（动力机械及工程专业论文）柴油机scr电控系统的开发及试验研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 盔丕叁j 日期：丝丛! ! ：绰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学 位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：朽加 导师( 签名 日期枷，丘7 摘要 近年来，我国汽车工业快速成长，汽车在给人们提供便利的同时，对环境 的影响也日趋严重。尤其是汽车尾气对空气的污染，严重威胁着人类的健康与 生活；此外对汽车工业的进一步发展也构成巨大挑战。 在柴油机有害排放物中，n o x 排放是众多污染中的重头戏。面对要求日益 严格的排放法规，仅仅依靠机内净化很难满足，必须辅助依靠排气后处理技术。 国内外相关研究认为，目前降低柴油机有害排放物主要有两条技术路线。一是 e g r 技术，即先通过废气再循环降低机内n o x 的生成，然后再通过机外颗粒捕 集技术降低p m 的排放；二是s c r 技术，先通过强化发动机机内燃烧降低p m 生成，然后采用机外选择性催化还原技术降低n o x 的排放。基于s c r 技术燃油 经济性好，满足欧和欧v 阶段排放法规可以共用一个试验平台，对燃油的含 硫量不敏感等因素，国内外研究的重点已经移到s c r 技术上。s c r 技术将成为 降低柴油机有害排放物最有效的措施。 本文主要介绍了s c r 电控系统的组成、工作和反应原理，引入了s c r 电控 系统开环控制策略，即根据发动机转速、负荷查询尿素喷射稳态m a p 图来计算 尿素溶液基本喷射量，然后通过排气温度、催化器储氨模型对基本喷射量进行 修正。控制策略中详细阐述了尿素喷射计算模型、排温修正模型和催化器储氨 模型。 本研究搭建了s c r 电控系统，完成了s c r 电控单元的硬件和软件设计，其 中包括微处理器的选择，传感器信号的采集，尿素泵、尿素喷嘴和加热水阀的 驱动，c a n 通讯接口设计等。软件程序中引入了尿素控制状态管理机制，将尿 素喷射控制分为系统准备、无压力控制、压力控制、压力卸载和反抽排空5 个 状态，以满足尿素溶液精确计量的需要。 最后在发动机台架上进行了n o x 排放试验研究，排放试验结果表明，自主 开发的s c r 电控系统在排温2 5 0 以上n o x 转化效率可达5 0 ，n o x 的比排放 小于g k w h 。 本文研究结果对开发满足国i v 排放法规的柴油机具有一定的参考价值，对 我国降低柴油机排放、减少大气污染具有现实的社会意义。 关键词：柴油机，s c r 技术，n o x 排放 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dg r o w t ho fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r y , i tb r i n g sp e o p l e m u c hc 0 i l v e l l i e r 圮e ，w h i l ei t si m p a c to nt h ee n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gs e r i o u s t h e a u t o m o b i l ee x h u a s tc o n s t r u c t sas e r i o u st h r e a tt op e o p l e s h e a l t ha n ds a f e t y t h e i n d u s t r yf a c e sag r e a tc h a l l e n g e n o x 卸陀l en k 妇e m i s s i o n so fd i e s e la n d c a n n o tb ee f f e c t i v e l ys o l v e d i tc a l ln o t m e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n c r e a s i n gs t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n s w em u s tr e l yo n e x h a u s ta f t e r - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y i na l lt e c h n o l o g yr o u t e st or e d u c en o x e m i s s i o n s t w om e t h o d sa r ec o n c l u d e d ：o n ei sr e d u c i n gn o x e m i s s i o n sw i t hs c r ( s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) t e c h n o l o g yo nt h eb a s i so f c o m b u s i o no p t i m i z a t i o nf o rd i e s e l e n g i n e st or e d u c ep m ，a n dt h eo t h e rt od e b a s en o x e m i s s i o n sw i t he g r ( e x h a u s tg a s r e c i r c l d a t i o n ) a n dp mw i t hd p f t om e e tg o o df u e le c o n o m y , e u r oi va n dv e m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hf o c u so ns c rt e c h n o l o g y s c rt e c h n o l o g yw i l lb e c o m et h em o s te f f e c t i v em e a s u r ei nr e d u c i n ga u t o m o b i l e e x h a u s t t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e sc o m p o s i t i o na n dw o r kp r i n c i p l e o fs c rc o n t r o l s y s t e m t h e ng i v e st h eo p e n 1 0 0 pc o n t r o ls t r a t e g y , t h a ti s ，t h eb a s i ci n j e c t i o na m o u n t o fm c ai sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt oe n g i n es p e e da n dl o a dt os e a r c ht h es t e a d y 。s t a t e m a pa n da d dt h ec o m p e n s a t i o no fc a t a l y s tt e m p e r a t u r ea n dn h 3s l i pm o d e l t h e c o n t r o ls t r a t e g yd e s c r i p t st h eu r e ai n j e c tc a l c u l a t i o n ，c o r r e c tm o d e lb a s eo nc a t a l y s t t e m p e r a t u r ea n dn i - - 1 3s l i pi nd e t a i l i nt h i ss t u d y , s c re l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mw a sb u i l t a n dh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no fd c uw a sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gc h o i c eo fm i c r o p r o c e s s o r , s e n s o r s i g n a la c q u i s i t i o n ，d r i v e ro fu r e ap u m p ，n o z z l e s a n dh e a t i n gv a l v e ， a n dc a n c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n i ns o f t w a r ep r o g r a m ，t h eu r e ai n j e c t i o n c o n t r o l s y s t e mi s d i v i d e di n t o f i v es t a g e s ( s t a n d b y , 1 1 0p r e s s u r ec o n t r o l ，p r e s s u r ec o n t r o l ， p r e s s u r er e d u c t i o n a n da f t e r r u n ) t om e e tp r e c i s em e a s u r e m e n to f u r e a f i n a l l y jn o xe m i s s i o ne x p e r i m e n tw a se x e c u t e do ne n g i n ew i t hs c r e l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a ts c re l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mh a sas i g n i f i c a n t e f l e e to nr e d u c t i o no fn o xe m i s s i o n i i i 目 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论1 1 1 引言。