CN108229091A - Scr后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是，包括：（1）SCR催化器为多个催化通道的集合，将SCR催化器三态模型沿着轴线方向离散化，将SCR催化器等分为若干个微元；（2）将各个微元进行简化求解，第一个计算微元和最后一个计算微元分别为SCR催化器的输入和输出；微元之间的地位等同，相邻计算微元之间，前一个计算微元的输出是后一个计算微元的输入；（3）极端微元之间的关系完成化学反应动力学模型的搭建。本发明保证模型精确性的同时提高了模型的实时性，使得SCR催化器模型更好的应用到控制系统中。

Description

SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法
技术领域
本发明涉及一种SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，属于柴油机控制系统技术领域。
背景技术
目前，SCR后处理技术是国四、国五及国六柴油机降低尾气中NOx的主要技术手段。随着柴油车排放法规的逐步加严，NOx排放限值越来越低，同时加入了氨泄漏的要求。到国五、国六阶段，要求SCR后处理控制系统具备能够更精准控制能力。
基于模型的SCR尿素喷射控制策略是SCR系统控制策略的发展方向之一。基于模型的控制策略，指的是将被控对象模型(SCR系统模型)应用到控制算法中去。将模型应用到控制算法中，可使得控制算法获得更多被控对象的信息，从而使得控制算法的精确度、灵活性以及稳定性进一步提高。
基于模型的控制关键在于系统模型的建立。SCR系统模型主要包括排气模型、尿素水解模型、SCR系统温度模型以及SCR催化器模型，其中关键在于SCR催化器模型的建立。SCR催化器模型种类较多，比较常用的为基于化学反应动力学的SCR催化器模型，这种模型的建立从SCR催化器催化还原氮氧化物的机理出发，从化学反应的角度对SCR系统内部发生的反应进行分析简化，以物料守恒定理为基础，建立系统内部各类气体的浓度变化方程，从而得到SCR催化器模型。
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后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，保证模型精确性的同时提高了模型的实时性，使得SCR催化器模型更好的应用到控制系统中。
按照本发明提供的技术方案，所述SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是，包括：
(1)SCR催化器为多个催化通道的集合，将SCR催化器三态模型沿着轴线方向离散化，将SCR催化器等分为若干个微元；
(2)将各个微元进行简化求解，第一个计算微元和最后一个计算微元分别为SCR催化器的输入和输出；微元之间的地位等同，相邻计算微元之间，前一个计算微元的输出是后一个计算微元的输入；
(3)极端微元之间的关系完成化学反应动力学模型的搭建。
进一步地，所述SCR催化器的三态模型如式(1)所示，
所述三态为气态NOx、气态NH3以及吸附态NH3，kabs、kdes以及分别表示氨气吸附反应速率常数、氨气释放反应速率常数以及SCR反应速率常数，和分别表示NOx和NH3浓度；Ω和θ分别表示SCR催化器最大氨气存储量和催化器表面氨气覆盖率；z表示图中的坐标，t表示时间坐标。
进一步地，所述微元的模型如式(2)所示，
式(2)中，Δ为每个计算单元长度，表示第n个计算微元内的NH3的浓度；表示第n个计算微元内的NOx浓度；θ(n)表示第n个计算单元的SCR催化器氨气表面覆盖率。
进一步地，所述SCR催化器三态模型分为快反应模型和慢反应模型两个部分，所述快反应模型式(3)所示，
所述慢反应模型如式(6)所示，
本发明具有以下优点：
(1)本发明对SCR催化器模型的进行离散化处理，解决了原有SCR催化器模型难以求解的问题；
(2)根据反应速率快慢，对离散后的SCR催化器模型进一步优化，使得优化后的SCR模型更便于应用到控制模型之中。
附图说明
图1为SCR催化器单个催化通道的示意图。
图2为SCR催化器计算微元划分的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
本发明所述SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，具体逻辑如下：
如图1所示为SCR催化器单个催化通道的示意图，SCR催化器可视为多个催化通道的集合，则SCR催化器的三态模型可如式(1)所示，
三态指的是气态NOx、气态NH3以及吸附态NH3，式中kabs、kdes以及分别表示氨气吸附反应速率常数、氨气释放反应速率常数以及SCR反应速率常数，数值大小通过Arrhenius方程决定，和分别表示NOx和NH3浓度；Ω和θ分别表示SCR催化器最大氨气存储量和催化器表面氨气覆盖率。z表示图中的坐标，t表示时间坐标。
由式(1)可知，SCR催化器内部各类气体浓度随着时间和坐标轴两个变量变化，对式(1)进行求解，首先需要对模型进行离散化处理。
将SCR催化器沿轴向方向均分为若干个计算微元，如图2所示。
每个计算单元长度记为Δ，催化器总长度记为L，则n＝L/Δ。当Δ足够小，则可认为在任意微元内，气体的物理特性相同。则对于任意计算微元，模型可简化为：
式(2)中，表示第n个计算微元内的NH3的浓度；表示第n个计算微元内的NOx浓度；θ(n)表示第n个计算单元的SCR催化器氨气表面覆盖率。
计算单元之间有如下关系：
(1)第一个计算微元和最后一个计算微元分别为SCR催化器的输入和输出；
(2)计算微元之间的地位等同，相邻计算微元之间，前一个计算微元的输出是后一个计算微元的输入。
根据反应速率快慢可将式(1)所示的模型分快反应模型和慢反应模型两个部分。其中，快反应模型用于描述气态NH3和气态NOx的变化情况，如式(3)所示。
通过稳态分析可知，对于任意的θ∈[0,1]，式(3)所示的快反应模型均可迅速达到稳定状态，其稳态值可通过式(4)得到，如式(5)所示。
式中，γ＝v/(ΔΩ)。
慢速系统描述系统中吸附态NH3浓度变化情况，如式(6)所示，式(6)中的和可用式(5)代换。
本发明所述SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，用于柴油机后处理控制系统，以SCR催化器三态模型为例，首先将SCR催化器沿着轴线方向离散化，从而将SCR催化器等分为若干个微元。首先对各个微元进行简化求解，而后根据微元之间的关系完成整个SCR催化器的求解。

