基于MIL的SCR效率診斷方法

閆立冰，任憲豐，張軍，張娟，解同鵬

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司 電控研究院，山東 濰坊 261040

0 引言

柴油機具有動力性強、油耗低等優(yōu)勢，在中重型車輛上得到廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國對環(huán)境保護重視程度的增加，降低柴油機排放污染成為社會關(guān)注的焦點之一[2]。相對于廢氣再循環(huán)技術(shù)，選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)具有更好的燃油經(jīng)濟性、排放標(biāo)準(zhǔn)繼承性等諸多優(yōu)點[3-4]，因此我國商用車柴油機傾向于采用SCR技術(shù)滿足國四、國五排放標(biāo)準(zhǔn)。SCR技術(shù)應(yīng)用的難點之一為如何保證車載自動診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics，OBD)標(biāo)定的精確性和穩(wěn)定性[5-6]。國四和國五排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的NOx排放OBD 第一排放限值分別為5.0 g/(kW·h)和3.5 g/(kW·h)，OBD 第二排放限值均為7 g/(kW·h)[7-8]。SCR系統(tǒng)對NOx的轉(zhuǎn)化效率下降時，NOx排放增加。當(dāng)NOx排放超過 OBD 第一排放限值時點亮發(fā)動機故障指示燈；當(dāng)超過OBD第二排放限值時啟動扭矩限制器，發(fā)動機只能輸出60%的扭矩，影響發(fā)動機正常工作[9-10]。我國排放標(biāo)準(zhǔn)要求對SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化NOx的效率進行監(jiān)控。本文中針對國四排放標(biāo)準(zhǔn)實施初期市場上出現(xiàn)的誤報NOx排放超標(biāo)(NOx排放超過第一、二限值)進行分析，并采用臺架標(biāo)定與模型在環(huán)(model in the loop，MIL)離線仿真驗證相結(jié)合的方法解決SCR效率診斷問題，提供了一種解決SCR效率診斷的新思路。

1 SCR效率診斷原理分析及MIL模型

為了解決誤報SCR轉(zhuǎn)化效率低的問題，首先對SCR效率檢測的原理進行分析。

SCR平均實際轉(zhuǎn)化效率[11]

式中：qm,up為通過查表得到的各工況SCR上游 NOx排放的質(zhì)量流量；Eset為各工況點設(shè)定轉(zhuǎn)換效率，SCR正常工作時，可認為各工況點的實際轉(zhuǎn)化效率和設(shè)定轉(zhuǎn)換效率相同。

OBD第一排放限值對應(yīng)SCR轉(zhuǎn)化效率診斷(簡稱為SCR效率診斷1)的平均轉(zhuǎn)化效率限值[12]

式中Ethres1為各工況點的SCR效率診斷1的效率限值。

OBD第二排放限值對應(yīng)SCR轉(zhuǎn)化率診斷(簡稱為SCR效率診斷2)的平均轉(zhuǎn)化效率限值

式中Ethres2為各工況點的SCR效率診斷2的效率限值。

若Efact

MIL模型包含SCR控制模型、SCR物理模型和SCR效率診斷模型3部分[13]，如圖1所示。SCR控制模型根據(jù)外部輸入信號計算NOx原排、設(shè)定轉(zhuǎn)換效率和需求尿素噴射量等信息；SCR物理模型真實反映SCR內(nèi)部的化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)，根據(jù)輸入可計算SCR下游溫度、下游各氣體組分質(zhì)量濃度等物理量；SCR效率診斷模型根據(jù)NOx原排和模型計算的SCR下游NOx排放信息對SCR效率進行診斷。

圖1 MIL模型架構(gòu)圖

2 誤報NOx排放超標(biāo)問題分析

2.1 設(shè)定轉(zhuǎn)化效率與效率限值交叉現(xiàn)象

采用市場路譜進行MIL離線仿真驗證，與實際路譜中各工況點的設(shè)定轉(zhuǎn)化效率及SCR效率診斷1、2的平均轉(zhuǎn)化效率限值進行對比，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 設(shè)定轉(zhuǎn)化效率和限值轉(zhuǎn)化效率對比

