重型柴油机Urea-SCR控制策略建模及仿真分析研究
近年来，世界的汽车保有量逐年增加，燃油消耗量和有害物质的排放量也在逐年增长。但是，为了保护本国的环境，几乎所有的国家都制定法规对内燃机的排放进行限制。柴油机的主要排放物是PM以及NOx，通过机内优化技术可以使颗粒物的排放达到排放法规的要求，但是，NOx的排放量却因此而升高。目前，大多数学者认为，在降低NOx排放的所有技术中，SCR技术是最具有前景的排气后处理技术。并且，通过研究发现，首先通过优化燃烧，使颗粒排放达到法规要求，然后使用选择性催化还原技术(SCR)来降低因燃烧优化而升高的NOx排放，可以使PM和NOx排放同时达到欧IV及以上排放标准。
本文首先分析了SCR系统的组成及工作原理，研究了系统的工作过程。然后，从技术角度和商业角度进行分析，得出尿素水溶液是最适合系统的还原剂，并且还可以通过检测尿素水溶液的密度得到溶液中尿素的质量分数。
为了能够使重型柴油机达到国Ⅳ及国V排放标准，本文从数学模型及化学反应动力学的角度出发，得到了SCR系统中所涉及到的氨气的吸附与解吸附、氮氧化物的催化还原反应和氨气的氧化反应的速率方程式。基于质量及能量守恒定律，本文推导出了气态氨气、气态氮氧化物、吸附态氨气及温度的数学控制方程式，并且在MATLAB/Simulink软件里面建立了所对应的控制模型及SCR催化转化器的控制模型。基于所建立的控制器模型，本文以SCR催化转化器下游的氨氮比为定值作为控制目标，还建立了基于模型的SCR前馈控制器模型。
为了验证所建立的各个模型的精确性，本文对某重型柴油机做了台架试验。试验中选取了几个典型的工况点，通过试验值与模拟值的对比发现，所建立的SCR储氨模型、温度模型、气态NOx模型及气态NH3模型的仿真结果是可靠的，误差范围均在10％以内;ESC和ETC结果表明，基于模型的前馈控制器与基于MAP图的控制器的NOx的转化效率基本相同，但前者的NOx浓度峰值比后者要小;与基于MAP图的控制器相比，在大部分工况下，基于模型的前馈控制器能够较好的控制氨气滑失量，这对防止氨气的“二次污染”非常重要。
为了控制NH3的泄漏量，减小“二次污染”，本文以SCR系统下游的NOx传感器的信号作为反馈量，建立了基于模型的反馈控制器模型，形成了SCR系统的闭环控制策略。ETC仿真的结果表明，与开环控制相比，闭环控制中SCR催化转化器下游的NOx浓度虽然下降幅度有限，但NH3泄漏量却远远小于开环控制的NH3泄漏量，且峰值很小，这就有效的预防了氨气的泄漏，为达到国V排放标准奠定了基础。
柴油机;SCR系统;NOx转化效率;前馈控制器;闭环控制策略
江苏大学
硕士
动力机械及工程
王谦
2013
中文
TK421.5;U464.172
73
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）