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车用柴油机SCR技术现状及应用前景分析


毕 业 论 文

车用柴油机 SCR 技术现状及应用前景分析

指导教师

学 院 名 称 论文提交日期

专 业 名 称 论文答辩日期

答辩委员会主席 ____________ 评 阅 人 ____________




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柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势,在中/重型客、货车上得到了广泛的应 用,但柴油机的主要排放物 NOX 和 PM 无法像汽油机排放物那样可以通过采用三效催化转化 器有效地解决,因此,在发展现有柴油机机内排放控制新技术的基础上,研究、 开发适合于 柴油机的先进排气后处理技术是柴油机生存和发展的关键。 由于我国排放法规体系等效采用欧洲法规体系,考虑到我国的国情和技术的移植便 利性,我国各主要整车厂和柴油机企业也倾向于采用 SCR 技术作为满足未来更严格排放要 求的主要技术措施。目前,虽然国内几家主要车用柴油机企业已经在柴油机领域开展了 SCR 技术的研究,但基本上以国外技术引进应用为主,核心技术仍主要掌握在国外相关厂 家手中,这成为我国该技术推广和应用的主要瓶颈。 本论文介绍了 SCR 技术降低柴油机 NOX 排放的工作机理、 系统构成、 技术在大幅度降低 NOX 排放方面的优势以及影响 SCR SCR SCR 系统性能稳定性的因素因此,有关 SCR 技术的国产化研究日益紧迫,对于 SCR 技术从催化 剂性能研究、 催化转化器优化设计到尿素喷射系统的控制策略的研究与应用、 OBD 系统的 开发和标定,再到整个系统在整车上的集成和匹配应用的研究非常必要。 总之,本论文对满足国Ⅳ排放商用柴油机具有一定的参考价值,对我国降低商用车柴 油机排放、减少大气污染具有现实的社会意义。 关键词:柴油机 SCR 降低 排放 NOX

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1 前言 ................................................................... 1 1.1 选择性催化还原 SCR 技术背景 ........................................... 1 1.2 系统的组成 ........................................................... 2 1.2.1 尿素罐 ............................................................. 2 1.2.2 尿素加料装置(尿素泵) ............................................. 3 1.2.3 尿素喷嘴 ........................................................... 3 1.2.4 催化器 ............................................................. 4 1.2.5 排气温度传感器 ..................................................... 4 1.2.6 氮氧化物传感器 ..................................................... 5 1.3 SCR 工作原理 .......................................................... 5 1.3.1 系统自检 ........................................................... 6 1.3.2 系统预注 ........................................................... 6 1.3.3 等待加料 ........................................................... 6 1.3.4 系统加料加入尿素的条件如下。 ....................................... 7 1.3.5 系统排空 ........................................................... 7 1.4 主要反应 ............................................................. 7 2 影响 SCR 系统转换效率的主要因素 ......................................... 8 2.1 H2O 的影响 ............................................................ 8 2.2 温度的影响 ........................................................... 9 2.2.1 催化器的温度特性 ................................................... 9 2.3 NO2 和 NO 比例浓度的影响 .............................................. 10 2.4 尿素的影响 .......................................................... 10 2.5 燃油品质的影响 ...................................................... 10 2.6 空速的影响 .......................................................... 10 3 SCR 存在的问题 ......................................................... 11 3.1 氨泄漏 .............................................................. 11 3.2 催化剂的高温稳定性 .................................................. 11 3.3 尿素“不正常”反应 .................................................. 11 4 还原剂流量控制策略及改进方案 .......................................... 11 4.1 稳态喷射控制策略 .................................................... 12 4.2 瞬态排放修正策略 .................................................... 12 4.2.1 储氨修正 .......................................................... 12 4.2.2 排气温度修正 ...................................................... 13 4.3 SCR 系统的控制策略展望 ............................................... 13 5 国外 SCR 运用实例 ...................................................... 13 5.1 康明斯集成式排放控制(IEM)系统 ....................................... 13 5.2 格伦德福斯—托普索尿素 SCR 系统 ...................................... 14 5.3 戴克商用车采用尿素 SCR 触媒技术 ...................................... 14 5.4 梅塞德斯—奔驰 ...................................................... 15 6 国外重型柴油车 SCR 车载诊断 OBD ......................................... 15 6.1 SCR 系统 OBD 功能模块结构 ............................................. 15 6.2 重型柴油车 SCR 系统的车载诊断 ........................................ 16 6.3 NOX 传感器 ........................................................... 17
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6.4 NH3 传感器 ........................................................... 6.5 尿素传感器 .......................................................... 6.6 OBD 系统结构功能需求分析 ............................................. 6.6.1 SCR 催化器的故障诊断 ............................................... 6.6.2 尿素箱容器的故障诊断 .............................................. 6.6.3 给料供给单元的故障诊断 ............................................ 6.6.4 控制单元 DCU 的故障诊断 ............................................ 6.6.5 NOX 传感器相关诊断 .................................................. 6.7 故障处理流程 ........................................................ 6.8 需应对的问题 ........................................................ 7 装配 SCR 系统的混合动力公交车排放特征研究 .............................. 7.1 实验测试系统 ........................................................ 7.2 测试车辆 ............................................................ 7.3 测试方法 ............................................................ 7.4 实验结果处理与分析 .................................................. 8 总结 .................................................................. 8.1 目前 SCR 技术推广的局限性 ............................................ 8.2 对 SCR 技术的展望 .................................................... 致谢 ..................................................................... 参考文献 ................................................................. Abstract .................................................................

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前言
柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势,在中/重型客、货车上得到了广泛的应

用,但柴油机的主要排放物 NOX 和 PM 无法像汽油机排放物那样可以通过采用三效催化转化 器有效地解决,因此,在发展现有柴油机机内排放控制新技术的基础上,研究、 开发适合于 柴油机的先进排气后处理技术是柴油机生存和发展的关键。 1.1 选择性催化还原 SCR 技术背景 NOX 和 PM 是柴油机的主要排放污染物,而 NOX 和 PM 存在“trade-off”关系,不能通 过机内措施大幅度同时降低 PM 和 NOX 排放。要满足日益严格的排放法规的要求,使柴油 机排放达到欧 IV(NOX 排放为 3.5g/(kW·h) 、PM 排放为 0.02g/(kW·h) 、欧 V(NOX 排 放为 2.0g/(kW·h) 、PM 排放为 0.02g/(kW·h)以及更严格的排放法规,应该使用排气 后处理技术和机内净化措施相结合的方式来降低柴油机的 NOX 和 PM 排放[1]。 应对更严格的排放法规要求,目前主要有两条技术路线:其一是先通过喷射系统优 化、喷射定时提前和增压中冷来把颗粒物降到适当的水平,这将导致 NOX 适度提高,再使 用 SCR 来降低 NOX 排放;其二是 EGR 与 DPF 组合路线,即先通过废气再循环降低排放中 NOX 排放,再用颗粒捕集器来降低颗粒物的排放[2]。采用优化燃烧及 SCR 技术路线无需改 变发动机内部结构, 同时油耗率减少 5%~7%, 催化剂对燃油中的硫不敏感; 而采用 EGR+DPF 技术路线的柴油机则相反,该路线对发动机的改动较大,油耗率略有上升,尤其是对燃 油中的硫特别敏感。综合考虑两条技术路线的特点,结合我国尿素产量大,燃油中硫含 量较高的特点,采用如图 1 所示的优化燃烧+SCR 技术路线比较适合我国国情
[3~4]



图1

达到欧 III、欧 IV、欧 V 的 SCR 技术路线
1

从 2010 年 6 月 1 日起,珠三角地区已经实行国 IV 排放标准,对柴油机提出了更为 苛刻的废气排放和节能要求,在燃烧方面,目前技术状况下能采用的技术措施多已被采 用,仅依靠燃烧系统的优化已无法满足更高要求,更多的是将其与机后净化措施相结合, 来满足更为苛刻的国 IV 排放要求。可通过使用选择性催化还原(SCR)技术,利用尿素 溶液对尾气中的氮氧化物进行处理,降低发动机的 NOX 排放,这是内燃机排放控制领域的 技术突破,使其符合国 IV 排放要求。 随着排放法规的不断严格, 推出满足国Ⅳ排放标准的柴油机是国内各柴油机生产企业 的当务之急。虽然 SCR 技术在欧美应用得比较成熟,但是国内的 SCR 技术才刚刚起步, 因此有必要对这一适合我国国情的技术进行研究。 1.2 系统的组成 SCR 系统主要由 SCR 催化转化器、电控单元、尿素罐、尿素泵(尿素溶液供给模块) 、 计量模块、喷雾器及各种传感器组成。如图 2 所示为 Bosch 公司典型的 SCR 系统原理图。

