摘 要

本文主要对柴油机选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）系统的尿素喷射量进行了研究，研究目的是通过优化尿素喷射量使SCR系统可以同时实现高的NOx转化效率及低的NH₃泄漏量。文章首先研究了排气温度、空速、氨氮比排气成分及储氨量对SCR系统的NOx转化效率的影响，分析了SCR系统内部的物理和化学反应机理，并对其中主要的化学反应进行了研究，结合数学知识建立了SCR催化器排放预测模型，使用试验数据和遗传算法（GA）对SCR催化器预测模型进行了参数辨识及验证，最后基于该模型和NSGA-Ⅱ算法建立了尿素喷射量优化模型。经分析，使用遗传算法（GA）建立的SCR催化器预测模型可以准确预测NOx浓度及NH₃浓度，优化模型在稳态工况下可以根据发动机工况及约束条件准确地得出最佳供给率，然后根据供给率、NOx浓度、NH₃浓度和尿素喷射量之间的关系，求出最佳尿素喷射量，使SCR系统在氨泄漏不超过法规规定的10ppm限值下实现最大的NOx转化效率，从而实现基于模型的柴油机SCR系统尿素喷射量优化。

关键词：柴油机；SCR系统；建模；尿素喷射量；优化

Abstract

This paper mainly studies the urea injection quantity of selective catalytic reduction (SCR) system in diesel engine. The purpose is to find the optimal urea injection quantity of the selective catalytic reduction (SCR) system. In this way, we can achieve high NO_x conversion efficiency and low NH₃ slip by means of seeking the desired urea dosage feed ratio. Firstly, the influence of exhaust temperature, space velocity, ammonia nitrogen ratio, exhaust components and ammonia storage to the NOx conversion efficiency in SCR system is studied. The main physical and chemical reaction in the SCR system is analyzed. Then, an emission prediction model combined with chemical reaction mechanism and mathematics is established to estimate the downstream NO_x concentration and NH₃ concentration of the SCR catalysts. Thirdly, the unknow parameters in this model are identified and validated by Genetic Algorithm (GA) and experiment data from the engine bench test. Finally, a model to optimize the urea injection quality of diesel engine SCR system is established, which is based on the emission prediction model and nondominated sorting genetic algorithm (NSGA-Ⅱ). Through analysis, the emission prediction model can predict the downstream NOx and NH₃ emission accurately, the optimization model can find out the optimal feed ratio based on engine’s parameter when engine is in steady condition. Then, the optimal urea injection quality is obtained by proposed method.

Key Words：Diesel engine; SCR system; Emission prediction; Multi-objective optimization; Urea injection quality

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 3

1.3研究内容及技术路线 5

第2章 NOx转化效率的影响因素 6

2.1 NH3/NOx摩尔比 6

2.2 排气温度 6

2.3 空速 7

2.4 排气成分 7

2.4.1 NO2 7

2.4.2 HC 8

2.4.3 H2O 8

2.4.4 SO2 9

2.5 储氨量 9

第3章 SCR催化器建模 11

3.1 SCR催化器中的化学反应 11

3.1.1催化剂 11

3.1.2Eley-Rideal机理 11

3.1.3化学反应 11

3.2 建立SCR催化器预测模型 13

3.2.1模型假设及化学反应速率 13

3.2.2基于化学反应机理建模 14

第4章 参数辨识与模型验证 17

4.1遗传算法（GA） 17

4.2用遗传算法做参数辨识 18

4.3试验数据与参数识别结果 19

4.3.1尿素喷射试验 19

4.3.2模型参数辨识结果 21

第5章 尿素喷射量优化 23

5.1 NSGA-Ⅱ 算法 23

5.2 NSGA-Ⅱ算法对尿素喷射进行优化 23

5.2.1试验数据选取及单位换算 24

5.2.2对试验工况进行尿素喷射优化 26

5.3优化结果的验证 28

第6章 总结与展望 32

6.1总结 32

6.2展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景

在柴油机中，由于燃烧温度非常高，使空气中的N₂在高温作用下氧化生成各种氮氧化合物。NO_X被吸入人体后会与水结合形成硝酸，继而引起咳嗽、气喘，甚至肺气肿和心肌损伤等疾病,而且NO_X是在地面附近形成含有毒臭氧的光化学烟雾的主要因素之一^[1-2]。由于NOx对环境的严重影响，汽车是NOx排放的主要污染源，许多国家都对NOx排放控制提出日益严格的要求。根据表1.1和表1.2，欧洲最新的排放法规欧Ⅵ对三类柴油车的排放限值最高是125mg/km，国Ⅵ标准对两类车NO_X排放限值最高为82mg/km，N₂O排放限值最高为30mg/km^[3]。因此对NO_X的排放控制是国内外排气后处理中的重要研究方向。

表1.1 国6排放限值

韩冬月^[3]研究了国Ⅵ排放法规和欧Ⅵ排放法规，郭秀丽^[4]总结了柴油机SCR技术发展现状，郭葵^[5]对实现国Ⅵ标准的技术路线进行了分析，理论上NO_X的净化有两个途径，一种是机内净化，即使用EGR、燃烧系统优化等技术，但是使用EGR技术净化时PM排放会显著增加，需要加装DPF。另一种为机外净化（即后处理），主要方法为利用不同的还原剂，在一定温度和合适的催化剂作用下将NO_X还原为无害的氮气和水。由于机内净化只能满足国Ⅲ排放标准，为了满足更高的排放法规，必须采用后处理技术。目前后处理技术有直接催化分解技术、非选择性催化还原技术(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)、选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)、存储还原催化技术(NO_X Storage Reduction,NSR)以及用等离子体辅助催化还原NO_X技术(Plasma-Facilitated Catalysis System,PFC)。

如表1.3，司康^[6]对比了欧州国家和国内的后处理技术应用情况，全面分析了燃烧优化 SCR和EGR DPF两种技术路线的研发生产及应用成本，认为EGR DPF初始成本低，但是对升级应对新国标的技改及标定过于复杂，使得开发成本和标定难度增加，且燃油经济性差。而燃烧优化 SCR技术路线无需改动发动机机体，技术升级方便，维护费用低且燃油经济性较好，虽然面临封装要求高、低温失效和尿素供应问题，但从北京奥运会期间成功在公交车应用SCR技术来看，在国内SCR会成为后处理系统的主流技术。