柴油機(jī)選擇性催化還原系統(tǒng)氨泄漏及控制研究

岳廣照， 劉興華， 仇滔

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081; 2.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 北京 100124)

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柴油機(jī)選擇性催化還原系統(tǒng)氨泄漏及控制研究

岳廣照1， 劉興華1， 仇滔2

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081; 2.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 北京 100124)

氨泄漏的預(yù)測(cè)和控制是選擇性催化還原系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。開展選擇性催化還原系統(tǒng)小樣試驗(yàn)，研究V2O5-WO3/TiO2催化劑的氨吸附脫附特性以及氨氮比和溫度對(duì)氨泄漏量的影響。結(jié)果表明：氨泄漏一旦發(fā)生氨泄漏量將會(huì)迅速升高，氨泄漏臨界點(diǎn)的預(yù)測(cè)和控制對(duì)氨泄漏量的控制至關(guān)重要；氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨氨氮比和催化劑溫度的變化而改變；氨氮比分別為0.7、1.0和1.4時(shí)，氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度維持在76.7%附近波動(dòng)，分別為79%、75%和76%. 氨存儲(chǔ)飽和度與氨泄漏臨界點(diǎn)有較強(qiáng)的相關(guān)性，基于這種相關(guān)性設(shè)計(jì)開發(fā)了以氨存儲(chǔ)飽和度為控制目標(biāo)的控制算法，并進(jìn)行了歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)。采用該控制方法后催化劑出口的氮氧綜合比排放為2.45 g/(kW·h)，氨泄漏體積濃度均值為3.7×10-6，峰值為12.8 ×10-6，達(dá)到國家第Ⅳ階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

動(dòng)力機(jī)械工程； 柴油機(jī)； 選擇性催化還原； 氨泄漏； 排放

0 引言

柴油機(jī)具有效率高、油耗低的特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年，柴油機(jī)的排放問題日益突出，具有選擇性、高效性的選擇性催化還原(SCR)技術(shù)被廣泛用于控制柴油機(jī)氮氧排放[1]。SCR技術(shù)在追求高氮氧(NOx)轉(zhuǎn)化效率和低氨泄漏之間存在矛盾關(guān)系：尿素噴射過少NOx轉(zhuǎn)化效率低，達(dá)不到排放要求；當(dāng)尿素噴射過多時(shí)會(huì)導(dǎo)致氨泄漏，產(chǎn)生二次污染。國家標(biāo)準(zhǔn)GB17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》(中國III、IV、V階段)中規(guī)定，氨泄漏體積濃度峰值不超過25×10-6，平均值不超過10×10-6[2]。

氨泄漏的控制是SCR技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，國外學(xué)者在這方面的研究較多。Ofoli[3]建立了氨吸附和氨脫附的模型，基于此進(jìn)行氨泄漏的預(yù)測(cè)和控制。其中氨吸附常數(shù)和氨脫附常數(shù)是氨泄漏控制時(shí)的關(guān)鍵標(biāo)定參數(shù)。Nova等[4]建立了氨吸附脫附的機(jī)理模型，氨存儲(chǔ)量的計(jì)算采用入口濃度和出口濃度差值的積分，指出存在一個(gè)最優(yōu)氨飽和度，以最優(yōu)氨飽和度作為控制目標(biāo)的算法可以用來指導(dǎo)工程實(shí)踐。Adelman 等[5]設(shè)計(jì)了一種SCR混合器和氨氣噴射系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)氨氣的直接噴射，與噴射尿素相比，該方法可以提高NOx轉(zhuǎn)化效率，降低氨泄漏，尤其適用于低溫和冷起動(dòng)條件下。

近年來隨著排放法規(guī)的升級(jí)，對(duì)SCR的研究步伐不斷加快。關(guān)于SCR技術(shù)的研究主要集中在催化劑的設(shè)計(jì)與改良[6]、控制算法的優(yōu)化[7]、氨吸附和脫附的仿真計(jì)算[8]、系統(tǒng)匹配[9]等方面，氨泄漏預(yù)測(cè)控制方面的研究較少。

