SCR計(jì)量泵方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

精品文檔SCR計(jì)量泵方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)汽車的節(jié)能環(huán)保作為一個(gè)世界性的課題在全球范圍內(nèi)為人們所重視。為了減少汽車有害氣體排放對生態(tài)環(huán)境的危害，世界各國都相繼采用了更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，如歐盟在2005年實(shí)施歐，并在2008年實(shí)行歐V排放法規(guī)。歐V法規(guī)的NOx排放限值比歐降低60，PM的排放限值相應(yīng)下降80；美國在2007年實(shí)施EPA2007，PM排放值為0019bhphr，NOx排放值為0209a,hphr。我國重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)國皿V已于2006年發(fā)布，技術(shù)內(nèi)容等效歐洲相應(yīng)技術(shù)法規(guī)(歐IV)，實(shí)施時(shí)間分別為2008年、2010年和2012年，北京在2008年開始執(zhí)行國，國技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入我國社會(huì)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為卡車、客車以及非道路用車如拖拉機(jī)、農(nóng)用車以及工程機(jī)械等的主要?jiǎng)恿敵?，有著廣泛的應(yīng)用群體，如何降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放，以應(yīng)對法規(guī)，需要我們長時(shí)間付出不懈的努力。從表1-1中可以看出，有害氣體的排放限值有了很明顯的下降。其中最少的下降了8 1(H C)，最高的達(dá)到了(P M)9 4(見表1-1)21?？梢婋S著排放法規(guī)的不斷嚴(yán)格，有害氣體的排放有了明顯減少，生態(tài)環(huán)境得到了保護(hù)。但作為傳統(tǒng)動(dòng)力代表的柴油機(jī)，為滿足日益苛刻的排放法規(guī)，僅憑機(jī)內(nèi)凈化而沒有后處理技術(shù)的參與已經(jīng)變得越來越困難。究其緣由，柴油機(jī)尾氣的兩大污染物NOx與PM的形成與含量存在著相互制約(trade off)的關(guān)系。努力減少其一，必然導(dǎo)致另一污染物增加，即通過機(jī)內(nèi)措施同時(shí)減少或消除NOx和PM的排放是極其困難的。為了滿足未來新的排放法規(guī)的要求，如何協(xié)調(diào)柴油機(jī)油耗和排放，特別是歐排放的基準(zhǔn)上進(jìn)一步降低NOx排放，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)專家從燃油品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)、機(jī)外凈化技術(shù)(尾氣后處理技術(shù))等三個(gè)方面尋求策略。提升柴油品質(zhì)包括降低柴油中的硫含量、控制柴油的十六烷值、添加劑的使用；機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括電控高壓燃油噴射技術(shù)、進(jìn)氣渦輪增壓技術(shù)、進(jìn)氣中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)(EGR)、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)(HCCI)等。但在歐V排放法規(guī)面前，僅僅依靠這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須在此基礎(chǔ)上綜合使用排氣后處理技術(shù)來控制NOx和顆粒物。國際上，為滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如歐IVV或者US2007標(biāo)準(zhǔn)，基本卜都是通過進(jìn)一步改進(jìn)歐發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒技術(shù)，加上SCR或EGR+DPF(廢氣循環(huán)+顆粒捕集器)等后處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。在我國，由于技術(shù)和社會(huì)原因，一直在尋求其他替代技術(shù)路線，試圖走出一條既經(jīng)濟(jì)又可行的方案。主要有以下三方面的考慮，1、技術(shù)壓力。對于國發(fā)動(dòng)機(jī)以及后續(xù)國、國v升級我們并未完全掌握自主核心技術(shù)，為了滿足新的法規(guī)要求，仍需尋求國外技術(shù)支持；對于排氣后處理裝置，同樣面臨這個(gè)技術(shù)壓力的問題。