专利名称：一种独立式scr计量喷射控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机排放处理技术领域，特别是应用于柴油机的独立式SCR计量喷射控制方法。本发明还涉及采用了上述控制方法的独立式SCR计量喷射控制系统。
背景技术：
目前，我国的重型柴油机、船舶用柴油机和工程机械用柴油机的数量非常多，这些柴油机的排放大多都停留在排放法规国I和国II的水平。若要达到国IV标准，必须进行排气后处理，以降低NOx的排放，选择性催化还原(SCR)被认为是降低NOx排放最为有效的技术之一。一般情况下，SCR控制系统通过获取发动机的扭矩和转速信号计算尿素的喷射量。 但是，由于重型柴油机和工程机械机应用的大多数喷油器都是机械式的，而机械式喷油器无法为SCR控制系统提供扭矩和转速信号。对此，授权公告号为201329254Y的实用新型专利说明书公开了一种以排气中NOx 为变量的车载SCR计量喷射系统。该系统虽然能够应用于上述具有机械式喷油器的柴油机，但由于仅以排气中的 NOx为变量来确定尿素喷射量，没有考虑到排气压力、排气温度的变化对排气密度或是说排气单位时间内质量流量的影响，因为排气的质量流量决定着尿素溶液的喷射量，所以该技术不能在各种环境下都精确地控制尿素水溶液的喷射量，达不到最终降低NOx排放的要求。此外，该技术对NOx浓度传感器的要求相对较高，增加了成本。因此，如何在各种工况和环境下都能准确的确定所需尿素的喷射量，以达到排放法规对NOx的要求，且适用于使用机械式喷油器的柴油机，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种独立式SCR计量喷射控制方法。该方法在各种工况和环境下都能准确的确定所需尿素的喷射量，从而达到排放法规对NOx的要求，且适用于使用机械式喷油器的柴油机。本发明的第二目的是提供一种采用了上述控制方法的独立式SCR计量喷射控制系统。为了实现上述第一目的，本发明提供一种独立式SCR计量喷射控制方法，包括以下步骤步骤10 :获取排气的动压、静压和排气温度，并根据排气的动压、静压和排气温度计算得出排气单位时间的质量流量；步骤20 :根据上述步骤10计算得出的排气单位时间的质量流量，确定单位时间内排气中NOx的质量，得出所需(NH2)2CO的质量；
步骤30 :根据(NH2) 2C0水溶液的浓度得出所需总(NH2) 2C0水溶液的质量；步骤40 :控制(NH2)2C0喷射装置按照步骤30计算得出的(NH2)2C0水溶液质量进行喷射。优选地，所述步骤10包括以下步骤步骤11 :利用传感器获得排气的动压Pa、静压P11、排气温度T，并计算出P,6= Pa +p# ;步骤12 :根据公式PV = mRgT，得出排气的密度P = m/V = P,6/RgT ；步骤13 :根据公式(P+Pgz) + (Pv2)/2 = C，得出排气 V = (2P动/P )1/2，其中 P+P gz为静压P静，(1/2) X P V2为动压P动，C为总压P总；步骤14 :根据步骤12得到的P和步骤13得到的V，得出排气单位时间的质量流量m = vSp，其中S为排气管的横截面积。优选地,所述步骤20中计算单位时间内排气中NOx质量的公式为W(NQx) =mQXl(T6/ A，其中Q为NOx浓度传感器测得的NOx浓度值，A为排气的摩尔质量。优选地，所述A的取值为29kg/kmol。优选地，所述步骤30中，根据NH3生成过程和NOx催化还原化学反应式，计算得出总消耗的尿素的物质的量X与w_x)的对应关系；根据(NH2)2⑶摩尔质量为60kg/mol，得出所需(NH2)2CO质量M = 60Xkg ；根据(NH2) 2C0水溶液的浓度B和公式W(NQx) = mQX 10_6/A，得出所需总(NH2) 2C0水溶液的质量M7ma。优选地，在所述步骤30中，设定排气中NO和NOx的摩尔比为9 I，得出排气中NO 和NOx的物质的量分别为O. 9W_kmol和O. lW_kmol，计算得出总消耗的尿素的物质的量 X = O. 5ff(NOx)；根据(NH2) 2C0水溶液的浓度B和公式W(NQx) = mQX 10_6/A，得出所需总(NH2) 2C0水溶液的质量为 M7ma= 60XmQX 10^6/2X29XBkgo优选地，所述B的取值为32. 5%，得出所需总(NH2)2C0水溶液的质量为M7^ga =
3.18XmQXl(T6kg。为了实现上述第二目的，本发明还提供一种独立式SCR计量喷射控制系统，包括绝对压力传感器、动压传感器、排气温度传感器以及NOx浓度传感器，各所述传感器在电路上与控制器连接，所述控制器的控制方法为上述任一项所述的独立式SCR计量喷射控制方法。本发明所提供的独立式SCR计量喷射控制方法，结合排气管的动压、静压、排气温度、NOx浓度的综合因素来确定尿素喷射量，通过各个传感器的信号按照系统所设计的方法进行计算分析，得出PWM的脉宽比，进而调节尿素的喷射量，改变了原有SCR控制系统需要发动机ECU获取扭矩、转速信号的方式，可达到在各种工况各种环境(高温、高原、高寒)下都能够比较准确的确定所需尿素的喷射量的目地，以达到排放法规对NOx排放量的要求， 适用于使用机械式喷油器的重型柴油机、工程机械的改造。本发明所提供的独立式SCR计量喷射控制系统采用了上述控制方法，由于上述控制方法具有上述技术效果，采用该控制方法的独立式SCR计量喷射控制系统也应具备相应的技术效果。
