基于ESC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)?zāi)蛩貒娚淇刂蒲芯?/h1>
2022-01-17 01:03:39郭麗娜胡明郝魁岳廣照
內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年2期 關(guān)鍵詞：柴油車
郭麗娜 胡明 郝魁 岳廣照
摘要：以康明斯4L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，通過MATLAB完成尿素噴射控制策略編程，在ESC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中，對(duì)比閉環(huán)控制尿素噴射和開環(huán)控制尿素噴射的整體循環(huán)測(cè)試結(jié)果和單點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，得出閉環(huán)控制在尿素噴射過程中具有尿素消耗量少，排氣中NOX轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。
Abstract： With cummins 4L diesel engine as the research object， By Matlab program urea injection control strategy， in the ESC steady-state test cycle， compared with closed loop control of urea injection and open loop control of urea injection of single point test results and the whole cycle test results， draw a closed loop control in the process of urea injection with urea consumption， less NOX in the exhaust pipe high conversion efficiency.
關(guān)鍵詞：柴油車;ESC工況;NOX計(jì)算
Key words： diesel vehicles;ESC condition;NOX calculation
中圖分類號(hào)：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0001-03
0 ?引言
目前對(duì)于后處理廠家而言，在國(guó)五排放階段關(guān)于NOX的起步門檻條件是通過國(guó)家指定排放實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架ESC/ETC/WHTC循環(huán)測(cè)試，滿足GB17691-2005中關(guān)于NOX的排放限值，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)測(cè)試作為ETC和WHTC數(shù)據(jù)標(biāo)定的基礎(chǔ)，其在柴油車尾氣排放測(cè)試中具有關(guān)鍵性的作用[1]。針對(duì)于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)的重要性，本文對(duì)現(xiàn)階段市場(chǎng)中存在的開環(huán)控制標(biāo)定和閉環(huán)控制標(biāo)定方式進(jìn)行了闡述，對(duì)比了開環(huán)控制ESC試驗(yàn)結(jié)果和閉環(huán)控制ESC試驗(yàn)結(jié)果，得出閉環(huán)控制具有尿素消耗量低，轉(zhuǎn)換效率高的試驗(yàn)結(jié)論。
1 ?柴油機(jī)NOX還原方法介紹
尾氣后處理SCR技術(shù)路線主要分為兩部分，用電控高壓噴射和增壓中冷實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)凈化降低PM，以此達(dá)到GB17691-2005中關(guān)于尾氣標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是由于NOX和PM之間的“蹺蹺板”關(guān)系，PM降低會(huì)明顯增大NOX排放，此時(shí)依靠SCR尾氣后處理技術(shù)將排氣中的NOX數(shù)據(jù)降低，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB17691-2005需求[2]。
2 ?相關(guān)基礎(chǔ)公式
2.1 ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況選取
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、B、C的確定需要依據(jù)高轉(zhuǎn)速nhi和低轉(zhuǎn)速nlO計(jì)算獲得。高轉(zhuǎn)速nhi是最大凈功率70%，低轉(zhuǎn)速nlo是最大凈功率50%下的轉(zhuǎn)速[3]。
轉(zhuǎn)速A=nlO+25%（nhi-nlO）（1）
轉(zhuǎn)速B=nlO+50%（nhi-nlO）（2）
轉(zhuǎn)速C=nlO+75%（nhi-nlO）（3）
ESC試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)功機(jī)上運(yùn)行工況循環(huán)如表1所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)必須按照每個(gè)工況所規(guī)定的時(shí)間運(yùn)行，最初20秒用于完成轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，每個(gè)工況中規(guī)定的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在±50r/min之內(nèi)，規(guī)定的扭矩應(yīng)保持在該實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速下最大扭矩的±2%以內(nèi)。
