重型柴油车SCR系统建模及控制策略优化
发布时间：2021-01-26 23:47
重型柴油车的氮氧化物（NOx）排放是大气污染物的主要来源之一,为了减少重型柴油车对环境的影响,近年来世界各国纷纷推出了越来越严格的重型车排放法规。尿素-选择性催化还原（SCR）技术是降低重型柴油机NOx排放的一种有效手段,被广泛应用于重型柴油车市场。SCR技术具有NOx转化效率高,耐久性和适配性较好,不需要对发动机原机进行改装等优点。我国重型柴油车从国Ⅳ阶段开始广泛使用SCR后处理技术来满足法规对NOx排放的要求。但在国Ⅵ阶段,后处理系统的SCR催化器前将加装了柴油氧化催化器（DOC）和柴油颗粒捕集器（DPF）等催化器,对SCR催化器性能产生了较大的影响。模型非线性问题、多时间尺度问题和物理传感器测量信息不足等问题都为面向SCR系统控制的模型建立和策略开发造成了困难。现有模型存在标定工作量大、计算资源需求量大以及集成至控制器难等问题,SCR控制系统存在通过优化进一步降低NOx排放的可能,但缺乏最优化SCR控制模型和策略等相关内容的研究。此外,国内外对于未来更为严格的加州超低NOx排放法规技术方案仍处于探索阶段,有待进一步研究。基于此,本文通过发动机台架试验对重型柴油车后处理系统性能进行...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＳＣＲ系统工作过程示意图??
?山东大学博士论文???！０（＇?????Ｉ－?／％??ｒ?＃?＼??Ｎｒ＾??ｏ??１?１?????０?１００?２００?３００?４００?５１）０?６００?７００??ＤＯＣｉｌＳ／＊Ｃ??Ｉ?Ｍ?ＩＩ?反Ｅ平衡限制ＮＯ：?ＸＯｘ??．１丄丄丄丄＿反应速率限制ＮＯ：?ＡＯｘ???ＤＯＣ对排气中ＮＯ的氧化??图１．２?ＤＯＣ对Ｎ０２／Ｎ０ｖ比的影响示意图??清华大学张俊等人｜７（Ｄ］对ＤＰＦ主动再生过程中的ＮＯ，排放进行了测试。ＤＰＦ??再生过程中，ＮＯｘ的总浓度保持不变，但当再生开始后，由于ＤＯＣ、ＤＰＦ温度??升高，受化学平衡的影响，ＤＯＣ、ＤＰＦ后的Ｎ〇２几乎全部转化为ＮＯ。这对布置??在丨）ＰＦ后的ＳＣＲ的转化效率极为不利，同时ＤＰＦ再生时的高温环境会使得氨??气与氧气发生氧化反应，减少还原剂。因此，ＤＰＦ再生时ＳＣＲ的控制需要单独??考虑，否则将导致ｆ）ＰＦ再生时ＮＯ，排放大幅超标１７｜＇７２］。??目前主要使用的ＳＣＲ催化剂种类有钒基催化剂、铜沸石催化剂和铁沸石催??化剂。钒基ＳＣＲ催化器因其耐硫中毒性能良好，被广泛应用于国Ｖ阶段及之前??的柴油机ＮＯ．ｖ排放控制，但由于国ＶＩ法规加入ＰＮ限值的要求，需要加装ＤＰＦ，??而ＤＰＦ在主动再生产生的瞬时高温会使钒基ＳＣＲ催化剂五氧化二钒（Ｖ２〇５）挥??发，造成催化器失活，同时Ｖ２０５还是一种有毒物质需要进行控制。Ｍａｕｍｉｌａ等??人Ｉ７３］研究了一种新型的钒基催化剂，其耐高温性能得到提高，在发动机上的耐受??温度可达６５０°Ｃ。尽管新型钒基催化剂耐温性能得到了极大的提升，但仍然无法??安装在ＤＰＦ后Ｐ１。沸石型ＳＣＲ催化剂因
?第一章引言???石催化剂会产生更多的一氧化二氮ＣＮ２〇，俗称笑气）。不管是钒基还是沸石型催??化剂，其Ｎ０，转化效率与ＳＣＲ催化器载体温度之间存在非线性关系，ＮＯ，转化??效率随ＳＣＲ催化剂载体温度的变化如图１．３所示。不同催化剂高效工作温度??窗口不同，但ＮＯ，转化效率随着温度的变化都表现出明显的非线性特征。此外，??ＮＣｈ／ＮＱｘ比对ＮＯ：（■转化效率也存在影响。美国康明其斤公司Ｋａｍａｓａｍｕｄｒａｍ等人??［７７］研宂了沸石型催化剂对ＮＣｈ／ＮＯ，．比的敏感性，研究结果表明，Ｎ〇２／ＮＯｘ比为??０．５时的ＮＯ，转化效率要明显高于Ｎ０２／Ｎ０，比为０时，沸石型催化剂在低温下对??ＮＣｈ／ＮＯ，比更为敏感，而铁沸石催化剂相比于铜沸石催化剂对Ｎ〇２／ＮＱｘ比更敏??感。??—？一铜基催化剂老化温度６７０Ｃ。，老化时间６４ｈ???