（车辆工程专业论文）scr尿素计量系统结构设计及控制策略研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，汽车的节能环保作为一个世界性的课题在全球范围内为人 们所重视，为了减少汽车有害气体排放对生态环境的危害，世界各国 都相继采用了更加严格的排放法规。为了满足即将实施的国i v 标准， 研发国产解决方案。本文对催化反应还原系统( s c r ) 的运行机理进 行研究，通过试验和理论相结合的研究方法，搭建了s c r 后处理平 台，在此基础之上自主创新设计s c r 的核心部件：排气后处理用的 尿素溶液和空气混合计量泵系统，目前处于性能测试和标定阶段。 除此之外，本文作者完成的主要工作有： 1 在该平台基础上对s c r 的控制策略以及车载自动诊断系统 ( o b d ) 诊断策略进行了仿真设计，验证策略的合理性及有效性。 2 本课题采用c a n 总线进行数据通信及控制，为了使发动机电 控单元( e c u ) 、尿素喷射控制单元( d c u ) 、g r o u d f u s 尿素计量 泵以及v d on o x - s e n s o r 等总线节点有效的进行数据交互，验证控制 节点策略的有效性。对c a n 通信协议和j 1 9 3 9 通信协议的通信原理 以及计算机仿真软件c a n o e 在j 1 9 3 9 协议开发中的应用进行了深入 学习与研究，在仿真环境下创建了符合j 1 9 3 9 通信协议的虚拟网络， 并利用该虚拟网络完成了对实际节点的测试工作，实现了实际硬件与 d c u 虚拟节点以及虚拟仪表节点的通信，通信测试结果令人满意， 开发的通信模块可以满足实时通信的要求。大大缩短了开发周期，降 低了开发成本。 i 江苏大学硕士学位论文 3 与课题组其他成员共同搭建了s c r 台架测试系统，并且进行 了试验分析和初步的数据标定，试验结果表明本课题解决方案能够满 足国i v 阶段排放法规的要求。 关键词：s c r ，o b d ，c a n 总线，j 1 9 3 9 协议，c a n o e 江苏大学硕士学位论文 a tp r e s e n t ，t h ee n e r g y 。s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o no f a u t o m o b i l e sa saw o r l d w i d ep r o j e c th a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t or e d u c et h et o x i ce x h a u s to fc a r s ，d i f f e r e n tc o u n t r i e sa d o p t e ds t r i c t e r e m i s s i o nr u l e s t om e e tt h eu p c o m i n gc ni vs t a n d a r d ，d o m e s t i c s o l u t i o n ss h o u l d b ed e v e l o p e d t h i sa r t i c l es t u d i e d t h o r o u g h l yt h e o p e r a t i o n m e c h a n i s mo fs c ra n dt h e p h y s i c a l a n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f c a t a l y s t b y t h ec o m b i n e dr e s e a r c hm e t h o d so f e x p e r i m e n ta n dt h e o r y , o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gs c rp o s t - p r o c e s s i n g p l a t f o r m ，t h ec o r ec o m p o n e n t so fs c r a r ed e s i g n e d ：u r e aw a t e ru s e di n e x h a u s tp o s t - p r o c e s s i n ga n dc o m b i n e da i r d o s i n gp u m ps y s t e mw i t h i n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n c u r r e n t l y , t h e ya r ei nt h ep e r f o r m a n c et e s t i n g b e s i d e s ，t h ea u t h o r sm a j o rt a s k sa r ea sb e l l o w s ： 1 o nt h i