一種基于尿素分解效率的柴油機scr系統(tǒng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于柴油機后處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法。首先提出尿素分解效率的概念，并給出其表達(dá)式η=f(t,v,p)。在此基礎(chǔ)上，制定了一套柴油機SCR系統(tǒng)控制方法：然后根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷百分比，通過柴油機靜態(tài)MAP圖得到柴油機排氣流量和排氣中NOx的濃度，進而求出尿素水溶液基本噴射量Q1用尿素分解效率對Q1修正之后都到Q2，Q2即為穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量。考慮到柴油機的瞬態(tài)工況，還可以對Q2進行瞬態(tài)修正，得出最終柴油機實際需要的尿素水溶液噴射量Q3。本發(fā)明引入尿素分解效率這一參數(shù)，可根據(jù)發(fā)動機的不同運行工況，精確給出尿素水溶液噴射量，在實現(xiàn)NOx高效率轉(zhuǎn)化同時，有效降低NH3泄漏量。
【專利說明】—種基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柴油機排氣后處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柴油機因其良好的動力性和經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于各類交通工具、工程機械和農(nóng)業(yè)機械中。但是柴油機的氮氧化物(NOx)排放是主要大氣污染物之一，對環(huán)境和人類健康造成了很大的危害。通過機內(nèi)凈化措施降低柴油機NOx排放的方法已經(jīng)很難滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，所以現(xiàn)在的研究重點轉(zhuǎn)向柴油機后處理技術(shù)。而在諸多降低NOx排放的后處理技術(shù)當(dāng)中，采用氨氣(NH3)作為還原劑的選擇性催化還原(SCR)是技術(shù)最有前景的技術(shù)之一，實際應(yīng)用中用尿素水溶液替代NH3。該技術(shù)通過在排氣管中噴入一定濃度的尿素水溶液,與尾氣混合后一同進入SCR反應(yīng)器，在催化劑的作用下由尿素經(jīng)熱解和水解反應(yīng)產(chǎn)生的氨氣和NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮氣和水。
[0003]但是尿素SCR技術(shù)仍然存在一定的技術(shù)瓶頸，主要體現(xiàn)在尿素水溶液噴射量難以確定，噴射量不足會導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率太低，噴射量過大又會導(dǎo)致氨氣泄露，造成二次污染。因此，尿素水溶液的噴射量一定要精確控制，在保證氨氣泄漏量不超標(biāo)的前提下，達(dá)到最大的
NOx轉(zhuǎn)化率。
[0004]以往的控制方法基本思路是:首先根據(jù)柴油機工況(轉(zhuǎn)速、扭矩等)，通過柴油機靜態(tài)MAP圖得到排氣總流量和排氣中的NOx濃度，從而計算出NOx的排氣流量，據(jù)此確定柴油機尿素水溶液的基本噴射量；然后對其進行穩(wěn)態(tài)修正，得到穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量。然而，因為尿素很難完全轉(zhuǎn)化為NH3，所以在得到尿素水溶液穩(wěn)態(tài)噴射量之前，應(yīng)該考慮尿素的分解效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提出尿素分解效率的概念，并以此為基礎(chǔ)提出一種基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法。
[0006]假設(shè)在某一排氣組分和排氣溫度下，向柴油機SCR系統(tǒng)中噴射一定量的尿素水溶液(尿素濃度為32.5%)實際分解得到的NH3質(zhì)量流量為Hi1，等量等濃度的尿素水溶液理論上完全分解得到的NH3質(zhì)量流量為m2,定義η = Hi1Zrn2為尿素分解效率。
[0007]尿素分解效率與多種因素有關(guān)，本發(fā)明將尿素分解效率用公式η =/(i, f, p)轟示。其中，U V, P分別表示排氣溫度、空速、尿素水溶液的噴射壓力。