图2

SCR 系统原理图

1.2.1

尿素罐

尿素罐用于储存工业尿素,主要由尿素罐液位、尿素滤清器和温度传感器组成,如 图 3 所示。尿素罐液位和温度传感器分别监测尿素罐的液位及温度。
2

图3

尿素罐

1.2.2

尿素加料装置(尿素泵)

加料装置本质上是一个智能泵,在发动机 ECM 的控制下将尿素加料到喷射器喷嘴上 进行喷射,如图 4 所示。

图4

尿素泵

1)尿素加料泵按照发动机 ECM 发出的 CAN 指令输送尿素溶液。 2)尿素加料系统利用系统提供的压缩空气传送一定剂量的尿素到喷嘴上。 3)尿素加料泵具有一个内置加热装置,允许系统在外部温度为-40 ℃以下工作(尿 素在-11℃时冻结) 。 4)尿素加料泵集成了自诊断程序,通过 J1939CAN 通信接口发送 OBD 信息,向系统报 告自身的运行状况。 5)尿素加料泵可以适应 12V 和 24V 电源电压。 1.2.3 尿素喷嘴

尿素喷嘴由不锈钢制成,喷射器管焊接在喷射器喷嘴体上,如图 5 所示。
3

图5

尿素喷嘴

1.2.4

催化器

催化器通常是当前排气消声器尺寸的 2 倍。催化器由消声器和 SCR 催化砖两部分组 成,如图 6 所示。 SCR 催化砖有如下特点: ①不含贵重金属; ②良好的 NH3 吸收能力和良好的氮氧化物 转换能力;③带褶皱的玻璃纤维纸;④可以卷成不同的尺寸和形状。

图6

催化器

1.2.5

排气温度传感器

SCR 系统上装有 2 个排气温度传感器, 一个进口排气温度传感器和一个出口排气温度 传感器,它们是用来监测催化器的温度。如图 7 所示。

图7

排气温度传感器
4

1.2.6

氮氧化物传感器

后处理出口氮氧化物传感器的位置根据发动机用途的不同而变化,通常位于排气系 统中的后处理催化器的出口处。如图 8 所示。 1)后处理出口氮氧化物 NOX 传感器是一个精密设备,它接收来自发动机电子控制模 块 ECM 的指令。 2)后处理出口氮氧化物传感器永久连接在氮氧化物控制模块上,作为一个整体部件 进行维修,并且不能单独进行更换。 3)后处理出口氮氧化物传感器用于测量发动机出口氮氧化物的排放。

图8

氮氧化物传感器

1.3

SCR 工作原理 如图 2 所示,系统采用的是压缩空气辅助喷射系统。工作时,一路空气供给喷嘴,

起雾化尿素水溶液的作用;另一路空气供给尿素泵,控制尿素水溶液回流量的大小。首 先尿素泵起动,在计量阀模块的进口处建立起具有一定压力的尿素水溶液待用。电控单 元采集柴油机的转速、转矩信号、排气温度和 NOX 排放等信号,电控单元按照控制策略发 出需求的尿素水溶液流量的控制指令,驱动电路驱动计量阀动作,尿素水溶液与雾化空 气混合经喷雾器进入排气管。尿素水溶液喷入排气管后,首先在高温及催化剂作用下发 生热解和水解反应生成氨气,然后氨气进入 SCR 催化器催化剂作用下将 NOX 还原,生成氮 气和水,随排气排入大气[5]。 在正常工作情况下,系统工作过程为:系统自检→系统预注→等待加料→系统加料 →系统排空。如图 9 所示。
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图9

SCR 工作原理示意图

1.3.1

系统自检

钥匙开关转到 ON 位置,加料器加电自检。驱动电机转一下,使驱动轮上的一个金属 参考点与电路板上的监测点对正后,驱动电机停止转动。这时尿素输送泵驱动杆处于释 放状态。 1.3.2 系统预注

1)每次发动机起动成功,开始运行时,系统都会开始预注阶段。加料器内隔膜泵开 始全速运转,尿素溶液通过隔膜泵循环并流回到尿素罐中,以便排空系统中的空气。该 过程持续 30s。 2)如果预注阶段成功:①空气电磁阀在预注阶段末期通电打开,压缩空气进入加料 器;②检查尿素压力;③隔膜泵停止工作。 3)如果预注阶段第一次不成功:①空气电磁阀立即断电,切断空气,隔膜泵电机将 再次全速运转 30s;②这一过程可重复 20 次,如果 20 次后仍不成功,SCR 泵状态控制加 料器错误。 1.3.3 等待加料

1)在预注阶段末期,空气电磁阀打开,加料器电机停止。 2)压缩空气一直进入喷嘴,隔膜泵不转,不喷尿素。 3)加料器现在准备好进行加料,加料阶段由发动机 ECM 根据发动机产生的氮氧化物
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和排气温度进行控制。 4)除非满足喷入尿素的条件,加料器不会开始加入尿素,但是发动机运转时,空气 通过加料器、喷嘴尿素供应管和喷嘴持续加入,以避免喷嘴堵塞。 5)在加料阶段,空气压力调节到 40kPa,空气持续穿过空气电磁阀进入喷嘴。 1.3.4 系统加料加入尿素的条件如下。

1)在催化器进口和出口排气温度都达到 200℃以上。 2)没有与 SCR 系统相关的 OBD 故障代码。 3)尿素罐液位高于 6%。 4)空气压力高于 0.4MPa,而尿素压力为 0.3MPa。 5)尿素罐内尿素温度超过-5℃。 6)ECM 根据康明斯氮氧化物算法,发出喷射命令。 1.3.5 系统排空

1)当钥匙开关转到 OFF(断开)位置,系统进入清除阶段。压缩空气从喷嘴和加料 器中流过。 2)空气将任何残留的尿素从系统中排出,否则这些液滴可能堵塞加料器单向阀或喷 油器喷嘴。此阶段将延续 30s,然后系统关闭。 3)每次钥匙开关关闭循环,都会进行排空工作。 4)如果在发动机正常运行期间,SCR 系统故障变为现行故障,SCR 系统将关闭。 1.4 主要反应 SCR 系统中氧化剂是 NOX,真正的还原剂是 NH3[6],其间所经历的化学反应相当复杂。 主要包括尿素的热解和水解反应,尿素的催化还原(包括标准 SCR 反应和快速 SCR 反应) 等。 (1)尿素的热解、水解反应 NH3 具有很强的选择性,是良好的还原剂,但纯 NH3 具有毒性,且不易储存。而尿素 水溶液无毒、无害、储存和运输方便且不具有刺激性气味,因此一般用尿素水溶液(浓 度 32.5%)作为车载 SCR 系统的反应物。尿素在经过热解、水解系列反应后生成 NH3[7]。 在高温排气管中尿素热解(>180℃)生成等摩尔的氨气和氰酸(HNCO) ; (NH2)2CO→NH3+HNCO 氰酸在催化剂作用下进一步水解生成等摩尔的氨气和二氧化碳; HNCO+H2O→NH3+CO2
7

(1)

(2)

SCR 催化器对化学反应(2)有催化作用,能够促进氰酸的进一步水解。反应(1)属 于吸热反应,因此在氰酸和氨气到达催化器的进口时就已经呈气态。 (2)NOX 的催化还原 NOX 的催化还原反应中主要的反应如下: 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(标准 SCR) 2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O(快速 SCR) (3) (4)

柴油机排放的氮氧化物中 NO 含量通常占 85%~95%[8], 因此在 NOX 的催化还原反应中化 学方程式(3)是最主要的反应,称为标准 SCR 反应。在温度 300℃~400℃时有较高的反 应效率,但在温度较低时(250℃,如柴油机冷起动)NOX 转化效率较低,故需要寻求一 种能够在柴油机排气温度较低时仍能保持较高 NOX 转化效率的方法。 大量研究结果表明,当增加 NOX 中 NO2 比例时,可以提高低温条件下 SCR 对 NOX 的转 化效率(见反应式(4) ,当 NO 与 NO2 浓度之比为 1 时将会有最佳的 NOX 催化转化效率[9], 该反应可在较低温度下进行。反应优先级比化学方程式(3)高,在低温条件下的反应速 率是标准 SCR 反应的 17 倍,故被称为快速 SCR 反应。废气中的 NO2 和一部分 NO 能够通过 化学方程式(4)快速地被消除,该反应称为快速 SCR 反应。在 SCR 反应器上游安装预氧 化催化器(活性成分为铂)将一部分 NO 氧化成 NO2,可解决低温情况下 NOX 转化效率低的 问题。 2NO+O2→2NO2 (5)

