柴油機選擇性催化還原化學反應動力學模型參數(shù)化

凌建群，紀曉靜

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著柴油機排放法規(guī)的日趨嚴格，對選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率也提出了更高的要求。在國IV和國V階段，SCR轉(zhuǎn)化效率大概為60%～80%， SCR的主流控制策略為基于MAP的開環(huán)控制策略。對于重型國六應用，SCR轉(zhuǎn)化效率要求達到90%～95%，或以上。由于系統(tǒng)偏差等原因，開環(huán)控制策略誤差較大，不能滿足控制精度要求，因此需要采用閉環(huán)控制策略[1]。常見的閉環(huán)控制策略有如下幾種：(1)基于后NOx傳感器的閉環(huán)控制策略；(2)基于后氨(NH3)傳感器的閉環(huán)控制策略；(3)基于NH3存儲模型的閉環(huán)控制策略。本文的研究是基于SCR化學反應動力學的NH3存儲模型閉環(huán)控制策略。對于這種策略，最關鍵的是準確地標定SCR化學反應動力學模型，計算SCR催化劑中的氨存儲量。

1 SCR中的化學反應

SCR中的化學反應比較復雜，主要包括尿素熱解、水解反應，氨吸附、脫附反應，氨氧化反應，標準還原反應，快速還原反應，慢速還原反應，一氧化二氮(N2O)生成反應等。

尿素熱解、水解反應：

NH2(CO)NH2→NH3+HCNO

(1)

HCNO+H2O→NH3+CO2

(2)

氨吸附、脫附反應：

NH3+S→NH3(S)

(3)

NH3(S)→NH3+S

(4)

標準SCR還原反應：

4NH3(S)+4NO+O2→4N2+6H2O

(5)

快速SCR還原反應：

4NH3(S)+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(6)

慢速SCR還原反應：

8NH3(S)+6NO2→7N2+12H2O

(7)

氨氧化反應：

4NH3(S)+3O2→2N2+6H2O

(8)

4NH3(S)+5O2→4NO+6H2O

(9)

其它反應：

2NH3(S)+2O2→N2O+6H2O

(10)

2NH3(S)+2NO2→N2O+N2+3H2O

(11)

2NH3(S)+4NO→N2O+2N2+3H2O

(12)

2 SCR化學反應模型及SCR載體溫度模型

對于穩(wěn)態(tài)過程的仿真，由于氣體溫度和載體前后溫度偏差均較小，SCR內(nèi)部各處溫度可以視為相等，只需考慮SCR化學反應模型；但對于動態(tài)過程的仿真，還需要增加SCR載體溫度模型。

由于發(fā)生在SCR中的化學反應非常復雜，為簡化模型、便于分析計算，在本文的研究中，僅抓取主要影響因素，對SCR化學反應模型及SCR載體溫度模型進行了如下假定：(1)實際應用中，為避免尿素結(jié)晶，尿素起噴溫度一般在200 ℃以上，此時的尿素熱解、水解速率遠高于SCR催化還原反應，因此，假定尿素熱解和水解是充分的，模型中不考慮尿素熱解、水解反應；(2)本文采用一維流動模型，將SCR沿氣體流動方向均勻地切分為15個單元，每個單元內(nèi)氣體濃度、溫度等參數(shù)都視為均勻的，小樣載體體積比較小，計算時模型未進行切分；(3)由于高溫氣體的熱量遠大于SCR中化學反應的熱量，因此，模型中不考慮化學反應熱；(4)由于國六應用中通常前置DOC，所以需要考慮慢速反應；(5)N2O的生成量比較少，模型中不予考慮。

本文采用的化學反應數(shù)學模型如下：

(1)吸附反應

Rad=Kad×CNH3×(1-θ)

(13)

(2)脫附反應

(14)

(3)標準反應

(15)

(16)

(4)快速反應

(17)

(18)

(5)慢速反應

(19)

(20)

(6)氧化反應

(21)

(22)

(23)

(24)

式中，Rad為吸附反應速率，Rde為脫附反應速率，Rst為標準反應速率，Rfs為快速反應速率，Rsl為慢速反應速率，RoxN2為氧化生成氮氣(N2)的反應速率，RoxNO為氧化生成一氧化氮(NO)的反應速率，mol/(m3·s)；CNH3為NH3體積濃度，CNO為NO體積濃度；CNO2為二氧化氮(NO2)濃度，CO2為氧(O2)濃度，mol/m3；θ為NH3覆蓋度；T為溫度，K；其余為需要標定的模型參數(shù)和模型因數(shù)，其中K為頻率因子，1/s；E為活化能，J/mol；L為低溫修正因數(shù)；ε為覆蓋度依賴因數(shù)；f為氨氧化生成N2和NO反應的比例因數(shù)；公式中下標start和full表示低溫修正開始和修正結(jié)束，sf、sl和st分別表示快速反應、慢速反應和標準反應。

