柴油機(jī)SCR系統(tǒng)控制策略研究與軟件設(shè)計(jì)

李捷輝，胡立，段暢，劉婧，張隆基

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，環(huán)保部公布從2016年4月1日起至2018年1月1日分階段實(shí)施柴油機(jī)國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，加嚴(yán)汽車尾氣污染物的排放限值。針對(duì)柴油機(jī)排氣污染物NOx，相比國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)限值從3.5 g/(kW·h)降到2.0 g/(kW·h)，降幅達(dá)42.9%[1-2]。為應(yīng)對(duì)國(guó)Ⅴ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，目前各大汽車廠商多采用主流的選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction，SCR)來降低汽車尾氣中的NOx[3]。

隨著排放法規(guī)的升級(jí)，針對(duì)SCR系統(tǒng)的研究逐漸專注于尿素噴射量的精確控制，控制技術(shù)也由開環(huán)轉(zhuǎn)向閉環(huán)、由單閉環(huán)轉(zhuǎn)向多閉環(huán)[4-5]。研究人員針對(duì)SCR系統(tǒng)閉環(huán)控制策略進(jìn)行了研究：美國(guó)德爾福公司提出了一種基于氨傳感器的閉環(huán)控制策略[6]；清華大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于NOx傳感器的多閉環(huán)控制系統(tǒng)[7-8]；吉林大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于模型的NH3閉環(huán)控制策略[9]。研究表明，精確計(jì)算SCR系統(tǒng)尿素量能夠有效地提高NOx轉(zhuǎn)換效率。

本研究針對(duì)空氣輔助式SCR系統(tǒng)，結(jié)合模塊化思想，在Matlab/Simulink環(huán)境下開發(fā)一套通用型SCR系統(tǒng)控制軟件，其中采用基本尿素噴射量計(jì)算、尿素量修正和閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的組合方式來提高尿素量計(jì)算精度。通過以直列4缸柴油機(jī)為樣機(jī)完成國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(European Steady-State Cycle,ESC)和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle,WHTC)，驗(yàn)證軟件的控制效果和實(shí)用性。

1 軟件整體架構(gòu)

V型開發(fā)流程相比于傳統(tǒng)ECU開發(fā)流程，更注重于應(yīng)用層軟件的開發(fā)，并且能夠大幅縮減開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。Simulink作為應(yīng)用層建模工具，其圖形化特點(diǎn)結(jié)合模塊化建模思想，能夠清晰構(gòu)建軟件邏輯，有助于算法設(shè)計(jì)[10]。根據(jù)SCR系統(tǒng)功能需求，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建軟件架構(gòu)(見圖1)，主要分為信號(hào)管理模塊(Data_Management)、SCR狀態(tài)模塊(SCR_StateManagement)、尿素噴射量計(jì)算模塊(Ur_Cacular)和任務(wù)模塊(Task)4個(gè)部分。數(shù)據(jù)管理模塊統(tǒng)一管理SCR系統(tǒng)各類傳感器信號(hào)，將其處理后傳遞給SCR狀態(tài)模塊和尿素噴射量計(jì)算模塊；尿素噴射量計(jì)算模塊根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及SCR系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的尿素噴射量并傳遞給任務(wù)模塊；SCR狀態(tài)模塊根據(jù)傳感器信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)自診斷，判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)，不同的系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)用任務(wù)模塊中不同的任務(wù)；任務(wù)模塊由SCR狀態(tài)模塊驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部包含尿素噴射等多種任務(wù)。

圖1 SCR系統(tǒng)控制軟件架構(gòu)

2 模塊算法設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要功能是采集SCR系統(tǒng)各類傳感器信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)的類型和用途進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，如濾波處理等。信號(hào)來源主要分為兩類，一類通過CAN總線接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴油參數(shù)和進(jìn)氣溫度等信號(hào)，另一類通過傳感器采集得到，如尿素罐溫度、尿素泵溫度、催化劑前溫度、催化劑后溫度、尿素罐液位、壓縮空氣壓力和尿素噴射壓力等信號(hào)(見圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)管理模塊

