王天田 ，李天羿，胡 杰，王 智

(1.華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.江鈴汽車股份有限公司動力總成研究院，江西 南昌 330052；3.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；4.李斯特技術(shù)中心(上海)有限公司，上海 200126)

為應(yīng)對歐Ⅵ/國Ⅵ法規(guī)對氮氧化物(NOx)排放的嚴(yán)格要求，目前道路用途的重型柴油機(jī)均采用選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，主流控制策略為閉環(huán)控制策略，其閉環(huán)控制目標(biāo)可通過基于脈譜(MAP)和基于模型兩種方式實(shí)現(xiàn)[1-4]，基于MAP 的尿素噴射控制策略控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路簡單、開發(fā)難度低，但瞬態(tài)控制效果較差，控制精度會隨著系統(tǒng)老化而降低，同時(shí)給車載故障診斷(OBD)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5].面對更為嚴(yán)格的排放法規(guī)及OBD 監(jiān)控需求升級背景，基于模型的控制策略和OBD 策略得到了快速發(fā)展.Hommen等[3]和石秀勇等[4]在考慮了氨(NH3)泄漏引起的NOx傳感器交叉敏感特性條件下，建立了基于模型的SCR閉環(huán)控制策略.Vitale 等[6]設(shè)計(jì)了基于模型的OBD策略及其標(biāo)定策略，并得到了成功應(yīng)用.Qiu 等[7]將重型柴油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)與SCR 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)綜合考慮，開發(fā)了基于模型的閉環(huán)控制策略和OBD策略.Wang 等[8]提出了一種基于模型的OBD 策略，當(dāng)OBD 系統(tǒng)診斷出尿素噴射系統(tǒng)存在故障時(shí)，噴射控制單元(DCU)會調(diào)整控制策略以修正這一故障帶來的影響.在SCR 系統(tǒng)熱力學(xué)模型、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型和儲氨預(yù)測等方面的研究[9-11]已成功運(yùn)用于實(shí)際的還原劑噴射控制策略中，模型適應(yīng)性強(qiáng)且能取得很好地排放控制效果與狀態(tài)預(yù)估效果.

國Ⅵ階段SCR 技術(shù)對還原劑供給量的控制目標(biāo)是：在冷態(tài)與熱態(tài)全球統(tǒng)一瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(WHTC)的大部分工況下，使NOx排放污染物的轉(zhuǎn)化效率大于一定閾值，并且NH3泄漏平均值控制在10×10-6以下.為了實(shí)現(xiàn)精確的還原劑供給量控制，除了要求DCU 擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和精確的模型外，還需要依賴實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的傳感器信號輸入、精確可靠的還原劑供給機(jī)構(gòu)執(zhí)行和穩(wěn)健良好的催化劑反應(yīng)性能等基礎(chǔ)硬件條件，一旦這些基礎(chǔ)條件發(fā)生偏移，則勢必要進(jìn)行相應(yīng)的修正，才能重新實(shí)現(xiàn)還原劑供給量的精確控制.筆者針對此應(yīng)用背景，開發(fā)了一種基于模型的SCR 系統(tǒng)還原劑供給量自適應(yīng)修正方法.

1 研究目標(biāo)

圖1 為國Ⅵ后處理系統(tǒng).由柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)、柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)及SCR 系統(tǒng)組成，其中SCR 系統(tǒng)為尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)，使用添藍(lán)(AdBlue)還原排氣中的NOx，主要由SCR催化器或SCR+氨逃逸催化器(ASC)、尿素混合器、尿素泵、尿素噴嘴、尿素罐總成、DCU、SCR 催化器上游溫度傳感器、SCR 催化器下游溫度傳感器、SCR催化器上游NOx體積分?jǐn)?shù)傳感器、SCR 催化器下游NOx體積分?jǐn)?shù)傳感器、尿素液位傳感器、尿素溫度傳感器和尿素品質(zhì)傳感器等組成.圖中寬實(shí)線箭頭表示還原劑流動方向，虛線箭頭表示排氣流動方向，細(xì)實(shí)線箭頭表示信號方向.

圖1 后處理系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.1 Layout of after-treatment system

傳統(tǒng)的還原劑供給量自適應(yīng)修正方法或基于下游NOx傳感器的體積分?jǐn)?shù)測量值和預(yù)期目標(biāo)值的偏差，或基于下游NOx傳感器體積分?jǐn)?shù)測量值和上游NOx體積分?jǐn)?shù)值計(jì)算的轉(zhuǎn)化效率值和預(yù)期目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率的偏差，均無法擺脫對下游NOx傳感器的高度依賴，而NOx傳感器的信號的精度和其對NH3交叉敏感的特性均會對這一自適應(yīng)修正過程產(chǎn)生難以評估和測量的影響[3,12-13].針對此問題，通過建立SCR 系統(tǒng)工作過程模型，使用模型輸出值(包括催化劑出口溫度、各個(gè)催化劑單元的名義溫度、催化劑的氨覆蓋度、下游NO2體積分?jǐn)?shù)、下游NO 體積分?jǐn)?shù)、下游NH3體積分?jǐn)?shù)和下游N2O 體積分?jǐn)?shù)等)作為系統(tǒng)自適應(yīng)修正功能的計(jì)算依據(jù)，大大降低了控制系統(tǒng)對物理傳感器的依賴，相較于僅依靠傳感器測量值實(shí)施的自適應(yīng)控制策略更為穩(wěn)健可靠.