钒基催化剤，老化温度５５０Ｃ＂，老化时间７５ｈ??——钒基催化剂．老化温度６００Ｃ°，老化时间５０ｈ??—铁基催化剂，老化温度６７０Ｃ°．老化时间６４ｈ??１００?－?＾??卜??０??１?１?１?＇???１００?２００?３００?４００?５００?６００??催化器温度／°ｃ??图１．３?ＳＣＲ催化器ＮＯｘ转化效率对比??可以看出，影响后处理催化器特性的因素众多，催化剂配方、工作环境??等均对后处理催化器性能产生影响，且影响因素多为非线性。因此，后处理??系统建模较为复杂。将模型线性化，并通过增益进行修正是一种很好的解决??非线性问题的方法。但是，这种方法存在模型精确度不够，不能使得ＳＣＲ系??统在全工况范围内达到最佳的ＮＯ，转化效率。??１．
【参考文献】：
期刊论文
[1]CDPF被动再生特性及再生平衡条件研究[J]. 褚国良,王国仰,祁金柱,杨波,帅石金. 汽车工程. 2019(12)
[2]DOC+DPF+SCR后处理系统对小型柴油机性能及排放的影响[J]. 孙文,王兰红,孙柯,白书战,李国祥. 内燃机与动力装置. 2019(05)
[3]DOC催化剂配方对重型柴油机气态污染物排放的影响[J]. 楼狄明,施雅风,张允华,耿小雨. 环境工程. 2019(08)
[4]基于模型的SCR车载故障诊断策略[J]. 胡广地,刘丛志. 内燃机学报. 2019(04)
[5]氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响[J]. 楼狄明,王亚馨,孙瑜泽,张允华. 同济大学学报(自然科学版). 2019(04)
[6]重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J]. 帅石金,刘世宇,马骁,张俊,王国仰,果泽先,蔡开源,肖建华. 汽车安全与节能学报. 2019(01)
[7]大气中氮氧化物的危害及治理[J]. 王禹苏,张蕾,陈吉浩,文欣. 科技创新与应用. 2019(07)
[8]催化型柴油机颗粒捕集器喷油助燃主动再生过程试验研究[J]. 张俊,张文彬,李传东,帅石金. 中国电机工程学报. 2016(16)
[9]重型柴油机欧Ⅵ后处理系统构型方案试验研究[J]. 张俊,唐韬,曹东晓,帅石金,胡静. 内燃机工程. 2017(01)
[10]利用NOx传感器的NH3交叉敏感实现SCR系统闭环控制[J]. 王天田,颜伏伍,胡杰,侯洁,龙浩. 内燃机学报. 2015(02)
硕士论文
[1]基于氨存储控制策略的SCR系统研究与开发[D]. 汤佳明.江南大学 2018
本文编号：3002033
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＳＣＲ系统工作过程示意图??
?山东大学博士论文???！０（＇?????Ｉ－?／％??ｒ?＃?＼??Ｎｒ＾??ｏ??１?１?????０?１００?２００?３００?４００?５１）０?６００?７００??ＤＯＣｉｌＳ／＊Ｃ??Ｉ?Ｍ?ＩＩ?反Ｅ平衡限制ＮＯ：?ＸＯｘ??．１丄丄丄丄＿反应速率限制ＮＯ：?ＡＯｘ???ＤＯＣ对排气中ＮＯ的氧化??图１．２?ＤＯＣ对Ｎ０２／Ｎ０ｖ比的影响示意图??清华大学张俊等人｜７（Ｄ］对ＤＰＦ主动再生过程中的ＮＯ，排放进行了测试。ＤＰＦ??再生过程中，ＮＯｘ的总浓度保持不变，但当再生开始后，由于ＤＯＣ、ＤＰＦ温度??升高，受化学平衡的影响，ＤＯＣ、ＤＰＦ后的Ｎ〇２几乎全部转化为ＮＯ。这对布置??在丨）ＰＦ后的ＳＣＲ的转化效率极为不利，同时ＤＰＦ再生时的高温环境会使得氨??气与氧气发生氧化反应，减少还原剂。因此，ＤＰＦ再生时ＳＣＲ的控制需要单独??考虑，否则将导致ｆ）ＰＦ再生时ＮＯ，排放大幅超标１７｜＇７２］。??目前主要使用的ＳＣＲ催化剂种类有钒基催化剂、铜沸石催化剂和铁沸石催??化剂。钒基ＳＣＲ催化器因其耐硫中毒性能良好，被广泛应用于国Ｖ阶段及之前??的柴油机ＮＯ．ｖ排放控制，但由于国ＶＩ法规加入ＰＮ限值的要求，需要加装ＤＰＦ，??而ＤＰＦ在主动再生产生的瞬时高温会使钒基ＳＣＲ催化剂五氧化二钒（Ｖ２〇５）挥??发，造成催化器失活，同时Ｖ２０５还是一种有毒物质需要进行控制。Ｍａｕｍｉｌａ等??人Ｉ７３］研究了一种新型的钒基催化剂，其耐高温性能得到提高，在发动机上的耐受??温度可达６５０°Ｃ。尽管新型钒基催化剂耐温性能得到了极大的提升，但仍然无法??安装在ＤＰＦ后Ｐ１。沸石型ＳＣＲ催化剂因
