基于ESC稳态试验尿素喷射控制研究

郭丽娜 胡明 郝魁 岳广照

摘要：以康明斯4L柴油发动机作为研究对象，通过MATLAB完成尿素喷射控制策略编程，在ESC稳态试验循环中，对比闭环控制尿素喷射和开环控制尿素喷射的整体循环测试结果和单点测试结果，得出闭环控制在尿素喷射过程中具有尿素消耗量少，排气中NOX转换效率高的特点。

Abstract： With cummins 4L diesel engine as the research object， By Matlab program urea injection control strategy， in the ESC steady-state test cycle， compared with closed loop control of urea injection and open loop control of urea injection of single point test results and the whole cycle test results， draw a closed loop control in the process of urea injection with urea consumption， less NOX in the exhaust pipe high conversion efficiency.

关键词：柴油车;ESC工况;NOX计算

Key words： diesel vehicles;ESC condition;NOX calculation

中图分类号：TK421                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0001-03

0  引言

目前对于后处理厂家而言，在国五排放阶段关于NOX的起步门槛条件是通过国家指定排放实验室台架ESC/ETC/WHTC循环测试，满足GB17691-2005中关于NOX的排放限值，ESC稳态循环测试作为ETC和WHTC数据标定的基础，其在柴油车尾气排放测试中具有关键性的作用[1]。针对于ESC稳态循环的重要性，本文对现阶段市场中存在的开环控制标定和闭环控制标定方式进行了阐述，对比了开环控制ESC试验结果和闭环控制ESC试验结果，得出闭环控制具有尿素消耗量低，转换效率高的试验结论。

1  柴油机NOX还原方法介绍

尾气后处理SCR技术路线主要分为两部分，用电控高压喷射和增压中冷实现缸内净化降低PM，以此达到GB17691-2005中关于尾气标准的要求，但是由于NOX和PM之间的“跷跷板”关系，PM降低会明显增大NOX排放，此时依靠SCR尾气后处理技术将排气中的NOX数据降低，达到国标GB17691-2005需求[2]。

2  相关基础公式

2.1 ESC稳态循环工况选取

发动机转速A、B、C的确定需要依据高转速nhi和低转速nlO计算获得。高转速nhi是最大净功率70%，低转速nlo是最大净功率50%下的转速[3]。

转速A=nlO+25%（nhi-nlO）（1）

转速B=nlO+50%（nhi-nlO）（2）

转速C=nlO+75%（nhi-nlO）（3）

ESC试验发动机在测功机上运行工况循环如表1所示。

发动机必须按照每个工况所规定的时间运行，最初20秒用于完成转速和负荷的转换，每个工况中规定的转速应保持在±50r/min之内，规定的扭矩应保持在该实验转速下最大扭矩的±2%以内。

在ESC试验13工况完成后，ESC测試还附带控制区内随机工况点检测，在开始测量前，发动机先调整至第13工况运行3min，然后在控制区内由检验机构选择的三个不同的位置进行测量，每次测量时间为2min。测量规程和13工况循环中NOX的测量相同[4]。

2.2 ESC试验循环NOX气态污染物计算

2.2.1 氮氧的湿度和温度校正

下列公式中的因子就是对NOX浓度进行大气温度和湿度的校正[5]。

（4）

式中：

Ta=进气的绝对温度，K;

Ha=进气的绝对湿度（水/干空气），g/kg

（5）

式中：

Ra-进气的相对温度，%;

Pa-发动机进气空气的饱和蒸气压，kPa;

Pb-总大气压，kPa。

2.2.2 排气污染物质量流量的计算

每工况排气污染物的质量流量（g/h）按下列公式计算直采NOX数据（假设排气在273k（0℃）和101.3kPa下的密度为1.293kg/m3）：

（6）

式中NOX cono是排气采集系统在十三工况中的每一工况中采集的平均浓度（ppm）。

2.2.3 比排放的计算

各个组分的排放量（g/kW·h）计算如下所示。

（7）

式中：NOmass为十三工况中各工况NOX质量流量;

WFI为表1中的加权系数;

P（n）i为十三工况中各工况质量流量。

2.3 稳态ESC工况，不同控制策略试验对比

对于SCR尿素喷射系统而言，其化学反应的基础是尾气中的NOX在催化剂的作用下与NH3发生催化还原反应生成N2和H2O的过程。此反应属于放热反应，对于钒基催化剂而言，其成本相对较低，但钒基催化剂受温度影响较大，基本反应活性温度起点集中在200～220℃左右，一般催化剂性能失活温度在500℃左右，由此可见温度是影响柴油车SCR尾气处理的重要影响因素之一;另一个重要因素是尾气在流过催化剂载体时的时间，也是人们常说的空速，尾气需要在催化剂中充分反映才可实现化学反应。

在台架ESC稳态测试过程中，SCR尿素喷射开环控制整体测试结果NOX无法满足国五2.0g/kW·h的标准要求，十三个工况点的单点数据也不够稳定，误差较大;而对于闭环控制而言，闭环控制能够矫正空速的滞后、尿素泵喷射的机械误差以及实际尿素反应的瞬态调整，保证单点测试和整体测试结果的稳定性，同时可以保证车辆出厂后SCR尾气后处理系统实际运行的一致性。