在ESC試驗(yàn)13工況完成后，ESC測(cè)試還附帶控制區(qū)內(nèi)隨機(jī)工況點(diǎn)檢測(cè)，在開始測(cè)量前，發(fā)動(dòng)機(jī)先調(diào)整至第13工況運(yùn)行3min，然后在控制區(qū)內(nèi)由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)選擇的三個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間為2min。測(cè)量規(guī)程和13工況循環(huán)中NOX的測(cè)量相同[4]。
2.2 ESC試驗(yàn)循環(huán)NOX氣態(tài)污染物計(jì)算
2.2.1 氮氧的濕度和溫度校正
下列公式中的因子就是對(duì)NOX濃度進(jìn)行大氣溫度和濕度的校正[5]。
（4）
式中：
Ta=進(jìn)氣的絕對(duì)溫度，K;
Ha=進(jìn)氣的絕對(duì)濕度（水/干空氣），g/kg
（5）
式中：
Ra-進(jìn)氣的相對(duì)溫度，%;
Pa-發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa;
Pb-總大氣壓，kPa。
2.2.2 排氣污染物質(zhì)量流量的計(jì)算
每工況排氣污染物的質(zhì)量流量（g/h）按下列公式計(jì)算直采NOX數(shù)據(jù)（假設(shè)排氣在273k（0℃）和101.3kPa下的密度為1.293kg/m3）：
（6）
式中NOX cono是排氣采集系統(tǒng)在十三工況中的每一工況中采集的平均濃度（ppm）。
2.2.3 比排放的計(jì)算
各個(gè)組分的排放量（g/kW·h）計(jì)算如下所示。
（7）
式中：NOmass為十三工況中各工況NOX質(zhì)量流量;
WFI為表1中的加權(quán)系數(shù);
P（n）i為十三工況中各工況質(zhì)量流量。
2.3 穩(wěn)態(tài)ESC工況，不同控制策略試驗(yàn)對(duì)比
對(duì)于SCR尿素噴射系統(tǒng)而言，其化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是尾氣中的NOX在催化劑的作用下與NH3發(fā)生催化還原反應(yīng)生成N2和H2O的過程。此反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，對(duì)于釩基催化劑而言，其成本相對(duì)較低，但釩基催化劑受溫度影響較大，基本反應(yīng)活性溫度起點(diǎn)集中在200～220℃左右，一般催化劑性能失活溫度在500℃左右，由此可見溫度是影響柴油車SCR尾氣處理的重要影響因素之一;另一個(gè)重要因素是尾氣在流過催化劑載體時(shí)的時(shí)間，也是人們常說的空速，尾氣需要在催化劑中充分反映才可實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。
在臺(tái)架ESC穩(wěn)態(tài)測(cè)試過程中，SCR尿素噴射開環(huán)控制整體測(cè)試結(jié)果NOX無法滿足國(guó)五2.0g/kW·h的標(biāo)準(zhǔn)要求，十三個(gè)工況點(diǎn)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)也不夠穩(wěn)定，誤差較大;而對(duì)于閉環(huán)控制而言，閉環(huán)控制能夠矯正空速的滯后、尿素泵噴射的機(jī)械誤差以及實(shí)際尿素反應(yīng)的瞬態(tài)調(diào)整，保證單點(diǎn)測(cè)試和整體測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，同時(shí)可以保證車輛出廠后SCR尾氣后處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的一致性。
SCR尿素噴射反饋閉環(huán)控制的原理是依據(jù)下游氮氧傳感器采集的排氣管中反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)與實(shí)際預(yù)期的理論NOX數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而調(diào)整尿素噴射量的修正，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)換效率大于理論轉(zhuǎn)換效率時(shí)，可以減少尿素噴射量，在保證轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)尿素消耗節(jié)省;當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)換效率小于理論轉(zhuǎn)換效率時(shí)，可以增大尿素消耗量，以保證轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性。
3 ?臺(tái)架驗(yàn)證
此次試驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證的SCR尾氣后處理系統(tǒng)主要包含集成式尿素供給單元、催化劑、各類傳感器（上下游傳感器、上下游排溫傳感器、尿素箱溫度及液位傳感器）以及其他連接件組成。系統(tǒng)構(gòu)成以及臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如表2所示。
圖1中所示集成式尿素噴射系統(tǒng)是整個(gè)SCR后處理系統(tǒng)的核心，其通過發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)、上游AD排溫信號(hào)、下游NOX信號(hào)計(jì)算當(dāng)前排氣管中NOX的反應(yīng)情況，對(duì)比預(yù)期NOX需求反應(yīng)效率，反饋公式根據(jù)實(shí)際尿素反應(yīng)情況與理論需求尿素反應(yīng)情況進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)尿素噴射量的修正。此處需注意，反饋控制的修正數(shù)據(jù)可能是正反饋也可能是負(fù)反饋。表3所示為各階段ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。
