專利名稱：一種獨(dú)立式scr計(jì)量噴射控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)排放處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于柴油機(jī)的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法。本發(fā)明還涉及采用了上述控制方法的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)的重型柴油機(jī)、船舶用柴油機(jī)和工程機(jī)械用柴油機(jī)的數(shù)量非常多，這些柴油機(jī)的排放大多都停留在排放法規(guī)國(guó)I和國(guó)II的水平。若要達(dá)到國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行排氣后處理，以降低NOx的排放，選擇性催化還原(SCR)被認(rèn)為是降低NOx排放最為有效的技術(shù)之一。一般情況下，SCR控制系統(tǒng)通過(guò)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算尿素的噴射量。 但是，由于重型柴油機(jī)和工程機(jī)械機(jī)應(yīng)用的大多數(shù)噴油器都是機(jī)械式的，而機(jī)械式噴油器無(wú)法為SCR控制系統(tǒng)提供扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)。對(duì)此，授權(quán)公告號(hào)為201329254Y的實(shí)用新型專利說(shuō)明書(shū)公開(kāi)了一種以排氣中NOx 為變量的車載SCR計(jì)量噴射系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖然能夠應(yīng)用于上述具有機(jī)械式噴油器的柴油機(jī)，但由于僅以排氣中的 NOx為變量來(lái)確定尿素噴射量，沒(méi)有考慮到排氣壓力、排氣溫度的變化對(duì)排氣密度或是說(shuō)排氣單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量流量的影響，因?yàn)榕艢獾馁|(zhì)量流量決定著尿素溶液的噴射量，所以該技術(shù)不能在各種環(huán)境下都精確地控制尿素水溶液的噴射量，達(dá)不到最終降低NOx排放的要求。此外，該技術(shù)對(duì)NOx濃度傳感器的要求相對(duì)較高，增加了成本。因此，如何在各種工況和環(huán)境下都能準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量，以達(dá)到排放法規(guī)對(duì)NOx的要求，且適用于使用機(jī)械式噴油器的柴油機(jī)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法。該方法在各種工況和環(huán)境下都能準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量，從而達(dá)到排放法規(guī)對(duì)NOx的要求，且適用于使用機(jī)械式噴油器的柴油機(jī)。本發(fā)明的第二目的是提供一種采用了上述控制方法的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明提供一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，包括以下步驟步驟10 :獲取排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度，并根據(jù)排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度計(jì)算得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量；步驟20 :根據(jù)上述步驟10計(jì)算得出的排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量，確定單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOx的質(zhì)量，得出所需(NH2)2CO的質(zhì)量；
步驟30 :根據(jù)(NH2) 2C0水溶液的濃度得出所需總(NH2) 2C0水溶液的質(zhì)量；步驟40 :控制(NH2)2C0噴射裝置按照步驟30計(jì)算得出的(NH2)2C0水溶液質(zhì)量進(jìn)行噴射。優(yōu)選地，所述步驟10包括以下步驟步驟11 :利用傳感器獲得排氣的動(dòng)壓Pa、靜壓P11、排氣溫度T，并計(jì)算出P,6= Pa +p# ;步驟12 :根據(jù)公式PV = mRgT，得出排氣的密度P = m/V = P,6/RgT ；步驟13 :根據(jù)公式(P+Pgz) + (Pv2)/2 = C，得出排氣 V = (2P動(dòng)/P )1/2，其中 P+P gz為靜壓P靜，(1/2) X P V2為動(dòng)壓P動(dòng)，C為總壓P總；步驟14 :根據(jù)步驟12得到的P和步驟13得到的V，得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量m = vSp，其中S為排氣管的橫截面積。優(yōu)選地,所述步驟20中計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOx質(zhì)量的公式為W(NQx) =mQXl(T6/ A，其中Q為NOx濃度傳感器測(cè)得的NOx濃度值，A為排氣的摩爾質(zhì)量。優(yōu)選地，所述A的取值為29kg/kmol。