CN106837495A - 基于模型的doc后no2%预估方法 - Google Patents

基于模型的doc后no2%预估方法 Download PDF

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Abstract

本发明是根据DOC的特性及氧化原理，将DOC径向均分为一定数据的单元模块，对每个单元应用能量守恒方程、化学平衡方程及质量守恒方程，对DOC氧化NO的特性进行公式模型化。从而计算出每个单元内废气中NO、NO2的浓度及和温度；废气中每一单元的NO和NO2的浓度相加得到DOC下游的NO和NO2浓度，从而获得NO2％，通过模型能精确计算DOC后NO2及NO的含量，适用于基于模型的SCR控制策略。

Description

基于模型的DOC后NO2％预估方法
技术领域
本发明涉及发动机领域，特别涉及发动机废气后处理领域。
背景技术
SCR的转换效率与所述SCR转化器内的氮氧化物被还原成氮气(N2)的含量相对应，SCR转化器的效率取决于多个参数。其当然取决于引入系统的氨或其等效物的量。其也取决于排气的流量，其直接影响排气在SCR转化器内的停留时间。排气的温度也影响SCR转化器的效率。
在SCR转化器的入口处，发现氮氧化物主要由一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)组成。NO的还原和NO2的还原不是在同样的条件下最优。因此，在SCR转化器的入口处的排气中NO和NO2的比例也影响SCR效率。
当前，基于模型的SCR控制策略也是该领域的研究热点，而发动机原排中NO2所占比例是基于模型的SCR控制策略的重要输入，现有基于MAP的标定的控制策略，根据DOC氧化原理及特性，DOC温度上升的时候，催化剂表面生成一层NO2,NO2占领活性位，影响NO被进一步氧化的可能性。因此NO2比例从高温降到低温与从低温升到高温，相同工况点比例不同，用同一张MAP不能解决现有问题，存在NO2％在同一工况下来回波动，影响SCR模型的输入，使模型不准确。
发明内容
本发明的目的是提供基于模型的DOC后NO2％的预估方法，使得DOC后NO2％的数值相比采用MAP更加准确、稳定。上述目的通过以下技术方案实现：
基于模型的DOC后NO2％的预估方法，所述方法为将DOC径向均分为若干单元模块，对每个单元模块应用DOC反应模型来计算废气中NO浓度、NO2的浓度；废气中每一单元的NO和NO2的浓度相加得到DOC下游的NO和NO2浓度；从而可以预估DOC后NO2％；其中所述DOC反应模型包括NO吸附模型，NO脱附模型，NO2吸附模型、NO2脱附模型，NO氧化为NO2模型和NO2还原为NO模型。
进一步，根据DOC温度设定NO与NO2氧化还原化学平衡的平衡曲线，对根据DOC反应模型计算NO2％的计算结果进行限定；当计算结果未超出该平衡曲线限定时，以计算结果作为预估NO2％，当超出曲线限定时，以曲线限定结果作为预估NO2％。
进一步，所述NO吸附模型为根据反应原理NO+S->NO(S)计算NO吸附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义如下：
rad(NO)：NO吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO):NO吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO):NO吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO：NO浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
进一步，所述NO脱附模型为根据反应原理NO(S)->NO+S计算NO脱附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，计算公式为：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO)：NO脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO):NO脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO):NO脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
进一步，所述NO2吸附模型为根据反应原理NO2+S->NO2(S)计算NO2吸附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rad(NO2)：NO2吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO2):NO2吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO2):NO2吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO2：NO2浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
进一步，所述NO2脱附模型为根据反应原理NO2(S)->NO2+S计算NO脱附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，计算公式为：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO2)：NO2脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO2):NO2脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO2):NO2脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
进一步，所述NO氧化为NO2模型为根据反应原理2NO+O2->2NO2计算NO2的氧化速率，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO2：氧化反应速率
KNO2:NO2氧化反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO2:NO2氧化反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO2：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位；
进一步，所述NO2还原为NO模型为根据反应原理2NO2->2NO+O2计算NO的还原速率，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO：还原反应速率
