國排放柴油機尾氣排放后處理系統(tǒng)的優(yōu)化

國排放柴油機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，汽車耗竭對環(huán)境污染日益嚴重。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日起也開始強制實行國Ⅳ標準階段,2012年1月1日起開始強制實行國Ⅴ標準階段。其中國家標準GB17691-2005《車用壓然式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值和測量方法》對國Ⅳ階段和國Ⅴ階段發(fā)動機以及汽車排氣污染物的排放限值和測量方法提出了要求。現(xiàn)階段重型柴油機僅僅依靠機內(nèi)電噴優(yōu)化措施已不能滿足國Ⅳ階段排放限值的要求,要達到國Ⅳ階段排放標準必須采用尾氣排放后處理系統(tǒng)。目前世界針對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,有效控制柴油機內(nèi)顆粒物的產(chǎn)生,這時尾氣排放主要成分是NOX,尾氣后處理過程采用尿素溶液對NOX進行選擇性催化還原,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),有效抑制柴油機內(nèi)NOX產(chǎn)生,這時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微粒進行微粒捕捉,以達到過濾顆粒物。其中采用SCR方案,柴油機對柴油含硫量要求不是很嚴格,國內(nèi)市場供應(yīng)的柴油只符合歐Ⅱ標準,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)柴油機主機廠最先投入使用。本文主要研究SCR系統(tǒng)原理和實現(xiàn)方式。1不同劑量尿素水溶液對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進行催化還原,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而達到降低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,是因為尿素水溶液的濃度對其冰點具有顯著影響,32.5%濃度的尿素水溶液具有最低的冰點(-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,由于尿素熔點為132℃,隨后物理熱分解為氨氣(NH3)和氰酸(HCNO),氰酸進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,使尾氣排放達到國IV強制標準。2系統(tǒng)工作原則2.1化冰和化冰SCR系統(tǒng)包含:尿素溶液儲存罐、化冰熱交換裝置、計量裝置、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,尿素溶液儲存罐用于儲存尿素溶液,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的大顆粒進入噴射系統(tǒng)。尿素存儲罐內(nèi)部裝有化冰熱交換裝置,利用柴油機冷卻水的熱量進行化冰?；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,會出現(xiàn)結(jié)冰的情況,控制器將打開發(fā)動機冷卻水電磁閥,熱的柴油機冷卻液就會順著管道流向儲存罐和熱交換裝置,這些地方結(jié)冰的尿素固體就會迅速融化。計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排空能力有限,泵的進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,達到控制尿素溶液流量的目的,作用是將計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。控制器ECU(ElectronicControlUnit)的作用是通過符合J1939協(xié)議的CAN(ControlAreaNet)總線與柴油機控制器ECU進行通訊,獲取柴油機運行狀態(tài)信息(轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩),根據(jù)事先標定好的各種脈譜,實時計算柴油機實際工作情況下SCR系統(tǒng)的尿素噴射量,從而使柴油發(fā)動機排氣中的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,尿素計量裝置中的計量泵電機回到“停車”位置。當(dāng)發(fā)動機起動成功后,計量泵進入“起動排空”模式,泵將尿素抽入,再通過回液口回到尿素溶液存儲罐,持續(xù)時間為30s。隨后計量泵處于“停止狀態(tài)”,同時打開壓縮空氣電磁閥,前期計量泵以最大工作壓力進行工作,目的是快速建立壓力,當(dāng)泵腔中的壓力達到0.5MPa后,計量泵將由ECU進行閉環(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)柴油機的工況(發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩)、催化器進口溫度和環(huán)境狀態(tài)來精確計量。當(dāng)車輛的鑰匙達到“OFF”后,計量泵自動倒轉(zhuǎn)30s,將管道內(nèi)的殘液吸回尿素存儲罐,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間內(nèi)的排氣中NOX物質(zhì)的量為式中,m為單位時間柴油機排放的流量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。通過計算解得(NH2)2CO物質(zhì)的量為將單位時間內(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)動機的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)動機的排放流量、NOX的排放濃度值和NOX最大轉(zhuǎn)化率,就可以計算出尿素水溶液的需求量。