应用于大功率柴油机尾气处理SCR系统的尿素溶液喷射控制系统与方法与流程

应用于大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制系统与方法
技术领域
1.本发明涉及柴油发动机排放控制技术领域，尤其是用于柴油发动机尾气处理scr系统，具体而言涉及一种应用于大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制系统与方法。


背景技术：

2.选择性催化还原技术(scr)是针对发动机尾气排放中nox的一项处理技术。scr系统在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的nox还原成n2和h2o，有效治理和降低柴油发动机nox的排放，满足排放要求，已经成为中、大型柴油发动机尾气后处理的主要途径和发展方向。
3.发动机尾气后处理scr系统主要通过封装公司或电控系统公司对相关部件予以集成，最终形成系统供应。但针对柴油发动机尾气的scr后处理系统中，一般采用固定喷射量的方式进行控制，喷射量依靠人工输入，尾气处理效果不佳。而大功率柴油发动机组排放尾气中的有害气体浓度在实时变化，如果喷射量低则无法实时地处理有害气体；而尿素溶液如果喷射量过多，则会造成氨泄漏，二次污染环境。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种根据尾气中的尾气浓度变化率来确定scr催化反应的效果，并基于偏差实时控制修正尿素喷射量的scr系统的尿素溶液喷射控制系统与方法，喷射量自动计算，自动修正，无需获取发动机运行报文和运行参数。
5.为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种应用于大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制系统，包括scr反应器、尿素喷射系统以及与scr反应器连接的前段管路与后段管路；所述尿素喷射系统配置有用于向所述前段管路喷射尿素的喷嘴；
6.所述尿素溶液喷射控制系统还包括：
7.位于前段管路的第一氮氧传感器，被设置用于获取排放尾气的前氮氧量；
8.位于后段管路的第二氮氧传感器，被设置用于获取排放尾气的后氮氧量；
9.控制系统，被设置用于根据前氮氧量以及后氮氧量计算后氮氧转换率以及尿素喷射修正值，并基于尿素喷射修正值控制所述尿素喷射系统的尿素喷射量。
10.优选地，所述控制系统包括：
11.用于基于前氮氧量计算尿素喷射量的第一模块；
12.用于基于前氮氧量和后氮氧量计算后氮氧转换率的第二模块；以及
13.基于后氮氧量以及后氮氧转换率确定尿素喷射修正值的第三模块。
14.优选地，所述尿素喷射系统配置有尿素箱、尿素泵以及比例阀，所述尿素泵用于从尿素箱泵出尿素溶液，所述尿素泵的出口经由喷射管路与所述喷嘴连接，所述控制阀设置在喷射管路中，所述控制系统基于尿素喷射修正值控制所述比例阀执行喷射量的调节。
15.优选地，所述控制系统还包括预警模块，用于根据所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的偏差超过预设值，发出报警提示。
16.优选地，所述控制系统还包括喷射重置模块，响应于在预设的n个采样周期内的所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的累积偏差超过允许偏差阈值，提示故障并在收到关闭发动机的信号时重置尿素喷射控制量，并由第一模块基于前氮氧量计算尿素喷射量q。
17.根据本发明目的的第二方面还提出一种尿素溶液喷射控制方法，所述方法包括以下步骤：
18.步骤1、获取排放尾气在管道中的流速v，计算出尾气体积流量vf：
[0019]vf
＝π*r2*v
[0020]
其中，r表示前段管路的半径。
[0021]
步骤2、获得实时采集的scr前氮氧量nu，从而计算出尿素喷射量q：
[0022]
q＝vf*nu*a
[0023]
其中，a为常量，nu表示当前采样时刻的前氮氧量；
[0024]
步骤3、获得实时采集的scr后氮氧量nd，计算后氮氧转换率μn：
[0025][0026]
其中，n
d-1
是上一采样时刻的后氮氧量；
[0027]
步骤4、根据后氮氧转换率μn计算尿素喷射修正值q
l
：
[0028]
当n
d-1
＞nd时，μn为正数，则确定尿素喷射修正值q
l
为：
[0029][0030]
当n
d-1
＜nd时，μn为负数，则确定尿素喷射修正值q
l
为：
[0031][0032]
其中，b为额定喷射常量；
[0033]
步骤5、尿素喷射系统基于尿素喷射修正值q
l
控制实际尿素喷射量。
[0034]
优选地，所述方法还包括以下步骤：
