CN103470353A - 一种基于尿素分解效率的柴油机scr系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柴油机后处理技术领域，具体涉及一种基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法。首先提出尿素分解效率的概念，并给出其表达式η=f(t,v,p)。在此基础上，制定了一套柴油机SCR系统控制方法：然后根据柴油机转速和负荷百分比，通过柴油机静态MAP图得到柴油机排气流量和排气中NO_x的浓度，进而求出尿素水溶液基本喷射量Q ₁用尿素分解效率对Q ₁修正之后都到Q _{2 ，} Q ₂即为稳态下的尿素水溶液喷射量。考虑到柴油机的瞬态工况，还可以对Q ₂进行瞬态修正，得出最终柴油机实际需要的尿素水溶液喷射量Q ₃。本发明引入尿素分解效率这一参数，可根据发动机的不同运行工况，精确给出尿素水溶液喷射量，在实现NO_x高效率转化同时，有效降低NH₃泄漏量。

Description

一种基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法

技术领域

 本发明属于柴油机排气后处理技术领域，具体涉及一种基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法。

背景技术

柴油机因其良好的动力性和经济性，广泛应用于各类交通工具、工程机械和农业机械中。但是柴油机的氮氧化物（NO_x）排放是主要大气污染物之一，对环境和人类健康造成了很大的危害。通过机内净化措施降低柴油机NO_x排放的方法已经很难满足日益严格的排放法规，所以现在的研究重点转向柴油机后处理技术。而在诸多降低NO_x排放的后处理技术当中，采用氨气（NH₃）作为还原剂的选择性催化还原（SCR）是技术最有前景的技术之一，实际应用中用尿素水溶液替代NH₃。该技术通过在排气管中喷入一定浓度的尿素水溶液，与尾气混合后一同进入SCR反应器，在催化剂的作用下由尿素经热解和水解反应产生的氨气和NO_x发生氧化还原反应，生成氮气和水。

但是尿素SCR技术仍然存在一定的技术瓶颈，主要体现在尿素水溶液喷射量难以确定，喷射量不足会导致NO_x转化率太低，喷射量过大又会导致氨气泄露，造成二次污染。因此，尿素水溶液的喷射量一定要精确控制，在保证氨气泄漏量不超标的前提下，达到最大的NO_x转化率。

以往的控制方法基本思路是：首先根据柴油机工况（转速、扭矩等），通过柴油机静态MAP图得到排气总流量和排气中的NO_x浓度，从而计算出NO_x的排气流量，据此确定柴油机尿素水溶液的基本喷射量；然后对其进行稳态修正，得到稳态下的尿素水溶液喷射量。然而，因为尿素很难完全转化为NH₃，所以在得到尿素水溶液稳态喷射量之前，应该考虑尿素的分解效率。

发明内容

本发明目的在于提出尿素分解效率的概念，并以此为基础提出一种基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法。

假设在某一排气组分和排气温度下，向柴油机SCR系统中喷射一定量的尿素水溶液（尿素浓度为32.5%）实际分解得到的NH₃质量流量为m₁，等量等浓度的尿素水溶液理论上完全分解得到的NH₃质量流量为m₂，定义η= m₁/m₂为尿素分解效率。

尿素分解效率与多种因素有关，本发明将尿素分解效率用公式η=f(t, v, p)表示。其中，t、v、p分别表示排气温度、空速、尿素水溶液的喷射压力。

本发明提出的基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法，具体步骤如下：

(1)：根据柴油机转速和负荷百分比，通过柴油机静态MAP图得到柴油机排气流量和排气中NO_x的浓度；

(2)：根据步骤(1)得到的柴油机排气流量和排气中NO_x的浓度求得排气中的NO_x流量，进而根据SCR反应中NO_x和NH₃摩尔数之比以及尿素水溶液浓度，求出尿素水溶液基本喷射量Q ₁；

(3)：向柴油机SCR系统中喷射尿素水溶液实际分解得到的NH₃质量流量为m₁，等量等浓度的尿素水溶液理论上完全分解得到的NH₃质量流量为m₂，定义η= m₁/m₂为尿素分解效率；通过排气温度t、空速v和尿素水溶液p喷射压力等参数，根据公式η=f(t, v, p)，求出此时的尿素分解效率η；

(4)：根据步骤(3)得到的尿素分解效率η对尿素水溶液基本喷射量Q ₁进行修正，由尿素水溶液基本喷射量Q ₁除以尿素分解效率η得出尿素水溶液理论喷射量Q ₂，Q ₂即为稳态下的尿素水溶液喷射量；

(5)：当柴油机处于稳态时，采用步骤(1)-步骤(4)进行控制，当发动机处于瞬态工况下时，为了给发动机提供更加精确地尿素水溶液喷射量，需要对稳态下的尿素水溶液喷射量进行瞬态修正；在尿素水溶液稳态喷射量Q₂的基础上，根据发动机瞬态工况下NO_x转化率随排气温度和空速等的变化规律，对Q₂进行瞬态修正，得出各瞬态工况下发动机实际需要的尿素水溶液喷射量Q₃。