NO2 的含量不得超过 50%,否则根据反应(4)可知,多余的 NO2 不能参加反应,这样 多余的 NO2 将发生反应(6) ,其反应速度比标准 SCR 要慢得多,称为慢 SCR 反应。如果多 余的 NO2 不能及时反应,将随尾气排出,因此 NO2 的含量不得超过 50%。 8NH3+6NO2→7N2+12H2O(慢 SCR) (6)

经过化学方程式(4)和(5)的反应,大部分的 NOX 被转化为无害的氮气和水。

2
2.1

影响 SCR 系统转换效率的主要因素
H2O 的影响 Giusweppe Maidia 和 Manfred Koebel[10]等人研究了 H2O 的存在对 NH3-SCR 催化转化

NOX 的影响。研究结果表明,对于大多数 SCR 催化剂,低温时 H2O 的存在降低催化剂的活 性,而在较高温度时 H2O 基本不影响 NOX 转化率,此温度随着催化剂的不同而不同。同时, 随着加水量的增加,催化剂的活性受到不同程度的影响。 陶建忠和李国祥[11]等人研究了 150℃~550℃水蒸气对 V2O5-WO3/TiO2 催化剂的 SCR

8

活性的影响情况。研究表明,低温时 H2O 的存在降低了催化剂的脱硝活性,反应温度在 360℃以下时 H2O 对催化剂 SCR 活性具有一定抑制作用,而在较高温度时 H2O 的存在减弱 了 NH3 被 O2 直接氧化为 NOX 的能力,从而间接提高了 NOX 转化率。 2.2 温度的影响 排气温度对催化器活性的影响特别显著,每一种催化剂都对应一种活性温度区间。 当温度低于催化剂起活温度时,催化剂活性非常低,达到起活温度后,随着温度的升高, 催化器的活性逐步升高,当温度升高到某个值附近时,催化器活性迅速升到某一高峰, 在这一温度之上 200℃左右的范围内, 随着温度的升高催化器的活性基本不变, 当温度进 一步升高,催化器的活性开始下降,这是因为 NH3 氧化反应开始发生(如反应式(7)和 (8),使 NOx 转化率下降[12]。 ) 4NH3+5O2→4NO+6H2O 4NH3+3O2→2N2+6H2O 2.2.1 催化器的温度特性 (7) (8)

目前 SCR 以钒基(TiO2-V2O5)或沸石为主要催化成份。钒基催化剂的高效温度范围 为 250~500℃。一般中重型发动机排气温度很少能达到这么高的温度,因此适用于我国 中重型发动机。沸石分成铜基沸石和铁基沸石。铜基在低温时催化能力较强,适用于排 温较低的发动机(低于 200℃) ,铁基适合于排温较高的发动机。沸石的价格较高。图 10 为各种催化剂的高效催化性能温度范围。

图 10

不同温度下催化剂转化效率

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2.3

NO2 和 NO 比例浓度的影响 由于快速 SCR 的反应速率比标准 SCR 的反应速率快得多, 因此增加 NO2 的比例可以提

高 NOX 转化效率。其措施是在尿素喷嘴上游加装预氧化转化器。转化率提高程度与温度有 关,温度低于 200℃时,NOX 转化效率随 NO2 量的增加而线性增加,当 NO 和 NO2 为 1:1 时, NOX 的转化效率最高;温度为 300℃左右时,随着 NO2 量的增加,NOX 转化效率只是稍微有 所增加,当 NO2 物质的量超过 NO 时,NOX 转化效率受到很大负面影响,在这个温度下 NO2 与 NH3 发生慢 SCR 反应,速度比较慢,另外还会有 NH3 泄漏,造成二次污染;当温度高于 350℃时,NOX 转化效率将不受 NO2 影响 2.4 尿素的影响 由于氨气来源于尿素的热解和水解,因此喷入尿素的数量和质量直接影响氨气的生 成,从而最终影响 NOX 转化效率。随着喷入尿素数量的增加,生成的氨气增多,从而产生 更多的 NOX 还原剂,NOX 转化效率提高。但尿素的喷入量过多,会造成氨气过剩,过多的 氨气从排气管排出,造成二次污染[14]。 尿素喷射质量与喷嘴位置和型式有关。随着喷射点到催化器入口距离 L 的增大,由 于尿素液滴与排气相互作用的时间更长、液滴蒸发以及尿素热解更为充分。NH3 在催化剂 载体前端横截面的平均浓度相应增大,其分布也更趋均匀。喷嘴型式不影响尿素的热解 过程。但是喷嘴孔数较多有利于将液滴分散到更大的范围,从而使得还原剂在排气中分 散更均匀[1]。NH3 分布越均匀,反应越充分,NOX 转化效率越高。 2.5 燃油品质的影响 与 EGR+DPF 技术路线相比,采用 SCR 技术路线柴油机对硫不是很敏感,但是燃油中 硫对 SCR 系统的影响不能忽略。当使用硫含量比。较高的柴油时,在发动机排气中含有 二氧化硫(SO2) ,二氧化硫在催化剂的作用下容易被氧化成三氧化硫(SO3) 。通常在排气 温度低于 250℃的情况下氨气和 SO3 容易结合生成硫酸氢氨(NH4HSO4)和硫酸氨( 4) (NH
2 [13]



SO4) ,如反应式(9)和(10) 。生成的硫酸氢氨和硫酸氨也会沉积在催化剂表面减小催

化剂的比表面积,从而降低 SCR 催化器的活性,造成催化剂的硫中毒[6]。所以,燃油品质 的提高与 SCR 的广泛使用有着密切的联系。 NH3+SO3+H2O→ NH4HSO4 2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4 2.6 空速的影响 空速(GasHours SpaceVelocity,GHSV)是催化剂评价的通用参数,是指单位反应
10

(9) (10)

体积所能处理的反应混合物的体积流量,空速的倒数为接触时间。反应温度较低时,催 化剂活性不高,随着空速增加,气体与载体催化剂接触时间变短,反应时间变短,NOX 转 化率下降;随着温度的升高,催化剂活性急剧升高,反应所需时间大大缩短,空速的影 响减弱,温度升高到一定程度后,空速的大小对转化率的影响已经变得非常小[11]。

3 SCR 存在的问题
3.1 氨泄漏 用尿素做还原剂,主要成分是 NH3。车辆排出的废气温度可能从怠速的 100℃变化到 全负荷的 650℃,因而在不同工况下需要喷射的还原剂量的变化也很大,而 NH3 吸附到催 化剂的能力会随着温度的升高而有所降低,这样就很容易造成氨泄漏。通常通过优化尿 素喷射控制策略,安装后氧化催化装置来减少氨泄漏。 3.2 催化剂的高温稳定性 目前,车用 SCR 系统常用 TiO2-WO3-V2O 作为催化剂。这种催化剂抗硫中毒性好,不过 在高温时容易老化,使得氨泄漏会增加,所以催化剂的高温稳定性很重要。一般催化剂 可以接受的最高温度能达到 600℃, 一旦超过这个温度催化剂很容易老化。 这可能由于锐 钛矿型的 TiO2 转化成了金红石型的 TiO2,结果造成活性表面积减少。另外,在高负荷时 排气温度可能达到 700℃, 不过这样的工况出现几率小, 即使出现持续时间也很短。 所以, 提高催化剂高温稳定性仍然是催化剂发展的一个方向。 3.3 尿素“不正常”反应 尿素水溶液喷入排气管后,首先经过热解反应生成氨气和氰酸。氰酸除了在催化剂 作用下生成氨气和二氧化碳外, 在高温下氰酸会发生缩合反应, 380℃~400℃温度下沸 即 腾缩合生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸[16]。这些化合物“结晶体”会堵塞排气管,影响 催化剂的催化效率,使发动机的性能急剧下降。同时由于氰酸发生缩合反应,造成氨气 产生量减少。 由于尿素的喷射量是对不同工况下原机排放状况以及 NOX 的转化能力标定而 确定的。但是尿素“不正常”反应具有不确定性,会引起标定尿素喷射量与实际尿素需 求量发生偏差,而造成 NOX 转化效率降低或氨气泄漏。

