一種基于模型的NOX排放監控方法與流程

本發明涉及汽車尾氣處理技術領域，尤其涉及基于模型的NOx排放監控方法。

背景技術：

隨著大氣環境污染問題的日益突出，以歐洲、美國為代表的發達國家在機動車排放污染限制方面制定了越來越嚴格的法規，有力的限制了污染物向大氣的排放。隨著排放法規的升級，相伴隨的車載診斷系統(On-Board Diagnostic，簡稱OBD)的要求更加全面，OBD限值也越來越嚴格。目前法規中對發動機NOx的排放有著明確的限值規定。現在柴油發動機NOx排放控制通常采用的選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR)技術，達到降低NOx排放的目的。通過OBD系統對發動機的NOx排放進行實時監控，一旦超過法規規定的限值，車輛將會亮故障指示燈，如果持續一段時間后駕駛員仍然不進行車輛維修，OBD系統會進一步對發動機的扭矩和車速進行限制。以歐VI法規為例，針對NOx的OBD限值為1.2g/kwh，當發動機在一段時間內的NOx比排放超過此限值2小時時，應將扭矩限制器激活。當排放超過OBD限值累計時間在4小時內，應將車速限制器激活，此時車速應低于80km/h，若車輛仍繼續行駛，累積時間在20小時內，車速應低于20km/h。

現有技術中發動機NOx排放監控是基于SCR系統轉化效率限值的排放監控策略。在發動機臺架上將尿素噴射量脈譜圖全工況點乘以一個小于1的系數，經過不斷調試后最終找到這樣一個系數α，使得按照法規要求進行的排放循環測試得到的NOx排放值裂化到法規要求的限值，然后將此時選取的監控工況范圍下的NOx轉化效率值填到NOx 轉化效率限值脈譜圖中去。發動機運行時，在滿足監控條件的情況下，監控策略會通過對SCR箱上游NOx值、下游NOx值進行積分，實時進行一段時間內NOx實際轉化效率和限值轉化效率的計算，一旦前者小于后者，將視為NOx排放超限，從而點亮故障報警燈，直至發動機限扭。但是隨著排放法規的逐步升級，在發動機原機排放較高時，SCR箱下游排放限值與OBD限值對應轉化效率的間隔越來越小，容易產生誤報錯。另外，由于發動機工況變化、外界環境等因素導致的SCR箱轉化效率偏差波動較大，容易產生誤報錯。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是如何建立一種準確適用的NOx排放監控方法，提高NOx排放監控的魯棒性，降低誤報錯的風險。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于模型的NOx排放監控方法，包括以下步驟：

S1，判斷發動機是否滿足監控使能條件，若滿足則執行步驟S2，否則繼續執行步驟S1；

S2，以運行時間為積分區間分別對SCR下游NOx質量流量模型計算值、SCR下游NOx實際質量流量以及SCR上游NOx實際質量流量進行積分；其中，SCR下游NOx質量流量模型計算值根據利用SCR化學反應動力學模型計算得到的SCR下游NOx濃度模型計算值求得，SCR下游NOx實際質量流量根據SCR下游NOx實際濃度值求得，SCR上游NOx實際質量流量根據SCR上游NOx實際濃度值求得；

S3，判斷步驟S2中積分是否滿足積分完成條件，若滿足積分完成條件則執行步驟S4，否則繼續執行步驟S3；

S4，建立轉化效率偏差公式：

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{DsAct}-{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Ds\mathrm{Re}f}}{{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Us}};$

式中，η為轉化效率偏差；為t0～t1時間段內SCR下游NOx實際質量流量的積分值；為t0～t1時間段內SCR下游NOx質量流量模型計算值的積分值，為t0～t1時間段內SCR上游NOx實際質量流量的積分值；

S5，判斷轉化效率偏差是否大于偏差限值；若大于則OBD進行排放超標故障報警；否則輸出排放正常；

S6，將SCR下游NOx質量流量模型計算值的積分值、SCR下游NOx實際質量流量的積分值以及SCR上游NOx實際質量流量的積分值均清零，返回執行步驟S1。

根據本發明，所述步驟S2中SCR下游NOx實際質量流量的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{DsAct}=C_{ds}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsAct為SCR下游NOx實際質量流量，單位g/s；C_ds(NO_X)為SCR下游NOx濃度傳感器監測到的SCR下游NOx實際濃度值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。

根據本發明，所述步驟S2中SCR上游NOx實際質量流量的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Us}=C_{us}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsAct為SCR上游NOx實際質量流量，單位g/s；C_ds(NO_X)為SCR上游NOx濃度傳感器監測到的SCR上游NOx實際濃 度值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。

