SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述

SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述第1頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策略綜述5.未來發(fā)展方向2第2頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策略綜述5.未來發(fā)展方向3第3頁/共37頁SCR背景空氣污染嚴(yán)重汽車產(chǎn)量增長迅速歐4排放法規(guī)勢在必行重型柴油機(jī)的歐4排放技術(shù)4第4頁/共37頁重型柴油機(jī)歐4技術(shù)路線兩條技術(shù)路線對比EGR+DPFSCR燃油消耗增加油耗7％左右（歐3到歐4）可降低油耗6％左右（歐3到歐4）燃油品質(zhì)要求要求含硫量低于50ppm對硫不敏感對柴油機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度要求缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力大幅度增加所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)最高爆發(fā)壓力不是很高冷卻系統(tǒng)EGR冷卻器所需要的冷卻功率大幅增加無需改變熱管理系統(tǒng)升級到歐5可行性歐4到歐5需要較大改進(jìn)同一方案可以較容易達(dá)到歐4和歐5成本成本增加不是很大增加了Adblue系統(tǒng)，同時(shí)需要配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，成本提高較大SCR是實(shí)現(xiàn)歐4排放的最佳技術(shù)路線！5第5頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策略綜述5.未來發(fā)展方向6第6頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)型SCR催化器后氧化催化器前氧化催化器空氣供給裝置AdBlue供給裝置SCR控制單元7第7頁/共37頁SCR催化器32.5%尿素溶液

Ad-Blue氨氣化學(xué)反應(yīng)慢反應(yīng)1x快反應(yīng)10x副反應(yīng)

8第8頁/共37頁周邊供給系統(tǒng)周邊供給系統(tǒng)

添藍(lán)（Ad-Blue）供給系統(tǒng)

輔助空氣供給系統(tǒng)（非必須）霧化效果熱損害防護(hù)積炭功耗系統(tǒng)構(gòu)型復(fù)雜噪聲電磁干擾9第9頁/共37頁前氧化催化器前氧化催化器氧化催化器放置于SCR催化器前，作為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的預(yù)處理裝置，將調(diào)整到合適的工作范圍。后氧化催化器

后氧化催化劑一般用于消除泄漏出的氨氣10第10頁/共37頁國內(nèi)外運(yùn)用實(shí)例（1）-FordFEVFord公司和FEV公司合作開發(fā)的SCR系統(tǒng)

針對輕型卡車開發(fā)，使用的燃油含硫量為15ppm，可以達(dá)到90％的NOx轉(zhuǎn)化率。尿素噴嘴安裝在迎著尾氣氣流的方向。同時(shí)系統(tǒng)中有預(yù)加熱裝置來適應(yīng)冷啟動(dòng)的尾氣處理11第11頁/共37頁Ford公司和FEV公司合作開發(fā)的SCR系統(tǒng)

其主要亮點(diǎn)還在于簡化后的輔助空氣系統(tǒng)國內(nèi)外運(yùn)用實(shí)例（1）-FordFEV原有系統(tǒng)簡化系統(tǒng)12第12頁/共37頁國內(nèi)外運(yùn)用實(shí)例（2）-BOSCHDenoxtronic

空氣輔助供氣系統(tǒng)，單獨(dú)ECU控制。13第13頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策略綜述5.未來發(fā)展方向14第14頁/共37頁基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的SCR物理模型

SCR在低溫狀態(tài)下的化學(xué)機(jī)理快速SCR反應(yīng)15第15頁/共37頁基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的SCR物理模型NH3吸附和分離反應(yīng)NH3氧化反應(yīng)NH3的吸附和分離速率NH3氧化速率16第16頁/共37頁基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的SCR物理模型標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)速率NO2水解反應(yīng)NO2的水解率17第17頁/共37頁基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的SCR物理模型HONO與NH3反應(yīng)NH3與HNO3的合成與分解HNO3和NH3的反應(yīng)速率NH4NO3水解速率HNO3與NO反應(yīng)HNO3和NO的反應(yīng)速率18第18頁/共37頁基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的SCR物理模型NO2的SCR反應(yīng)速率N2O形成NO2的SCR反應(yīng)N2O反應(yīng)速率19第19頁/共37頁基于控制策略研究的性能仿真模型TNOSimCat(SCRmodel)AdBlueFlowExhMassFlowAmbTempTempCatInTempCatOutNO,NO2,NH3,O2ConcentrationCatalystOutNO,NO2,O2ConcentrationCatalystInAdblue的水解和水合反應(yīng)NH3的吸附和分離反應(yīng)慢速和快速的NO和NO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)催化器的溫度變化NH3在高溫下的氧化反應(yīng)

