王 昆* 周 波 廉曉龍 黃 磊 孫 楠 徐書豐

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司）

0 引言

近年來，船舶大氣污染的問題逐漸受到了重視，船舶尾氣中的NOx不僅會(huì)損害環(huán)境，還會(huì)對(duì)人類的生命健康造成威脅[1]。依據(jù)國際海事組織制定的船舶柴油機(jī)的排放規(guī)則，2016 年1 月1 日后新建船舶需要滿足Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)，相較于Tire Ⅰ排放標(biāo)準(zhǔn)，Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求船舶柴油機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)將NOx排放量降低80%。船舶柴油機(jī)的尾氣凈化技術(shù)具有較好的研究及應(yīng)用前景[2]，如今傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已經(jīng)不足以滿足排放法規(guī)要求，SCR 技術(shù)路線因?yàn)槠滢D(zhuǎn)化效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[3]。

尿素選擇性催化還原技術(shù)（Urea-SCR）是目前公認(rèn)降低NOx排放最有效的技術(shù)。SCR 系統(tǒng)的核心技術(shù)是其控制策略，優(yōu)越的控制策略不僅能夠在較低的氨溢出狀態(tài)下保持較高的NOx轉(zhuǎn)化效率，還能有較好的經(jīng)濟(jì)性，可以降低裝置的使用成本。胡靜等[4]研究了催化劑溫度、空速、催化劑儲(chǔ)氨能力對(duì)氮氧化物轉(zhuǎn)化效率的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了基于MAP圖的開環(huán)控制策略，在瞬時(shí)工況下對(duì)催化劑的儲(chǔ)氨特性進(jìn)行修正，并提出了在大轉(zhuǎn)矩工況下尿素延遲噴射策略和小轉(zhuǎn)矩工況下尿素停止噴射策略，有效地減少了在工況變化時(shí)氨的泄漏量。羅嘯[5]選用閉環(huán)前饋傳感器控制模式進(jìn)行船舶SCR 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證該策略具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，控制系統(tǒng)能滿足Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了滿足Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文針對(duì)某船舶柴油機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)前饋加閉環(huán)PID 控制策略進(jìn)行循環(huán)工況測(cè)試，并對(duì)傳統(tǒng)閉環(huán)PID 控制策略和前饋加閉環(huán)PID 控制策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化船舶SCR 的控制策略。

1 SCR工作原理

在排氣管中，尿素水溶液會(huì)先發(fā)生水解反應(yīng)，即在高溫下蒸發(fā)析出固態(tài)尿素顆粒，固態(tài)尿素顆粒進(jìn)一步熱解產(chǎn)生氨氣和氰酸（HNCO）：

氰酸進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)如下：

NOx的催化還原反應(yīng)主要是由標(biāo)準(zhǔn)SCR 反應(yīng)和快速SCR 反應(yīng)組成，因?yàn)镹O 為柴油機(jī)排放的氮氧化物，約有85%～95%，所以在普通的SCR 系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)的SCR 反應(yīng)是主要的反應(yīng)，兩種反應(yīng)式分別如下所示：

在SCR 系統(tǒng)中，氣態(tài)NH3首先會(huì)吸附于催化劑表面的活性中心，形成吸附態(tài)NH3。在系統(tǒng)正常工作進(jìn)程中，吸附和解吸附反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，吸附態(tài)的NH3也會(huì)發(fā)生逆向反應(yīng)，脫離活性中心，形成游離態(tài)的NH3, 這兩種狀態(tài)的NH3從催化劑中逃逸是氨泄漏的主要原因[6]。氨的吸附和解吸附反應(yīng)式如下所示：

2 尿素理論噴射量的計(jì)算

尿素理論噴射量的計(jì)算依賴于廢氣流量傳感器和NOx傳感器，在計(jì)算噴射量的時(shí)候，需要進(jìn)行的是質(zhì)量流量之間的換算，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：VNOx——排氣NOx的體積濃度；

