船舶SCR尿素噴射控制策略研究

王 昆* 周 波 廉曉龍 黃 磊 孫 楠 徐書豐

（合肥通用機械研究院有限公司）

0 引言

近年來，船舶大氣污染的問題逐漸受到了重視，船舶尾氣中的NOx不僅會損害環境，還會對人類的生命健康造成威脅[1]。依據國際海事組織制定的船舶柴油機的排放規則，2016 年1 月1 日后新建船舶需要滿足Tire Ⅲ排放標準，相較于Tire Ⅰ排放標準，Tire Ⅲ排放標準要求船舶柴油機在整個轉速范圍內將NOx排放量降低80%。船舶柴油機的尾氣凈化技術具有較好的研究及應用前景[2]，如今傳統的機內凈化技術已經不足以滿足排放法規要求，SCR 技術路線因為其轉化效率高、經濟性好等優點成為了當下的研究熱點[3]。

尿素選擇性催化還原技術（Urea-SCR）是目前公認降低NOx排放最有效的技術。SCR 系統的核心技術是其控制策略，優越的控制策略不僅能夠在較低的氨溢出狀態下保持較高的NOx轉化效率，還能有較好的經濟性，可以降低裝置的使用成本。胡靜等[4]研究了催化劑溫度、空速、催化劑儲氨能力對氮氧化物轉化效率的影響，并在此基礎上提出了基于MAP圖的開環控制策略，在瞬時工況下對催化劑的儲氨特性進行修正，并提出了在大轉矩工況下尿素延遲噴射策略和小轉矩工況下尿素停止噴射策略，有效地減少了在工況變化時氨的泄漏量。羅嘯[5]選用閉環前饋傳感器控制模式進行船舶SCR 控制系統設計，該系統的臺架試驗驗證該策略具有很好的動態響應性，控制系統能滿足Tire Ⅲ排放標準要求。

為了滿足Tire Ⅲ排放標準的要求，本文針對某船舶柴油機搭建實驗臺架，對前饋加閉環PID 控制策略進行循環工況測試，并對傳統閉環PID 控制策略和前饋加閉環PID 控制策略進行對比實驗研究，在此基礎上進一步優化船舶SCR 的控制策略。

1 SCR工作原理

在排氣管中，尿素水溶液會先發生水解反應，即在高溫下蒸發析出固態尿素顆粒，固態尿素顆粒進一步熱解產生氨氣和氰酸（HNCO）：

氰酸進一步發生反應如下：

NOx的催化還原反應主要是由標準SCR 反應和快速SCR 反應組成，因為NO 為柴油機排放的氮氧化物，約有85%～95%，所以在普通的SCR 系統中，標準的SCR 反應是主要的反應，兩種反應式分別如下所示：

在SCR 系統中，氣態NH3首先會吸附于催化劑表面的活性中心，形成吸附態NH3。在系統正常工作進程中，吸附和解吸附反應同時發生，吸附態的NH3也會發生逆向反應，脫離活性中心，形成游離態的NH3, 這兩種狀態的NH3從催化劑中逃逸是氨泄漏的主要原因[6]。氨的吸附和解吸附反應式如下所示：

2 尿素理論噴射量的計算

尿素理論噴射量的計算依賴于廢氣流量傳感器和NOx傳感器，在計算噴射量的時候，需要進行的是質量流量之間的換算，轉換公式如下：

式中：VNOx——排氣NOx的體積濃度；

MNOx——NOx的摩爾質量；

MEG——柴油機尾氣的摩爾質量，g/mol。

由于在SCR 系統中主要發生的反應是標準還原反應和快速還原反應，其他的還原反應占比較很少，可以忽略不計。這兩種還原反應中，氮氧化物和氨氣的摩爾消耗量是相等的，即1mol 的NOx需要和1mol的NH3反應，假定此時的反應效率為100%，所需要氨氣的質量流量可以通過式（8）進行計算：

