發(fā)動(dòng)機(jī)scr系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)scr系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國(guó)內(nèi)排放法規(guī)及政策的發(fā)展自20世紀(jì)90年代以來，世界各國(guó)對(duì)車輛排放的法律法規(guī)不斷加強(qiáng)，車輛技術(shù)的發(fā)展顯著促進(jìn)了。我國(guó)從2008年7月1日起全面實(shí)施國(guó)三排放法規(guī),2013年7月1日將要實(shí)施國(guó)四排放法規(guī)。目前,國(guó)內(nèi)的幾家大型柴油機(jī)廠大都通過機(jī)內(nèi)凈化降低碳煙,然后利用SCR系統(tǒng)降低NOX排放的方法來滿足國(guó)四排放法規(guī)對(duì)碳煙和NOX的限制。1、催化劑的制備SCR系統(tǒng)包括:尿素水溶液儲(chǔ)罐、輸送裝置、計(jì)量裝置、噴射裝置、催化器以及溫度和排氣傳感器等。系統(tǒng)的基本工作原理是(見圖1):尾氣從渦輪出來后進(jìn)入排氣混和管,在混和管上安裝有尿素計(jì)量噴射裝置,噴入尿素水溶液,尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成NH3,在SCR系統(tǒng)催化劑表面利用NH3還原NOX,排出N2,多余的NH3也被還原為N2,防止泄漏。一般情況下,消耗100L燃油的同時(shí)會(huì)消耗5L液體尿素水溶液。在SCR中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:尿素水解:(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2NOX還原:NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化:4NH3+3O2→2N2+6H2O在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)包括:尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、尿素的水解和熱解氣相化學(xué)反應(yīng)以及NOX在催化劑表面與NH3發(fā)生的催化表面化學(xué)反應(yīng)。2、廢氣傳感器對(duì)obd排放控制的失效從國(guó)四階段開始,汽車產(chǎn)品必須配置OBD,如果排放指標(biāo)超過了OBD的極限值,儀表將通知駕駛員。在裝有后處理系統(tǒng)的情況下,OBD能監(jiān)控SCR系統(tǒng)的大部分功能失效。具體監(jiān)控措施如下:通過廢氣傳感器對(duì)NOx的排放量監(jiān)控來確定ONx排放控制系統(tǒng)是否正常工作。任何超過ONx排放極限值的1.5g/kWh將通知駕駛員并且被記錄成不可消除的錯(cuò)誤代碼。如果NOx的排放水平超過了OBD的極限值,將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行限制扭矩。當(dāng)尿素溶液低于存儲(chǔ)罐容量的10%,將觸發(fā)警告。2、scr系統(tǒng)材料安裝2.1后處理器各模塊、零件必須妥善保存,防止發(fā)生墜落、磕碰等損傷。2.2后處理器所使用的元件需要得到發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的認(rèn)可。2.3后處理器內(nèi)部有重金屬,質(zhì)量比一般消聲器要大,因此在匹配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮吊掛強(qiáng)度。2.4后處理器應(yīng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)廠家規(guī)定的距離發(fā)動(dòng)機(jī)一定距離范圍內(nèi)。