岳廣照，孫振茂，田廣東

（1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，淄博255000；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

前言

尿素選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是應(yīng)用最廣的柴油機(jī)氮氧化物（NOx）處理技術(shù)之一［1-2］。隨著排放法規(guī)的升級(jí)，對(duì)SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率提出了更高的要求［3-4］。SCR催化器的溫度是影響SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的最主要因素之一［5］。排氣溫度從220升高到350℃的過(guò)程中，NOx轉(zhuǎn)化效率從30%增大到90%［6］。當(dāng)排氣溫度高于450℃，V2O5基催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率會(huì)急劇下降［7-8］。受限于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和使用成本，商用催化器內(nèi)部的溫度不便直接測(cè)量［9］。SCR控制系統(tǒng)一般采用催化器入口溫度代替催化器的溫度［10］，但是催化器入口溫度變化規(guī)律與催化器內(nèi)部溫度變化規(guī)律并不一致［11-12］，入口溫度并不能真實(shí)反映催化器的溫度［13］。環(huán)境溫度、車速和催化器結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)都是催化器溫度的影響因素，需要綜合考慮并通過(guò)實(shí)車道路測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。研究催化器的溫度變化規(guī)律，開(kāi)發(fā)適用于SCR控制系統(tǒng)的催化器溫度在線預(yù)估算法，可以進(jìn)一步提高SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率，從而有利于滿足更高的排放法規(guī)要求。

本研究將建立催化器溫度場(chǎng)的物理模型，計(jì)算催化器內(nèi)部和催化器出口的溫度。與此同時(shí)加入基于車速的修正因子，簡(jiǎn)化物理模型并生成SCR控制器可識(shí)別的嵌入式代碼，通過(guò)臺(tái)架測(cè)試和整車路試進(jìn)行算法驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

搭建試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于測(cè)試催化器內(nèi)部的實(shí)際溫度，并基于該溫度對(duì)溫度模型進(jìn)行標(biāo)定。圖1為試驗(yàn)裝置及測(cè)試原理示意圖。催化器內(nèi)部前后安裝2塊載體，并布置多支傳感器用于分析催化器內(nèi)部的溫度變化規(guī)律。試驗(yàn)過(guò)程中，將控制算法下載到尿素噴射控制單元（DCU）中，DCU利用上游排溫、廢氣流量、環(huán)境溫度、催化器參數(shù)等進(jìn)行綜合計(jì)算，得到催化器的溫度。將載體2入口截面的17支熱電偶的平均溫度作為催化劑的實(shí)測(cè)溫度，并將該溫度與溫度模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。表1為發(fā)動(dòng)機(jī)與SCR系統(tǒng)主要參數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)與SCR系統(tǒng)主要參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置與測(cè)試原理示意圖

圖中：1為進(jìn)氣流量計(jì)，用于測(cè)量進(jìn)氣流量；2為尿素噴嘴；3為上游排溫傳感器，型號(hào)為PT200；4為SCR催化反應(yīng)器，為方便傳感器布置，2塊載體之間留有50 mm的間隙，并且載體2的入口截面均勻布置17支熱電偶，用于測(cè)量催化劑的溫度；5為下游排溫，型號(hào)為PT200；6為NOx傳感器；7為ECM尾氣測(cè)量探頭；8為ECM尾氣分析儀；9為DCU，用來(lái)控制尿素噴射，測(cè)量上下游排溫和NOx濃度信息。

評(píng)價(jià)溫度模型的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是模型計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度的吻合程度，采用相對(duì)誤差表示，其計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：Errrel為相對(duì)誤差，%；Tcalc為溫度計(jì)算值，℃；Texp為溫度實(shí)測(cè)值，℃。

2 催化器溫度預(yù)估算法開(kāi)發(fā)