Claims (4)

1.一种SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是，包括：
(1)SCR催化器为多个催化通道的集合，将SCR催化器三态模型沿着轴线方向离散化，将SCR催化器等分为若干个微元；
(2)将各个微元进行简化求解，第一个计算微元和最后一个计算微元分别为SCR催化器的输入和输出；微元之间的地位等同，相邻计算微元之间，前一个计算微元的输出是后一个计算微元的输入；
(3)极端微元之间的关系完成化学反应动力学模型的搭建。
2.如权利要求1所述的SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是：所述SCR催化器的三态模型如式(1)所示，
所述三态为气态NOx、气态NH3以及吸附态NH3，kabs、kdes以及分别表示氨气吸附反应速率常数、氨气释放反应速率常数以及SCR反应速率常数，和分别表示NOx和NH3浓度；Ω和θ分别表示SCR催化器最大氨气存储量和催化器表面氨气覆盖率；z表示图中的坐标，t表示时间坐标。
3.如权利要求1所述的SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是：所述微元的模型如式(2)所示，
式(2)中，Δ为每个计算单元长度，表示第n个计算微元内的NH3的浓度；表示第n个计算微元内的NOx浓度；θ(n)表示第n个计算单元的SCR催化器氨气表面覆盖率。
4.如权利要求1所述的SCR后处理系统化学反应动力学模型的搭建方法，其特征是：所述SCR催化器三态模型分为快反应模型和慢反应模型两个部分，所述快反应模型式(3)所示，
所述慢反应模型如式(6)所示，
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CN109304087A (zh) * 2018-10-31 2019-02-05 华中科技大学 一种基于脱硝反应动力学方程的电站scr喷氨控制方法
CN112687348A (zh) * 2021-01-08 2021-04-20 大连理工大学 一种co2电化学加氢反应器的动力学传质模型建模方法

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