CN108915827A - 基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SCR化学动力学模型来估算发动机NOx排放量的计算方法，本发明中的信号采集单元主要包括SCR催化器上下游的两个温度传感器、下游的NOx传感器和排气流量传感器。依据传感器的采集值，通过搭建的SCR催化器化学反应数学模型计算出催化器上游NOx体积浓度，进而计算出所需的还原剂尿素的喷射量，本计算方法可以将SCR系统作为一个独立系统进行控制，摆脱发动机工况的影响，实时的计算发动机排气组分中的NOx含量，替代了MAP查表方法，大大减少开发环节中的标定工作量，而且该方法在瞬态工况下能够做到很好的跟随，避免了工况跳变时因MAP图计算NOx含量产生的阶跃变化。

Description

基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法

技术领域

本发明属于机动车的尾气排放技术领域，尤其是涉及一种基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法。

背景技术

随着社会对机动车辆需求的与日俱增，柴油机的低油耗、高效率为社会所青睐。面对柴油机较高的氮氧化物排放，众多改善排放降低污染的技术也应运而生，以尿素分解生成的氨气作为还原剂的选择性催化还原技术(SCR)成为改善排放的主要技术路线。我国SCR技术仍然处于起步阶段，还有很多问题有待解决，国四国五阶段SCR系统普遍采用开环控制，通过查询MAP图计算出NOx排放量，这种计算方法在稳态控制时精度较高，控制效果较好，但是在瞬态工况下跟随性较差，很容易造成污染物的排放量超标，而且需要大量的标定工作，增加了控制系统的开发成本。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法，以解决开环控制计算NOx排放量方法的瞬态工况下跟随性差、需要大量标定工作的问题。

本发明公开了一种基于SCR化学动力学模型来估算发动机NOx排放量的计算方法，本发明中的信号采集单元主要包括SCR催化器上下游的两个温度传感器、下游的NOx传感器和排气流量传感器。依据传感器的采集值，通过搭建的SCR催化器化学反应数学模型计算出催化器上游NOx体积浓度，进而计算出所需的还原剂尿素的喷射量，本计算方法可以将SCR系统作为一个独立系统进行控制，摆脱发动机工况的影响，实时的计算发动机排气组分中的NOx含量，替代了MAP查表方法，大大减少开发环节中的标定工作量，而且该方法在瞬态工况下能够做到很好的跟随，避免了工况跳变时因MAP图计算NOx含量产生的阶跃变化。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于SCR化学动力学模型改善发动机NOx排放量的方法，包括如下步骤：

S1：在SCR催化器下游位置设置一个NOx传感器，NOx传感器实时监测SCR催化器下游的NOx体积浓度

S2：在SCR催化器上游位置及下游位置各设置一个温度传感器，根据两个温度传感器测量的温度数据取平均值定义为SCR催化器的反应温度t；

S3：建立SCR催化器化学反应数学模型，根据该数学模型通过下游的NOx体积浓度估算SCR催化器上游的NOx体积浓度

根据催化器内部物质质量守恒原理，本化学反应数学模型包括NOx模型、气态NH3模型和储氨模型；

a，根据Eley-Rideal机理，NH3首先吸附在催化剂的活性位上，然后参与NOx的还原反应，同时，吸附在活性位上的NH₃也会从活性位上脱附，该吸附与脱附是一个动态可逆过程，反应式如下：

其中，吸附效率为：

脱附效率为：

式中，t为温度，为气态氨浓度，为氨的覆盖率；

在催化器中，吸附在催化剂活性位上的NH₃选择性与NO_x发生反应生成N₂和H₂O，反应式如下：

式中R_SCR是NO_x发生还原反应的速率常数，设气态NO_x浓度为其表达式如下：

当温度高于350℃时，吸附在催化剂活性位上的NH₃被氧化成N₂和H₂O，反应式如下：

是氨被氧化的反应速率常数，其表达式如下：

b，气态NOx质量守恒及气态NOx模型：

催化器内部NO_x质量守恒方程：

输入信号：催化器出口氮氧化物物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：催化器入口氮氧化物浓度催化器入口氮氧化物物质的量