2.1 催化器溫度變化過(guò)程分析

SCR催化器的溫度場(chǎng)建模主要基于能量傳遞，能量來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱。由于催化器載體為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且被廢氣包裹，氣相與固相作為一個(gè)整體考慮，忽略氣相與固相的換熱所引起的能量變化。根據(jù)能量守恒定律，將催化器作為一個(gè)整體，系統(tǒng)能量的變化主要受以下因素影響：進(jìn)出口氣體的熱量差、催化器載體導(dǎo)熱、化學(xué)反應(yīng)放熱、輻射放熱［14］。能量變化方程如式（2）～式（7）所示。

式中：ΔE為催化器內(nèi)能的增幅速率，J∕s；為流經(jīng)催化器入口和出口的氣體引起的熱量的差值，J∕s；為催化器載體導(dǎo)熱量，J∕s；為反應(yīng)熱流，J∕s；為輻射放熱，J∕s；mgas為廢氣質(zhì)量，kg；msol為載體質(zhì)量，kg；cp為催化器的定壓比熱，J∕（kg·K）；Tgas為廢氣溫度，K；為廢氣的質(zhì)量流量，kg∕s；Tin為SCR催化器上游溫度，K；Tout為SCR催化器下游溫度，K；A為載體的橫截面積，m2；λsol為載體導(dǎo)熱率，W∕（m·K）；n為NOx排放速率，kmol∕s；Ri為物質(zhì)i的反應(yīng)速率；ΔHi為物質(zhì)i的反應(yīng)熱，J∕kmol；f為基于車速的修正因子，根據(jù)車速進(jìn)行標(biāo)定；ε為催化劑的發(fā)射率；σ為Stephan Boltzmann常數(shù)，W·m2·K-4；Aa為催化劑熱輻射表面積，m2；Tamb為環(huán)境溫度，K。

為將溫度模型用于嵌入式系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。由于氣體質(zhì)量相對(duì)載體質(zhì)量小得多，所以可忽略氣體內(nèi)能的增加。另外，載體導(dǎo)熱和化學(xué)反應(yīng)放熱相對(duì)氣體傳熱能量小得多，也將其忽略。只考慮進(jìn)出口氣體的熱量差和輻射放熱，式（2）可簡(jiǎn)化為

2.2 廢氣流量的計(jì)算

廢氣流量是SCR系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，一方面影響溫度模型的精度，另一方面影響尿素噴射量的計(jì)算，是必不可少的一個(gè)參數(shù)。臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)流量計(jì)測(cè)量進(jìn)氣流量，油耗儀測(cè)量油耗量，然后相加得到廢氣流量。對(duì)于控制單元也可以采用這種方式，只是數(shù)據(jù)需要計(jì)算。首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排量、進(jìn)氣溫度壓力、充氣效率等參數(shù)計(jì)算得到進(jìn)氣量，然后利用進(jìn)氣量和過(guò)量空氣系數(shù)計(jì)算得到燃油消耗量，兩者相加得到廢氣流量。計(jì)算方法如式（9）～式（11）所示。

式中：MExh為排氣流量，kg∕h；MA為進(jìn)氣流量，kg∕h；MF為燃油消耗量，kg∕h；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r∕min；τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)；Voln為發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，L；ρ為空氣密度，kg∕m3；pA為進(jìn)氣壓力，Pa；pAs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣壓力，Pa；TA為進(jìn)氣溫度，K；TAs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣溫度，K；f為發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率；λ為過(guò)量空氣系數(shù)。

2.3 基于模型的溫度預(yù)估算法

根據(jù)溫度變化機(jī)理方程，利用Simulink建立溫度場(chǎng)模型。建模過(guò)程中充分考慮催化器的特點(diǎn)，由于載體為2塊，分別對(duì)2塊載體建立模型，其中第1塊載體的出口溫度為第2塊載體的入口溫度。對(duì)于尿素噴射控制，直接利用第1塊載體出口的溫度作為催化劑的溫度，而第2塊載體的出口溫度可以作為催化器下游的溫度。由于SCR催化器載體對(duì)氣流具有緩沖作用，在控制算法中加入了1階慣性延遲模型，模型延遲參數(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2為基于溫度修正的控制算法示意圖，將控制算法通過(guò)RTW工具生成可編譯的C代碼，然后下載到單片機(jī)中即可。

