【毕业学位论文】电控柴油发动机SCR 后处理系统研究与开发

4 1 绪论. 发动机排气对环境的影响及法规要求. 发动机和后处理技术集成开发必要性.处理技术路线的选择分析. 后处理技术综述. 后处理系统的功能介绍.全球以及中国欧主流后处理技术路线的选择.国后处理路线分析与选择.足欧/排放要求的.统概述.烟的生成机理：.素供给单元的工作原理.素理论需求量的计算.素喷射控制策略.统的断控制策略.装 制系统的目的.电池电压监测.素液位传感器监测.I 素溶液温度传感器.素溶液质量传感器.素溶液监测.气管前后温度传感器监测.气温度监测.化器监测.素泵信息监测.障诊断模拟. 本章小节.据链路层.理层.络层.用层.络管理.建通信环镜.拟节点创建.建数据库.建人机对话界面.建测量环境.用. 通信试验. 本章小节.架实验构建与研究. 原机排放测试.机.机排气温度.位尿素喷射速率下. 发动机. 发动机.态修正系数.动机. 本章小节.结.动机排气对环境的影响及法规要求汽车发动机排出的大量尾气对人们的身体健康造成了非常大的损害，同样也是造成全球环境污染的根源之一。在目前一些发达富裕国家的大城市，汽车尾气所产生的污染已经到达了令人无法容忍的地步。柴油发动机的有害排放物主要包括颗粒物（放物，氮氧化物（碳氢化合物（二氧化碳（及一氧化碳（有害物质，尽管二氧化碳不会直接对环境造成污染，但它是造成温室效应从而影响全球气候变暖的罪魁祸首，因此减低油耗不但能节约能源，而且也可以减缓全球变暖的速度。产生这些有害气体的原因不尽相同，对人造成的损害也各异。美国、英国、德国、法国、日本等发达国家，自1970年开始制定实施了分阶段不断严厉的排放法规。三十年来，发动机内燃机技术不断进步，以轻型卡车为例，碳氢化合物降低了97%，一氧化碳降低了97%，氮氧化物和微粒都降低了90%以上，从另一个角度上说，排放法规促进了发动机技术快速发展1。一氧化碳（当氧气不充足时会生成一氧化碳，一氧化碳大多是柴油氧化不充分的产物，混合气体浓度大以及混合气体不均匀都会使尾气中的一氧化碳增多。一氧化碳会与人体血液中的血红蛋白结合，从而产生头痛，头晕，目眩，减弱人体输送氧气的能力。微粒（实际上是燃料燃烧时氧气不充分而产生的一种颗粒物质，其中柴油机最为明显，颗粒物悬浮在空气中降低可见度，也能造成肺部以及心脏等疾病，增大患癌率。氮氧化物（是燃油在燃烧过程中生成的一种物质，这种物质可进行光化学反应从而生成二次污染物，会导致肺部和呼吸系统失调。碳氢化合物（会造成喉咙，肺部，眼睛出现过敏炎症，并且具有毒性还可致癌。碳氢化合物是燃油中未充分燃烧的物质，大部分是由于燃烧室壁冷，混合气体不均匀等因素造成一些燃油还没来得及燃烧反应就被排放出去。在节约能源和高燃烧效率方面柴油发动机有着独特的优势。但发动机微粒和氮氧化物的排放一同降低是将来发动机制造企业达到严格的排放法规的主要瓶颈。而对微粒和氮氧化物减排的两种技术路线一直彼此制约，通过调节燃油喷射压力和空燃比来改善发动机内燃油雾化效果来提升燃烧效率，能有效减低颗粒物，但是必然会造成 术，虽然能大幅减低排放，但是颗粒物的排放和燃油经济性问题也会随之而来，由此可知机内同时减低颗粒物和 着排放法规日益严格，从长远的角度来看，柴油发动机排放后处理系统是同时减低颗粒物。国和日本三大体系，其中欧洲和美国的排放法规被世界各国广泛引用。欧洲标准体系是由欧洲经济委员会（排放法规和欧共体（是现在的欧盟（排放指令共同结合实现的。排放法规由放指令是由洲的汽车排放法规大致分为1992年前以及从1992年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）排放标准，1996 年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）排放标准，2000 年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）排放标准，2005 年起开始实施欧（欧型式认证和生产一致性排放限值）排放标准，2008年实施的重型柴油车欧标准以及2009年6月18日欧洲议会和理事会正式发布第（009 号更加严格的汽车排放法规即欧标准。