【《国六SCR系统喷射控制策略综述》4200字】

国六SCR系统喷射控制策略综述目录TOC\o"1-3"\h\u14873国六SCR系统喷射控制策略 1121781.1满足国六排放要求的设计思路 1148701.1.1燃料 1139331.1.2负载 260681.2国六SCR系统架构 2131021.3系统信号处理 372311.1.1传感器信号滤波 35691.1.2喷射延时计算 4127271.4SCR催化剂温度模型 5287161.5开环喷射控制 8149561.5.1当量比需求喷射量计算模型 8177931.5.2NH3存储计算与控制 10140091.6闭环喷射控制 11317091.6.1NOx排放偏差计算 11126651.6.2闭环喷射修正计算 121.1满足国六排放要求的设计思路1.1.1燃料与国五柴油相比，国六状态柴油精炼工艺发生了变化。密度、粘度、闪点等指标发生了变化。柴油中添加清洁剂以硬化柴油中的硫含量和多环芳烃。与国五柴油相比，国六柴油的油品参数发生了比较大的变化，从总不溶物、灰分(燃油完全燃烧后剩下的残留物)、10%残碳、多环芳烃含量以及硫元素含量等方面作出了新的规定，而这些物质的减少最终目的都是使燃烧后NOx和PM的减少，油品的好坏为国家实施第六阶段排放奠定了一定基础，为从国五到国六过渡提供了较好的前提。我们知道，柴油燃料中硫含量的增加势必会导致柴油发动机排出的的硫酸盐和气态SO2排放量的增加。所以降低燃料的硫含量将会降低柴油发动机颗粒物的形成，减少颗粒及其硫化物的吸附，并减少额外硫酸盐颗粒的形成。由此可见，品质更高的燃料，排放效果则越好，所以国六对油品也作出了要求。1.1.2负载不同的载荷会影响车辆的油耗和污染物的排放。江苏大学王刚等人以重型柴油车在不同负荷下的排放差异为中心进行了研究。结果表明，不使用EGR(废气再循环系统)的车辆对NOx(氮氧化物)排放变化的影响更大。从空载到满载，NOx排放量从226mg/CkW·h)增加到524mg/CkW}h)。上海环境科学研究院黄成等人使用车载排放测试系统对重型柴油车进行空载和负载条件下的实际排放测试，负载情况下对加速和油耗的影响最大，满载条件下的排放比低负载高约1.6至1.2倍。同时，他们对车辆的HC进行了测试试验，样本的排放随着负载的增加而增加。HC的全排放系数比空载状态大0.002g/km；CO(一氧化碳)排放量先减少后增加，半载状态下增加负荷，CO排放系数比空载状态低0.001g/km；PM(燃烧颗粒物)排放随着负载的增加而增加，满载时的PM排放因子比空载时高约23%；NOx排放因子随负荷增加显着增加，满负荷工况排放因子为0.354g/km，空载工况排放因子为0.247g/km，增加了30%。结论:随着柴油车负荷的增加以及柴油喷油量增加，气缸内燃烧的时间就会更长，从而导致NOx产量增加。随着燃油喷射量的增加和空燃比的降低，气缸内不完全燃烧的现象增加，会导致CO2(二氧化碳)排放量增加。1.2国六SCR系统架构传统方法是在催化剂外部增加传感器或采用热电偶测温装置来获得催化剂内部温度信息。而本文所研究的是基于对催化剂NH3存储特性研究，设计开发了以NH3存储闭环控制为基础，结合基于排放偏差的系统级闭环控制的国六SCR系统的控制策略。首先，对系统信号进行采集与计算，包括对信号的滤波处理以及传输延迟计算等功能。由于温度是影响催化剂NH3存储特性的重要因素，需要能够准确的获取催化剂内部温度，以达到精准控制NH3存储的目的。因此，通过SCR催化剂上游温度传感器测量的温度信号，以传热学为理论基础，建立模型来计算催化剂内部温度。