sp l a t f o r m , t od os i m u l a t i o nd e s i g nw i t hs c rc o n t r o l s t r a t e g ya n do b dd i a g n o s t i cs t r a t e g yt ot e s t i f yt h er e a s o n a b l e n e s sa n d e f f i c i e n c y 2 t h i sp r o j e c ta d o p t e dc a nb u sw h i c hc o m m u n i c a t ea n dc o n t r o l d a t at oi n t e r a c td a t ab e t w e e nb u s p i t c hp o i n t s o f e c u ，d c u ， g r o u d f u su r e ad o s i n gp u m pa n dv d on o x - s e n s o re f f e c t i v e l y , v a l i d a t et h e p i t c hp o ms t r a t e g y t h ec o m m u n i c a t i o nt h e o r yo fc a n m 江苏大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dj 1 9 3 9p r o t o c o la n dt h e a p p l i c a t i o no f c o m p u t e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ec a n o ea r es t u d i e d v i r t u a ln e ti ss e t u p a c c o r dw i t hj 1 9 3 9c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nt h es i m u l a t i o na n dt h i sn e t i su s e dt ot e s tp r a c t i c a lp i t c hp o i n t s b yt h i sn e t ，t h ec o m m u n i c a t i o ni s r e a l i z e da m o n gp r a c t i c a lh a r d w a r e ，d c uv i r t u a lp i t c hp o i n t sa n dv i r t u a l m e t e rp i t c hp o i n t s t h er e s u l t sa r es a t i s f y i n g t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e c a nm e e tt h er e q u e s to fr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，c u t t h ed e v e l o p m e n t p e r i o da n dr e d u c e dt h ec o s ts h a r p l y 3 w i t ho t h e rm e m b e r s o f t h i sp r o j e c t ，s c rb e n c ht e s t i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e da n dt h ee x p e r i m e n ta n d p r i m a r yd a t ac a l i b r a t i o na r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h er e s u l tm e e tt h er e q u e s t so fc ni v e m i s s i o nr u l e s k e yw o r d s ：s c r ，o b d ，c a nb u s ，j 1 9 3 9p r o t o c o l ，c a n o e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密q 学位论文作者签名：黼 文9f 。拜占月7y 日 指导教师签名： 、l i 夕手 、p o 年b 月i 1 1 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲揍撕 日期：幽珈年易月j ) e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车的节能环保作为一个世界性的课题在全球范围内为人们所重视。