CN103644020A

CN103644020A - 一种柴油机scr系统尿素水溶液喷射速率控制方法

Info

Publication number: CN103644020A
Application number: CN201310719534.5A
Authority: CN
Inventors: 赵彦光; 帅石金; 付海超; 唐韬; 陈铮; 闫孝伟
Original assignee: BEIJING KELING POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING KELING POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: CN103644020B

Abstract

本发明涉及一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，包括步骤一：判定排气状态是否满足尿素水溶液喷射条件，如果不满足喷射条件则不进行喷射，如果满足则进行步骤二；步骤二：计算尿素水溶液理论喷射速率m1；步骤三：查表得到尿素水溶液喷射速率修正系数k，对尿素水溶液理论喷射速率m1进行修正，得到修正喷射速率m2；步骤四：根据判断条件，再次对修正喷射速率m2进行修正，得到最终喷射速率。

Description

一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法

技术领域

本发明属于柴油机氮氧化物(NOx)排放污染控制技术领域，具体涉及柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制领域。

背景技术

选择性催化还原(SCR)技术是柴油机降低氮氧化物(NOx)排放的技术之一。SCR技术需要根据柴油机排气状态向排气中喷入适量的尿素水溶液。如果尿素水溶液喷射时机和喷射速率不合理，会造成NOx转化效率降低、NH₃泄漏量增加、生成固态沉积物堵塞催化器等后果，使柴油机排恶化、油耗增加，影响其正常运行。

发明内容

本发明的内容为一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，具体涉及尿素水溶液喷射条件的判定和喷射速率的计算和修正。本发明的目的是提供一种控制精确、响应速度快、操作简便的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法。该控制方法可以实现较高的NOx转化效率、较低的NH₃泄漏量，同时避免沉积物生成。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：

步骤一：根据发动机进气质量流量q、催化器前排气温度t₁、催化器后排气温度t₂、催化器前NOx浓度n₁、催化器后NOx浓度n₂判定排气状态是否满足尿素水溶液喷射条件，如果不满足喷射条件则不进行喷射，如果满足则进行步骤二；

步骤二：根据催化器前NOx浓度n₁、发动机进气质量流量q计算尿素水溶液理论喷射速率；

步骤三：根据发动机进气流量q、催化器前排气温度t₁、催化器后排气温度t₂得到催化器尿素水溶液喷射速率修正系数k，对尿素水溶液理论喷射速率m₁进行修正，得到修正喷射速率m₂；

步骤四：当催化器后NOx浓度n₂小于某设定值N₃时，尿素水溶液喷射速率m在m₂的基础上减少X％，并将减少后的喷射速率作为最终喷射速率；

当催化器后NOx浓度n₂大于某设定值N₄，且催化器前温度t₁、催化器后温度t₂的平均值大于某设定值T₃时，尿素水溶液喷射速率m在m₂基础上增加Y％，并将增加后的喷射速率作为最终喷射速率，但同时监测催化器后NOx浓度n₂是否下降，若n₂反而上升，则尿素水溶液最终喷射速率设为0；

其它情况下，将修正喷射速率m₂作为最终喷射速率；

其中N₄＞N₃。

进一步，步骤一中判定条件为：

1)进气质量流量大于设定值Q；

2)催化器前排气温度大于设定阈值T1；

3)催化器后排气温度大于设定阈值T2；

4)催化器前NOx浓度大于设定阈值N1；

5)催化器后NOx浓度大于设定阈值N2。

进一步，步骤二中理论喷射速率是根据进气质量流量q和催化器前NOx浓度n1按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1进行完全反应计算得到的。

进一步，步骤三中，尿素水溶液喷射速率修正系数k是通过查找修正系数表得到的。

进一步，对于任意类型的催化器，不同温度和进气质量流量下的修正系数k通过试验获得，具体为：试验时按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1进行尿素水溶液喷射，通过采集不同排气温度和进气质量流量下催化器前、后的NOx浓度，计算得到不同情况下的NOx转化效率并根据经验做适当降低调整，即得到修正系数k，最终制成关于催化器前、后排气温度平均值(t₁+t₂)/2和进气质量流量q的修正系数表。

进一步，理论尿素水溶液喷射速率m₁和修正系数k相乘得到修正喷射速率m₂。

进一步，还包括步骤五：将得到的最终喷射速率值转化为喷射控制信号，由控制单元控制尿素泵进行喷射。

一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制设备，其特征在于：在SCR催化器前依次设置有第一NOx浓度传感器、尿素水溶液喷嘴、第一排气温度传感器、第一排气压力传感器，在SCR催化器后依次设置有第二排气温度传感器、第二NOx浓度传感器；控制单元分别与第一NOx浓度传感器、第一排气温度传感器、第一排气压力传感器、第二排气温度传感器、第二NOx浓度传感器连接，同时接收发动机进气流量计信号，进而根据上述柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法控制尿素喷射速率。