3.1 試驗(yàn)過程
對(duì)于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況來說，尿素噴射處理后的NOX排放結(jié)果通過尾氣檢測(cè)系統(tǒng)采集SCR催化消聲器后的排氣氣體成分，對(duì)于排氣采集系統(tǒng)來說，一般分為直流采集（原始排氣）和稀釋采集（稀釋排氣），直流采集一般僅用于ESC測(cè)試系統(tǒng)，稀釋采集既可以用于ESC測(cè)試，也可以用于ETC測(cè)試。本文NOX氣態(tài)污染物計(jì)算方式按照排氣系統(tǒng)稀釋采集方式計(jì)算。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
SCR催化還原反應(yīng)是32.5%的尿素水溶液霧化后在催化劑的作用下，與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOX反應(yīng)生成N2和H2O的過程，對(duì)于SCR控制策略的對(duì)比主要從排氣溫度、尿素消耗量、催化還原反應(yīng)后的NOX以及催化還原反映后的NH3進(jìn)行對(duì)比。
3.2.1 ESC穩(wěn)態(tài)工況原機(jī)排溫
由于SCR催化轉(zhuǎn)換效率受溫度影響較大，ESC十三工況下各工況點(diǎn)平均溫度如表4所示。在十三工況點(diǎn)中，只有A100和B100在500℃附近，其他點(diǎn)均在220℃和450℃之間，目前，市場(chǎng)使用的催化劑轉(zhuǎn)換效率最佳點(diǎn)也在此溫度區(qū)間范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80%以上，此發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)溫度對(duì)于SCR反應(yīng)來說比較有利。
3.2.2 ESC穩(wěn)態(tài)工況循環(huán)排放結(jié)果對(duì)比
在發(fā)動(dòng)機(jī)ESC循環(huán)工況，分別用閉環(huán)反饋控制策略和開環(huán)控制策略，完成尿素噴射臺(tái)架試驗(yàn)，最終排放結(jié)果如表5所示。
根據(jù)表5可知，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)的ESC穩(wěn)態(tài)工況下，SCR閉環(huán)控制策略在尿素消耗量、最終反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)以及氨氣泄漏方面均具有優(yōu)勢(shì)。
3.2.3 ESC工況單點(diǎn)排放結(jié)果對(duì)比
根據(jù)GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法可知，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)后還需要進(jìn)行單點(diǎn)抽查測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)為十三工況范圍內(nèi)的3個(gè)隨機(jī)工況點(diǎn)，而3點(diǎn)抽查的最終排放處理結(jié)果依賴ESC各工況尿素噴射的穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)各工況點(diǎn)進(jìn)行開環(huán)控制和閉環(huán)控制尿素噴射后的數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比如表6開閉環(huán)ESC工況尿素噴射NOX數(shù)據(jù)所示，由表6可知閉環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)是開環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)的50%左右。
4 ?結(jié)論
本文通過對(duì)康明斯4L發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣ESC排放測(cè)試，確定了閉環(huán)控制策略由于其及時(shí)反饋調(diào)整，無論是在整個(gè)循環(huán)還是在十三點(diǎn)的單點(diǎn)測(cè)試，其最終轉(zhuǎn)換效率均高于開環(huán)控制轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)閉環(huán)控制策略十三工況點(diǎn)的NOX轉(zhuǎn)化效率更接近預(yù)期理論轉(zhuǎn)換效率，保證了柴油車SCR尾氣后處理系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定;達(dá)到了尾氣處理，環(huán)境保護(hù)的目的。
參考文獻(xiàn)：
[1]王杰，王世杰.固態(tài)氨與尿素噴射控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)氮氧化合物排放影響對(duì)比研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021.
[2]張濤，王峰，等.基于 Amesim 的國(guó)五重型商用車NOX排放仿真分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2021，38（4）.
[3]鮑寧，劉軍，蔡瀟揚(yáng).國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)輕型柴油車 SCR 系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（3）.
[4]張凡，李昂，于津濤.重型發(fā)動(dòng)機(jī)氨排放特性的臺(tái)架試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2019（2）.
[5]危紅媛，周華，等.我國(guó)重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2020，49（6）.
