基于模型的SCR 系统还原剂供给量自适应控制

王天田 ，李天羿，胡 杰，王 智

(1.华东交通大学 载运工具与装备教育部重点实验室，江西 南昌 330013；2.江铃汽车股份有限公司动力总成研究院，江西 南昌 330052；3.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；4.李斯特技术中心(上海)有限公司，上海 200126)

为应对欧Ⅵ/国Ⅵ法规对氮氧化物(NOx)排放的严格要求，目前道路用途的重型柴油机均采用选择性催化还原(SCR)系统，主流控制策略为闭环控制策略，其闭环控制目标可通过基于脉谱(MAP)和基于模型两种方式实现[1-4]，基于MAP 的尿素喷射控制策略控制器结构设计思路简单、开发难度低，但瞬态控制效果较差，控制精度会随着系统老化而降低，同时给车载故障诊断(OBD)带来严峻的挑战[5].面对更为严格的排放法规及OBD 监控需求升级背景，基于模型的控制策略和OBD 策略得到了快速发展.Hommen等[3]和石秀勇等[4]在考虑了氨(NH3)泄漏引起的NOx传感器交叉敏感特性条件下，建立了基于模型的SCR闭环控制策略.Vitale 等[6]设计了基于模型的OBD策略及其标定策略，并得到了成功应用.Qiu 等[7]将重型柴油机的燃油喷射系统与SCR 系统的控制系统综合考虑，开发了基于模型的闭环控制策略和OBD策略.Wang 等[8]提出了一种基于模型的OBD 策略，当OBD 系统诊断出尿素喷射系统存在故障时，喷射控制单元(DCU)会调整控制策略以修正这一故障带来的影响.在SCR 系统热力学模型、化学反应动力学模型和储氨预测等方面的研究[9-11]已成功运用于实际的还原剂喷射控制策略中，模型适应性强且能取得很好地排放控制效果与状态预估效果.

国Ⅵ阶段SCR 技术对还原剂供给量的控制目标是：在冷态与热态全球统一瞬态试验循环(WHTC)的大部分工况下，使NOx排放污染物的转化效率大于一定阈值，并且NH3泄漏平均值控制在10×10-6以下.为了实现精确的还原剂供给量控制，除了要求DCU 拥有强大的运算能力和精确的模型外，还需要依赖实时且准确的传感器信号输入、精确可靠的还原剂供给机构执行和稳健良好的催化剂反应性能等基础硬件条件，一旦这些基础条件发生偏移，则势必要进行相应的修正，才能重新实现还原剂供给量的精确控制.笔者针对此应用背景，开发了一种基于模型的SCR 系统还原剂供给量自适应修正方法.

1 研究目标

图1 为国Ⅵ后处理系统.由柴油机氧化催化剂(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)及SCR 系统组成，其中SCR 系统为尿素选择性催化还原(Urea-SCR)，使用添蓝(AdBlue)还原排气中的NOx，主要由SCR催化器或SCR+氨逃逸催化器(ASC)、尿素混合器、尿素泵、尿素喷嘴、尿素罐总成、DCU、SCR 催化器上游温度传感器、SCR 催化器下游温度传感器、SCR催化器上游NOx体积分数传感器、SCR 催化器下游NOx体积分数传感器、尿素液位传感器、尿素温度传感器和尿素品质传感器等组成.图中宽实线箭头表示还原剂流动方向，虚线箭头表示排气流动方向，细实线箭头表示信号方向.

图1 后处理系统构成示意Fig.1 Layout of after-treatment system

传统的还原剂供给量自适应修正方法或基于下游NOx传感器的体积分数测量值和预期目标值的偏差，或基于下游NOx传感器体积分数测量值和上游NOx体积分数值计算的转化效率值和预期目标转化效率的偏差，均无法摆脱对下游NOx传感器的高度依赖，而NOx传感器的信号的精度和其对NH3交叉敏感的特性均会对这一自适应修正过程产生难以评估和测量的影响[3,12-13].针对此问题，通过建立SCR 系统工作过程模型，使用模型输出值(包括催化剂出口温度、各个催化剂单元的名义温度、催化剂的氨覆盖度、下游NO2体积分数、下游NO 体积分数、下游NH3体积分数和下游N2O 体积分数等)作为系统自适应修正功能的计算依据，大大降低了控制系统对物理传感器的依赖，相较于仅依靠传感器测量值实施的自适应控制策略更为稳健可靠.

