关于氨储存校正计算方法的研究及其对铜基SCR系统NOx减排性能的影响

《Case Studies in Thermal Engineering》：Investigation on the calculation method of ammonia storage correction and its effect on NOx reduction performance of Cu-based SCR system

　　柯孙|马月珍|贾昊然|张革成|窦展成|白树展
中国山东大学核科学与能源动力工程学院，济南，250061

**摘要**
针对柴油机基于铜的选择性催化还原（SCR）系统在瞬态运行条件下存在氨储存估计不准确、转化效率波动以及氨泄漏风险高的问题，本文基于GT-Power建立了一个高精度的SCR催化剂仿真模型，并通过发动机台架试验验证了该模型。通过仿真分析，系统研究了氨储存特性对SCR转化效率的影响，确定了变量运行条件下的氨储存安全阈值，揭示了传统氨储存计算的误差来源，并提出了一种结合NH3-O2反应系数和NH3-NOx反应比系数的双系数校正方法。最后，基于改进的氨储存模型构建了一种分段闭环控制策略，并通过WHTC循环进行了验证。结果表明，氨储存对SCR转化效率的影响存在一个临界温度280°C：在低温范围内呈近似线性相关，在高温范围内影响较弱。变量运行条件下的快速温度升高容易导致氨泄漏，70%的饱和氨储存可以实现效率与泄漏之间的最佳平衡。受NH3-O2副反应和NO2比例的影响，传统的1:1测量方法的最大计算偏差为8%。引入双系数校正后，氨储存计算的偏差减少了28.97%。优化的控制策略可将世界统一瞬态循环（WHTC）下的NOx排放量从5.07 g/(kW·h)降低到0.39 g/(kW·h)，同时保持氨泄漏量始终低于10 ppm。研究结果为柴油机SCR系统中尿素喷射的精确控制提供了理论基础和技术参考。

**1. 引言**
柴油机因其出色的热效率、经济性能和耐用性而被广泛应用于中型和重型道路车辆、船舶、建筑机械和农业机械[1]、[2]、[3]、[4]。然而，随着国际社会对环境问题的日益关注，柴油机广泛应用所引发的环境污染已成为一个主要公共关切[5]、[6]、[7]。其中，废气中的高NOx排放会导致一系列环境问题，如酸雨和光化学烟雾[8]。因此，作为NOx排放的主要来源，减少NOx排放是柴油机排放控制的关键[9]、[10]。

柴油机的NOx排放控制技术包括缸内净化和后处理净化。缸内净化技术（如高压共轨和EGR）已在柴油机中得到广泛应用[11]。然而，随着法规的日益严格，仅依赖缸内净化已无法满足新的限值要求[12]、[13]、[14]、[15]。目前，主要采用选择性催化还原（SCR）技术[16]、[17]、[18]、[19]结合氨滑移催化剂（ASC）来控制柴油机的NOx排放。该技术通过使氨与NOx反应生成氮气和水来减少排放。同时，为了保证柴油氧化催化剂（DOC）[20]和柴油颗粒过滤器（DPF）[21]的可靠运行，SCR系统通常布置在柴油机后处理系统的下游[22]、[23]。

近年来，全球对重型车辆的排放法规更加严格，对SCR系统的性能要求也更高。为了满足更严格的排放标准，有必要进一步升级SCR技术[24]。许多学者开展了相关研究，重点关注提高SCR催化剂性能[25]、[26]、[27]、Cu基SCR中N2O和NOx的协同控制[28]，以及低温条件下SCR转化效率低（SCE）的问题[29]、[30]、[31]、[32]。

