1、第 44卷 第 3期2023年 6月Vol.44 No.3June 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering柴油机尿素选择性催化还原系统虚拟标定及NOx转化率优化方法研究杨璐1，王贵勇1，王煜华1，何述超2（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.昆明云内动力股份有限公司，昆明 650500）Research on Virtual Calibration of Urea-Selective Catalyst Reduction System and Optimization Method of NO
2、x Conversion Rate of A Diesel EngineYANG Lu1，WANG Guiyong1，WANG Yuhua1，HE Shuchao2（1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.Kunming Yunnei Power Co.，Ltd.，Kunming 650500，China）Abstract：Based on the virtual calibration me
3、thod using the joint simulation of the physical model of the urea-selective catalyst reduction（SCR）system and the urea injection quantity control model，the target NOx conversion rate map was obtained.The multi-objective genetic algorithm was used to optimize the urea-SCR system，NOx conversion and NH
4、3 leakage value，and the target value of the optimal urea injection volume was obtained from urea-SCR system.The effects of the original exhaust parameters and the optimization results on the NOx conversion were analyzed.The simulation results show that the optimized urea injection amount can achieve
5、 higher NOx conversion rate，and the NOx conversion rate is increased by 35%around on average under the condition of exhaust temperature of 200300 ，which conforms to the China emission standard for NH3 leakage limits.摘要：基于尿素选择性催化还原系统物理模型与尿素喷射量控制模型联合仿真的虚拟标定方法，获得了目标 NOx转化率脉谱；采用多目标遗传算法对尿素选择性催化还原系统进行优化，得
6、到最优尿素喷射量目标值，同时优化了 NOx转化率和 NH3泄漏值。分析了原排参数及优化结果对 NOx转化率的影响。仿真结果表明，采用优化后的尿素喷射量可实现较高的NOx转化率，在排温 200300 的条件下 NOx转化率平均提高 35%左右，同时满足国六排放法规对 NH3泄漏限值的要求。关键词：柴油机；选择性催化还原；NOx；虚拟标定；遗传算法Key words：diesel engine；selective catalytic reduction（SCR）；NOx；virtual calibration；genetic algorithmDOI：10.13949/ki.nrjgc.2023.
7、03.008中图分类号：TK421文章编号：1000-0925（2023）03-0063-09440034收稿日期：2022-11-10修回日期：2022-12-23基金项目：云南省科技厅揭榜制项目（202104BN050007）；云南省科技计划项目（202102AC080004）Foundation Item：Science and Technology Department Unveiling Project of Yunnan Province（202104BN050007）；Science and Technology Project of Yunnan Province（202102
8、AC080004）作者简介：杨璐（1996），女，硕士生，主要研究方向为柴油机虚拟标定技术，E-mail：；王贵勇（通信作者），E-mail：。2023年第 3期内燃机工程0概述据国家生态环境部的相关数据统计，2020 年中国柴油车 NOx排放量为 544.9 万t，占汽车污染物排放总量的 88%以上1。自 2015 年中国全面实施柴油车国六标准以来，后处理技术已经成为柴油车尾气 污 染 控 制 的 必 备 技 术2。选 择 性 催 化 还 原（selective catalyst reduction，SCR）技术是目前降低柴油机 NOx排放量的主流技术3。其中，尿素 SCR技术因其有较高的
