CN105156185B - 一种scr催化反应箱老化的在线监测方法 - Google Patents

一种scr催化反应箱老化的在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SCR(Selective Catalyst Reduction)催化反应箱老化的在线监测方法，该方法主要包括七个基本步骤：获取系统数据；识别诊断要素；执行诊断算法；数据统计分析；数据有效性检查；老化结果输出；计时器重置。本发明设计了一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，利用该方法可以在线监测SCR催化反应箱的老化程度，为系统故障排除和系统控制提供一种可行的解决方法。

Description

一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法
技术领域
本发明属于氮氧化物治理领域，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SCR催化反应箱由于各种原因导致的性能下降，转化效率不达标的情况，通过一种在线监测方法对SCR催化反应箱的老化程度进行监控的技术方法。
背景技术
随着柴油机国IV排放法规的实施，自2015年1月1日起，所有即将销售的柴油发动机氮氧化物排放必须低于3.5g/kWh。满足该排放法规要求，目前国内公认的主流技术路线是采用SCR技术。
SCR技术在发动机上的基本工作原理是：在发动机排气管上安装一个SCR催化反应箱，通过一套氨气喷射装置，将一定量的氨气(也可以是尿素水溶液、液氨等所有能够分解之后产生氨气的物质)按照一定的速率喷射到具有一定容积的SCR催化反应箱内，氨气会附着在SCR催化反应箱内的催化剂上。在一定的温度和空速条件下，排气管路中的氮氧化物就会在催化剂的作用下被氨气还原成氮气和水，从而达到处理氮氧化物的目的。当氨气喷射过多，或者SCR反应箱转化效率降低时，就会有一部分多余的氨从SCR催化反应箱出口排出，造成二次污染。
为了监控氮氧化物的处理程度，一般情况下会在SCR催化反应箱的出口安装有氮氧化物传感器。该传感器可以提供尾气中氮氧化物的体积浓度，但是由于该传感器对氨气具有交叉敏感性，所以当过量的氨气从SCR催化反应箱出口排出时，氮氧化物传感器反馈的氮氧化物体积浓度会升高。
当SCR催化反应箱由于老化导致其转化效率降低时，由于该老化程度并没有实时反馈给氨气喷射装置，这样氨气喷射量就不会实时调整，部分氨气就无法参与氮氧化物的还原反应，以氨气的形式排出，氮氧化物传感器反馈的氮氧化物体积浓度会升高。
发明内容
本发明主要用于解决SCR催化反应箱老化程度的在线监测问题。监测流程见附图1所示，设计的该诊断算法首先获取系统数据，见图1中101部分所示。根据已获取数据进行分析，进入102部分的识别诊断要素，如果诊断要素齐全，则判断是否满足诊断条件，如果不满足诊断条件，则继续停留在诊断要素识别阶段，如果满足诊断条件，则执行诊断算法。103部分为执行诊断算法，此时需要考虑实际工况需要，如果工况发生变化，导致诊断算法无法完成，则系统需要回到102部分的识别诊断要素阶段，如果诊断算法执行完成，则进入104数据统计分析。数据统计分析主要是把103阶段执行时的参数进行统计分析。数据分析之后进入105数据有效性检查阶段，主要用于检查前面环节的数据是否有效，如果数据无效则回到102继续进行诊断要素识别，如果数据检查有效，则进入106老化结果输出阶段，提供当前实时的SCR催化反应箱的老化程度。当 105数据有效性检查通过时，证明该次测试完成，并且数据有效，那么107部分的计时器就会重置，进入下一个计时周期，否则计时器不会重置。计时器重置的是为了定期进行SCR催化反应箱的老化监测，一旦完成一次有效的系统监测，则计时器就重新计时进入下一个监测周期，不断循环。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：获取系统数据，所述内容见图1中101部分所示，主要是采集新系统的原始数据，作为基准数据，也就是图2中老化前的系统特征参数，该参数主要包括SCR催化反应箱入口温度TBasUp、出口温度TBasDn、空速SVBas、SCR催化反应箱入口氮氧排放NBasUp、SCR催化反应箱出口氮氧排放NBasDn、氨气喷射量(也可以是尿素水溶液、液氨等所有能够分解之后产生氨气的物质)QBas等。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：识别诊断要素，所述内容见图1中102部分所示，主要识别该系统运行的各个参数是否存在并且满足初始条件，该条件主要是指各个参数的数值必须达到101环节提到的基准参数。如果该参数已经齐全，则进入下一个阶段，否则继续等待。识别诊断要素是周期性的任务，根据 106部分的计时器进行周期性的识别诊断要求，而且还受到103和106环节输出结果的影响。如果不满足诊断条件，则系统回到102识别诊断要素；如果执行诊断算法过程中断，则系统回到102识别诊断要素；如果105的数据有效性检查没有通过，则系统回到102识别诊断要素。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：执行诊断算法，见图1中103部分的内容。