尤坤

摘 要：選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）能夠有效去除機動車尾氣中的氮氧化物，該文介紹了選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）的反應原理，基于SCR反應原理建立了雙罐SCR系統(tǒng)建模，然后設計經(jīng)典PID控制器應用于雙罐SCR系統(tǒng)，仿真結果表明，經(jīng)典PID對雙罐SCR系統(tǒng)有一定的控制作用，但是不能充分體現(xiàn)雙罐SCR系統(tǒng)的優(yōu)勢。

關鍵詞：氮氧化物 經(jīng)典PID 串聯(lián)SCR 雙罐SCR

中圖分類號：X773 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0041-04

隨著機動車數(shù)量的增加，機動車尾氣造成的空氣污染愈加嚴重，各國針對機動車制定的排放法規(guī)也越來越嚴格。SCR作為一種處理機動車尾氣中氮氧化物的后處理技術也得到更多研究人員的關注。通常情況下，SCR系統(tǒng)想要達到較好地去除氮氧化物效果通常要求更多的尿素溶液噴入，但是過多尿素溶液噴入會造成氨泄漏現(xiàn)象，氨氣同樣會對環(huán)境造成污染，這種矛盾的存在制約著SCR系統(tǒng)氮氧化物轉化率的提高[1]。近幾年串聯(lián)SCR系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決這種矛盾提供了新思路，這種系統(tǒng)將SCR的作用一分為二，第一部分為氮氧化物轉化罐（NCC），第二部分為氨氣存儲罐（ARC），這種方法能夠有效緩解高氮氧化物轉化率與低氨氣泄漏率的矛盾[2]。該文就串聯(lián)SCR系統(tǒng)展開研究，介紹了串聯(lián)SCR系統(tǒng)的建模過程，設計了經(jīng)典PID控制器應用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)，通過仿真探究經(jīng)典PID控制是否適用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)。

1 SCR系統(tǒng)反應原理

SCR系統(tǒng)的反應原理圖如圖1所示。整個反應過程可以分為3步：第一步，在機動車尾氣進入SCR系統(tǒng)之前噴入濃度為32.5%的尿素溶液；第二步，氣態(tài)氨氣進入SCR系統(tǒng)，一部分氨氣吸附在催化劑上等待與氮氧化物反應；第三步，吸附在催化劑上的氨氣與機動車尾氣中的氮氧化物發(fā)生反應，將氮氧化物轉化為無害的氮氣和水[3]。

在第二步中氨氣吸附到催化劑上是可逆反應，氨氣吸附的同時也會發(fā)生氨氣的解吸附反應，反應方程如下：

2 雙罐SCR系統(tǒng)建模

串聯(lián)SCR系統(tǒng)是指將一個SCR系統(tǒng)劃分為多個SCR子系統(tǒng)，然后對每個SCR子系統(tǒng)進行建模，串聯(lián)SCR系統(tǒng)原理圖如圖2所示。這些SCR子系統(tǒng)被分為兩組，前面的一組為NCC，后面一組為ARC。

在實際研究過程中，把SCR分割的過多會增加傳感器的數(shù)量也會增加計算難度，所以，在研究串聯(lián)SCR系統(tǒng)時一般針對雙罐SCR系統(tǒng)研究[4，5]。

根據(jù)摩爾守恒原理和質量守恒原理可以將SCR的動態(tài)模型寫成如下形式：

式中，；；和分別為NOx和氨氣的濃度；為SCR進口氨氣濃度；為柴油機排放尾氣濃度；為排氣流速；為SCR反應罐的體積?！啊睘槟撤N物質，“”為第“”個SCR。以為例，為在第“”SCR中的“”的濃度，由式（14）可見，經(jīng)過NCC后的氨氣濃度和氮氧化物濃度作為輸入進入到ARC中。

