CN106682428B - Scr氨存储量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SCR氨存储量计算方法，具体地说是柴油机SCR后处理系统的氨存储量计算方法，属于柴油机后处理的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述SCR氨存储量计算方法，通过催化剂温度以及上一步长NH3存储量确定NH3吸附剩余量，通过NH3喷射量、催化剂温度、排气空速以及催化剂上游NO2/NOx比例确定NH3化学反应消耗量，将确定NH3吸附剩余量减去NH3化学反应消耗量，以得到NH3存储变化量；将所述NH3存储变化量与上一步长NH3存储量累加，以得到当前NH3存储量。本发明在不使用NOx传感器的前提下准确计算出氨存储量，为实现催化剂最大效能对尿素喷射进行精确控制提供必要的基础，降低成本，提高了催化剂的使用效能。

Description

SCR氨存储量计算方法
技术领域
本发明涉及一种计算方法，尤其是一种SCR氨存储量计算方法，具体地说柴油机SCR后处理系统的氨存储量计算方法，属于柴油机后处理的技术领域。
背景技术
SCR后处理技术是柴油机降低尾气中NOx的主要技术手段，其基本原理是通过喷射尿素水解雾化形成的氨气在催化器内与排气中的NOx发生氧化还原反应，生成无害的氮气。而许多研究表明，氨与NOx反应的内在机理是游离的气相氨被催化剂吸附并存储在表面上，吸附产生的存储相的氨与NOx发生反应。即存储相的氨对NOx转化存在极大影响，氨存储量越高，其占饱和氨存储量的比重越高，催化剂效率越高。
为满足日益严格的排放标准，提高催化剂的使用效能，保证催化剂内存储的氨始终处于饱和状态，根据实际氨存储量来调节尿素喷射成为提高SCR系统性能必然趋势，而如何计算实际氨存储值则成为一个重要的研究课题。
目前，国内很多柴油机及后处理厂家展开了这方面的研究，建立基于氨存储的尿素喷射控制策略，但其氨存储量计算方法基本一样，只在后期尿素喷射控制方面有细微差别。其氨存储计算思路如下：通过在SCR下游NOx传感器获取NOx排放浓度，并通过与原机NOx排放浓度对比，以计算得到转化的NOx浓度；引入排气质量流量计算得到转化NOx的质量，并以NH3/NOx比为1计算消耗的氨质量；喷射的氨质量减去反应消耗氨质量即为增加的氨存储量，通过积分形式累加原有的氨存储量得到新的氨存储量。
分析上述氨存储计算方法，存在如下问题：
1)、计算当前氨存储增加量时，使用了当前的氨喷射量和已反应(即上一步长)消耗的氨含量，造成实际计算的延迟并由此带来误差。
2)、NOx传感器存在NOx和NH3的交叉敏感性问题。NOx传感器在发动机大部分工况下是不能够区分出NOx值和NH3值，NOx传感器测量时会将NH3氧化成NOx，即导致无法确定NOx传感测量的是NOx还是NH3。因此，若采用NOx传感器测量的NOx值计算氨消耗量，可能会导致实际值与期望值偏差很大的问题。
3)、计算氨消耗量时，没有考虑氨高温氧化造成的损失。
4)、没有考虑慢反应的影响，慢反应中NH3/NOx消耗比为4/3，若扔按1:1的比例计算，得到的氨存储值较实际偏高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种SCR氨存储量计算方法，其在不使用NOx传感器的前提下准确计算出氨存储量，为实现催化剂最大效能对尿素喷射进行精确控制提供必要的基础，降低成本，提高了催化剂的使用效能。
按照本发明提供的技术方案，所述SCR氨存储量计算方法，通过催化剂温度以及上一步长NH3存储量确定NH3吸附剩余量，通过NH3喷射量、催化剂温度、排气空速以及催化剂上游NO2/Nox比例确定NH3化学反应消耗量，将确定NH3吸附剩余量减去NH3化学反应消耗量，以得到NH3存储变化量；将所述NH3存储变化量与上一步长NH3存储量累加，以得到当前NH3存储量。
通过当前氨吸附剩余量计算模块对催化剂温度以及上一步长NH3存储量计算确定NH3吸附剩余量；所述当前氨吸附剩余量计算模块包括NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块；
上一步长NH3存储量以及催化剂温度分别与NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块连接，NH3吸附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3吸附量，NH3脱附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3脱附量，所述NH3吸附量与NH3脱附量间的差值为NH3吸附剩余量。
在确定NH3化学反应消耗量时，利用氨氧化消耗量计算模块确定NH3氧化消耗量，利用降NOx反应NH3消耗量计算模块确定NOx反应NH3消耗量，NH3氧化消耗量与NOx反应NH3消耗量累加得到NH3化学反应消耗量；