我国在充分参考欧美的经验后，从而选择了欧盟（令，术内容以及部分前欧共体（规，并在此基础上制定了中国排放法规体系，从2004年初起，对汽车的废气排放标准由欧洲提高为欧洲，2008年实行了欧标准，北京率先在2008年，开始实施国排放标准。从2006年起， 国内相关的主要柴油发动机生产企业提出汽车后处理的实际需求， 1 2 3 4 5 6 7美国 2004 美国 1998欧996日本1998,1999欧g/kWh)微粒（g/kWh）4 且开展相关欧样机与后处理系统的匹配开发的工作。截止2008年底，汽车（汽油和柴油）废气排放后处理产业链上相关厂家近百家(不含配件用催化器生产厂家)，其中催化剂载体生产企业在二十家以上，催化剂涂层生成企业在十一家以上，隔热衬垫厂家四家以上，催化器封装厂家有五十七家之多。当前已经形成了专业分工，互相支持，配合的局面。从整体上后处理系统划分为两个部分：催化器封装（含催化器，催化剂，载体和隔热衬垫封装）和尿素喷射系统的集成以及制造两部分。动机和后处理技术集成开发必要性随着日益严格的排放法规，后处理系统与发动机集成开发的优势也相应的突显了出来，这种集成开发可以更好的与整车各子系统匹配，使之在统一的系统控制下达到最佳效能和最佳的各项技术指标（如排放性和燃油经济性等）。处理系统和柴油发动机本体开发工作的相互依赖性越来越高。以欧了完成后处理系统的集成工作以外，对发动机本体的开发要求也相应的提高，比如欧时柴油发动机的排气温度和排气流量也要达到一定的水平，这样在发动机和后处理的集成开发过程中，可以达到成本和性能的最优化。4 系统研发技术 核心技术/工具后处理系统集成开发催化剂载体催化剂涂层载体的分类系统的分类系统的安装尿素喷射系统热力学与流体力学机械设计力学分析与诊断4 处理技术综述柴油发动机的主要排放污染物是颗粒物（氮氧化合物（而且排放物中的氮氧化合物和颗粒物处于一种微妙的制衡关系。在燃烧反应过程中，空气中78%的在温度小于1600时反应不剧烈，但高于此温度时高温将抑制颗粒物的形成。所以对于每种减排技术，后处理系统技术基本上只能选取其中的一方面进行重点处理。准，后处理系统技术将会越发复杂，需要将氧化颗粒捕集器（催化器（氮氧化合物择催化还原（集为一体来降低排放。为了达到欧/排放法规，其相关的后处理技术路线在当前最具代表性，最具普遍性的分别有氧化催化器（颗粒捕集器（氮氧化合物择催化还原（当然这些技术路线的实现同样很大程度依赖于发动机本机排放水平和当地市场的燃油质量水平（主要是硫含量）3。为此，下面将对上述三种系统进行分别阐述。装在柴油发动机排气管中，通过氧化反应，可以将尾气中一氧化碳（碳氢化合物（化成无害的水（二氧化碳（设备。它是催化转化器技术中的早期产品，结构构造与三效催化转化器基本相同，只是催化剂涂层有所不同，只具有氧化能力而没有还原力。2要是采用催化氧化技术降低柴油发动机卡车以及城市公交车柴油发动机尾气中的颗粒物项技术始于上世纪九十年代，催化剂是蜂窝整体直通式，可以有效氧化降低一部分尾气颗粒物化氧化技术对降低柴油发动机排放微粒物（的可溶性有机盐(有上佳的效果，即在发动机排气系统添加催化转化器，可溶性有机盐常其减排效率可达80%。如果柴油机负荷较低时，化去除柴油机负荷较高时，化氧化去除型的颗粒物50，但是随着排温增高，去除率增高，也会使三氧化硫和硫酸盐排放升高。氧化催化器（能去除尾气中的对68%。而且多环芳香烃，乙醛等)都能去除。研究证明多环芳香碳氢化合物的排放减低56 ，乙醛减低70。