单泵双喷嘴尿素喷射系统泵压控制策略研究

0 引言

近年来环境污染日益成为大众关注的焦点问题，而柴油机排放的污染物是大气污染的主要来源之一。为了减少柴油机排放对环境的影响，世界各国纷纷出台愈来愈严苛的排放法规

。相比于国五和欧V排放，国六和欧VI阶段排放限值降低了77%，且采用了新的测试循环，世界统一稳态测试循环(world harmonized stationary cycle，WHSC)和世界统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle，WHTC)。美国2007年提出了US 2010法规，在美国联邦测试(federal test procedure，FTP)瞬态循环下NOx排放限值为0.272 g/kWh。美国加州空气资源委员会(California air resources board，CARB)于2015年提出了加州超低NOx排放法规，NOx排放限值降低至0.027 g/kWh

，西南研究院的最新研究结果显示，通过双喷等技术实现了NOx的近零排放。中国在继欧洲、美国等发达国家之后，于2019年7月，在国内重点区域正式实施国六排放法规，在2021年7月，中国所有区域全部实施国六排放法规。目前，为了进一步降低排放污染物实现近零排放，国内各主机厂和高校已针对可能的国七法规开展技术储备工作，预计国七法规最早在2025年实施

。

农村教师由于工作量大，需要完成的任务指标多，对于学生的作业方面重视程度不够。同时，教师对于学生的情况没有很好地把握，布置作业有时急于应付形式，很少考虑到时效性。此外，数学教师参考资料缺乏，不关注学生之间的差异，所有练习采用“一刀切”模式。

从图5可以看出，二者均存在较强的相干散射(镜反射)，而非相干散射(漫反射)相对较弱。反射光均在入射平面内的镜反射方向出现了峰值，表现出了明显的镜反射特征。从实验结果得出，表面粗糙度相同的情况下，铜材料表面的镜反射方向的峰值明显高于铝材料，说明粗糙铜板表面更近似于镜面。这主要是由材料本身的特性决定的。对于相同的粗糙度，铜材料表面的高度起伏相对较小，相关性较好。根据镜向反射光强法理论，表面高度起伏的均方根越小，材料表面的双向反射分布率的镜反射分量越强。而铝材料表面起伏更大，相关性较差，因此镜反射相对较弱。

当前，DOC+DPF+SCR+ASC成为满足国六法规排放的标配技术路线，前期的研究结果显示，在此基础上最前端加装紧耦合SCR装置，用于降低冷启动NOx排放，后处理系统整体的NOx转化效率高达99.5%。

项目负责人、丽江师专东巴艺术学院副院长潘宏义介绍项目时说，国家艺术基金项目“纳西族东巴画艺术百年展”是对国家级非物质文化遗产东巴画百年发展的一次总结展示，是对纳西族民族文化的匠心传承和精神守望，试图打通人类精神的共同秘道，寻找人类心灵的共同语言。在民族文化保护传承危机四伏的今天，只有守住民族文化的根脉，才是这个民族最大的财富和遗产，是一个民族得以绵延发展，代代相承的文化基因。讲好中国故事，就是要传承好我们民族的文化和文明。

该路线需要采用单尿素泵双尿素喷嘴，由于喷射时序、喷射量不同，在控制时会产生较大的压力波动，传统的单泵单喷嘴系统泵压控制采用的PID闭环方式已无法满足单泵双喷嘴系统的喷射精度和要求。本文采用基于模型的方式控制尿素泵压力，首先建立单泵双喷嘴系统的物理模型，在此基础上根据压力模型的逆模型设计前馈控制器，再根据实际压力反馈信号与模型压力信号进行闭环控制器设计，输出尿素占空比从而控制尿素泵压力，减少单泵双喷嘴对尿素泵压力控制的影响，提高尿素泵压力稳定性，提高尿素喷射控制精度。

1 双喷嘴尿素喷射系统介绍

喷嘴2流量计算：

回流流出尿素量计算：

采用四字节并行处理,可由40B32B模块给出的K_qb信号在一个四字节时钟内进行检测,并根据Valid_qb信号进行正确/K/字节个数统计,不需要根据单字节时钟去检测和计数,降低了电路运行频率和实现难度。