圖2 基于溫度修正的控制算法示意圖

尿素噴射控制是控制算法開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，其中需要根據(jù)排氣溫度、轉(zhuǎn)速、SCR系統(tǒng)狀態(tài)和SCR系統(tǒng)的約束條件等參數(shù)進(jìn)行綜合分析計(jì)算。排溫低于200℃時(shí)，尿素?zé)峤馑獠煌耆菀自斐赡蛩亟Y(jié)晶，此時(shí)不宜進(jìn)行尿素噴射［15］。SCR系統(tǒng)尿素噴射控制邏輯包括6個(gè)工作狀態(tài)，分別是系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)就緒、尿素預(yù)注、噴射、管路吹洗、故障診斷。工作狀態(tài)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行相互切換。

控制算法采用基于模型的開(kāi)發(fā)方式，以氨泄漏和尿素結(jié)晶為限制條件，以NOx轉(zhuǎn)化效率為控制目標(biāo)。主要開(kāi)發(fā)流程包括：根據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)提煉反應(yīng)方程；利用Matlab∕Simulink建立應(yīng)用層控制算法，采用RTW生成可執(zhí)行代碼；利用C∕C++開(kāi)發(fā)底層算法（IO接口、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、底層驅(qū)動(dòng)）；基于CodeWarrior的軟件集成與測(cè)試；軟硬件集成與測(cè)試；標(biāo)定功能開(kāi)發(fā)；臺(tái)架標(biāo)定及整車路試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 穩(wěn)態(tài)工況測(cè)試

開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)溫度控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，17支熱電偶的溫度代數(shù)平均值作為實(shí)測(cè)溫度，對(duì)模型預(yù)估溫度和實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比。圖3為穩(wěn)態(tài)工況下催化器溫度，由于溫度模型算法加入了1階慣性延遲模型，所以當(dāng)溫度模型啟動(dòng)后，模型計(jì)算溫度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 320 r∕min、轉(zhuǎn)矩為410 N·m、排氣流量為450 kg∕h時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的前50 s相對(duì)誤差大于2.5%，但是小于5%，50 s以后溫度模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差小于2.5%。穩(wěn)態(tài)工況下，模型可以很好地預(yù)測(cè)催化劑溫度。

圖3 穩(wěn)態(tài)工況下催化器溫度

3.2 階躍工況測(cè)試

設(shè)計(jì)工況階躍變化試驗(yàn)，驗(yàn)證溫度模型的計(jì)算精度，試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)過(guò)程中待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，并且溫度模型運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始記錄，通過(guò)測(cè)功機(jī)控制轉(zhuǎn)速和負(fù)載，其中工況切換時(shí)間設(shè)定為1 s，而實(shí)際執(zhí)行結(jié)果受限于測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)，時(shí)間會(huì)大于1 s。該時(shí)間對(duì)溫度計(jì)算和測(cè)量幾乎沒(méi)有影響。

圖4為階躍工況下催化器溫度，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的不同，最終穩(wěn)定后的溫度也不同。

圖4 階躍工況下催化器溫度

由圖4可知，工況階躍變化后，溫度升高并達(dá)到穩(wěn)定需要較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)溫度變化率小于0.3℃∕s時(shí)，模型計(jì)算溫度和實(shí)測(cè)溫度的相對(duì)誤差較小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化次序?yàn)?-2-1時(shí)，包含升溫過(guò)程和降溫過(guò)程，溫度從265升到354℃，然后降到270℃。其中升溫過(guò)程中溫度模型計(jì)算的最大相對(duì)誤差為4.4%，降溫過(guò)程中最大相對(duì)誤差為3.8%。同樣，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況按照其他次序變化時(shí)，也同樣包含了升溫過(guò)程和降溫過(guò)程。階躍過(guò)程中溫度模型計(jì)算精度低于穩(wěn)態(tài)工況，但會(huì)很快恢復(fù)到較小誤差范圍內(nèi)。對(duì)于工況按照次序1-4-1變化時(shí)，相對(duì)誤差最大達(dá)5%，該工況的升溫幅度也最大，溫度從270升到442℃，溫升達(dá)172℃。