2、成本壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)成本壓力，主要來自高壓電控供油系統(tǒng)如高壓戴軌系統(tǒng)約占發(fā)動(dòng)機(jī)成本三分之一：后處理裝置的成本壓力，估計(jì)也占產(chǎn)品的三分之一3、社會(huì)壓力。采用排氣后處理技術(shù)將帶來社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)旖壓力，如SCR系統(tǒng)使用的箏用尿素AdBlue的存儲(chǔ)和供給；EGR+ DPF這種先進(jìn)排放技術(shù)要求的高質(zhì)量低硫柴油等等。這些成本初期可能由石化企業(yè)承擔(dān)，最終會(huì)轉(zhuǎn)嫁到社會(huì)。當(dāng)然還有其他熏要問題，如各地燃料質(zhì)量差異；EGR+DPF或SCR使用過程中的作弊問題，如實(shí)際使用中EGR率低于型式認(rèn)證值；SCR系統(tǒng)中尿素使用量變少或不使用等等，導(dǎo)致氮氧化物排放大幅增加。國際上，考慮到技術(shù)成熟性和穩(wěn)定性及技術(shù)升級方便性，一般都采用大家都認(rèn)可的主流技術(shù)。歐美等發(fā)達(dá)國家一車輛排放控制要求嚴(yán)格而且處罰嚴(yán)厲，所以追求一種既滿足社會(huì)需要，又在未來發(fā)展上可節(jié)省成本的技術(shù)發(fā)展方向。從排放法規(guī)不斷升級的長期觀點(diǎn)考慮，國外選定一個(gè)可以不斷技術(shù)升級的基礎(chǔ)平臺的做法很值得我們借鑒。NOx的NH3SCR技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，國外已廣泛應(yīng)用于固定源煙氣脫硝61，SCR是Selective(選擇性)、Catalytic(催化)、Reduction(還原)的英文縮寫。它的原理是利用V205fri02催化劑，在氧氣大大過量的條件下讓NH3選擇性地還原NOx到N2。使用了以Ti02為基礎(chǔ)的催化劑保證了催化轉(zhuǎn)化器對S02有很強(qiáng)的耐受性。目前，Nit3SCR被視為最有希望實(shí)際應(yīng)用于重型柴油機(jī)尾氣NOx凈化的技術(shù)之一?？紤]到氨的強(qiáng)刺激性與毒性為公眾難以接受，氨的堿性對設(shè)備有較強(qiáng)的腐蝕性，研究者們傾向于以尿素(325的尿素水溶液UreaSCR)代替氨選擇性催化還原柴油機(jī)尾氣中的氮氧化物(NH3SCR)。為了提高UreaSCR體系凈化NOx的效率，減少氨的泄漏，MAN公司提出了基于UreaSCR體系的VHRO系統(tǒng)。“V為前置的氧化催化劑，該催化劑的作用是將排氣中的部分NO氧化為N02以提高SCR催化劑的低溫活性；“H為尿素水解催化劑，其作用在于加速尿素水解，從而有利于隨后的NOx選擇性還原；“R”為SCR催化劑，在該催化劑床層中，排氣中的NOx與尿素水解形成的氨發(fā)生選擇性還原生成N2和 H2O。氨為選擇性氧化催化劑，可將排氣中氨轉(zhuǎn)化為N2以減少氨的泄漏。目前，UreaSCR體系已成為滿足歐V與US 2007的重型柴油車NOx凈化首選技術(shù)。在2000年，美國主要的柴油機(jī)制造商就宣布其滿US2007排放法規(guī)的技術(shù)路線將在SCR或EGR+DPF兩個(gè)技術(shù)方案間做選擇。截至目前美國市場主要采用EGR+DPF技術(shù)來滿足US 2007排放法規(guī)。不過，雖近荑國EPA發(fā)布了認(rèn)證SCR技術(shù)的輕型和重型柴油車申請排放證書程序(EPA-HQOAR2006-0886-0002)，這表明美國市場也開始使用SCR技術(shù)。在2003年7月，制造商們就已經(jīng)選擇SCR技術(shù)來進(jìn)一步減少NOx排放以滿足排放法規(guī)的要求。目前，在歐洲已經(jīng)得到示范應(yīng)用。為促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)在歐洲的推廣出臺了AdBlue計(jì)劃，美國能源公司巨頭埃隸、法國道達(dá)爾菲納埃爾夫公司以及英國BP石油等石油公司，戴克、福特、菲亞特、大眾、德國曼汽車集團(tuán)、康明斯、沃爾沃、依維柯、雷諾_、Scare、奧迪、道依茨等汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，還有眾多的催化劑公司與尿素生產(chǎn)商均參與其中。德國OMV冶煉廠正在巴伐利亞的一家加油站設(shè)立尿素零售店：lO輛奔馳商用車各進(jìn)行了1429萬公里的測試；Shell公司也于2003年開始了該公司的第一家“AdBule”尿素設(shè)施；德國最大的能源零售公司A腳正計(jì)劃在自己的研究基地進(jìn)行Urea-SCR技術(shù)氣候適應(yīng)性測試。此外，戴姆勒一柯萊斯勒公司聯(lián)合奧迪、大眾公司共同在美國確立柴油機(jī)凈化技術(shù)品牌Bluctec，該凈化技術(shù)包括氧化催化劑、DPF(柴油顆粒過濾器)、NOx(氫氧化物)吸附還原催化劑、屎素SCR(選擇性_i生；原催化劑)等(如圈l一2所示)。