4

还原剂流量控制策略及改进方案
SCR 技术应用于柴油机排放控制时, 还原剂流量的控制尤为重要, 控制不好易引起低

温时转化效率不高、瞬变工况时喷射量控制不得当以及氨气泄露等问题。必须综合考虑 发动机的排放性能、催化器的储氨特性、催化器的储热特性和转化效率以制定合理的还
11

原剂流量控制策略。 4.1 稳态喷射控制策略 调整柴油机,优化缸内燃烧,尽量使 PM 达到排放法规要求。在此条件下,测量发动 机全工况下,排气温度,排气流量及其对应的 NOX 排放量等参量。根据化学反应方程式 (3)~(4)计算还原剂喷射量,尿素溶液的质量分数为 32.5%,1moL 的尿素可生成 2moL 的氨气,1moL 的氨气可以还 1moLNOx。

图 11

SCR 系统稳态控制策略

4.2

瞬态排放修正策略 瞬态修正策略是建立在稳态喷射控制之上的。

4.2.1

储氨修正

SCR 系统的催化器通常具有一定的 NH3 储存能力,对于给定的催化器,排气温度是影 响其储氨能力的主要因素。排气温度高时,催化器的储氨能力弱,当发动机从低排温工 况瞬间过渡到高排温工况时,储存的 NH3 会释放出来,可能导致 NH3 过量从而出现 NH3 的 滑失;而在排气温度低时,催化器的储氨能力强,当发动机从高排温工况瞬间过渡到低 排温工况时,由于 NH3 大量储存在催化器中,会降低 NOX 的转化效率。因此,在制定尿素
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流量控制策略时还需要考虑催化器对 NH3 的储存作用。 4.2.2 排气温度修正

在稳态控制模型中,只考虑了发动机系统各参数,如转速、扭矩、催化器温度等均 达到稳定的情形,但是在实际使用中,由于催化器具有容热容性,当发动机从一个工况 过渡到另一个工况时,催化器的床温有一段时间的延时。当发动机从低排温工况瞬间过 渡到高排温工况时,催化剂的活性未变强,喷入的尿素水溶液在低排温环境下会生成氨 盐覆盖在催化剂表面或者存储在催化器内。随着催化剂床温的逐步升高,催化剂内部吸 附的氨气会大量逸出,氨盐也发生热解反应释放出氨气,此时氨气的量往往会超出理论 需求量,在催化器出口以滑失的形式排出。当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工 况时,催化器的床温通常温度较高,催化器的转化效率也较高。如果能根据催化器的实 时温度适当加大尿素水溶的流量, 就可以提高 NOX 的转化效率。 当发动机工况发生变化时, 让喷射量在一段时间内缓慢发生变化,以适应催化器温度变化规律。使 NOX 的转化效率达 到较高的水平,同时也降低了 NH3 的泄漏。 4.3 SCR 系统的控制策略展望 上面获得的控制策略,是以发动机的转速、扭矩和排气温度为基本控制量,即通过 发动机的转速、扭矩和排气温度变化控制还原剂流量的改变的。这是一种开环控制。当 环境条件发生改变,发动机的转速、扭矩、排气温度和排气流量与 NOX 排放量的对应关系 通常会发生偏离。今后 SCR 势必朝着闭环控制方向发展。闭环控制必须要有可靠高精度 的 NOX 传感器。因此,NOX 传感器的发展也与 SCR 系统的密切相关。SCR 系统采用的是质量 浓度为 32.5%的尿素水溶液作为还原剂。32.5%浓度的尿素水溶液的最低冻点只有-11℃。 因此在严寒地区使用 SCR 系统必须考虑尿素水溶液结冰问题。目前有电加热和用冷却水 加热尿素水溶液,但这两种方案均不节能。发展一种高效的熔冰设备也是发展 SCR 系统 的当务之急。

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国外 SCR 运用实例
为了满足日趋严格的排放法规,国外许多汽车及发动机制造商已经开始把 SCR 技术运

用到产品上,也就意味着 SCR 开始进入实用阶段。 5.1 康明斯集成式排放控制(IEM)系统 针对计划于 2005 年 10 月实施的欧Ⅳ标准,康明斯将采用集成式排放控制系统 IEM 技 术,即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起,实现“从进气到排气”的全过程控制。

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为了有效地控制排放,康明斯 IEM 采用了高效的 SCR,并由电控模块对其进行控制。 电控系统能够根据发动机的实时工作状况,准确地将适量的催化剂(尿素溶液)喷入 SCR 装置前端的排气气流中。这个过程将产生催化反应,从尿素溶液中释放出 NH3,对排气 中的 NOX 进行还原,从而有效地减少发动机的排放。 电控系统还可根据发动机的燃油喷射、 缸内燃烧和进气状况,对 SCR 催化转化器进行同步控制。 为了确保车辆运行中 SCR 系统工 作正常,康明斯 IEM 带有一个全自动的车载排放诊断系统(OBD),驾驶员可以通过驾驶室中 的仪表或指示灯随时了解 SCR 系统的运行情况。车载排放诊断系统可以提醒驾驶员及时 加注尿素溶液,按时对 SCR 系统进行保养。在 SCR 系统工作过程中,尿素溶液以燃油消耗 量 5%的比例喷入排气气流中。 根据车辆的不同类型和使用情况,车辆上安装的尿素溶液储 存罐与燃油油箱的容积比通常为 1∶1,2∶1 或 3∶1。 在欧洲,环保部门已经开始在商用车上推广使用 SCR 系统,用户可以方便地购买和使 用尿素溶液,确保车辆排放满足欧Ⅳ标准。车辆使用康明斯 IEM 系统后,燃油经济性的提 升将抵消使用尿素溶液增加的成本。 尿素溶液的喷射由康明斯电控系统精确控制,可以完 全消除尿素溶液的泄漏和产生的气味。 5.2 格伦德福斯—托普索尿素 SCR 系统 丹麦格伦德福斯公司和托普索科技公司合作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化 器。该装置可节省 4%的耗油量,将对人体有害的纳米级 PM 排放量减半,并降低 NOX 和烃的 排放量,减少柴油燃烧时产生的异味。 格伦德福斯公司作为泵和电子控制系统的供应商与 催化剂的研制者托普索公司进行了战略伙伴合作,开发出了这套系统。 格伦福德斯公司估 计至 2010 年,这一装置在全球市场的销售总额将达到 800 亿丹麦克朗(约合 96 亿美元)。 这套尿素 SCR 系统能够有效地消除大部分的 NOX 和未燃 HC 及柴油机排气中那些危害 人类健康的物质。柴油难闻的气味主要是它的成分中有未燃烃,将未燃烃去除,柴油车的 工作环境将得到很大的改善。SCR 系统基本由尿素储存罐、尿素喷射系统和催化器组成。 通过向汽车排出的气体喷入尿素,尿素分解为 NH3 来去除 NOX。 X 与 NH3 反应在催化剂的表 NO 面生成没有危害的气体 N2 和水蒸汽。HC 和 PM 被留在催化器上,但不会与喷射的尿素混在 一起。喷射的尿素是质量分数为 32.5%的溶液,用手接触是很安全的,不会对环境造成污 染。 5.3 戴克商用车采用尿素 SCR 触媒技术 戴姆勒—克莱斯勒公司日前宣布,为了使配备柴油机的商用车符合欧Ⅳ及欧Ⅴ排放 标准,采用了使用尿素的 SCR 法。 该公司将于 2005 年上半年在卡车及大巴中采用 SCR 法,
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在 2006 年 10 月符合欧Ⅳ标准前,开始阶段性地支持欧Ⅳ标准。 该公司今后还将继续开发 SCR 技术,以尽早达到欧Ⅴ标准的要求。SCR 法采用在尾气中喷射质量含量为 32.5%符合 DIN70070 标准的雾状尿素水溶液“Ad2Blue”方法,将 NOX 还原成 N2 及 H2O。尿素消耗量约 为柴油消耗的 6 %。 长途运输的卡车,2L 尿素可行驶 100km,如配有 100L 的燃料罐,补充一 次尿素可行驶 5000km。据报道,配备 SCR 系统的维修成本等不会增加,无需使用低 S 柴油 燃料。 在商用车上采用尿素 SCR 系统时,必须进行小型化设计,以便配备触媒及尿素罐;还 必须完善补给尿素的基础设施。SCR 系统的设计始于 20 世纪 80 年代,目前已在商用车进 行了 SCR 系统的安装试验;尿素基础设施方面,也已开始在加油站进行试验性供给。 目前, 为在 SCR 系统投入实际使用之前完善基础设施,该公司正在与 AdBlue 厂商共同建设补给 站。 5.4 梅塞德斯—奔驰 为了达到 2007 年施行的 EPA 最新的环保法规,世界汽车知名制造商梅塞德斯—奔驰 公司也已经把 SCR 这种后处理技术运用到他们生产的柴油车中,并考虑把这一系统配置到 部分的商务车中。