图I为本发明所提供独立式SCR计量喷射控制方法的开环控制流程图。
具体实施例方式本发明的核心是提供一种独立式SCR计量喷射控制方法。该方法在各种工况和环境下都能准确的确定所需尿素的喷射量，从而达到排放法规对NOx的要求，且适用于使用机械式喷油器的柴油机。本发明的另一核心是提供一种采用了上述控制方法的独立式SCR计量喷射控制系统。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。请参考图1，图I为本发明所提供独立式SCR计量喷射控制方法的开环控制流程图。在一种具体实施方式
中，本发明提供的独立式SCR计量喷射控制方法，包括以下步骤步骤10 :获取排气的动压、静压和排气温度，并根据排气的动压、静压和排气温度计算得出排气单位时间的质量流量。具体如下步骤11 :利用传感器获得排气的动压Pa、静压P11、排气温度T，并计算出P,6= Pa +P静;取排气的摩尔质量为29kg/kmol，则气体常数Rg为定值，可以查表获得，其中排气管的截面积设为S。步骤12 :对于质量为m的理想排气，根据理想气体状态方程PV = mRgT,可得排气的密度P计算方程式为P = m/V = P总/RgT。步骤13 :理想排气在排气管的流动过程中可以近似为能量守恒，则可依据伯努利方程(P+ P gz) + ( P V2) /2 = C，其中P+ P gz为静压P静，(1/2) X P V2为动压P动，C为总压 P总，由于Pa为已知量则可得速度V = (2Pa/p )1/2。步骤14 :可得排气单位时间的质量流量m = vS P。步骤20 :根据NH3生成过程和NOx催化还原反应原理，可以推导出尿素水溶液理论需求量的表达式。已知柴油机排气的质量流量为m(kg/h)，尿素溶液的浓度为32. 5%, NOx 浓度传感器测得的NOx浓度值为Qppm。从氨气的生成到与NOx的反应完成通过以下反应方程第一步尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒(NH2) 2C0 (水溶液)一(NH2) 2C0 (固态)+H2O (气态) (I)第二步尿素热解生成等摩尔的氨气和氰酸(HNCO)(NH2) 2C0 (固态)=NH3 (气态)+HNCO (气态) (2)第三步氰酸进一步水解生成等摩尔的氨气和二氧化碳HNCO (气态)=NH3 (气态)+CO2 (气态) (3)第四步N0X的催化还原反应
4NH3+4N0+02 = 4N2+6H20 (4)2NH3+N0+N02 = 2N2+3H20 (5)在以上已知量的前提下，可以假定I):柴油机排气中NO和NOx的摩尔比为9 I ；2) =SCR催化器有理想的选择性和催化特性；3) : (I) (5)反应是完全反应。由此可得，在某一工况下排气中的NO和NO2完全消除所需要的尿素量是可以确定。由步骤10计算出的排气单位时间的质量流量为m kg，则可得单位时间内的排气中NOx的物质的量W可以表示为W(NOx) = mQX lCT6/29kmol (6)得排气中NO和NOx的物质的量分别为O. 9W_kmol和O. lW(NQx)kmol，根据化学反应式(2) (5)可以的出如下对应的关系式(NH2) 2C0 NO2 NOII IX1 O. 1W(N0X) X2(NH2) 2C0 2N0I2X3 O. 9ff(NOx)-X2式中X1 :(5)式完全反应所需尿素的物质量X2 (5)式完全反应所需NO的物质量X3 (4)式完全所应需尿素的物质的量解得=X1 = O. lff(NOx)，X2 = O. 1W(N0X)，X3 = O. 4ff(NOx)总消耗的尿素的物质的量为-X = XJX3 = O. 5ff(NOx) (kmol)由于(NH2)2CO摩尔质量为60kg/mol，则所需(NH2)2CO质量M为M = 60X kg步骤30 :由已知尿素水溶液为32. 5%和式(6)可得所需总尿素水溶液的质量为M水溶液=3. 18mQX l(T6kg步骤40 :控制(NH2)2C0喷射装置按照步骤30计算得出的(NH2)2C0水溶液质量进行喷射。由于排气压力、排气温度的变化都对排气密度或是说排气单位时间内质量流量有影响，而排气的质量流量决定着尿素水溶液的喷射量，尿素水溶液的喷射量会直接影响到 NOx的排放。本发明结合排气管的动压、静压(绝对压力)、排气温度、NOx浓度的综合因素来确定尿素喷射量。以达到在各种工况各种环境(高温、高原、高寒)下都能够比较准确的确定所需尿素的喷射量的目地，从而满足排放法规对NOx排放量的要求。上述独立式SCR计量喷射控制方法仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。