本发明中，所述尿素水溶液中的尿素浓度为32.5%。

本发明的有益效果在于：引入尿素分解效率这一参数，可以根据发动机的不同运行工况，精确的给出尿素水溶液喷射量，在实现NO_x高效率转化的同时，有效降低NH₃泄漏量。

附图说明

图1是尿素分解效率随排气温度的变化关系。

图2是尿素分解效率的确定方法。

图3是本发明稳态控制方法逻辑框图。

图4是本发明瞬态控制方法逻辑框图。

具体实施方式

下面通过实施举例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：通过柴油机排气温度、空速、尿素水溶液喷射压力等参数确定尿素分解效率

本发明以一台排量为7升的柴油机为例，利用仿真软件对柴油机SCR系统的内部反应进行模拟计算，在其它影响因素不变的条件下，得出尿素分解效率随排气温度的变化关系，如图1所示。

由图1可以看出，尿素分解效率随排气温度呈现出先升高后降低的趋势，且当排气温度为350℃时，对应的尿素分解效率可达97.5%。

同样，我们也可以得出尿素分解效率分别随空速和尿素水溶液喷射压力的变化关系，进而可以推得公式η=f(t, v, p)的具体表达式，如图2所示。

实施例2：基于尿素分解效率的柴油机SCR系统稳态控制方法

本发明在以往柴油机SCR系统控制方法的基础上，考虑了尿素分解效率对所需的尿素水溶液喷射量的影响，以此对控制方法进行优化。如图3所示，该方法具体实施过程如下：

（1）：在柴油机转速分别为700rpm、1100rpm、1500rpm、1900rpm、2300rpm，负荷百分比分别为20%、40%、60%、80%、100%的情况下，得到柴油机排气流量和排气中NO的浓度的静态MAP图。当柴油机转速为1200rpm，负荷百分比为50%时，根据柴油机静态MAP图得出此工况下的柴油机排气流量为120g/s，排气中NO的浓度为900ppm，NO₂浓度为100ppm；

（2）：根据步骤（1）得到的排气流量和排气中NO、NO₂的浓度求得排气中NO和NO₂的流量分别为0.108g/s和0.012g/s，进而根据SCR反应中NO_x和NH₃的摩尔数之比以及尿素水溶液浓度32.5%，求出尿素水溶液基本喷射量Q₁为0.356g/s；

（3）：通过传感器测得此工况下的排气温度、空速、尿素水溶液喷射压力等参数分别为t=400℃、v=45000/h、p=0.33MPa，根据公式η=f(t, v, p)求出此时的尿素分解效率η=93%；

（4）：根据尿素分解效率对尿素水溶液基本喷射量进行修正，由尿素水溶液基本喷射量Q₁除以尿素分解效率η得出尿素水溶液理论喷射量Q₂=0.383g/s，Q₂即为稳态下的尿素水溶液喷射量。

实施例3：瞬态工况下尿素水溶液喷射量的修正

以上实施例中的控制方法为典型的稳态控制方法。然而，当发动机处于瞬态工况时，这种方法很难精确地为发动机提供实际需要的尿素水溶液喷射量。

因此，我们可以在原有控制方法的基础上，根据发动机瞬态工况下NO_x转化率随排气温度和空速等的变化规律，对尿素水溶液稳态喷射量进行瞬态修正，得出各瞬态工况下发动机实际需要的尿素水溶液喷量，如图4所示。

Claims (2)

1.一种基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)：根据柴油机转速和负荷百分比，通过柴油机静态MAP图得到柴油机排气流量和排气中NO_x的浓度；

(2)：根据步骤(1)得到的柴油机排气流量和排气中NO_x的浓度求得排气中的NO_x流量，进而根据SCR反应中NO_x和NH₃摩尔数之比以及尿素水溶液浓度，求出尿素水溶液基本喷射量Q ₁；

(3)：向柴油机SCR系统中喷射尿素水溶液实际分解得到的NH₃质量流量为m₁，等量等浓度的尿素水溶液理论上完全分解得到的NH₃质量流量为m₂，定义η= m₁/m₂为尿素分解效率；通过排气温度t、空速v和尿素水溶液p喷射压力等参数，根据公式η=f(t, v, p)，求出此时的尿素分解效率η；

(4)：根据步骤(3)得到的尿素分解效率η对尿素水溶液基本喷射量Q ₁进行修正，由尿素水溶液基本喷射量Q ₁除以尿素分解效率η得出尿素水溶液理论喷射量Q ₂，Q ₂即为稳态下的尿素水溶液喷射量；

(5)：当柴油机处于稳态时，采用步骤(1)-步骤(4)进行控制，当发动机处于瞬态工况下时，为了给发动机提供更加精确地尿素水溶液喷射量，需要对稳态下的尿素水溶液喷射量进行瞬态修正；在尿素水溶液稳态喷射量Q₂的基础上，根据发动机瞬态工况下NO_x转化率随排气温度和空速等的变化规律，对Q₂进行瞬态修正，得出各瞬态工况下发动机实际需要的尿素水溶液喷射量Q₃。

2.根据权利要求1所述的基于尿素分解效率的柴油机SCR系统控制方法，其特征在于所述尿素浓度为32.5%。

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