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CN112879136A - 一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置 - Google Patents

一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，该评价方法用到了影响尿素结晶最重要的两个系数，即质量风险系数和温度风险系数，结晶风险系数η根据质量系数ηm和温度系数ηt计算得到，平均结晶风险系数

Description

一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置
技术领域
本发明涉及SCR结晶技术领域，具体是一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置。
背景技术
Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)是国六柴油机车降低NOx排放的主要技术手段，是利用氨气和NOx发生催化还原反应消除柴油机尾气中氮氧化物的技术。尿素喷射是通过电控系统控制实现的，尿素经过尿素喷嘴喷射到SCR混合器中与废气反应分解出氨气。
但是目前SCR在使用过程中，产生尿素结晶的风险较高，造成整车油耗增加、后处理NOx转化效率下降等问题；尿素喷射主要是根据原排NOx和尾排NOx的关系标定的，但标定完成后评价尿素结晶风险的方法比较少，尤其是针对瞬态工况。因此，本领域技术人员提供了一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法及其装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，该评价方法用到了影响尿素结晶最重要的两个系数，即质量风险系数和温度风险系数，从评价尿素喷射量的角度确定质量风险系数ηm，从温度的角度确定温度风险系数ηt，尿素结晶风险系数η和平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000011
计算方法，结晶风险系数η根据质量系数ηm和温度系数ηt计算得到，可以是二者的乘积，也可以是二者加权后求和，形式不限，平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000012
是由结晶风险系数η在瞬态工况持续时间t内的积分后取平均值得到，可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000021
阈值。
作为本发明再进一步的方案：质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值Mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；由于发动机和SCR后处理有一段距离，废气从发动机排出后经过时间t’延迟后到达后处理，根据DOC前排气温度TbDOC和废气物性参数确定排气密度ρexh，根据排气质量流量Mexh、排气密度ρexh、排气管长度L和排气管直径D计算得到延迟时间t’，每个工况点取延迟时间t’之后的尿素喷射量
Figure BDA0002921249200000022
和尿素需求量MUWS对比，计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大。
作为本发明再进一步的方案：温度系数ηt计算方法，根据SCR前排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f(t)，比如温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据SCR前排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f(t)可随时根据试验情况进行调整。
一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的装置，包括进气管路、排气管路，其特征在于，所述进气管路上设置有进气流量传感器，所述进气管路的一端连接有发动机，发动机的另一端连接有排气管路，所述排气管路的入口一侧位置处设置有上游NOx传感器，排气管路的中部设置有SCR混合器，且排气管路的后端设置有下游NOx传感器，所述SCR混合器的前端设置有尿素喷嘴，且SCR混合器的前端靠近尿素喷嘴的一侧位置处设置有温度传感器，所述上游NOx传感器的一侧设置有DOC前排气温度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
从质量和温度两个对结晶影响最大的方面计算得到尿素结晶风险系数，用数学方法将尿素结晶风险量化，通过标定可以得到尿素结晶的阈值，将尿素分解详细机理融入模型，把化学反应路径用数学方程式的形式表达，考虑排气管路布置对瞬态工况下尿素结晶风险的影响，尿素结晶风险系数不是固定公式，可以根据台架瞬态试验进行标定，可靠性高，通用性广。
附图说明
图1为一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法的框架图；
图2为一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的装置结构示意图。
图中：1、进气流量传感器；2、上游NOx传感器；3、温度传感器；4、尿素喷嘴；5、下游NOx传感器；6、排气管路；7、SCR混合器；8、DOC前排气温度传感器；9、进气管路；10、发动机。
具体实施方式
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，该评价方法用到了影响尿素结晶最重要的两个系数，即质量风险系数和温度风险系数，从评价尿素喷射量的角度确定质量风险系数ηm，从温度的角度确定温度风险系数ηt，尿素结晶风险系数η和平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000031
计算方法，结晶风险系数η根据质量系数ηm和温度系数ηt计算得到。可以是二者的乘积，也可以是二者加权后求和，形式不限，平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000032
