基于OBD監(jiān)測的國六柴油機NOx排放方法研究

陳棟棟，彭麗娟，高慎勇，李云華，孫曉宇

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.林德液壓(中國)有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機的主要排放污染物是NOx和顆粒物。文獻[1]降低了NOx等污染物排放的限值，變更了排放測試循環(huán)，修訂了車載診斷系統(tǒng)(on board diagnostics，OBD)監(jiān)測的項目、限值及監(jiān)測條件等技術(shù)要求，這對OBD監(jiān)測提出了挑戰(zhàn)。為了滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，發(fā)動機廠使用更高效的選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)系統(tǒng)并輔以更復(fù)雜的模型來控制NOx排放[2-3]，但NOx排放控制是一個動態(tài)、多邊界的控制過程，在這復(fù)雜過程中，如何有效控制NOx排放，特別是有效監(jiān)測SCR的轉(zhuǎn)化效率，是國六階段重型柴油車的難題[4]。

本文中根據(jù)國六標(biāo)準(zhǔn)中NOx排放控制的具體要求，提出一種NOx的監(jiān)測與標(biāo)定方法，并結(jié)合某柴油機進行標(biāo)定，驗證SCR劣化件的報錯情況與SCR正常件的誤報錯余量，確保提出的方法能夠?qū)崟r準(zhǔn)確監(jiān)測NOx排放，并在NOx排放將要超過國六標(biāo)準(zhǔn)要求的OBD限值(OBD threshold limits，OTLs)時，及時有效甄別并觸發(fā)監(jiān)控器以提醒駕駛員，實現(xiàn)有效監(jiān)測的目標(biāo)。

1 國六標(biāo)準(zhǔn)中NOx排放要求

相比國五排放標(biāo)準(zhǔn)，國六標(biāo)準(zhǔn)重新定義了重型柴油機標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)及排放限值，排放試驗分為穩(wěn)態(tài)循環(huán)(world harmonized steady-state cycle，WHSC)和瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)，WHSC循環(huán)包含13個具體的穩(wěn)態(tài)試驗工況，WHTC循環(huán)包含1800個逐秒變換的試驗工況。國六標(biāo)準(zhǔn)還新增柴油機非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(world not to exceed，WNTE)排放測試要求和限值、整車實際道路行駛排放測試要求和限值。穩(wěn)態(tài)循環(huán)、瞬態(tài)循環(huán)、非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)基本覆蓋了柴油機全部運行工況。

國六標(biāo)準(zhǔn)要求對車輛全生命周期內(nèi)導(dǎo)致排放超過OTLs的故障進行監(jiān)測，若故障導(dǎo)致的排放超過相應(yīng)的OTLs，則該故障為A類故障，其中NOx排放的限值為1200 mg/(kW·h)；若生態(tài)環(huán)境主管部門選擇的故障導(dǎo)致排放超過OTLs，生產(chǎn)企業(yè)需進行排放測試驗證，劣化部件或裝置不應(yīng)導(dǎo)致相關(guān)排放超出OTLs的20%，即冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)的NOx排放應(yīng)小于1440 mg/(kW·h)[5]。與國五和歐六排放標(biāo)準(zhǔn)相比，國六標(biāo)準(zhǔn)的要求更加嚴(yán)格細(xì)致[6]，它規(guī)定的各排放測試循環(huán)的NOx限值如表1所示。

表1 不同排放測試循環(huán)的NOx限值

OBD系統(tǒng)監(jiān)測到A類故障時啟動駕駛員報警系統(tǒng)和A類故障計數(shù)器，當(dāng)A類故障累計達(dá)到36 h且未被排除時，激活初級駕駛性能限制系統(tǒng)對車輛實施限扭措施；若發(fā)動機持續(xù)運行，A類故障累計達(dá)到100 h未被排除，則激活嚴(yán)重駕駛性能限制系統(tǒng)對車輛實施限速措施；故障排除后，各級限制措施相應(yīng)取消[7]。