一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制系统，包括上述柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制设备，同时还包括：尿素泵、尿素箱；控制单元与尿素箱连接，采集尿素箱液位信号和温度信号；控制单元与尿素泵连接，向尿素泵发送喷射控制信号；尿素泵分别通过尿素供应管和尿素回流管与尿素箱连接；尿素泵通过尿素喷射管连接尿素水溶液喷嘴；尿素水溶液喷嘴用于喷射尿素水溶液；喷嘴安装于排气管上。

一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其硬件主要包括：在发动机进气管装有进气质量流量计；在SCR催化器前依次装有NOx浓度传感器、尿素喷嘴、排气温度传感器、排气压力传感器；在SCR催化器后依次装有排气温度传感器、NOx浓度传感器；尿素泵进液口与尿素罐连接，出液口与尿素喷嘴连接；控制单元实时采集发动机进气流量计信号、催化器前排气温度传感器和NOx浓度传感器信号、催化器后排气温度传感器和NOx浓度传感器信号。

为了达到较高NOx转化效率的同时，避免沉积物生成和较高的NH₃泄漏量，本发明只在适当的排气状态下进行尿素水溶液喷射，并对尿素水溶液喷射速率进行计算和修正。

控制单元根据所采集的发动机进气流量计信号、催化器前排气温度传感器和NOx浓度传感器信号、催化器后排气温度传感器和NOx浓度传感器信号来判断所设定的喷射条件是否满足。当喷射条件满足时，控制单元根据所采集的上述信号对尿素水溶液喷射速率进行计算和修正，实现喷射速率的精确控制。

采用本发明的技术方案可以实现较高的NOx转化效率、较低的NH₃泄漏量，同时避免沉积物生成。

附图说明

图1柴油机SCR系统硬件连接示意图。

图2排气状态判定过程示意图。

图3尿素水溶液喷射速率计算过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、工作过程及及具体实施方式作进一步的说明。

参见附图1，本发明一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其硬件主要包括：发动机进气质量流量计11、SCR催化器5、催化器前NOx浓度传感器1、催化器前排气温度传感器3、排气压力传感器4、催化器后排气温度传感器6、催化器后NOx浓度传感器7、尿素泵8、尿素罐9、尿素喷嘴2和控制单元10。

工作时，控制单元10实时采集发动机进气质量流量计11信号、催化器前排气温度传感器3信号、催化器前NOx浓度传感器1信号、催化器后排气温度传感器6信号和催化器后NOx浓度传感器7信号，对发动机排气状态进行判断。

为了避免沉积物生成和较高的NH₃泄漏量，本发明只在适当的排气状态下进行尿素喷射，判断排气状态时需对以下五个条件进行判定：

1)进气质量流量q大于设定值Q；

2)催化器前排气温度t₁大于设定值T₁；

3)催化器后排气温度t₂大于设定值T₂；

4)催化器前NOx浓度n₁大于设定值N₁；

5)催化器后NOx浓度n₂大于设定值N₂。

以上判定条件中的参数Q、T₁、T₂、N₁、N₂需根据不同的发动机和催化器类型进行设定。根据简单的测定实验即可得到。以上五个条件中，条件1)用来判定发动机是否处于工作状态，当进气流量q大于Q时则认为发动机正在运转；条件2)和3)用来判定催化剂温度是否合适，如果在催化剂温度过低时喷入尿素水溶液会有沉积物生成，造成催化器堵塞；条件4)用来检测发动机原始NOx浓度，当发动机原始NOx浓度低于设定值N₁时，认为发动机原始NOx浓度已经满足要求，不需要进行尿素喷射；条件5)用来检测催化器后NOx浓度，当催化器后NOx浓度低于设定值N₂时，认为NOx转化效率已经满足要求，为了防止NH₃泄漏须停止尿素水溶液喷射。当以上五个条件同时满足时，控制单元10认定喷射条件满足，进而对尿素喷射速率进行计算和修正，否则设定喷射速率为0。