基于铜的催化剂是目前SCR的主流催化剂解决方案，因其具有优异的催化性能和水热稳定性[25]。然而，长期运行过程中的催化剂中毒和老化机制会降低活性，从而影响转化效率。沈等人[26]研究了三氧化硫（SO3）、硫酸盐和碱金属对催化剂结构和性能的影响，发现SO3和硫酸盐会显著减少催化剂的活性位点数量。刘等人[27]通过两种酸改性方法调整了CuCeO催化剂的表面酸性，从而提高了Cu基SCR的低温活性和耐碱性。同时，改性的CuCeO催化剂抑制了NH3的氧化，降低了高温下的SCR性能下降。此外，与铁基和钒基催化剂相比，使用Cu基SCR催化剂会显著增加N2O的产生，这与最新的排放法规相矛盾，因此研究Cu基SCR中的N2O抑制机制也至关重要。姚等人[28]通过仿真分析和实验验证研究了Cu基SCR中N2O的生成机制和NOx的协同控制措施，发现控制催化剂中的Cu含量可以在保持整体NOx转化效率（NCE）的同时减少N2O的生成。Sharpe等人[33]在超低NOx排放系统方案的实验研究中提出了Cu基分子筛SCR与铁基催化剂的组合方案，可以有效减少Cu基催化剂上的N2O生成。

柴油机的废气热管理是控制NOx排放的有效措施。热管理措施的效果包括改变进入SCR的NOx中的NO/NO2比例和SCR反应温度。这两种效果分别间接和直接影响NOx的转化[34]。娄等人[30]对柴油机后处理系统中的DOC、CDPF和SCR系统进行了具体研究，发现温度变化是影响DOC和CDPF中一氧化氮/二氧化氮比例的主要因素。不同比例的氮氧化物会进一步影响SCR中的快速反应和慢速反应的比例，从而改变NCE。周等人[35]比较和探讨了各种柴油机后处理热管理方法的效果，包括可变几何形状的涡轮增压器、延迟进气阀关闭时间和后喷射技术。通过WHTC冷启动试验，开发了一种SCR温度热管理系统，可以在冷启动过程中显著减少NOx排放。Sharpe等人[33]基于传统后处理技术路线提出了多种双SCR布置方案。李等人[32]通过仿真和实验验证比较了前置DOC和电加热措施在双SCR系统下的热管理效果，发现电加热装置更为有效。相比之下，前置DOC由于热传导会产生负面影响。

尽管在催化剂和热管理方面的SCR技术研究取得了显著进展，但在开发SCR控制策略方面仍存在挑战。在防止NH3滑移的同时最大化NCE，以及进一步优化尿素喷射策略以适应不同的运行条件和负荷变化，仍是当前研究需要解决的关键问题[36]、[37]。然而，由于SCR系统参数众多，输入和输出的约束和限制较多，系统动态变化复杂，因此在瞬态运行条件下开发控制策略十分困难[38]。目前，SCR控制策略包括开环控制、闭环氨储存控制和闭环NOx排放控制[39]。

开环控制策略主要通过查询MAP获取发动机运行条件信息、原始NOx浓度和氨氮比来计算基本的尿素喷射量[40]。其中，氨氮比不仅要考虑理论计算值，还要考虑NH3损失因素，如尿素在SCR混合器中的结晶和混合均匀性[41]。此外，由于SCR的快速反应、慢速反应和标准反应消耗的尿素量不同，开环尿素喷射量还需考虑SCR入口处的NO2/NOx比例[42]。开环控制策略的优点是实现简单和成本低，在稳态运行下可以获得更稳定的NCE。然而，在瞬态运行过程中，无法实时更新查找表会延迟系统响应。长期使用开环控制容易导致尿素喷射量累积偏差，从而在排气中产生过量的NOx或氨泄漏[43]。

闭环氨储存控制策略通过建立基于SCR的氨储存计算模型并对其进行闭环调节来实时预测氨储存量，以氨储存量为控制目标。Cu基SCR的转化效率与氨储存容量（ASC）呈线性相关，因此合理控制氨储存是提高Cu基SCR NCE的重要途径。然而，由于无法直接测量SCR催化剂涂层中的氨储存量，目前常用的方法是基于物料平衡原理或下游氮氧化物的间接反馈来估计氨储存量[44]、[45]。与以NCE或氨滑移作为控制目标相比，以氨储存量为控制目标更能适应发动机的瞬态运行条件，从而实现更高的NCE[46]。然而，由于低温下氨储存模型的预测误差较大，且温度升高时氨滑移明显，需要进一步改进和校正模型以提高其适用性[35]。