6
6.1

国外重型柴油车 SCR 车载诊断 OBD
SCR 系统 OBD 功能模块结构 由于重型柴油车排放水平较差,普遍行驶里程较大及使用频率较高,加上目前全球

发动机电控技术的不断普及以及发动机排放控制技术电控程度的提升,使得在重型柴油 车上加装OBD系统成为必然趋势。 分析目前全球OBD技术的发展情况,轻型车OBD技术的发展已经很成熟,而由于柴油 机电控技术的研究落后于汽油机,而重型车又基本以柴油发动机为主,因此重型柴油车 OBD技术的研究工作在国际上仍处于初级阶段,远落后于轻型车OBD技术的发展。另外, 重型柴油车的排放控制技术和排放测试要求与轻型车不同,使用环境与轻型车也有很大 不同,因此轻型车OBD系统的技术措施和相关法规并不适用于重型车。 美国和欧洲正在研究开发将OBD 系统应用于重型车发动机[17] 。在欧洲法规中,直至 欧Ⅳ阶段才对重型柴油车提出了OBD要求,美国加州、SAE、ISO和日本目前也提出了有关 重型车OBD的标准。与欧洲排放控制法规一致,我国在重型车国Ⅳ法规中,首次对重型柴 油车OBD系统进行了强制规定。 为实现 OBD 功能,在前期集成的 SCR 系统基础上进行改进,新安装了多种传感器,并进

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行了调试与标定。传感器采样值和执行器的反馈信号用来作为故障判别的重要参数,SCR 系统控制器中的 OBD 模块软件集成了对于故障的确认、故障代码的管理与存储、故障回 应方案等多项功能,而故障指示灯(M IL)用于与排放相关故障的报警,由 SCR 控制器中 OBD 模块驱动。传感器的安装位置如图 12 所示。

图 12

SCR 系统中传感器的安装位置

6.2

重型柴油车 SCR 系统的车载诊断 理论上而言,SCR 系统工作时,需要实时监控 SCR 系统对 NOX 的转化效率,以确定系

统是否正常工作。而 SCR 系统使用过程中需要消耗尿素,这就带来了 SCR 在尿素添加方 式上的问题(未及时添加、不添加或忘记添加) 。另外,如何合理配比尿素的喷入量,以 更好的实现对 NOX 的催化还原也是目前的主要问题。综上,要解决这一系列问题,就要将 OBD 系统应用到对 SCR 的监测中。 应当说, 现阶段, SCR 系统本身的技术难点已基本克服, 将其应用到排放控制中的主要技术难点正是对 SCR 系统的车载诊断。 需要对 NOX 的转化效 率进行监控,以确定 SCR 系统是否正常工作。使用传感器来监控还原剂尿素的供给量也 是 SCR 车载诊断中的必备部分。此外,针对上文中提到的尿素添加问题,目前主要使用 尿素质量传感器来监控尿素的消耗量。目前对于重型柴油车 SCR 系统的监控,主要的研
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究内容即为 NOX 传感器、 3 传感器以及尿素传感器这几类传感器的具体研究。 NH SCR 车载诊 断系统对于车辆的监控就是基于上述传感器而进行。下面将分别介绍这几种传感器的研 究情况。 6.3 NOX 传感器 监控 SCR 系统转化效率的最有效的方法是监控 NOX 的含量。一般做法为:在 SCR 催化 器的上游和下游都安装一个 NOX 传感器,计算 NOX 的转化率,以此监控催化剂的状态。但 是,如上文所述,由于轻型车与重型车之间存在的各种差异,直接把轻型车上的 NOX 传感 器用于重型车上,并以此来监测 NOX 的转化效率还存在较大困难。理论上而言,如果某 SCR 系统中存在氨水,就不应该有 NOX,因为氨水将 NOX 还原为氮气和水了。但是 NOX 传感 器对氨水和对 NOX 的响应是一样的,所以就不能判断系统中存在的是氨水还是 NOX,这样 就造成了 SCR 车载诊断对于 NOX 的偏差。因此针对重型车的 SCR 系统转化效率,还要开发 新的传感器,以尽量减少 NH3 的横向灵敏度对监测结果的影响。 Lothar Hofmann 等人研究了 NH3 的泄露对 NOX 传感器的影响[18] 研究人员通过调节尿 。 素配量系统的配比值,使得排气中出现了多余的 NH3,并在此情况下研究 NOX 传感器的信 号变化情况。试验证明,NH3 泄露对 NOX 传感器信号影响较大。由于 NH3 在排气中的存在对 信号影响较大,致使 NOX 传感器的应用受到了一定影响。在欧 IV 排放阶段,只利用 SCR 系统的开环控制就可达到排放法规规定的限值。此时 SCR 系统的 NOX 转化效率控制在 65% 左右,而目前为达到更加严格的欧 V、欧 VI 及 EPA10 的排放限值要求,国外倾向于使用 NH3 传感器来实现对 SCR 系统的闭环控制。 6.4 NH3 传感器 为达到严格的排放法规的要求,SCR 的转化效率应尽可能高。此外,应重视车辆排气 时的 NH3 泄漏问题。用尿素做还原剂时,主要成分是 NH3。车辆排出的废气温度可能从怠 速时的 100℃变化到全负荷时的 650℃, 因而在不同工况下需要喷射的还原剂量的变化也 很大,而 NH3 吸附到催化剂的能力会随着温度的升高而有所降低,这样就很容易造成 NH3 泄漏[19] 。应尽可能控制其泄露量,优化尿素喷射时的控制策略是最直接的解决方法。对 SCR 系统采取闭环控制可降低其应对尿素配量时的不精确性以及催化剂的老化, 并使 SCR 系统可满足生产一致性和在用符合性的要求。因此,在控制尿素喷射时,不仅要考虑针 对排气中的 NOX 调整尿素的喷射量,还要考虑催化剂活性的影响。 为实现这一系列功能, 包含 NH3 传感器的 SCR 系统的尿素配量闭环控制是目前的最佳 解决方案。国外的研究人员针对使用 NH3 传感器的闭环控制系统已做了相关试验研究。
17

TNO 公司的 Willems 等人对不同控制策略下的 SCR 系统的性能进行了研究

[20]

。研究

人员研究了一般的开环控制,基于催化剂前后 NOX 传感器的闭环控制以及采取 NH3 传感器 的闭环控制三种控制策略下的 SCR 系统的工作特性。研究结果显示,一般的开环控制可 达到较高的 NOX 转化效率,但无法对发动机的 NOX 转化进行有效监控。使用 NOX 传感器的 控制策略中,得到比第一种控制策略较好的结果,可监控 NOX 的转化效率,但发现 NH3 对 NOX 传感器的影响较大。 尽管研究人员使用修正措施对 NOX 传感器的 NH3 的横向灵敏度进行 了调控,以使其较好的工作,但此现象还是限制了该控制策略的使用,与前两种对比, 采取 NH3 传感器的闭环控制可达到最好的效果。试验结果证明该控制策略下的 NOX 转化效 率最高,对 NH3 泄露的控制也最好。 Delphi 公司的 D.Y.Wang 等人对其公司生产的 NH3 传感器进行了测试研究[21] 。该 NH3 传感器是基于一种电气化学原理而工作的。 基于该原理的 NH3 传感器目前在车辆上应用最 为广泛的。此类型传感器具有较为经济的制造成本,有较好的耐久性,适于规模化生产, 可经受柴油机排气系统中恶劣的工作环境。该传感器工作时,如感应到 NH3 的存在,就输 出一个电动势信号,此信号与氨气浓度的对数值呈线性比例。这个信号会反馈给 SCR 系 统的配量单元控制器,控制器会对尿素的供给做出相应调整。在柴油发动机上的测试证 明了该 NH3 传感器在预想的工作环境下可有效工作,并有较好的可靠性。另外,研究人员 还对基于 NH3 传感器和基于 NOX 传感器的控制策略进行了对比研究。研究发现基于 NOX 传 感器的控制系统对于 NH3 泄露的控制明显不如基于 NH3 传感器的控制策略好,加之发动机 排气变化时,此系统受到的影响较大,NOX 转化效率明显下降,导致此类型控制策略的使 用受到了限制。 另外,Delphi 公司的 Andrew Herman 等人也对不同试验工况下,基于 NH3 传感器的 SCR 控制策略进行了研究[22] 研究人员在 FTP 和 ESC 试验循环下验证了此控制策略在 NOX 。 转化效率及 NH3 泄露控制方面的优势。另外,研究人员还进行了更加深入的研究,验证了 将 NH3 传感器运用到 OBD 系统中的可行性。研究显示,利用加载在 SCR 催化剂中部的 NH3 传感器可加强对 SCR 催化剂老化的监控, 指出今后的研究方向是研究 NH3 传感器检测到的 信号与 SCR 催化剂老化时的 NOX 转化效率之间的关系。 6.5 尿素传感器 理论上讲,一个 SCR 系统监控应监控喷入废气中的空气/尿素混合气的参数,这些参 数包括混合气流速以及混合气中尿素的质量。但是,目前尚不存在一种在尿素喷入点精 确测量混合气中尿素质量的有效措施。考虑到这些限制,对 SCR 系统监控的解决方案是
18