l 1 2 降低柴油机排放污染物的控制技术。2 1 3 满足国排放法规的技术路线3 1 4s c r 技术国内外研究及应用现状4 1 5 本课题的意义及研究内容6 1 6 本章小结7 第2 章s c r 电控系统控制策略研究8 2 1s c r 电控系统组成及原理8 2 2s c r 电控系统控制策略1 0 2 3 本章小结2 6 第3 章s c r 电控单元开发2 7 3 1s c r 电控系统功能需求及方案设计2 7 3 2s c r 电控单元硬件设计2 7 3 3s c r 电控单元软件设计3 4 3 4 本章小结5 0 第4 章s c r 电控系统试验研究5 1 4 1 试验条件：51 4 2 柴油机原机排放试验研究5 3 4 3 装有s c r 系统的柴油机排放试验研究5 5 4 4 本章小结5 7 第5 章总结与展望5 8 5 1 总结5 8 5 2 展望6 0 参考文献6 1 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的论文6 5 i v 括轮汽车和低速货车1 2 8 4 万辆) ，比上年末增长1 9 3 ，其中私人汽车保有量 6 5 3 9 万辆，增长2 5 3 。汽车产量的快速增长是一把双刃剑，在给人类提供方 便的同时也带来了一系列的问题，如传统汽车以石油为燃料，汽车数量的增加 消耗了大量石油资源，与日俱增的能源需求进一步加剧了能源危机；同时，汽 车尾气排放增多，对环境的污染也越来越严重等。 汽车尾气排放中，n o x 排放对人体健康和生态环境的危害最大【l 】。n o x 有 害排放物主要由一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 组成【2 l 。大量的n o 进入人 体会引起神经中枢的障碍，如果n o 和血红蛋白结合形成氧化血红蛋白，便会使 血红蛋白失去输氧功能，引起组织缺氧，严重时将导致死亡。n 0 2 是一种具有强 烈刺激性的有毒气体，且不溶于水，如果被吸入呼吸系统，便会侵入人类肺部 深层，然后逐渐变为硝酸。硝酸强烈的腐蚀性和刺激性会引起肺炎、气管炎， 甚至肺气肿。此外，n o x 在太阳光的照射下发生化学反应生成“光化学烟雾”， 这种有毒的气体刺激人的眼睛和喉咙，引起眼睛酸痛、哮喘等其他慢性疾病【3 】。 如果大气中的n o x 与雨雾结合，便会生成硝酸和亚硝酸，然后与雨水一起降落 而形成酸雨。酸雨严重破坏农作物的生长，还会腐蚀建筑，目前我国已经形成 多个酸雨区，其中以华中地区的问题最为严重。此外，如果n o x 扩散到平流层， 便会与臭氧发生化学反应，使之变为氧气，臭氧层的减少会提高人类皮肤癌的 患病率。 按照排放法规标准，发动机的排放污染物主要包括一氧化碳( c o ) 、碳氢化 物( h c ) 、颗粒物( p m ) 和氮氧化物( n o x ) 四种【4 】。汽油机的主要排放物是h c 和 j 武汉理工大学硕士学位论文 c o ，通过三效催化转化器可以有效地降倒5 1 。而对于柴油机，虽然通过氧化催 化转化器能够高效地降低排放物中的h c 和c o ，但是p m 和n o x 排放是很难控 制的，而且n o x 排放与p m 排放、n o x 排放与燃油经济性之间存在着“t r a d e o f f 的关系 6 1 。因此降低柴油机有害排放物的控制技术研究已成为国内外共同的课 题。 1 2 降低柴油机排放污染物的控制技术 柴油机燃烧控制技术的进步使柴油机尾气排放控制技术得到了良好的发 展。目前，降低柴油机有害排放物的相关措施可以分为机内净化技术和排气后 处理技术【7 ，羽。表1 1 和1 2 分别给出了各种控制技术的原理和特点。 表1 1 机内净化技术原理及特点 机内净化技术原理特点 提高燃油喷射压力，达到更好 柴油高压喷射技 的雾化效果，燃油精确地与发电控系统部件性能要求较 动机的瞬时工况匹配，良好的高，只有少数国外公司可以 术 燃烧过程可以有效地降低污染提供成熟的技术和系统 物的生成 提高进气量，输出功率增大；可以降低柴油机单位功率成 增压中冷技术 降低进气温度，减少n o x 排放本，有效减少排气中的n o x 部分排气与新鲜空气混合进入 有效降低n o x 排放，引起燃 气缸参与燃烧，降低了混合气 废气再循环技术烧过程中局部缺氧，动力性 中氧的浓度，导致燃烧速度和 温度下降，抑制了n o x 的生成 和经济性下降 匀质压燃着火 喷油提前，压缩稀混合气着火，核心是低温和预混合燃烧， 降低排放污染物对催化器的依技术难度较大，国内外正在 燃烧技术 赖进行相关研究 表1 2 排气后处理技术原理及特点1 9 j o i 排气后处理技术原理特点 n o x 吸附转化n o 先氧化成n 0 2 ，再被吸附， 对硫敏感，l n t 的吸附能力 有限。