目前歐洲的趨勢是長途載重車通常選用SCR技術(shù)，而短途運(yùn)輸或者城市公交車則選擇EGR+DPF技術(shù)。一宦以柬，美國的燃油價(jià)格要比歐洲的燃油價(jià)格低，而尿素價(jià)格則相對較高；另個(gè)原因是尿素的供應(yīng)問題一直找不到卟合理的解決方案；同時(shí)，US2007標(biāo)準(zhǔn)對新車提出了150000KM無維修的要求，這些岡素都阻止了SCR技術(shù)在美國的應(yīng)用，因?yàn)榇蠹s每5000 kin就要添加一次尿素。園此如果要采用SCR技術(shù)，還需要向美國EPA申請?zhí)貏e許州。歐洲的選擇豐要是基于成本因素。歐洲的燃油價(jià)格很高，SCR技術(shù)具有的較好燃油經(jīng)濟(jì)性使該技術(shù)成為首選。當(dāng)然，在有些地方仍然需要采用EGR+DPF技術(shù)，因?yàn)檫@些地方法規(guī)仍然限制沒有加裝顆粒過濾器的車輛進(jìn)入市區(qū)。國內(nèi)主要在北京大約有4500輛采用SCR技術(shù)的公交柴油車在運(yùn)行，由公交公司負(fù)責(zé)尿素供給。上海為迎接世博會(huì)也即將使用采用SCR技術(shù)的公交車，廣州等其他城市也在試驗(yàn)這種車輛。中國汽車技術(shù)研究中心開發(fā)的車載排放測試系統(tǒng)檢測結(jié)果初步顯示：(1)NOx排放約259km；PM約70mgkrn。同比NOx排放約下降75，顆粒物約下降50。(2) AdBlue消耗量：平均24I100km。春秋季節(jié)尿素消耗量在2128L100km，夏季消耗量在25一L100km。而EGR+DPF由于成本、油品以及升級潛力等問題，目前在國內(nèi)尚無應(yīng)用實(shí)例。如果尿素供應(yīng)問題能夠解決，SCR無論從技術(shù)開發(fā)可行性方面還是從燃油經(jīng)濟(jì)性方面都應(yīng)當(dāng)作為首選技術(shù)路線。國內(nèi)的各大發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商對于應(yīng)對即將到來的國、國V排放標(biāo)準(zhǔn)的方案也基本達(dá)成了共識，近幾年加大了對SCR項(xiàng)目的研發(fā)力度。2006年玉柴機(jī)器自主研發(fā)推出了采用SCR技術(shù)滿足國排放法規(guī)的柴油機(jī)，2008年又推出了基于SCR的國V公交車柴油機(jī)。此外國內(nèi)許多柴油機(jī)廠也紛紛與BOSCH、Hilite等國際公司合作開發(fā)基于SCR技術(shù)滿足國排放的發(fā)動(dòng)機(jī)。二汽集團(tuán)、武漢添藍(lán)、張家口百通、無錫威孚立達(dá)、無錫凱龍等也都在SCR的關(guān)鍵零部件及控制器等領(lǐng)域進(jìn)行了較為深入的研究。但到目前為止，國內(nèi)對于該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，許多核心部件都還依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化任重道遠(yuǎn)。SCR技術(shù)的高門檻目前，SCR各組件的核心技術(shù)都掌握在國外的跨國公司手中，比如，催化平臺、催化劑、計(jì)量泵等。國內(nèi)廠家根本無技術(shù)力量及大量資金去這攻克這些技術(shù)難點(diǎn)，僅僅起到一個(gè)組裝的作用，而組裝的產(chǎn)品還沒有通過國內(nèi)各主機(jī)廠的標(biāo)定及上公告，而博世已上了國內(nèi)主要幾個(gè)主機(jī)廠的公告。當(dāng)歐IV真正到來的時(shí)候，這些國外巨頭從上游一起斷貨或提高價(jià)格。那么，這一行業(yè)將會(huì)從國內(nèi)廠家手中消失?；蛘邷S落為主機(jī)廠與國外跨國巨頭比價(jià)的工具。目前，國內(nèi)號稱唯一一家能夠做成套SCR設(shè)備的廠家，其核心的技術(shù)，僅僅是不銹鋼封裝技術(shù)。其余均采購自國外廠家。當(dāng)這些核心技術(shù)都沒有解決的時(shí)候，該廠家老總就開始考慮SCR大規(guī)模上馬時(shí)的生產(chǎn)能力是否能滿足市場的需求。實(shí)在是讓人對此行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生絲絲擔(dān)憂！SCR國內(nèi)發(fā)展的情況SCR這一系統(tǒng)的市場前景，被越來越多的配件廠商所認(rèn)識。目前至少有三家廠商都在搞SCR系統(tǒng)，但是那一家能夠掌握核心技術(shù)，成為新的行業(yè)新貴，還是讓時(shí)間來證明吧！國外進(jìn)入國內(nèi)的市場的廠商為康明斯、博世。其實(shí)作為國內(nèi)廠商集中力量去攻克SCR系統(tǒng)各組件其中一件，不去走整套供應(yīng)商路線，同樣也可以在這幾百億的市場中分一杯羹。