模擬量信號(hào)容易受到外界干擾造成信號(hào)失真或是失效，同時(shí)為了保證尿素量計(jì)算精度，需要對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波及傳感器失效診斷處理(見圖3)?；瑒?dòng)平均濾波算法連續(xù)采樣8個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行平均值計(jì)算，采樣個(gè)數(shù)為8時(shí)既能保證信號(hào)平滑度，又能確保信號(hào)的靈敏度。由滑動(dòng)平均濾波獲得的信號(hào)再進(jìn)行傳感器失效診斷，以傳感器測(cè)量限值作為失效診斷依據(jù)。

圖3 滑動(dòng)平均濾波及失效診斷

2.2 SCR狀態(tài)模塊

SCR系統(tǒng)控制較復(fù)雜，在功能上需要完成對(duì)傳感器信號(hào)的采集和處理、對(duì)SCR系統(tǒng)本身進(jìn)行故障診斷、實(shí)時(shí)計(jì)算尿素噴射量和執(zhí)行尿素噴射任務(wù)等，所以為有序協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各模塊運(yùn)轉(zhuǎn)，在軟件中建立了協(xié)調(diào)模塊，即SCR狀態(tài)模塊。SCR狀態(tài)模塊根據(jù)傳感器信號(hào)和設(shè)定的尿素泵噴射條件進(jìn)行系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，調(diào)用不同模塊進(jìn)行工作。SCR狀態(tài)模塊基于Stateflow工具進(jìn)行開發(fā)，其任務(wù)調(diào)度邏輯見圖4。

圖4 SCR狀態(tài)邏輯判斷框圖

SCR狀態(tài)模塊定義了5種系統(tǒng)狀態(tài)，分別是初始化狀態(tài)、無壓力狀態(tài)、建壓狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和清潔狀態(tài)。DCU上電時(shí)，默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，置位所有執(zhí)行器控制量為0，同時(shí)檢測(cè)壓縮空氣壓力是否小于0.4 MPa，尿素罐中液位是否低于10%，各項(xiàng)測(cè)試通過之后進(jìn)入無壓力狀態(tài)；在無壓力狀態(tài)中對(duì)尿素罐和尿素泵內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，防止尿素結(jié)晶，為尿素噴射作準(zhǔn)備，待溫度高于230 ℃后進(jìn)入建壓狀態(tài)；建壓狀態(tài)中，如果尿素管路中存在氣泡則會(huì)影響尿素噴射精度和減排效果，所以該狀態(tài)需要進(jìn)行氣泡檢測(cè)和排除；建壓成功后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，開始尿素噴射，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或DCU下電則進(jìn)入下一狀態(tài)；在清潔狀態(tài)，為防止管路中殘留尿素溶液結(jié)晶造成堵塞，利用壓縮空氣吹掃掉殘留尿素，持續(xù)30 s后系統(tǒng)下電。

2.3 尿素噴射量計(jì)算模塊

尿素噴射量直接影響到NOx的轉(zhuǎn)換效率，過高的噴射量還會(huì)引起氨泄漏，造成二次污染等問題，為此需要進(jìn)行精確計(jì)算。尿素噴射量計(jì)算策略采用開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的方式，開環(huán)部分包括基本尿素噴射量計(jì)算和尿素量修正兩個(gè)部分，尿素量修正部分不僅能夠針對(duì)不同的穩(wěn)態(tài)工況根據(jù)空速和催化器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，還能針對(duì)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的遲滯提供前饋補(bǔ)償，縮短瞬態(tài)工況調(diào)節(jié)時(shí)間。尿素噴射量計(jì)算由3個(gè)部分組成(見圖5)，分別是基本尿素噴射量計(jì)算、尿素量修正和閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。

圖5 尿素噴射量計(jì)算模型

2.3.1基本尿素噴射量計(jì)算

基本尿素噴射量由原機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷標(biāo)定得到的氮氧化物排放值NOx_B和基于模型計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量memission乘積按氨氮化學(xué)反應(yīng)機(jī)理?yè)Q算得到，再以32.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算成尿素水溶液噴射量m_Adblue，其中氨氮化學(xué)反應(yīng)比例視不同機(jī)型確定，最高不超過1.2∶1。排氣質(zhì)量流量memission等于進(jìn)氣質(zhì)量流量ma加上燃油質(zhì)量流量mfuel：

