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EGR系统和SCR系统是否需要窝里斗


EGR 系统和 SCR 系统是否需要窝里斗
EGR 系统和 SCR 系统是否需要窝里斗? 类型:转载 来源: 作者:齐兵 责任编辑:李笛 发布时间:2009 年 06 月 11 日 VOLVO 公司早期的欧Ⅲ客车发动机(2003 年左右)采用的是低压 EGR 系统即: 经过尾气处理系统(类似 DPF)处理的相对清洁的废气经过 EGR 阀控制回流到 进气管,与新鲜空气混合

经增压器的压气机增压后通过中冷器冷却降温再进入 发动机,这种低压废气再循环系统,EGR 工作温度相对控制性要好一些,因可 以使 EGR 率更高一些,所以它可有效降 NOX、PM,并与柴油机匹配能有效地发 挥其功能。 但是 VOLVO 在长期的各种对比试验中发现: 而同样面对重型柴油车排放问题的戴姆勒-克莱斯勒公司,在其对比中发现使用 EGR 系统的发动机和使用 SCR 系统的发动机在运行过程中会出现: 而美国的康明斯公司认为,在使用超低硫清洁燃油的情况下,选用 EGR 系统对 于长途运输汽车来讲是个最好的尾气处理解决办法,同样康明斯公司针对欧洲 喜欢油耗低的客户也开发了 SCR 处理系统: 美国康明斯客车 EGR 方案: 这两种线路都是基于高压供轨喷射系统+VGT 增压器+清洁柴油+尾气后处理设备 的前提下进行的。 在美国和康明斯一起竞争重型卡车发动机的还有一家非常出名的公司:“卡特 彼勒”。虽然它在今年 6 月宣布退出重卡发动机市场,但其先进的 ACERT 技术 还是值得我们借鉴的(ACERT 技术的核心优势,是不针对单个部件解决排放问 题,而是系统地解决问题。优化燃油供给、空气供给、燃烧过程和排气后处理, 在一个燃烧周期内可以改变几个控制参数,可对每一运行点进行优化,令燃油 达到最佳燃烧状态,获得满意的排放效果。 在当时看来,这显然要比头痛医头.脚痛医脚的办法好得多。但是,由于整个 系统的功能都要全面加强,系统的复杂化带来了高昂成本。在可靠性上,也存 在不确定性)。6 年前,卡特彼勒宣布要和其他采用 CEGR 技术的竞争对手分道 扬镳。谁也没想到,卡特彼勒竟然会宣布 2010 年退出公路卡车发动机市场。这 场技术路线之争。如此之快就有了结果。 在中国,因为燃油含硫量问题、后处理成本问题、高压供轨系统成本及维护成 本问题,同样我们要面临着竞争、选择。各个发动机厂都在说自己的系统如何 完善、如何达标!也许中国重汽的 EGR 发动机在设计的时候考虑到加装 DPF 需