轻型柴油车上应用前 技术l n t i l l 吸附剂达到饱和时进行再生 景光明 催化氧化技术采用氧化型催化转化器，降低 高效降低排气中的h c 和 c o ，对燃油中的硫敏感，不 d o ch c 和c o 以及颗粒中的有机物 能降低n o x 排放 2 武汉理工大学硕士学位论文 微粒捕集器技术 用微粒过滤装置滤掉排放物中对燃油中的硫敏感，再生困 的p m ，然后再氧化p m 使d p f难，需要与其他控制技术结 d p f 再生合使用 非选择性催化还在排气管中喷入还原剂，在富还原剂容易被氧气直接氧 原技术n s c r氧条件下还原n o x化，喷射需求量较大 选择性催化还原 在排气管中喷入特殊的还原 能够有效降低排气中的 剂，增加还原剂对n o x 的选择 n o x ，系统安装成本高，催 技术s c r化剂低温环境活性差，控制 性，抑制还原剂被氧气氧化 策略较为复杂 国内外相关研究认为，目前降低柴油机有害排放物主要有两条技术路线【1 2 1 。 一是e g r 技术，即首先通过废气再循环降低机内n o x 的生成，然后再通过机外 颗粒捕集器净化p m ；二是s c r 技术，即先通过改善发动机机内燃烧减少p m 的 生成，然后再采用机外选择性催化还原技术降低n o x 的排放。 1 3 满足国i v 排放法规的技术路线 目前，世界上并存着三大排放法规体系，即欧洲、美国和日本体系。其中 各国广泛引用的是欧洲和美国的排放标准体系【1 3 l 。我国在引用了欧洲排放标准体 系的基础上制订了满足本国国情的内燃机排放法规。g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃 式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法对我国第 i 、和v 阶段汽车和发动机排气污染物的测量方法和限值提出了要求f 1 4 1 。表 1 3 给出了欧洲稳态测试循环( e s c ) 和负荷烟度试验( e l r ) 对有害排放物的 限值。 表1 - 3e s c 和e l r 试验限值 一氧化碳碳氢化合物氮氧化物颗粒物 烟度 阶段 ( c o ) ( h c )( n o x )( p m ) m - l g k w hg k w hg k w h g k w h i2 1o 6 65 00 1 00 1 3 l 0 8 i v 1 50 4 63 50 0 2o 5 v 1 50 4 62 o 0 0 2o 5 e e v1 5o 2 52 oo 0 20 1 5 1 对每缸排量小于0 7 5 d i n 3 ，及额定功率转速大于3 0 0 0 r m i n 的发动机。 根据g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 的要求，对于应用排气后处理技术如安装了n o x 催化 器和( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应追加e t c 试验规定中的项目测定发动机的 3 武汉理工大学硕士学位论文 排气污染物。表l - 4 为欧洲瞬态测试循环( e t c ) 对有害排放物的限值。 表1 - 4e t c 试验限值 一氧化碳 非甲烷碳氢化甲烷氮氧化物颗粒物 阶段合物( n m h c )( c h 4 ) 1 一( n o x )( p m ) 2 ( c o ) g k w h g k w hg k w hg k w hg k w h i 5 4 5o 7 8 1 65 0o 1 60 2 1 i v4 0o 5 51 13 5o 0 3 v 4 o o 5 5 1 12 oo 0 3 3 00 4 0o 6 52 00 0 2 1 仅对n o 发动机。 2 不适用于第和v 阶段的燃气发动机。 3 对每缸排量小于0 7 5 d m 3 及额定功率转速大于3 0 0 0 r m i n 的发动机。 结合我国目前柴油机技术的发展情况，2 0 0 7 年1 月1 日，我国对重型柴油 机排放限值进入了第1 阶段；第阶段排放标准于2 0 1 0 年1 月1 日开始执行； 计划2 0 1 2 年1 月1 日起开始执行第v 阶段的排放标准。 基于s c r 技术燃油经济性好，满足欧和欧v 阶段排放法规可以共用一 个试验平台，且对燃油的含硫量不敏感等因素，国内外研究的重点已经转向s c r 技术。s c r 技术将成为减少柴油机有害排放物最为有效的措施。 面对要求日益严格的排放法规，并根据国外柴油机排放控制的相关经验， 国内研究单位和主要柴油机企业达成一致意见，即当前在中国将s c r 技术作为 满足今后排放法规标准的主要技术路线。 采用s c r 技术的优势主要体现在以下几个方面【1 5 】： 1 ) 同排放的发动机，采用s c r 技术与采用e g r 技术相比能够节油5 7 。 