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      控制排放中NO2體積分數(shù)提高SCR效率的研究

      2019-09-23 08:04:44閆立冰任憲豐陳文淼張雷波張娟胡金金
      內(nèi)燃機與動力裝置 2019年4期
      關鍵詞:旁通方程式電磁閥

      閆立冰,任憲豐,陳文淼,張雷波,張娟,胡金金

      (1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室,山東濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院,山東濰坊 261040)

      0 引言

      柴油機具有動力性強、油耗低的優(yōu)勢,在中重型車輛上得到廣泛的應用。隨著社會對環(huán)境保護的重視,柴油機的污染問題越來越突出[1-2]。選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術具有較好的排放法規(guī)繼承性和對硫不敏感等諸多優(yōu)點[3-4],我國滿足國四、國五排放法規(guī)的商用車柴油機多采用SCR技術路線。SCR內(nèi)部化學反應較為復雜[5-7],NOx反應速率與NO和NO2的體積分數(shù)有密切關系,氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)會影響SCR上游的NO2體積分數(shù),在中高負荷時造成SCR上游NO2體積分數(shù)高于NO,降低SCR的反應速率。本文中提出廢氣旁通的方法,通過電磁閥控制流經(jīng)DOC內(nèi)部的廢氣,保證SCR上游的NO2體積分數(shù)不超過50%,消除SCR慢反應,保證SCR的反應速率。

      1 原理分析

      1.1 DOC反應原理分析

      氧化反應方程式為:

      2NO+O2→2NO2,2CO+O2→2CO2,4HC+5O2→4CO2+2H2O。

      (1)

      圖1 DOC中NO2轉(zhuǎn)換效率與溫度的關系曲線

      DOC能夠氧化廢氣中的HC、NO和CO[8],其中HC和CO被氧化為無害物質(zhì)CO2和H2O,而NO被氧化為NO2、NO2在SCR中被還原。DOC的氧化效率與溫度密切相關,其中NO2氧化效率與溫度的對應關系如圖1所示。由圖1可知,當DOC的溫度在350 ℃左右時,氧化作用最強,隨著溫度升高或降低,其氧化作用逐漸減弱。

      1.2 SCR反應原理分析

      1.2.1 尿素水解反應

      尿素水解反應化學方程式為:

      (NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2

      。

      (2)

      尿素溶液分解成有效的NH3需要經(jīng)過3個過程:1)尿素液滴的水汽蒸發(fā),變成固態(tài)或熔融態(tài);2)熔融態(tài)的尿素在排氣管中分解成等量的NH3和HNCO;3)HNCO在SCR催化器中非常容易水解成NH3和CO2?;瘜W方程式(2)即為3個過程的總反應,該反應為吸熱反應,需要排氣溫度達到200 ℃以上時才能進行。

      1.2.2 標準反應

      標準反應化學方程式為:

      4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

      。

      (3)

      稀燃柴油機原始排放NOx中,NO2的體積分數(shù)小于30%,因此標準反應為SCR的主要反應。

      1.2.3 快反應

      快反應化學方程式為:

      4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

      ,

      (4)

      式(4)的反應速度約為式(3)的10倍[9],稱為快反應。從式(4)可以看出,NO和NO2是按照1:1的比例進行反應。

      1.2.4 慢反應

      慢反應化學方程式為:

      4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

      ,

      (5)

      廢氣中NO完全消耗,只剩NO2的情況下,SCR內(nèi)部按照式(5)進行反應,該反應比式(3)(4)慢很多。

      1.2.5 氨的吸附與解吸附反應

      氨的吸附和解吸附主要在催化劑表面[10]進行,NH3分子吸附到催化劑活性中心位,和氣態(tài)的NO和NO2反應。吸附過程化學方程式為:

      NH3+S→NH3(ads)

      ,

      (6)

      解吸附過程化學方程式為:

      NH3(ads)→S+NH3

      ,

      (7)