闭环NOx排放控制策略根据SCR系统下游的NOx传感器测量值来控制尿素喷射量。尿素喷射量的计算部分基于后处理信号（SCR温度、上游NOx传感器、尿素泵压力），部分基于柴油机参数（进气压力和进气温度以计算进气量）。在开环控制策略或闭环氨储存控制策略中，这些信号偏差的长期累积容易导致总尿素喷射量的偏差，从而在SCR下游产生显著的NOx或氨泄漏。利用SCR下游的NOx作为反馈信号的闭环尿素喷射可以有效缓解这种非线性信号偏差引起的排放恶化[24]。然而，由于车载NOx传感器对氨的交叉敏感性，在计算喷射量时需要筛选测量数据；否则，闭环尿素喷射结果可能导致更严重的排放污染[47]、[48]。此外，传感器本身价格昂贵且易受环境因素影响，这增加了系统的复杂性和维护成本[49]、[50]。

总之，开环控制响应不佳、氨储存闭环控制估计精度不足以及NOx闭环控制对高精度传感器的依赖限制了SCR系统性能的提升。大多数现有研究集中在催化剂、热管理或单一控制算法上，而对Cu基SCR的氨储存特性、误差机制、校正方法和分段控制策略的系统性研究仍不够充分。为了解决上述问题，亟需对Cu基SCR系统的氨储存特性和控制策略进行系统研究，以填补理论与工程设计之间的差距。基于此，本研究以柴油机Cu基SCR系统为研究对象，使用GT-Power建立了SCR仿真模型，并重点开展以下研究工作：（1）揭示氨储存与SCR转化效率之间的温度耦合规律；（2）确定极端变量运行条件下的氨储存安全阈值和安全系数；（3）明确NH3-O2副反应和NO2比对氨储存计算的影响机制，并建立双系数校正模型；（4）基于改进的氨储存模型构建分段闭环控制策略，并通过世界统一瞬态循环（WHTC）进行验证。研究结果可以为提高柴油机的瞬态NOx减排性能、抑制氨泄漏和优化尿素喷射控制提供理论基础和技术参考。

**2. 实验设置和模型建立**
**2.1. 试验台构造**
实验是在一台2.5升高压共轨柴油机上进行的。已建造的发动机测试台的物理示意图如图1所示，其技术参数列在表1中。在测试过程中，控制是通过潍柴独立开发的测量和控制系统来实现的。收集了诸如发动机转速、扭矩、进气和排气流量及温度以及燃油消耗率等相关数据。此外，还使用了排放分析仪和氨分析仪来实时测量废气成分浓度。主要测量设备的详细信息见表2。

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**图1. 发动机测试台的物理示意图**
**表1. 柴油机的主要技术参数**
| 参数 | 值 |
|--------------|----------------|
| 类型 | 直列四缸、水冷 |
| 孔径（mm） | 90 |
| 行程（mm） | 98 |
| 排量（L） | 2.49 |
| 压缩比 | 17.5 |
| 额定功率（kW） | 125 |
| 额定转速（r/min） | 2900 |
| 最大扭矩（N·m） | 500 |

**燃油系统** | 电子控制的高压共轨 |
**后处理类型** | DOC+DPF+SCR |

**表2. 主要测试设备信息**
| 设备名称 | 制造商 | 型号 | 设备精度 |
| | | | |
| 电动测功机 | Nantong Changce |JD450 | 速度：±0.2%FS；扭矩：±0.5%FS |
| 燃油消耗量计 | Xiangyi | FC2212 | 10.4% |
| 空气流量计 | ABS | Sensyflow-P | ±1% |
| 排放分析仪 | AVL | Li60 | ±0.5%FS |
| 氨分析仪 | ESB | M | 1ppm |