为了减 少汽车有害气体排放对生态环境的危害，世界各国都相继采用了更加严格的排放 法规，如欧盟在2 0 0 5 年实施欧，并在2 0 0 8 年实行欧v 排放法规。欧v 法规的 n o x 排放限值比欧降低6 0 ，p m 的排放限值相应下降8 0 ；美国在2 0 0 7 年 实施e p a 2 0 0 7 ，p m 排放值为0 0 1 9 b h p h r ，n o x 排放值为0 2 0 9 a , h p h r 。我国重 型柴油车排放标准国皿v 已于2 0 0 6 年发布，技术内容等效欧洲相应技术法规 ( 欧i v ) ，实施时间分别为2 0 0 8 年、2 0 1 0 年和2 0 1 2 年，北京在2 0 0 8 年开 始执行国，国技术已经逐步进入我国社会【1 1 。 柴油发动机作为卡车、客车以及非道路用车如拖拉机、农用车以及工程机械 等的主要动力输出，有着广泛的应用群体，如何降低柴油发动机的排放，以应对 法规，需要我们长时间付出不懈的努力。从表1 - 1 中可以看出，有害气体的排放 限值有了很明显的下降。其中最少的下降了81 ( hc ) ，最高的达到了( pm ) 94 ( 见表1 - 1 ) 2 1 。可见随着排放法规的不断严格，有害气体的排放有了明显 减少，生态环境得到了保护。但作为传统动力代表的柴油机，为满足日益苛刻的 排放法规，仅凭机内净化而没有后处理技术的参与已经变得越来越困难。究其缘 由，柴油机尾气的两大污染物n o x 与p m 的形成与含量存在着相互制约( t r a d eo f f ) 的关系。努力减少其一，必然导致另一污染物增加，即通过机内措施同时减少或 消除n o x 和p m 的排放是极其困难的。 为了满足未来新的排放法规的要求，如何协调柴油机油耗和排放，特别是欧 排放的基准上进一步降低n o x 排放，相关领域的技术专家从燃油品质、柴油 机机内净化技术、机外净化技术( 尾气后处理技术) 等三个方面寻求策略。提升 柴油品质包括降低柴油中的硫含量、控制柴油的十六烷值、添加剂的使用；机内 净化技术包括电控高压燃油喷射技术、进气涡轮增压技术、进气中冷技术、废气 再循环( e g r ) 、均质混合压燃技术( h c c i ) 等。但在欧v 排放法规面前， 仅仅依靠这些是远远不够的，必须在此基础上综合使用排气后处理技术来控制 江苏大学硕士学位论文 n o x 和颗粒物。国际上，为满足更严格的排放标准，如欧i v v 或者u s 2 0 0 7 标 准，基本卜都是通过进一步改进欧发动机机内燃烧技术，加上s c r 或 e g r + d p f ( 废气循环+ 颗粒捕集器) 等后处理系统来实现的刚。 表1 - i 趾洲重型采油瓤* 玻标准g k a r - h r ( s m o k ei nr 1 ) t a b 1 1e u r o p e a nr c a w - t l u t 7d i e s e le n g i n eb t h s u ! ts t a n d a r d 在我国，由于技术和社会原因，一直在寻求其他替代技术路线，试图走出一 条既经济又可行的方案。主要有以下三方面的考虑， 1 、技术压力。对于国发动机以及后续国、国v 升级我们并未完全掌 握自主核心技术，为了满足新的法规要求，仍需寻求国外技术支持；对于排气后 处理装置，同样面临这个技术压力的问题。 2 、成本压力。发动机成本压力，主要来自高压电控供油系统如高压戴轨 系统约占发动机成本三分之一：后处理装置的成本压力，估计也占产品的三分之 一0 3 、社会压力。采用排气后处理技术将带来社会基础设旖压力，如s c r 系统 使用的筝用尿素a d b l u e 的存储和供给；e g r + d p f 这种先进排放技术要求的高 质量低硫柴油等等。这些成本初期可能由石化企业承担，最终会转嫁到社会。当 然还有其他熏要问题，如各地燃料质量差异；e g r + d p f 或s c r 使用过程中的作 弊问题，如实际使用中e g r 率低于型式认证值；s c r 系统中尿素使用量变少或 不使用等等，导致氮氧化物排放大幅增加。 国际上，考虑到技术成熟性和稳定性，咀及技术升级方便性，一般都采用大 家都认可的主流技术。欧美等发达国家一车辆排放控制要求严格而且处罚严厉， 江苏大学硕士学位论文 所以追求一种既满足社会需要，又在未来发展上可节省成本的技术发展方向。从 排放法规不断升级的长期观点考虑，国外选定一个可以不断技术升级的基础平台 的做法很值得我们借鉴。 1 2 柴油车排气后处理技术 1 2 1d p f 技术 d p f ( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 是一种减少p m 排放的有效手段，该技术的 应用方法是先用d p f 捕集废气中的p m ，然后通过对收集的p m 进行氧化来使 d p f 再生。他可以从柴油机排气中去除碳烟颗粒，效率超过9 0 。市场对d p f 的需求日趋明显，因此各汽车厂家和研究机构都加大了对d p f 的研究投入，不 断有实用化的技术推出，并进行了应用。