胡云峰等[10]研究了SCR系統(tǒng)氨覆蓋率跟蹤器，將氨覆蓋率作為被控對(duì)象，通過建立前饋+反饋的二自由度控制系統(tǒng)，并開展了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的跟蹤性和魯棒性。王天田等[11]研究了尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)系統(tǒng)尿素噴射控制策略，采用以NOx傳感器信號(hào)作為閉環(huán)控制的反饋輸入并結(jié)合NH3覆蓋度預(yù)測(cè)模型的方法，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，降低了氨泄漏的概率。Feng 等[12]利用分段函數(shù)描述了氨吸附和脫附的過程，并且建立了非線性氨存儲(chǔ)模型和帶時(shí)間延遲的多變量阻容模型，以此達(dá)到平衡NOx轉(zhuǎn)化效率和氨泄漏的目的。蔡憶昔等[13]考慮NOx傳感器對(duì)氨的交叉敏感性，研究了氨氮比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率和氨泄漏的影響，在當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件下當(dāng)氨氮比增大到1.4時(shí)開始出現(xiàn)氨泄漏。以上研究大多根據(jù)氨泄漏量作為反饋輸入，而氨泄漏量是通過傳感器直接或間接測(cè)量得到，用該信號(hào)進(jìn)行氨泄漏的控制會(huì)存在滯后。

針對(duì)上述問題，本文利用SCR催化劑小樣評(píng)價(jià)試驗(yàn)臺(tái)研究氨的吸附和脫附特性，以及氨氮比和溫度對(duì)氨泄漏的影響。分析氨泄漏的特征并利用這種特征進(jìn)行氨泄漏的預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)了控制算法，通過歐洲瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(ETC)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置及測(cè)試原理示意圖，該試驗(yàn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)樣氣、氣體混合系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、SCR樣件、采集系統(tǒng)組成。其中標(biāo)準(zhǔn)樣氣主要包括氨氣(NH3)、一氧化氮(NO)、氮?dú)?N2)和氧氣(O2)，氮?dú)夂蛪嚎s空氣作為平衡氣，可以根據(jù)試驗(yàn)需求配制不同比例的混合氣。

圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup and test method

溫控系統(tǒng)采用管式氣氛爐控制試驗(yàn)溫度，溫度可調(diào)范圍為0～1 150 ℃，溫度控制精度為±1 ℃，升溫速率可調(diào)范圍0～20 ℃/min. 溫控箱內(nèi)部有1根石英玻璃管，SCR催化劑依托載體放置在石英玻璃管內(nèi)。SCR的反應(yīng)過程包含吸熱和放熱反應(yīng)，由于催化劑上下游溫度并不能完全表征催化劑的實(shí)際溫度[14]，所以使用熱電偶直接貼在催化劑涵蓋區(qū)域的石英玻璃管外表面進(jìn)行催化劑溫度的測(cè)量。采集系統(tǒng)主要采集氮氧、氨氣、催化劑床溫等信號(hào)。氣體分析儀采用美國ECM公司的NOx/NH35240分析儀，NOx測(cè)量精度為±5×10-6，量程為0～5 000×10-6；NH3測(cè)量精度為±5×10-6，量程為0～1 000×10-6. 氣體流量計(jì)測(cè)量精度為±1.5%FS. 選用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)量量程為-200～1 300 ℃，測(cè)量精度為被測(cè)溫度的0.75%.

本次試驗(yàn)采用的催化劑為V2O5-WO3/TiO2催化劑，表1為SCR載體及催化劑參數(shù)。

表1 SCR載體及催化劑參數(shù)

1.2 混合氣的制配

由NH3、NO、N2、和O2組成的標(biāo)準(zhǔn)樣氣采用二級(jí)減壓閥進(jìn)行輸出控制，氣瓶出口的壓力全部設(shè)為0.2 MPa. 根據(jù)需要配制不同濃度的氣體，通過比例調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)實(shí)現(xiàn)氣體流量的控制，其中NO和NH3的體積濃度可調(diào)范圍為0～5 000×10-6. 催化劑下游安裝一個(gè)總流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣體總流量，便于計(jì)算空速和流量校對(duì)。還原劑采用噴射氨氣代替噴射尿素，主要目的是減小由于低溫條件下尿素?zé)峤馑獠煌耆鸬陌贝鎯?chǔ)量的計(jì)算誤差。

1.3 氨存儲(chǔ)飽和度的計(jì)算

氨存儲(chǔ)飽和度根據(jù)催化劑的飽和氨存儲(chǔ)量和當(dāng)前氨存儲(chǔ)量計(jì)算得到，其中催化劑的飽和氨存儲(chǔ)量與溫度和空速有關(guān)，通過試驗(yàn)可以獲取該參數(shù)。氨存儲(chǔ)飽和度的計(jì)算公式為

(1)

式中：φNH3為氨存儲(chǔ)飽和度(%)；mNH3,c為當(dāng)前氨存儲(chǔ)量(g/L)；mNH3,s為飽和氨存儲(chǔ)量(g/L).