减去尿素费用，燃油成本还可节约2 3 ； 2 ) s c r 技术对我国大量存在的高硫燃油不敏感； 3 ) 采用s c r 技术的发动机能够从欧i v 机型升级到欧v 机型，而不用改动 发动机硬件结构。 1 4s c r 技术国内外研究及应用现状 1 4 1 国外研究及应用现状 为了满足日益严格的排放法规，国外众多汽车及发动机制造商已经开始着 4 武汉理工大学硕士学位论文 眼于s c r 技术产品化。已采用这一技术的厂商主要集中在欧洲国家，如a v l ， d a i m l e rc h r y s l e r ，d a f ，i v e c o ，v o l v o ，m e r e e d e s b e n z 和r e n a u l t 等，这表 明s c r 技术已经进入了实用阶段f 1 6 1 。目前s c r 技术的应用方面，基本攻克了尿 素的储存和喷射技术难题，在欧盟等地区也已经建立起了较为完善的尿素供给 系统。 德国博世集团柴油机部门为新兴市场量身定制的s c r 尾气后处理技术，能 够满足欧和欧v 排放法规。其1 2 2 4 v 的电源可满足道路用和非道路用车的 匹配。目前提供的系统升级到d e n o x t r o n i c 6 ，体积更小，抗冻能力更强，n o x 转化效率可达8 0 。另外尿素供给单元具有加热功能，尿素喷射单元可以利用 发动机冷却液或空气进行冷却。 位于加拿大的d c l 国际公司最近开发的s c r 系统，催化器壳体紧凑，壳体 中有s c r 剂块和一个可任选的催化剂层。能够自动测量出与n o x 排放相关的参 数，并以此来控制还原剂的流量。 戴姆勒克莱斯勒公司于2 0 0 5 年上半年在大巴及卡车上安装了s c r 系统以 达到欧排放标准【1 7 i 。 为了有效地控制排放，康明斯公司的i e m ( 集成式排放控制系统) 采用了 高效的s c r 系统，实现“从进气到排气 的全程控制，此外，系统还带有全自 动的车载排放诊断系统。 m a n 公司开发的可控柴油催化器，将s c r 技术与n o x 预氧化、尿素水解 催化以及对滑失的氨气进行氧化技术相结合，进一步提高了n o x 的转化效率。 2 0 0 9 年4 月马自达开发出面像乘用车并小型化的s c r 系统，配备于在欧洲 上市的s u v “c x - 7 上，c x 7 的发动机机内减少了n o x 的生成，减轻了后处 理其的负担，这样可以减少尿素的使用量，实现整个系统的小型化，因而能够 配备于乘用车。 美国r j m 公司s c r 电控系统的关键部分是a r i s 2 0 0 0 尿素喷射系统，采用 3 2 5 尿素的水溶液。 此外，三菱、日产、五十铃等日本企业在s c r 技术上也开始了相关研究， 目前已有多款s c r 柴油机问世。 1 4 2 国内研究及应用现状 在国内市场上，得到成熟应用的多是国外的尿素喷射系统，如博世d e n o x 5 武汉理工大学硕士学位论文 系统，美国天纳克s c r 系统等。近些年来，国内的相关企业和科研单位也在逐 步开展s c r 技术的相关研究工作。 2 0 0 6 年2 月，玉柴推出了我国第一台拥有自主知识产权的国柴油发动机。 同年1 2 月，玉柴排放达国标准的y c 6 l - 4 0 型柴油机成功通过省级技术成果鉴 定。2 0 0 8 年奥运会用客车中有5 5 0 0 多辆使用了装有玉柴s c r 系统的发动机。 自2 0 0 9 年起，宁波恒富汽车部件发展有限公司开始开发s c r 系统中的尿素 罐、控制器及尿素罐传感器等核心零部件。现尿素罐、s c r 系统控制起器已在 国内及美国市场投入运营，尿素罐传感器已进入最后的验证阶段。 此外，无锡威孚力达催化净化器有限责任公司，武汉添蓝发动机排放控制 技术有限公司，苏州派格力减排系统有限公司，无锡凯龙汽车设备制造有限公 司，中国汽车技术中心等单位都在自主开发尿素关键零部件和控制系统。 1 5 本课题的意义及研究内容 1 5 1 课题意义 目前，国内市场上的s c r 电控系统几乎被国外厂商垄断，开展s c r 技术研 究已迫在眉睫： 1 ) 国内柴油机s c r 控制技术研究工作刚起步，经验比较少，在s c r 催化 器制备和尿素喷射控制方面需要技术攻关； 2 ) s c r 核心技术掌握在外国人手里，国内各厂商只能通过高额费用购买其 系统，配合完成s c r 系统的匹配和标定工作。 3 ) 对于国外的s c r 系统，我们只有使用权，无法掌握其核心技术，后续的 开发工作只能依赖于国外厂商。 此外，玉柴、潍柴、上柴、重汽、一汽等国内大型汽车发动机厂商基本上 都已经具有生产“国m 柴油机的能力，并且正在开展采用s c r 技术满足“国 、国v ”排放的柴油机的研发和匹配工作，这一局面必然促进国内s c r 排气 后处理技术的研究和发展。 1 5 2 研究内容 1 ) 搭建s c r 非空气辅助喷射电控系统，研究满足国i v 排放法规的s c r 控 6 1 6 本章小结 本章首先提出了柴油机n o x 排放控制的严峻性，接着分析了降低柴油机有 害排放物的各种机内净化技术和排气后处理技术，然后提出了满足我国排放法 规的柴油机排放有害物的技术路线，接着又介绍了s c r 技术国内外研究与应用 现状，最后给出了本课题的研究意义和研究的主要内容。