國排放柴油機(jī)尾氣排放后處理系統(tǒng)的優(yōu)化

國排放柴油機(jī)尾氣排放后處理系統(tǒng)的優(yōu)化

0尾氣排放后處理技術(shù)全國汽車產(chǎn)量迅速增長，汽車耗竭對(duì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重。尾氣排放中的可吸入顆粒物(PM)和氮氧化物(NOX)是造成大氣污染的主要污染源。全球都在積極努力推行相關(guān)法規(guī)或條款控制汽車尾氣排放污染量,其中形成美國、歐洲和日本三大主流排放法規(guī)體系。我國從2010年1月1日起也開始強(qiáng)制實(shí)行國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)階段,2012年1月1日起開始強(qiáng)制實(shí)行國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)階段。其中國家標(biāo)準(zhǔn)GB17691-2005《車用壓然式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值和測量方法》對(duì)國Ⅳ階段和國Ⅴ階段發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車排氣污染物的排放限值和測量方法提出了要求?，F(xiàn)階段重型柴油機(jī)僅僅依靠機(jī)內(nèi)電噴優(yōu)化措施已不能滿足國Ⅳ階段排放限值的要求,要達(dá)到國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)必須采用尾氣排放后處理系統(tǒng)。目前世界針對(duì)尾氣排放后處理技術(shù)路線分兩大類,一是選擇性催化還原(SelectiveCatalyticReduction,簡稱SCR)技術(shù)。它是通過優(yōu)化電噴過程和燃燒充分性,有效控制柴油機(jī)內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生,這時(shí)尾氣排放主要成分是NOX,尾氣后處理過程采用尿素溶液對(duì)NOX進(jìn)行選擇性催化還原,通過化學(xué)反應(yīng)中和NOX;其二是柴油車顆粒過濾器(DieselParticulateFilter,簡稱DPF)技術(shù)。它以廢氣再循環(huán)為基礎(chǔ),有效抑制柴油機(jī)內(nèi)NOX產(chǎn)生,這時(shí)尾氣排放主要成分是PM,尾氣后處理過程采用微粒捕集器對(duì)微粒進(jìn)行微粒捕捉,以達(dá)到過濾顆粒物。其中采用SCR方案,柴油機(jī)對(duì)柴油含硫量要求不是很嚴(yán)格,國內(nèi)市場供應(yīng)的柴油只符合歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn),含硫量在500×10-6以下,目前這種國情促成了SCR技術(shù)路線將在國內(nèi)柴油機(jī)主機(jī)廠最先投入使用。本文主要研究SCR系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)方式。1不同劑量尿素水溶液對(duì)scr系統(tǒng)物理反應(yīng)的影響選擇性催化還原SCR系統(tǒng)原理是向汽車尾氣中噴射還原劑,在SCR催化劑表面選擇性的與廢氣中的NOX進(jìn)行催化還原,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而達(dá)到降低NOX比重。SCR還原劑使用的是質(zhì)量比為32.5%濃度的尿素水溶液,之所以選用32.5%濃度,是因?yàn)槟蛩厮芤旱臐舛葘?duì)其冰點(diǎn)具有顯著影響,32.5%濃度的尿素水溶液具有最低的冰點(diǎn)(-11℃)。SCR系統(tǒng)物理化學(xué)過程相當(dāng)復(fù)雜,主要物理化學(xué)反應(yīng)分為以下幾步。第一步是還原劑以液滴形式噴射入汽車尾氣中,尾氣的高溫使尿素霧化,并將其內(nèi)部水蒸氣蒸發(fā)后析出尿素顆粒,由于尿素熔點(diǎn)為132℃,隨后物理熱分解為氨氣(NH3)和氰酸(HCNO),氰酸進(jìn)一步水解生成等摩爾的NH3和CO2。第二步是催化還原反應(yīng)。NH3選擇催化還原NOX,通過一系列化學(xué)反應(yīng)后生成無污染無害N2和H2O?；瘜W(xué)反應(yīng)公式如下:通過上述兩步驟可以抑制尾氣排放NOX,使尾氣排放達(dá)到國IV強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。