當(dāng)前氨存儲(chǔ)量主要根據(jù)氨噴射量、反應(yīng)量和泄漏量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(2)

式中：dmNH3,i為氨噴射速率(g/s)；dmNH3,r為氨反應(yīng)速率(g/s)；dmNH3,l為氨的泄漏速率(g/s)；VC為催化劑體積(L).

氨的泄漏速率根據(jù)氨的泄漏濃度和氣體流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(3)

式中：VNH3,l為氨泄漏體積分?jǐn)?shù)(10-6)；dme為氣體質(zhì)量流量(g/s)；ρe為氣體密度(g/L)；MNH3為氨的摩爾質(zhì)量(g/mol)；C為氨的摩爾體積(mol/L).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氨吸附和脫附特性

氨泄漏主要來自于兩個(gè)方面：一方面是吸附的氨沒有參與反應(yīng)，直接以氨脫附的形式離開催化劑活性位；另一方面是氣態(tài)氨的直接排出，而氣態(tài)氨的直接排出是當(dāng)氨吸附飽和度達(dá)到一定程度后出現(xiàn)的。所以通入催化劑入口的氨首先進(jìn)行氨的吸附，然后開始發(fā)生脫附，當(dāng)氨吸附達(dá)到一定程度，隨著吸附能力的下降，會(huì)出現(xiàn)氣態(tài)的氨直接排出。通過配氣系統(tǒng)配制濃度為830×10-6的氨氣，將其階躍噴射到催化劑入口。圖2為氨吸附和脫附特性，試驗(yàn)中僅噴射一定濃度的氨氣，利用傳感器測(cè)量下游的氨濃度。

圖2 氨吸附和脫附特性Fig.2 The property of ammonia adsorption and desorption

由圖2可知，氨氣噴射后57 s催化劑出口開始出現(xiàn)氨泄漏，此時(shí)氨存儲(chǔ)飽和度為69%. 從氨噴射到氨開始泄漏的這段時(shí)間稱為“死區(qū)”時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)催化劑進(jìn)行氨的吸附。氨氣持續(xù)噴射571 s后下游氨濃度基本穩(wěn)定，停止氨氣噴射。氨氣停噴后歷時(shí)1 092 s，催化劑出口氨濃度降為0，氨飽和存儲(chǔ)度從100%降低到21%. 200 s后開始催化劑升溫進(jìn)行氨的脫附，催化劑溫度從250 ℃升高到430 ℃的過程中，當(dāng)溫度升高到278 ℃時(shí)開始出現(xiàn)氨泄漏，當(dāng)溫度升高到380 ℃時(shí)，氨泄漏達(dá)到峰值73×10-6，隨后氨泄漏緩慢下降，當(dāng)溫度達(dá)到428 ℃時(shí)氨泄漏降為0. 氨泄漏量呈現(xiàn)先增大、后減小的過程，主要是由于溫度和實(shí)際氨存儲(chǔ)量共同作用決定的。氨存儲(chǔ)飽和度隨著氨升溫脫附的過程從21%逐漸下降到0.

由圖2可知，250 ℃時(shí)吸附到催化劑上的氨隨著時(shí)間的推移無法完全脫附，只有通過催化劑升溫，才可以將吸附的氨完全脫附，Nova等[4]在研究鐵基催化劑時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。

柴油機(jī)尾氣中含有大量的NO，為了研究NO對(duì)氨脫附的影響，開展試驗(yàn)，圖3為NO對(duì)氨脫附的影響。首先在催化劑上游階躍噴入濃度為875×10-6的氨氣，催化劑出口氨濃度穩(wěn)定后，停止氨氣噴射。經(jīng)過860 s催化劑出口氨濃度為0，然后階躍噴入濃度為757×10-6的NO，持續(xù)475 s停止NO噴射。經(jīng)過450 s，開始進(jìn)行催化劑升溫，溫度從250 ℃升高到420 ℃的過程中測(cè)量催化劑出口的氨濃度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)升溫后并沒有出現(xiàn)氨的脫附。