2 SCR系统模型

2.1 SCR系统的热力学过程

SCR 系统的热力学过程主要包括：(1)排气与催化剂间的对流换热；(2)催化剂沿气流方向的热传导；(3)催化器壳体对外界环境的热辐射.为了通过数学方程对催化转化系统的热力学过程进行描述，进行假设是：(1)喷射的尿素溶液在进入SCR 催化剂单元之前已和排气混合均匀，两者已经充分换热；(2)不考虑排气经过催化剂前/后温度和压力变化导致的密度变化；(3)一维模型，参数仅沿气体流动方向(x 轴正方向)变化；(4)排气在Urea-SCR 系统内的流动为理想气体的均匀和不可压缩流动.

2.1.1 排气与催化剂间的对流换热

单位时间内排气与催化剂间对流换热量

式中：h 为对流换热的表面换热系数；TEG为排气温度；TC为催化剂温度；AH-T为催化剂能够与排气接触的所有表面积.

忽略排气被催化剂横截面所阻挡的面积后AH-T可表示为

式中：SCat为催化剂单位可流通气体体积内的催化剂内表面积；ε为催化剂的孔隙率；rC为催化剂横截面半径；LC为催化剂长度.

2.1.2 催化剂沿气流方向的热传导

催化剂沿气流方向的导热量可通过Fourier 定律进行描述，单位时间内催化剂沿气流方向的热传导热量ΦC为

式中：λc为导热系数.

2.1.3 催化器壳体对外界环境的热辐射

忽略催化器壳体的壁厚，催化器壳体对外界环境的有效辐射面积 ARad为

依据辐射放热的Stefan-Boltzmann 定律得

式中：ΦCW-amb为催化器壳体对大气环境的辐射换热量；σSB为斯-波常量，取值为5.67×10-8W/(m2·K4)；εRad为物体的表面发射率，量纲为1；Tamb为环境温度.

2.1.4 热力学过程的偏微分方程描述

将Urea-SCR 系统催化器作为开口系统，由能量守恒可知系统特征有：进入系统的排气的热量Φin等于随排气带走的热量Φout、排气通过对流换热和催化剂交换的热量ΦC及SCR 系统内发生的化学反应吸放热ΦCh之和，即

对于Φin由于排气在催化剂内部受到空间容积的限制，其在热力学变化过程中遵循定容变化规律，计算Φin时需要使用排气的定容比热容；对于Φout当排气流出催化剂时，由于气体的流通截面积突然扩张，此时定容规律不再满足，应该采用定压比热容对换热过程进行计算.因而用dt 表示微元时间、dx 表示微元长度，通过偏微分方程描述排气的能量变化率为

式中：cv,EG为排气的定容比热容；cp,EG为排气的定压比热容；ρEG为排气密度；Afr为催化剂载体前端面积；mEG为排气质量流量；Δ hi为第i 类化学反应导致的能量变化；ri为第i 类化学反应的反应速率.

催化剂的能量变化由自身的热传导、催化剂和排气的对流换热及催化剂外表面向环境的辐射放热，因而描述催化剂单元中的热能变化率的偏微分方程为

式中：cp,C为催化剂载体的定压比热容.

2.2 SCR系统的化学反应动力学过程

通过偏微分方程对催化转化系统的化学反应动力学过程进行描述，基于假设是：(1)催化转化系统为一维模型，排气的温度和各组分体积分数等参数仅沿排气流动方向(x 轴正向)变化；(2)排气为均匀、不可压缩的理想气体；(3)不考虑涂覆物的扩散，催化剂的涂层厚度只有3.5µm，涂覆物的扩散比吸附和脱附过程都快；(4)不考虑排气中的H2O 和O2体积分数变化对反应的影响；(5)不考虑NOx吸附对反应的影响，NH3吸附所需消耗的能量高于100 kJ/mol，NO 吸附所需消耗的能量约为20 kJ/mol，因而NH3的吸附反应是限制NOx去除(DeNOx)能力的主要反应.

