CN111894704B - 一种基于温度模型的尿素喷射控制方法 - Google Patents

一种基于温度模型的尿素喷射控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型；S2.测定环境温度TA和还未进入尿素罐的冷却水温度TC，测定空气流速va、冷却水流速vc、计算尿素需求流速vl，确定数学模型中各系数具体数值，联立液态温度方程和固态温度方程，得到以时间t为自变量的尿素温度Tl；S3.求得尿素密度ρ；S4.控制尿素泵开度。本发明无需安装尿素泵传感器，仅根据温度模型预测尿素泵内温度，快速精准控制尿素泵开度完成尿素喷射控制。

Description

一种基于温度模型的尿素喷射控制方法
技术领域
本发明涉及车辆后处理系统，具体地指一种基于温度模型的尿素喷射控制方法。
背景技术
随着国六排放法规的即将实施，目前柴油机制造厂都在开发国六柴油机，国六柴油机为了降低发动机尾气中的NOx和颗粒排放，都匹配了催化氧化器(DOC)+颗粒过滤器(DPF)+选择性氧化还原器(SCR)的后处理系统，通过尿素喷射系统将尿素喷射到排气管中，进而尿素分解为NH3，与NOx反应来降低NOx排放。
使用过程中，发动机控制单元是控制尿素泵的质量流量，而尿素泵工作时是计量的尿素体积，因此需要准确测量尿素密度，进而可以将发动机控制单元需求的尿素质量流量转化为尿素体积流量，从而确保尿素泵的精确喷射。
现有技术方案有两种方案：1)在尿素泵内安装尿素泵温度传感器来计算尿素密度；2)不考虑温度的影响，尿素密度为固定值，这两种方案要么需要设置温度传感器，增加尿素泵的成本，要么在温度变化时尿素泵喷射精度较差。
现有技术中尿素溶液加热原理如图1所示，尿素溶液存储于尿素罐1中，尿素溶液经尿素管路3从尿素罐1流通到尿素泵2，再流通到喷嘴喷入后处理器中，冷却水管路5中流通冷却水，冷却水电磁阀4可以控制冷却水的流动，冷却水温度较高，可以加热尿素罐1、尿素泵2中的尿素进行解冻，尿素加热管6可以加热尿素管路3里的尿素。从图1可以看出，尿素溶液在尿素罐1内，温度为Temp0，出尿素罐1后，温度为Temp1(考虑到冷却水管路5会对整个尿素罐1中的尿素进行加热，以及尿素泵的吸液过程是非常迅速的，因此可近似认为Temp1＝Temp0)，经过尿素加热管6、尿素泵2内冷却水的影响，温度为Temp2。现有技术的缺点是：Temp2必须在尿素泵内安装尿素泵温度传感器测定得到，成本较高；若取消尿素泵温度传感器又无法得到Temp2计算尿素密度。从而导致尿素泵难以精确控制开度满足尿素需求喷射质量流量M。
因此，若能开发出一种温度模型对尿素泵内温度进行估算，基于该温度模型进行尿素喷射控制方法，则可以取消尿素泵温度传感器，节省成本。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种无需尿素泵温度传感器也能测算尿素密度、实现尿素泵开度控制的基于温度模型的尿素喷射控制方法。
本发明的技术方案为：一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立模型
设尿素罐与尿素泵之间尿素管路内壁和尿素泵内壁作为整体的温度为固体温度Ts、尿素泵内尿素的温度为尿素温度Tl、冷却水管路内冷却水和尿素加热管共同开启加热的时间为t，建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型，
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000021
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000022
其中，
k1为尿素热量变化系数，k1＝103～1010kg·J/(m3·mol·K)；
vl为尿素需求流速，单位m/s；
t为时间，单位s；
z为尿素罐与尿素泵之间尿素管路长度的一半，z＝0.05～2.45m；
kh,l为尿素与尿素管路管壁的换热系数，kh,l＝50～5000J/m3·K；
PHeat为尿素加热管加热功率，PHeat＝0～1000W；
MGAdblue为尿素的摩尔质量，MGAdblue＝0.02535kg/mol；
k2为固体热量变化系数，k2＝103～1010kg·J/(m3·mol·K)；
Ts为固体温度，单位为K；
Tl为尿素温度，单位为K；
kh,a为尿素与空气的换热系数，kh,a＝0～10J/m3·K；
va为空气流速，单位为m/s；
TA为环境温度，单位为K；
kh,c为尿素与冷却水的换热系数，kh,c＝50～5000J/m3·K；
vc为冷却水流速，单位为m/s；
TC为冷却水温度，单位为K；
C1、C2、C3、C4、C5均为修正系数，数值范围为0～100，单位为W/m2·K；
η为管路加热的效率，范围0～100％；
S2.求得尿素温度Tl
测定环境温度TA和冷却水管路上还未进入尿素罐处的冷却水温度TC，测定空气流速va、冷却水流速vc，根据尿素需求喷射质量流量M计算尿素需求流速vl，联立液态温度方程和固态温度方程，得到以时间t为自变量的尿素温度Tl；
S3.求得尿素密度
根据此时尿素温度Tl计算尿素密度ρ，
