柴油機NOX排放預測模型研究

許飛云,馬家欣

(東南大學機械工程學院,江蘇 南京211189)

在汽車環保與節能的雙重壓力下,汽車柴油化已經成為一種不可逆轉的趨勢[1－3]。近年來,我國相繼出臺了各種燃油法規,其目的之一就在于鼓勵我國柴油轎車的發展。隨著我國柴油車國Ⅳ(相當于歐Ⅳ)排放標準的強制實行,僅僅對發動機內部參數進行優化已難以滿足排放指標的要求[5],必須增加排氣后處理過程。選擇性催化還原法(selective catalyst reduction,SCR)是柴油機機外控制NOX排放的有效方法之一,因其較高的燃油經濟性和良好的耐硫性能,在國外已經得到廣泛的應用[5,6],在我國也正處于推廣應用階段[7－9]。

由于SCR反應涉及到NOX排氣氛圍、催化劑及還原劑,而還原劑的供給需要動態考慮NOX濃度、催化劑工作狀況和氨氣(NH3)泄漏量等實際情況。當還原劑噴射量不足時,會使得NOX反應不徹底,排氣不達標;當還原劑噴射過量時,浪費的同時使得NH3泄漏造成二次污染。所以,還原劑噴射的控制是SCR技術應用所面臨的一個重要問題。由于各種隨機因素的存在,目前通常根據發動機運行工況和MAP圖計算NOX摩爾流量[10],需要進行大量的實驗標定,而且存在著較大的誤差。為此,本文應用帶有外部輸入的GNAR模型(GNARX)[11],對柴油機NOX排放量進行預測預報,從而為柴油機SCR系統尿素水溶液的噴射控制提供可靠依據。

1 柴油機SCR技術

SCR(selective catalyst reduction)技術通過向柴油機排氣管中噴入濃度為32.5%的尿素,利用其分解產生的氨氣(NH3),在SCR催化轉化器中和尾氣中的NOX反應生成對環境無害的氮氣(N2),從而降低NOX排放量。這其中最為主要的化學反應包括:

1)尿素的水解:

首先尿素液滴的水汽蒸發,析出尿素顆粒,之后分兩步分解成NH3和CO2:

2)NH3選擇性催化還原反應:

正常工況下,催化轉化器中的選擇性催化還原反應可分為標準反應、快反應和慢反應,其中標準反應和快反應為主要反應[12]。

標準反應:

快反應:

慢反應:

另外,可能還有少量的NOX或N2O形成。如在排氣溫度大于400℃時,釩基催化器中會有N2O形成。但由于形成量較少,一般不予考慮。

SCR系統主要由尿素罐、尿素泵、壓縮空氣罐、計量供給裝置、SCR控制器、尿素噴射裝置、氧化催化器、SCR催化器和傳感器等組成(圖1)。

其中,SCR控制器的功能主要有:實時監測并記錄系統的轉速、溫度、壓力等參數;將采集到的實時參數代入控制算法,計算所需的尿素噴射量,根據計算量控制尿素噴射裝置等。

圖1 SCR系統構成圖

由式(1)－式(4)可知,控制尿素噴射量的關鍵是知道NOX的確切摩爾流量,而現在尿素水溶液的基本噴射量一般是根據發動機的運行工況,通過查NOX排放的MAP圖和排氣流量MAP圖,計算NOX摩爾流量獲得[13]。該計算基于這樣一個假設,即認為在同一工況下,NOX排放量基本不變。但由于實際情況下,存在燃料品質不同、燃燒情況不同等問題,NOX排放量即使在同一工況下也不盡相同,因此,在柴油機實際運行中,尿素噴射的控制,需要對NOX排放量進行實時監測。

然而,由于氮氧化物傳感器存在延遲,準確獲知當前時刻的NOX摩爾流量并非那么容易,且化學反應也需要時間,并非瞬間完成。所以,根據當前時刻NOX排放量,建立準確可靠的模型,預測下一時刻的NOX排放量,為尿素水溶液的噴射控制提供依據,有著很好的實際應用價值。

2 GNARX模型

GNAR模型建模時[14],將白噪聲序列{at}作為系統輸入,系統輸出序列記作{wt}。而當系統已知兩個輸入序列{ut}、{vt}時,GNAR模型就變形為雙輸入的GNARX模型,簡記為GNARX

式中:p為多項式展開的階次;θ(i1),θ(i1,i2),