测试中使用的后处理配置为DOC+DPF+SCR，其技术参数见表3。尿素喷射系统采用了Bosch DeNOx2.2平台。涡轮机和SCR系统之后安装了车载NOx传感器。DOC和DPF之前以及SCR系统前后都装有温度传感器。图2和图3分别展示了后处理组件的布局示意图和物理图。

**表3. 后处理技术参数**
| 参数 | 值 |
|--------------|----------------|
| DOC | | |
| DPF | | |
| SCR | | |
| 载体材料 | Cordierite | |
| 催化剂 | Pt, Pd | |
| 分子筛 | Cu-based | |
| 孔隙密度（/cm2） | 400 | |
| 直径（mm） | 190.5 | |
| 长度（mm） | 101.6 | |
| | 127 | |

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**图2. 后处理系统布局示意图**
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**2.1.2. 测试台验证**
测试台搭建完成后，进行了精度验证。对测试柴油机进行了满载特性测试，测试结果如图4所示。该柴油机的额定功率为125 kW，最大扭矩为500 N·m。测试台结果与发动机铭牌数据之间的偏差为0.9%，在允许的测试误差范围内。

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**图4. 发动机满载特性数据**

**2.2. 建立仿真模型**
**2.2.1. 模型构建**
在GT-Power中建立的氨储存校准模型如图5所示。误差函数模块计算模型仿真结果与实验数据之间的累积误差。该累积误差值作为遗传算法中个体的适应度评估指标，其计算方法如下：
(公式此处省略)
其中K表示遗传算法中的种群大小，yi和yim分别表示模型仿真值和实验值。误差函数随仿真时间累积误差，最小化总误差的预指数因子和活化能是反应模型的校准值。

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**图5. SCR催化剂模型**
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**图6. SCR模型验证**

**2.2.2. 模型验证**
为了验证建立的SCR催化剂模型的准确性，使用搭建的测试台进行了单点SCE测试。测试操作条件作为SCR模型仿真的输入条件，并将结果与实验测量值进行对比以验证模型的精度。
在SCR单点转化效率测试中，首先对发动机和后处理系统进行充分预热，期间停止尿素喷射。然后调整发动机转速和扭矩以找到满足SCR催化剂上游温度和空间速度要求的操作条件。在保持该操作点的情况下开始SCR单点转化效率测试。尿素喷射量根据给定的氨氮比1.1:1进行设定，测试持续50分钟。测试过程中实时记录SCR系统上下游的NOx浓度以及下游的NH3浓度。所选测试操作条件见表4。这些操作条件代表了WHSC稳态循环的典型情况，涵盖了广泛的废气温度和流速范围，可以有效验证SCR模型。

**表4. SCR模型验证操作条件**
| 测试条件 | 转速（r/min） | 扭矩（N·m） | 排气流量（kg/h） | SCR上游排气温度（°C） | SCR上游NOx浓度（ppm） |
|------------------|-------------------|-----------------|-------------|---------------|
| 1 | 1753 | 3110 | 170 | 248 | 440 |
| 2 | 1206 | 100 | 95 | 276 | 446 |
| 3 | 1753 | 220 | 207 | 322 | 541 |
| 4 | 1915 | 365 | 775 | 138 | 443 |
| 5 | 1844 | 251 | 542 | 138 | 921 |

**图7. 测试结果与仿真结果的比较**
测试结果与仿真结果一致。随着排气温度的升高，NCE略有下降但仍然保持在90%以上，测试与仿真之间的最大偏差仅为2.56%。最大氨滑移偏差仅为6.6 ppm，满足计算精度要求。因此，所开发的SCR模型适用于后续基于仿真的分析研究。