式中：mNH3——氨氣的質量流量，mg/s；

MNH3——氨氣的摩爾質量，為17 g/mol。

每摩爾的尿素會水解反應產生2 mol 的氨氣，且尿素溶液摩爾濃度為32.5%，因此，可以計算出尿素的理論噴射量：

式中：madblue——計算出的尿素理論噴射量， mg/s；

Madblue——尿素的摩爾質量，為60 g/mol。將數值進一步簡化可得：

3 開環控制策略

SCR 開環控制一般是通過發動機的扭矩、轉速等參數標定或是通過模型預測來計算尿素的理論噴射量，在此基礎上進行轉化效率修正、催化劑老化態參數的修正以及計量泵修正等，從而獲得尿素溶液的實際噴射量。開環控制比較簡單，在穩態工況下的轉化效率好。但是開環控制系統的輸出不具有自我調節和修復的功能，瞬態工況時候的響應性差，容易造成較高的氨逃逸量或者使NOx的轉化效率顯著降低[7]，開環控制策略如圖1 所示。

圖1 開環控制策略圖

4 閉環控制策略

4.1 傳統閉環PID控制策略

與開環控制策略相比，閉環控制增加了反饋調節模塊，增強了控制的精度和穩定性，閉環控制模型是建立在SCR 前置NOx傳感器和后置NOx傳感器基礎上設定的，閉環控制在修正后的理論噴射量的基礎上進行反饋調節，相比較于開環控制，閉環的控制可以實現更加精確的控制。閉環控制流程如圖2 所示。

圖2 閉環控制流程圖

NOx轉化效率為設定值，當實際轉化效率大于設定轉化效率的時候，系統默認尾氣中氨將會溢出，所以在下一次循環中將會對實際的噴射量進行微調，適當減少實際的噴射量。當實際的轉化效率小于設定轉化效率的時候，系統將會適當增加尿素的噴射量。NOx的控制過程需要采用間斷的反饋控制方式，因為SCR 脫硝的過程具有一定的滯后性，修正后的尿素噴射量噴入裝置內部后，在下一個循環中，可能后置NOx傳感器所測得的濃度并沒有降低，電控裝置會持續加大噴射量，造成控制失調[8]。采取間斷反饋的控制方式時，系統不會立刻在下一個循環中做出反應，而是在監測到后置NOx傳感器的測量值變化后趨于穩定后再進行下一次修正。

但是閉環控制模式也存在一定的弊端，該閉環控制策略是基于誤差的PID 閉環控制，在實際控制過程中，具有一定的滯后性，達到控制目標值需要一定的時間。

4.2 前饋加PID閉環控制策略

為了提高閉環控制的時效性，基于理論噴射量的基礎進行設計了前饋控制器，可以使被控制快速接近目標值。通過控制模式切換開關，兩種控制器隨著狀態參數的變化自動進行切換，控制模式切換原理如圖3 所示。

圖3 控制模式切換原理圖

其中E_NOx為NOx目標轉化效率與實際轉化效率的差值，?模式切換閾值模式切換控制器具體的運行機制是當被控對象的值和反饋的值在瞬態工況下相差較大的時候，尿素的噴射量由前饋控制主導，好處是可以使被控對象值更加快速的接近設定值，使得控制系統能夠快速響應柴油機的工況變化，當轉化效率的誤差在設定的范圍內的時候，關閉前饋控制連鎖啟用閉環PID 控制以提高穩定性和可靠性，前饋加閉環PID 控制流程如圖4 所示。

圖4 前饋加閉環PID控制策略流程圖

5 前饋加閉環PID控制實驗驗證

5.1 實驗工況及對象

實驗的研究對象為船舶輔機，依據《MARPOL公約附則Ⅵ》附錄中的實驗指南，需要按照GB 15097—2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法》D2 五工況循環進行測試。D2 循環測試工況點如表1 所示。

表1 D2循環測試工況點

本文的實驗對象為安慶中船柴油機有限公司生產的6DK-20e 型柴油機，該柴油機的主要性能參數如表2 所示。

表2 實驗柴油機主要性能參數

5.2 D2循環實驗結果分析

柴油機啟動且運轉參數指標達到要求后，可按照表1 的工況點進行循環測試與數據記錄工作。

圖5 為原排NOx濃度及加裝SCR 裝置后NOx濃度對比圖。由圖5 可知，加裝SCR 裝置后，排氣中的NOx含量顯著降低。D2 循環測試中在額定轉速、75%負荷的工況下，NOx轉化效率最高，為83.8%，各工況下的NOx轉化效率都維持在設定值83%近，具有較好的魯棒性。整個D2 循環NOx的加權比排放量由7.20 g/（kW·h）下降至1.17 g/（kW·h），低于Tire Ⅲ排放標準要求的2.31 g/（kW·h），并有充足的裕量。