执行诊断算法就是按照图2的要求完成一次系统监测，首先停喷氨气(也可以是尿素水溶液、液氨等所有能够分解之后产生氨气的物质)，系统运行一定时间，排出SCR催化反应箱里面存储的氨；然后按照一定的氨氮比向排气管内喷射氨气(也可以是尿素水溶液、液氨等所有能够分解之后产生氨气的物质)，此时的氨氮比要求大于1。整个过程中全程记录以下参数：SCR催化反应箱入口温度、出口温度、空速、SCR催化反应箱入口氮氧排放、SCR催化反应箱出口氮氧排放、氨气喷射量(也可以是尿素水溶液、液氨等所有能够分解之后产生氨气的物质)等。该过程需要时间可能要几分钟甚至更长，如果工况发生变化，不能执行完成该诊断算法，则系统重新回到 102环节。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：数据统计分析，见图1中104部分的内容。本环节主要是对103环节记录的参数进行统计分析和计算，记录的参数必须包括图2中需要的参数，其中SCR催化反应箱老化程度的计算公式为：
其中Fage的范围为0-1，实际计算时，如果小于0，则认为等于0；如果大于1，则认为等于1.等于0表示系统没有老化，等于1表示系统完全老化，对氮氧化物没有任何处理能力。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：数据有效性检查，见图1中105部分的内容。该环节是为了确认104环节中的数据是否有效，同时满足以下条件则认为数据有效：
|TBasUp-TUp|＜ΔT
|TBasDn-TDn|＜ΔT
|SVBas-SV|＜ΔSV
|NBasUp-NUp|＜ΔNUp
tBas1-t1＞Δt
NDn-NBasDn＞ΔNDn
其中：TBasUp和TUp分别表示SCR催化反应箱入口基准温度和某次测试温度；
TBasDn和TDn分别表示SCR催化反应箱出口基准温度和某次测试温度；
SVBas和SV分别表示基准空速和某次测试空速；
NBasUp和NUp分别表示基准上游氮氧值和某次测试中上游氮氧值；
QBas和Q分别表示基准氨气喷射量和某次测试中氨气喷射量；
tBas1和t1分别表示系统测试时，基准测试时氮氧值的最小值和某次测试时氮氧值的最小值；
NDn和NBasDn分别表示系统测试时，待系统稳定后，某次测试中氮氧值的最终稳定值和基准测试时氮氧值的最终稳定值；
ΔT表示温度容差；
ΔSV表示空速容差；
ΔNUp表示上游氮氧容差；
ΔQ表示氨气喷射量容差；
Δt表示氮氧值达到最小所用时间容差；
ΔNDn表示最终氮氧值的容差；
ΔT、ΔSV、ΔNUp、ΔQ在不同的系统和不同的测试环境下，数值有所差异，需要根据系统精度进行确定。
当满足以上条件时，认为满足数据有效性检查，输出Fvld＝1，同时进入106环节进行监测结果输出。如果以上三个条件有一个或多个不成立，则数据无效，输出Fvld＝0，同时进入102环节，进行诊断要素识别。
上述一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：老化结果输出，当Fvld＝1时，表示数据有效，此时输出104环节的计算结果Fage，该参数表征了SCR催化反应箱的老化程度。
附图说明
图1SCR催化反应箱老化监测流程
图2不同老化程度SCR催化反应箱的数据对比曲线
附图标记说明：
101获取系统数据
102识别诊断要素
103执行诊断算法
104数据统计分析
105数据有效性检查
106老化结果输出
107计时器重置
具体实施方式
本案例以配有SCR系统的国IV排放水平柴油机为例。
获取系统数据：图1中101环节的内容，该数据既可以来自发动机台架标定数据也可以来自整车的试验数据，但前期是SCR催化反应箱处于较新的状态下获取的试验数据。其中采集的试验数据如下所示
TBasUp＝380℃
TBasDn＝342℃
SVBas＝60000h-1
NBasUp＝1300PPM
NBas1＝100PPM
NBasDn＝200PPM
QBas＝500mg/s
tBas＝200s
tBas1＝220s
tBas2＝230s
识别诊断要素：图1中102环节的内容，显然所需要的数据都已经齐全，假设计时器重置时间为200小时，并且此时已经距离上次监测超过200小时，而且目前的系统参数已经达到了101环节提到的基准参数，则目前已经具备了老化监测的条件，认为诊断要素达到设计要求。
执行诊断算法：图1中103部分的内容，执行该算法的过程中，采集了相应的运行参数，如下所示
TUp＝390℃
TDn＝348℃
SV＝60500h-1
NUp＝1310PPM
N1＝150PPM
NDn＝280PPM
Q＝500mg/s
t1＝216s
t2＝225s
数据统计分析：图1中104部分的内容，计算得到该案例下的老化表达式：
数据有效性检查：图1中105部分的内容，首先定义4个容差参数，如下
ΔT＝20
ΔSV＝1000
ΔN＝20
ΔQ＝20
Δt＝-2
ΔNDn＝50
本例中，判定数据有效性的几个关系表达式如下
|TBasUp-TUp|＝|380-390|＝10＜ΔT
|TBasDn-TDn|＝|342-348|＝8＜ΔT
|SVBas-SV|＝|60000-60500|＝500＜ΔSV
|NBasUp-NUp|＝|1300-1310|＝10＜ΔNUp
|QBas-Q|＝|500-500|＝0＜ΔQ
tBas1-t1＝220-216＞Δt
NDn-NBasDn＝280-220＞ΔNDn
由此可见，本次测试数据有效性检查满足条件，所以Fvld＝1
老化结果输出：图1中106部分的内容，由于105环节已经提供了Fvld＝1，所以本次监测结果有效，输出结果：
Fage＝0.042
所以该系统老化程度为0.042 。