氨氧化消耗量计算模块包括NH3氧化系数MAP模块，所述NH3氧化系数MAP模块同时接收催化剂温度以及排气空速的输入，并输出NH3氧化系数，所述NH3氧化系数与NH3喷射量相乘后，得到NH3氧化消耗量。
所述降NOx反应NH3消耗量计算模块包括NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块以及NOx转化效率插值计算模块；其中，0≤a＜b＝0.5＜c≤1；
NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块分别接收催化剂温度以及排气空速的输入，并分别向NOx转化效率插值计算模块输入NO2/NOx＝a时NOx转化效率、NO2/NOx＝b时NOx转化效率以及NO2/NOx＝c时NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块还接收催化剂上游NO2/NOx的比例x，并将所述催化剂上游NO2/NOx比例x分别与a、b、c比较，且通过插值确定当前工况催化剂的NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块输出的NOx转化效率与催化剂上游NOx相乘，以得到NOx反应量；催化剂上游NO2/NOx比例x还输入至NH3/NOx比例计算模块，NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx的比例x得到NH3/NOx比例；所述NH3/NOx比例与NOx反应量相乘，以得到NOx反应NH3消耗量。
NOx转化效率插值计算模块进行插值计算时，先对催化剂上游NO2/NOX的比例x的大小进行判断，当x≤0.5时，插值计算过程为：当x＞0.5时，插值计算过程为：其中，F(a)为NO2/NOx＝a时的NOx转化效率，F(b)为NO2/NOx＝b时的NOx转化效率。
NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx比例x计算得到NH3/NOx比例时，先对催化剂上游NO2/NOx的比例x的大小进行判断，当x＞0.5时，NH3/NOx的比例为2*(1-x)+(2*x-1)*4/3；当x≤0.5时，NH3/NOx比例为1。
本发明的优点：通过计算确定当前NH3存储量，省去了氨传感器，降低了成本，在计算确定当前NH3存储量过程中，综合了主要化学反应过程，并基于所使用催化剂的固有属性，实时性好，结果准确，用于尿素喷射控制时，能有效提高催化剂的使用效能，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的逻辑图。
图2为本发明确定当前NH3吸附剩余量的逻辑图。
图3为本发明确定NH3氧化消耗量的逻辑图。
图4为本发明确定降NOx反应NH3消耗量的逻辑图。
图5为本发明确定NOx转化效率插值计算模块的插值计算逻辑图。
图6为本发明确定NH3/NOx比例计算模块的计算逻辑图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了准确计算出氨存储量，为实现催化剂最大效能对尿素喷射进行精确控制提供必要的基础，降低成本，提高催化剂的使用效能，本发明通过催化剂温度以及上一步长NH3存储量确定NH3吸附剩余量，通过NH3喷射量、催化剂温度、排气空速以及催化剂上游NO2/Nox比例确定NH3化学反应消耗量，将确定NH3吸附剩余量减去NH3化学反应消耗量，以得到NH3存储变化量；将所述NH3存储变化量与上一步长NH3存储量累加，以得到当前NH3存储量。
具体地，吸附于催化剂表面的氨，只有四种转换形式，分别是脱附逃逸、氧化、与NOx发生反应消耗以及存储于催化剂表面；基于质量守恒定律以及催化剂表面发生的系列化学反应，并根据上述氨的四种转化形式，即能得到当前NH3存储量。本发明实施例中，上一步长NH3存储量是指，在前一次计算得到的当前氨(NH3)存储量，在计算开始时氨存储量的初始值为0。
如图2所示，通过当前氨吸附剩余量计算模块对催化剂温度以及上一步长NH3存储量计算确定NH3吸附剩余量；所述当前氨吸附剩余量计算模块包括NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块；
上一步长NH3存储量以及催化剂温度分别与NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块连接，NH3吸附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3吸附量，NH3脱附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3脱附量，所述NH3吸附量与NH3脱附量间的差值为NH3吸附剩余量。
