基于模型的SCR 系統還原劑供給量自適應控制

王天田 ，李天羿，胡 杰，王 智

(1.華東交通大學 載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌 330013；2.江鈴汽車股份有限公司動力總成研究院，江西 南昌 330052；3.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070；4.李斯特技術中心(上海)有限公司，上海 200126)

為應對歐Ⅵ/國Ⅵ法規對氮氧化物(NOx)排放的嚴格要求，目前道路用途的重型柴油機均采用選擇性催化還原(SCR)系統，主流控制策略為閉環控制策略，其閉環控制目標可通過基于脈譜(MAP)和基于模型兩種方式實現[1-4]，基于MAP 的尿素噴射控制策略控制器結構設計思路簡單、開發難度低，但瞬態控制效果較差，控制精度會隨著系統老化而降低，同時給車載故障診斷(OBD)帶來嚴峻的挑戰[5].面對更為嚴格的排放法規及OBD 監控需求升級背景，基于模型的控制策略和OBD 策略得到了快速發展.Hommen等[3]和石秀勇等[4]在考慮了氨(NH3)泄漏引起的NOx傳感器交叉敏感特性條件下，建立了基于模型的SCR閉環控制策略.Vitale 等[6]設計了基于模型的OBD策略及其標定策略，并得到了成功應用.Qiu 等[7]將重型柴油機的燃油噴射系統與SCR 系統的控制系統綜合考慮，開發了基于模型的閉環控制策略和OBD策略.Wang 等[8]提出了一種基于模型的OBD 策略，當OBD 系統診斷出尿素噴射系統存在故障時，噴射控制單元(DCU)會調整控制策略以修正這一故障帶來的影響.在SCR 系統熱力學模型、化學反應動力學模型和儲氨預測等方面的研究[9-11]已成功運用于實際的還原劑噴射控制策略中，模型適應性強且能取得很好地排放控制效果與狀態預估效果.

國Ⅵ階段SCR 技術對還原劑供給量的控制目標是：在冷態與熱態全球統一瞬態試驗循環(WHTC)的大部分工況下，使NOx排放污染物的轉化效率大于一定閾值，并且NH3泄漏平均值控制在10×10-6以下.為了實現精確的還原劑供給量控制，除了要求DCU 擁有強大的運算能力和精確的模型外，還需要依賴實時且準確的傳感器信號輸入、精確可靠的還原劑供給機構執行和穩健良好的催化劑反應性能等基礎硬件條件，一旦這些基礎條件發生偏移，則勢必要進行相應的修正，才能重新實現還原劑供給量的精確控制.筆者針對此應用背景，開發了一種基于模型的SCR 系統還原劑供給量自適應修正方法.

1 研究目標

圖1 為國Ⅵ后處理系統.由柴油機氧化催化劑(DOC)、柴油機顆粒捕集器(DPF)及SCR 系統組成，其中SCR 系統為尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)，使用添藍(AdBlue)還原排氣中的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、尿素噴嘴、尿素罐總成、DCU、SCR 催化器上游溫度傳感器、SCR 催化器下游溫度傳感器、SCR催化器上游NOx體積分數傳感器、SCR 催化器下游NOx體積分數傳感器、尿素液位傳感器、尿素溫度傳感器和尿素品質傳感器等組成.圖中寬實線箭頭表示還原劑流動方向，虛線箭頭表示排氣流動方向，細實線箭頭表示信號方向.

圖1 后處理系統構成示意Fig.1 Layout of after-treatment system

傳統的還原劑供給量自適應修正方法或基于下游NOx傳感器的體積分數測量值和預期目標值的偏差，或基于下游NOx傳感器體積分數測量值和上游NOx體積分數值計算的轉化效率值和預期目標轉化效率的偏差，均無法擺脫對下游NOx傳感器的高度依賴，而NOx傳感器的信號的精度和其對NH3交叉敏感的特性均會對這一自適應修正過程產生難以評估和測量的影響[3,12-13].針對此問題，通過建立SCR 系統工作過程模型，使用模型輸出值(包括催化劑出口溫度、各個催化劑單元的名義溫度、催化劑的氨覆蓋度、下游NO2體積分數、下游NO 體積分數、下游NH3體積分數和下游N2O 體積分數等)作為系統自適應修正功能的計算依據，大大降低了控制系統對物理傳感器的依賴，相較于僅依靠傳感器測量值實施的自適應控制策略更為穩健可靠.