式中可由催化器下游NOx传感器测量计算得到，为进入催化器的NOx物质的量可由计算得到，为式(3)的输出，为式(1)输出，初始值为零。当程序初始化时，初始值为零，t为催化器上下游传感器两个测量值的平均值，为催化器下游NOx传感器测量值，m为空气流量计测量值，经模型计算输出催化器入口氮氧化物浓度和NOx物质的量，经计算可得催化器需喷入的尿素量，进而可得入口氨物质的量作为式(2)的输入；

c，气态NH3质量守恒方程及气态NH3模型：

催化器内部非吸附在催化剂活性位上的NH3质量守恒得到NH3平衡方程：

输入信号：氨物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：氨浓度

式中：氨物质的量根据(1)式的输出计算得到，氨覆盖率为(3)式输出，催化器内部温度t根据催化器上下游温度传感器平均值，排气流量m根据传感器测量计算得到。为式(2)输出，初始值为零。式(2)中如上述式(1)可计算得到，氨覆盖率初始值为零，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，m为空气流量计的测量值，经计算输出氨浓度作为式(3)输入；

d，吸附态NH3质量守恒方程及储氨模型：

未参与以上反应的NO_x和NH₃从Urea-SCR系统排出，将Urea-SCR系统假设为一个均匀搅拌釜，即系统内部各状态均匀一致，根据吸附在催化剂活性位上NH3的质量守恒可得到关于NH3覆盖率动态的变化过程，即吸附态NH3质量守恒方程：

输入信号：氨浓度氮氧化物浓度催化器内部温度t；

输出信号：氨覆盖率

式中：c_s为单位体积气体中活性原子浓度，为常数；为式(2)气态NH3模型的输出，为式(1)气态NOx模型的输出，t为催化器上下游温度传感器平均值，为式(3)储氨模型的输出，初始值为零。式(3)中氮氧化物浓度为上述式(1)输出值，为式(2)气态NH3模型的输出，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，经计算输出氨覆盖率

S4：根据发动机NO_x排放浓度计算还原剂NH₃的喷射量。

相对于现有技术，本发明所述的基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法具有以下优势：

SCR化学反应数学模型可根据催化器下游的NOx传感器测得NOx量，根据质量守恒，可逆向估算出进入催化器中的NOx量，即发动机排气中NOx的含量，省去由发动机标定试验得到NOx含量，避免了大量的发动机标定工作，而且这种模型实时估算方法还可以做到动态工况较好的跟随性。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。

图1是本发明所述的改善发动机NOx排放量的方法的步骤框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

本技术方案所要解决的技术问题是：通过查询MAP图计算出NOx排放量，这种计算方法在稳态控制时精度较高，控制效果较好，但是在瞬态工况下跟随性较差，很容易造成污染物的排放量超标，而且需要大量的标定工作，增加了控制系统的开发成本。

为了解决上述技术问题，如图1所示，本实施例提供了一种基于SCR化学动力学模型来估算发动机NOx排放量的计算方法，本发明中的信号采集单元主要包括SCR催化器上下游的两个温度传感器、下游的NOx传感器和排气流量传感器。依据传感器的采集值，通过搭建的SCR催化器化学反应数学模型计算出催化器上游NOx体积浓度，进而计算出所需的还原剂尿素的喷射量，本计算方法可以将SCR系统作为一个独立系统进行控制，摆脱发动机工况的影响，实时的计算发动机排气组分中的NOx含量，替代了MAP查表方法，大大减少开发环节中的标定工作量，而且该方法在瞬态工况下能够做到很好的跟随，避免了工况跳变时因MAP图计算NOx含量产生的阶跃变化。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于SCR化学动力学模型改善发动机NOx排放量的方法，包括如下步骤：