要多耗费 30000-50000 元;也许是考虑到 COMMONRAIL 需要 20000-30000 元、也 许是考虑到维护一次喷油系统需要 3000-7000 元等诸多不利于销售的现状,重 汽才造出了“中国特色”的 EGR 发动机(非全电控 EGR+H 型电控预行程直列 泵)。 那么未来呢?我们真的要用第一代位置式电控系统来进入欧Ⅳ甚至欧Ⅴ时代么? 重汽如何去应对清洁柴油缺乏、高清洁度润滑油成本、换油周期短、发动机耐 久性差等困惑呢?同样,采用 CRS(COMMONRAIL+SCR)的厂商又如何去应对尿 素添加站的建设、供轨系统的维护成本、后处理设备成本及重复再生技术呢? 可喜的是,目前国内不少厂家也在着眼未来,来制定自己的排放路线,像北汽 福田、玉柴等等也许在未来几年中,支持 SCR 和 EGR 阵营的厂家们能连起手来, 制定一套符合我们中国的排放法规走向的技术线路。 在欧洲,包括斯堪尼亚、曼等走 EGR 线路的厂商,在设计欧Ⅳ或欧Ⅴ发动机甚 至欧Ⅵ的方向上,不约而同的向生物柴油+发动机内部优化燃烧(ECU 控制可变 气门升程+高压燃油喷射)+可控压力、温度、EGR 系统+双极增压器 +DOC+DPF+SCR 系统组合的方式来应对未来更严格的排放法规。 德国 MAN 公司的直列 6 缸 D2676 发动机和中国现在的 WD615 系列发动机有着深 厚的渊源,同样为缸径 126mm,通过调整行程来实现不同排量。在 MAN 的卡车 用 D2676 发动机说明上我们同样可以看到 2 条排放后处理线路: 我们来看看 MAN 的 EGR 发动机,MAN 公司制造的 EGR 发动机采用的是 COMMONRAIL (供轨柴油喷射)+电控 EGR+PM-KAT(DOC+DPF)集成消声器或 MANAdBlue(SCR) 来达到欧Ⅳ排放,如果想达到欧Ⅴ排放就需要 PM-KAT+MANAdBlue 同时工作外加 优化缸内燃烧来保证。 MAN 公司的欧Ⅳ客车底盘配置:MAN 公司的 D2066 发动机(10.5L)在 90 年代末 期曾经使用过第一代的位置控制式柴油喷射系统(电控预行程直列泵)EGR 发 动机,因其采用 4 气门、喷油器中置在优化缸内燃烧结构后,采用低硫清洁柴 油不加尾气处理系统是在某个工作区域可以达到欧Ⅲ排放的,MAN 公司在改用 COMMONRAIL 及 PM-KAT 后,使用清洁燃油,其排放可以达到欧Ⅳ标准。 SCR 系统通过还原剂把氮氧化物转化为 N2 和 O2,一般是选择尿素水溶液作为还 原剂。尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中,在废气温度和气流作用 下气化分解为 CO2 和氨水,氨水作为还原剂将 NOx 还原为无污染的氮气和水。 SCR 降低氮氧化物催化反应式(T>160°C): H2N-CO-NH2+H2O->2NH3+CO2 NOx 反应式: 4NO+4NH3+O2->4N2+6H2O 6NO2+8NH3->7N2+12H2O

SCR 的一个最大的特点是发动机的内部燃烧允许最大优化方案,就是说尽可能 的让柴油在较高温度下富氧充分燃烧,这样产生的 NOX 虽然含量较高但是 PM 的 含量会较大幅度的降低,通过 SCR 的催化还原效应,可以使尾气的 NO2 含量大 幅度降低(减少温室效应)。 选择性催化还原的效率取决于气体温度:如果在 200-500°C 的温度范围内工作, 氮氧化合物到氮和水的转化率可达 85%,这种条件基本上就是实际车辆运行的 条件通过内部优化燃烧,燃油所含的硫只有极少部分转化为微粒,典型的转化 率是 1.5%。即使含硫量为 350ppm 时(即欧 III 燃油),也能够满足欧 IV/V 微 粒排放限值这意味着,在市场推广阶段,如果欧 IV 燃油供应未能覆盖全国时, 这种车辆也可以行驶于城市之间和国家之间。 为了早日与世界接轨,我国正积极地实施更为严格的排放法规,特别是制定了 中重型柴油车的排放标准,其实施步骤是:2007 年初引进欧Ⅲ标准,2010 年引 进欧Ⅳ标准,至于欧Ⅴ标准何时引进还未确定。 目前国内采用的降低排放的主要措施是在发动机方面提高燃油的喷射压力(高 压共轨、泵喷嘴、单体泵)、增压中冷、改进燃烧室形状(活塞凹腔形状),采 用废气再循环(EGR)等。为了适应新短期排放法规,又需要增加了 DOC 氧化催化 转换器以降低 PM 的排放。为了适应更加严格的新长期排放法规还必须采用尿素 SCR(SelectiveCatalyticReduction)即选择还原型 NOx 催化转换器以降低 NOx 排放,并且采用柴油微粒捕集器(DPF,DieselParticulateFilter)以减少 PM 排 放。就是说,为了达到全工况排放要求,除了改进发动机燃烧工况和性能,也 必须采用旨在减少 NOX,与 PM 的后处理装置。 但是换种角度想想,既然国Ⅲ排放要求只是对 NOx 和 PM 指标有规定,那如果还 是用欧Ⅱ排放的非电控柴油发动机,同时采用清洁柴油或生物柴油和后处理 (SCR)的话,应该也可以达到国Ⅲ的排放要求。当然如果想提高排放标准的话, 就需要有 ECU 参与发动机的整体控制。 关于发动机供油系(电控高压共轨、单体泵、组合泵、电控预行程)的文章, 我们将在下几期给大家介绍,这次我们把重点放在尾气处理上面! 从技术层面上看无非是减少发动机本身产生的排放物(机内净化)和对已经产 生的排放物进行处理(机外净化)这样两个办法来实现减排。 以柴油发动机为例,排放物中的 NOx 和 PM 处于一种平衡(互逆)关系。NOx 主 要是在燃烧过程中,空气中 78%含量的氮气在高温下转化成 NOx,温度低于 1600℃时不明显,而高于此温度时 NOx 将迅速增加,而高温将有利于减少 PM 的 形成,因此,在各种减排技术当中针对这两种物质进行有所侧重的处理。 对于(EGR)废气再循环来说,一部分废气取自排气歧管,在 EGR 冷却器中冷却 后再混入进气中。EGR 总的废气流量由 EGR 阀门控制。将废气与进气混合可以 降低缸内氧气浓度,并且废气的热容度要比 O2 大,从而在燃烧过程中降低气体