2 SCR系統(tǒng)模型

2.1 SCR系統(tǒng)的熱力學(xué)過程

SCR 系統(tǒng)的熱力學(xué)過程主要包括：(1)排氣與催化劑間的對流換熱；(2)催化劑沿氣流方向的熱傳導(dǎo)；(3)催化器殼體對外界環(huán)境的熱輻射.為了通過數(shù)學(xué)方程對催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的熱力學(xué)過程進(jìn)行描述，進(jìn)行假設(shè)是：(1)噴射的尿素溶液在進(jìn)入SCR 催化劑單元之前已和排氣混合均勻，兩者已經(jīng)充分換熱；(2)不考慮排氣經(jīng)過催化劑前/后溫度和壓力變化導(dǎo)致的密度變化；(3)一維模型，參數(shù)僅沿氣體流動方向(x 軸正方向)變化；(4)排氣在Urea-SCR 系統(tǒng)內(nèi)的流動為理想氣體的均勻和不可壓縮流動.

2.1.1 排氣與催化劑間的對流換熱

單位時(shí)間內(nèi)排氣與催化劑間對流換熱量

式中：h 為對流換熱的表面換熱系數(shù)；TEG為排氣溫度；TC為催化劑溫度；AH-T為催化劑能夠與排氣接觸的所有表面積.

忽略排氣被催化劑橫截面所阻擋的面積后AH-T可表示為

式中：SCat為催化劑單位可流通氣體體積內(nèi)的催化劑內(nèi)表面積；ε為催化劑的孔隙率；rC為催化劑橫截面半徑；LC為催化劑長度.

2.1.2 催化劑沿氣流方向的熱傳導(dǎo)

催化劑沿氣流方向的導(dǎo)熱量可通過Fourier 定律進(jìn)行描述，單位時(shí)間內(nèi)催化劑沿氣流方向的熱傳導(dǎo)熱量ΦC為

式中：λc為導(dǎo)熱系數(shù).

2.1.3 催化器殼體對外界環(huán)境的熱輻射

忽略催化器殼體的壁厚，催化器殼體對外界環(huán)境的有效輻射面積 ARad為

依據(jù)輻射放熱的Stefan-Boltzmann 定律得

式中：ΦCW-amb為催化器殼體對大氣環(huán)境的輻射換熱量；σSB為斯-波常量，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)；εRad為物體的表面發(fā)射率，量綱為1；Tamb為環(huán)境溫度.

2.1.4 熱力學(xué)過程的偏微分方程描述

將Urea-SCR 系統(tǒng)催化器作為開口系統(tǒng)，由能量守恒可知系統(tǒng)特征有：進(jìn)入系統(tǒng)的排氣的熱量Φin等于隨排氣帶走的熱量Φout、排氣通過對流換熱和催化劑交換的熱量ΦC及SCR 系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)吸放熱ΦCh之和，即

對于Φin由于排氣在催化劑內(nèi)部受到空間容積的限制，其在熱力學(xué)變化過程中遵循定容變化規(guī)律，計(jì)算Φin時(shí)需要使用排氣的定容比熱容；對于Φout當(dāng)排氣流出催化劑時(shí)，由于氣體的流通截面積突然擴(kuò)張，此時(shí)定容規(guī)律不再滿足，應(yīng)該采用定壓比熱容對換熱過程進(jìn)行計(jì)算.因而用dt 表示微元時(shí)間、dx 表示微元長度，通過偏微分方程描述排氣的能量變化率為

式中：cv,EG為排氣的定容比熱容；cp,EG為排氣的定壓比熱容；ρEG為排氣密度；Afr為催化劑載體前端面積；mEG為排氣質(zhì)量流量；Δ hi為第i 類化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的能量變化；ri為第i 類化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率.

催化劑的能量變化由自身的熱傳導(dǎo)、催化劑和排氣的對流換熱及催化劑外表面向環(huán)境的輻射放熱，因而描述催化劑單元中的熱能變化率的偏微分方程為

式中：cp,C為催化劑載體的定壓比熱容.