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**图7. 不同温度下氨储存与SCR转化效率的关系**

**3. 结果与讨论**
**3.1. 氨储存对SCR转化效率的影响**
温度是影响催化剂氨储存能力和SCR转化效率的主要因素。为了定量揭示它们的耦合关系，在空间速度为30000/h的条件下进行了仿真。以NH3/NOx比1.2:1向SCR模型进气口供应NH3，逐渐积累氨储存量，并同时记录转化效率的变化。仿真温度设定为200 °C、220 °C、240 °C、260 °C、280 °C和300 °C。
如图7所示，当氨储存量低于1 g时，SCR转化效率随氨储存量的增加而迅速提高。由于低温下催化剂活性较低，即使在200 °C时氨储存量达到1 g，转化效率也低于40%。温度越低，SCR转化效率对氨储存量的依赖性越强；在200 °C时，转化效率与氨储存量大致呈线性相关。当温度超过280 °C时，催化剂活性显著提高，SCR系统的NOx净化能力不再严重依赖氨储存量。即使氨储存量低于1 g，也能实现超过90%的转化效率。进一步增加氨储存量后，转化效率趋于稳定，不再有明显增长。
综上所述，280 °C可以视为临界温度：在低温范围内（≤280 °C），氨储存量是决定SCR转化效率的关键因素；在高温范围内（>280 °C），氨储存量对转化效率的影响大大减弱。

**3.2. 变化操作条件下的氨储存安全阈值和安全系数**
**3.2.1. 极端变化操作条件下的仿真设置**
在温度快速上升的情况下，SCR催化剂的氨储存能力显著下降，加热速率越高，氨滑移的风险越大。为了确保确定的氨储存安全限值在最恶劣的操作条件下满足高转化效率和低氨滑移的要求，本研究对从低温到高温的典型瞬态过程进行了仿真分析。初始仿真条件设置为：进气温度200 °C，空间速度20000/h，NOx进气浓度400 ppm，氨供应量设定为NH3/NOx比1.2:1，初始氨储存量为0。当氨储存量在当前操作条件下达到设定饱和值时，立即切断NH3供应。同时，进气温度以6 °C/s的速率迅速升至400 °C，空间速度在10秒内升至60000/h，NOx进气浓度同步升至800 ppm。
上述边界条件可以最大程度地再现实际发动机操作的急剧变化，有效触发氨滑移，适用于氨储存安全阈值的最终验证。模型进气条件的变化如图8所示。

**图8. 变化操作条件下的进气条件**

**3.2.2. 不同氨储存水平对氨滑移和NOx转化的影响**
为了明确氨储存水平、瞬态条件下的氨滑移和NOx转化效率之间的相关性，分别设置了氨储存量为饱和氨储存量的40%、70%和100%进行了瞬态仿真。结果如图9所示。在不同氨储存水平下，氨滑移和NOx浓度的变化趋势总体一致，只是在峰值大小和时间上略有差异。

**图9. 不同氨储存水平对氨滑移和NOx转化效率的影响**
以100%饱和氨储存条件为例（图9(a)），引入NH3后氨储存量逐渐增加，出口NOx浓度持续下降。当出口NO3浓度达到5 ppm时，判断达到饱和氨储存量，累积氨储存量为7.93 g。切断NH3供应并触发条件切换后，由于进气NO3浓度突然升高和催化剂温度升高的滞后作用，出口NO3浓度出现瞬时峰值106 ppm。随着催化剂温度的升高，NOx转化效率继续提高，关闭后42秒时出口NO3浓度降至1 ppm。当氨储存量耗尽时，出口NO3浓度迅速回升至800 ppm。同时，在关闭后39秒时出现氨滑移峰值125 ppm，对应的氨储存量为1.92 g。如图10所示，瞬态条件下催化剂进出口之间存在明显的温度梯度，前端的温度上升速率远高于后端。大量吸附NH3的快速解吸是氨滑移的主要原因。

