日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機(jī)站
  • 小程序

    汽車測(cè)試網(wǎng)

  • 公眾號(hào)

    • 汽車測(cè)試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測(cè)試

柴油車選擇催化還原(SCR)系統(tǒng)的控制方法與挑戰(zhàn)

2021-11-22 09:49:09·  來(lái)源：移動(dòng)源排放控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室  
　
重型柴油車尾氣中的氮氧化物NOx是大氣污染中主要的污染源之一。為了減少重型柴油車排放對(duì)環(huán)境的影響，我國(guó)參考?xì)W洲排放法規(guī)并結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，逐步推出并實(shí)施了
重型柴油車尾氣中的氮氧化物NOx是大氣污染中主要的污染源之一。為了減少重型柴油車排放對(duì)環(huán)境的影響，我國(guó)參考?xì)W洲排放法規(guī)并結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，逐步推出并實(shí)施了不同階段的重型柴油車排放法規(guī)。我國(guó)最早在2001年正式實(shí)施了國(guó)I排放法規(guī)。國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物限制和測(cè)量方法提出了具體要求。對(duì)于國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)通過(guò)先進(jìn)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)即可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，例如高壓共軌技術(shù)、低溫燃燒技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)等。從國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，隨著排放法規(guī)的升級(jí)和排放后處理技術(shù)的發(fā)展，柴油車機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)結(jié)合排放后處理技術(shù)成為重型柴油車的主要技術(shù)路線。隨著國(guó)V和國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，柴油車排放后處理技術(shù)也不斷發(fā)展升級(jí)。柴油車排放后處理技術(shù)包括柴油顆粒捕捉器（Diesel particulate filter, DPF），柴油氧化催化器（Diesel oxidation catalyst，DOC）和選擇性催化還原器（Selective catalytic reduction, SCR）。DPF的功能是過(guò)濾沉積柴油機(jī)尾氣中的顆粒物（Particulate matter, PM），DOC的主要目的是凈化柴油機(jī)尾氣中的CO、HC和NOx，SCR技術(shù)則是通過(guò)催化還原反應(yīng)還原柴油機(jī)尾氣中的NOx。DOC可降低25%~50%PM，DPF可降低90%PM和90%以上的HC，SCR可降低90%NOx、50%~90%HC和30%~50%PM。這三種技術(shù)相比，SCR適用范圍最廣，是柴油車尾氣后處理技術(shù)中的關(guān)鍵控制裝置。
1.SCR系統(tǒng)工作原理
柴油車的SCR系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 柴油車SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
柴油車SCR系統(tǒng)利用尿素與柴油機(jī)廢氣中的NOx發(fā)生催化還原反應(yīng)，將 NOx轉(zhuǎn)化為無(wú)害的N2和水。SCR系統(tǒng)內(nèi)催化還原反應(yīng)的主要反應(yīng)方程式為：
（1）尿素?zé)峤?。尿素水溶液噴入排氣管中，由于排氣溫度較高，尿素水溶液會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，最終生成氣相的NH3和 HNCO。反應(yīng)方程式為

（2）尿素水解。尿素溶液在熱解后生成的氣相 HNCO，在進(jìn)入催化劑后，將在催化劑表面發(fā)生水解反應(yīng)，生成氣相的NH3和CO2。反應(yīng)方程式為：


（3）催化還原反應(yīng)。經(jīng)上述反應(yīng)，絕大部分尿素溶液轉(zhuǎn)化為氣相的NH3，在流動(dòng)過(guò)程中與柴油機(jī)尾氣進(jìn)行混合，在進(jìn)入催化器后發(fā)生催化還原反應(yīng)，NH3與 NOx在催化劑表面將發(fā)生催化還原反應(yīng)。主要反應(yīng)方程式如下：



2. 尿素噴射控制策略
SCR系統(tǒng)中尿素的噴射控制策略關(guān)乎到SCR系統(tǒng)的性能。隨著我國(guó)排放法規(guī)的逐步嚴(yán)格，尿素的噴射控制策略經(jīng)歷了開(kāi)環(huán)-閉環(huán)-智能控制的技術(shù)路線。
（1）開(kāi)環(huán)控制

在開(kāi)環(huán)控制中，基于MAP圖的尿素噴射策略是最常用的控制方法，如圖2所示。MAP圖經(jīng)過(guò)工程師的標(biāo)定，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度等不同影響因素作為輸入，通過(guò)查找法即可計(jì)算出最終尿素噴射量。文獻(xiàn)[5]簡(jiǎn)要介紹了BOSCH后處理系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制策略。胡靜等人開(kāi)發(fā)的基于MAP的尿素開(kāi)環(huán)控制策略可以滿足國(guó)V的排放標(biāo)準(zhǔn)。雖然開(kāi)環(huán)控制的方法被廣泛使用，但MAP圖需要大量的標(biāo)定工作，瞬態(tài)性能較差。



