基于MATLAB的SCR转化效率研究

效率计算 状态跳转 协调器

转换效率 限值计算

SCR 效率计算

S C R 效率监控使

能及复位条件

S C R 效率监控计

算窗口

SCR 效率监控条件

基于M ATLAB 的S C R 转化效率研究

仝玉华王金平

(潍柴动力股份有限公司山东省潍坊市261061 )

摘要：本文研究了 S C R 转化效率监控的基本原理，基于M A T L A B /S i m u l i n k 进行策略实现与仿真测试，通过兑水后的尿素的试验数据 验证了监控策略的可行性，

关键词：M A T L A B ;转化效率；仿真测试

柴油机以其良好的动力性和经济性，在重型车中得到广泛应 用，但柴油中的多环芳烃在高温富氧的条件下燃烧将生成N O x ,而

N O x

对人眼睛和上呼吸道有刺激性伤害，吸入较多会对肺部严重损

害，甚至引起肺水肿[11。为减少环境污染，满足排放法规要求，经 过几十年探索和积累，柴油机燃烧控制技术取得巨大进步。如今， 减少柴油机排气污染物的技术可分为两大类：机内净化技术和排气

后处理技术。排气后处理技术在发动机外运用选择性还原（Selective Catalytic Reduction , S C R

)技术向排气管中喷射浓度为32.5%的尿

素溶液，来还原排气中的N O x ,生成无害的氮气和水。排气后处理 技术由于经济性好，技术可延续性强，并且机械结构相对简单，在 降低尾气N O x 中得到广泛应用|21。采用S C R 技术能有效控制N O x 排放水平，而S C R 自身劣化，或受到意外损坏，会对N O x 的转化 效率产生很大影响。若要有效降低尾气中的N O x ,需要保证S C R 催化剂的转化效率，因此S C R 控制中需要考虑对S C R 转化效率的 监控。环保部于2008年6月发布标准H J 437-2008《车用压燃式、 气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断（O B D )系统技术要求》，

明确指出应监测针对N O x 排放的催化转化器效率下降的情况，从 而避免由于催化器的失效造成N O x 过量排放|31。1 S C R 转化效率的监控方法

由于S C R 的作用是转化N O x ,因此其效率监控最有效的方法 是监控N O x 的含量，通过安装上下游N O x 传感器可以实现对上下 游N O X 含量的监控，从而计算出N O X 的转化效率。

为节约成本，在满足国四、国五排放的产品级发动机配置中一 般只安装下游N O x 传感器，上游N O x 的质量流量通过原排M A P

图1: S C R 效率监控框架图

图2: E t a 实际值计算的s i m u l i n k 模型

图3: E t a 理论阈值计算的s i m u l i n k 模型

'国家重点研发计划资助项目（2017Y F C 0211302 )

电力电子

电子技术与软件工程

Power Electronic

Electronic Technology & Software Engineering

效

率计箅

监F c 模 率D 理块

效控处

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电子技术与软件工程

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电力电子

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标定的方法实现。通过对上游标定的N O x 浓度及下游N O X 传感器 测得的N O x 浓度分别积分，可以计算出S C R 上、下游的N O x 质量， 从而计算出S C R 系统的实际转化效率。

由于排气温度会影响S C R 系统内的液滴分布和催化剂入口还 原剂分布，进而对N O x 转化效率产生重要影响[4],因此可通过排 气温度与废气质量流量来标定S C R 的转化限值效率，由限值效率 和上游N O x 质量流量可以计算出相应的下游N O x 质量流量，进而 计算出S C R 的理论转化效率阈值。

如果S C R 实际转化效率低于理论转化阈值，则表明S C R 系统 的转化效率过低，报出效率过低的相关故障，启动故障反馈机制。2 S C R 效率监控实现

2. 1 S C R 效率监控原理

S C R

实际转化效率计算公式为：

f 下游N 0X 质量流量

Eta 实际=

(1 - 4----------------) * 100

j 上游nox 质量流量

（1)

S C R

理论转化效率计算公式为：

f 上游nox 质量流量* (1 一 Eta 限值）

Eta 阈值=

(1 - ----------=--------------------------) * 100

j 上游nox 质量流量

(2)

其中，Eatpg 值由排温和废气质量流量查M A P 得到。

当S C R 转化效率监控条件满足时，将实际转化效率E a t 与 阈值转化效率E a t w 值进行比较，若E a t 实际高于E a 、值，表明S C R 系 统的转化效率满足需求，若E a t 实际低于限值E a t 阐值，则表明S C R 系

统的转化效率过低。2. 2 S C R 效率监控框架

S C R

催效率监控主要包括三部分：效率监控使能条件、效率计

算和效率监控故障D F C (Diagnostic Fault C h e c k )处理模块。如图1所示。

S C R

效率监控条件主要包括效率监控的使能和复位条件以及效

率监控的计算窗口。只有当放行条件满足时，才可进行S C R 效率 的监控。放行条件主要根据N O x 传感器的工作状态、环境压力、 环境温度、发动机转速、排温和上游N O x 质量流量等情况来判断，

比如，只有当下游N O X 信号可信时，读取的下游N O x 浓度才是有 效的，此时计算的效率监控才是可信的。

S C R

效率计算模块主要包括：效率计算状态跳转协调器、转化

效率限值计算和最终效率的计算。效率计算状态跳转协调器由开始 状态、预积分状态、主积分状态、效率计算状态和复位状态组成， 其中如果预积分过程中退出检测，则积分值不会保留，预积分和主

积分一起使用才有效果，进入主积分后预积分的积分值会保留，本 部分主要完成效率计算各个状态的协调工作。

S C R

效率监控D F C 故障处理模块主要用来报出相应的故障状

态。

2. 3基于M A T L A B /S i m u l i n k 的S C R 效率监控模型

M A T L A B

是M a t h w o r k s 公司推出的一套高性能数值计算和可

视化软件；S i m u l i n k 是M A T L A B 软件的扩展，是实现动态系统建 模和仿真的一个软件包[5]。根据公式（1) (2)搭建的S C R 实际 转化效率及S C R 理论转化效率模型分别如图2、图3所示。3 S C R 转化效率监控仿真效果

在S C R 效率诊断中，为避免单个点及偶然因素的的影响，在 计算S C R 实际转化效率E a t 实际以及S C R 阈值转化效率E a t _时， 采用一段时间的平均值计算进行比较。

S C R 系统正常工作及尿素浓度正常时，仿真发动机试验数据，

S C R

效率转化的实际值与阈值绝对误差（实际值减去理论转化阈值)

如图4所示。可以看出，S C R 转化效率的实际值一直高于阈值， 不会报出故障状态。

如果S C R 系统不能正常工作或尿素浓度太小，实际转化效率 过低，则S C R 转化效率可能会低于阈值，此时需要报出S C R 转化

S C R 实际转化效率与理论转化阈值绝对误差（正常情况下）

300

600

900

1200

1500

1800

时间Cs )

S C R 实际转化效率与理论转化阈值绝对误差（异常情况下)

图6: S C R 效率监控D F C 报出情况

Eta 实际转化效率与阈值绝对误差

3

300

600

900

1200

1500

1800

时间（S )

----效率监控使能状态

----效率过低状态

-----故》报出状态

0 300 600 900 1200 1500 1800

时间（S )

■i i i i i r n i i

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