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发动机SCR技术

浏览次数: 日期:2015年4月13日 09:34

柴油机自1892年问世以来,凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点,在各种动力装置、船舶和车辆上得到了广泛的应用。从上世纪80年代后期开始,轿车上也越来越多地应用柴油机,目前德国生产的1.4~2.0L排量的小轿车中,有61%是柴油机轿车,而法国柴油机轿车的比例高达88%。从世界范围来看,汽车柴油化已成为一种不可逆转的趋势。

柴油机与同等功率的汽油机相比,微粒(PM)和氮氧化物(NOx)是排放中两种最主要的污染物。从目前降低汽车尾气排放的技术途径来看,要达到欧Ⅳ排放标准,一般不再从发动机本身的结构方面采取措施,通常是采取排气后处理的方式来降低污染物的排放量,而尿素-SCR选择性催化还原法是最具现实意义的方法,它能把发动机尾气中的NOx减少50%以上。

1.排放法规

从欧Ⅱ到欧Ⅲ,对柴油机进行了较多的改进,如加强增压中冷、多气门技术、废气再循环及冷却、电控高压喷射系统(共轨、泵喷嘴、单体泵)等,在降低油耗的同时,NOx和PM都有所下降,NOx从7g/kW•h下降到5g/kW•h,PM从0.15g/kW•h下降到0.1g/kW•h。

欧洲自2006年10月起执行欧Ⅳ/Ⅴ标准,对NOx和PM的排放提出了更高的要求。从欧Ⅲ到欧Ⅳ,PM的排放限值从0.1g/kW•h下降到0.02g/kW•h,NOx的排放限值从5g/kW•h下降到2.5g/kW•h(指柴油小客车,载货车为350mg以下)。在欧Ⅲ的基础上,仅仅对发动机内部参数进行优化,虽然可以继续降低排放,但不足以满足欧Ⅳ/Ⅴ标准。欧Ⅳ是柴油机排放控制技术的转折点,还需要增加其它的技术。

2.柴油机尾气净化的可选技术途径

目前,大致上有两条机外净化技术路线:

其一是先通过超高压喷射并优化燃烧生成极少的PM,再使用选择性催化还原SCR,来降低因燃烧优化而产生的NOx(被称为欧洲路线),目前常用水基性氨溶液作为催化还原剂,简称尿素-SCR系统。

其二是采用EGR(废气再循环)+DPF(颗粒捕集器),即先通过EGR降低排放中的NOx,再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的PM,从而达到同时降低NOx和PM的效果(被称为美国路线)。采用尿素-SCR净化方案的发动机,其燃油消耗可节省5%~7%,扣除因使用尿素而增加的费用,还有节油2%~3%的优势。这一路线对于燃油品质相对不太敏感(欧Ⅳ标准的柴油含硫量在200ppm以下,而EGR+DPF路线要求含硫量必须在50ppm以下),但使用SCR后不但要增加SCR装置本身的质量(约150~300kg),还要增加一个尿素溶液箱和尿素溶液的质量。按100L尿素溶液行驶7000km计算,一辆汽车损失的有效载荷在400kg左右。

3.尿素-SCR系统

 

3.1SCR系统的构成

SCR系统的作用是去除柴油发动机排气中的NOx。系统采用尿素作还原剂(又名添蓝),在选择性催化剂的还原作用下,NOx被还原成氮气和水。SCR系统包括:尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。

共轨柴油发动机的催化消声器可以是箱式或桶式,内部装有SCR催化器和消声器管路,表层的不锈钢板下的隔热材料,保证使用过程中的边面温度不会过高。

尿素溶液储存罐用于储存尿素溶液,集成有液面高度和温度传感器。其内部装有化冰热交换装置,利用柴油机冷却水的热量进行化冰。出液口内部装有粗滤器,以防大于0.1mm的大颗粒进入喷射系统。

计量喷射泵总成包括计量喷射泵和控制器。泵的作用是以一定的压力输送尿素溶液。控制器的作用是通过CAN总线与柴油机ECU通讯,获取柴油机运行状态信息和SCR系统上的各种传感器的数值,根据事先标定好的各种脉谱,适时计算柴油机实际工作情况下SCR系统的尿素喷射量,从而使柴油发动机排气中的NOx成分被精确还原。由于泵的吸力和自动排空能力有限,泵的进液口距罐底面垂直距离不能超过700mm,平面距离不能超过10m。

尿素喷嘴的作用是按照控制器的指令来进行尿素溶液的喷射。喷嘴的主体由不锈钢材料制成,安装在排气管上。

冷却液电磁阀是为系统化冰服务的。当电控单元通过尿素温度传感器感应到尿素温度较低,可能会出现结冰的情况,那么控制器将打开加热水电磁阀。热的柴油机冷却液就会顺着管道流向储存罐和泵内置的热交换器,这些地方的冰就会迅速融化。阀体上一般标有流动方向,安装时请注意安装方向。