2 SCR系統模型

2.1 SCR系統的熱力學過程

SCR 系統的熱力學過程主要包括：(1)排氣與催化劑間的對流換熱；(2)催化劑沿氣流方向的熱傳導；(3)催化器殼體對外界環境的熱輻射.為了通過數學方程對催化轉化系統的熱力學過程進行描述，進行假設是：(1)噴射的尿素溶液在進入SCR 催化劑單元之前已和排氣混合均勻，兩者已經充分換熱；(2)不考慮排氣經過催化劑前/后溫度和壓力變化導致的密度變化；(3)一維模型，參數僅沿氣體流動方向(x 軸正方向)變化；(4)排氣在Urea-SCR 系統內的流動為理想氣體的均勻和不可壓縮流動.

2.1.1 排氣與催化劑間的對流換熱

單位時間內排氣與催化劑間對流換熱量

式中：h 為對流換熱的表面換熱系數；TEG為排氣溫度；TC為催化劑溫度；AH-T為催化劑能夠與排氣接觸的所有表面積.

忽略排氣被催化劑橫截面所阻擋的面積后AH-T可表示為

式中：SCat為催化劑單位可流通氣體體積內的催化劑內表面積；ε為催化劑的孔隙率；rC為催化劑橫截面半徑；LC為催化劑長度.

2.1.2 催化劑沿氣流方向的熱傳導

催化劑沿氣流方向的導熱量可通過Fourier 定律進行描述，單位時間內催化劑沿氣流方向的熱傳導熱量ΦC為

式中：λc為導熱系數.

2.1.3 催化器殼體對外界環境的熱輻射

忽略催化器殼體的壁厚，催化器殼體對外界環境的有效輻射面積 ARad為

依據輻射放熱的Stefan-Boltzmann 定律得

式中：ΦCW-amb為催化器殼體對大氣環境的輻射換熱量；σSB為斯-波常量，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)；εRad為物體的表面發射率，量綱為1；Tamb為環境溫度.

2.1.4 熱力學過程的偏微分方程描述

將Urea-SCR 系統催化器作為開口系統，由能量守恒可知系統特征有：進入系統的排氣的熱量Φin等于隨排氣帶走的熱量Φout、排氣通過對流換熱和催化劑交換的熱量ΦC及SCR 系統內發生的化學反應吸放熱ΦCh之和，即

對于Φin由于排氣在催化劑內部受到空間容積的限制，其在熱力學變化過程中遵循定容變化規律，計算Φin時需要使用排氣的定容比熱容；對于Φout當排氣流出催化劑時，由于氣體的流通截面積突然擴張，此時定容規律不再滿足，應該采用定壓比熱容對換熱過程進行計算.因而用dt 表示微元時間、dx 表示微元長度，通過偏微分方程描述排氣的能量變化率為

式中：cv,EG為排氣的定容比熱容；cp,EG為排氣的定壓比熱容；ρEG為排氣密度；Afr為催化劑載體前端面積；mEG為排氣質量流量；Δ hi為第i 類化學反應導致的能量變化；ri為第i 類化學反應的反應速率.

催化劑的能量變化由自身的熱傳導、催化劑和排氣的對流換熱及催化劑外表面向環境的輻射放熱，因而描述催化劑單元中的熱能變化率的偏微分方程為

式中：cp,C為催化劑載體的定壓比熱容.

2.2 SCR系統的化學反應動力學過程

通過偏微分方程對催化轉化系統的化學反應動力學過程進行描述，基于假設是：(1)催化轉化系統為一維模型，排氣的溫度和各組分體積分數等參數僅沿排氣流動方向(x 軸正向)變化；(2)排氣為均勻、不可壓縮的理想氣體；(3)不考慮涂覆物的擴散，催化劑的涂層厚度只有3.5μm，涂覆物的擴散比吸附和脫附過程都快；(4)不考慮排氣中的H2O 和O2體積分數變化對反應的影響；(5)不考慮NOx吸附對反應的影響，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約為20 kJ/mol，因而NH3的吸附反應是限制NOx去除(DeNOx)能力的主要反應.