基金項(xiàng)目：中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)職業(yè)技術(shù)教育分會(huì)2020年度立項(xiàng)課題（課題名稱“基于產(chǎn)教融合校企合作的‘四縱四橫三平臺(tái)創(chuàng)新教學(xué)模式的探究”，項(xiàng)目編號(hào)：GZYYB202020）。
作者簡(jiǎn)介：郭麗娜（1989-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，講師，研究方向?yàn)椴裼蛙囄矚馓幚?、汽車故障診斷、汽車專業(yè)教育教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教育。
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郭麗娜 胡明 郝魁 岳廣照
摘要：以康明斯4L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，通過MATLAB完成尿素噴射控制策略編程，在ESC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)中，對(duì)比閉環(huán)控制尿素噴射和開環(huán)控制尿素噴射的整體循環(huán)測(cè)試結(jié)果和單點(diǎn)測(cè)試結(jié)果，得出閉環(huán)控制在尿素噴射過程中具有尿素消耗量少，排氣中NOX轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。
Abstract： With cummins 4L diesel engine as the research object， By Matlab program urea injection control strategy， in the ESC steady-state test cycle， compared with closed loop control of urea injection and open loop control of urea injection of single point test results and the whole cycle test results， draw a closed loop control in the process of urea injection with urea consumption， less NOX in the exhaust pipe high conversion efficiency.
關(guān)鍵詞：柴油車;ESC工況;NOX計(jì)算
Key words： diesel vehicles;ESC condition;NOX calculation
中圖分類號(hào)：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0001-03
0 ?引言
目前對(duì)于后處理廠家而言，在國(guó)五排放階段關(guān)于NOX的起步門檻條件是通過國(guó)家指定排放實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架ESC/ETC/WHTC循環(huán)測(cè)試，滿足GB17691-2005中關(guān)于NOX的排放限值，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)測(cè)試作為ETC和WHTC數(shù)據(jù)標(biāo)定的基礎(chǔ)，其在柴油車尾氣排放測(cè)試中具有關(guān)鍵性的作用[1]。針對(duì)于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)的重要性，本文對(duì)現(xiàn)階段市場(chǎng)中存在的開環(huán)控制標(biāo)定和閉環(huán)控制標(biāo)定方式進(jìn)行了闡述，對(duì)比了開環(huán)控制ESC試驗(yàn)結(jié)果和閉環(huán)控制ESC試驗(yàn)結(jié)果，得出閉環(huán)控制具有尿素消耗量低，轉(zhuǎn)換效率高的試驗(yàn)結(jié)論。
1 ?柴油機(jī)NOX還原方法介紹
尾氣后處理SCR技術(shù)路線主要分為兩部分，用電控高壓噴射和增壓中冷實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)凈化降低PM，以此達(dá)到GB17691-2005中關(guān)于尾氣標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是由于NOX和PM之間的“蹺蹺板”關(guān)系，PM降低會(huì)明顯增大NOX排放，此時(shí)依靠SCR尾氣后處理技術(shù)將排氣中的NOX數(shù)據(jù)降低，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB17691-2005需求[2]。
2 ?相關(guān)基礎(chǔ)公式
2.1 ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況選取
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、B、C的確定需要依據(jù)高轉(zhuǎn)速nhi和低轉(zhuǎn)速nlO計(jì)算獲得。高轉(zhuǎn)速nhi是最大凈功率70%，低轉(zhuǎn)速nlo是最大凈功率50%下的轉(zhuǎn)速[3]。
轉(zhuǎn)速A=nlO+25%（nhi-nlO）（1）
轉(zhuǎn)速B=nlO+50%（nhi-nlO）（2）
轉(zhuǎn)速C=nlO+75%（nhi-nlO）（3）
ESC試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)功機(jī)上運(yùn)行工況循環(huán)如表1所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)必須按照每個(gè)工況所規(guī)定的時(shí)間運(yùn)行，最初20秒用于完成轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，每個(gè)工況中規(guī)定的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在±50r/min之內(nèi)，規(guī)定的扭矩應(yīng)保持在該實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速下最大扭矩的±2%以內(nèi)。
