CN105114157B - 一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法 - Google Patents

一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，该方法适用于安装有SCR(Selective Catalytic Reduction)选择性催化还原系统的发动机，通过一种分段式尿素喷射方法，同时兼顾氮氧转化效率和NH3泄漏不超标，尤其适用于氮氧排放增加时，可以通过该方法快速达到理想的氮氧转化效率，并控制NH3泄漏不超标。主要包括四个基本步骤：获取不同工况(转速、扭矩、空速、排温等)下氨氮比与氮氧转化效率的对应关系，找到氮氧转化效率的拐点；根据实际需求，确定合理的氨氮比和喷射时间；在不同工况下，设计不同氨氮比进行分段式尿素喷射，记录不同氨氮比对应的NH3泄漏情况；考虑实际边界条件和优化目标，提出一种合理的分段式尿素喷射方法。

Description

一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法
技术领域
本发明属于发动机尾气后处理技术领域，涉及到采用选择性催化还原(SCR)技术的尾气净化技术，尤其是针对发动机氮氧排放不稳定的情况下，当氮氧排放突然增大时，采用分段式尿素喷射方法，使其快速达到理想的氮氧转化效率并控制合理的NH3泄漏。
背景技术
随着国家对环境保护的日益重视，柴油机排放物的治理显得尤为重要，从2015年1月1日起中国将全面实施国四的排放标准。针对排放法规的升级，中国倾向于采用SCR选择性催化还原技术。
SCR(选择性催化还原系统)是Selective(选择性)、Catalytic(催化)、Reduction(还原)的英文缩写。选择性催化还原系统是一种被广泛应用的技术，主要用于消除废气中的氮氧化物。SCR系统基本工作原理是当发动机燃烧后的废气进入排气管的同时，由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，此时尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气，氨气在催化剂的作用下有选择性地将氮氧化物还原为氮气，实现降低氮氧化物的目的。
由于发动机运行过程是一个瞬态过程，氮氧排放也是一个瞬态过程，尿素喷射过少导致氮氧转化效率不达标，尿素喷射过多导致NH3泄漏发生。目前工程上一般是通过稳态和瞬态的尿素喷射修正来改善氮氧转化效率，在过渡工况时通过一种延时滤波方法，使尿素喷射稍微缓和，从而在一定程度上改善过渡过程的氮氧转化效率，并控制合理的NH3泄漏。该方法的弊端是当氮氧排放突然增大后，由于尿素的喷射量的增幅小于氮氧增幅，这样就需要相对较长的时间才可以达到理想的转化效率。本专利旨在改善由于尿素喷射的不及时带来的氮氧转化效率需要较长时间才可以达到理想转化效率的问题。
发明内容
本发明主要用于解决当氮氧排放增加时由于尿素喷射的不及时带来的氮氧转化效率需要较长时间才可以达到理想转化效率的问题。通过一种分段式尿素喷射方法，同时兼顾氮氧转化效率和NH3泄漏不超标，尤其适用于氮氧排放增加时，可以通过该方法快速达到理想的氮氧转化效率，并控制NH3泄漏不超标。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法。主要包括四个基本步骤：获取不同工况(转速、扭矩、空速、排温等)下氨氮比与氮氧转化效率的对应关系，找到氮氧转化效率的拐点；根据实际需求，确定合理的氨氮比和喷射时间；在不同工况下，设计不同氨氮比进行分段式尿素喷射，记录不同氨氮比对应的NH3泄漏情况；考虑实际边界条件和优化目标，提出一种合理的分段式尿素喷射方法。
上述一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，其特征在于：获取不同工况(转速、扭矩、空速、排温等)下氨氮比与氮氧转化效率的对应关系，找到氮氧转化效率的拐点。该拐点的判定一般根据两种方法，第一种是根据氮氧转化效率的响应时间进行判定；第二种是利用氮氧转化效率的斜率进行判定，当斜率的绝对值降低到最大斜率的一定比例则认为达到了拐点。该部分内容见图1中101部分所示，通过两种方法寻找氮氧转化效率的拐点。接下来进行数据拟合，该部分内容见图1中102部分所示，根据实验数据，构造转化效率响应时间与氨氮比的函数曲线。将氨氮比作为自变量x，氮氧转化效率的响应时间τ90作为因变量，根据测试数据进行函数拟合，得到函数关系表达式：
τ90＝a0+a1·x+a2·x2+…+an·xn
其中，n表示多项式的阶次，一般情况选择3次拟合即可满足要求。