若Tl＜12℃时，ρ＝1.091g/cm3；
若12℃≤Tl≤50℃，ρ＝-a*Tl+b，a、b均为常数，a＝-0.00001～0.1，b＝1～2；
若Tl＞50℃，ρ＝1.072/cm3；
S4.控制尿素泵开度
根据尿素需求喷射质量流量M、尿素泵全开时尿素体积流量V、尿素密度ρ，控制尿素泵开度K＝M/(V·ρ)。
优选的，步骤S3中若12℃≤Tl≤50℃，a＝0.0005，b＝1.097。
优选的，步骤S1中，η＝100％。则此时数学模型简化为
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000041
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000042
优选的，步骤S1中，η＝100％，C1、C2、C3、C4、C5均为零。则此时数学模型简化为
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000043
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000044
优选的，步骤S2中，所述空气流速va为车速；所述冷却水流速vc为冷却水管路上测得的冷却水体积流量除以冷却水管路截面积得到；所述尿素需求流速vl由尿素需求喷射质量流量M、尿素密度常数ρl、尿素管路的横截面积S按vl＝M/(ρl·S)计算得到，尿素密度常数ρl＝1.085g/cm3。
本发明的液态温度方程中：左边表示尿素溶液能量变化，右边三项依次表示尿素溶液沿管路方向的能量变化、尿素溶液与尿素管壁的热量交换，外部对尿素管内溶液加热的热量，根据尿素能量守恒得到液态温度方程。
本发明的固态温度方程中：左边表示固体管壁能量变化，右边三项依次表示固体管壁与尿素溶液的热量交换、固体管壁与环境的热量交换、固体管壁与冷却水的热量交换，根据固体管壁上能量守恒得到固态温度方程。
本发明的有益效果为：
1.取消尿素泵温度传感器，仅靠尿素罐温度传感器、环境温度传感器实现的尿素泵的开度控制，节省成本。
2.通过液态温度方程和固态温度方程，可得到任一时间t的尿素温度Tl，根据温度准确计算此时尿素密度，从而确保尿素泵的喷射精度。
附图说明
图1为现有技术中尿素加热原理图
图2为实施例1中时间-尿素温度曲线
图3为实施例2中时间-尿素温度曲线
图4为实施例3中时间-尿素温度曲线
其中：1-尿素罐2-尿素泵3-尿素管路4-冷却水电磁阀5-冷却水管路6-尿素加热管。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。现有技术中尿素溶液加热原理如图1所示，同为本发明中加热过程，不再赘述。
实施例1
本发明提供一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，包括以下步骤：
S1.建立模型
设尿素罐1与尿素泵2之间尿素管路3内壁和尿素泵2内壁作为整体的温度为固体温度Ts、尿素泵2内尿素的温度为尿素温度Tl、冷却水管路5内冷却水和尿素加热管6共同开启加热的时间为t，建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型，
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000061
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000062
其中，
k1为尿素热量变化系数，k1＝31919000kg·J/(m3·mol·K)；
vl为尿素需求流速，单位m/s；
t为时间，单位s；
z为尿素罐与尿素泵之间尿素管路长度的一半，z＝1.2m；
kh,l为尿素与管壁的换热系数，kh,l＝202.16J/m3·K；
PHeat为尿素管路加热功率，PHeat＝12.5W；
MGAdblue为尿素的摩尔质量，MGAdblue＝0.02535kg/mol；
k2为固体热量变化系数，k2＝95896000kg·J/(m3·mol·K)；
Ts为固体温度，单位为K；
Tl为尿素温度，单位为K；
kh,a为尿素与空气的换热系数，kh,a＝0.4063J/m3·K；
va为车速，单位为m/s；
TA为环境温度，单位为K；
kh,c为尿素与冷却水的换热系数，kh,c＝314.2078J/m3·K；
vc为冷却水流速，单位为m/s；
TC为冷却水温度，单位为K；
C1、C2、C3、C4、C5均为0、η＝100％时以上数学模型可以简化为
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000063
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000071
S2.求得尿素温度Tl
测定环境温度TA和还未进入尿素罐1的冷却水温度TC，测定空气流速va(车速)、冷却水流速vc(冷却水管路5上测得的冷却水体积流量除以冷却水管路5截面积得到)，由尿素需求喷射质量流量M(M为已知的需求量)、尿素密度常数ρl、尿素管路的横截面积S按vl＝M/(ρl·S)计算得到尿素需求流速vl，