優(yōu)選地，所述步驟30中，根據(jù)NH3生成過(guò)程和NOx催化還原化學(xué)反應(yīng)式，計(jì)算得出總消耗的尿素的物質(zhì)的量X與w_x)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)(NH2)2⑶摩爾質(zhì)量為60kg/mol，得出所需(NH2)2CO質(zhì)量M = 60Xkg ；根據(jù)(NH2) 2C0水溶液的濃度B和公式W(NQx) = mQX 10_6/A，得出所需總(NH2) 2C0水溶液的質(zhì)量M7ma。優(yōu)選地，在所述步驟30中，設(shè)定排氣中NO和NOx的摩爾比為9 I，得出排氣中NO 和NOx的物質(zhì)的量分別為O. 9W_kmol和O. lW_kmol，計(jì)算得出總消耗的尿素的物質(zhì)的量 X = O. 5ff(NOx)；根據(jù)(NH2) 2C0水溶液的濃度B和公式W(NQx) = mQX 10_6/A，得出所需總(NH2) 2C0水溶液的質(zhì)量為 M7ma= 60XmQX 10^6/2X29XBkgo優(yōu)選地，所述B的取值為32. 5%，得出所需總(NH2)2C0水溶液的質(zhì)量為M7^ga =
3.18XmQXl(T6kg。為了實(shí)現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明還提供一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)，包括絕對(duì)壓力傳感器、動(dòng)壓傳感器、排氣溫度傳感器以及NOx濃度傳感器，各所述傳感器在電路上與控制器連接，所述控制器的控制方法為上述任一項(xiàng)所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法。本發(fā)明所提供的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，結(jié)合排氣管的動(dòng)壓、靜壓、排氣溫度、NOx濃度的綜合因素來(lái)確定尿素噴射量，通過(guò)各個(gè)傳感器的信號(hào)按照系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行計(jì)算分析，得出PWM的脈寬比，進(jìn)而調(diào)節(jié)尿素的噴射量，改變了原有SCR控制系統(tǒng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)ECU獲取扭矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)的方式，可達(dá)到在各種工況各種環(huán)境(高溫、高原、高寒)下都能夠比較準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量的目地，以達(dá)到排放法規(guī)對(duì)NOx排放量的要求， 適用于使用機(jī)械式噴油器的重型柴油機(jī)、工程機(jī)械的改造。本發(fā)明所提供的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)采用了上述控制方法，由于上述控制方法具有上述技術(shù)效果，采用該控制方法的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)也應(yīng)具備相應(yīng)的技術(shù)效果。


圖I為本發(fā)明所提供獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法的開(kāi)環(huán)控制流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的核心是提供一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法。該方法在各種工況和環(huán)境下都能準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量，從而達(dá)到排放法規(guī)對(duì)NOx的要求，且適用于使用機(jī)械式噴油器的柴油機(jī)。本發(fā)明的另一核心是提供一種采用了上述控制方法的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)。為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參考圖1，圖I為本發(fā)明所提供獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法的開(kāi)環(huán)控制流程圖。在一種具體實(shí)施方式
中，本發(fā)明提供的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，包括以下步驟步驟10 :獲取排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度，并根據(jù)排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度計(jì)算得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量。具體如下步驟11 :利用傳感器獲得排氣的動(dòng)壓Pa、靜壓P11、排氣溫度T，并計(jì)算出P,6= Pa +P靜;取排氣的摩爾質(zhì)量為29kg/kmol，則氣體常數(shù)Rg為定值，可以查表獲得，其中排氣管的截面積設(shè)為S。步驟12 :對(duì)于質(zhì)量為m的理想排氣，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV = mRgT,可得排氣的密度P計(jì)算方程式為P = m/V = P總/RgT。