KNO:NO还原反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO:NO还原反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位；
上述模型中，考虑废气和载体的热交换过程、载体和环境的散热过程，其中的Tc采用如下的温度模型计算得出：
式中，各参数的含义如下：
Ccat：催化剂比热容，单位：J/kg/K
Mcat：催化剂质量，单位：kg
Tc：催化剂温度，单位：K
CEG：废气比热容，单位：J/kg/K
MEG：废气质量流量，单位：kg/h
TEG：废气温度，单位：K
f(Veh)：基于车速的修正函数，无单位
Tamb：环境温度，单位：K
本发明的优点在于：
1.本发明为基于模型的NO2比例预估控制策略，通过模型能精确计算DOC后NO2及NO的含量，提高精确度，满足SCR模型需求，适用于基于模型的SCR控制策略。
2.避免现有采用单一MAP因DOC特性导致工况变换时不能满足需求的问题。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的DOC反应模型输入输出示意图。
附图2示出了根据本发明实施方式的根据DOC温度的NO和NO2平衡曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出基于模型的DOC后NO2％的预估方法，所述方法根据DOC的特性及氧化原理，将DOC径向均分为一定数据的单元模块，对每个单元应用能量守恒方程、化学平衡方程及质量守恒方程，从而计算出每个单元内NO存储量、NO2存储量、废气中NO、NO2的浓度及和温度。废气中每一单元的NO和NO2的浓度相加得到DOC下游的NO和NO2浓度，通过模型的方式能很好的满足SCR模型需求。
DOC内反应原理：
根据反应原理，可将NO氧化为NO2部分进行模型化，参考图1，由于CO和HC的氧化极少，不影响活性位的整体转化效率，故忽略这两部分的反应，仅对DOC氧化NO的特性进行公式模型化。
所述模型包括三个子模型：
A温度模型
式中，各参数的含义如下：
Ccat：催化剂比热容，单位：J/kg/K
Mcat：催化剂质量，单位：kg
Tc：催化剂温度，单位：K
CEG：废气比热容，单位：J/kg/K
MEG：废气质量流量，单位：kg/h
TEG：废气温度，单位：K
f(Veh)：基于车速的修正函数，无单位
Tamb：环境温度，单位：K
该公式考虑到废气和载体的热交换过程、载体和环境的散热过程。
B NO与NO2热平衡模型
根据DOC温度，NO与NO2存在平衡，参考图2，即不会无限制的氧化或者还原，其比例受平衡的限制，通过DOC温度，设定平衡曲线，反应后的比例值经此曲线限制后为最终NO2所占比例。即，当计算结果未超出该平衡曲线限定时，以计算结果作为预估NO2％，当超出曲线限定时，以曲线限定结果作为预估NO2％。
C DOC反应模型
所述DOC反应模型包括六个子模型，分别为：
1)NO吸附：NO+S->NO(S)，其中，S代表催化剂中的活性位：
速率：
式中，各参数的含义如下：
rad(NO)：NO吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO):NO吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO):NO吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO：NO浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
2)NO脱附：NO(S)->NO+S，其中，S代表催化剂中的活性位：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO)：NO脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO):NO脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO):NO脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
3)NO2吸附：NO2+S->NO2(S)，其中，S代表催化剂中的活性位：
速率：
式中，各参数的含义为：
rad(NO2)：NO2吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO2):NO2吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO2):NO2吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO2：NO2浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
4)NO2脱附：NO2(S)->NO2+S，其中，S代表催化剂中的活性位：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO2)：NO2脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO2):NO2脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO2):NO2脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
5)NO氧化为NO2：2NO+O2->2NO2
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO2：氧化反应速率
KNO2:NO2氧化反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO2:NO2氧化反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO2：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位。
6)NO2还原为NO：2NO2->2NO+O2
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO：还原反应速率
KNO:NO还原反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO:NO还原反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位。