Claims (1)

1.一种SCR催化反应箱老化的在线监测方法，其特征在于：通过一系列步骤，对SCR催化反应箱的老化程度进行在线监测；包括：获取系统数据；识别诊断要素；执行诊断算法；数据统计分析；数据有效性检查；老化结果输出；计时器重置；
所述获取系统数据，包括：指获取用于监测SCR催化反应箱老化程度所需要的运行参数，所述运行参数为新系统的原始数据，作为基准数据；这些参数包括但不限于SCR催化反应箱入口温度、出口温度、空速、SCR催化反应箱入口氮氧排放、SCR催化反应箱出口氮氧排放、氨气喷射量；
所述识别诊断要素是根据当前系统的运行参数，判断是否具备执行诊断算法的条件，该条件是指各个运行参数的数值必须达到所述获取系统数据步骤中提到的基准数据；如果该基准数据已经齐全，则进入下一个阶段，否则继续等待；
所述执行诊断算法时，基本步骤为：停喷氨气条件下，运行一段时间，待下游氮氧传感器氮氧读数稳定，记录SCR催化反应箱入口温度、出口温度、空速、SCR催化反应箱入口氮氧排放、SCR催化反应箱出口氮氧排放、氨气喷射量，并记录时间；按照大于理论氨氮比的喷射量进行喷射，直到氮氧传感器氮氧值读数稳定为止；
所述数据统计分析，对记录的SCR催化反应箱入口温度、出口温度、空速、SCR催化反应箱入口氮氧排放、SCR催化反应箱出口氮氧排放、氨气喷射量参数，进行统计和计算；其中SCR催化反应箱老化程度的计算公式为：
其中Fage的范围为0-1，实际计算时，如果小于0，则认为等于0；如果大于1，则认为等于1，等于0表示系统没有老化，等于1表示系统完全老化，对氮氧化物没有任何处理能力；
所述数据有效性检查，确认所述数据统计分析步骤中的数据是否有效，且同时满足以下条件则认为数据有效：
|TBasUp-TUp|＜ΔT
|TBasDn-TDn|＜ΔT
|SVBas-SV|＜ΔSV
|NBasUp-Nup|＜ΔNUp
tBas1-t1＞Δt
NDn-NBasDn＞ΔNDn (2)
其中：TBasUp和TUp分别表示SCR催化反应箱入口基准温度和某次测试温度；
TBasDn和TDn分别表示SCR催化反应箱出口基准温度和某次测试温度；
SVBas和SV分别表示基准空速和某次测试空速；
NBasUp和NUp分别表示基准上游氮氧值和某次测试中上游氮氧值；
tBas1和t1分别表示系统测试时，基准测试时氮氧值的最小值和某次测试时氮氧值的最小值；
NDn和NBasDn分别表示系统测试时，待系统稳定后，某次测试中氮氧值的最终稳定值和基准测试时氮氧值的最终稳定值；
ΔT表示温度容差；
ΔSV表示空速容差；
ΔNUp表示上游氮氧容差；
Δt表示氮氧值达到最小所用时间容差；
ΔNDn表示最终氮氧值的容差；
ΔT、ΔSV、ΔNUp、Δ在不同的系统和不同的测试环境下，数值有所差异，需要根据系统精度进行确定；
当满足以上条件时，认为满足数据有效性检查，输出Fvld＝1；
所述老化结果输出，当Fvld＝1，表示数据有效，此时输出公式(1)的计算结果Fage，该参数表征了SCR催化反应箱的老化程度。
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