柴油机选择催化还原系统的DCU控制研究

2013-09-04秦国振

汽车技术 2013年1期

刘军李敏秦国振

（江苏大学）

1 前言

柴油机尾气中的PM和NOx存在着 “此消彼长（trade-off）”的关系，鉴于现有的柴油机技术水平，仅仅依靠柴油机机内净化措施已经很难满足排放法规。要满足日益严格的排放法规，需要结合柴油机的后处理技术来降低NOx和PM的排放。目前，主要有两条机外净化技术路线：其中一条路线被称为欧洲路线，即先通过超高压喷射并优化燃烧生成极少的PM，再使用选择性催化还原（SCR）技术降低因燃烧优化而产生的NOx，目前常用水基性氨溶液作为催化还原剂，简称为尿素-SCR系统；另一条路线被称为美国路线，即先通过废气再循环（EGR）降低排气中的NOx，再用颗粒捕集器（DPF）捕集因使用EGR而略有增加的PM，从而达到同时降低NOx和PM的效果。这两条技术路线中，由于SCR技术具有对柴油含硫量不敏感、有助于提高燃油经济性并能有效降低排气中NOx的优点，在后处理技术中日趋主流并且被大力推广[1]。

由于柴油机在实际工作过程中工况经常不断转变，其NOx的排放及排气温度的波动比较大，因而制定合理的SCR控制策略以有效控制NOx的排放，成为研究SCR技术的重点[2]。

2 SCR系统的工作原理

SCR技术是指在富氧条件下选用合适的催化剂以加速催化还原剂与废气中NOx的化学反应，同时抑制还原剂被排气中的氧气氧化。目前广泛采用的还原剂是质量浓度为32.5%的尿素水溶液。

SCR系统主要组成构件包括：发动机电控单元ECU，尿素罐（包括尿素罐体、尿素溶液温度传感器、尿素溶液液位传感器），电子控制单元DCU，计量泵单元，催化器（包括催化器进、出口温度传感器），催化器前、后NOx传感器，NH3传感器，空气电子阀，喷嘴及其相关线束管道等。

SCR系统工作时，测量装置采集发动机转速、扭矩以及催化器温度等信号传送给DCU，DCU根据控制策略计算出所需的尿素溶液量。尿素溶液经过计量喷射泵与压缩空气混合后经喷嘴进入SCR催化器的入口前段。在排气管中尿素经蒸发、热解以及水解等一系列物理化学反应后部分或全部分解成NH3和H2O，并与排气充分混合，然后进入SCR催化器。在催化剂的催化作用下，NH3与NOx通过一系列化学反应生成无污染无害的N2和H2O。其主要的化学反应如下：

由于柴油机NOx排放中NO占据了90%以上，因而在NOx的催化还原反应中化学反应（2）是主要的反应，被称为标准SCR反应。反应（3）在低温条件下的反应速率是标准SCR反应的17倍，称为快速SCR反应。反应（4）的反应速率比标准反应低，故称为慢速SCR反应[3]。

3 DCU控制策略

SCR技术应用于柴油机排放控制时，尿素溶液喷射量的控制尤为重要，控制不好易引起转化效率不高、氨气泄漏等一系列问题，因而要制定合理的控制策略。

SCR的电子控制单元DCU通过传感器实时了解SCR系统的状态，通过软件计算实时精确控制各执行器的工作，从而实现对SCR系统的精确控制。

DCU稳态控制策略：DCU根据发动机的转速、扭矩查询发动机原机排放MAP图和NOx排放MAP图，通过计算得到稳态下尿素溶液的基本需求量；然后根据发动机的转速、扭矩查询NOx转化率MAP图，根据转速、扭矩和排气温度查询温度修正系数MAP图；通过查询到的转化率和温度修正系数对尿素溶液的基本需求量进行修正，最终得到尿素溶液的实际需求量。