步驟13 :理想排氣在排氣管的流動(dòng)過(guò)程中可以近似為能量守恒，則可依據(jù)伯努利方程(P+ P gz) + ( P V2) /2 = C，其中P+ P gz為靜壓P靜，(1/2) X P V2為動(dòng)壓P動(dòng)，C為總壓 P總，由于Pa為已知量則可得速度V = (2Pa/p )1/2。步驟14 :可得排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量m = vS P。步驟20 :根據(jù)NH3生成過(guò)程和NOx催化還原反應(yīng)原理，可以推導(dǎo)出尿素水溶液理論需求量的表達(dá)式。已知柴油機(jī)排氣的質(zhì)量流量為m(kg/h)，尿素溶液的濃度為32. 5%, NOx 濃度傳感器測(cè)得的NOx濃度值為Qppm。從氨氣的生成到與NOx的反應(yīng)完成通過(guò)以下反應(yīng)方程第一步尿素水溶液蒸發(fā)析出尿素顆粒(NH2) 2C0 (水溶液)一(NH2) 2C0 (固態(tài))+H2O (氣態(tài)) (I)第二步尿素?zé)峤馍傻饶柕陌睔夂颓杷?HNCO)(NH2) 2C0 (固態(tài))=NH3 (氣態(tài))+HNCO (氣態(tài)) (2)第三步氰酸進(jìn)一步水解生成等摩爾的氨氣和二氧化碳HNCO (氣態(tài))=NH3 (氣態(tài))+CO2 (氣態(tài)) (3)第四步N0X的催化還原反應(yīng)
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):柴油機(jī)排氣中NO和NOx的摩爾比為9 I ；2) =SCR催化器有理想的選擇性和催化特性；3) : (I) (5)反應(yīng)是完全反應(yīng)。由此可得，在某一工況下排氣中的NO和NO2完全消除所需要的尿素量是可以確定。由步驟10計(jì)算出的排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量為m kg，則可得單位時(shí)間內(nèi)的排氣中NOx的物質(zhì)的量W可以表示為W(NOx) = mQX lCT6/29kmol (6)得排氣中NO和NOx的物質(zhì)的量分別為O. 9W_kmol和O. lW(NQx)kmol，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式(2) (5)可以的出如下對(duì)應(yīng)的關(guān)系式(NH2) 2C0 NO2 NOII IX1 O. 1W(N0X) X2(NH2) 2C0 2N0I2X3 O. 9ff(NOx)-X2式中X1 :(5)式完全反應(yīng)所需尿素的物質(zhì)量X2 (5)式完全反應(yīng)所需NO的物質(zhì)量X3 (4)式完全所應(yīng)需尿素的物質(zhì)的量解得=X1 = O. lff(NOx)，X2 = O. 1W(N0X)，X3 = O. 4ff(NOx)總消耗的尿素的物質(zhì)的量為-X = XJX3 = O. 5ff(NOx) (kmol)由于(NH2)2CO摩爾質(zhì)量為60kg/mol，則所需(NH2)2CO質(zhì)量M為M = 60X kg步驟30 :由已知尿素水溶液為32. 5%和式(6)可得所需總尿素水溶液的質(zhì)量為M水溶液=3. 18mQX l(T6kg步驟40 :控制(NH2)2C0噴射裝置按照步驟30計(jì)算得出的(NH2)2C0水溶液質(zhì)量進(jìn)行噴射。由于排氣壓力、排氣溫度的變化都對(duì)排氣密度或是說(shuō)排氣單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量流量有影響，而排氣的質(zhì)量流量決定著尿素水溶液的噴射量，尿素水溶液的噴射量會(huì)直接影響到 NOx的排放。本發(fā)明結(jié)合排氣管的動(dòng)壓、靜壓(絕對(duì)壓力)、排氣溫度、NOx濃度的綜合因素來(lái)確定尿素噴射量。以達(dá)到在各種工況各種環(huán)境(高溫、高原、高寒)下都能夠比較準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量的目地，從而滿足排放法規(guī)對(duì)NOx排放量的要求。上述獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法僅是一種優(yōu)選方案，具體并不局限于此，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)實(shí)際需要作出具有針對(duì)性的調(diào)整，從而得到不同的實(shí)施方式。由于可能實(shí)現(xiàn)的方式較多，這里就不再一一舉例說(shuō)明。除了上述控制方法，本發(fā)明還提供一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)，包括絕對(duì)壓力傳感器、動(dòng)壓傳感器、排氣溫度傳感器以及NOx濃度傳感器，各所述傳感器在電路上與控制器連接，所述控制器的控制方法為上文所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其余結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考現(xiàn)有技術(shù)，本文不再贅述。