2.2.1 主要化学反应及反应速率

Urea-SCR 系统发生的主要化学反应见表1，除此以外模型还包括一些特殊条件下会发生的副反应，如高温条件下NH3被O2或NO2氧化而生成N2O 等.

表1 Urea-SCR系统主要化学反应Tab.1 List of major chemical reactions in urea-SCR system

尿素的分解反应为均相反应，其反应速率可以用典型的幂律方程[1,14]表达为

NH3的吸、脱附反应可通过方程(10)和(11)描述其反应速率[1,14].

SCR 总反应的反应速率[1,14]表达式为

NH3的直接氧化反应[1,14]为

式中：rUD、rAds、rDes、rSCR和rOx分别表示尿素分解反应、NH3的吸附反应、NH3的脱附反应、SCR 总反应和NH3的直接氧化反应的反应速率；K 为化学反应的指前因子，对于尿素水解反应其量纲为1、对于脱附反应和NH3的直接氧化反应其单位为1/s、对于SCR反应其单位为m2/(N·s)；E为化学反应发生所需的活化能；c为相应组分的摩尔质量浓度；为NH3覆盖率，量纲为1；Θ为最大储氨量；Sc为1 mol表面活性原子所占的面积；αProb为吸附概率，量纲为1；R 为宇宙气体常数；T 为温度；为NH3的摩尔质量.

2.2.2 化学反应动力学过程的偏微分方程描述

根据质量守恒，分别对尿素、气态NOx、气态NH3和催化剂吸附的NH3体积分数变化为

式中：Rs,EG为排气的气体常数，取值为288 J/(kg·K)；pamb为环境压力.

2.3 SCR工作过程建模

为了将描述不同状态参数的偏微分方程转化为常微分方程，图2 所示沿气流方向将催化剂划分为若干个单元.假设单元内的成分是均匀且各向同性的，因而参数和物性变化仅在单元和单元之间发生.同时假设催化剂为理想的换热单元，忽略SCR单元内部的热传导，因而热传导和对流换热的时间为0，且排气离开催化剂时的温度和催化剂一致；此时可近似地在每个单元内用常微分方程替代偏微分方程进行计算.为使得模型的求解更加迅速，进一步做出假设：(1)喷射的尿素在进入第一个SCR 单元前就已经完全分解为气态的NH3，不再考虑尿素分解所带来的影响；(2)研究表明气相状态的组分在催化剂表面吸附的时间跨度比热力学过程和NH3存储过程低2 个数量级，即吸附可认为是瞬间完成的，因而对NO 和NH3体积分数变化这一动态过程的描述可以用静态参数实现；(3)相较于热力学过程的能量转移，化学反应的吸、放热量都很小，因而将其忽略.基于以上假设，排气和催化剂的能量变化率可分别描述为

图2 SCR单元划分示意Fig.2 Model computational cells of SCR catalyst

为使方程描述更为简单，定义参数为

式中：nCell表示单元数量.此时描述状态参数的常微分方程为

储NH3过程和热力学过程相对缓慢，NOx和NH3体积分数的变化主要由NH3的吸附和SCR 反应导致，可简化为状态参数T 和的函数为

2.4 模型的参数化

通过进行不同的还原剂供给率条件下的负荷爬坡工况、全球统一稳态循环(WHSC)工况、WHTC 工况、非标准循环(WNTE)工况、稳态工况点的氨存储与氨消耗试验，采集试验数据对模型各个部分的参数进行优化以匹配试验结果，最终获得的模型参数如表2～表4 所示.