SCR尿素喷射反馈闭环控制的原理是依据下游氮氧传感器采集的排气管中反应后的NOX数据与实际预期的理论NOX数据进行比较，从而调整尿素喷射量的修正，当实际转换效率大于理论转换效率时，可以减少尿素喷射量，在保证转换效率的同时实现尿素消耗节省;当实际转换效率小于理论转换效率时，可以增大尿素消耗量，以保证转换效率的稳定性。

3  台架验证

此次试验台架验证的SCR尾气后处理系统主要包含集成式尿素供给单元、催化剂、各类传感器（上下游传感器、上下游排温传感器、尿素箱温度及液位传感器）以及其他连接件组成。系统构成以及台架试验系统布置如图1所示，试验测试设备如表2所示。

图1中所示集成式尿素喷射系统是整个SCR后处理系统的核心，其通过发动机信号、上游AD排温信号、下游NOX信号计算当前排气管中NOX的反应情况，对比预期NOX需求反应效率，反馈公式根据实际尿素反应情况与理论需求尿素反应情况进行反馈控制，实现尿素喷射量的修正。此处需注意，反馈控制的修正数据可能是正反馈也可能是负反馈。表3所示为各阶段ESC稳态循环尾气排放标准。

3.1 试验过程

对于ESC稳态循环工况来说，尿素喷射处理后的NOX排放结果通过尾气检测系统采集SCR催化消声器后的排气气体成分，对于排气采集系统来说，一般分为直流采集（原始排气）和稀释采集（稀释排气），直流采集一般仅用于ESC测试系统，稀释采集既可以用于ESC测试，也可以用于ETC测试。本文NOX气态污染物计算方式按照排气系统稀释采集方式计算。

3.2 试验结果

SCR催化还原反应是32.5%的尿素水溶液雾化后在催化剂的作用下，与发动机尾气中的NOX反应生成N2和H2O的过程，对于SCR控制策略的对比主要从排气温度、尿素消耗量、催化还原反应后的NOX以及催化还原反映后的NH3进行对比。

3.2.1 ESC稳态工况原机排温

由于SCR催化转换效率受温度影响较大，ESC十三工况下各工况点平均温度如表4所示。在十三工况点中，只有A100和B100在500℃附近，其他点均在220℃和450℃之间，目前，市场使用的催化剂转换效率最佳点也在此温度区间范围之内，转换效率能达到80%以上，此发动机原机温度对于SCR反应来说比较有利。

3.2.2 ESC稳态工况循环排放结果对比

在发动机ESC循环工况，分别用闭环反馈控制策略和开环控制策略，完成尿素喷射台架试验，最终排放结果如表5所示。

根据表5可知，在同一发动机的ESC稳态工况下，SCR闭环控制策略在尿素消耗量、最终反应后的NOX数据以及氨气泄漏方面均具有优势。

3.2.3 ESC工況单点排放结果对比

根据GB17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法可知，ESC稳态循环后还需要进行单点抽查测试，测试点为十三工况范围内的3个随机工况点，而3点抽查的最终排放处理结果依赖ESC各工况尿素喷射的稳定性，现对各工况点进行开环控制和闭环控制尿素喷射后的数据对比，对比如表6开闭环ESC工况尿素喷射NOX数据所示，由表6可知闭环控制处理后NOX数据是开环控制处理后NOX数据的50%左右。

4  结论

本文通过对康明斯4L发动机尾气ESC排放测试，确定了闭环控制策略由于其及时反馈调整，无论是在整个循环还是在十三点的单点测试，其最终转换效率均高于开环控制转换效率，同时闭环控制策略十三工况点的NOX转化效率更接近预期理论转换效率，保证了柴油车SCR尾气后处理系统工作性能的稳定;达到了尾气处理，环境保护的目的。

参考文献：

[1]王杰，王世杰.固态氨与尿素喷射控制系统对柴油机氮氧化合物排放影响对比研究[J].汽车实用技术，2021.

[2]张涛，王峰，等.基于 Amesim 的国五重型商用车NOX排放仿真分析[J].内燃机与动力装置，2021，38（4）.

[3]鲍宁，刘军，蔡潇扬.国五标准轻型柴油车 SCR 系统控制器的设计[J].电子技术应用，2018，44（3）.

[4]张凡，李昂，于津涛.重型发动机氨排放特性的台架试验研究[J].车用发动机，2019（2）.

[5]危红媛，周华，等.我国重型柴油车排放标准的发展历程[J].小型内燃机与车辆技术，2020，49（6）.

基金项目：中国高等教育学会职业技术教育分会2020年度立项课题（课题名称“基于产教融合校企合作的‘四纵四横三平台创新教学模式的探究”，项目编号：GZYYB202020）。

作者简介：郭丽娜（1989-），女，内蒙古呼和浩特人，硕士，讲师，研究方向为柴油车尾气处理、汽车故障诊断、汽车专业教育教学、大学生创新创业实践教育。