CN112879137B - 一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置，一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法，尿素结晶风险系数η通过三种系数评价，包括质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe。从质量、温度和结构三个方面综合计算得到尿素结晶风险系数，用数学方法将结晶风险量化，通过标定可以得到尿素结晶的阈值，将尿素分解详细机理融入模型，把化学反应路径用数学方程式的形式表达，从SCR转化效率角度将SCR混合器对结晶的影响量化，尿素结晶风险系数不是固定公式，可以根据台架稳态试验进行标定，本方法基于尿素结晶基本原理和数学公式推导，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及SCR结晶技术领域，具体是一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置。
背景技术
Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)是国六柴油机车降低NOx排放的主要技术手段，是利用氨气和NOx发生催化还原反应消除柴油机尾气中氮氧化物的技术。尿素喷射是通过电控系统控制实现的，尿素经过尿素喷嘴喷射到SCR混合器中与废气反应分解出氨气。
但是目前SCR在使用过程中，产生尿素结晶的风险较高，造成整车油耗增加、后处理NOx转化效率下降等问题；尿素喷射主要是根据原排NOx和尾排NOx的关系标定的，但标定完成后评价尿素结晶风险的方法比较少。因此，本领域技术人员提供了一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置，一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法，尿素结晶风险系数η通过三种系数评价，包括质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe，通过尿素喷射量的需求值和实际尿素喷射量对比，从评价尿素喷射量的角度确定质量风险系数ηm；根据尿素分解详细机理，从温度的角度确定温度风险系数ηt；根据对比SCR前后的NOx浓度计算实际NOx的转换效率，从SCR转化效率的角度确定效率系数ηe。
作为本发明再进一步的方案：质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值Mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；根据尿素需求量MUWS和台架测得的实际尿素喷射量
计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大。
作为本发明再进一步的方案：温度系数ηt计算方法，根据排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f(t)，比如温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f(t)可随时根据试验情况进行调整。
作为本发明再进一步的方案：效率系数ηe计算方法，效率系数是评价SCR转化效率的指标，与SCR混合器结构关系较大，转化效率高，说明尿素溶液在混合器内部分解充分，相应的，尿素结晶风险较低，根据SCR上游NOx传感器测得转化前的NOx浓度CUSNOx和SCR下游温度传感器测得转化后的NOx浓度CDSNOx计算转化掉的NOx浓度CΔNOx，即用上游NOx浓度CUSNOx减去下游NOx浓度CDSNOx表示；转化前的NOx浓度CUSNOx除以转化掉的NOx浓度CΔNOx得到效率系数ηe，即转化效率越低，下游NOx浓度CDSNOx越大，转化掉的NOx越少，效率系数ηe越大。
作为本发明再进一步的方案：尿素结晶风险系数η计算方法，结晶风险系数η根据质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe三者的乘积所得，结晶风险系数η可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的结晶风险系数η阈值。
一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的装置，包括进气管路、排气管路，其特征在于，所述进气管路上设置有进气流量传感器，且进气管路的一端连接有发动机，所述发动机的另一端连接有排气管路，所述排气管路的入口一侧位置处设置有上游NOx传感器，排气管路的中部设置有SCR混合器，且排气管路的后端设置有下游NOx传感器，所述SCR混合器的一侧设置有尿素喷嘴，且SCR混合器的前端靠近尿素喷嘴的一侧位置处设置有温度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
从质量、温度和结构三个方面综合计算得到尿素结晶风险系数，用数学方法将结晶风险量化，通过标定可以得到尿素结晶的阈值，将尿素分解详细机理融入模型，把化学反应路径用数学方程式的形式表达，从SCR转化效率角度将SCR混合器对结晶的影响量化，尿素结晶风险系数不是固定公式，可以根据台架稳态试验进行标定，本方法基于尿素结晶基本原理和数学公式推导，可靠性高。
附图说明
图1为一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法的框架图；
图2为一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的装置结构示意图。
图中：1、进气流量传感器；2、上游NOx传感器；3、温度传感器；4、尿素喷嘴；5、下游NOx传感器；6、排气管路；7、SCR混合器；8、进气管路；9、发动机。
具体实施方式
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于：尿素结晶风险系数η通过三种系数评价，包括质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe，通过尿素喷射量的需求值和实际尿素喷射量对比，从评价尿素喷射量的角度确定质量风险系数ηm；根据尿素分解详细机理，从温度的角度确定温度风险系数ηt；根据对比SCR前后的NOx浓度计算实际NOx的转换效率，从SCR转化效率的角度确定效率系数ηe。
