基于MIL的SCR效率诊断方法

2021-06-22闫立冰任宪丰张军张娟解同鹏

内燃机与动力装置 2021年3期

闫立冰，任宪丰，张军，张娟，解同鹏

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061;2.潍柴动力股份有限公司电控研究院，山东潍坊 261040

0 引言

柴油机具有动力性强、油耗低等优势，在中重型车辆上得到广泛的应用[1]。随着我国对环境保护重视程度的增加，降低柴油机排放污染成为社会关注的焦点之一[2]。相对于废气再循环技术，选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术具有更好的燃油经济性、排放标准继承性等诸多优点[3-4]，因此我国商用车柴油机倾向于采用SCR技术满足国四、国五排放标准。SCR技术应用的难点之一为如何保证车载自动诊断系统(on-board diagnostics，OBD)标定的精确性和稳定性[5-6]。国四和国五排放标准规定的NOx排放OBD 第一排放限值分别为5.0 g/(kW·h)和3.5 g/(kW·h)，OBD 第二排放限值均为7 g/(kW·h)[7-8]。SCR系统对NOx的转化效率下降时，NOx排放增加。当NOx排放超过 OBD 第一排放限值时点亮发动机故障指示灯；当超过OBD第二排放限值时启动扭矩限制器，发动机只能输出60%的扭矩，影响发动机正常工作[9-10]。我国排放标准要求对SCR系统转化NOx的效率进行监控。本文中针对国四排放标准实施初期市场上出现的误报NOx排放超标(NOx排放超过第一、二限值)进行分析，并采用台架标定与模型在环(model in the loop，MIL)离线仿真验证相结合的方法解决SCR效率诊断问题，提供了一种解决SCR效率诊断的新思路。

1 SCR效率诊断原理分析及MIL模型

为了解决误报SCR转化效率低的问题，首先对SCR效率检测的原理进行分析。

SCR平均实际转化效率[11]

式中：qm,up为通过查表得到的各工况SCR上游 NOx排放的质量流量；Eset为各工况点设定转换效率，SCR正常工作时，可认为各工况点的实际转化效率和设定转换效率相同。

OBD第一排放限值对应SCR转化效率诊断(简称为SCR效率诊断1)的平均转化效率限值[12]

式中Ethres1为各工况点的SCR效率诊断1的效率限值。

OBD第二排放限值对应SCR转化率诊断(简称为SCR效率诊断2)的平均转化效率限值

式中Ethres2为各工况点的SCR效率诊断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效率诊断模型3部分[13]，如图1所示。SCR控制模型根据外部输入信号计算NOx原排、设定转换效率和需求尿素喷射量等信息；SCR物理模型真实反映SCR内部的化学动力学反应，根据输入可计算SCR下游温度、下游各气体组分质量浓度等物理量；SCR效率诊断模型根据NOx原排和模型计算的SCR下游NOx排放信息对SCR效率进行诊断。

图1 MIL模型架构图

2 误报NOx排放超标问题分析

2.1 设定转化效率与效率限值交叉现象

采用市场路谱进行MIL离线仿真验证，与实际路谱中各工况点的设定转化效率及SCR效率诊断1、2的平均转化效率限值进行对比，对比结果如图2所示。

图2 设定转化效率和限值转化效率对比

由图2可知，实际工况中，多数工况下设定转化效率小于E1，少数工况设定转化效率大于E1，即发生了设定转化效率和平均转化效率限值相互交叉的现象；只有少数工况点设定转化效率小于E2，SCR效率诊断2的诊断表现稍好。这与市场上反馈的NOx排放超过第一限值故障数量比超过第二限值故障多的情况相符合。设定转化效率与SCR效率诊断1、2的平均转化效率限值存在交叉是误报NOx排放超标的主要原因。

2.2 NOx原排标定问题

基于上游NOx原排和下游NOx传感器测量值进行SCR转化效率诊断，上游NOx原排采用气体分析仪进行标定，气体分析仪和NOx传感器测量存在偏差，最大偏差可达15%。SCR上、下游NOx测量源不一致，增加了误报NOx排放超标的风险。

3 解决方案

为解决误报NOx排放超标问题，需要精确计算SCR设定转化效率和平均转化效率限值。

3.1 设定转化效率计算

因各个工况点的尿素喷射量已经过优化，借助MIL离线仿真解决误报NOx排放超标问题的基本原则是保证各个工况点尿素喷射量在重新标定后与标定前没有变化[14]。本文中用NH3代替尿素进行计算。

设定转化效率与平均转化效率限值计算原理如图3所示。由图3可知，SCR设定转化效率由发动机转速、喷油量、SCR下游温度和废气质量流量4个变量决定；E1、E2由SCR下游温度和废气质量流量2个变量决定。

图3 设定与平均转化效率限值计算原理

实际工况复杂多变，消除设定转化效率和平均转化效率限值的交叉现象对标定提出了很高的要求，也很难将所有的工况都考虑周全。本文中提出一种消除效率交叉现象的可行方法，将设定转化效率的计算改为仅由SCR下游温度和废气流量确定，与转速和喷油量相关的效率map全标为1，即设定转化效率map和平均转化效率限值map均由SCR下游温度和废气流量确定，原理如图4所示。

图4 解决效率交叉现象原理

NH3需求喷射量计算原理如图5所示。由图5可知，设定转化效率可以由NH3的需求喷射量和SCR上游NOx流量反推出来，进而通过一定方法保证在离线标定后NH3需求喷射量不变的基础上解决效率限值交叉问题。具体方法为：在基于NOx传感器重新标定NOx原排的同时记录每个工况点的SCR下游温度、废气质量流量和NH3的需求喷射量，根据记录的数据，按照图5所示的NH3需求喷射量计算原理反推出各个工况点的理论设定转化效率，之后根据记录的各个工况点的SCR下游温度、废气质量流量和反推出来的理论设定转化效率，得到SCR下游温度和废气质量流量的设定转化效率map图。

图5 NH3需求喷射量计算原理

3.2 平均转化效率限值计算

根据标定后的设定转化效率可以计算出优化后SCR效率诊断1、2的平均转化效率限值。

优化后SCR效率诊断1的平均转化效率限值[15]

式中：Eset1为SCR效率诊断1的设定转换效率，qm,Raw为欧洲瞬态循环(European transient cycle，ETC)发动机NOx原排质量流量，qm,Lve1为SCR效率诊断1的ETC循环在喷射兑水尿素情况下SCR下游NOx排放质量流量，qm,Nor1为SCR诊断1的ETC循环在正常喷射尿素情况下SCR下游NOx排放质量流量。

优化后SCR效率诊断2的平均转化效率限值

式中：Eset2为SCR效率诊断2的设定转换效率，qm,Lve2为SCR效率诊断2的ETC循环在喷射兑水尿素情况下SCR下游的NOx排放质量流量，qm,Nor2为SCR效率诊断2的ETC循环在正常喷射尿素情况下SCR下游的NOx排放质量流量。