      式中:S為催化劑中的活性中心位;NH3(ads) 為被吸附的氨。

      2 方案制定

      2.1 總體結(jié)構(gòu)介紹

      后處理設備包括DOC和SCR,其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中DOC主要起氧化作用,將NO氧化為NO2,為SCR的反應提供供給料;SCR的主要作用是將廢氣中的NOx還原為N2。一般小負荷工況下,經(jīng)過DOC氧化后廢氣中的NO2的體積分數(shù)小于50%,此時由于快反應的反應速度快,因此首先進行式(4)的快反應,待廢氣中的NO2消耗完畢后,進行式(3)對應的標準反應。在中高負荷點的時候,由于DOC氧化作用增強,DOC下游廢氣中NO2的體積分數(shù)可能會超過50%,此時在式(4)對應的快反應完成后,廢氣中的NO2會繼續(xù)與氧氣和NH3進行慢反應,整體上將SCR的轉(zhuǎn)換效率拉到一個相對較低的水平。

      圖2 后處理系統(tǒng)示意圖

      設計的主要思路為盡可能保證快反應,抑制慢反應,尤其在中高負荷點經(jīng)過DOC氧化后廢氣中的NO2體積分數(shù)超過50%時,通過控制DOC兩端的比例電磁閥,將部分原排氣中的廢氣不經(jīng)過DOC直接引入到SCR,保證SCR上游NO2的體積分數(shù)控制在50%,從而整體提高SCR的轉(zhuǎn)換效率。

      2.2 控制方案設計

      2.2.1 DOC前NO2的體積分數(shù)

      發(fā)動機原排氣中的NO2占NOx的體積分數(shù)與發(fā)動機工況密切相關,一般工程上常通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和噴油量查脈譜得到。此外,如果發(fā)動機配置EGR閥,還需要考慮EGR對原排氣中NO2體積分數(shù)的影響,工程上一般通過EGR閥開度查脈譜對原排氣中NO2體積分數(shù)進行修正。

      2.2.2 流經(jīng)電磁閥的氣體流量

      氣體一部分通過旁通管路,一部分通過DOC,2部分氣體在DOC下游會合,經(jīng)過旁通管路的氣體沒有經(jīng)過氧化,氣體成分不會變化,經(jīng)過DOC的氣體由于氧化作用,造成NO2的成分增加。另外,電磁閥開度會影響經(jīng)過旁通管路的氣體流量,因此在涉及控制方案時還需要考慮電磁閥開度。

      通過電磁閥的NOx體積流量

      qv1 NOx=qNOxS2k/(S1+S2k)。

      (8)

      通過電磁閥的NO2體積流量

      qv1 NO2=qNOxφ(NO2)S2k/(S1+S2k),

      (9)

      式中:qNOx為原排氣中NOx的體積流量;S1為DOC的截面積;S2為旁通電磁閥的截面積;k為電磁閥的開度;φ(NO2)為DOC上游NO2占NOx的體積分數(shù)。

      2.2.3 流經(jīng)DOC的氣體流量

      流經(jīng)DOC的NOx體積流量

      qv2NOx=qNOxS1/(S1+S2k)。

      (10)

      DOC中參加氧化反應的NO的體積流量

      qv2NO=qNOx[S1/(S1+S2k)](1-φ(NO2))φ(NO) ,

      (11)

      其中φ(NO)為DOC中氧化為NO2的NO占NO總量的體積分數(shù),工程上常通過溫度和廢氣流量查脈譜得到。

      流經(jīng)DOC的氣流中原有NO2的體積流量

      qv2NO2=qNOxφ(NO2)S1/(S1+S2k) 。

      (12)

      由式(1)可知,NO消耗的體積和NO2生成的體積相同,所以DOC中氧化生成的NO2的體積流量等于式(11)中消耗的NO的體積流量。DOC后混合點之前NO2的總體積流量包含2部分,一部分為流經(jīng)DOC的氧化為NO2的NO體積流量,另一部分為流經(jīng)DOC的NOx中原有NO2的體積流量,因此DOC后混合點前NO2的總體積流量

      qv2=qv2NO+qv2NO2=qNOx[S1/(S1+S2k)][(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]

      。

      (13)

