選擇性還原系統(tǒng)的設計與應用

選擇性還原系統(tǒng)的設計與應用

0柴油車柴油發(fā)動機燃燒特性在車輛開發(fā)的初始階段，模塊和標準化得到了廣泛應用。通過選擇和組合不同的營銷定制產(chǎn)品，以滿足市場不同的需求，不僅縮短了車輛的銷售周期，節(jié)約了開發(fā)成本。為了節(jié)約開發(fā)成本,國內(nèi)外大部分設計單位都傾向于應用模塊化、標準化設計來進行產(chǎn)品開發(fā),以達到快速、經(jīng)濟、小風險地開發(fā)新產(chǎn)品,本文參考公司內(nèi)部的已經(jīng)量產(chǎn)且已經(jīng)公開的信息進行整理,為后續(xù)開發(fā)項目提供可參考的模塊化、標準化子系統(tǒng)。在歐洲,柴油發(fā)動機被廣泛應用,而在國內(nèi)說起柴油發(fā)動機的汽車,很多人都會將冒黑煙、噪聲大等缺點一一列舉,正是由于這些技術(shù)瓶頸導致國內(nèi)柴油發(fā)動機在乘用車領(lǐng)域的使用相對較少,另外國內(nèi)柴油油品不如歐洲,絕大多數(shù)消費者已經(jīng)是“聞柴色變”。發(fā)動機將燃料燃燒后除了能輸出動力,同時也會排出殘余的廢氣,而廢氣成分中則包含著幾種對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。其主要成分有:CO、HC、NOX、SO2、碳煙顆粒物質(zhì)、醛類物質(zhì)等。其中NOX是在高溫完全燃燒狀態(tài)下生成的,因為NOX的成分N和O需要在高溫時才會促進反應。NOX它在柴油發(fā)動機中的排放量多,原因是柴油發(fā)動機不用點火裝置,而是采用自燃著火而燃燒的原理。通常將燃燒分為4個階段:著火延遲期間、預混合燃燒期間、擴散燃燒期間、后燃燒期間。其中預混合燃燒期間會產(chǎn)生爆發(fā)性燃燒發(fā)生高熱,使氣缸內(nèi)的溫度急速上升,這時就會產(chǎn)生NOX。而在低溫不完全燃燒狀態(tài)下,則會生成PM和黑煙。和NOX一樣,這在柴油發(fā)動機相對排放量也較多的,原因在于燃燒的特征。柴油發(fā)動機是向氣缸內(nèi)部噴射燃料、混合燃料和空氣,混合狀態(tài)通常不均一,而且在擴散燃燒期間和后燃燒期間,氣缸內(nèi)的溫度和圧力下降。這時便會產(chǎn)生微顆粒物和黑煙。同理相比,汽油發(fā)動機排放量相對較少,由于其通常向混合的混合氣點火,使發(fā)生不完全燃燒的燃燒過程短了,從而減少了微顆粒物和黑煙的排放。但是柴油發(fā)動機也有優(yōu)點:柴油車節(jié)油效果非常顯著。據(jù)專家預測,如果2020年我國乘用車保有量的柴油化率將發(fā)展到30%,當年可節(jié)約原油近3000萬t,減少汽車用油、降低石油進口依存度均達10%以上。柴油機的節(jié)油率約為30%,這意味著其碳排放比汽油機低30%左右。因此降低柴油機的排放成了廣泛應用的關(guān)鍵之一。1高壓噴射系統(tǒng)和冷卻廢氣再循環(huán)技術(shù)為了滿足日益嚴格的排放法規(guī),以及消費者對節(jié)能減排的要求,主機廠和各零部件廠不斷地開發(fā)新技術(shù),這些新技術(shù)包括高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、冷卻廢氣再循環(huán)(EGR)、可變噴嘴/截面渦輪增壓器等先進裝置。其中對降低柴油尾氣中NOX最有效的是選擇性還原系統(tǒng)。1.1nox的催化還原或轉(zhuǎn)化選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR),用在對柴油機進行國Ⅳ級別的尾氣凈化,因使用Adblue(尿素為其主要成分)做還原劑,且只對其中的NOX進行處理,所以叫選擇性催化還原(或轉(zhuǎn)化)。選擇性催化還原的Adblue油箱在車身上的布置位置相當靈活,其通常的位置是位于氧化催化轉(zhuǎn)換器后,對廢氣流進行還原,布置位置如圖1所示。