MNOx——NOx的摩爾質(zhì)量；

MEG——柴油機(jī)尾氣的摩爾質(zhì)量，g/mol。

由于在SCR 系統(tǒng)中主要發(fā)生的反應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)還原反應(yīng)和快速還原反應(yīng)，其他的還原反應(yīng)占比較很少，可以忽略不計(jì)。這兩種還原反應(yīng)中，氮氧化物和氨氣的摩爾消耗量是相等的，即1mol 的NOx需要和1mol的NH3反應(yīng)，假定此時(shí)的反應(yīng)效率為100%，所需要氨氣的質(zhì)量流量可以通過式（8）進(jìn)行計(jì)算：

式中：mNH3——氨氣的質(zhì)量流量，mg/s；

MNH3——氨氣的摩爾質(zhì)量，為17 g/mol。

每摩爾的尿素會(huì)水解反應(yīng)產(chǎn)生2 mol 的氨氣，且尿素溶液摩爾濃度為32.5%，因此，可以計(jì)算出尿素的理論噴射量：

式中：madblue——計(jì)算出的尿素理論噴射量， mg/s；

Madblue——尿素的摩爾質(zhì)量，為60 g/mol。將數(shù)值進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得：

3 開環(huán)控制策略

SCR 開環(huán)控制一般是通過發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)標(biāo)定或是通過模型預(yù)測(cè)來計(jì)算尿素的理論噴射量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)化效率修正、催化劑老化態(tài)參數(shù)的修正以及計(jì)量泵修正等，從而獲得尿素溶液的實(shí)際噴射量。開環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，在穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)化效率好。但是開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出不具有自我調(diào)節(jié)和修復(fù)的功能，瞬態(tài)工況時(shí)候的響應(yīng)性差，容易造成較高的氨逃逸量或者使NOx的轉(zhuǎn)化效率顯著降低[7]，開環(huán)控制策略如圖1 所示。

圖1 開環(huán)控制策略圖

4 閉環(huán)控制策略

4.1 傳統(tǒng)閉環(huán)PID控制策略

與開環(huán)控制策略相比，閉環(huán)控制增加了反饋調(diào)節(jié)模塊，增強(qiáng)了控制的精度和穩(wěn)定性，閉環(huán)控制模型是建立在SCR 前置NOx傳感器和后置NOx傳感器基礎(chǔ)上設(shè)定的，閉環(huán)控制在修正后的理論噴射量的基礎(chǔ)上進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，相比較于開環(huán)控制，閉環(huán)的控制可以實(shí)現(xiàn)更加精確的控制。閉環(huán)控制流程如圖2 所示。

圖2 閉環(huán)控制流程圖

NOx轉(zhuǎn)化效率為設(shè)定值，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)化效率大于設(shè)定轉(zhuǎn)化效率的時(shí)候，系統(tǒng)默認(rèn)尾氣中氨將會(huì)溢出，所以在下一次循環(huán)中將會(huì)對(duì)實(shí)際的噴射量進(jìn)行微調(diào)，適當(dāng)減少實(shí)際的噴射量。當(dāng)實(shí)際的轉(zhuǎn)化效率小于設(shè)定轉(zhuǎn)化效率的時(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)適當(dāng)增加尿素的噴射量。NOx的控制過程需要采用間斷的反饋控制方式，因?yàn)镾CR 脫硝的過程具有一定的滯后性，修正后的尿素噴射量噴入裝置內(nèi)部后，在下一個(gè)循環(huán)中，可能后置NOx傳感器所測(cè)得的濃度并沒有降低，電控裝置會(huì)持續(xù)加大噴射量，造成控制失調(diào)[8]。采取間斷反饋的控制方式時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)立刻在下一個(gè)循環(huán)中做出反應(yīng)，而是在監(jiān)測(cè)到后置NOx傳感器的測(cè)量值變化后趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行下一次修正。

但是閉環(huán)控制模式也存在一定的弊端，該閉環(huán)控制策略是基于誤差的PID 閉環(huán)控制，在實(shí)際控制過程中，具有一定的滯后性，達(dá)到控制目標(biāo)值需要一定的時(shí)間。