具有代表性的有雪铁龙公司的添加剂再 生d p f 剂再生d p f , j o h n s o nm a t t h e y 公司的c r t 连续再生d p f ，以及e n g e l h a r d 公司的d p x 催化燃烧再生过滤器( c d p f ) 。特别值得注意的是，越来越多的研究 表明柴油车排放的小颗粒对人体健康危害非常大，因此越来越多的国家关注机动 车的小颗粒排放，而颗粒捕集器是未来解决小颗粒排放问题的最有效方法之一。 d p f 的研究主要集中在过滤材料和过滤体再生2 个关键技术上，目前这两大 关键技术都有所突破：碳化硅壁流式过滤体在国外已经广泛使用，与此同时，新 型的金属型过滤体以及性能更佳的钛酸铝材料也已经被开发出来。在再生技术方 面，依靠柴油机控制为基础的催化再生和燃油添加剂催化再生已经有相当的使用 经验和很好的应用前景 4 , 5 1 。 1 2 2s c r 技术 n o x 的n h 3 s c r 技术始于2 0 世纪7 0 年代，国外已广泛应用于固定源烟气 脱硝 6 1 ，s c r 是s e l e c t i v e ( 选择性) 、c a t a l y t i c ( 催化) 、r e d u c t i o n ( 还原) 的英 文缩写。它的原理是利用v 2 0 5 f r i 0 2 催化剂，在氧气大大过量的条件下让n h 3 选 择性地还原n o x 到n 2 。使用了以t i 0 2 为基础的催化剂保证了催化转化器对s 0 2 有很强的耐受性。目前，n i t 3 s c r 被视为最有希望实际应用于重型柴油机尾气 n o x 净化的技术之一。考虑到氨的强刺激性与毒性为公众难以接受，氨的碱性 3 江苏大学硕士学位论文 对设备有较强的腐蚀性，研究者们倾向于以尿素( 3 2 5 的尿素水溶液u r e a s c r ) 代替氨选择性催化还原柴油机尾气中的氮氧化物( n h 3 s c r ) 。为了提高 u r e a s c r 体系净化n o x 的效率，减少氨的泄漏，m a n 公司提出了基于u r e a s c r 体系的v h r o 系统。“v 为前置的氧化催化剂，该催化剂的作用是将排气中的 部分n o 氧化为n 0 2 以提高s c r 催化剂的低温活性；“h 为尿素水解催化剂， 其作用在于加速尿素水解，从而有利于随后的n o x 选择性还原；“r ”为s c r 催 化剂，在该催化剂床层中，排气中的n o x 与尿素水解形成的氨发生选择性还原 生成n 2 ：“o 为氨选择性氧化催化剂，可将排气中氨转化为n 2 以减少氨的泄漏。 目前，u r e a s c r 体系已成为满足欧v 与u s2 0 0 7 的重型柴油车n o x 净化首选技 术。 1 3 满足国i v 排放标准的技术路线及国外选择 下面分析前述的( e g r + d p f ) 和s c r 两种主流的排放控制系统 7 - 堋。 s c r 系统主要由三部分组成：催化剂系统、尿素供应系统和尿素喷射及控 制系统。催化剂安装在排气管上，外观和消声器类似，但比消声器的体积大。尿 素供应系统的尿素通常以其3 2 5 的水溶液( a d b l u e ) 进行存储。尿素罐容量通 常为2 0 5 0 加仑，设计时要考虑在空间及重量允许的情况下，尽量扩大尿素罐的 容积。尿素喷射及控制系统的尿素喷射和控制系统比较复杂，包括一些传感器， 其功能是在各种工况环境下精确控制尿素喷射量。优化的尿素喷射策略也是至关 重要的，以保证n i - 1 3 和n o x 比例得到实时有效控制。 e g r + d p f 系统中，e g r 以提升颗粒物的排放为代价，将发动机的n o x 排 放降低到标准要求以下，而通过d p f 将颗粒物的排放降低到标准要求。 从国际上来看，无论哪种技术都是成熟技术，都要求在改进欧发动机机 内燃烧技术的基础上，再配装排气后处理装置( 如图1 - 1 所示) 。 4 江苏大学硕士学位论文 。1234 n o x 56 m 7 8 91 0 图1 - 1 满足喜扳排斌技术路线 f i g 1 _ 1t e c h n i c a lr o u t e sm e e ta l lk i n d so fe is s i o ns t a n d a r d s 1 3 1 美国的主流技术选择 早在2 0 0 0 年，美国主要的柴油机制造商就宣布其满足u s 2 0 0 7 排放法规的 技术路线将在s c r 或e g r + d p f 两个技术方案间做选择。截至目前美国市场 主要采用e g r + d p f 技术来满足u s 2 0 0 7 排放法规。不过，虽近荑国e p a 发布了 认证s c r 技术的轻型和重型柴油车申请排放证书程序( e p a - h q o a r 2 0 0 6 - 0 8 8 6 - 0 0 0 2 ) ，这表明美国市场也开始使用s c r 技术。 1 - 3 0 欧洲的主流技术选择 早在2 0 0 3 年7 月，制造商们就已经选择s c r 技术来进一步减少n o x 排放 以满足排放法规的要求。目前，在欧洲已经得到示范应用。