2.2 SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程

通過偏微分方程對催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程進(jìn)行描述，基于假設(shè)是：(1)催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為一維模型，排氣的溫度和各組分體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)僅沿排氣流動方向(x 軸正向)變化；(2)排氣為均勻、不可壓縮的理想氣體；(3)不考慮涂覆物的擴(kuò)散，催化劑的涂層厚度只有3.5μm，涂覆物的擴(kuò)散比吸附和脫附過程都快；(4)不考慮排氣中的H2O 和O2體積分?jǐn)?shù)變化對反應(yīng)的影響；(5)不考慮NOx吸附對反應(yīng)的影響，NH3吸附所需消耗的能量高于100 kJ/mol，NO 吸附所需消耗的能量約為20 kJ/mol，因而NH3的吸附反應(yīng)是限制NOx去除(DeNOx)能力的主要反應(yīng).

2.2.1 主要化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)速率

Urea-SCR 系統(tǒng)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)見表1，除此以外模型還包括一些特殊條件下會發(fā)生的副反應(yīng)，如高溫條件下NH3被O2或NO2氧化而生成N2O 等.

表1 Urea-SCR系統(tǒng)主要化學(xué)反應(yīng)Tab.1 List of major chemical reactions in urea-SCR system

尿素的分解反應(yīng)為均相反應(yīng)，其反應(yīng)速率可以用典型的冪律方程[1,14]表達(dá)為

NH3的吸、脫附反應(yīng)可通過方程(10)和(11)描述其反應(yīng)速率[1,14].

SCR 總反應(yīng)的反應(yīng)速率[1,14]表達(dá)式為

NH3的直接氧化反應(yīng)[1,14]為

式中：rUD、rAds、rDes、rSCR和rOx分別表示尿素分解反應(yīng)、NH3的吸附反應(yīng)、NH3的脫附反應(yīng)、SCR 總反應(yīng)和NH3的直接氧化反應(yīng)的反應(yīng)速率；K 為化學(xué)反應(yīng)的指前因子，對于尿素水解反應(yīng)其量綱為1、對于脫附反應(yīng)和NH3的直接氧化反應(yīng)其單位為1/s、對于SCR反應(yīng)其單位為m2/(N·s)；E為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需的活化能；c為相應(yīng)組分的摩爾質(zhì)量濃度；為NH3覆蓋率，量綱為1；Θ為最大儲氨量；Sc為1 mol表面活性原子所占的面積；αProb為吸附概率，量綱為1；R 為宇宙氣體常數(shù)；T 為溫度；為NH3的摩爾質(zhì)量.

2.2.2 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程的偏微分方程描述

根據(jù)質(zhì)量守恒，分別對尿素、氣態(tài)NOx、氣態(tài)NH3和催化劑吸附的NH3體積分?jǐn)?shù)變化為

式中：Rs,EG為排氣的氣體常數(shù)，取值為288 J/(kg·K)；pamb為環(huán)境壓力.

2.3 SCR工作過程建模

為了將描述不同狀態(tài)參數(shù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，圖2 所示沿氣流方向?qū)⒋呋瘎﹦澐譃槿舾蓚€(gè)單元.假設(shè)單元內(nèi)的成分是均勻且各向同性的，因而參數(shù)和物性變化僅在單元和單元之間發(fā)生.同時(shí)假設(shè)催化劑為理想的換熱單元，忽略SCR單元內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，因而熱傳導(dǎo)和對流換熱的時(shí)間為0，且排氣離開催化劑時(shí)的溫度和催化劑一致；此時(shí)可近似地在每個(gè)單元內(nèi)用常微分方程替代偏微分方程進(jìn)行計(jì)算.為使得模型的求解更加迅速，進(jìn)一步做出假設(shè)：(1)噴射的尿素在進(jìn)入第一個(gè)SCR 單元前就已經(jīng)完全分解為氣態(tài)的NH3，不再考慮尿素分解所帶來的影響；(2)研究表明氣相狀態(tài)的組分在催化劑表面吸附的時(shí)間跨度比熱力學(xué)過程和NH3存儲過程低2 個(gè)數(shù)量級，即吸附可認(rèn)為是瞬間完成的，因而對NO 和NH3體積分?jǐn)?shù)變化這一動態(tài)過程的描述可以用靜態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)；(3)相較于熱力學(xué)過程的能量轉(zhuǎn)移，化學(xué)反應(yīng)的吸、放熱量都很小，因而將其忽略.基于以上假設(shè)，排氣和催化劑的能量變化率可分別描述為

圖2 SCR單元?jiǎng)澐质疽釬ig.2 Model computational cells of SCR catalyst

為使方程描述更為簡單，定義參數(shù)為

式中：nCell表示單元數(shù)量.此時(shí)描述狀態(tài)參數(shù)的常微分方程為

儲NH3過程和熱力學(xué)過程相對緩慢，NOx和NH3體積分?jǐn)?shù)的變化主要由NH3的吸附和SCR 反應(yīng)導(dǎo)致，可簡化為狀態(tài)參數(shù)T 和的函數(shù)為

2.4 模型的參數(shù)化

通過進(jìn)行不同的還原劑供給率條件下的負(fù)荷爬坡工況、全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(WHSC)工況、WHTC 工況、非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(WNTE)工況、穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)的氨存儲與氨消耗試驗(yàn)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型各個(gè)部分的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以匹配試驗(yàn)結(jié)果，最終獲得的模型參數(shù)如表2～表4 所示.