4.2 前饋加PID閉環(huán)控制策略

為了提高閉環(huán)控制的時(shí)效性，基于理論噴射量的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)了前饋控制器，可以使被控制快速接近目標(biāo)值。通過控制模式切換開關(guān)，兩種控制器隨著狀態(tài)參數(shù)的變化自動(dòng)進(jìn)行切換，控制模式切換原理如圖3 所示。

圖3 控制模式切換原理圖

其中E_NOx為NOx目標(biāo)轉(zhuǎn)化效率與實(shí)際轉(zhuǎn)化效率的差值，?模式切換閾值模式切換控制器具體的運(yùn)行機(jī)制是當(dāng)被控對(duì)象的值和反饋的值在瞬態(tài)工況下相差較大的時(shí)候，尿素的噴射量由前饋控制主導(dǎo)，好處是可以使被控對(duì)象值更加快速的接近設(shè)定值，使得控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)柴油機(jī)的工況變化，當(dāng)轉(zhuǎn)化效率的誤差在設(shè)定的范圍內(nèi)的時(shí)候，關(guān)閉前饋控制連鎖啟用閉環(huán)PID 控制以提高穩(wěn)定性和可靠性，前饋加閉環(huán)PID 控制流程如圖4 所示。

圖4 前饋加閉環(huán)PID控制策略流程圖

5 前饋加閉環(huán)PID控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)工況及對(duì)象

實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為船舶輔機(jī)，依據(jù)《MARPOL公約附則Ⅵ》附錄中的實(shí)驗(yàn)指南，需要按照GB 15097—2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》D2 五工況循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。D2 循環(huán)測(cè)試工況點(diǎn)如表1 所示。

表1 D2循環(huán)測(cè)試工況點(diǎn)

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為安慶中船柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的6DK-20e 型柴油機(jī)，該柴油機(jī)的主要性能參數(shù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)主要性能參數(shù)

5.2 D2循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

柴油機(jī)啟動(dòng)且運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到要求后，可按照表1 的工況點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)測(cè)試與數(shù)據(jù)記錄工作。

圖5 為原排NOx濃度及加裝SCR 裝置后NOx濃度對(duì)比圖。由圖5 可知，加裝SCR 裝置后，排氣中的NOx含量顯著降低。D2 循環(huán)測(cè)試中在額定轉(zhuǎn)速、75%負(fù)荷的工況下，NOx轉(zhuǎn)化效率最高，為83.8%，各工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率都維持在設(shè)定值83%近，具有較好的魯棒性。整個(gè)D2 循環(huán)NOx的加權(quán)比排放量由7.20 g/（kW·h）下降至1.17 g/（kW·h），低于Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求的2.31 g/（kW·h），并有充足的裕量。

圖5 NOx濃度以及轉(zhuǎn)化效率對(duì)比圖

除了NOx的轉(zhuǎn)化效率，氨逃逸量也是SCR 系統(tǒng)工作性能的重要評(píng)價(jià)因素，工作性能優(yōu)秀的SCR 裝置不僅要追求較高的SCR 轉(zhuǎn)化效率，還要在此基礎(chǔ)上盡可能的降低氨的逃逸量，具體如圖6 所示。

圖6 D2循環(huán)下SCR氨逃逸量

由圖6 可知，SCR 裝置在D2 循環(huán)的測(cè)試中，伴隨負(fù)荷的不斷拉升，氨的逃逸量逐漸減少，在較低負(fù)荷工況的時(shí)候，為了維持較高的NOx轉(zhuǎn)化效率，系統(tǒng)中的出現(xiàn)尿素過度噴射的現(xiàn)象，導(dǎo)致氨逃逸量較多，隨著負(fù)荷的升高，催化劑活性提高，氨的逃逸量不斷減小，但是整個(gè)工況中，氨的逃逸量（體積分?jǐn)?shù)）始終沒有高于10-5，控制效果良好。