本发明实施例中，当前吸附在催化剂表面的氨的剩余量是由氨的吸附和脱附过程决定的，而氨的吸附速率和脱附速率主要受催化剂温度和上一步长NH3存储量(氨)含量影响。上一步长NH3存储量越高，氨的吸附速率越低，而脱附速率则越高，两者逐渐趋于相等，反之亦然；催化剂温度越高，氨的吸附速率和脱附速率都提高，但脱附速率提高速度更快。
根据上一步长NH3存储量以及催化剂温度，NH3吸附速率MAP模块查找对应的MAP，可以得到NH3吸附量，根据上一步长NH3存储量以及催化剂温度，NH3脱附速率MAP模块查找对应的MAP，可以得到NH3脱附量，将NH3吸附量减去NH3脱附量，即可得到NH3吸附剩余量。本发明实施例中，根据上一步长NH3存储量以及催化剂温度查找对应的MAP的具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。催化剂温度一般可以通过催化剂温度传感器获得，催化剂温度的具体获得过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
如图3所示，在确定NH3化学反应消耗量时，利用氨氧化消耗量计算模块确定NH3氧化消耗量，利用降NOx反应NH3消耗量计算模块确定NOx反应NH3消耗量，NH3氧化消耗量与NOx反应NH3消耗量累加得到NH3化学反应消耗量；
氨氧化消耗量计算模块包括NH3氧化系数MAP模块，所述NH3氧化系数MAP模块同时接收催化剂温度以及排气空速的输入，并输出NH3氧化系数，所述NH3氧化系数与NH3喷射量相乘后，得到NH3氧化消耗量。
本发明实施例中，根据催化剂温度以及排气空速，NH3氧化系数MAP模块查找对应的MAP能得到NH3氧化系数，NH3氧化系数与NH3喷射量相乘，即可得到NH3氧化消耗量，NH3氧化系数MAP模块根据催化剂温度以及排气空速查找对应MAP得到NH3氧化系数的具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
如图4所示，所述降NOx反应NH3消耗量计算模块包括NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块以及NOx转化效率插值计算模块；其中，0≤a＜b＝0.5＜c≤1；
NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块分别接收催化剂温度以及排气空速的输入，并分别向NOx转化效率插值计算模块输入NO2/NOx＝a时NOx转化效率、NO2/NOx＝b时NOx转化效率以及NO2/NOx＝c时NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块还接收催化剂上游NO2/NOx的比例x，并将所述催化剂上游NO2/NOx比例x分别与a、b、c比较，且通过插值确定当前工况催化剂的NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块输出的NOx转化效率与催化剂上游NOx相乘，以得到NOx反应量；催化剂上游NO2/NOx比例x还输入至NH3/NOx比例计算模块，NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx的比例x得到NH3/NOx比例；所述NH3/NOx比例与NOx反应量相乘，以得到NOx反应NH3消耗量。
本发明实施例中，在获得催化剂温度以及排气空速后，通过查表能分别获得NO2/NOx比例分别为a、b、c时的催化剂转化效率，具体实施时，NO2/NOx＝a时，对应的催化剂转化效率为F(a)，NO2/NOx＝b时，对应的催化剂转化效率为F(b)，当NO2/NOx＝c时，对应的催化剂效率为F(c)。所述转化效率F(a)、F(b)以及F(c)分别输入至NOx转化效率插值计算模块，NOx转化插值计算模块对催化剂上游NO2/NOx的比例x进行插值计算，以得到NOx转化效率。一般地，通过原机排放标定得到催化剂上游NO2/NOx比例x，具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。此外，根据催化剂温度以及排气空速查表得到对应转化效率F(a)、F(b)以及F(c)的过程也为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
如图5所示，NOx转化效率插值计算模块进行插值计算时，先对催化剂上游NO2/NOX的比例x的大小进行判断，当x≤0.5时，插值计算过程为：当x＞0.5时，插值计算过程为：其中，F(a)为NO2/NOx＝a时的NOx转化效率，F(b)为NO2/NOx＝b时的NOx转化效率。
如图6所示，NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx比例x计算得到NH3/NOx比例时，先对催化剂上游NO2/NOx的比例x的大小进行判断，当x＞0.5时，NH3/NOx的比例为2*(1-x)+(2*x-1)*4/3；当x≤0.5时，NH3/NOx比例为1。