表2 靜態(tài)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimization results for static parameters

表3 時(shí)間常數(shù)的優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimization results for time constants

表4 化學(xué)反應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimization results for reaction parameters

2.5 模型的驗(yàn)證

運(yùn)行冷態(tài)與熱態(tài)WHTC 循環(huán)驗(yàn)證模型的預(yù)測效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖4 所示.可以看出模型對于溫度(圖3a)和NOx排放(圖3b)的預(yù)估達(dá)到了非常高的精度，基于模型的儲氨控制表現(xiàn)良好，尿素噴射開始后的一百多秒即可達(dá)到目標(biāo)覆蓋度，并能夠在隨后的運(yùn)行過程中始終維持在目標(biāo)覆蓋度附近(圖3c).但對于NH3泄漏的預(yù)估較實(shí)際測試結(jié)果偏高(圖4)，應(yīng)該是由于試驗(yàn)過程中發(fā)生了模型沒有考慮的副反應(yīng)額外消耗了NH3所造成.

圖3 SCR下游冷態(tài)與熱態(tài)WHTC循環(huán)溫度、NOx 排放和氨覆蓋度變化Fig.3 Variations of temperature，NOx emission and ammonia coverage in cold and hot WHTC cycle of SCR downstream

圖4 SCR下游冷態(tài)WHTC循環(huán)氨泄漏曲線Fig.4 NH3 slip in cold WHTC cycle of SCR downstream

3 基于模型的噴射量自適應(yīng)修正

3.1 功能方案

自適應(yīng)修正功能的方案設(shè)計(jì)如圖5 所示.功能執(zhí)行步驟是：(1)當(dāng)檢測到自適應(yīng)功能的請求信號后，對自適應(yīng)功能的釋放條件進(jìn)行確認(rèn)；(2)當(dāng)自適應(yīng)功能檢測到釋放條件滿足后停噴一段時(shí)間的還原劑，以清空催化劑儲氨；(3)當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率下降到一定限值以后，使噴射系統(tǒng)處于固定氨氮比欠噴射狀態(tài)持續(xù)供應(yīng)尿素溶液，用來排除NH3泄漏對NOx傳感器測量值的交叉干擾[15]；(4)在一段時(shí)間標(biāo)定的時(shí)間內(nèi)，借助位于SCR 系統(tǒng)上、下游的NOx傳感器獲得兩處的NOx體積分?jǐn)?shù)測量值，通過積分得到這段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際平均轉(zhuǎn)化效率；(5)在相同的這段時(shí)間內(nèi)，記錄位于SCR 系統(tǒng)上游的NOx傳感器測量值和模型計(jì)算的SCR 系統(tǒng)下游NOx體積分?jǐn)?shù)值，通過積分得到這段時(shí)間內(nèi)的模型平均轉(zhuǎn)化效率；(6)通過對實(shí)際平均轉(zhuǎn)化效率和模型平均轉(zhuǎn)化效率的對比計(jì)算，從而獲得還原劑供給量的修正系數(shù)；(7)將計(jì)算得到的修正系數(shù)乘以目標(biāo)還原劑供給量，實(shí)現(xiàn)還原劑噴射量在系統(tǒng)排放狀態(tài)異常情況下的自適應(yīng)調(diào)整.

圖5 還原劑供給量自適應(yīng)修正流程Fig.5 Correction process of reductant supply adaptation

3.2 自適應(yīng)功能的請求條件

還原劑的加注事件和系統(tǒng)出現(xiàn)異常的事件在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度上幾乎不可能連續(xù)發(fā)生，故這一自適應(yīng)修正動作也不應(yīng)該頻繁觸發(fā).因此，設(shè)計(jì)了圖6 所示的還原劑供給量自適應(yīng)功能的請求策略，自適應(yīng)功能主要通過以下兩類條件來請求.