2.5應(yīng)保證SCR后處理器進(jìn)氣口溫度在200℃以上,盡量使后處理靠近蝸輪增壓器,以提高反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)換效率。2.6對(duì)于經(jīng)常在低速工況運(yùn)行的卡車應(yīng)考慮排氣溫度對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響,可在排氣管上采用保溫材料或者采用雙層保溫排氣管。2.7大部分SCR后處理器采用水平安裝方式,有特殊要求的應(yīng)遵循發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求。2.8為防止氨腐蝕元件,保證系統(tǒng)可靠性,SCR噴嘴前方排氣管路200mm內(nèi)應(yīng)使用304或309不銹鋼。2.9不要在尿素經(jīng)過的地方使用黃銅、銅、低碳鋼、鋅、丁納橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、Tygon類軟管等材料元件。2.10排氣系統(tǒng)背壓差應(yīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)廠商要求。整車排氣背壓差指發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口后方管路75mm處壓強(qiáng)相對(duì)于大氣壓強(qiáng)的差值,排氣背壓會(huì)影響到發(fā)動(dòng)的輸出功率和進(jìn)氣效率。由于后處理器內(nèi)部載體和催化劑呈蜂窩狀或迷宮狀分布,動(dòng)力總成加裝后處理器后會(huì)增大排氣背壓差,造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,因此在匹配后處理器后應(yīng)注意測(cè)試排氣背壓差,并滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。3、scr系統(tǒng)的組成和配置規(guī)范3.1egp的安裝EGP由后處理器廠商或發(fā)動(dòng)機(jī)廠商提供,大多數(shù)的EGP集成了廢氣處理和聲學(xué)元件(消聲器)的功能,主要包括氨水分散元件、催化器元件、消聲元件。實(shí)現(xiàn)NOx催化反應(yīng)的最低溫度要求是200℃。在EGP筒體上一般裝有進(jìn)氣、出氣溫度傳感器(用來確定是否達(dá)到反應(yīng)所需溫度),NOx傳感器(用來檢測(cè)排放情況,以決定尿素的噴射量),因此在考慮EGP的固定方式的時(shí)候應(yīng)充分考慮吊掛包箍在EGP筒體上的位置,必要時(shí)應(yīng)遵循后處理器廠家的要求。以如圖2所示為EGP安裝位置要求:對(duì)于康明斯的EGP固定位置至少離邊緣法蘭30mm并且距離EGP上的NOx傳感器和距離溫度傳感器至少20mm,對(duì)于玉柴的EGP,對(duì)于箱式消聲器,預(yù)留了鋼帶捆扎槽,對(duì)于筒形則按傳統(tǒng)消聲器的吊掛位置,沒有特殊要求。一般應(yīng)考慮包箍位置的原則如下:EGP的固定位置盡量不要在催化劑所在的位置,以避免包箍夾緊力對(duì)催化劑及其載體造成損害,催化劑通常安裝在溫度傳感器之間。EGP與其它底盤零部件應(yīng)符合動(dòng)態(tài)元件間隙要求,至少25mm。EGP一般應(yīng)水平安裝,除非有特殊安裝要求并得到后處理器廠家(或發(fā)動(dòng)機(jī)廠家)的認(rèn)可。與EGP相配套的傳感器應(yīng)遵循后處理器廠家的規(guī)定來安裝;EGP筒體表面溫度可能會(huì)高達(dá)440℃(除非后處理器采取了保溫結(jié)構(gòu)),因此在匹配時(shí)應(yīng)充分考慮與周邊零部件的間隙。3.2不銹鋼和普通結(jié)構(gòu)鋼EGP噴嘴前方200mm內(nèi)不能使用容易被氨腐蝕的元件,而應(yīng)使用304或439的不銹鋼,超過200mm的前方可以使用普通結(jié)構(gòu)鋼。由于EGP質(zhì)量較大,應(yīng)對(duì)EGP進(jìn)行隔離振動(dòng),前方管路上應(yīng)設(shè)置波紋管等撓性元件,用來衰減發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過來的振動(dòng)。