2系統(tǒng)工作原則2.1化冰和化冰SCR系統(tǒng)包含:尿素溶液儲(chǔ)存罐、化冰熱交換裝置、計(jì)量裝置、噴射裝置、催化器以及溫度和氮氧傳感器等。SCR系統(tǒng)組成原理如圖1所示。其中,尿素溶液儲(chǔ)存罐用于儲(chǔ)存尿素溶液,它集成有液面高度和溫度傳感器。出液口內(nèi)部裝有粗濾器,以防大于0.1mm的大顆粒進(jìn)入噴射系統(tǒng)。尿素存儲(chǔ)罐內(nèi)部裝有化冰熱交換裝置,利用柴油機(jī)冷卻水的熱量進(jìn)行化冰?；鶡峤粨Q裝置由電磁閥控制,當(dāng)尿素溫度傳感器感應(yīng)到尿素溫度較低,會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的情況,控制器將打開發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水電磁閥,熱的柴油機(jī)冷卻液就會(huì)順著管道流向儲(chǔ)存罐和熱交換裝置,這些地方結(jié)冰的尿素固體就會(huì)迅速融化。計(jì)量裝置的作用是以一定恒定壓力輸送尿素溶液。由于泵的吸力和自動(dòng)排空能力有限,泵的進(jìn)液口距罐底面垂直距離不能超過700mm,平面距離不能超過10mm。尿素水溶液的噴射與停止是通過計(jì)量裝置開啟和關(guān)閉來控制的。噴射裝置主要是由尿素噴嘴和電磁閥構(gòu)成。使用PWM控制噴嘴處的電磁閥閉合,達(dá)到控制尿素溶液流量的目的,作用是將計(jì)量裝置送來的尿素與空氣混合物順流噴入排氣管,并使噴出的尿素霧化均勻?？刂破鱁CU(ElectronicControlUnit)的作用是通過符合J1939協(xié)議的CAN(ControlAreaNet)總線與柴油機(jī)控制器ECU進(jìn)行通訊,獲取柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息(轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩),根據(jù)事先標(biāo)定好的各種脈譜,實(shí)時(shí)計(jì)算柴油機(jī)實(shí)際工作情況下SCR系統(tǒng)的尿素噴射量,從而使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOX成分被精確還原。2.2尿素噴射量的控制當(dāng)車輛的鑰匙開關(guān)打到ON擋,ECU開始通電,尿素計(jì)量裝置中的計(jì)量泵電機(jī)回到“停車”位置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功后,計(jì)量泵進(jìn)入“起動(dòng)排空”模式,泵將尿素抽入,再通過回液口回到尿素溶液存儲(chǔ)罐,持續(xù)時(shí)間為30s。隨后計(jì)量泵處于“停止?fàn)顟B(tài)”,同時(shí)打開壓縮空氣電磁閥,前期計(jì)量泵以最大工作壓力進(jìn)行工作,目的是快速建立壓力,當(dāng)泵腔中的壓力達(dá)到0.5MPa后,計(jì)量泵將由ECU進(jìn)行閉環(huán)控制,保持泵腔的壓力,用于尿素噴嘴的噴射。尿素溶液的噴射量由ECU根據(jù)柴油機(jī)的工況(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩)、催化器進(jìn)口溫度和環(huán)境狀態(tài)來精確計(jì)量。當(dāng)車輛的鑰匙達(dá)到“OFF”后,計(jì)量泵自動(dòng)倒轉(zhuǎn)30s,將管道內(nèi)的殘液吸回尿素存儲(chǔ)罐,避免因尿素溶液結(jié)晶而造成管路堵塞。3酶活劑用量的確定單位時(shí)間內(nèi)的排氣中NOX物質(zhì)的量為式中,m為單位時(shí)間柴油機(jī)排放的流量kg/h;fNOx為NOX的排放濃度值;排氣的摩爾質(zhì)量等于29kg/kmol)。柴油機(jī)排氣中NO和NO2的摩爾比為9:1,可以算出排氣中NO和NO2物質(zhì)的量分別為0.9DeNOX和0.1DeNOX。通過上述兩步驟物理化學(xué)反應(yīng)公式,可以推導(dǎo)以下對(duì)應(yīng)關(guān)系:式中:X1,X3為完全反應(yīng)需要的尿素的物質(zhì)的量;X2為完全反應(yīng)需要的NO的物質(zhì)的量。