在ESC試驗(yàn)13工況完成后，ESC測(cè)試還附帶控制區(qū)內(nèi)隨機(jī)工況點(diǎn)檢測(cè)，在開始測(cè)量前，發(fā)動(dòng)機(jī)先調(diào)整至第13工況運(yùn)行3min，然后在控制區(qū)內(nèi)由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)選擇的三個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)間為2min。測(cè)量規(guī)程和13工況循環(huán)中NOX的測(cè)量相同[4]。
2.2 ESC試驗(yàn)循環(huán)NOX氣態(tài)污染物計(jì)算
2.2.1 氮氧的濕度和溫度校正
下列公式中的因子就是對(duì)NOX濃度進(jìn)行大氣溫度和濕度的校正[5]。
（4）
式中：
Ta=進(jìn)氣的絕對(duì)溫度，K;
Ha=進(jìn)氣的絕對(duì)濕度（水/干空氣），g/kg
（5）
式中：
Ra-進(jìn)氣的相對(duì)溫度，%;
Pa-發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa;
Pb-總大氣壓，kPa。
2.2.2 排氣污染物質(zhì)量流量的計(jì)算
每工況排氣污染物的質(zhì)量流量（g/h）按下列公式計(jì)算直采NOX數(shù)據(jù)（假設(shè)排氣在273k（0℃）和101.3kPa下的密度為1.293kg/m3）：
（6）
式中NOX cono是排氣采集系統(tǒng)在十三工況中的每一工況中采集的平均濃度（ppm）。
2.2.3 比排放的計(jì)算
各個(gè)組分的排放量（g/kW·h）計(jì)算如下所示。
（7）
式中：NOmass為十三工況中各工況NOX質(zhì)量流量;
WFI為表1中的加權(quán)系數(shù);
P（n）i為十三工況中各工況質(zhì)量流量。
2.3 穩(wěn)態(tài)ESC工況，不同控制策略試驗(yàn)對(duì)比
對(duì)于SCR尿素噴射系統(tǒng)而言，其化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是尾氣中的NOX在催化劑的作用下與NH3發(fā)生催化還原反應(yīng)生成N2和H2O的過程。此反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，對(duì)于釩基催化劑而言，其成本相對(duì)較低，但釩基催化劑受溫度影響較大，基本反應(yīng)活性溫度起點(diǎn)集中在200～220℃左右，一般催化劑性能失活溫度在500℃左右，由此可見溫度是影響柴油車SCR尾氣處理的重要影響因素之一;另一個(gè)重要因素是尾氣在流過催化劑載體時(shí)的時(shí)間，也是人們常說的空速，尾氣需要在催化劑中充分反映才可實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。
在臺(tái)架ESC穩(wěn)態(tài)測(cè)試過程中，SCR尿素噴射開環(huán)控制整體測(cè)試結(jié)果NOX無法滿足國(guó)五2.0g/kW·h的標(biāo)準(zhǔn)要求，十三個(gè)工況點(diǎn)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)也不夠穩(wěn)定，誤差較大;而對(duì)于閉環(huán)控制而言，閉環(huán)控制能夠矯正空速的滯后、尿素泵噴射的機(jī)械誤差以及實(shí)際尿素反應(yīng)的瞬態(tài)調(diào)整，保證單點(diǎn)測(cè)試和整體測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，同時(shí)可以保證車輛出廠后SCR尾氣后處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的一致性。
SCR尿素噴射反饋閉環(huán)控制的原理是依據(jù)下游氮氧傳感器采集的排氣管中反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)與實(shí)際預(yù)期的理論NOX數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而調(diào)整尿素噴射量的修正，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)換效率大于理論轉(zhuǎn)換效率時(shí)，可以減少尿素噴射量，在保證轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)尿素消耗節(jié)省;當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)換效率小于理論轉(zhuǎn)換效率時(shí)，可以增大尿素消耗量，以保證轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性。
3 ?臺(tái)架驗(yàn)證
此次試驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證的SCR尾氣后處理系統(tǒng)主要包含集成式尿素供給單元、催化劑、各類傳感器（上下游傳感器、上下游排溫傳感器、尿素箱溫度及液位傳感器）以及其他連接件組成。系統(tǒng)構(gòu)成以及臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備如表2所示。
圖1中所示集成式尿素噴射系統(tǒng)是整個(gè)SCR后處理系統(tǒng)的核心，其通過發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)、上游AD排溫信號(hào)、下游NOX信號(hào)計(jì)算當(dāng)前排氣管中NOX的反應(yīng)情況，對(duì)比預(yù)期NOX需求反應(yīng)效率，反饋公式根據(jù)實(shí)際尿素反應(yīng)情況與理論需求尿素反應(yīng)情況進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)尿素噴射量的修正。此處需注意，反饋控制的修正數(shù)據(jù)可能是正反饋也可能是負(fù)反饋。表3所示為各階段ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。