本实施例中TA＝273K，TC＝353K，va＝1.67m/s，vc＝0.3346m/s；由M＝2000g/h，ρl＝1.085g/cm3，S＝26.12mm2计算vl＝0.0196m/s；
将相关参数代入到公式中，得到具体方程为
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000072
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000073
联立以上两方程得到自变量为时间t的尿素温度Tl，经现有计算软件处理得到的时间t-尿素温度Tl曲线如图2所示；
S3.求得尿素密度
根据此时尿素温度Tl计算尿素密度ρ，
若Tl＜12℃时，ρ＝1.091/cm3；
若12℃≤Tl≤50℃，ρ＝-a*Tl+b，a、b均为常数，a＝0.0005，b＝1.097，因此ρ＝-0.0005*Tl+1.097；
若Tl＞50℃，ρ＝1.072/cm3；
S4.控制尿素泵开度
根据需求喷射量M、尿素泵全开的尿素流量V、尿素密度ρ，控制尿素泵开度K＝M/(Vρ)，本实施例中M＝2000g/h，V＝7000ml/h，则在Tl＝0℃时，ρ＝1.091g/cm3，尿素泵开度K＝26.2％；
在Tl＝30℃时，ρ＝1.082g/cm3，尿素泵开度K＝26.4％；
在Tl＝50℃时，ρ＝1.072g/cm3，尿素泵开度K＝26.7％。
实施例2
本发明提供一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，包括以下步骤：
S1.建立模型
设尿素罐1与尿素泵2之间尿素管路3内壁和尿素泵2内壁作为整体的温度为固体温度Ts、尿素泵2内尿素的温度为尿素温度Tl、冷却水管路5内冷却水和尿素加热管6共同开启加热的时间为t，建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型，
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000081
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000082
其中，
k1为尿素热量变化系数，k1＝31919000kg·J/(m3·mol·K)；
vl为尿素需求流速，单位m/s；
t为时间，单位s；
z为尿素罐与尿素泵之间尿素管路长度的一半，z＝1.2m；
kh,l为尿素与管壁的换热系数，kh,l＝202.16J/m3·K；
PHeat为尿素管路加热功率，PHeat＝12.5W；
MGAdblue为尿素的摩尔质量，MGAdblue＝0.02535kg/mol；
k2为固体热量变化系数，k2＝95896000kg·J/(m3·mol·K)；
Ts为固体温度，单位为K；
Tl为尿素温度，单位为K；
kh,a为尿素与空气的换热系数，kh,a＝0.4063J/m3·K；
va为车速，单位为m/s；
TA为环境温度，单位为K；
kh,c为尿素与冷却水的换热系数，kh,c＝314.2078J/m3·K；
vc为冷却水流速，单位为m/s；
TC为冷却水温度，单位为K；
C1＝1000、C2＝8、C3＝5、C4＝3、C5＝120、η＝100％时以上数学模型可以简化为
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000091
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000092
S2.求得尿素温度Tl
测定环境温度TA和还未进入尿素罐的冷却水温度TC，测定空气流速va、冷却水流速vc、计算尿素需求流速vl，
本实施例中TA、TC、va、vc、vl均与实施例1中相同；
将相关参数代入到公式中，得到具体方程为
Figure GDA0002989884960000093
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000094
联立以上两方程得到自变量为时间t的尿素温度Tl，经现有计算软件处理得到的时间t-尿素温度Tl曲线如图3所示；
步骤S3、S4均与实施例1相同，于此不再赘述。
实施例3
本发明提供一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，包括以下步骤：
S1.建立模型
设尿素罐1与尿素泵2之间尿素管路3内壁和尿素泵2内壁作为整体的温度为固体温度Ts、尿素泵2内尿素的温度为尿素温度Tl、冷却水管路5内冷却水和尿素加热管6共同开启加热的时间为t，建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型，
(1)液态温度方程
Figure GDA0002989884960000101
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000102
其中，
k1为尿素热量变化系数，k1＝31919000kg·J/(m3·mol·K)；
vl为尿素需求流速，单位m/s；
