CN112682135B - 一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法 - Google Patents

一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法，所述方法为：根据热动力设备实际工作过程计算当前t时刻排气流量变化率
Figure DDA0002864563690000011
排气温度变化率
Figure DDA0002864563690000012
催化反应器SCR进口NOx浓度变化率
Figure DDA0002864563690000013
等；计算催化反应器从零时刻开始至当前t时刻内存储在催化反应器内部的氨存储量St；计算当前t时刻Δτ时间内氨存储量变化为St+Δτ‑St；计算当前t时刻Δτ时间内氨释放量Rt；计算得出当时所需氨量
Figure DDA0002864563690000014
从而计算所需尿素水溶液喷射量Q。该方法动态计算了氨气的存储释放全过程，精确响应了工况的动态变化，可以实现工况变化复杂的尿素水溶液喷射量精确实时响应。

Description

一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法
技术领域
本发明涉及热动力设备后处理催化反应器技术领域，更具体的说，是涉及一种尿素水溶液喷射量计算方法。
背景技术
随着热动力设备排放法规日趋严格，SCR催化反应器(selective catalystreduction，选择性催化还原反应器)成为降低NOx排放污染的主流技术，主要通过喷射尿素水溶液产生NH3，催化还原氮氧化物。当前，《GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》已经明确规定了WHSC工况下NOx和NH3排放限值分别为400mg/kWh和10ppm。对于非稳态工况，法规增加了发动机台架的非标准循环和利用车载排放测试催化器进行的实际道路排放测试，并规定了实际行驶工况有效数据点的排放限值要求。随着越来越严格法规的出台，对非稳态工况NOx和NH3泄漏实时监控将成为必然。
氨气从产生到反应到泄漏流程比较复杂，流程如图1所示。在催化剂表面，大部分吸附态NH3与NOX发生反应，但仍有小部分吸附态NH3未参与反应，存储在SCR催化器内，NH3的存储会使参与化学反应的还原剂变少。
NH3存储量受最大氨存储量、累计氨存储量以及工况变化率等因素影响，其中工况变化主要体现在排气温度，排气流量，排气NOx浓度等因素。
存储的NH3受工况变化，会有一部分释放出来重新参与还原反应，另有一部分会泄漏出来，以气态方式随排气直接排出，由于NH3具有强烈刺激性气味，高浓度NH3会损害人体健康，NH3泄漏会产生二次污染。
由于累计氨存储量是一个NH3持续累积的过程，而且在某一时刻的累计氨存储量与前一时刻累计氨存储量以及前一时刻的NH3存储速率和释放速率相关。
图2给出了SCR催化器累计氨存储量随时间的变化关系示意图，取相同时间间隔的三个时间点A、B和C，假设要计算时间点A处的累计氨存储量，就要相应的计算B时间点的累计氨存储量，而B时间点的累计氨存储量需要通过C时间点的累计氨存储量获得，以此类推，只有从0时刻开始，才能够准确的计算出任意时刻点的累计氨存储量。
另外如背景技术所述，某一时刻的累计氨存储量与前一时刻累计氨存储量以及前一时刻的NH3存储速率和释放速率相关，与此同时，对于非稳态工况而言，排气温度、NOx浓度、排气流量等参数的变化率不断发生改变，这些工况参数的变化率同样影响NH3的存储速率和释放速率。图3给出了SCR催化器氨气释放速率随温度变化的变化关系示意图，例如A时间点20℃/s的排气温度变化率与B时间点50℃/s的排气温度变化率对NH3释放速率的影响差异明显。
当前尿素水溶液量控制策略少有考虑NH3存储量，未考虑当前工况参数的变化率，未考虑NH3的实际释放过程，导致尿素水溶液量计算不完全合理，不能及时响应工况的变化，不能完全满足越来越严格的排放法规要求。所以，要正确计算任意工况下的尿素水溶液量，必须分析清楚从零时刻开始的NH3存储量，同时必须分析当前工况下的温度变化率，NOx浓度、排气流量等参数的变化率，这样才能保证既能充分还原NOx，又能保障不因喷射过多而产生NH3二次泄漏。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法，其特征在于：
S1：通过获取的排气温度、NOx浓度、排气流量V工况参数，计算得到相应的工况参数变化率；
Figure BDA0002864563670000031
其中，ΔV为所述SCR催化器在Δτ时间内的排气流量变化量，
Figure BDA0002864563670000032
为排气流量的变化率；
Figure BDA0002864563670000033
其中，ΔT为所述SCR催化器在Δτ时间内的排气温度变化量，
Figure BDA0002864563670000034
为排气温度的变化率；
Figure BDA0002864563670000035
其中，
Figure BDA0002864563670000036
为所述SCR系统进口在Δτ时间内的NOx浓度变化量，