表2 静态参数的优化结果Tab.2 Optimization results for static parameters

表3 时间常数的优化结果Tab.3 Optimization results for time constants

表4 化学反应参数的优化结果Tab.4 Optimization results for reaction parameters

2.5 模型的验证

运行冷态与热态WHTC 循环验证模型的预测效果，试验结果如图3～图4 所示.可以看出模型对于温度(图3a)和NOx排放(图3b)的预估达到了非常高的精度，基于模型的储氨控制表现良好，尿素喷射开始后的一百多秒即可达到目标覆盖度，并能够在随后的运行过程中始终维持在目标覆盖度附近(图3c).但对于NH3泄漏的预估较实际测试结果偏高(图4)，应该是由于试验过程中发生了模型没有考虑的副反应额外消耗了NH3所造成.

图3 SCR下游冷态与热态WHTC循环温度、NOx 排放和氨覆盖度变化Fig.3 Variations of temperature，NOx emission and ammonia coverage in cold and hot WHTC cycle of SCR downstream

图4 SCR下游冷态WHTC循环氨泄漏曲线Fig.4 NH3 slip in cold WHTC cycle of SCR downstream

3 基于模型的喷射量自适应修正

3.1 功能方案

自适应修正功能的方案设计如图5 所示.功能执行步骤是：(1)当检测到自适应功能的请求信号后，对自适应功能的释放条件进行确认；(2)当自适应功能检测到释放条件满足后停喷一段时间的还原剂，以清空催化剂储氨；(3)当系统转化效率下降到一定限值以后，使喷射系统处于固定氨氮比欠喷射状态持续供应尿素溶液，用来排除NH3泄漏对NOx传感器测量值的交叉干扰[15]；(4)在一段时间标定的时间内，借助位于SCR 系统上、下游的NOx传感器获得两处的NOx体积分数测量值，通过积分得到这段时间内的实际平均转化效率；(5)在相同的这段时间内，记录位于SCR 系统上游的NOx传感器测量值和模型计算的SCR 系统下游NOx体积分数值，通过积分得到这段时间内的模型平均转化效率；(6)通过对实际平均转化效率和模型平均转化效率的对比计算，从而获得还原剂供给量的修正系数；(7)将计算得到的修正系数乘以目标还原剂供给量，实现还原剂喷射量在系统排放状态异常情况下的自适应调整.

图5 还原剂供给量自适应修正流程Fig.5 Correction process of reductant supply adaptation

3.2 自适应功能的请求条件

还原剂的加注事件和系统出现异常的事件在统计学角度上几乎不可能连续发生，故这一自适应修正动作也不应该频繁触发.因此，设计了图6 所示的还原剂供给量自适应功能的请求策略，自适应功能主要通过以下两类条件来请求.

图6 还原剂供给量自适应功能的请求状态位使能条件Fig.6 Request of reductant supply adaptation special maneuver

3.2.1 A 类条件(正常工作条件下条件计数器超过一定限值)

当发动机启动后，发动机当次运行时间计时器开始工作，一旦发动机当次运行时间超过设定值，则触发条件计数器A，同时该发动机当次运行时间计时器置零，直至下一次发动机点火信号到来后再次开始计时；条件计数器A 的自增条件可通过开关选择某种或同时复用，即(1)当发动机转速超过一定限值(一般设定为怠速以上100～200 r/min)且传感器计算得到的DeNOx效率高于一定限值(一般设定为20%以上即可，表明SCR 系统已经结束冷机等待状态并开始正常工作)后的累计工作时间；(2)当SCR系统开始喷射还原剂后，累计喷入系统的还原剂质量超过一定限值.

3.2.2 B 类条件(检测到系统转化效率或者排放存在异常)

OBD 系统通过将上、下游NOx传感器计算得到NOx的转化效率与模型预估得到的NOx转化效率进行比较，如果两个效率的偏差超过一定比例，则认为系统存在NOx排放超标或者NH3排放超标风险，此时将首先触发NH3泄漏监测功能，该功能用于区分排放超标是由于NOx泄漏还是由于NH3泄漏导致，NH3泄漏监测功能完成后，将自动请求自适应功能以尽快消除NOx泄漏或者NH3泄漏可能带来的排放超标风险.