3.3nox的環(huán)境監(jiān)測(cè)NOx傳感器安裝位置應(yīng)遵循后處理器廠家的要求,一般應(yīng)考慮以下因索:NOx電子控制元與EGP的距離,應(yīng)保證NOx的環(huán)境溫度不超過規(guī)定數(shù)值;NOx傳感器探頭與NOx電子控制單元之間的管路不應(yīng)扭曲,以保證氣體能通過;NOx傳感器探頭安裝角度應(yīng)符合后處理器廠家要求,例如康明斯后處理器對(duì)NOx傳感器探頭作如下要求:如圖3所示,NOx傳感器探頭軸線與豎直平面的夾角不應(yīng)超過80°,與管道軸線法向平面夾角不應(yīng)超過10°。3.4尿素箱及液壓系統(tǒng)的安裝對(duì)尿素罐有如下要求:尿素罐一般選擇不銹鋼、鎂鋁合金或者高密度聚乙烯制造,康明斯建議有效容積至少為油箱容積5%(因?yàn)橄谋壤秊?%),玉柴采用的三立系統(tǒng)推薦為油箱容積的10%～20%;尿素罐需要設(shè)置通風(fēng)口讓大氣和里面的蒸汽自由進(jìn)出,設(shè)計(jì)通風(fēng)口應(yīng)考慮當(dāng)尿素飛濺和蒸發(fā)時(shí)它不容易被結(jié)晶的尿素堵塞。尿素容易分解成氨,防止尿素飛濺到其它零件上非常重要,因此設(shè)計(jì)尿素箱的加注口應(yīng)有密封裝置。尿素罐加注口必須要有70um的濾網(wǎng)來防止進(jìn)入雜質(zhì)。尿素溶液含67.5%的水,水凝固時(shí)會(huì)膨脹,因此尿素罐需要額外的10%空間。如果工作環(huán)境溫度低于-5℃,尿素溶液會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶;為了避免溶液結(jié)晶的問題,尿素溶液需要維持在高于凝固點(diǎn)15℃的溫度,可以通過增加加熱裝置來保持溫度。加熱裝置可以通過電或通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng),如果采用電加熱,必須考慮交流發(fā)電機(jī)的容量,通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)時(shí)要確保發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度不低于發(fā)動(dòng)機(jī)廠家規(guī)定的溫度,推薦加熱方式為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)加熱。尿素溶液推薦循環(huán)溫度為30℃,不得高于60℃,對(duì)于熱帶車輛布置尿素罐時(shí)應(yīng)避免陽光直射,因?yàn)檫^高的溫度會(huì)導(dǎo)致水分蒸發(fā)而尿素結(jié)晶,并堵塞管路。尿素罐內(nèi)部加熱器應(yīng)靠近尿素溶液出口處,這樣那部分尿素接近可以盡早融化。必須考慮尿素罐體內(nèi)尿素溶液全部融化所需熱量,避免發(fā)動(dòng)機(jī)過冷,具體計(jì)算應(yīng)按發(fā)動(dòng)機(jī)廠商提供的數(shù)據(jù)來進(jìn)行。安裝尿素箱和所有與噴射單元連接的線路時(shí)必須保持清潔,零件上必須沒有污跡。連接管路內(nèi)部必須滿足表2要求。尿素罐必須帶有液面和溫度傳感器,詳細(xì)的傳感器規(guī)范和它們?cè)赟CR系統(tǒng)的功能以及診斷方法應(yīng)參考后處理器廠商的要求,并在匹配時(shí)要求提供。3.5管路布置和裝配如圖4所示,供尿模塊主要由定量噴射泵、尿素壓力管路、尿素抽取管路、尿素回流管路構(gòu)成,其中目前輕卡匹配所用的康明斯SCR系統(tǒng)不使用壓縮空氣,玉柴所用的SCR系統(tǒng)帶有壓縮空氣,壓縮空氣的作用是在控制邏輯判斷不滿足噴射尿素的情況下,向噴頭管路部分噴射壓縮空氣,以保證不會(huì)出現(xiàn)尿素結(jié)晶,康明斯SCR系統(tǒng)則在控制邏輯判斷不滿足噴射尿素情況下,電機(jī)反轉(zhuǎn)回抽一定時(shí)間。