根据SCR系统工作化学反应机理以及催化剂的NH:存储特性，将NH:存储的闭环控制作为基础，建立了SCR系统尿素喷射开环控制模型。SCR系统在实际应用过程中会受到各种因素的影响产生排放偏差，为了达到国六排放标准NOx转化效率，需要对实际NOx排放进行闭环控制。因此，根据NOx传感器测量NOx值与期望NOx排放值的偏差，建立了SCR系统尿素喷射控制闭环模型。SCR系统实际的NH3喷射量是根据开环控制与闭环控制综合计算得到。本文以某款重型柴油车为研究对象，分析其运行工况下尿素喷射策略及相关参数变化情况，通过仿真实验验证该方法的可行性和准确性。国六SCR系统喷射控制策略架构如图1.1所示。图1.1国六SCR系统喷射控制策略架构1.3系统信号处理1.1.1传感器信号滤波传感器采集信号时，存在因外界干扰或工况突变等因素引起的信号波动现象，需要对传感器收集到的信号滤波。介绍了一种基于单片机的数字滤波器设计方法。针对输入信号质量需求，硬件方面采用了所以需要RC电路的方法，软件设计选用一阶低通滤波算法处理传感器信号，滤波算法如（1.1）式中:其中，为滤波系数；为本次采样值；上次滤波输出值为Y(n-1)；本次滤波输出值为Y(n)。一阶低通滤波法将本次采样值与上次滤波输出值进行加权计算，得到滤波后的有效信号值。图1.2为传感器信号一阶低通滤波控制算法模型。图1.2传感器信号一阶低通滤波算法图1.3排气温度滤波数据对比1.1.2喷射延时计算由SCR催化剂前端NOx传感器获取的当前工况信号，计算尿素需求喷射量，至尿素喷嘴进行喷射动作，通过对国六柴油机废气后处理工艺方案SCR催化剂前端NOx传感器和尿素喷嘴排布位置关系进行分析，基于发动机排气流速以及SCR催化剂前端NOx传感器与喷嘴之间传输路径的长度，计算出实际喷射延迟时间，具体计算公式见式（1.2）:其中各参数说明如下，喷射延迟计算控制模型如图1.4所示。L——SCR催化剂前NOx传感器到喷嘴之间的距离；——排气体积流速；——排气管路的截面积；图1.4尿素喷射延迟计算1.4SCR催化剂温度模型针对催化剂NH3的储存特点进行了研究，催化剂温度既影响NH3存储能力，又影响NOx转化效率，随温度的增加也易发生NH3泄漏。因此，需要设计一种能够实时监测催化剂内部温度的方法来实现对催化系统的在线监控，以确保发动机正常运行。在国六SCR系统组成中，催化剂前后两端均设有温度传感器。利用这些温度传感器可以获得催化剂内部真实的温度信息。鉴于以上情况，才能精确地得到催化剂内的真实温度，使SCR催化剂的载体在轴的方向上延长线，将虚拟切分为多个模块，根据能量守恒原理，构建了温度模型，对催化剂内温度进行了估计。采用此方法可以快速获得反应器内催化剂颗粒温度分布及空间变化情况。图1.5温度模型传感器测点布置示意图发动机排气通过管路和催化剂传递热量，整个物理过程以排气和载体对流换热为主，兼顾和大气辐射换热。因此，需要设计一种能够实时监测催化剂内部温度的方法来实现对催化系统的在线监控，以确保发动机正常运行。各段排气能量的计算方式见式（1.3）至1.6:排气流入载体热量：排气流过载体热量：排气辐射换热损失：根据能量守恒原则，上述各部分能量建立如式(1.6)的关系:在以上研究过程基础之上，对于一个单独的催化剂单元，建立了如图1.6中温度模型，每块催化剂根据模型计算所得到的温度，作为下块催化剂温度的模型输入，整套SCR系统催化剂温度模型见图1.7。图1.6独立一块SCR催化剂温度模型图1.7SCR催化剂温度模型为验证所建模型准确性，对发动机台架进行了WHTC循环试验，温度由SCR催化剂前端的温度传感器获取，利用该温度模型，对载体中心温度和所装热电偶测点进行了计算，并比较。