基于ESC穩(wěn)態(tài)試驗?zāi)蛩貒娚淇刂蒲芯?/h1>

2022-01-17 01:03:39郭麗娜胡明郝魁岳廣照

內(nèi)燃機與配件訂閱 2022年2期 收藏

關(guān)鍵詞：柴油車

郭麗娜 胡明 郝魁 岳廣照

摘要：以康明斯4L柴油發(fā)動機作為研究對象，通過MATLAB完成尿素噴射控制策略編程，在ESC穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)中，對比閉環(huán)控制尿素噴射和開環(huán)控制尿素噴射的整體循環(huán)測試結(jié)果和單點測試結(jié)果，得出閉環(huán)控制在尿素噴射過程中具有尿素消耗量少，排氣中NOX轉(zhuǎn)換效率高的特點。

Abstract： With cummins 4L diesel engine as the research object， By Matlab program urea injection control strategy， in the ESC steady-state test cycle， compared with closed loop control of urea injection and open loop control of urea injection of single point test results and the whole cycle test results， draw a closed loop control in the process of urea injection with urea consumption， less NOX in the exhaust pipe high conversion efficiency.

關(guān)鍵詞：柴油車;ESC工況;NOX計算

Key words： diesel vehicles;ESC condition;NOX calculation

中圖分類號：TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0001-03

0 ?引言

目前對于后處理廠家而言，在國五排放階段關(guān)于NOX的起步門檻條件是通過國家指定排放實驗室臺架ESC/ETC/WHTC循環(huán)測試，滿足GB17691-2005中關(guān)于NOX的排放限值，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)測試作為ETC和WHTC數(shù)據(jù)標定的基礎(chǔ)，其在柴油車尾氣排放測試中具有關(guān)鍵性的作用[1]。針對于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)的重要性，本文對現(xiàn)階段市場中存在的開環(huán)控制標定和閉環(huán)控制標定方式進行了闡述，對比了開環(huán)控制ESC試驗結(jié)果和閉環(huán)控制ESC試驗結(jié)果，得出閉環(huán)控制具有尿素消耗量低，轉(zhuǎn)換效率高的試驗結(jié)論。

1 ?柴油機NOX還原方法介紹

尾氣后處理SCR技術(shù)路線主要分為兩部分，用電控高壓噴射和增壓中冷實現(xiàn)缸內(nèi)凈化降低PM，以此達到GB17691-2005中關(guān)于尾氣標準的要求，但是由于NOX和PM之間的“蹺蹺板”關(guān)系，PM降低會明顯增大NOX排放，此時依靠SCR尾氣后處理技術(shù)將排氣中的NOX數(shù)據(jù)降低，達到國標GB17691-2005需求[2]。

2 ?相關(guān)基礎(chǔ)公式

2.1 ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況選取

發(fā)動機轉(zhuǎn)速A、B、C的確定需要依據(jù)高轉(zhuǎn)速nhi和低轉(zhuǎn)速nlO計算獲得。高轉(zhuǎn)速nhi是最大凈功率70%，低轉(zhuǎn)速nlo是最大凈功率50%下的轉(zhuǎn)速[3]。

轉(zhuǎn)速A=nlO+25%（nhi-nlO）（1）

轉(zhuǎn)速B=nlO+50%（nhi-nlO）（2）

轉(zhuǎn)速C=nlO+75%（nhi-nlO）（3）

ESC試驗發(fā)動機在測功機上運行工況循環(huán)如表1所示。

發(fā)動機必須按照每個工況所規(guī)定的時間運行，最初20秒用于完成轉(zhuǎn)速和負荷的轉(zhuǎn)換，每個工況中規(guī)定的轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在±50r/min之內(nèi)，規(guī)定的扭矩應(yīng)保持在該實驗轉(zhuǎn)速下最大扭矩的±2%以內(nèi)。

在ESC試驗13工況完成后，ESC測試還附帶控制區(qū)內(nèi)隨機工況點檢測，在開始測量前，發(fā)動機先調(diào)整至第13工況運行3min，然后在控制區(qū)內(nèi)由檢驗機構(gòu)選擇的三個不同的位置進行測量，每次測量時間為2min。測量規(guī)程和13工況循環(huán)中NOX的測量相同[4]。

2.2 ESC試驗循環(huán)NOX氣態(tài)污染物計算

2.2.1 氮氧的濕度和溫度校正

下列公式中的因子就是對NOX濃度進行大氣溫度和濕度的校正[5]。

（4）

式中：

Ta=進氣的絕對溫度，K;

Ha=進氣的絕對濕度（水/干空氣），g/kg

（5）

式中：

Ra-進氣的相對溫度，%;

Pa-發(fā)動機進氣空氣的飽和蒸氣壓，kPa;

Pb-總大氣壓，kPa。

2.2.2 排氣污染物質(zhì)量流量的計算

每工況排氣污染物的質(zhì)量流量（g/h）按下列公式計算直采NOX數(shù)據(jù)（假設(shè)排氣在273k（0℃）和101.3kPa下的密度為1.293kg/m3）：