[0035]
根据所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的偏差超过预设值，发出报警提示。
[0036]
优选地，所述方法还包括以下步骤：响应于在预设的n个采样周期内的所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的累积偏差超过允许偏差阈值，提示故障并在收到关闭发动机的信号时重置尿素喷射控制量，并由第一模块基于前氮氧量计算尿素喷射量q。
[0037]
由以上本发明的技术方案，本发明提出的scr系统尿素溶液的目标喷射量修正控制，可以根据目标发动机参数和原机排放信息，计算得到发动机需求的尿素水溶液的目标喷射量，例如通过采集尾气流速和已知的管道直径(机车设计参数)计算得出尾气体积流量，再根据采集的前nox浓度值与后nox浓度值，得出后氮氧的转换率，从而计算出修正的喷射量作为实际喷射量，由此利用后nox作为反馈信号获得转换质量，来修正喷射量。例如，在转换率为正时，表明后氮氧数值在升高，需要减少喷射量，而在转换率为负时，表明后氮氧数值在降低，还需要增加尿素喷射量，从而实现对尿素喷射的实际需求的补偿和修正，避免传统的固定数值的尿素喷射量带来的问题。
[0038]
与现有技术相比，本发明的显著的优点在于：
[0039]
(1)本发明提出的scr系统尿素喷射补偿控制的方案，不依赖与发动机的参数，完全自主采集数据，无需采集发动机数据，适用性强，可适用与不同功率的柴油机组，通过人机界面调整发动机参数，可以适用于不同类型的发动机；
[0040]
(2)排气管路直径可以直接由人机交互界面hmi输入，可以根据现场情况灵活设计，在整个控制策略和控制方案中，对排气管路无特定限制和要求，不仅可以预装在机车尾气后处理系统中，还可以采用后加装的方式安装到机车尾气后处理系统中，安装灵活；
[0041]
(3)本发明提出的scr系统尿素喷射补偿控制的方案，在基于后氮氧量反馈而确定的实际喷射量与基于前氮氧量确定的喷射量之间的偏差超过一定阈值的，实时地通过车机系统操作界面实时观察和报警，了解和观察系统运行情况，并记录历史数据；同时，当偏差累积超过允许的累积误查阈值的，表明喷射系统或者scr系统存在故障，需要停机检查或者维护，并且重置喷射系统，防止在检查或者维护后依然按照修正后的喷射量进行喷射造成不良影响。
[0042]
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0043]
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0044]
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0045]
图1是本发明示例性实施例的大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制系统的示意图。
[0046]
图2是本发明示例性实施例的大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制方法的流程图。
[0047]
图3是本发明示例性实施例的控制系统的示意图。
具体实施方式
[0048]
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0049]
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0050]
尿素溶液喷射控制系统
[0051]
结合图1所示，根据本发明示例性实施例的应用于大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制系统，包括沿着柴油机尾气排放方向并通过管路连接的dpf反应器10
和scr反应器20，柴油机排放的尾气从左侧的尾气入口进入，经由dpf反应器10和scr反应器20依此处理后排出尾气出口，经由机车尾部的排气筒排出。
[0052]
结合图1所示，在尾气入口以及尾气出口之前还设置有一旁通管路，用于在尾气处理通道发生堵塞时，可通过控制旁通管路上的阀门40，使得尾气得以经由旁通管路达到排气筒并排出。
[0053]
在图1的实施例中，dpf反应器10，也称为颗粒捕捉器dpf(diesel particulate filter)，用于对尾气中的颗粒物进行捕捉过滤。在可选的实施例中，dpf反应器10为一安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器,用于在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉。
[0054]
