SCR文献综述.docx

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SCR文献综述

SCR文献综述

SCR系统的精确控制策略

摘要：

SCR是一种发动机的后处理技术，与其他的后处理技术相比，在柴油机上应用SCR技术可以有效的降低柴油机尾气排放物中的NOX浓度，SCR技术在车辆上得到越来越广泛的应用。

随着法规的日益严格，越来越多的高校和研究机构投入到对SCR控制技术的研究当中，在SCR控制系统中，对于尿素喷射量的控制策略会影响整体的控制效果。

对于SCR控制策略的研究将会进一步增强对尿素喷射量的控制，从而提高柴油机SCR系统催化转化NOX的效率。

通过重点介绍SCR系统中尿素喷射量的计算方法以及尿素喷射量的控制方式，结合PID算法的基本原理，系统地阐述了在柴油机SCR系统中利用PID算法来精确控制尿素喷射量的控制策略，进而分析了整体控制策略的有效性，同时对柴油机SCR精确控制策略的应用前景进行了展望。

关键词：

SCR控制算法尿素PID

AccurateControlStrategyofSCRSystem

HanYeyang

SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering

Abstract:

SCRisakindofafter-treatmenttechnology,comparedwithothertechnologies,theapplicationofSCRtechnologyinthedieselenginecanreducethequantityofNOXintheemissiongreatly.Astheemissionregulationarebeingstricter,moreandmoreuniversitiesandinstitutesaredevotedtotheresearchofSCRcontrolmethods.IntheSCRcontrolsystem,thecontrolmethodoftheureainjectionamountwillaffectthewholeeffect.Theseresearchescanenhancethecontrolaccuracyonthequantityofureainjection.ThecalculationandcontrolmethodofureainjectionintheSCRsystemwouldbeintroducedtogetherwiththebasictheoryofPIDmethod.Thewholecontrolmethodistobefurtheranalyzed.Atlast,lookingforwardtotheapplicationprospectofSCRaccuratecontrolmethod.

Keywords:

SCRcontrolalgorithmureaPID

引言

从目前来看氨气是SCR后处理装置中使用最为广泛的还原剂。

但由于氨气本身带有腐蚀性，不适宜长时间储存且具有一定的毒性，出于安全使用考虑，通常在使用时利用它的水溶液即尿素水溶液作为存储介质。

与氨气相比，尿素水溶液易于存储，更为干净、对环境污染小[1]。

尿素水溶液在较高的排气温度下会转化为氨气，水溶液的转化过程主要分为两个阶段进行。

第一个阶段是热分解阶段，尿素水溶液吸收热量反应生成部分氨气和HCNO。

第二阶段是HCNO和水蒸气反应生成氨气和水。

氨气反应只能发生在表面上，安装在载体上的催化剂会吸附一定含量的氨气，其中的氨气会和流过的NO，NO2气体发生反应，生成N2和水。

在此之外还有部分氨气的负反应同时发生，，如氨气与氧气的反应，这些发生的负反应会导致主反应的化学反应的速率下降，从而可能会降低NOX的转化效率。

NH3与NOX的量比值对于NOX的转化效率和NH3的泄漏量有很大的影响。

当NH3与NOX物质的量比小于1时，NOX转化率提高较快，NH3排放量则没有发生明显变化，但当该比值大于1的时候，NH3排放量会迅速增加，造成大量的氨泄漏。

工作时SCR电控单元会接收来自柴油机大量的转速和负荷等信息，采集后处理装置中尿素温度以及液位等信号，根据现有的控制策略，驱动尿素泵的喷嘴向排气管中喷入定量的尿素。

尿素水溶液以雾状的形式被喷入排气管中，与发动机排放出的NOX发生氧化还原反应，降低尾气中的NOX浓度含量。

尿素喷射量控制策略的目标是可以在满足NOX排放法规的限值的条件下，同时控制使得NH3的泄露量最小[2]。

1SCR程序控制

1.1控制方法

SCR程序控制从结构原理上可以分为开环控制和闭环控制，SCR开环和闭环控制的主要区别在于是否利用SCR末端的NH3传感器或者NOX传感器信号来进行反馈控制。

SCR开环控制策略就是指SCR系统没有自动修正的能力，系统喷射系统输出的尿素喷射量不受NOX或者NH3含量的影响，ECU接收传感器采集到的信号进行处理，然后发出指令给执行器进行工作，整体过程较为简单。

SCR闭环控制策略是指SCR系统工作时NH3或者NOX浓度信号通过一定方式反馈到电子控制单元之中，经过控制单元处理分析计算，得出尿素喷射的修正量，通过与之前计算得出的理论尿素水溶液喷射量进行对比，可以精确控制尿素喷射量。

