Modelling and Operation of Diesel Engine Exhaust Gas Cleaning Systems

摘要

Dieselmotorers udstødningsgasser indeholder flere skadelige stoffer. De vigtigste forurenende stoffer er kulilte (CO), kulbrinter (HC), partikler (PM), og nitrøse gasser såsom nitrogenoxid (NO) og kvælstofdioxid (NO) (sammen NOx). Reduk-tion af emissionen af disse forudenende stoffer er af stor betydning på grund af dered indvirkning på luftkvaliteten i byerne, og på grund af ny lovgivning. I mod-erne tunge applikationer, er udstødningsgasserne behandles typisk med fire forskel-lige katalysatorer: en Diesel oxidationskatalysator (DOC), som oxidered HC og CO i HO og CO, og NO i NO, en dieselpartikelfilter (DPF), som filtrerer PM, en Se-lective Catalytic Reduction (SCR) katalysator, som fjerner NO og NO ved reaktion med NH3, og en Ammoniak Slip Catalyst (ASC) som fjerner overskydende ammo-niak (NH), før gasserne frigives til atmosfæren.En udbredte teknologi til fjernelse af NOx er baseret på SCR. Udfordringer med denne teknologi omfatter dosering med passende mængde urinstof for at nå tilstrækkelig NOx konvertering, mens på samme tid at holde NH slip ud fra systemet under lovgivningen. Dette kræver en effektiv kontrol algoritme.Fokus for denne afhandling er modellering og kontrol af SCR-katalysatorn. En enkelt kanal model for en SCR katalysator blev udledt på basis af de grundlæggende principper. Modellen anser varme- og masseoverførsel mellem kanalen gasfase og solid fase. Fire forenklede modeller blev afledt, med forenklinger relateret til masse og varmeoverførsel. Modellens parametre blev estimeret ved hjælp af bench-skala monolit isotermiske data. Validering blev udført ved at simulere output fra en fuld skala SCR monolit, der var at behandle reelle motor gasser fra European Tran-sient Cycle (ETC). Resultaterne viste, at modellerne blev kalibreret med succes, og at nogle af modellerne kunne forudse ETC output tilfredsstillende. Modellernes prædiktive kapaciteter blev undersøgt i forhold til de forenklinger, og resultaterneviste, at de forenklinger, relateret til massetransport resulterede i den mindste in-formations tab.En metode til at analysere NOx-NH trade-off for forskellige urinstof dosering controllere er blevet præsenteret, og anvendt på P, PI, PD, og PID regulatorer, både med og uden ANF baseret feedforward. Simulations resultaterne viste, at PI controller med feedforward havde den bedste NOx-NH trade-off, og at feedforward kombineret med feedback udkonkurrerede at kun bruge ANF baseret feedforward. Resultaterne blev eksperimentelt verificeret ved at bruge de testede regulator på en fuldskala motor setup, og resultaterne viste, at feedback med ANF baseret feed-forward stadig klarer sig bedre. PD regulatorn viste gode resultater i den eksperimentelle validering.Endelig er en metode til at skabe et modulært simuleringsværktøj blevet frem-lagt. Metodologien går gennem de trin, der kræves for at integrere enkelte modeller, så de kan anvendes til værktøjet. Metoden demonstreres ved at anvende det til fire modeller fra litteraturen, og simulering af systemet.