3.3 自适应功能的触发条件

当控制系统发出自适应功能请求后，功能的触发条件判断模块将开始工作，判断当前的发动机后处理运行工况条件是否适合运行自适应功能.自适应功能触发模块的使能条件设置原则为：(1)在SCR 加热状态、DPF 再生状态下不得启动自适应功能，此时喷油状态异常，排气中的HC 比例较高，会对还原剂的理论消耗量计算带来影响；(2)自适应功能需要工作在SCR 催化剂性能稳定的温度区间和空速区间，该区间范围的选择需要依据已有的发动机全脉谱工况的测试结果确定；(3)由于自适应功能会对法规排放循环的NOx排放结果带来影响，且在OBD 预处理循环中完成自适应调整，可以降低OBD 报警的尿素质量分数限值，有助于增加系统工作的鲁棒性.因此，推荐通过工况区间(发动机转速、喷油量、排气温度和上游NOx体积分数等)的标定使得自适应功能必然能够在WHTC 循环触发并完成计算.

3.4 自适应功能的状态定义与状态切换

自适应控制功能共有5 个状态，在某次WHTC循环状态变化过程如图7a 所示.状态0 为闭环喷射控制状态，正常情况下的SCR 喷射控制系统即处于状态0，当满足3.2 节中提及的相关请求条件后，系统将发出NH3供给量的自适应控制功能的请求信息，此时系统进入状态1，状态1 为自适应控制功能已被请求状态.进入状态1 以后，系统将持续对3.3节中的自适应功能触发条件进行判断，一旦上述条件都满足后，系统将进入状态2，但进入状态2 之前SCR 喷射控制系统仍处于正常的闭环控制状态.状态2 为自适应控制功能触发条件已满足状态.进入状态2 后，控制系统将触发尿素停喷动作以清空催化剂载体上的储氨，当通过上、下游NOx传感器实测值算得的转化效率(图7b 蓝色曲线所示)和模型算得的转化效率(图7b 橙色所示)都低于标定限值后，状态2 完成，基于SCR 催化器储氨特性和转化效率的对应关系，此时可以认为催化器内部的储氨基本已经被完全消除，系统进入状态3，状态3 为系统的状态稳定期.进入状态3 后，系统开始以某一固定的比例(一般选择0.7 左右的供给率使其处于一定比例的欠喷射状态，以排除NH3泄漏对NOx传感器测量值的交叉干扰)喷射还原剂，SCR 催化系统通常需要一定的时间适应喷射量从无到有的动态过程，经过这一段等待系统状态稳定的过程后，SCR 系统的转化效率一致性表现将更为优异，为后期进行修正因子的计算奠定良好的环境基础.固定比例的欠喷射状态持续一段时间后上述2 个效率曲线会逐渐趋于稳定，此时状态3 宣告结束，开始进入状态4，状态4 为修正因子计算阶段，用来计算NH3的喷射偏差.当2 个效率相对稳定后，如果系统存在问题则其会产生相对固定的偏差，系统将首先通过模型转化效率计算得到累计消耗的NH3(此为系统正常状态下按照当前供给系数所应该消耗的NH3累计值，如图7c 中蓝色实线所示)，然后通过上、下游NOx传感器实际测量得到的结果，运用化学反应计量关系换算得到实际反应过程中累计消耗的NH3(由系统当前状态下的实际反应能力所决定如图7c 中红色曲线所示)，通过上面两个累计值算出具体的比例偏差后，再通过偏差-修正关系曲线得到最终需要引入还原剂供给系统的修正因子，并将其应用到喷射控制中以修正最终喷射量，如图7d 所示.状态4 完成后，系统将重新回到状态0.

图7 自适应功能状态流程示意Fig.7 Principle of NH3 adaptation function

3.5 修正因子的计算

SCR 下游NOx体积分数的模型计算值、排气质量流量、NH3的摩尔质量和上游NOx体积分数值作为NH3质量流量计算模块(模型计算)的输入，经过积分后，得到积分周期内通过模型值计算的SCR 反应累计NH3消耗质量；SCR 下游NOx体积分数的传感器测量值、排气质量流量、NH3的摩尔质量和上游NOx体积分数值作为NH3质量流量计算模块(传感器值计算)的输入，经过积分后得到积分周期内通过传感器值计算的SCR 反应累计消耗NH3质量.