由圖3可知，250 ℃時(shí)吸附到催化劑上的氨隨著NO的進(jìn)入?yún)⑴c了選擇性催化還原反應(yīng)，吸附在催化劑活性位上的NH3生成了氮?dú)夂退ＥcNH3相比，氮?dú)夂退诖呋瘎┗钚晕簧细菀酌摳健．?dāng)催化劑再次升溫后，氨沒有脫附，說明吸附在催化劑活性位上的氨全部參與了反應(yīng)。

催化劑對(duì)氨的吸附和脫附特性直接影響氨泄漏量，如果氣相的氨較多，催化劑下游會(huì)出現(xiàn)氨的脫附形成氨泄漏，而且隨著溫度的升高脫附速率會(huì)逐漸加大，直到所有的氨徹底脫附為止。當(dāng)催化劑上游通入NO時(shí)，可以把吸附到催化劑活性位上的氨反應(yīng)掉。

2.2 氨泄漏過程分析

通過SCR小樣試驗(yàn)臺(tái)開展氨泄漏過程的試驗(yàn)研究，圖4為SCR反應(yīng)中的氨泄漏過程，試驗(yàn)過程中控制催化劑溫度在300 ℃，空速為30 000/h. 首先在催化劑上游通入濃度為750×10-6的NO，系統(tǒng)穩(wěn)定之后，階躍噴入濃度為524 ×10-6的NH3，測(cè)量催化劑出口的NOx和NH3濃度變化情況，并計(jì)算氨存儲(chǔ)飽和度。根據(jù)圖4中氨泄漏的速率，可以將氨泄漏的過程分為3個(gè)階段：第1階段是從氨噴射到氨泄漏開始出現(xiàn)為止，持續(xù)時(shí)間為95.3 s，此時(shí)氨存儲(chǔ)飽和度從0增大到79%，催化劑出口氨濃度變化率為0；第2階段是從氨泄漏開始出現(xiàn)到氨泄漏達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的75%為止，該階段的持續(xù)時(shí)間為54 s，該階段內(nèi)氨存儲(chǔ)飽和度從79%增大到96%，氨濃度變化率先增大、后減小，最高達(dá)到8.7 ×10-6s-1；第3階段是氨泄漏趨于穩(wěn)定的階段，持續(xù)時(shí)間為678 s，氨濃度變化率在0附近波動(dòng)。當(dāng)氨階躍噴射后，催化劑出口NOx濃度開始快速下降，達(dá)到一個(gè)極小值點(diǎn)后開始緩慢上升，并最終趨于穩(wěn)定。由此可知，過多的氨氣會(huì)阻礙SCR反應(yīng)[15]。

圖4 氨泄漏過程Fig.4 Slip process of ammonia

為了解釋氨泄漏的過程，基于SCR反應(yīng)機(jī)理，定性分析SCR的氨泄漏過程。SCR系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)過程是氨首先吸附到催化劑表面的布朗斯臺(tái)德酸性位或路易斯酸性位上，簡(jiǎn)稱為Eley-Rideal機(jī)理，然后和氣相中的NOx進(jìn)行反應(yīng)[16-17]。氨首先吸附在催化劑表面，然后與NOx發(fā)生反應(yīng)生成不穩(wěn)定的化合物，該化合物會(huì)繼續(xù)分解生成氮?dú)夂退０蔽剿俾省⒚摳剿俾始岸咂胶怅P(guān)系計(jì)算公式為

ra=kaCNH3(1-θNH3),

(4)

(5)

(6)

式中：ra表示氨吸附速率(mol/(m3·s))；ka表示氨吸附時(shí)間常數(shù)(s-1)；CNH3為氣相氨的濃度(mol/m3)；θNH3為氣相氨的表面覆蓋率；kd表示氨脫附速率的預(yù)指數(shù)因子(mol/(m3·s))；Ed表示氨在零覆蓋率時(shí)的脫附能量(J/mol)；R表示理想氣體狀態(tài)常數(shù)(J/(mol·K))；T為熱力學(xué)溫度(K)；γ為氨表面覆蓋率修正系數(shù)；Ω為催化劑的儲(chǔ)氨能力(mol/m3)；ro為氨氧化速率(mol/(m3·s))；rNO為參與NO反應(yīng)的氨消耗速率(mol/(m3·s))。