以上對(duì)本發(fā)明所提供的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法及系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟10 :獲取排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度，并根據(jù)排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度計(jì)算得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量；步驟20 :根據(jù)上述步驟10計(jì)算得出的排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量，確定單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOx的質(zhì)量，得出所需(NH2)2CO的質(zhì)量；步驟30 :根據(jù)(NH2)2CO水溶液的濃度得出所需總(NH2)2CO水溶液的質(zhì)量；步驟40:控制(NH2)2CO噴射裝置按照步驟30計(jì)算得出的(NH2)2CO水溶液質(zhì)量進(jìn)行噴射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，所述步驟10包括以下步驟步驟11 :利用傳感器獲得排氣的動(dòng)壓Pza、靜壓P靜、排氣溫度T，并計(jì)算出P,6= P動(dòng)+P靜；步驟12 :根據(jù)公式PV = mRgT，得出排氣的密度P = m/V = P,6/RgT ；步驟13 :根據(jù)公式(P+Pgz) + (Pv2)/2 = C，得出排氣V = (2P動(dòng)/p)1/2，其中P+Pgz 為靜壓P靜，(1/2) X P V2為動(dòng)壓P動(dòng)，C為總壓P總；步驟14:根據(jù)步驟12得到的P和步驟13得到的V，得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量m =vSp，其中S為排氣管的橫截面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，所述步驟20中計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOx質(zhì)量的公式為W_) = mQX 10_6/A，其中Q為 NOx濃度傳感器測(cè)得的NOx濃度值，A為排氣的摩爾質(zhì)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，所述A的取值為 29kg/kmolο
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，所述步驟30中，根據(jù)NH3生成過(guò)程和NOx催化還原化學(xué)反應(yīng)式，計(jì)算得出總消耗的尿素的物質(zhì)的量X與W_x)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)(NH2)2CO摩爾質(zhì)量為60kg/mol，得出所需(NH2)2CO質(zhì)量M = 60X kg ；根據(jù)(NH2)2CO水溶液的濃度B和公式W(NQx) =mQX10_6/A，得出所需總(NH2)2CO水溶液的質(zhì)量M水溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，在所述步驟30中，設(shè)定排氣中NO和NOx的摩爾比為9 1，得出排氣中NO和NO5^A 物質(zhì)的量分別為O. 9W_kmoI和O. 1W_kmoI，計(jì)算得出總消耗的尿素的物質(zhì)的量X = O. 5W(NOx)；根據(jù)(NH2)2CO水溶液的濃度B和公式W(NQx) =mQX10_6/A，得出所需總(NH2)2CO水溶液的質(zhì)量為M水溶液=60XmQX 10—72X29XB kg。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，其特征在于，所述B的取值為 32. 5%，得出所需總(NH2)2CO水溶液的質(zhì)量為M7ma= 3. 18XmQX 10^6kgo
8.一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)，其特征在于，包括絕對(duì)壓力傳感器、動(dòng)壓傳感器、排氣溫度傳感器以及NOx濃度傳感器，各所述傳感器在電路上與控制器連接，所述控制器的控制方法為上述權(quán)利要求I至7任一項(xiàng)所述的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制方法，包括以下步驟步驟10獲取排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度，并根據(jù)排氣的動(dòng)壓、靜壓和排氣溫度計(jì)算得出排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量；步驟20根據(jù)上述步驟10計(jì)算得出的排氣單位時(shí)間的質(zhì)量流量，確定單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOX的質(zhì)量，得出所需(NH2)2CO的質(zhì)量；步驟30根據(jù)(NH2)2CO水溶液的濃度得出所需總(NH2)2CO水溶液的質(zhì)量；步驟40控制(NH2)2CO噴射裝置按照步驟30計(jì)算得出的(NH2)2CO水溶液質(zhì)量進(jìn)行噴射。該方法在各種工況和環(huán)境下都能準(zhǔn)確的確定所需尿素的噴射量，從而達(dá)到排放法規(guī)對(duì)NOx的要求，且適用于使用機(jī)械式噴油器的柴油機(jī)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種采用上述控制方法的獨(dú)立式SCR計(jì)量噴射控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F01N3/20GK102588055SQ20121004483
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者李捷輝, 郭林山 申請(qǐng)人:濰柴動(dòng)力揚(yáng)州柴油機(jī)有限責(zé)任公司