圖6 還原劑供給量自適應(yīng)功能的請求狀態(tài)位使能條件Fig.6 Request of reductant supply adaptation special maneuver

3.2.1 A 類條件(正常工作條件下條件計(jì)數(shù)器超過一定限值)

當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后，發(fā)動機(jī)當(dāng)次運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)器開始工作，一旦發(fā)動機(jī)當(dāng)次運(yùn)行時(shí)間超過設(shè)定值，則觸發(fā)條件計(jì)數(shù)器A，同時(shí)該發(fā)動機(jī)當(dāng)次運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)器置零，直至下一次發(fā)動機(jī)點(diǎn)火信號到來后再次開始計(jì)時(shí)；條件計(jì)數(shù)器A 的自增條件可通過開關(guān)選擇某種或同時(shí)復(fù)用，即(1)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過一定限值(一般設(shè)定為怠速以上100～200 r/min)且傳感器計(jì)算得到的DeNOx效率高于一定限值(一般設(shè)定為20%以上即可，表明SCR 系統(tǒng)已經(jīng)結(jié)束冷機(jī)等待狀態(tài)并開始正常工作)后的累計(jì)工作時(shí)間；(2)當(dāng)SCR系統(tǒng)開始噴射還原劑后，累計(jì)噴入系統(tǒng)的還原劑質(zhì)量超過一定限值.

3.2.2 B 類條件(檢測到系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率或者排放存在異常)

OBD 系統(tǒng)通過將上、下游NOx傳感器計(jì)算得到NOx的轉(zhuǎn)化效率與模型預(yù)估得到的NOx轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較，如果兩個(gè)效率的偏差超過一定比例，則認(rèn)為系統(tǒng)存在NOx排放超標(biāo)或者NH3排放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)將首先觸發(fā)NH3泄漏監(jiān)測功能，該功能用于區(qū)分排放超標(biāo)是由于NOx泄漏還是由于NH3泄漏導(dǎo)致，NH3泄漏監(jiān)測功能完成后，將自動請求自適應(yīng)功能以盡快消除NOx泄漏或者NH3泄漏可能帶來的排放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn).

3.3 自適應(yīng)功能的觸發(fā)條件

當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出自適應(yīng)功能請求后，功能的觸發(fā)條件判斷模塊將開始工作，判斷當(dāng)前的發(fā)動機(jī)后處理運(yùn)行工況條件是否適合運(yùn)行自適應(yīng)功能.自適應(yīng)功能觸發(fā)模塊的使能條件設(shè)置原則為：(1)在SCR 加熱狀態(tài)、DPF 再生狀態(tài)下不得啟動自適應(yīng)功能，此時(shí)噴油狀態(tài)異常，排氣中的HC 比例較高，會對還原劑的理論消耗量計(jì)算帶來影響；(2)自適應(yīng)功能需要工作在SCR 催化劑性能穩(wěn)定的溫度區(qū)間和空速區(qū)間，該區(qū)間范圍的選擇需要依據(jù)已有的發(fā)動機(jī)全脈譜工況的測試結(jié)果確定；(3)由于自適應(yīng)功能會對法規(guī)排放循環(huán)的NOx排放結(jié)果帶來影響，且在OBD 預(yù)處理循環(huán)中完成自適應(yīng)調(diào)整，可以降低OBD 報(bào)警的尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值，有助于增加系統(tǒng)工作的魯棒性.因此，推薦通過工況區(qū)間(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、排氣溫度和上游NOx體積分?jǐn)?shù)等)的標(biāo)定使得自適應(yīng)功能必然能夠在WHTC 循環(huán)觸發(fā)并完成計(jì)算.

