CN109611185B - Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法 - Google Patents
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Abstract
Urea‑SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，该方法根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，若CRF＞A2，则判定无尿素结晶风险，若A1≤CRF≤A2，则判定尿素结晶风险较小，若CRF＜A1，则判定尿素结晶风险较大，其中，CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值、排气中的热量与尿素中水蒸发所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为HCNO所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为NH3所需热量的比值、排气中的热量与HCNO水解为NH3所需热量的比值中的一种。本设计实现了工况运行时尿素结晶风险的实时预测。
Description
技术领域
本发明属于车辆后处理系统领域，具体涉及Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，适用于实时预测工况运行时的尿素结晶风险。
背景技术
目前Urea-SCR技术被认为是降低车用柴油机NOX排放最有效的方法,通过尿素喷射系统将质量分数32.5％的尿素水溶液喷入排气管中后，需要经过碰壁、蒸发、水解、热解等过程转化为NH3，然后与NOx反应。这些过程都需要吸收排气的热量，当排气温度低时，可能会出现尿素分解不完全，在喷射系统内部结晶、在排气管壁面附着结晶或者在催化器内部形成结晶。这些结晶的出现就导致尿素的消耗量增加、转化效率降低。结晶严重时，还会导致后处理系统零部件的更换，产生后市场索赔。结晶导致尿素分解减少，生成的NH3减少，与NOx反应的NH3减少，会导致NOx排放升高，可能会报出排放超3.5/7故障。同时结晶也会导致排气背压升高，从而影响发动机的动力性和经济性。
对于Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险测试，行业内多在SCR后处理系统开发阶段采用发动机台架试验或燃烧器模拟试验来进行预测，而无法在工况运行时实时预判SCR后处理系统是否存在尿素结晶风险。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的无法在工况运行时预测是否存在尿素结晶风险的问题，提供一种能够预测工况运行时的尿素结晶风险的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，具体为：根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，若CRF＞A2，则判定无尿素结晶风险，若A1≤CRF≤A2，则判定尿素结晶风险较小，若CRF＜A1，则判定尿素结晶风险较大，其中，所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值、排气中的热量与尿素中水蒸发所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为HCNO所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为NH3所需热量的比值、排气中的热量与HCNO水解为NH3所需热量的比值中的一种。
所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值，采用以下公式计算得到：
Qexhaust＝Molexhaust·Cp·Tscr_in
ΔQurea＝Molurea·Cp3·ΔT3+Molurea·ΔH2+Molurea·ΔH3
上式中，Qexhaust为排气中的热量，
为尿素溶液中水蒸发所需热量，ΔQurea为尿素水解所热能量，Molexhaust为排气的物质的量，Cp为排气比热容，Tscr_in为催化剂入口温度，
为尿素水溶液中水的物质的量，Cp1为水的比热容，ΔT1为水从常温升高到沸腾温度的温差，ΔH1为水蒸发为蒸气的摩尔焓，Molurea为尿素水溶液中尿素的物质的量，Cp3为尿素的比热容，ΔT3为尿素从常温升高到分解温度的温差，ΔH2为尿素蒸发为尿素蒸气的摩尔焓，ΔH3为尿素蒸气分解为氨气的摩尔焓。
所述CRF值基于功基窗口法计算得到，其中，所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功、WHTC循环功、WHSC循环功、ESC循环功、WTVC循环功或WNTE循环功的比值为0.1﹣10中的一个定值，所述功基窗口内的所有工况点由当前工况点及该工况点之前的一段连续工况点或当前工况点及该工况点之前的多个间断工况点组成，所述功基窗口有效的判断依据为平均功率或加权功率。
所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功的比值为1/3。