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s c r 电控系统控制策略研究 2 1s c r 电控系统组成及原理 2 1 1s c r 系统组成 如图2 1 所示，s c r 电控系统主要由以下部件组成o s , 1 9 1 ：s c r 电控单元，尿 素罐，尿素泵，尿素喷嘴，加热水阀和加热电阻丝、s c r 催化转化器，尿素溶 液温度、液位传感器，尿素泵压力传感器，排气背压传感器，催化器前、后温 度传感器，环境温度传感器( 可选) 和n o x 传感器等。图中蓝线是尿素液路， 黄线是尿素罐加热水路，在尿素循环管路和尿素泵中安装有化冰用的加热丝。 2 1 2 工作原理 图2 - 1s c r 电控系统组成 本文研究的s c r 电控系统采用非压缩空气辅助喷射，工作时s c r 电控单元 接收来自发动机c a n 总线上的转速和负荷信息，采集排气温度，尿素液位和尿 素温度等信号，然后按照存储在电控单元中的控制策略，驱动喷嘴向排气管中 喷入适量的尿素。喷入的尿素在高温和催化剂的作用下发生热解和水解反应生 8 武汉理工大学硕士学位论文 成氨气，然后氨气将n o x 还原，生成氮气和水，随排气排出。当尿素停止喷射 后，为防止尿素结晶，尿素泵会将管路中的尿素抽回尿素罐。寒冷环境下s c r 系统自动启动加热功能，对尿素进行化冰操作1 2 0 】。 2 1 3 反应原理 1 ) 氨气的生成 喷入排气管中的尿素溶液经过以下几个阶段生成氨气 2 1 , 2 2 l 。 尿素溶液蒸发析出尿素颗粒： ( n h 2 ) 2 c o 一( n i - 1 2 ) 2 c o + h 2 0 ( 2 - 1 ) 尿素颗粒热解生成氨气和异氰酸： ( n h 2 ) 2 c o n h 3 + f 1 n c o ( 2 2 ) 异氰酸进一步水解成为n h 3 和c 0 2 ： h n c o + h 2 0 一n h 3 + c 0 2 ( 2 - 3 ) 2 ) n o x 的催化还原 标准s c r 反应 4 n h 3 + 4 n o + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 - 4 ) 快速s c r 反应 4 n h 3 + 2 n o + 2 n 0 2 + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 - 5 ) 柴油机尾气中，n o 占n o x 排放的9 0 以上，n f l 3 催化还原n o x 的主要反 应如式( 2 4 ) ，又称为标准反应。此反应在温度为3 0 0 - - 4 0 0 时n o x 有较高 的转化效率，但在温度较低( 2 5 0 ，发动机冷起动) 时，转化效率很低。 国内外相关研究表明，当排气n o x 中n 0 2 的比重增加时，低温环境下n h 3 对n o x 的转化效率会相应地提高【2 3 2 4 1 。其中式( 2 5 ) 的反应可在较低温度下进 行，当参加反应的n o 与n 0 2 浓度之比为l 时，n o x 转化效率最佳。此反应在 低温下的反应速率是s c r 标准反应的1 7 倍，故被称为快速s c r 反应。因此， s c r 技术应用中常在催化转化器上游安装一个预氧化装置将排气中的一部分 n o 先氧化成n 0 2 ，再参加快速s c r 反应，以提高低温下n o x 的转化效率【2 泌 2 7 1 。 其它副反应 4 n f l 3 + 5 0 2 4 n o + 6 h 2 0 ( 2 6 ) 4 n f l 3 + 3 0 2 2 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 - 7 ) 2 n h 3 + 2 0 2 一n 2 0 + 3 h e o ( 2 - 8 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 n h 3 + 2 n 0 2 + h 2 0 n h 4 n 0 3 + n h 4 n 0 2 ( 2 9 ) 此外在催化器中也存在着副反应发生，如式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 和( 2 9 ) 。 这些副反应会导致化学反应速率减慢，n o x 转化效率下降。同时由于反应的不 完全，还可能出现n h 3 的泄露，造成二次污染。 2 2s c r 电控系统控制策略 安装有s c r 后处理装置的发动机在各个工况点下其n o x 排放会出现以下3 种情况： 1 ) n o x 排放量超标( 尿素喷射量不足) ； 2 ) n o x 排放量在法规限值以内，n h 3 泄漏量没有或很小( 泄漏量 1 0 p p m ，尿素喷射量过多) 。 