通過計(jì)算解得(NH2)2CO物質(zhì)的量為將單位時(shí)間內(nèi)尿素物質(zhì)的量折合為尿素水溶液的質(zhì)量(單位:kg),取尿素的摩爾質(zhì)量為60kg/kmol,尿素水溶液的濃度為C%,則尿素水溶液的質(zhì)量為:系統(tǒng)使用的是32.5%質(zhì)量比的尿素水溶液,因此將單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOX完全消除所需32.5%濃度的尿素水溶液的質(zhì)量為3.183×m×fNOx×10-6(kg/h)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX最大轉(zhuǎn)化率不可能100%,其值在不同工況是不同的,故將單位時(shí)間內(nèi)需要尿素水溶液的質(zhì)量需要乘NOX最大轉(zhuǎn)化率這一系數(shù)。系統(tǒng)只要知道發(fā)動(dòng)機(jī)的排放流量、NOX的排放濃度值和NOX最大轉(zhuǎn)化率,就可以計(jì)算出尿素水溶液的需求量。系統(tǒng)額定工況下柴油機(jī)的排氣流量為1500kg/h,NOX的排放濃度值為600×10-6,當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX最大轉(zhuǎn)化率為60%,通過計(jì)算得到尿素水溶液的需求量不超過1.72kg/h。4尿素水溶液壓力監(jiān)測系統(tǒng)ECU經(jīng)CAN總線采集柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、轉(zhuǎn)矩信號(hào)和氮氧傳感器信號(hào),并通過CAN總線實(shí)現(xiàn)OBD功能。通過對(duì)催化器進(jìn)口的排氣溫度信號(hào)采集,根據(jù)控制策略發(fā)出指令,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)計(jì)量裝置、噴射裝置和電磁閥動(dòng)作實(shí)現(xiàn)尿素水溶液的準(zhǔn)確計(jì)量噴射。除此以外,系統(tǒng)還具有監(jiān)測尿素罐水溶液的液位、尿素水溶液的溫度、催化器進(jìn)出口溫度的功能,硬件框架結(jié)構(gòu)見圖2。溫度傳感器選用熱電偶,其輸出信號(hào)為微弱電壓,需通過運(yùn)算放大器將微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理,MCU將放大后信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。液位傳感器選用電阻式傳感器,其輸出信號(hào)為電阻值,需通過上拉電阻分壓法進(jìn)行分壓測量處理,MCU將分壓后電壓信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。驅(qū)動(dòng)電路一般驅(qū)動(dòng)大電流裝置,可以利用場效應(yīng)管進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動(dòng),但需注意當(dāng)裝置關(guān)斷時(shí)候需要將產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管進(jìn)行吸收。5曲線方程的二維聚合式催化劑的制備還原劑尿素的噴入量必須與NOX的濃度、柴油機(jī)排放流量和NOX最大轉(zhuǎn)化率相匹配,在保證降低NOX的同時(shí),噴射尿素不能過量。尿素的噴入量過少,則達(dá)不到應(yīng)有的處理水平,尿素的噴入量過多,則會(huì)使多余的氨氣排入大氣,導(dǎo)致新的污染。同時(shí)系統(tǒng)還必須能夠?qū)σ虬l(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化而引起催化器溫度變化做出反應(yīng),即催化器動(dòng)態(tài)儲(chǔ)氨量對(duì)瞬態(tài)尿素噴射量做出修正。為此,保證NOX的排放最小,同時(shí)又要避免NH3的滑失,必須制定合理的還原劑噴射控制策略對(duì)尿素流量進(jìn)行精確的控制。試驗(yàn)工況轉(zhuǎn)速選取范圍是900~2200r/min,選取間隔為100r/min。扭矩選取范圍是每個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩的0%、10%、25%、40%、50%、60%、75%、90%和100%9個(gè)工況點(diǎn)。通過離散采集到的轉(zhuǎn)速、扭矩和NOX濃度數(shù)據(jù),運(yùn)用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維散布點(diǎn)內(nèi)插法處理后得到所有工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩和NOX濃度的MAP圖(見圖3)。