CN106762042B - 一种发动机scr系统氨气泄漏控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法属于尾气后处理领域。该方法主要包括四个基本步骤：采集SCR系统的原始信息；计算实际的氨存储饱和度；与理论的氨存储饱和度进行比较；尿素喷射修正。本发明在传统尿素喷射控制算法的基础上，利用一套基于氨存储饱和度与氨泄漏临界点具有较强相关性的氨泄漏控制算法，从而有效控制了SCR系统中的氨泄漏问题。

Description

一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法
技术领域
本发明属于尾气后处理技术领域，涉及到采用选择性催化还原技术(SCR)的尾气净化技术。利用氨存储饱和度与氨泄漏临界点具有较强的相关性，在传统尿素喷射方法的基础上通过一种算法进行防止氨气泄漏的控制方法。
背景技术
柴油机因具有效率高、油耗低等特点而得到了广泛的应用。但是，柴油机内高温燃烧必会产生NOx的排放等问题，具有选择性、高效性的SCR(选择性催化还原系统)技术被广泛用于控制柴油机氮氧排放。选择性催化还原技术是一种被广泛采用的用于减少废气中氮氧化物的技术。为了能在较低温度下也能有效地将氮氧化物转化为氮气，恰当的还原剂和催化剂是SCR系统中必不可少的组成部分。SCR系统的基本工作原理如图1，通过精确喷射尿素溶液，作为还原剂，将废气中的NOx还原为对大气无污染的氮气与水，达到降低氮氧化物污染的目的。
在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排气作用下发生水解和热解作用，生成所需要的还原剂氨气，化学反应式如下：CO(NH2)2+H2O→4N2+6H2O。氨气在催化剂的作用下有选择性地将氮氧化物转化为氮气，发生的化学反应如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
SCR系统在催化器内将氨气转化为氮气，达到净化废气的目的。
SCR技术在喷射尿素水溶液时，如果尿素喷射过多，氨存储饱和度达到一定程度后，气态氨将会直接排出，造成二次污染。《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》(中国III、IV、V阶段中规定，氨泄漏峰值不超过25x10-6，平均值不超过10x10-2。)
SCR尿素喷射系统中，氨泄露的控制是SCR技术的一个关键点。但SCR技术在实际工作中存在矛盾关系：若要减少或者防止氨泄漏，氨气的喷射量就会减少，氨泄露的可能性降低的同时NOx转化效率也会降低，无法满足排放要求；而当尿素喷射过多时能够增加氮氧化物的转化率，但氨泄漏的风险增加，产生二次污染。
国内目前对此进行了许多研究，有研究考虑到NOx传感器对氨的交叉敏感性，研究了氨氮比对NOx转化率和氨泄漏的影响，得出了氨氮比达到一确切点后开始出现氨泄漏的结论。但是由于尿素水溶液在高温废气中热解和水解不完全，实际产生的NH3量低于理论产生的NH3量，故实验结论有一定的误差，且未给出控制氨泄漏的方法。这些研究大多是根据氨泄漏的量作为反馈输入，而氨泄漏量一般是通过传感器直接或间接测量得到，这样系统的响应会存在滞后，可能导致氨的泄漏量增多，无法满足环保要求，故寻找高效安全的氨泄漏控制方法很有必要。
发明内容
本发明主要是在分析氨泄漏特征的前提下，利用这种特征来控制氨的泄漏。氨氮比和温度对氨泄漏有较大的影响，但是氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度不随氨氮比和温度的变化而改变。因此可以利用氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度不随氨氮比和温度的变化而改变的特性，设计控制算法。
设计控制算法时，从控制氨泄露和提高NOx转化率两方面考虑，要提高NOx转化效率，就应该增大氨氮比，要控制氨泄漏，应该减小氨氮比。由于氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度不随氨氮比和温度的变化而改变，将氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度定义为理论氨存储饱和度值。定义K为安全系数，为实际氨存储饱和度(％)，为理论氨存储饱和度，为当前氨存储量(g/L)；为饱和氨存储量(g/L)，为氨喷射速率(g/s)；为氨反应速率(g/s)；为氨的泄漏速率(g/s)；VCat为催化剂体积(L)为氨泄漏体积分数(ppm)；dmExh为气体质量流量(g/s)；ρExh为气体密度(g/L)；为氨的摩尔质量(g/mol)；C为氨的摩尔体积(mol/L)。计算方法如下：
安全系数越大意味着氨泄漏的风险越小，安全系数越小意味着氨泄漏的风险越大。当催化剂温度不变氨存储饱和度也不变的情况下，快速升高温度，实际氨存储饱和度会升高，超过氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度时就会出现氨泄漏。当温度快速下降时，实际的氨存储饱和度会下降，此时不会引起氨泄漏，为了达到氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度就需要增大氨氮比。这就需要从催化剂的氨泄漏特性出发，尽量控制氨泄漏始终处在泄漏的临界值。将氨泄漏控制在临界点附近的控制算法是兼顾NOx转化效率和氨泄漏的最优控制算法。
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SCR系统氨气泄漏控制方法。其特征在于：设计一套控制算法，监控发动机运行工况，根据工况利用上述公式得出氨存储饱和度。所述内容如图2所示，以该工况下的氨存储饱和度的计算为基础，并将其作为控制目标，将其与氨泄漏点处对应的氨饱和存储度进行比较，即求出对应的安全系数，控制器利用安全系数和氨存储饱和度修正系数对尿素喷射进行修正，最终的尿素喷射量也会反过来影响氨的实际存储饱和度，从而达到控制氨泄露的目的。
上述一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法，其特征在于：采集SCR系统的原始信息，针对生产线上同一批次同一型号的SCR系统该数据的获取只进行一次。利用发动机台架试验，当台架达到稳定工况条件时，记录在不同工况下，当氨恰好泄露时的氨存储饱和度，并记录该工况下的转速和扭矩等特征信息。
上述一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法，其特征在于：计算实际的氨存储饱和度，实时监控发动机的运行工况，利用发动机的转速和扭矩作为工况判定条件，由于发动机的运行工况是一个瞬态过程，实际工况与采集的原始数据相比不可能完全一致，故设置一个误差额度，当发动机转速和扭矩满足该额度范围内时，就可认为满足诊断条件。发动机当前转速ncur与设定转速nset的偏差百分比小于误差额度Pn，一般Pn小于5％，则认为当前工况符合条件，可用公式表述为：
发动机当前扭矩Tcur与设定扭矩Tset的偏差百分比小于误差额度PT，一般PT小于3％，则认为当前工况符合条件，可用公式表述为：
上述一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法，其特征在于：与理论的氨存储饱和度进行比较，得出安全系数，进而求出修正系数。运行算法时，会将理论氨存储饱和度与当前工况下氨存储饱和度进行对比，从而计算得出该工况下的系统稳态偏差，用氨存储饱和度修正系数表示计算方法如下：
上述一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法，其特征在于：尿素喷射修正，根据上面所求得的氨存储饱和度修正系数对尿素喷射进行修正，某工况下设定尿素喷射量为qset，基于修正系数后的尿素喷射量为qcor，计算方法如下：
qcor＝(1+f)*qset
综上所述，该方法可以根据氨的实际存储饱和度与理论氨存储饱和度的差别，并调节尿素的最终喷射量，将氨泄漏控制在法规允许范围内。
附图说明
图1为SCR系统工作基本原理图
图2为氨气泄漏控制方法过程图
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达到预定目的所采用的方法,以下结合附图,对本发明提出的一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法,详细说明如下:
首先根据发动机的工况(转速、扭矩百分比),通过根据发动机的运行工况，通过查原机NOx排放MAP图和排气流量MAP图，从而计算出NOx的质量流量。根据SCR反应方程式，确定发动机循环中氨气的基本喷射量；再根据尿素水溶液参数得到尿素水溶液质量流量的理论值；催化剂载体温度会影响催化剂的催化活性，根据催化剂对NOx的转化效率系数、催化剂载体温度等对尿素基本喷射量进行修正,得到修正后的尿素喷射量；最后根据安全系数对尿素的喷射量做出修正，即利用氨存储饱和度修正系数对尿素喷射量进行修正，得到最终实际需要的尿素喷射量，再根据氨泄漏与否或者氨泄露的量对氨的实际存储饱和度进行再次计算，重复上述过程，继续修正实际的尿素喷射量，从而达到控制氨泄漏的目的。

