單泵雙噴嘴尿素噴射系統(tǒng)泵壓控制策略研究

0 引言

近年來環(huán)境污染日益成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)問題，而柴油機(jī)排放的污染物是大氣污染的主要來源之一。為了減少柴油機(jī)排放對(duì)環(huán)境的影響，世界各國(guó)紛紛出臺(tái)愈來愈嚴(yán)苛的排放法規(guī)

。相比于國(guó)五和歐V排放，國(guó)六和歐VI階段排放限值降低了77%，且采用了新的測(cè)試循環(huán)，世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized stationary cycle，WHSC)和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)。美國(guó)2007年提出了US 2010法規(guī)，在美國(guó)聯(lián)邦測(cè)試(federal test procedure，F(xiàn)TP)瞬態(tài)循環(huán)下NOx排放限值為0.272 g/kWh。美國(guó)加州空氣資源委員會(huì)(California air resources board，CARB)于2015年提出了加州超低NOx排放法規(guī)，NOx排放限值降低至0.027 g/kWh

，西南研究院的最新研究結(jié)果顯示，通過雙噴等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了NOx的近零排放。中國(guó)在繼歐洲、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家之后，于2019年7月，在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域正式實(shí)施國(guó)六排放法規(guī)，在2021年7月，中國(guó)所有區(qū)域全部實(shí)施國(guó)六排放法規(guī)。目前，為了進(jìn)一步降低排放污染物實(shí)現(xiàn)近零排放，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠和高校已針對(duì)可能的國(guó)七法規(guī)開展技術(shù)儲(chǔ)備工作，預(yù)計(jì)國(guó)七法規(guī)最早在2025年實(shí)施

。

農(nóng)村教師由于工作量大，需要完成的任務(wù)指標(biāo)多，對(duì)于學(xué)生的作業(yè)方面重視程度不夠。同時(shí)，教師對(duì)于學(xué)生的情況沒有很好地把握，布置作業(yè)有時(shí)急于應(yīng)付形式，很少考慮到時(shí)效性。此外，數(shù)學(xué)教師參考資料缺乏，不關(guān)注學(xué)生之間的差異，所有練習(xí)采用“一刀切”模式。

從圖5可以看出，二者均存在較強(qiáng)的相干散射(鏡反射)，而非相干散射(漫反射)相對(duì)較弱。反射光均在入射平面內(nèi)的鏡反射方向出現(xiàn)了峰值，表現(xiàn)出了明顯的鏡反射特征。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，表面粗糙度相同的情況下，銅材料表面的鏡反射方向的峰值明顯高于鋁材料，說明粗糙銅板表面更近似于鏡面。這主要是由材料本身的特性決定的。對(duì)于相同的粗糙度，銅材料表面的高度起伏相對(duì)較小，相關(guān)性較好。根據(jù)鏡向反射光強(qiáng)法理論，表面高度起伏的均方根越小，材料表面的雙向反射分布率的鏡反射分量越強(qiáng)。而鋁材料表面起伏更大，相關(guān)性較差，因此鏡反射相對(duì)較弱。

當(dāng)前，DOC+DPF+SCR+ASC成為滿足國(guó)六法規(guī)排放的標(biāo)配技術(shù)路線，前期的研究結(jié)果顯示，在此基礎(chǔ)上最前端加裝緊耦合SCR裝置，用于降低冷啟動(dòng)NOx排放，后處理系統(tǒng)整體的NOx轉(zhuǎn)化效率高達(dá)99.5%。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、麗江師專東巴藝術(shù)學(xué)院副院長(zhǎng)潘宏義介紹項(xiàng)目時(shí)說，國(guó)家藝術(shù)基金項(xiàng)目“納西族東巴畫藝術(shù)百年展”是對(duì)國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)東巴畫百年發(fā)展的一次總結(jié)展示，是對(duì)納西族民族文化的匠心傳承和精神守望，試圖打通人類精神的共同秘道，尋找人類心靈的共同語(yǔ)言。在民族文化保護(hù)傳承危機(jī)四伏的今天，只有守住民族文化的根脈，才是這個(gè)民族最大的財(cái)富和遺產(chǎn)，是一個(gè)民族得以綿延發(fā)展，代代相承的文化基因。講好中國(guó)故事，就是要傳承好我們民族的文化和文明。