仅用排放法规的要求，对于发动机本机的开发水平以及4 多发动机制造企业很难达到性能和成本要求。所以于而提升目前的国/产品和项目，出于成本的考虑可以不加载用发动机系统标定和集成能力，同样能满足国/的排放要求。对于释放热量，提升升难降低颗粒物要大幅降低应该选择捕集方式。当前市场上颗粒捕集器技术，主要是技术一般和留、惯性碰撞和重力沉降等原理把颗粒物从尾气中分离出来，主要成分为硫酸盐灰分，固体碳黑，可溶性有机物（部分未完全燃烧的燃料或机油）。研究人员根据排放尾气的流动方式，开发的柴油发动机颗粒捕集器也能分为直流式颗粒物采集器（以降低颗粒物排放40%70%）和壁流式颗粒物采集器（可以减少颗粒物排放85%以上）。如今最普遍的是原理是：通过对捕集器孔道前后交替封堵，使排放尾气从壁面穿过而达到捕集颗粒般着过滤颗粒的增多，过滤孔会慢慢积聚、堵塞，从而排气压力提高，导致发动机动力性及经济性降低。所以必须及时除掉以使其捕集性能恢复，这个过程就叫捕集器的再生。4 集器的再生研究，过滤载体耐久性的提高，排气背压的降低以及润滑油灰烬的净化处理。根据 以把能进行主动再生4。主动再生的意思是在高温情况下被动再生的意思是利用二氧化氮和碳烟在过滤载体表面进行低温燃烧反应的一种再生方式。和主动再生相比，被动再生需要的燃烧温度较低，可以满足主动再生需要的燃烧温度较高，所以需要另外的加温手段，或者利用催化剂来减低碳烟的燃烧反应温度。主动再生最重要的难点是怎样增加般的主动再生升温手段有：电加热，微波加热，缸内增加后燃，排气管绝热，排气节流等。另外也可以在燃料中加催化剂(减低碳烟燃烧反应需要的温度。目前最常用的究证明相对于排气管喷油，缸内燃油后喷具有更高的温度提高效率，但缸内燃油后喷会导致燃油漏到油底壳中而稀释润滑油。4 动再生能满足颗粒捕集器的连续再生目标。被动再生策略的最重要的瓶颈是需要柴油发动机本机产生足够高的排温，因此它的再生大多依赖于柴油发动机工作的工况环境。如果柴油机工作在城市工况，车速会比较低因此其排温会一直保持在较低的温度下，则不利于这种工况下其颗粒物氧化转化率也会保持在较低的状态下5。少发动机氮氧化合物（放，再用于废气再循环技术（一些尾气来自排气歧管，这些气体经过中冷器冷却后再和进气大气混合，废气和进气混合后可以降低缸内样就能在燃烧过程中降低气体燃烧温度，从而达到降低时由于燃烧与更改后的缸内气体流通和缸内的氧气含量降低就会导致此加装一个颗粒物捕集器是非常必要的6。4 择性催化还原法（一种运用普遍的后处理技术。根据所采用不同的催化还原剂，可以把 原C）还原中没有量产，选用 为其技术比较成熟，被认为是当前最佳的洲重型汽车协会宣布选用术做为满足欧以上排放法规的技术路线，而日本与美国的重型柴油发动机的 制也开始大量选用术。为还原剂的氨首先吸附在催化剂表面的酸性位上，然后排放废气中的生氮气（水（500的范围内有效进行，此反应可以减少发动机尾气中绝大部分的 时也可以不同程度的降低部分 含标准速慢 of 国排放法规的两大主流技术发动机本身，后处理系统，对燃油和机油的要求和经济性等4个主要方面进行了对比。排放处理系统技术方案 优点 缺点中重型发动机)冷却系统无需改变对发动机尺寸没有影响很容易从欧素消耗优于欧杂更高的热负荷极低硫燃油增加了发动机尺寸后处理控制系统复杂对服务要求更高燃油消耗更高对终端用户影响比较大需要尿素供应基础设施后处理安装较之以前更为复杂4 到欧/欧of 动机结构发动机体积发动机质量（包括后处理部分）发动机耐久性散热要求是否需要硫润滑油的依赖度保持不变 需要改变较小 较大较大 较小较好 较差较低 较高不需要 需要相对较低 相对较高提前 滞后较低 较高需要 不需要不需要 需要（主动再生高 较低不存在 存在可接受350能高于50问题较低 较高总的说来，两种技术路线各有优劣。选用 柴油机不用做进一步的改进处理。