轉(zhuǎn)化率是NOX的原機(jī)排放值與催化器出口的排放值兩者差值與原機(jī)排放值百分比。對(duì)于給定的催化器,NOX的最大轉(zhuǎn)化效率主要取決于溫度和空速。當(dāng)催化器的床溫和空速穩(wěn)定后,NOX的轉(zhuǎn)化效率可以通過試驗(yàn)確定。為了避免實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)NH3滑失,以10×10-5NH3滑失為邊界,將此時(shí)測量計(jì)算的NOX轉(zhuǎn)化效率作為其最大值。通過試驗(yàn)方法測定不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的NOX的轉(zhuǎn)化率,運(yùn)用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維散布點(diǎn)內(nèi)插法處理后,得到所有工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩和NOX轉(zhuǎn)化率的MAP示意圖,見圖4。柴油機(jī)排氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同樣通過試驗(yàn)方法測定不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的柴油機(jī)排氣流量,運(yùn)用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維散布點(diǎn)內(nèi)插法處理后,得到所有工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩和柴油機(jī)排氣流量的MAP示意圖,見圖5。SCR系統(tǒng)的催化器通常具有一定的NH3儲(chǔ)存能力,對(duì)于給定的催化器,排氣溫度是影響其儲(chǔ)氨能力的主要因素。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從低排溫工況瞬間過渡到高排溫工況時(shí),儲(chǔ)存的NH3會(huì)釋放出來,可能導(dǎo)致NH3過量從而出現(xiàn)NH3的滑失。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從高排溫工況瞬間過渡到低排溫工況時(shí),由于NH3大量儲(chǔ)存在催化器中,會(huì)降低NOX的轉(zhuǎn)化效率。尿素水溶液在160℃~170℃的溫度下才開始發(fā)生熱解反應(yīng),一般設(shè)定230℃為尿素的最低噴入溫度。催化器的儲(chǔ)氨量是通過試驗(yàn)得到的,進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),轉(zhuǎn)速選取范圍為700~2200r/min,以100r/min為間隔;扭矩為使各轉(zhuǎn)速下催化器的溫度分別為250℃、275℃、300℃、325℃和350℃的扭矩值。通過試驗(yàn)方法測定不同轉(zhuǎn)速、扭矩下、排氣催化管入口溫度和排氣催化管出口溫度的催化劑的儲(chǔ)氨量曲線圖。對(duì)儲(chǔ)氨量隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行二次擬合,可以得到儲(chǔ)氨量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,見圖6。無論柴油機(jī)在穩(wěn)態(tài)還是在瞬態(tài)運(yùn)行,控制系統(tǒng)都要求準(zhǔn)確地噴入尿素量,既能最大限度的降低柴油機(jī)NOX排放,又不至于產(chǎn)生NH3泄漏而導(dǎo)致新的環(huán)境污染,尿素實(shí)際噴射量控制策略圖如圖7所示。6尿素罐及計(jì)量噴射泵系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)對(duì)SCR載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。安裝設(shè)計(jì)包含催化消聲器、尿素罐、計(jì)量噴射泵、尿素噴嘴和控制器。具體要求如下:(1)催化消聲器:安裝時(shí)要求使用鋼帶捆扎限位,并使用彈性減震裝置連接,避免劇烈振動(dòng)。(2)尿素罐:由于尿素溫度不能超過60℃,避免高溫烘烤,且需在加注口附近增加“尿素添加口”標(biāo)識(shí)。(3)計(jì)量噴射泵:安裝位置需要防水防塵防高溫,使用減震墊防止振動(dòng)。尿素罐出液口處裝有脈動(dòng)阻尼器以減小尿素水溶液流量的脈動(dòng)。(4)