CN113358363B - 一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法 - Google Patents

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Abstract

一种识别Urea‑SCR系统尿素结晶临界状态的方法，包括以下步骤：（1）搭建发动机‑后处理系统进行台架尿素结晶风险试验；（2）基于尿素结晶机理，选择SCR入口温度、废气质量流量和尿素喷射量作为表征尿素结晶风险的要素；（3）将所有试验结果汇总整理，以尿素喷射量与废气质量流量的比值作为纵坐标，SCR入口温度作为横坐标得到结晶风险分布图；（4）依据结晶风险分布图中临界曲线的线性度程度高低，分别使用临界状态的结晶风险因子和临界喷射量对SCR系统的尿素结晶状态进行判断；（5）如果实际喷射量≥临界喷射量，或者实际算得的结晶风险因子≥临界状态的结晶风险因子，做出SCR系统存在尿素结晶风险的判断。

Description

一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法
技术领域
本发明涉及一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法，属机动车排放控制技术领域。
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。
尿素选择性催化还原技术（简称Urea-SCR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。
尿素结晶（亦称尿素沉积物）是Urea-SCR系统在实际应用过程中面临的普遍问题，尿素结晶的积累会引起排气背压升高，催化剂工作效率降低，使得发动机经济性和排放特性变差，严重时甚至会堵塞排气管，导致发动机无法正常工作。
要避免尿素结晶的发生，除了在后处理系统开发阶段进行针对性的设计以外，更需要在柴油机实际运行过程中对Urea-SCR系统当前的尿素结晶风险状态进行准确诊断，进而提示驾驶员和ECU进行相应的尿素结晶风险控制动作。上述功能实现的基础便是对系统尿素结晶临界状态的准确识别。
图1所示为现有Urea-SCR系统结构示意图，通常使用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Urea-SCR系统，如果存在混合器设计不合理、尿素溶液喷射量过高、排气温度过低等情况，则容易导致尿素结晶现象的发生。
发明内容
本发明的目的是，为了避免尿素结晶现象发生，对Urea-SCR系统当前的尿素结晶风险状态进行准确诊断，基于尿素结晶临界状态与尿素喷射量、排气质量流量、SCR入口温度的强相关关系，本发明提出一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法。
本发明实现的技术方案如下，通过搭建的发动机-后处理系统台架，进行一系列典型工况点在不同尿素喷射量下的尿素结晶临界状态确认试验，建立尿素结晶风险分布图。通过完成上述试验，并基于本发明所提出的三种尿素结晶风险状态定义，对每个工况点所进行的尿素结晶临界状态确认试验结果进行可视化确认，保证每个工况点至少能够观测到无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态；将所有试验工况点的工况参数和尿素结晶风险状态结果汇总，以每个工况点的温度值为横坐标，尿素喷射量与排气质量流量的比值（β值）为纵坐标确定点的位置，并以该试验点的最终评价结果对应的颜色为该点进行着色；当所有试验工况点着色完成后，用直线或曲线拟合状态过渡区域的边界，最终可以将上述坐标图划分为高风险区域（橙红色域）、临界区域（黄色域）和低风险区域（绿色域），此临界区域的中心线，即为临界状态曲线，其与X轴的截距为C，其斜率为临界结晶因子；在目标工况下，通过尿素喷射量、排气质量流量与SCR入口温度计算得到的实际结晶风险因子大于这一判断阈值时，认为此时Urea-SCR系统存在尿素结晶风险。