2 OBD測試循環(huán)的特征分析

OBD測試循環(huán)為熱態(tài)WHTC循環(huán)，為便于展開NOx排放超OTLs的標(biāo)定研究，需要對熱態(tài)WHTC的特征參數(shù)進行解析。WHTC循環(huán)中逐秒變化的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的規(guī)范百分值如圖1所示。

圖1 WHTC試驗循環(huán)工況分布

從工況分布方面分析，按照運行時間順序，WHTC循環(huán)中城市工況、郊區(qū)工況、高速工況分別占49.6%、26.0%、24.4%，與國五標(biāo)準(zhǔn)歐洲瞬態(tài)循環(huán)相比，國六WHTC循環(huán)中低速低負(fù)荷工況所占比重明顯增加[8]。從工況運行特點分析，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩逐秒變換將導(dǎo)致原機NOx排放(指發(fā)動機本體缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx排放，是SCR上游的NOx排放)、排氣溫度、排氣流量、尿素噴射量、SCR下游NOx排放等參數(shù)實時變化。

WHTC循環(huán)過程中原機NOx排放隨時間的變化如圖2所示。由圖2可知，圖中每個點的NOx排放是相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況點NOx排放的瞬態(tài)表現(xiàn)，整體與穩(wěn)態(tài)相符但又存在一定的偏差。

圖2 原機NOx排放隨時間的變化

WHTC循環(huán)過程中SCR溫度隨時間的變化如圖3所示，WHTC循環(huán)過程中尿素噴射量隨時間的變化如圖4所示。

研究用發(fā)動機后處理系統(tǒng)為氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-SCR技術(shù)路線，SCR上游的DOC和DPF充當(dāng)熱容，導(dǎo)致出現(xiàn)圖3中的SCR溫度變化緩慢現(xiàn)象，相對于發(fā)動機排溫，溫度上升和下降都存在一定的遲滯。圖4中的尿素噴射量是以SCR下游NOx排放滿足國六標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)的發(fā)動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)閉環(huán)反饋值，與圖2對照可知，尿素噴射量跟原機NOx排放呈強正相關(guān)。瞬態(tài)過程中各項關(guān)鍵參數(shù)雖然復(fù)雜多變但同時為NOx排放監(jiān)測指明了方向。

圖3 SCR溫度隨時間的變化 圖4 尿素噴射質(zhì)量流量隨時間的變化

3 監(jiān)測與標(biāo)定方法

用對SCR轉(zhuǎn)化效率的監(jiān)測等效替代對NOx排放超OTLs的監(jiān)測。影響SCR轉(zhuǎn)化效率的因素一般有SCR催化器本體水熱老化[9]、原機NOx排放增加、尿素噴射系統(tǒng)異常、尿素品質(zhì)低劣、SCR結(jié)晶等，需要基于硬件配置進行監(jiān)測策略的制定。試驗用SCR系統(tǒng)硬件配置包含SCR上游NOx傳感器、SCR下游NOx傳感器、SCR上游溫度傳感器、SCR下游溫度傳感器、尿素噴射系統(tǒng)等。根據(jù)硬件配置結(jié)合國六標(biāo)準(zhǔn)要求提出SCR轉(zhuǎn)化效率的基本計算邏輯為：基于SCR下游NOx傳感器測量的NOx質(zhì)量流量和SCR上游傳感器測量的NOx質(zhì)量流量計算SCR的實際轉(zhuǎn)化效率，通過map查找轉(zhuǎn)化效率限值，當(dāng)實際轉(zhuǎn)化效率低于轉(zhuǎn)化效率限值時，報出相應(yīng)的故障，進行報警亮燈或系統(tǒng)降級。

