基于MIL的SCR效率診斷方法

閆立冰，任憲豐，張軍，張娟，解同鵬

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司 電控研究院，山東 濰坊 261040

0 引言

柴油機具有動力性強、油耗低等優勢，在中重型車輛上得到廣泛的應用[1]。隨著我國對環境保護重視程度的增加，降低柴油機排放污染成為社會關注的焦點之一[2]。相對于廢氣再循環技術，選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術具有更好的燃油經濟性、排放標準繼承性等諸多優點[3-4]，因此我國商用車柴油機傾向于采用SCR技術滿足國四、國五排放標準。SCR技術應用的難點之一為如何保證車載自動診斷系統(on-board diagnostics，OBD)標定的精確性和穩定性[5-6]。國四和國五排放標準規定的NOx排放OBD 第一排放限值分別為5.0 g/(kW·h)和3.5 g/(kW·h)，OBD 第二排放限值均為7 g/(kW·h)[7-8]。SCR系統對NOx的轉化效率下降時，NOx排放增加。當NOx排放超過 OBD 第一排放限值時點亮發動機故障指示燈；當超過OBD第二排放限值時啟動扭矩限制器，發動機只能輸出60%的扭矩，影響發動機正常工作[9-10]。我國排放標準要求對SCR系統轉化NOx的效率進行監控。本文中針對國四排放標準實施初期市場上出現的誤報NOx排放超標(NOx排放超過第一、二限值)進行分析，并采用臺架標定與模型在環(model in the loop，MIL)離線仿真驗證相結合的方法解決SCR效率診斷問題，提供了一種解決SCR效率診斷的新思路。

1 SCR效率診斷原理分析及MIL模型

為了解決誤報SCR轉化效率低的問題，首先對SCR效率檢測的原理進行分析。

SCR平均實際轉化效率[11]

式中：qm,up為通過查表得到的各工況SCR上游 NOx排放的質量流量；Eset為各工況點設定轉換效率，SCR正常工作時，可認為各工況點的實際轉化效率和設定轉換效率相同。

OBD第一排放限值對應SCR轉化效率診斷(簡稱為SCR效率診斷1)的平均轉化效率限值[12]

式中Ethres1為各工況點的SCR效率診斷1的效率限值。

OBD第二排放限值對應SCR轉化率診斷(簡稱為SCR效率診斷2)的平均轉化效率限值

式中Ethres2為各工況點的SCR效率診斷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效率診斷模型3部分[13]，如圖1所示。SCR控制模型根據外部輸入信號計算NOx原排、設定轉換效率和需求尿素噴射量等信息；SCR物理模型真實反映SCR內部的化學動力學反應，根據輸入可計算SCR下游溫度、下游各氣體組分質量濃度等物理量；SCR效率診斷模型根據NOx原排和模型計算的SCR下游NOx排放信息對SCR效率進行診斷。

圖1 MIL模型架構圖

2 誤報NOx排放超標問題分析

2.1 設定轉化效率與效率限值交叉現象

采用市場路譜進行MIL離線仿真驗證，與實際路譜中各工況點的設定轉化效率及SCR效率診斷1、2的平均轉化效率限值進行對比，對比結果如圖2所示。

圖2 設定轉化效率和限值轉化效率對比

由圖2可知，實際工況中，多數工況下設定轉化效率小于E1，少數工況設定轉化效率大于E1，即發生了設定轉化效率和平均轉化效率限值相互交叉的現象；只有少數工況點設定轉化效率小于E2，SCR效率診斷2的診斷表現稍好。這與市場上反饋的NOx排放超過第一限值故障數量比超過第二限值故障多的情況相符合。設定轉化效率與SCR效率診斷1、2的平均轉化效率限值存在交叉是誤報NOx排放超標的主要原因。

2.2 NOx原排標定問題

基于上游NOx原排和下游NOx傳感器測量值進行SCR轉化效率診斷，上游NOx原排采用氣體分析儀進行標定，氣體分析儀和NOx傳感器測量存在偏差，最大偏差可達15%。SCR上、下游NOx測量源不一致，增加了誤報NOx排放超標的風險。

3 解決方案

為解決誤報NOx排放超標問題，需要精確計算SCR設定轉化效率和平均轉化效率限值。

3.1 設定轉化效率計算

因各個工況點的尿素噴射量已經過優化，借助MIL離線仿真解決誤報NOx排放超標問題的基本原則是保證各個工況點尿素噴射量在重新標定后與標定前沒有變化[14]。本文中用NH3代替尿素進行計算。

設定轉化效率與平均轉化效率限值計算原理如圖3所示。由圖3可知，SCR設定轉化效率由發動機轉速、噴油量、SCR下游溫度和廢氣質量流量4個變量決定；E1、E2由SCR下游溫度和廢氣質量流量2個變量決定。

