SCR-katalysaattorin ammoniakkilatauksen LQG-säätö
Kinnunen, Ari-Pekka (2022)
2022
Automaatiotekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Automation Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-06-07
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205245215
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205245215
Tiivistelmä
SCR-järjestelmä (engl. Selective Catalytic Reduction, selektiivinen katalyyttinen pelkistyminen) on dieselmoottorin pakokaasun jälkikäsittelyjärjestelmä, jonka avulla dieselmoottorin tuottamia typen oksidien (NOx) päästöjä voidaan vähentää. Tiukentuvien päästölainsäädännön asettamien rajojen vuoksi SCR-järjestelmältä vaaditaan tulevaisuudessa entistä parempaa tehokkuutta. Suunnitteilla olevassa työkoneiden Tier 5 -päästöstandardissa typen oksidien rajaksi ehdotetaan 0,04 g/kWh, joka on 90 % nykyistä 0,4 g/kWh rajaa pienempi. Käytännössä tiukentuva päästöraja tarkoittaa, että SCR-järjestelmältä vaaditaan lähes täydellistä NOx-konversiota järjestelmän ollessa toiminta-alueellaan.
Tässä työssä suunnitellaan SCR-järjestelmän urearuiskutuksen takaisinkytketty säätö. Urea hajoaa pakokaasussa ammoniakiksi, joka pelkistää typen oksidit SCR-katalysaattorissa. Järjestelmän NOx-konversiota hallitaan syötetyn urean ruiskutusmäärää ohjaamalla. Tavoitteena on ylläpitää mahdollisimman suuri NOx-konversio ilman liian suurta ammoniakkipäästöä. Tavoitteen saavuttamiseksi suunnitellaan katalysaattoriin varastoituneen ammoniakin eli ammoniakkilatauksen hallintaan perustuva, vahvistusskeduloitu LQG-säädin (engl. Linear Quadratic Gaussian). Katalysaattorin ammoniakkilatauksen estimoimiseksi suunnitellaan katalysaattorin keskelle sijoitetun ammoniakkianturin mittausta hyödyntävä laajennettu Kalman-suodin.
Suunnitellun säätöjärjestelmän suorituskyky validoitiin moottoridynamometrillä suoritetuilla käytännön kokeilla. Järjestelmällä saavutettiin erittäin matala NOx-päästötaso, NOx-konversion ollessa lähes täydellinen SCR-järjestelmän ollessa toiminta-alueella. Tyyppihyväksynnässä käytettävässä NRTC-testisyklissä NOx-päästökertoimeksi mitattiin 0,011 g/kWh kuumakäynnistyksenä ajetussa syklissä. Suurin mitattu katalysaattorin jälkeinen ammoniakkipitoisuus oli 8,61 ppm, joka syntyi moottorin kuormannostotilanteesta johtuvan katalysaattorin lämpötilan nopean nousun aikana.
Tässä työssä suunnitellaan SCR-järjestelmän urearuiskutuksen takaisinkytketty säätö. Urea hajoaa pakokaasussa ammoniakiksi, joka pelkistää typen oksidit SCR-katalysaattorissa. Järjestelmän NOx-konversiota hallitaan syötetyn urean ruiskutusmäärää ohjaamalla. Tavoitteena on ylläpitää mahdollisimman suuri NOx-konversio ilman liian suurta ammoniakkipäästöä. Tavoitteen saavuttamiseksi suunnitellaan katalysaattoriin varastoituneen ammoniakin eli ammoniakkilatauksen hallintaan perustuva, vahvistusskeduloitu LQG-säädin (engl. Linear Quadratic Gaussian). Katalysaattorin ammoniakkilatauksen estimoimiseksi suunnitellaan katalysaattorin keskelle sijoitetun ammoniakkianturin mittausta hyödyntävä laajennettu Kalman-suodin.
Suunnitellun säätöjärjestelmän suorituskyky validoitiin moottoridynamometrillä suoritetuilla käytännön kokeilla. Järjestelmällä saavutettiin erittäin matala NOx-päästötaso, NOx-konversion ollessa lähes täydellinen SCR-järjestelmän ollessa toiminta-alueella. Tyyppihyväksynnässä käytettävässä NRTC-testisyklissä NOx-päästökertoimeksi mitattiin 0,011 g/kWh kuumakäynnistyksenä ajetussa syklissä. Suurin mitattu katalysaattorin jälkeinen ammoniakkipitoisuus oli 8,61 ppm, joka syntyi moottorin kuormannostotilanteesta johtuvan katalysaattorin lämpötilan nopean nousun aikana.