該路線需要采用單尿素泵雙尿素噴嘴，由于噴射時(shí)序、噴射量不同，在控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，傳統(tǒng)的單泵單噴嘴系統(tǒng)泵壓控制采用的PID閉環(huán)方式已無法滿足單泵雙噴嘴系統(tǒng)的噴射精度和要求。本文采用基于模型的方式控制尿素泵壓力，首先建立單泵雙噴嘴系統(tǒng)的物理模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)壓力模型的逆模型設(shè)計(jì)前饋控制器，再根據(jù)實(shí)際壓力反饋信號(hào)與模型壓力信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)，輸出尿素占空比從而控制尿素泵壓力，減少單泵雙噴嘴對(duì)尿素泵壓力控制的影響，提高尿素泵壓力穩(wěn)定性，提高尿素噴射控制精度。

1 雙噴嘴尿素噴射系統(tǒng)介紹

噴嘴2流量計(jì)算：

回流流出尿素量計(jì)算：

采用四字節(jié)并行處理,可由40B32B模塊給出的K_qb信號(hào)在一個(gè)四字節(jié)時(shí)鐘內(nèi)進(jìn)行檢測(cè),并根據(jù)Valid_qb信號(hào)進(jìn)行正確/K/字節(jié)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì),不需要根據(jù)單字節(jié)時(shí)鐘去檢測(cè)和計(jì)數(shù),降低了電路運(yùn)行頻率和實(shí)現(xiàn)難度。

尿素噴射系統(tǒng)是典型的機(jī)、電、液組成的液壓系統(tǒng)，主要包括尿素泵、回流閥和噴嘴三大部件，因此針對(duì)尿素噴射系統(tǒng)的建模采用液壓系統(tǒng)常用的建模方法

。

2 單泵雙噴嘴控制模型設(shè)計(jì)

2.1 物理模型建立

單泵雙噴嘴系統(tǒng)與單泵單噴嘴尿素噴射系統(tǒng)最大的差別在于噴射壓力的變化更加頻繁及擾動(dòng)的影響更復(fù)雜。單泵單噴嘴尿素噴射系統(tǒng)的泵壓控制采用傳統(tǒng)PID閉環(huán)方式，分為兩個(gè)部分：前饋控制和反饋控制。前饋控制根據(jù)壓力設(shè)定值直接得到基礎(chǔ)前饋占空比，并利用尿素噴射量進(jìn)行前饋占空比修正，反饋控制尿素泵壓力恒定為壓力設(shè)定值，利用尿素泵壓力傳感器采集的泵壓力腔壓力作為反饋測(cè)量值，從而泵壓設(shè)定值與泵壓實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值作為PID控制器的輸入，經(jīng)過比例控制、積分控制和微分控制輸出尿素泵電機(jī)反饋占空比。該控制方式對(duì)單泵單噴嘴系統(tǒng)來說，整個(gè)WHTC循環(huán)偏差不超過8%，可以滿足噴射精度要求。而應(yīng)用該雙噴系統(tǒng)較為理想的方案是1個(gè)尿素泵控制2個(gè)尿素噴嘴，但是2個(gè)尿素噴嘴的聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)尿素泵的穩(wěn)壓及回流功能提出了較高的要求

，若泵壓控制不準(zhǔn)確，導(dǎo)致噴射精度誤差，從而引起NOx排放超標(biāo)。因此，單泵雙噴嘴的泵壓控制成為雙噴系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

前饋控制包括穩(wěn)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)前饋控制。穩(wěn)態(tài)控制將設(shè)定尿素泵壓力轉(zhuǎn)化為尿素泵供給流量，再通過尿素泵特性將供給流量轉(zhuǎn)化為前饋的穩(wěn)態(tài)占空比。動(dòng)態(tài)前饋控制，計(jì)算設(shè)定尿素泵壓力與模型尿素泵壓力的偏差，采用比例控制器將偏差轉(zhuǎn)化為壓力變化輸出，并增加到靜態(tài)前饋的需求壓力上。這樣最終輸出的占空比包含穩(wěn)態(tài)控制占空比與動(dòng)態(tài)前饋修正占空比。這種控制方式響應(yīng)快速、標(biāo)定簡(jiǎn)單。通過前饋控制，可以快速響應(yīng)噴嘴噴射對(duì)尿素泵壓力影響，提前增加尿素泵占空比，增加尿素量以維持壓力。

尿素泵流量特性公式如下所示：

(1)

對(duì)于輸出流量特性，采用壓力流量控制的節(jié)流小孔公式

，當(dāng)流動(dòng)為紊流時(shí)其流量壓力特性如下所示：

雙噴嘴尿素噴射系統(tǒng)示意如圖2所示，主要由尿素泵電機(jī)、尿素壓力腔、回流閥、噴嘴1、噴嘴2和尿素壓力傳感器等組成。工作原理如下，尿素泵電機(jī)從尿素箱中抽取尿素到尿素泵壓力腔中，通過尿素壓力傳感器可監(jiān)控尿素壓力變化，同時(shí)一部分尿素通過回流閥回流到尿素箱中，通過控制噴嘴1和噴嘴2占空比驅(qū)動(dòng)尿素噴嘴進(jìn)行噴射量控制，周期性地噴射尿素到排氣尾管中，以達(dá)到消除尾氣NOx的目的。