t为时间，单位s；
z为尿素罐与尿素泵之间尿素管路长度的一半，z＝1.2m；
kh,l为尿素与管壁的换热系数，kh,l＝202.16J/m3·K；
PHeat为尿素管路加热功率，PHeat＝12.5W；
MGAdblue为尿素的摩尔质量，MGAdblue＝0.02535kg/mol；
k2为固体热量变化系数，k2＝95896000kg·J/(m3·mol·K)；
Ts为固体温度，单位为K；
Tl为尿素温度，单位为K；
kh,a为尿素与空气的换热系数，kh,a＝0.4063J/m3·K；
va为车速，单位为m/s；
TA为环境温度，单位为K；
kh,c为尿素与冷却水的换热系数，kh,c＝314.2078J/m3·K；
vc为冷却水流速，单位为m/s；
TC为冷却水温度，单位为K；
C1＝1000、C2＝-5、C3＝100、C4＝3、C5＝120，η＝50％；
S2.求得尿素温度Tl
测定环境温度TA和还未进入尿素罐的冷却水温度TC，测定空气流速va、冷却水流速vc、计算尿素需求流速vl，
本实施例中TA、TC、va、vc、vl均与实施例1中相同；
将相关参数代入到公式中，得到具体方程为
Figure GDA0002989884960000111
(2)固态温度方程
Figure GDA0002989884960000112
联立以上两方程得到自变量为时间t的尿素温度Tl，经现有计算软件处理得到的时间t-尿素温度Tl曲线如图4所示；
步骤S3、S4均与实施例1相同，于此不再赘述。

Claims (5)

1.一种基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立模型
设尿素罐(1)与尿素泵(2)之间尿素管路(3)内壁和尿素泵(2)内壁作为整体的温度为固体温度Ts、尿素泵(2)内尿素的温度为尿素温度Tl、冷却水管路(5)内冷却水和尿素加热管(6)共同开启加热的时间为t，建立时间t与固体温度Ts、尿素温度Tl之间的数学模型，
(1)液态温度方程
Figure FDA0002600383330000011
(2)固态温度方程
Figure FDA0002600383330000012
其中，
k1为尿素热量变化系数，k1＝103～1010kg·J/(m3·mol·K)；
vl为尿素需求流速，单位m/s；
t为时间，单位s；
z为尿素罐与尿素泵之间尿素管路长度的一半，z＝0.05～2.45m；
kh,l为尿素与尿素管路管壁的换热系数，kh,l＝50～5000J/m3·K；
PHeat为尿素加热管加热功率，PHeat＝0～1000W；
MGAdblue为尿素的摩尔质量，MGAdblue＝0.02535kg/mol；
k2为固体热量变化系数，k2＝103～1010kg·J/(m3·mol·K)；
Ts为固体温度，单位为K；
Tl为尿素温度，单位为K；
kh,a为尿素与空气的换热系数，kh,a＝0～10J/m3·K；
va为空气流速，单位为m/s；
TA为环境温度，单位为K；
kh,c为尿素与冷却水的换热系数，kh,c＝50～5000J/m3·K；
vc为冷却水流速，单位为m/s；
TC为冷却水温度，单位为K；
C1、C2、C3、C4、C5均为修正系数，数值范围为0～100，单位为W/m2·K；
η为管路加热的效率，范围0～100％；
S2.求得尿素温度Tl
测定环境温度TA和冷却水管路上还未进入尿素罐处的冷却水温度TC，测定空气流速va、冷却水流速vc，根据尿素需求喷射质量流量M计算尿素需求流速vl，联立液态温度方程和固态温度方程，得到以时间t为自变量的尿素温度Tl；
S3.求得尿素密度ρ
根据此时尿素温度Tl计算尿素密度ρ，
若Tl＜12℃时，ρ＝1.091g/cm3；
若12℃≤Tl≤50℃，ρ＝-a*Tl+b，a、b均为常数，a＝-0.00001～0.1，b＝1～2；
若Tl＞50℃，ρ＝1.072/cm3；
S4.控制尿素泵开度
根据尿素需求喷射质量流量M、尿素泵全开时尿素体积流量V、尿素密度ρ，控制尿素泵开度K＝M/(V·ρ)。
2.如权利要求1所述的基于温度模型的尿素喷射控制方法控制方法，其特征在于，步骤S3中若12℃≤Tl≤50℃，a＝0.0005，b＝1.097。
3.如权利要求1所述的基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，步骤S1中，η＝100％。
4.如权利要求1所述的基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，步骤S1中，η＝100％，C1、C2、C3、C4、C5均为零。
5.如权利要求1所述的基于温度模型的尿素喷射控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述空气流速va为车速；所述冷却水流速vc为冷却水管路上测得的冷却水体积流量除以冷却水管路截面积得到；所述尿素需求流速vl由尿素需求喷射质量流量M、尿素密度常数ρl、尿素管路的横截面积S按vl＝M/(ρl·S)计算得到，尿素密度常数ρl＝1.085g/cm3。
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