（6）

式中NOX cono是排氣采集系統(tǒng)在十三工況中的每一工況中采集的平均濃度（ppm）。

2.2.3 比排放的計算

各個組分的排放量（g/kW·h）計算如下所示。

（7）

式中：NOmass為十三工況中各工況NOX質(zhì)量流量;

WFI為表1中的加權(quán)系數(shù);

P（n）i為十三工況中各工況質(zhì)量流量。

2.3 穩(wěn)態(tài)ESC工況，不同控制策略試驗對比

對于SCR尿素噴射系統(tǒng)而言，其化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是尾氣中的NOX在催化劑的作用下與NH3發(fā)生催化還原反應(yīng)生成N2和H2O的過程。此反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，對于釩基催化劑而言，其成本相對較低，但釩基催化劑受溫度影響較大，基本反應(yīng)活性溫度起點集中在200～220℃左右，一般催化劑性能失活溫度在500℃左右，由此可見溫度是影響柴油車SCR尾氣處理的重要影響因素之一;另一個重要因素是尾氣在流過催化劑載體時的時間，也是人們常說的空速，尾氣需要在催化劑中充分反映才可實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。

在臺架ESC穩(wěn)態(tài)測試過程中，SCR尿素噴射開環(huán)控制整體測試結(jié)果NOX無法滿足國五2.0g/kW·h的標準要求，十三個工況點的單點數(shù)據(jù)也不夠穩(wěn)定，誤差較大;而對于閉環(huán)控制而言，閉環(huán)控制能夠矯正空速的滯后、尿素泵噴射的機械誤差以及實際尿素反應(yīng)的瞬態(tài)調(diào)整，保證單點測試和整體測試結(jié)果的穩(wěn)定性，同時可以保證車輛出廠后SCR尾氣后處理系統(tǒng)實際運行的一致性。

SCR尿素噴射反饋閉環(huán)控制的原理是依據(jù)下游氮氧傳感器采集的排氣管中反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)與實際預(yù)期的理論NOX數(shù)據(jù)進行比較，從而調(diào)整尿素噴射量的修正，當實際轉(zhuǎn)換效率大于理論轉(zhuǎn)換效率時，可以減少尿素噴射量，在保證轉(zhuǎn)換效率的同時實現(xiàn)尿素消耗節(jié)省;當實際轉(zhuǎn)換效率小于理論轉(zhuǎn)換效率時，可以增大尿素消耗量，以保證轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定性。

3 ?臺架驗證

此次試驗臺架驗證的SCR尾氣后處理系統(tǒng)主要包含集成式尿素供給單元、催化劑、各類傳感器（上下游傳感器、上下游排溫傳感器、尿素箱溫度及液位傳感器）以及其他連接件組成。系統(tǒng)構(gòu)成以及臺架試驗系統(tǒng)布置如圖1所示，試驗測試設(shè)備如表2所示。

圖1中所示集成式尿素噴射系統(tǒng)是整個SCR后處理系統(tǒng)的核心，其通過發(fā)動機信號、上游AD排溫信號、下游NOX信號計算當前排氣管中NOX的反應(yīng)情況，對比預(yù)期NOX需求反應(yīng)效率，反饋公式根據(jù)實際尿素反應(yīng)情況與理論需求尿素反應(yīng)情況進行反饋控制，實現(xiàn)尿素噴射量的修正。此處需注意，反饋控制的修正數(shù)據(jù)可能是正反饋也可能是負反饋。表3所示為各階段ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)尾氣排放標準。

3.1 試驗過程

對于ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況來說，尿素噴射處理后的NOX排放結(jié)果通過尾氣檢測系統(tǒng)采集SCR催化消聲器后的排氣氣體成分，對于排氣采集系統(tǒng)來說，一般分為直流采集（原始排氣）和稀釋采集（稀釋排氣），直流采集一般僅用于ESC測試系統(tǒng)，稀釋采集既可以用于ESC測試，也可以用于ETC測試。本文NOX氣態(tài)污染物計算方式按照排氣系統(tǒng)稀釋采集方式計算。

3.2 試驗結(jié)果

SCR催化還原反應(yīng)是32.5%的尿素水溶液霧化后在催化劑的作用下，與發(fā)動機尾氣中的NOX反應(yīng)生成N2和H2O的過程，對于SCR控制策略的對比主要從排氣溫度、尿素消耗量、催化還原反應(yīng)后的NOX以及催化還原反映后的NH3進行對比。

3.2.1 ESC穩(wěn)態(tài)工況原機排溫

由于SCR催化轉(zhuǎn)換效率受溫度影響較大，ESC十三工況下各工況點平均溫度如表4所示。在十三工況點中，只有A100和B100在500℃附近，其他點均在220℃和450℃之間，目前，市場使用的催化劑轉(zhuǎn)換效率最佳點也在此溫度區(qū)間范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率能達到80%以上，此發(fā)動機原機溫度對于SCR反應(yīng)來說比較有利。

