CN102562237B - 柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，其特征在于：首先根据柴油机具体工况点还原剂投放量与尾气中NOx残余量之间的对应关系，并以法规规定NOx排放限值为约束条件，寻优获取该工况点最佳还原剂投放量。目标使得尾气中NOx排放量和氨气泄露量满足法规要求的前提下，使得还原剂投放量最少，提高还原剂的利用率。然后，将优化后的还原剂投放量作为柴油机稳态条件下目标量，建立柴油机转速、油量和还原剂最优投放量的三维MAP图。在实际应用中，实时获得柴油机实际转速和油量数据，查询上述三维MAP图，得到还原剂投放量的基本值，并以实际催化器为核心，进行瞬态修正，获得最终还原剂的投放量。

Description

柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，具体讲是一种柴油机尾气处理装置中还原剂最优投放量的控制方法。

背景技术

目前，汽车排放问题越来越被世界各国政府所重视，日益严格的排放法规的制定促进了发动机排放控制技术的发展。一般认为，根据目前的现状，柴油机仅仅依靠机内优化措施并不能够满足我国第IV阶段排放标准的要求，达到第IV阶段排放标准必须采用尾气处理装置。同时，柴油机优化设计以提高燃烧效率，能够提高燃油利用率，降低油耗，降低柴油机的使用成本。但优化燃烧导致了尾气中NOx排放量的增加。因此，结合我国的实际情况，在众多的柴油机尾气后处理装置中，选择性催化还原技术被普遍认为是我国柴油机实现第IV阶段排放标准的最佳技术路线。

现有的尾气处理装置中，还原剂投放量的控制方法主要考虑氨气泄露以及法规要求，通过大量实验调试和工程经验的方法确定，这样增加了标定成本，而且存在一定的局限性。中国专利CN101680345A公开了一种排气净化装置的控制装置及控制方法以及内燃机的排气净化装置，该方法能够在催化剂温度持续既定时间以上地向低温侧移行时，能够防止氨的实际吸附量从饱和吸附量曲线过度地减少，能够防止还原剂还原效率的降低。中国专利CN1804378A公开了一种用于控制向SCR催化剂的尿素供给的系统，该系统用于在机动车辆的选择性催化还原系统中使用的还原剂计量给予控制系统，其基础计量给予模块基于NOx反馈信号进行对在SCR系统的SCR催化剂之前注入的还原剂量的计算，输出基于所述计算向还原剂计量机构发信号以周期性地或连续地供给还原剂。中国专利CN101245727A公开了一种柴油机SCR系统中实用的控制添蓝投放量的控制方法及控制装置。该方法将还原剂流量表达为转速和转矩的函数，通过简单获取柴油机转速和转矩，判断柴油机工况点，控制还原剂流量。在现有的类似柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法专利中，对还原剂投放控制策略研究比较多，并没有涉及还原剂投放量的最优控制，最优的还原剂投放量控制方法能够使得尾气中NOx排放量和氨气泄漏量满足法规要求的前提下，使得还原剂投放量最少，提高还原剂的利用率。

柴油机实际运行工况可能覆盖了外特性曲线包含的所有情况，在不同的工况运行时，其进气流量、每缸喷入的燃油量、废气温度等都存在一定程度的差异。这就导致尾气处理装置在催化转化NOx时存在效率上的差异。GB17691-2005《车用压燃式、气体点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》中规定ESC实验工况点为包括怠速在内的13个工况点，不同工况下废气流量、废气温度存在较大差异，导致催化器转化效率有高有低。而且不同工况点在最后加权求和的权重也不相同。因此，如何将最后排放指标满足国家规定限值的情况下使得尿素喷射总量最小是一个很实际的问题。最优的尿素喷射量能够在保证排放合格的情况下提高还原剂使用率，降低用户的使用成本。

发明内容

根据现有技术的缺陷和不足，本发明的目的和任务是提供一种柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，具体来讲：首先根据柴油机具体工况点还原剂投放量与尾气中NOx残余量之间的对应关系，并以法规规定NOx排放限值为约束条件，寻优获取该工况点最佳还原剂投放量。目标使得尾气中NOx排放量和氨气泄露量满足法规要求的前提下，使得还原剂投放量最少，提高还原剂的利用率。然后，将优化后的还原剂投放量作为柴油机稳态条件下目标量，建立柴油机转速、油量和还原剂最优投放量的三维MAP图。在实际应用中，实时获得柴油机实际转速和油量数据，查询上述三维MAP图，得到还原剂投放量的基本值，并以实际催化器为核心，进行瞬态修正，获得最终还原剂的投放量。

