基于钒基的车用柴油机尿素——选择性催化还原系统的研究

摘要

随着国家对柴油机排放法规日益严格,重型柴油机仅依靠机内净化措施难以满足国Ⅵ及以上阶段排放限值的要求,须增加排气后处理系统。在众多的柴油机排气后处理技术中,尿素-选择性催化还原(Urea—Selective Catalytic Reduction)技术以它特有的经济性、高效性被认为是最具有前途的技术之一,尤其针对重型柴油机的NOx排放。
　　 目前Urea-SCR系统在我国的重型柴油机上已经开始使用,但还存在尿素喷射量与工况匹配不当、尿素结晶、NH3泄露等问题。引起这些问题的因素较多,既有由于外界干扰所引起,也有SCR自身控制策略不当所造成。
　　 影响柴油机Urea-SCR系统NOx转化效率的因素很多,柴油机的排气背压就是其中一个因素。本文从排气背压对尿素喷射量和尿素溶液在排气管内的雾化效果两个方面进行了研究。研究结果表明,排气背压波动越大,影响尿素溶液喷射量的程度越大。保持尿素喷嘴前后压差为定值可以有效的降低排气背压波动所带来的影响,同时也可以使尿素溶液在排气管内的雾化效果更好,并对尾气的压力和流速无明显的影响。为了保持尿素喷嘴前后压差为恒定值,设计了相关的实验装置。
　　 针对目前国内所使用的基于Map图开环控制的SCR系统进行了研究分析,归纳总结了基于Map图开环控制策略的主要误差来源:NOx生成量预计误差、NOx转化效率误差、氨氮比误差。基于三方面的误差来源经过推导,得出了基于Map图的开环控制相对误差表达式。在此基础上分析出NOx生成量预计误差对整个控制影响最大；开环控制策略难以满足国五及以上排放法规,要满足国五排放法规需采用先为先进的闭环控制策略,而基于模型的SCR闭环控制策略是其重要技术路线。
　　 实现基于模型闭环控制的SCR系统,SCR催化器数学模型是其核心模块。SCR催化器模型能实时计算催化器表面氨吸附量,能有效的抑制由于催化剂的储氨特性所带来的影响,提高尿素溶液喷射量与NOx的匹配程度,降低NH3的泄露并提高NOx转化效率。本文基于钒基催化剂,根据Eleay-Riead表面化学反应机理以及催化剂储氨特性实验测试,结合阿累尼乌斯化学反应速率公式,利用Matlab／simulink数值计算软件,初步构建了NH3吸附／解吸附、SCR反应、尾气温度等基本模块。基于这些基本模块,设计了SCR催化器数学计算模型。此SCR催化器数学模型主要包括三个子模型:SCR能量模型、SCR反应模型和SCR储氨模型。根据所构建的模型,利用计算机进行仿真。仿真结果与实验数据对比显示,本文所构建的SCR催化器数学模型基本满足设计要求。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 降低重型柴油机排放控制措施综述

1.2.1 机内净化技术概观

1.2.2 机外尾气后处理技术概观

1.3 Urea-SCR系统国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究状况

1.4 应用现状

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 影响SCR系统性能的因素

2.1 尾气温度和空速对SCR系统性能的影响

2.2 排气背压对SCR系统性能的影响

2.2.1 排气背压对喷射量的影响

2.3 排气背压对尿素溶液雾化效果的影响

2.3.1 尿素溶液雾化模型

2.3.2 数值模拟边界条件

2.3.3 模拟结果

2.4 保持喷射压力差装置的原理与结构

2.4.1 装置原理

2.4.2 尿素溶液压力调节器原理和结构

2.5 本章小结

第三章 基于Map图的SCR系统控制误差分析

3.1 SCR控制策略概述

3.2 基于map图开环控制误差分析

3.2.1 开环控制误差来源

3.2.2 开环控制相对误差

3.3 控制策略的改进

3.4 本章小结

第四章 基于Simulink的SCR催化器数学模型设计

4.1 SCR系统数值模拟研究现状

4.2 MATLAB/Simulink交互式仿真环境特点

4.3 基于钒基的SCR催化器模型设计

4.3.1 SCR表面催化化学反应机理

4.3.2 化学反应

4.3.3 SCR催化器数学模型综述

4.3.4 SCR催化器模型假设

4.3.5 SCR能量模型

4.3.6 SCR储氨模型

4.3.7 SCR催化反应模型

4.4 本章小结

第五章 模型的仿真及实验验证

5.1 SCR能量模型验证

5.2 SCR储氨模型验证

5.3 SCR催化器模型验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 进一步实验及SCR模型发展

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及专利