3.4 自適應(yīng)功能的狀態(tài)定義與狀態(tài)切換

自適應(yīng)控制功能共有5 個(gè)狀態(tài)，在某次WHTC循環(huán)狀態(tài)變化過程如圖7a 所示.狀態(tài)0 為閉環(huán)噴射控制狀態(tài)，正常情況下的SCR 噴射控制系統(tǒng)即處于狀態(tài)0，當(dāng)滿足3.2 節(jié)中提及的相關(guān)請求條件后，系統(tǒng)將發(fā)出NH3供給量的自適應(yīng)控制功能的請求信息，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)1，狀態(tài)1 為自適應(yīng)控制功能已被請求狀態(tài).進(jìn)入狀態(tài)1 以后，系統(tǒng)將持續(xù)對3.3節(jié)中的自適應(yīng)功能觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，一旦上述條件都滿足后，系統(tǒng)將進(jìn)入狀態(tài)2，但進(jìn)入狀態(tài)2 之前SCR 噴射控制系統(tǒng)仍處于正常的閉環(huán)控制狀態(tài).狀態(tài)2 為自適應(yīng)控制功能觸發(fā)條件已滿足狀態(tài).進(jìn)入狀態(tài)2 后，控制系統(tǒng)將觸發(fā)尿素停噴動作以清空催化劑載體上的儲氨，當(dāng)通過上、下游NOx傳感器實(shí)測值算得的轉(zhuǎn)化效率(圖7b 藍(lán)色曲線所示)和模型算得的轉(zhuǎn)化效率(圖7b 橙色所示)都低于標(biāo)定限值后，狀態(tài)2 完成，基于SCR 催化器儲氨特性和轉(zhuǎn)化效率的對應(yīng)關(guān)系，此時(shí)可以認(rèn)為催化器內(nèi)部的儲氨基本已經(jīng)被完全消除，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)3，狀態(tài)3 為系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定期.進(jìn)入狀態(tài)3 后，系統(tǒng)開始以某一固定的比例(一般選擇0.7 左右的供給率使其處于一定比例的欠噴射狀態(tài)，以排除NH3泄漏對NOx傳感器測量值的交叉干擾)噴射還原劑，SCR 催化系統(tǒng)通常需要一定的時(shí)間適應(yīng)噴射量從無到有的動態(tài)過程，經(jīng)過這一段等待系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定的過程后，SCR 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率一致性表現(xiàn)將更為優(yōu)異，為后期進(jìn)行修正因子的計(jì)算奠定良好的環(huán)境基礎(chǔ).固定比例的欠噴射狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間后上述2 個(gè)效率曲線會逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)狀態(tài)3 宣告結(jié)束，開始進(jìn)入狀態(tài)4，狀態(tài)4 為修正因子計(jì)算階段，用來計(jì)算NH3的噴射偏差.當(dāng)2 個(gè)效率相對穩(wěn)定后，如果系統(tǒng)存在問題則其會產(chǎn)生相對固定的偏差，系統(tǒng)將首先通過模型轉(zhuǎn)化效率計(jì)算得到累計(jì)消耗的NH3(此為系統(tǒng)正常狀態(tài)下按照當(dāng)前供給系數(shù)所應(yīng)該消耗的NH3累計(jì)值，如圖7c 中藍(lán)色實(shí)線所示)，然后通過上、下游NOx傳感器實(shí)際測量得到的結(jié)果，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系換算得到實(shí)際反應(yīng)過程中累計(jì)消耗的NH3(由系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)際反應(yīng)能力所決定如圖7c 中紅色曲線所示)，通過上面兩個(gè)累計(jì)值算出具體的比例偏差后，再通過偏差-修正關(guān)系曲線得到最終需要引入還原劑供給系統(tǒng)的修正因子，并將其應(yīng)用到噴射控制中以修正最終噴射量，如圖7d 所示.狀態(tài)4 完成后，系統(tǒng)將重新回到狀態(tài)0.

圖7 自適應(yīng)功能狀態(tài)流程示意Fig.7 Principle of NH3 adaptation function

3.5 修正因子的計(jì)算

SCR 下游NOx體積分?jǐn)?shù)的模型計(jì)算值、排氣質(zhì)量流量、NH3的摩爾質(zhì)量和上游NOx體積分?jǐn)?shù)值作為NH3質(zhì)量流量計(jì)算模塊(模型計(jì)算)的輸入，經(jīng)過積分后，得到積分周期內(nèi)通過模型值計(jì)算的SCR 反應(yīng)累計(jì)NH3消耗質(zhì)量；SCR 下游NOx體積分?jǐn)?shù)的傳感器測量值、排氣質(zhì)量流量、NH3的摩爾質(zhì)量和上游NOx體積分?jǐn)?shù)值作為NH3質(zhì)量流量計(jì)算模塊(傳感器值計(jì)算)的輸入，經(jīng)過積分后得到積分周期內(nèi)通過傳感器值計(jì)算的SCR 反應(yīng)累計(jì)消耗NH3質(zhì)量.

通過將模型值計(jì)算得到的SCR 反應(yīng)累計(jì)消耗NH3質(zhì)量與傳感器值計(jì)算得到的SCR 反應(yīng)累計(jì)消耗NH3質(zhì)量比較，可獲得NH3消耗的比例偏差.計(jì)算得到NH3消耗比例偏差后，再通過偏差-修正關(guān)系曲線得到最終需要引入還原劑供給系統(tǒng)的修正因子，將修正因子應(yīng)用到噴射控制中以修正最終噴射量.為了避免在實(shí)際工作場景下由于某些特殊情況出現(xiàn)計(jì)算偏差導(dǎo)致的過度修正情況，引入修正曲線.典型的修正曲線如圖8 所示，當(dāng)模型計(jì)算的偏差為20%時(shí)，系統(tǒng)將只會引入一半的修正量(10%)，如果系統(tǒng)工作狀態(tài)與正常狀態(tài)仍舊存在較大的差異，則會觸發(fā)下一次自適應(yīng)修正，通過多步修正實(shí)現(xiàn)最終的修正目標(biāo)，由于每次計(jì)算遇到的工況和車輛使用條件不可能完全一致，隨機(jī)誤差會在功能的多次計(jì)算過程中相互抵消，故通過此舉可在很大程度上消除計(jì)算偏差的影響.