一种Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的识别方法，利用尿素结晶临界状态与尿素喷射量、排气质量流量、排气温度的强相关关系；基于目标车型的发动机-后处理系统开展尿素结晶临界状态确认试验获得尿素结晶风险分布图，进一步得到尿素结晶风险因子阈值或者临界喷射量MAP，通过采集实际运行过程中的尿素喷射量、排气质量流量、SCR入口温度，比较相应的实际值和限值，实现对尿素结晶临界状态的识别。
一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法，步骤如下：
（1）搭建发动机-后处理系统台架，所述发动机-后处理系统台架可通过读取ECU信号和台架设备信号，记录发动机转速、转矩、排气质量流量、SCR入口NOx浓度、SCR入口温度、尿素喷射量等信息，作为工况点的特征参数标签。
（2）基于对Urea-SCR系统CFD仿真模拟结果的分析，可初步确认系统尿素结晶可能发生的高风险区域，在这些高风险区域附近合适的位置处打孔以通过内窥镜对后续开展的试验结果进行观测。
（3）尿素结晶临界状态确认试验开始前，让发动机-后处理系统在额定功率点运行30 min以确保试验开始前Urea-SCR系统内并无结晶存在，并拍照记录所有重点观测区域在试验开始前的结晶状态。
（4）选择一系列典型工况，对每个工况点分次进行不同尿素喷射量的尿素喷射试验，以确定该工况下尿素结晶发生的临界喷射量。所述典型工况的选取原则如下：
基于尿素分解的机理和目标SCR催化剂的化学反应温度特性，尿素结晶风险评估试验的SCR入口温度范围一般选为200℃～400℃，其中低温点的温度间隔适当缩小（如20℃间隔），高温点可适当放宽（如50℃间隔）；目标温度确认后，对每个温度点设定不同的尿素喷射量进行结晶风险评估试验，尿素喷射量对应的氨氮比（Ammonia to NOx Ratio，ANR；计算过程中用α表示）需要0.5～1.5的范围，以覆盖尿素喷射量的常用喷射区间，单个温度点的喷射量变化不应少于3个，以保证至少能够观测到无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态。
所述无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态的定义如下：
1)出现以下任一情况都归为高风险（橙红色）：
*大量尿素结晶被观测到；
*有成片的尿素溶液堆积；
*存在一次DPF再生不能够完全清除的尿素结晶。
2)出现以下任一情况都归为低风险（黄色）：
*少量尿素结晶被观测到；
*结晶较多，但一次DPF再生能够完全清除尿素结晶。
3)出现以下情况归为无风险（绿色）：
*无肉眼可见尿素结晶，或极少量的结晶。
（5）在选定的工况点按照预设的喷射量持续运行2h后，使用内窥镜对系统内部结晶情况进行可视化确认，并依据观测结果对该试验点的结晶风险进行评估，同时记录重点观测区域的拍照结果，按照尿素结晶风险状态的定义对每个工况点的结晶风险进行分类，并按照一定的格式要求整理好以便于绘制结晶风险分布图。
（6）数据处理与状态评估。将所有试验工况点的数据结果汇总，然后以每个工况点的SCR入口温度值为横坐标，尿素喷射量与排气质量流量的比值（β值）为纵坐标确定点的位置，并以该试验点的最终评价结果对应的颜色为该点进行着色。当所有试验点着色完成后，用直线或折线绘制出不同的色域。最终可得到包含高风险区域（橙红色域）、临界区域（黄色域）和低风险区域（绿色域）的结晶风险分布图。
（7）以尿素喷射量与排气质量流量的比值作为结晶风险评价的特征值，是基于结晶形成机理所确定的，将特征值与SCR入口温度之间的函数关系确定后，当Urea-SCR系统尿素结晶状态布图的临界曲线线性度较高时，尿素结晶临界状态可通过结晶风险因子表示。
在目标工况下，通过尿素喷射量、排气质量流量与SCR入口温度计算得到的实际结晶风险因子大于这一判断阈值时，认为此时Urea-SCR系统存在尿素结晶风险。
（8）当系统尿素结晶状态布图的临界曲线难以线性拟合时，用固定的结晶风险因子对系统的临界结晶状态判断将会在部分工况下失准，此时需要通过标定出临界喷射量MAP来实现对临界结晶状态的预测。临界喷射量MAP对应的X轴、Y轴和Z轴分别为排气质量流量、SCR入口温度与尿素喷射量，是一个三维MAP，可通过稳态结晶试验，由目标工况点的排气质量流量、SCR入口温度与临界喷射量得到此三维MAP的点集数据，并通过插值获得其余排气质量流量与SCR入口温度下的临界喷射量。当需要对当前状态的尿素结晶风险进行判断时，ECU将当前的排气质量流量与SCR入口温度值作为输入，查找临界状态MAP中对应的临界喷射量值，如果实际喷射量大于等于临界喷射量，则认为Urea-SCR系统当前存在尿素结晶风险。