图1.8给出了热态WHTC试验循环模型的计算温度和传感器的实际测得温度的对比曲线，试验的周期采用热态WHTC周期，温度模型所计算出的温度和传感器所测得的温度的跟随性几乎一致，工况突变情况下，传感器所测的温度响应比较迅速，但温度模型的计算温度因催化剂载体的比热容偏大，变化较为平缓，由此造成二者在温度上出现了一定的偏离。在WHTC测试的整个周期，传感器所测的温度和模型所算的温度所测的偏差在±20°C以内，达到系统控制目标的要求。图1.8温度模型计算温度与传感器温度对比1.5开环喷射控制1.5.1当量比需求喷射量计算模型当发动机排气的NOx和NH3发生化学反应，在没有考虑SCR催化剂NH3储存特性的情况下，基于SCR化学反应机理计算得到的需求喷射量是当量比NH3的需求喷射量。喷射摩尔流量的公式如（1.7）式中:其中与、相乘为实际的化学反应当量比，具体算法模型如图1.9所示，该模型包括NOx浓度转换计算、基础当量比需求喷射系数和当量比系数修正三个子模型。图1.9当量比需求喷射量计算模型NOx浓度转换计算子模型把SCR上游NOx传感器测量的发动机原排NOx体积浓度单位转化计算为摩尔流量，计算公式如式(1.8)所示:——SCR催化剂上游NOx传感器测量的发动机排气中NOx的ppm浓度；首先需要将发动机排气质量转换为g/s，然后根据SCR催化剂上游NOx的ppm浓度计算得到NOx的摩尔流量，其中28.9为发动机排气的摩尔质量。图1.10NOx浓度转换计算模型从SCR系统的化学反应机理出发，排气中NO与NO2比例对SCR系统反应基础当量比有显着影响。本文介绍了当量比需求喷射量计算模型及方法，给出了该模型的求解步骤和算例结果分析。在SCR催化剂小样测试台架上进行了标定测试，可得到不同温度及NO,NO2配比时SCR反应基本当量比所需喷射系数，建立了如图1.11所表示的脉谱。该脉谱由进气压力、进气流量以及喷油率等参数组成。在计算模型中，利用双线性插值算法，由排气温度及排气中NO,NO2所占比例，计算出基础当量比所需喷射系数。图1.11基础当量比NH:需求喷射系数脉谱在发动机未完全燃烧过程中，O2将随着尾气排放，排气温度在350°C以上时，喷入排气管的NH3发生部分氧化反应，因此，高温工况尿素喷射量需校正。为了获得合适的喷射系数，需要对发动机进气过程及喷油雾化过程中的燃料特性、燃烧条件等参数进行测量，并以此为依据来预测柴油机在运行工况下的基本负荷。当量比系数修正模型如图1.12。图1.12当量比系数修正模型1.5.2NH3存储计算与控制NH3储存控制的计算模型的输入参数为：排气温度，排气空速、上游的NOx传感器测浓度、实际化学反应当量比对喷射系数，排气流量的要求较高、实际喷射摩尔流量和当量比要求。基于NH3存储NH3需求喷射量计算如图1.13。图1.13基于NH3存储NH3需求喷射量计算1.6闭环喷射控制1.6.1NOx排放偏差计算NOx排放偏差计算子模型的主要作用是基于SCR催化剂下端的NOx传感器实测NOx浓度和基于该模型估算的下端的NOx浓度之间存在浓度偏差，用作闭环喷射控制偏差输入，具体计算公式见式:因发动机工况变化和排气速率，将传感器实际测得NOx浓度与根据模型预估计算所得到NOx浓度进行一阶低通滤波，其中，所述滤波时间常数是基于排气流量表计算出来的。通过试验数据拟合出了该系统的数学模型。具体的计算模型如图1.14。图1.14NOx排放偏差计算1.6.2闭环喷射修正计算对于NOx的排放偏差，通过使用PI闭环控制，对NH2喷射量进行了控制，为了使SCR催化剂下端的NOx传感器测得浓度和预估计算所得NOx浓度相一致，具体的闭环喷射修正系数的