根據本發明，所述步驟S2中SCR下游NOx質量流量模型計算值的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Ds\mathrm{Re}f}=C_{\mathrm{Re}f}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsRef為SCR下游NOx質量流量模型計算值，單位g/s；C_Ref(NO_X)為利用SCR化學反應動力學模型實時計算得到SCR下游NOx濃度模型計算值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。

根據本發明，所述步驟S3中積分完成條件為SCR下游NOx實際質量流量的積分值超過NOx設定累積量。

根據本發明，所述監控使能條件包括設定的SCR上游溫度范圍、轉速范圍、噴油量范圍、廢氣量范圍、實際氨儲量范圍、SCR下游NOx濃度范圍、設定的水溫范圍、設定的環境溫度范圍、設定的環境壓力范圍、SCR下游NOx傳感器露點檢測正常釋放、尿素噴射使能正常以及SCR下游NOx傳感器無故障狀態。

根據本發明，設定的SCR上游溫度范圍為大于200℃；設定的水溫范圍為70℃～100℃；設定的環境溫度范圍為-7℃～35℃；設定的環境壓力范圍為大于840hPa。

(三)有益效果

本發明的上述技術方案與現有技術相比具有如下優點：本發明實施例提供的基于模型的NOx排放監控方法利用SCR化學反應動力學模型計算得到的SCR下游NOx濃度模型計算值作為輸入，建立轉化效率偏差計算公式進行NOx排放監控，在NOx排放裂化的情況下，下游NOx傳感器測得的濃度值與模型計算值之間的偏差較為明顯，通過一 段時間的積分計算可以得到比較穩定的轉化效率偏差，該監控方法具有較好的穩定性，能夠比較準確的進行NOx排放超限報錯，同時避免誤報錯。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基于模型的NOx排放監控方法的控制邏輯圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，本發明實施例提供的基于模型的NOx排放監控方法，包括以下步驟：

S1，判斷發動機是否滿足監控使能條件，若滿足則執行步驟S2，否則繼續執行步驟S1；

S2，以運行時間為積分區間分別對SCR下游NOx質量流量模型計算值、SCR下游NOx實際質量流量以及SCR上游NOx實際質量流量進行積分；其中，SCR下游NOx質量流量模型計算值根據利用SCR化學反應動力學模型計算得到的SCR下游NOx濃度模型計算值求得，SCR下游NOx實際質量流量根據SCR下游NOx實際濃度值求得，SCR上游NOx實際質量流量根據SCR上游NOx實際濃度值求得。

S3，判斷步驟S2中積分是否滿足積分完成條件，若滿足積分完成條件則執行步驟S4，否則繼續執行步驟S3；具體地，本實施例中步驟S3中積分完成條件為SCR下游NOx實際質量流量的積分值超過NOx設定累積量，NOx設定累積量為根據機型設定的經驗值。本實施例中 的積分完成條件也可以是設定積分時間段的長度，例如取200s～500s中的一個時間長度作為積分區間段。

S4，建立轉化效率偏差公式：

$\mathrm{\η}=\frac{{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{DsAct}-{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Ds\mathrm{Re}f}}{{\∫}_{t0}^{t1}Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Us}};$

式中，η為轉化效率偏差；為t0～t1時間段內SCR下游NOx實際質量流量的積分值；為t0～t1時間段內SCR下游NOx質量流量模型計算值的積分值，為t0～t1時間段內SCR上游NOx實際質量流量的積分值；其中t0為積分開始時刻，根據發動機運行時間t1的延長，計算t0～t1時間段內的積分值；

S5，判斷轉化效率偏差是否大于偏差限值；若大于則OBD進行排放超標故障報警；否則輸出排放正常。當發動機排放正常時，下游NOx實際質量流量的積分值與質量流量模型計算值的積分值保持一致(考慮到模型的精度偏差，轉化效率偏差允許一定的上下浮動)。當發動機因SCR后處理老化等因素導致排放裂化后，相同的工況內實際質量流量的積分值將顯著增加，而質量流量模型計算值的積分值由于模型的輸入未發送變化，模型按照正常的化學反應來計算，質量流量模型計算值的積分值與排放正常時相比保持不變，此時計算得到的轉化效率偏差將會增大，在滿足監控使能條件的情況下，如果積分時間段內計算得到的轉化效率偏差大于設定的偏差限值則視為NOx排放超限，其中偏差限值的大小取決于發動機臺架循環的原機NOx比排放、SCR下游正常NOx比排放值以及OBD限值。