NOX在柴油機汽車尾氣中大量存在,它生成于氣缸中的高溫高壓條件之下,其主要成分為NO和少部分的N2O3,N2O3是劇毒物質(zhì),當SCR中的Adblue液體噴射到尾氣后,其化學反應如圖2所示。1.2Adblue的化學性能Adblue是AUS32(尿素水溶液,32.5wt.%)的注冊商標,現(xiàn)為德國汽車工業(yè)協(xié)會(VDA)所有。它被分類為非危險品,Adblue是一種透明液體,有淡淡的氨水氣味。如果濺出,水分蒸發(fā),形成結(jié)晶。是被認證為滿足歐Ⅳ法規(guī)的綜合排放控制系統(tǒng),其也被慢慢地推廣應用到柴油發(fā)動機機動車上減少NOX排放。Adblue還有其特殊的化學特性,如圖3所示的高溫下的其尿素含量減少,以及圖4所示高溫長時間的情況下Adblue內(nèi)氨氣的揮發(fā)性對人體感官的作用。汽車的工況溫度通常為-40～80℃,而Adbule除了有其高溫的特性外,液體在低溫情況下也有其特有的化學特性,即會膨脹結(jié)冰,應在設計時予以考慮。因為Adbule有著如此獨特的特性,所以造成了雖然其對于汽車尾氣有還原作用,可此系統(tǒng)的普及率還暫時不高,而且設計成本相對較高。但是這些技術(shù)難點和設計成本可以通過本文介紹的子系統(tǒng)模塊化設計予以一定程度的減少。2選擇性恢復系統(tǒng)的液體收集系統(tǒng)模塊2.1adblue槍的燃油灌注由于SCR系統(tǒng)需要消耗由尿素配成的AdBlue溶液,因此如何進行裝罐補充也是十分關(guān)鍵的,圖5是一種類似Adblue槍的噴嘴灌注方式,其主要借鑒的還是汽車燃油箱的燃油加注方式。除了上述的噴嘴灌裝方式,常用的SCR系統(tǒng)還有一種使用標準化“Kruse”瓶的瓶灌裝方式,如圖6所示。2.2加熱裝置的閉合子系統(tǒng)Adblue液體因為其特殊特性,導致其存儲的客體除了需要供液泵外還需要液體加熱裝置。對于液體泵和加熱裝置的閉合子系統(tǒng)常用的有兩種子模塊。一種是收錄入美國機動車工程師協(xié)會(SAE)標準設計系統(tǒng)的SAE/凸輪鎖扣閉合系統(tǒng),其具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。因SAE結(jié)構(gòu)雖然閉合性能十分出色,但其成本相對較高。另一種相對較為便宜的閉合系統(tǒng)在設計過程中也相當常用,即如圖8所示的螺帽結(jié)構(gòu)形式的閉合子系統(tǒng)。2.3通風系統(tǒng)設計Adblue液體在被泵出工作后還需要通過通風子系統(tǒng)進行空氣的“呼吸”補充。而負責補充空氣的通風閥門因需要保證呼吸的流量在大流量的工況下不可避免會攜帶一些Adblue液體進入通風子系統(tǒng),若此時箱體外部的溫度偏低時,極易導致通風子系統(tǒng)的管道結(jié)冰,致使整個SCR系統(tǒng)無法呼吸而發(fā)生重大事故。因此整個通風系統(tǒng)的設計也相當關(guān)鍵。圖9介紹了一種目前常用的通風原件的薄膜結(jié)構(gòu),可以有效地解決上述問題。3目前，選擇性恢復系統(tǒng)的儲液箱已被應用3.1scr系統(tǒng)的組裝因重型卡車所攜帶的貨物較多,故常常采用柴油發(fā)動機作為驅(qū)動,其所采用的SCR系統(tǒng)在柴油油箱旁邊,通過吊帶或金屬籠的方式組裝至卡車底盤。因其發(fā)動機通常為大排量,所以SCR的加注形式常常采用加油站補充的方式,SCR系統(tǒng)的灌裝量通常為25～90L。3.2柴油乘用車scr系統(tǒng)歐美國家用柴油機作為驅(qū)動的乘用車也很多,因此目前在這些國家也廣泛將SCR系統(tǒng)應用在柴油乘用車上。乘用車的SCR系統(tǒng)通常布置在柴油油箱邊或發(fā)動機艙內(nèi),加注方式既有噴嘴形式也有灌裝形式,灌裝量通常為6～35L。圖10為兩款已量產(chǎn)的乘用車SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。4該系統(tǒng)的發(fā)展面。該系統(tǒng)的飛速發(fā)展,在總體