船用柴油機SCR系統控制策略試驗研究

李文聽 謝宗序 鄭添

摘要： 為降低船用柴油機NO ?x 排放，分析柴油機選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）后處理系統的開環、閉環控制策略，對不同策略及工況下NO ?x 轉化率及NH 3泄露進行試驗對比。結果表明：采用開環策略，柴油機功率與額定功率的比為75%以上時，NO ?x 轉化效率可達到83%，但不同工況下NO ?x 轉化率波動超過20%；采用閉環控制策略，不同工況下NO ?x 轉化率穩定在85%左右，尾氣中NH 3的體積分數低于20×10-6；閉環控制策略下NO ?x 轉化率具有自調整、高穩定性、響應速度快等優勢，可降低NO ?x 排放且尾氣中NH 3的體積分數在規定范圍內。

關鍵詞： SCR系統；開環控制；閉環控制；NO ?x 排放

中圖分類號：TK421+.5 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0075-06

引用格式： ?李文聽，謝宗序，鄭添.船用柴油機SCR系統控制策略試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：75-80.

LI Wenting， XIE Zongxu，ZHENG Tian.Experimental study on SCR control strategy for a marine diesel engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：75-80.

0 引言

隨著全球航運業不斷發展，船用柴油機NO ?x 排放帶來的環境問題得到了廣泛關注，如何滿足相關的排放標準成為研究重點。國際海事組織（international maritime organization，IMO）要求，2016年1月1日后建造的船舶用柴油機在排放控制區（emission control area，ECA）航行時，產生的NO ?x 排放應符合船舶Tier 3標準。Tier 3標準規定的NO ?x 排放限值比Tier 1標準減少了80%[1]。

選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術是指向主機廢氣中噴入適量的尿素溶液，在催化劑作用下，尿素溶液水解后生成NH 3和CO 2，NH 3和尾氣中NO ?x 反應生成N 2排出，降低NO ?x 排放。船用SCR系統運行過程中，柴油機負荷變化導致反應器排氣溫度、廢氣質量流量及NO ?x 排放密度不同，對尿素溶液噴射量的要求發生變化，若噴射過多，造成NH 3泄露；若噴射過少，增大NO ?x 排放，因此精確控制尿素溶液噴射量是一項非常重要的研究內容[2]。

目前，國內船用SCR系統主要采用開環控制方式，通過柴油機試驗標定各參數map圖，并結合排氣溫度、發動機工況等進行修正，實現對尿素溶液噴射量的控制。但開環控制存在瞬態工況響應滯后、動態修正差、不能根據主機負荷變化實時快速調節等問題，導致瞬態排放超標，需與閉環控制相結合。國外閉環策略通常采用在SCR系統前、后分別安裝NO ?x 及NH 3傳感器，通過傳感器數據實時調節尿素溶液噴射量，但國內船用排放標準中未明確規定NH 3泄露限值，主要采用SCR系統前、后安裝NO ?x 傳感器的方式。對于大型船用柴油機，SCR系統響應時間過長，控制明顯滯后，將前饋控制和閉環控制結合，可提高大型船用柴油機系統響應速度[3]。

本文中以某船用柴油機SCR系統為研究對象，對比開、閉環控制策略下尾氣中NO ?x 的體積分數及NH 3的體積分數，提出有效控制策略，降低NO ?x 排放。

1 試驗系統

某KM493G-1型直列柴油機，四沖程、增壓中冷、直噴，主要技術參數如表1所示。

基于該發動機搭建SCR系統試驗臺架，試驗系統包括柴油機、加熱器、反應器、SG1600氨分析儀、DME 48型計量泵、PT100熱電阻溫度傳感器、威力巴排氣質量流量計、西門子可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）等，其中，溫度傳感器用于測量反應器出、入口的排氣溫度，加熱器用于加熱柴油機排出的尾氣溫度，反應器出、入口分別安裝NB1500型NO ?x 傳感器，測量反應器出、入口NO ?x 體積分數，以便計算實際NO ?x 轉化率；采用SG1600氨分析儀內的傳感器測量反應器出、入口NH 3的體積分數，確保尿素溶液計量的準確和穩定；DME 48型計量泵輸出尿素溶液體積流量；PLC實時采集SCR系統運行參數，以控制尿素溶液噴射量。SCR系統試驗臺架結構組成示意如圖1所示。