当喷射条件满足时，控制单元10需对尿素水溶液喷射速率进行计算和修正。计算尿素水溶液喷射速率时首先根据进气质量流量q和催化器前NOx浓度n₁按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1计算得到理论尿素水溶液喷射速率m₁。理论尿素水溶液喷射速率m₁是按照NH₃与NOx在化学计量比情况下完全反应计算得到的，但实际SCR反应NOx的转化效率并不能达到100％，因此若按照理论尿素水溶液喷射速率m₁进行尿素喷射会造成过量的NH₃没有参加反应，最终造成NH₃泄漏量增加，对环境造成污染，同时也造成了尿素水溶液的浪费。因此必须对理论尿素水溶液喷射速率m₁进行修正，修正系数k根据各个NOx转化效率来得到。催化器的NOx转化效率主要受催化器温度和空速影响，催化器温度可以由催化器前、后排气温度表示。而空速是指单位时间通过单位体积催化器的排气体积，在催化器体积一定的情况下空速只取决于排气流量，而发动机排气流量与其进气流量正相关，因此空速对NOx转化效率的影响最终可以反映为进气质量流量对NOx转化效率的影响。对于某一类型的催化器，不同温度和进气质量流量下的NOx转化效率需通过试验获得。试验时按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1进行尿素水溶液喷射，通过采集不同排气温度和进气质量流量下催化器前、后的NOx浓度计算得到不同情况下的NOx转化效率，制成不同排气温度((t₁+t₂)/2)和进气质量流量(q)下的尿素喷射修正系数(k)表，其示意如表1所示。然后进行不同工况变化的试验，得到瞬态过程的修正系数，不同的瞬态工况变化过程有不同的修正系数，以更精确的修正瞬态过程中的尿素水溶液喷射速率，减少NH₃泄漏。此外，还需根据发动机不同常用运转工况制定不同常用工况的修正系数表，在不同工况选择不同的修正系数表，以达到尿素水溶液喷射速率的最优化。在修正理论尿素水溶液喷射速率m₁时，控制单元10根据催化器前排气温度t₁、催化器后排气温度t₂和进气质量流量q查表(如表1所示)得到修正系数k，理论尿素水溶液喷射速率m₁和修正系数k相乘得到修正喷射速率m₂。

尿素水溶液喷射速率除了要根据NOx转化效率进行修正以外，还需要根据催化器后NOx浓度进行修正。当催化器后NOx浓度比较低时，说明SCR反应效率较高，绝大部分的NOx均与NH₃反应，此时若继续按照m₂进行尿素水溶液喷射可能会造成NH₃过量，进而造成NH₃泄漏，因此当催化器后NOx浓度n₂小于某设定值N₃(例如N₃＞N₂)时，尿素水溶液喷射速率m在m₂的基础上减少X％，当n₂大于N₃时，喷射速率不再减少X％，X值应根据发动机和催化器类型设定。而如果催化器后NOx浓度较高，说明还有很大一部分NOx没有与NH₃反应，此时若排气温度较高(排气温度较高时NOx转化效率也较高)，可以适当增加尿素水溶液喷射量，从而提高NOx转化效率。因此当催化器后NOx浓度n₂大于某设定值N₄(N₄＞N₃)，且催化器前温度t₁、催化器后温度t₂的平均值大于某设定值T₃时，尿素水溶液喷射速率m在m₂基础上增加Y％；当n₂小于N₄或(t₁+t₂)/2小于T₃时，喷射速率不再增加Y％，Y值应根据发动机和催化器类型设定。此外，控制单元10还需监测增加尿素水溶液喷射后催化器后NOx浓度n₂是否下降，若n₂反而上升，说明有NH₃泄漏发生，此时NOx传感器把泄漏的NH₃氧化为NOx并计入NOx浓度。因此若增加尿素水溶液喷射后催化器后NOx浓度n₂反而上升，尿素水溶液喷射速率设为0，以防止NH₃过量泄漏。最终控制单元10将计算得到的尿素水溶液喷射速率转化为相应的电信号并发送给尿素泵8。

表1不同排气温度和进气质量流量下的尿素水溶液喷射速率修正系数k

对于一6缸，额定功率为330kW的柴油机，当采用钒基SCR催化剂时，按照上述尿素水溶液喷射控制方法，设定Q＝100kg/h，T₁＝250℃，T₂＝200℃，T₃＝250℃，N₁＝250ppm，N₂＝50ppm，N₃＝100ppm，N₄＝300ppm，X＝50，Y＝20。即当控制单元10判断进气流量q＞Q＝100kg/h；催化器前温度t₁＞T₁＝250℃；催化器后温度t₂＞T₂＝200℃；催化器前NOx浓度n₁＞N₁＝250ppm；催化器后NOx浓度n₂＞N₂＝50ppm同时满足时，判断喷射条件满足，进而计算尿素水溶液喷射速率。尿素水溶液的计算和修正方法如上所述，假设此时催化器前NOx浓度为1000ppm，进气流量为1000kg/h，则按照NH₃与NOx浓度比为1∶1计算得到的理论尿素水溶液喷射速率为54g/min，若此时催化器前、后排气温度平均值为300℃，则根据表1查得修正系数k＝0.88，因此修正喷射速率m₂＝0.88*m₂＝0.88*54＝47.52g/min。