本发明的有益效果是，本发明提供了一种基于发动机-后处理台架实际试验结果去识别目标Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法，基于此方法得到的临界状态因子或临界状态MAP可以为尿素结晶风险的预估与主动控制提供基础；进而能够有效避免Urea-SCR系统长期处于尿素结晶状态，充分实现Urea-SCR系统的排放控制效果，有效降低NOx排放。
本发明涉及的尿素结晶临界状态确认试验，是基于目标车型的发动机-后处理系统开展；基于该试验得到的尿素结晶临界状态因子或临界状态MAP可用于该发动机-后处理系族的所有车型，具备较好的普适性。
本发明Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的识别方法，仅需要依据排气质量流量、SCR入口温度和尿素喷射量即可实现对当前工况下的尿素结晶风险状态的判定，便于实现车载诊断用途，可为尿素结晶风险的预估与主动控制奠定基础。
附图说明
图1为现有Urea-SCR系统结构示意图；
图2 为尿素结晶临界状态确认试验方案；
图3 为Urea-SCR系统尿素结晶风险评估试验记录规范示意；
图4 为Urea-SCR系统尿素结晶风险分布图示例；
图5为Urea-SCR系统尿素结晶临界状态识别策略；
图6为SCR系统尿素结晶风险判别流程图。
具体实施方式
本实施例Urea-SCR系统的工作原理如图1所示。
Urea-SCR系统工作时，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、排气质量流量、NOx传感器测得的上游NOx浓度等信号，并以模型计算得到Urea-SCR系统热力学状态参数、化学反应动力学状态参数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。现有的Urea-SCR系统，如果存在混合器设计不合理、尿素溶液喷射量过高、排气温度过低等情况，则容易导致尿素结晶现象的发生，尿素结晶现象通常发生在尿素喷嘴出口、混合器入口、催化剂载体入口等部分。
本实施例Urea-SCR系统的尿素结晶临界状态确认试验方案如图2所示。
（1）尿素结晶临界状态确认试验开始前，让发动机-后处理系统在标定功率点运行30min以确保试验开始前Urea-SCR系统内并无结晶存在，并拍照记录所有重点观测区域在试验开始前的状态。
（2）选择一系列典型工况，对每个工况点分次进行不同尿素喷射量的尿素喷射试验，每次试验的运行时间为2h，以确定该工况下尿素结晶发生的临界喷射量。所述典型工况的选取原则如下：
基于尿素分解的机理和目标SCR催化剂的化学反应温度特性，尿素结晶风险评估试验的温度范围一般选为200℃～400℃，其中低温点的温度间隔适当缩小（如20℃间隔），高温点可适当放宽（如50℃间隔）；目标温度确认后，对每个温度点设定不同的尿素喷射量进行结晶风险评估试验，尿素喷射量对应的氨氮比需要至少包含0.5～1.5的范围，以覆盖尿素喷射量的常用喷射区间，单个温度点的喷射量变化不应少于3个，以保证至少能够观测到无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态。（基于试验后的内窥镜观测结果）。
（3）在选定的工况点按照预设的喷射量持续运行2h后，使用内窥镜对系统内部结晶情况进行可视化确认，并依据观测结果对该试验点的结晶风险进行评估，同时记录重点观测区域的拍照结果，按照尿素结晶风险状态的定义对每个工况点的结晶风险进行分类。
（4）记录完成后，装上螺栓、传感器、尿素喷嘴等，然后调整发动机至标定功率点，以α=1的氨氮比运行30min后，再次拧开螺栓、传感器、尿素喷嘴等，通过内窥镜观察尿素结晶情况，并拍照记录所有重点观测区域。
