CN108915826A - 一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法 - Google Patents

一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，首先SCR电控***采集并处理柴油机转速、扭矩和SCR反应器前的NOx传感器信号信息；其中NOx传感器的信号信息包括O2的浓度与NOx的浓度；接着建立过量空气系数计算模型：然后执行存储于SCR电控***内的MAP图查询程序，查询当前柴油机工况对应的尿素基本喷射量、过量空气系数和原机NOx浓度的MAP图；依次计算尿素O2‑Urea修正量与尿素NOx‑Urea修正量；最后修正尿素喷射量。本发明对尿素基本喷射量进行修正，避免因柴油机排气特性变化而导致的SCR反应器后NOx排放和NH3逃逸超标。

Description

一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法
技术领域
本发明涉及船舶柴油机SCR(选择性催化还原)领域，特别是一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法。
背景技术
根据国际海事组织(IMO)出台的MARPOL公约附则Ⅵ规定，2016年1月1日以后建造的船舶，若在排放控制区航行，其发动机NOx排放实施更为严格的TierⅢ标准。SCR技术具有经济性好、对柴油机改动小、NOx转化率高、对硫不敏感及适用范围广等优势，是船用柴油机NOx排放控制极具应用前景的技术之一。
船舶柴油机加装SCR***后，其排气背压均有所增大，排气背压增大会降低涡轮增压器效率，因而降低了进气压力，减少了进气量，导致柴油机经济性、动力性和排放性等性能与原机不同。并且，随着SCR反应器的使用，尿素在反应器床体上结晶、颗粒物在床体上聚集，均会造成反应器压降逐渐增大。船用柴油机随着使用时间延长，其技术状态会发生变化，况且其运行的环境条件、使用的燃油品质都在发生变化，这些都会导致柴油机排气特性变化。因此，柴油机在实际运行时的排气特性(排气质量流量、NOx浓度等参数)与其标定时的数据可能存在偏差。
尿素基本喷射量主要受柴油机排气质量流量和NOx浓度排放的影响，柴油机各工况下的尿素喷射量合适与否，直接影响SCR反应器后的NOx浓度和氨逃逸量，也就影响SCR***性能能否符合排放法规要求。
目前，SCR电控***尿素喷射控制策略大多采用基于尿素喷射量MAP图的开环控制策略或采用基于排气特性的MAP图与传感器采集的NOx浓度值相结合的方式建立原机排放特性预测模型。
基于尿素喷射量MAP图的开环控制策略未考虑柴油机实际运行时排气特性变化对SCR***脱硝性能的影响，基于NOx浓度的前馈修正则忽略了柴油机排气质量流量变化对SCR***脱硝性能的影响。两者均有可能造成SCR反应器后的NOx排放不满足排放法规要求，并造成NH3逃逸超标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，对尿素基本喷射量进行修正，避免因柴油机排气特性变化而导致的SCR反应器后NOx排放和NH3逃逸超标。
本发明采用以下方案实现：一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：SCR电控***采集并处理柴油机转速、扭矩和SCR反应器前的NOx传感器信号信息；其中NOx传感器的信号信息包括O2的浓度与NOx的浓度；
步骤S2：建立过量空气系数λ计算模型：
式中，为废气中O2的浓度；
步骤S3：执行存储于SCR电控***内的MAP图查询程序，查询当前柴油机工况对应的尿素基本喷射量、过量空气系数和原机NOx浓度的MAP图；
步骤S4：根据步骤S2计算得到的过量空气系数λ，并结合步骤S3查询得到的过量空气系数MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素O2-Urea修正量；
步骤S5：根据NOx传感器采集的NOx浓度，并结合步骤S3查询得到的原机NOx浓度MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素NOx-Urea修正量；
步骤S6：将步骤S3所述的尿素基本喷射量、S4所述的尿素O2-Urea修正量和S5所述的尿素NOx-Urea修正量之和作为尿素喷射量。
进一步地，步骤S4包括：
步骤S41：根据柴油机当前运行工况查询稳态下的过量空气系数MAP图，获得稳态工况下的过量空气系数MAP值；
步骤S42：将步骤S41查询的过量空气系数MAP值λMAP与步骤S2计算得到的过量空气系数λ比较得到过量空气系数偏差m：
m＝λ-λMAP；