2 控制策略

2.1 尿素溶液理論量

假設排氣中NO、NO 2的質量比為9 ： 1，NO ?x 平均摩爾質量 M （NO ?x ）=31.6 g/mol，忽略濕度對NO ?x 體積濃度的影響，即濕度修正因數 k ?hd=1。理論上1 mol NO ?x 反應需要1 mol NH 3，尿素溶液理論噴射質量流量[4]

q ??m ，N= q ?m，1 c ?M （NH 3 ）/［2 M （NO ?x ） w （NH 3）］。 ?（1）

式中： q ??m ，1為NO ?x 排氣質量流量，kg/h; c 為氨氮的質量比； M （NH 3）為尿素溶液中氨的摩爾質量， M （NH 3）=60.07 g/mol； w （NH 3）為尿素溶液中氨的質量分數， w （NH 3）=32.5%。

尿素溶液體積流量

q V ，N= q m， N/ ρ ?N。 ?（2）

式中： ρ ?N為尿素溶液密度，g/L。

2.2 ?c 修正

由于SCR反應器體積確定，可將排氣質量流量換算為反應器空速，結合反應器溫度，在滿足最佳NO ?x 轉化率和最少NH 3泄漏的條件下， 通過試驗標定c與反應器溫度t、反應器空速 v ?s 變化的map圖。

2.3 尿素溶液溫度修正

環境溫度變化，尿素溶液密度發生波動，導致尿素體積流量變化[5-6]。環境溫度與質量分數為32.5%的尿素溶液密度的關系如圖2所示，由圖2可知：尿素溶液密度隨環境溫度升高而降低。

SCR系統通過溫度傳感器確定實際環境溫度，并根據環境溫度與尿素溶液密度的關系曲線，修正理論尿素噴射量。

2.4 開環控制

基于尿素溶液理論噴射量，結合尿素溶液溫度的變化，得到尿素溶液實際噴射量，開環控制框圖如圖3所示。

由圖3可知：開環控制策略根據柴油機負荷、NO ?x 體積分數計算尿素溶液理論噴射量； 根據t、 v ?s進行最佳 c 修正； 結合環境溫度修正尿素溶液密度；通過尿素溶液理論噴射量、修正后 c 及尿素溶液密度得到尿素溶液修正量，由計量泵根據上述參數完成實際尿素噴射量噴射。

2.5 閉環控制

由于反應器控制NO ?x 排放有較大的滯后效應，但流量泵能及時迅速地控制尿素溶液流量。SCR閉環控制策略采用閉環前饋控制，主控制器為反應器，通過反應器出、入口NO ?x 傳感器，實現對目標NO ?x 轉化率的主動控制；副控制器為計量泵，響應快，實現穩定、準確地控制尿素溶液流量[7-8]。

為保持系統穩定且減小柴油機負荷造成的NO ?x 體積分數和排氣質量流量的干擾，采用比例積分（proportion integral，PI）控制器進行前饋控制，提前調節尿素噴射量，提高SCR對負荷干擾響應的快速性。閉環前饋控制框圖如圖4所示。

相關研究表明：SCR反應器采用閉環控制實際尿素溶液噴射量，在一定條件下，NO ?x 轉化率隨尿素溶液噴射量的增加而升高，NO ?x 轉化率達80%以上；不同負荷條件下，目標NO ?x 轉化率不同，當實際NO ?x 轉化率低于設定目標，需增大尿素溶液噴射；若轉化率高于設定目標，為防止尿素溶液噴射過量導致NH 3泄露，應減少尿素溶液噴射量[9-10]。