3 模型參數(shù)擬合

根據(jù)第2章的數(shù)學模型，在Simulink軟件中搭建SCR化學反應動力學模型后，需要對模型參數(shù)進行擬合校準。

由于溫度模型比較經(jīng)典，模型參數(shù)相對比較容易擬合，本文不作討論。本文重點研究SCR化學反應模型的參數(shù)擬合方法。

需要標定的參數(shù)非常多，通過臺架試驗數(shù)據(jù)同時進行擬合十分困難，幾乎不可能完成。本文采用催化劑小樣試驗數(shù)據(jù)進行擬合，通過逐步增加輸入氣體組分的方式，將化學反應分成5組分別進行擬合。SCR小樣試驗方案如表1所示。

表1 SCR小樣試驗方案

小樣試驗中除通入表1氣體組分外，另外通入8%的水(H2O)，其余則為N2，以貼近實際應用情況。

由于快速反應的反應速率較高，為提高模型精度，小樣試驗空速應在試驗條件許可的情況下盡量大一些，本文采用200 000 h-1空速進行試驗?？账偈侵冈?0 ℃、標準大氣壓下，單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑載體的氣體體積流量。

利用Simulink軟件自帶的Parameter Estimation工具，通過試驗數(shù)據(jù)擬合各反應參數(shù)。首先，通過試驗1的數(shù)據(jù)自動擬合氨吸附、脫附反應參數(shù)，之后依次通過試驗2的數(shù)據(jù)擬合氧化反應參數(shù)，通過試驗3的數(shù)據(jù)擬合標準反應參數(shù)，通過試驗4的數(shù)據(jù)擬合快速反應參數(shù)，通過試驗5的數(shù)據(jù)擬合慢速反應參數(shù)。

由于后一步擬合的結(jié)果可能會對前一步的反應產(chǎn)生影響，因此前述擬合過程需要進行幾輪迭代。通過小樣數(shù)據(jù)擬合后的結(jié)果如圖1所示。

氨泄漏催化器(ammonia slip catalyst, ASC)中發(fā)生的化學反應與SCR中的基本相似，只是ASC的氧化性更強。本文所采用的模型中，ASC與SCR的模型結(jié)構(gòu)一樣，只是需要根據(jù)ASC的性能，采用與SCR相同的方法，進行模型參數(shù)化標定。

由于ASC在SCR下游，進入ASC的NOx和NH3濃度比SCR小很多。為提高模型精度，ASC小樣試驗時，輸入的氣體濃度需要略作調(diào)整。ASC小樣試驗方案如表2所示。

表2 ASC小樣試驗方案

4 臺架瞬態(tài)數(shù)據(jù)驗證

在SCR和ASC的模型初步標定完成后，在試驗臺架上，對1臺28RQ6國六柴油機及后處理進行世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(World harmonized transient cycle, WHTC)和世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(World harmonized steady cycle, WHSC)試驗，采集SCR、ASC載體前后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)代入Simulink模型進行驗證。

第1輪小樣標定后的模型輸出結(jié)果與臺架測試結(jié)果偏差略大。這可能是由于后處理NH3分布不均勻、尿素噴射精度較差等原因造成。根據(jù)臺架測試情況，再返回到小樣數(shù)據(jù)中調(diào)整相應化學反應的反應速率，如此經(jīng)過多輪迭代后，模型輸出的NOx和NH3濃度與臺架實測值吻合較好，最終模型的驗證結(jié)果如圖2～5所示。

5 結(jié)論

本文基于SCR化學反應動力學原理，利用Simulink軟件搭建了SCR化學反應動力學模型，并探討了一種行之有效的、基于催化劑小樣試驗及發(fā)動機臺架試驗的SCR化學反應動力學模型參數(shù)標定的方法。利用催化劑小樣試驗數(shù)據(jù)，將復雜的化學反應解耦后，可以簡化模型參數(shù)擬合工作，再通過臺架測試數(shù)據(jù)優(yōu)化，得到滿足工程應用的SCR化學反應動力學模型參數(shù)標定結(jié)果。