9、NOx转化率且还原剂（尿素溶液）易于携带等优势备受关注。目前，尿素 SCR 系统的研究重点主要在于精准控制尿素喷射量和预测储氨量，以在法规要求的NH3泄漏量限值内实现最高的 NOx转化率。以往的研究发现，尿素喷射不足会导致 NOx排放超标；而尿素喷射过量则会增加尿素消耗量和 NH3泄漏4。研究者们通过改变尿素喷射方式5及开发新的尿素喷射控制策略6来改善 NOx转化率，获得一定成效。由于 SCR 催化器储氨量无法测量，而 NOx排放和NH3泄漏与 SCR 催化器的氨储量直接相关7，文献8 中基于对催化器下游 NOx变化规律的研究，提出变化规律法应对储氨量计算的问题。尿素量和储氨量的控制是尿素 S
10、CR 系统控制策略设计的核心。前期控制策略的设计与尿素喷射量及储氨量的脉谱数据密切相关，这些脉谱数据的标定是影响整个系统 NOx净化效率的关键因素。文献 3，910 中基于发动机台架开展尿素 SCR 系统的标定工作。基于台架的标定对于人力、物力的消耗及局部区域的污染是极大的，尤其是尿素 SCR 系统的标定需要消耗大量的尿素溶液。虚拟标定技术被广泛应用于柴油机参数优化标定，并被证明可有效 缩 短 产 品 研 发 周 期 及 降 低 发 动 机 台 架 试 验 成本1112。以往尿素 SCR 系统标定的相关研究中极少有尿素 SCR 系统虚拟标定的研究。基于以上原因，搭建了有效的虚拟标定平台对尿素
11、SCR 系统进行标定研究，并运用非支配排序遗传算法（non-dominated sorting in genetic algorithm，NSGA-）获得了最优的尿素喷射量目标值。基于SCR 虚拟标定及 NSGA-的参数优化算法有助于缩短 SCR 控制器的开发周期，减少燃油和尿素的消耗，提高台架标定的效率。1尿素 SCR 系统组成与化学动力学原理分析充分了解研究对象并建立合适的物理模型是进行虚拟标定研究的关键。对于尿素 SCR 系统建模，最重要的是掌握催化器内部化学反应机理，并建立化学反应动力学模型；基于催化器内部化学反应机理选取满足研究条件的化学动力学模型表达式，尽可能地还原实际 NOx净化
12、过程。1.1系统组成尿素 SCR 系统主要由尿素溶液供给系统、SCR催化器、相关传感器及尿素喷射器组成，尿素溶液供给系统包括尿素箱、尿素泵、尿素供给管路，传感器包括温度传感器、NOx传感器、尿素箱液位传感器等，如图 1 所示。系统工作流程为：当柴油机运行达到尿素溶液起喷工况时，尿素 SCR 系统控制器通过尿素溶液供给系统驱动喷射器向 SCR 催化器前端喷入适量的尿素水溶液，在 SCR 催化器中经过一系列的化学反应将 NOx转化为 N2和 H2O。1.2工作原理尿素溶液通过喷射器进入高温排气中，经过雾化、蒸 发、热 解 和 水 解，最 终 为 反 应 提 供 还 原 剂NH313。NH3与 NO
13、x在催化剂内部发生反应，催化剂活性受催化器床温限制，一般认为催化剂活性温度窗口在 200550 范围内14。1.2.1SCR 催化器内部化学反应机理分析NH3与 NOx在 SCR 催化器内部的催化还原反应采用 Eley-Rideal 机理15，吸附态的 NH3在活性位上等待与 NOx发生反应，与此同时也会有部分 NH3*从活性位脱附，催化剂的活性位点用 S 表示。吸附和脱附反应分别用式（1）、式（2）表示。S+NH3NH3*（1）NH3*S+NH3（2）吸附态的 NH3与 NOx发生还原反应，生成 N2和 H2O，反应式见式（3）式（5）。4NH3*+4NO+O24N2+6H2O（3）2NH3
14、*+NO+NO22N2+3H2O（4）8NH3*+6NO27N2+12H2O（5）图 1尿素 SCR系统示意图 64内燃机工程2023年第 3期后处理系统通常采用 SCR 前置氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）和柴油机颗粒物捕集器（diesel particulate filter，DPF）共同抑制气态污染物排放，这对最终在 SCR 催化剂内参与还原反应的 NO2比例有很大影响。在模型中考虑式（6）的反应发生情况，增加快速反应发生的机会，提高催化剂低温活性。NO+0.5O2 NO2（6）吸附态的 NH3会与 O2发生氧化反应或与 NO2反应生成不被期望的产
15、物 N2O，因此在模型中还需考虑式（7）、式（8）的反应发生情况。4NH3*+3O22N2+6H2O（7）2NH3*+2NO2N2+N2O+3H2O（8）基于 AVL/CRUISE M 搭建的尿素 SCR 催化器模型如图 2 所示，主要包括 1 个尿素喷射器和 1个 SCR 催化器模型，暂不考虑尿素罐、尿素泵等供给系统及传感器模型的建立。通过数据关系（data bus connections）输入尿素喷射量控制模型所需的信息，通过在尿素 SCR 模型中嵌入利用 Simulink 搭建的尿素喷射量控制模型，将实时运算的尿素喷射量通过数据连接传输到尿素喷射器模型。图中主要模块的数据关系如下：模块
16、1 为原排质量流量、NOx体积分数等参数输出到尿素喷射量控制模块；模块 2为尿素喷射量控制模块，向尿素喷射器输出最终尿素喷射量值；模块 3 实时监测尿素喷射量；模块 4 实时监测 SCR 催化器下游 NOx和 NH3体积分数；模块 5 向尿素喷射量控制模块输出下游 NOx和 NH3体积分数。催化器模块内部一共有 11 种化学反应模型。为简化模型并减少计算时间，选取了式（1）式（8）中的 8 种反应开展研究。1.2.2化学反应动力学建模理论基于 Eley-Rideal 机理建立催化器内部化学反应动力学模型的方法被广泛采用，且仿真与试验数据的一致性已被证实。按照 Eley-Rideal 机理，催化器内部有式（1）式（8）8 个代表相关动力学的主要化学反应模型1517，其化学反应速率r1r2的表达式依次见式（9）式（16）。r1=k1exp()-E1RuTwCNH3(1-)（9）r2=k2exp()-E2()1-RuTw（10）r3=k3exp()-E3RuTwCNOCO2（11）r4=k4exp()-E4RuTwCNOCNO2（12）r5=k5exp()-E5RuTwCNO2（13）r6=