2.2.1 主要化學反應及反應速率

Urea-SCR 系統發生的主要化學反應見表1，除此以外模型還包括一些特殊條件下會發生的副反應，如高溫條件下NH3被O2或NO2氧化而生成N2O 等.

表1 Urea-SCR系統主要化學反應Tab.1 List of major chemical reactions in urea-SCR system

尿素的分解反應為均相反應，其反應速率可以用典型的冪律方程[1,14]表達為

NH3的吸、脫附反應可通過方程(10)和(11)描述其反應速率[1,14].

SCR 總反應的反應速率[1,14]表達式為

NH3的直接氧化反應[1,14]為

式中：rUD、rAds、rDes、rSCR和rOx分別表示尿素分解反應、NH3的吸附反應、NH3的脫附反應、SCR 總反應和NH3的直接氧化反應的反應速率；K 為化學反應的指前因子，對于尿素水解反應其量綱為1、對于脫附反應和NH3的直接氧化反應其單位為1/s、對于SCR反應其單位為m2/(N·s)；E為化學反應發生所需的活化能；c為相應組分的摩爾質量濃度；為NH3覆蓋率，量綱為1；Θ為最大儲氨量；Sc為1 mol表面活性原子所占的面積；αProb為吸附概率，量綱為1；R 為宇宙氣體常數；T 為溫度；為NH3的摩爾質量.

2.2.2 化學反應動力學過程的偏微分方程描述

根據質量守恒，分別對尿素、氣態NOx、氣態NH3和催化劑吸附的NH3體積分數變化為

式中：Rs,EG為排氣的氣體常數，取值為288 J/(kg·K)；pamb為環境壓力.

2.3 SCR工作過程建模

為了將描述不同狀態參數的偏微分方程轉化為常微分方程，圖2 所示沿氣流方向將催化劑劃分為若干個單元.假設單元內的成分是均勻且各向同性的，因而參數和物性變化僅在單元和單元之間發生.同時假設催化劑為理想的換熱單元，忽略SCR單元內部的熱傳導，因而熱傳導和對流換熱的時間為0，且排氣離開催化劑時的溫度和催化劑一致；此時可近似地在每個單元內用常微分方程替代偏微分方程進行計算.為使得模型的求解更加迅速，進一步做出假設：(1)噴射的尿素在進入第一個SCR 單元前就已經完全分解為氣態的NH3，不再考慮尿素分解所帶來的影響；(2)研究表明氣相狀態的組分在催化劑表面吸附的時間跨度比熱力學過程和NH3存儲過程低2 個數量級，即吸附可認為是瞬間完成的，因而對NO 和NH3體積分數變化這一動態過程的描述可以用靜態參數實現；(3)相較于熱力學過程的能量轉移，化學反應的吸、放熱量都很小，因而將其忽略.基于以上假設，排氣和催化劑的能量變化率可分別描述為

圖2 SCR單元劃分示意Fig.2 Model computational cells of SCR catalyst

為使方程描述更為簡單，定義參數為

式中：nCell表示單元數量.此時描述狀態參數的常微分方程為

儲NH3過程和熱力學過程相對緩慢，NOx和NH3體積分數的變化主要由NH3的吸附和SCR 反應導致，可簡化為狀態參數T 和的函數為

2.4 模型的參數化

通過進行不同的還原劑供給率條件下的負荷爬坡工況、全球統一穩態循環(WHSC)工況、WHTC 工況、非標準循環(WNTE)工況、穩態工況點的氨存儲與氨消耗試驗，采集試驗數據對模型各個部分的參數進行優化以匹配試驗結果，最終獲得的模型參數如表2～表4 所示.