质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；根据尿素需求量MUWS和台架测得的实际尿素喷射量
计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大。
温度系数ηt计算方法，根据排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f(t)，比如温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f(t)可随时根据试验情况进行调整。
效率系数ηe计算方法，效率系数是评价SCR转化效率的指标，与SCR混合器结构关系较大，转化效率高，说明尿素溶液在混合器内部分解充分，相应的，尿素结晶风险较低，根据SCR上游NOx传感器测得转化前的NOx浓度CUSNOx和SCR下游温度传感器测得转化后的NOx浓度CDSNOx计算转化掉的NOx浓度CΔNOx，即用上游NOx浓度CUSNOx减去下游NOx浓度CDSNOx表示；转化前的NOx浓度CUSNOx除以转化掉的NOx浓度CΔNOx得到效率系数ηe，即转化效率越低，下游NOx浓度CDSNOx越大，转化掉的NOx越少，效率系数ηe越大。
尿素结晶风险系数η计算方法，结晶风险系数η根据质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe计算得到，可以是三者的乘积，也可以是三者加权后求和，形式不限，结晶风险系数η可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的结晶风险系数η阈值；本方法适用于基于稳态工况点结晶风险判断，选取边界稳定后的试验数据用作评价。
SCR上游NOx传感器2安装在SCR混合器7前端，也可以安装在DOC前端或者DPF前端，用于测量SCR转化前的NOx浓度；SCR下游NOx传感器5安装在SCR下游，用于测量SCR转化后的NOx浓度；SCR前排气温度通过温度传感器3测得，用于测量进入SCR混合器7的排气温度，SCR混合器7的一侧设置有尿素喷嘴4，安装在SCR混合器7前端；所述进气管路8上设置有进气流量传感器1，用于测量进入发动机9的气体流量，且进气管路8的一端连接有发动机9，所述发动机的另一端连接有排气管路6。
其中，SCR使用的还原介质一般是浓度32.5％的尿素水溶液，经尿素喷射器高压喷射出尿素水溶液可以迅速与高温废气产生相互作用，到达催化剂前完全分解生成NH3，在催化剂作用下，NOx发生还原反应生成N2。实际情况下，受多种因素制约下，尿素水溶液很难完全分解，NH3、HNCO和尿素都有可能进入催化器，尤其是在排气温度比较低的情况下。此外，喷射的溶液会发生撞壁并形成液膜，液膜蒸发吸热降低了壁面温度，加剧了尿素水溶液的不完全分解，从而产生尿素结晶及其他沉积物，如缩二脲、三聚氰酸等。
可以看出，对尿素结晶影响比较重要参数有尿素喷射量、排气温度和混合器混合能力等，如果尿素喷射量过多，超过需求量，会有多余未反应的尿素残留，附着在壁面上就容易产生结晶，也就是结晶风险增加；如果排气温度过低，尿素分解的能量不足，会有尿素来不及反应，尿素结晶的倾向增大；如果SCR混合器混合效果差，尿素分解速度降低，也会有未反应的尿素形成结晶，SCR转化效率下降，反应在NOx排放上就是SCR下游NOx浓度较高，而且混合器结构不当本身也会在混合器内部产生结晶。
以上所述的，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于：尿素结晶风险系数η通过三种系数评价，包括质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe，通过尿素喷射量的需求值和实际尿素喷射量对比，从评价尿素喷射量的角度确定质量系数ηm；根据尿素分解详细机理，从温度的角度确定温度系数ηt；根据对比SCR前后的NOx浓度计算实际NOx的转换效率，从SCR转化效率的角度确定效率系数ηe；其中，质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值Mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；根据尿素需求量MUWS和台架测得的实际尿素喷射量
UWS计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大；温度系数ηt计算方法，根据排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f（t），温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f（t）可随时根据试验情况进行调整；效率系数ηe计算方法，效率系数是评价SCR转化效率的指标，与SCR混合器结构关系较大，转化效率高，说明尿素溶液在混合器内部分解充分，相应的，尿素结晶风险较低，根据SCR上游NOx传感器测得转化前的NOx浓度CUSNOx和 SCR下游温度传感器测得转化后的NOx浓度CDSNOx计算转化掉的NOx浓度CΔNOx，即用上游NOx浓度CUSNOx减去下游NOx浓度CDSNOx表示；转化前的NOx浓度CUSNOx除以转化掉的NOx浓度CΔNOx得到效率系数ηe，即转化效率越低，下游NOx浓度CDSNOx越大，转化掉的NOx越少，效率系数ηe越大。
2.根据权利要求1所述的一种基于稳态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于，尿素结晶风险系数η计算方法，结晶风险系数η根据质量系数ηm、温度系数ηt和效率系数ηe三者的乘积所得，结晶风险系数η可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的结晶风险系数η阈值。
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