（5）如果尿素结晶被完全清除，则调整发动机工况和尿素喷射量，进入下一个尿素结晶风险评估试验工况点。如果当前工况点产生的尿素结晶没有在随后为期30 min的标定功率点运行完成后被清除，需要继续在标定功率点运行直至结晶完全清除后才可进入下一个工况点，以避免影响下一个工况点的试验结果。
图3 为Urea-SCR系统尿素结晶风险评估试验记录规范示意
在试验前，对喷嘴、混合器入口、SCR催化剂载体入口等进行观测，确认当前系统并无残余尿素结晶，将结晶高风险区域的照片分别填入表格第一行对应位置，并使用绿色外框对照片进行定义（无尿素结晶/低风险）
在目标工况点进行2h的指定尿素喷射量试验，试验结束后，对喷嘴、混合器入口、SCR催化剂载体入口等进行观测，确认当前系统各个结晶高风险区域的尿素结晶状态，依据目标区域实际发生的结晶状态，对照片添加不同颜色的外框以实现风险定义（橙红色：高风险；黄色：中风险；绿色：低风险），并将带外框的照片分别填入表格第二行对应位置；
额定工况点以α=1的氨氮比运行0.5h的试验结束后，对喷嘴、混合器入口、SCR催化剂载体入口等进行观测，确认当前系统各个结晶高风险区域的尿素结晶是否能够被完全消除，对照片添加不同颜色的外框以实现风险定义（橙红色：高风险；黄色：中风险；绿色：低风险），并将带外框的照片分别填入表格第三行对应位置。
所述无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态的定义如下：
1)出现以下任一情况都归为高风险（橙红色）：
* 大量尿素结晶被观测到；
* 有成片的尿素溶液堆积；
* 存在一次DPF再生不能够完全清除的尿素结晶。
2)出现以下任一情况都归为低风险（黄色）：
* 少量尿素结晶被观测到；
*结晶较多，但一次DPF再生能够完全清除尿素结晶。
3)出现以下情况归为无风险（绿色）：
* 无肉眼可见尿素结晶，或极少量的结晶；
图4 所示为Urea-SCR系统尿素结晶风险分布图。本实施例Urea-SCR系统尿素结晶风险分布图通过如下方式得到。
将所有工况点的尿素结晶风险最终评价结果汇总，得到包含SCR入口温度、排气质量流量、β、喷射量、α、尿素结晶风险状态在内的SCR系统结晶风险信息汇总表，然后将表中每个试验点的SCR入口温度值为横坐标，β值为纵坐标确定点的位置，并以该试验点的最终评价结果对应的颜色为该点进行着色。当所有试验点着色完成后，用直线或折线绘制出不同的色域。最终可得到如图4所示包含高风险区域（橙红色域）、临界区域（黄色域）和低风险区域（绿色域）的结晶风险分布图。
图5为Urea-SCR系统尿素结晶临界状态识别策略。
依据系统尿素结晶状态布图的临界曲线可线性拟合的难易程度，本实施例提供两种结晶临界状态的识别方法：（1）当临界曲线线性拟合效果较好时，通过试验可以获得唯一的结晶风险因子阈值，实际的结晶风险因子则可利用实际的尿素喷射量与排气质量流量计算得到β值后，再通过SCR入口温度信号计算得到，如果实际的尿素结晶风险因子大于等于结晶风险阈值，则认为Urea-SCR系统存在尿素结晶风险；（2）当系统尿素结晶状态布图的临界曲线难以线性拟合时，需要通过标定出临界喷射量MAP来实现对临界结晶状态的识别。临界喷射量MAP是一个三维MAP，对应的X轴、Y轴和Z轴分别为排气质量流量、SCR入口温度与尿素喷射量，可通过稳态结晶试验获得。当需要对当前状态的尿素结晶风险进行判断时，ECU将当前的排气质量流量与SCR入口温度值作为输入，查找临界状态MAP中对应的临界喷射量值，如果实际喷射量大于等于临界喷射量，则认为Urea-SCR系统当前存在尿素结晶风险。
图6所示为SCR系统尿素结晶风险判别流程图。
通过发动机-后处理系统台架尿素结晶风险试验，将所有试验结果汇总整理得到结晶风险分布图。
当结晶风险分布图的临界曲线线性度较高时，尿素结晶临界状态可通过结晶风险因子来判断，当实际风险因子大于或等于临界风险因子，SCR系统存在尿素结晶风险。
当结晶风险分布图的临界曲线线性度较低时，尿素结晶临界状态可通过临界喷射量MAP来预测，当尿素实际喷射量大于或等于尿素临界喷射量，则认为SCR系统当前存在尿素结晶风险。

Claims (1)

1.一种识别Urea-SCR系统尿素结晶临界状态的方法，其特征在于，所述方法利用尿素结晶临界状态与尿素喷射量、排气质量流量、排气温度的强相关关系；基于目标车型的发动机-后处理系统开展尿素结晶临界状态确认试验获得尿素结晶风险分布图，并进一步得到尿素结晶风险因子阈值或者临界喷射量MAP，通过采集Urea-SCR系统实际运行过程中的尿素喷射量、排气质量流量、SCR入口温度，比较相应的实际值和限值，实现对尿素结晶临界状态的识别；