圖8 效率的原始偏離程度與絕對修正因子對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Ratio to absolute correction factor relationship curve

3.6 自適應(yīng)功能對排放的影響

由于在進(jìn)行修正因子的計(jì)算過程中會觸發(fā)還原劑的停噴和欠噴射，從而影響最終的排放結(jié)果，因而在排放認(rèn)證時(shí)需向主管部門說明，如有必要?jiǎng)t需引入相應(yīng)的KI 系數(shù)對法規(guī)排放循環(huán)的測試結(jié)果進(jìn)行修正后再行申報(bào).考慮到這一過程排放增加可能帶來的在用符合性風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行功能請求條件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其觸發(fā)間隔周期(設(shè)計(jì)為累計(jì)消耗完一箱尿素溶液后才觸發(fā)一次自適應(yīng)功能的請求)尿素箱設(shè)計(jì)容積與油箱容積相匹配，平均需要消耗兩箱燃油才會消耗一箱尿素，所釋放的功率約為1 400 kW·h.同時(shí)，以項(xiàng)目過程中的多次試驗(yàn)的結(jié)果作為參考，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液時(shí)，如果在熱態(tài)WHTC 循環(huán)中自適應(yīng)功能觸發(fā)并完成，則轉(zhuǎn)化效率平均會由99.5%左右降低至92.5%左右.按照發(fā)動機(jī)WHTC 循環(huán)功平均為17.6 kW·h、NOx原排平均為4.7 g/(kW·h)來計(jì)算，單次觸發(fā)導(dǎo)致的NOx質(zhì)量排放增加量約為5.8 g.在一次自適應(yīng)功能請求間隔內(nèi)，該功能的運(yùn)行對NOx排放的平均貢獻(xiàn)約為4.1 mg/(kW·h)，相對于該發(fā)動機(jī)后處理系統(tǒng)WHTC 循環(huán)綜合排放均值(260 mg/(kW·h))僅占很小一部分，且可以通過延長請求間隔進(jìn)一步降低影響.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證自適應(yīng)功能是否能準(zhǔn)確補(bǔ)償系統(tǒng)偏差帶來的影響，將SCR 工作過程模型、氨泄漏監(jiān)控策略以及自適應(yīng)控制策略等嵌入BOSCH 的MD1 平臺，利用ECU 已有的發(fā)動機(jī)控制策略與傳感器、執(zhí)行器信號處理與控制策略，通過使用定比例稀釋后的標(biāo)準(zhǔn)AdBlue 溶液在發(fā)動機(jī)后處理試驗(yàn)臺架上運(yùn)行WHTC排放循環(huán)，查看自適應(yīng)修正因子的變化以確認(rèn)修正效果.測試發(fā)動機(jī)的規(guī)格如表5 所示，其后處理系統(tǒng)由DOC+DPF+SCR+ASC 組成，試驗(yàn)的發(fā)動機(jī)后處理系統(tǒng)臺架如圖9 所示.

圖9 發(fā)動機(jī)后處理系統(tǒng)測試臺架Fig.9 Glance of test bench of after-treatment system

表5 測試發(fā)動機(jī)參數(shù)Tab.5 Engine specifications

自適應(yīng)控制功能會對基礎(chǔ)噴射量按比例進(jìn)行修正，當(dāng)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低的還原劑導(dǎo)致自適應(yīng)功能觸發(fā)后會造成尾管排放在短時(shí)間內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如果在標(biāo)準(zhǔn)的OBD 循環(huán)中觸發(fā)自適應(yīng)功能，則排放必須在6 個(gè)WHTC 循環(huán)(即預(yù)處理循環(huán)數(shù))內(nèi)穩(wěn)定才能滿足法規(guī)要求，所以需要對自適應(yīng)功能的響應(yīng)性能進(jìn)行驗(yàn)證.設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟是：(1)使用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液，調(diào)整自適應(yīng)功能的釋放時(shí)間使得每個(gè)WHTC 循環(huán)都可以釋放該功能，運(yùn)行連續(xù)的WHTC循環(huán)，記錄下每次自適應(yīng)功能完成后的修正因子值，以確認(rèn)該功能在正常狀態(tài)下的穩(wěn)定性；(2)調(diào)制確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稀釋尿素，按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸餾水進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為27%；(3)更換稀釋的尿素溶液后，先將噴嘴移出后處理系統(tǒng)，手動調(diào)到最大噴射量噴射3 min，目的是清洗原尿素管路；(4)切換到閉環(huán)自適應(yīng)控制模式，連續(xù)運(yùn)行6 個(gè)WHTC 循環(huán)，觀察排放結(jié)果是否穩(wěn)定并記錄下每次自適應(yīng)功能完成后的修正因子；(5)換回標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液，連續(xù)運(yùn)行WHTC 循環(huán)，記錄下每次自適應(yīng)功能完成后的修正因子值，以確認(rèn)該功能能夠迅速恢復(fù)基準(zhǔn)修正因子.