将理论上希望得到的注入排气的尿素的质量(信号指令)与尿素罐的体积变化(实际情 况)进行对比,在一个合理的时间内检测系统是否失效
[23]



该 SCR 系统监测方法需要精确测量理论上的注入排气的尿素的量(信号指令)与尿 素罐的体积变化数 (实际情况) 精确的配量控制可使系统可以准确测量需要尿素的质量。 , 考虑到诊断时间的需要、尿素罐设计的多样性以及车辆行驶过程中罐体的晃动,较难精 确测量尿素罐内的体积变化。为在一定时间内检测出 SCR 系统的失效特征,需要一个高 精度的传感器,但仅此还是无法测量体积变化。一般来说,即便是精度很高的传感器也 只能读取液面高度,而体积变化是由尿素液面高度和尿素罐体横截面综合决定的。一般 说来,尿素罐会被设计为可适应周围部件空间布置的构造形式,因此,在实际情况中, 非标准横截面的尿素罐体是比较常见的,所以,为适应非标准情况下的罐体横截面,需 要对传感器信号进行预处理。 6.6 OBD 系统结构功能需求分析 诊断部分是本系统的核心。 不同发动机管理系统下的具体诊断策略可能有所差异,但 大体上都包括功能性诊断、 排放限值诊断(OTLS)、 自诊断和智能诊断部分。 SCR OBD ECU 就 系统 OBD 结构而言,诊断功能主要有:SCR 催化器效率诊断、 尿素箱故障诊断、 供料单元故 障诊断、NOX 传感器相关故障诊断和控制单元 DCU 故障诊断。 6.6.1 SCR 催化器的故障诊断

对 SCR 催化器的诊断,由于催化器在使用过程中会逐渐老化,或由于使用不当导致对 尾气的处理效率变低,此时通过催化器前后氮氧化物传感器检测的 NOX 值对比可得出催化 器是否已经劣化,如果其它模块工作正常,而 NOX 值没有明显下降,则表明催化器失效。 6.6.2 尿素箱容器的故障诊断

尿素箱容器的功能是存储尿素溶液,监测尿素品质、尿素液位和尿素箱温度,并对尿 素溶液加热保温。尿素箱容器由箱体、加热器、液面传感器、温度传感器和尿素质量传 感器组成。当汽车发动时,尿素箱容器对尿素加热到规定值并始终保持这个温度。各传感 器电路将监测值传送到 DCU 中,动态显示尿素液位。 对尿素箱的监测,尿素在 SCR 系统中起着反应剂的作用,尿素的品质、温度和容量是 非常重要的技术参数。 OBD 主要通过监测尿素箱温度传感器、 尿素加热器和尿素液面传感 器等的工作状态来监测尿素箱(包括尿素液位过低、尿素品质下降、尿素用尽以及传感器 的短路、断路等)。 6.6.3 给料供给单元的故障诊断
19

给料供给单元的功能是供给尿素和空气,为尿素喷射提供具备一定压力的反应剂。 给 料供给单元由尿素泵、空气阀、过滤装置、电喷嘴、压力传感器等组成。 给料供给单元的工作过程是将空气和尿素溶液混合、 雾化,定量向排气管喷射尿素溶 液。 OBD 通过对尿素每次喷射消耗量、 反应剂压力及喷射效果的监测对给料供给单元进行 综合判断,以诊断尿素泵的工作情况是否良好,过滤装置及电喷嘴是否堵塞等。 6.6.4 控制单元 DCU 的故障诊断

DCU 的功能是控制反应剂定量喷射,进行 DCU 的自诊断,它由相关的电子元件及电路 组成。 控制单元 DCU 故障诊断的工作过程是在 DCU 上电后,在 DCU 的初始化过程中完成自 诊断。根据相应的功能对 DCU 内部多个模块进行诊断,包括 CAN 通信模块的诊断、储存器 模块的诊断、A/D 模块的诊断等。 6.6.5 NOX 传感器相关诊断

NOX 传感器主要功能是监测发动机排放物中 NOX 含量是否超标,同时为 SCR 催化器故障 诊断提供分析数据,NOX 感器相关部分包括传感器本身和传感器电路。 NOX 感器相关诊断的工作过程为:传感器上电后先进行自身的诊断,确认工作正常后, 传感器将监测到的信息通过相应的电路传送到 DCU 中作进一步的处理。 除了要求对传 OBD 感器自身进行诊断外,还要对相应电路的断路或短路的情况进行监测,并在 DCU 中利用催 化剂上、下游 NOX 感器的监测值进行催化剂的劣化和整体系统 NOX 排放限值的诊断。 6.7 故障处理流程 如图 13 为 OBD 系统的故障处理流程图。

图 13

故障处理流程

故障管理是对已确认和未决的故障代码及相应故障信息进行存储管理的过程,并且
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实现与诊断仪的通信。软件的故障诊断逻辑包括了基于 SCR 系统 OBD 诊断项目的各种诊 断策略。传感器采集到异常信号,经诊断逻辑算法过滤处理后,在周期性的确认机制下判 别故障参数是否为最终故障,如果确认为最终故障,将储存相应故障代码和故障发生时的 环境条件,并启动故障回应方案。 内存中划分单独的区域用来适时地储存包含部分环境条 件在内的冻结帧信息,可以从中追查故障发生的部分原因。 如果故障导致排放超过 OBD 限 值,将点亮故障灯。当同时发生多个故障时,首先处理故障优先级高的故障。在出现严重 故障导致排放超标,如 SCR 催化剂严重损坏,或反应剂尿素用尽时,将立即向发动机 ECU 发 送限制转矩的请求。 6.8 需应对的问题 随着越来越严格的排放法规及重型车 OBD 法规的实施,如果今后发动机制造商决定 采用 SCR 作为重型柴油车后处理解决方案,那么就必须解决系统人为干扰以及失效诊断 给 SCR 车载诊断带来的问题。 车用 SCR 系统使用消耗性试剂尿素作为反应必备物,这就导致车辆在使用过程中驾 驶人员需支付额外针对试剂的消耗,这就导致驾驶人员可能干扰诊断系统。总体来说, 系统干扰的主要出发点是减少车辆的使用开支。对于 SCR 诊断系统,一般性的干扰模式 容易检测出来,例如,断开 SCR 配量电控单元的电源等。然而,诊断系统同样会遇到其 他类型的干扰。目前,已存在如更改尿素的流向以使其流回尿素罐,以及使用较为便宜 的试液(例如水)添加在尿素罐中等系统干扰。若出现这些类型的系统干扰,OBD 系统就 较难诊断了。监控尿素罐的液面高度变化并将其与电控系统确定的喷射量进行对比可以 解决上述干扰,但更改尿素罐试液的系统干扰显然无法诊断识别,针对上述情况,就需 要加强技术研发,开发出适用于此现象的精确监控设备。 一旦 OBD 系统发现 SCR 系统错误工作的信息,OBD 系统的失效诊断策略就显得十分 重要了。在欧洲排放法规中对“扭矩限制器”提出了规定,即当 NOX 放量超过限值规定的 标准值时,待车辆车速为零,再次启动后,发动机电控系统将发出指令,强制降低发动 机的输出扭矩。虽然此时车辆还可以启动,但已影响车辆的正常操作,这就主动修正 SCR 系统的错误。

7
7.1

装配 SCR 系统的混合动力公交车排放特征研究
实验测试系统 车载测试系统主要由车载工况跟踪系统(On-Broad Driving-Cycle Trace System,