Figure BDA0002864563670000037
为催化反应器入口NOx浓度的变化率；
S2：根据SCR催化器进口和出口的NOx浓度，计算SCR催化器的NOx转化效率：
Figure BDA0002864563670000038
其中，η为所述SCR催化器NOx转化效率；
S3:利用SCR催化反应器入口的NOx浓度nNOx_in、排气流量以及步骤S2所述的NOx转化效率计算得到累计氨存储量；
St+Δτ＝St+ΔS
ΔS＝(1-η)m(nNOx)
其中，η为时间Δτ内的NOx转化效率，St+Δτ为从零时刻开始累计到t+Δτ时刻的累积氨存储量，St为从零时刻开始累计到t时刻的累积氨存储量，ΔS为t时刻到t+Δτ时刻的新增氨存储量，m为NOx浓度与NH3浓度转换函数；
S4:在发动机运行的某一时刻，根据排气流量V变化率
Figure BDA0002864563670000039
NOx浓度变化率
Figure BDA0002864563670000041
排气温度变化率
Figure BDA00028645636700000410
从零时刻开始的累计氨存储量St+Δτ，计算得到当前时刻的氨释放量Rt；
S5:测试稳态/非稳态工况下，SCR催化器在不同排气温度、排气流量下的最大氨存储量
Figure BDA00028645636700000411
S6:根据排气流量变化率、NOx浓度变化率，SCR催化器载体温度变化率，最大氨存储量以及从零时刻开始的累计氨存储量，计算得到当前时刻的氨释放量
S7:利用SCR催化器入口的NOx浓度、排气流量V，计算理论所需的NH3量
Figure BDA00028645636700000412
其中，nNOx_in为SCR催化反应器入口的NOx浓度，V为排气流量，
Figure BDA0002864563670000042
为理论所需的NH3量，f为理论NH3需求量的计算函数；
S8:基于S3所述的累计氨存储量，步骤S6所述的氨释放量以及步骤S7所述的理论NH3量，尿素喷射量计算模块能够获得实际所需的尿素喷射量；
Figure BDA0002864563670000043
Figure BDA0002864563670000044
其中，St为从零时刻开始到t时刻的累计氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，
Figure BDA0002864563670000045
为理论所需的NH3量，
Figure BDA0002864563670000046
为实际所需的NH3量，h为氨气与尿素水溶液量的计算函数，Q为实际所需的尿素水溶液量。
进一步地，步骤6通过以下方式实现：
S61:测试稳态/非稳态工况下，SCR催化反应器在不同排气温度、排气流量下的最大氨存储量
Figure BDA0002864563670000047
S62:利用排气流量变化率
Figure BDA0002864563670000048
NOx浓度变化率
Figure BDA0002864563670000049
排气温度变化率
Figure BDA0002864563670000051
从零时刻开始到t时刻计算得到累计氨存储量St以及最大氨存储量
Figure BDA0002864563670000052
计算得到当前时刻的氨释放量Rt；
Figure BDA0002864563670000053
其中，
Figure BDA0002864563670000054
分别为t时刻的排气温度变化率、排气流量变化率、SCR催化器入口的NOx变化率，
Figure BDA0002864563670000055
为SCR催化器在t时刻的最大氨存储量，St为从零时刻开始到t时刻的累积氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，g为氨释放量的计算函数。
本发明的有益效果：
根据温度传感器、NOx浓度传感器、排气流量计分别获得实时的排气温度、NOx浓度和排气流量参数并计算在某固定时间间隔内排气温度、NOx浓度和排气流量参数的变化率；根据SCR催化反应器进口和出口的NOx浓度，计算某固定时间间隔内的SCR催化器NOx转化效率；根据实时工况下SCR催化器的最大氨存储量以及从零时刻(热动力设备熄火且SCR催化器停止工作一段时间后，当SCR催化器重新启动工作的时刻，定义为零时刻)开始到某计算时刻的累计氨存储量，以及当前时刻的氨释放量，计算实际所需的尿素水溶液喷射量，通过上述过程能够实现尿素水溶液喷射量的精确计算。
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。
图1是氨气从产生到反应到泄漏流程图；
图2是SCR催化器累计氨存储量随时间的变化关系示意图；
图3是SCR催化器氨气释放速率随温度变化的变化关系示意图；
图4为现有技术计算尿素喷射量的逻辑示意图；
图5为本发明实施例公开的一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法逻辑示意图；