根据上述六个模型，可以对获得的单位时间内NO2与NO相互转化速率、进而对转化速率进行常规的数学处理，即可获得DOC后NO和NO2的浓度，进而获得NO2％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述方法为将DOC径向均分为若干单元模块，对每个单元模块应用DOC反应模型来计算废气中NO浓度、NO2的浓度；废气中每一单元的NO和NO2的浓度相加得到DOC下游的NO和NO2浓度；从而可以预估DOC后NO2％；其中所述DOC反应模型包括NO吸附模型，NO脱附模型，NO2吸附模型、NO2脱附模型，NO氧化为NO2模型和NO2还原为NO模型。
2.根据权利要求1所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，根据DOC温度设定NO与NO2氧化还原化学平衡的平衡曲线，对根据DOC反应模型计算NO2％的计算结果进行限定；当计算结果未超出该平衡曲线限定时，以计算结果作为预估NO2％，当超出曲线限定时，以曲线限定结果作为预估NO2％。
3.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO吸附模型为根据反应原理NO+S->NO(S)计算NO吸附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，该NO吸附速率的计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义如下：
rad(NO)：NO吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO):NO吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO):NO吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO：NO浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
4.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO脱附模型为根据反应原理NO(S)->NO+S计算NO脱附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，该NO脱附速率的计算公式为：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO)：NO脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO):NO脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO):NO脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
5.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO2吸附模型为根据反应原理NO2+S->NO2(S)计算NO2吸附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，该NO2吸附速率的计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rad(NO2)：NO2吸附速率，单位：mol/m2/s；
Kad(NO2):NO2吸附反应速率常数,催化剂特性，单位：m/s；
Ead(NO2):NO2吸附反应活化能,催化剂特性,单位：K；
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
CNO2：NO2浓度，单位：mol/m3；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
6.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO2脱附模型为根据反应原理NO2(S)->NO2+S计算NO脱附速率，其中，S代表催化剂中的活性位，该NO2脱附速率的计算公式为：
速率：
式中，各参数含义如下：
rde(NO2)：NO2脱附速率，单位：mol/m2/s
ε：覆盖度依赖因子，催化剂常数，无单位
Kde(NO2):NO2脱附反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
Ede(NO2):NO2脱附反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位。
7.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO氧化为NO2模型为根据反应原理2NO+O2->2NO2计算NO2的氧化速率，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO2：氧化反应速率
KNO2:NO2氧化反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO2:NO2氧化反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO2：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位。
8.根据权利要求2所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，所述NO2还原为NO模型为根据反应原理2NO2->2NO+O2计算NO的还原速率，计算公式为：
速率：
式中，各参数的含义为：
rNO：还原反应速率
KNO:NO还原反应速率常数,催化剂特性，单位：mol/m2/s
ENO:NO还原反应活化能,催化剂特性，单位：K
Tc：当前催化剂温度，单位：K；
θNO：催化剂NO吸附量，比值，无单位；
θNO2：催化剂NO2吸附量，比值，无单位；
pNO：指数因子，催化剂特性，无单位；
f(CO2)：基于O2的修正函数，无单位。
9.根据权利要求3至8中的任一项所述的基于模型的DOC后NO2％的预估方法，其特征在于，考虑废气和载体的热交换过程、载体和环境的散热过程，其中的Tc采用如下的温度模型计算得出：
C c a t * M c a t * dT c d t = C E G * M E G * ( T E G - T c ) - f ( V e h ) * ( T c - T a m b )
式中，各参数的含义如下：
Ccat：催化剂比热容，单位：J/kg/K
Mcat：催化剂质量，单位：kg
Tc：催化剂温度，单位：K
CEG：废气比热容，单位：J/kg/K
MEG：废气质量流量，单位：kg/h
TEG：废气温度，单位：K
f(Veh)：基于车速的修正函数，无单位
Tamb：环境温度，单位：K。
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