21

OBDCTS)及便携式排放测试系统(Portable Emission MeasurementSystem,PEMS)两部 分组成,如图 14 所示。

图 14

车载测试系统

OBDCTS 用来跟踪和复现指定的车辆行驶工况,如“中国典型城市公交循环工况” 。 OBDCTS 主要由非接触光电速度传感器、车辆信号处理仪和装有数据信号处理软件的 OBDCTS 外接计算机组成。使用时将外接计算机放置在驾驶室,驾驶员根据复现的预定工 况操作车辆,从而保证车辆多次重复运行在相同的工况上。 PEMS 由车载气态污染物测量仪 OBS-2200 和车载颗粒物测量仪 ELPI 组成。OBS-2200 可以测量瞬时的 CO、CO2、H2O、NOX 及 THC 浓度;瞬时的车辆排放尾气的流量、温度、压 力;周围环境温度、湿度、压力等。ELPI 可以测量瞬时的各颗径 PM(如 PM1.0、PM2.5、 PM10)排放质量浓度及数目浓度等。 7.2 测试车辆 试验车辆参数见表 1 所列。两辆混合动力公交车为同一公司生产,具有整备质量、 最高车速、电系统(如电机及电池)及控制策略完全相同的特点。该国Ⅳ混合动力公交 车与国Ⅲ混合动力公交车的主要区别在于:国Ⅳ混合动力公交车使用了装配 SCR 系统的 国Ⅳ发动机,而国Ⅲ混合动力公交车使用的是不带后处理装置的国Ⅲ发动机。

表 1 试验车辆参数 参数 驱动型式 长x宽x高 (cmxcmxcm) 整备质量/kg
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国 IIIHEB 混联 1198x254x318

国 IVHEB

1198x254x310

12190

最高车速/km·h 发动机型号 后处理技术 电机型式 /型号 电池型式 /型号

-1

80 ISBe185 32 ISBE4 205B SCR 三相交流异步电机 /KAM280-HA 超级电容 /BMODO165P048

7.3

测试方法 由于目前国内重型混合动力公交车辆只有能量消耗量试验方法,没有污染物排放试

验方法。参照《GB/T 19754—2005 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》[24]及《美 国 SAE—J2711 标准混合动力重型车辆排放性能测试》[25],进行了指定工况下的混合动力 公交车的场地排放测试。试验时对车辆进行配重,为车辆载重质量的 65%。 该测试在北京通县交通部公路试验场内进行。测试工况采用国家 863 计划电动汽车 课题成果“中国典型城市公交循环工况” ,如图 15 所示。

图 15

中国典型城市公交循环工况

7.4

实验结果处理与分析[26] 按照试验设计,对两辆混合动力公交车分别进行了多次的车载尾气检测。对车载测

试设备收集的车辆排放特征数据及行驶工况数据进行时间同步匹配,然后对数据进行质 量控制(如缺失值插值处理等) ,从而保证数据的精度。试验测试得到了完整的工况数据
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及与之相对应的瞬时排放数据(各种排放物排放率、排气温度、排气压力等) 。如图 16 为国Ⅳ混合动力公交车某次测试的 250~360s 时间段内 NOX 放率及车速曲线。

图 16

国 IV 混合动力公交车车速及 NOx 排放率曲线

对瞬时排放率进行积分可以得到总排放量, 对瞬时速度进行积分可以得到行驶里程, 进而得到测试车辆的单位里程排放质量或平均排放率。由于试验结果存在一定偏差,取 多次测试结果的平均值进行分析。两辆混合动力公交车辆的单位里程排放质量见表 2 所 列。

表2 车型 国 III 国 IV

两辆混合动力公交车单位里程排放质量对比 g/km THC 0.133 * CO 12.15 2.28 PM 0.486 0.414 NOX 10.17 12.09

注:* 表示测得值低于最小测量精度

从表2可以看出,国Ⅳ混合动力公交车的THC排放极低(国外研究同样也发现THC排放 极低[27] ,已低于OBS-2200最小测量值。分析认为,碳氢化合物会在SCR催化剂的作用下 ) 与NOX生反应,从而导致THC排放较低。从表2中还可以看出,国Ⅳ混合动力公交车的CO排 放仅占国Ⅲ混合动力公交车的18.8%;PM占国Ⅲ混合动力公交车的85.2%;而NOX放却比国 Ⅲ混合动力公交车高18.9%。 为分析国Ⅳ混合动力公交车 NOX 放偏高,对 SCR 统进行了初步检查,确认添蓝系统能 可靠地进行喷射,且添蓝罐中已添加足够且品质较好的添蓝溶液,而 SCR 催化器也不存 在过分失效的问题。分析认为很可能是排气温度偏低,导致 SCR 催化器没有充分起燃。
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为此,从排气温度角度分析国Ⅳ混合动力公交车 NOX 放异常问题,对多次测得的排气温度 分布情况进行统计,如图 17 为国Ⅳ混合动力公交车排气温度直方图。

图 17 国Ⅳ混合动力公交车排气温度直方图

当排气温度在 230~500℃内,NOX 转化效率可以达到 40%~85%。由图 17 可以看出,国 Ⅳ混合动力公交车 3 次测试中 230℃及以上温度所占比例非常低,不到 0.5%;200℃及以 上温度不超过 15%。 分析认为混合动力技术是从降低油耗 (随着油耗降低, 排放也将降低) 的角度出发,但没有考虑到混合动力技术的使用会导致排气温度过低。 对该国Ⅳ混合动力公交车截取 250~360s 一段相同工况(图 16)不同排气温度下的 NOX 态排放曲线,如图 18 所示。图 18 中,1 和 2 分别表示不同的测试循环。

图 18

国Ⅳ混合动力公交车排气温度及 NOx 排放率曲线

由图 18 可以看到,测试循环 1 的排气温度低于测试循环 2 的排气温度,同时测试循 环 1 的 NOX 放率高于测试循环 2。在这个测试期间内,测试循环 1 平均温度为 142.8℃, 平均排放率为 0.0463g/s;测试循环 2 平均温度为 182.4℃,平均排放率为 0.0403g/s。
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即该国Ⅳ混合动力公交车排气温度在 140℃基础上提高 40℃,将能提高 14.9%的 NOX 化效 率。 装配 SCR 系统的国Ⅳ混合动力公交车的各种污染物排放 (除 NOX 均低于国Ⅲ混合动力 公交车。装配 SCR 系统的国Ⅳ混合动力公交车的 NOX 放偏高的原因是,混合动力技术的使 用导致排气温度过低。因此,装配 SCR 系统的国Ⅳ混合动力公交车,为保证 SCR 系统的 起燃需要采用某种技术(如排气加热系统)提高排气温度或提高 SCR 的低温转化效率, 以提高 NOX 化效率。

8
8.1

总结
目前 SCR 技术推广的局限性 虽然 SCR 技术配以燃烧优化能够解决柴油机两种排放污染物 NOX 和 PM 之间互为矛盾

的生成关系的问题,但使用 SCR 后不但要增加 SCR 本身装置的重量约 150~300kg,还要增 加一个尿素溶液(A dBlue)箱和尿素溶液。按 100L 尿素溶液跑 7000km 计算,一辆汽车损 失的有效载荷在 400kg 左右。 此外,应用这一系统时必须装有储存和喷射尿素的装置,尿素的喷入量必须要与 NOX 浓度相匹配, 在保证降低 NOX 同时,不能超过一定的剂量。 尿素的喷入量过少,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 度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置。 最后,在温度较低(-11℃)的情况下,尿素-水溶液会结冰,也使其在寒冷地区的推广 使用受到限制。不过,目前可使用添加剂来降低尿素冰点,考虑能源消耗而不采用加热整 个尿素箱的方案。 8.2 对 SCR 技术的展望 通过优化机内燃烧降低颗粒物排放,同时采用机外后处理技术,通过选择性催化还 原(SCR)技术降低 NOX 排放,从而使发动机排放满足欧 IV/V 甚至更高的排放法规。此技 术还需通过以下方面进行改进: (1)增加催化剂的催化效率,增加低温时 NOX 的转化效率,以防止低温启动催化剂 温度过低而造成的尾气排放超标。 (2)提高催化剂的抗中毒能力及燃油品质,由于我国燃油含硫量比较高,所以很容 易造成催化剂 SO2 中毒,催化剂中毒后不能达到很好的催化效果,使系统的催化转化效率 降低。因此需要提高催化剂的抗 SO2 中毒能力,同时提高燃油品质,降低硫含量。