在可选的实施例中，dpf反应器10的前后段管道中分别安装有第一压力传感器11和第二压力传感器12，分别用于感应尾气在经由dpf反应器10处理前后的压力。
[0055]
如图1所示，scr反应器20安装在dpf反应器10的出口后方，为颗粒过滤过滤后的尾气进行催化反应。
[0056]
scr反应器20，包括与其连接的前段管路与后段管路。前段管路与dpf反应器10的出口连通。
[0057]
如图1所示，前端管路上设置有流速传感器13、第一温度传感器14以及第一氮氧传感器15；后段管路上设置有第二氮氧传感器16以及第二温度传感器18。
[0058]
流速传感器13，可采用商用工业级流速传感器，被设置用于获取排放尾气在管道中的流速v。
[0059]
第一温度传感器14用于采集scr前温度，第二温度传感器18用于采集scr后温度，即通过第一温度传感器14和第二温度传感器18来采集尾气经由scr反应器处理前后的温度。
[0060]
前段管路设置的第一氮氧传感器15以及后段管路上设置的第二氮氧传感器16，分别用于监测尾气经由scr反应器处理前后的氮氧含量。
[0061]
结合图1，第一氮氧传感器15被设置用于采集排放尾气的前氮氧量，即scr前氮氧含量；第二氮氧传感器16用于采集排放尾气的后氮氧量，即scr后氮氧含量。
[0062]
结合图1，尿素溶液喷射控制系统包括尿素箱、尿素泵、喷嘴、空压机以及调节阀30。尿素箱用于存储尿素溶液。尿素泵用于从尿素箱泵出尿素溶液述尿素泵的出口经由喷射管路与所述喷嘴连接，经由喷嘴向前段管路喷射尿素。
[0063]
调节阀30设置在喷射管路中、用于实现流量调节。在可选的实施例中，调节阀30采用比例阀，其作为计量喷射控制执行器件，利用控制系统发出的控制信号执行流量调节。
[0064]
控制系统，用于控制尿素泵、空压机以及调节阀30的运行。
[0065]
在可选的实施例中，尿素箱配置有液位传感器、压力传感器、温度传感器等检测器件，用于检测尿素箱内的尿素溶液的参数，例如剩余容量、压力、温度等。
[0066]
在可选的实施例中，控制系统采用plc控制器实现控制，plc控制器发送高频pwm(例如8khz)作为控制信号，通过占空比控制所述比例阀的开启程序，实现对流量的调节。作为示例，选择的占空比调节进度为万分之一的分辨率，控制精度高，可靠性高，避免了普通喷嘴在高频下的喷射误差和高频下低喷射量下无法开启的情况。
[0067]
在本发明的实施例中，前述的控制系统还被配置用于根据前氮氧量以及后氮氧量计算后氮氧转换率以及尿素喷射修正值，并基于尿素喷射修正值控制所述尿素喷射系统的
尿素喷射量。尤其是，例如，基于尿素喷射修正值，通过发送pwm占空比控制信号来控制比例阀执行喷射量的调节。
[0068]
作为可选的方式，结合图3所示示例的控制系统包括：
[0069]
用于基于前氮氧量计算尿素喷射量的第一模块110；
[0070]
用于基于前氮氧量和后氮氧量计算后氮氧转换率的第二模块120；以及
[0071]
基于后氮氧量以及后氮氧转换率确定尿素喷射修正值的第三模块130。
[0072]
其中，第一模块110被设置用于根据下述方式确定尿素喷射量q：
[0073]
q＝vf*nu*a；
[0074]
其中，a表示发动机废气常量，nu表示当前采样时刻的前氮氧量；vf表示尾气体积流量；
[0075]vf
＝π*r2*v；
[0076]
式中，v表示排放尾气在管道中的流速，r表示前段管路的半径。
[0077]
在可选的实施例中，发动机废气常量a与对应的柴油发动机相关，可根据发动机的排量、额定功率和压缩比等设计参数并根据经验值确定。
[0078]
在另外的实施例中，发动机废气常量a还可以根据柴油发动机在正常工况运行时，通过多次不同的运行数据进行计算得到。应当理解，在通过测试获得参数a的过程中，尤其优选是在柴油发动机处于不同的工况条件下，例如测试多个档位条件、满载和空载工况下的运行参数，可通过经验加权或者均值处理的方式获得参数a。
[0079]
在本发明的实施例中，前段管路的半径可基于柴油机的设计参数而获知，可基于人机交互界面hmi输入到机车系统，用于在本发明提出的尿素溶液喷射控制系统在计算过程中调用。
[0080]
其中，第二模块120被设置用于根据下述方式确定后氮氧转换率μn：
[0081][0082]
其中，n
d-1
是上一采样时刻的后氮氧量，nd是当前采样时刻的后氮氧量。
[0083]
其中，第三模块130被设置用于根据下述方式确定尿素喷射修正值q
l
；
[0084]
当n
d-1
＞nd时，μn为正数，则确定尿素喷射修正值q
l
如下：
[0085][0086]
当n
d-1
＜nd时，μn为负数，则确定尿素喷射修正值q
l
如下：
[0087][0088]
其中，b为额定喷射常量。
[0089]