表2 靜態參數的優化結果Tab.2 Optimization results for static parameters

表3 時間常數的優化結果Tab.3 Optimization results for time constants

表4 化學反應參數的優化結果Tab.4 Optimization results for reaction parameters

2.5 模型的驗證

運行冷態與熱態WHTC 循環驗證模型的預測效果，試驗結果如圖3～圖4 所示.可以看出模型對于溫度(圖3a)和NOx排放(圖3b)的預估達到了非常高的精度，基于模型的儲氨控制表現良好，尿素噴射開始后的一百多秒即可達到目標覆蓋度，并能夠在隨后的運行過程中始終維持在目標覆蓋度附近(圖3c).但對于NH3泄漏的預估較實際測試結果偏高(圖4)，應該是由于試驗過程中發生了模型沒有考慮的副反應額外消耗了NH3所造成.

圖3 SCR下游冷態與熱態WHTC循環溫度、NOx 排放和氨覆蓋度變化Fig.3 Variations of temperature，NOx emission and ammonia coverage in cold and hot WHTC cycle of SCR downstream

圖4 SCR下游冷態WHTC循環氨泄漏曲線Fig.4 NH3 slip in cold WHTC cycle of SCR downstream

3 基于模型的噴射量自適應修正

3.1 功能方案

自適應修正功能的方案設計如圖5 所示.功能執行步驟是：(1)當檢測到自適應功能的請求信號后，對自適應功能的釋放條件進行確認；(2)當自適應功能檢測到釋放條件滿足后停噴一段時間的還原劑，以清空催化劑儲氨；(3)當系統轉化效率下降到一定限值以后，使噴射系統處于固定氨氮比欠噴射狀態持續供應尿素溶液，用來排除NH3泄漏對NOx傳感器測量值的交叉干擾[15]；(4)在一段時間標定的時間內，借助位于SCR 系統上、下游的NOx傳感器獲得兩處的NOx體積分數測量值，通過積分得到這段時間內的實際平均轉化效率；(5)在相同的這段時間內，記錄位于SCR 系統上游的NOx傳感器測量值和模型計算的SCR 系統下游NOx體積分數值，通過積分得到這段時間內的模型平均轉化效率；(6)通過對實際平均轉化效率和模型平均轉化效率的對比計算，從而獲得還原劑供給量的修正系數；(7)將計算得到的修正系數乘以目標還原劑供給量，實現還原劑噴射量在系統排放狀態異常情況下的自適應調整.

圖5 還原劑供給量自適應修正流程Fig.5 Correction process of reductant supply adaptation

3.2 自適應功能的請求條件

還原劑的加注事件和系統出現異常的事件在統計學角度上幾乎不可能連續發生，故這一自適應修正動作也不應該頻繁觸發.因此，設計了圖6 所示的還原劑供給量自適應功能的請求策略，自適應功能主要通過以下兩類條件來請求.

圖6 還原劑供給量自適應功能的請求狀態位使能條件Fig.6 Request of reductant supply adaptation special maneuver

3.2.1 A 類條件(正常工作條件下條件計數器超過一定限值)

當發動機啟動后，發動機當次運行時間計時器開始工作，一旦發動機當次運行時間超過設定值，則觸發條件計數器A，同時該發動機當次運行時間計時器置零，直至下一次發動機點火信號到來后再次開始計時；條件計數器A 的自增條件可通過開關選擇某種或同時復用，即(1)當發動機轉速超過一定限值(一般設定為怠速以上100～200 r/min)且傳感器計算得到的DeNOx效率高于一定限值(一般設定為20%以上即可，表明SCR 系統已經結束冷機等待狀態并開始正常工作)后的累計工作時間；(2)當SCR系統開始噴射還原劑后，累計噴入系統的還原劑質量超過一定限值.

3.2.2 B 類條件(檢測到系統轉化效率或者排放存在異常)

OBD 系統通過將上、下游NOx傳感器計算得到NOx的轉化效率與模型預估得到的NOx轉化效率進行比較，如果兩個效率的偏差超過一定比例，則認為系統存在NOx排放超標或者NH3排放超標風險，此時將首先觸發NH3泄漏監測功能，該功能用于區分排放超標是由于NOx泄漏還是由于NH3泄漏導致，NH3泄漏監測功能完成后，將自動請求自適應功能以盡快消除NOx泄漏或者NH3泄漏可能帶來的排放超標風險.