所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于0﹣100％中的一个定值，其中，所述平均功率百分比为功基窗口内发动机功率与参考功率的比值，所述参考功率为发动机最大净功率、发动机额定点功率、某一转速下0﹣100％的最大功率中的一种。
所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于20％。
所述A1、A2的大小通过整车道路试验确定。
所述A1为10，所述A2为30。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，该设计引入了一个无量纲数CRF来实时评价当前工况下的尿素结晶风险等级，这样，通过将CRF值控制在确定的范围内(小于等于A1)即可保证后处理系统具有较小的尿素结晶风险，有利于改善发动机的动力性和经济性。因此，本发明实现了工况运行时尿素结晶风险的实时预测。
2、本发明Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法中CRF值基于功基窗口法计算得到，即采用对当前工况点及之前的各工况点的相关数据求和或加权求和后进行计算的方式，同时考虑了当前工况及之前的多个工况，可进一步提高结晶风险预测的准确性。因此，本发明进一步提高了结晶风险预测的准确性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，具体为：根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，若CRF＞A2，则判定无尿素结晶风险，若A1≤CRF≤A2，则判定尿素结晶风险较小，若CRF＜A1，则判定尿素结晶风险较大，其中，所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值、排气中的热量与尿素中水蒸发所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为HCNO所需热量的比值、排气中的热量与尿素水解为NH3所需热量的比值、排气中的热量与HCNO水解为NH3所需热量的比值中的一种。
所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值，采用以下公式计算得到：
Qexhaust＝Molexhaust·Cp·Tscr_in
ΔQurea＝Molurea·Cp3·ΔT3+Molurea·ΔH2+Molurea·ΔH3
上式中，Qexhaust为排气中的热量，
为尿素溶液中水蒸发所需热量，ΔQurea为尿素水解所热能量，Molexhaust为排气的物质的量，Cp为排气比热容，Tscr_in为催化剂入口温度，
为尿素水溶液中水的物质的量，Cp1为水的比热容，ΔT1为水从常温升高到沸腾温度的温差，ΔH1为水蒸发为蒸气的摩尔焓，Molurea为尿素水溶液中尿素的物质的量，Cp3为尿素的比热容，ΔT3为尿素从常温升高到分解温度的温差，ΔH2为尿素蒸发为尿素蒸气的摩尔焓，ΔH3为尿素蒸气分解为氨气的摩尔焓。
所述CRF值基于功基窗口法计算得到，其中，所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功、WHTC循环功、WHSC循环功、ESC循环功、WTVC循环功或WNTE循环功的比值为0.1﹣10中的一个定值，所述功基窗口内的所有工况点由当前工况点及该工况点之前的一段连续工况点或当前工况点及该工况点之前的多个间断工况点组成，所述功基窗口有效的判断依据为平均功率或加权功率。
所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功的比值为1/3。
所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于0﹣100％中的一个定值，其中，所述平均功率百分比为功基窗口内发动机功率与参考功率的比值，所述参考功率为发动机最大净功率、发动机额定点功率、某一转速下0﹣100％的最大功率中的一种。
所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于20％。
所述A1、A2的大小通过整车道路试验确定。
所述A1为10，所述A2为30。
本发明的原理说明如下：
A1、A2的大小：本发明所述A1、A2的大小可通过整车道路试验确定。通过统计道路试验数据，并采用内窥镜实时观察催化剂内部和排气管内是否存在尿素结晶，最终确定A1、A2。
功基窗口：本发明所述功基窗口的定义除了可以为窗口所有工况点的功率和之外，还可以用窗口的功率、扭矩之和、油耗之和、进气流量、排气流量等参数的窗口总和来进行定义。
CRF值的计算：本发明所述CRF值基于功基窗口法的计算可以采用直接求和再作比值(如下式)，也可以加权求和再作比值或先作比值再求和等。
本发明中所述热量的计算可采用定常数焓差法、直接焓差法、分段式焓系数法、分段式k系数法等方法，所述温度可以是绝对温度或相对温度。
当CRF＞A2时，表明后处理系统运行正常，不会发生后处理结晶故障，无风险；当A1≤CRF≤A2时，表明后处理系统存在结晶的风险，但结晶风险较小，对后处理系统性能、发动机的动力性和经济性影响较小；当CRF＜A1时，表明后处理系统存在结晶的风险，且结晶风险较大，对后处理系统性能、发动机的动力性和经济性影响较大。
实施例1：
Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，具体为：根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，若CRF＞30，则判定无尿素结晶风险，若10≤CRF≤30，则判定尿素结晶风险较小，若CRF＜10，则判定尿素结晶风险较大，其中，所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值，其基于功基窗口法计算得到，
Qexhaust＝Molexhaust·Cp·Tscr_in
ΔQurea＝Molurea·Cp3·ΔT3+Molurea·ΔH2+Molurea·ΔH3
上式中，Qexhaust为排气中的热量，为尿素溶液中水蒸发所需热量，ΔQurea为尿素水解所热能量，Molexhaust为排气的物质的量，Cp为排气比热容，Tscr_in为催化剂入口温度，
为尿素水溶液中水的物质的量，Cp1为水的比热容，ΔT1为水从常温升高到沸腾温度的温差，ΔH1为水蒸发为蒸气的摩尔焓，Molurea为尿素水溶液中尿素的物质的量，Cp3为尿素的比热容，ΔT3为尿素从常温升高到分解温度的温差，ΔH2为尿素蒸发为尿素蒸气的摩尔焓，ΔH3为尿素蒸气分解为氨气的摩尔焓；
所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功的比值为1/3，功基窗口内的所有工况点由当前工况点及该工况点之前的一段连续工况点组成，所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于20％，所述平均功率百分比为功基窗口内发动机功率与参考功率的比值，所述参考功率为发动机最大净功率。
为考察本预测方法的准确性，进行如下试验：
同时进行两组试验，第一组将CRF值控制在30-40之间，第二组将CRF值控制在5-30之间，两组试验的行驶里程均为10000公里，将两组的混合器上结晶情况和尿毒结晶量进行对比，其中，CRF按照实施例1所述方法计算得到，结果如下：
第一组混合器上结晶严重，且均为块状结晶体，其尿素结晶量为10g；
第二组混合器上无结晶体，仅在混合器入口处存在少量的粉状结晶，该粉状结晶的质量为1g，且粉状结晶会在高温时直接烧掉，不会继续累积，因此堵塞催化器的风险极小。
通过对比不难发现，将CRF值控制在小于等于30的范围内可有效保证后处理系统具有较小的尿素结晶风险。
Claims (6)
1.Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：
所述预测方法为：根据CRF的大小判断后处理系统的尿素结晶风险等级，若CRF＞A2，则判定无尿素结晶风险，若A1≤CRF≤A2，则判定尿素结晶风险较小，若CRF＜A1，则判定尿素结晶风险较大，其中，
所述CRF为排气中的热量与尿素水溶液蒸发和尿素水解所需热量之和的比值，采用以下公式计算得到：
Qexhaust＝Molexhaust·Cp·Tscr_in
ΔQurea＝Molurea·Cp3·ΔT3+Molurea·ΔH2+Molurea·ΔH3
上式中，Qexhaust为排气中的热量，为尿素溶液中水蒸发所需热量，ΔQurea为尿素水解所热能量，Molexhaust为排气的物质的量，Cp为排气比热容，Tscr_in为催化剂入口温度，
为尿素水溶液中水的物质的量，Cp1为水的比热容，ΔT1为水从常温升高到沸腾温度的温差，ΔH1为水蒸发为蒸气的摩尔焓，Molurea为尿素水溶液中尿素的物质的量，Cp3为尿素的比热容，ΔT3为尿素从常温升高到分解温度的温差，ΔH2为尿素蒸发为尿素蒸气的摩尔焓，ΔH3为尿素蒸气分解为氨气的摩尔焓；
所述A1、A2的大小通过统计道路试验数据、并采用内窥镜实时观察催化剂内部和排气管内是否存在尿素结晶来确定。
2.根据权利要求1所述的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：所述CRF值基于功基窗口法计算得到，其中，所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功、WHTC循环功、WHSC循环功、ESC循环功、WTVC循环功或WNTE循环功的比值为0.1﹣10中的一个定值，所述功基窗口内的所有工况点由当前工况点及该工况点之前的一段连续工况点或当前工况点及该工况点之前的多个间断工况点组成，所述功基窗口有效的判断依据为平均功率或加权功率。
3.根据权利要求2所述的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：所述功基窗口的定义为窗口所有工况点的功率和与ETC循环功的比值为1/3。
4.根据权利要求2所述的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于0﹣100％中的一个定值，其中，所述平均功率百分比为功基窗口内发动机功率与参考功率的比值，所述参考功率为发动机最大净功率、发动机额定点功率、某一转速下0﹣100％的最大功率中的一种。
5.根据权利要求4所述的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：所述功基窗口有效的判断依据为平均功率百分比大于20％。
6.根据权利要求1所述的Urea-SCR后处理系统的尿素结晶风险预测方法，其特征在于：所述A1为10，所述A2为30。
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