尿素喷射控制策略制定的目标是在满足n o x 排放限值的条件下n h 3 的泄露 量最小( 最大为1 0 p p m ) 。本设计中，s c r 电控系统尿素溶液实时喷射采用开环 控制。如图2 2 ，稳态工况时，根据发动机转速和负荷查询尿素稳态喷射m a p ， 输出稳态有效喷射量，瞬态工况时，首先根据发动机转速和负荷查询稳态喷射 m a p 来计算尿素溶液基本喷射量，然后再通过排气温度、催化器储氨模型对基 本喷射量进行修正，最终输出瞬态有效喷射量。 图2 2s c r 电控系统尿素喷射控制策略 在车辆实际运行过程中，复杂多变的工况使得根据发动机运行参数查表得 到的尿素喷射量与最优喷射量之间存在一定的差距。虽然在制定控制策略时考 虑了大量的修正，但是n o x 净化后的排放浓度没有反馈给控制单元，控制单元 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 便不会根据当前净化结果及时地调整尿素喷射量，而是仍然按照程序中的标定 值进行喷射，这样将导致n o x 排放超标或者n h 3 泄露。 为了能够进一步提高n o x 转化效率，就需要以限定的n o x 浓度为目标进行 闭环控制。采用闭环控制的s c r 系统会在催化器后的排气管上安装n o x 传感器， 控制单元通过n o x 传感器获得净化后的n o x 浓度，尿素喷射计算模型根据此浓 度输出修正增量，目标喷射量与修正量的和作为下一次的尿素喷射量。除了选 择在催化器后加装n o x 传感器外【2 8 】，还可以选择使用n h 3 传感器 2 9 , 3 0 ，3 。安装 n h 3 传感器的s c r 系统以限定的n h 3 浓度为控制目标进行尿素喷射，严格控制 n h 3 的泄露。此外，闭环控制还可以对催化剂的老化和尿素喷射压力波动进行优 化【3 2 1 。图2 。3 和2 4 分别是t n o 公司基于n o x 传感器和n h 3 传感器的闭环控制 系统框图【3 3 1 。 冀竽= ，1 发动机排放 螳l i t , 4 i ，菰秸筷堑 一j ， j u l ，0 二：e n o x 预估 n i l 3 吸附补 偿 挂量厂一 空速一in s r m a p 弓i a n o n o x ：噬塑堑垄刻n o x 模型广j 2 2 1x 传感器 传感器 胭h u l 云 图2 - 3 基于n o x 传感器的闭环控制 图2 4 基于n h 3 传感器的闭环控制 图2 5 为通过不同技术得到的n o x 转化效率优化曲线f 3 4 】。从图上可以看出， 武汉理工大学硕士学位论文 开环控制最大的n o x 转化效率为8 0 ，闭环控制n o x 转化效率最大可达9 5 。 图2 5n o x 转化效率优化 虽然闭环控制的优势非常明显，但是控制策略十分复杂，加之n o x 传感器 和n h 3 传感器的精度、可靠性得不到充分的保证，此项技术的应用目前还不成 熟。而开环控制策略相对比较简单，且能够满足当前和今后一段时间内的应用 要求，所以本研究中s c r 电控系统仍然采用开环控制策略。 2 2 1 尿素喷射稳态控制模型 如图2 - 6 ，尿素喷射稳态控制模型即尿素溶液需求量计算模型【3 5 1 。首先根据 原机排放的n o x 浓度计算n h 3 的需求量，然后再转换成尿素溶液的需求量，输 出稳态有效喷射量。 图2 - 6 尿素溶液需求量计算模型 2 2 1 1 排气n o x 质量流量计算 台架试验测得的是发动机排气中原始n o x 的体积浓度，单位p p m ，即1 0 0 0 0 0 份排气中n o x 所占的份数，也就是n o x 与排气的物质的量之比。为了计算尿素 的喷射量，需要将n o x 的体积浓度( p p m ) 转换成质量流量( m g s ) 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7n o x 质量流量计算模型 图2 7 是n o x 质量流量计算模型，首先根据发动机的转速和负荷查m a p 图确定当前工况下的排气质量流量( k g h ) ，排气质量流量除以排气摩尔质量得 到排气的物质的量( 流量) 。根据体积浓度的定义，将排气的物质的量( 流量) 乘以n o x 的体积浓度和n o x 的摩尔质量便得到n o x 的质量流量，单位为k g h 。 计算公式如式2 1 0 ，其中2 7 7 7 8 是将单位k g h 换算成m g s 的转换因子。计算 得到的n o x 质量流量经过1 阶滤波后，便可以作为判断n h 3 需求量的输入参数。 m l = v l 1 0 0 0 0 0 0 m 0 m 1 m 0 2 7 7 7 8 ( 2 1 0 ) 式中m l n o x 质量流量m g s v 1 n o x 体积浓度p p m m 0 - 刊 气质量流量m g s m 1 排气摩尔质量2 9 9 m o l m o _ 刊o x 摩尔质量4 6 9 m o l 2 2 1 2n h 3 需求量计算 根据反应方程式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可知，理想状态下1 m o l 的n h 3 和l m o l 的 n o x 正好完全反应。