(2)

噴嘴1流量計(jì)算：

(3)

雙噴SCR系統(tǒng)為緊耦合SCR技術(shù)，在傳統(tǒng)的DOC+DPF+SCR+ASC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將整塊的SCR拆分成2部分：緊耦合SCR和第2級(jí)SCR，將ccSCR布置在緊靠發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后，采用2套還原劑噴射系統(tǒng)間歇或同時(shí)噴射，使后處理系統(tǒng)能夠兼顧低溫和高溫下的NOx轉(zhuǎn)化效率。該系統(tǒng)的緊耦合SCR通常采用低溫起燃性能良好的催化劑，高溫性能要求較低，第2級(jí)SCR需要滿足較高的轉(zhuǎn)化效率要求，兩級(jí)SCR互相配合使整體的NOx排放量進(jìn)一步降低

。典型的雙SCR系統(tǒng)布置如圖1所示，主要由ccSCR、DOC、DPF和SCR等組成，ccSCR上游安裝尿素噴嘴1，SCR上游安裝尿素噴嘴2，ECU控制策略根據(jù)ccSCR和SCR上游溫度及目標(biāo)NOx轉(zhuǎn)化效率分別計(jì)算兩個(gè)噴嘴的需求尿素噴射量，噴射控制模塊根據(jù)需求的尿素噴射量驅(qū)動(dòng)噴嘴實(shí)現(xiàn)目標(biāo)尿素噴射，以滿足排放法規(guī)要求。

(4)

閉環(huán)控制根據(jù)尿素泵模型壓力與實(shí)際尿素泵壓力偏差進(jìn)行閉環(huán)控制，通過PI控制器得到閉環(huán)的壓力變化量，該修正加到前饋壓力變化量上，再經(jīng)過壓力流量模型和尿素泵特性模型得到尿素泵占空比，實(shí)現(xiàn)泵壓的精準(zhǔn)控制。

(5)

對(duì)微分方程左邊離散化，如下所示，

(6)

將(1)、(2)、(3)、(4)和(6)帶入式(5)，得到壓力的代數(shù)方程，計(jì)算尿素泵的模型壓力。

2.2 控制模型結(jié)構(gòu)

基于模型的雙噴系統(tǒng)尿素泵壓力控制設(shè)計(jì)如圖3所示，包含前饋控制、尿素泵壓力模型和閉環(huán)控制三個(gè)控制路徑。

尿素泵壓力模型，輸入為實(shí)際的尿素泵驅(qū)動(dòng)占空比，上一時(shí)刻的尿素泵模型壓力，噴嘴1實(shí)際狀態(tài)和噴嘴2實(shí)際狀態(tài)，輸出為當(dāng)前時(shí)刻的尿素泵模型壓力。通過實(shí)際尿素泵結(jié)構(gòu)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)定模型的流量系數(shù)參數(shù)和彈性體積模量。該模型周期性地執(zhí)行計(jì)算。

根據(jù)尿素噴射系統(tǒng)工作原理，以壓力腔及尿素管中尿素為研究對(duì)象，輸入尿素為尿素泵供給，輸出包括三種：回流閥回流尿素，噴嘴1噴射尿素和噴嘴2噴射尿素。通過控制尿素泵電機(jī)占空比可以控制尿素泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制系統(tǒng)輸入流量。建立尿素泵壓力計(jì)算物理模型，實(shí)時(shí)計(jì)算尿素泵壓力值。