圖2 尿素噴射開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)
（2）閉環(huán)控制

將SCR出口的NOx含量通過(guò)傳感器反饋到控制單元，利用經(jīng)典反饋控制結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)NOx的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。閉環(huán)控制采用比例積分（Proportional integral, PI）反饋控制器，不斷修正尿素噴射量。Van Helden等人采用閉環(huán)控制策略可滿足歐Ｖ及以上排放法規(guī)。然而，NOx傳感器對(duì)NH3存在交叉靈敏度問(wèn)題，同時(shí)考慮到SCR系統(tǒng)的低溫和化學(xué)反應(yīng)范圍問(wèn)題，尿素噴射反饋控制普遍與前饋控制器相結(jié)合。目前在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中尿素結(jié)晶問(wèn)題嚴(yán)重，如何減少尿素噴射量、控制結(jié)晶、同時(shí)兼顧NOx轉(zhuǎn)化效率，仍是需要解決的問(wèn)題。


圖3 尿素噴射閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)
（3）自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制的基本出發(fā)點(diǎn)是仿人的智能以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制, 它具有從環(huán)境自學(xué)習(xí)、適應(yīng)環(huán)境的能力，適用于解決SCR系統(tǒng)中的非線性和不確定性問(wèn)題。尿素噴射自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)PI控制器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了在氨逃逸低于10ppm的情況下，自適應(yīng)PI控制器的NOx轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%。文獻(xiàn)[11]則引入了一種模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中采用一階模型作為SCR參考模型，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)機(jī)制來(lái)更新系統(tǒng)參數(shù)。



圖4 尿素噴射自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)
（4）模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制(Model predictive control, MPC)對(duì)存在多個(gè)控制目標(biāo)或約束的多輸入多輸出系統(tǒng)中尤為有效。MPC由模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。MPC通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)域內(nèi)SCR的工作狀態(tài)，利用滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。同時(shí)，MPC能夠處理SCR系統(tǒng)的時(shí)滯以及控制輸入約束等問(wèn)題。Chiang等人在設(shè)計(jì)的MPC優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中包含了SCR出口NOx濃度、氨逃逸和尿素噴射量。在文獻(xiàn)[9]中，MPC優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)只考慮了NOx轉(zhuǎn)化效率和尿素噴射量，而將氨逃逸作為尿素噴射量控制的“軟約束”。 MPC控制器有效地解決了優(yōu)化目標(biāo)與約束之間的沖突問(wèn)題。MPC方法與傳統(tǒng)PID方法相比，能夠更有效的控制NOx排放和氨逃逸問(wèn)題。



圖5 尿素噴射模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)
3.SCR系統(tǒng)的未來(lái)挑戰(zhàn)
為了應(yīng)對(duì)未來(lái)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，仍有以下問(wèn)題需要解決，以進(jìn)一步提高SCR系統(tǒng)的性能。
（1）低溫條件及冷啟動(dòng)
國(guó)VI排放標(biāo)準(zhǔn)采用的統(tǒng)一瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(World?harmonized?transient?cycle,?WHTC)中增加了冷啟動(dòng)試驗(yàn)，表明低溫下SCR系統(tǒng)的性能越來(lái)越受到重視。NOx的轉(zhuǎn)化效率受到尿素分解和催化劑活性的限制。目前SCR系統(tǒng)中的催化劑活性取決于排氣溫度，當(dāng)溫度低于250℃時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化效率急劇下降。因此，冷啟動(dòng)及低溫條件下的SCR系統(tǒng)需要改進(jìn)系統(tǒng)配置及低溫下的控制策略。
（2）多設(shè)備協(xié)調(diào)控制
為了滿足排放法規(guī)，柴油車尾氣后處理系統(tǒng)中增加了DPF和DOC，然而DPF和DOC的布置方式直接影響SCR系統(tǒng)的性能。主要的挑戰(zhàn)是整個(gè)排氣管的溫度和氣體組成(NO, NO2和其他氣體的比例)的協(xié)調(diào)控制。如果將SCR催化劑集成到DPF中，不僅可以沉積PM，還能催化還原NOx。但是，低溫下NOx轉(zhuǎn)化效率、NO2/NOx比例控制和硫中毒問(wèn)題仍是集成催化劑所需要解決的問(wèn)題。此外，如果將SCR移動(dòng)到離發(fā)動(dòng)機(jī)更近的位置，低溫下可能會(huì)使其面臨PM沉積的風(fēng)險(xiǎn)。因此，多控制裝置間的協(xié)調(diào)控制是當(dāng)前技術(shù)路線中不可避免的關(guān)鍵問(wèn)題。
（3）催化劑老化

