仝玉華 王金平

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東省濰坊市 261061）

柴油機(jī)以其良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在重型車中得到廣泛應(yīng)用，但柴油中的多環(huán)芳烴在高溫富氧的條件下燃燒將生成 NOx，而NOx 對(duì)人眼睛和上呼吸道有刺激性傷害，吸入較多會(huì)對(duì)肺部嚴(yán)重?fù)p害，甚至引起肺水腫[1]。為減少環(huán)境污染，滿足排放法規(guī)要求，經(jīng)過幾十年探索和積累，柴油機(jī)燃燒控制技術(shù)取得巨大進(jìn)步。如今，減少柴油機(jī)排氣污染物的技術(shù)可分為兩大類：機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和排氣后處理技術(shù)。排氣后處理技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)外運(yùn)用選擇性還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技術(shù)向排氣管中噴射濃度為32.5%的尿素溶液，來還原排氣中的NOx,生成無害的氮?dú)夂退?。排氣后處理技術(shù)由于經(jīng)濟(jì)性好，技術(shù)可延續(xù)性強(qiáng)，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，在降低尾氣NOx 中得到廣泛應(yīng)用[2]。采用SCR 技術(shù)能有效控制NOx排放水平，而SCR 自身劣化，或受到意外損壞，會(huì)對(duì)NOx 的轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生很大影響。若要有效降低尾氣中的NOx，需要保證SCR催化劑的轉(zhuǎn)化效率，因此SCR 控制中需要考慮對(duì)SCR 轉(zhuǎn)化效率的監(jiān)控。環(huán)保部于2008年6月發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)HJ437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷（OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求》，明確指出應(yīng)監(jiān)測針對(duì)NOx 排放的催化轉(zhuǎn)化器效率下降的情況，從而避免由于催化器的失效造成NOx 過量排放[3]。

1 SCR轉(zhuǎn)化效率的監(jiān)控方法

由于SCR 的作用是轉(zhuǎn)化NOx，因此其效率監(jiān)控最有效的方法是監(jiān)控NOx 的含量，通過安裝上下游NOx 傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下游NOX 含量的監(jiān)控，從而計(jì)算出NOX 的轉(zhuǎn)化效率。

為節(jié)約成本，在滿足國四、國五排放的產(chǎn)品級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)配置中一般只安裝下游NOx 傳感器，上游NOx 的質(zhì)量流量通過原排MAP標(biāo)定的方法實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)上游標(biāo)定的NOx 濃度及下游NOX 傳感器測得的NOx 濃度分別積分，可以計(jì)算出SCR 上、下游的NOx 質(zhì)量，從而計(jì)算出SCR 系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)化效率。

由于排氣溫度會(huì)影響SCR 系統(tǒng)內(nèi)的液滴分布和催化劑入口還原劑分布，進(jìn)而對(duì)NOx 轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生重要影響[4]，因此可通過排氣溫度與廢氣質(zhì)量流量來標(biāo)定SCR 的轉(zhuǎn)化限值效率，由限值效率和上游NOx 質(zhì)量流量可以計(jì)算出相應(yīng)的下游NOx 質(zhì)量流量，進(jìn)而計(jì)算出SCR 的理論轉(zhuǎn)化效率閾值。

如果SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率低于理論轉(zhuǎn)化閾值，則表明SCR 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率過低，報(bào)出效率過低的相關(guān)故障，啟動(dòng)故障反饋機(jī)制。

2 SCR效率監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

2.1 SCR效率監(jiān)控原理

SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式為：

SCR 理論轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式為：

其中，Eat限值由排溫和廢氣質(zhì)量流量查MAP 得到。

當(dāng)SCR 轉(zhuǎn)化效率監(jiān)控條件滿足時(shí)，將實(shí)際轉(zhuǎn)化效率Eat實(shí)際與閾值轉(zhuǎn)化效率Eat閾值進(jìn)行比較，若Eat實(shí)際高于Eat閾值，表明SCR 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率滿足需求，若Eat實(shí)際低于限值Eat閾值，則表明SCR 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率過低。

2.2 SCR效率監(jiān)控框架

SCR 催效率監(jiān)控主要包括三部分：效率監(jiān)控使能條件、效率計(jì)算和效率監(jiān)控故障DFC（Diagnostic Fault Check）處理模塊。如圖1所示。

SCR 效率監(jiān)控條件主要包括效率監(jiān)控的使能和復(fù)位條件以及效率監(jiān)控的計(jì)算窗口。只有當(dāng)放行條件滿足時(shí)，才可進(jìn)行SCR 效率的監(jiān)控。放行條件主要根據(jù)NOx 傳感器的工作狀態(tài)、環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排溫和上游NOx 質(zhì)量流量等情況來判斷，比如，只有當(dāng)下游NOX 信號(hào)可信時(shí)，讀取的下游NOx 濃度才是有效的，此時(shí)計(jì)算的效率監(jiān)控才是可信的。