为促进该项技术在欧 洲的推广出台了a d b l u e 计划，美国能源公司巨头埃隶、法国道达尔菲纳埃尔 夫公司以及英国b p 石油等石油公司，戴克、福特、菲亚特、大众、德国曼汽车 集团、康明斯、沃尔沃、依维柯、雷诺_ 、s c a r e 、奥迪、道依茨等汽车与发动 机制造商，还有众多的催化剂公司与尿素生产商均参与其中。德国o m v 冶炼厂 正在巴伐利亚的一家加油站设立尿素零售店：l o 辆奔驰商用车各进行了1 4 2 9 万公里的测试；s h e l l 公司也于2 0 0 3 年开始了该公司的第一家“a d b u l e ”尿素设 施；德国最大的能源零售公司a 脚正计划在自己的研究基地进行u r e a - s c r 技术 气候适应性测试。此外，戴姆勒一柯莱斯勒公司联合奥迪、大众公司共同在美国 啉哺眦 l 鼍差 江苏大学硕士学位论文 确立柴油机净化技术品牌b l u c t e c ，该净化技术包括氧化催化剂、d p f ( 柴油颗 粒过滤器) 、n o x ( 氢氧化物) 吸附还原催化剂、屎素s c r ( 选择性_ i 生；原催化剂) 等( 如圈l 一2 所示) 。目前欧洲的趋势是长途载重车通常选用s c r 技术，而短途 运输或者城市公交车则选择e g r + d p f 技术。 目卜2b l u e t e c 排气系统图 f i g l 一2b l u e t e ee a i s s i o s y s t e mc h a r t 1 3 3 导致欧美选择不同丰流系统的主困 一宦以柬，美国的燃油价格要比欧洲的燃油价格低，而尿素价格则相对较高； 另个原因是尿素的供应问题一直找不到卟合理的解决方案；同时，u s 2 0 0 7 标准对新车提出了1 5 0 0 0 0 k m 无维修的要求，这些冈素都阻止了s c r 技术在美 国的应用，因为大约每5 0 0 0 k i n 就要添加一次尿素。园此如果要采用s c r 技术， 还需要向美国e p a 申请特别许州。 欧洲的选择丰要是基于成本因素。欧洲的燃油价格很高，s c r 技术具有的 较好燃油经济性使该技术成为首选。当然，在有些地方仍然需要采用e g r + d p f 技术，因为巢此地方法规仍然限制没有加装颗粒过滤器的车辆进入市区。 1 4s c r 与e g r + d p f 两种系统的技术经济性分析 1 4 1 技术性能对比 表1 2 从十个_ 方面综合对比了两者的优缺点。综合采看，s c r 系统在燃油经 济性、燃油喷射压力、机油含碳、对硫敏感度等方面比e g r + d p f 具有更明显的 江苏大学硕士学位论文 技术优势；e g r + d p f 技术对封装的要求低，也不需要尿素系统 表1 2s c g 与e g r + d p f 系统技术对比 t a b 1 2s c hv sb g g + d p f 燃油经济性降低6 增加2 燃油喷射压力 相对较低相对较高 燃油喷射时间 提前滞后 机油含碳没有问题有问题 对硫敏感度不敏感- 可接受5 0 0 p p m敏感，不能高丁5 0 p p m 对封装要求高 低 原国孤发动机结构保持不变改变 是否需要e g r 系统 不需要需要 是否需要尿素系统需要 不需要 _ 是否需要低硫油 不需要 需要 ( s o p p m ) 1 a 2 技术发晨连续性分析 鉴于国排放法规生效之后，国w 捧放法规也会逐步跟进，面向国 水平的发动机不得不朝着与国v 接轨的方向发展。重型发动机技术需在可靠性 和寿命上达到最高要求，表1 - 3 阐述了面向实现更高排放性能的两大主流技术 s c r 和e g r + d p f 的技术升级连续性n 。 裹卜3s 傩技术和e b k + d p f 的技术升氟连壤性 t a b 卜3s c na n de c r + d p fu p g r a d i n gc o n t i n u i t y s o t 技术 江苏大学项士学位论文 e g r 技术 ， r 技术不连续t e c h n o l o g y d i s c o n t i n u i t y 【_ | 参照欧标准r e f e r t 0e u r n m 增加用同措新技术s 眦g 山e m c 狐眦高级措枷技术a 山柚c c dm s l l r c 上述表格中七项技术不连续性的解释如下： 1 、增加用于降低n o x 排放的尾气后处理s c r 系统同时需要引进尿素 ( a d b l u e ) 供给系统i 2 、引进带冷却的废气再循环系统( e g r ) ； 3 、引进降低颗粒物排放的尾气后处理d p f 系统； 4 、与国相比，燃油系统具有更高的喷油压力； 5 、空气系统需具备提供高e g r 率的能力，例如，可变涡轮儿何面积( v t g ) 增压系统： 6 、将通透式被动再生的颗粒过滤器系统替换成壁流式生动再生颗粒捕捉系 统： 7 、引进主动再生d p f 的再生标定策略。 l 4 , 3 燃油经济性比较 与国i i i 阶段相比较由于对发动机进行了重新标定，提高了喷射压力加 丈了喷油提前角，使燃烧效率大大提高s c r 国发动机可节约燃油消耗5 左右，但同时需要多消耗尿素4 - 6 ：到国v 阶段s c r 发动机尿素消耗量增加 到5 - 7 ，但是燃油消耗可进一步降低6 左右。 