3 試驗研究

3.1 開環控制試驗

選取負荷比（發動機功率與額定功率的比）25%、50%、75%、85% 4個工況，通過排氣加熱器模擬不同的負荷比對應的排氣溫度分別為270、300、350、370 ℃，進行開環控制試驗。試驗中 c =1，通過NO ?x 傳感器采集反應器入口、出口NO ?x 體積分數等，計算理論尿素噴射量，在壓縮空氣的霧化作用下噴入排氣管道。開環控制下，不同負荷比及溫度時NO ?x 轉化率及尾氣中NH 3的體積分數隨時間的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：柴油機工況為負荷比25%、排溫為270 ℃時，未達到催化劑正常工作溫度（280 ℃以上），尿素溶液分解后的NH 3未與排氣中的NO ?x 發生反應，NO ?x 轉化率基本在50%，同時尾氣中NH 3的體積分數較高，為13×10-6左右；工況為負荷比50%、排溫為300 ℃時，未達到催化劑最佳工作溫度（350 ℃以上），NO ?x 轉化率升高，為60.7%，尾氣中NH 3的體積分數減少；工況為負荷比75%、排溫為350 ℃時，達到催化劑最佳工作溫度，NO ?x 轉化率為83.8%，大部分NH 3與NO ?x 發生反應，尾氣中NH 3的體積分數最少；工況為負荷比85%、排溫為370 ℃時，由于催化劑活性溫度升高，NO ?x 轉化率升高幅度較小，尿素噴射量升高導致尾氣中NH 3的體積分數增大。

開環控制下，在滿足催化劑工作溫度的條件下，不同工況下NO ?x 轉化率波動超過20%；溫度過低，NO ?x 轉化率低，造成尾氣中NH 3的體積分數較高；溫度過高，尿素噴射量升高，造成尾氣中NH 3的體積分數較高。

3.2 閉環控制試驗

為滿足船用柴油機Tier 3排放標準，NO ?x 轉化率必須達到80%以上，尾氣中NH 3的體積分數一般不超過20×10-6。NO ?x 目標轉化率設定為85%，可滿足排放要求，同時降低尾氣中NH 3的體積分數。

在負荷比75%、排溫為350 ℃時進行閉環控制策略研究，由于SCR系統為大慣性，響應慢，在閉環比例微分積分（proportion integral differential，PID）計算中加入提前計算的前饋量，以適應SCR系統運行條件的變化，使實際NO ?x 轉化率在目標轉化率附近，設置死區寬度為2.5%以降低閉環控制的靈敏度。閉環前饋PID控制下，NO ?x 轉化率、NO ?x 體積分數及NH 3的體積分數隨時間的變化曲線如圖6所示。

由圖6a）可知：由于此控制系統為大慣性系統，尿素溶液噴入反應器后需要一定的反應時間，因此開始反應時NO ?x 轉化率較低，大約經50 s穩定后，在目標轉化率85%死區上、下限內波動，基本符合設定的控制目標。由圖6b）可知：反應器出、入口NO ?x 體積分數變化較為穩定，尾氣中NH 3的體積分數一直穩定在15×10-6以下，不超過該機型尾氣中NH 3的最大體積分數為20×10-6的規定。

對柴油機瞬態工況進行閉環控制策略研究，柴油機工況為第0～580秒負荷比為75%，第580～900秒負荷比為50%，第900～1 260秒負荷比為25%，第1 260～2 000秒負荷比為85%，第2 000～2 260秒為空載，第2 260～2 600秒負荷比為70%，各工況排溫與3.1相同。不同負荷比下，反應器出、入口NO ?x 體積分數，NO ?x 轉化率及尾氣中NH 3的體積分數曲線如圖7所示。

由圖7可知：隨著柴油機負荷比變化，NO ?x 轉化率基本穩定在目標轉化率85%附近，具有較好的魯棒性；負荷比85%下，由于排溫升高，尿素溶液噴射量增加，尾氣中NH 3中體積分數最大，接近20×10-6，仍然滿足SCR控制系統要求。

