿素喷射量。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述SCR温度模型包括SCR温度载体变化、排气向壁面热传递模型和壁面向大气热传递模型。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述化学动力学模型包括氨吸附-解吸反应、标准反应、快反应、慢反应、氨气氧化反应和一氧化氮氧化反应。
本发明中，在SCR化学动力学模型中，包含但不限于以下七个化学反应方程：
(1)在SCR催化器涂层上NH3吸附反应：NH3+S→NH3(S)；
(2)在SCR催化器涂层上NH3解吸附反应：NH3(S)→NH3+S；
(3)标准反应：4NH3(S)+4NO+O2→4N2+6H2O；
(4)快反应：4NH3(S)+2NO+2NO2→4N2+6H2O；
(5)慢反应：8NH3(S)+6NO2→7N2+12H2O；
(6)NH3氧化反应：4NH3(S)+3O2→2N2+6H2O；
(7)NO氧化反应：NO+0.5O2→NO2；
上述反应中，各气体的消耗速率可以用下式表示：
Figure BDA0002588207120000051
上式中，符号[Xi]表示混合物中第i种组分的浓度(SI单位是kmol/m3),负号表示该气体浓度是减少的，指数l、m、n指的是反应级数。
kG是反应速率常数，与温度相关，可以用阿伦尼乌斯公式表示：
Figure BDA0002588207120000052
上式中，A为指前因子，EA表示反应的活化能，R是摩尔气体常数，T为反应温度。
以上计算各气体浓度消耗速率的各个化学动力学参数均可通过小样台架试验得出。
在气体浓度方程中，每种气体成分的变化计算公式如下：
气体浓度变化＝流入催化器的气体量-催化器内反应消耗的气体量
上式中，每种气体成分流入催化器的量是已知的，可以通过发动机台架数据采集获取，催化器内反应消耗可以根据化学动力学模型进行求解。根据不同气体浓度方程联立并通过迭代求解，可以得到SCR后处理器下游各气体成分的组成和SCR载体实际氨存储。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述判断为若所述SCR载体计算氨存储小于SCR载体氨存储预设值，则增加尿素喷射量。
优选地，若所述SCR载体计算氨存储大于SCR载体氨存储预设值，则减少尿素喷射量。
优选地，若所述SCR载体计算氨存储等于SCR载体氨存储预设值，则维持当前尿素喷射量不变。
作为本发明优选的技术方案，所述控制方法包括如下步骤：
(1)分别采集后处理器小样台架试验中气体浓度数据和发动机台架的温度数据；所述后处理器小样台架包括依次连接气体存储罐、气体混合单元、热交换器、催化反应器及尾气处理单元；所述热交换器和所述尾气处理单元之间还设置有排放仪；所述排放仪和所述催化反应器并联设置；所述气体浓度数据通过所述排放仪得到；所述气体浓度数据包括实验前的气体浓度和试验后的气体浓度；
(2)将步骤(1)采集的温度数据输入SCR温度模型中计算得到SCR后处理器中不同轴向位置的温度场分布；所述SCR温度模型包括SCR温度载体变化、排气向壁面热传递模型和壁面向大气热传递模型；
(3)将步骤(1)采集的气体浓度数据和步骤(2)的温度场分布输入SCR化学动力学模型中计算后与发动机台架采集的每种气体成分流入催化器的量输入到气体浓度方程中，得到SCR载体计算氨存储，之后将所述SCR载体计算氨存储和SCR载体氨存储预设值进行判断，进而实现尿素的喷射控制；所述化学动力学模型包括氨吸附-解吸反应、标准反应、快反应、慢反应、氨气氧化反应和一氧化氮氧化反应；
若所述SCR载体计算氨存储小于SCR载体氨存储预设值，则增加尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储大于SCR载体氨存储预设值，则减少尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储等于SCR载体氨存储预设值，则维持当前尿素喷射量不变。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明通过正向计算SCR载体中氨存储量，实现尿素喷射的闭环控制，从而实现尾气NOx的转化率达到96％以上，使得排放最终满足国六及以上排放法规要求。
(2)在SCR化学动力学标定上，可以脱离传统台架繁琐的单点标定工作，通过后处理器小样台架，可以单独精确控制SCR后处理器中发生的化学反应，通过几组典型化学反应的试验数据采集，就能实现SCR后处理器化学动力学参数的快速拟合和标定。