江苏大学硕士学位论文 e g r + d p f 国发动机需多消耗2 的燃油。而到国v 阶段，e g r + d p f 技 术路线的尾气后处理装簧需要进行主动再生，燃油消耗将进一步增加，预计比国 发动机增加7 。而且由于较高的e g r 率使燃烧相对恶化，产生更多的颗粒 物，加速了机油的污损，间接提高了机油的更换频率，增加了成本。 1 4 4 具体实施瓶颈比较 对于e g r + d p f 技术路线，结合我国现有技术实力及国情，限制大规模推广 的主要瓶颈在于对燃油品质提出了极高的要求，其含硫量必须要低于5 0 p p m ，而 这对于燃油含硫量普遍超过5 0 0 p p m 的中国来说，推行如此低硫量的燃油意味着 将现有的炼油设备全面升级，随之带来的成本压力是非常惊人的。而实现欧v 还需要提供低含碳量的机油，这也提高了整体的运营费用。 而对于s c r 技术路线，关键难题在于需要在全国范围内解决尿素水溶液的 生产供应以及加油站配套尿素加注基础设施网络的建立。同时政府对s c r 车辆 的管理，规划以及相应法规的制定也将决定s c r 路线在中国的生命力。否则， 如果s c r 国汽车在没有尿素的情况下继续行驶，其真实的尾气排放将会更有 害于环境。 1 5 中国降低排放及后处理的现状及未来技术方向 国内主要在北京大约有4 5 0 0 辆采用s c r 技术的公交柴油车在运行，由公交 公司负责尿素供给。上海为迎接世博会也即将使用采用s c r 技术的公交车，广 州等其他城市也在试验这种车辆。中国汽车技术研究中心开发的车载排放测试系 统检测结果初步显示：( 1 ) n o x 排放约2 5 9 k m ；p m 约7 0 m g k r n 。同比n o x 排 放约下降7 5 ，颗粒物约下降5 0 。( 2 ) a d b l u e 消耗量：平均2 4 i 1 0 0 k m 。春 秋季节尿素消耗量在2 1 2 8 l 1 0 0 k m ，夏季消耗量在2 5 一l 1 0 0 k m 。而e g r + d p f 由于成本、油品以及升级潜力等问题，目前在国内尚无应用实例。 如果尿素供应问题能够解决，s c r 无论从技术开发可行性方面还是从燃油 经济性方面都应当作为首选技术路线。国内的各大发动机生产厂商对于应对即将 到来的国、国v 排放标准的方案也基本达成了共识，近几年加大了对s c r 项 目的研发力度。2 0 0 6 年玉柴机器自主研发推出了采用s c r 技术满足国排放 9 江苏大学硕士学位论文 法规的柴油机，2 0 0 8 年又推出了基于s c r 的国v 公交车柴油机。此外国内许多 柴油机厂也纷纷与b o s c h 、h i l i t e 等国际公司合作开发基于s c r 技术满足国 排放的发动机。二汽集团、武汉添蓝、张家口百通、无锡威孚立达、无锡凯龙等 也都在s c r 的关键零部件及控制器等领域进行了较为深入的研究。但到目前为 止，国内对于该领域的研究还处于起步阶段，许多核心部件都还依赖进口，国产 化任重道远。 1 6 本课题研究的主要内容 本文为院校与企业合作项目的子项目之一，研究目标是完成s c r 系统的构 建，实现对a d b l u e 的剂量控制；完成实验系统的设计，并通过台架实验来验证 控制软件的有效性和可靠性。主要工作如下： 1 、完成对现有国外s c r 系统的调研，在满足性能要求的前提下建立具有自 主知识产权，成本可控的系统架构。 2 、自主完成计量泵单元的设计，实现对参与s c r 反应a d b l u e 进行精确计 量。目前我们已经完成计量泵的设计和样品试制，初步完成零部件的结构性能参 数的标定。 3 、基于m a t l a b 中的s i m u l i n k 以及s t a t e f l o w 模块，进行s c r 系统控制策 略以及o b d 判断策略进行了仿真设计，验证策略的合理性及有效性。 4 、对c a n 通信协议和j 1 9 3 9 通信协议的通信原理以及总线仿真软件c a n o e 在j 1 9 3 9 协议开发中的应用进行了深入地学习与研究，并在仿真环境下创建了符 合j 1 9 3 9 通信协议的虚拟网络，利用该虚拟网络完成了对实际节点的测试工作， 实现了格兰富尿素计量泵、西门子n o x 传感器与d c u 虚拟节点以及虚拟仪表节 点的通信及现场控制。 5 、实验系统构建与初步实验研究：设计监控标定与数据分析软件，建立s c r 实验系统，能够对柴油机以及计量泵工作状态进行实时监控，可以在线修改关键 控制参数，通过实验初步完成控制m a p 图的标定，并验证d c u 软件设计的可 行性和可靠性。 1 0 江苏大学硕士学位论吏 第二章s c r 系统构建与计量泵硬件设计 2 1 样品分析 目前市场上成熟的己投入市场的s c r 系统主要分为空气辅助式和直接喷射 式两种。