除了上述控制方法，本发明还提供一种独立式SCR计量喷射控制系统，包括绝对压力传感器、动压传感器、排气温度传感器以及NOx浓度传感器，各所述传感器在电路上与控制器连接，所述控制器的控制方法为上文所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。以上对本发明所提供的独立式SCR计量喷射控制方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤步骤10 :获取排气的动压、静压和排气温度，并根据排气的动压、静压和排气温度计算得出排气单位时间的质量流量；步骤20 :根据上述步骤10计算得出的排气单位时间的质量流量，确定单位时间内排气中NOx的质量，得出所需(NH2)2CO的质量；步骤30 :根据(NH2)2CO水溶液的浓度得出所需总(NH2)2CO水溶液的质量；步骤40:控制(NH2)2CO喷射装置按照步骤30计算得出的(NH2)2CO水溶液质量进行喷射。
2.根据权利要求I所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，所述步骤10包括以下步骤步骤11 :利用传感器获得排气的动压Pza、静压P静、排气温度T，并计算出P,6= P动+P静；步骤12 :根据公式PV = mRgT，得出排气的密度P = m/V = P,6/RgT ；步骤13 :根据公式(P+Pgz) + (Pv2)/2 = C，得出排气V = (2P动/p)1/2，其中P+Pgz 为静压P静，(1/2) X P V2为动压P动，C为总压P总；步骤14:根据步骤12得到的P和步骤13得到的V，得出排气单位时间的质量流量m =vSp，其中S为排气管的横截面积。
3.根据权利要求2所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，所述步骤20中计算单位时间内排气中NOx质量的公式为W_) = mQX 10_6/A，其中Q为 NOx浓度传感器测得的NOx浓度值，A为排气的摩尔质量。
4.根据权利要求3所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，所述A的取值为 29kg/kmolο
5.根据权利要求3所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，所述步骤30中，根据NH3生成过程和NOx催化还原化学反应式，计算得出总消耗的尿素的物质的量X与W_x)的对应关系；根据(NH2)2CO摩尔质量为60kg/mol，得出所需(NH2)2CO质量M = 60X kg ；根据(NH2)2CO水溶液的浓度B和公式W(NQx) =mQX10_6/A，得出所需总(NH2)2CO水溶液的质量M水溶液。
6.根据权利要求5所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，在所述步骤30中，设定排气中NO和NOx的摩尔比为9 1，得出排气中NO和NO5^A 物质的量分别为O. 9W_kmoI和O. 1W_kmoI，计算得出总消耗的尿素的物质的量X = O. 5W(NOx)；根据(NH2)2CO水溶液的浓度B和公式W(NQx) =mQX10_6/A，得出所需总(NH2)2CO水溶液的质量为M水溶液=60XmQX 10—72X29XB kg。
7.根据权利要求6所述的独立式SCR计量喷射控制方法，其特征在于，所述B的取值为 32. 5%，得出所需总(NH2)2CO水溶液的质量为M7ma= 3. 18XmQX 10^6kgo
8.一种独立式SCR计量喷射控制系统，其特征在于，包括绝对压力传感器、动压传感器、排气温度传感器以及NOx浓度传感器，各所述传感器在电路上与控制器连接，所述控制器的控制方法为上述权利要求I至7任一项所述的独立式SCR计量喷射控制方法。
全文摘要
本发明公开了一种独立式SCR计量喷射控制方法，包括以下步骤步骤10获取排气的动压、静压和排气温度，并根据排气的动压、静压和排气温度计算得出排气单位时间的质量流量；步骤20根据上述步骤10计算得出的排气单位时间的质量流量，确定单位时间内排气中NOX的质量，得出所需(NH2)2CO的质量；步骤30根据(NH2)2CO水溶液的浓度得出所需总(NH2)2CO水溶液的质量；步骤40控制(NH2)2CO喷射装置按照步骤30计算得出的(NH2)2CO水溶液质量进行喷射。该方法在各种工况和环境下都能准确的确定所需尿素的喷射量，从而达到排放法规对NOx的要求，且适用于使用机械式喷油器的柴油机。本发明还公开了一种采用上述控制方法的独立式SCR计量喷射控制系统。
文档编号F01N3/20GK102588055SQ20121004483
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者李捷辉, 郭林山 申请人:潍柴动力扬州柴油机有限责任公司