由Eley-Rideal機(jī)理可知，SCR反應(yīng)主要在吸附的氨上面進(jìn)行，吸附的氨可以通過氨的表面覆蓋率表征。由(5)式和(6)式可知，催化劑一定時(shí)，氨吸附速率和脫附速率主要由氣相氨的濃度和氨的表面覆蓋率確定。氣相氨的濃度主要受氨氮比影響，氨氮比越大，氣相氨的濃度越大，反之亦然。氨的表面覆蓋率就是氨存儲(chǔ)飽和度，體現(xiàn)了催化劑當(dāng)前吸附的氨占該條件下催化劑氨飽和存儲(chǔ)量的比例。氨噴射初始階段，由于催化劑上幾乎沒有吸附的氨，可以認(rèn)為此時(shí)氨存儲(chǔ)飽和度為0，噴射的氨會(huì)全部吸附到催化劑上。隨著吸附量的增加，氨存儲(chǔ)飽和度開始上升，隨著氨存儲(chǔ)飽和度的上升，氨的脫附速率不斷升高，達(dá)到一定程度出現(xiàn)氨泄漏，氨泄漏開始的時(shí)刻就是氨泄漏的臨界點(diǎn)。由此可知，當(dāng)氨存儲(chǔ)飽和度達(dá)到一定程度時(shí)就必然出現(xiàn)氨泄漏。那么為了進(jìn)行氨泄漏的控制，就需要了解影響氨泄漏過程的主要因素，尤其需要研究氨泄漏第1階段的影響因素。

2.3 氨泄漏的影響因素分析

通過試驗(yàn)研究氨氮比對(duì)氨泄漏的影響，其中催化劑入口的NOx濃度均為750×10-6，配制不同濃度的氨氣，最終的氨氮比分別為0.7、1.0和1.4，空速為30 000 h-1，溫度為300 ℃. 圖5為氨氮比對(duì)氨泄漏的影響，隨著氨氮比的增大，氨泄漏第1階段的時(shí)間分別為95.3 s、70.7 s和55.8 s，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。氨氮比越大，催化劑出口氨濃度變化率也越大，氨氮比為0.7、1.0和1.4時(shí)對(duì)應(yīng)的氨濃度變化率最大值分別為8.9×10-6s-1、17.9 ×10-6s-1和37.6×10-6s-1. 氨氮比為0.7、1.0和1.4時(shí)，氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度分別為79%、75%和76%，均值為76.7%，由此認(rèn)為氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨氨氮比的變化而變化。

圖5 氨氮比對(duì)氨泄漏的影響Fig.5 Effect of NH3/NOx ratio on ammonia slip

調(diào)節(jié)催化劑溫度分別為250 ℃、300 ℃和350 ℃，研究溫度對(duì)氨泄漏的影響，圖6為不同溫度下氨泄漏的情況。試驗(yàn)中催化劑入口NOx濃度均為750×10-6，空速為30 000 h-1. 由圖6可以看出，隨著溫度的升高，氨泄漏第1階段的時(shí)間基本一樣，分別為72.8 s、70.7 s和72.6 s. 溫度為250 ℃、300 ℃和350 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的氨濃度變化率最大值分別為26×10-6s-1、17.9×10-6s-1和6×10-6s-1，隨著溫度的升高，催化劑出口氨濃度變化率逐漸減小。溫度為250 ℃、300 ℃和350 ℃時(shí)，氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度分別為77.2%、75.0%和75.2%，均值為75.8%，由此可以認(rèn)為氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨溫度的變化而變化。

圖6 溫度對(duì)氨泄漏的影響Fig.6 Effect of temperature on ammonia slip

氨氮比和溫度對(duì)氨泄漏有較大的影響，但是氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨氨氮比和溫度的變化而改變。

3 算法開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證

利用氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨氨氮比和溫度的變化而改變的特性，設(shè)計(jì)控制算法。設(shè)計(jì)噴射控制算法時(shí)，主要從提高NOx轉(zhuǎn)化效率和控制氨泄漏兩個(gè)方面綜合考慮。從提高NOx轉(zhuǎn)化效率的角度出發(fā)，應(yīng)該增大氨氮比；從控制氨泄漏的角度出發(fā)，應(yīng)該減小氨氮比。這就需要從催化劑的氨泄漏特性出發(fā)，盡量控制氨泄漏始終處在泄漏的臨界值，也就是氨泄漏的第1階段。將氨泄漏控制在臨界點(diǎn)附近的控制算法是兼顧NOx轉(zhuǎn)化效率和氨泄漏的最優(yōu)控制算法。