本发明技术方案：柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，具体实现过程如下：

首先，以柴油机转速和油量为基础，合理选择还原剂投放量的基本控制点。基本控制点选取原则是：柴油机转速是以小于等于10％倍最大转速为步长划分；油量是以10％倍最大油量为步长划分；基本控制点如果接近法规规定实验工况点，则用法规规定实验工况点代替原始基本点。目标工况点在基本控制点内选择。在实验过程中，确定具体基本控制点上转速、油量与扭矩、进气流量、尾气温度、NOx浓度以及其他环境参数之间对应关系。然后，在目标工况点上建立还原剂投放量和尾气中NOx残余量之间的对应关系，最大还原剂投放量以尾气中氨气泄露量不超出法规要求为限。在上述实验数据的基础上，建立还原剂最优投放量优化数学模型：以目标工况点上还原剂投放量为目标函数，法规规定尾气NOx的排放限值为约束条件，进行寻优，满足NOx排放达到限值情况下使得还原剂投放量最少，同时获得对应的NOx转化率。其他基本工况点还原剂投放量根据上述目标工况点的最优量通过插值获取。这里的还原剂投放量为柴油机在稳态情况下的目标投放量，柴油机实际运行工况以瞬态居多，瞬态工况点下催化器温度与稳态下差别较大，因此，引入以催化器温度为核心的瞬态修正，提高柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的合理使用率。

与现有技术相比本发明的优越性主要体现在：本发明提出的柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法是以柴油机转速、油量为基本控制点，以工况点还原剂摄入量和尾气NOx残余量之间对应关系为依据，以法规规定尾气中NOx限值和为其中氨气泄露量限值为约束，建立优化模型，用数学方法寻优确定各个工况点的还原剂最佳摄入量，以达到满足排放要求的前提下，提高还原剂的利用率，以此减少用户的使用成本。同时，考虑到实际柴油机大部分处于瞬态工况，引入以催化器温度为核心的瞬态修正，使得最终还原剂投放量更加符合实际柴油机尾气处理装置的需求。

附图说明

图1是柴油机尾气处理装置还原剂投放量基本控制原理图。

图2是某型号发动机在某三个实验工况点还原剂投放量和尾气NOx残余量之间的对应关系。

图3是柴油机尾气处理装置中还原剂最优投放量优化数学模型示意图。

图4是遗传算法寻优基本原理图。

图5为ESC实验下还原剂投放量优化过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明所述柴油机尾气处理装置中还原剂最优投放量的控制方式及优选的实施例。

附图1是柴油机尾气处理装置中还原剂投放量基本控制原理图。在控制过程中，实时获得柴油机转速和油量，查询标定MAP图表获得还原剂投放量基本值，然后根据催化器温度等参数进行瞬态修正。还原剂投放量太多，会导致尾气中氨气泄漏量超过法规要求，引起二次污染。还原剂投放量过少，则会导致尾气中NOx排放量超标。因此，如何合理标定还原剂投放量至关重要。通常控制方法中，还原剂投放量的控制方法是在满足氨气滑失要求条件下，保证尾气中NOx排放量不超过规定限值。为获得满足要求的还原剂投放量，通常需要做多轮实验，凭借标定工程师的经验，通过“两边凑”的方法摸索，具有一定的盲目性。实验证明，本发明提供的用数学方法搜索满足条件的全局最优还原剂投放量，可靠有效，能够提高尿素使用效率，降低用户使用成本。

柴油机在不同工况下，废气流量、废气温度等都存在一定程度的差异，导致尾气处理装置在不同工况下对NOx转化效率也不尽相同。实验证明，柴油机尾气处理装置中催化器的转化效率从30％～90％之间不等。图2显示了某型号柴油机在低、中、高三处转速和不同负荷下还原剂摄入量和尾气中残余NOx浓度之间的对应关系。横坐标为还原剂投放量，纵坐标为尾气中NOx残余量。从图中也可以清楚的看出由于柴油机所处工况不同，NOx原机排量存在较大差异，还原剂摄入量对NOx的转化率也差别很大。另外，柴油机在稳定工况下，还原剂摄入量和NOx降低量之间也不是简单的线性关系，而是近似于分段线性。因此，在确定还原剂摄入量时，不能通过理论分析简单计算获得，应该通过实验论证。实验过程中，首先稳定柴油机所处工况，等到尾气温度在短时间内没有波动为止，记录此时柴油机原机NOx排放。随后，以一定速率向尾气中喷入还原剂，记录此时残余NOx量。逐步增加还原剂摄入量，记录尾气中残余NOx浓度和还原剂摄入量之间的对应关系。同时，监测氨气的泄露量，当氨气泄露量超过规定限值时，此时的还原剂摄入量为该工况下还原剂的最大摄入量，即还原剂摄入量上限值。通过上述实验，获得了还原剂摄入量和NOx降低量之间的对应关系，是还原剂最优投放量的实验基础。