國內(nèi)的主機(jī)廠也不可能讓一家供應(yīng)商去壟斷整套設(shè)備的供應(yīng)，因此，專門去做其中一件組件的供應(yīng)，術(shù)業(yè)有專攻，不失為比較合適的做法。另外，歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)的真正實(shí)行，還有一段政策的空白期，那么各廠商把資金與人力投放到此項(xiàng)目上，即使是與各主機(jī)廠標(biāo)定，但是量遲遲出不來，產(chǎn)生不了利潤。這對各廠商的耐心也是個(gè)巨大的考驗(yàn)。 應(yīng)用SCR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制主要是對排放中的PM和NOx的處理。處理方案一是先在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)處理NOx，再處理PM；或者兩種都進(jìn)行后處理。最后這種方法存在一個(gè)污染源回收的處理問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)處理NOx是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，一般多采用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)減少PM排放，在廢氣中處理NOx。（1） 目前在廢氣中處理NOx采用的是SCR處理技術(shù)，即：利用尿素溶液（水溶液濃度為32.5%0.5%），在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NOx（主要是NO）還原為N2和H2O。它無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn)，但有腐蝕性，必須使用特殊的容器儲(chǔ)存。（2） SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與NOx的濃度相匹配，在保證降低NOx的同時(shí)，不能超過份量。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。所以，必須要有高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應(yīng)的高精度的尿素噴射裝置。而且尿素消耗較快，定期添加尿素的責(zé)任也必須由用戶來完成。（3） 使用SCR后不但要增加SCR本身裝置的重量，另外還要增加一個(gè)尿素溶液箱和尿素溶液。汽車會(huì)損失一部分的有效載荷。 （4） SCR作為一個(gè)新的后處理技術(shù)，因購置、操作和保養(yǎng)費(fèi)用高、需要加一套較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等等原因，在車用柴油機(jī)上還沒有得到大范圍的推廣。（5） 必須保證行駛區(qū)域內(nèi)對尿素需求的供應(yīng)，需要車載診斷，并需要自覺及時(shí)地加尿素。在SCR技術(shù)的應(yīng)用方面，目前已基本解決尿素的儲(chǔ)存、注入和噴射策略等技術(shù)問題，使用耐久性好，但還需進(jìn)一步解決降低SCR裝置以及尿素加注站的成本等問題。目前市場上成熟的己投入市場的SCR系統(tǒng)主要分為空氣輔助式和直接噴射式兩種?？諝廨o助式的代表是Hilit公司的產(chǎn)品，如圖2-1所示：直接噴射式的代表是Bosch公司的產(chǎn)品，如圖2-2所示：博世系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：1)尿素泵：直流無刷霍爾隔膜泵2)壓力控N-高速電磁閥控制，無蓄能裝置3)噴嘴：線圈為低電阻(19Q)、低電感(13mH)，電流式驅(qū)動(dòng)4)系統(tǒng)在停止噴射后通過泵和換向閥清除Urea。5)噴嘴冷卻(尿素溶液冷卻)6)噴嘴有霧化噴霧功能7)遍布電加熱裝置BOSCH系統(tǒng)的可控性高，同時(shí)體積較小，集成度較高，但是由于電磁閥噴嘴直接安裝在排氣管上，對電磁閥本身的可靠性以及隔熱散熱要求很高，同時(shí)為了保證霧化性能并防止結(jié)晶，使用了一套換向單元以及博世的專利霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜，成本較高。 SCR系統(tǒng)方囊一 SCR系統(tǒng)布置圖系統(tǒng)具體組成如下：1)柴油機(jī)：2)添藍(lán)控制器：添藍(lán)控制器通過采集CAN總線及各傳感器的信號，根據(jù)柴油機(jī)的工況變化和催化器的溫度變化，按照內(nèi)部寫定的穩(wěn)態(tài)噴射策略和動(dòng)態(tài)修正策略，準(zhǔn)確的控制定量給料單元向排氣管中噴射添藍(lán)。根據(jù)SAEI939商用車通訊協(xié)議編制，能夠在大多數(shù)車載CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用，OBD車載診斷系統(tǒng)定義DCU的工程樣品的開發(fā)已經(jīng)完成，同時(shí)，添藍(lán)控制器具各故障診斷功能，實(shí)時(shí)對整個(gè)SCR系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測與診斷，目前處于調(diào)試和功能完善階段。