空气辅助式的代表是h i l i t 公司的产品，如图2 - 1 所示【1 1 1 ： 圈2 - 1h i l i t o 空气辅_ 畸式s c l t 罨坑 f i g 2 - 1h i l i t oa i r - b i $ r a n t $ c rs y s t e l 直接喷射式的代表是b o s c h 公司的产品，如图2 - 2 所示”2 1 ： 氧化催化嚣 s c r 催化嚣 禹2 - 2b o s o h 直接喷射式s c l t 系蟪 江苏大学硕士学位论文 f i g 2 - 2d i r e c ti n j e c t i o ns c ks y s t e m 博世系统的主要特点如下： 1 ) 尿素泵：直流无刷霍尔隔膜泵 2 ) 压力控n - 高速电磁阀控制，无蓄能装置 3 ) 喷嘴：线圈为低电阻( 1 9 q ) 、低电感( 1 3 m h ) ，电流式驱动 4 ) 系统在停止喷射后通过泵和换向阀清除u r e a 。 5 ) 喷嘴冷却( 尿素溶液冷却) 6 ) 喷嘴有雾化喷雾功能 7 ) 遍布电加热装置 2 2 自主设计s c r 系统结构与组成 b o s c h 系统的可控性高，同时体积较小，集成度较高，但是由于电磁阀喷 嘴直接安装在排气管上，对电磁阀本身的可靠性以及隔热散热要求很高，同时为 了保证雾化性能并防止结晶，使用了一套换向单元以及博世的专利雾化喷嘴结 构，制造工艺复杂，成本较高。为了寻求较高的性价比以及更为可行的国产化方 案，本课题主要借鉴了i - i i l i t e 系统的总体架构并以此为基础进行了全新的设计。 由于计量泵本体由设计到最终产品化需要较长的过程，为了保证系统其他部分能 得到较早的验证，隔膜泵，计量供给单元，p t c 加热元件以及计量驱动部可选用 g r u n d f o s 公司的同类集成产品兼容，为未来完全实现国产化提供便利，图2 3 为s c r 整体系统方案一。由于该方案的s c r 控制策略集成到了发动机e c u 中， 减少了一个控制单元，集成度较高，但对发动机厂商以及s c r 制造商的整合要 求较高，模块化较差，在此基础之上加以改进得到最终方案，如图2 - 4 所示。图 2 5 为计量供给单元1 0 1 的外观和剖面机构图。图2 - 6 为计量泵实物图。 该系统主要由隔膜泵、计量供给单元、空气电磁阀、p t c 加热器、计量驱动 部以及尿素罐、d c u ( 计量控制单元) 、催化器以及传感器等组成。隔膜泵1 0 0 在尿素罐1 0 6 之后，与计量供给单元1 0 1 通过符合j 2 0 4 4 协议标准的快速接头4 相连。计量供给单元1 0 1 通过底部的四个螺纹孔用螺栓固定在车架上。当发动机 开启之后，d c u 控制部1 0 8 即令隔膜泵1 0 0 工作，形成的压力储存在蓄压腔内， 江苏大学硕士学位论文 从喷射器体侧面的尿素溶液入口处进入尿素溶液喷射器体内部。即从快速接头 1 6 到尿素溶液入口至喷射器体侧面的尿素溶液入口建立尿素溶液传输通道，以 及密封环以下的液体区域形成压力储留区即蓄压腔，并与尿素溶液回流口相通， 通过背压控制部即溢流阀将回流的尿素溶液经快速接头1 1 连接的管路回流到尿 素罐1 0 6 。d c u 通过控制计量驱动部给电磁阀1 上电控制衔铁的吸合，由此带动 阀芯的开启( 通电) 或关闭( 断电) 实现尿素喷射的定时和喷射量的控制。由于 本系统的蓄压腔采用定压模式，只需要控制电磁阀的通电持续时间即可以确定喷 射量。 田2 - 3s c r 系统方囊一 f i g 2 - 3s c rs y s t 口p r o j e c to n e 江苏大学硕士学位论文 周2 - 4s c r 系统布置囤 p i b 2 - 4s c rs y s t e al a y o u t 田2 - 5 计量幕剖视图 f i g2 - 5 d o s i n gp t m ps e c t i o n a lv i e w 1 电磁阀2 一上弹簧座3 一弹簧4 压紧螺母5 一衔铁6 隔环7 喷射阀基座 8 、1 0 - o 型圈9 一法兰1 1 、1 2 、1 6 - 快速接头1 3 阀座芯1 4 阀芯1 5 一本体 国2 6 计量采实轴 f i g 2 6d o s i n gp u m p 混合腔压力 传焙骷接 力 江苏大学硕士学位论文 本系统具体组成如下： 1 ) 柴油机：本项目配套6 缸某型柴油机，该柴油机排量8 4 2 4 l ，直列六缸、 增压中冷，采用无锡油泵油嘴研究所自主开发的高压共轨系统。 2 ) 媾蓝控制器：添蓝控制器通过采集c a n 总线及各传感器的信号，根据柴 油机的工况变化和催化罂的温度变化，按照内部写定的稳态喷射策略和动态修正 策略，准确的控制定量给料单元向排气管中喷射添蓝。根据s a e i 9 3 9 商用车通 讯协议编制，能够在大多数车载c a n 网络系统中使用，o b d 车载诊断系统定义 d c u 的工程样品的开发已经完成，同时，添蓝控制器具各故障诊断功能，实时 对整个s c r 系统进行故障监测与诊断，目前处于调试和功能完善阶段。 3 ) 催化器：催化器是s c r 系统中的重要组成部分，为催化剂的储存容器， 是发动机尾气中n o x 与添蓝水解产生的n h 3 发生催化还原的主要空间。在本 s c r 系统中，以陶瓷蜂窝结构为载体，孔密度为4 0 0 p s i ，涂覆b a s f 公司的钒基 催化剂，集催化器和发动机排气消声器为一体。