CN102400747B - 用于尿素还原剂剂量的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于：由理论计算的柴油车排放的NOX总量对尿素还原剂的需求量曲线A、为防止尿素过量喷射而采用质量流量计控制在理论需求6~15ml以下的需求量曲线B以及对需求量曲线B拟合前的实际需求量曲线C折线构成，以需求量曲线C折线作为柴油车排放控制过程的尿素喷射，既能满足国4以上SCR标准要求，又不至于产生NH3逃逸量，可以取消对NH3进行氧化处理的DOC装置，简化车辆配置，降低成本。

Description

用于尿素还原剂剂量的标定方法
技术领域
本发明涉及一种用于尿素还原剂剂量的标定方法，应用于汽车尾气的后处理行业。 
背景技术
未来几年内，全球的汽车生产商的排放达标方面将强制性地实施一些更严厉的规格，例如，欧5和欧6排放标准。在排放法规的压力下，选择恰当的后处理技术策略和装备，例如，SCR（Selective Catalytic Reduction）催化转化还原技术，DPF（Diesel Particulate Filter ）颗粒捕捉器，DOC （DieselOxidation Catalyst）氧化型催化器等。 
SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出NH3 ，作为还原剂的NH3和发动机排气中的 NOx在催化剂和温度的综合作用下进行反应，理想工况下生成无毒的 N2和 H2O，从而达到净化的目的。 
目前，欧洲的大多数制造商已经采用SCR技术来实现欧4和欧5标准。以戴克集团为例，自2005年元月开始，就推出满足欧4和欧5标准的ACtrOS牌重型载货车，并给一个时髦的名字‘BlueTec’。BlueTec的后处理方式均采用SCR技术。根据戴克的研究结果表明，SCR技术与欧3标准水平的汽车相比，能够节省燃油3～6％，NOX的排放可低于欧4限值，如对SCR进行进一步的优化，达到欧6限值也毫无问题。 
SCR具有很多优点，例如，可在柴油车的排气温度250～550℃的范围内具有50～85％的NOx去除效率，并能有效降低PM的排放水平；SCR能轻松满足欧4和欧5水平，也具有达到欧6水平的潜力；SCR催化剂不含有贵金属，比成本相对较低；SCR对车用燃油的质量，特别是疏含量不敏感。基于以上分析，SCR后处理技术也最适合中国的车辆状况和车用燃油状况。 
柴油车发动机排出的NOX中，NO约占90％，NO2只是其中很少的一部分。NO无色无味，高浓度时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强的红棕色气体，可对人的呼吸道及肺造成损害，严重时能引起肺气肿。当浓度高达100PPm浓度时，会导致生命危险。NOx在太阳光作用下去生成光化学烟雾，还会增加周围臭氧的浓度，而臭氧则会破坏植物的生长。 
柴油机排放中NO并非来自燃油的燃烧，而是来自氮气与氧气反应，在氧气过剩情况下燃烧室持续高温而形成。 
柴油发动机的尾气排放情况，特别是NOx排放时的温度区间以及浓度。测试表明，大约 80 ％的 NOx是在柴油发动机最大负荷时排放的，其相应的温度区间为  300~550℃，低温下NOx生成量较少。因此，温度和 NOx生成量存在一定的对应关系。 
如图1所示的某型号的柴油发动机的排温和NOx生成浓度的关系图，图中可以看出当NOx先是随温度的升高而升高，达到最大值，而后，尽管温度上升，NOx的生成量反而稍稍降低，这是因为燃烧室处于更高的温度环境下，燃烧后的气体以更快的速度被扫出燃烧室。 
看来，采用SCR后处理技术方式净化NOX时所需尿素还原剂的剂量是一个随发动机工况变化而变化的动态过程。 
对于预计实现国4排放的车辆，其发动机已经完成基本的机内优化，NOX去除率在35~40%即可满足国4排放标准，NOX去除率在65~70%即可满足国5排放标准。 
对标国外的SCR后处理装置中的尿素喷射和控制部分，各家采用的技术方式不同，既有独立的尿素喷射和控制部分，然后输送尿素还原剂到喷嘴；也有把尿素喷射和控制部分集成到尿素还原剂喷嘴上的，其目的都是适时适量的提供尾气去除NOX所需要的尿素还原剂。例如，按照理论喷量的曲线A进行，或者是按照低于理论值的曲线B进行。 
尿素喷射和控制部分的适时适量的提供尾气所需要的尿素还原剂的技术，可以采用串联在尿素管路上的精密电磁质量流量计来实现，也可以采用精密的电磁流量控制阀来实现。精度高的电磁流量控制阀完全可以实现精密电磁质量流量计的功能。 
专利号为CN200510129691.6 的‘用于控制向SCR催化剂的尿素供给的系统’专利、专利号为CN200510136379.X的‘一种控制还原剂喷入来自内燃机的含NOX废气流中的方法’的专利、专利号为CN200810095099.2 ‘一种用于分布内燃机废气系统中流动性添加剂的装置’的专利、专利号为CN200920045181.4的‘一种SCR反应装置的引射喷氨混合机构’的专利、专利号为CN200810047114.6‘一种柴油机SCR系统中使用的控制添蓝投放量的控制方法及控制装置’的专利、专利号为CN98805246.6的‘一种减少和废气系统相关联的贫燃料燃烧发动机的NOX排放量的方法’的专利、专利号为CN200580030812.X的‘用于发动机后处理系统的控制系统’的专利、专利号为CN200480017220.X的‘控制还原剂添加的方法’的专利等专利，仅仅涉及到尿素还原剂剂量的信号获取和策略、尿素还原剂喷入的位置、喷口的形状、管线、混合方式等方面、并没有提出计量量的实际控制办法和手段；而专利号为CN200710142274.4的‘减少NOX排放的系统及方法一种排气系统’的专利、专利号为CN200810185975.0的‘用于在废气后处理系统中改善还原剂的水解的方法’的专利、专利号为 