SCR實際轉(zhuǎn)化效率

式中：qm,1為SCR下游NOx質(zhì)量流量，mg/s；qm,2為SCR上游NOx質(zhì)量流量，mg/s；t0為開始時刻；t1為結(jié)束時刻。

SCR轉(zhuǎn)化效率限值B為同一時間段內(nèi)查map得到的效率限值均值。

具備判定條件后，若AB則適時取消報錯。

監(jiān)測策略包含效率計算的使能條件和范圍條件，使能條件和范圍條件必須同時滿足才能確保效率計算正確，并與限值效率進行比較。

效率計算的使能條件包含：SCR上、下游NOx傳感器信號，尿素供給狀態(tài)有效，上游NOx質(zhì)量流量、SCR溫度變化梯度、上游廢氣流量變化梯度、氨載量、環(huán)境溫度與壓力、需求尿素噴射量與實際噴射量比值、冷卻液溫度在一定范圍內(nèi)等。

效率計算的范圍條件包含：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機噴油量、上游NOx質(zhì)量流量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SCR溫度、發(fā)動機廢氣流量在合理范圍內(nèi)等。

科學(xué)的SCR轉(zhuǎn)化效率計算方法非常重要。本文中提出基于上游NOx質(zhì)量累計窗口法的監(jiān)測計算方法：若使能條件和范圍條件同時滿足，則開始對轉(zhuǎn)化效率進行監(jiān)控、積分，當(dāng)上游NOx排放質(zhì)量累計達(dá)到某個閾值，就開始對此窗口期的累計平均轉(zhuǎn)化效率進行計算，得到實際累計平均效率并與標(biāo)定的效率限值進行比較，若計算的實際效率大于效率限值，則說明SCR轉(zhuǎn)化效率正常，反之則說明SCR轉(zhuǎn)化效率異常。另外，若使能條件不滿足則監(jiān)控積分清零，待到條件滿足后重新進行監(jiān)控積分；若范圍條件不滿足則積分凍結(jié)，待到條件滿足后繼續(xù)進行累計積分。此外為確保監(jiān)測的可靠性，可設(shè)定連續(xù)兩次實際計算效率低時方可觸發(fā)監(jiān)控器，同理可設(shè)定連續(xù)兩次計算效率正常后方可自行消除報警亮燈及系統(tǒng)降級。

隨著發(fā)動機運行里程的不斷增加，SCR性能不斷劣化，當(dāng)劣化到NOx排放將超出OTLs時就是ECU觸發(fā)監(jiān)控器的時刻。用于標(biāo)定或演示用的SCR劣化件直接影響標(biāo)定準(zhǔn)確性，為此采用高溫老化方式制作SCR劣化件，這種高溫老化方式符合SCR部件隨時間不斷劣化的實際情況。通過控制SCR溫度在700～800 ℃來模擬老化過程，期間定時進行SCR單點效率確認(rèn)及WHTC循環(huán)排放確認(rèn)，當(dāng)冷、熱態(tài)WHTC的加權(quán)NOx排放為1.1～1.2 g/(kW·h)時，SCR劣化件制作完成，此時的SCR劣化件可用于NOx排放超OTLs的標(biāo)定及報錯演示。

不考慮空速的影響并固定尿素噴射當(dāng)量比為1.1時，SCR正常件與SCR裂化件的轉(zhuǎn)化效率對比如圖5所示。

圖5 SCR正常件和劣化件的轉(zhuǎn)化效率對比

由圖5可知：不同溫度下的SCR轉(zhuǎn)化效率劣化程度有所差異，高溫(400 ℃以上)時，SCR轉(zhuǎn)化效率較低且劣化最明顯，中溫(280～360 ℃)時SCR轉(zhuǎn)化效率最高且劣化最少，低溫(230 ℃以下)時SCR轉(zhuǎn)化效率最低且劣化較明顯。

采用Simulink將上述轉(zhuǎn)化效率監(jiān)控、積分等邏輯編成為電控邏輯(代碼)并嵌入到ECU軟件中，然后通過INCA標(biāo)定軟件進行相關(guān)的標(biāo)定與驗證。電控邏輯的控制策略流程如圖6所示。

圖6 電控邏輯控制策略流程圖

4 結(jié)果分析

用本文中提出的監(jiān)控和標(biāo)定方法完成了ECU標(biāo)定并用SCR正常件和劣化件進行驗證試驗。WHTC循環(huán)原機NOx排放、廢氣中的NOx排放(指經(jīng)過SCR后處理的下游NOx排放，即排放標(biāo)準(zhǔn)需要監(jiān)測的NOx排放)分別如圖7、8所示。