是由结晶风险系数η在瞬态工况持续时间t内的积分后取平均值得到，可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的平均结晶风险系数
Figure BDA0002921249200000033
阈值。
质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值Mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；由于发动机和SCR后处理有一段距离，废气从发动机排出后经过时间t’延迟后到达后处理，根据DOC前排气温度TbDOC和废气物性参数确定排气密度ρexh，根据排气质量流量Mexh、排气密度ρexh、排气管长度L和排气管直径D计算得到延迟时间t’，每个工况点取延迟时间t’之后的尿素喷射量
Figure BDA0002921249200000041
和尿素需求量MUWS对比，计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大。
温度系数ηt计算方法，根据SCR前排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f(t)，比如温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据SCR前排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f(t)可随时根据试验情况进行调整。
SCR上游NOx传感器2安装在SCR混合器7前端，也可以安装在DOC前端或者DPF前端，用于测量SCR转化前的NOx浓度；SCR下游NOx传感器5安装在SCR下游，用于测量SCR转化后的NOx浓度；SCR前排气温度通过温度传感器3测得，安装在SCR混合器7前端，用于测量进入SCR混合器7的排气温度；SCR混合器7的一侧设置有尿素喷嘴4，进气管路9上设置有进气流量传感器1，用于测量进入发动机的气体质量流量，进气管路9的一端连接有发动机10，发动机10的另一端连接有排气管路，上游NOx传感器2的一侧设置有DOC前排气温度传感器8,用于检测DOC前排气的温度值。
其中，SCR使用的还原介质一般是浓度32.5％的尿素水溶液，理想状况下，经尿素喷射器高压喷射出尿素水溶液可以迅速与高温废气产生相互作用，到达催化剂前完全分解生成NH3，在催化剂作用下，NOx发生还原反应生成N2。实际情况下，受多种因素制约下，尿素水溶液很难完全分解，NH3、HNCO和尿素都有可能进入SCR催化器，尤其是在排气温度比较低的情况下。此外，喷射的溶液会发生撞壁并形成液膜，液膜蒸发吸热降低了壁面温度，加剧了尿素水溶液的不完全分解，从而产生尿素结晶及其他沉积物，如缩二脲、三聚氰酸等。
可以看出，对尿素结晶影响比较重要参数有尿素喷射量、排气温度，如果尿素喷射量过多，超过需求量，会有多余未反应的尿素残留，附着在壁面上就容易产生结晶，也就是结晶风险增加；如果排气温度过低，尿素分解的能量不足，会有尿素来不及反应，尿素结晶的倾向增大。瞬态工况下，尿素分解不稳定，容易有未反应的尿素在SCR混合器和SCR前端形成结晶，使SCR转化效率下降，如果能够准确评价瞬态工况下尿素结晶的风险，就可以提前进行结构或标定优化。
本文尿素结晶风险的评价方法正是从以上两个角度出发，每个角度都会得到相应风险系数，两个系数最后合成结晶风险系数，在瞬态工况的持续期内进行积分，最后取平均结晶风险系数。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于，该评价方法用到了影响尿素结晶最重要的两个系数，即质量风险系数和温度风险系数，结晶风险系数η根据质量系数ηm和温度系数ηt计算得到，平均结晶风险系数
Figure FDA0002921249190000011
是由结晶风险系数η在瞬态工况持续时间t内的积分后取平均值得到，可以在台架试验过程中根据结晶情况进行标定，并确定结晶出现时的平均结晶风险系数
Figure FDA0002921249190000012
阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于，质量系数ηm计算方法，根据进气流量传感器测得进气质量流量Min和台架油耗量测量值mfuel，二者求和得到排气质量流量Mexh；根据排气质量流量Mexh和上游NOx浓度CUSNOx计算得到NOx的量MNOx，根据NOx和NH3反应的化学方程式计算得到转化指定NOx的NH3需求量MNH3；根据尿素分解化学方程式计算生成指定NH3的尿素需求量MUWS；由于发动机和SCR后处理有一段距离，废气从发动机排出后经过时间t’延迟后到达后处理，根据DOC前排气温度TbDOC和废气物性参数确定排气密度ρexh，根据排气质量流量Mexh、排气密度ρexh、排气管长度L和排气管直径D计算得到延迟时间t’，每个工况点取延迟时间t’之后的尿素喷射量
Figure FDA0002921249190000013
和尿素需求量MUWS对比，计算得到质量系数ηm，实际尿素喷射量和需求量比值越大，质量系数ηm越大。
3.根据权利要求1所述的一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的方法，其特征在于，温度系数ηt计算方法，根据SCR前排气温度传感器测得排气温度TbSCR；根据尿素分解的详细机理，绘制温度系数ηt随温度TbSCR变化的方程曲线f(t)，比如温度较低时，温度系数较高，温度超过一定阈值后，不再有结晶风险，温度系数设为0；根据SCR前排气温度TbSCR计算得到温度系数ηt，排气温度越低，温度系数越大，其中，方程f(t)可随时根据试验情况进行调整。
4.一种基于瞬态工况评价尿素结晶风险的装置，包括进气管路、排气管路，其特征在于，所述进气管路设置有进气流量传感器，所述进气管路的一端连接有发动机，发动机的另一端连接有排气管路，所述排气管路的入口一侧位置处设置有上游NOx传感器，排气管路的中部设置有SCR混合器，且排气管路的后端设置有下游NOx传感器，所述SCR混合器的前端设置有尿素喷嘴，且SCR混合器的前端靠近尿素喷嘴的一侧位置处设置有温度传感器，所述上游NOx传感器的一侧设置有DOC前排气温度传感器。
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