3.3 自適應功能的觸發條件

當控制系統發出自適應功能請求后，功能的觸發條件判斷模塊將開始工作，判斷當前的發動機后處理運行工況條件是否適合運行自適應功能.自適應功能觸發模塊的使能條件設置原則為：(1)在SCR 加熱狀態、DPF 再生狀態下不得啟動自適應功能，此時噴油狀態異常，排氣中的HC 比例較高，會對還原劑的理論消耗量計算帶來影響；(2)自適應功能需要工作在SCR 催化劑性能穩定的溫度區間和空速區間，該區間范圍的選擇需要依據已有的發動機全脈譜工況的測試結果確定；(3)由于自適應功能會對法規排放循環的NOx排放結果帶來影響，且在OBD 預處理循環中完成自適應調整，可以降低OBD 報警的尿素質量分數限值，有助于增加系統工作的魯棒性.因此，推薦通過工況區間(發動機轉速、噴油量、排氣溫度和上游NOx體積分數等)的標定使得自適應功能必然能夠在WHTC 循環觸發并完成計算.

3.4 自適應功能的狀態定義與狀態切換

自適應控制功能共有5 個狀態，在某次WHTC循環狀態變化過程如圖7a 所示.狀態0 為閉環噴射控制狀態，正常情況下的SCR 噴射控制系統即處于狀態0，當滿足3.2 節中提及的相關請求條件后，系統將發出NH3供給量的自適應控制功能的請求信息，此時系統進入狀態1，狀態1 為自適應控制功能已被請求狀態.進入狀態1 以后，系統將持續對3.3節中的自適應功能觸發條件進行判斷，一旦上述條件都滿足后，系統將進入狀態2，但進入狀態2 之前SCR 噴射控制系統仍處于正常的閉環控制狀態.狀態2 為自適應控制功能觸發條件已滿足狀態.進入狀態2 后，控制系統將觸發尿素停噴動作以清空催化劑載體上的儲氨，當通過上、下游NOx傳感器實測值算得的轉化效率(圖7b 藍色曲線所示)和模型算得的轉化效率(圖7b 橙色所示)都低于標定限值后，狀態2 完成，基于SCR 催化器儲氨特性和轉化效率的對應關系，此時可以認為催化器內部的儲氨基本已經被完全消除，系統進入狀態3，狀態3 為系統的狀態穩定期.進入狀態3 后，系統開始以某一固定的比例(一般選擇0.7 左右的供給率使其處于一定比例的欠噴射狀態，以排除NH3泄漏對NOx傳感器測量值的交叉干擾)噴射還原劑，SCR 催化系統通常需要一定的時間適應噴射量從無到有的動態過程，經過這一段等待系統狀態穩定的過程后，SCR 系統的轉化效率一致性表現將更為優異，為后期進行修正因子的計算奠定良好的環境基礎.固定比例的欠噴射狀態持續一段時間后上述2 個效率曲線會逐漸趨于穩定，此時狀態3 宣告結束，開始進入狀態4，狀態4 為修正因子計算階段，用來計算NH3的噴射偏差.當2 個效率相對穩定后，如果系統存在問題則其會產生相對固定的偏差，系統將首先通過模型轉化效率計算得到累計消耗的NH3(此為系統正常狀態下按照當前供給系數所應該消耗的NH3累計值，如圖7c 中藍色實線所示)，然后通過上、下游NOx傳感器實際測量得到的結果，運用化學反應計量關系換算得到實際反應過程中累計消耗的NH3(由系統當前狀態下的實際反應能力所決定如圖7c 中紅色曲線所示)，通過上面兩個累計值算出具體的比例偏差后，再通過偏差-修正關系曲線得到最終需要引入還原劑供給系統的修正因子，并將其應用到噴射控制中以修正最終噴射量，如圖7d 所示.狀態4 完成后，系統將重新回到狀態0.

圖7 自適應功能狀態流程示意Fig.7 Principle of NH3 adaptation function

3.5 修正因子的計算

SCR 下游NOx體積分數的模型計算值、排氣質量流量、NH3的摩爾質量和上游NOx體積分數值作為NH3質量流量計算模塊(模型計算)的輸入，經過積分后，得到積分周期內通過模型值計算的SCR 反應累計NH3消耗質量；SCR 下游NOx體積分數的傳感器測量值、排氣質量流量、NH3的摩爾質量和上游NOx體積分數值作為NH3質量流量計算模塊(傳感器值計算)的輸入，經過積分后得到積分周期內通過傳感器值計算的SCR 反應累計消耗NH3質量.