3.1 MAP图的存储

要制定合理的控制策略，需要掌握发动机原机排放的MAP图，因此需要对发动机原机做试验。试验所选工况点的转速从800 r/min到2200 r/min，步长100 r/min；扭矩为各转速点最大扭矩的0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。同时记录发动机原机排气流量、NOx浓度、NOx转化率、催化器温度等数据。

将试验测得的数据存储到DCU，试验点之间的点采用网格节点插值的方法确定。网格节点插值即双线性插值，是用两次线性插值对二维函数的数据表格做插值，如图1所示。

图1所选G点的数值计算过程为：

式中，A为G点的油门开度[4]。

3.2 尿素溶液基本需求量的计算

尿素溶液基本需求量的计算过程为：

根据发动机原机排放的NOx体积浓度和排气流量计算出NOx质量流量mNOx：

式中，mNOx的单位为kg/h；m为排气质量流量，单位为kg/h；N为排气摩尔质量，其值为29 kg/kmol；fNOx为NOx体积浓度，单位为mg/L；NNOx为NOx摩尔质量，其值为46 kg/kmol。

NH3的需求量为：

式中，mNH3为NH3的理论需求量，单位为kg/h；n1为化学计量因子，理想状态下1 mol的NH3和1 mol的NOx正好完全反应，但是在实际计算中将NOx的摩尔质量等效为NO2的摩尔质量，即17 g的NH3与46 g的NOx完全反应，从而得到n1为0.37。

尿素的基本需求量为：

式中，M的单位为kg/h；n2为NH3与尿素溶液需求量的质量转换因子，其值为5.425。

由公式（8）、（9）、（10）联立可得[5]：

3.3 尿素喷射量的修正

尿素溶液喷射量的控制可以分为稳态工况下的修正和瞬态工况下的修正两种。

3.3.1 稳态修正

稳态修正是根据发动机的NOx转化率对尿素溶液基本喷射量进行修正。由于发动机的NOx转化率不可能为100%，其值在发动机不同工况下也不同，因此要想得到更精确的尿素溶液需求量、更好的控制NOx排放以满足排放法规，就需要在计算尿素溶液需求量的过程中加以修正。

稳态工况下尿素溶液的精确需求量为：

式中，C为NOx转化率。

试验得到NOx转化率MAP图，如图2所示。

3.3.2 瞬态修正

在稳态工况中只考虑了发动机系统各参数如转速、扭矩、催化器温度等均达到稳定的情形，但是发动机在过渡过程中具有不确定性，当负载突增或突减时，排气温度会发生变化。

发动机从高排温工况到低排温工况的过程中，排气温度从前一工况的高温变为当前工况的低温，而由于催化器的温度阻尼作用，其床体温度并非很快降低到当前的低温状态，而是逐渐趋近当前温度。因而降温过程中的温度要比当前工况的温度高，NOx转化效率也大于当前工况下的转化效率，所以需多喷一定量的尿素以提高NOx实际的转化效率。此时的降温修正系数大于1，即在当前工况的尿素喷射量基础上增加额外的喷射量。

发动机从低排温工况到高排温工况的排气升温过程中，催化器的床体温度由前一工况的低温逐渐上升到当前温度，此过程中的NOx转化效率要小于当前工况下的转化效率，所以此时需要减少尿素喷射量。升温修正系数小于1，即在当前工况的尿素喷射量基础上减去一定量的喷射量[6]。

因此，需要在稳态控制的基础上对尿素溶液的喷射量进行瞬态修正。为得到各工况瞬态修正系数而进行以下试验：选取从800 r/min到2200 r/min、步长为200 r/min的各转速点，按0%-100%-0%、25%-100%-25%、50%-100%-50%、75%-100%-75%的规律改变发动机负荷，并实时记录排气温度、发动机转速、循环油量、NOx排放浓度等数据，根据以上试验测得的数据计算修正系数。图3为瞬态修正系数MAP图。