俞 妍，鄧成林，龐海龍，資新運，卜建國

（軍事交通學院，天津 300161）

柴油機因其優(yōu)異的動力性、良好的燃油經濟性得到了廣泛的應用，但是，柴油機的PM和NOx排放一直是應用中的一個難點［1］。中國于2011年7月開始實施國Ⅳ乘用車排放法規(guī)標準，中重型柴油車國Ⅳ排放法規(guī)標準也即將實施。

面對日益嚴格的排放法規(guī)要求，軍事交通學院對滿足國Ⅳ排放法規(guī)的技術路線及措施進行了大量的研究。SCR技術路線是其中的重點選擇，通過機內優(yōu)化燃燒，機外采用SCR尿素噴射控制系統(tǒng)降低NOx排放，最終達到國Ⅳ排放標準。本研究基于SCR技術路線，研究了滿足國Ⅳ標準的SCR尿素噴射穩(wěn)態(tài)控制策略。

1 尿素噴射穩(wěn)態(tài)控制策略

滿足國Ⅳ排放法規(guī)要求的尿素噴射控制策略算法包括尿素噴射系統(tǒng)自診斷，但不包括OBD診斷、傳感器診斷監(jiān)測、執(zhí)行器診斷監(jiān)測等。國Ⅳ排放法規(guī)的NOx排放限值是3.5g／（kW·h），氨氣泄漏量的要求是平均值小于25×10－6。雖然法規(guī)中沒有對泄漏量的瞬時峰值提出要求，但是從用戶的角度考慮，氨氣泄漏峰值也同樣不能超過25×10－6。

SCR后處理技術是通過向排氣管內噴入還原劑（通常是尿素水溶液），還原劑經過熱解、水解產生氨氣（NH3），NH3在催化器內與廢氣中的NOx反應，生成無害的N2（Nitrogen）和水。如果還原劑噴入過量，多余的NH3隨廢氣排入大氣，會造成二次污染；相反地，還原劑噴入量過少會導致SCR系統(tǒng)NOx轉化效率降低。在還原劑噴入量的實時精確控制中，SCR尿素噴射控制策略起著至關重要的作用［2］。

SCR尿素噴射控制策略包括尿素系統(tǒng)自診斷及控制策略和尿素噴射策略兩大部分。尿素系統(tǒng)自診斷及控制策略主要功能是尿素泵狀態(tài)控制，根據尿素泵的診斷信息進行相應的診斷控制［3］。

尿素噴射策略包括穩(wěn)態(tài)策略和瞬態(tài)策略，穩(wěn)態(tài)的尿素噴射策略是基礎策略，而瞬態(tài)策略是在穩(wěn)態(tài)策略的基礎上對尿素噴射影響因素的修正策略。本研究基于“八六三”課題“柴油車后處理器OBD及匹配測試技術研究”，著重對重型柴油車SCR國Ⅳ尿素噴射穩(wěn)態(tài)控制策略進行研究。

1.1 尿素系統(tǒng)自診斷及控制策略

尿素系統(tǒng)的自診斷及控制是整個系統(tǒng)可靠運轉的關鍵。系統(tǒng)噴射前必須給尿素加壓，建立足夠的尿素驅動壓力；系統(tǒng)在停噴后必須進行管路清洗，以防止尿素結晶；同時系統(tǒng)工作過程中應該進行自診斷，并能自行處理相關故障［2］?；谶@些考慮，本研究提出了基于狀態(tài)機的系統(tǒng)控制策略（見圖1）。尿素泵的工作狀態(tài)劃分為系統(tǒng)自檢、關機（pump off）、清洗（purging）、尿素加壓（priming）、噴射（dosing）和故障診斷（diagnostic）6個狀態(tài)。

1.2 穩(wěn)態(tài)控制策略模型

尿素噴射控制策略分為排溫模型、NOx預估模型、排氣流量模型、催化器效率模型、尿素噴射模型和SCR瞬態(tài)尿素噴射模型［3］（見圖2）。

1.2.1 排氣流量模型

排氣流量作為反映催化劑特性的一個因變量，是尿素噴射控制中一個非常重要的變量。實際應用中排氣溫度很高（200～500℃），排氣流量很難進行測量，一般采用以下公式計算：

式中：Q為排氣流量；Qin為進氣流量；B為燃油消耗量。

根據由臺架試驗得到的有限個離散的自變量及其對應的函數值，采用內插法可求出其他未列及的自變量所對應的函數近似值［4］。運用 Matlab軟件可以得到如圖3所示的發(fā)動機工況與排氣流量之間的對應關系，MAP圖中轉速的步長為100r／min，相對負荷比的步長為4%。

對試驗數據插值后可以得到19×20的排氣流量矩陣A：

矩陣A中，Qmi，j表示排氣流量的插值結果，其中i∈ ［l，19］且為自然數，j∈［1，20］且為自然數［4］。

1.2.2 排氣溫度模型

排氣溫度預測的準確性直接影響載體對NH3的吸附和解吸附，預測不準確會對NH3泄漏產生影響。排氣溫度是由催化器入口和出口溫度傳感器測得的，其模型控制策略見圖4。

1.2.3 催化器效率模型

1）催化器的空速比

空速比是影響催化器轉化效率的一個非常重要的指標。催化器空速比是指在規(guī)定條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量［5］。SCR后處理系統(tǒng)催化器的空速比可以用下式進行計算：