尿素喷射系统是典型的机、电、液组成的液压系统，主要包括尿素泵、回流阀和喷嘴三大部件，因此针对尿素喷射系统的建模采用液压系统常用的建模方法

。

2 单泵双喷嘴控制模型设计

2.1 物理模型建立

单泵双喷嘴系统与单泵单喷嘴尿素喷射系统最大的差别在于喷射压力的变化更加频繁及扰动的影响更复杂。单泵单喷嘴尿素喷射系统的泵压控制采用传统PID闭环方式，分为两个部分：前馈控制和反馈控制。前馈控制根据压力设定值直接得到基础前馈占空比，并利用尿素喷射量进行前馈占空比修正，反馈控制尿素泵压力恒定为压力设定值，利用尿素泵压力传感器采集的泵压力腔压力作为反馈测量值，从而泵压设定值与泵压实际值进行比较，其差值作为PID控制器的输入，经过比例控制、积分控制和微分控制输出尿素泵电机反馈占空比。该控制方式对单泵单喷嘴系统来说，整个WHTC循环偏差不超过8%，可以满足喷射精度要求。而应用该双喷系统较为理想的方案是1个尿素泵控制2个尿素喷嘴，但是2个尿素喷嘴的联动控制，对尿素泵的稳压及回流功能提出了较高的要求

，若泵压控制不准确，导致喷射精度误差，从而引起NOx排放超标。因此，单泵双喷嘴的泵压控制成为双喷系统的难点之一。

前馈控制包括稳态控制和动态前馈控制。稳态控制将设定尿素泵压力转化为尿素泵供给流量，再通过尿素泵特性将供给流量转化为前馈的稳态占空比。动态前馈控制，计算设定尿素泵压力与模型尿素泵压力的偏差，采用比例控制器将偏差转化为压力变化输出，并增加到静态前馈的需求压力上。这样最终输出的占空比包含稳态控制占空比与动态前馈修正占空比。这种控制方式响应快速、标定简单。通过前馈控制，可以快速响应喷嘴喷射对尿素泵压力影响，提前增加尿素泵占空比，增加尿素量以维持压力。

尿素泵流量特性公式如下所示：

(1)

对于输出流量特性，采用压力流量控制的节流小孔公式

，当流动为紊流时其流量压力特性如下所示：

双喷嘴尿素喷射系统示意如图2所示，主要由尿素泵电机、尿素压力腔、回流阀、喷嘴1、喷嘴2和尿素压力传感器等组成。工作原理如下，尿素泵电机从尿素箱中抽取尿素到尿素泵压力腔中，通过尿素压力传感器可监控尿素压力变化，同时一部分尿素通过回流阀回流到尿素箱中，通过控制喷嘴1和喷嘴2占空比驱动尿素喷嘴进行喷射量控制，周期性地喷射尿素到排气尾管中，以达到消除尾气NOx的目的。

(2)

喷嘴1流量计算：

(3)

双喷SCR系统为紧耦合SCR技术，在传统的DOC+DPF+SCR+ASC系统的基础上，将整块的SCR拆分成2部分：紧耦合SCR和第2级SCR，将ccSCR布置在紧靠发动机涡轮后，采用2套还原剂喷射系统间歇或同时喷射，使后处理系统能够兼顾低温和高温下的NOx转化效率。该系统的紧耦合SCR通常采用低温起燃性能良好的催化剂，高温性能要求较低，第2级SCR需要满足较高的转化效率要求，两级SCR互相配合使整体的NOx排放量进一步降低

。典型的双SCR系统布置如图1所示，主要由ccSCR、DOC、DPF和SCR等组成，ccSCR上游安装尿素喷嘴1，SCR上游安装尿素喷嘴2，ECU控制策略根据ccSCR和SCR上游温度及目标NOx转化效率分别计算两个喷嘴的需求尿素喷射量，喷射控制模块根据需求的尿素喷射量驱动喷嘴实现目标尿素喷射，以满足排放法规要求。

(4)

闭环控制根据尿素泵模型压力与实际尿素泵压力偏差进行闭环控制，通过PI控制器得到闭环的压力变化量，该修正加到前馈压力变化量上，再经过压力流量模型和尿素泵特性模型得到尿素泵占空比，实现泵压的精准控制。

(5)

对微分方程左边离散化，如下所示，

(6)

将(1)、(2)、(3)、(4)和(6)带入式(5)，得到压力的代数方程，计算尿素泵的模型压力。

2.2 控制模型结构

基于模型的双喷系统尿素泵压力控制设计如图3所示，包含前馈控制、尿素泵压力模型和闭环控制三个控制路径。

尿素泵压力模型，输入为实际的尿素泵驱动占空比，上一时刻的尿素泵模型压力，喷嘴1实际状态和喷嘴2实际状态，输出为当前时刻的尿素泵模型压力。通过实际尿素泵结构参数和测量数据标定模型的流量系数参数和弹性体积模量。该模型周期性地执行计算。