SCR系统示意图如图1所示。用于高压共轨柴油发动机的SCR系统组成如图2所示。

 

3.2SCR系统的工作原理

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括:尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOx在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。其主要化学方程式如下:

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

SCR系统的工作过程是:当车辆的钥匙开关打到ON挡的时候,控制器(ECU)开始通电,与此同时尿素计量泵开始转动,从尿素储存罐中抽吸尿素溶液,前期计量泵以最大工作压力进行工作,目的是快速建立压力,当泵腔中的压力达到5bar后,计量泵将由ECU进行闭环控制,保持泵腔的压力,用于尿素喷嘴的冷却和喷射。当转速和排气温度达到预先标定好条件后,尿素喷嘴才会喷射尿素溶液。尿素溶液的喷射量由ECU根据柴油机的工况、催化器温度和环境状态来精确计量。尿素溶液被喷射到排气管中,与柴油机排气进行均匀混合并进行化学反应,净化排气。由于尿素溶液在气温低于-11℃的时候会结冰,为了保证系统在低温时候的正常使用,系统配置有化冰功能,化冰的热源来源于柴油机的冷却水。当电控单元通过尿素温度传感器感应到尿素溶液温度较低,可能会出现结冰的情况,那么ECU将打开加热水电磁阀。热的柴油机冷却液就会顺着管道流向尿素储存罐和尿素计量泵内置的换热器,这些地方的冰就会迅速融化。由于冷却液管道和尿素胶管扎在一起,外套保温管,所以尿素管道内部的冰也会同时融化。

 

3.3SCR系统的布置设计

SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。在国Ⅳ柴油机的开发过程中,相当多的工作是对混和管进行优化设计,包括管道的几何形状、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计,从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析,保证载体入口速度分布均匀,整个系统产生较小的压力损失。

通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度,避免尿素水溶液撞壁出现沉积,堵塞管路。利用数值模拟研究这些过程,可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置,从而优化SCR系统的布置,预测催化效率,减少试验成本。

 

4.应用SCR技术的优缺点分析

柴油发动机的排放控制主要是对排放中的PM和NOx的处理。处理方案一是先在发动机内处理NOx,再处理PM;或者两种都进行后处理。最后这种方法存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统,在发动机内处理NOx是非常困难的,并且燃油消耗更高。因此,一般多采用在发动机机内减少PM排放,在废气中处理NOx。

(1)目前在废气中处理NOx采用的是SCR处理技术,即:利用尿素溶液(水溶液浓度为32.5%±0.5%),在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质,将NOx(主要是NO)还原为N2和H2O。它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险,但有腐蚀性,必须使用特殊的容器储存。

(2)SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制,尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配,在保证降低NOx的同时,不能超过份量。尿素的喷入量过少,则达不到应有的处理水平,尿素的喷入量过多,则会使多余的氨气排入大气,导致新的污染。所以,必须要有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置。而且尿素消耗较快,定期添加尿素的责任也必须由用户来完成。

(3)使用SCR后不但要增加SCR本身装置的重量,另外还要增加一个尿素溶液箱和尿素溶液。汽车会损失一部分的有效载荷。

(4)SCR作为一个新的后处理技术,因购置、操作和保养费用高、需要加一套较为复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等等原因,在车用柴油机上还没有得到大范围的推广。

(5)必须保证行驶区域内对尿素需求的供应,需要车载诊断,并需要自觉及时地加尿素。

在SCR技术的应用方面,目前已基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题,使用耐久性好,但还需进一步解决降低SCR装置以及尿素加注站的成本等问题。

 

5.SCR系统使用注意事项

SCR系统是一个自动控制的系统,当车辆的钥匙开关处于ON挡,车辆电压正常,相关管路连接正确,系统将在控制器的指挥下自动排空、自动化冰、自动喷射等,不需人为干预。SCR系统基本免维护,只要加注符合标准要求的尿素,系统内部终身免维护。用户只要做的就是保持系统外表干净,电器接头干燥即可。

避免尿素储存罐中尿素溶液液位低于最低液位的情况下工作,因为喷嘴需要使用尿素溶液来冷却,所以储存罐中的尿素溶液过少的话会使喷嘴冷却不足,从而导致喷嘴损坏。

SCR系统在发动机停机后,计量喷射系统要抽干管道中的残液,以防结晶堵塞,所以点火开关关闭一分钟后再断开蓄电池总开关。

SCR系统的故障暂时不影响发动机的正常工作,但不能故障持续时间过长。因为SCR系统不正常工作或停止运行时,车辆排放将不能达到标准而污染环境。如果故障持续时间过长,电控系统将降低发动机的功率。SCR系统出现故障时,SCR故障指示灯会点亮。

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