用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配方法及系统与流程

本发明涉及柴油机后处理系统的还原剂利用，特别涉及一种用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配方法及系统。

背景技术：

1、柴油机排气中含有较多的氮氧化物（nox）和颗粒物（pm），现有排放法规对nox和pm的排放量进行了限制，并且规定了不同程度的限值，随着排放法规的进一步加严，相应排放限值对冷启动工况排放的加权因子显著增加，催生了后处理系统向尺寸和功能紧耦合方向发展。

2、nox是发动机吸入气缸内的空气中的n2和o2在高温下的反应产物，其主要成分是no和no2。尿素选择性催化还原技术（简称urea-scr技术）是发动机控制nox排放的主要技术，该技术最常见的形式是：利用尿素水溶液分解产生氨气（nh3），并且在scr催化器的作用下，氨气与nox发生选择性催化还原反应，生成氮气和水后排入大气，通过向柴油机的排气中喷入不同的尿素量，对nox的排放量实现有效控制。温度低于187℃时尿素的水解和热解反应不能充分发生，同时scr反应在低于250℃的条件下的反应速率受no2/nox比例、实时储氨量、温度和空速的影响较为明显。

3、pm是喷入的燃油及机油等在缸内高温和局部缺氧条件下的反应产物，其主要包括碳烟、可溶性有机物和硫酸盐。目前对颗粒物进行控制的主要手段是使用柴油机颗粒捕集器（dpf），dpf通过壁流式结构将大部分pm捕集于载体内部，阻止其进入大气。dpf在使用过程中pm会不断累积，将导致排气背压逐步上升进而影响发动机正常工作，因此需要周期性地通过高温氧化反应消除以累积的pm，这一过程称为主动再生过程。主动再生通常需要消耗额外的燃油以提升排温促使pm达到氧化条件，因此会带来油耗的提升。

4、随着后处理系统向尺寸和功能向紧耦合方向发展，在dpf表面涂敷scr催化剂（sdpf）技术开始出现，这一技术将scr反应和颗粒物捕集融合在同一空间中完成，有效降低了后处理系统尺寸和成本并提高了系统的温度响应性能。

5、为应对未来排放法规对冷启动阶段排放更为严格的要求，通常会采用双级scr+尿素喷射系统，前级尽量靠近发动机出口以更快达到高效反应温度。双级scr+尿素喷射系统有较多种技术路线，如：氧化催化器（doc）+sdpf+scr+氨氧化催化器（asc）、doc+scr+asc+dpf+scr+asc等。其中包含sdpf系统技术路线的布置空间和成本具有较为明显的优势，因此应用较广。

6、但是sdpf的应用同样存在以下问题。sdpf通过在整个载体表面涂覆scr催化剂以实现对nox的选择性催化转化能力，但是氧化催化反应不具备选择性，会将nh3直接氧化，因此涂覆有scr催化剂的sdpf通常不会进一步涂敷氧化催化剂。由于scr反应会优先消耗掉排气中的no2，使得sdpf的被动再生能力严重变弱、主动再生间隔缩短，影响油耗和后处理系统的使用寿命。传统sdpf+scr的双级喷射系统尿素分配策略往往以上游sdpf为主，下游scr作为上游sdpf反应能力不足时的补充，此时大量还原剂均在sdpf上进行反应，no2几乎不会存在剩余，这类策略应用下的后处理系统均会出现再生间隔偏短的情况。并且，对双级尿素分配系统的传统分配策略在高温工况下由于尿素喷射量集中于温度更高的sdpf入口，使得喷射的尿素存在更大程度的氧化，还原剂能效比较差。

7、面对机动车污染物的超低排放要求和极为严苛的油耗法规，后处理系统的denox效率和的被动再生性能均需兼顾，本发明所提供的双级喷射系统的还原剂协同高效分配策略同时兼顾sdpf上pm的被动再生和双级scr系统的整体denox效率，有助于帮助发动机-后处理系统实现更低的排放及油耗目标。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提出一种用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配方法及系统，能够在不影响后处理系统denox效率的情况下，有效改善其被动再生性能和尿素能效比。

2、本发明一方面提出一种用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配方法，所述方法包括：

3、确认目标后处理系统的催化单元构成，以针对催化单元建立对应的热力学模型和化学反应动力学模型，所述热力学模型包括对流换热模型、热传导模型以及热辐射模型，所述化学反应动力学模型包括no氧化反应模型、crt反应模型以及scr化学反应动力学模型；

4、通过小样试验完成各所述热力学模型和各化学反应动力学模型的参数识别，所述参数包括对流换热系数、导热系数、比热容、热辐射/换热系数、化学反应活化能、化学反应指前因子、反应温度；