以上公式中，n

——尿素泵轉(zhuǎn)速，ρ

——尿素密度，V

——尿素泵每轉(zhuǎn)提供的尿素體積，P

——尿素泵壓力腔模型壓力，P

——外部空間壓力，C

——回流閥流量系數(shù)，A

——回流閥有效流通面積，C

——噴嘴1流量系數(shù)，A

——噴嘴1有效流通面積，C

——噴嘴2流量系數(shù)，A

——噴嘴2有效流通面積，根據(jù)質(zhì)量守恒方程，建立如下壓力腔的壓力微分方程

，其中，β

為彈性體積模量，V為尿素泵壓力及管路體積：

ΔIVC水平在一定程度上能夠預(yù)測(cè)容量反應(yīng)性的好壞[16-18]。在通常情況下，容量反應(yīng)性良好時(shí)，可通過擴(kuò)容以穩(wěn)定患者的血流動(dòng)力學(xué)，改善組織的血液灌注。而冠狀動(dòng)脈病變后，可引起冠狀動(dòng)脈血供急劇減少或中斷，導(dǎo)致相應(yīng)的心肌發(fā)生嚴(yán)重、持久的急性缺血，進(jìn)而引發(fā)心肌壞死[19]。本研究中，RT-3DE檢測(cè)的RAA、RVDd值明顯高于CU檢測(cè)結(jié)果，ΔIVC值明顯低于CU檢測(cè)結(jié)果，AF患者ΔIVC水平偏低，表明RT-3DE檢測(cè)數(shù)據(jù)更好顯示出患者的右心室增大。

通過以上三個(gè)控制路徑協(xié)同，尿素泵可快速響應(yīng)2個(gè)尿素噴嘴間歇或同時(shí)噴射導(dǎo)致的泵壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單泵雙噴嘴的泵壓穩(wěn)定、精確控制。

3 單泵雙噴嘴控制模型驗(yàn)證

對(duì)于本文建立的控制方案，集成到ECU中進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試。首先啟用傳統(tǒng)PID控制方式，進(jìn)行WHTC循環(huán)試驗(yàn)，然后切換基于模型的控制方式，進(jìn)行WHTC循環(huán)試驗(yàn)?；谀Ｐ偷目刂品绞降尿?yàn)證首先用MATLAB建立了尿素噴射系統(tǒng)的Simulink模型，通過離線仿真的方法驗(yàn)證了該模型可實(shí)現(xiàn)泵壓控制，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)尿素噴射系統(tǒng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證，該方案可快速響應(yīng)尿素噴嘴噴射導(dǎo)致的泵壓波動(dòng)，泵壓可在設(shè)定值附近小范圍波動(dòng)。最后進(jìn)行了WHTC循環(huán)下的泵壓力控制效果驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的PID方式的控制效果進(jìn)行了對(duì)比。兩種泵壓控制方式對(duì)比如圖4所示。在WHTC運(yùn)行中，綠色為尿素泵壓力設(shè)定值9bar，藍(lán)色為傳統(tǒng)PID控制尿素泵壓力曲線，紅色為基于模型的尿素泵壓力控制曲線。從圖中可以看出，在雙噴嘴同時(shí)工作的情況下，尿素泵壓力控制效果優(yōu)于單泵單噴嘴PID控制方案，尿素泵壓力偏差控制在5%以內(nèi)，優(yōu)于單泵單噴嘴3%以上。從對(duì)比結(jié)果可以看出，基于模型的控制方法泵壓波動(dòng)明顯小于傳統(tǒng)PID控制方式。

4 結(jié)論

針對(duì)雙噴射系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了基于模型的尿素泵控制策略，首先根據(jù)尿素泵和噴嘴的工作原理構(gòu)建基于流量壓力的部件物理模型，并通過質(zhì)量守恒方程建立關(guān)于尿素泵壓力的微分方程，通過離散化建立離散壓力模型，然后設(shè)計(jì)基于逆模型的前饋控制和反饋控制策略，實(shí)現(xiàn)尿素泵壓力控制。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)模型壓力能夠反映實(shí)際壓力變化，通過模型壓力和設(shè)定壓力閉環(huán)可使得泵壓響應(yīng)更快，泵壓控制更精確。

我把眼光移到楊校長(zhǎng)身后的墻上。墻上掛著世界地圖和中國(guó)地圖。我知道楊校長(zhǎng)是胸懷世界的，可眼前的世界真是太小了，五大洲四大洋加在一起，也不過就那么兩尺來寬。

與國(guó)外相比，目前國(guó)內(nèi)征信行業(yè)尚處在市場(chǎng)化起步階段，潛在市場(chǎng)容量相對(duì)較大，但行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量信用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性、實(shí)用性，產(chǎn)品質(zhì)量信用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、孤立性，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管政策的滯后性、針對(duì)性等問題需要不斷完善。

(2)基于模型的尿素噴射控制方案壓力控制穩(wěn)定，整個(gè)WHTC循環(huán)偏差不超過5%。

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[2]Summary of worldwide engine and vehicle emission standards.[EB/OL].[2019-03-28].https://www.dieselnet.com/standards/.

[3]王志堅(jiān),王曉華,郭圣剛,李建文,王意寶,孔夢(mèng)茜,帥金石.滿足重型柴油機(jī)超低排放法規(guī)的后處理技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].環(huán)境工程,2020(09):159-167.

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