通过将模型值计算得到的SCR 反应累计消耗NH3质量与传感器值计算得到的SCR 反应累计消耗NH3质量比较，可获得NH3消耗的比例偏差.计算得到NH3消耗比例偏差后，再通过偏差-修正关系曲线得到最终需要引入还原剂供给系统的修正因子，将修正因子应用到喷射控制中以修正最终喷射量.为了避免在实际工作场景下由于某些特殊情况出现计算偏差导致的过度修正情况，引入修正曲线.典型的修正曲线如图8 所示，当模型计算的偏差为20%时，系统将只会引入一半的修正量(10%)，如果系统工作状态与正常状态仍旧存在较大的差异，则会触发下一次自适应修正，通过多步修正实现最终的修正目标，由于每次计算遇到的工况和车辆使用条件不可能完全一致，随机误差会在功能的多次计算过程中相互抵消，故通过此举可在很大程度上消除计算偏差的影响.

图8 效率的原始偏离程度与绝对修正因子对应关系Fig.8 Ratio to absolute correction factor relationship curve

3.6 自适应功能对排放的影响

由于在进行修正因子的计算过程中会触发还原剂的停喷和欠喷射，从而影响最终的排放结果，因而在排放认证时需向主管部门说明，如有必要则需引入相应的KI 系数对法规排放循环的测试结果进行修正后再行申报.考虑到这一过程排放增加可能带来的在用符合性风险，在进行功能请求条件设计时需要考虑其触发间隔周期(设计为累计消耗完一箱尿素溶液后才触发一次自适应功能的请求)尿素箱设计容积与油箱容积相匹配，平均需要消耗两箱燃油才会消耗一箱尿素，所释放的功率约为1 400 kW·h.同时，以项目过程中的多次试验的结果作为参考，当使用标准质量分数的尿素溶液时，如果在热态WHTC 循环中自适应功能触发并完成，则转化效率平均会由99.5%左右降低至92.5%左右.按照发动机WHTC 循环功平均为17.6 kW·h、NOx原排平均为4.7 g/(kW·h)来计算，单次触发导致的NOx质量排放增加量约为5.8 g.在一次自适应功能请求间隔内，该功能的运行对NOx排放的平均贡献约为4.1 mg/(kW·h)，相对于该发动机后处理系统WHTC 循环综合排放均值(260 mg/(kW·h))仅占很小一部分，且可以通过延长请求间隔进一步降低影响.

4 试验验证

为验证自适应功能是否能准确补偿系统偏差带来的影响，将SCR 工作过程模型、氨泄漏监控策略以及自适应控制策略等嵌入BOSCH 的MD1 平台，利用ECU 已有的发动机控制策略与传感器、执行器信号处理与控制策略，通过使用定比例稀释后的标准AdBlue 溶液在发动机后处理试验台架上运行WHTC排放循环，查看自适应修正因子的变化以确认修正效果.测试发动机的规格如表5 所示，其后处理系统由DOC+DPF+SCR+ASC 组成，试验的发动机后处理系统台架如图9 所示.

图9 发动机后处理系统测试台架Fig.9 Glance of test bench of after-treatment system

表5 测试发动机参数Tab.5 Engine specifications

自适应控制功能会对基础喷射量按比例进行修正，当使用质量分数过低的还原剂导致自适应功能触发后会造成尾管排放在短时间内处于不稳定状态，如果在标准的OBD 循环中触发自适应功能，则排放必须在6 个WHTC 循环(即预处理循环数)内稳定才能满足法规要求，所以需要对自适应功能的响应性能进行验证.设计试验步骤是：(1)使用标准质量分数的尿素溶液，调整自适应功能的释放时间使得每个WHTC 循环都可以释放该功能，运行连续的WHTC循环，记录下每次自适应功能完成后的修正因子值，以确认该功能在正常状态下的稳定性；(2)调制确定质量分数的稀释尿素，按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸馏水进行调制，调制后的尿素溶液质量分数约为27%；(3)更换稀释的尿素溶液后，先将喷嘴移出后处理系统，手动调到最大喷射量喷射3 min，目的是清洗原尿素管路；(4)切换到闭环自适应控制模式，连续运行6 个WHTC 循环，观察排放结果是否稳定并记录下每次自适应功能完成后的修正因子；(5)换回标准质量分数的尿素溶液，连续运行WHTC 循环，记录下每次自适应功能完成后的修正因子值，以确认该功能能够迅速恢复基准修正因子.

