氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差分析

刘丙善，吕 林

（武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063）

欧Ⅳ排放法规即将实施，柴油机仅仅依靠机内优化措施不能使NOX和颗粒的排放满足法规要求，因此众多的排气后处理措施应运而生，如选择性催化还原技术（SCR）、非选择性催化还原技术（NSCR）、NOX吸附转化技术（NOXAbsorber）等。在众多的排气后处理措施中，选择性催化还原技术（SCR）被认为最有前途［1］。SCR系统工作时，系统响应时间的滞后、尿素水溶液的温度和浓度的变化以及发动机原机排放的波动等往往造成催化器出口的NOX排放值与目标排放值之间存在一定的误差。掌握影响误差的因素以及误差与各因素之间的关系，可以明确相关因素对误差的影响程度，有助于制定合理的控制策略。

1 SCR系统简介

选择性催化还原SCR（selective catalytic reduction）系统的工作原理是向排气管中喷射某一流量的尿素水溶液，尿素水溶液经一系列反应后生成的氨气（NH3）和水（H2O）与排气充分混合，在催化器的作用下，氨气（NH3）与氮氧化物（NOX）迅速反应生成氮气（N2）和水（H2O），随排气排入大气。这一过程主要化学反应如下［2］：

目前，产品化的SCR系统一般采用开环控制，控制原理见图1。

图1 开环控制原理简图

通过下列步骤实现降低氮氧化物排放。

第一步：制定SCR系统控制策略写入控制器；

第二步：SCR系统控制器采集发动机的工况参数；

第三步：SCR系统控制器按照控制策略发出尿素水溶液流量控制指令；

第四步：计量装置按照指令向排气管中喷射尿素水溶液；

第五步：在催化器中进行NOX的选择性催化还原反应。

催化器出口NOX的排放值与目标排放值的误差应尽可能小。催化器出口NOX的排放值如果高出目标排放值太多，发动机NOX排放可能达不到法规要求；催化器出口NOX的排放值也不能低于目标排放值太多，否则催化器出口氨气（NH3）排放可能超出法规限值。因此需要对氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差进行分析以减小误差，在保证氨气（NH3）排放满足法规要求的前提下获得较高的NOX转化率。

2 误差分析

氮氧化物选择性催化还原开环控制技术的误差主要来源于以下几个方面。

1）NOX原机排放相对误差eyj；制定控制策略的主要依据是试验得到的原机排放脉谱图，但是柴油机即使在同一个工况下运行，NOX的实际排放值也会受到环境及燃烧状况等因素的影响，在做原机排放脉谱图时测量仪器的准确度和数据处理方法也是影响NOX原机排放相对误差的因素。

2）尿素水溶液计量装置的相对误差ef；尿素水溶液计量装置本身的系统误差以及温度和排气背压对流量的影响是实际尿素水溶液供给量与理论需求量之间产生误差的主要原因。

3）尿素水溶液的浓度相对误差ec；德国工业标准DIN70070：2005要求尿素水溶液的质量浓度为32.5%，但是在实际使用中尿素罐往往带有透气孔，尿素水溶液的浓度会因水分的蒸发而升高。

根据化学反应式（1）～（4），可以得出尿素需求量Qcmd与NOX降低量DeNOX之间的对应关系：

式中：Qcmd——尿素水溶液需求量，g／h；

DeNOX——NOX降低量，g／h；

Cu——尿素水溶液的浓度，（%）；

λ——与排气中NO与NO2比例等因素有关的常数。

以下从相对误差的角度分析氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差。假设脉谱图中NOX原机排放值为 NOXmap，NOX目标值为NOXmb，原机实际排放值为 NOXyj，催化器出口NOX的实际排放值为NOXsj。在开环控制技术下，实际的NOX减少值以DeNOXsj表示，则：

式中：

故，

根据相对误差的表示方法，氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差可以表示为：

式中：eNOX——氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差；

α——取决于NOX目标转化率的定值，

目标转化率一般不超过80%，当NOX目标转化率为80%时α＝5，所以α的通常取值范围是1～5。

为了确定不同因素对氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差的影响程度，在发动机某个工况下做了重复性试验，该工况下NOX目标转化率为60%，所以α＝2.5。表1根据氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差理论表达式计算出了单个因素对NOX选择性催化还原开环控制技术误差影响的程度。

表1 单个因素对NOX选择性催化还原开环控制技术误差的影响程度

3 结论

通过对氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差理论表达式的推导和试验中单个因素相对误差的波动范围可以看出：原机排放相对误差对氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差的影响比尿素水溶液浓度相对误差和计量装置相对误差产生的影响要大。因此制定控制策略时最主要的是提高原机排放脉谱图的准确性，其次对尿素水溶液流量进行浓度、温度及排气背压修正以进一步减小氮氧化物选择性催化还原开环控制技术误差。

［1］Gabrielsson et al.Combined Silencers and Urea-SCR Systems for the Heavy-duty Diesel Vehicles for OEM and Retrofit Markets［J］.SAE paper，2001（1）：1-2.

［2］C.Scott Sluder，John M.E.Storey，Samuel A.Lewis.Low Temperature Urea Decomposition and SCR Performance［J］.SAE International，2004：1-2.