圖5 NOx濃度以及轉化效率對比圖

除了NOx的轉化效率，氨逃逸量也是SCR 系統工作性能的重要評價因素，工作性能優秀的SCR 裝置不僅要追求較高的SCR 轉化效率，還要在此基礎上盡可能的降低氨的逃逸量，具體如圖6 所示。

圖6 D2循環下SCR氨逃逸量

由圖6 可知，SCR 裝置在D2 循環的測試中，伴隨負荷的不斷拉升，氨的逃逸量逐漸減少，在較低負荷工況的時候，為了維持較高的NOx轉化效率，系統中的出現尿素過度噴射的現象，導致氨逃逸量較多，隨著負荷的升高，催化劑活性提高，氨的逃逸量不斷減小，但是整個工況中，氨的逃逸量（體積分數）始終沒有高于10-5，控制效果良好。

5.3 D2循環瞬態工況對比測試

D2 瞬態實驗循環工況表如表3 所示。

表3 D2瞬態實驗工況表

整個循環工況測試按照瞬態試驗循環工況表中的工況依次進行，循環測試中柴油機的轉速維持在900 r/min（100%），試驗的柴油機首先運行在50%工況下運行一段時間后，從A 點開始，柴油機運行負荷降至25%，A、B、C、D 點分別代表柴油機的工況變化起點。瞬態對比試驗使用了前饋加PID 閉環控制策略和閉環控制策略，在進行閉環控制策略測試時，程序中關閉控制模式切換單元。兩種控制策略NOx轉化效率對比如圖7 所示。

圖7 瞬態工況NOx轉化效率對比圖

由圖7 可知，在工況穩定的時候，2 種控制策略的轉化效率都維持在設定值83%左右。在A點和C點，柴油機的負荷驟降，由于SCR 系統具有較大的延時性，所以當前置的NOx傳感器檢測到濃度下降的時候，后置的NOx傳感器還維持在較高的NOx濃度值，致使NOx的轉化效率在柴油機的負荷驟降瞬間出現瞬間下降的現象。但是在高負荷下維持83%的NOx轉化效率所需的尿素噴射量高于低負荷下維持83%NOx轉化效率所需要的尿素噴射量，在閉環控制下隨著反應不斷進行，轉化率迅速上升并逐漸恢復到目標值附近，前饋加PID 閉環控制由于閉環控制器的作用，迅速將轉化效率拉回到目標值附近，相比較于閉環控制策略具有更好的時效性。同理，在B 點和D 點，柴油機的負荷驟然升高，由于SCR 系統具有延時性，當前置的NOx傳感器檢測到濃度升高的時候，后置的NOx傳感器依然維持著較低的NOx濃度值，造成NOx的轉化效率在柴油機負荷快速升高時瞬間上升的現象，在低負荷下維持83%的NOx轉化效率所需的尿素噴射量低于在高負荷下維持83%的NOx的轉化效率所需要的尿素噴射量。由圖7 可知，閉環控制使NOx的轉化效率瞬間下降后又恢復到較高的水平，然后在反饋調節的作用下逐漸恢復到目標值附近，前饋加PID 閉環控制更為迅速的靠近目標值波動。相比較于閉環控制，前饋加PID 閉環控制具有較好的魯棒性，在瞬態過程中控制效果更好。

6 結語

本文主要研究了船舶SCR 尿素噴射控制策略，首先對開環控制策略、傳統閉環控制策略以及前饋加閉環PID 控制策略進行對比研究。然后搭建實驗臺架，以船舶發電柴油機為實驗對象在D2 循環工況下完成驗證性實驗以及在D2 瞬態工況下對傳統閉環控制策略和前饋加閉環PID 控制策略進行了對比研究。

依據實驗結果可知，前饋加閉環PID 控制策略情況下整個D2 循環工況的NOx的加權比排放量為1.17 g/（kW·h），氨的溢出始量終小于10-5，符合Tire Ⅲ排放標準。在瞬態工況下，相比較于傳統的閉環控制策略，前饋加PID 閉環控制具有較好的魯棒性，在瞬態工況下具有更好的控制效果。