上述一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，其特征在于：根据实际需求，确定合理的氨氮比和喷射时间，由第一步得到的拟合函数关系表达式并结合实际应用对氮氧转化效率响应时间的要求，从而确定合理的氨氮比和喷射时间。该部分内容见图1中103部分所示，如果要求氮氧转化效率响应时间较短，则增大氨氮比，否则减小氨氮比，从而找到满足实际工况需要的氨氮比和喷射时间参数。
上述一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，其特征在于：不同工况下，设计不同氨氮比进行分段式尿素喷射，记录不同氨氮比对应的NH3泄漏情况；该部分内容见图1中104部分所示，本发明采用三段式尿素喷射方法，其中第一段尿素喷射氨氮比由上一步已经获取，第二段氨氮比控制在0.2～1.0之间，喷射时间占总时间的比例为0.1～0.6；第三段氨氮比为0.5～1.0，喷射时间占总时间的比例为0.3～0.8。利用多元数据拟合可以得到氮氧转化效率响应时间和氨氮比、喷射时间之间的函数关系。为了精细控制，也可以将其划分为多段喷射。
上述一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，其特征在于：考虑实际边界条件和优化目标，提出一种合理的分段式尿素喷射方法。该部分内容见图1中105部分所示，此处主要考虑系统对NH3泄漏、氮氧转化效率、氮氧转化效率响应时间等三个参数的要求。利用上一步的氮氧转化效率响应时间和氨氮比、喷射时间之间的函数关系，将NH3泄漏和氮氧转化效率作为约束条件，利用matlab进行有约束非线性多元变量函数的优化，从而找到一种最优的分段式尿素喷射方法。
附图说明
图1尿素分段喷射参数获取结构图
图2不同氨氮比下氮氧转化效率
图3分段喷射氮氧转化效率曲线
附图标记说明：
101 寻找氮氧转化效率拐点
102 数据拟合推导函数关系表达式
103 根据实际需求确定第一阶段喷射参数
104 不同氨氮比下分段喷射数据获取
105 考虑边界条件，选择合理的分段喷射参数
具体实施方式
案例1：
获取不同工况(转速、扭矩、空速、排温等)下氨氮比与氮氧转化效率的对应关系，找到氮氧转化效率的拐点。该部分内容见图1中101所示，该拐点的判定根据氮氧转化效率的响应时间进行判定，当氮氧转化效率达到稳态转化效率的90％所用时间即为响应时间，由此可以得到不同氨氮比下的响应时间。附图2为不同氨氮比下氮氧转化效率，由此可见，不同氨氮比下氮氧转化效率达到稳态转化效率的90％所用时间不同，随着氨氮比的增大，时间不断减小。
数据拟合推导函数关系表达式：根据图1中102所示内容，将氨氮比作为自变量x，氮氧转化效率的响应时间τ90作为因变量，根据测试数据得到函数关系表达式：
τ90＝24-31.8·x+18.75·x2-4.166·x3
根据实际需求确定第一阶段喷射参数：根据图1中103所示内容，利用102获取的函数关系表达式，可以根据不同工况下，不同氮氧转化效率响应时间的需求，找到一组氨氮比和喷射时间，作为分段喷射第一阶段的参数。本例中，选择的氨氮比为1.2，喷射时间为2s.
不同氨氮比下分段喷射数据获取：根据图1中104所示内容，在103确定的第一段喷射氨氮比和喷射时间基础上，进行氨氮比的分段喷射，得到不同喷射参数对应的氮氧转化效率和NH3泄漏数据，见图3所示。
提出一种合理的分段式尿素喷射方法：该部分内容见图1中105部分所示，此处主要考虑系统对NH3泄漏、氮氧转化效率、氮氧转化效率响应时间等三个参数的要求。利用上一步的实验数据从而找到一种合理的分段式尿素喷射方法。

Claims (3)

1.一种发动机过渡工况的分段尿素喷射方法，其特征在于：当发动机氮氧排放突然增加时，采用氨氮比先大后小的分段式尿素喷射方法进行尿素喷射控制，达到兼顾氮氧转化效率和NH3泄露不超标的双重目标；
找到氮氧转化效率的拐点，并根据实际需求，确定合理的氨氮比和喷射时间；将NH3泄露作为边界条件，氮氧转化效率作为优化目标，设计不同的氨氮比进行分段式尿素喷射。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不同工况氮氧转化效率的拐点根据氮氧转化效率的斜率或氮氧转化效率响应时间进行判定；当斜率开始出现拐点时记录此时的氨氮比、累计喷射时间、转化效率、NH3泄露，作为关键参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分段尿素喷射过程包括三段式喷射方法，第一段氨氮比为0.9～1.5，喷射时间占总时间的比例为0.1～0.5；第二段氨氮比为0.2～1.0，喷射时间占总时间的比例为0.1～0.6；第三段氨氮比为0.5～1.0，喷射时间占总时间的比例为0.3～0.8。
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