通過將模型值計算得到的SCR 反應累計消耗NH3質量與傳感器值計算得到的SCR 反應累計消耗NH3質量比較，可獲得NH3消耗的比例偏差.計算得到NH3消耗比例偏差后，再通過偏差-修正關系曲線得到最終需要引入還原劑供給系統的修正因子，將修正因子應用到噴射控制中以修正最終噴射量.為了避免在實際工作場景下由于某些特殊情況出現計算偏差導致的過度修正情況，引入修正曲線.典型的修正曲線如圖8 所示，當模型計算的偏差為20%時，系統將只會引入一半的修正量(10%)，如果系統工作狀態與正常狀態仍舊存在較大的差異，則會觸發下一次自適應修正，通過多步修正實現最終的修正目標，由于每次計算遇到的工況和車輛使用條件不可能完全一致，隨機誤差會在功能的多次計算過程中相互抵消，故通過此舉可在很大程度上消除計算偏差的影響.

圖8 效率的原始偏離程度與絕對修正因子對應關系Fig.8 Ratio to absolute correction factor relationship curve

3.6 自適應功能對排放的影響

由于在進行修正因子的計算過程中會觸發還原劑的停噴和欠噴射，從而影響最終的排放結果，因而在排放認證時需向主管部門說明，如有必要則需引入相應的KI 系數對法規排放循環的測試結果進行修正后再行申報.考慮到這一過程排放增加可能帶來的在用符合性風險，在進行功能請求條件設計時需要考慮其觸發間隔周期(設計為累計消耗完一箱尿素溶液后才觸發一次自適應功能的請求)尿素箱設計容積與油箱容積相匹配，平均需要消耗兩箱燃油才會消耗一箱尿素，所釋放的功率約為1 400 kW·h.同時，以項目過程中的多次試驗的結果作為參考，當使用標準質量分數的尿素溶液時，如果在熱態WHTC 循環中自適應功能觸發并完成，則轉化效率平均會由99.5%左右降低至92.5%左右.按照發動機WHTC 循環功平均為17.6 kW·h、NOx原排平均為4.7 g/(kW·h)來計算，單次觸發導致的NOx質量排放增加量約為5.8 g.在一次自適應功能請求間隔內，該功能的運行對NOx排放的平均貢獻約為4.1 mg/(kW·h)，相對于該發動機后處理系統WHTC 循環綜合排放均值(260 mg/(kW·h))僅占很小一部分，且可以通過延長請求間隔進一步降低影響.

4 試驗驗證

為驗證自適應功能是否能準確補償系統偏差帶來的影響，將SCR 工作過程模型、氨泄漏監控策略以及自適應控制策略等嵌入BOSCH 的MD1 平臺，利用ECU 已有的發動機控制策略與傳感器、執行器信號處理與控制策略，通過使用定比例稀釋后的標準AdBlue 溶液在發動機后處理試驗臺架上運行WHTC排放循環，查看自適應修正因子的變化以確認修正效果.測試發動機的規格如表5 所示，其后處理系統由DOC+DPF+SCR+ASC 組成，試驗的發動機后處理系統臺架如圖9 所示.

圖9 發動機后處理系統測試臺架Fig.9 Glance of test bench of after-treatment system

表5 測試發動機參數Tab.5 Engine specifications

自適應控制功能會對基礎噴射量按比例進行修正，當使用質量分數過低的還原劑導致自適應功能觸發后會造成尾管排放在短時間內處于不穩定狀態，如果在標準的OBD 循環中觸發自適應功能，則排放必須在6 個WHTC 循環(即預處理循環數)內穩定才能滿足法規要求，所以需要對自適應功能的響應性能進行驗證.設計試驗步驟是：(1)使用標準質量分數的尿素溶液，調整自適應功能的釋放時間使得每個WHTC 循環都可以釋放該功能，運行連續的WHTC循環，記錄下每次自適應功能完成后的修正因子值，以確認該功能在正常狀態下的穩定性；(2)調制確定質量分數的稀釋尿素，按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸餾水進行調制，調制后的尿素溶液質量分數約為27%；(3)更換稀釋的尿素溶液后，先將噴嘴移出后處理系統，手動調到最大噴射量噴射3 min，目的是清洗原尿素管路；(4)切換到閉環自適應控制模式，連續運行6 個WHTC 循環，觀察排放結果是否穩定并記錄下每次自適應功能完成后的修正因子；(5)換回標準質量分數的尿素溶液，連續運行WHTC 循環，記錄下每次自適應功能完成后的修正因子值，以確認該功能能夠迅速恢復基準修正因子.

