基于GTPOWER与Simulink的船用柴油机SCR控制系统仿真研究.docx

基于GT-POWER与Simulink的船用柴油机SCR控制系统仿真研究李文听1，石勇1，孙军1，黄帅2哈尔滨工程大学动力学院，哈尔滨150001）（1.（2.上海沪东重机有限公司，上海200000）摘要：为了减少SCR 控制系统的开发时间和费用，以MAN BW公司生产的6S50ME-Ｃ型船用柴油机为例,建立了基于GT-POWER软件的柴油机准维模型，通过仿真结果与台架试验数据的对比，表明该柴油机模型能够应用于预测NOx 的排放。并在此基础上建立了基于MATLAB/Simulink 的SCR控制策略模型，通过监测柴油机尾气中NOx的含量，转化 成所需的尿素溶液喷射量，实现对尿素溶液喷射量的控制。通过两者耦合仿真，能够初步验证尿素喷射策略的正确性， 降低SCR控制策略开发成本，具有一定的实际意义。关键词：柴油机；GT-POWER；MATLAB/Simulink；SCR；系统仿真随着全球环境日益恶化和人们环保意识的逐渐加强,控制船用发动机有害气体排放的要求日 益强烈。国际海事组织（IMO)决定2016在排放 控制区实施Tier Ⅲ(NOx 排放较TierⅠ降低80%)法规。鉴于现有的柴油机技术水平,仅依靠柴油机 机前和机内措施很难大幅度同时降低NOx和PM中NOx 的含量，转化成所需的尿素喷射量，实现对尿素溶液喷射量的控制。通过联合仿真，能够 初步验证尿素喷射策略的正确性，降低SCR控制 策略开发成本，具有一定的实际意义。1 柴油机模型1.1GT-POWER简介柴油机应用GT-power 软件进行建模仿真。排放，要满足更加严格的排放法规,油机后处理技术来降低NOx［1-2］。必须结合柴GT-SUITE 系列软件是美国Gamma Technologies公司开发的汽车仿真分析软件，其组成部分GT-power 是专业进行发动机性能仿真的软件，它基于管内一维流动和缸内容积法进行计算分析， 适合于模拟分析各种发动机的性能[3]。故GT-power 现在已广泛应用于发动机的仿真与开 发中。1.2 柴油机模型6S50ME-C是由MANBW公司推出的一种船用大功率低速柴油机，在船舶柴油机领域具有 明显的优势，本文应用GT-power软件对其建模仿 真。其基本参数如表1所示。选择性催化还原（Selective Catalytic Reduct-ion，缩写为SCR）法是一种废气后处理方法，其 基本原理是在催化剂作用下，向尾气中喷尿素溶 液作为还原剂，把柴油机尾气中的氮氧化合物转 化为氮气和水蒸气。它能够大幅度降低NOx排放， 也是目前公认的比较成熟的、能够达到Tier Ⅲ法 规的主要方法。该方法受到了世界主要柴油机生 产厂商的普遍关注和重点研究，如MANBW 公 司研究的SCR技术较为成熟,并成功的6S50MC低速柴油机上安装了SCR系统，瓦锡兰公司为满 足排放要求,也着力于SCR系统的研究，而国内 在SCR技术上的研究还处于开始阶段,现今仍难 以形成产业化,船用SCR产业化研发迫在眉睫。本文主要研究了船用柴油机及SCR控制系统仿真模型的搭建，通过搭建二冲程低速柴油机6S50ME-C的GT-POWER准维模型，并利用试验结果验证模型的准确性，并在柴油机模型的基础上加入SCR控制策略模型，通过计算柴油机尾气表1柴油机基本参数型号6S50ME-C型式冲程数缸径X行程（mm） 压缩比 连杆长度（mm） 额定转速（rpm） 额定功率（KW）直列六缸二冲程500X 20001720501279960作者简介：石勇（1973-），男，副教授，硕士生导师；研究方向柴油机电控及仿真。E-mail: sy.heu@hrbeu.edu.cn在实际建模过程中，由于柴油机的实体很多，而且结构也很复杂，如按照真实实体结构建立计算几何模型，需要花费大量时间且难以实现，也没有必要。因此根据实际经验，在保证对数值计算精度不产生很大影响的前提条件下，对实体结构进行一些等效简化处理。根据所研究柴油机的一些主要结构参数，将柴油机的整个热力系统简化为由进排气子系统、燃油喷射子系统、气缸曲轴箱子系统、涡轮增压子系统以及相应的边界 条件等物理模型所组成型［4］。为准确预测其有害排放物NOx 的生成量，燃 烧模型选用准维模型。准维模型中，NOx生成率 比其他产物慢得多，反应不能瞬时达到平衡，而 由化学反应动力学控制。在GT-power中，NOx的生成采用基于扩展的Zeldovich 机理计算所得。GT-POWER软件中，应用EngCylCombDIJet 准维 模板预测NOx排放量，需要在cylinder中设置额 外的流动信息，如活塞碗形状以及涡流和滚流的 相关信息。柴油机模型如图1所示。图3排气质量流量曲线为了评价所建模型的计算精度，将模拟结果 与实验结果进行了对比。表2～4列出了部分校