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例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，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例所限制。相反，提供这些实施例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。
在本发明实施例中，由于累计氨存储量反映的是从零时刻开始持续累积的过程，是一个反映非稳态具体变化过程的概念。对于非稳态过程，排气温度、空速、浓度等参数变化率在不断变化，因此这些工况参数的变化率，既影响SCR催化器内的累计氨存储量，也影响当前工况的最大氨存储量，同时影响氨的释放量，从而对实际的尿素喷射量产生影响。因此，本实施例在对尿素喷射量进行控制的过程中，通过考虑工况的变化率，从零时刻开始对累计氨存储量进行实时计算，进而实现对尿素喷射量的精确控制。
具体地，本实例公开了一种基于从零时刻开始的NH3存储量和工况变化率的尿素水溶液量计算方法，该方法包括以下的步骤：
S1:根据温度传感器、NOx浓度传感器、排气流量计获得SCR催化器相应工况参数的变化率。
S2:采集排气温度随进间变化情况；SCR催化反应器的入口的NOx浓度nNOx_in和出口NOx浓度nNOx_out变化情况以及排气流量V变化情况。
S3:通过获取的排气温度、NOx浓度、排气流量等工况参数，计算得到相应的工况参数变化率。
Figure BDA0002864563670000071
其中，ΔT为所述SCR催化器在Δτ时间内的排气温度变化量，
Figure BDA0002864563670000072
为排气温度的变化率。
Figure BDA0002864563670000073
其中，ΔnNOx为所述SCR催化器在Δτ时间内的NOx浓度变化量，
Figure BDA0002864563670000074
为NOx浓度的变化率
Figure BDA0002864563670000075
其中，ΔV为所述SCR催化器在Δτ时间内的排气流量变化量，
Figure BDA0002864563670000076
为排气流量的变化率。
S4:将SCR催化反应器的入口NOx浓度nNOx_in和出口NOx浓度nNOx_out，输入NOx转化效率计算方程，计算得到当前NOx转化效率；其中，上述NOx转化效率计算方程为：
Figure BDA0002864563670000077
其中，η为所述SCR催化器NOx转化效率。
S5：计算从零时刻开始到t时刻时SCR催化器的累计氨存储量，利用SCR催化器入口的NOx浓度、排气流量以及NOx转化效率计算得到累计氨存储量；
St+Δτ＝St+ΔS
ΔS＝(1-η)m(nNOx)
其中，η为时间Δτ内的NOx转化效率，St+Δτ为从零时刻开始累计到t+Δτ时刻的累积氨存储量，St为从零时刻开始累计到t时刻的累积氨存储量，m为NOx浓度与NH3浓度转换函数。
S6:根据排气流量变化率、NOx浓度变化率，SCR催化器载体温度变化率，最大氨存储量以及从零时刻开始的累计氨存储量，计算得到当前时刻的氨释放量；
S61:测试稳态/非稳态工况下，SCR催化反应器在不同排气温度、排气流量下的最大氨存储量
Figure BDA0002864563670000081
S62:利用排气流量变化率
Figure BDA0002864563670000082
NOx浓度变化率
Figure BDA0002864563670000083
排气温度变化率
Figure BDA0002864563670000084
从零时刻开始到t时刻计算得到累计氨存储量St以及最大氨存储量
Figure BDA0002864563670000085
计算得到当前时刻的氨释放量Rt；
Figure BDA0002864563670000086
其中，
Figure BDA0002864563670000087
分别为t时刻的排气温度变化率、排气流量变化率、SCR催化器入口的NOx变化率，
Figure BDA0002864563670000088
为SCR催化器在t时刻的最大氨存储量，St为从零时刻开始到t时刻的累积氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，g为氨释放量的计算函数；
S7:利用SCR催化器入口的NOx浓度、排气流量V，计算理论所需的NH3量
Figure BDA0002864563670000089
其中，nNOx_in为SCR催化反应器入口的NOx浓度，V为排气流量，
Figure BDA00028645636700000810
为理论所需的NH3量，f为理论NH3需求量的计算函数；
S8:基于S3所述的累计氨存储量，步骤S6所述的氨释放量以及步骤S7所述的理论NH3量，尿素喷射量计算模块能够获得实际所需的尿素喷射量；
Figure BDA00028645636700000811
Figure BDA00028645636700000812
其中，St为从零时刻开始到t时刻的累计氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，
Figure BDA00028645636700000813
为理论所需的NH3量，