5.3 D2循環(huán)瞬態(tài)工況對(duì)比測(cè)試

D2 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)循環(huán)工況表如表3 所示。

表3 D2瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)工況表

整個(gè)循環(huán)工況測(cè)試按照瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)工況表中的工況依次進(jìn)行，循環(huán)測(cè)試中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速維持在900 r/min（100%），試驗(yàn)的柴油機(jī)首先運(yùn)行在50%工況下運(yùn)行一段時(shí)間后，從A 點(diǎn)開始，柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷降至25%，A、B、C、D 點(diǎn)分別代表柴油機(jī)的工況變化起點(diǎn)。瞬態(tài)對(duì)比試驗(yàn)使用了前饋加PID 閉環(huán)控制策略和閉環(huán)控制策略，在進(jìn)行閉環(huán)控制策略測(cè)試時(shí)，程序中關(guān)閉控制模式切換單元。兩種控制策略NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比如圖7 所示。

圖7 瞬態(tài)工況NOx轉(zhuǎn)化效率對(duì)比圖

由圖7 可知，在工況穩(wěn)定的時(shí)候，2 種控制策略的轉(zhuǎn)化效率都維持在設(shè)定值83%左右。在A點(diǎn)和C點(diǎn)，柴油機(jī)的負(fù)荷驟降，由于SCR 系統(tǒng)具有較大的延時(shí)性，所以當(dāng)前置的NOx傳感器檢測(cè)到濃度下降的時(shí)候，后置的NOx傳感器還維持在較高的NOx濃度值，致使NOx的轉(zhuǎn)化效率在柴油機(jī)的負(fù)荷驟降瞬間出現(xiàn)瞬間下降的現(xiàn)象。但是在高負(fù)荷下維持83%的NOx轉(zhuǎn)化效率所需的尿素噴射量高于低負(fù)荷下維持83%NOx轉(zhuǎn)化效率所需要的尿素噴射量，在閉環(huán)控制下隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率迅速上升并逐漸恢復(fù)到目標(biāo)值附近，前饋加PID 閉環(huán)控制由于閉環(huán)控制器的作用，迅速將轉(zhuǎn)化效率拉回到目標(biāo)值附近，相比較于閉環(huán)控制策略具有更好的時(shí)效性。同理，在B 點(diǎn)和D 點(diǎn)，柴油機(jī)的負(fù)荷驟然升高，由于SCR 系統(tǒng)具有延時(shí)性，當(dāng)前置的NOx傳感器檢測(cè)到濃度升高的時(shí)候，后置的NOx傳感器依然維持著較低的NOx濃度值，造成NOx的轉(zhuǎn)化效率在柴油機(jī)負(fù)荷快速升高時(shí)瞬間上升的現(xiàn)象，在低負(fù)荷下維持83%的NOx轉(zhuǎn)化效率所需的尿素噴射量低于在高負(fù)荷下維持83%的NOx的轉(zhuǎn)化效率所需要的尿素噴射量。由圖7 可知，閉環(huán)控制使NOx的轉(zhuǎn)化效率瞬間下降后又恢復(fù)到較高的水平，然后在反饋調(diào)節(jié)的作用下逐漸恢復(fù)到目標(biāo)值附近，前饋加PID 閉環(huán)控制更為迅速的靠近目標(biāo)值波動(dòng)。相比較于閉環(huán)控制，前饋加PID 閉環(huán)控制具有較好的魯棒性，在瞬態(tài)過程中控制效果更好。

6 結(jié)語

本文主要研究了船舶SCR 尿素噴射控制策略，首先對(duì)開環(huán)控制策略、傳統(tǒng)閉環(huán)控制策略以及前饋加閉環(huán)PID 控制策略進(jìn)行對(duì)比研究。然后搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，以船舶發(fā)電柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象在D2 循環(huán)工況下完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以及在D2 瞬態(tài)工況下對(duì)傳統(tǒng)閉環(huán)控制策略和前饋加閉環(huán)PID 控制策略進(jìn)行了對(duì)比研究。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，前饋加閉環(huán)PID 控制策略情況下整個(gè)D2 循環(huán)工況的NOx的加權(quán)比排放量為1.17 g/（kW·h），氨的溢出始量終小于10-5，符合Tire Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。在瞬態(tài)工況下，相比較于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制策略，前饋加PID 閉環(huán)控制具有較好的魯棒性，在瞬態(tài)工況下具有更好的控制效果。