柴油機(jī)NOX排放預(yù)測(cè)模型研究

許飛云,馬家欣

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京211189)

在汽車環(huán)保與節(jié)能的雙重壓力下,汽車柴油化已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)[1－3]。近年來(lái),我國(guó)相繼出臺(tái)了各種燃油法規(guī),其目的之一就在于鼓勵(lì)我國(guó)柴油轎車的發(fā)展。隨著我國(guó)柴油車國(guó)Ⅳ(相當(dāng)于歐Ⅳ)排放標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)行,僅僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化已難以滿足排放指標(biāo)的要求[5],必須增加排氣后處理過(guò)程。選擇性催化還原法(selective catalyst reduction,SCR)是柴油機(jī)機(jī)外控制NOX排放的有效方法之一,因其較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和良好的耐硫性能,在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[5,6],在我國(guó)也正處于推廣應(yīng)用階段[7－9]。

由于SCR反應(yīng)涉及到NOX排氣氛圍、催化劑及還原劑,而還原劑的供給需要?jiǎng)討B(tài)考慮NOX濃度、催化劑工作狀況和氨氣(NH3)泄漏量等實(shí)際情況。當(dāng)還原劑噴射量不足時(shí),會(huì)使得NOX反應(yīng)不徹底,排氣不達(dá)標(biāo);當(dāng)還原劑噴射過(guò)量時(shí),浪費(fèi)的同時(shí)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(shù)應(yīng)用所面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。由于各種隨機(jī)因素的存在,目前通常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和MAP圖計(jì)算NOX摩爾流量[10],需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,而且存在著較大的誤差。為此,本文應(yīng)用帶有外部輸入的GNAR模型(GNARX)[11],對(duì)柴油機(jī)NOX排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),從而為柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素水溶液的噴射控制提供可靠依據(jù)。

1 柴油機(jī)SCR技術(shù)

SCR(selective catalyst reduction)技術(shù)通過(guò)向柴油機(jī)排氣管中噴入濃度為32.5%的尿素,利用其分解產(chǎn)生的氨氣(NH3),在SCR催化轉(zhuǎn)化器中和尾氣中的NOX反應(yīng)生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的氮?dú)?N2),從而降低NOX排放量。這其中最為主要的化學(xué)反應(yīng)包括:

1)尿素的水解:

首先尿素液滴的水汽蒸發(fā),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(yīng):

正常工況下,催化轉(zhuǎn)化器中的選擇性催化還原反應(yīng)可分為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)、快反應(yīng)和慢反應(yīng),其中標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)和快反應(yīng)為主要反應(yīng)[12]。

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng):

快反應(yīng):

慢反應(yīng):

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

SCR系統(tǒng)主要由尿素罐、尿素泵、壓縮空氣罐、計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù);將采集到的實(shí)時(shí)參數(shù)代入控制算法,計(jì)算所需的尿素噴射量,根據(jù)計(jì)算量控制尿素噴射裝置等。

圖1 SCR系統(tǒng)構(gòu)成圖

由式(1)－式(4)可知,控制尿素噴射量的關(guān)鍵是知道NOX的確切摩爾流量,而現(xiàn)在尿素水溶液的基本噴射量一般是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況,通過(guò)查NOX排放的MAP圖和排氣流量MAP圖,計(jì)算NOX摩爾流量獲得[13]。該計(jì)算基于這樣一個(gè)假設(shè),即認(rèn)為在同一工況下,NOX排放量基本不變。但由于實(shí)際情況下,存在燃料品質(zhì)不同、燃燒情況不同等問(wèn)題,NOX排放量即使在同一工況下也不盡相同,因此,在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中,尿素噴射的控制,需要對(duì)NOX排放量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

然而,由于氮氧化物傳感器存在延遲,準(zhǔn)確獲知當(dāng)前時(shí)刻的NOX摩爾流量并非那么容易,且化學(xué)反應(yīng)也需要時(shí)間,并非瞬間完成。所以,根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻N(yùn)OX排放量,建立準(zhǔn)確可靠的模型,預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的NOX排放量,為尿素水溶液的噴射控制提供依據(jù),有著很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 GNARX模型

GNAR模型建模時(shí)[14],將白噪聲序列{at}作為系統(tǒng)輸入,系統(tǒng)輸出序列記作{wt}。而當(dāng)系統(tǒng)已知兩個(gè)輸入序列{ut}、{vt}時(shí),GNAR模型就變形為雙輸入的GNARX模型,簡(jiǎn)記為GNARX

式中:p為多項(xiàng)式展開(kāi)的階次;θ(i1),θ(i1,i2),