3.2.2 ESC穩(wěn)態(tài)工況循環(huán)排放結(jié)果對比

在發(fā)動機ESC循環(huán)工況，分別用閉環(huán)反饋控制策略和開環(huán)控制策略，完成尿素噴射臺架試驗，最終排放結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5可知，在同一發(fā)動機的ESC穩(wěn)態(tài)工況下，SCR閉環(huán)控制策略在尿素消耗量、最終反應(yīng)后的NOX數(shù)據(jù)以及氨氣泄漏方面均具有優(yōu)勢。

3.2.3 ESC工況單點排放結(jié)果對比

根據(jù)GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法可知，ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)后還需要進行單點抽查測試，測試點為十三工況范圍內(nèi)的3個隨機工況點，而3點抽查的最終排放處理結(jié)果依賴ESC各工況尿素噴射的穩(wěn)定性，現(xiàn)對各工況點進行開環(huán)控制和閉環(huán)控制尿素噴射后的數(shù)據(jù)對比，對比如表6開閉環(huán)ESC工況尿素噴射NOX數(shù)據(jù)所示，由表6可知閉環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)是開環(huán)控制處理后NOX數(shù)據(jù)的50%左右。

4 ?結(jié)論

本文通過對康明斯4L發(fā)動機尾氣ESC排放測試，確定了閉環(huán)控制策略由于其及時反饋調(diào)整，無論是在整個循環(huán)還是在十三點的單點測試，其最終轉(zhuǎn)換效率均高于開環(huán)控制轉(zhuǎn)換效率，同時閉環(huán)控制策略十三工況點的NOX轉(zhuǎn)化效率更接近預(yù)期理論轉(zhuǎn)換效率，保證了柴油車SCR尾氣后處理系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定;達到了尾氣處理，環(huán)境保護的目的。

參考文獻：

[1]王杰，王世杰.固態(tài)氨與尿素噴射控制系統(tǒng)對柴油機氮氧化合物排放影響對比研究[J].汽車實用技術(shù)，2021.

[2]張濤，王峰，等.基于 Amesim 的國五重型商用車NOX排放仿真分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2021，38（4）.

[3]鮑寧，劉軍，蔡瀟揚.國五標準輕型柴油車 SCR 系統(tǒng)控制器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（3）.

[4]張凡，李昂，于津濤.重型發(fā)動機氨排放特性的臺架試驗研究[J].車用發(fā)動機，2019（2）.

[5]危紅媛，周華，等.我國重型柴油車排放標準的發(fā)展歷程[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2020，49（6）.

基金項目：中國高等教育學(xué)會職業(yè)技術(shù)教育分會2020年度立項課題（課題名稱“基于產(chǎn)教融合校企合作的‘四縱四橫三平臺創(chuàng)新教學(xué)模式的探究”，項目編號：GZYYB202020）。

作者簡介：郭麗娜（1989-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，講師，研究方向為柴油車尾氣處理、汽車故障診斷、汽車專業(yè)教育教學(xué)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教育。

猜你喜歡

柴油車

基于PEMS的重型柴油車排放特性研究

裝備制造技術(shù)(2020年11期)2021-01-26 00:39:04

河南省在用柴油車加載減速煙度排放限值研究*

環(huán)境污染與防治(2020年8期)2020-08-24 09:12:08

禁止

中國石油石化(2018年23期)2019-01-07 08:15:14

日企全面撤出歐洲柴油車市場

新能源汽車報(2018年40期)2018-05-14 14:06:13

最高補貼4萬元！杭州將實施國Ⅲ柴油車淘汰補助

專用汽車(2017年9期)2017-05-30 10:48:04

武漢市柴油車環(huán)檢情況及相關(guān)建議

資源節(jié)約與環(huán)保(2016年10期)2016-12-06 02:33:16

中石化免費為柴油車加注尾氣處理液

環(huán)境(2015年4期)2015-05-30 10:48:04

2015年1月起柴油車將全面實施國四標準

大眾標準化(2015年1期)2015-03-19 11:11:22

瑞風(fēng)1.9CTI柴油車空調(diào)不制熱

汽車維護與修理(2015年1期)2015-02-28 12:15:26

我國應(yīng)研究制定 國Ⅳ重型柴油車置換補貼政策

中國石油石化(2015年7期)2015-01-25 16:10:01

內(nèi)燃機與配件2022年2期

內(nèi)燃機與配件的其它文章

基于行動導(dǎo)向法的《汽車機械基礎(chǔ)》課程改革探究

淺析發(fā)動機曲軸檢修教學(xué)設(shè)計與實踐

汽車機電技術(shù)維修教學(xué)理論與實踐探索

基于工作過程系統(tǒng)化的汽車底盤構(gòu)造與檢修研究

基于學(xué)科競賽的機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐

基于無橋隔離SEPIC轉(zhuǎn)換器的電動汽車充電設(shè)備