所述方法步骤如下：
（1）搭建发动机-后处理系统台架，通过读取ECU信号和台架设备信号，记录发动机转速、转矩、排气质量流量、SCR入口NOx浓度、SCR入口温度、尿素喷射量信息，作为试验工况点的特征参数标签；
（2）基于对Urea-SCR系统CFD仿真模拟结果的分析，初步确认系统尿素结晶可能发生的高风险区域，并在这些高风险区域附近合适的位置处打孔，通过内窥镜对后续开展的试验结果进行观测；
（3）尿素结晶临界状态确认试验开始前，让发动机-后处理系统在额定功率点运行30min，以确保试验开始前Urea-SCR系统内并无结晶存在，并拍照记录所有重点观测区域在试验开始前的结晶状态；
（4）选择一系列典型工况，对每个试验工况点分次进行不同尿素喷射量的尿素喷射试验，以确定该工况下尿素结晶发生的临界喷射量；
（5）在选定的试验工况点，按照预设的喷射量持续运行2h后，使用内窥镜对系统内部结晶情况进行可视化确认，并依据观测结果对该试验工况点的结晶风险进行评估，同时记录重点观测区域的拍照结果，按照尿素结晶风险状态的定义对每个试验工况点的结晶风险进行分类，并按照一定的格式要求整理好以便于绘制结晶风险分布图；
（6）将所有试验工况点的数据结果汇总，然后以每个试验工况点的温度值为横坐标，尿素喷射量与排气质量流量的比值，用β值表示，为纵坐标确定点的位置，并以该试验工况点的最终评价结果对应的颜色为该试验工况点进行着色；当所有试验工况点着色完成后，用直线或折线绘制出不同的色域；最终得到包含高风险区域、临界区域和低风险区域的结晶风险分布图；所述结晶风险分布图中，高风险区域用橙红色域表示，临界区域用黄色域表示，低风险区域用绿色域表示；
（7）以尿素喷射量与排气质量流量的比值作为结晶风险评价的特征值，将特征值与SCR入口温度之间的函数关系确定后，当Urea-SCR系统尿素结晶状态布图的临界曲线线性度较高时，尿素结晶临界状态可通过结晶风险因子判断；
（8）当系统尿素结晶状态布图的临界曲线难以线性拟合时，用固定的结晶风险因子对系统的临界结晶状态判断将会在部分工况下失准，此时需要通过标定出临界喷射量MAP来实现对临界结晶状态的预测：以排气质量流量与SCR入口温度值作为输入，查找临界状态MAP中对应的临界喷射量值，如果实际喷射量大于等于临界喷射量，则认为Urea-SCR系统当前存在尿素结晶风险；
所述典型工况的选取原则如下：
基于尿素分解的机理和目标Urea-SCR催化剂的化学反应温度特性，尿素结晶风险评估试验的温度范围选为200℃～400℃，其中低温点的温度间隔适当缩小，高温点适当放宽；目标温度确认后，对每个温度点设定不同的尿素喷射量进行结晶风险评估试验，尿素喷射量对应的氨氮比至少应为0.5～1.5，以覆盖尿素喷射量的常用喷射区间，单个温度点的喷射量变化不应少于3个，以保证至少能够观测到无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态；
所述低温点的温度间隔适当缩小至20℃间隔；所述高温点适当放宽至50℃间隔；
所述临界喷射量MAP是一个三维MAP，其对应的X轴、Y轴和Z轴分别为排气质量流量、SCR入口温度与尿素喷射量；通过稳态结晶试验下目标工况点的排气质量流量、SCR入口温度与临界喷射量，得到此三维MAP的点集数据，并通过插值获得其余排气质量流量与SCR入口温度下的临界喷射量；
所述无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态的定义如下：
（1）出现以下任一情况都归为高风险，在结晶风险分布图中为橙红色：
1）大量尿素结晶被观测到；
2）有成片的尿素溶液堆积；
3）存在一次DPF再生不能够完全清除的尿素结晶；
（2）出现以下任一情况都归为低风险，在结晶风险分布图中为黄色：
1）少量尿素结晶被观测到；
2）结晶较多，但一次DPF再生能够完全清除尿素结晶；
（3）出现无肉眼可见尿素结晶、或极少量的结晶都归为无风险，在结晶风险分布图中为绿色。
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