Figure BDA00028645636700000814
为实际所需的NH3量，h为氨气与尿素水溶液量的计算函数，Q为实际所需的尿素水溶液量。
以上对本发明所提供的一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法进行了详细介绍，本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法，其特征在于：
S1：通过获取的排气温度、NOx浓度、排气流量V工况参数，计算得到相应的工况参数变化率；
Figure FDA0003196412500000011
其中，ΔV为SCR催化器在Δτ时间内的排气流量变化量，
Figure FDA0003196412500000012
为排气流量的变化率；
Figure FDA0003196412500000013
其中，ΔT为SCR催化器在Δτ时间内的排气温度变化量，
Figure FDA0003196412500000014
为排气温度的变化率；
Figure FDA0003196412500000015
其中，
Figure FDA0003196412500000016
为SCR系统进口在Δτ时间内的NOx浓度变化量，
Figure FDA0003196412500000017
为催化反应器入口NOx浓度的变化率；
S2：根据SCR催化器进口和出口的NOx浓度，计算SCR催化器的NOx转化效率：
Figure FDA0003196412500000018
其中，η为SCR催化器NOx转化效率；
S3:利用SCR催化反应器入口的NOx浓度nNOx_in、排气流量以及步骤S2所述的NOx转化效率计算得到累计氨存储量；
St+Δτ＝St+ΔS
ΔS＝(1-η)m(nNOx)
其中，η为时间Δτ内的NOx转化效率，St+Δτ为从零时刻开始累计到t+Δτ时刻的累积氨存储量，St为从零时刻开始累计到t时刻的累积氨存储量，ΔS为t时刻到t+Δτ时刻的新增氨存储量，m为NOx浓度与NH3浓度转换函数；
S4:在发动机运行的某一时刻，根据排气流量V变化率
Figure FDA0003196412500000021
NOx浓度变化率
Figure FDA0003196412500000022
排气温度变化率
Figure FDA0003196412500000023
从零时刻开始的累计氨存储量St+Δτ，计算得到当前时刻的氨释放量Rt；
S5:测试稳态/非稳态工况下，SCR催化器在不同排气温度、排气流量下的最大氨存储量
Figure FDA0003196412500000024
S6:根据排气流量变化率、NOx浓度变化率，SCR催化器载体温度变化率，最大氨存储量以及从零时刻开始的累计氨存储量，计算得到当前时刻的氨释放量；
S7:利用SCR催化器入口的NOx浓度、排气流量V，计算理论所需的NH3量
Figure FDA0003196412500000025
其中，nNOx_in为SCR催化反应器入口的NOx浓度，V为排气流量，
Figure FDA0003196412500000026
为理论所需的NH3量，f为理论NH3需求量的计算函数；
S8:基于S3所述的累计氨存储量，步骤S6所述的氨释放量以及步骤S7所述的理论所需的NH3量，尿素喷射量计算模块能够获得实际所需的尿素喷射量；
Figure FDA0003196412500000027
Figure FDA0003196412500000028
其中，St为从零时刻开始到t时刻的累计氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，
Figure FDA0003196412500000029
为理论所需的NH3量，
Figure FDA00031964125000000210
为实际所需的NH3量，h为氨气与尿素水溶液量的计算函数，Q为实际所需的尿素水溶液量。
2.根据权利要求1所述的基于工况变化率的尿素水溶液喷射量计算方法，其特征在于：步骤6通过以下方式实现：
S61:测试稳态/非稳态工况下，SCR催化反应器在不同排气温度、排气流量下的最大氨存储量
Figure FDA0003196412500000031
S62:利用排气流量变化率
Figure FDA0003196412500000032
NOx浓度变化率
Figure FDA0003196412500000033
排气温度变化率
Figure FDA0003196412500000034
从零时刻开始到t时刻计算得到累计氨存储量St以及最大氨存储量
Figure FDA0003196412500000035
计算得到当前时刻的氨释放量Rt；
Figure FDA0003196412500000036
其中，
Figure FDA0003196412500000037
分别为t时刻的排气温度变化率、排气流量变化率、SCR催化器入口的NOx变化率，
Figure FDA0003196412500000038
为SCR催化器在t时刻的最大氨存储量，St为从零时刻开始到t时刻的累积氨存储量，Rt为t时刻的氨释放量，g为氨释放量的计算函数。
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