的最高温度同时降低氮氧化物的排放。但是同时由于燃烧相对不完全且因缸内 O2 的含量降低后,PM 的排放随着 EGR 率的增大极具增大。 此外,目前中国的燃油中 S 的含量基本是大于 500ppm,当 EGR 率高时,会出现 燃油和润滑油中的硫在参与燃烧后形成的 SOx 与水蒸气会形成酸性腐蚀物,对 EGR 管路和发动机内的金属结构出现较为严重的腐蚀磨损。因此 EGR 发动机的 换油周期相对与其他尾气后处理系统来讲要短的多(即使加上 DPF 尾气处理系 统)! 所以国际上对 EGR 发动机的排放控制都有控制策略 1)由于 NOx 排放量随负荷增大而增大,因此废气回流量应随负荷而增大。 2)暖机过程中,冷却水温度和进气温度均较低,NOx 排放不高。为防止废气回 流破坏燃烧的稳定性,一般在发动机冷却水温度低于 50oC 时,不进行 EGR。 3)怠速和小负荷时,NOx 排放也不高,也不进行 EGR。 4)接近全负荷时,为保证发动机保持足够的动力性能,即使 NOx 排放很高,也 不允许进行 EGR。 5)必须使用含硫量低于 50ppm 的清洁柴油及高级的低磷、低硫、低灰份合成机 油。 因此,普通 EGR 技术只能在中等负荷时使用,一般最大的 EGR 率不超过 20%。 此外,要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。 目前国内重型卡车发动机生产厂在国Ⅲ排放要求下,发动机的尾气后处理方式 各有不同,同时掌握 EGR 和 SCR 技术的只有康明斯,而最近闹腾的沸沸扬扬的重汽 EGR 发动机实际 上是采用电控预行程直列泵+高压(冷却)EGR 系统,而并未添加其他的尾气处 理系统,如下图: 重汽的 EGR 发动机采用 4 气门+8 孔喷油器中置+电控 H 泵,这条线路也就意味 着虽然可以优化油泵的供油曲线、供油速率,但是由于喷油器的喷油压力不可 调,无法实现多次缸内喷射,而且因存在联轴器也就意味着供油时间存在差别 性,这些将直接导致 PM、NOx 不可能在机内通过优化燃烧来降低,虽然采用 EGR 可以大大降低 NOx 的含量,但是 EGR 的负面效应是完全暴露了,在没有加 后处理设备的情况下,发动机只是在运行状态的某一时段排放达标,而全工况 EGR 发动机会导致 PM 排放超标(尤其是中国目前的高硫柴油),同时还会导致 发动机的耐用度和机油更换周期变差。 排气中的主要成分是惰性气体 N2 和 CO2,一部分排气经 EGR 阀流回进气系统, 与新鲜混合气混合后稀释了新鲜混合气中的氧的浓度(但很少改变过量空气系 数)。