(3)本方法可应用于不同机型尿素闭环控制的标定上，可以极大提升SCR标定效率，缩减台架、整车试验时间，节约开发成本，提升产品研发效率。
附图说明
图1是本发明实施例中发动机后处理器尿素喷射的控制方法的示意图；
图2是本发明实施例中后处理器小样台架的示意图；
图3是本发明实施例中后处理器小样台架测量NH3的吸附能力数据图；
图4是本发明实施例中后处理器小样台架测量标准反应中NO转化效率数据图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例
本实施例提供一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法，如图1所示：
(1)试验数据采集，包括后处理器小样台架试验数据采集和发动机台架数据采集。其中，采集的发动机台架数据包括发动机转速、扭矩、SCR后处理器上游NO、NOx、O2等气体浓度的输入、SCR后处理器上游温度，上一时刻尿素喷射量。
后处理器小样台架，如图2所示，包括气体存储罐、气体混合单元、热交换器、催化反应器、尾气处理单元和排放仪。在小样台架中，可以在试验气体混合单元中控制不同气体成分的混合，经过热交换器进行气体加热，从而模拟发动机SCR后处理器在不同温度下的反应。催化反应器是截取SCR后处理器的一部分为样本进行试验，可以便捷模拟发动机SCR后处理器中发生的真实化学反应，通过排放仪采集试验前后气体浓度的变化。根据小样台架的数据，可以拟合出SCR化学动力学模型中所需的化学动力学参数。
图3和图4分别展示在小样台架中测量得到的SCR载体中NH3存储能力和标准反应中NO的转化效率，其余SCR中化学反应转化效率数据的测量类似。根据小样台架测量的SCR中各气体反应转化效率数据，可以拟合出SCR化学动力学模型中所需的化学动力学参数。
(2)SCR后处理器温度场计算：SCR温度模型包括SCR载体温度变化、排气向壁面热传递模型和壁面向大气热传递模型三部分，即：
SCR催化器温度变化＝排气向壁面传递的热量-壁面向大气热传递模型。
通过SCR温度模型，可以求解SCR后处理器中不同轴向位置(沿气流方向)的温度场分布，并将温度场作为SCR化学动力学模型的输入。
(3)SCR后处理器不同气体浓度变化率计算：由SCR化学动力学模型计算SCR后处理器不同气体浓度的变化率，在SCR化学动力学模型中，输入有两个，一个是后处理器小样台架试验中拟合的化学动力学参数，一个是SCR温度模型计算的SCR后处理器中不同轴向位置(沿气流方向)的温度场分布。
(4)SCR载体氨存储计算：通过气体浓度方程，可以求解出SCR载体计算氨存储。在气体浓度方程中，每种气体成分的变化计算公式如下：
气体浓度变化＝流入催化器的气体量-催化器内反应消耗的气体量
上式中，每种气体成分流入催化器的量是已知的，通过发动机台架数据采集获取，催化器内反应消耗可以根据化学动力学模型进行求解。根据不同气体浓度方程联立并通过迭代求解，可以得到SCR后处理器下游各气体成分的组成和SCR载体实际氨存储。
(5)尿素喷射控制：通过SCR化学动力学模型、SCR温度模型和气体浓度方程三部分求取得到的SCR载体计算氨存储，和SCR载体目标氨存储(SCR载体氨存储预设值)进行对比，达到尿素喷射控制的目的。
若所述SCR载体计算氨存储小于SCR载体氨存储预设值，则增加尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储大于SCR载体氨存储预设值，则减少尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储等于SCR载体氨存储预设值，则维持当前尿素喷射量不变。
通过本发明的方法，可以在发动机任何运行工况，准确地、高效地调整尿素喷射量，实现尿素喷射精确的闭环控，从而实现尾气NOx的转化率为96％以上，使得排放最终满足国六及以上排放法规要求。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种发动机后处理器尿素喷射的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)分别采集后处理器小样台架试验中气体浓度数据和发动机台架的温度数据；
(2)将步骤(1)采集的温度数据输入SCR温度模型中计算得到SCR后处理器中不同轴向位置的温度场分布；
(3)将步骤(1)采集的气体浓度数据和步骤(2)的温度场分布输入SCR化学动力学模型中计算后与发动机台架采集的每种气体成分流入催化器的量输入到气体浓度方程中，得到SCR载体计算氨存储，之后将所述SCR载体计算氨存储和SCR载体氨存储预设值进行判断，进而实现尿素的喷射控制；