柴油的硫含量对于解决柴油含硫量高的难题，而硫含量高是中国国内柴油短期内难以突破的技术难题。选用 右。其劣势是需要在加油站建立相关的尿素溶液补给设施，整车也得添加一套尿素存储及转化装置导致成本提高。并对封装的标准也比较高。选用升喷油压力及增压中冷能力。另外还有更加复杂的标定提高了开发成本和标定难度，要求极低硫含量的柴油和高质量润滑油，燃油油耗提高，系统持续升级能力较差的问题等。其优势是没有额外的装置和费用，用户只要定期更换比项目 油含硫量都将是影响后处理技术路线选用的重要因素。硫含量不敏感，且整车的冷却系统没有增加额外的负担，对机油没有特别的要求。相对而言，用会有间歇性黑烟的现象，尤其是在车辆提速过程中。美中、重型商用车及柴油发动机企业主要采用两条排放控制技术路线：一是选择性催化还原，添加一定比例的尿素溶液，简称 用该技术可通过优化喷油和燃烧过程，在机内减少微颗粒物的产生。在机外后处理过程中，采用尿素溶液对氮氧化物一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车几乎全部采用这种技术。欧洲的大多数发动机制造商倾向于采用以 在发动机机内处理 后通过用后处理技术降低废气中日本率先于20世纪70年代实现其商业化应用。日本有93%以上的废气国于20世纪80年代引进该技术，并规定发电量50庆石化总厂化肥厂、川化集团公司、北京燕山石化公司合成橡胶厂和福建漳州电厂等也从国外引进了。采用耗可节省3%7%，扣除“添蓝”的费用，3%的优势。这对于发动机制造商来说，是吸引消费者的一大亮点。此外，姆勒克莱斯勒公司甚至认为含硫量350油都可以满足要求。燃油品质的低要求可进一步降低该路线的使用成本，并有利于在燃油硫含量高的国家或地区在短时间内投入使用。为柴油价格相对较高（与尿素相比），用尿素来减少燃料消耗量就显得很经济8。排放法规的主要技术路线。4 足国4/欧粒捕捉器技术，简称技术以废气再循环为基础，在机内降低氮氧化物产生，在机外后处理过程中采用氧化催化器 柴油颗粒过滤器可采用颗粒氧化催化器对颗粒物进行氧化催化或过滤捕捉。这一技术路线在北美地区占主流，欧洲短途运输车和城市公交车也选择此方案。以美国为代表的一些国家或地区的发动机企业倾向于采用 气再循环系统+颗粒捕捉器/氧化催化转换器）的技术路线。着是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，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、有效地控制以为达到欧排放限值，内，同时还需要配合使用。供油提前和小供油提前角，可以使会使增大废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度，从而通过降低燃气的最高温度使 使美国为代表的一些发动机企业认为虽然减小供油提前角和采用与减小供油提前角相比，采用欧阶段，对同，仅对技术路线在欧发动机基础上，根据欧阶段采取的技术路线的不同，进行相应的调整。4 需要进行部分配件和电控参数上的局部调整，而采用动较大。总之，在每一级的排放技术提升中，整个发动机都需要对进气系统、供油系统和排气后处理系统进行改进和优化。5/007/2010的重型柴油车排放限值与后处理技术路线措施。国5/007/国后处理路线分析与选择我国在技术路线选择时有以下几方面问题需要加以考虑：一、国发动机及其国、国升级，我国和发达国家技还有一定的差距，我们还有很长的路要走。二、国及国发动机，不仅要配备电控高压共轨系统，还要配备排气后处理系统以及 前，相应技术和产品在中国还处于起步阶段，成本较高。随着国法规的普及，相应的产品批量供货之后，预计成本方面的压力会有所减轻。国、国法规的实际执行存在管理难度，此外还有国车辆的生产一致性以