氨的飽和存儲(chǔ)量與溫度有密切關(guān)系，溫度越高，氨的飽和存儲(chǔ)量越小。理論氨存儲(chǔ)飽和度與實(shí)際氨存儲(chǔ)飽和度不會(huì)完全一致，二者的差值稱為安全系數(shù)。安全系數(shù)越大意味著氨泄漏的風(fēng)險(xiǎn)越小，安全系數(shù)越小意味著氨泄漏的風(fēng)險(xiǎn)越高。當(dāng)催化劑溫度不變、氨存儲(chǔ)飽和度也不變的情況下，快速升高溫度，實(shí)際氨存儲(chǔ)飽和度會(huì)升高，超過氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度時(shí)就就會(huì)出現(xiàn)氨泄漏。當(dāng)溫度快速下降時(shí)，實(shí)際的氨存儲(chǔ)飽和度會(huì)下降，此時(shí)不會(huì)引起氨泄漏，為了達(dá)到氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度就需要增大氨氮比。設(shè)計(jì)控制算法時(shí)需要考慮溫度變化率對(duì)氨存儲(chǔ)飽和度的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)降低氨存儲(chǔ)飽和度目標(biāo)值，增大安全系數(shù)。當(dāng)溫度降低時(shí)提高氨存儲(chǔ)飽和度目標(biāo)值，降低安全系數(shù)，提高NOx轉(zhuǎn)化效率。圖7為氨存儲(chǔ)飽和度控制示意圖，為了彌補(bǔ)系統(tǒng)控制誤差，氨存儲(chǔ)飽和度實(shí)際值在一個(gè)可控的誤差帶范圍內(nèi)變動(dòng)，而且該誤差帶與溫度變化率有關(guān)系，目的是根據(jù)所處溫度的不同，控制氨泄漏的風(fēng)險(xiǎn)并兼顧NOx轉(zhuǎn)化效率。

圖7 氨存儲(chǔ)飽和度控制示意Fig.7 Schematic diagram of ammonia storage saturation level

由圖7可知，當(dāng)氨存儲(chǔ)飽和度實(shí)際值超過誤差帶上限就會(huì)產(chǎn)生氨泄漏。氨存儲(chǔ)飽和度理論值和實(shí)際值之間設(shè)計(jì)了安全系數(shù)，隨著溫度變化率的升高，安全系數(shù)增大；隨著溫度變化率的降低，安全系數(shù)減小。針對(duì)本試驗(yàn)的催化劑特性，理論氨存儲(chǔ)飽和度為76.7%，當(dāng)溫度變化率為0 ℃/s時(shí)，實(shí)際氨存儲(chǔ)飽和度為55%～65%.

基于氨存儲(chǔ)飽和度的控制算法是以氨存儲(chǔ)飽和度的計(jì)算為基礎(chǔ)，并將其作為控制目標(biāo)，根據(jù)氨存儲(chǔ)飽和度的不同，控制器對(duì)尿素噴射進(jìn)行修正，從而達(dá)到控制氨存儲(chǔ)飽和度的目的。圖8為控制算法原理示意，其中氨存儲(chǔ)飽和度根據(jù)催化劑上游NOx、廢氣流量、尿素噴射量和氨泄漏量進(jìn)行計(jì)算。而氨泄漏根據(jù)氨存儲(chǔ)飽和度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并基于催化劑溫度和氨氮比進(jìn)行修正，一般情況下氨泄漏的控制目標(biāo)為0×10-6，所以預(yù)測(cè)得到的氨泄漏的值在0 ×10-6附近波動(dòng)。