3)催化器消聲器：催化器是SCR系統(tǒng)中的重要組成部分，為催化劑的儲(chǔ)存容器，是發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx與添藍(lán)水解產(chǎn)生的NH3發(fā)生催化還原的主要空間。催化消聲器是一個(gè)集催化器和消聲器于一體的催化消聲裝置（如需尾氣加熱功能還可集成尾氣加熱器），代替了傳統(tǒng)的消聲器系統(tǒng)。催化消聲器內(nèi)部有三個(gè)串聯(lián)并相互獨(dú)立的單元組成，包括氨擴(kuò)散器、催化器和消聲器。擴(kuò)散器負(fù)責(zé)將帶有氨的排氣均勻的分布在催化器的表面，催化器負(fù)責(zé)加速NOX的還原，消聲器消除發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的噪音。為了防止氨氣腐蝕，催化消聲器整體采用不銹鋼材料制造，其內(nèi)部催化器工作過程中需要表面最低溫度達(dá)到200，因此布置時(shí)應(yīng)盡量靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，催化器入口必須位于距增壓器出口14m的地方。催化器前后設(shè)有兩個(gè)溫度傳感器，用于檢測催化器前后溫度，以此來判斷催化器表面溫度，確定AdBlue的噴射量。4)計(jì)量供給單元：定量給料泵上有4個(gè)接頭，分別是：空氣供給、添藍(lán)供給、添藍(lán)回流、添藍(lán)噴射。添藍(lán)控制器通過CAN總線向定量給料泵發(fā)出命令，控制定量給料泵啟動(dòng)、初始化、噴射、排空。5）噴嘴：噴嘴安裝在排氣管上，作用是將定量給料單元送來的添藍(lán)與壓縮空氣的混合物噴入排氣管，并使混合物均勻霧化。噴嘴的理想位置是在一段筆直的排氣管上，且徑向必須居中。噴嘴具有四個(gè)直徑為0.5mm的孔，具有徑向噴霧排列形狀。噴嘴在管內(nèi)必須居中且最好安裝在直的排氣管上，但可以安裝在與排氣管中心線垂直的任意徑向角度。最好能將噴嘴放在最不容易受到路面損壞的地方。6)添藍(lán)罐：添藍(lán)罐用于儲(chǔ)存添藍(lán)添藍(lán)的成分為325的尿素水溶液，不易著火，低腐蝕性，冰點(diǎn)為-11。添藍(lán)罐的尺寸應(yīng)與添藍(lán)用量相匹配。對于歐標(biāo)準(zhǔn)，添藍(lán)消耗量大約為燃油消耗量的5，歐v大約為7。7)防凍液電磁閥：防凍液電磁閥為添藍(lán)化冰服務(wù)，當(dāng)添藍(lán)控制器認(rèn)為需要對添藍(lán)罐和添藍(lán)管道內(nèi)的添藍(lán)進(jìn)行加熱，將會(huì)控制防凍液電磁閥打開，熱的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液就會(huì)順著管道流向添藍(lán)罐，使得舔藍(lán)罐內(nèi)的添藍(lán)溫度升高。由于冷卻液管道和添藍(lán)管道扎在一起，外套保暖管所以添監(jiān)管道的溫度也會(huì)同時(shí)升高。8)傳感器：添藍(lán)罐液位傳感器和添藍(lán)罐溫度傳感器用柬監(jiān)測添藍(lán)罐內(nèi)添藍(lán)的液位和溫度的信號，催化器入口溫度傳感器和催化器出口溫度傳感器用來監(jiān)測催化器內(nèi)部溫度的變化。NOx傳感器用來檢測排氣中NOx的含量。傳感器把各種參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至DCU，通過控制策略對噴射量加以修正。計(jì)量泵可以安裝在罐的上方或與罐頂相同的高度上。計(jì)量泵不應(yīng)安裝在罐的下方。噴嘴的安裝高度應(yīng)低于計(jì)量泵SCR系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì) SCR系統(tǒng)混和管的布置設(shè)計(jì)對SCR載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。在國柴油機(jī)的開發(fā)過程中，相當(dāng)多的工作是對混和管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置和噴射角度等。對管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置及噴射角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證在混和管路不出現(xiàn)粒子撞壁后的結(jié)晶。通過對SCR載體入口速度均勻性和整個(gè)載體的壓力損失情況進(jìn)行計(jì)算分析，保證載體入口速度分布均勻，整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較小的壓力損失。