图3是柴油机尾气处理装置中还原剂最优投放量优化数学模型示意图。下面通过ESC规定实验工况详细说明建模过程。模型中，目标函数是求13工况点还原剂摄入总量最小值，即n＝13，约束条件为NOx排放限值在法规规定范围以内，同时还原剂摄入量小于上述上限值。即：minf(x)s.t.其中，x为13行1列的向量，每个元素代表13个工况点的还原剂摄入量；f(x)为目标函数，即还原剂摄入量总和；s.t.为subjectto的简写，表示约束条件；ub为13行1列的向量，每个分量代表对应工况下还原剂摄入上限值，该值通过NH3泄露量不超过法规规定要求来确定；g(x)为尾气中NOx排放值与法规规定限值之差。约束条件能够保证优化之后NH3的泄露量和NOx排放量均满足法规规定。

模型建立好之后，具体优化方法多种多样，牛顿算法、遗传算法、梯度搜索法等都能够实现具体迭代过程，获得最优解。图4以遗传算法为例，说明了具体寻优过程。在遗传算法开始时，总是随机的产生一些个体(初始解)，根据预定的目标函数对每一个个体进行评价，给出一个适应度值。根据适应度值来选择个体复制下一代。选择操作体现“适者生存”的原理，适应度值高的个体被选择用来复制，而适应度值低的个体则被淘汰。然后选择出来的个体经过杂交和变异算子进行再组合生成新的一代。这一代新群体继承了上一代群体的一些优良性状，因而要优于上一代。这样就朝着更优解的方向进化。

图5为ESC实验工况下还原剂投放量优化过程。优化过程总共迭代了82次，迭代到40次左右时，还原剂投放量接近最优解。迭代初始点为某公司原定ESC工况点还原剂投放总量，为962mL，此时出口NOx排放量为3.14g/kwh；优化过后的还原剂投放量为848.88mL，最终出口NOx排放量为3.12g/kwh。优化前后还原剂投放量降低11.7％，而NOx排放值基本不变。由此可见，本发明能够在保持NOx满足排放法规要求的前提下，减少还原剂投放量，提高还原剂的使用效率，降低用户的使用成本。

以上所述的具体实施方式，包括所列举的优化方法示意图，在本发明内容和权利要求所覆盖的范围内可以有多种变型和改变。因此，所述的实施例并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (3)

1.一种柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，其特征在于：首先获取稳态工况下还原剂投放量与尾气中NOx残余量之间的对应关系，其中工况点还原剂最大投放量确定原则为保证该工况下氨气的泄漏量不超过法规规定的限值，在此基础上以目标工况点的还原剂投放量、NOx残余量以及法规规定NOx排放限值建立优化数学模型，寻优获取还原剂投放量的最优值，目标使得尾气中NOx排放量和氨气泄漏量满足法规要求的前提下，使得还原剂投放量最少，提高还原剂的利用率；然后，根据优化数学模型得到目标工况点还原剂最优投放量，其他工况点的还原剂投放量则通过上述优化值插值获取，从而建立柴油机稳态工况范围内柴油机转速、油量和还原剂最优投放量三维MAP图；在实际应用中，实时获得柴油机实际转速和油量数据，查询上述三维MAP图，得到还原剂投放量的基本值，并以实际催化器为核心，进行瞬态修正，获得最终的还原剂投放量。

2.根据权利要求1所述的柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，其特征在于：其中所述的优化数学模型中的目标函数是目标工况点的还原剂摄入总量，约束条件是NOx排放值在法规规定的范围内，并且各工况点下还原剂摄入量小于上述上限值；即： $\begin{array}{cccc}\min & f\left(x\right)& s.t.& \left\{\begin{array}{c}0\≤x\≤ub\\ g\left(x\right)\≤0\end{array}\right.\end{array},$ 其中，x为n行1列的向量，每个元素代表某个目标工况点的还原剂摄入量；f(x)为目标函数，即目标工况点还原剂摄入量总和；s.t.为subjectto的简写，表示约束条件；ub为n行1列的向量，每个分量代表对应工况下还原剂摄入上限值；g(x)为尾气中NOx排放值与法规规定限值之差；约束条件能够保证优化之后氨气的泄露量和NOx排放量均满足法规规定。

3.根据权利要求1所述的柴油机尾气处理装置中还原剂投放量的控制方法，其特征在于：根据柴油机尾气处理装置实时获取柴油机的实际转速和油量数据，查询还原剂投放量最优MAP图，获得稳态工况下还原剂投放量的最优值；并以当前催化器温度为核心，进行瞬态修正，获得该瞬态工况下柴油机尾气处理装置中还原剂的最终投放量。