步骤S43：判断m的绝对值是否大于0.1，若否，则令尿素O2-Urea修正量Z1为0；若是，则进入步骤S44；
步骤S44：令尿素O2-Urea修正量Z1为：
Z1＝n*Urea；
其中，Urea为尿素基本喷射量，n＝m/λMAP为过量空气系数的偏差率。
进一步地，步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：根据柴油机工况查询稳态下的氮氧化物NOx浓度MAP图，获得稳态工况下的NOx浓度值NOxMAP；
步骤S52：将步骤S1中NOx传感器采集得到的NOx实际浓度值NOx实际值与步骤S51查询得到的NOxMAP比较，得到NOx浓度偏差x：
x＝NOx实际值-NOxMAP；
步骤S53：判断NOx浓度偏差x的绝对值是否大于50，若否，则令尿素NOx-Urea修正量Z2为0；若是，则进入步骤S54：
步骤S54：令尿素NOx-Urea修正量Z2为：
Z2＝y*Urea；
式中，Urea为尿素基本喷射量，y＝x/NOxMAP为NOx浓度的偏差率。
进一步地，步骤S1中所述NOx传感器采集得到的NOx浓度采用滤波函数进行滤波处理。
进一步地，步骤S2中进一步得到，柴油机各个工况点的排气质量流量Q与过量空气系数λ呈线性关系：
Q＝(1+λ·L)·q；
式中，L为理论空气需求量，q为燃油消耗量。
由公式与Q＝(1+λ·L)·q可以间接计算出废气质量流量。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用基于SCR反应器前NOx传感器数据的SCR电控***尿素喷射前馈修正，可减少SCR***尿素喷射标定试验工作量，提高尿素喷射控制的精度和响应速度，并可改善电控***的可移植性和适应性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例的O2尿素修正量计算示意图。
图3为本发明实施例的NOx尿素修正量计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：SCR电控***采集并处理柴油机转速、扭矩和SCR反应器前的NOx传感器信号信息；其中NOx传感器的信号信息包括O2的浓度与NOx的浓度；
步骤S2：建立过量空气系数λ计算模型：
式中，为废气中O2的浓度，％；
步骤S3：执行存储于SCR电控***内的MAP图查询程序，查询当前柴油机工况对应的尿素基本喷射量、过量空气系数和原机NOx浓度的MAP图；
步骤S4：根据步骤S2计算得到的过量空气系数λ，并结合步骤S3查询得到的过量空气系数MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素O2-Urea修正量；
步骤S5：根据NOx传感器采集的NOx浓度，并结合步骤S3查询得到的原机NOx浓度MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素NOx-Urea修正量；
步骤S6：将步骤S3所述的尿素基本喷射量、S4所述的尿素O2-Urea修正量和S5所述的尿素NOx-Urea修正量之和作为尿素喷射量。
如图2所示，在本实施例中，步骤S4包括：
步骤S41：根据柴油机当前运行工况查询稳态下的过量空气系数MAP图，获得稳态工况下的过量空气系数MAP值；
步骤S42：将步骤S41查询的过量空气系数MAP值λMAP与步骤S2计算得到的过量空气系数λ比较得到过量空气系数偏差m：
m＝λ-λMAP；
步骤S43：判断m的绝对值是否大于0.1，若否，则令尿素O2-Urea修正量Z1为0；若是，则进入步骤S44；
步骤S44：令尿素O2-Urea修正量Z1为：
Z1＝n*Urea；
其中，Urea为尿素基本喷射量，n＝m/λMAP为过量空气系数的偏差率。
如图3所示，在本实施例中，步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：根据柴油机工况查询稳态下的氮氧化物NOx浓度MAP图，获得稳态工况下的NOx浓度值NOxMAP；
步骤S52：将步骤S1中NOx传感器采集得到的NOx实际浓度值NOx实际值与步骤S51查询得到的NOxMAP比较，得到NOx浓度偏差x：
x＝NOx实际值-NOxMAP；
步骤S53：判断NOx浓度偏差x的绝对值是否大于50，若否，则令尿素NOx-Urea修正量Z2为0；若是，则进入步骤S54：
步骤S54：令尿素NOx-Urea修正量Z2为：
Z2＝y*Urea；
式中，Urea为尿素基本喷射量，y＝x/NOxMAP为NOx浓度的偏差率。
在本实施例中，步骤S1中所述NOx传感器采集得到的NOx浓度采用滤波函数进行滤波处理。
在本实施例中，步骤S2中进一步得到，柴油机各个工况点的排气质量流量Q与过量空气系数λ呈线性关系：