4 結論

1）開環控制試驗中在滿足催化劑工作溫度的條件下，不同柴油機工況下NO ?x 轉化率上下波動超過20%，易造成尿素溶液噴射量過多或噴射量不夠等異常情況，無法實現對NO ?x 轉化率的主動控制。

2）相比開環控制，閉環控制在控制NO ?x 轉化率方面更穩定、高效，能夠克服負荷擾動對轉化率的干擾，NO ?x 轉化率基本穩定在85%附近，同時尾氣中NH 3的體積分數在正常范圍20×10-6內，滿足船舶柴油機Tier 3排放標準的要求。

參考文獻：

[1] ?WILLEMS F，CLOUDT R，EIJNDEN E，et al.Is closed-loop SCR control required to meet future emission targets？[C]//Proceedings of SAE 2007 World Congress.Detroit，USA：SAE International，2007.

[2] ?佟德輝，李國祥.利用SCR技術降低車用柴油機NO ?x 排放的控制策略研究[J].車用發動機.2009（5）：39-43.

[3] ?WANG D Y，YAO S， SHOST M，et al.Ammonia sensor for closed-loop SCR control[C]//Proceedings of SAE 2008 World Congress.Detroit，USA：SAE International，2008.

[4] ?CHARLTON S J.Developing diesel engines to meet ultra-low emission standards[C]//Proceedings of Commercial Vehicle Engineering Congress and Exhibition.Chicago，USA：SAE International，2005.

[5] ?KOICHI H，YOICHI N，MASAKUNI K，et al.Development of marine SCR system and field test on ship[C]//Proceedings of International Symposium on Marine Engineering.Busan，Korea：ISME，2009.

[6] ?楊建軍，馬杰，劉雙喜，等.柴油機SCR后處理控制策略開發與研究[J].汽車工程，2011，33（10）：869-874.

[7] ?胡靜，趙彥光.重型柴油機尿素SCR后處理系統的控制策略研究[J].內燃機工程.2011， 32（2）：1-5.

[8] ?SONG Q W，ZHU G. Model-based closed-loop control of urea SCR exhaust aftertreatment system for diesel engine[C]//Proceedings of SAE 2002 World Congress.Detroit，USA：SAE International，2002.

[9] ?LIU C Z，HU G D，ZHU Q.Model-based urea injection control strategy and ammonia storage estimation for diesel engine SCR system[C]//Proceedings of 27th Chinese Control and Decision Conference.Qingdao，China：CCDC，2015.

[10] ?HSIEH M F，WANG J M.Development and experimental studies of a control-oriented SCR model for a two-catalyst urea-SCR system[J].Control Engineering Practice，2011，19（4）：409-422.

Experimental study on SCR control strategy for a marine diesel engine

LI Wenting1， XIE Zongxu2， ZHENG Tian1

1.Wuxi Division， NO.703 Research Institute of CSSC，Wuxi 214000，China;

2.East China Branch， China Nuclear Power Engineering Co. ， Ltd. ，Jiaxing 314300，China

Abstract： In order to reduce marine diesel engines NO ?x ?emission，the open-loop and closed-loop control strategies of the diesel selective catalytic reduction aftertreatment system are analyzed，the NO ?x ?conversion and NH 3 leakage under different strategies and operating conditions are compared.The results show that with the open-loop control， when the load ratio of diesel engine is above 75% ，the NO ?x ?conversion efficiency can reach 83%，but the fluctuation of NO ?x ?conversion is more than 20%.With the closed-loop control strategy，the conversion of NO ?x ?is stable at about 85% ，and the volume fraction of NH 3 leakage is less than 20×10-6 under different operating conditions.The closed-loop control strategy has the advantages of self-adjustment of NO ?x ?conversion， high stability and fast response speed， which can reduce NO ?x ?emission and NH 3 leakage volume fraction within the specified range.

Keywords： SCR system;open-loop control;closed-loop control;NO ?x ?emission ??（責任編輯：胡曉燕）