SCR闭环控制整体结构相较于开环控制更为复杂，控制精度更高。

采取闭环控制的SCR后处理装置，其对NOX的转化效率要比开环控制高。

相比较于开环控制，闭环控制可以提高SCR系统的控制精确性，减少响应时间的同时提高系统稳定性，减少了NOX浓度的同时也避免了NH3的大量泄漏[3]。

1.2计算确定尿素的基本喷射量

图2.1SCR工作原理图

闭环控制运行的SCR系统需要在发动机排气管上加装NOX传感器，NOX传感器将获得的净化后的氮氧化物浓度信号传递给ECU，而ECU基于尿素喷射计算模型根据此信号输出修正量，然后把基本喷射量与修正量进行校正运算，以校正后的数值作为以后喷射所需的尿素喷射量。

除了选择加装NOX传感器之外，还可以选择安装氨传感器，原理是控制限定NH3浓度，防止氨气的大量泄漏。

SCR的氧化还原反应中需要的尿素由柴油机的尾气中NOX的含量以及NOX的转化效率共同决定NOX的流量公式：

由于柴油机的实际工况多变，理论计算得出的尿素需求喷射量往往不能符合实际的需要，可能会发生尿素喷射量过少导致NOX排放超标，或者尿素喷射量过多而导致NH3泄露到空气中的情况，所以此时需要对尿素喷射量进行校正。

1.3稳态修正[4]

1.3.1排气温度修正

柴油机的稳态控制模型以稳定状态下柴油机的最终尿素喷射量为工作目标，但在实际运行过程当中，比如发动机转速或负荷突然增加或减少时，由于催化剂的温度依然维持在原来的数值，在工况突变时不能够随之立即发生变化，使得NOX最后转化不完全，降低了转化效率，因此需要以稳态控制模型为基础，进行排气温度修正以提高NOX转化效率。

图2.2从高温工况到低温工况

图2.3低温工况到高温工况

（1）从高温工况到低温工况

在从高温到低温的转变过程中，排气温度从之前的高温环境转变为当前工况的低温环境，由于催化器的温度通过一个较为缓慢的变化过程，逐渐的降低到当前的环境温度。

而NOX的转化效率会随着温度的变化而发生改变，降温过程中的NOX转化效率要比当前工况的效率高。

为提升转化率，防止NOX泄漏过量此时应该控制尿素泵通过喷嘴增加尿素的喷射量。

（2）从低温工况到高温工况

在从低温到高温的转变过程中，由于催化器的温度低于当前的温度，NOX转化率会比当前工况标准的转化率低，此时需要适当控制减少尿素的喷射量，以防止NH3排放过量，造成氨的对外泄漏，污染环境。

1.4储氨修正[5]

SCR催化剂可以存储一定含量的氨，其储氨能力主要是由催化剂的温度以及排气速度所决定。

在低于500℃时，相同流速下催化剂当中NH3的含量会随着温度增加而降低；而在相同温度下随着排气速度增加，催化剂的储氨量会不断减少。

催化剂储氨能力会随着柴油机的工况而不断发生变化。

催化器的储氨修正模型中，首先需要计算的是NH3在存储和释放时的速率，这就需了解系统中NH3产生的机理和最终的去向。

进入到催化器内部的NH3全部是实际的尿素喷射量，而其中大部分的NH3与NOX参加反应而消耗掉，如果NH3出现过量状况，就会有一部分氨气泄露散发到空气中。

图1.4储氨修正模型

1.5瞬态修正[6]

（1）负荷突然增加时

负荷突然增加时，因为系统会有滞后延迟，催化器温度依然不高，NOx转化效率低，同时由于NH3的热挥发性，温度升高时，NH3会挥发到空气当中，造成氨泄漏，但此时实际的对应尿素喷射量依然较高，所以应使修正系数小于1，适当减少尿素喷射量，以防止氨泄漏。

（2）负荷突然减小时

负荷突然增加时，由于系统滞后效应，此时的催化器内部温度依然较高，导致了NOX的转化率依然很高，但此时由脉谱图查得尿素实际喷射量依然是比较小，柴油机的响应需要一定的时间，当前如果立即减少尿素喷射量，会造成NOX反应不完全，排放量迅速增大。

所以应该使修正系数先大于1，然后缓慢趋近1。

SCR后处理系统中，隔膜式尿素泵由步进电机所驱动，在确定了尿素喷射量的计算方法以及修正策略之后，需要对步进电机进行精确闭环控制以实现最终精确控制尿素喷射量的目标。

2步进电机的原理以及作用

步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置。

步进电机的转速大小和步距角只和输入脉冲的频率有关，而和周围环境的温度没有关联，同时也不受负载变化的影响。

每给步进电机输入一个信号，步进电机就会转动一次。

这种运转机制很适合用来驱动尿素泵工作。

2.1步进电机转速控制[7]

PWM脉冲宽度调制是以方波形式来输出信号的，在步进电机起步时，输入的脉冲频率需要逐渐升高，减速时需要逐渐减低脉冲频率。

所以步进电机以高速启动时，需要提高脉冲频率，即减小脉冲的周期，在停止时也要降低频率，从而保证对步进电机转速的精确控制。

加减速过程是由基础和跳变频率同时组成加减速曲线。

步进电机转速是由脉冲频率以及占空比决定的。

占空比是指脉冲信号的高电平所占时间与整个通电周期之比。

通过改变周期和占空比的大小，可以控制步进电机进行加减速，当周期减小，即频率增大时，步进电机转速提高，当周期增大，即频率减小时，步进电机的转速随之减小。

当步进电机在高速运转的时候突然停止时，则有可能会产生过冲效应，这些情况会使电机运动不平稳并且定位精度较低。

在实际的工作环境里，步进电机经常要面临高速转动以及快速启停的状态，可采用升速降速的方式来解决。

2.1.1PWM原理介绍

PWM脉宽调制指基本原理是:

通过控制开闭电路开关器件，信号输出端产生一系列脉冲，这些脉冲的幅值相等。

利用这些脉冲来代替所需要的波形。

即在输出的波形的周期内，输出端会产生多个脉冲，使得各脉冲的输出波形与正弦波等效[17]。

2.1.2利用PWM原理控制步进电机

根据电路原理，在得到正弦波频率，幅值和半个周期中脉冲数之后，PWM波形中每组脉冲的宽度还有间隔大小就可以利用计算得到。

然后将计算所得到的结果传递给ECU，通过ECU的分析计算，步进电机可以控制电路中器件的打开与闭合，这样得到相应的PWM波形。

依据步进电机转速由脉冲频率以及占空比所决定的性质，通过合理地改变波形的频率及占空比就可以及时的控制步进电机的转速，从而实现控制尿素喷射量的目标。

2.2PID控制原理介绍[8]

对步进电机的控制中，最重要的是可以保持系统的稳定，在喷嘴喷射的占空比发生改变的时候，容腔内压力能够实现迅速、稳定的反应，必须要尽可能减小超调量。

在本课题中采用PID进行控制。

PID控制器一般情况下分为比例、积分、微分三个组成部分；

（1）比例部分对控制系统的偏差信号以比例的形式显示,控制器会在偏差产生的第一时间进行控制作用，以减小偏差并提高控制精度。

（2）积分部分主要用于提高系统的无差度。

时间常数越大积分作用就越弱，反之则越强。

在实际场合，积分作用经常通过与另外两个环节组合建立PI控制器或者是PID控制器，

（3）微分部分可以反映系统的偏差变化速率的情况，通过在系统中输入一个有效的修正信号，可以防止偏差信号过大。

微分作用取决于微分时间，如果微分时间越大，微分环节的效果则越强，反之越弱。

2.3PID控制算法[9]

在PID控制的实际应用时，因为计算机不能处理模拟信号，所以为实现计算机的PID控制，使用时必须把PID控制算法设计可以处理数字信号，即设计数字PID控制算法。

数字PID控制算法依然由比例、积分、微分三部分组成。

因为计算机的输出值与执行器的位置相互对应的，该方法被称为位置式PID控制算法。

但是对步进电机进行控制的时候，位置式PID控制算法不太容易实现。

步进电机要求控制器以增量的形式输出，所以在此基础上对位置式PID控制算法进行修改，设计出增量式的PID控制算法。

增量指控制器在两个与位置式控制方式相比，增量式控制优点如下：

（1）在增量式PID控制算法中，并不需要对偏差进行累加，计算精度对控制量影响小。

而位置式PID控制算法则要将之前的偏差进行累加，使得结果产生较大的误差。

（2）增量式的PID控制算法，切换模式的过程更加迅速。

增量式算法只要有相应的增量就可以进行转换，而位置型算法还需要得到当前执行器的位置信息，这加深了系统的复杂程度。

对PID的参数整定也同样重要。

在对PID参数整定时，可以使用理论计算法或采用实验计算法。

理论计算方法的前提条件是被控的对象有准确的数学模型，但这种模型在步进电机中应用较少。

可以采取试验法来进行PID的参数整定工作。

试验法就是通过模拟闭环运行系统来观察产生的动态响应曲线，然后通过改变各参数值进行试验修正，直到可以得到满意的响应曲线。

比例、积分、微分三者的控制作用部分作用相似，因此一个环节量的减少可以通过改变其他环节的作用来弥补[10]。

3结论

经过这段时间的学习，通过查询资料以及与老师探讨，我对与SCR整体的控制系统有了更加深刻的理解，通过分析SCR系统的控制策略，得出如下结论：

（1）在柴油机上应用SCR技术可以有效的降低尾气中的NOX含量。

目前SCR技术的研究重点主要集中于尿素喷射量的精确控制上面，目前很多国内外很多高校和科研机构对此做了大量的研究工作。

（2）应用PID技术可以对尿素的喷射量进行有效的控制，文中对PID控制的基本原理以及运用方法进行了详细的阐述。

（3）PID算法的主要难点在于对PID参数的整定上，未来PID控制在SCR系统中的应用会主要集中在对PID参数整定以及校正的研究上面。

参考文献

[1]王英进,卜芳,朱振华.柴油发电机废气治理技术现状[J].环境科学与技术,2015（S1）:

236-240.

[2]刘少华.固态铵SCR系统喷射控制策略的研究[D].吉林大学,2016.

[3]张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].济南:

山东大学,2013.

[4]李硕.柴油机尿素选择性催化还原系统的结构优化与试验研究[D].江苏大学,2014.