CN200920067025.8SCR的‘一种SCR催化转化器’的专利、专利号为CN200610161817.2的‘内燃机尾气净化方法及装置’的专利、专利号为CN200680027888.1的‘内燃机废气中氮氧化物的选择性催化还原的方法和排气系统’的专利、专利号为CN96194716.0的‘一种用于催化净化由燃烧装置所排出的废气的方法与设备’的等专利的权利要求和本发明不相关。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于尿素还原剂剂量的标定方法，其采用经过理论计算推算出的曲线A和防止尿素还原剂过量而向下平移的曲线B，以及可以拟合出曲线B的曲线C作为剂量的标定策略和方法，既能满足国4以上SCR标准要求，又不至于产生NH3逃逸量，可以取消对NH3进行氧化处理的DOC装置，简化车辆配置，降低成本。 
本发明的技术方案是这样实现的：用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于具体的步骤如下：第一步，在SCR系统中，所发生的反应包括，标准的SCR反应（1）、快速的SCR反应（2）和慢速的SCR反应（3）；根据反应（1）~（3），去除所有数量的NOX 所需的NH3可以从化学计算得出；而根据化学反应（4）（5）可以推算出尿素热分解产生的反应以及尿素直接水分解产生所需的理论上的尿素还原剂数量，即首先完成理论上的需求量A曲线的标定；                     
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O              （1）
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O              （2）
4NH3+2N02+O2→3N2+6H2O              （3）
NH2－CO－NH2→NH3+HNCO            （4）
HNCO+H2O→NH3+CO2
NH2－CO－NH3+H2O→2NH3+CO2        （5）
第二步，为防止尿素过量喷射而采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B，其分布在理论需求曲线A对应点的6~12ml以下；
第三步，根据选用曲线B作为剂量的标定曲线，由于任何圆滑过度的曲线都是由一组折线无限逼近的结果，因此，曲线B同样可以采用若干个直线段进行拟合而来，这些若干直线段的完整构成就是实际需求量曲线C；采用曲线C作为实际中的尿素还原剂的剂量的标定曲线，每一个直线段代表一个喷射水平，曲线C的计量水平永远在理论需求曲线A的2~15ml以下分布，不会过量喷射。
所述的实际需求量曲线C，从c0开始喷射尿素还原剂，c0位于曲线A之下，在车辆运行的某个阶段喷量保持c0不变，从某个点开始阶段喷量从跃升c0到c1，在车辆运行的某个阶段喷量保持c1不变，以此类推，在量纲上，c0 ＜c1＜c2＜c3＜ci，其中 ci达到最大值，ci永远小于曲线A上的最大值ai，但可以大于等于或小于曲线B上的最大值bi，ci阶段以后的喷量又逐步降低，构成以曲线C为特征的完整控制策略。 
所述实际需求量曲线C可以拟合出需求量曲线B。 
所述的理论的需求量曲线A、采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B和实际需求量曲线C均为抛物线趋势，逐渐增高，达到最高点后都会逐渐降低。 
本发明的积极效果在于，采用实际试验验证获得的NOX关系曲线，经过理论计算推算出的曲线A，防止尿素还原剂过量而向下平移的曲线B，以及可以拟合出曲线B的曲线C作为剂量的标定策略和方法，具有很高的可靠性和实用价值；不但满足了国4排放标准，也可以满足未来的国5排放标准。 
附图说明
图1 为柴油发动机的排温和NOX生成浓度的关系。 
图2为本发明的标定方法图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述： 
实施例1：
根据发动机的实际工况测定的所需完全去除NOX的理论尿素还原剂需求量，绘制成曲线A，曲线A先是随温度的逐渐升高而升高，到达一定峰值后略微降低，其最高点喷量水平为ai；相对应于A曲线，采用质量流量计控制喷射量，对应点的6~12ml以下分布，生成的曲线B，其最高点喷量水平为 bi；以温度作为驱动变量的输入，以电磁流量阀作为计量的输出，采取若干个计量水平，即若干个水平的直线段，按照曲线B的走势进行设置，生成具有实际应用价值的曲线C，其最高点喷量水平为ci。
实施例2：
根据发动机的实际工况测定的所需完全去除NOX的理论尿素还原剂需求量，绘制成曲线A，曲线A先是随温度的逐渐升高而升高，到达一定峰值后略微降低，其最高点喷量水平为ai；相对应于A曲线，采用质量流量计控制喷射量，对应点的6~12ml以下分布，生成的曲线B，其最高点喷量水平为 bi；以温度作为驱动变量的输入，以电磁比例阀作为计量的输出，采取若干个计量水平，即若干个水平的直线段，按照曲线B的走势进行设置，生成具有实际应用价值的曲线C，其最高点喷量水平为ci。