**图10. 瞬态条件下的进出口温度**
氨滑移峰值与氨储存量呈正相关：在100%饱和氨储存量时达到125 ppm，在70%饱和氨储存量时降至18 ppm，在40%饱和氨储存量时仅为6 ppm。然而，过低的氨储存量会显著降低NOx转化效率。在40%饱和氨储存量时，NOx转化率仅为80.5%，关闭后56秒时出口NO3浓度回升至400 ppm。相比之下，在100%饱和氨储存量下，这一时间延长至64秒，并保持高转化效率。通过在200 °C和20000/h的条件下综合平衡NOx转化效率和氨滑移控制，氨储存量控制在70%饱和氨储存量时是最佳范围。在该水平下，NOx转化率可达到93.5%，仅比100%饱和氨储存量低4.3%，同时氨滑移峰值控制在18 ppm，实现了高效转化和低滑移之间的平衡。

**3.2.3. 多种操作条件下的氨储存安全系数确定**
在不同的温度和空间速度下，存在一个最佳氨储存安全阈值，可在瞬态温度上升过程中平衡低氨滑移和高NOx转化效率。对于工程应用，该安全阈值与当前操作条件下的饱和氨储存量的比值定义为氨储存安全系数。
基于本研究建立的SCR模型，对各种温度和空间速度组合进行了系统仿真，得到了适用于该催化剂的氨储存安全系数，如表5所示。在每种空间速度下，氨储存安全系数随温度升高而降低；在相同温度下，安全系数随空间速度的升高而降低。这表明高温和高空间速度条件对氨储存量的上限施加了更严格的限制，应采用更低的安全系数来降低氨滑移的风险。获得的安全系数图可以为全运行条件下的尿素喷射闭环控制提供定量依据。

**表5. 不同温度和空间速度下的氨储存安全系数**
| 空间速度（h?1） | 温度（°C） | |
|-------------|---------|--------|--------|--------|
| 20000 | 200 | 0.7 | |
| 220 | 200 | 0.6 | |
| 240 | 280 | 0.6 | |
| 320 | 400 | 0.6 | |
| 2 | 200 | 0.5 | |
| 3 | 0.5 | |
| 4 | 0.4 | |
| 5 | 0.4 | |

**3.3.****氨储存计算的双系数校正与准确性提升**

在实际发动机运行中，低负荷条件占比很大，排气温度通常较低。为了满足NOx排放法规，SCR系统通常在200°C时开始注入尿素。低温环境容易促进尿素结晶，导致NH3损失。如果使用传统的理论化学计量比进行氨储存计算而不考虑这种NH3损失，结果将与实际值产生较大偏差。此外，SCR反应还包括一个慢反应途径，在该途径中NH3与NOx以4:3的化学计量比反应，这与标准SCR反应的1:1化学计量比有很大差异，进一步增加了氨储存计算的误差。

为了提高氨储存计算的准确性，需要对关键影响因素进行定量校正。SCR系统涉及多种副反应，其中NH3-O2氧化副反应导致的NH3消耗远高于其他副反应，成为计算偏差的主要来源。同时，NO2比例会影响快速SCR、标准SCR和慢速SCR反应的比例，而NH3与NOx之间的实际反应化学计量比也偏离1:1，引入了较大的计算误差。因此，本节分别对NH3-O2氧化副反应以及NO2比例变化对反应化学计量比的影响进行了仿真研究，并建立了一种双系数校正方法，以优化氨储存计算模型的准确性。

## 3.3.1 NH3-O2反应的影响因素分析

为了定量分析NH3-O2副反应对氨储存计算的影响，进行了单点稳态仿真。在稳态条件下持续供应NH3，模型进出口处的浓度趋于稳定，表明SCR内部反应达到平衡。根据NH3质量守恒，可以通过公式（6）计算出NH3-O2反应消耗的NH3量，其中NH3的消耗仍按照传统的1:1化学计量比进行计算：
$$
m_{NH3}_ox = \frac{m_{NH3_out} - m_{NH3_in}}{\lambda_{NH3-O2}
$$
其中 $m_{NH3}_ox$ 是NH3-O2反应消耗的NH3量；$m_{NH3_in$ 和 $m_{NH3_out}$ 分别是进入和离开SCR催化剂的NH3量；$m_{NOx_in$ 和 $m_{NOx_out}$ 分别是进入和离开SCR催化剂的NOx量。

