基于MATLAB的SCR轉化效率研究

仝玉華 王金平

（濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261061）

柴油機以其良好的動力性和經濟性，在重型車中得到廣泛應用，但柴油中的多環芳烴在高溫富氧的條件下燃燒將生成 NOx，而NOx 對人眼睛和上呼吸道有刺激性傷害，吸入較多會對肺部嚴重損害，甚至引起肺水腫[1]。為減少環境污染，滿足排放法規要求，經過幾十年探索和積累，柴油機燃燒控制技術取得巨大進步。如今，減少柴油機排氣污染物的技術可分為兩大類：機內凈化技術和排氣后處理技術。排氣后處理技術在發動機外運用選擇性還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技術向排氣管中噴射濃度為32.5%的尿素溶液，來還原排氣中的NOx,生成無害的氮氣和水。排氣后處理技術由于經濟性好，技術可延續性強，并且機械結構相對簡單，在降低尾氣NOx 中得到廣泛應用[2]。采用SCR 技術能有效控制NOx排放水平，而SCR 自身劣化，或受到意外損壞，會對NOx 的轉化效率產生很大影響。若要有效降低尾氣中的NOx，需要保證SCR催化劑的轉化效率，因此SCR 控制中需要考慮對SCR 轉化效率的監控。環保部于2008年6月發布標準HJ437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷（OBD）系統技術要求》，明確指出應監測針對NOx 排放的催化轉化器效率下降的情況，從而避免由于催化器的失效造成NOx 過量排放[3]。

1 SCR轉化效率的監控方法

由于SCR 的作用是轉化NOx，因此其效率監控最有效的方法是監控NOx 的含量，通過安裝上下游NOx 傳感器可以實現對上下游NOX 含量的監控，從而計算出NOX 的轉化效率。

為節約成本，在滿足國四、國五排放的產品級發動機配置中一般只安裝下游NOx 傳感器，上游NOx 的質量流量通過原排MAP標定的方法實現。通過對上游標定的NOx 濃度及下游NOX 傳感器測得的NOx 濃度分別積分，可以計算出SCR 上、下游的NOx 質量，從而計算出SCR 系統的實際轉化效率。

由于排氣溫度會影響SCR 系統內的液滴分布和催化劑入口還原劑分布，進而對NOx 轉化效率產生重要影響[4]，因此可通過排氣溫度與廢氣質量流量來標定SCR 的轉化限值效率，由限值效率和上游NOx 質量流量可以計算出相應的下游NOx 質量流量，進而計算出SCR 的理論轉化效率閾值。

如果SCR 實際轉化效率低于理論轉化閾值，則表明SCR 系統的轉化效率過低，報出效率過低的相關故障，啟動故障反饋機制。

2 SCR效率監控實現

2.1 SCR效率監控原理

SCR 實際轉化效率計算公式為：

SCR 理論轉化效率計算公式為：

其中，Eat限值由排溫和廢氣質量流量查MAP 得到。

當SCR 轉化效率監控條件滿足時，將實際轉化效率Eat實際與閾值轉化效率Eat閾值進行比較，若Eat實際高于Eat閾值，表明SCR 系統的轉化效率滿足需求，若Eat實際低于限值Eat閾值，則表明SCR 系統的轉化效率過低。

2.2 SCR效率監控框架

SCR 催效率監控主要包括三部分：效率監控使能條件、效率計算和效率監控故障DFC（Diagnostic Fault Check）處理模塊。如圖1所示。

SCR 效率監控條件主要包括效率監控的使能和復位條件以及效率監控的計算窗口。只有當放行條件滿足時，才可進行SCR 效率的監控。放行條件主要根據NOx 傳感器的工作狀態、環境壓力、環境溫度、發動機轉速、排溫和上游NOx 質量流量等情況來判斷，比如，只有當下游NOX 信號可信時，讀取的下游NOx 濃度才是有效的，此時計算的效率監控才是可信的。

SCR 效率計算模塊主要包括：效率計算狀態跳轉協調器、轉化效率限值計算和最終效率的計算。效率計算狀態跳轉協調器由開始狀態、預積分狀態、主積分狀態、效率計算狀態和復位狀態組成，其中如果預積分過程中退出檢測，則積分值不會保留，預積分和主積分一起使用才有效果，進入主積分后預積分的積分值會保留，本部分主要完成效率計算各個狀態的協調工作。

SCR 效率監控DFC 故障處理模塊主要用來報出相應的故障狀態。

2.3 基于MATLAB/Simulink的SCR效率監控模型

MATLAB 是Mathworks 公司推出的一套高性能數值計算和可視化軟件；Simulink 是MATLAB 軟件的擴展，是實現動態系統建模和仿真的一個軟件包[5]。根據公式（1）（2）搭建的SCR 實際轉化效率及SCR 理論轉化效率模型分別如圖2、圖3所示。

3 SCR轉化效率監控仿真效果

在SCR 效率診斷中，為避免單個點及偶然因素的的影響，在計算SCR 實際轉化效率Eat實際以及SCR 閾值轉化效率Eat閾值時，采用一段時間的平均值計算進行比較。

SCR 系統正常工作及尿素濃度正常時，仿真發動機試驗數據，SCR 效率轉化的實際值與閾值絕對誤差（實際值減去理論轉化閾值）如圖4所示。 可以看出，SCR 轉化效率的實際值一直高于閾值，不會報出故障狀態。

如果SCR 系統不能正常工作或尿素濃度太小，實際轉化效率過低，則SCR 轉化效率可能會低于閾值，此時需要報出SCR 轉化效率過低的故障。

為驗證SCR 轉化效率監控策略，將尿素兌水稀釋尿素濃度，模擬故障狀態。將此時采集的下游NOx 濃度信號導入模型進行仿真，SCR 效率轉化的實際值與閾值絕對誤差（實際值減去理論轉化閾值）如圖5所示。從圖5可以看出平均SCR 轉化效率Eta 實際值低于閾值Eta 閾值。SCR 系統轉化效率過低的故障應當報出。

SCR 效率監控DFC 處理模塊結果如圖6所示。圖6中綠色線信號為效率監控的使能信號，使能信號為1 時，效率監控檢測放行。藍色線信號為SCR 效率過低狀態，當SCR 實際轉化效率低于閾值時，該信號為1。第3 個信號紅色線信號為效率監控故障報出的指示信號，其數值為0 表示無故障、為1 表示故障確認中，數值為2表示故障確認。

從圖6可以看出當SCR 實際轉化效率低于閾值時，SCR 效率過低狀態置1，經過一定次數的確認，SCR 轉化效率過低的DFC故障報出，啟動故障反饋機制，實現SCR 效率監控功能。

4 結束語

SCR 效率監控根據SCR 實際轉化效率與理論SCR 轉化效率閾值進行比較，從而判斷轉化效率是否過低。本文介紹了SCR 效率監控的基本原理，完成了基于MATLAB/simulink 的SCR 效率監控邏輯實現及仿真，并仿真了尿素濃度過低造成的SCR 效率轉化過低的故障狀態。從仿真及試驗結果機可以看出，本策略可以滿足SCR 效率監控功能要求。