20第20頁/共37頁基于控制策略研究的性能仿真模型模型基本假設(shè)

1.(NH2)2CO分解為NH3的速率是尾氣溫度的函數(shù).2.NOx只包含NO、NO2兩種物質(zhì),(NO2/NOx比率)進(jìn)入SCR的NOx濃度由MAP圖來決定Adblue存儲罐的刻度傳感器信號由Adblue流量來計(jì)算。21第21頁/共37頁基于控制策略研究的性能仿真模型SCR中還原反應(yīng)只考慮兩個(gè)主要物質(zhì)NO、NO2的還原反應(yīng)。NO、NO2的反應(yīng)速度由化學(xué)動(dòng)力學(xué)來計(jì)算。或者進(jìn)一步簡化為：NH3的濃度由Adblue流量和SCR溫度來決定。NH3的反應(yīng)速率是NO、NO2反應(yīng)速率的函數(shù)，不考慮NH3在高溫下與氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)。22第22頁/共37頁基于控制策略研究的性能仿真模型輸入變量

輸出變量

參數(shù)

23第23頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策略綜述5.未來發(fā)展方向24第24頁/共37頁SCR控制策略基本控制目標(biāo)減少NOx排放50%氨氣泄露控制在10ppm以下可控對象尿素供給量控制輔助空氣供給量控制控制方式選擇閉環(huán)：隨機(jī)誤差自動(dòng)補(bǔ)償開環(huán)：需添加前饋控制環(huán)節(jié)25第25頁/共37頁尿素供給量控制MAP圖查詢最佳供給系數(shù)（C.M.Sch?r）

26第26頁/共37頁空氣供給壓力控制主要控制量輔助空氣供給壓力輔助空氣供給定時(shí)系統(tǒng)工作模式連續(xù)模式斷續(xù)模式27第27頁/共37頁瞬態(tài)工況控制策略（1）小容量SCR系統(tǒng)（BOSCH）穩(wěn)態(tài)工作模型配合簡單動(dòng)態(tài)修正小容量的SCR催化器內(nèi)尿素積聚效應(yīng)對于催化還原的效果影響小，還原轉(zhuǎn)化率的主要影響因素在于SCR催化器的穩(wěn)態(tài)溫度和實(shí)際溫度28第28頁/共37頁瞬態(tài)工況控制策略（2）大容量SCR系統(tǒng)（BOSCH）對于大容量的SCR催化器，需要考慮實(shí)際的催化器內(nèi)溫度，該溫度對催化器的尿素儲存能力以及NOx的轉(zhuǎn)化效率起到至關(guān)重要的影響氨氣泄露控制核心部分：催化器內(nèi)部尿素積累預(yù)估模型29第29頁/共37頁NOx反饋控制策略（1）閉環(huán)反饋消除隨機(jī)誤差1.NOx排放量預(yù)估誤差，2.實(shí)際尿素注入量誤差，3.SCR催化器老化引起的誤差，4.AdBlue濃度的誤差等。NOx傳感器特性無法分辨NOx和NH3的成分比

為實(shí)際尿素供給量和最佳供給量之比30第30頁/共37頁NOx反饋控制策略（2）NOx傳感器特性研究稀薄區(qū)富裕區(qū)閾值分析（C.M.Sch?r）選擇閾值判定稀薄區(qū)及富裕區(qū)稀薄區(qū)：傳感器值為NO富裕區(qū)：傳感器值為NH3合適閾值過早進(jìn)入富裕區(qū)無法區(qū)分稀薄或富裕選擇合適的閾值31第31頁/共37頁氨氣泄露控制策略（1）基于模型的尿素殘余量預(yù)測

采用的SCR催化器的模型(C.M.Sch?r)，模型計(jì)算出催化器內(nèi)部溫度和NH3的表面覆蓋度；最大表面覆蓋度由查表得出，經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得到所需要修正的尿素供給量，從而干預(yù)之前計(jì)算出的預(yù)計(jì)供應(yīng)的尿素量．32第32頁/共37頁氨氣泄露控制策略（２）基于查表的傳統(tǒng)前饋方法（BOSCH控制策略）查MAP方式標(biāo)定工作重33第33頁/共37頁其他影響因素發(fā)動(dòng)機(jī)溫度SCR系統(tǒng)工作時(shí)間添藍(lán)（Ad-Blue）露點(diǎn)溫度…34第34頁/共37頁SCR系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略綜述1.SCR背景2.SCR系統(tǒng)構(gòu)型3.SCR系統(tǒng)的建模研究綜述4.SCR系統(tǒng)的控制策