为了直接表征NH3-O2反应的相对强度，定义了NH3-O2反应系数 $\lambda_{NH3-O2}$ 为副反应消耗的NH3量与总入口NH3量的比值。计算公式如下：
$$
\lambda_{NH3-O2} = \frac{m_{NH3_O2}}{m_{NH3_in}
$$
在空间速率为30000/h的情况下，不同温度下$\lambda_{NH3-O2}$的变化如图11所示。随着温度升高，$\lambda_{NH3-O2}$持续增加，表明高温显著促进了NH3-O2氧化反应，导致更多的NH3被消耗。在低温范围（≤250°C）内，NH3的氧化程度很低，$\lambda_{NH3-O2}$ 小于0.01。当温度超过300°C时，副反应显著增强，$\lambda_{NH3-O2}$ 达到0.022。在350°C时，$\lambda_{NH3-O2}$ 超过0.05，意味着超过5%的NH3因氧化而损失。如果不进行校正，这将导致氨储存计算结果出现显著偏差。

## 3.3.2 不同NO2比例下NH3与NOx反应量的关系

为了消除副反应的干扰并准确确定NH3与NOx之间的化学计量关系，仿真中禁用了NH3氧化反应，使用单点稳态条件进行分析。在模型进出口处的浓度稳定后，分别根据NH3和NOx的浓度差计算了实际的NH3反应量和NOx反应量。

入口NO2比例设定为10%-60%。在空间速率为30000/h的情况下，研究了四种典型温度（250°C、300°C、350°C、400°C）对反应比例的影响。为了定量描述它们之间的关系，定义了NH3-NOx反应比率系数 $\lambda_{NH3/NOx}$，其表达式如下：
$$
\lambda_{NH3/NOx} = \frac{m_{NH3_out}}{m_{NOx_out}}
$$
如图12所示，NH3-NOx反应比率通常随NO2比例的增加而增加，当NO2比例超过30%时，这种增加更为明显。温度对反应比率有显著影响：较高温度会提高比率并增强其对NO2比例的敏感性。在柴油发动机的常见工作范围（300°C～400°C）内，SCR入口处的NO2比例通常在30%到50%之间，对应的反应比率在1.01～1.08之间。如果仍然按照传统的1:1化学计量比进行计算，将会引入0～8%的NH3反应量偏差，表明引入NO2比例校正可以有效提高氨储存计算的准确性。

## 3.3.3 氨储存计算的校正

基于上述分析，NH3-O2氧化副反应和NO2比例引起的化学计量偏差是氨储存计算误差的主要因素。为了提高计算准确性，将NH3-O2反应系数 $\lambda_{NH3-O2}$ 和NH3-NOx反应比率系数 $\lambda_{NH3/NOx$ 同时引入传统的质量守恒模型中，构建了一个双系数校正模型，如图（5）所示：
$$
\theta = 1 - (\lambda_{NH3-O2} \cdot \lambda_{NH3/NOx})
$$
其中 $\theta$ 是氨储存容量；$m_{DoxNH3}$ 是尿素分解产生的NH3的质量流量；$m_{NOxcnvNH3}$ 是NH3被NOx转化消耗的质量流量；$m_{NH3}$ 是氨漏失的质量流量。

为了验证校正模型对准确性的提升，分别在300°C进行了氨储存加载-卸载仿真。以NH3/NOx比例为1.2:1连续供应NH3直至饱和，然后停止供应。比较了传统计算方法和双系数校正方法的结果，如图14所示。由于计算误差，两种方法在氨储存卸载结束时都没有归零，但校正模型的计算偏差显著减小。