圖3 設定與平均轉化效率限值計算原理

實際工況復雜多變，消除設定轉化效率和平均轉化效率限值的交叉現象對標定提出了很高的要求，也很難將所有的工況都考慮周全。本文中提出一種消除效率交叉現象的可行方法，將設定轉化效率的計算改為僅由SCR下游溫度和廢氣流量確定，與轉速和噴油量相關的效率map全標為1，即設定轉化效率map和平均轉化效率限值map均由SCR下游溫度和廢氣流量確定，原理如圖4所示。

圖4 解決效率交叉現象原理

NH3需求噴射量計算原理如圖5所示。由圖5可知，設定轉化效率可以由NH3的需求噴射量和SCR上游NOx流量反推出來，進而通過一定方法保證在離線標定后NH3需求噴射量不變的基礎上解決效率限值交叉問題。具體方法為：在基于NOx傳感器重新標定NOx原排的同時記錄每個工況點的SCR下游溫度、廢氣質量流量和NH3的需求噴射量，根據記錄的數據，按照圖5所示的NH3需求噴射量計算原理反推出各個工況點的理論設定轉化效率，之后根據記錄的各個工況點的SCR下游溫度、廢氣質量流量和反推出來的理論設定轉化效率，得到SCR下游溫度和廢氣質量流量的設定轉化效率map圖。

圖5 NH3需求噴射量計算原理

3.2 平均轉化效率限值計算

根據標定后的設定轉化效率可以計算出優化后SCR效率診斷1、2的平均轉化效率限值。

優化后SCR效率診斷1的平均轉化效率限值[15]

式中：Eset1為SCR效率診斷1的設定轉換效率，qm,Raw為歐洲瞬態循環(European transient cycle，ETC)發動機NOx原排質量流量，qm,Lve1為SCR效率診斷1的ETC循環在噴射兌水尿素情況下SCR下游NOx排放質量流量，qm,Nor1為SCR診斷1的ETC循環在正常噴射尿素情況下SCR下游NOx排放質量流量。

優化后SCR效率診斷2的平均轉化效率限值

式中：Eset2為SCR效率診斷2的設定轉換效率，qm,Lve2為SCR效率診斷2的ETC循環在噴射兌水尿素情況下SCR下游的NOx排放質量流量，qm,Nor2為SCR效率診斷2的ETC循環在正常噴射尿素情況下SCR下游的NOx排放質量流量。

4 效果驗證

4.1 MIL離線仿真驗證

將標定后的設定轉化效率、E1′、E2′及NOx原排數據更新到MIL模型中進行離線驗證，MIL模型輸入數據采用市場采集路譜。

4.1.1 優化前后NH3需求噴射量對比

優化前、后NH3需求噴射量對比結果如圖6所示。由圖6可知，標定前后NH3的需求噴射量基本一致，符合預期。

圖6 優化前、后NH3需求噴射量對比 圖7 優化后設定和平均轉化效率限值比較

4.1.2 優化前后設定轉化效率與轉化效率限值對比

優化后的設定轉化效率和平均轉化效率限值比較如圖7所示。由圖7可知，數據重新標定后，在實際路譜中設定轉化效率大于E1′、E2′，理論上消除了誤報NOx排放超標的可能性，且優化后設定轉換效率大于E2′的裕量更大。

4.1.3 優化前后SCR效率診斷1診斷情況對比

優化前、后SCR效率診斷1診斷情況對比如8、9所示，圖中故障狀態1代表故障確認過程中，故障狀態2代表故障確認。

由圖8可知，優化前進行多次檢測診斷，檢測過程實際效率低于平均轉化效率限值，經過多次連續檢測后報出故障，屬于誤報。由圖9可知，優化后故障未報出，實現優化。

a)檢測使能 b)效率狀態 c)故障狀態

a)檢測使能 b)效率狀態 c)故障狀態

4.1.4 優化前后SCR效率診斷2診斷情況對比

優化前、后SCR效率診斷2診斷對比如10、11所示，圖中故障狀態1代表故障確認過程中，故障狀態2代表故障確認。

由圖10可知，優化前，連續多次實際轉換效率低于平均轉化效率限值，報出故障。由圖11可知，數據優化后故障檢測次數減少，且檢測期間實際效率一直高于平均轉化效率限值，未報出故障。

a)檢測使能 b)效率狀態 c)故障狀態

a)檢測使能 b)效率狀態 c)故障狀態

4.2 臺架驗證

將經過MIL離線驗證的數據更新到車輛電子控制單元中，在試驗臺架上運行ETC工況，優化前、后NOx排放和需求尿素量對比結果如表1所示。

表1 優化前后ETC循環NOx排放和需求尿素量對比

由表1可知，優化后尿素需求噴射量比標定前減少26 g·(kW·h)-1，相應ETC循環NOx排放結果略有升高，但仍在合理范圍內，標定后未報出NOx排放超標故障。

5 結語

針對國四排放實施后市場出現的誤報NOx排放超標問題，基于MIL提出精確計算設定轉換效率和轉換效率限值的新方法。通過MIL離線驗證結果和臺架驗證結果對比可知，MIL離線仿真驗證與臺架標定相結合的方法有效解決了SCR效率診斷問題，不僅可以在一定程度上節省臺架資源，而且可以節約標定和驗證時間。