由圖2可知，實際工況中，多數(shù)工況下設(shè)定轉(zhuǎn)化效率小于E1，少數(shù)工況設(shè)定轉(zhuǎn)化效率大于E1，即發(fā)生了設(shè)定轉(zhuǎn)化效率和平均轉(zhuǎn)化效率限值相互交叉的現(xiàn)象；只有少數(shù)工況點設(shè)定轉(zhuǎn)化效率小于E2，SCR效率診斷2的診斷表現(xiàn)稍好。這與市場上反饋的NOx排放超過第一限值故障數(shù)量比超過第二限值故障多的情況相符合。設(shè)定轉(zhuǎn)化效率與SCR效率診斷1、2的平均轉(zhuǎn)化效率限值存在交叉是誤報NOx排放超標(biāo)的主要原因。

2.2 NOx原排標(biāo)定問題

基于上游NOx原排和下游NOx傳感器測量值進行SCR轉(zhuǎn)化效率診斷，上游NOx原排采用氣體分析儀進行標(biāo)定，氣體分析儀和NOx傳感器測量存在偏差，最大偏差可達15%。SCR上、下游NOx測量源不一致，增加了誤報NOx排放超標(biāo)的風(fēng)險。

3 解決方案

為解決誤報NOx排放超標(biāo)問題，需要精確計算SCR設(shè)定轉(zhuǎn)化效率和平均轉(zhuǎn)化效率限值。

3.1 設(shè)定轉(zhuǎn)化效率計算

因各個工況點的尿素噴射量已經(jīng)過優(yōu)化，借助MIL離線仿真解決誤報NOx排放超標(biāo)問題的基本原則是保證各個工況點尿素噴射量在重新標(biāo)定后與標(biāo)定前沒有變化[14]。本文中用NH3代替尿素進行計算。

設(shè)定轉(zhuǎn)化效率與平均轉(zhuǎn)化效率限值計算原理如圖3所示。由圖3可知，SCR設(shè)定轉(zhuǎn)化效率由發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油量、SCR下游溫度和廢氣質(zhì)量流量4個變量決定；E1、E2由SCR下游溫度和廢氣質(zhì)量流量2個變量決定。

圖3 設(shè)定與平均轉(zhuǎn)化效率限值計算原理

實際工況復(fù)雜多變，消除設(shè)定轉(zhuǎn)化效率和平均轉(zhuǎn)化效率限值的交叉現(xiàn)象對標(biāo)定提出了很高的要求，也很難將所有的工況都考慮周全。本文中提出一種消除效率交叉現(xiàn)象的可行方法，將設(shè)定轉(zhuǎn)化效率的計算改為僅由SCR下游溫度和廢氣流量確定，與轉(zhuǎn)速和噴油量相關(guān)的效率map全標(biāo)為1，即設(shè)定轉(zhuǎn)化效率map和平均轉(zhuǎn)化效率限值map均由SCR下游溫度和廢氣流量確定，原理如圖4所示。

圖4 解決效率交叉現(xiàn)象原理

NH3需求噴射量計算原理如圖5所示。由圖5可知，設(shè)定轉(zhuǎn)化效率可以由NH3的需求噴射量和SCR上游NOx流量反推出來，進而通過一定方法保證在離線標(biāo)定后NH3需求噴射量不變的基礎(chǔ)上解決效率限值交叉問題。具體方法為：在基于NOx傳感器重新標(biāo)定NOx原排的同時記錄每個工況點的SCR下游溫度、廢氣質(zhì)量流量和NH3的需求噴射量，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，按照圖5所示的NH3需求噴射量計算原理反推出各個工況點的理論設(shè)定轉(zhuǎn)化效率，之后根據(jù)記錄的各個工況點的SCR下游溫度、廢氣質(zhì)量流量和反推出來的理論設(shè)定轉(zhuǎn)化效率，得到SCR下游溫度和廢氣質(zhì)量流量的設(shè)定轉(zhuǎn)化效率map圖。

圖5 NH3需求噴射量計算原理

3.2 平均轉(zhuǎn)化效率限值計算

根據(jù)標(biāo)定后的設(shè)定轉(zhuǎn)化效率可以計算出優(yōu)化后SCR效率診斷1、2的平均轉(zhuǎn)化效率限值。

優(yōu)化后SCR效率診斷1的平均轉(zhuǎn)化效率限值[15]

式中：Eset1為SCR效率診斷1的設(shè)定轉(zhuǎn)換效率，qm,Raw為歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European transient cycle，ETC)發(fā)動機NOx原排質(zhì)量流量，qm,Lve1為SCR效率診斷1的ETC循環(huán)在噴射兌水尿素情況下SCR下游NOx排放質(zhì)量流量，qm,Nor1為SCR診斷1的ETC循環(huán)在正常噴射尿素情況下SCR下游NOx排放質(zhì)量流量。

