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Titelaufnahme

Titel
Modelling of a Selective Catalytic Reduction (SCR) System for a Heavy-Duty Diesel Engine and Development of an Optimal Dosing Policy / submitted by Uwe Schimatzek
AutorInnenSchimatzek, Uwe
Betreuer / Betreuerindel Re, Luigi
ErschienenLinz, 2019
UmfangXIX, 68 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Masterarbeit, 2019
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)selektive katalytische Reduktion / SCR / dynamische Programmierung / optimale Harnstoff-Dosierung
Schlagwörter (EN)selective catalytic reduction / SCR / dynamic programming / optimal urea dosing policy
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-26819 Persistent Identifier (URN)
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Modelling of a Selective Catalytic Reduction (SCR) System for a Heavy-Duty Diesel Engine and Development of an Optimal Dosing Policy [6.33 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die steigende Verkehrsdichte, vor allem im innerstädtischen Raum, und die damit einhergehenden strengeren Abgasnormen stellen für Automobilhersteller wichtige Anlässe dar, um in der Entwicklung von Fahrzeugantrieben den Fokus auf Abgasnachbehandlungssysteme zu legen. Dabei dürfen Größen wie die Motorenleistung oder der Kraftstoffverbrauch jedoch nicht beeinträchtigt werden. Eine wesentliche Komponente der schädlichen Abgasprodukte von Verbrennungsmotoren stellen Stickoxidemissionen dar. Diese führen auf der einen Seite zu negativen Auswirkungen im menschlichen Atemsystem und tragen auf der anderen Seite maßgeblich zum Abbau von Ozon bei. In der Forschung wurden deshalb sogenannte SCR-Systeme (Selective Catalytic Reduction) entwickelt, welche auf die Minimierung dieser Emissionen abzielen. Vor allem aufgrund des hohen Optimierungspotentials, das ihnen in der Erfüllung künftiger Abgasnormen beigemessen wird, stellen diese etablierten Technologien einen zentralen Punkt im aktuellen wissenschaftlichen Diskurs dar. Hierbei gilt es, die bestehenden Forschungsarbeiten zur Modellierung, Regelung und Anwendung solcher Systeme, zu erweitern. Die vorliegende Arbeit setzt sich daher zum Ziel, das Optimierungspotential der Stickoxidemission zur Erfüllung von derzeitigen und zukünftigen Abgasnormen zu ermitteln und zu bewerten. Hierfür wird zunächst ein Modell entwickelt, welches das reale Verhalten des SCR-Systems einerseits möglichst genau abbildet und andererseits jedoch eine nicht allzu große Komplexität aufweist, um den Rechenaufwand für Simulation und Reglerentwurf möglichst gering zu halten. Dieses Modell wird anschließend mithilfe von am realen System ermittelten Messdaten identifiziert und validiert. Anhand dieses Modells wird anschließend eine optimale Harnstoff-Dosierstrategie ermittelt, welche im Vergleich zur ECU-Strategie zu einer verminderten Stickoxidemission führt. Diese Optimalstrategie wird mit Hilfe von dynamischer Programmierung für den Testzyklus der Euro VI Norm, den World Harmonized Transient Cycle (WHTC), berechnet. In den Ergebnissen wird aufgezeigt, dass sich durch die berechnete Optimalstrategie eine deutliche Verbesserung der Stickoxidemissionen während eines gegebenen Testzyklus erreichen lässt. In der Simulation konnte somit eine Verbesserung von 17% gegenüber der ECU-Strategie (Engine Control Unit) erzielt werden, welche am Prüfstand in der Größenordnung nachgewiesen werden konnte. Im konkreten Fall ergab sich am realen System sogar eine Verbesserung um 21%, was mit dem Model-Plant-Mismatch erklärt werden kann. Diese Erkenntnisse können dahingehend als wesentliche Grundlage für weitere Arbeiten in diesem Kontext genützt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Increasing traffic density, especially in urban areas, and the associated stricter exhaust gas standards are important reasons for car manufacturers to put more effort in the development of exhaust gas aftertreatment systems. However, quantities such as engine power or fuel consumption must not be affected. Nitrogen oxide emissions represent an essential component of the harmful exhaust products of internal combustion engines. These lead on the one hand to negative effects in the human respiratory system and contribute on the other hand significantly to the depletion of ozone. For this reason, so-called SCR (Selective Catalytic Reduction) systems have been developed, which aim at minimizing these emissions. Mainly due to the high potential for optimization, which is attributed to them in the fulfilment of future emission standards, these established technologies represent a central point in the current scientific discourse and it is necessary to expand the existing research for the modelling, control and application of such systems. The aim of the present work is therefore to determine and evaluate the optimization potential of nitrogen oxide emissions for the fulfilment of current and future emission standards. For this purpose, a model is first developed which simulates the real behaviour of the SCR system as accurately as possible, on the condition that the model is not too complex in order to keep the computational effort for simulation and control design low. This model is subsequently identified and validated with the aid of measurement data acquired on the real system. Based on this model, an optimal urea solution dosing strategy is then calculated, which leads to reduced nitrogen oxide emissions compared to the ECU (engine control unit) strategy. This optimal policy is calculated for the test cycle of the Euro VI standard, the World Harmonized Transient Cycle (WHTC), using dynamic programming. The results show that the calculated optimal strategy can achieve a significant improvement in nitrogen oxide emissions during a given driving cycle. Thus, an amelioration of 17% compared to the ECU (engine control unit) strategy was achieved in simulation. This value could be verified on the test bench where an improvement of 21% was achieved. The deviation in these numbers can be explained with the model-plant mismatch. These findings can be used as a basis for further work on this topic.

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