5、搭建发动机试验台架，以对scr和sdpf进行性能摸底试验，并根据摸底试验结果将scr和sdpf的载体温度均划分为四个连续的温度区间，与scr对应的四个温度区间依次为scr的denox无效区间、scr的denox效率敏感区间、scr的高效转化区间以及scr的nh3氧化效率敏感区间，与sdpf对应的四个温度区间依次为sdpf的denox无效区间、sdpf的denox效率敏感区间、sdpf的被动再生效率敏感区间以及sdpf的nh3氧化效率敏感区间；

6、每隔第一预设时间获取scr和sdpf的当前载体温度，并根据scr和sdpf的当前载体温度执行对应的目标还原剂分配策略，以根据所述目标还原剂策略计算得到一号喷嘴和二号喷嘴的目标喷射量，所述一号喷嘴与sdpf对应，所述二号喷嘴与scr对应。

7、综上，根据上述的用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配方法，通过还原剂协同高效分配策略基于sdpf和scr在不同温度区间的性能表现，确定了更有利于兼顾sdpf上pm的被动再生效率、双级scr系统的整体denox效率及还原剂能效比的温度分区控制策略，该控制策略建立在对后处理系统热力学过程和化学反应动力学工程准确建模的基础上，针对不同温度下的后处理系统工作特性，有针对的采取了高效的还原剂分配策略充分发挥后处理部件的综合性能。有助于帮助发动机-后处理系统实现更低的排放及能耗目标。

8、在本发明较佳实施例中，所述每隔第一预设时间获取scr和sdpf的当前载体温度，并根据scr和sdpf的当前载体温度执行对应的目标还原剂分配策略，以根据所述目标还原剂策略计算得到一号喷嘴和二号喷嘴的目标喷射量，所述一号喷嘴与sdpf对应，所述二号喷嘴与scr对应的步骤包括：

9、当监控到sdpf载体温度进入sdpf的denox效率敏感区时，切换至a类还原剂供给控制状态，此时以实时储nh3量信号、sdpf入口no2浓度信号、sdpf载体温度信号、sdpf入口nox浓度信号、排气质量流量信号和入口nh3浓度信号为输入，利用建立的sdpf的scr化学反应动力学模型计算实时储nh3量、sdpf催化剂的实时denox效率、sdpf出口nox浓度、sdpf出口no2浓度和sdpf出口nh3浓度；

10、其中的实时储nh3量作为模型输入的更新，并根据sdpf催化剂的实时denox效率计算出一号喷嘴的尿素喷射量需求值；

11、将sdpf出口nox浓度、sdpf出口no2浓度和sdpf出口nh3浓度联合scr实时储nh3量scr载体温度和排气质量流量一起作为模型的输入，通过scr化学反应动力学模型计算出scr催化剂的denox效率，以通过scr催化剂的denox效率计算出二号喷嘴的尿素喷射量需求值。

12、在本发明较佳实施例中，所述每隔第一预设时间获取scr和sdpf的当前载体温度，并根据scr和sdpf的当前载体温度执行对应的目标还原剂分配策略，以根据所述目标还原剂策略计算得到一号喷嘴和二号喷嘴的目标喷射量，所述一号喷嘴与sdpf对应，所述二号喷嘴与scr对应的步骤还包括：

13、当监控到sdpf载体温度进入sdpf的被动再生效率敏感区时，系统将切换到b类还原剂供给控制状态；

14、根据scr的当前载体温度判断scr所处于的温度区间，并根据scr所处于的温度区间从预设数据表中获取对应的目标修正系数，并根据所述目标修正系数与scr催化剂的最大denox效率的乘积得到scr催化剂的目标denox效率；

15、根据尾管nox排放的浓度限值计算出scr催化剂入口的目标denox浓度，并根据排气质量流量、scr催化剂入口的目标denox浓度、sdpf入口的denox浓度计算出一号喷嘴的尿素喷射量需求值；

16、根据排气质量流量、scr催化剂的目标denox效率、scr催化剂入口的目标denox浓度计算出二号喷嘴的尿素喷射量需求值。

17、在本发明较佳实施例中，若scr催化剂的最大denox效率为ηscr_max，则sdpf出口的nox排放浓度 c noxsdpfds_lim满足如下关系：

18、 c noxsdpfds_lim≤ c noxtp_lim/（1- η scr_max× f）

19、 c noxtp_lim为控制限值，f为修正系数。

20、在本发明较佳实施例中，所述每隔第一预设时间获取scr和sdpf的当前载体温度，并根据scr和sdpf的当前载体温度执行对应的目标还原剂分配策略，以根据所述目标还原剂策略计算得到一号喷嘴和二号喷嘴的目标喷射量，所述一号喷嘴与sdpf对应，所述二号喷嘴与scr对应的步骤还包括：