3.1 試驗(yàn)過程
對(duì)于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況來說，尿素噴射處理后的NOX排放結(jié)果通過尾氣檢測(cè)系統(tǒng)采集SCR催化消聲器后的排氣氣體成分，對(duì)于排氣采集系統(tǒng)來說，一般分為直流采集（原始排氣）和稀釋采集（稀釋排氣），直流采集一般僅用于ESC測(cè)試系統(tǒng)，稀釋采集既可以用于ESC測(cè)試，也可以用于ETC測(cè)試。本文NOX氣態(tài)污染物計(jì)算方式按照排氣系統(tǒng)稀釋采集方式計(jì)算。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
SCR催化還原反應(yīng)是32.5%的尿素水溶液霧化后在催化劑的作用下，與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOX反應(yīng)生成N2和H2O的過程，對(duì)于SCR控制策略的對(duì)比主要從排氣溫度、尿素消耗量、催化還原反應(yīng)后的NOX以及催化還原反映后的NH3進(jìn)行對(duì)比。
3.2.1 ESC穩(wěn)態(tài)工況原機(jī)排溫
由于SCR催化轉(zhuǎn)換效率受溫度影響較大，ESC十三工況下各工況點(diǎn)平均溫度如表4所示。在十三工況點(diǎn)中，只有A100和B100在500℃附近，其他點(diǎn)均在220℃和450℃之間，目前，市場(chǎng)使用的催化劑轉(zhuǎn)換效率最佳點(diǎn)也在此溫度區(qū)間范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到80%以上，此發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)溫度對(duì)于SCR反應(yīng)來說比較有利。
3.2.2 ESC穩(wěn)態(tài)工況循環(huán)排放結(jié)果對(duì)比
在發(fā)動(dòng)機(jī)ESC循環(huán)工況，分別用閉環(huán)反饋控制策略和開環(huán)控制策略，完成尿素噴射臺(tái)架試驗(yàn)，最終排放結(jié)果如表5所示。
根據(jù)表5可知，在同一發(fā)動(dòng)機(jī)的ESC穩(wěn)態(tài)工況下，SCR閉環(huán)控制策略在尿素消耗量、最終反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)以及氨氣泄漏方面均具有優(yōu)勢(shì)。
3.2.3 ESC工況單點(diǎn)排放結(jié)果對(duì)比
根據(jù)GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法可知，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)后還需要進(jìn)行單點(diǎn)抽查測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)為十三工況范圍內(nèi)的3個(gè)隨機(jī)工況點(diǎn)，而3點(diǎn)抽查的最終排放處理結(jié)果依賴ESC各工況尿素噴射的穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)各工況點(diǎn)進(jìn)行開環(huán)控制和閉環(huán)控制尿素噴射后的數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比如表6開閉環(huán)ESC工況尿素噴射NOX數(shù)據(jù)所示，由表6可知閉環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)是開環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)的50%左右。
4 ?結(jié)論
本文通過對(duì)康明斯4L發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣ESC排放測(cè)試，確定了閉環(huán)控制策略由于其及時(shí)反饋調(diào)整，無論是在整個(gè)循環(huán)還是在十三點(diǎn)的單點(diǎn)測(cè)試，其最終轉(zhuǎn)換效率均高于開環(huán)控制轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)閉環(huán)控制策略十三工況點(diǎn)的NOX轉(zhuǎn)化效率更接近預(yù)期理論轉(zhuǎn)換效率，保證了柴油車SCR尾氣后處理系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定;達(dá)到了尾氣處理，環(huán)境保護(hù)的目的。
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基金項(xiàng)目：中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)職業(yè)技術(shù)教育分會(huì)2020年度立項(xiàng)課題（課題名稱“基于產(chǎn)教融合校企合作的‘四縱四橫三平臺(tái)創(chuàng)新教學(xué)模式的探究”，項(xiàng)目編號(hào)：GZYYB202020）。
作者簡(jiǎn)介：郭麗娜（1989-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，講師，研究方向?yàn)椴裼蛙囄矚馓幚?、汽車故障診斷、汽車專業(yè)教育教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教育。
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