系統(tǒng)額定工況下柴油機的排氣流量為1500kg/h,NOX的排放濃度值為600×10-6,當(dāng)前發(fā)動機的NOX最大轉(zhuǎn)化率為60%,通過計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總線采集柴油機的轉(zhuǎn)速信號、轉(zhuǎn)矩信號和氮氧傳感器信號,并通過CAN總線實現(xiàn)OBD功能。通過對催化器進口的排氣溫度信號采集,根據(jù)控制策略發(fā)出指令,經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動計量裝置、噴射裝置和電磁閥動作實現(xiàn)尿素水溶液的準確計量噴射。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,其輸出信號為微弱電壓,需通過運算放大器將微弱信號進行放大處理,MCU將放大后信號進行A/D采樣。液位傳感器選用電阻式傳感器,其輸出信號為電阻值,需通過上拉電阻分壓法進行分壓測量處理,MCU將分壓后電壓信號進行A/D采樣。驅(qū)動電路一般驅(qū)動大電流裝置,可以利用場效應(yīng)管進行開關(guān)驅(qū)動,但需注意當(dāng)裝置關(guān)斷時候需要將產(chǎn)生反向電動勢通過續(xù)流二極管進行吸收。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、柴油機排放流量和NOX最大轉(zhuǎn)化率相匹配,在保證降低NOX的同時,噴射尿素不能過量。尿素的噴入量過少,則達不到應(yīng)有的處理水平,尿素的噴入量過多,則會使多余的氨氣排入大氣,導(dǎo)致新的污染。同時系統(tǒng)還必須能夠?qū)σ虬l(fā)動機負荷變化而引起催化器溫度變化做出反應(yīng),即催化器動態(tài)儲氨量對瞬態(tài)尿素噴射量做出修正。為此,保證NOX的排放最小,同時又要避免NH3的滑失,必須制定合理的還原劑噴射控制策略對尿素流量進行精確的控制。試驗工況轉(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轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩的0%、10%、25%、40%、50%、60%、75%、90%和100%9個工況點。通過離散采集到的轉(zhuǎn)速、扭矩和NOX濃度數(shù)據(jù),運用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行二維散布點內(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的原機排放值與催化器出口的排放值兩者差值與原機排放值百分比。對于給定的催化器,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確定。為了避免實際應(yīng)用中出現(xiàn)NH3滑失,以10×10-5NH3滑失為邊界,將此時測量計算的NOX轉(zhuǎn)化效率作為其最大值。通過試驗方法測定不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的NOX的轉(zhuǎn)化率,運用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行二維散布點內(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。柴油機排氣流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩有一定的對應(yīng)關(guān)系。同樣通過試驗方法測定不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的柴油機排氣流量,運用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行二維散布點內(nèi)插法處理后,得到所有工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩和柴油機排氣流量的MAP示意圖,見圖5。SCR系統(tǒng)的催化器通常具有一定的NH3儲存能力,對于給定的催化器,排氣溫度是影響其儲氨能力的主要因素。當(dāng)發(fā)動機從低排溫工況瞬間過渡到高排溫工況時,儲存的NH3會釋放出來,可能導(dǎo)致NH3過量從而出現(xiàn)NH3的滑失。當(dāng)發(fā)動機從高排溫工況瞬間過渡到低排溫工況時,由于NH3大量儲存在催化器中,會降低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。催化器的儲氨量是通過試驗得到的,進行試驗時,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氨量曲線圖。對儲氨量隨時間變化的曲線進行二次擬合,可以得到儲氨量與時間的函數(shù)關(guān)系,見圖6。無論柴油機在穩(wěn)態(tài)還是在瞬態(tài)運行,控制系統(tǒng)都要求準確地噴入尿素量,既能最大限度的降低柴油機NOX排放,又不至于產(chǎn)生NH3泄漏而導(dǎo)致新的環(huán)境污染,尿素實際噴射量控制策略圖如圖7所示。6尿素罐及計量噴射泵系統(tǒng)的安裝設(shè)計對SCR載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。安裝設(shè)計包含催化消聲器、尿素罐、計量噴射泵、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。(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”標識。(3)計量噴射泵:安裝位置需要防水防塵防高溫,使用減震墊防止振動。尿素罐出液口處裝有脈動阻尼器以減小尿素水溶液流量的脈動。(4)