      2.2.4 DOC下游混合處的流量

      DOC下游混合處NO2的總體積流量包含2部分,一部分為經(jīng)過旁通閥的NO2體積流量,另一部分為通過DOC的NO2的體積流量。因此在DOC后混合處2部分氣流的NO2總體積流量

      qvNO2=qv1NO2+qv2=qNOx{[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

      (14)

      2.2.5 DOC后混合處NO2占NOx的體積分數(shù)

      DOC的氧化反應見式(1),所以DOC后的NOx的總體積流量與發(fā)動機原排氣中的NOx體積流量相同,基于這個前提,則DOC后混合處NO2的體積分數(shù)

      φ= {[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

      (15)

      2.3 控制方案實現(xiàn)框圖

      按照式(15)實現(xiàn)的控制框圖如圖3所示。

      圖3 控制方案實現(xiàn)框圖

      原排氣中,NOx中NO2的體積分數(shù)通過轉(zhuǎn)速和噴油量查脈譜得到,EGR開度影響缸內(nèi)的燃燒情況進而影響原排氣中NO2的體積分數(shù),因此,DOC上游旁通支路前廢氣中,NOx中NO2的體積分數(shù)還需通過EGR的修正因子進行修正。

      DOC的氧化效率與溫度和空速密切相關,空速反映廢氣在DOC中駐留的時間,空速越大,駐留時間越短,效率越低。DOC中氧化為NO2的NO體積分數(shù)通過DOC溫度和空速查脈譜得到。最終得到DOC下游混合處NOx中NO2的體積分數(shù),該變量用于閉環(huán)控制。

      3 控制系統(tǒng)設計

      設計目的為控制SCR入口廢氣中NO2的體積分數(shù)不超過50%,從而抑制SCR慢反應,保證較高的轉(zhuǎn)換效率。通常情況下廢氣中NO2的體積分數(shù)可固定為50%,實際NO2的體積分數(shù)通過式(15)計算得到,采用比例、積分、微分(proportion,integral,differential,PID)閉環(huán)方式計算驅(qū)動旁通閥的控制信號。當原排氣中NO2體積分數(shù)小于50%時,實際值與設定值的偏差小于0,電磁閥關閉,當原排氣中NO2的體積分數(shù)超過50%時,實際值與設定值的偏差大于0,通過調(diào)節(jié)電磁閥開度控制SCR上游的NO2比例,如圖4所示。

      圖4 控制系統(tǒng)框圖

      4 試驗設備及工況

      試驗采用一款帶DOC和SCR后處理的高壓共軌電控柴油機,進氣方式為增壓中冷,柴油機基本參數(shù)如表1所示。試驗所用排放設備如表2所示。對所選試驗工況進行循環(huán)測試,試驗工況如表3所示。

      表1 試驗用柴油機主要技術規(guī)格

      表2 排放設備信息

      表3 試驗工況

      5 效果驗證

      圖5 優(yōu)化前后SCR效率對比

      在發(fā)動機中高負荷時,DOC的轉(zhuǎn)換效率較高,SCR上游NOx中NO2的體積分數(shù)超過50%,此時SCR內(nèi)部進行慢反應,造成SCR整體轉(zhuǎn)換效率降低。若DOC兩端配備有廢氣旁通閥,控制方案以SCR上游的NO2體積分數(shù)作為控制目標,當實際體積分數(shù)超過50%時,通過閉環(huán)控制旁通閥來降低實際體積分數(shù),將實際值控制在設定值,從而整體提高SCR的效率。優(yōu)化前后SCR效率對比如圖5所示。

      由圖5可知,SCR溫度為350~450 ℃時,帶旁通閥方案的SCR效率比不帶旁通閥明顯提高,在SCR溫度較低或較高時,由于SCR上游NO2體積分數(shù)低于50%,旁通電磁閥關閉,所以2種方案的效率沒有變化。

      6 結(jié)語

      試驗結(jié)果表明,通過閉環(huán)控制廢氣旁通閥,在中高負荷且DOC的溫度在高效范圍內(nèi)時,能夠抑制慢反應、促進快反應,有效的提高SCR的平均轉(zhuǎn)換效率。

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