整体重量7 0 千克左右，材料为 不锈钢，内装催化器和消卢管路，表层不锈钢板下装有绝热材料。如图2 - 7 所示： 尿素 0 0 m m g * *m n t 田2 - 7 催化嚣培掬 f i g 2 - 7 “t s l y s | ts t r u c t u r e 4 ) 计量供给单元：本s c r 系统自主开发的计量泵尚处于试制阶段，还不足 以进行整机台架实验为了保证整个系统的完善性，实验过程中选用的是格兰富 公司生产的定量给料泵，流量范围为7 s m l h 。7 5 0 0 m l h 理论精度0 0 m l h 。定 量给料泵上有4 个接头，分别是：空气供给、添蓝供给、添蓝回流、添蓝喷射。 该泵正常工作需要使用6 1 0 b a r 的压缩空气来辅助添蓝的喷射和雾化，在喷射 过程中，泵的空气流速大约为2 0 2 2 升，分钟。添蓝控制器通过c a n 总线向定量 给料泵发出命令，控制定量给料泵启动、初始化、喷射、排空。如图2 - 8 所示： 江苏大学硕士学位论文 5 ) 喷嘴：喷嘴安装在排气管上，作用是将定量给料单元送束韵添蓝与压缩 空气的混合物喷入排气管，并使混合物均匀雾化。喷嘴的理想位置是在一段笔直 的排气管上，且径向必须居中。本s c r 系统中的喷嘴有四个直径为05 r a m 的孔， 释向喷射可能产生涡流，使得混合更均匀。 6 ) 添蓝罐：添蓝罐用于储存添蓝添蓝的成分为3 2 5 的尿素水溶液，不 易着火，低腐蚀性，冰点为1 1 。添蓝罐的尺寸应与添蓝爿j 量相匹配。对十欧 标准，添蓝消耗量大约为燃油消耗量的5 ，欧v 大约为7 。 7 ) 防冻液电磁阀：防冻液电磁阀为添蓝化冰服务，当添蓝控制器认为需要 对添蓝罐和添蓝管道内的添蓝进行加热，将会控制防冻液电磁阀打开，热的发动 机冷却液就会顺着管道流向添蓝罐，使得舔蓝罐内的添蓝温度升高。由于冷却液 管道和添蓝管道扎在一起，外套保暖管所以添监管道的温度也会同时升高。 8 ) 传感器：添蓝罐液位传感器和添蓝罐温度传感器用柬监测添蓝罐内添蓝 的液位和温度的信号，催化器入口温度传感器和催化器出口温度传感器用来监测 催化器内部温度的变化。n o x 传感器用来检测排气中n o x 的含量。传感器把各 种参数转化为电信号传输至d c u ，通过控制策略对喷射量加以修正。如图2 - 9 所示； 圈2 - 8 格兰富尿素计量泵 f i g2 - 8g r i i n d f o s 沁s j n gp u m p 1 6 江苏失学硕士学位论文 位传感器 尿嚣罐 包括冷却水加热功能 鸹2 - 9s c r 系境部分实轴 f i g2 - 9p 4 r t so fs c r 2 3 s c r 系统降n o x 的反应机理 2 3 i a d b l u e 物理特性描述 水溶尿素解决方案( 3 2 5 的尿索水溶液) “添蓝( a d b l u e ) ”是欧洲市场对特定配比浓度的尿素水溶液的称谓 舶来词。相关详细标准可以参考d i n 7 0 0 7 0 ：2 0 0 5 4 ) 8 以及d i n v 7 0 0 7 1 ：2 0 0 5 - 0 6 无色，无毒，无嗅，不易燃 通常用于化学，制药以厦化肥制造领域 冰点为零下十一摄氏度 在冰点的时候体积膨胀7 ( 比水要小) 在较高温度时的p h 值为9 1 1 下图2 - 1 0 所示为尿素水溶液在不同浓度不同温度下的状态反映，由试验证明 3 2 5 的尿素水溶液冰点是低。 江茹大学硕士学位论文 茗 兰 j 种 ： 。 礴。：1 “ 国2 - 1 0 犀索水溶涟冰点试验 f i g2 - 10u r e af r e e z i n gp o i n tt e s t 2 3 2 a d b l u e 化学特性描述 喷嘴将“添蓝”( a d b l u e ) 以液滴的形式喷入排气后，随着液滴的雾化与扩 散，因排气温度较高导致液滴水分蒸发从而产生崮体或熔化的尿素，其熔点为 1 3 2 。c ，如式( 2 1 ) 所示，尿素随之热分解为等痒尔的m 和异氰酸( h c n o ) ， 见式( 2 - 2 ) 。h c n o 在气相时非常稳定，因此，添蓝从喷入排气到催化剂之前发 生的化学反应过程可以概括为0 3 , 1 】： ( w ：) ：c 0 ( 液) 寸( w 2 ) ：c o ( d + 7 也0 ( 吸热反应) ( 2 - 1 ) ( n h 2 ) 2 c 0 ( 同) - + 珊，( 气) + h c g o ( 气) ( 吸热反应) ( 2 - 2 ) h n c o + 日2 0 + n h 3 + c 0 2( 2 3 ) 在催化器中，由a d b l u e 水解反应得到的n h 3 和n o x 发生的土要反应如下： 4 n h ， 4 n o 0 2 _ + 4 n l + 6 h | 01 2 书 由于在柴油机的n o x 排放中n o 占9 0 以上，而且0 2 参。jr 反应所以 称反应( 2 - 4 ) 为标准s c r 反应该反应表明理论上n h n o 摩尔比为1 。存自 氧条件下还会发卡反应( 2 5 ) ： 4 n h 3 + 2 7 7 0 2 + 0 2u + 3 h 2 + 6 j 2 0(