S6，將SCR下游NOx質量流量模型計算值的積分值、SCR下游NOx實際質量流量的積分值以及SCR上游NOx實際質量流量的積分值均清零，返回執行步驟S1。

本發明實施例提供的基于模型的NOx排放監控方法利用SCR化學 反應動力學模型計算得到的SCR下游NOx濃度模型計算值作為輸入，建立轉化效率偏差計算公式進行NOx排放監控，在NOx排放裂化的情況下，下游NOx傳感器測得的濃度值與模型計算值之間的偏差較為明顯，通過一段時間的積分計算可以得到比較穩定的轉化效率偏差，該監控方法具有較好的穩定性，能夠比較準確的進行NOx排放超限報錯，同時避免誤報錯。

進一步地，本實施例步驟S2中SCR下游NOx實際質量流量的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{DsAct}=C_{ds}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsAct為SCR下游NOx實際質量流量，單位g/s；C_ds(NO_X)為SCR下游NOx濃度傳感器監測到的SCR下游NOx實際濃度值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。

進一步地，本實施例步驟S2中SCR上游NOx實際質量流量的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Us}=C_{us}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsAct為SCR上游NOx實際質量流量，單位g/s；C_ds(NO_X)為SCR上游NOx濃度傳感器監測到的SCR上游NOx實際濃度值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。

進一步地，本實施例步驟S2中SCR下游NOx質量流量模型計算值的計算公式為：

$Mf{\left({\mathrm{NO}}_X\right)}_{Ds\mathrm{Re}f}=C_{\mathrm{Re}f}\left({\mathrm{NO}}_X\right)*\frac{Mf\left(Exh\right)}{3.6}*\frac{Molar\left({\mathrm{NO}}_X\right)}{Molar\left(Exh\right)}*{10}^{-6}$

式中，Mf(NO_X)_DsRef為SCR下游NOx質量流量模型計算值，單位g/s；C_Ref(NO_X)為利用SCR化學反應動力學模型實時計算得到SCR下游NOx濃度模型計算值，單位ppm；Mf(Exh)為積分時間段內發動機實際廢氣質量流量，單位kg/h；Molar(NO_X)為NOx摩爾流量；Molar(Exh)為發動機廢氣的摩爾質量。具體地，本實施例中利用SCR化學反應動力學模型實時計算得到SCR下游NOx濃度模型計算值的具體方式為首建立SCR箱內部化學反應動力學方程，以實際尿素噴射量、發動機排氣溫度、SCR上游NOx濃度傳感器測得的實際濃度值等參數作為輸入，計算SCR下游相關氣體組分的量。本實施例中化學反應動力學模型的計算考慮的化學反應過程如下：

1)NH₃吸附：NH₃+S→NH₃(S)

2)NH₃脫附：NH₃(S)→NH₃+S

3)標準SCR反應：4NH₃(S)+4NO+O₂→4N₂+6H₂O+4S

4)快速SCR反應：4NH₃(S)+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O+4S

5)慢速SCR反應：8NH₃(S)+6NO₂→7N₂+6H₂O+8S

6)NH₃在SCR載體表面氧化：4NH₃(S)+3O₂→2N₂+6H₂O+4S

7)NH3在廢氣中的氧化：4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O

8)NO氧化為NO₂：NO+0.5O₂→NO₂

9)NO₂還原為NO：NO₂→NO+0.5O₂

10)NH₃在ASC(氨氧化催化劑)載體表面的氧化：

8NH₃(S)+8O₂→4NO+2N₂+12H₂O+8S

每個反應對應著不同的反應速率方程，根據阿累尼烏斯方程建立速率模型的化學反應動力學方程，依據上述的多個化學反應速率計算以下物理量的質量守恒：NH₃存儲、廢氣中NH₃濃度、廢氣中NO濃度、廢氣中NO₂濃度以及廢氣中的O₂濃度，從而得到SCR下游NOx濃度模型計算值。

進一步地，本實施例中監控使能條件包括設定的SCR上游溫度范圍、轉速范圍、噴油量范圍、廢氣量范圍、實際氨儲量范圍、SCR下 游NOx濃度范圍、設定的水溫范圍、設定的環境溫度范圍、設定的環境壓力范圍、SCR下游NOx傳感器露點檢測正常釋放、尿素噴射使能正常以及SCR下游NOx傳感器無故障狀態。優選地，本實施例中設定的SCR上游溫度范圍為大于200℃；設定的水溫范圍為70℃～100℃；設定的環境溫度范圍為-7℃～35℃；設定的環境壓力范圍為大于840hPa。在滿足一定的監控使能條件下進行NOx排放的監控提高了監控的準確度，避免了除SCR箱老化之外的其他因素引起的NOx排放超標誤報錯。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。