(1)

式中：Vd為發(fā)動(dòng)機(jī)排量；λv為充氣系數(shù)；Speed為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；pa為進(jìn)氣壓力；M為空氣摩爾質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)；Ta為進(jìn)氣溫度；N為1轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作氣缸數(shù)；ρf為燃油密度；Fi為單缸每次燃油噴射體積。

運(yùn)用上述推導(dǎo)公式對(duì)基本尿素量計(jì)算進(jìn)行建模(見圖6)。

圖6 尿素基本噴射量計(jì)算模型

2.3.2尿素量修正

實(shí)際工作過程中，受反應(yīng)環(huán)境限制，NOx并不能被完全轉(zhuǎn)換，所以需要對(duì)尿素基本噴射量進(jìn)行修正。環(huán)境影響因素主要是空速和催化劑溫度[11]，通過計(jì)算空速并結(jié)合催化器溫度，查標(biāo)定獲得的NOx轉(zhuǎn)化效率Ke，可以有效地修正尿素噴射量?？账賄S經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)公式如下：

(2)

式中：Temission為排氣溫度；pemission為排氣壓力；Memission為排氣摩爾質(zhì)量；Vcatlyst為催化劑體積。

瞬態(tài)工況下，催化器載體溫度變化會(huì)滯后于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，計(jì)算的基本尿素噴射量過量則導(dǎo)致氨泄漏，過小則導(dǎo)致NOx排放超出限值。閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)雖然能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)尿素量偏差，但閉環(huán)控制都會(huì)存在一定滯后。為盡可能減少瞬態(tài)工況下NOx排放，在尿素量修正中添加對(duì)負(fù)荷變化的監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)工況的前饋補(bǔ)償，同時(shí)縮短閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)時(shí)間。尿素量修正模型見圖7。

圖7 尿素量修正模型

2.3.3閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)

在瞬態(tài)工況下，為解決基本尿素噴射量計(jì)算和尿素量修正不能精確計(jì)算最終尿素噴射量，造成過噴或少噴等問題，同時(shí)減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、轉(zhuǎn)速、空氣濕度和大氣壓力等影響因素修正的工作量，通過實(shí)時(shí)采集NOx傳感器反饋信號(hào)計(jì)算NOx實(shí)際轉(zhuǎn)化效率，對(duì)尿素噴射量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。NOx實(shí)際轉(zhuǎn)化效率計(jì)算方法如下：

(3)

式中：kreal為NOx實(shí)際轉(zhuǎn)化效率；NOx_B為反應(yīng)前濃度；NOx_A為反應(yīng)后濃度。

SCR系統(tǒng)降低NOx濃度的同時(shí)不允許引起氨泄漏，造成二次污染。針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，需標(biāo)定其在排放法規(guī)限值內(nèi)的預(yù)期氮氧化物MAP(NOx排放極限和氨泄漏值均滿足排放法規(guī))，當(dāng)NOx傳感器實(shí)際采集值低于NOx期望值時(shí)，SCR系統(tǒng)停止尿素噴射；否則進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，修正系數(shù)計(jì)算方法如下：

(4)

閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)模型見圖8。

圖8 閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)模型

2.4 任務(wù)模塊

SCR系統(tǒng)任務(wù)分為尿素罐冷卻水加熱任務(wù)、管路電加熱任務(wù)、空氣閥開關(guān)任務(wù)和尿素水溶液噴射任務(wù)(見圖9)。其中，尿素罐冷卻水加熱、管路電加熱和空氣閥開關(guān)是由SCR狀態(tài)模塊在不同狀態(tài)中調(diào)用的開關(guān)任務(wù)。尿素水溶液噴射任務(wù)則是運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔膜泵提供穩(wěn)定尿素噴射壓力，再通過控制電磁閥開啟時(shí)間決定尿素水溶液噴射量。為穩(wěn)定電機(jī)控制下的尿素噴射壓力，提高噴射精度，采用PID算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制。

