某船用柴油机SCR系统尿素喷射台架标定研究

摘要

随着MAPPOL公约附则Ⅵ中TierⅢ排放法规的实施，机内净化技术已经很难满足TierⅢ法规对船用柴油机NOX排放控制要求。SCR（选择性催化还原）技术已成为船舶柴油机NOX排放控制最具前景的技术之一。要实现船舶发动机SCR系统尿素喷射优化控制，需进行SCR系统尿素喷射台架标定研究。本文主要研究工作包括:
　　首先根据试验设计方案对目标发动机进行了排气特性试验，通过碳平衡法计算出排气流量，采用分段三次Hermite插值多项式方法，得到原机运行区域内的NOX浓度、排气流量、排气温度脉谱图。实验验证表明，该方法得到的原机排放特性脉谱图较为准确，可根据该排放特性脉谱进行SCR系统尿素基本喷射量计算。
　　其次制定发动机SCR系统尿素喷射台架标定方法，提出基于排气特性模型的尿素喷射闭环控制策略。在经发动机排气特性MAP计算得到的尿素基本喷射量基础上，进行尿素喷射储氨修正、前馈修正和反馈修正。提出基于权重系数的NOX需求转化率确定方法，得到尿素基本喷射量脉谱图。
　　再次基于SCR系统实验数据，通过BOOST软件建立了一维SCR催化剂模型，利用遗传算法对SCR催化剂仿真模型进行了化学反应动力学参数优化。参数优化后的仿真模型NOX浓度仿真计算值与试验值吻合较好，参数优化前后均方差值降低了近82％。通过参数优化后的仿真模型计算得到SCR催化剂饱和储氨量脉谱图，对SCR系统喷射流量进行储氨修正。
　　最后进行SCR系统尿素喷射控制标定试验，标定试验结果表明:本文提出的闭环控制策略相对开环控制策略控制效果较好、控制精度较高。利用本文提出的闭环控制策略，经尿素喷射控制参数标定优化后，E3、D2试验循环台架测试结果表明:各单工况NOX比排放满足单工况排放限值(3.12g/kWh)要求;加权NOX比排放分别为1.72g/kWh、1.94g/kWh，满足加权比排放限值（2.08g/kWh）要求，符合TierⅢ排放限制标准。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．2 NOx排放法规要求

1．2 船舶柴油机NOx排放后处理技术

1．3 船用SCR技术

1．3．1 船用SCR反应器工作原理

1．3．2 船用SCR系统面临的问题

1．4 SCR系统尿素喷射控制研究现状

1．4．1 国外SCR系统尿素喷射控制研究现状

1．4．2 国内SCR系统尿素喷射控制研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 发动机SCR原机排气特性模型

2．1 发动机排气特性试验方案

2．1．1 试验条件

2．1．2 船用柴油机运行工作范围

2．1．3 试验工况点的选取

2．2 发动机排气特性试验

2．2．1 排气流量计算方法

2．2．2 排气特性测试

2．3 原机排放脉谱图的制定

2．3．1 原机排放特性脉谱图

2．3．2 原机排放特性脉谱试验验证

2．4 本章小结

第3章 发动机SCR系统台架标定方法

3．1 SCR系统尿素喷射控制策略

3．1．1 SCR系统的开环控制和闭环控制

3．1．2 SCR系统尿素喷射控制策略的确定

3．2 NOx需求转化率

3．2．1 NOx转化率确定的依据

3．2．2 基于权重系数NOx转化率确定过程

3．2．3 NOx转化率的确定

3．3 尿素基本喷射量

3．3．1 尿素基本喷射量计算方法

3．3．2 尿素起喷温度的确定

3．3．3 尿素基本喷射量的确定

3．4 本章小结

第4章 发动机SCR系统尿素基本喷射量修正

4．1 储氨修正

4．1．1 催化剂内部反应过程

4．1．2 模型的基本假设

4．1．3 数学模型

4．1．4 SCR催化剂反正计算模型

4．1．5 模型动力学参数优化

4．1．6 尿素喷射的储氨修正

4．2 前馈修正

4．3 闭环反馈修正

4．4 本章小结

第5章 发动机SCR系统台架标定试验

5．1 标定试验台架

5．1．1 试验装置

5．1．2 SCR控制系统

5．2 台架标定

5．2．1 尿素喷射控制参数标定方法

5．2．2 标定过程

5．2．3 标定结果

5．3 试验验证

5．3．1 瞬态排放试验

5．3．2 E3和D2试验循环排放验证

5．2 本章小结

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文