当控制单元10得到修正喷射速率m₂后，根据催化器前、后排气温度以及催化器后NOx浓度对m₂进行修正，若发动机运行过程中催化器后NOx浓度n₂＜N₃＝100ppm，则最终尿素水溶液喷射速率m在m2的基础上减少50％，即m＝0.5*m2＝23.76g/min；若发动机运行过程中催化器后NOx浓度n2＞N4＝300ppm，且催化器前温度t1、催化器后温度t2的平均值大于T3＝250℃，则最终尿素水溶液喷射速率m在m2的基础上增加20％，即m＝1.2*m2＝57.02g/min。

工业实用性：本发明技术方案可以用于工业生产中，实现较高的NOx转化效率、较低的NH₃泄漏量，同时避免沉积物生成，具有较好的产业应用效果。

以上实施方式并不构成对权利要求保护范围的限定，与本发明构思相同或相似的实施方式均在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：

步骤三：根据发动机进气质量流量q、催化器前排气温度t₁、催化器后排气温度t₂得到尿素水溶液喷射速率修正系数k，对尿素水溶液理论喷射速率m₁进行修正，得到修正喷射速率m₂；

当催化器后NOx浓度n₂大于某设定值N₄，且催化器前排气温度t₁、催化器后排气温度t₂的平均值大于某设定值T₃时，尿素水溶液喷射速率m在m₂基础上增加Y％，并将增加后的喷射速率作为最终喷射速率，但同时监测催化器后NOx浓度n₂是否下降，若n₂反而上升，则尿素水溶液最终喷射速率设定为0；

其它情况下，将修正喷射速率m₂作为最终喷射速率；

其中N₄＞N₃。

2.一种如权利要求1所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：步骤一中判定条件为：

1)进气质量流量q大于设定阈值Q；

2)催化器前排气温度t₁大于设定阈值T1；

3)催化器后排气温度t₂大于设定阈值T2；

4)催化器前NOx浓度n₁大于设定阈值N1；

5)催化器后NOx浓度n₂大于设定阈值N2。

3.一种如权利要求1所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：步骤二中理论喷射速率m₁是根据进气质量流量q和催化器前NOx浓度n₁按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1进行完全反应计算得到的。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：理论尿素水溶液喷射速率m₁和修正系数k相乘得到修正喷射速率m₂。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：步骤三中，尿素水溶液喷射速率修正系数k是通过查找修正系数表得到的。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：对于任意类型的催化器，不同进气质量流量和催化器前、后排气温度平均值下的修正系数k通过试验获得，具体为：试验时按照NH₃与NOx的浓度比为1∶1进行尿素水溶液喷射，通过采集不同排气温度和进气质量流量q下催化器前、后的NOx浓度，计算得到不同情况下的NOx转化效率，即得到修正系数k，最终制成关于催化器前、后排气温度平均值和进气质量流量q的修正系数表。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法，其特征在于：还包括步骤五：将得到的最终喷射速率值转化为喷射控制信号，由控制单元控制尿素泵进行喷射。

8.一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制设备，其特征在于：在SCR催化器前依次设置有第一NOx浓度传感器、尿素水溶液喷嘴、第一排气温度传感器、第一排气压力传感器，在SCR催化器后依次设置有第二排气温度传感器、第二NOx浓度传感器；控制单元分别与第一NOx浓度传感器、第一排气温度传感器、第一排气压力传感器、第二排气温度传感器、第二NOx浓度传感器连接，同时接收发动机进气流量计信号，进而根据权利要求1-7任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法控制尿素喷射速率。

9.一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制设备，其特征在于：根据权利要求1-7任意一项所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制方法控制尿素喷射速率。

10.一种柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制系统，其特征在于：包括如权利要求8或9所述的柴油机SCR系统尿素水溶液喷射速率控制设备，同时还包括：尿素泵、尿素箱；控制单元与尿素箱连接，采集尿素箱液位信号和温度信号；控制单元与尿素泵连接，向尿素泵发送喷射控制信号；尿素泵分别通过尿素供应管和尿素回流管与尿素箱连接；尿素泵通过尿素喷射管连接尿素水溶液喷嘴；尿素水溶液喷嘴用于喷射尿素水溶液；喷嘴安装于于排气管上。