圖8 控制算法原理示意Fig.8 Schematic diagram of control algorithm

控制算法采用基于模型的開發(fā)方式，以氨泄漏和尿素結(jié)晶為限制條件，以NOx轉(zhuǎn)化效率為控制目標(biāo)。主要開發(fā)流程包括：根據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)提煉反應(yīng)方程；利用Matlab/simulink建立應(yīng)用層控制算法，采用RTW生成可執(zhí)行代碼；利用C/C++開發(fā)底層算法(IO接口、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、底層驅(qū)動(dòng))；基于CodeWarrior的軟件集成與測(cè)試；軟硬件集成與測(cè)試；標(biāo)定功能開發(fā)；臺(tái)架標(biāo)定及整車路試。本算法在實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的尿素噴射控制單元上進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證該算法的實(shí)用性，尤其是該算法對(duì)氨泄漏的控制效果，基于柴油機(jī)臺(tái)架通過ETC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)進(jìn)行算法驗(yàn)證，其中試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。圖9為ETC循環(huán)驗(yàn)證結(jié)果。

表2 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖9 ETC循環(huán)驗(yàn)證結(jié)果Fig.9 Verification results of ETC cycle

表3為引入基于氨存儲(chǔ)飽和度的閉環(huán)控制算法前后，ETC測(cè)試循環(huán)下NOx排放以及氨泄漏的對(duì)比。采用基于氨存儲(chǔ)飽和度的控制算法后，氨泄漏的體積濃度均值由3.9 ×10-6降低到3.7×10-6，峰值由18.3 ×10-6降低到12.8×10-6.

表3 NOx排放以及氨泄漏測(cè)試結(jié)果

以氨存儲(chǔ)飽和度為控制目標(biāo)的算法具有較好的實(shí)用性，ETC循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明氨泄漏的均值為3.7×10-6，峰值為12.8×10-6. 通過計(jì)算得到NOx的綜合比排放為2.45 g/(kW·h)，達(dá)到國家第Ⅳ階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1) 已經(jīng)吸附到催化劑上的氨隨著時(shí)間的推移無法完全脫附，通過催化劑升溫或通入一定量的NO可以實(shí)現(xiàn)氨的完全脫附。

2)氨泄漏臨界點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻與氨存儲(chǔ)飽和度密切相關(guān)，并且氨泄漏臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨存儲(chǔ)飽和度不隨氨氮比和溫度的變化而變化。可以利用氨存儲(chǔ)飽和度進(jìn)行氨泄漏的預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氨泄漏的控制。

3) 采用以氨存儲(chǔ)飽和度為控制目標(biāo)的控制算法進(jìn)行ETC循環(huán)測(cè)試，氨泄漏體積濃度均值為3.7×10-6，峰值為12.8×10-6，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Research on Ammonia Slip and Control of Diesel Engine SCR System

YUE Guang-zhao1， LIU Xing-hua1， QIU Tao2

(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China; 2.College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)

The prediction and control of ammonia slip are the key issues of selective catalytic reduction (SCR) system. A SCR sample test bench was built. The adsorption and desorption characteristics of ammonia in V2O5-WO3/TiO2catalyst are studied, and the effects of NH3/NOxratio and catalyst temperature on ammonia slip are analyzed. The results show that the ammonia slip increases rapidly once ammonia leaks. The prediction of critical point of ammonia slip is very crucial for the control of ammonia slip. When the ammonia slip reachs to a critical point, the ammonia storage saturation level is not changed with the change in NH3/NOxratio and catalyst temperature. When NH3/NOxratio is set to 0.7, 1.0 and 1.4, the ammonia storage saturation level is 79%, 75% and 76%. The value of ammonia storage saturation level maintains fluctuations in the rangg of about 76.7% when the ammonia slip reachs to the critical point. The ammonia storage saturation level is related to the ammonia slip critical point. The control method of ammonia slip is designed based on the correlation between ammonia saturation level and ammonia slip critical point. The control method was used for SCR, and the European transient cycle (ETC) test of engine was performed. The ETC test results show that the brake specific emission of outlet NOxis reduced to 2.45 g/(kW·h), the average ammonia slip is 3.7 ×10-6, and the peak ammonia slip is 12.8×10-6, which meet the requirements of national IV emission regulations.

power machinery engineering; diesel engine; selective catalytic reduction; ammonia slip; emission

2016-11-07

北京市教育委員會(huì)促進(jìn)人才培養(yǎng)綜合改革基金項(xiàng)目(JZ005011201401)

岳廣照(1984—), 男, 博士研究生。E-mail:yue110gz@126.com

劉興華(1963—), 男, 副教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: lxh@bit.edu.cn

TK421+.5

A

1000-1093(2017)04-0634-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.002