实际计算中将n o x 的摩尔质量等效为n 0 2 的摩尔质量，则 1 7 9 的n h 3 与4 6 9 的n o x 完全反应，定义此反应的理论化学因子为1 7 4 6 - - 0 3 7 。 而实际化学反应因子与催化器的特性和温度有关，这里为了简化算法，认为实 际化学反应因子等于理论化学反应因子。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 n h 3 需求量计算模型 n h 3 需求量计算模型如图2 - 8 ，排气中n o x 的质量流量乘以化学计量因子就 得到n o x 完全反应掉时所需的n h 3 的质量流量，即理论的n h 3 需求量。理论的 n h 3 需求量再乘以n o x 的目标转化效率则为实际的n h 3 需求量( 质量流量) 。 其中n o x 的目标转化效率是发动机转速和扭矩百分比的查表值，在台架试验确 定：稳定发动机工况，调整尿素喷射量，监测催化器前后的n o x 浓度和n h 3 的 泄露量，定义n o x 排放不超标，n h 3 泄漏量在1 0 p p m 时的n o x 转化效率为目 标转化效率。 2 2 1 3 尿素溶液需求量计算 图2 9 尿素喷射量计算模型 尿素喷射量计算模型是将系统中n h 3 的需求量转换成尿素溶液的需求量。 根据化学反应方程式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 得o 5 m o l 的尿素溶液最终将水解 生成1 m o ln h 3 ，s c r 电控系统中使用的尿素溶液质量分数为3 2 5 ，则0 5 m o l 的尿素溶液质量为9 2 3 9 ，已知l m o ln h 3 质量为1 7 9 。定义两者质量之比为n h 3 和尿素溶液需求量的质量转换因子，其值为9 2 3 1 7 = 5 4 2 5 。如图2 - 9 所示，n h 3 需求质量流量乘以质量因子即为尿素溶液的需求质量流量。 2 2 1 4 尿素溶液最大需求量计算 尿素溶液的最大需求量是选择尿素泵流量的一个重要参数，其计算模型如 图2 1 0 所示，在计算得到的n o x 质量流量m a p 中找出最大值，然后乘以化学 反应因子和质量因子，便得到尿素溶液最大需求量。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 0 尿素溶液最大需求量计算 2 2 2 尿素喷射量排气温度修正 稳态控制模型中，控制策略考虑的仅仅是发动机各个参数稳定下的尿素喷 射量，而在实际运行时，如发动机转速或负荷陡增或陡降，由于催化器的热容 问题，其温度不能够随转速或负荷及时改变，这将影响n o x 的转化效率，为此 需要在稳态控制模型中加入排气温度修正 3 6 1 。 图2 1 l 变工况时的催化器床温变化曲线 2 2 2 1 发动机从高排温工况到低排温工况 在此过程中，排气温度从前一工况的高温变为当前工况的低温，而由于催 化器的温度阻尼作用，其床体温度并不是很快地降低到当前的低温状态，而是 逐渐地趋近当前温度。如图2 1 1 左边曲线所示，降温过程中的温度要比当前工 况的温度高，由n o x 转化效率与温度的关系曲线可知此过程中的n o x 转换效率 要比当前工况下的转化效率高。所以此时可以多喷一定量的尿素，提高n o x 实 际的转化效率。算法中设定降温修正系数大于l ，即在当前工况的尿素喷射量基 础上增加额外的喷射量。 2 2 2 1 发动机从低排温工况到高排温工况 排气升温过程中，如图2 1 l 右边曲线所示催化器的床体温度由前一工况的 低温逐渐上升到当前温度，此过程中的n o x 转化效率要小于当前工况下的转化 1 5 2 2 3 尿素喷射量催化器储氨修正 s c r 电控系统中的催化器具有一定的储氨能力，对于s c r 系统给定的催化 器，排气温度是影响其储氨能力的主要因素i 3 6 i 。当发动机从低排温工况瞬间过 渡到高排温工况时，催化器中存储的n h 3 会释放出来参与反应，这可能致使n h 3 过量从而出现n h 3 的泄露。当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时， 催化器的储氨能力增强，大量的n h 3 会存储在催化器中而不参与反应，这样便 会降低n o x 的转化效率。因此，s c r 控制策略还需要考虑催化器的储氨修正。 图2 1 2n h 3 储存释放速率计算模型 在催化器的储氨修正模型中，首先需要计算n h 3 储存释放速率，这就需要 知道系统中n h 3 的来源和去向。如图2 1 2 所示，进入到催化器里的n h 3 全部来 自于尿素的实际喷射量，其中大部分与n o x 参加反应消耗掉，还有一部分( x ) 在催化器中储存起来，如果n h 3 过量，则还有一部分泄露到大气中。 图2 1 3n h 3 生成速率计算模型 图2 1 3 是n h 3 生成速率计算模型，喷入到排气管中的尿素溶液经过水解生 成n h 3 。根据化学反应方程式，得到转换公式