CO2 的热容量是 O2 的 1.5 倍左右,废气成分较多的混合气热容量也较高;由于 一部分空气被废气所取代,混合气中 O2 的含量就相应降低;以上两种效应使得 柴油机的燃烧速度降低,增加了燃烧时的散热,降低了最高燃烧温度。 EGR 可有效地降低 NOx 排放,随着 EGR 率的增加,NOx 排放大幅度下降,NO2 的 排放增加有可能达到 50%(NO2 在高温状态下与 O2 发生反应形成 O3,是直接 导致温室效应的因素之一),同时,缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排 放,并使发动机的排气烟度增加,但在中小负荷时烟度值比较小,而大负荷时 会使柴油机的排气烟度增大,这就给全面、有效地控制 NOx 和 PM 排放带来了困 难。这就是在所谓 PM 和 NOx 的互逆性。所以为达到更高排放限值,EGR 率一般 控制在 15%以内,同时还需要配合使用 DPF 微粒捕集器。 增压柴油机采用 EGR 后,可以降低进气中的氧含量,降低燃烧放热率的峰值, 降低燃烧的最高温度,从而降低 NOx 的排放。由于废气的温度较高,进入气缸 的充量温度将会升高,燃烧温度升高。为了有效降低 NOx 的排放,可以对 EGR 进行冷却。对 EGR 进行冷却可以降低燃烧初期的压力升高率和峰值压力。低的 EGR 温度可以延长燃烧滞燃期,增大预混合燃烧的比例,缩短燃烧持续期,降 低最高燃烧温度,从而降低 NOx 的排放,同时可以降低炭烟的排放,提高燃油 经济性。 但由于废气中水蒸气的含量较空气高,并且含有少量的硫化物,过低的 EGR 温 度一方面会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成气缸壁的腐蚀和磨损。另一方面 会导致 EGR 冷却器尺寸增大,成本增加。 随着 EGR 温度的降低,烟度的排放降低。根据燃烧放热规律,高的 EGR 温度使 预混合燃烧的比例降低,扩散燃烧的份额增加,并且使燃烧持续期变长。柴油 机的炭烟主要产生于扩散燃烧阶段,扩散燃烧份额的增加,会增加烟度的排放。 燃烧持续期的增加,使得扩散燃烧的结束较较低的 EGR 温度时晚。由于扩散燃 烧发生在活塞下行的过程中,此时缸内的温度下降,燃烧持续期越长,越不利 于炭烟的氧化,使烟度增加。 另外,高的 EGR 温度使进气充量的温度升高,从而导致整个燃烧过程的温度升 高,这可以使滞燃期和燃烧过程中燃油的雾化加快。温度的升高使得进气的粘 度增大,雾化的燃油不易与进气掺混,容易形成局部富油区。局部富油和高的 燃烧温度加速了燃油的裂解,且不易被氧化,导致炭烟排放增加。所以目前对 EGR 的冷却应保持在 400K(133℃左右)。为了保证正常的 EGR 温度,散热效率 要提高 30%,在长途运输的车辆上必须装配大流量、高效的冷却系统。这对于 中国目前平头载重车驾驶室设计来讲,是个严重的考验! 12.柴油燃料的改进——提高十六烷值、降低含硫量、降低芳香烃含量(ULSD) 13.清洁燃料的应用(生物柴油) 14.均匀充量压缩燃烧(HCCI)技术(Homogeneous Charge Compression Ignition)