?第一章引言???石催化剂会产生更多的一氧化二氮ＣＮ２〇，俗称笑气）。不管是钒基还是沸石型催??化剂，其Ｎ０，转化效率与ＳＣＲ催化器载体温度之间存在非线性关系，ＮＯ，转化??效率随ＳＣＲ催化剂载体温度的变化如图１．３所示。不同催化剂高效工作温度??窗口不同，但ＮＯ，转化效率随着温度的变化都表现出明显的非线性特征。此外，??ＮＣｈ／ＮＱｘ比对ＮＯ：（■转化效率也存在影响。美国康明其斤公司Ｋａｍａｓａｍｕｄｒａｍ等人??［７７］研宂了沸石型催化剂对ＮＣｈ／ＮＯ，．比的敏感性，研究结果表明，Ｎ〇２／ＮＯｘ比为??０．５时的ＮＯ，转化效率要明显高于Ｎ０２／Ｎ０，比为０时，沸石型催化剂在低温下对??ＮＣｈ／ＮＯ，比更为敏感，而铁沸石催化剂相比于铜沸石催化剂对Ｎ〇２／ＮＱｘ比更敏??感。??—？一铜基催化剂老化温度６７０Ｃ。，老化时间６４ｈ???钒基催化剤，老化温度５５０Ｃ＂，老化时间７５ｈ??——钒基催化剂．老化温度６００Ｃ°，老化时间５０ｈ??—铁基催化剂，老化温度６７０Ｃ°．老化时间６４ｈ??１００?－?＾??卜??０??１?１?１?＇???１００?２００?３００?４００?５００?６００??催化器温度／°ｃ??图１．３?ＳＣＲ催化器ＮＯｘ转化效率对比??可以看出，影响后处理催化器特性的因素众多，催化剂配方、工作环境??等均对后处理催化器性能产生影响，且影响因素多为非线性。因此，后处理??系统建模较为复杂。将模型线性化，并通过增益进行修正是一种很好的解决??非线性问题的方法。但是，这种方法存在模型精确度不够，不能使得ＳＣＲ系??统在全工况范围内达到最佳的ＮＯ，转化效率。??１．
【参考文献】：
期刊论文
[1]CDPF被动再生特性及再生平衡条件研究[J]. 褚国良,王国仰,祁金柱,杨波,帅石金. 汽车工程. 2019(12)
[2]DOC+DPF+SCR后处理系统对小型柴油机性能及排放的影响[J]. 孙文,王兰红,孙柯,白书战,李国祥. 内燃机与动力装置. 2019(05)
[3]DOC催化剂配方对重型柴油机气态污染物排放的影响[J]. 楼狄明,施雅风,张允华,耿小雨. 环境工程. 2019(08)
[4]基于模型的SCR车载故障诊断策略[J]. 胡广地,刘丛志. 内燃机学报. 2019(04)
[5]氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响[J]. 楼狄明,王亚馨,孙瑜泽,张允华. 同济大学学报(自然科学版). 2019(04)
[6]重型柴油车满足近零排放法规的技术分析[J]. 帅石金,刘世宇,马骁,张俊,王国仰,果泽先,蔡开源,肖建华. 汽车安全与节能学报. 2019(01)
[7]大气中氮氧化物的危害及治理[J]. 王禹苏,张蕾,陈吉浩,文欣. 科技创新与应用. 2019(07)
[8]催化型柴油机颗粒捕集器喷油助燃主动再生过程试验研究[J]. 张俊,张文彬,李传东,帅石金. 中国电机工程学报. 2016(16)
[9]重型柴油机欧Ⅵ后处理系统构型方案试验研究[J]. 张俊,唐韬,曹东晓,帅石金,胡静. 内燃机工程. 2017(01)
[10]利用NOx传感器的NH3交叉敏感实现SCR系统闭环控制[J]. 王天田,颜伏伍,胡杰,侯洁,龙浩. 内燃机学报. 2015(02)
硕士论文
[1]基于氨存储控制策略的SCR系统研究与开发[D]. 汤佳明.江南大学 2018
本文编号：3002033
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