21、当监控到sdpf载体温度进入sdpf的nh3氧化效率敏感区时，系统将切换到c类还原剂供给控制状态；

22、通过下游scr化学反应动力学模型计算当前温度和空速下的scr最大转化能力，并基于发动机出口nox浓度和排气质量流量计算出二号喷嘴的尿素喷射量；

23、根据sdpf催化剂的nox目标转化量计算出一号喷嘴的尿素喷射量。

24、本发明另一方面还提出一种用于双级尿素喷射系统的还原剂协同高效分配系统，所述系统包括：

25、模型构建模块，用于确认目标后处理系统的催化单元构成，以针对催化单元建立对应的热力学模型和化学反应动力学模型，所述热力学模型包括对流换热模型、热传导模型以及热辐射模型，所述化学反应动力学模型包括no氧化反应模型、crt反应模型以及scr化学反应动力学模型；

26、参数识别模块，用于通过小样试验完成各所述热力学模型和各化学反应动力学模型的参数识别，所述参数包括对流换热系数、导热系数、比热容、热辐射/换热系数、化学反应活化能、化学反应指前因子、反应温度；

27、温区划分模块，用于搭建发动机试验台架，以对scr和sdpf进行性能摸底试验，并根据摸底试验结果将scr和sdpf的载体温度均划分为四个连续的温度区间，与scr对应的四个温度区间依次为scr的denox无效区间、scr的denox效率敏感区间、scr的高效转化区间以及scr的nh3氧化效率敏感区间，与sdpf对应的四个温度区间依次为sdpf的denox无效区间、sdpf的denox效率敏感区间、sdpf的被动再生效率敏感区间以及sdpf的nh3氧化效率敏感区间；

28、喷射控制模块，用于每隔第一预设时间获取scr和sdpf的当前载体温度，并根据scr和sdpf的当前载体温度执行对应的目标还原剂分配策略，以根据所述目标还原剂策略计算得到一号喷嘴和二号喷嘴的目标喷射量，所述一号喷嘴与sdpf对应，所述二号喷嘴与scr对应。

29、在本发明较佳实施例中，所述喷射控制模块还包括：

30、第一控制状态执行单元，用于当监控到sdpf载体温度进入sdpf的denox效率敏感区时，切换至a类还原剂供给控制状态，此时以实时储nh3量信号、sdpf入口no2浓度信号、sdpf载体温度信号、sdpf入口nox浓度信号、排气质量流量信号和入口nh3浓度信号为输入，利用建立的sdpf的scr化学反应动力学模型计算实时储nh3量、sdpf催化剂的实时denox效率、sdpf出口nox浓度、sdpf出口no2浓度和sdpf出口nh3浓度；

31、第一喷射需求量计算单元，用于其中的实时储nh3量作为模型输入的更新，并根据sdpf催化剂的实时denox效率计算出一号喷嘴的尿素喷射量需求值；

32、第二喷射需求量计算单元，用于将sdpf出口nox浓度、sdpf出口no2浓度和sdpf出口nh3浓度联合scr实时储nh3量scr载体温度和排气质量流量一起作为模型的输入，通过scr化学反应动力学模型计算出scr催化剂的denox效率，以通过scr催化剂的denox效率计算出二号喷嘴的尿素喷射量需求值。

33、在本发明较佳实施例中，所述喷射控制模块还包括：

34、第二控制状态执行单元，用于当监控到sdpf载体温度进入sdpf的被动再生效率敏感区时，系统将切换到b类还原剂供给控制状态；

35、根据scr的当前载体温度判断scr所处于的温度区间，并根据scr所处于的温度区间从预设数据表中获取对应的目标修正系数，并根据所述目标修正系数与scr催化剂的最大denox效率的乘积得到scr催化剂的目标denox效率；

36、第一喷射需求量计算单元，用于根据尾管nox排放的浓度限值计算出scr催化剂入口的目标denox浓度，并根据排气质量流量、scr催化剂入口的目标denox浓度、sdpf入口的denox浓度计算出一号喷嘴的尿素喷射量需求值；

37、第二喷射需求量计算单元，用于根据排气质量流量、scr催化剂的目标denox效率、scr催化剂入口的目标denox浓度计算出二号喷嘴的尿素喷射量需求值。

38、在本发明较佳实施例中，所述系统还包括：

39、排放浓度计算模块，用于若scr催化剂的最大denox效率为ηscr_max，则sdpf出口的nox排放浓度 c noxsdpfds_lim满足如下关系：

40、 c noxsdpfds_lim≤ c noxtp_lim/（1- η scr_max× f）

41、 c noxtp_lim为控制限值，f为修正系数

42、在本发明较佳实施例中，所述喷射控制模块还包括：

43、第三控制状态执行单元，用于当监控到sdpf载体温度进入sdpf的nh3氧化效率敏感区时，系统将切换到c类还原剂供给控制状态；

44、第二喷射需求量计算单元，用于通过下游scr化学反应动力学模型计算当前温度和空速下的scr最大转化能力，并基于发动机出口nox浓度和排气质量流量计算出二号喷嘴的尿素喷射量；

45、第一喷射需求量计算单元，用于根据sdpf催化剂的nox目标转化量计算出一号喷嘴的尿素喷射量。

46、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。