優(yōu)化后SCR效率診斷2的平均轉(zhuǎn)化效率限值

式中：Eset2為SCR效率診斷2的設(shè)定轉(zhuǎn)換效率，qm,Lve2為SCR效率診斷2的ETC循環(huán)在噴射兌水尿素情況下SCR下游的NOx排放質(zhì)量流量，qm,Nor2為SCR效率診斷2的ETC循環(huán)在正常噴射尿素情況下SCR下游的NOx排放質(zhì)量流量。

4 效果驗證

4.1 MIL離線仿真驗證

將標(biāo)定后的設(shè)定轉(zhuǎn)化效率、E1′、E2′及NOx原排數(shù)據(jù)更新到MIL模型中進行離線驗證，MIL模型輸入數(shù)據(jù)采用市場采集路譜。

4.1.1 優(yōu)化前后NH3需求噴射量對比

優(yōu)化前、后NH3需求噴射量對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，標(biāo)定前后NH3的需求噴射量基本一致，符合預(yù)期。

圖6 優(yōu)化前、后NH3需求噴射量對比 圖7 優(yōu)化后設(shè)定和平均轉(zhuǎn)化效率限值比較

4.1.2 優(yōu)化前后設(shè)定轉(zhuǎn)化效率與轉(zhuǎn)化效率限值對比

優(yōu)化后的設(shè)定轉(zhuǎn)化效率和平均轉(zhuǎn)化效率限值比較如圖7所示。由圖7可知，數(shù)據(jù)重新標(biāo)定后，在實際路譜中設(shè)定轉(zhuǎn)化效率大于E1′、E2′，理論上消除了誤報NOx排放超標(biāo)的可能性，且優(yōu)化后設(shè)定轉(zhuǎn)換效率大于E2′的裕量更大。

4.1.3 優(yōu)化前后SCR效率診斷1診斷情況對比

優(yōu)化前、后SCR效率診斷1診斷情況對比如8、9所示，圖中故障狀態(tài)1代表故障確認過程中，故障狀態(tài)2代表故障確認。

由圖8可知，優(yōu)化前進行多次檢測診斷，檢測過程實際效率低于平均轉(zhuǎn)化效率限值，經(jīng)過多次連續(xù)檢測后報出故障，屬于誤報。由圖9可知，優(yōu)化后故障未報出，實現(xiàn)優(yōu)化。

a)檢測使能 b)效率狀態(tài) c)故障狀態(tài)

a)檢測使能 b)效率狀態(tài) c)故障狀態(tài)

4.1.4 優(yōu)化前后SCR效率診斷2診斷情況對比

優(yōu)化前、后SCR效率診斷2診斷對比如10、11所示，圖中故障狀態(tài)1代表故障確認過程中，故障狀態(tài)2代表故障確認。

由圖10可知，優(yōu)化前，連續(xù)多次實際轉(zhuǎn)換效率低于平均轉(zhuǎn)化效率限值，報出故障。由圖11可知，數(shù)據(jù)優(yōu)化后故障檢測次數(shù)減少，且檢測期間實際效率一直高于平均轉(zhuǎn)化效率限值，未報出故障。

a)檢測使能 b)效率狀態(tài) c)故障狀態(tài)

a)檢測使能 b)效率狀態(tài) c)故障狀態(tài)

4.2 臺架驗證

將經(jīng)過MIL離線驗證的數(shù)據(jù)更新到車輛電子控制單元中，在試驗臺架上運行ETC工況，優(yōu)化前、后NOx排放和需求尿素量對比結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化前后ETC循環(huán)NOx排放和需求尿素量對比

由表1可知，優(yōu)化后尿素需求噴射量比標(biāo)定前減少26 g·(kW·h)-1，相應(yīng)ETC循環(huán)NOx排放結(jié)果略有升高，但仍在合理范圍內(nèi)，標(biāo)定后未報出NOx排放超標(biāo)故障。

5 結(jié)語

針對國四排放實施后市場出現(xiàn)的誤報NOx排放超標(biāo)問題，基于MIL提出精確計算設(shè)定轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換效率限值的新方法。通過MIL離線驗證結(jié)果和臺架驗證結(jié)果對比可知，MIL離線仿真驗證與臺架標(biāo)定相結(jié)合的方法有效解決了SCR效率診斷問題，不僅可以在一定程度上節(jié)省臺架資源，而且可以節(jié)約標(biāo)定和驗證時間。