圖7 WHTC循環(huán)原機NOx排放 圖8 WHTC循環(huán)SCR正常件、劣化件廢氣中NOx排放

由圖7可知：1)整個WHTC循環(huán)的NOx累計排放質(zhì)量為122 g；2)WHTC經(jīng)過340 s時開始具備監(jiān)測條件并進行測量，其原因為監(jiān)控方法以SCR上游NOx傳感器測量的NOx質(zhì)量流量為基準(zhǔn)，而NOx傳感器釋放測量需要一定時間。考慮WHTC循環(huán)需要有效釋放、監(jiān)測、觸發(fā)監(jiān)控器，同時避免實際應(yīng)用過程中過度監(jiān)測及誤判的情況，確定以24 g作為NOx效率計算的閾值，占整個WHTC循環(huán)NOx排放總質(zhì)量的20%。

由圖8可知：SCR劣化件廢氣中NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于正常件，OBD監(jiān)測正是利用SCR劣化件廢氣中NOx排放增加從而計算出實際轉(zhuǎn)化效率下降來判定劣化程度并進一步判定是否觸發(fā)OBD監(jiān)控器。

對SCR劣化件和正常件進行WHTC循環(huán)試驗驗證，結(jié)果如圖9所示。

a)劣化件 b)正常件

在如圖9a)可知，當(dāng)開始OBD監(jiān)測即對NOx質(zhì)量流量進行積分，當(dāng)NOx質(zhì)量大于閾值，即黑色虛線超過黑色實線時具備效率計算條件，延遲一定時間穩(wěn)定后進行實際轉(zhuǎn)化效率計算并與效率限值進行比較，若紅色虛線低于紅色實線即表明SCR實際效率低于效率限值，將觸發(fā)OBD監(jiān)控器。從完整WHTC循環(huán)可以看出，有4次機會具備OBD監(jiān)測釋放條件(黑色虛線)能夠進行積分，其中有3次機會具備效率計算條件，即圖中黑色虛線超出黑色實線，前2次實際轉(zhuǎn)化效率計算結(jié)果為70.3%、68.7%，均低于效率限值(73%)，觸發(fā)了OBD監(jiān)控器，滿足OBD監(jiān)測要求；第3次計算的實際效率為93.9%，高于效率限值，但不影響SCR轉(zhuǎn)化效率的整體判定，因為WHTC循環(huán)后半段是高速路譜，整體運行平穩(wěn)、負(fù)荷較高、SCR排溫較合適，使轉(zhuǎn)化效率也相對較高。

由圖9b)可知，3次計算的實際轉(zhuǎn)化效率分別為96.4%、96.7%、98.9%，均高于效率限值并有一定的余量，此余量的存在能夠有效避免實際運行過程中的誤判情況，OBD監(jiān)測釋放和效率計算保持一致。

5 結(jié)語

1)根據(jù)重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn)中OBD監(jiān)測NOx排放要求，提出了一種NOx排放的監(jiān)測與標(biāo)定方法，即基于SCR下游NOx傳感器測量值和SCR上游NOx傳感器測量值計算SCR的實際轉(zhuǎn)化效率，通過map查找限值轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)實際轉(zhuǎn)化效率低于限值轉(zhuǎn)化效率時，報出相應(yīng)的故障，并結(jié)合某柴油機進行標(biāo)定及驗證。

2)提出的監(jiān)測與標(biāo)定方法能夠?qū)崟r準(zhǔn)確計算SCR轉(zhuǎn)化效率，為進一步的監(jiān)測奠定基礎(chǔ)；能夠適時有效判定NOx排放是否超過OTLs，符合國六標(biāo)準(zhǔn)中OBD對NOx監(jiān)測的要求；使SCR正常件能夠留出合理余量防止誤判，使SCR劣化件能夠有效甄別并及時觸發(fā)監(jiān)控器，實現(xiàn)有效監(jiān)測的目標(biāo)。