柴油機選擇催化還原系統的DCU控制研究

劉 軍 李 敏 秦國振

（江蘇大學）

1 前言

柴油機尾氣中的PM和NOx存在著 “此消彼長（trade-off）”的關系，鑒于現有的柴油機技術水平，僅僅依靠柴油機機內凈化措施已經很難滿足排放法規。要滿足日益嚴格的排放法規，需要結合柴油機的后處理技術來降低NOx和PM的排放。目前，主要有兩條機外凈化技術路線：其中一條路線被稱為歐洲路線，即先通過超高壓噴射并優化燃燒生成極少的PM，再使用選擇性催化還原（SCR）技術降低因燃燒優化而產生的NOx，目前常用水基性氨溶液作為催化還原劑，簡稱為尿素-SCR系統；另一條路線被稱為美國路線，即先通過廢氣再循環（EGR）降低排氣中的NOx，再用顆粒捕集器（DPF）捕集因使用EGR而略有增加的PM，從而達到同時降低NOx和PM的效果。這兩條技術路線中，由于SCR技術具有對柴油含硫量不敏感、有助于提高燃油經濟性并能有效降低排氣中NOx的優點，在后處理技術中日趨主流并且被大力推廣[1]。

由于柴油機在實際工作過程中工況經常不斷轉變，其NOx的排放及排氣溫度的波動比較大，因而制定合理的SCR控制策略以有效控制NOx的排放，成為研究SCR技術的重點[2]。

2 SCR系統的工作原理

SCR技術是指在富氧條件下選用合適的催化劑以加速催化還原劑與廢氣中NOx的化學反應，同時抑制還原劑被排氣中的氧氣氧化。目前廣泛采用的還原劑是質量濃度為32.5%的尿素水溶液。

SCR系統主要組成構件包括：發動機電控單元ECU，尿素罐（包括尿素罐體、尿素溶液溫度傳感器、尿素溶液液位傳感器），電子控制單元DCU，計量泵單元，催化器（包括催化器進、出口溫度傳感器），催化器前、后NOx傳感器，NH3傳感器，空氣電子閥，噴嘴及其相關線束管道等。

SCR系統工作時，測量裝置采集發動機轉速、扭矩以及催化器溫度等信號傳送給DCU，DCU根據控制策略計算出所需的尿素溶液量。尿素溶液經過計量噴射泵與壓縮空氣混合后經噴嘴進入SCR催化器的入口前段。在排氣管中尿素經蒸發、熱解以及水解等一系列物理化學反應后部分或全部分解成NH3和H2O，并與排氣充分混合，然后進入SCR催化器。在催化劑的催化作用下，NH3與NOx通過一系列化學反應生成無污染無害的N2和H2O。其主要的化學反應如下：

由于柴油機NOx排放中NO占據了90%以上，因而在NOx的催化還原反應中化學反應（2）是主要的反應，被稱為標準SCR反應。反應（3）在低溫條件下的反應速率是標準SCR反應的17倍，稱為快速SCR反應。反應（4）的反應速率比標準反應低，故稱為慢速SCR反應[3]。

3 DCU控制策略

SCR技術應用于柴油機排放控制時，尿素溶液噴射量的控制尤為重要，控制不好易引起轉化效率不高、氨氣泄漏等一系列問題，因而要制定合理的控制策略。

SCR的電子控制單元DCU通過傳感器實時了解SCR系統的狀態，通過軟件計算實時精確控制各執行器的工作，從而實現對SCR系統的精確控制。

DCU穩態控制策略：DCU根據發動機的轉速、扭矩查詢發動機原機排放MAP圖和NOx排放MAP圖，通過計算得到穩態下尿素溶液的基本需求量；然后根據發動機的轉速、扭矩查詢NOx轉化率MAP圖，根據轉速、扭矩和排氣溫度查詢溫度修正系數MAP圖；通過查詢到的轉化率和溫度修正系數對尿素溶液的基本需求量進行修正，最終得到尿素溶液的實際需求量。

3.1 MAP圖的存儲

要制定合理的控制策略，需要掌握發動機原機排放的MAP圖，因此需要對發動機原機做試驗。試驗所選工況點的轉速從800 r/min到2200 r/min，步長100 r/min；扭矩為各轉速點最大扭矩的0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。 同時記錄發動機原機排氣流量、NOx濃度、NOx轉化率、催化器溫度等數據。

將試驗測得的數據存儲到DCU，試驗點之間的點采用網格節點插值的方法確定。網格節點插值即雙線性插值，是用兩次線性插值對二維函數的數據表格做插值，如圖1所示。

圖1所選G點的數值計算過程為：

式中，A為G點的油門開度[4]。

3.2 尿素溶液基本需求量的計算

尿素溶液基本需求量的計算過程為：

根據發動機原機排放的NOx體積濃度和排氣流量計算出NOx質量流量mNOx：

式中，mNOx的單位為kg/h；m為排氣質量流量，單位為kg/h；N為排氣摩爾質量，其值為29 kg/kmol；fNOx為NOx體積濃度，單位為mg/L；NNOx為NOx摩爾質量，其值為46 kg/kmol。

