柴油机NOX排放预测模型研究

时间：2024-07-28

许飞云,马家欣

(东南大学机械工程学院,江苏南京211189)

在汽车环保与节能的双重压力下,汽车柴油化已经成为一种不可逆转的趋势[1－3]。近年来,我国相继出台了各种燃油法规,其目的之一就在于鼓励我国柴油轿车的发展。随着我国柴油车国Ⅳ(相当于欧Ⅳ)排放标准的强制实行,仅仅对发动机内部参数进行优化已难以满足排放指标的要求[5],必须增加排气后处理过程。选择性催化还原法(selective catalyst reduction,SCR)是柴油机机外控制NOX排放的有效方法之一,因其较高的燃油经济性和良好的耐硫性能,在国外已经得到广泛的应用[5,6],在我国也正处于推广应用阶段[7－9]。

由于SCR反应涉及到NOX排气氛围、催化剂及还原剂,而还原剂的供给需要动态考虑NOX浓度、催化剂工作状况和氨气(NH3)泄漏量等实际情况。当还原剂喷射量不足时,会使得NOX反应不彻底,排气不达标;当还原剂喷射过量时,浪费的同时使得NH3泄漏造成二次污染。所以,还原剂喷射的控制是SCR技术应用所面临的一个重要问题。由于各种随机因素的存在,目前通常根据发动机运行工况和MAP图计算NOX摩尔流量[10],需要进行大量的实验标定,而且存在着较大的误差。为此,本文应用带有外部输入的GNAR模型(GNARX)[11],对柴油机NOX排放量进行预测预报,从而为柴油机SCR系统尿素水溶液的喷射控制提供可靠依据。

1 柴油机SCR技术

SCR(selective catalyst reduction)技术通过向柴油机排气管中喷入浓度为32.5%的尿素,利用其分解产生的氨气(NH3),在SCR催化转化器中和尾气中的NOX反应生成对环境无害的氮气(N2),从而降低NOX排放量。这其中最为主要的化学反应包括:

1)尿素的水解:

首先尿素液滴的水汽蒸发,析出尿素颗粒,之后分两步分解成NH3和CO2:

2)NH3选择性催化还原反应:

正常工况下,催化转化器中的选择性催化还原反应可分为标准反应、快反应和慢反应,其中标准反应和快反应为主要反应[12]。

标准反应:

快反应:

慢反应:

另外,可能还有少量的NOX或N2O形成。如在排气温度大于400℃时,钒基催化器中会有N2O形成。但由于形成量较少,一般不予考虑。

SCR系统主要由尿素罐、尿素泵、压缩空气罐、计量供给装置、SCR控制器、尿素喷射装置、氧化催化器、SCR催化器和传感器等组成(图1)。

其中,SCR控制器的功能主要有:实时监测并记录系统的转速、温度、压力等参数;将采集到的实时参数代入控制算法,计算所需的尿素喷射量,根据计算量控制尿素喷射装置等。

图1 SCR系统构成图

由式(1)－式(4)可知,控制尿素喷射量的关键是知道NOX的确切摩尔流量,而现在尿素水溶液的基本喷射量一般是根据发动机的运行工况,通过查NOX排放的MAP图和排气流量MAP图,计算NOX摩尔流量获得[13]。该计算基于这样一个假设,即认为在同一工况下,NOX排放量基本不变。但由于实际情况下,存在燃料品质不同、燃烧情况不同等问题,NOX排放量即使在同一工况下也不尽相同,因此,在柴油机实际运行中,尿素喷射的控制,需要对NOX排放量进行实时监测。

然而,由于氮氧化物传感器存在延迟,准确获知当前时刻的NOX摩尔流量并非那么容易,且化学反应也需要时间,并非瞬间完成。所以,根据当前时刻NOX排放量,建立准确可靠的模型,预测下一时刻的NOX排放量,为尿素水溶液的喷射控制提供依据,有着很好的实际应用价值。