[0008]本發(fā)明提出的基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法，具體步驟如下:
(1):根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷百分比，通過柴油機靜態(tài)MAP圖得到柴油機排氣流量和排氣中NOx的濃度；
(2):根據(jù)步驟⑴得到的柴油機排氣流量和排氣中NOx的濃度求得排氣中的NOx流量，進而根據(jù)SCR反應(yīng)中NOx和NH3摩爾數(shù)之比以及尿素水溶液濃度，求出尿素水溶液基本噴射M-Q1 ；
(3):向柴油機SCR系統(tǒng)中噴射尿素水溶液實際分解得到的NH3質(zhì)量流量為Hi1，等量等濃度的尿素水溶液理論上完全分解得到的NH3質(zhì)量流量為m2,定義η = Hi1Zrn2為尿素分解效率；通過排氣溫度?、空速r和尿素水溶液/7噴射壓力等參數(shù)，根據(jù)公式η =/(i, F, /7)，求出此時的尿素分解效率n； (4):根據(jù)步驟(3)得到的尿素分解效率η對尿素水溶液基本噴射量0進行修正，由尿素水溶液基本噴射量0除以尿素分解效率rI得出尿素水溶液理論噴射量仏，即為穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量；
(5):當(dāng)柴油機處于穩(wěn)態(tài)時，采用步驟(I)-步驟(4)進行控制，當(dāng)發(fā)動機處于瞬態(tài)工況下時，為了給發(fā)動機提供更加精確地尿素水溶液噴射量，需要對穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量進行瞬態(tài)修正；在尿素水溶液穩(wěn)態(tài)噴射量Q2的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機瞬態(tài)工況下NOx轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度和空速等的變化規(guī)律，對Q2進行瞬態(tài)修正，得出各瞬態(tài)工況下發(fā)動機實際需要的尿素水溶液噴射量Q3。
[0009]本發(fā)明中，所述尿素水溶液中的尿素濃度為32.5%。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:引入尿素分解效率這一參數(shù)，可以根據(jù)發(fā)動機的不同運行工況，精確的給出尿素水溶液噴射量，在實現(xiàn)NOx高效率轉(zhuǎn)化的同時，有效降低NH3泄漏量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是尿素分解效率隨排氣溫度的變化關(guān)系。
[0012]圖2是尿素分解效率的確定方法。
[0013]圖3是本發(fā)明穩(wěn)態(tài)控制方法邏輯框圖。
[0014]圖4是本發(fā)明瞬態(tài)控制方法邏輯框圖。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實施舉例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。
[0016]實施例1:通過柴油機排氣溫度、空速、尿素水溶液噴射壓力等參數(shù)確定尿素分解效率
本發(fā)明以一臺排量為7升的柴油機為例，利用仿真軟件對柴油機SCR系統(tǒng)的內(nèi)部反應(yīng)進行模擬計算，在其它影響因素不變的條件下，得出尿素分解效率隨排氣溫度的變化關(guān)系，如圖1所示。
[0017]由圖1可以看出，尿素分解效率隨排氣溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且當(dāng)排氣溫度為350°C時，對應(yīng)的尿素分解效率可達(dá)97.5%。
[0018]同樣，我們也可以得出尿素分解效率分別隨空速和尿素水溶液噴射壓力的變化關(guān)系，進而可以推得公式η=/(?, f, ρ)的具體表達(dá)式，如圖2所示。
[0019]實施例2:基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制方法
本發(fā)明在以往柴油機SCR系統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，考慮了尿素分解效率對所需的尿素水溶液噴射量的影響，以此對控制方法進行優(yōu)化。如圖3所示，該方法具體實施過程如下:
(I):在柴油機轉(zhuǎn)速分別為700rpm、I lOOrpm、1500rpm> 1900rpm> 2300rpm,負(fù)荷百分比分別為20%、40%、60%、80%、100%的情況下，得到柴油機排氣流量和排氣中NO的濃度的靜態(tài)MAP圖。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為1200rpm，負(fù)荷百分比為50%時，根據(jù)柴油機靜態(tài)MAP圖得出此工況下的柴油機排氣流量為120g/s，排氣中NO的濃度為900ppm，NO2濃度為IOOppm ；
(2 ):根據(jù)步驟(I)得到的排氣流量和排氣中NO、NO2的濃度求得排氣中NO和NO2的流量分別為0.108g/s和0.012g/s，進而根據(jù)SCR反應(yīng)中NOx和NH3的摩爾數(shù)之比以及尿素水溶液濃度32.5%，求出尿素水溶液基本噴射量Q1為0.356g/s ；
(3):通過傳感器測得此工況下的排氣溫度、空速、尿素水溶液噴射壓力等參數(shù)分別為i=40(TC、r=45000/h、/?=0.33MPa,根據(jù)公式η=/(Χ f, /?)求出此時的尿素分解效率η=93% ；
(4):根據(jù)尿素分解效率對尿素水溶液基本噴射量進行修正，由尿素水溶液基本噴射量Q1除以尿素分解效率H得出尿素水溶液理論噴射量Q2=0.383g/s, Q2即為穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量。
[0020]實施例3:瞬態(tài)工況下尿素水溶液噴射量的修正
以上實施例中的控制方法為典型的穩(wěn)態(tài)控制方法。然而，當(dāng)發(fā)動機處于瞬態(tài)工況時，這種方法很難精確地為發(fā)動機提供實際需要的尿素水溶液噴射量。
[0021]因此，我們可以在原有控制方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機瞬態(tài)工況下NOx轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度和空速等的變化規(guī)律，對尿素水溶液穩(wěn)態(tài)噴射量進行瞬態(tài)修正，得出各瞬態(tài)工況下發(fā)動機實際需要的尿素水溶液噴量，如圖4所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法，其特征在于具體步驟如下: (1):根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷百分比，通過柴油機靜態(tài)MAP圖得到柴油機排氣流量和排氣中NOx的濃度； (2):根據(jù)步驟⑴得到的柴油機排氣流量和排氣中NOx的濃度求得排氣中的NOx流量，進而根據(jù)SCR反應(yīng)中NOx和NH3摩爾數(shù)之比以及尿素水溶液濃度，求出尿素水溶液基本噴射m.Qi ； (3):向柴油機SCR系統(tǒng)中噴射尿素水溶液實際分解得到的NH3質(zhì)量流量為Hi1，等量等濃度的尿素水溶液理論上完全分解得到的NH3質(zhì)量流量為m2,定義η = Hi1Zrn2為尿素分解效率；通過排氣溫度?、空速r和尿素水溶液/7噴射壓力等參數(shù)，根據(jù)公式η =/(i, F, /7)，求出此時的尿素分解效率n； (4):根據(jù)步驟(3)得到的尿素分解效率η對尿素水溶液基本噴射量0進行修正，由尿素水溶液基本噴射量0除以尿素分解效率rI得出尿素水溶液理論噴射量仏，即為穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量； (5):當(dāng)柴油機處于穩(wěn)態(tài)時，采用步驟(I)-步驟(4)進行控制，當(dāng)發(fā)動機處于瞬態(tài)工況下時，為了給發(fā)動機提供更加精確地尿素水溶液噴射量，需要對穩(wěn)態(tài)下的尿素水溶液噴射量進行瞬態(tài)修正；在尿素水溶液穩(wěn)態(tài)噴射量Q2的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機瞬態(tài)工況下NOx轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度和空速等的變化規(guī)律，對Q2進行瞬態(tài)修正，得出各瞬態(tài)工況下發(fā)動機實際需要的尿素水溶液噴射量Q3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于尿素分解效率的柴油機SCR系統(tǒng)控制方法，其特征在于所述尿素濃度為 32.5%。
【文檔編號】F01N3/20GK103470353SQ201310314614
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】譚丕強, 杜加振, 胡志遠(yuǎn), 樓狄明 申請人:同濟大學(xué)