3 PID控制器設計

PID控制由比例控制（P）、積分控制（I）、微分控制（D）組成，其原理圖如圖3所示[6]。

根據(jù)PID控制原理圖可以得出PID的控制規(guī)律公式，公式的形式如下：

（15）

式中：為控制量；為偏差；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。

雙罐SCR系統(tǒng)的輸出量主要包括中間輸出量SCR1的氮氧化物濃度、氨氣濃度和最終輸出量SCR2的氮氧化物濃度、氨氣濃度，PID控制在控制單輸出量的系統(tǒng)時表現(xiàn)出很好的控制性能，所以，在設計雙罐SCR系統(tǒng)的PID控制器時選擇最終輸出SCR2的氮氧化物濃度作為反饋量。將經(jīng)過SCR2后輸出的氮氧化物濃度與期望值比較形成偏差輸入到PID控制器，最終該文設計出的串聯(lián)SCR系統(tǒng)PID控制器的系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4中，F(xiàn)為排氣流量，T為排氣溫度，為了達到比較好的控制效果圖4中的期望值設置為0.4 g/m3，由于在SCR系統(tǒng)中氮氧化物的濃度為摩爾濃度，單位是mol/m3，所以，在圖4的系統(tǒng)中反饋項NOx_out_2有一個單位轉換環(huán)節(jié)。單位轉換公式如下：

（16）

式中，CNO為NO的物質的量濃度；Fe為尾氣流量；MNO為NO的物質的量，F(xiàn)NO為NO的體積流量。

該文PID參數(shù)確定使用的方法是實驗試湊法[7]。串聯(lián)SCR系統(tǒng)的模型是在MATLAB的Sinmulink中搭建完成的，PID參數(shù)通過多次仿真確定，最終確定Sinmulink中PID模塊中的參數(shù)分別為P=0.3、I=0、D=3。

4 仿真結果與結論

在仿真過程中用到實驗數(shù)據(jù)有柴油機尾氣中的氮氧化物濃度、排氣溫度和排氣流量，上述數(shù)據(jù)如圖5～圖7所示。

將上述數(shù)據(jù)輸入到確定好參數(shù)的串聯(lián)SCR系統(tǒng)中后，運行仿真程序可以得到如下仿真數(shù)據(jù)曲線，其中圖8為氮氧化物與噴氨量匹配圖，圖9為氮氧化物濃度變化圖。

從上述仿真結果可以看出PID控制器應用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)后起到一定的控制效果，噴氨量與進入到SCR系統(tǒng)的氮氧化物量有比較好的匹配效果，NOx的轉化率能夠達到50%左右。

但是同樣也可以看到PID控制應用于串聯(lián)SCR系統(tǒng)的弊端，由于PID控制中單反饋項的限制，使得雙罐SCR系統(tǒng)中很多數(shù)據(jù)無法應用到控制系統(tǒng)中對控制效果進行修正。例如：經(jīng)過SCR1后的氨氣濃度和經(jīng)過SCR2后的氨氣濃度，這些數(shù)據(jù)如果能夠成為反饋項應用于雙罐SCR的控制系統(tǒng)中能夠在提高控制精度的同時限制氨泄漏現(xiàn)象。在今后的工作中應嘗試將更多的控制方法應用到雙罐SCR系統(tǒng)中，例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、PID自適應控制等，探究適合應用于雙罐SCR系統(tǒng)的控制方法。

參考文獻

[1] 鄧家奇，周家旺，高聰聰.車用柴油機歐Ⅴ、歐Ⅵ排放控制技術路線研究[J].汽車實用技術，2016（2）：14-16.

[2] Jiang K，Cao E，Wei L.NOx Sensor Ammonia Cross-sensitivity Estimation With Adaptive Unscented Kalman Filter for Diesel-engine Selective Catalytic Reduction Systems[J].Fuel，2016（165）：185-192.

[3] Zhang H，Chen P，Wang J，et al.Integrated Study of Inland-Vessel Diesel Engine Two-Cell SCR Systems with Dynamic References[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2016（99）：1.

[4] Zhang H，Wang J.Adaptive Control of Two-cell Selective Catalytic Reduction Systems[A].Society of Instrument and Control Engineers of Japan[C].2015：1031-1036.

[5] Zhang H，Wang J，Wang YY.Optimal Dosing and Sizing Optimization for a Ground-Vehicle Diesel-Engine Two-Cell Selective Catalytic Reduction System[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（6）：4140-4751.

[6] 王蕾，宋文忠.PID控制[J].自動化儀表，2004，25（4）：1-6.

[7] 劉鎮(zhèn)，姜學智，李東海.PID控制參數(shù)整定方法[J].電子技術應用，1997（5）：4-6.