船舶柴油机SCR尿素喷射电控系统研发

发布时间：2020-10-19 11:02

　　 随着MARPOL公约附则Ⅵ中TierⅢ排放控制标准的实施,机内净化技术已经很难满足TierⅢ法规对船舶柴油机NO_x排放控制要求。选择性催化还原(SCR)技术是满足船舶柴油机NO_x排放控制最具前景的技术之一。目前,船用SCR系统技术核心基本为国外所有,因此,开发具有自主知识产权的高性能SCR电控系统很有必要。为此,本文针对一船用柴油机进行SCR尿素喷射电控系统研发,主要研究内容包括:首先,根据TierⅢ排放控制标准及《选择性催化还原(SCR)系统认可及检验指南》相关要求确定SCR电控系统设计目标,进行电控系统总体方案设计和部件选型。其次,根据SCR电控系统硬件功能需求,选用S20M0T型PLC和HD102TC型HMI联合作为SCR电控系统的电子控制单元;设计的电源供给网络、Modbus通讯网络和CAN通讯网络将各元器件连接为一体,构成了SCR电控系统的硬件系统。再次,根据SCR电控系统设计目标,搭建电控系统软件架构。利用HMI组态软件通讯口配置工具设计了与硬件通讯的底层驱动软件;同时设计了基于模块化的故障诊断、MAP图查询、电控系统标定等上层应用软件。然后,设计开环控制策略、闭环控制策略、前馈修正模型和瞬态修正模型;提出了基于NO_x加权比排放的NO_x目标转化率规划方法。设计多种控制策略联合控制的逻辑控制程序,并实现对SCR电控系统上层应用软件的封装,形成完整的软件系统。最后,在柴油机实验台架上进行了SCR尿素喷射电控系统性能实验。尿素喷射计量泵误差标定试验结果表明:计量泵误差随着喷射量的增加而增加,设计的误差修正补偿程序可显著提高尿素计量泵的准确性。SCR尿素喷射电控系统台架试验结果表明:采用基于前馈修正的开环控制策略时,E3和D2测试循环下的NO_x加权比排放分别为1.77g/kWh和1.73g/kWh,各工况NO_x比排放最高值分别为2.69g/kWh和2.73 g/kWh,NH_3逃逸最大平均浓度分别为0.9ppm和1.5ppm;采用基于前馈修正的闭环控制策略时,E3和D2试验循环下的NO_x加权比排放分别为1.91g/kWh和2.00g/kWh,各工况NO_x比排放最高值分别为2.61g/kWh和2.94 g/kWh,NH_3逃逸最大平均浓度分别为10ppm和6.0ppm。采用开环控制策略和闭环控制策略,在E3和D2试验循环下,SCR系统均能满足TierⅢ阶段加权NO_x比排放和单工况NO_x比排放限值要求,NH_3逃逸符合10ppm限值要求。闭环控制策略与开环控制策略相比,E3试验循环下尿素喷射量平均降低了3.99%,D2试验循化下尿素喷射量平均降低了1.28%,采用闭环控制策略经济性相对较好。
【学位单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.121
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景
        1.1.1 船舶造成大气污染现状
        1.1.2 排放法规要求
    1.2 柴油机NO_x排放控制技术
        1.2.1 机内净化技术
        1.2.2 机外净化技术
    1.3 SCR系统工作原理
    1.4 SCR尿素喷射控制技术研究现状
        1.4.1 国外研究现状
        1.4.2 国内研究现状
    1.5 本文主要研究内容
第2章 SCR电控系统及总体方案设计
    2.1 柴油机参数及其排气特性
    2.2 SCR系统组成及其选型
        2.2.1 SCR反应器
        2.2.2 还原剂喷射系统
        2.2.3 SCR电控系统
    2.3 SCR尿素喷射电控系统设计目标
    2.4 SCR电控系统总体方案设计
    2.5 本章小结
第3章 SCR电控系统硬件设计
    3.1 SCR电控系统原理分析
    3.2 总体硬件方案设计
    3.3 SCR电子控制单元选型
        3.3.1 SCR电子控制单元硬件需求分析
        3.3.2 电子控制单元选型
    3.4 电源模块设计
    3.5 控制网络设计
        3.5.1 CAN控制网络设计
        3.5.2 Modbus控制网络设计
    3.6 本章小结
第4章 SCR电控系统软件设计
    4.1 SCR电控系统软件架构
    4.2 底层驱动软件设计
        4.2.1 CAN接收帧配置
        4.2.2 CAN发送帧配置
        4.2.3 Modbus协议通讯配置
        4.2.4 数据处理程序设计
        4.2.5 尿素计量泵控制模块
    4.3 上层应用软件系统开发
        4.3.1 SCR电控系统故障诊断模块
        4.3.2 MAP图查询模块
        4.3.3 电控系统标定模块
        4.3.4 控制参数设置模块
        4.3.5 操作界面设计
    4.4 本章小结
第5章 SCR电控系统尿素喷射控制策略
    5.1 基于MAP图的开环控制
        5.1.1 温度修正
        5.1.2 前馈修正
    5.2 基于NO_x传感器的闭环控制
    5.3 NO_x目标转化率规划
        5.3.1 E3试验循环各模式点NO_x目标转化率规划
        5.3.2 循环模式点附近区域NO_x目标转化率规划
    5.4 SCR电控系统上层应用软件封装
    5.5 本章小结
第6章 台架试验验证与数据分析
    6.1 柴油机SCR试验台架
    6.2 尿素计量泵标定试验
        6.2.1 试验设备与方法
        6.2.2 试验结果与分析
    6.3 SCR反应器标定试验
        6.3.1 NO_x转化率规划合理性试验验证
        6.3.2 SCR电控系统性能测试
    6.4 开环控制和闭环控制对比试验
        6.4.1 开环控制策略控制性能试验
        6.4.2 闭环控制策略控制性能试验
        6.4.3 SCR系统工作性能台架试验
    6.5 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
致谢
参考文献
在校期间科研成果情况

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本文编号：2847113