式中：SV為空速比；Qm為排氣流量；Vc為催化器體積，本研究中催化器的體積為25L。

2）催化器效率模型

催化器效率模型是控制策略中的一個重要模型，反映在控制程序中就是催化器的 MAP圖［6－7］。圖5示出根據匹配標定試驗得到的催化器效率MAP圖，反映了催化器效率與排氣溫度、空速比之間的關系。

1.2.4 NOx預估模型

1）原機NOx濃度

國Ⅳ排放法規(guī)對尿素噴射量的精度要求相對較低，尿素噴射不需要很精確。原機NOx濃度是基于發(fā)動機穩(wěn)態(tài)的排放數據，用二維散布點內插法處理后得到。圖6示出原機NOx的排放MAP。

插值后可以得到19×20的原機NOx排放矩陣B：

其中：NOxi，j表示原機NOx濃度的插值結果，其中i∈［l，19］且為自然數，j∈［1，20］且為自然數。

2）目標NOx濃度

NOx目標排放值是與催化器最大轉化效率相對應的，催化器的最大轉化率高一些，發(fā)動機出口的NOx目標排放值就會低一些。也就是說，確定目標排放值的過程就是確定催化器最大轉化效率的過程［8－9］。

3）NOx削減量

根據《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》，由式（3）至式（5）可得到 NOx削減量。

式中：m（NOx）為 NOx質量流量；c（NOx）為原始排氣NOx平均濃度；GEXHW為原始排氣流量；KHD為溫濕度校正系數。

式中：A＝0.309GF／GA－0.026 6，GF為燃料流量，GA為空氣流量；B＝0.209GF／GA＋0.009 54；Ta為進氣的絕對溫度；Ha為進氣的絕對濕度。

式中：Ra為進氣的相對溫度；pa為發(fā)動機進氣空氣的飽和蒸氣壓；pB為總大氣壓。

NOx預估模型控制策略見圖7。

1.2.5 尿素噴射模型

采用壓力—占空比計量的方式精確控制尿素噴射量。在壓力一定的情況下，計量閥占空比決定了尿素噴射速率［10］。通過標定試驗，獲得壓力、尿素噴射速率和占空比的MAP圖（見圖8），其控制策略見圖9。

2 臺架驗證

2.1 試驗設備

試驗選用YC6L280—42發(fā)動機，該發(fā)動機為四沖程、水冷、直噴、渦輪增壓發(fā)動機，標定功率206kW，標定轉速2 200r／min，凈質量850kg，其基礎排放滿足國Ⅲ排放法規(guī)要求。

發(fā)動機試驗測試設備有APA308／3.5EU測功機、CEM301H排放試驗循環(huán)控制軟件、CEB—Ⅱ排氣分析儀。NOx排放通過CEB—Ⅱ型排氣分析儀監(jiān)測，并可以采集瞬態(tài)的數據，滿足ETC瞬態(tài)測試循環(huán)的需要。

試驗中所用催化器為國產25L釩鎢鈦體系SCR催化器，還原劑為車用尿素溶液。SCR后處理系統(tǒng)為自主研發(fā)的一種以壓縮空氣為驅動源的尿素供給系統(tǒng)。

2.2 ESC試驗研究

在完成SCR系統(tǒng)控制策略及匹配標定試驗的基礎上，進行穩(wěn)態(tài)循環(huán)ESC試驗，以考核SCR系統(tǒng)的運行狀況。試驗發(fā)動機在測功機上遵循表1所列出的13工況運行。

在ESC試驗中，SCR系統(tǒng)根據發(fā)動機轉速、扭矩等參數自動運行，并對催化器前NOx濃度、催化器后NOx濃度、排氣溫度、還原劑噴射量等參數信息進行同步記錄。

圖10示出還原劑噴射速率隨ESC工況的變化。由于建立了穩(wěn)態(tài)控制策略的模型，其噴射速率可根據不同工況實時進行調整，以最大限度地降低NOx排放量。從圖10可以看出，還原劑的最大穩(wěn)定噴射速率可以達到3.7kg／h，瞬時噴射速率最大可以達到4.5kg／h。

圖11示出NOx濃度隨ESC工況的變化。從圖11可以看出，在ESC工況下，NOx體積分數最高可以達到1 500×10－6。SCR系統(tǒng)運行后，由于還原劑的添加，排氣中的NOx體積分數急劇降低，其最低穩(wěn)定值在100×10－6左右。在ESC工況下，其最高轉化效率可以達到90%，但在某些點上其轉化效率較低，如圖中所示原機NOx體積分數為500×10－6左右的幾個工況點，其轉化效率不到50%。其他ESC工況點轉化效率都在70%以上。

ESC的最終測試結果為NOx比排放量為3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值為20×10－6。試驗結果滿足國ⅣESC穩(wěn)態(tài)排放法規(guī)的要求。

3 結束語

介紹了SCR國Ⅳ尿素噴射穩(wěn)態(tài)控制策略及實現流程?？刂撇呗灾饕腔谂艤啬Ｐ?、NOx預估模型、排氣流量模型、催化器效率模型、尿素噴射模型的MAP圖及數學計算。通過臺架ESC試驗驗證，NOx排放是3.03g／（kW·h），NH3泄漏量峰值為20×10－6，滿足國Ⅳ穩(wěn)態(tài)排放法規(guī)的要求。

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