由圖4可知，溫度上升階段和下降階段的相對(duì)誤差比穩(wěn)態(tài)工況的要大?？梢园褱囟壬仙^(guò)程分為兩個(gè)階段，其中在溫度上升的第1階段，溫度上升幅度較大，模型計(jì)算溫度小于實(shí)測(cè)溫度，此時(shí)相對(duì)誤差較大，是最大誤差容易出現(xiàn)的區(qū)域。在溫度上升的第2階段，模型計(jì)算溫度大于實(shí)測(cè)溫度，此時(shí)相對(duì)誤差較小?；谝陨显囼?yàn)，重點(diǎn)分析溫度上升的第1階段各參數(shù)的變化規(guī)律，表3為溫度過(guò)渡過(guò)程參數(shù)。

表3 溫度過(guò)渡過(guò)程參數(shù)

由表3可知，隨著溫度上升持續(xù)時(shí)間的增大，溫度變化率也在增大。但是達(dá)到最大相對(duì)誤差所用時(shí)間沒(méi)有明顯的規(guī)律，最大相對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的溫度上升百分比也沒(méi)有明顯的規(guī)律，這與試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)存在一定的關(guān)系。

3.3 連續(xù)工況測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際狀態(tài)既包含穩(wěn)定工況又包含瞬態(tài)階躍工況，本文中設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)循環(huán)用來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)道路的工況。圖5為連續(xù)工況下催化器溫度。由圖可知，相對(duì)誤差全部控制在5%以內(nèi)。而且工況變化越緩，模型計(jì)算精度越高。

圖5 連續(xù)工況下催化器溫度

3.4 整車測(cè)試

開(kāi)展重型貨車加載試驗(yàn)，測(cè)試溫度模型在整車運(yùn)行工況下的計(jì)算精度，重型貨車加載量為42 t，采用商用礬基催化劑。整車測(cè)試時(shí)由于催化劑處受限于溫度傳感器的安裝，所以將下游排溫作為對(duì)比對(duì)象。圖6為整車道路測(cè)試結(jié)果。由圖可知，與臺(tái)架測(cè)試相比，整車測(cè)試時(shí)相對(duì)誤差稍大，最大相對(duì)誤差為9.3%。排溫整體預(yù)測(cè)結(jié)果較好，其中相對(duì)誤差小于5%的概率分布達(dá)到75.4%，小于6%的概率分布達(dá)到91%。誤差較大的原因主要是催化器參數(shù)的差異，雖然整車和臺(tái)架試驗(yàn)都是采用的商用催化器，但是仍然存在一些差異。

圖6 整車道路測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）分析SCR催化器溫度變化過(guò)程和變化規(guī)律，建立催化反應(yīng)器溫度場(chǎng)平衡方程，利用Simulink建立基于模型的溫度預(yù)估算法，并將其轉(zhuǎn)化為嵌入式代碼用于SCR控制單元?；谀Ｐ偷腟CR催化器溫度預(yù)算法可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)催化器的溫度。

（2）臺(tái)架和整車測(cè)試結(jié)果表明，模型計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)溫度存在一定的偏差，最大相對(duì)誤差一般出現(xiàn)在溫度階躍上升或階躍下降階段。隨著溫度變化率的增大，最大相對(duì)誤差也在增大，但是達(dá)到最大相對(duì)誤差所用時(shí)間幾乎不變。

（3）溫度模型可在線計(jì)算催化器內(nèi)部和催化器下游的溫度，計(jì)算結(jié)果能夠反映出溫度的真實(shí)變化規(guī)律，可用于指導(dǎo)SCR系統(tǒng)尿素噴射控制。