圖9 任務(wù)模塊

3 臺(tái)架測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試平臺(tái)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的SCR控制軟件對(duì)污染物NOx減排效果，以直列4缸柴油機(jī)為樣機(jī)搭建試驗(yàn)臺(tái)架(見圖10)，采用AVL GEM30排氣自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)分別進(jìn)行多組ESC和WHTC試驗(yàn)循環(huán)。SCR控制單元DCU除接收來自ECU的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等信息，還采集多路傳感器信號(hào)。柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖10 SCR系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試示意

型式直列4缸怠速/r·min-1850進(jìn)氣形式增壓中冷標(biāo)定功率/kW105氣缸數(shù)4標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速/r·min-13 000氣缸直徑/mm93最大扭矩/N·m350排量/L2.776最大扭矩轉(zhuǎn)速/r·min-12 000

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)污染物及測(cè)量方法提出了試驗(yàn)規(guī)程要求，同時(shí)于2014年對(duì)GB 17691—2005進(jìn)行了補(bǔ)充，要求采用WHTC工況法來拓寬ETC循環(huán)的轉(zhuǎn)速選擇范圍，并側(cè)重于低速低負(fù)荷工況的測(cè)量[12]。采用ESC和WHTC試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行多組測(cè)試，表2列出其中3組NOx排放數(shù)據(jù)。圖11示出一組ESC循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比由控制軟件運(yùn)行得到的NOx_SCR曲線與NOx_原排曲線，可見隨著排氣溫度的變化，尿素量修正模塊能夠及時(shí)調(diào)整NOx轉(zhuǎn)換效率，防止過噴或少噴，同時(shí)基本尿素量計(jì)算模塊能夠覆蓋不同的工況并計(jì)算出相應(yīng)的基本尿素噴射量。加裝SCR系統(tǒng)后，3組ESC試驗(yàn)循環(huán)測(cè)得NOx轉(zhuǎn)換效率均高于79.09%，排放均值為1.757 g/(kW·h)，最高排放值為1.836 g/(kW·h)，滿足國(guó)Ⅴ排放限值要求。

圖11 ESC循環(huán)測(cè)試結(jié)果

相比ETC工況法，WHTC在工況選取上更側(cè)重低速低負(fù)荷工況，同時(shí)WHTC試驗(yàn)循環(huán)包含冷起動(dòng)循環(huán)和熱起動(dòng)循環(huán)，最終結(jié)果由冷、熱起動(dòng)循環(huán)加權(quán)得到。綜合以上兩種因素， WHTC循環(huán)NOx排放要高出ETC循環(huán)10%以上，所以WHTC循環(huán)對(duì)NOx排放限值放寬到2.8 g/(kW·h)，但較ETC循環(huán)仍更為嚴(yán)格[13-15]。表2所列3組WHTC試驗(yàn)循環(huán)NOx轉(zhuǎn)換效率均在72.35%以上，排放均值為1.923 g/(kW·h)，最高排放值為2.147 g/(kW·h)，滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)限值要求。

表2 ESC及WHTC循環(huán)NOx排放測(cè)試結(jié)果 g/(kW·h)

4 結(jié)束語

采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在Matlab/Simulink環(huán)境下完成SCR系統(tǒng)軟件架構(gòu)搭建和算法設(shè)計(jì)，并以基本尿素噴射量計(jì)算、尿素量修正和閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的組合方式提高尿素量計(jì)算精度。

在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行ESC和WHTC循環(huán)測(cè)試，結(jié)果顯示，NOx轉(zhuǎn)換效率分別高于79.09%和72.35%，經(jīng)催化還原后排放均值分別是1.757 g/(kW·h)和1.923 g/(kW·h)，最大排放值分別是1.836 g/(kW·h)和2.147 g/(kW·h)，滿足國(guó)Ⅴ法規(guī)的限值要求。

設(shè)計(jì)的SCR控制軟件經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了一定的控制效果，同時(shí)為提升尿素量計(jì)算精度提供了借鑒意義。

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