通過計(jì)算優(yōu)化排氣管道形狀以及噴射位置和噴射角度，避免尿素水溶液撞壁出現(xiàn)沉積，堵塞管路。利用數(shù)值模擬研究這些過程，可以優(yōu)化混和管路的設(shè)計(jì)和尿素噴射裝置的布置，從而優(yōu)化SCR系統(tǒng)的布置，預(yù)測催化效率，減少試驗(yàn)成本。反應(yīng)原理噴嘴將“添藍(lán)”(AdBlue)以液滴的形式噴入排氣后，隨著液滴的霧化與擴(kuò)散，因排氣溫度較高導(dǎo)致液滴水分蒸發(fā)從而產(chǎn)生崮體或熔化的尿素，其熔點(diǎn)為132。C，如式(21)所示，尿素隨之熱分解為等摩爾的NH3和異氰酸(HCNO)，見式(2-2)。HCNO在氣相時(shí)非常穩(wěn)定，因此，添藍(lán)從噴入排氣到催化劑之前發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程可以概括為：（NH2）2CO(液) (NH2)2CO(固)(吸熱反應(yīng)) (2-1)(NH2)2C0(固) NH3(氣)+HCNO(氣) (吸熱反應(yīng)) (2-2)HNCO+H20NH3+C02 (23)在催化器中，由AdBlue水解反應(yīng)得到的NH3和NOx發(fā)生的主要反應(yīng)如下：4NH3+4NO+O24N2+6H2O （2-4）由于在柴油機(jī)的NOx排放中NO占90以上，而且02參與了反應(yīng)所以稱反應(yīng)(2-4)為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)該反應(yīng)表明理論上NH/No摩爾比為1。在有氧條件下還會(huì)發(fā)生反應(yīng)(25)：4NH3+2N02+023N2+6H2O (2-5)缺氧條件下，反應(yīng)式(2-1)變?yōu)椋?NH3+6NO5N2+6H2O (2-6)4NH3+4NO+3024N20+6H20 (2-7)該反應(yīng)進(jìn)行的很慢，而且在柴油機(jī)的大多數(shù)工況下都是富氧進(jìn)行的，所以該反應(yīng)通常不予以考慮。SCR反應(yīng)的非選擇性除了生成N2外，還有其他產(chǎn)物生成(即N20)，如當(dāng)NH3NO摩爾比小于1時(shí)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)(2-7)。在催化器溫度高于450C的富氧環(huán)境中，NH3容易直接被02單獨(dú)氧化，產(chǎn)生如下副反應(yīng)。4NH3+502-4NO+6H20 (2-8)4NH3+3O2一2N2+6H20 (2-9)2NH3+202N2O+3H20 (2-10)目前正深入研究反應(yīng)(2-9)，其反應(yīng)溫度較低，如果NH3過量，這個(gè)反應(yīng)可以被用來防止NH3泄漏。這樣既不需要用其他的吸收劑，也不會(huì)產(chǎn)生新的污染物。目前丹麥的托普索公司出品的SCR催化器在反應(yīng)層的尾部加上了促使該反應(yīng)發(fā)生的Pt氧化物涂層，能有效降低NH3的泄漏，但是在催化器溫度低于190時(shí)，容易產(chǎn)生如下副反應(yīng)，生成的硝酸銨、三聚氰酸聯(lián)合體以固態(tài)或液態(tài)形式沉積在催化劑表面的微孔上，導(dǎo)致催化劑臨時(shí)性的中毒。2NH3+2N02+H20NH4N03+NH4N02 (2-11)NH3+SO3+H2ONH4HSO4 (2-12)2NH3+S03+H2O(NH4)2S04 (213)SCR系統(tǒng)的主要狀態(tài)SCR系統(tǒng)的主要狀態(tài)有：初始化、泵停止、裝填、噴射、清潔和診斷。初始化：尿素泵上電后，SCR系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)，尿素泵進(jìn)行相關(guān)的初始化工作，如從EEPEOM中讀取數(shù)據(jù)等。泵停止：初始化完成后，尿素泵自動(dòng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，只有當(dāng)添藍(lán)控制器發(fā)送其他狀態(tài)命令或者下電，尿素泵才離開停止?fàn)顟B(tài)。一旦下電，尿素泵會(huì)存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)。裝填：尿素泵處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，添藍(lán)控制器發(fā)送裝填命令可以使SCR系統(tǒng)進(jìn)入裝填狀態(tài)，在該狀態(tài)尿素泵會(huì)測試助力空氣及尿素溶液吸入回流是否正常，經(jīng)過30秒后，如果一切正常，尿素泵自動(dòng)進(jìn)入噴射狀態(tài)。如果不正常，會(huì)繼續(xù)測試。噴射：添藍(lán)控制器將計(jì)算得到的當(dāng)前尿素噴射速率通過CAN總線發(fā)送給尿素泵，尿素泵控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尿素噴射速率。