SCR 效率計(jì)算模塊主要包括：效率計(jì)算狀態(tài)跳轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)器、轉(zhuǎn)化效率限值計(jì)算和最終效率的計(jì)算。效率計(jì)算狀態(tài)跳轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)器由開始狀態(tài)、預(yù)積分狀態(tài)、主積分狀態(tài)、效率計(jì)算狀態(tài)和復(fù)位狀態(tài)組成，其中如果預(yù)積分過程中退出檢測，則積分值不會(huì)保留，預(yù)積分和主積分一起使用才有效果，進(jìn)入主積分后預(yù)積分的積分值會(huì)保留，本部分主要完成效率計(jì)算各個(gè)狀態(tài)的協(xié)調(diào)工作。

SCR 效率監(jiān)控DFC 故障處理模塊主要用來報(bào)出相應(yīng)的故障狀態(tài)。

2.3 基于MATLAB/Simulink的SCR效率監(jiān)控模型

MATLAB 是Mathworks 公司推出的一套高性能數(shù)值計(jì)算和可視化軟件；Simulink 是MATLAB 軟件的擴(kuò)展，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包[5]。根據(jù)公式（1）（2）搭建的SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率及SCR 理論轉(zhuǎn)化效率模型分別如圖2、圖3所示。

3 SCR轉(zhuǎn)化效率監(jiān)控仿真效果

在SCR 效率診斷中，為避免單個(gè)點(diǎn)及偶然因素的的影響，在計(jì)算SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率Eat實(shí)際以及SCR 閾值轉(zhuǎn)化效率Eat閾值時(shí)，采用一段時(shí)間的平均值計(jì)算進(jìn)行比較。

SCR 系統(tǒng)正常工作及尿素濃度正常時(shí)，仿真發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SCR 效率轉(zhuǎn)化的實(shí)際值與閾值絕對(duì)誤差（實(shí)際值減去理論轉(zhuǎn)化閾值）如圖4所示。 可以看出，SCR 轉(zhuǎn)化效率的實(shí)際值一直高于閾值，不會(huì)報(bào)出故障狀態(tài)。

如果SCR 系統(tǒng)不能正常工作或尿素濃度太小，實(shí)際轉(zhuǎn)化效率過低，則SCR 轉(zhuǎn)化效率可能會(huì)低于閾值，此時(shí)需要報(bào)出SCR 轉(zhuǎn)化效率過低的故障。

為驗(yàn)證SCR 轉(zhuǎn)化效率監(jiān)控策略，將尿素兌水稀釋尿素濃度，模擬故障狀態(tài)。將此時(shí)采集的下游NOx 濃度信號(hào)導(dǎo)入模型進(jìn)行仿真，SCR 效率轉(zhuǎn)化的實(shí)際值與閾值絕對(duì)誤差（實(shí)際值減去理論轉(zhuǎn)化閾值）如圖5所示。從圖5可以看出平均SCR 轉(zhuǎn)化效率Eta 實(shí)際值低于閾值Eta 閾值。SCR 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率過低的故障應(yīng)當(dāng)報(bào)出。

SCR 效率監(jiān)控DFC 處理模塊結(jié)果如圖6所示。圖6中綠色線信號(hào)為效率監(jiān)控的使能信號(hào)，使能信號(hào)為1 時(shí)，效率監(jiān)控檢測放行。藍(lán)色線信號(hào)為SCR 效率過低狀態(tài)，當(dāng)SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率低于閾值時(shí)，該信號(hào)為1。第3 個(gè)信號(hào)紅色線信號(hào)為效率監(jiān)控故障報(bào)出的指示信號(hào)，其數(shù)值為0 表示無故障、為1 表示故障確認(rèn)中，數(shù)值為2表示故障確認(rèn)。

從圖6可以看出當(dāng)SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率低于閾值時(shí)，SCR 效率過低狀態(tài)置1，經(jīng)過一定次數(shù)的確認(rèn)，SCR 轉(zhuǎn)化效率過低的DFC故障報(bào)出，啟動(dòng)故障反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)SCR 效率監(jiān)控功能。

4 結(jié)束語

SCR 效率監(jiān)控根據(jù)SCR 實(shí)際轉(zhuǎn)化效率與理論SCR 轉(zhuǎn)化效率閾值進(jìn)行比較，從而判斷轉(zhuǎn)化效率是否過低。本文介紹了SCR 效率監(jiān)控的基本原理，完成了基于MATLAB/simulink 的SCR 效率監(jiān)控邏輯實(shí)現(xiàn)及仿真，并仿真了尿素濃度過低造成的SCR 效率轉(zhuǎn)化過低的故障狀態(tài)。從仿真及試驗(yàn)結(jié)果機(jī)可以看出，本策略可以滿足SCR 效率監(jiān)控功能要求。