NH3的需求量為：

式中，mNH3為NH3的理論需求量，單位為kg/h；n1為化學計量因子，理想狀態下1 mol的NH3和1 mol的NOx正好完全反應，但是在實際計算中將NOx的摩爾質量等效為NO2的摩爾質量，即17 g的NH3與46 g的NOx完全反應，從而得到n1為0.37。

尿素的基本需求量為：

式中，M的單位為kg/h；n2為NH3與尿素溶液需求量的質量轉換因子，其值為5.425。

由公式（8）、（9）、（10）聯立可得[5]：

3.3 尿素噴射量的修正

尿素溶液噴射量的控制可以分為穩態工況下的修正和瞬態工況下的修正兩種。

3.3.1 穩態修正

穩態修正是根據發動機的NOx轉化率對尿素溶液基本噴射量進行修正。由于發動機的NOx轉化率不可能為100%，其值在發動機不同工況下也不同，因此要想得到更精確的尿素溶液需求量、更好的控制NOx排放以滿足排放法規，就需要在計算尿素溶液需求量的過程中加以修正。

穩態工況下尿素溶液的精確需求量為：

式中，C為NOx轉化率。

試驗得到NOx轉化率MAP圖，如圖2所示。

3.3.2 瞬態修正

在穩態工況中只考慮了發動機系統各參數如轉速、扭矩、催化器溫度等均達到穩定的情形，但是發動機在過渡過程中具有不確定性，當負載突增或突減時，排氣溫度會發生變化。

發動機從高排溫工況到低排溫工況的過程中，排氣溫度從前一工況的高溫變為當前工況的低溫，而由于催化器的溫度阻尼作用，其床體溫度并非很快降低到當前的低溫狀態，而是逐漸趨近當前溫度。因而降溫過程中的溫度要比當前工況的溫度高，NOx轉化效率也大于當前工況下的轉化效率，所以需多噴一定量的尿素以提高NOx實際的轉化效率。此時的降溫修正系數大于1，即在當前工況的尿素噴射量基礎上增加額外的噴射量。

發動機從低排溫工況到高排溫工況的排氣升溫過程中，催化器的床體溫度由前一工況的低溫逐漸上升到當前溫度，此過程中的NOx轉化效率要小于當前工況下的轉化效率，所以此時需要減少尿素噴射量。升溫修正系數小于1，即在當前工況的尿素噴射量基礎上減去一定量的噴射量[6]。

因此，需要在穩態控制的基礎上對尿素溶液的噴射量進行瞬態修正。為得到各工況瞬態修正系數而進行以下試驗：選取從800 r/min到2200 r/min、步長為200 r/min的各轉速點，按0%-100%-0%、25%-100%-25%、50%-100%-50%、75%-100%-75%的規律改變發動機負荷，并實時記錄排氣溫度、發動機轉速、循環油量、NOx排放濃度等數據，根據以上試驗測得的數據計算修正系數。圖3為瞬態修正系數MAP圖。

4 DCU控制策略試驗驗證

基于以上所設計的DCU控制策略，在某發動機臺架上進行ESC和ETC試驗驗證。試驗用發動機為某型號直列六缸四沖程高壓共軌柴油機，其額定轉速為2200 r/min，最大輸出轉矩為1030 N·m。表1所列為ESC試驗中13個工況點的相關信息。

表1 ESC工況點

圖4為ESC測試循環中SCR系統是、否工作時發動機排氣中NOx濃度的對比圖。由圖4可知，安裝SCR系統后NOx濃度大大降低。表2為ESC和ETC試驗的測試排放值，由表2可知設計的DCU控制策略能夠控制NOx的排放，滿足法規要求。

表2 測試循環排放值 g/（kW·h）

5 結束語

對SCR電子控制單元DCU的控制進行了研究：制定了DCU控制策略；采用插值計算的方法對MAP圖進行了儲存，并對尿素溶液的需求量進行了NOx轉化率和溫度修正系數方面的修正；最后通過試驗驗證了控制策略的正確性。

1 Hirata K，Masaki N，Ueno H.Development of Urea-SCR System for Heavy-duty Commercial Vehicles.SAE Paper，2005，1，1860.

2 劉軍，吳碩開，何國國，等.SCR控制策略的研究.拖拉機與農用運輸車，2010，37（3）：34～36.

3 王洪榮，王永富，歐祖方.SCR控制策略研究.汽車工程學報，2011，1（3）：204～209.

4 邱愛保.多元函數插值探討.宜春學院學報，2007，29（4）：32～33.

5 楊虎.柴油機SCR電控系統的開發及試驗研究：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2011.

6 胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機尿素SCR后處理系統的控制策略研究.內燃機工程，2011，32（2）：1～5.