NOx的還原活性隨著SCR催化劑長(zhǎng)期使用而降低，這種現(xiàn)象一般稱為SCR催化劑老化。影響SCR催化劑老化的因素有很多，如濕熱老化、硫或磷中毒以及尿素相關(guān)沉積物。雖然催化劑老化的過(guò)程非常緩慢，呈現(xiàn)慢時(shí)變特性。隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，催化劑效能衰減。因此SCR系統(tǒng)需要對(duì)催化劑性能進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅源. 基于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車遠(yuǎn)程排放監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[D]. 杭州: 浙江大學(xué)，2019.
[2] Yuan X, Liu H, Gao Y. Diesel Engine SCR Control: Current Development and Future Challenges[J] Emiss. Control Sci. Technol. 2015, 1:121-133.
[3] Vignesh R, Ashok B. Critical interpretative review on current outlook and prospects of selective catalytic reduction system for De-NOx strategy in compression ignition engine[J]. Fuel, 2020, 276:117996.
[4] 王國(guó)仰.重型柴油車SCR系統(tǒng)建模及控制策略優(yōu)化[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)，2020.
[5] Seher, D, Reichelt, M, Wickert, S. Control strategy for NOx emission reduction with SCR. SAE Trans. 2003, 112(2): 67-71.
[6] 胡靜, 趙彥光, 陳捧, 等. 重型柴油機(jī)尿素SCR后處理系統(tǒng)的控制策略研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程, 2011, 32(2):1-5.
[7] Van Helden R, Verbeek R, Willems F, et al. Optimization of urea SCR deNOx system for HD diesel engines[R]. SAE Paper 2004-01-0154.
[8] Aliramezani M, Koch C R, Hayes R E. Estimating tailpipe NOx concentration using a dynamic NOx/ammonia cross sensitivity model coupled to a three state control oriented SCR model[J]. IFAC-PapersOnline, 2016, 49(11): 8-13.
[9] McKinley T L, Alleyne A G. Adaptive model predictive control of a SCR catalytic converter system for automotive applications[J]. IEEE Trans. Control Syst. Technol. 2012, 20(6): 1533-1547.
[10] Ong C, Annaswamy A, Kolmanovsky I V, et al.An adaptive proportional integral control of a urea selective catalytic reduction system based on system identification models[J]. SAE Int. J. Fuels Lubr. 2010, 3(1): 625–642.
[11] Chi J, DaCosta H. Modeling and control of a urea-SCR aftertreatment system[J]. SAE Trans. 2005, 114(4): 449-464.
[12] Chiang C J, Kuo C L, Huang C C, et al. Model predictive control of SCR aftertreatment system[C]. Industrial Electronics & Applications. IEEE, 2010.
[13] Wang M, Wang Y, Chen, G. Interval type-2 fuzzy neural network based constrained GPC for NH3 flow in SCR de-NOx process[J]. Neural Comput. Applic. 2021, DOI: 10.1007/s00521-021-06227-9.
團(tuán)隊(duì)介紹
移動(dòng)源國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室排放控制技術(shù)團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：團(tuán)隊(duì)擁有內(nèi)燃機(jī)、車輛工程、化學(xué)、環(huán)境、催化材料等各領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)人才40余人，其中博士學(xué)歷4人，碩士學(xué)歷9人，擁有副高級(jí)職稱及以上人員5名。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在催化劑關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)、機(jī)動(dòng)車污染排放控制技術(shù)、大氣污染防治、氫燃料電池關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域擁有豐富開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和科研成果，發(fā)表科研論文80余篇，榮獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。目前和美國(guó)密歇根大學(xué)、福特汽車前瞻技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、天津大學(xué)等開(kāi)展合作。實(shí)驗(yàn)室擁有FE-SEM、In situ-XRD、XRF、In situ-FTIR等多臺(tái)催化材料表征分析測(cè)試平臺(tái)，還具備完善的汽車尾氣分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、整車排放測(cè)試平臺(tái)等科研硬件條件。
分享到：
 
反對(duì) 0 舉報(bào) 0 收藏 0 評(píng)論 0
滬ICP備11026917號(hào)-25