S1：在SCR催化器下游位置设置一个NOx传感器，NOx传感器实时监测SCR催化器下游的NOx体积浓度

S2：在SCR催化器上游位置及下游位置各设置一个温度传感器，根据两个温度传感器测量的温度数据取平均值定义为SCR催化器的反应温度t；

S3：建立SCR催化器化学反应数学模型，根据该数学模型通过下游的NOx体积浓度估算SCR催化器上游的NOx体积浓度

根据催化器内部物质质量守恒原理，本化学反应数学模型包括NOx模型、气态NH₃模型和储氨模型；

a，根据Eley-Rideal机理，NH₃首先吸附在催化剂的活性位上，然后参与NOx的还原反应，同时，吸附在活性位上的NH₃也会从活性位上脱附，该吸附与脱附是一个动态可逆过程，反应式如下：

其中，吸附效率为：

脱附效率为：

式中，t为温度，为气态氨浓度，为氨的覆盖率；

在催化器中，吸附在催化剂活性位上的NH₂选择性与NO_x发生反应生成N₂和H₂O，反应式如下：

式中R_SCR是NO_x发生还原反应的速率常数，设气态NO_x浓度为其表达式如下：

当温度高于350℃时，吸附在催化剂活性位上的NH₃被氧化成N₂和H₂O，反应式如下：

式中是氨被氧化的反应速率常数，其表达式如下：

b，气态NOx质量守恒及气态NOx模型：

催化器内部质量守恒方程：

输入信号：催化器出口氮氧化物物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：催化器入口氮氧化物浓度催化器入口氮氧化物物质的量

式中可由催化器下游NOx传感器测量计算得到，为进入催化器的NOx物质的量可由计算得到，为式(3)的输出，为式(1)输出，初始值为零。当程序初始化时，初始值为零，t为催化器上下游传感器两个测量值的平均值，为催化器下游NOx传感器测量值，m为空气流量计测量值，经模型计算输出催化器入口氮氧化物浓度和NOx物质的量，经计算可得催化器需喷入的尿素量，进而可得入口氨物质的量作为式(2)的输入；

c，气态NH3质量守恒方程及气态NH3模型：

催化器内部非吸附在催化剂活性位上的NH3质量守恒得到NH3平衡方程：

输入信号：氨物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：氨浓度

式中：氨物质的量根据(1)式的输出计算得到，氨覆盖率为(3)式输出，催化器内部温度t根据催化器上下游温度传感器平均值，排气流量m根据传感器测量计算得到。为式(2)输出，初始值为零。式(2)中如上述式(1)可计算得到，氨覆盖率初始值为零，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，m为空气流量计的测量值，经计算输出氨浓度作为式(3)输入；

d，吸附态NH3质量守恒方程及储氨模型：

未参与以上反应的NO_x和NH₃从Urea-SCR系统排出，将Urea-SCR系统假设为一个均匀搅拌釜，即系统内部各状态均匀一致，根据吸附在催化剂活性位上NH3的质量守恒可得到关于NH3覆盖率动态的变化过程，即吸附态NH3质量守恒方程：

输入信号：氨浓度氮氧化物浓度催化器内部温度t；

输出信号：氨覆盖率

式中：c_s为单位体积气体中活性原子浓度，为常数；为式(2)气态NH3模型的输出，为式(1)气态NOx模型的输出，t为催化器上下游温度传感器平均值，为式(3)储氨模型的输出，初始值为零。式(3)中氮氧化物浓度为上述式(1)输出值，为式(2)气态NH3模型的输出，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，经计算输出氨覆盖率

S4：根据发动机NO_x排放浓度计算还原剂NH₃的喷射量。

该实施例所提供的技术方案的技术效果是：SCR化学反应数学模型可根据催化器下游的NOx传感器测得NOx量，根据质量守恒，可逆向估算出进入催化器中的NOx量，即发动机排气中NOx的含量，省去由发动机标定试验得到NOx含量，避免了大量的发动机标定工作，而且这种模型实时估算方法还可以做到动态工况较好的跟随性。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于SCR化学反应数学模型改善发动机NOx排放量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在SCR催化器下游位置设置一个NOx传感器，NOx传感器实时监测SCR催化器下游的NOx体积浓度