定量噴射泵由后處理廠家提供,管路布置應(yīng)遵循以下原則(除非后處理器廠家有特殊要求)尿素抽取管路和回流管路應(yīng)滿足圖5所示要求。不要使用丁腈橡膠,氯丁橡膠,硅橡膠,tygon軟管或類似材料作為管路材料,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀缀湍蛩匕l(fā)生化學(xué)反應(yīng),可以使用聚四氟乙烯(PTFE)、可熔融四氟乙烯(PFA)、三元乙丙橡膠(EPDM)、尼龍(Nylon)。尿素管路的布置不要靠近中冷器管、排氣管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等熱源,這些地方的輻射的熱量會(huì)使供料模塊的尿素溫度升高。為了阻止尿素轉(zhuǎn)換成氨氣揮發(fā)和及管路損壞,管路不能靠近任何發(fā)熱的部件,平均循環(huán)溫度不能超過50℃,超過60℃時(shí)的最大允許時(shí)間是700h,溫度決不允許超過70℃。管路清潔度要求應(yīng)滿足表2要求,裝配前應(yīng)有保護(hù)措施以防止灰塵進(jìn)入。管路直徑應(yīng)按后處理器廠商要求設(shè)計(jì),以滿足流量和壓力要求。應(yīng)盡量縮短尿素罐、計(jì)量泵、尿素噴頭之間的距離?？紤]到管路的壓力損失和管路加熱所需驅(qū)動(dòng)電流要求,管路長(zhǎng)度應(yīng)滿足后處理器廠商要求,例如表3所示,康明斯國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)給出了具體管路長(zhǎng)度要求。管路內(nèi)層材料推薦采用外層尼龍,內(nèi)層聚四氟乙烯(PTFE),以防止尿素結(jié)晶。尿素壓力管路的一端連接尿素噴頭,此處的溫度一般較高(康明斯后處理器可達(dá)140℃),因此此處管路及其接頭應(yīng)具有耐高溫特性。3.6冷卻液使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)如圖6所示,輕卡用康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)上的EGP噴頭位置需要引入冷卻,冷卻液使用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻外循環(huán)系統(tǒng),冷卻液管路應(yīng)滿足流量要求,應(yīng)遵循后處理器廠商內(nèi)徑要求,管材可使用Q/JQ8301規(guī)定的E類管,管路中段應(yīng)按圖示設(shè)置流量閥(或斷水電磁閥)以控制是否向尿素箱中的尿素提供加熱。3.7其他由后處理器制造商提供的組件3.7.1增設(shè)螺釘安裝位置分解管是用來使尿素和尾氣充分混合的結(jié)構(gòu),如圖7所示,在分解管上將安裝噴頭,噴頭直接對(duì)準(zhǔn)尿素分散器,以達(dá)到尿素快速轉(zhuǎn)換成氨,并與尾氣充分混合的目的。不同后處理廠商對(duì)噴頭的安裝要求不同,應(yīng)遵循廠商要求。3.7.2螺栓的安裝康明斯SCR系統(tǒng)的噴頭在分解管上安裝所用的螺栓應(yīng)采用不銹鋼螺釘或螺栓,以防止尿素對(duì)螺栓造成的腐蝕,擰緊力矩應(yīng)符合后處理器廠商規(guī)定,或按一般螺栓連接力矩(無特殊要求情況下)。3.7.3bocs計(jì)量泵計(jì)量噴射泵的功能是按DCU的指令精確向后處理器噴頭噴射尿素溶液,康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)所配的SCR系統(tǒng)計(jì)量噴射泵為BOSCH的計(jì)量泵,玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)為三立的計(jì)量泵,兩者接口基本相同,三立系統(tǒng)帶有壓縮空氣接口。如圖10所示,BOSCH計(jì)量泵安裝歪斜不得超過45°,圖中綠色所示安裝點(diǎn),采用3個(gè)Q150B0890或更長(zhǎng)的螺栓連接,擰緊扭矩為15.2Nm～22.8Nm。三立計(jì)量泵按圖示狀態(tài)安裝,并且壓縮空氣接口在上。計(jì)量泵內(nèi)有濾芯,用來過