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(3)增加尿素( “添蓝” )加注站,安装 SCR 系统的车辆需要消耗大量的尿素溶液, 因此, “添蓝”加注站的建设问题是关系着整个 SCR 技术推广的关键环节。 展望未来,柴油机由于在动力性、经济性和可靠性方面有着汽油机不可比拟的优势, 特别是 CO2 排放值特别低,其用途已不再仅仅局限于船用和大型商用乘用车的动力系统, 而是已逐渐扩展到各类车型上,柴油轿车在欧洲市场的占有率已达到 40%,而德国高达 50%。目前我国在对发动机排放法规的不断严格的同时也在大力发展车用柴油机。SCR 作 为一种新的后处理技术,能有效地降低内燃机 NOX 的排放。国内的大型柴油机厂大都通过 机内净化降低碳烟,然后利用 SCR 系统降低 NOX 排放的方法来满足国 IV 排放法规对碳烟和 NOX 的限制。SCR 技术由于其使用油耗低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点而成 为中重型国 IV 柴油机的首选降排技术路线。相信不久将来,SCR 技术在应用范围内推广 的更远。

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在此论文撰写过程中,要特别感谢我的导师朱余清的指导与督促,同时感谢他的谅 解与包容。没有朱老师的帮助也就没有今天的这篇论文。朱老师高深的学术修养、博学 的理论和实践知识、开阔的学术视野、科学的思维方法和严谨踏实的治学作风都使我受 益匪浅。 论文的选题、研究和撰写工作均是在恩师朱余清副教授的悉心指导下完成的。在选 题的过程中,朱老师指导我去了解国内外柴油机 SCR 技术的发展动态和研究方向,让我 有机会接触到学术的前沿,开阔了眼界;在论文的探讨过程中,朱老师多次为我指明方 向,解决问题,少走弯路;在论文的撰写过程中,朱老师从提纲到每一词的使用都一一 过目,严谨的科研作风、孜孜不倦的教诲、宽厚谦和的为人深深地鼓舞着我,将在我以 后的人生道路上产生深远的影响。在此,谨向我的导师朱余清副教授表示衷心的谢意和 崇高的敬意! 感谢我的班主任李君老师,谢谢他在这四年中为我们全班所做的一切,他不求回报, 无私奉献的精神很让我感动,再次向他表示由衷的感谢。在这四年的学期中结识的各位 生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此,也对他们表示衷心感谢。 谢谢我的父母,感谢他们带给了我无尽的支持,没有他们辛勤的付出也就没有我的 今天,在这一刻,也将崇高的敬意献给你们! 最后,本文参考了大量的文献资料,在此,向各学术界的前辈们致敬!

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参 考 文 献
[1]帅石金,张文娟,董红义,王建昕,王志. 柴油机尿素SCR 催化器优化设计[J].车 用发动机,2007, (6):44-47. [2]Van Genderen M,Engine Dynamometer and VehiclePerfprmance of a Urea SCR-System for Heavy-Duty Truck Engines , Ines, Intern. Symposium on I.C.Engine, Shanghai, 2004, (1) :3-5. [3]董尧清,吴乐欣,刘永祥,王一江.中重型车用柴油机实施欧Ⅳ排放的技术路线[J]. 汽车技术, 2007, (3):1-4. [4]ACEC.Selective Catalytic Reduction(Final Report)the most promising technology to comply with the imminent Euro IV and Euro V emission standards for HD engines[M].Germany:European Association of Car Manufactures,2003, (1) : 4-6. [5]马国胜,谭祖健.SCR 在国内的应用与展望[J].内燃机,2008, (6):1-5. [6]刘丙善.Urea_SCR排气后处理系统在重型柴油机中的应用[D].武汉:武汉理工大 学.2006, (3):6-10. [7]林克衡.柴油引擎氮氧化物防治技术SCR(urea)系统之介绍 [J] .车辆研测资讯, 2006, (9):2-8. [8]Istvan Halasz,Alan Brenner. Selectivity- determining role of C3H8/NO ratio in the reduction of nitric oxide by propane in presence of oxygen over ZSM5 zeolites. Catalysis Letters 51,1998, (1) :106-109. [9]Cristian Ciardell. Reactivity of NO/NO2-NH3 SCR system for diesel exhaust after treatment: Identification of the reaction networks a function of temperature and NO2 feed content [J].Applied Catalysis B: Environment,2007 (70):80-90. [10]Giusweppe Maidia, Manfred Koebel.NH3-SCR of NO at low temperatures over sulphated vanadium on carbon coated monoliths: Effect of H2O and SO2 traces in the gas feed[J].Applied Catalysis B: Environmental,2006, (66):281-287. [11]陶建忠, 李国祥, 佟德辉.H2O 和SO2 在NH3 选择性催化还原NOX 过程中的影响 [J] . 内燃机工程,2008, (3):56-63.

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[12]W.Addy Majewski.Catalytic Reduction.Diesel Catalysts,2003, (2) :4-8. [13]管斌,周校平,林赫,王真,黄震.NH3-SCR法降低柴油机NOX排放的研究进展[J]. 车用发动机,2007, (5):1-7. [14]李岷.SCR脱NOX效率的主要影响因素浅析[J].黑龙江科技信息,2008(15):63-63. [15]佟德辉,李国祥,陶建忠,孙少军.氨基SCR催化反应的数值模拟及分析[J].内燃 机学报,2008, (4):335-340. [16]袁一,王文善,等.尿素[M].化学工业出版社.1997, (1) :7-14. [17]钟祥麟,李孟良,王务林.重型车OBD发展概述.汽车电器[J].2009, (5) :3-9 [18]Lothar Hofmann,Klaus Rusch and Stefan Fischer,On board Emissions Monitoring on a HD Truck with an SCR System Using NOx Sensors[J].SAE 2004, (1) :12-90. [19]邢居真, 高俊华,钟绍华.选择性催化还原 (SCR) 技术降低柴油机NOx排放研究 [J] . 北京汽车.2009, (3) :5-18. [20]Willems,Cloudt,van den Eijnden,van Genderen, Verbeek,de Jager,Boomsma and van den Heuvel,Is Closedloop SCR Control Required to Meet Future Emission Targets[J].SAE 2007, (1) :15-74. [21]Da Yu Wang, Sheng Yao, Mark Shost, Joon -Ho Yoo, David Cabush and David Racine, Ammonia Sensor for Closed-Loop SCR Control[C].SAE World Congress ,2008, (1) : 9-19. [22]Andrew Herman, Ming -Cheng Wu, David Cabush and Mark Shost, Model Based Control of SCR Dosing and OBD Strategies with Feedback from NH3 Sensors[J].SAE 2009, (1) :9-11. [23]Jim Nebergall,Eric Hagen and Justin Owen,Selective Catalytic Reduction On-Board Diagnostics [J].SAE 2005, (3) :10-36. [24]GB/T 19754—2005 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法.5-13. [25]SAE J2711—2002.Recommended Practice for Measuring Fuel Economy and Emissions of Hybrid-Electric and Conventional Heavy-Duty Vehicles.6-18. [26]李孟良,聂彦鑫.装配SCR系统的混合动力公交车排放特征研究.2010, (1) :1-3. [27]Mckain.L, Clark.N, Balon.Hetal.Characterization of Emissions from Hybrid-Electric and Conventional Transit Buses.SAE 2000, (3) :20-31.

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SCR Diesel Engine Technology and Application Prospect Analysis
He Jiaming (College of Engineering, South China Agricultural University Guangzhou 510642, China) Abstract: : Due to strong diesel power, low fuel consumption advantages in medium / heavy duty vehicle and truck on the widely used, but the main diesel engine NOX and PM emissions from gasoline emissions can not be like that by a three-way catalytic converter Control effectively resolved, in the development of the existing diesel engine emission control technology on the basis of new research and development for the advanced diesel engine exhaust after treatment technology is the key to survival and development of diesel engines. As the legal system of emissions equivalent to adoption of the European legal system, taking into account China's national conditions and the convenience of technology transfer, China's major OEMs and enterprises also tend to use diesel SCR technology as more stringent emission requirements to meet future major technical measures. At present, although several major domestic diesel engine business is already in the field of the SCR diesel technology research, but basically the introduction of foreign technology-based applications, the core technology is still mainly lies in the hands of foreign-related manufacturers, which became the promotion of the technology And application of the main bottlenecks. This paper describes the SCR technology to reduce NOX emissions from diesel engine working mechanism, SCR system structure, SCR NOX emissions in a significant reduction in the advantages of SCR system performance and stability of the factors, therefore, on the localization of SCR technology increasingly urgent, SCR catalyst performance for the technology from the research, design optimization of catalytic converters to the urea injection system control strategy and application, OBD system development and calibration, to the entire system in the vehicle matching the integration and application of research is very necessary. In summary, the business of diesel engine emissions to meet the country Ⅳ has certain reference value, reduce the commercial vehicle diesel engine emissions in China, reducing air pollution has real social significance. Key words: Diesel engine SCR reduce Emissions NOX

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