劉丙善，呂 林

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063）

歐Ⅳ排放法規(guī)即將實施，柴油機僅僅依靠機內優(yōu)化措施不能使NOX和顆粒的排放滿足法規(guī)要求，因此眾多的排氣后處理措施應運而生，如選擇性催化還原技術（SCR）、非選擇性催化還原技術（NSCR）、NOX吸附轉化技術（NOXAbsorber）等。在眾多的排氣后處理措施中，選擇性催化還原技術（SCR）被認為最有前途［1］。SCR系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)響應時間的滯后、尿素水溶液的溫度和濃度的變化以及發(fā)動機原機排放的波動等往往造成催化器出口的NOX排放值與目標排放值之間存在一定的誤差。掌握影響誤差的因素以及誤差與各因素之間的關系，可以明確相關因素對誤差的影響程度，有助于制定合理的控制策略。

1 SCR系統(tǒng)簡介

選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）系統(tǒng)的工作原理是向排氣管中噴射某一流量的尿素水溶液，尿素水溶液經(jīng)一系列反應后生成的氨氣（NH3）和水（H2O）與排氣充分混合，在催化器的作用下，氨氣（NH3）與氮氧化物（NOX）迅速反應生成氮氣（N2）和水（H2O），隨排氣排入大氣。這一過程主要化學反應如下［2］：

目前，產(chǎn)品化的SCR系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制，控制原理見圖1。

圖1 開環(huán)控制原理簡圖

通過下列步驟實現(xiàn)降低氮氧化物排放。

第一步：制定SCR系統(tǒng)控制策略寫入控制器；

第二步：SCR系統(tǒng)控制器采集發(fā)動機的工況參數(shù)；

第三步：SCR系統(tǒng)控制器按照控制策略發(fā)出尿素水溶液流量控制指令；

第四步：計量裝置按照指令向排氣管中噴射尿素水溶液；

第五步：在催化器中進行NOX的選擇性催化還原反應。

催化器出口NOX的排放值與目標排放值的誤差應盡可能小。催化器出口NOX的排放值如果高出目標排放值太多，發(fā)動機NOX排放可能達不到法規(guī)要求；催化器出口NOX的排放值也不能低于目標排放值太多，否則催化器出口氨氣（NH3）排放可能超出法規(guī)限值。因此需要對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差進行分析以減小誤差，在保證氨氣（NH3）排放滿足法規(guī)要求的前提下獲得較高的NOX轉化率。

2 誤差分析

氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術的誤差主要來源于以下幾個方面。

1）NOX原機排放相對誤差eyj；制定控制策略的主要依據(jù)是試驗得到的原機排放脈譜圖，但是柴油機即使在同一個工況下運行，NOX的實際排放值也會受到環(huán)境及燃燒狀況等因素的影響，在做原機排放脈譜圖時測量儀器的準確度和數(shù)據(jù)處理方法也是影響NOX原機排放相對誤差的因素。

2）尿素水溶液計量裝置的相對誤差ef；尿素水溶液計量裝置本身的系統(tǒng)誤差以及溫度和排氣背壓對流量的影響是實際尿素水溶液供給量與理論需求量之間產(chǎn)生誤差的主要原因。

3）尿素水溶液的濃度相對誤差ec；德國工業(yè)標準DIN70070：2005要求尿素水溶液的質量濃度為32.5%，但是在實際使用中尿素罐往往帶有透氣孔，尿素水溶液的濃度會因水分的蒸發(fā)而升高。

根據(jù)化學反應式（1）～（4），可以得出尿素需求量Qcmd與NOX降低量DeNOX之間的對應關系：

式中：Qcmd——尿素水溶液需求量，g／h；

DeNOX——NOX降低量，g／h；

Cu——尿素水溶液的濃度，（%）；

λ——與排氣中NO與NO2比例等因素有關的常數(shù)。

以下從相對誤差的角度分析氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差。假設脈譜圖中NOX原機排放值為 NOXmap，NOX目標值為NOXmb，原機實際排放值為 NOXyj，催化器出口NOX的實際排放值為NOXsj。在開環(huán)控制技術下，實際的NOX減少值以DeNOXsj表示，則：

式中：

故，

根據(jù)相對誤差的表示方法，氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差可以表示為：

式中：eNOX——氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差；

α——取決于NOX目標轉化率的定值，

目標轉化率一般不超過80%，當NOX目標轉化率為80%時α＝5，所以α的通常取值范圍是1～5。

為了確定不同因素對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差的影響程度，在發(fā)動機某個工況下做了重復性試驗，該工況下NOX目標轉化率為60%，所以α＝2.5。表1根據(jù)氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差理論表達式計算出了單個因素對NOX選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差影響的程度。

表1 單個因素對NOX選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差的影響程度

3 結論

通過對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差理論表達式的推導和試驗中單個因素相對誤差的波動范圍可以看出：原機排放相對誤差對氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差的影響比尿素水溶液濃度相對誤差和計量裝置相對誤差產(chǎn)生的影響要大。因此制定控制策略時最主要的是提高原機排放脈譜圖的準確性，其次對尿素水溶液流量進行濃度、溫度及排氣背壓修正以進一步減小氮氧化物選擇性催化還原開環(huán)控制技術誤差。

［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.