S2：在SCR催化器上游位置及下游位置各设置一个温度传感器，根据两个温度传感器测量的温度数据取平均值定义为SCR催化器的反应温度t；

S3：建立SCR催化器化学反应数学模型，根据该数学模型通过下游的NOx体积浓度估算SCR催化器上游的NOx体积浓度

根据催化器内部物质质量守恒原理，本化学反应数学模型包括NOx模型、气态NH3模型和储氨模型；

a，根据Eley-Rideal机理，NH3首先吸附在催化剂的活性位上，然后参与NOx的还原反应，同时，吸附在活性位上的NH3也会从活性位上脱附，该吸附与脱附是一个动态可逆过程，反应式如下：

其中，吸附效率为：

脱附效率为：

式中，t为温度，为气态氨浓度，为氨的覆盖率；

在催化器中，吸附在催化剂活性位上的NH₂选择性与NO_x发生反应生成N₂和H₂O，反应式如下：

式中R_SCR是NO_x发生还原反应的速率常数，设气态NO_x浓度为其表达式如下：

当温度高于350℃时，吸附在催化剂活性位上的NH₃被氧化成N₂和H₂O，反应式如下：

式中是氨被氧化的反应速率常数，其表达式如下：

b，气态NOx质量守恒及气态NOx模型：

催化器内部NO_x质量守恒方程：

输入信号：催化器出口氮氧化物物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：催化器入口氮氧化物浓度催化器入口氮氧化物物质的量

式中可由催化器下游NOx传感器测量计算得到，为进入催化器的NOx物质的量可由计算得到，为式(3)的输出，为式(1)输出，初始值为零。当程序初始化时，初始值为零，t为催化器上下游传感器两个测量值的平均值，为催化器下游NOx传感器测量值，m为空气流量计测量值，经模型计算输出催化器入口氮氧化物浓度和NOx物质的量，经计算可得催化器需喷入的尿素量，进而可得入口氨物质的量作为式(2)的输入；

c，气态NH3质量守恒方程及气态NH3模型：

催化器内部非吸附在催化剂活性位上的NH3质量守恒得到NH3平衡方程：

输入信号：氨物质的量氨覆盖率催化器内部温度t、排气质量流量m；

输出信号：氨浓度

式中：氨物质的量根据(1)式的输出计算得到，氨覆盖率为(3)式输出，催化器内部温度t根据催化器上下游温度传感器平均值，排气流量m根据传感器测量计算得到。为式(2)输出，初始值为零。式(2)中如上述式(1)可计算得到，氨覆盖率初始值为零，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，m为空气流量计的测量值，经计算输出氨浓度作为式(3)输入；

d，吸附态NH3质量守恒方程及储氨模型：

未参与以上反应的NO_x和NH₃从Urea-SCR系统排出，将Urea-SCR系统假设为一个均匀搅拌釜，即系统内部各状态均匀一致，根据吸附在催化剂活性位上NH3的质量守恒可得到关于NH3覆盖率动态的变化过程，即吸附态NH3质量守恒方程：

输入信号：氨浓度氮氧化物浓度催化器内部温度t；

输出信号：氨覆盖率

式中：c_s为单位体积气体中活性原子浓度，为常数；为式(2)气态NH3模型的输出，为式(1)气态NOx模型的输出，t为催化器上下游温度传感器平均值，为式(3)储氨模型的输出，初始值为零。式(3)中氮氧化物浓度为上述式(1)输出值，为式(2)气态NH3模型的输出，t为催化器上下游温度传感器两个测量值的平均值，经计算输出氨覆盖率

S4：根据发动机NO_x排放浓度计算还原剂NH₃的喷射量。