本发明实施例中，计算NH3/NOx消耗比的基本思想是：快反应先于标准反应，标准反应先于慢反应。根据化学反应方程可知，NO2/NOx﹤0.5时，主要考虑快反应和标准反应，两个反应NH3/NOx消耗比为均为1；否则，考虑标准反应和慢反应，慢反应NH3/NOx消耗比为4/3，即当x＞0.5时，NH3/NOx的比例为2*(1-x)+(2*x-1)*4/3；当x≤0.5时，NH3/NOx比例为1。
本发明通过计算确定当前NH3存储量，省去了氨传感器，降低了成本，在计算确定当前NH3存储量过程中，综合了主要化学反应过程，并基于所使用催化剂的固有属性，实时性好，结果准确，用于尿素喷射控制时，能有效提高催化剂的使用效能，安全可靠。

Claims (5)

1.一种SCR氨存储量计算方法，其特征是：通过催化剂温度以及上一步长NH3存储量确定NH3吸附剩余量，通过NH3喷射量、催化剂温度、排气空速以及催化剂上游NO2/NOx比例确定NH3化学反应消耗量，将确定NH3吸附剩余量减去NH3化学反应消耗量，以得到NH3存储变化量；将所述NH3存储变化量与上一步长NH3存储量累加，以得到当前NH3存储量；
其中，上一步长NH3存储量是指，在前一次计算得到的当前NH3存储量，在计算开始时氨存储量的初始值为0；
在确定NH3化学反应消耗量时，利用氨氧化消耗量计算模块确定NH3氧化消耗量，利用降NOx反应NH3消耗量计算模块确定NOx反应NH3消耗量，NH3氧化消耗量与NOx反应NH3消耗量累加得到NH3化学反应消耗量；
氨氧化消耗量计算模块包括NH3氧化系数MAP模块，所述NH3氧化系数MAP模块同时接收催化剂温度以及排气空速的输入，并输出NH3氧化系数，所述NH3氧化系数与NH3喷射量相乘后，得到NH3氧化消耗量。
2.根据权利要求1所述的SCR氨存储量计算方法，其特征是：通过当前氨吸附剩余量计算模块对催化剂温度以及上一步长NH3存储量计算确定NH3吸附剩余量；所述当前氨吸附剩余量计算模块包括NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块；
上一步长NH3存储量以及催化剂温度分别与NH3吸附速率MAP模块以及NH3脱附速率MAP模块连接，NH3吸附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3吸附量，NH3脱附速率MAP模块根据催化剂温度以及上一步长NH3存储量能得到NH3脱附量，所述NH3吸附量与NH3脱附量间的差值为NH3吸附剩余量。
3.根据权利要求1所述的SCR氨存储量计算方法，其特征是：所述降NOx反应NH3消耗量计算模块包括NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块以及NOx转化效率插值计算模块；其中，0≤a＜b＝0.5＜c≤1；
NO2/NOx＝a的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝b的NOx转化效率MAP模块、NO2/NOx＝c的NOx转化效率MAP模块分别接收催化剂温度以及排气空速的输入，并分别向NOx转化效率插值计算模块输入NO2/NOx＝a时NOx转化效率、NO2/NOx＝b时NOx转化效率以及NO2/NOx＝c时NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块还接收催化剂上游NO2/NOx的比例x，并将所述催化剂上游NO2/NOx比例x分别与a、b、c比较，且通过插值确定当前工况催化剂的NOx转化效率；
NOx转化效率插值计算模块输出的NOx转化效率与催化剂上游NOx相乘，以得到NOx反应量；催化剂上游NO2/NOx比例x还输入至NH3/NOx比例计算模块，NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx的比例x得到NH3/NOx比例；所述NH3/NOx比例与NOx反应量相乘，以得到NOx反应NH3消耗量。
4.根据权利要求3所述的SCR氨存储量计算方法，其特征是：NOx转化效率插值计算模块进行插值计算时，先对催化剂上游NO2/NOX的比例x的大小进行判断，当x≤0.5时，插值计算过程为：当x＞0.5时，插值计算过程为：其中，F(a)为NO2/NOx＝a时的NOx转化效率，F(b)为NO2/NOx＝b时的NOx转化效率，F(a)为NO2/NOx＝c时的NOx转化效率。
5.根据权利要求3所述的SCR氨存储量计算方法，其特征是：NH3/NOx比例计算模块根据催化剂上游NO2/NOx比例x计算得到NH3/NOx比例时，先对催化剂上游NO2/NOx的比例x的大小进行判断，当x＞0.5时，NH3/NOx的比例为2*(1-x)+(2*x-1)*4/3；当x≤0.5时，NH3/NOx比例为1。
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