對應(yīng)步驟1，在使用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)尿素溶液的條件下，通過人為觸發(fā)自適應(yīng)修正功能，連續(xù)運(yùn)行18次WHTC 循環(huán)驗(yàn)證修正因子的計(jì)算精度.其中某次WHTC 循環(huán)過程中自適應(yīng)功能的運(yùn)行過程如圖10 所示，通過模型值和傳感器反饋值對NH3的累計(jì)消耗量進(jìn)行計(jì)算的過程數(shù)據(jù)如圖11 所示.18 次循環(huán)的總體測試結(jié)果如表6 所示，前15 次計(jì)算均未出現(xiàn)偏差，僅在后3 次出現(xiàn)了非常小的計(jì)算偏差，最大誤差僅為1.1%，表明該功能在系統(tǒng)正常狀態(tài)下計(jì)算準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高，幾乎不會帶來誤修正風(fēng)險(xiǎn).

圖10 WHTC循環(huán)中的自適應(yīng)功能狀態(tài)參數(shù)變化Fig.10 Adaptation function status parameter in WHTC

圖11 WHTC循環(huán)中的NH3累計(jì)消耗量計(jì)算過程Fig.11 Calculation of NH3 consumption in WHTC

表6 標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液18個(gè)WHTC循環(huán)測試結(jié)果Tab.6 Test results of 18 WHTC cycles with standard AdBlue

對應(yīng)步驟2～4，切換稀釋尿素溶液后的6 個(gè)WHTC 循環(huán)測試結(jié)果如表7 所示，表明該功能在系統(tǒng)異常狀態(tài)下能夠準(zhǔn)確計(jì)算出合理的噴射量修正系數(shù).稀釋尿素按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸餾水進(jìn)行調(diào)制，由于尿素溶液和蒸餾水的密度差異不大，因而理論上的噴射量修正系數(shù)應(yīng)該在1.2 左右，6 次WHTC循環(huán)結(jié)束后的模型計(jì)算得到的修正系數(shù)為1.199，與理論修正系數(shù)一致.

對應(yīng)步驟5，再次換回標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液后的6 個(gè)WHTC 循環(huán)測試結(jié)果如表7 所示，表明該自適應(yīng)功能對噴射量的調(diào)整非常迅速且能很快收斂，換回標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液的第2 次修正就已經(jīng)基本修正到了目標(biāo)值的5%偏差范圍(目標(biāo)值為1.000，實(shí)際計(jì)算值為1.051)，在3 次修正結(jié)束后認(rèn)為已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)修正目標(biāo).

表7 使用稀釋尿素和換回標(biāo)準(zhǔn)尿素的WHTC循環(huán)測試結(jié)果Tab.7 Test results of WHTC cycles with diluted AdBlue and standard AdBlue

5 結(jié)論

(1) 面對超低排放要求的SCR+ASC 后處理系統(tǒng)需要更為精細(xì)的尿素噴射控制和對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)估，基于模型的SCR+ASC 系統(tǒng)閉環(huán)控制策略以模型輸出的各種狀態(tài)參數(shù)(如SCR 下游NOx、SCR 下游NH3及SCR 催化器表面覆蓋度等)作為控制依據(jù)，能實(shí)時(shí)獲知并控制系統(tǒng)內(nèi)部的工作過程，實(shí)現(xiàn)對SCR+ASC 系統(tǒng)的精細(xì)控制.

(2) 基于模型的還原劑供給量自適應(yīng)方法能夠保證控制系統(tǒng)始終能夠適應(yīng)催化劑老化程度、還原劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及供給單元供給精度變化所帶來的影響，配合基于目標(biāo)覆蓋度的閉環(huán)控制策略，可以使得SCR系統(tǒng)處于最佳的還原劑供給控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降低NOx排放和NH3排放的目標(biāo).

(3) 自適應(yīng)功能觸發(fā)使SCR 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率造成影響，以多次試驗(yàn)的結(jié)果來看，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素溶液時(shí)，在WHTC循環(huán)中自適應(yīng)功能觸發(fā)并完成，則轉(zhuǎn)化效率會由約99.5%降低至約92.5%；但該功能的運(yùn)行在一次自適應(yīng)功能請求間隔內(nèi)對NOx排放的平均貢獻(xiàn)僅為4.1 mg/(kW·h)；在排放認(rèn)證時(shí)需向主管部門說明此情況，并在必要時(shí)引入KI 系數(shù).

(4) 開發(fā)的自適應(yīng)功能能夠在WHTC 循環(huán)后段準(zhǔn)確觸發(fā)并完成計(jì)算，通過標(biāo)準(zhǔn)尿素、稀釋尿素的多次WHTC 循環(huán)驗(yàn)證結(jié)果來看，該功能表現(xiàn)穩(wěn)定，修正精準(zhǔn)能在較少的觸發(fā)次數(shù)下完成修正目標(biāo).