步骤(2)所述SCR温度模型包括SCR温度载体变化、排气向壁面热传递模型和壁面向大气热传递模型；
步骤(3)所述SCR化学动力学模型包括氨吸附-解吸反应、标准反应、快反应、慢反应、氨气氧化反应和一氧化氮氧化反应；所述SCR化学动力学模型中的气体浓度变化＝流入催化器的气体量-催化器内反应消耗的气体量；式中，每种气体成分流入催化器的量是已知的，通过发动机台架数据采集获取，所述催化器内反应消耗的气体量根据化学动力学模型进行求解；根据不同气体浓度方程联立并通过迭代求解，得到所述SCR后处理器下游各气体成分的组成和所述SCR载体实际氨存储。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)所述后处理器小样台架包括依次连接气体存储罐、气体混合单元、热交换器、催化反应器及尾气处理单元。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述热交换器和所述尾气处理单元之间还设置有排放仪。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述排放仪和所述催化反应器并联设置。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)所述气体浓度数据通过所述排放仪得到。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)所述气体浓度数据包括实验前的气体浓度和试验后的气体浓度。
7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(1)所述采集后处理器小样台架试验中数据还包括发动机转速、发动机扭矩、SCR后处理器上游气体浓度的输入、上一时刻尿素喷射量。
8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)所述判断为若所述SCR载体计算氨存储小于SCR载体氨存储预设值，则增加尿素喷射量。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，若所述SCR载体计算氨存储大于SCR载体氨存储预设值，则减少尿素喷射量。
10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，若所述SCR载体计算氨存储等于SCR载体氨存储预设值，则维持当前尿素喷射量不变。
11.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)分别采集后处理器小样台架试验中气体浓度数据和发动机台架的温度数据；所述后处理器小样台架包括依次连接气体存储罐、气体混合单元、热交换器、催化反应器及尾气处理单元；所述热交换器和所述尾气处理单元之间还设置有排放仪；所述排放仪和所述催化反应器并联设置；所述气体浓度数据通过所述排放仪得到；所述气体浓度数据包括实验前的气体浓度和试验后的气体浓度；
(2)将步骤(1)采集的温度数据输入SCR温度模型中计算得到SCR后处理器中不同轴向位置的温度场分布；所述SCR温度模型包括SCR温度载体变化、排气向壁面热传递模型和壁面向大气热传递模型；
(3)将步骤(1)采集的气体浓度数据和步骤(2)的温度场分布输入SCR化学动力学模型中计算后与发动机台架采集的每种气体成分流入催化器的量输入到气体浓度方程中，得到SCR载体计算氨存储，之后将所述SCR载体计算氨存储和SCR载体氨存储预设值进行判断，进而实现尿素的喷射控制；所述SCR化学动力学模型包括氨吸附-解吸反应、标准反应、快反应、慢反应、氨气氧化反应和一氧化氮氧化反应；所述SCR化学动力学模型中的气体浓度变化＝流入催化器的气体量-催化器内反应消耗的气体量；式中，每种气体成分流入催化器的量是已知的，通过发动机台架数据采集获取，所述催化器内反应消耗的气体量根据化学动力学模型进行求解；根据不同气体浓度方程联立并通过迭代求解，得到所述SCR后处理器下游各气体成分的组成和所述SCR载体实际氨存储；
若所述SCR载体计算氨存储小于SCR载体氨存储预设值，则增加尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储大于SCR载体氨存储预设值，则减少尿素喷射量；若所述SCR载体计算氨存储等于SCR载体氨存储预设值，则维持当前尿素喷射量不变。
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