实施例3： 
首先在SCR系统中，所发生的反应包括，标准的SCR反应（1）、快速的SCR反应（2）和慢速的SCR反应（3）；根据反应（1）~（3），去除所有数量的NOX 所需的NH3可以从化学计算得出；而根据化学反应（4）（5）可以推算出尿素热分解产生的反应以及尿素直接水分解产生所需的理论上的尿素还原剂数量，即首先完成理论上的需求量A曲线的标定；                     
 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O              （1）
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O              （2）
4NH3+2N02+O2→3N2+6H2O              （3）
NH2－CO－NH2→NH3+HNCO            （4）
HNCO+H2O→NH3+CO2
NH2－CO－NH3+H2O→2NH3+CO2        （5）
 其次为防止尿素过量喷射而采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B，其分布在理论需求曲线A对应点的6~12ml以下。
最后根据选用曲线B作为剂量的标定曲线，由于任何圆滑过度的曲线都是由一组折线无限逼近的结果，因此，曲线B同样可以采用若干个直线段进行拟合而来，这些若干直线段的完整构成就是实际需求量曲线C；采用曲线C作为实际中的尿素还原剂的剂量的标定曲线，每一个直线段代表一个喷射水平，曲线C的计量水平永远在理论需求曲线A的2~15ml以下分布，不会过量喷射。 
所述的实际需求量曲线C，从c0开始喷射尿素还原剂，c0位于曲线A之下，在车辆运行的某个阶段喷量保持c0不变，从某个点开始阶段喷量从跃升c0到c1，在车辆运行的某个阶段喷量保持c1不变，以此类推，在量纲上，c0 ＜c1＜c2＜c3＜ci，其中 ci达到最大值，ci永远小于曲线A上的最大值ai，但可以大于等于或小于曲线B上的最大值bi，ci阶段以后的喷量又逐步降低，构成以曲线C为特征的完整控制策略。 

Claims (1)

1.用于尿素还原剂剂量的标定方法，由理论计算的柴油车排放的NOx总量对尿素还原剂的需求量曲线A、采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B和实际需求量曲线C组成；其特征在于具体的步骤如下：第一步，在SCR系统中，所发生的反应包括，标准的SCR反应（1）、快速的SCR反应（2 ）和慢速的SCR反应（3）；根据反应（1）～（3），去除所有数量的NOx所需的NH3可以从化学计算得出；而根据化学反应（4）（5）可以推算出尿素热分解产生的反应以及尿素直接水分解产生所需的理论上的尿素还原剂数量，即首先完成理论上的需求量A曲线的标定；
    4NH3＋4NO＋O2→4N2＋6H2O   （1）
    2NH3＋NO＋NO2→2N2＋3H2O   （2）
    4NH3＋2NO2＋O2→3N2＋6H2O （3）
    NH2－CO－NH2→NH3＋HNCO （4）
    HNCO＋H2O→NH3＋CO2
    NH2－CO－NH3＋H2O→2NH3＋CO2（5）
    第二步，为防止尿素过量喷射而采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B，其分布在
理论需求曲线A对应点的6～12ml以下；
    第三步，根据选用曲线B作为剂量的标定曲线，由于任何圆滑过度的曲线都是由一组
折线无限逼近的结果，因此，曲线B同样可以采用若干个直线段进行拟合而来，这些若干直线段的完整构成就是实际需求量曲线C；采用曲线C作为实际中的尿素还原剂的剂量的标定曲线，每一个直线段代表一个喷射水平。
    2．根据权利要求1所述的用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于所述的实际需
求量曲线C，从c0开始喷射尿素还原剂，c0位于曲线A之下，在车辆运行的某个阶段喷量保持c0不变，从某个点开始阶段喷量从跃升c0到c1，在车辆运行的某个阶段喷量保持ci不变，以此类推，在量纲上，c0＜c1＜c2＜c3＜ci，其中ci达到最大值，ci永远小于曲线A上的最大值a1，ci阶段以后的喷量又逐步降低，构成以曲线C为特征的完整控制策略。
    3．根据权利要求1所述的用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于所述实际需求
量曲线C分布在理论需求曲线A的2~15ml以下。
    4．根据权利要求1所述的用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于所述实际需求
量曲线C可以拟合出需求量曲线B。
    5．根据权利要求1所述的用于尿素还原剂剂量的标定方法，其特征在于所述的理论的
需求量曲线A、采用质量流量计控制喷射量生成的曲线B和实际需求量曲线C均为抛物线趋势，逐渐增高，达到最高点后都会逐渐降低。
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