根据尿素喷射系统工作原理，以压力腔及尿素管中尿素为研究对象，输入尿素为尿素泵供给，输出包括三种：回流阀回流尿素，喷嘴1喷射尿素和喷嘴2喷射尿素。通过控制尿素泵电机占空比可以控制尿素泵电机转速，从而控制系统输入流量。建立尿素泵压力计算物理模型，实时计算尿素泵压力值。

以上公式中，n

——尿素泵转速，ρ

——尿素密度，V

——尿素泵每转提供的尿素体积，P

——尿素泵压力腔模型压力，P

——外部空间压力，C

——回流阀流量系数，A

——回流阀有效流通面积，C

——喷嘴1流量系数，A

——喷嘴1有效流通面积，C

——喷嘴2流量系数，A

——喷嘴2有效流通面积，根据质量守恒方程，建立如下压力腔的压力微分方程

，其中，β

为弹性体积模量，V为尿素泵压力及管路体积：

ΔIVC水平在一定程度上能够预测容量反应性的好坏[16-18]。在通常情况下，容量反应性良好时，可通过扩容以稳定患者的血流动力学，改善组织的血液灌注。而冠状动脉病变后，可引起冠状动脉血供急剧减少或中断，导致相应的心肌发生严重、持久的急性缺血，进而引发心肌坏死[19]。本研究中，RT-3DE检测的RAA、RVDd值明显高于CU检测结果，ΔIVC值明显低于CU检测结果，AF患者ΔIVC水平偏低，表明RT-3DE检测数据更好显示出患者的右心室增大。

通过以上三个控制路径协同，尿素泵可快速响应2个尿素喷嘴间歇或同时喷射导致的泵压波动，实现单泵双喷嘴的泵压稳定、精确控制。

3 单泵双喷嘴控制模型验证

对于本文建立的控制方案，集成到ECU中进行台架测试。首先启用传统PID控制方式，进行WHTC循环试验，然后切换基于模型的控制方式，进行WHTC循环试验。基于模型的控制方式的验证首先用MATLAB建立了尿素喷射系统的Simulink模型，通过离线仿真的方法验证了该模型可实现泵压控制，然后在发动机试验台架上对尿素喷射系统进行物理模型试验测试与验证，该方案可快速响应尿素喷嘴喷射导致的泵压波动，泵压可在设定值附近小范围波动。最后进行了WHTC循环下的泵压力控制效果验证，并与传统的PID方式的控制效果进行了对比。两种泵压控制方式对比如图4所示。在WHTC运行中，绿色为尿素泵压力设定值9bar，蓝色为传统PID控制尿素泵压力曲线，红色为基于模型的尿素泵压力控制曲线。从图中可以看出，在双喷嘴同时工作的情况下，尿素泵压力控制效果优于单泵单喷嘴PID控制方案，尿素泵压力偏差控制在5%以内，优于单泵单喷嘴3%以上。从对比结果可以看出，基于模型的控制方法泵压波动明显小于传统PID控制方式。

4 结论

针对双喷射系统，本文设计了基于模型的尿素泵控制策略，首先根据尿素泵和喷嘴的工作原理构建基于流量压力的部件物理模型，并通过质量守恒方程建立关于尿素泵压力的微分方程，通过离散化建立离散压力模型，然后设计基于逆模型的前馈控制和反馈控制策略，实现尿素泵压力控制。通过试验验证，得到如下结论：

(1)模型压力能够反映实际压力变化，通过模型压力和设定压力闭环可使得泵压响应更快，泵压控制更精确。

我把眼光移到杨校长身后的墙上。墙上挂着世界地图和中国地图。我知道杨校长是胸怀世界的，可眼前的世界真是太小了，五大洲四大洋加在一起，也不过就那么两尺来宽。

与国外相比，目前国内征信行业尚处在市场化起步阶段，潜在市场容量相对较大，但行业内产品质量信用评估标准的统一性、实用性，产品质量信用数据的准确性、孤立性，产品质量监管政策的滞后性、针对性等问题需要不断完善。

(2)基于模型的尿素喷射控制方案压力控制稳定，整个WHTC循环偏差不超过5%。

[1]Heavy duty diesel emission standards regulation evolution review-current outcomes and future perspectives[C].SAE Paper 2020-36-0174.

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

[3]王志坚,王晓华,郭圣刚,李建文,王意宝,孔梦茜,帅金石.满足重型柴油机超低排放法规的后处理技术现状与展望[J].环境工程,2020(09):159-167.

[4]倪燕丽.基于模型的SCR尿素喷射系统故障诊断研究[D].长春:吉林大学,2013.

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