Q＝(1+λ·L)·q；
式中，L为理论空气需求量，14.5(湿空气)(kg/kg燃料)；q为燃油消耗量，kg/h；Q为排气质量流量，kg/h。
由公式与Q＝(1+λ·L)·q可以间接计算出废气质量流量。
表1为某船用柴油机试验台架测试结果和基于NOx传感器对尿素喷射量进行前馈修正的验证结果。表1中，“基本喷射量1”为根据原机排放数据计算得到的尿素喷射量(不考虑SCR反应器对柴油机排气特性的影响)，“基本喷射量2”为加装SCR反应器后根据柴油机排放数据得到的喷射量(加装SCR反应器后实际尿素需求量)，“尿素喷射量”为基于NOx传感器前馈修正模型在“基本喷射量1”的基础上计算得到(考虑SCR反应器对柴油机排气特性的影响，并对原机排气特性做出修正后的尿素喷射量)，偏差率为“尿素喷射量”与“基本喷射量2”的偏差相对尿素喷射量的百分比。由表1可知，加装SCR反应器后，各工况点的尿素实际需求量均有不同程度的降低，采用步骤S4和步骤S5所述的前馈修正模型计算得到的尿素喷射量与实际需求量相比，最大偏差率最大接近9％。
本实施例采用基于SCR反应器前NOx传感器数据的SCR电控***尿素喷射前馈修正，可减少SCR***尿素喷射标定试验工作量，提高尿素喷射控制的精度和响应速度，并可改善电控***的可移植性和适应性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：SCR电控***采集并处理柴油机转速、扭矩和SCR反应器前的NOx传感器信号信息；其中NOx传感器的信号信息包括O2的浓度与NOx的浓度；
步骤S2：建立过量空气系数λ计算模型：
式中，为废气中O2的浓度；
步骤S3：执行存储于SCR电控***内的MAP图查询程序，查询当前柴油机工况对应的尿素基本喷射量、过量空气系数和原机NOx浓度的MAP图；
步骤S4：根据步骤S2计算得到的过量空气系数λ，并结合步骤S3查询得到的过量空气系数MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素O2-Urea修正量；
步骤S5：根据NOx传感器采集的NOx浓度，并结合步骤S3查询得到的原机NOx浓度MAP图与尿素基本喷射量，计算尿素NOx-Urea修正量；
步骤S6：将步骤S3所述的尿素基本喷射量、S4所述的尿素O2-Urea修正量和S5所述的尿素NOx-Urea修正量之和作为尿素喷射量。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，其特征在于：步骤S4包括：
步骤S41：根据柴油机当前运行工况查询稳态下的过量空气系数MAP图，获得稳态工况下的过量空气系数MAP值；
步骤S42：将步骤S41查询的过量空气系数MAP值λMAP与步骤S2计算得到的过量空气系数λ比较得到过量空气系数偏差m：
m＝λ-λMAP；
步骤S43：判断m的绝对值是否大于0.1，若否，则令尿素O2-Urea修正量Z1为0；若是，则进入步骤S44；
步骤S44：令尿素O2-Urea修正量Z1为：
Z1＝n*Urea；
其中，Urea为尿素基本喷射量，n＝m/λMAP为过量空气系数的偏差率。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，其特征在于：步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：根据柴油机工况查询稳态下的氮氧化物NOx浓度MAP图，获得稳态工况下的NOx浓度值NOxMAP；
步骤S52：将步骤S1中NOx传感器采集得到的NOx实际浓度值NOx实际值与步骤S51查询得到的NOxMAP比较，得到NOx浓度偏差x：
x＝NOx实际值-NOxMAP；
步骤S53：判断NOx浓度偏差x的绝对值是否大于50，若否，则令尿素NOx-Urea修正量Z2为0；若是，则进入步骤S54：
步骤S54：令尿素NOx-Urea修正量Z2为：
Z2＝y*Urea；
式中，Urea为尿素基本喷射量，y＝x/NOxMAP为NOx浓度的偏差率。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，其特征在于：步骤S1中所述NOx传感器采集得到的NOx浓度采用滤波函数进行滤波处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于氧化锆型NOx传感器的SCR电控***前馈修正方法，其特征在于：步骤S2中进一步得到，柴油机各个工况点的排气质量流量Q与过量空气系数λ呈线性关系：
Q＝(1+λ·L)·q；
式中，L为理论空气需求量，q为燃油消耗量。
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