清潔：處于清潔狀態(tài)時(shí)，尿素泵向噴射管道吹入空氣，為下一個(gè)工作循環(huán)做好準(zhǔn)備。診斷：任何狀態(tài)都可以進(jìn)入診斷狀態(tài)，一旦進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)，其他的工作都停止，在診斷狀態(tài)可以手動(dòng)測試泵和空氣電磁閥工作是否正常。尿素噴射速率理論需求量計(jì)算根據(jù)NH3生成過程和NOx催化還原反應(yīng)，可以推導(dǎo)出尿素水溶液理論需求量的表達(dá)式。假定：1)可以準(zhǔn)確地得到柴油機(jī)排氣質(zhì)量流量(Kgh)：2)柴油機(jī)排氣中NO和N02的摩爾比為9：1；3)SCR催化器有理想的選擇性和催化特性；4)反應(yīng)式(2-1)- (2-4)進(jìn)行完全。那么，在某工況下，將排氣中NO和N02完全消除所需的尿素量就可以確定下來。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)柴油機(jī)排氣的質(zhì)量為Akg，NOx的排放值為Bppm，取排氣的摩爾質(zhì)量為29Kgmol，那么單位時(shí)間內(nèi)的排氣中NOx的物質(zhì)的量可以表示為：DeNOx=AB xlO-629(kmo) 排氣中NO和N02的物質(zhì)的量分別為09DeNOx kmol和01DeNOx kmol。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式得出如下對應(yīng)關(guān)系：CO(NH2)2-N02一NO1 1 1X1 0.1DeNOx X2CO(NH2)22NO1 2X3 (09DeNOx-X2)式中：Xl化學(xué)反應(yīng)方程式2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O完全反應(yīng)需要的尿素的物質(zhì)的量：X2：化學(xué)反應(yīng)方程式2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O完全反應(yīng)需要的NO的物質(zhì)的量；X3：化學(xué)反應(yīng)方程式4NH3+4NO+02=4N2+6H20完全反應(yīng)需要的尿素的物質(zhì)的量。解得：XI=O1DeNOxkmol，X2=01DeNOxkmol，X3=04DeNOxklnol。所以總的尿素消耗量是：X=X1+X3=O5DeNOxkmol如果將單位時(shí)間內(nèi)尿素物質(zhì)的量折合為尿素水溶液的質(zhì)量，并設(shè)尿素水溶液的濃度為C，則尿素水溶液的質(zhì)量為：M=100x60XC=30103DeNOxCkg。本項(xiàng)目使用325質(zhì)量比的尿素水溶液，所以取C=325，因此將單位時(shí)間內(nèi)排氣中NOx完全消除所需325濃度的尿素水溶液的質(zhì)量為：M=318AB x10-6kg基于CAN網(wǎng)絡(luò)的J1939通訊協(xié)議80年代末，博世公司和英特爾公司研制了專門用于汽車電子系統(tǒng)的總線CAN規(guī)范，但因CAN總線要求每個(gè)端口都需有單獨(dú)的通訊處理能力，這在當(dāng)時(shí)的汽車電器系統(tǒng)中很難辦到。1987年中期，Intel開發(fā)了首個(gè)CAN控制器-82526。不久，Philips半導(dǎo)體也推出了82C200。這兩種CAN控制器在報(bào)文過濾和控制上有許多的不同。Philips半導(dǎo)體的方式叫做BasicCAN；Intel的方式叫做FullCAN，由此后的不斷發(fā)展，從而形成了FulIerCAN和BasicCAN兩大陣營。20世紀(jì)90年代初，BoschCAN規(guī)范(CAN2.O)被提交給了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。經(jīng)過討論，應(yīng)一些法國主要汽車商的要求，包含了吸收一些VAN網(wǎng)(VehicleAreaNetwork)的內(nèi)容。并于1993年11月出版了正式的CAN國際標(biāo)準(zhǔn)ISOll898。從此CAN協(xié)議被廣泛的用于各類自動(dòng)化控制領(lǐng)域。在1992年，奔馳公司首先在他們的高級轎車上使用了CAN技術(shù)。這是CAN技術(shù)在車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的首次實(shí)際使用。隨后，采用CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的汽車制造公司越來越多，其中有大眾、寶馬、保時(shí)捷、勞斯萊斯、美洲豹等。支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的電子公司有英特爾、摩托羅拉、飛利浦、Microchip、西門子等。