對應步驟1，在使用標準質量分數尿素溶液的條件下，通過人為觸發自適應修正功能，連續運行18次WHTC 循環驗證修正因子的計算精度.其中某次WHTC 循環過程中自適應功能的運行過程如圖10 所示，通過模型值和傳感器反饋值對NH3的累計消耗量進行計算的過程數據如圖11 所示.18 次循環的總體測試結果如表6 所示，前15 次計算均未出現偏差，僅在后3 次出現了非常小的計算偏差，最大誤差僅為1.1%，表明該功能在系統正常狀態下計算準確、穩定性高，幾乎不會帶來誤修正風險.

圖10 WHTC循環中的自適應功能狀態參數變化Fig.10 Adaptation function status parameter in WHTC

圖11 WHTC循環中的NH3累計消耗量計算過程Fig.11 Calculation of NH3 consumption in WHTC

表6 標準尿素溶液18個WHTC循環測試結果Tab.6 Test results of 18 WHTC cycles with standard AdBlue

對應步驟2～4，切換稀釋尿素溶液后的6 個WHTC 循環測試結果如表7 所示，表明該功能在系統異常狀態下能夠準確計算出合理的噴射量修正系數.稀釋尿素按照5 L AdBlue 加入1 L 蒸餾水進行調制，由于尿素溶液和蒸餾水的密度差異不大，因而理論上的噴射量修正系數應該在1.2 左右，6 次WHTC循環結束后的模型計算得到的修正系數為1.199，與理論修正系數一致.

對應步驟5，再次換回標準尿素溶液后的6 個WHTC 循環測試結果如表7 所示，表明該自適應功能對噴射量的調整非常迅速且能很快收斂，換回標準尿素溶液的第2 次修正就已經基本修正到了目標值的5%偏差范圍(目標值為1.000，實際計算值為1.051)，在3 次修正結束后認為已經完全實現修正目標.

表7 使用稀釋尿素和換回標準尿素的WHTC循環測試結果Tab.7 Test results of WHTC cycles with diluted AdBlue and standard AdBlue

5 結論

(1) 面對超低排放要求的SCR+ASC 后處理系統需要更為精細的尿素噴射控制和對系統內部狀態的準確預估，基于模型的SCR+ASC 系統閉環控制策略以模型輸出的各種狀態參數(如SCR 下游NOx、SCR 下游NH3及SCR 催化器表面覆蓋度等)作為控制依據，能實時獲知并控制系統內部的工作過程，實現對SCR+ASC 系統的精細控制.

(2) 基于模型的還原劑供給量自適應方法能夠保證控制系統始終能夠適應催化劑老化程度、還原劑質量分數及供給單元供給精度變化所帶來的影響，配合基于目標覆蓋度的閉環控制策略，可以使得SCR系統處于最佳的還原劑供給控制狀態，實現降低NOx排放和NH3排放的目標.

(3) 自適應功能觸發使SCR 系統轉化效率造成影響，以多次試驗的結果來看，當使用標準質量分數的尿素溶液時，在WHTC循環中自適應功能觸發并完成，則轉化效率會由約99.5%降低至約92.5%；但該功能的運行在一次自適應功能請求間隔內對NOx排放的平均貢獻僅為4.1 mg/(kW·h)；在排放認證時需向主管部門說明此情況，并在必要時引入KI 系數.

(4) 開發的自適應功能能夠在WHTC 循環后段準確觸發并完成計算，通過標準尿素、稀釋尿素的多次WHTC 循環驗證結果來看，該功能表現穩定，修正精準能在較少的觸發次數下完成修正目標.