对应步骤1，在使用标准质量分数尿素溶液的条件下，通过人为触发自适应修正功能，连续运行18次WHTC 循环验证修正因子的计算精度.其中某次WHTC 循环过程中自适应功能的运行过程如图10 所示，通过模型值和传感器反馈值对NH3的累计消耗量进行计算的过程数据如图11 所示.18 次循环的总体测试结果如表6 所示，前15 次计算均未出现偏差，仅在后3 次出现了非常小的计算偏差，最大误差仅为1.1%，表明该功能在系统正常状态下计算准确、稳定性高，几乎不会带来误修正风险.

图10 WHTC循环中的自适应功能状态参数变化Fig.10 Adaptation function status parameter in WHTC

图11 WHTC循环中的NH3累计消耗量计算过程Fig.11 Calculation of NH3 consumption in WHTC

表6 标准尿素溶液18个WHTC循环测试结果Tab.6 Test results of 18 WHTC cycles with standard AdBlue

对应步骤2～4，切换稀释尿素溶液后的6 个WHTC 循环测试结果如表7 所示，表明该功能在系统异常状态下能够准确计算出合理的喷射量修正系数.稀释尿素按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸馏水进行调制，由于尿素溶液和蒸馏水的密度差异不大，因而理论上的喷射量修正系数应该在1.2 左右，6 次WHTC循环结束后的模型计算得到的修正系数为1.199，与理论修正系数一致.

对应步骤5，再次换回标准尿素溶液后的6 个WHTC 循环测试结果如表7 所示，表明该自适应功能对喷射量的调整非常迅速且能很快收敛，换回标准尿素溶液的第2 次修正就已经基本修正到了目标值的5%偏差范围(目标值为1.000，实际计算值为1.051)，在3 次修正结束后认为已经完全实现修正目标.

表7 使用稀释尿素和换回标准尿素的WHTC循环测试结果Tab.7 Test results of WHTC cycles with diluted AdBlue and standard AdBlue

5 结论

(1) 面对超低排放要求的SCR+ASC 后处理系统需要更为精细的尿素喷射控制和对系统内部状态的准确预估，基于模型的SCR+ASC 系统闭环控制策略以模型输出的各种状态参数(如SCR 下游NOx、SCR 下游NH3及SCR 催化器表面覆盖度等)作为控制依据，能实时获知并控制系统内部的工作过程，实现对SCR+ASC 系统的精细控制.

(2) 基于模型的还原剂供给量自适应方法能够保证控制系统始终能够适应催化剂老化程度、还原剂质量分数及供给单元供给精度变化所带来的影响，配合基于目标覆盖度的闭环控制策略，可以使得SCR系统处于最佳的还原剂供给控制状态，实现降低NOx排放和NH3排放的目标.

(3) 自适应功能触发使SCR 系统转化效率造成影响，以多次试验的结果来看，当使用标准质量分数的尿素溶液时，在WHTC循环中自适应功能触发并完成，则转化效率会由约99.5%降低至约92.5%；但该功能的运行在一次自适应功能请求间隔内对NOx排放的平均贡献仅为4.1 mg/(kW·h)；在排放认证时需向主管部门说明此情况，并在必要时引入KI 系数.

(4) 开发的自适应功能能够在WHTC 循环后段准确触发并完成计算，通过标准尿素、稀释尿素的多次WHTC 循环验证结果来看，该功能表现稳定，修正精准能在较少的触发次数下完成修正目标.