在 HCCI 燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合,形成均质预混合气。 混合气被活塞压缩并发生自燃,并呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧,从 根本上消除了产生 NOx 的局部高温区和产生 PM 的过浓混合区。柴油 HCCI 燃烧 方式的研究始于上实际 90 年代中期。目前国际上,以柴油为燃料的 HCCI 发动 机的开发逐渐受到重视,这主要有以下几方面原因: (1)柴油机可靠性更高,维护成本低。 (2)燃料的继承性好。商用车、重型载重车量、大型工程机械均是以柴油机作为 动力,柴油 HCCI 发动机仍然能够继续利用现有的加油和服务设施。 (3)经济性好。目前的计数还无法实现柴油机全工况的 HCCI 燃烧过程,从实用 化角度出发,必然要双模式运行方案,即在中低负荷,采用 HCCI 燃烧过程,在 高负荷,仍然采用传统的燃烧方式,能够采用传统的最佳的发动机经济性能。 此外,传统的柴油机只依靠机内净化技术已不能满足要求,必须采用新的处理 技术,如 DeNOx 催化装置和微粒捕集器。但是在柴油机的中低负荷,排气温度 难以满足后处理装置的实用要求,且使用后处理装置后,还会带来经济性恶化、 成本上升以及可靠性等问题。采用 HCCI 燃烧技术,则可以解决上述矛盾。 但是,实现实用化的柴油机 HCCI 燃烧决非易事,主要面临两方面的困难:一是 柴油粘度大,挥发性差,形成预混合均质混合器困难;二是柴油作为高十六烷 值燃料,容易发生低温自燃反应,均质预混合器的燃烧速率控制困难,易造成 粗暴燃烧。 15.微粒捕集器(DPF)——过滤效率可达 60%~90%以上 虽然过滤效率高,但是如果不通过滤清器再生来清除滤清器壁上沉积的微粒, 这些微粒最终将阻塞滤清器。如果发动机在高负荷下运转,那么排气温度可能 足以燃烧这些微粒。在柴油机微粒滤清器上游添加“柴油机氧化型催化器” (DOC)可以提高再生过程的效率,这将进一步降低碳氢化合物排放。这种柴油 机氧化型催化器通常由具有贵金属(例如白金)涂层的载体构成。 如果发动机在低负荷下运转(例如用于市区行驶的车辆或短距离运输车辆), 排气温度通常不足以启动再生过程,因此需要热管理来提高排气温度。这种为 了“安全再生”的热管理形式包括进气节流阀、通过排气制动阀增加排气背压 或者“延迟后喷射”(通过喷射系统或者通过燃油定量喷射装置),或者是上 述方法的组合。延迟后喷射将在排气中产生更多的碳氢化合物,这些碳氢化合 物将由柴油机氧化型催化器进行转化,从而提高柴油机微粒滤清器上游的气体 温度。所有这些措施将会不同程度地导致燃油消耗量增加。为了避免滤清器阻 塞,系统必须通过柴油机微粒滤清器的压差以及进气温度来进行控制。 此外,这些有贵金属涂层的各种微粒后处理系统的缺点在于它们不仅仅转化碳 氢化合物,而且在排气含有硫的情况中也将硫转化为硫酸盐。硫酸盐是规定微 粒(PM)的组成部分。只有在燃油的含硫量低于 20ppm 时才可能达到欧 IV/V 的

微粒排放限值(假设发动机的微粒排放不超过 0.01g/kWh 且不包括燃油所含的 硫)。 在使用欧 III 标准的燃油(燃油的含硫量可达 350ppm)或者油品更差的燃油时 必须避免运行微粒滤清器系统,这不仅因为达不到微粒排放限值,而且因为系 统受损的风险。发动机可以免遭由排气再循环系统所产生硫酸的腐蚀(例如使 用特殊材料涂层的进气歧管、进气门、活塞环和缸套),但是柴油机微粒滤清 器再生将被硫酸盐钝化,并且滤清器将被不可逆转地阻塞。因背压升高,发动 机燃油消耗率增加;因排气再循环系统的特性导致排放甚至比不装 DPF 更差。 因此,装备柴油机微粒滤清器的车辆只能使用最低为欧 IV 标准的燃油。


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