在可选的实施例中，额定喷射常量b可根据采用发动机在额定功率的运行工况确定，即发动机在额定功率运行时，可确定其排放尾气在管道中的理想流速v’，并据此基于尾气体积流量的计算方式而确定在额定功率下的额定尾气体积流量v，并以此时的额定尾气体积流量v作为额定喷射常量b，其中：
[0090]
v＝π*r2*v’[0091]
其中，r表示前段管路的半径。
[0092]
由此，可确定某一个柴油发动机的额定喷射常量b。
[0093]
应当理解，在本发明的实施例中，对于某一个型号的发动机来说，其发动机废气常量和额定喷射常量b是确定的数值。
[0094]
由此，本发明提出基于后氮氧转化率反馈的尿素喷射控制系统中，根据目标发动机参数和原机排放信息，计算得到发动机需求的尿素水溶液的目标喷射量，例如通过采集尾气流速和已知的管道直径(机车设计参数)计算得出尾气体积流量，再根据采集的前nox浓度值与后nox浓度值，得出后氮氧的转换率，从而计算出修正的喷射量作为实际喷射量，由此利用后nox作为反馈信号获得转换质量，来修正喷射量，使得实际的喷射量与需求的喷射量得到闭环控制和一致性，减少二者之间的偏差带来的问题。例如，在转换率为正时，表明后氮氧数值在升高，需要减少喷射量，而在转换率为负时，表明后氮氧数值在降低，还需要增加尿素喷射量，从而实现对尿素喷射的实际需求的补偿和修正，避免传统的固定数值的尿素喷射量带来的问题。
[0095]
结合图1所示的示例中，控制系统还对应配置有显示模块，例如led或者lcd显示屏，用于对记录的尾气排放处理系统的运行记录和参数进行实时显示。
[0096]
结合图1所示的示例中，控制系统还对应配置有预警系统，包括第一预警模块210和第二预警模块220。
[0097]
在可选的实施例中，第一预警模块210用于根据所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的偏差超过预设值，发出报警提示。例如，通过显示屏发出报警提示，提醒驾驶人员或者随车人员观察、关注尾气排放处理系统的运行动态，并注意检查。
[0098]
由此，通过本发明提出的尿素溶液喷射控制系统，可实时记录尾气排放处理系统的运行状况和运行参数，实时观察到报警信息和记录信息，提醒进行运行过程中的实时动态和监测，利于进行维护处理，而且便于后续根据数据信息分析。
[0099]
在可选的实施例中，控制系统还对应配置有喷射重置模块，响应于在预设的n个采样周期内的所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的累积偏差超过允许偏差阈值，提示故障并在收到关闭发动机的信号时重置尿素喷射控制量，并由第一模块基于前氮氧量计算尿素喷射量q。
[0100]
应当理解，在前述的各个实施例中，采用周期以秒为单位进行。
[0101]
在前述喷射重置模块的配置中，预设的采样周期的个数配置在5～10之间。
[0102]
尿素溶液喷射控制方法
[0103]
结合图1、2所示，本发明公开的示例还提出一种应用于大功率柴油机尾气处理scr系统的尿素溶液喷射控制方法，其控制过程包括以下步骤：
[0104]
步骤1、获取排放尾气在管道中的流速v，计算出尾气体积流量vf：
[0105]vf
＝π*r2*v
[0106]
其中，r表示前段管路的半径。
[0107]
步骤2、获得实时采集的scr前氮氧量nu，从而计算出尿素喷射量q：
[0108]
q＝vf*nu*a
[0109]
其中，a为常量，nu表示当前采样时刻的前氮氧量；
[0110]
步骤3、获得实时采集的scr后氮氧量nd，计算后氮氧转换率μn：
[0111]
[0112]
其中，n
d-1
是上一采样时刻的后氮氧量；
[0113]
步骤4、根据后氮氧转换率μn计算尿素喷射修正值q
l
：
[0114]
当n
d-1
＞nd时，μn为正数，则确定尿素喷射修正值q
l
为：
[0115][0116]
当n
d-1
＜nd时，μn为负数，则确定尿素喷射修正值q
l
为：
[0117][0118]
其中，b为额定喷射常量；
[0119]
步骤5、尿素喷射系统基于尿素喷射修正值q
l
控制实际尿素喷射量。
[0120]
尤其是，所述方法还包括以下步骤：
[0121]
根据所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的偏差超过预设值，发出报警提示。
[0122]
尤其是，所述方法还包括以下步骤：
[0123]
响应于在预设的n个采样周期内的所述尿素喷射修正值q
l
与尿素喷射量q的累积偏差超过允许偏差阈值，提示故障并在收到关闭发动机的信号时重置尿素喷射控制量，并由第一模块基于前氮氧量计算尿素喷射量q。
[0124]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。