Claims (5)

1.一种发动机SCR系统氨气泄漏控制方法，其特征在于：根据发动机运行工况获取氨泄漏特征与氨存储饱和度的对应关系，找到实际的氨泄漏临界点的氨存储饱和度；以该工况下的实际氨存储饱和度与氨泄漏临界点处对应的理论的氨存储饱和度进行比较，计算得到预测氨泄漏的安全系数，控制器利用安全系数对尿素喷射进行修正，从而达到控制氨泄漏的目的；实际的氨存储饱和度通过当前氨存储量除以饱和氨存储量计算得到，理论氨存储饱和度由催化剂特性决定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：计算实际的氨存储饱和度是利用氨的当前存储量和饱和存储量的比值求得，氨的理论存储饱和度通过NOx的转化效率系数、催化剂载体温度、氨的泄漏量来计算。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：实际的氨存储饱和度与理论氨存储饱和度进行比较，进而求出安全系数，并用安全系数与理论氨存储饱和度求比值，该比值即为氨存储饱和度修正系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：尿素喷射修正根据氨存储饱和度修正系数对尿素喷射量进行修正；系统计算修正系数，并更新基于修正系数的尿素喷射量，从而实现氨气泄漏的控制。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将氨泄漏临界点对应的氨存储饱和度定义为理论氨存储饱和度值；定义K为安全系数，为实际氨存储饱和度(％)，为理论氨存储饱和度，为当前氨存储量(g/L)；为饱和氨存储量(g/L)，为氨喷射速率(g/s)；为氨反应速率(g/s)；为氨的泄漏速率(g/s)；VCat为催化剂体积(L)；为氨泄漏体积分数(ppm)；dmExh为气体质量流量(g/s)；ρExh为气体密度(g/L)；为氨的摩尔质量(g/mol)；C为氨的摩尔体积(mol/L)；计算方法如下：
氨存储饱和度修正系数表示计算方法如下：
某工况下设定尿素喷射量为qset，基于修正系数后的尿素喷射量为qcor，计算方法如下：
qcor＝(1+f)*qset。
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