CAN總線的基本結(jié)構(gòu)CAN總線是控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)的簡稱。最早是由德國博世公司為其產(chǎn)品開發(fā)的一套內(nèi)部規(guī)范。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。CAN總線的特點(diǎn)目前國際上所通用的標(biāo)準(zhǔn)是CAN20B規(guī)范，其中描述了標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種報(bào)文。標(biāo)準(zhǔn)格式與擴(kuò)展格式的主要區(qū)別在于其標(biāo)識符，在標(biāo)準(zhǔn)格式中標(biāo)識符為11位，在擴(kuò)展格式中標(biāo)識符為29位。CAN為多主工作方式，協(xié)議本身對節(jié)點(diǎn)的數(shù)量沒有限制，總線上節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以動(dòng)態(tài)改變，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)通過報(bào)文的形式發(fā)送信息。圖4-1為汽車上構(gòu)建的CAN網(wǎng)絡(luò)。在報(bào)文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求。CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。CAN的通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10kin(速率5kbps以下)；通訊速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通訊距離最常為40rn)。報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上的其他節(jié)點(diǎn)操作不受影響。CAN總線的報(bào)文傳輸對于傳輸?shù)膱?bào)文有兩種不同的幀格式，含有11位標(biāo)識符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識符的幀為擴(kuò)展幀。報(bào)文傳輸有四種不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀，由于本文主要用到前兩種，所以對其加以介紹：1)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?。如圖所示，數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位域組成。(1)幀起始(SoF)，標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅有一個(gè)顯性位組成，用于幀同步。只有在總線空閑時(shí)才允許站點(diǎn)開始發(fā)送信號，所有的站必須與首先開始發(fā)送的站的幀起始前沿同步。(2)仲裁域，由標(biāo)識符和RTR位構(gòu)成。CAN協(xié)議具有兩種數(shù)據(jù)幀類型：標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式。標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)識符長度為11位。擴(kuò)展格式標(biāo)識符長度為29位。IDE(Identifier Extension)為顯性位表示數(shù)據(jù)幀為標(biāo)準(zhǔn)格式，IDE為隱性位表示數(shù)據(jù)幀為擴(kuò)展格式。RTR(Remote Transfer Request)為遠(yuǎn)程傳送請求位，它是區(qū)別數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀的標(biāo)志。(3)控制域，由6個(gè)位組成，標(biāo)準(zhǔn)格式的控制域結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展格式的不同。標(biāo)準(zhǔn)格式里的控制域包括數(shù)據(jù)長度代碼、IDE位及保留位m。擴(kuò)展格式里的控制域包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個(gè)保留位t rl和m。其保留位必須發(fā)送為顯性，但是接收器接收的是顯性和隱性位的組合。(4)數(shù)據(jù)域，由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成，給出要傳送的數(shù)據(jù)。CAN標(biāo)準(zhǔn)格式中，一個(gè)幀中數(shù)據(jù)為0-8個(gè)字節(jié)長。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)高