## 3.4 基于WHTC循环的控制策略优化验证

为了验证基于双系数校正的氨储存控制策略的实际减排效果，使用WHTC瞬态循环的测试数据进行了仿真对比分析，结果如图15所示。在439秒之前，未激活尿素喷射，由于初始氨储存效果较弱，出口NOx浓度略低于原始排放量。439秒后，满足尿素喷射条件，NH3的连续供应迅速降低了SCR下游的NOx浓度。在随后的运行条件下，SCR温度保持在高效转化范围内，NOx得到充分净化，只有在剧烈波动时出现小的瞬时峰值。

仿真结果表明，在优化策略下，循环加权NOx排放量从5.07 g/(kW·h)降低到0.39 g/(kW·h)。与未校正的基本策略相比，双系数校正策略显著抑制了低温瞬态区域（550秒至900秒）内的NOx浓度峰值（图15(b)）。原因是氨储存计算的准确性提高，观测到的氨储存量低于传统方法的结果。闭环系统相应地增加了尿素喷射量，从而在低温下实现更充足的氨储存，进而提高了NOx转化效率。

氨漏失仿真结果显示，优化前后平均氨漏失浓度均低于10 ppm。这表明基于双系数校正的控制策略显著提高了NOx转化效率，同时没有恶化氨漏失情况。

## 4. 结论

本文系统研究了柴油发动机中铜基SCR系统的氨储存特性、计算精度和尿素喷射控制策略。在GT-Power中开发了一个高精度催化剂仿真模型，并通过发动机台架测试进行了验证。揭示了氨储存对SCR转化效率的影响，确定了瞬态条件下的氨储存安全阈值，明确了传统氨储存计算的误差来源，并建立了双系数校正模型。通过WHTC循环验证了优化控制策略的有效性。主要结论如下：
1. 氨储存对SCR转化效率的影响具有明显的温度依赖性，280°C为临界温度。在低温范围（≤280°C）内，SCR转化效率随氨储存量的增加而近似线性提高，氨储存是主导因素。在高温范围（>280°C）内，催化剂活性充足，氨储存对转化效率的影响大大减弱。
2. 严重的温度升高会迅速降低催化剂的氨储存容量并引发氨漏失。70%的饱和氨储存量可在NOx转化效率和氨漏失之间达到最佳平衡。推导出的氨储存安全因子随温度和空间速率的增加而降低，为全工况尿素喷射控制提供了定量依据。
3. 基于1:1化学计量比的传统氨储存计算存在较大误差，主要来源于两个方面：1）NH3-O2氧化副反应，该反应随温度升高而显著增强，在400°C时NH3氧化比例超过10%；2）NO2比例引起的反应化学计量比变化，实际反应比率在1.01到1.08之间波动，引入了0–8%的计算误差，最大误差出现在350°C附近。
4. 双系数校正模型同时引入了NH3-O2反应系数 $\lambda_{NH3-O2}$ 和NH3-NOx反应比率系数 $\lambda_{NH3/NOx}$，显著提高了氨储存计算的准确性。在300°C下进行氨储存加载和卸载的仿真显示，校正后的计算偏差从2.52 g降低到1.79 g，相对偏差减少了28.97%。
5. 基于双系数校正的优化控制策略显著提升了SCR的瞬态减排性能。WHTC循环验证表明，NOx排放量从5.07 g/(kW·h)降低到0.39 g/(kW·h)，有效抑制了550秒至900秒期间的低温瞬态NOx峰值。同时，平均氨漏失浓度保持在10 ppm以下，实现了高效转化和低氨漏失的协同优化。舒展白（Shuzhan Bai）：项目管理工作、资金筹措、正式分析；
孙珂（Ke Sun）：撰写内容——审阅与编辑、撰写原始稿件、软件开发、方法论设计、调查研究、正式数据分析、数据整理与处理、概念框架构建；
马月金（Yuejin Ma）：软件开发、数据整理与处理。

**利益冲突**
作者声明：他们不存在任何可能影响本论文研究结果的利益冲突或个人关系。

**数据获取**
数据可应要求提供。